KR100553620B1 - 반도체 장치 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 구리 배선의 산화 및 구리의 확산으로 인한 저항의 증가를 방지하는 것이다.
상기의 목적은, 절연막 내에 형성된 구리 배선(2)의 상면을 덮는 배선 보호막(1) 및 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싼 배리어막을 포함하며, 배선 보호막 및 배리어막은 (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨, 인 적어도 하나, (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로 형성되는 반도체 장치를 제공하는 본 발명에 의해 성취된다.
구리 배선, 배선 보호막, 배리어막, 코발트 합금막, 무전해 도금

Description

반도체 장치 및 제조 방법{SEMICONDUCTING SYSTEM AND PRODUCTION METHOD}
도 1a∼도 1h는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 공정을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 반도체 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 반도체 장치의 다른 실시예를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 반도체 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도.
도 5는 두 개의 에칭 정지층이 제공되는 본 발명의 반도체 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도.
도 6은 에칭 정지층이 배선층의 상단에만 제공되는 본 발명의 반도체 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도.
도 7a∼도 7h는 도 5 및 도 6에 도시된 에칭 정지층(9)을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 공정을 도시한 도면.
도 8은 종래의 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 9는 종래의 반도체 장치를 나타내는 표면도.
도 10a∼도 10h는 종래의 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 공정을 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 반도체 장치의 다른 실시예를 나타내는 단면도.
도 12는 본 발명의 반도체 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 배선 보호막
2 : 구리 배선
3 : 배리어막
4 : 절연막
5 : 씨드층
6 : 구리막
7 : 배선홈
8 : 배선 보호막
9 : 팔라듐층
10 : 접속홀
11 : 배선 플러그
본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 구리로 된 배선 구조를 가지며, 상기 구리 배선을 둘러싸는 -즉, 구리 배선의 상면을 덮는 배선 보호막 및 상기 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싸는 배리어막을 갖는 기본 구조를 가진 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 고집적화 및 성능 개선을 위해서는 장치의 동작 속도의 향상이 필요하다. 이러한 요구에는 LSI 내부 배선의 미세화의 진보 및 층수의 증가가 수반된다. 배선의 미세화 및 층수의 증가는 배선 저항 및 배선간 용량의 증가를 유발하며, 배선 내에서의 신호 전송 속도에 영향을 준다. 속도의 증가는 이러한 지연 시간에 의해 제한되므로, 배선간 용량을 줄이기 위하여 층간 절연막의 유전율이 감소되어야 한다. 동시에, 상기 동작 속도는 저저항 배선 재료를 사용하여 배선 저항을 감소시킴으로써 향상된다.
따라서, 1.7μΩcm의 낮은 비저항을 가진 구리가 배선 재료로 사용될 수 있는지에 대한 연구가 행해져왔다. 구리 배선을 형성하기 위한 기술로서 듀얼 다마신(Dual Damasscene) 방법이 주의를 끈다. 이하, 도 10을 참조하여 이 방법의 일례를 설명한다.
기판(본 예에서는, 하층 배선(2b)을 가지며 높은 절연 특성을 갖는 보호막(8)이 전면에 제공되는 하층 배선층(10a)에 대응함)(도 10a) 상에, 절연막(4)이 형성된다(도 10b). 배선을 매립하기 위한 배선홈(7)과, 상층 및 하층 배선 간을 접속시키기 위한 접속홀(10)이 상기 절연막(4) 상에 형성된다. 하층 배선층(10a)과 절연막(4) 사이에 절연성 배선 보호막(8)이 위치하므로, 배선 보호막(8)은 접속홀(10)의 저면로부터 제거될 수 있다(도 10c). 배리어층(3)이 배선홈(7)과 접속홀(10) 상에 형성된 후(도 10d), 씨드층(5)이 형성되며(도 10e), 배선 재료(6)로 채워진다(도 10f). 그 다음, 화학기계적 연마(CMP)를 이용하여 배선 재료(6)의 과다 부분이 제거되며, 배선(2) 내의 배선 플러그(11) 및 상층의 접속홀(10)은 동시에 형성된다(도 10g). 그 다음, 배선(2) 및 절연층(4)을 덮도록 상기 배선 보호막(8)이 형성된다(도 10h). 이러한 이중 다마신 방법은 배선(2) 및 배선 플러그(11)가 한 번에 형성되도록 하여 실질적인 공정 비용의 감소를 보장한다.
한편, 구리는 절연막(4)과 반응하여 절연막 안으로 확산된다. 양호한 배선 신뢰도를 보장하기 위하여, 절연성 배선 보호막(8) 및 배리어막(3)이 전술한 바와 같이 구리 배선(2)과 절연막(4) 사이에 제공되어야 한다. 통상적으로, 구리 확산을 방지할 수 있는 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 질화 텅스텐 등의 금속 질화물과, 탄탈륨 및 텅스텐 등의 고융점 금속 및 그 합금이 배리어막(3)으로 사용된다. 한편, 절연 실리콘 질화막(SiN)이 구리 배선(2) 상의 배선 보호막(8)으로 사용된다.
그러나, SiN은 7.0 내지 9.0의 비유전율을 갖는다. 이것은 예컨대 SiO2 절연막의 유전율의 두배이다. 따라서, 이것은 극히 미세한 배선 패턴에서 배선간 전기 용량의 감소를 방해한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 배선의 상면 상에 배선 보호막으로서 도전막을 형성함으로써 전기 용량이 감소될 수 있다.
미국 특허 제5695810호는 코발트-텅스텐-인 도전막을 무전해 도금에 의해 배선 보호막으로서 형성하는 것을 개시하고 있다. 코발트-텅스텐-인 무전해 도금에 있어서, 일반적으로 차아인산 나트륨(sodium hypophosphite)이 환원제로 사용된다. 차아인산 나트륨은 구리와 반응을 하지 않아 구리 상에 직접 도금될 수 없는 불활성 환원제로 알려져 있다(G.O. Mallory, J.B. Hajdu, "Electroless Plating- Fundamentals & Applications", American Electroplaters And Surface Finishers Society, Florida, Page 318, 1990 참조). 따라서, 코발트-텅스텐-인막은 팔라듐과 같은 씨드층이 구리 배선 상에 형성된 후에 무전해 도금되어야 한다. 그러나, 이 경우에는 팔라듐이 배선층을 구성하는 구리와 반응하여 구리 저항을 증가시킬 수 있다. 또한, 팔라듐은 배선 이외의 절연막 상에도 피착될 수 있고, 코발트-텅스텐-인막도 배선 이외의 절연막 상에 형성될 수 있다. 따라서, 이것은 미세 배선을 형성할 때에 요구되는 배선간 절연을 감소시키는 문제를 일으킨다.
더우기, 일본 특허공보 16906/1999는 코발트 함유 무전해 도금이 산화방지 막으로 사용되는 것을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법에 의해 얻어진 코발트 함유 막은 구리 확산 방지막으로서는 불충분한 방지 성능을 갖는다. 반도체 장치 형성 공정동안이나 형성 후에 열처리가 실시되는 경우, 구리는 코발트 함유막을 통해 SiO2 안으로 확산된다.
