KR100732747B1 - 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

구리 배선에 대한 배리어 특성을 향상시키고, 콘택에 발생하는 저항을 감소시킨 반도체소자의 구리 배선 형성방법은, 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 콘택 영역을 형성하는 단계와, 콘택 영역을 포함한 층간절연막 상에 배리어 금속막을 증착하는 단계와, 배리어 금속막에 표면처리를 진행하여 비정질층을 형성하는 단계와, 콘택 영역의 하부면 및 층간절연막 상부면의 배리어 금속막을 제거하고 콘택 영역의 측벽에 배리어 금속막을 재증착시키는 단계, 및 콘택 영역을 포함한 배리어 금속막의 전면에 구리층을 증착하고 평탄화하여 상부 구리 배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
구리배선, 스퍼터링, 다마신, 배리어 금속, 콘택저항

Description

반도체 소자의 구리 배선 형성 방법{Method for Forming Copper Wires in Semiconductor Device}
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 구리 배선 형성방법을 나타낸 공정 단면도들이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
11 : 기판 12 : 제 1 층간 절연막
13 : 하부 구리 배선 14 : 제 2 층간 절연막
15 : 제 1 배리어 금속막 16 : 비정질층
17 : 제 2 배리어 금속막 18 : 구리층
18a : 상부 구리 배선
본 발명은 반도체소자의 배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 구리 배선에 대한 배리어 특성을 향상시키고, 콘택에 발생하는 저항을 감소시킨 반도체소자의 구리 배선 형성방법에 관한 것이다.
이하, 종래의 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하면 다음과 같다.
알루미늄(Al) 배선공정의 경우, 알루미늄은 절연막으로 사용되는 산화막(SiO2)으로의 확산이 전혀 발생하지 않는 것으로 알려져 있으므로, 측벽에 매우 얇게 증착되는 배리어 금속막은 알루미늄 배선의 특성에 전혀 영향을 미치지 않게 된다.
구리(Cu) 배선은 이러한 알루미늄 배선과 달리 층간절연막으로 사용되는 산화막을 통해 확산이 일어난다. 또한, 절연막을 통과해 소자로 이동한 구리는 반도체기판 내에 딥 레벨(deep level)로 존재하게 된다. 즉, 구리는 반도체기판 내에서 딥 레벨 도펀트(deep level dopant)로 작용하여 기판 실리콘의 포비든 밴드(forbidden band) 내에 여러 개의 억셉터(acceptor)와 도우너(donor) 레벨을 형성시킨다. 이러한 딥 레벨이 발생(generation)-재조합(recombination)의 소스로 작용하여 누설 전류를 유발시켜 소자를 파괴시킨다. 따라서, 구리를 배선 공정에 도입하려면 이종 금속과 접촉하는 콘택 영역의 기저부는 물론이고, 콘택 영역 측벽의 절연막 재료에 대한 배리어 금속막이 필요하다.
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구리 배선 공정은 IC 회로의 스케일 다운(scale down)에 따라 사용이 불가피해지는 공정이므로, 딥 콘택트(deep contact) 또는 트렌치 패턴에 적용된다. 배리어 금속막 증착 공정의 한계성으로 인해 스텝 커버리지(step coverage)가 점차 나빠져 콘택 영역의 기저부 또는 측벽에 증착되는 배리어 금속의 두께는 점점 얇아지며, 또한 구리 배선의 실효 저항을 높이지 않기 위해서라도 배리어 금속막의 두께는 제한이 따르게 된다.
예를 들어, 현재 실용화 단계에 있는 HCM(Hollow Cathode Magnetron) TaNx, IMP(Ion Metal Plasma) TaNx와 같은 고급 이온화 PVD(advanced ionized Physical Vapor Deposition) 방식의 경우 측벽 스텝 커버리지가 10% 내외로 배리어 금속의 두께가 매우 얇을 수밖에 없다. 또한, PVD 방식의 한계점으로 인하여 CVD 배리어 금속이 적용된다 하더라도 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)에 따르면, 0.07㎛ 테크(tech) 이하에서는 배리어 금속에 허용되는 두께가 최대 30Å 정도인 것으로 예상하고 있다. 따라서, 구리에 대한 배리어 금속막의 역할을 수행하려면 배리어 금속막 내부에 그레인 바운더리(grain boundary)와 같은 결함(defect)이 전혀 없는 완벽한 비정질 구조가 되어야 하는 데, 이와 같은 막을 제조하는 것은 거의 불가능하다.
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한편, PVD 방식을 현재 실용화 단계에 있는 HCM TaNx, IMP TaNx 등과 같은 재료들도 완전한 비정질 구조가 아닌 나노 크리스털(nano crystal) 구조를 하고 있으므로, 두께가 매우 얇을 경우 구리에 대한 배리어 역할을 하지 못한다.
