KR100838362B1 - 반도체 장치의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구리의 확산방지 기능이 탁월한 삼원계 구리 확산방지막을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 구리배선; 및 상기 구리배선의 테두리에 구비된 텅스텐지르코늄질화막을 구비하는 반도체 장치를 제공한다. 또한 본발명은 기판상에 도전성막으로 재1 배선을 형성하는 단계: 상기 제1 배선상에 제1 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 배선이 노출되도록 상기 제1 층간절연막을 'T' 형태로 선택적으로 제거하여 비아홀 및 상부배선영역을 형성하는 단계; 상기 비아홀 및 상부배선영역의 바닥 및 측벽에 텅스텐지르코늄질화막을 구리확산방지막으로 형성하는 단계; 상기 비아홀 및 상부배선영역 내부를 구리막으로 매립하여 비아 플러그 및 제2 배선을 형성하는 단계; 및 상기 텅스텐지르코늄질화막을 상기 제2 배선 상부 영역에 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조방법을 제공한다.
반도체, 콘택홀, 비아홀, 구리, 확산방지막.
Description
도1 내지 도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 콘택플러그 제조방법을 보여주는 공정단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 기판
11 : 제1 층간절연막
12 : 하부배선
13 : 제2 층간절연막
14 : 비아홀
15 : 제1 확산방지막
16 : 구리배선
17 : 제2 확산방지막
본 발명은 반도체 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정에 있어서 배선을 구리로 형성할 때의 구리 확산방지막에 관한 것이다.
반도체 집적회로의 제조 공정은 크게 실리콘 기판에 소자들을 형성하는 공정과 이 소자들을 전기적으로 연결하는 공정으로 구분된다. 이중 소자들을 전기적으로 연결하는 공정을 배선 공정 또는 금속선 연결 공정(Metallization)이라 하는데,이 공정은 소자의 집적도가 증가함에 따라 수율과 신뢰성을 향상시키는데 있어서 점점 중요한 관건이 되고 있다.
현재 배선 재료로 널리 쓰이고 있는 금속은 알루미늄이다. 그러나, 소자의 집적도가 증가함에 따라 배선 폭은 감소하며 총 길이는 증가하게 되는데, 이에 따라 RC 시정수로 표시되는 신호전달 지연시간이 길어지게 된다. 또한 배선 폭이 감소함에 따라 전기적 이동(Electromigration)이나 응력 이동(Stress Migration)에 의한 배선의 단락이 중요한 문제로 대두되고있다. 따라서, 동작 속도가 빠르고 신뢰성 있는 소자를 제작하기 위하여 알루미늄보다 비저항이 작고 전기적 이동이나 응력에 대한 저항성이 큰 구리를 이용하여 배선을 행하는 방향으로 배선 공정이 변화되는 추세에 있다.
그렇지만, 구리는 낮은 비저항과 높은 융점을 제외하면, 알루미늄이 가지고 있는 다른 우수한 물성들은 가지고 있지 않다. 예를 들어, 구리는 Al2O3과 같은 치밀한 보호피막이 없으며, 이산화규소(SiO2)에 대한 접착력이 나쁘고, 건식 식각이 대단히 어렵다. 또한, 구리는 실리콘 내에서 확산계수가 알루미늄보다 대략 106 배정도 크며, 실리콘 내부로 확산한 구리는 밴드 갭(Band Gap)사이에 깊은 에너지 준위(Deep Level)를 형성하는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 구리는 SiO2 내에서 확산계수도 큰 것으로 알려져 있는데, 이는 구리 배선 사이의 절연 특성을 감소시키게 된다.
결국 실리콘기판이나 실리콘산화막(SiO2) 내에서 구리가 가지는 큰 확산계수는 소자의 신뢰성을 크게 저하시키게 된다. 따라서, 구리 배선 공정에서 소자의 신뢰성을 확보하기 위해서는, 구리의 실리콘 및 SiO2로의 빠른 확산을 방지할 수 있는 확산 방지막(Diffusion Barrier)을 개발하는것이 구리배선을 반도체 장치에 적용할 수 있는 가장 중요한 문제로 떠오르고 있다.
