KR100859380B1 - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, RF(Radio Frequency) 식각 방법으로 트렌치 저면 및 절연막 패턴의 하부 측벽에만 장벽금속층(barrier metal layer)을 잔류시킨 후 메틸 피롤리딘 알란(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA, 분자식: (CH3)(CH2)4N·AlH3)) 소스를 전구체(precursor)로 사용하는 화학기상증착 방법으로 장벽금속층 상부에만 선택적으로 비저항이 낮은 금속층을 증착하고, 열처리를 실시한 후 평탄화하여 금속 배선을 형성함으로써, 갭 필 효율을 높여 저저항 금속 배선을 갖는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
금속 배선, 알루미늄막, 화학기상증착, MPA, RF 식각, 장벽금속층

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법{Method of forming a metal-line in semiconductor device}
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 기판 102 : 제1 산화막
104 : 질화막 106 : 제2 산화막
108 : 트렌치 110 : 절연막 패턴
120 : 장벽금속층 130 : 금속층
140 : 금속 배선 150 : 절연막
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 장벽금속층 상부에만 선택적으로 화학기상증착 방법을 이용하여 비저항이 낮은 금속층을 증착 하고, 열처리를 실시한 후 평탄화하여 저저항 금속 배선을 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 트랜지스터, 저항 및 커패시터 등으로 구성되며, 이러한 반도체 소자를 반도체 기판 상에 구현하는 데 있어서 금속 배선은 필수적으로 요구된다. 금속 배선은 전기적인 신호를 전송시키는 역할을 하므로, 전기적인 저항이 낮아야함은 물론 경제적이고 신뢰성이 높아야 한다.
일반적으로 반도체 소자의 금속 배선 형성 공정은 다마신 기법(Damascene Scheme)을 통해 형성한다. 이러한 다마신 기법을 이용한 반도체 소자의 금속 배선 형성 공정을 간략히 설명한다. 우선, 게이트 등 소정의 구조물이 형성된 반도체 기판 상에 층간절연막을 증착한 후 트렌치를 형성하고, 트렌치를 포함하는 층간절연막 상부에 티타늄(Ti)/티타늄나이트라이드(TiN) 성분의 장벽금속층(barrier metal layer)을 형성한다. 이후, 장벽금속층 상부에 트렌치를 채우도록 텅스텐막을 형성한 다음 텅스텐막과 티타늄(Ti)/티타늄나이트라이드(TiN) 장벽금속층을 소정 영역 식각하여 텅스텐 금속 배선을 형성한다.
최근에는 반도체 제품들이 소형화, 고집적화됨에 따라 금속 배선의 폭 및 두께는 점점 감소하면서 프로그램 스피드(program speed)를 요구하고 있다. 그러나, 텅스텐 다마신을 이용한 텅스텐 플러그(W Plug)를 형성할 경우 집적화되고 있는 소자 특성상 금속간 스페이스의 수축으로 인하여 커패시턴스(capacitance) 특성을 얻기 힘들다.
이러한 커패시턴스 문제를 해결하기 위하여 인터커넥션(interconnection) 공정에서 금속의 높이를 낮추어 커패시턴스 값을 줄여주어야 하는데, 이때 문제 되는 것이 낮아진 높이로 인한 저항 값의 증가이다. 금속라인의 높이를 줄여 커패시턴스 값을 확보하면서 저항 값의 변화를 주지 않는 방법은 낮은 Rs 특성을 가진 물질을 통한 인터커넥션 공정을 도입하는 것이다. 따라서, 낮은 Rs 특성을 지닌 물질로서 로직(logic) 소자에서 사용중인 구리(Cu) 및 현재 와이어(wire) 물질로 사용중인 알루미늄(Al)을 통한 플러그 공정 도입이 텅스텐 플러그를 대체할 공정으로 연구되고 있다.
그러나, 현재의 다마신 기법 적용을 위한 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법을 이용한 알루미늄(Al) 도입의 경우 장벽금속층 상부 전면에 걸쳐 알루미늄막이 증착된다. 이로 인해, 금속 배선 형성을 위한 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정 시 무른 특성을 지닌 알루미늄막으로 인하여 디싱(dishing) 및 스크래치(scratch) 등의 문제점이 발생되며, 이는 금속 배선의 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다.