극히 얇은 배리어 금속막이 구리에 대한 배리어 역할을 제대로 수행하려면 배리어 금속막 내부에 그레인 바운더리(grain boundary - 결정면이 다른 두 물질 사이의 경계면)와 같은 결함이 전혀 없는 완벽한 비정질(amorphous) 구조가 되어야 한다. 그러나, 0.13㎛ 테크(tech) 이하의 로직 소자에 적용될 구리 배선 공정에서는 배리어 금속막의 두께가 수십 Å이하로 매우 얇기 때문에, 구리의 절연막 재료에 대한 배리어로서의 역할에 제한을 가져오게 된다.
따라서, 배리어 금속을 증착한 후 대기 중에 노출시키거나 기체 분위기 하에서 열처리를 통하여 결함이 존재하는 부분을 O, C, H 등의 원자들로 채움으로써 배리어 능력을 향상시키고자 하였다. 이는 산소 스터핑(oxygen stuffing) 효과로서, 기존의 알루미늄 배선 공정에서는 주상정 조직을 갖는 TiN의 표면을 공기 중에 노출시켜 표면 및 결정 계면에 Ti-N-O를 형성시킴으로써 배리어(barrier)로서의 역할을 향상시키는 것으로 알려져 있으며 실용화되어 있다. 그러나, 상기에서 기술한 TiN을 구리 배선 공정에 적용할 경우 배리어 금속막으로서의 산소 스터핑 효과가 없는 것으로 알려져 있다.
그러나, 이는 TiN을 Cu/Si 계면 사이에 매우 두껍게( 수백 내지 수천 Å) 증착시켜 고온(500 내지 800℃)에서 실리콘과 구리의 반응성 여부를 통해 배리어 금속막을 평가한 것이므로 신빙성이 없는 결과이다. 실제로, 구리 배선 공정의 경우는 알루미늄과 달리 고온 공정을 수반하지 않기 때문에(최대 450℃를 넘지 않는다), 공기 중에 노출시 배리어 금속막 표면 또는 결함 등에 흡착되어 있거나 결합되어 있는 O, H, C, N 등을 구리 원자 또는 이온의 이동을 막게 된다. 즉, 구리 배선공정의 가용 온도(450℃ 이하)에서는 원자들의 바이브레이션(vibration)이 크지 않기 때문에, 알루미늄 배선 공정에서와 같은 산소 스터핑 효과를 적용시킬 수 있게 된다.
한편, 배리어 금속막을 증착한 후 인 시튜(in situ)로 구리 씨드층을 증착하는 경우는 구리(111) 구조(texture)가 잘 발달하지만, 배리어 금속막 증착 후 일단 공기 중에 노출되거나 또는 그 밖의 방식으로 표면처리를 하는 경우에는 표면에 산화막과 같은 비정질층이 형성되므로 콘택트 저항이 매우 높아질 뿐 아니라 후속 공정에서 구리(111) 구조(texture)는 매우 약하게 된다. 또한, 이온화 PVD 공정으로 증착된 배리어 금속막은 패턴의 측벽에 비하여 콘택 기저부에 매우 두껍게 되어 콘택 저항이 매우 높아지게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구리 배선에 대한 배리어 특성을 향상시키고, 콘택에 발생하는 저항을 감소시킨 반도체소자의 구리 배선 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 반도체소자의 구리 배선 형성방법은, 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 콘택 영역을 형성하는 단계와, 상기 콘택 영역을 포함한 층간절연막 상에 배리어 금속막을 증착하는 단계와, 상기 배리어 금속막에 표면처리를 진행하여 비정질층을 형성하는 단계와, 상기 콘택 영역의 하부면 및 상기 층간절연막 상부면의 배리어 금속막을 제거하고 상기 콘택 영역의 측벽에 배리어 금속막을 재증착시키는 단계, 및 상기 콘택 영역을 포함한 배리어 금속막의 전면에 구리층을 증착하고 평탄화하여 상부 구리 배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 1a와 같이, 반도체기판(11) 상에 제1 층간절연막(12)을 형성하고 이를 선택적으로 제거하여 제1 콘택 영역(하부 구리 배선이 증착될 영역)을 정의한다. 이어, 하부 구리 배선층(13)을 증착한 후, 제2 층간절연막(14)을 형성한다. 상기 제2 층간절연막(14)을 선택적으로 제거하여 제2 콘택 영역을 정의한다.
도 1b와 같이, 상기 제2 콘택 영역을 포함한 제2 층간절연막(14) 전면에 제1 배리어 금속막(15)을 증착한다. 상기 제2 콘택 영역을 정의한 후 증착하는 상기 제1 배리어 금속막(15)은 20Å 내지 1000Å의 두께로 증착한다. 이때, 상기 제1 배리어 금속막(15)은 Ta, TaN, TaC, WN, TiN, TiW, TiSiN, WBN, WC 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 배리어 금속막(15)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식으로 증착할 수 있다.
