KR100641475B1 - 알루미늄 금속 배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 알루미늄 금속 배선 형성 방법은, 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계와, 절연막의 상부에 Ti/TiN막, 알루미늄 배선층 및 TiN막을 순차 형성하는 단계와, TiN막을 플라즈마 처리하여 TiN막 내 미 결합 영역을 제거하는 단계와, 플라즈마 처리된 TiN막의 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 플라즈마 처리된 TiN막, 알루미늄층 및 Ti/TiN막을 순차 식각하여 알루미늄 금속 배선을 형성하는 단계를 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 알루미늄 배선층의 상부에 TiN막을 형성한 후 플라즈마 처리하여 TiN막 내 결정 입계면의 미 결합 영역을 제거해줌으로서, 이후 공정 시 도포되는 포토레지스트 침투를 막아 주어 반도체 소자 제조의 공정 마진을 확보할 수 있는 잇점이 있다.
알루미늄, 금속 배선, TiN, 보이드
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래의 알루미늄 금속 배선 형성 과정을 설명하기 위한 공정 단면도이고,
도 2는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 도면이며,
도 3a 내지 도 3e는 종래의 알루미늄 금속 배선 형성 과정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 방법에 관한 것으로, 특히 TiN막을 NH3으로 플라즈마 처리하여 TiN막 내의 결합을 강화시킨 후 포토리지스트 패턴을 형성하고 이를 이용하여 알루미늄 금속 배선을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자의 제조 공정 중 소자와 소자 또는 배선과 배선 사이를 연결하기 위하여, 금속 배선 형성 공정을 실시하게 된다. 금속 배선 재료로 알리미늄(Al), 텅스텐(W), 구리(Cu) 등 여러 가지 금속을 적용하고 있으며, 이들 금속 중 알루미늄이 비교적 널리 적용되고 있다.
알루미늄 콘택을 형성하는데 있어서 가장 일반적으로 사용되는 배리어막은 TiN막이다. TiN막은 단독으로 사용되거나 Ti막과 조합하여 사용된다. TiN 배리어막 또는 Ti/TiN 배리어막은 통상적으로 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법에 의하여 콘택의 저면 및 측벽에 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기존의 알루미늄 금속 배선 형성 공정을 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 알루미늄 금속 배선 형성 과정을 설명하기 위한 공정 단면도이고, 도 2는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 반도체 기판(1)의 상부에 절연물질인 SiO2를 이용하여 절연막(2)을 형성한 후 절연막(2)의 상부에 Ti/TiN막(3, 4)을 순차 형성한다. 그런 다음, TiN막(4)의 상부에 알루미늄층(5)을 형성한 후 금속 배선을 형성하기 위한 포토리소그라피 공정 시 알루미늄층(5)의 반사도를 억제하기 위하여 반사 방지막인 TiN막(6)을 알루미늄층(5)의 상부에 형성한다. 여기서, TiN막(6)은 포토리소그래피 공정에 반사 방지층으로 사용될 뿐만 아니라 상부에 텅스텐을 형성하여 접합할 때 식각 정지층으로 사용된다.
도 1b를 참조하면, TiN막(6)의 상부에 포토레지스트 도포 및 현상 공정으로 포토레지스트 패턴(7)을 형성한다.
그리고 나서, 도 1c를 참조하면, 포토레지스트 패턴(7)을 식각 마스크로 한 식각 공정으로 TiN막(6), 알루미늄층(5), Ti/TiN막(3, 4)을 순차적으로 식각하여 알루미늄 금속 배선(10)을 형성한다.
이와 같이, 알루미늄층 위에 Ti막 없이 TiN막만을 형성하는 경우에는 라말라 (lamallar) 결정 구조를 갖는 TiN의 결정 입계면(grain boundary)으로 포토레지스트가 침투하게 되면, 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정을 통해 알루미늄층을 패터닝하기 위한 식각 공정 시에 포토레지스트가 TiN막에 남아 있어 식각 공정이 제대로 되지 않고 링 모양(A)으로 알루미늄이 남아 있는 결함이 생긴다.
