KR100628216B1 - 반도체 소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배향성이 우수한 알루미늄 배선을 형성함으로써 비저항을 낮추도록 한 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로서, 실리콘 웨이퍼상에 하부 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 하부 반사 방지막상에 He 플라즈마를 이용한 스퍼터링 증착으로 제 1 두께를 갖는 제 1 알루미늄막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 알루미늄막상에 Kr, Xe, Rn이나 그 혼합 플라즈마를 이용한 스퍼터링 증착으로 제 2 두께를 갖는 제 2 알루미늄막을 형성하는 단계와, 상기 제 2 알루미늄막의 표면 거칠기를 완화하는 단계와, 상기 제 2 알루미늄막상에 상부 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 상부 반사 방지막, 제 2 알루미늄막, 제 1 알루미늄막, 하부 반사 방지막을 선택적으로 식각하여 알루미늄 배선을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
배향성, 스퍼터링, 알루미늄, 비저항, 헬륨, 네온
Description
도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 알루미늄 배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명에서 알루미늄 박막을 증착하기 위한 스퍼터링 증착장비를 개략적으로 나타낸 구성도
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 의한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 나타낸 공정 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31 : 실리콘웨이퍼 32 : 절연막
33 : 하부 반사 방지막 34 : 제 1 알루미늄막
35 : 제 2 알루미늄막 36 : 상부 반사 방지막
40 : 알루미늄 배선
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 배향성 즉 (111) 방향의 완벽한 배향성을 갖는 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.
금속화(metalization)는 반도체 장치에서 각 소자들을 작은 저항으로 연결시키는 것으로 칩(chip)과 패키지(package) 내부 회로를 연결하기 위한 접촉부를 만드는 공정이다. 금속화로 사용되어야 할 금속의 요건으로는 실리콘산화막(SiO2), 실리콘(Si) 등의 박막에 대하여 접착이 우수해야 하며 온도 및 스트레스(stress)에 대한 저항이 있어야 한다.
전기적으로는 옴콘택(Ohmic Contact) 저항이 작아야 하며, 실리콘과도 반응하여 내부 회로 소자들과 옴콘택 특성이 좋아야 하고 전도성이 높아야 한다.
이러한 조건을 만족하는 금속을 이용하여 금속화를 실시하였을 경우 부식 및 산화 그리고 일렉트로 마이그레이션(electron migration), 스트레스 마이그레이션(stress migration)으로 인한 금속선의 단락에 대한 강한 내성을 가져야 한다.
상기와 같은 강한 내성을 갖는 금속으로 알루미늄은 실리콘(Si), 실리콘산화막(SiO2) 등에 대한 접착력이 우수하고, 과도핑(Heavily Doping)된 n+, p+ 실리콘과 옴콘택 특성이 좋으며, 비저항 값이 2.7μΩ·㎝ 정도로 낮고, 값이 다른 귀금속에 비해 싸다는 특성으로 인해 반도체 재료의 금속 배선 재료로서 가장 널리 사용되는 재료이다.
그러나, 디램(DRAM)을 비롯한 범용의 반도체 소자가 고집적화되어 감에 따라 금속 배선의 선폭이 가늘어져 전자가 알루미늄 배선을 통해 이동할 때 전자와 알루 미늄 이온이 충돌하여 금속 배선의 단선이 일어나기 쉽다.
일반적으로 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착되는 알루미늄막은 힐락(hillock)이나 디스로케이션(dislocation) 같은 결함을 갖고 있어서 전자이동 등으로 인하여 전기적 특성을 저하시키고 있다.
또한, 통상적으로 알루미늄-합금 증착 후, 400 내지 450 ℃의 온도 범위에서 실시하는 열처리(annealing) 과정 동안에 실리콘 기판과 알루미늄막의 접합면에서 실리콘이 알루미늄막으로 비균일적으로 확산(diffusion)된다.
결과적으로 실리콘이 소모되어 접합 면적이 작아지고, 비균일적으로 확산된 알루미늄의 빈자리를 채우기 위하여 실리콘막으로 침투된 알루미늄막이 스파이크(spike) 모양을 형성한다. 상기와 같은 과정에서 형성된 스파이크 부분에 고전계가 걸려 접합이 깨지는 현상이 발생하는데 이는 누설 전류의 증가를 가져와 특성 저하를 유발한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 반도체 소자의 알루미늄 배선 형성방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 알루미늄 배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(11)상에 절연막(12)을 형성하고, 상기 절연막(12)상에 Ti/TiN막으로 이루어진 하부 반사 방지막(13)을 형성하고, 상기 하부 반사 방지막(12)상에 알루미늄막(13)을 증착한다.
