KR100707668B1 - 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, FSG막과 실리콘산화막을 순차적으로 도포하고 평탄화한 후, 티타늄막을 도포하고 열처리하여 티타늄산화막을 형성한다. 티타늄산화막 위에 알루미늄막을 도포하고 그 위에 다시 티타늄막과 티타늄질화막을 도포하여 금속배선 적층 구조를 제조한다. 티타늄막의 열처리 공정은 산소/오존 플라즈마를 이용하여 약 300℃ 내지 450℃의 온도에서 수행할 수 있다. 티타늄산화막은 층간 절연막 내부의 불소 성분이 알루미늄막 쪽으로 확산되는 것을 차단하여 불소 확산에 따른 배선 불량을 방지할 수 있고, 티타늄알루미늄막의 생성을 방지하여 금속배선의 접촉 면저항 증가, 응력유도 공극 발생, 전자이탈 현상 등을 방지할 수 있다.
알루미늄 금속배선, 티타늄막, FSG막, 불소확산, 티타늄산화막
Description
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 금속배선 적층 구조를 나타내는 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법을 나타내는 단면도.
<도면에 사용된 참조 번호의 설명>
11, 21: FSG막 12, 22: 실리콘산화막
13, 15, 23: 티타늄막 14, 24: 알루미늄막
13a, 15a: 티타늄알루미늄막 16: 티타늄질화막
23a: 티타늄산화막 27: 산소/오존 플라즈마
본 발명은 반도체 소자의 제조 기술에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 알루미늄막 하부에 도포된 티타늄막을 열처리하여 티타늄산화막으로 형성함으로써 층간 절연막 내부의 불소 성분 확산에 의한 불량을 방지할 수 있는 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 구리(Cu)를 이용한 배선 기술이 활발히 연구되고 있고 실제 적용 폭을 넓혀가고 있지만, 공정비용이나 수율 측면에서는 아직도 개선의 여지가 많은 실정이다. 따라서 메모리 제품 등에서는 아직까지 알루미늄(Al)을 배선 물질로 이용하는 것이 일반적이다.
알루미늄은 배선 위아래에 존재하는 절연막과 접착력이 떨어지기 때문에 통상적으로 알루미늄막의 위아래에 티타늄(Ti)막을 형성한다. 그리고 상부 티타늄막 위에는 노광 공정에서 반사방지막 역할을 하는 티타늄질화(TiN)막을 형성한다. 이와 같이 종래의 금속배선은 통상적으로 티타늄막/알루미늄막/티타늄막/티타늄질화막의 적층 구조로 이루어진다. 이러한 적층 구조는 순차적으로 진공 차단(vacuum break) 없이 장비 내에서 연속적으로 도포 공정을 수행하여 구현하게 된다. 이는 계면간 수분 침투와 산화를 방지하기 위한 것으로, 티타늄과 알루미늄의 경우 공기 중에 노출될 경우 쉽게 산화반응이 일어나기 때문이다.
한편, 금속배선의 층간 절연막(IMD) 소재로 근래 들어 사용되기 시작한 것이 FSG(fluorinated silica glass)이다. FSG는 유전율이 약 3.5 정도에 불과해 기존의 실리콘산화물(SiO2) 층간 절연막보다 상대적으로 유전율이 낮다. 층간 절연막의 유전율이 높으면 인접한 배선 간의 기생 정전용량(parasitic capacitance)이 증가하고 이로 인하여 RC 지연시간이 늘어나며 소자의 동작속도가 저하된다. 그런데 FSG를 층간 절연막으로 이용하려면 FSG막으로부터 방출되는 불소(F)의 확산 문제를 해 결해야 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 금속배선 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 금속배선 하부의 층간 절연막으로 먼저 FSG막(11)과 실리콘산화막(12)이 도포 및 평탄화 공정을 통해 형성된다. 이어서, 금속배선 적층 구조로서, 제1 티타늄막(13), 알루미늄막(14), 제2 티타늄막(15), 티타늄질화막(16)이 연속적으로 도포된다.
그런데 FSG막(11) 내의 불소 성분은 수직, 수평으로 이동하는 경향이 있기 때문에 실리콘산화막(12)의 표면에 노출되거나 제1 티타늄막(13)을 뚫고 알루미늄막(14)으로 확산하게 된다. 이러한 불소 성분은 불산(HF)을 형성하여 실리콘산화막(12)과 알루미늄막(14)을 녹이게 되고 단선(open), 단락(short)과 같은 신뢰성 불량을 일으킨다. 또한 실리콘산화막(12)의 표면에 불소 성분이 있을 경우, 제1 티타늄막(13)과 실리콘산화막(12)의 접착력을 떨어뜨려 금속배선 적층 구조의 들뜸과 같은 불량을 유발하기도 한다.
한편, 열을 수반하는 후속 공정을 거치면서 티타늄막(13, 15)이 알루미늄막(14)과 반응하게 되면 티타늄알루미늄(TiAl3)막(13a, 15a)이 만들어진다. 티타늄알루미늄막(13a, 15a)은 금속배선의 접촉 면저항(sheet resistance)을 증가시켜 소자의 특성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 응력유도 공극(stress-induced void; SIV)의 발생, 전자이탈(electromigration; EM) 현상과 같은 각종 신뢰성 불량들을 유발한다.
