KR100744247B1 - 구리 배선 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 듀얼 다마신 방법을 이용하는 구리 배선 형성 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명에서는 듀얼 다마신 방법을 사용하는 구리 배선 형성 방법에 있어서, 구리 배선 형성을 위한 트렌치 및 비아홀 내 구리 배리어막의 탄탄륨층을 증착시키고, 임플란트 방식을 이용하여 실리콘(Si)을 탄탈륨층 위에 얇게 형성시킨 후, 열공정을 통해 구리 시드막과 구리 배리어막의 탄탈륨층 경계면에 각각 구리 실리사이드와 탄탈륨 실리사이드를 형성시킴으로써, 구리 시드막과 구리 배리어막간 접촉 특성을 향상시켜 구리 배선 형성 시 소자의 전기적 특성을 향상시키게 된다.
다마신, 구리 시드막, 구리 배리어막, 확산, 실리콘

Description

구리 배선 형성 방법{METHOD FOR FORMING COPPER LINE}
도 1은 종래 듀얼 다마신 방법을 이용한 구리 배선 공정 모식도,
도 2는 종래 구리 배선 형성 시 구리 배리어막과 구리 시드막간 접촉 불량 발생 모식도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시 예에 따라 구리 배리어막과 구리 시드막간 접촉특성을 향상시킨 구리 배선 공정 모식도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 구리 배리어막과 구리 시드막간 실리콘 확산 예시도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 확산에 따른 구리 배리어막과 구리 시드막간 실리사이드막 형성 예시도.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
300 : 층간 절연막 302 : 탄탈륨 나이트라이드
304 : 탄탈륨 310 : 구리 시드막
320 : 탄탈륨 실리사이드 322 : 구리 실리사이드
324 : 구리
본 발명은 구리 배선 공정에 관한 것으로, 특히 다마신(damascene) 방법을 사용하는 구리 배선 공정에서 구리 배리어(barrier)막과 구리 시드(seed)막간 접촉 특성을 향상시켜 소자의 전기적 특성을 향상시키는 구리 배선 형성 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 트랜지스터 소자 뿐만 아니라 금속 배선의 미세화 및 다층화 요구에 따라 반도체 디바이스(device)의 사이즈(size)는 점점 더 감소되는 추세에 있으며, 이러한 사이즈의 감소로 인한 콘텍홀(contact hole)의 고종횡비(high aspect ratio)에 따라 기존의 알루미늄, 텅스텐을 이용한 금속배선 형성의 경우, 알루미늄 및 텅스텐의 낮은 매립특성 및 높은 저항에 의한 시간 지연의 문제가 발생하게 되는 문제점이 있다.
이에 따라 현재는 탄탈륨(Ta) 및 탄탈륨 나이트라이드(TaN)를 확산 방지막으로 하여 구리 시드(Seed)를 증착 시킨 후, 구리 전착(Electrochemical Plate)법을 통해서 제조되는 구리배선(copper line)을 금속배선(metal line)으로 사용하는 듀얼 다마신(dual damascene) 공법이 고집적 반도체 소자를 위한 금속배선 방법으로 사용되고 있다.
도 1은 종래 듀얼 다마신 방법을 이용한 구리 배선 공정 모식도를 도시한 것으로, 상기 도 1에서와 같이 먼저 반도체 기판 상에 층간 절연막(100)을 형성하고 층간 절연막(100)에 트렌치(trench)와 하부 금속 배선과 연결을 위한 비아홀(via hole) 패턴을 연속적으로 형성시킨다.
이어 탄탈륨(Ta) 또는 탄탈륨 나이트라이드(TaN)를 단독 또는 혼용하여 구리 배리어(barrier)막(103)과 구리 시드(see)막(104)을 형성하고, 전기 화학 도금 방식(ECP)을 이용하여 구리(Cu)(106)를 상기 비아홀 및 트렌치 내에 증착 시킨 후, 열공정과 구리 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 거쳐서 듀얼 다마신(dual damascene)을 완성시키게 된다.
