KR100652317B1 - 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법 - Google Patents

반도체 소자의 금속 패드 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 기판의 층간 절연막에 적어도 1층 이상의 금속 배선을 형성하는 단계와, 층간 절연막 및 상기 금속 배선 상부에 장벽 금속막을 형성하는 단계와, 장벽 금속막이 형성된 반도체 기판을 쿨링시키는 단계와, 장벽 금속막 상부에 금속 패드를 형성하는 단계를 포함한다. 그러므로 본 발명은 금속 패드의 제조 공정을 실시하기 전에, 금속 배선 및 장벽 금속막이 형성된 반도체 기판에 쿨링 공정을 적용함으로써 장벽 금속막의 표면을 안정시키고 장벽 금속막 상/하부의 구리 배선 또는 금속 패드 사이의 접착 특성을 향상시킬 수 있다.
금속 배선, 장벽 금속막, 금속 패드, 쿨링

Description

반도체 소자의 금속 패드 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING METAL PAD OF THE SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1은 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법을 나타낸 흐름도,
도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 패드 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법을 나타낸 흐름도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 패드 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 하부의 구리 배선 102 : 층간 절연막
104 : 콘택 106 : 상부의 구리 배선
108 : 장벽 금속막 110 : 알루미늄 금속 패드
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 반도체 소자의 금속 배선에 연결되는 금속 패드의 제조 공정시 금속 배선과 금속 패드 사이의 접착 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 130㎚ 또는 그 이하의 고집적 반도체 소자에서는 다마신(또는 듀얼 다마신) 공정을 이용하여 반도체 소자의 배선을 형성하게 된다. 일반적으로 금속 배선의 물질로는 알루미늄(Al)보다 비저항이 낮으면서 동시에 신뢰성(reliability)이 우수한 구리(Cu)를 금속 배선의 재료로 사용하고 있는데, 구리는 휘발성이 강한 화합물의 형성이 어려워 미세 패턴을 형성하기 위한 건식 식각 공정에 어려움이 있다.
이를 위해 다마신(damascene) 공정시 금속 배선 물질로 구리를 사용하고 있고 있고, 구리 다마신 공정은 층간 절연막을 식각하여 배선 영역인 트렌치를 형성하고 트렌치에 구리를 갭필하고 이를 CMP로 평탄화하여 구리 배선을 형성한다. 게다가 듀얼 다마신(dual damascene)의 구리 배선 제조 공정은 층간 절연막을 식각하여 트렌치 및 콘택홀을 형성하고 구리를 갭필한 후에 이를 CMP로 평탄화하여 한번의 CMP 공정으로 콘택(contact)과 금속 배선(metal line)을 동시에 형성한다.
하지만, 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 패드(metal pad)는 다마신 공정에 사용되는 구리보다는 비저항이 낮은 알루미늄을 주로 사용하고 있다. 구리 배선이 알루미늄 금속 패드와 연결되는 경우 구리 배선과 알루미늄 금속 패드 사이에 장벽 금속막을 추가 삽입하고 있다. 그 이유는 구리 이온이 금속 패드로 확산(diffusion)되는 것을 막고 패드 본딩시, 알루미늄 금속 패드와 구리 배선의 접착 력이 약해서 패드가 금속 배선으로부터 뜯겨져 나가는 것을 막기 위함이다.
도 1은 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 패드 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다. 이들 도면을 참조하면, 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법은 다음과 같이 진행된다.
우선, 도 2a에 도시된 바와 같이, 하부 배선(10)을 포함한 반도체 기판의 구조물(미도시됨)에 화학적기상증착(CVD : Chemical Vapor Deposition) 또는 물리적기상증착(PVD : Physical Vapor Deposition) 공정으로 TEOS(Tetraethylorthosilicate), HDP(High Density Plasma) 산화막 등의 절연 물질로 층간 절연막(12)을 형성한다. 여기서, 하부 배선(10)은 구리 또는 알루미늄 등으로 제작한다. 이때, 반도체 기판의 구조물은 MOS 트랜지스터 등의 반도체 소자가 형성된 반도체 기판을 일컫는 것이다.