이어, 상기 알루미늄막(13)상에 Ti/TiN막으로 이루어진 상부 반사 방지막 (14)을 형성한다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 상부 반사 방지막(14), 알루미늄막(13), 하부 반사 방지막(12)을 선택적으로 제거하여 원하는 폭을 갖는 알루미늄 배선(20)을 형성한다.
이후 공정은 도면에 도시하지 않았지만, 상기 알루미늄 배선(20)을 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 층간 절연막을 형성한 후 선택적으로 제거하여 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀을 통해 알루미늄 배선(20)과 전기적으로 연결되는 다른 알루미늄 배선을 형성한다.
한편, 종래의 알루미늄(Al) 배선은 구리 배선의 출현에도 불구하고 계속해서 반도체의 배선으로서 계속 발전하고 있다. 특히 0.13㎛ 디자인(design)에서도 신뢰성 등으로 인해 알루미늄 배선을 사용하고 있다.
그러나 알루미늄 배선의 폭이 좁아짐에 따라, 후속 IMD(Inter Metal Dielectric)의 갭 필(gap fill) 문제가 생겨나고 이를 극복하기 위해 Al 금속 배선의 두께도 따라 감소하고 있다.
또한, 이 경우, 금속 저항이 증가하여 원하는 전류를 충분히 공급하지 못하게 된다. 더욱이 트랜지스터의 미세화로 동작전압마저 작아져 알루미늄 배선의 비저항은 큰 이슈(issue)가 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 배향성이 우수한 알루미늄 배선을 형성함으로써 비저항을 낮추도록 한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자의 금속배선 형성방법은 실리콘 웨이퍼상에 하부 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 하부 반사 방지막상에 He 플라즈마를 이용한 스퍼터링 증착으로 제 1 두께를 갖는 제 1 알루미늄막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 알루미늄막상에 Kr, Xe, Rn이나 그 혼합 플라즈마를 이용한 스퍼터링 증착으로 제 2 두께를 갖는 제 2 알루미늄막을 형성하는 단계와, 상기 제 2 알루미늄막의 표면 거칠기를 완화하는 단계와, 상기 제 2 알루미늄막상에 상부 반사 방지막을 형성하는 단계와, 상기 상부 반사 방지막, 제 2 알루미늄막, 제 1 알루미늄막, 하부 반사 방지막을 선택적으로 식각하여 알루미늄 배선을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에서 알루미늄 박막을 증착하기 위한 스퍼터링 증착장비를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 챔버(20)내 상단부에는 알루미늄 타겟(21)이 위치하고, 상기 챔버(20)내 하단부에는 웨이퍼(22)가 위치한다.
그리고 상기 웨이퍼(22) 아래에는 상기 웨이퍼(22)를 지지하는 지지대(23)가 위치한다.
상기와 같이 구성된 챔버(20) 내로 반응가스를 주입하게 되면, 상기 반응가 스는 상기 알루미늄 타겟에 부딪히면서 알루미늄 입자들을 상기 지지대(23)상에 위치한 웨이퍼(22)에 쌓이면서 알루미늄막이 증착된다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 의한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(31)상에 절연막(32)을 형성하고, 상기 절연막(32)상에 스퍼터링 증착법으로 Ti/TiN막을 증착하여 하부 반사 방지막(33)을 형성한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 하부 반사 방지막(33)이 형성된 실리콘웨이퍼( )를 챔버(chamber)(도 2의 20)로 이송하여 상기 하부 반사 방지막(33)상에 스퍼터링 증착법으로 제 1 알루미늄막(34)을 형성한다.
여기서, 상기 제 1 알루미늄막(34)은 챔버(20)의 내부에 구성되는 알루미늄 타겟(target)(21)과 웨이퍼(wafer)(22) 사이를 약 20mm으로 유지한 후 매우 낮은 압력(약 0.1mtorr) 상태에서 상기 챔버(20) 내부로 헬륨 플라즈마(He plasma)를 주입한다. 이때 상기 챔버(20) 내부로 주입되는 헬륨 플라즈마에 의해 상기 하부 반사 방지막(33)의 표면(surface)에 알루미늄 분자가 도착하는 속도가 매우 늦어 알루미늄 분자는 두 번째 분자층이 도착하기 전에 가장 안전한 사이트(site)를 찾아 다수의 층으로 성장을 한다.