그러나 상기한 종래 듀얼 다마신 방법에서는 구리 시드막과 하부의 구리 배리어막인 탄탈륨막과의 접촉 특성이 좋지 않아 구리 시드막과 탄탈륨막의 두 막 사이가 벌어지는 문제점이 있었다.
이때 특히 위와 같은 현상은 도 2에서 보여지는 바와 같이 하부의 구리막(Cu)과 연결되는 비아홀 패턴(via hole pattern)의 바닥(bottom) 부분(106)에서 자주 발생하게 되는데, 이와 같이 접촉 불량으로 인해 구리 시드(seed)막(104)과 구리 배리어(barrier)막(103)의 탄탈륨막(102) 사이가 벌어지는 경우 비아홀(via hole) 또는 트렌치(trench) 패턴의 불량으로 이어져 소자의 전기적 특성이 나빠지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 다마신(damascene) 방법을 사용하는 구리 배선(copper line) 공정에서 구리 배리어(barrier)막과 구리 시드(seed)막간 접촉(adhesion) 특성을 향상시켜 소자의 전기적 특성을 향상시키는 구리 배선 형성 방 법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 듀얼 다마신을 이용한 구리 배선 형성 방법으로서, (a)반도체 기판 상 층간 절연막내 트렌치(trench)와 하부 금속 배선 연결을 위한 비아홀(via hole) 패턴을 형성시키는 단계와, (b)상기 트렌치와 비아홀 내 구리 배리어막의 탄탈륨층을 형성시키는 단계와, (c)상기 탄탈륨층 상부에 실리콘막을 형성시키는 단계와, (d)상기 실리콘막 상부로 구리 시드막을 증착 시킨 후, 열공정을 수행시키는 단계와, (e)상기 열공정에 의한 상기 실리콘막 확산을 통해 상기 구리 시드막과 구리 배리어막 사이에 실리사이드막을 형성시키는 단계와, (f)상기 트렌치 및 비아홀 내 구리를 증착시켜 구리 배선을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 다마신 방법을 이용한 구리 배선 공정의 모식도를 도시한 것으로, 이하 상기 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 구리 배리어막과 구리 시드막간 접촉 특성을 개선한 본 발명의 구리 배선 공정을 상세히 설명하기로 한다.
먼저 상기 도 3a에서와 같이 반도체 기판 상에 층간 절연막(300)을 형성하고 층간 절연막(300)에 트렌치와 하부 금속 배선과 연결을 위한 비아홀 패턴을 연속적으로 형성시킨다.
이어 탄탈륨 나이트라이드(TaN)(302)과 탄탈륨(Ta)(304)를 순차적으로 증착시킨 구리 배리어막(305)을 형성시킨 후, 구리 시드막을 형성하기 전에 구리 배리어 막으로 사용되는 탄탈륨막(304)과 구리 시드막 사이의 접촉 특성(adhesion characteristic)을 향상시키기 위하여 구리 배리어막(305) 형성 후, 임플란트(implant) 방식을 이용하여 실리콘(Si)을 증착시켜(306) 상기 구리 배리어막(305) 위에 얇은 실리콘막을 형성시킨다.
그런 후, 상기 도 3b에서와 같이 상기 실리콘막(308) 위로 구리 시드막(310)을 증착한 후, 열공정을 수행한다. 이에 따라 상기 실리콘막(308)이 열공정에 의해 도 4에서와 같이 상부의 구리 시드막(310)과 하부의 구리 배리어막인 탄탈륨막(304)으로 확산이 이루어지게 된다.
이와 같이 구리 시드막(310)으로 확산된 실리콘(Si)은 도 5에서 보여지는 바와 같이 구리 배리어막(305)의 탄탈륨막(304)과 접촉된 구리 시드막(310) 경계부위에 구리 실리사이드(322)를 형성시킨다.