구리에 대한 확산 방지막으로서는 구리와 전혀 반응을 하지 않는 금속 또는 질화물을 사용하여 왔다. 지금까지 개발되어진 구리 확산방지막은 내열금속에 실리콘 또는 질소가 첨가된 이원계 또는 삼원계 비정질 질화물(예컨대 WN,TiN,TaN,TiSiN,TaSiN등)이었다. 그런데 확산방지막의 미세구조를 빠른 확산 경로가 없는 비정질로 만드는 것이 유리한데, 구리의 확산 방지의 특성은 이원계질화물 보다는 삼원계 질화물이 우수하다. 따라서 점점 고집적화되는 반도체 장치에서는 삼원계 질화물을 구리확산방지막으로 사용해야 안정적인 배선공정이 가능하다.
그러나 이러한 삼원계방지막들은 실리콘이 함유되어 있다. 실리콘은 질소와 결합하여 박막의 전기적인 저항을 상당히 높게 낮추어 확산방지 성능을 저하시키게 된다. 또한 구리와 실리콘의 매우 좋은 화학적 친화력 때문에 비정질에서 결정질로 변태되는 온도를 상당히 낮추어 확산방지 성능을 저하시킨다.
따라서 보다 구리확산방지 특성이 좋은 삼원계 구리확산방지막을 개발하는 것이 시급하다.
본 발명은 구리의 확산방지 기능이 탁월한 삼원계 구리 확산방지막을 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구리배선; 및 상기 구리배선의 테두리에 구비된 텅스텐지르코늄질화막을 구비하는 반도체 장치를 제공한다.
또한 본발명은 기판상에 도전성막으로 재1 배선을 형성하는 단계: 상기 제1 배선상에 제1 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 배선이 노출되도록 상기 제1 층간절연막을 'T' 형태로 선택적으로 제거하여 비아홀 및 상부배선영역을 형성하는 단계; 상기 비아홀 및 상부배선영역의 바닥 및 측벽에 텅스텐지르코늄질화막을 구리확산방지막으로 형성하는 단계; 상기 비아홀 및 상부배선영역 내부를 구리막으로 매립하여 비아 플러그 및 제2 배선을 형성하는 단계; 및 상기 텅스텐지르코늄질화막을 상기 제2 배선 상부 영역에 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1 내지 도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 콘택플러그 제조방법을 보여주는 공정단면도이다.
먼저 도1에 도시된 바와 같이, 기판(10)에 상에 제1 층간절연막(11)을 형성하고, 그 상부에 하부배선(11)을 형성한다. 제1 층간절연막(11)은 USG막(Undoped-Silicate Glass), PSG막(Phospho-Silicate Glass), BPSG막(Boro-Phospho-Silicate Glass), TEOS막(tetraethylorthosilicate), SOG막(Spin on glass)등을 이용하거나 SiO2막등의 산화막을 이용하여 형성한다.
이어서 제2 층간절연막(13)을 하부배선(11) 상에 형성하고, 제2 층간절연막(13)을 선택적으로 식각하여 하부배선(11)과 연결을 위한 비아홀(14) 및 상부배선 영역(14')을 형성한다. 제2 층간절연막(13)은 USG막(Undoped-Silicate Glass), PSG막(Phospho-Silicate Glass), BPSG막(Boro-Phospho-Silicate Glass), TEOS막(tetraethylorthosilicate), SOG막(Spin on glass)등을 이용하거나 SiO2막등의 산화막을 이용하여 형성한다.
이어서 도2에 도시된 바와 같이, 패터닝된 제2 층간절연막(13) 상에 후속 배선으로 사용되는 구리의 확산방지를 위한 제1 확산방지막(15)를 WZrN막을 형성한 다.
여기서 WZrN막을 형성하는 방법을 자세히 살펴보면, W 및 Zr 타겟과 질소분위기 반응기체를 사용하여 물리기상증착법(Pysical Vapor Deposition)을 이용하여 100 ~ 900℃ 범위의 온도에서 200 ~ 1000Å 범위의 두께로 증착한다. 이 때 조성비는은 W : 50 ~ 90 %, Zr : 10 ~ 50 %, N: 10 ~ 80 %의 범위에서 조절한다. 또한, WZrN막은 이온금속플라즈마 증착법(Ion Metal Plasma,IMP), 콜리메이트 PVD(Collimated PVD) 방법등을 이용하여 증착할 수 있다.