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다음, 상기 제1 배리어 금속막(15)의 표면을 대기중에 노출시키거나 열처리하여 상기 제1 배리어 금속막(15)의 표면에 비정질층(16)을 형성한다. 상기 제1 배리어 금속막(15)을 증착한 반도체기판을 대기 중에 노출시킬 때는 노출 시간을 1초 내지 10시간으로 하고, 대기의 온도는 0℃ 내지 100℃로 하고, 습도는 10% 내지 80%로 하여 진행한다.
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이와 달리, 기체 분위기에서 열처리하여 진행할 때는 박스 퍼니스(box furnace)를 이용하여, 150℃ 내지 450℃의 온도에서 1분 내지 10시간 동안 진행한다. 또는, 급속열처리(RTP: Rapid Thermal Process)용 퍼니스를 이용하여, 250℃ 내지 500℃의 온도에서 1초 내지 20분 동안 진행할 수도 있다.
박스 퍼니스에서나 급속열처리 퍼니스에서나, 표면처리 공정의 기체 분위기는 N2, Ar, H2 등의 단독 기체 또는 상기 기체들의 혼합 기체, 예를 들어 Ar + N2, Ar + H2 또는 N2+ H2를 이용하여 진행한다. 상기 기체 또는 혼합 기체들을 흘려 보낼 때 챔버 내부의 압력은 약 1 mTorr 내지 10 Torr로 한다.
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도 1c와 같이, 상기 반도체기판(11)에 RF 바이어스를 인가하여 상기 비정질층(16)과 상기 제1 배리어 금속막(15)을 재스퍼터링(resputtering)한다. 이러한 재스퍼터링을 통해 상기 제2 콘택 영역의 기저부와 제2 층간절연막(14) 상부에 증착되었던 비정질층(16)이 제거된다. 계속해서 재스퍼터링을 진행하게 되면, 식각된 제1 배리어 금속막(15)이 제2 콘택 영역의 측벽에 재증착되어 제2 배리어 금속막(17)을 형성하게 된다.
이러한 제2 배리어 금속막(17)은 제2 콘택 영역의 기저부와 제2 층간절연막(14) 상부에 증착되어 있던 제1 배리어 금속막(15)의 일부가 식각되고, 이러한 식각된 배리어 금속막이 제2 콘택 영역의 측벽에 재증착된 것으로, 외부에서 배리어 금속막이 증착되어 있는 것이 아니라, 증착되어 있는 제1 배리어 금속막(15)의 형태가 변화된 것이다. 이때, 상기 제2 콘택 영역의 측벽에서는 비정질층(16)이 다시 증착되는 제2 배리어 금속막(17)에 덮여진다.
상기 RF 바이어스를 인가하여 스퍼터링하는 공정은 PVD 모듈(PVD module)에서 13.56MHz의 RF 제너레이터(generator)를 이용하여 진행한다. 이때는 Ar+ 이온을 이용한다. 상기 PVD 모듈의 RF 파워는 50W 내지 1000W로 하며, 상기 PVD 모듈의 DC 파워는 1kW 내지 30kW로 한다.
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도 1d와 같이, 상기 제2 콘택 영역의 측벽에서의 제2 배리어 금속막(17)의 재증착이 완료되면, 제2 콘택 영역을 충분히 매립하도록 구리층(18)을 증착하여 상부 구리 배선을 형성한다. 상기 상부 구리 배선을 형성하는 단계는, 인 시튜(in situ)에서 구리 씨드층(도시하지 않음)을 제1 및 제2 배리어 금속막 표면에 얇게 증착하는 단계와, 상기 제2 콘택 영역을 완전히 매립하도록 전면에 구리층(18)을 증착하는 단계와, 상기 구리층(18)을 열처리한 후 평탄화하여 상부 구리 배선(18a)을 형성하는 단계로 이루어진다.
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상기 구리층(18)의 열처리는 200℃ 내지 500℃의 온도에서 10초 내지 30분 동안 진행한다. 그리고, 상기 구리 씨드층은 PVD 또는 CVD의 방식을 통해 50Å 내지 1500Å의 두께로 증착한다. 상기 제2 콘택 영역을 매립하는 구리층(18)의 성장 방식은 무전해 도금방식, 전해 도금방식, PVD 또는 CVD 방식 등을 사용할 수 있다.
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도 1e와 같이, 상기 제2 층간절연막(14)의 상부 표면을 엔드(end) 포인트로 하여 평탄화(CMP)를 진행한다.