그리고, 듀얼 다마신의 콘택홀과 트렌치 영역을 정의하는 마스크를 사용한 사진 및 식각 공정으로 층간 절연막(12)을 식각하여 트렌치 및 콘택홀을 형성한다. 그리고 전기 도금 등으로 구리를 층간 절연막(12)의 트렌치 및 콘택홀에 갭필하고 층간 절연막(12) 표면이 드러날 때까지 CMP로 평탄화하여 하부 배선(10)과 수직으로 연결되는 상부의 구리 배선(16) 및 콘택(14)을 형성한다.(S10)
계속해서 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 결과물의 층간 절연막(12) 및 상부 구리 배선(16) 상부에 플라즈마 스퍼터링(plasma sputtering) 증착 등의 물리적기상증착(PVD) 공정으로 장벽 금속막(18)으로서 티타늄 실리사이드나이트라이드 (TiSiN)를 형성한다.(S20)
그 다음 도 2c에 도시된 바와 같이, 장벽 금속막(18) 상부에 물리적기상증착(PVD) 공정으로 금속 패드(20)로서, 알루미늄을 형성한다.(S30)
그리고나서 도 2d에 도시된 바와 같이, 금속 패드 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 금속 패드(20) 및 장벽 금속막(18)을 식각하여 장벽 금속막(18)을 통해 알루미늄 금속 패드(20)와 구리 배선(16)을 수직으로 연결한다.
하지만, 종래 기술에 의한 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법에 있어서, 금속 패드(20)는 장벽 금속막(18) 상부에 인시튜(in-situ)로 증착하게 된다. 그런데, 장벽 금속막(18)으로 사용되는 티타늄 실리사이드나이트라이드(TiSiN)의 온도가 약 350℃로 높고 표면이 안정화되지 않아서 구리 배선(16)의 구리 이온이 장벽 금속막(18)을 통해 금속 패드(20)로 확산되고, 구리 배선(16)과 금속 패드(20)의 알루미늄의 접촉 면적이 클 경우 장벽 금속막(18)과 알루미늄 또는 구리 사이의 큰 스트레스로 인해 이들 막 사이의 접착 특성이 나빠져 크랙(crack)이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 패드의 제조 공정을 실시하기 전에, 금속 배선 및 장벽 금속막이 형성된 반도체 기판에 쿨링 공정을 적용함으로써 장벽 금속막의 표면을 안정시키고 장벽 금속막 상/하부의 구리 배선 또는 금속 패드 사이의 접착 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 소자의 금속 배선과 연결되는 금속 패드를 제조하는 방법에 있어서, 반도체 기판의 층간 절연막에 적어도 1층 이상의 금속 배선을 형성하는 단계와, 층간 절연막 및 상기 금속 배선 상부에 장벽 금속막을 형성하는 단계와, 장벽 금속막이 형성된 반도체 기판을 쿨링시키는 단계와, 장벽 금속막 상부에 금속 패드를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 패드 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법은 다음과 같이 진행된다.
우선, 도 4a에 도시된 바와 같이, 하부 배선(100)을 포함한 반도체 기판의 구조물(미도시됨)에 화학적기상증착(CVD) 또는 물리적기상증착(PVD) 공정으로 TEOS, HDP 산화막 등의 절연 물질로 층간 절연막(102)을 형성한다. 여기서, 하부 배선(100)은 구리 또는 알루미늄 등으로 제작한다. 이때, 반도체 기판의 구조물은 MOS 트랜지스터 등의 반도체 소자가 형성된 반도체 기판을 일컫는다.