전술한 구리 확산방지막이 때때로 파괴되는 현상이 벌어지는데, 크게 다음과 같은 세가지 원리에 의해서 발생한다.
1) 확산 방지막의 결함, 예를 들어 전위(dislocation)나 기공(vacancy)들을 통한 구리에 의한 확산에 의한 파괴.
2) 다결정질의 확산 방지막에 있어서 확산 방지막의 결정립계를 따른 구리의 확산에 의한 파괴.
3) 확산 방지막이 구리와 화학적으로 반응할 경우의 파괴.
이 중에서 구리 확산 방지막의 파괴는 주로 상기 2)번의 확산 방지막의 결정립계를 따른 구리에 의한 확산에 의해 발생한다. 이는 결정립계를 따른 구리의 확산은 결정립(grain)을 통한 확산보다 훨씬 쉽게 일어나기 때문이다. 따라서 결정립계를 통한 확산을 방지하는 것은 매우 중요하다.
결정립계를 통한 확산을 방지하는 방법으로서, 첫 번째로는 결정립계가 없는 단결정이나 비정질을 확산 방지막으로 이용하는 것을 들 수 있고, 두 번째로는 이 미 존재하는 결정립계를 차단하는 방안을 들 수 있다. 다결정질 박막에서 결정립계를 차단하는 모든 방법을 충진(Stuffing)이라 한다.
현재 충진방법은 크게 질소 충진과 산소충진이 있다. 이러한 질소나 산소를 확산방지막에 함유시켜, 확산방지막을 구성하는 금속원소와 결합한 질화물 또는 산화물의 석출물을 결정립계에 형성시킴으로서 확산방지막의 특성이 향상되는 것이다.
이하의 공정은 WZrN막에 추가로 실시하는 충진 공정에 대한 것이다.
이어서 WZrN막의 표면을 조밀하게 하기 위해 산소를 충진시키는 공정을 하는데 산소분위기에서 100 ~ 650℃, 1 ~ 5분 동안 급속열처리 공정을 실시한다.
이 때 산소를 충진시키는 방법으로 Ar+O2 분위기에서 100 ~ 650℃, 1 ~ 5분동안 급속열처리 하거나, N2 + O2 분위기에서 100 ~650℃, 1 ~ 5분동안 급속열처리할 수 있다.
또한, 산소를 충진시키는 다른 방법으로 산소를 이온화시켜 기판쪽의 전기장에 의해 가속시키는 공정을 100 ~650℃, 1 ~ 5분동안 실시할 수 있다.
또한, 챔버내 Ar 또는 질소를 이온화 시키거나 또는 Ar과 산소를 동시에 이온화시켜 증착막을 때려주어 막질을 조밀하게 만들어 준 후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행 할 수 있다.
또한, 챔버내 질소와 산소를 동시에 이온화시켜 증착막을 때려주어 막질을 조밀하게 만들어 준 후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행 할 수 있다.
또한, 챔버내 NH4로 열처리하거나, 또는 NH4 플라즈마로 열처리한후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~ 650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행 할 수 있다. 또한, 챔버내 NH4 플라즈마와 산소플라즈마를 동시에 사용하여 열처리한후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행 할 수 있다. 또한, WZrN막의 균일한 표면충진을 위해 챔버내 UV오존을 이용할 수 있다.
이어서 도3에 도시된 바와 같이,비아홀(14) 및 상부배선영역(14')에 상부배선(16)으로 구리를 매립시킨다.
이어서 도4에 도시된 바와 같이, 제2 층간절연막이 노출되도록 상부배선(16)으로 사용된 구리와 제1 확산방지막(15)를 화학적기계적 연마 공정을 실시하여 제거한다.