일본 특허공보 120674/1994는, 회로 기판의 제조에 있어서, 텅스텐-코발트-붕소 합금을 주성분으로 하는 중간 금속막이 배선 도전체를 구비한 배선 보드의 표면에 형성되고, 구리로 구성된 회로 도전체로 코팅되는 것을 개시하고 있다. 그러나, 텅스텐-코발트-붕소 합금을 주성분으로 하는 중간 금속막은, 회로 기판 표면 상의 텅스텐 또는 몰리브덴의 배선 도전체와 그 표면 상에 형성된 구리의 회로 도전체 사이의 밀착력을 증가시키기 위한 것이지, 구리 배선과 절연막 사이의 배선 보호막으로 작용하는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 배선 보호막으로 사용된 SiN은 절연체이며, 높은 비유전율을 갖고 있다. 이것이 배선간 전기 용량의 감소를 방해하는 요인이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 배선 보호막은 전기 용량을 감소시킬 수 있는 금속 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 배선 보호막으로 알려진 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 질화 텅스텐과 같은 금속 질화물과, 탄탈륨 및 텅스텐과 같은 고융점 금속 및 그 합금은 선택적으로 구리 배선 상에만 형성될 수가 없다. 배선들 간의 단락을 방지하기 위해서는, 패터닝 및 에칭과 같은 복잡한 공정이 필요하다. 이것은 배선 형성 정밀도 및 신뢰성을 저하시킨다. 따라서, 금속 재료로 배선 보호막을 형성하기 위해서는 다음과 같은 2가지 과제가 해결되어야 한다.
(1) 구리 배선의 신뢰성을 보장하기 위하여, 열처리시 구리 배선이 산화되지 않게 하는 것과 함께, 구리 확산을 방지할 수 있는 금속 재료를 형성하는 것이 필요하다.
(2) (1)에 설명된 금속 재료는 선택적으로 구리 배선 상에만 형성되어야 한다.
이러한 2 가지 요건을 만족시키는 형성 방법이 제공되어야 한다. 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 질화 텅스텐과 같은 금속 질화물과, 탄탈륨 및 텅스텐과 같은 고융점 금속 또는 그 합금이 배리어막으로 사용될 때에는, 고저항으로 인해 구리 도금을 제공하기 위하여 씨드층이 형성되어야 한다. 특히, 급전층으로 동작할 수 있는 배리어막이 형성될 수 있는 경우에는, 전기 구리 도금이 배리어막 상에 직접 제공될 수 있으며, 도전막(구리 배선막)이 효과적으로 형성될 수 있다. 특히, 무 전해 도금을 이용하여 도전성 배리어막을 형성하는 경우, 배리어막은 배선의 복잡한 구성에도 불구하고 균일하게 형성될 수 있고, 전기 구리 도금의 씨드층으로 효과적으로 작용하게 된다. 그러나, 이러한 조건을 만족시키는 배선 보호막 또는 배리어막은 현재 알려져 있지 않다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상기 기술적 문제점을 해결하는 것이다. 더 구체적으로 말하면, 본 발명은 구리 배선의 산화로 인한 저항의 증가와, 구리 확산으로 인한 구리 배선 및 소자의 신뢰도 감소를 방지하고자 하는 것이다. 동시에, 이러한 반도체 장치 및 그 형성 방법을 제공하고자 하는 것으로, 상기 반도체 장치는 복잡한 구성에도 불구하고 구리 배선막을 균일하게 형성할 수 있게 하는 구리 배선 보호막 및/또는 배리어막을 구비한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 절연막 내에 형성된 구리 배선의 상면을 덮기 위한 배선 보호막, 및 구리 배선의 측면과 저면을 둘러싼 배리어막을 구비하며, 상기 배선 보호막 및/또는 배리어막은 (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄(rehnium), 탈륨 및 인 중 적어도 하나, 및 (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 반도체 장치는 또한, 다층의 구리 배선이 절연막 내에 형성되고, 배선 보호막 및 배리어막은 (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, 및 (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로 덮여 있으며, 상층 상의 구리 배선은 상기 배리어층을 통해 하층 상의 구리 배선과 전기 접속되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에서, 상기 반도체 장치의 제조 방법은 또한, 에칭 정지층으로서 작용하는 절연막은 배선 보호막이 형성되는 곳을 제외한 절연막의 표면 상에 형성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 에칭 정지층을 전면에 형성하면, 반도체 장치 제조 공정에서 에칭 접속이 용이해진다.
본 발명은, 절연막 내에 형성된 구리 배선의 상면을 덮기 위한 배선 보호막 및 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싸는 배리어막을 구비하며, 상기 배선 보호막 및/또는 배리어막은 (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, 및 (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법을 개시한다.
본 발명은 구리 배선의 산화로 인한 저항의 증가와 구리 확산으로 인한 구리 배선 및 소자의 신뢰도 감소를 방지하며, 배선 보호막이 선택적으로 구리 배선 상에만 형성될 수 있도록 한다. 다음, 배리어막이 상기 도전성 코발트 합금막으로 형성되고, 구리가 급전층없이 배리어막 상에 직접 도금될 수 있다. 이에 따라, 보이드 형성의 문제가 해결되고 씨드층을 형성하는 단계를 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 장치에서, 상기 코발트 합금, 즉 배선 보호막 및/또는 배리어막은 100 nm 이하의 두께를 가지고, 주성분으로서 50 내지 95 원자%의 코발트 및 1 내지 40 원자 %의 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, 및 0.1 내지 10 원자%의 붕소를 함유하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 장치 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 개시한다. 본 발명에 따른 반도체 장치는 다음 공정에 따라 기본적으로 제조된다(도 1 참조).
(a) (도 1a에 이미 형성된, 후술될 하층 구리 배선(2b) 및 배선 보호막(1a)에 한정되지 않는) 기판(10a) 상에 절연막(4)을 절연층으로서 형성하는 단계(도 1b)
(b) 절연막(4) 상에 배선홈(7) 및 접속홀(10)을 형성하는 단계(도 1c)
(c) 배선홈(7) 및 접속홀(10)에 배리어막(3)을 형성하는 단계(도 1d)
(d) 배리어막(4) 상에 씨드층(5)을 형성하는 단계(도 1e)
(e) 배선홈(7) 및 접속홀(10)에 구리막(6)을 매립하는 단계(도 1f)
(f) 배선홈(7) 및 홀(10) 이외의 절연막(4) 상에 형성된 구리(6)를 제거함으로써 구리 배선(2) 및 배선 플러그(11)를 형성하는 단계(도 1g)
(g) 구리 배선(2)의 표면 상에 배선 보호막(1)을 형성하는 단계(도 1h)
다층(도면에서의 4층) 상에 적층된 배선층을 갖는 반도체 장치는 도 2에 도시된 이들 단계 a 내지 g를 필요한 횟수만큼 반복함으로써 형성된다.
SiO2, 실세스퀴옥산 하이드록사이드(sylsesquioxane hydroxide), 및 메틸 실록산(methyl siloxane)과 같은 절연 재료, 각종의 저유전율 재료, 및 이들의 적층막이 절연막(4)으로서 사용될 수 있다. 구리 배선(2)은 전해 구리 도금 또는 무전해 구리 도금 중 하나에 의해 형성될 수 있다. 이하 설명되는 바와 같이, 씨드층(5)을 형성하는 단계가 제거될 수 있으며, 본 발명에 따른 코발트 합금막이 배리어막(4)으로서 사용되면 구리 배선(2)의 무전해 구리 도금이 용이해질 수 있다.
티타늄, 탄탈륨 및 텅스텐 또는 그들의 합금과 같은 고융점 재료, 및 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 질화 텅스텐과 같은 질화막이 배리어막(3)으로서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 코발트 합금막도 사용될 수 있다. 이러한 경우, 코발트계 무전해 도금조에 배선홈(7) 및 홀(10)을 갖는 기판을 침지시킴으로써 상기 형성 단계가 실시될 수 있다.