따라서 본 발명의 목적은 층간 절연막의 불소 확산 및 티타늄알루미늄막 형성에 따른 각종 신뢰성 불량을 방지할 수 있는 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 구성의 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속배선 적층 구조는, 산화막을 구비하는 층간 절연막과, 층간 절연막 위에 형성된 티타늄산화막과, 티타늄산화막 위에 형성된 알루미늄막을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 금속배선 적층 구조에서, 층간 절연막은 FSG막과 그 위에 형성된 실리콘산화막을 구비할 수 있다.
본 발명의 금속배선 적층 구조는 알루미늄막 위에 순차적으로 형성된 티타늄막과 티타늄질화막을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 금속배선 적층 구조 제조 방법은, (a) 산화막을 구비하는 층간 절연막을 형성하는 단계와, (b) 층간 절연막 위에 제1 티타늄막을 도포하는 단계와, (c) 제1 티타늄막을 열처리하여 티타늄산화막을 형성하는 단계와, (d) 티타늄산화막 위에 알루미늄막을 도포하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 금속배선 적층 구조 제조 방법에서, (a) 단계는 FSG막과 실리콘산화막을 순차적으로 도포하고 평탄화하는 단계를 구비할 수 있고, (c) 단계는 산소/오존 플라즈마를 이용하여 약 300℃ 내지 450℃의 온도에서 수행할 수 있다.
본 발명의 금속배선 적층 구조 제조 방법은 (d) 단계 후, 알루미늄막 위에 제2 X티타늄막과 티타늄질화막을 연속적으로 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예를 설명함에서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, FSG막(21)과 실리콘산화막(22)을 순차적으로 도포하고 평탄화하여 금속배선 하부의 층간 절연막을 형성한다. 이어서, 층간 절연막(21, 22) 위에 제1 티타늄막(23)을 도포한다.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 산소/오존 플라즈마(27, O2/O3 plasma)를 이용하여 약 300℃ 내지 450℃의 온도(예컨대, 약 400℃)에서 어닐(anneal) 공 정을 수행한다. 어닐 공정에 의하여 제1 티타늄막(23)은, 도 2c에 도시된 바와 같이, 얇은 티타늄산화막(23a, TiO2)으로 형성된다. 이 티타늄산화막(23a)은 막질이 매우 치밀하고 견고하기 때문에 FSG막(21)의 불소 성분이 확산되는 것을 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 하부의 실리콘산화막(22)과 접착력이 저하되지도 않는다.
그리고 나서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 티타늄산화막(23a) 위에 알루미늄막(24)을 도포한다. 티타늄산화막(23a)이 불소에 대한 확산방지막의 역할을 수행하므로 알루미늄막(24)의 신뢰성이 향상되고 전술한 종래의 문제점들이 방지된다. 또한 티타늄산화막(23a)은 알루미늄막(24)과 반응하지 않으므로 후속 공정에서 티타늄알루미늄막이 생성되는 것을 사전에 방지할 수 있고 티타늄알루미늄막에 의한 각종 문제들을 예방할 수 있다.
이후, 도면에 도시되지는 않았지만, 알루미늄막 위에 제2 티타늄막, 티타늄질화막을 연속적으로 도포하고 사진식각 공정을 거쳐 금속배선 적층 구조를 완성한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 및 그 제조 방법은 알루미늄막 하부에 도포된 티타늄막을 열처리하여 티타늄산화막으로 형성함으로써 층간 절연막 내부의 불소 성분이 알루미늄막 쪽으로 확산되는 것을 차단하여 불소 확산에 따른 배선 불량을 방지할 수 있고 접착력 저하 현상을 개선할 수 있다. 아울러, 티타늄알루미늄막의 생성을 방지하여 금속배선의 접 촉 면저항이 증가하는 것을 예방할 수 있고 응력유도 공극 발생, 전자이탈 현상과 같은 신뢰성 불량들을 방지할 수 있다.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
Claims (7)
- 산화막을 구비하는 층간 절연막;상기 층간 절연막 위에 티타늄막을 증착하고, 상기 티타늄막을 열처리하여 형성된 티타늄산화막; 및상기 티타늄산화막 위에 형성된 알루미늄막;을 포함하는 반도체 소자의 금속배선 적층 구조.
- 제1항에서,상기 층간 절연막은 FSG막과 그 위에 형성된 실리콘산화막을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 적층 구조.
- 제1항 또는 제2항에서,상기 알루미늄막 위에 순차적으로 형성된 티타늄막과 티타늄질화막;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 적층 구조.
- (a) 산화막을 구비하는 층간 절연막을 형성하는 단계;(b) 상기 층간 절연막 위에 제1 티타늄막을 도포하는 단계;(c) 상기 제1 티타늄막을 열처리하여 티타늄산화막을 형성하는 단계; 및(d) 상기 티타늄산화막 위에 알루미늄막을 도포하는 단계;를 포함하는 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 제조 방법.
- 제4항에서,상기 (a) 단계는 FSG막과 실리콘산화막을 순차적으로 도포하고 평탄화하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 제조 방법.
- 제4항에서,상기 (c) 단계는 산소/오존 플라즈마를 이용하여 약 300℃ 내지 450℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 제조 방법.
- 제4항 내지 제6항 중의 어느 한 항에서,상기 (d) 단계 후, 상기 알루미늄막 위에 제2 X티타늄막과 티타늄질화막을 연속적으로 도포하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속배선 적층 구조 제조 방법.
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