이어서 도5에 도시된 바와 같이 상부에 형성되는 구조물로 구리가 확산되는 것을 방지하기 위한 제2 구리확산방지막(17)을 WZrN막으로 형성한다.
본 발명에 의해 실리콘이 배제된 삼원계 비정질 질화물인 WZrN막을 확산방지막으로 형성함으로써 반도체 장치의 구리배선 공정을 안정적으로 진행할 수 있다.즉, 본 발명에 의해 제안된 WZrN막은 내열금속 및 질소가 강한 화학적 결합을 한 비정질 막이므로 상당한 고온까지 변형없이 유지될수 있어 고온 열공정에서 필히 발생되는 구리의 확산을 고온에서 차단이 가능하며, 내열금속과 질소가 있기 때문 에 낮은 전기저항을 계속 유지 할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의해 제공되는 삼원계 구리확산방지막에 의해 반도체 장치의 구리 배선공정을 안정적으로 진행할 수 있어, 신뢰성있고 전기적 특성이 우수한 반도체 장치를 제조할 수 있다.
Claims (14)
- 구리배선; 및상기 구리배선의 테두리에 구비된 텅스텐지르코늄질화막을 구비하는 반도체 장치.
- 기판상에 도전성막으로 재1 배선을 형성하는 단계:상기 제1 배선상에 제1 층간절연막을 형성하는 단계;상기 제1 배선이 노출되도록 상기 제1 층간절연막을 'T' 형태로 선택적으로 제거하여 비아홀 및 상부배선영역을 형성하는 단계;상기 비아홀 및 상부배선영역의 바닥 및 측벽에 텅스텐지르코늄질화막을 구리확산방지막으로 형성하는 단계;상기 비아홀 및 상부배선영역 내부를 구리막으로 매립하여 비아 플러그 및 제2 배선을 형성하는 단계; 및상기 텅스텐지르코늄질화막을 상기 제2 배선 상부 영역에 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 텅스텐지르코늄질화막은 물리기상증착법, 이온금속플라즈마 증착법 또는 콜리메이트 물리기상증착법중에서 선택된 하나를 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 텅스텐지르코늄질화막은 100 ~ 900℃ 범위의 온도에서 형성하는 것은 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 텅스텐지르코늄질화막은 200 ~ 1000Å 범위의 두께로 형성하는 것은 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 텅스텐지르코늄질화막은 그 조성비를 W : 50 ~ 90 %, Zr : 10 ~ 50 %, N: 10 ~ 80 %의 범위에서 조절하여 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 텅스텐지르코늄질화막을 형성하고 난 후 표면을 조밀하게 하기 위해 산소를 충진시키는 공정을 더 추가하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 충진시키는 공정은 산소분위기에서 100 ~ 650℃, 1 ~ 5분 동안 급속열처리 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 충진시키는 공정은 Ar+O2 분위기에서 100 ~ 650℃, 1 ~ 5분동안 급속열처리 하거나, N2 + O2 분위기에서 100 ~650℃, 1 ~ 5분동안 급속열처리로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 충진시키는 공정은 산소를 이온화시켜 기판쪽의 전기장에 의해 가속시 키는 공정을 100 ~650℃, 1 ~ 5분동안 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 충진시키는 공정은 챔버내 Ar 또는 질소를 이온화 시키거나 또는 Ar과 산소를 동시에 이온화시켜 증착막을 때려주어 막질을 조밀하게 만들어 준 후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 충진시키는 공정은 챔버내 질소와 산소를 동시에 이온화시켜 증착막을 때려주어 막질을 조밀하게 만들어 준 후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행하는 것을 특징으로 하는 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 충진시키는 공정은 챔버내 NH4로 열처리하거나, 또는 NH4 플라즈마로 열처리한후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~ 650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행하는 것을 특징으로 하는 하는 반도체 장치의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 충진시키는 공정은 챔버내 NH4 플라즈마와 산소플라즈마를 동시에 사용하여 열처리한후 산소이온으로 균일한 산화층을 형성하게 하는 공정을 100 ~ 650℃에서, 1 ~ 5분동안 진행하는 것을 특징으로 하는 하는 반도체 장치의 제조방법.
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