코발트계 무전해 도금조는 금속염, 환원제, 착화제(completing agent), pH 조정제 및 첨가제를 함유한다. 코발트염으로서는, 염화 코발트, 황화 코발트 및 질산 코발트가 사용될 수 있다. 텅스텐염으로서는, 텅스텐산 나트륨(sodium tungstate), 텅스텐산 암모늄, 인텅스텐산 암모늄 삼수화물(ammonium trihydrate phosphotungstate), 텅스텐산 암모늄 오수화물(parapentahydrate ammonium tungstate), 인텅스텐산 n-수화물 나트륨(sodium n-hydrate phosphotungstate), 12-텅스텐규산 26수(tungstosilicic acid 26-water), 텅스텐산(tungstic acid), 산화 텅스텐, 구연산 나트륨 텅스텐(tungsten sodium citrate), 이규화 텅스텐(tungsten disilicate), 붕산화 텅스텐 등을 사용할 수 있다. 텅스텐산 나트륨, 텅스텐산 암모늄, 텅스텐산, 구연산 나트륨 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 몰리브덴염으로는, 몰리브덴산(molybdic acid), 염화 몰리브덴, 몰리브덴산 칼륨(potassium molybdate), 몰리브덴산 이나트륨 이수화물(disodium molybdate dihydrate), 몰리브덴산 암모늄(ammonium molybdate), 규화 몰리브덴산 n-수화물 (silicide n-hydrate molybdate), 산화 몰리브덴 아세틸아세토네이토(molybdenum oxide acetylacetonato), 인몰리브덴산 나트륨 n-수화물(sodium phosphomolybdate n-hydrate), 붕산화 몰리브덴(molybdenum borate) 등을 사용할 수 있다. 크롬염으로서는, 크롬산 암모늄(ammonium chromate), 황산 암모늄 크롬 12수(ammonium sulfate chromium dodecahydrate), 염화 크롬 6수화물(chromium chloride hexahydrate), 황산화 크롬 n-수화물, 산화 크롬, 붕화 크롬, 2크롬화 나트륨 2수화물(sodium dichromate dihydrate) 등을 사용할 수 있다. 레늄염으로서는, 레늄산 암모늄(ammonium perrhenate), 헥사클로로레늄산 칼륨(potassium hexachlororhenate) 등을 사용할 수 있다. 탈륨염으로서는, 질화 탈륨, 포름산 탈륨(thallium formate), 염화 탈륨, 산화 탈륨 등을 사용할 수 있다. 인은, 포스핀산 나트륨 일수화물(sodium phosphinate monohydrate), 3-아미노프로필 포스피닉산 (3-aminopropyl phosphinic acid) 및 포스피닉산(phosphinic acid) 등으로부터 공급될 수 있다.
배선 보호막을 구리 배선막(2) 상에만 선택적으로 형성하기 위해, 환원제로는, 구리 배선(2)의 표면 및 코발트 도금막 상에서 반응이 진행되는 히드라진(hydrazine) 및 붕소 화합물을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 디메틸 아민보레인(dimethyl amineborane), 디에틸 아민보레인(diethyl amineborane), 아민보레인(amineborane), 모르포린 보레인(morpholine borane), 피리딘 보레인(pyridine borane), 파이피리딘 보레인(piperidine borane), 에틸렌 디아민 보레인(ethylene diamine borane), 에틸렌 다이아민 비스-보레인(ethylene diamine bis-borane), t-부틸 아민 보레인(t-butyl amine borane), 이미다졸 보레인(imidazol borane), 메톡시에틸 아민 보레인(methoxyethyl amine borane), 붕수산화 나트륨(sodium borohydride) 등도 사용할 수 있다. 이러한 환원제를 사용하면, 팔라듐(palladium)과 같은 도금 촉매를 사용하지 않고서도, 구리 배선(2) 상에 배선 보호막(1)이 직접 형성할 수 있다.
착화제로서는, 구연산염, 호박산염(succinate), 말론산염(malonate), 말레이트(malate), 주석산염(tartrate) 등이 사용되는 것이 바람직하다. pH를 조정하는 알칼리액으로서는, 수산화나트륨 및 수산화칼륨 등의 알칼리 금속 수산화물과, 암모늄, 테트라메틸 암모늄(ammonium tetramethyl), 테트라에틸 암모늄(ammonium tetraethyl), 콜린 등과 같은 유기 알칼리 등이 바람직하다. 첨가제로서는, 티오 요소(thiourea), 사카린(saccharin), 붕산, 질산 탈륨 및 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol) 등의 공지된 계면 활성제가 사용될 수 있다. 도금액의 온도는 40 내지 90℃인 것이 바람직하다.
이러한 코발트계 무전해 도금조를 이용하여 형성된 배선 보호막(1)은 구리 배선(2)의 상면을 도시된 바와 같이 선택적으로 덮는다. 여기서, 배선 보호막(1)은 구리 배선(2)으로부터 등방성 성장을 나타내므로, 상기 막은 구리 배선(2) 바로 윗방향으로만 성장하지는 않는다. 상기 막은 구리 배선(2)의 에지로부터 배리어막(3) 또는 절연막(4)의 상면까지 배선 보호막(1)의 두께와 동일한 거리만큼 성장한다. 배선 보호막(1)이 배리어막(3)보다 더 얇으면, 배리어막(3) 상면까지 성장한다. 배선 보호막(1)이 배리어막(3)보다 더 두꺼우면, 배리어막(3)을 넘어 절연막(4)의 상면까지 연장된다. 또한, 단계 (c)에서 형성된 배리어막(3)의 표면에서 도금 반응이 활성인 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 배리어막(3)의 에지로부터 등방적으로 절연막(4)의 상면을 넘어 상기 막이 형성된다. 따라서, 배선 보호막의 등방성 성장으로 인해, 배선 보호막(1)의 에지가 직사각형이 아닌 라운드형이 된다.
단계 (f)에서의 과도한 연마로 인해 구리 배선막(2)의 제거량이 배리어막(4)의 제거량 이상이고, 구리 배선(2)이 배리어막(4)보다 더 오목한 경우, 즉 소위 디싱(dishing)이 발생한 경우, 배리어막(4) 상에는 피착되지 않고 구리 배선(2)의 상면에만 피착이 일어나는 것을 보증하기 위해, 코발트계 무전해 도금액을 사용한다. 그러면, 구리 배선(2)의 오목부가 감소될 수 있는데, 이는 바람직한 것이다.
(실시예 1)
다음의 실시예는 도 1을 참조하여 설명될 것이다. 직경이 200㎜인 실리콘 기판 상에 소자 형성이 이루어져, 하층 상에 구리 배선(2b)을 형성했다(도 1a). 이 후, 두께가 1마이크론인 SiO2 절연막(4)을 형성하였다(도 1b). 그 다음, 배선홈(7)과 접속홀(10)이 건식 에칭으로 형성되었다(도 1c). 배선홈(7)은 폭이 0.3마이크론이고, 접속홀(10)의 직경은 0.3마이크론이다. 그 다음, Ta가 스퍼터링에 의해 배리어막(3)으로서 두께가 50㎚인 막으로 형성되었다(도 1d). 다음으로 구리가 씨드층(5)으로서 두께가 150㎚로 형성되었다(도 1e). 구리 씨드층(5)의 경우, 구리 스퍼터링용 장거리 스퍼터링 시스템인 Ceraus ZX-1000(Nippon Vacume Co.,Ltd.)을 이용하여 200 내지 400㎚/min의 속도로 막이 형성되었다. 이 기판은 아래에 표시된 도금액에 침지되고, 용액 온도 24℃, 전류 밀도 1A/dm2에서 5분동안 전기 도금되었다. 구리는 배선홈(7)과 접속홀(10)에 매립되어 구리막(6)을 형성하였다. 인-함유 구리가 애노드로 이용되었다.