즉, 밑에 깔려 있는 상기 하부 반사 방지막(33)을 이루는 Ti/TiN의 원주 구조(columnar structure)에 따라 매우 우수한 (111) 배향성을 갖는 모노층(mono layer)이 형성된 후 다시 그 위에 모노층이 형성된다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 챔버(20)에서 증착하고자 하는 알루미늄막의 원하는 두께가 20 ~ 30%정도 증착되면, He 플라즈마의 주입을 중단하고, 상기 챔버(20) 내부에 Kr, Xe, Rn을 혼합 가스(gas)를 주입하여 압력을 5mtorr까지 증가시킨다.
이어, 상기 챔버(20) 내부의 알루미늄 타겟(target)(21)과 웨이퍼(wafer)(22)의 간격을 약 5mm로 좁혀 강한 플라즈마를 발생하여 제 2 알루미늄막(35)을 형성한다.
여기서, 상기 제 1 알루미늄막(34)은 이미 (111) 배향성을 가지고 있기 때문에 제 2 알루미늄막(35)이 증착되면 강한 플라즈마에 의한 빠른 증착에도 불구하고 상기 제 2 알루미늄막(35)은 계속해서 (111) 배향성을 유지한다.
상기와 같이 (111) 배향성을 갖는 제 1, 제 2 알루미늄막(34,35)을 적층하는 과정을 통해 계속해서 높은 생산성을 유지할 수 있다.
또한, 상기 Kr, Xe, Rn등 중입자 플라즈마에 의한 표면 거칠기(roughness) 증가와 손상으로 인해 후속 반사 방지막을 형성할 때 어려움이 생긴다.
그래서, 상기 제 2 알루미늄막(35)을 70 ~ 80%의 두께로 증착이 완료되면, 상기 챔버(20)내로 주입되는 Kr, Xe, Rn 등 기체를 네온(Ne) 또는 네온 + 헬륨으로 바꾼 후, 1mtorr의 압력에서 상기 웨이퍼(22)측에 RF 바이어스(bias)를 인가하고 타겟(target) 쪽에는 인가하지 않아 증착된 막(film)을 백 에치(back etch)하여 상기 제 2 알루미늄막(35)의 표면 거칠기를 개선한다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 알루미늄막(35)상에 스퍼터링 증착법 으로 Ti/TiN막으로 이루어진 상부 반사 방지막(36)을 형성한다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 알루미늄막(34,35)을 증착하는 챔버와 상기 제 1, 상부 반사 방지막(33,36)을 형성하는 챔버는 다른 챔버를 사용한다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 포토 및 식각 공정으로 상기 상부 반사 방지막(36), 제 2 알루미늄막(35), 제 1 알루미늄막(34), 하부 반사 방지막(33)을 선택적으로 식각하여 알루미늄 배선(40)을 형성한다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 있어서 다음과 같은 효과가 있다.
즉, (111) 방향의 배향성을 갖는 알루미늄막을 형성함으로써 금속배선의 비저항을 줄여 원하는 전류를 충분히 공급할 수 있다.
Claims (8)
- 실리콘 웨이퍼상에 하부 반사 방지막을 형성하는 단계;상기 하부 반사 방지막상에 He 플라즈마를 이용한 스퍼터링 증착으로 제 1 두께를 갖는 제 1 알루미늄막을 형성하는 단계;상기 제 1 알루미늄막상에 Kr, Xe, Rn이나 그 혼합 플라즈마를 이용한 스퍼터링 증착으로 제 2 두께를 갖는 제 2 알루미늄막을 형성하는 단계;상기 제 2 알루미늄막의 표면 거칠기를 완화하는 단계;상기 제 2 알루미늄막상에 상부 반사 방지막을 형성하는 단계;상기 상부 반사 방지막, 제 2 알루미늄막, 제 1 알루미늄막, 하부 반사 방지막을 선택적으로 식각하여 알루미늄 배선을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 He 플라즈마 이용시 0.1mtorr 이하의 압력으로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 He 플라즈마 이용한 스퍼터링 증착은 타겟과 웨이퍼 사이를 약 20㎜로 넓혀 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 알루미늄막의 제 1 두께는 10% ~ 30%로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 알루미늄막의 제 2 두께는 70 ~ 80%로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 Kr, Xe, Rn 플라즈마 이용시 공정조건을 5mtorr이상으로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 Kr, Xe, Rn 플라즈마 이용한 스퍼터링 증착은 타겟과 웨이퍼 사이를 약 5㎜로 좁혀 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 알루미늄막의 표면 거칠기는 전면에 네온 또는 네온과 헬륨을 혼합한 플라즈마를 이용한 백 에치로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
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