이러한 링 모양(A)의 결함으로 인해 알루미늄 금속 배선의 상부에 형성되는 금속배선과 알루미늄 금속 배선은 비정상적으로 연결되어 소자가 작동되지 않는 문제점이 있다.
이런 이유로, 알루미늄 금속 배선을 형성하는 공정에서는 상하부 금속 배선에 Ti와 TiN을 함께 사용하는데, 이때 Ti는 결합력을 강화시킴과 더불어 알루미늄의 전자 이동(EM : Electron Migration)을 좋게 하는 방향의 결정성장을 유도하고 알루미늄과 반응하여 TiAl3을 형성하여 대나무(bamboo) 구조의 결정 성장을 막아 EM의 특성을 좋게 한다.
또한, 알루미늄 금속 배선 공정에서 TiN은 라멜라(lamella) 구조를 가지고 있고 하부층의 Ti가 결정성을 갖지 않기 때문에 포토레지스트가 알루미늄까지 침투하지 못하여 알루미늄이 제대로 식각될 수 있다.
그러나, 이와 같이 Ti를 사용하는 경우에는 금속 배선의 비저항을 높이는 단점이 있다. 이런 이유로 금속의 저항을 줄이기 위해 알루미늄의 상부에 Ti를 제거할 필요가 발생되는데, 이 경우에는 포토레지스트의 종류에 따라 포토레지스트가 금속을 오염시켜 상하부 금속이 붙는 경우가 생긴다.
이를 해결하기 위해서 상부 TiN에 박막의 SiO2를 증착한후 포토리소그래피 공정을 실시하면, 알부미늄과 알루미늄의 상부에 형성되는 금속 배선끼리 붙는 문제점이 해결된다.
그러나, 상기와 같이 SiO2로 인해 알루미늄의 패터닝이 나빠지게 되고 금속 위에 SiO2가 있어 갭필(gap fill)이 잘되지 않아 보이드가 발생되는 문제점이 있고, 이로 인하여 공정의 마진이 부족하여 공정 제어에 어려움이 있고 추가된 공정으로 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 금속 배선층의 상부에 형성된 TiN막을 플라즈마 처리하여 TiN막에서 결정 입계면 사이의 미결합 부분을 제거함으로서, 결정 입계면 사이의 결합을 치밀하게 할 수 있는 알루미늄 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막의 상부에 Ti/TiN막, 알루미늄 배선층 및 TiN막을 순차 형성하는 단계와, 상기 TiN막을 플라즈마 처리하여 상기 TiN막 내 미 결합 영역을 제거하는 단계와, 상기 플라즈마 처리된 TiN막의 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 상기 플라즈마 처리된 TiN막, 알루미늄층 및 Ti/TiN막을 순차 식각하여 알루미늄 금속 배선을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 알루미늄 금속 배선 형성 과정을 도시한 공정 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 절연물질인 SiO2를 이용하여 절연막(102)을 형성한 후 Ti/TiN막(104a, 104b)을 형성한다.
Ti/TiN막(104a, 104b)을 형성하는 과정에 대해 설명하면, 먼저 Ti 타겟이 구비되어 있는 챔버 내에서 Ar 가스를 공급하면 반도체 기판(100) 상에 스퍼터링 방법에 의하여 Ti막(104a)을 형성한다. 반도체 기판(100) 상에 Ti막(104a)을 원하는 두께로 형성한 후 Ar 가스 공급과 함께 질소 가스를 추가하여 TiN막(104b)을 형성한다.
그런 다음, 도 3b를 참조하면, TiN막(104b)의 상부에 통상의 방법, 예를 들면 580℃의 온도에서 120초 동안 리플로우하여 알루미늄 배선층(106)을 형성한다.