황산 구리: 0.4mol/dm3
황산: 2.0mol/dm3
염화 이온: 1.5 ×10-3 mol/dm3
Microfab Cu2100: 10 ×10-3 dm3/dm3(Nippon Electroplating Enclosures 사의 구리 도금 첨가제)
다음으로 IPEC의 모델 472 화학기계적 연마 장치, 1 내지 2% 과산화수소를 함유한 알루미나 분산 휠 및 패드(Rohdel의 IC1000)를 이용하여 화학기계적 연마가 행해졌다. 연마는 190g/㎠의 연마 압력에서 배리어막(3)까지 수행되어서 배선 도전체를 분리하고 구리 배선(2)을 형성하였다(도 1g). 다음으로 1분간 5wt.% 황산으로 세정된 후, 1분간 순수로 세정되었다.
그 후, 기판은 배선 보호막(1)을 형성하기 위해서 아래의 도금액에 침지되고, 아래의 도금 조건(도 1h) 하에서 코발트계 무전해 도금이 행해졌다. 그런 다음 기판은 순수로 세정되었다.
염화 코발트: 0.1mol/dm3
구연산 삼나트륨: 0.3mol/dm3
디메틸아민 붕소: 0.06mol/dm3
텅스텐산 나트륨: 0.03mol/dm3
RE610: 0.05g/dm3(토호 카가쿠사의 계면활성제)
도금 조건
pH: 9.5(KOH에 의해 조정됨)
용액 온도: 75℃
도금 시간: 10분
상술된 절차에 의해 제조된 반도체 장치는 FIB(focused ion beam)에 의해 처리되었다. 배선홈(7) 및 접속홀(10)을 포함하는 장치의 횡단면이 스캔 전자 현미경(이하 "SEM"으로 약술함)에 의해 관찰되었다. 막 두께가 80㎚인 코발트-텅스텐-붕소 합금은 구리 배선(2)의 표면에 균일하게 피착된 것이 발견되었다. 그러나, 절연막(4) 상에서는, 코발트-텅스텐-붕소 합금의 피착이 전혀 관찰되지 않았다. 따라서, 본 실시예의 도금 방법에 따르면, 배선 보호막(1)이 구리 배선(2) 상에만 형성될 수 있다는 것이 명백해졌다.
얻어진 코발트 합금은 Auger 전자 분광학에 의해 분석되었다. 이 합금막은 79 원자% 코발트, 20 원자% 텅스텐 및 1 원자% 붕소를 포함하는 무전해 도금막인 것으로 나타났다.
그런 다음 반도체 장치는 2% 수소와 98% 헬륨 기체의 분위기에서 30분동안 500℃로 어닐링되었다. 표면이 Auger 전자 분광학에 의해 측정되었지만, 구리는 표면 상에서 검출되지 않았다. 배선 재료인 금속의 확산은 관찰되지 않았다. 열처리 전후에 배선 저항의 상승도 없었다. 구리의 산화로 인한 배선 저항의 증가도 관찰되지 않았다.
따라서, 본 실시예의 무전해 도금에 따르면, 배선 보호막(1)으로서의 코발트-텅스텐-붕소 합금이 구리 배선(2) 상에 선택적으로 형성되었다. 더우기, 배선 보호막(1)은 구리 배선(2)의 산화와 구리 배선(2)으로부터 절연막(4)으로의 구리의 확산을 방지한다. 따라서, 신뢰도가 높은 반도체 장치가 얻어질 수 있었다.
(참조예 1)
다음은 무전해 도금에 따른 코발트-텅스텐-인 합금막의 배선 보호막(1)을 형성하는 예를 참조예 1로서 나타낸다. 차아인산 나트륨이 코발트-텅스텐-인 도금액에 대한 환원제로 이용되어, 구리에서 도금 반응이 발생하지 않는다. 도금은 구리 배선(2) 상에 직접 수행될 수 없다. 도금을 하기 위해서는, 구리 배선(2) 상에 팔라듐과 같은 촉매를 미리 제공해야 한다. 도금의 전처리로서, 구리 배선(2)이 형성되어 있는 실리콘 기판 상에 다음의 팔라듐 촉매 공정이 수행되었다.
염화 팔라듐: 0.003 mol/dm3
염산: 1 × 10-3 mol/dm3
초산: 0.5 mol/dm3
불산: 5 ×10-3 mol/dm3
온도: 24℃
시간: 10초
촉매화 처리에서, 평균 크기가 50㎚인 팔라듐이 반도체 장치의 표면상에 섬 형상으로 피착되었다. 1분간 순수로 세정된 후에, 반도체 장치는 표 1에 나타낸 도금액에 침지되고, 실시예 1에서와 동일한 도금 조건하에서 코발트계 무전해 도금이 행해졌다. 코발트계 무전해 도금 이후에, 반도체 장치는 순수로 세정되었다.
본 반도체 장치의 단면도는 SEM에 의해 관찰되었고, 코발트-텅스텐-인화물 합금 도금막이 표면 상에 피착된 것이 발견되었다. 이 코발트 합금은 84 원자%의 코발트, 8 원자% 텅스텐 및 8 원자% 인을 포함하는 무전해 도금막이었다. 구리 배선(2) 상에 형성된 배선 보호막(1) 이외에, 배선간 이상 피착부(13)(도 8)와 배선간 단락 위치(14)가 반도체 장치 상에서 발견되었다(도 9). 또한, 표면 요철이 증가되었다.
그 다음, 반도체 장치는 2% 수소와 98% 헬륨 기체 분위기에서 30분동안 400℃로 어닐링되었고, 6 원자% 구리가 그 표면에서 검출되었다. 배선 재료로서의 구리의 확산도 관찰되었다. 또한, 가열 처리 전후로 배선 저항이 10 퍼센트 증가를 나타내었다.
(실시예 2 내지 5)
다음은 코발트-텅스텐-붕소 합금이 배선 보호막(1)으로서 구리 배선(2)의 표면에 형성된 다른 실시예 2 내지 5를 나타낸다.
실시예 2에서는, 코발트계 무전해 도금액은 표에 나타난 바와 같이 암모니아 알칼리성이 되도록 제조되었고, 알칼리성 금속염을 함유하지 않는 도금액이 사용되었다. 도금 조건들은 실시예 1과 동일하였다. 암모니아수가 산도(pH)의 제공을 위해 사용되었다.
실시예 3에서, 코발트계 무전해 도금액은 표 1에 나타난 것과 같은 조성비를 갖는다. 실시예 1의 경우와 같이, 배선 보호막(1)이 형성되었다. 실시예 4에서는, 구리 배선(2)이 무전해 도금에 의해 형성되었고, 배선 보호막(1)이 코발트계 무전해 도금에 의해 구리 배선(2) 상에 형성되었다. 실시예 1과 마찬가지로, 실리콘 기판 상에 소자가 형성되었고, 구리 씨드층(5)이 배선홈(7)과 접속홀(10) 상에 형성되었다(도 1e). 그 다음, 기판은 구리막(6)을 형성하기 위해 다음의 구리 도금조에 침지되었다.