상기에서 기술한 제1, 제2 콘택 영역이나 트렌치의 형성은 싱글 다마신(single damascene) 또는 듀얼 다마신(dual damasene) 공정을 통해 이루어진다.
상기와 같은 본 발명의 반도체소자의 구리 배선 형성방법에 따르면, 배리어 금속막을 얇게 증착한 후 구리 배선을 형성시키기 전 대기 중에 노출시키거나 기체 분위기 하에서 열처리함으로써, 배리어 표면에 존재하고 있는 결함들이 O, C, H 등의 원자들로 채워져 매우 밀도가 높은 막을 형성시킴으로써 구리 이온 또는 원자들의 층간절연막으로의 이동을 막음으로써 배리어 특성을 현저하게 향상시킨다. 그리고, 비정질층을 형성하는 표면처리 후 다시 RF 바이어스를 인가하여 층간절연막 상부와 콘택 영역 기저부에서 식각된 배리어 금속막을 콘택 영역 측벽에 재증착시키게 되면 상부 구리 배선의 구조를 약화시키지 않고, 구리에 대한 배리어 특성을 향상시킴과 더불어 콘택 저항을 감소시킬 수 있기 때문에 구리 공정의 수율(yield)을 향상시킬 수 있다.
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Claims (18)

  1. 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 콘택 영역을 형성하는 단계;
    상기 콘택 영역을 포함한 층간절연막 상에 배리어 금속막을 증착하는 단계;
    상기 배리어 금속막에 표면처리를 진행하여 비정질층을 형성하는 단계;
    상기 콘택 영역의 하부면 및 상기 층간절연막 상부면의 배리어 금속막을 제거하고 상기 콘택 영역의 측벽에 배리어 금속막을 재증착시키는 단계; 및
    상기 콘택 영역을 포함한 배리어 금속막의 전면에 구리층을 증착하고 평탄화하여 상부 구리 배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘택 영역을 포함하는 층간절연막 상에 증착하는 배리어 금속막은 20Å 내지 1000Å의 두께로 증착함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 콘택 영역을 형성하는 단계는,
    싱글 다마신 또는 듀얼 다마신 공정을 통해 이루어짐을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배리어 금속막은 Ta, TaN, TaC, WN, TiN, TiW, TiSiN, WBN, WC 중 어느 하나로 형성하는 것임을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배리어 금속막은 CVD 또는 PVD 방식으로 증착됨을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배리어 금속막에 대한 표면처리는,
    상기 배리어 금속막이 증착된 반도체기판을 대기 중에 노출시켜 진행함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 배리어 금속막이 증착된 반도체기판을 대기 중에 노출하는 표면처리는,
    노출 시간을 1초 내지 10시간으로 하고, 대기의 온도는 0℃ 내지 100℃로 하며, 습도는 10% 내지 80%로 하여 진행함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배리어 금속막에 대한 표면처리는,
    박스 퍼니스를 이용하여, 150℃ 내지 450℃의 온도에서 1분 내지 10시간 동안 진행함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배리어 금속막에 대한 표면처리는,
    급속열처리(RTP) 퍼니스를 이용하여, 250℃ 내지 500℃의 온도에서 1초 내지 20분 동안 진행함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 배리어 금속막에 대한 표면처리는,
    N2, Ar, H2, 또는 상기 기체들의 혼합 기체 중의 어느 하나를 이용하여 진행함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기체 또는 혼합 기체들을 이용한 표면처리단계에서,
    챔버 내부의 압력은 1 mTorr 내지 10 Torr인 것을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 콘택 영역의 하부면 및 층간절연막 상부면의 배리어 금속막을 제거하고 상기 콘택 영역의 측벽에 배리어 금속막을 재증착시키는 단계는,
    상기 반도체기판에 RF 바이어스를 인가하여 상기 콘택 영역의 하부면 및 층간절연막 상부면의 배리어 금속막을 스퍼터링하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 스퍼터링 단계는,
    PVD 모듈에서 50W 내지 1000W의 RF 파워와, 1kW 내지 30kW의 DC 파워로 진행함을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 상부 구리 배선을 형성하는 단계는,
    구리 씨드층을 상기 배리어 금속막 표면에 얇게 증착하는 단계와,
    상기 콘택 영역을 매립하도록 상기 층간절연막 전면에 구리층을 증착하는 단계, 및
    상기 구리층을 열처리한 후 평탄화하여 상부 구리 배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 구리층을 열처리하는 단계는,
    200℃ 내지 500℃의 온도에서 10초 내지 30분 동안 진행함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 구리 씨드층을 증착하는 단계는,
    PVD 또는 CVD 방식으로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 구리 씨드층은 50Å 내지 1500Å의 두께로 증착함을 특징으로 하는 반도체소자의 구리 배선 형성방법.
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