그리고 나서, 도 3c를 참조하면, 알루미늄 배선층(106)의 상부에 TiN막(108)을 형성한다. 이때 알루미늄 배선층(106)의 상부에 형성되는 TiN막(108)은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 라멜라 결정 구조를 갖고 있기 때문에 결정 입계면 사이에 미 결합 부분(110)을 갖고 있다.
이후, 도 3d를 참조하면, TiN막(108)에 NH3 가스를 포함한 플라즈마 처리를 수행하여 TiN막(108) 내의 결합을 강화시켜 결정 입계면 사이의 미 결합 부분(110)을 제거한다. 즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, TiN막(108)을 플라즈마 처리하여 결정 입계면 사이의 결합하고 있지 않는 부분인 미 결합 부분(110)을 활성화시켜 TiN 막(108) 내 Ti와 N 사이의 결합을 끊고 재결합을 유도함으로서 결정 입계면 사이의 결합을 치밀하게 하여 미 결합 부분(110)을 막는다.
여기서, TiN막(108)은 100W-2000W의 전력, 3mT-5Torr 압력, 10sccm-500sccm의 NH3 가스, 100sccm-2000sccm의 N2 가스 및 20℃-420℃의 온도의 공정 조건으로 플라즈마 처리된다.
이와 같이, TiN막(108) 내의 결정 입계면 사이의 미 결합 부분(110)을 플라즈마 공정으로 제거해줌으로서, 이후 공정인 알루미늄 금속 배선 형성 공정을 위한 포토레지스트 패턴 형성 공정 시 포토레지스트가 알루미늄 배선층(106)으로 침투되는 것을 막을 수 있다.
도 3e를 참조하면, TiN막(108)의 상부에 포토레지스트 도포 및 현상 공정으로 포토레지스트 패턴(112)을 형성한다.
그리고 나서, 도 3f를 참조하면, 포토레지스트 패턴(112)을 식각 마스크로 한 식각 공정으로 TiN막(108), 알루미늄층(106), Ti/TiN막(104a, 104b)을 순차적으로 식각하여 알루미늄 금속 배선(120)을 형성한 후 스트리핑 공정을 실시하여 잔존하는 포토레지스트 패턴(112)을 제거한다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 알루미늄 배선층의 상부에 TiN막을 형성한 후 플라즈마 처리하여 TiN막 내 결정 입계면의 미 결합 영역을 제거해줌으로서, 이후 공정 시 도포되는 포토레지스트 침투를 막아 주어 반도체 소자 제조의 공정 마진을 확보할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명은 알루미늄 배선층의 상부에 Ti막 없이 TiN막만을 이용하여 형성함으로서, Ti막의 증착에 따른 알루미늄 배선층의 비저항 증가를 막을 수 있다.
본 발명은 SiO2막의 증착 없이 TiN막만을 증착한 후 포토레지스트 패턴을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 한 식각 공정을 수행하여 알루미늄 금속 배선을 형성하기 때문에, SiO2의 증착에 따른 공정 마진의 축소를 줄일 수 있는 잇점이 있다.
Claims (5)
- 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계와,상기 절연막의 상부에 Ti/TiN막, 알루미늄 배선층 및 TiN막을 순차 형성하는 단계와,상기 TiN막을 플라즈마 처리하여 상기 TiN막 내 미 결합 영역을 제거하는 단계와,상기 플라즈마 처리된 TiN막의 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 상기 플라즈마 처리된 TiN막, 알루미늄층 및 Ti/TiN막을 순차 식각하여 알루미늄 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 알루미늄 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 TiN막의 플라즈마 처리는, NH3 가스를 포함하는 공정 조건에 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금속 배선 형성 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 플라즈마 처리는, 100W-2000W의 전력 및 3mT-5Torr 압력의 공정 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금속 배선 형성 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 플라즈마 처리는, 10sccm-500sccm의 NH3 및 100sccm-2000sccm의 N2 가스를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금속 배선 형성 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 플라즈마 처리는, 20℃-420℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금속 배선 형성 방법.
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