황산 구리 : 0.04 mol/d㎥
에틸렌 디아민 4초산 2나트륨(disodium ethyllene diamine tetraacetate) : 0.1 mol/d㎥
포름알데히드 : 0.03 mol/d㎥
2,2'-바이피리딜(bipyridyl) : 0.0002 mol/d㎥
폴리에틸렌 글리콜 : 0.03 mol/d㎥(평균 분자량 : 600)
도금 조건
pH : 9.5(수산화나트륨에 의해 조정됨)
용액 온도 : 70℃
그 후에, 화학기계적 연마가 배선 도전체를 분리하기 위해 행해졌다. 그 다음, 실시예 1의 경우와 같이, 코발트계 무전해 도금이 행해졌다.
실시예 5에서 이용된 코발트계 무전해 도금액은, 표 1에 나타난 바와 같이 알칼리성 테트라메틸 암모늄을 사용하여 알칼리성이 되었다. 이것은 알칼리 금속염을 함유하지 않는 도금액이었다. 도금 조건은 실시예 1과 동일하지만, 테트라메틸 암모니아수가 산성도(pH)를 제공하기 위해 사용되었다.
코발트-텅스텐-붕소 합금이 상기 나타난 단계들에서 제조된 실시예 2 내지 5의 반도체 장치의 구리 배선(2) 상에 균일하게 피착된 것으로 발견되었다. 절연막(4) 상에서는, 코발트 합금 피착이 관찰되지 않았다. 따라서, 배선 보호막(1)은 각 실시예의 도금에 따라, 구리 배선(2)의 표면 상에만 형성될 수 있었다.
그 다음, 2% 수소 및 98% 헬륨 기체 분위기 하에서 30분동안, 실시예 2 내지 4의 반도체 장치는 400℃로, 실시예 5의 반도체 장치는 500℃로 어닐링되었다.
이 실시예들의 어느 것에서도, 구리가 표면에서 검출되지 않았고, 배선 재료인 구리의 확산이 관찰되지 않았다. 표 1은 Auger 전자 분광기에 의해 측정된 각 실시예에서의 배선 보호막(1)내의 성분 조성비를 나타낸다.
Figure 112004008065423-pat00038
상기 단계에 의하면, 코발트-텅스텐-붕소 합금은 실시예 1의 경우와 같이 실 시예 2 내지 5에서 배선 보호막(1)으로서 구리 배선(2) 상에 선택적으로 형성될 수 있었고, 이에 의해 신뢰도가 높은 반도체 장치를 얻을 수 있다. 또한, 실시예 5에서, 배선 보호막은 알칼리 금속염을 함유하지 않는 도금액을 사용하여 형성되었다. 이에 따라, 나트륨 또는 칼륨과 같은 알칼리 금속으로 인한 오염을 회피하는데 성공하였다.
(실시예 6 내지 13, 및 참조예 2 및 3)
실시예 6 내지 13에서, 배선 보호막(1)은 표 2에 나타낸 성분 조성비로 형성되었고, 수명 테스트가 행해졌다. 각 실시예의 반도체 장치에 대해, 도 2에 도시된 배선층은 도 1에 도시된 단계 a 내지 h를 반복함으로써 4층으로 제조되었다. 수명 테스트에서, 600시간 및 1,200시간 경과 후에 배선 저항의 상승이 측정되었다.
배선 형태 - (a) 배선폭: 0.3 마이크론, (b) 막 두께: 1.0 마이크론, (c) 배선 길이 : 2.5mm
테스트 조건 - (a) 온도: 175℃, (b) 전류 밀도 3 ×106 A/㎠
표 2는 배선 보호막(1)의 성분 조성비와 수명 테스트의 결과를 나타내고 있다. 표 2는 배선 보호막이 형성되지 않은 참조예 2와, 참조예 1과 마찬가지로 배선 보호막(1)으로서 코발트-텅스텐-인막이 형성된 참조예 3을 나타낸다.
코발트 합금 조성(원자%) 수명 테스트
어닐링 전과 어닐링 후 사이의 배선 저항의 비(%) 구리 확산
Co W P O B 600시간 1200시간
실시예6 79 20 - - 1 1% 이하 2% 이하 확산없음
실시예7 81 18 - - 1 1 3 확산없음
실시예8 85 13 - - 2 2 4 확산없음
실시예9 65 34 - - 1 2 4 확산없음
실시예10 98 1 - - 1 3 6 확산없음
실시예11 79.8 20 - - 0.1 1 4 확산없음
실시예12 74 20 - - 6 2 3 확산없음
실시예13 70 18 - 11 1 2 5 확산없음
참조예2 배선 보호막층 없음 16 30 확산
참조예3 84 8 8 - 6 15 확산
실시예 13의 코발트-텅스텐-붕소 합금막은 11% 산소를 포함한다. 이 산소는 배선 보호막(1)이 형성될 때 주입된 불순물 성분이다. 다른 실시예에 있어서 세밀하게 분석해보면, 탄소, 염소, 황, 중금속 및 다른 불순물들도 함유되어 있는 것으로 생각된다. 그러나, 배선 저항의 증가는 참조예 2 및 3에서보다 작다. 또한, 절연막(4) 상에서는 구리가 검출되지 않았다. 따라서, 이 산소를 함유하는 코발트 합금막은 배선 보호막(1)으로서 효과적이다.
표 2에 나타난 결과에 따르면, 실시예 6 내지 13의 코발트-텅스텐-붕소 합금의 배선 보호막(1)은 참조예 2 및 3보다 작은 배선 저항의 증가를 나타낸다. 절연막(4) 내에서 구리는 검출되지 않았다. 그 결과, 실시예 6 내지 13의 배선 보호막(1)은 장시산 안정적이었으며, 구리 배선(2)의 산화가 방지되었고, 구리가 구리 배선(2)으로부터 절연막(4)으로 확산하는 것이 방지되어, 신뢰도가 매우 높은 반도체 장치를 얻을 수 있었다.
(실시예 14 내지 25)
실시예 14 내지 25에서는, 실시예 1의 경우에서와 마찬가지로, 구리 배선(2)이 실리콘 기판 상에 형성되었다. 이 기판은 표 3에 나타난 도금조에 침지되었고, 코발트계 무전해 도금이 실시되었다. 도금 조건은 실시예 1에서와 동일했다.
실시예 24에서, 저 유전율의 탄화수소계 유기 절연막 재료가 절연막(4)으로서 이용되었다. 실시예 1과 마찬가지로, 실리콘 기판 상에 소자가 형성되었다. 예를 들어, 유기 절연막으로서 SiLK(Dow Chemical사의 상품명)가 기판 상에 300㎚의 두께로 스핀 코팅되었다. 이것은 400℃의 질소(N2) 분위기에서 30분간 열처리되고 경화되었다. SiLK(Dow Chemical사의 상품명), BCB(Dow Chemical사의 상품명), FLARE(Allied Signal사의 상품명) 및 VELOX(Shuhmacher사의 상품명)가 방향족 화합물을 함유하는 탄화수소계 유기 절연막 재료로서 이용될 수 있다. 이러한 처리 다음에는, 배선홈(7)과 접속홀(10)을 형성하기 위한 패터닝의 단계가 수행되었다. 실시예 1의 경우에서와 같이, 구리 배선(2)이 형성되었고, 배선 보호막(1)이 형성되고, 세정되었다.
