KR100640162B1 - 가스 분압차를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속배선 형성 공정에 관한 것이며, 물리기상증착 방식을 이용한 알루미늄막으로 보이드 없이 콘택홀을 매립할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 스퍼터링법으로 배선 금속을 증착함에 있어서, 보이드 내에 배선 금속이 용융 상태인 때 배선 금속을 투과하여 외부로 확산될 수 있을 정도의 확산계수를 가지는 가스(예컨대, He, H₂)를 분위기 가스로 사용하여 열악한 스텝 커버리지에 의해 보이드가 형성될 때 보이드 내에 분위기 가스를 가두고, 이후 알루미늄을 리플로우 시킬 때 반응기 내부의 분위기 가스 분압을 낮추어 줌으로써 분압차에 의한 확산을 유도하여 자발적으로 보이드가 제거되도록 한다.

스퍼터링, 물리기상증착, 보이드, 분압차, 알루미늄

Description

가스 분압차를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법{A method for forming metal wire using difference of gas partial pressure in semiconductor device}

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속배선 형성 공정도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 하부층

11 : 하부 금속배선

12 : 층간절연막

13 : 알루미늄막

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속배선 형성 공정에 관한 것이다.

반도체 제조시 금속배선을 형성함에 있어서, 통상적으로 알루미늄을 배선 재료로 사용하여 왔다. 알루미늄은 보통 스퍼터링(Sputtering)과 같은 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)법을 사용하여 증착해 왔는데, 비저항이 2.7μΩcm 정도로 매우 낮은 장점이 있는 반면, 스텝 커버리지(step coverage)가 좋지 않고 일렉트로마이그레이션(electromigration) 특성 등에 의해 열화되는 문제점이 있었다.

반도체 소자가 고집적화와 더불어 디자인 룰(design rule)의 축소가 가속화되고 있으며, 이에 따라 콘택홀의 단차비(aspect ratio)가 크게 증가하게 되었다. 이에 기존의 PVD 방식을 이용하여 알루미늄을 증착하게 되면, 콘택홀 내에 보이드(void)가 형성되는 것을 방지할 수 없게 되었다.

이러한 알루미늄의 열악한 스텝 커버리지를 고려하여 현재 양산 중인 반도체 메모리에는 대부분 알루미늄에 비해 스텝 커버리지가 매우 우수한 장점이 있는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 방식의 텅스텐을 플러그 물질로 사용하고, 배선은 알루미늄으로 형성하는 기술이 적용되고 있다.

그러나, 이 기술은 그 공정이 복잡하고, 텅스텐의 비저항이 10∼12μΩcm로 매우 높기 때문에 고속 동작 메모리 등에 적용하는데 한계가 있다.

이에 따라, 최근에는 알루미늄의 스텝 커버리지를 높여 다시 텅스텐 플러그를 배제하고 알루미늄으로만 콘택 및 배선을 형성하는 기술로 되돌아가는 경향이 있다.

본 발명은 물리기상증착 방식을 이용한 알루미늄막으로 보이드 없이 콘택홀을 매립할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 소정의 층간절연막을 관통하여 하부층을 노출시키는 접촉창이 형성된 웨이퍼 전체구조 상부에 스퍼터링법을 이용하여 배선 금속을 증착하되, 용융 상태의 상기 배선 금속을 투과할 수 있을 정도의 확산계수를 가지는 가스를 분위기 가스로 사용하는 제1 단계와, 반응기 내의 상기 분위기 가스의 분압이 상기 제1 단계에서 상기 접촉창 내에 형성된 보이드 내의 상기 분위기 가스의 분압보다 낮은 상태에서 열처리를 실시하여 상기 배선 금속을 리플로우 시키고 상기 보이드 내부의 상기 분위기 가스를 외부로 확산시키는 제2 단계를 포함하여 이루어진다.