그리고, 듀얼 다마신의 콘택홀과 트렌치 영역을 정의하는 마스크를 사용한 사진 및 식각 공정으로 층간 절연막(102)을 식각하여 트렌치 및 콘택홀을 형성한다. 그리고 전기 도금 등으로 구리를 층간 절연막(102)의 트렌치 및 콘택홀에 갭필하고 층간 절연막(102) 표면이 드러날 때까지 CMP로 평탄화하여 하부 배선(100)과 수직으로 연결되는 상부의 구리 배선(106) 및 콘택(104)을 형성한다.(S100)
계속해서 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 결과물의 층간 절연막(102) 및 상부 구리 배선(106) 상부에 화학적기상증착(CVD) 공정으로 장벽 금속막(108)으로서 티타늄 실리사이드나이트라이드(TiSiN)를 형성한다.(S110) 예를 들어, 티타늄 실리사이드나이트라이드(TiSiN)는 증착 챔버의 온도를 약 350℃로 하며 TDMAT(Tetrakis-Dimethyl-Amino-Titanium) (Ti[N(CH₃)₂]₄)과 SiH 가스를 이용하여 형성한다.
그 다음 도 4c에 도시된 바와 같이, 장벽 금속막(108) 상부에 금속 패드로서 알루미늄을 증착하기에 앞서, 장벽 금속막(108)이 형성된 반도체 기판에 쿨링 공정을 실시한다.(S120) 이때, 쿨링 공정은 2.0Torr 압력하에서 약 30초동안 Ar 등의 비활성 가스를 약 20sccm으로 주입한다.
본 발명의 쿨링 공정에 의해 약 350도℃의 장벽 금속막(108) 표면이 안정되면서 장벽 금속막(108) 상/하부의 구리 배선(106) 또는 이후 형성될 금속 패드 사이의 접착 특성을 향상시키는 역할을 한다.
이어서 도 4d에 도시된 바와 같이, 쿨링 공정이 적용된 장벽 금속막(108) 상부에 물리적기상증착(PVD) 공정으로 금속 패드(110)로서, 알루미늄을 형성한다.(S130)
그리고나서 도 4e에 도시된 바와 같이, 금속 패드 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 금속 패드(110) 및 장벽 금속막(108)을 식각하여 장벽 금속막(108)을 통해 알루미늄 금속 패드(110)와 구리 배선(106)을 수직으로 연결한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 금속 배선 및 장벽 금속막이 형성된 반도체 기판에 쿨링 공정을 적용한 후에, 장벽 금속막 상부에 금속 패드를 형성함으로써 쿨링 공정에 의해 장벽 금속막을 낮은 온도로 유지시키고 그 표면 상태로 안정화시켜 장벽 금속막 상/하부의 구리 배선 또는 금속 패드 사이의 접착 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 구리 배선의 구리 이온이 장벽 금속막을 통해 금속 패드로 확산되는 것을 막을 수 있고, 구리 배선과 금속 패드의 알루미늄 접촉 면적이 크더라도 장벽 금속막과 구리 배선 또는 금속 패드 사이의 접착 특성이 향상되기 때문에 크랙 발생을 미연에 방지할 수 있으며 금속 패드 크기를 보다 크게 설계할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (4)

  1. 반도체 소자의 금속 배선과 연결되는 금속 패드를 제조하는 방법에 있어서,
    반도체 기판의 층간 절연막에 적어도 1층 이상의 금속 배선을 형성하는 단계와,
    상기 층간 절연막 및 상기 금속 배선 상부에 장벽 금속막을 형성하는 단계와,
    상기 장벽 금속막이 형성된 반도체 기판을 쿨링시키는 단계와,
    상기 장벽 금속막 상부에 금속 패드를 형성하는 단계
    를 포함하는 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 배선은 다마신 공정에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 배선은 구리, 상기 장벽 금속막은 TiSiN, 상기 금속 패드는 알루미늄으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 쿨링 공정은, 2.0Torr 압력하에서 약 30초동안 비활성 가스를 20sccm으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 패드 제조 방법.
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