이러한 단계들에 의해 제조된 실시예 14 및 24의 반도체 장치의 구리 배선(2)의 표면 상에, 막 두께가 80㎚인 코발트 합금이 균일하게 피착되었다. 또한, 절연막(4) 상에서는 코발트 합금 피착이 관찰되지 않았다. 그러므로, 실시예 14 내지 23의 도금 처리에 따르면, 배선 보호막(1)은 구리 배선(2)의 표면 상에만 형성될 수 있었다. 실시예 24의 경우에서와 같이, 배선 보호막(1)은, 절연막(4)의 유형과는 무관하게 구리 배선(2)의 표면 상에만 형성될 수 있었다. 표 3은 각 실 시예의 보호막(1)에 대한 성분 조성비를 나타내고 있다. 어닐링 온도는, 실시예 14 및 21에서 400℃, 실시예 15 내지 19, 22 및 23에서 450℃, 실시예 20 및 24에서 500℃이다.
Figure 112004008065423-pat00039
전술한 단계들에 따라 제조된 실시예 14 내지 25의 반도체 장치는, 22% 수소 와 98% 헬륨 기체의 분위기 내에서, 400℃, 450℃, 500℃로 30분간 어닐링되었다.
400℃에서의 어닐링 후, 각 실시예의 반도체 장치의 표면 상에서는 구리가 검출되지 않았다. 표 3에 나타난 어닐링의 경우에서, 배선 재료인 구리의 확산은 관찰되지 않았다. 이에 의해, 실시예 14 내지 23의 배선 보호막(1)은 실시예 1의 배선 보호막보다 내열성이 낮아지지만, 구리 배선(2)의 형성 처리에서 400℃의 가열 온도에 대하여서도 아무런 문제없이 구리의 확산을 방지할 수 있다. 또한, 400℃의 열처리 전후에도 배선 저항은 변화하지 않았다. 구리 산화로 인한 배선 저항의 증가도 없는 것으로 확인되었다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 무전해 도금 방법을 이용하면, 구리 배선(2)의 배선 보호막(1)인 코발트-텅스텐-붕소 합금은 구리 배선(2) 상에 선택적으로 형성될 수 있다. 또한, 구리의 산화 및 확산이 방지될 수 있으므로, 높은 신뢰도의 반도체 장치를 얻을 수 있다.
(실시예 25 내지 35)
실시예 25 내지 35에서는, 표 4에 나타난 성분 조성비로 배선 보호막(1)이 형성된 반도체 장치가 제조되었다. 그리고 나서, 실시예 6에서와 동일한 수명 테스트가 실시되었다. 각 실시예에서의 반도체 장치는 실시예 6의 반도체 장치(도 4)와 동일한 구조를 갖는다.
실시예 25에서, 도 4에 도시된 반도체 장치의 절연막(4)으로서, 저 유전율의 유기 절연막이 사용된다. 사용된 유기 절연막 재료는 Dow Chemical사의 SiLK였다 (유전율 약 2.65).
Figure 112004008065423-pat00040
표 4에 주어진 결과에 따르면, (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막이 구리 배선(2)의 배선 보호막(1)으로서 형성되어 있는 반도체 장치 내에서, 배선 저항의 증가가 발생하지 않고 절연막(4) 내에서 구리가 검출되지 않는다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 실시예 26 내지 35의 배선 보호막은 장시간동안 안정적이며, 구리 배선(2)의 산화와 구리 배선(2)으로부터 절연막(4)으로의 구리 확산이 방지될 수 있다. 이에 따라, 신뢰도가 높은 반도체 장치를 얻을 수 있다.
(실시예 36 내지 38과 참조예 4)
전술한 실시예들에서는, (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막이 구리 배선(2)의 배선 보호막(1)으로서 이용되었다. 다음으로는, 상기 코발트 합금막을 배리어막(3)으로서 이용하는 예를 설명한다.
실시예 36의 반도체 장치에서는, 코발트-텅스텐-붕소 합금이 배리어막(3)으 로서 이용되었다. 실시예 36에서, 실시예 1에서와 마찬가지로, 소자의 형성은 실리콘 기판 상에서 이루어져, 배선홈(7)과 접속홀(10)을 형성했다 (도 1c). 배선홈(7) 및 접속홀(10) 상에, 두께 5㎚의 코발트막이 스퍼터링법에 의해 촉매층으로서 형성되었다. 이 기판은 실시예 1에서 배선 보호막(1)을 형성하는 데에 이용된 표 5에 나타난 코발트 무전해 도금액에 침지되었다. 그 다음 코발트 무전해 도금이 실행되어, 코발트 무전해 도금막이 배리어막(3)으로서 형성되었다. 도금 조건은 실시예 1에서 배선 보호막(1)이 형성되었던 때와 동일했다. 본 실시예에서는, 코발트-텅스텐-붕소 합금이 무전해 도금에 의해 배리어막으로서 형성되었다. 한편, 본 발명은 이러한 방법에 국한되지 않으며, 스퍼터링이나 화학적 기상 증착법도 이용될 수 있다.
그 다음, 실시예 1의 경우에서와 같이, 구리 배선(2)이 전기 도금에 의해 형성되었다 (도 1g). 그러나, 본 실시예에서는, 실시예 1에서 행해졌던 구리 씨드층의 형성이 불필요했다. 배리어막(3)이 구리 도금의 급전층으로서 이용되었고, 구리는 배리어막(3) 상에 직접적으로 도금되었다. 그 다음, 실시예 1에서와 마찬가지로, 화학기계적 연마가 배리어막(3)까지 행해져서, 배선 도전체를 분리시켰다. 이 때, 구리 배선(2)과 그 아래의 코발트 무전해 도금막이 화학기계적 연마를 견디는 밀착력을 갖는 것으로 확인되었다. 세정 후, 스퍼터링에 의해, 두께 50㎚의 실리콘 질화막(SiN)이 구리 배선(2) 상에 배선 보호막(1)으로서 형성되었다.
실시예 37의 반도체 장치에서, 코발트-텅스텐-붕소 합금은 배리어막(3)은 물론 배선 보호막(1)으로서도 이용되었다. 실시예 36의 경우에서와 마찬가지로, 구 리 배선(2)이 형성되었고, 화학기계적 연마가 행해졌다. 그 다음, 실시예 1의 경우에서처럼, 코발트-텅스텐-붕소 합금의 배선 보호막(1)(60㎚ 두께)이 형성되었다.
실시예 38에서, 실시예 5에서 이용된 코발트계 무전해 도금액을 이용하여, 배리어막(3)이 형성되었다. 도금 조건은 다음과 같다.
pH값 : 8.5 (테트라메틸 암모늄에 의해 조정됨)
도금액 온도 : 60℃
도금 시간 : 5분
참조예 4에서는, 배리어막(3)이 코발트-텅스텐-인막으로 이루어진 반도체 장치가 제조되었다.
전술한 방법에 따라 제조된 실시예 36 내지 38의 반도체 장치의 배선홈(7) 및 접촉홀(10)의 저면과 측벽 상에, 50㎚ 두께의 코발트-텅스텐-붕소 합금막(실시예 36 및 37)과 40㎚ 두께의 코발트-텅스텐-붕소 합금막(실시예 38)이 배리어막으로서 균일하게 형성되었다. 구리 배선(2)은 100 위치에서 관찰되었으며, 보이드는 발견되지 않았다. 배선홈(7) 및 접속홀(10)은 구리에 의해 완전히 매립된 것으로 밝혀졌다. 절연막(4) 상에서는, 코발트 합금 피착이 발견되지 않았다. 따라서, 실시예 36 내지 38의 도금 절차에 따르면, 코발트-텅스텐-붕소 합금으로 이루어진 배리어막(3)의 균일 형성이 이루어질 수 있다.