또한 이와 마찬가지로 구리 배리어(barrier)막(305)의 탄탈륨막(Ta)(304)으로 확산(diffusion)된 실리콘(Si)은 상기 도 5에서 보여지는 바와 같이 구리 시드막(310)과 접촉된 구리 배리어막(305)의 탄탈륨막(304) 경계부위에 탄탈륨 실리사이드(320)를 형성시켜 구리 시드막(310)과 구리 배리어막(305)간 접촉 특성을 향상시키게 된다.
이때 상기 탄탈륨 실리사이드(322)는 후속하여 증착되는 구리의 확산 방지 역할도 하게 된다.
이어 도 3c에서와 같이, ECP 방식을 이용하여 구리(Cu)(306)를 상기 비아홀 및 트렌치 내에 증착 시킨 후, 열공정과 구리 CMP 공정을 거쳐서 듀얼 다마신을 완성시키게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 듀얼 다마신 방법을 사용하는 구리 배선 형성 방법에 있어서, 구리 배선 형성을 위한 트렌치 및 비아홀 내 구리 배리어막의 탄탄륨막을 증착시키고, 임플란트 방식을 이용하여 실리콘(Si)을 탄탈륨막 위에 얇게 형성시킨 후, 열공정을 통해 구리 시드막과 구리 배리어막의 탄탈륨막 경계면에 각각 구리 실리사이드와 탄탈륨 실리사이드를 형성시킴으로써, 구리 시드막과 구리 배리어막간 접촉 특성을 향상시켜 구리 배선 형성 시 소자의 전기적 특성을 향상시키게 된다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 듀얼 다마신 방법을 사용하는 구리 배선 형성 방법에 있어서, 구리 배선 형성을 위한 트렌치 및 비아홀 내 구리 배리어막의 탄탄륨막을 증착시키고, 임플란트 방식을 이용하여 실리콘(Si)을 탄탈륨막 위에 얇게 형성시킨 후, 열공정을 통해 구리 시드막과 구리 배리어막의 탄탈륨막 경계면에 각각 구리 실리사이드와 탄탈륨 실리사이드를 형성시킴으로써, 구리 시드막과 구리 배리어막간 접촉 특성을 향상시켜 구리 배선 형성 시 소자의 전기적 특성을 향상시키는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 듀얼 다마신을 이용한 구리 배선 형성 방법으로서,
    (a)반도체 기판 상 층간 절연막내 트렌치와 하부 금속 배선 연결을 위한 비아홀 패턴을 형성시키는 단계와,
    (b)상기 트렌치와 비아홀 내 구리 배리어막의 탄탈륨층을 형성시키는 단계와,
    (c)상기 탄탈륨층 상부에 실리콘막을 형성시키는 단계와,
    (d)상기 실리콘막 상부로 구리 시드막을 증착 시킨 후, 열공정을 수행시키는 단계와,
    (e)상기 열공정에 의한 상기 실리콘막 확산을 통해 상기 구리 시드막과 구리 배리어막 사이에 실리사이드막을 형성시키는 단계와,
    (f)상기 트렌치 및 비아홀 내 구리를 증착시켜 구리 배선을 형성시키는 단계
    를 포함하는 구리 배선 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계에서, 상기 구리 배리어막은, 탄탈륨 나이트라이드와 상기 탄탈륨층을 순차적으로 증착하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 구리 배선 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서, 상기 얇은 실리콘막은, 임플란트 방식을 이용하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 구리 배선 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (e)단계에서, 상기 실리콘 확산을 통해 상기 구리 시드막과 구리 배리어막 경계면에 상기 구리 시드막 쪽으로는 구리 실리사이드를 형성시키며, 상기 구리 배리어막 쪽으로는 탄탈륨 실리사이드를 형성시키는 것을 특징으로 하는 구리 배선 형성 방법.
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