즉, 본 발명은 스퍼터링법으로 배선 금속을 증착함에 있어서, 보이드 내에 배선 금속이 용융 상태인 때 배선 금속을 투과하여 외부로 확산될 수 있을 정도의 확산계수를 가지는 가스(예컨대, He, H₂)를 분위기 가스로 사용하여 열악한 스텝 커버리지에 의해 보이드가 형성될 때 보이드 내에 분위기 가스를 가두고, 이후 알루미늄을 리플로우 시킬 때 반응기 내부의 분위기 가스 분압을 낮추어 줌으로써 분압차에 의한 확산을 유도하여 자발적으로 보이드가 제거되도록 한다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

첨부된 도면 도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속배선 형성 공정을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 공정은, 우선 도 1a에 도시된 바와 같이 하부 금속배선(11)이 형성된 소정의 하부층(10) 상에 평탄화된 층간절연막(12)을 형성하고, 사진 및 식각 공정을 진행하여 비아홀을 형성한다. 이어서, 전체구조 상부에 스퍼터링법을 사용하여 알루미늄막(13)을 증착한다. 이때, 종전과 같이 Ar 가스를 스퍼터 가스로 사용하되, He 가스를 분위기 가스로 사용한다.

알루미늄막(13)의 증착을 완료하게 되면, PVD 알루미늄의 열악한 스텝 커버리지에 의해 도 1b에 도시된 바와 같이 비아홀 내에 보이드(A)가 형성될 것이다. 여기서, 통상적으로 스퍼터 가스로 사용되는 Ar 가스의 분압은 수 mToorr 내지 수십 mTorr인데, 분위기 가스로 사용되는 He 가스의 분압을 수 Torr로 높은 상태를 유지하면 보이드(A) 내에는 주로 He 가스가 존재하게 된다.

다음으로, 보이드(A) 내를 채우고 있는 He 가스의 분압(P_{He_in})보다 낮은 He 가스의 분압을 갖는 챔버 분위기를 구현하고, 알루미늄막(13)을 300℃ 이상의 고온에서 리플로우(re-flow)시킨다. 이때, 콘택 외부의 분위기 가스 내의 He 가스 분압을 최소화되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 도 1c에 도시된 바와 같이 보이드(A) 내의 He 가스가 분압차에 의한 확산 작용으로 용융 상태인 알루미늄막(13)을 투과하여 밖으로 빠져나오게 되고, 압력이 낮아진 보이드(A)를 알루미늄막(13)이 도 1d와 같이 매립하게 된다. 이때, 콘택 외부의 분위기 가스 내의 He 가스 분압이 최소화되면 보이드(A) 내의 압력 또한 최소화되므로 알루미늄막(13)의 리플로우시 보이드(A)의 제거가 용이하다.

이후, 알루미늄막(13)을 패터닝하여 상부 금속배선을 형성한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

예컨대, 전술한 실시예에서는 스퍼터링법을 이용하여 알루미늄막을 증착하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 배선 금속으로 알루미늄막 외에 Cu, Pt, TiN, Al-Cu 합금 등과 같이 스퍼터링법으로 증착 가능한 금속을 사용하는 모든 경우에 적용될 수 있다.

또한, 전술한 실시예에서는 스퍼터링시 분위기 가스로 He 가스를 사용하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 H₂ 가스와 같이 용융 상태의 금속에 대한 확산 계수가 큰 다른 가스를 사용하는 경우에도 적용될 수 있다.

전술한 본 발명은 기존의 PVD 방법을 사용하면서도 콘택 내에 보이드가 형성되는 것을 방지함으로써 반도체 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있으며, 공정 단 순화를 통해 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 소정의 층간절연막을 관통하여 하부층을 노출시키는 접촉창이 형성된 웨이퍼 전체구조 상부에 스퍼터링법을 이용하여 배선 금속을 증착하되, 용융 상태의 상기 배선 금속을 투과할 수 있을 정도의 확산계수를 가지는 가스를 분위기 가스로 사용하는 제1 단계와,

   반응기 내의 상기 분위기 가스의 분압이 상기 제1 단계에서 상기 접촉창 내에 형성된 보이드 내의 상기 분위기 가스의 분압보다 낮은 상태에서 열처리를 실시하여 상기 배선 금속을 리플로우 시키고 상기 보이드 내부의 상기 분위기 가스를 외부로 확산시키는 제2 단계를 포함하며,

   상기 분위기 가스는 He 가스 또는 H₂ 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 배선 금속은 알루미늄, 구리, 백금, 티타늄나이트라이드, 알루미늄-구리 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 열처리는 적어도 300℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 형성방법.
5. 삭제

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