그 다음, 각 실시예의 반도체 장치는 2% 수소와 98% 헬륨 기체의 분위기에서, 500℃로 30분간 어닐링되었다. 어떠한 실시예에서도, 표면 상에서 구리가 발견되지 않았다. 배선 재료인 구리의 확산은 관찰되지 않았다. 따라서, 코발트-텅 스텐-붕소 합금이 구리 배선(2)의 배리어막(3)으로서 기능한다는 것이 확인되었다.
그 다음, 실시예 6의 경우에서와 마찬가지로, 실시예 36 내지 38과 참조예 4의 반도체 장치에 대하여, 수명 테스트가 행해졌다. 각각의 반도체 장치는 도 2에 도시된 것과 같이 4층을 갖는다. 표 5는 각 실시예의 배리어층(3)의 성분 조성비와 배선 신뢰도의 평가 결과를 나타내고 있다.
배선 형태 - (a) 배선폭: 0.1 마이크론, (b) 막 두께: 1.0마이크론,
(c) 배선 길이: 2.5㎜
테스트 조건 - (a) 온도: 175℃, (b) 전류 밀도: 3×106 A/㎠
Figure 112004008065423-pat00041
따라서, 구리 배선(2)으로부터 절연막(4)으로의 구리 확산은 배리어막(3)에 의해 방지될 수 있다. 실시예 36 내지 38의 반도체 장치는 장시간의 안정성 및 높은 신뢰도를 특징으로 한다. 배리어(3)는, 종래에 이용되던 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 질화 텅스텐 등의 금속 질화물과, 탄탈륨 및 텅스텐 등 고융점의 금속 또는 과 그 합금으로 이루어진 막보다 낮은 저항을 갖는다. 접속홀(10)의 저면과 그 아래의 구리 배선(2b) 간의 접속 저항은 이전보다 작아질 수 있으며, 반도체 장치의 배선 저항이 감소될 수 있다. 이 배리어막(3)이 전기 구리 도금을 위한 급전층으로서 이용되므로, 구리 씨드층을 형성할 필요가 없다. 이에 따라, 구리 배선(2)의 형성이 용이해진다.
실시예 36에서는, 코발트층이 스퍼터링에 의해 촉매층으로서 형성되었다. 코발트층은 스퍼터링 방법 대신 습식 방법에 의해 형성될 수 있었다. 습식 방법에 의해 팔라듐층이 형성된 경우, 배리어막(3)은 실시예 36의 경우에서와 같이 형성될 수 있었다. 코발트-텅스텐-붕소 합금 이외에, 배선 보호막(1)에 이용된 코발트 합금이 배리어막(3)으로서 이용되는 경우에, 구리 배선(2)으로부터 절연막(4)으로의 구리 확산은 방지될 수 있었다. 따라서, 높은 신뢰도의 반도체 장치를 얻을 수 있다.
(실시예 39)
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 39의 반도체 장치에는 층들 간에서 에칭 정지층(17 및 19)으로서 기능하는 절연막들이 제공되었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 에칭 정지층(19)은 배선층의 상단에만 제공될 수 있다. 에칭 정지층을 제공함으로써, 에칭 제어가 용이해진다. 이하에서는, 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 7은 듀얼 다마신 방법을 이용하여 도 5 또는 도 6에 주어진 반도체 장치의 배선을 형성하는 단계들을 도시하고 있다. 소자 형성은 절연막인 실리콘 기판(10a) 상에서 행해졌고, 하층 배선(2b)이 형성되어 있는 기판(도 10b) 상에, 600㎚ 두께의 제1 절연막(18)이 형성되었다 (도 10a). SiLK(유전율: 약 2.65)가 제1 절연막(16) 상에 스핀 코팅되었고, 질소(N2) 분위기 내에서 400℃로 30분간 열처리 및 경화가 실행되었다.
그 다음, 제1 에칭 정지층(17)이 제1 절연막(16) 상에 형성되었다 (도 10c). 50㎚ 두께의 메틸 실록산(methyl siloxane)(유전율: 약 2.8)이 플라즈마 CVD에 의해 에칭 정지층(17) 상에 형성되었다. 이 단계 후에, 제2 절연막(18) 및 제2 에칭 정지층(19)이 동일한 방식으로 형성되었다 (도 10d). 제2 절연막(18)은 400㎚ 두께의 SiLK이고, 제2 에칭 정지층(19)은 50㎚ 두께의 메틸 실록산이다.
SiO2막(20)(50㎚) 및 실리콘 질화막(21)(50㎚)이 제2 에칭 정지층(19) 상에 형성되었다. 실리콘 질화막(21)은 포토레지스트 마스크를 이용하여 플라즈마 에칭에 의해 패터닝되었다 (도 10e). 그 다음, 또 다른 포토레지스트(23)를 이용하여, 건식 에칭에 의해 개구(22)가 형성되었다 (도 10f).
질소, 수소 및 혼합 기체에 의해, 제2 절연막(18)이 포토레지스트(23)와 함께 개구(22)를 통하여 에칭되었다. 그 다음, 실리콘 질화막(21)은 마스크되고, SiO2막(20), 메틸 실록산막(19) 및 제1 에칭 정지층(17)이 C4H8, CO, Ar, O2의 혼합 기체에 의해 플라즈마 에칭되었다. 그 다음, 배선홈(7)(폭: 0.2마이크론) 및 접속홀(10)(직경: 0.2마이크론)이 질소와 수소의 혼합 기체를 이용한 에칭에 의해 형성되었다(도 10g0. 이 경우, 제1 에칭 정지막(17)은 에칭이 정지되는 위치이다.
그 다음, 다른 실시예들에서와 같이, 스퍼터링에 의한 배리어막(3)의 형성(도 10h), 씨드층(5)의 형성, 전기 구리 도금에 의한 구리 배선(2)의 형성(또는 무전해 구리 도금에 의해 배리어막(3) 상에 구리 배선(2)을 직접적으로 형성함), 화학기계적 연마, 및 배선 보호막(1)의 형성이 수행되었다. 화학기계적 연마의 경우에서, 에칭은 제2 에칭 정지층(19)에서 정지된다.
배리어막(3) 및/또는 배선 보호막(1)은 다른 실시예에서와 마찬가지로 (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로 형성되었다.
무기 절연막 또는 유기 절연막 중 하나가 절연막으로서 이용될 수 있지만, 유기 절연막이 더 바람직하다. 무기 절연막은 SiO2, 메틸 실록산, 실세스퀴옥산 하이드록사이드 및 메틸 실록산 하이드록사이드와 같은 실록산 결합을 갖는 재료가 바람직하며, 코팅 방법 및 플라즈마 CVD 방법에 의해 형성될 수 있다. 유기 절연막은 SiLK(Dow Chemical사의 상품명), BCD(Dow Chemical사의 상품명), FLARE(Allied Signal사의 상품명) 및 VELOX(Shuhmacher사의 상품명)와 같은 방향족 화합물을 함유하는 저 유전율의 탄화수소계 유기 절연막으로 제조될 수 있다. 에칭 정지층은 무기 절연막과 같은 SiO2, 메틸 실록산, 실세스퀴옥산 하이드록사이드, 메틸 실록산 하이드라이드, 및 실록산 결합, 질화 실리콘, 탄화 실리콘을 함유하는 다른 재료들로 제조될 수 있다. 절연막 및 에칭 정지층은 이러한 재료들의 조합으로 제조될 수 있다. 반도체 장치의 배선 시스템을 향상시키기 위해, 종래에 이용되던 SiO2(유전율: 약 4.3) 또는 질화 실리콘(유전율: 약 7.0 내지 9.0)보다 낮은 유전율을 갖는 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 배선홈(7)이 형성된 때, 에칭 정지 위치에서 수 나노미터 정도의 차이가 발생했다. 에칭 정지층(19)이 배선층의 상단에만 제공되는 경우, 수명 테스트에서는 아무런 문제가 없는 것으로 확인되었다.
상기 제조 방법에 따라 제조된 반도체 장치에서, 구리 배선(2)의 산화 및 확산이 배선 보호막(1)과 배리어막(3)에 의해 장시간동안 방지될 수 있고, 구리 배선(2)의 저항 증가도 감소될 수 있어서, 높은 신뢰도를 보장한다. 특히, 코발트 합금막이 배선 보호막(1)으로서 이용되는 경우, 유전율이 높은 재료인 질화 실리콘을 이용하는 경우에 비해, 배선간 전기 용량이 약 10% 감소될 수 있다. 이에 따라, 신호 전송 지연이 감소된다. 낮은 유전율의 유기 절연막을 이용함으로써, 배선 시스템의 효율이 증가된다.
접속홀(10)의 저면과 그 아래의 구리 배선(2b) 간을 접속하기 위해, 통상의 수단에 따라 절연성 배선 보호막이 제거된다 (도 10d 참조). 또한, 종래의 수단에 따르면, 배선 보호막이 남아있는 경우, 접속 실패가 발생한다. 도전성 코발트 합금막이 보호막(1)으로서 이용되는 경우, 배선 보호막(1)을 제거하지 않고서도 전기 접속이 보장될 수 있다. 이에 따라, 접속홀(10) 형성시의 에칭 접속이 용이해지며, 반도체 장치의 신뢰도가 향상된다. 또한, 코발트 합금막은 구리보다 높은 저항을 갖는다. 도 11 및 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 접속홀(10)의 저면 상에 있는 배선 보호막(1)의 적어도 일부가 제거되는 경우, 하층 상의 구리 배선(2b)과 구리 배선(2) 간의 접속에 가해지는 저항을 감소시킴으로써, 배선 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 더 상세하게는, 도 7g에 도시된 바와 같이, 배선홈(7) 및 접속홀(10)이 형성된 후, 접속홀(10)의 저면 상의 코발트 합금은 2 중량%의 황산액으로의 침지에 의해 용해되어 제거되었다. 상층 상에 있는 구리 배선은 다른 실시예에서와 같이 형성되어, 도 11에 도시된 바와 같이, 배리어막(3)을 통해 하층 상의 구리 배선(2b)과 구리 배선(2) 간의 전기 접속이 이루어지게 하였다. 이에 따라, 배선 플러그(11)에 가해지는 저항을 감소시킬 수 있다.
구리 배선이 제공된 반도체 장치에서, 절연막 내에 형성된 구리 배선의 상면을 덮는 배선 보호막과, 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싼 배리어막은, (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로 덮인다. 이와 같이 하면, 배선 재료인 구리의 산화 및 확산이 방지되어, 높은 신뢰도의 구리 배선 및 소자를 얻을 수 있다. 또한, 팔라듐을 이용하지 않고서 배선 보호막을 형성할 수 있으므로, 팔라듐으로 인한 배선 저항의 증가를 방지할 수 있다.
상기 코발트 합금막이 배선 보호막으로서 이용되는 경우, 배선 보호막은 구리 배선 상에만 선택적으로 형성될 수 있다. 또한, 배리어막이 상기 도전성 코발트 합금막으로 형성되는 경우, 구리는 급전층없이 배리어막 상에 직접적으로 전기 도금될 수 있으므로, 보이드의 형성을 방지하고 씨드층의 형성을 불필요하게 할 수 있다.

Claims (17)

  1. 반도체 장치에 있어서,
    절연막 내에 형성된 다층의 구리 배선;
    상기 구리 배선의 상면을 덮는 배선 보호막; 및
    상기 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싼 배리어막
    을 포함하고,
    상기 배선 보호막 및 상기 배리어막 중 적어도 하나는, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, 및 붕소를 함유하는 코발트를 주 성분으로 하는 코발트 합금막으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 절연막 중에 다층으로 형성된 구리 배선과, 상기 구리 배선 상을 피복하는 배선 보호막과, 상기 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싸는 배리어막을 포함하는 반도체 장치에 있어서,
    상기 배선 보호막은 크롬; 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나; 및 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로 이루어지고, 상기 배리어막은 티타늄, 탄탈륨 및 텅스텐, 이들의 금속으로 이루어지는 합금, 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 질화 텅스텐 중에서 선택되는 하나의 고융점 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연막은 3 이하의 유전율을 갖는 것을 특 징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코발트 합금막은 100㎚ 이하의 바람직한 두께를 갖고, 50 내지 95 원자%의 코발트와, 1 내지 40 원자%의 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나와, 0.1 내지 10 원자%의 붕소를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하층의 구리 배선과 상층의 구리 배선은 상기 코발트 합금막을 통해 전기적 접속이 확보되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배선 보호막이 형성된 영역을 제외한 상기 절연막의 표면 상에 상기 절연막에 대한 에칭을 정지시키는 에칭 정지층으로서 기능하는 절연막을 또한 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하층의 구리 배선과 상층의 구리 배선은, 티타늄, 탄탈륨 및 텅스텐, 이들 금속으로 이루어지는 합금, 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 및 질화 텅스텐 중에서 선택되는 하나의 고융점 재료로 이루어지는 상기 배리어막을 통해 전기적 접속이 확보되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코발트 합금은 팔라듐을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 반도체 장치는,
    절연막 내에 형성된 다층의 구리 배선;
    상기 구리 배선의 상면을 덮는 배선 보호막; 및
    상기 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싼 배리어막
    을 포함하고,
    상기 배선 보호막 및 상기 배리어막 중 적어도 하나는, 실질적으로 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, 및 붕소를 함유하는 코발트를 주 성분으로 하는 코발트 합금막으로 무전해 도금에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 반도체 장치는,
    절연막 내에 형성된 다층의 구리 배선;
    상기 구리 배선의 상면을 덮는 배선 보호막; 및
    상기 구리 배선의 측면 및 저면을 둘러싼 배리어막
    을 포함하고,
    상기 구리 배선이 형성되는 절연막의 표면 상에, 에칭 정지층으로서 기능하는 절연막을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 배선 보호막 및/또는 상기 배리어막은, (1) 코발트, (2) 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나, 및 (3) 붕소를 함유하는 코발트 합금막으로서 무전해 도금 방법(electroless plating method)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 구리 배선은 무전해 도금에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 코발트 합금막은 100㎚ 이하의 바람직한 두께를 갖고, 50 내지 95 원자%의 코발트와, 1 내지 40 원자%의 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탈륨 및 인 중 적어도 하나와, 0.1 내지 10 원자%의 붕소를 함유하는 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제3항에 있어서, 상기 코발트 합금은 팔라듐을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  14. 제4항에 있어서, 상기 코발트 합금은 팔라듐을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  15. 제5항에 있어서, 상기 코발트 합금은 팔라듐을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  16. 제6항에 있어서, 상기 코발트 합금은 팔라듐을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  17. 제7항에 있어서, 상기 코발트 합금은 팔라듐을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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