본 발명은 트렌치 내 장벽금속층 상부에만 화학기상증착 방법을 사용하여 선택적으로 비저항이 낮은 금속층을 증착하고, 열처리를 실시한 후 평탄화하여 저저항 금속 배선을 형성할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은, 트렌치가 형성되도록 반도체 기판 상에 형성된 제1 절연막의 식각 공정을 실시하는 단계, 트렌치를 포함하며, 제1 산화막, 질화막 및 제2 산화막이 순차적으로 적층된 제1 절연막 패턴 상에 장벽금속층을 형성하는 단계, 제1 절연막 패턴의 상부 및 측벽 일부가 노출되도록 장벽금속층의 식각 공정을 실시하는 단계, 트렌치 내 장벽금속층 상에 금속층을 형성하는 단계, 금속층을 리플로우(reflow)시키기 위하여 열처리를 실시하는 단계 및 금속층을 평탄화하여 금속 배선을 형성하는 단계를 포함한다.
상기에서, 장벽금속층은 티타늄(Ti)/티타늄나이트라이드(TiN)의 적층막으로 형성된다. 장벽금속층은 트렌치 저면 및 제1 절연막 패턴의 제1 산화막 측벽에 잔류된다. 장벽금속층은 RF 식각 방법으로 식각된다. RF 식각 방법은 아르곤(Ar) 가스를 반응 가스로 하고, RF 파워를 100W 내지 500W으로 하여 실시된다. RF 식각 방법은 제1 절연막 패턴 상부에 형성된 장벽금속층이 제거된 후 제1 절연막 패턴의 제2 산화막이 경사지면서 일부 식각되고, 그 다음 질화막도 경사지면서 일부 식각되도록 수행하며, 질화막과 제1 산화막이 만나는 지점에서 식각을 정지한다.
금속층은 알루미늄(Al)으로 형성된다. 알루미늄은 메틸 피롤리딘 알란(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA, 분자식: (CH3)(CH2)4N·AlH3)) 소스를 전구체로 사용하는 화학기상증착(Checmical Vapor Deposition; CVD) 방법으로 형성된다. MPA 소스를 전구체로 사용하는 CVD 방법은 130℃ 내지 140℃의 온도로 실시한다.
열처리는 반도체 기판의 온도를 420℃ 내지 450℃로 상승시킨다. 금속층은 제1 절연막 패턴의 질화막이 노출되는 시점까지 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정으로 평탄화된다. 평탄화 시 제1 절연막 패턴의 제2 산화막 및 질화막도 연마된다.
제1 절연막 식각 공정을 실시하는 단계 이전에 하드 마스크막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 금속층을 평탄화하는 단계 이후에 제2 절연막을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
우선, 도 1a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 제1 산화막(102), 질화막(104) 및 제2 산화막(106)이 순차적으로 적층된 절연막을 형성한 후 마스크(미도시)를 이용한 사진(photolithography) 및 식각 공정으로 패터닝하여 트렌치(108)를 갖는 절연막 패턴(110)을 형성한다.
제1 산화막(102)은 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성될 수 있고, 이 경우 산화(Oxidation) 공정 또는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법, 예컨대, 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 방법으로 형성할 수 있다. 한편, 제1 산화막(102)은 후속으로 트렌치(108) 내 장벽금속층(미도시) 상에 형성될 금속 배선의 두께를 고려하여 목표 두께를 조절한다.
질화막(104)은 금속 배선 형성을 위한 후속 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 이용한 평탄화과정에서 종료점(end point)을 알려주는 연마정지막(polishing stopper)으로서, 실리콘 질화막(SixNy) 또는 실리콘 산화질화막(SiON)과 같은 질화물 계열의 물질(이하 '질화막'이라 칭함)로 형성될 수 있다. 또한, 제2 산화막(106)은 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성될 수 있다. 질화막(104) 및 제2 산화막(106)은 CVD 방법으로 형성할 수 있으며, 바람직하게 LPCVD 방법으로 형성할 수 있다.
한편, 제2 산화막(106) 상부에는 마스크를 이용한 패터닝 시 절연막을 보호하기 위하여 산화막과 질화막의 적층 구조로된 하드 마스크막(미도시)이 더 형성될 수 있다. 이후, 하드 마스크막 및 마스크를 제거한다. 이렇게, 트렌치(108)를 포함하여 형성된 절연막 패턴(110)은 일반적으로 다마신 패턴(damascene pattern)으로 일컫는다.
도 1b를 참조하면, 트렌치(108)를 포함하는 절연막 패턴(110) 상에 장벽금속층(120)을 형성한다. 장벽금속층(120)은 후속한 공정에서 금속층 형성 시 절연막 패턴(110)과의 들뜨는 현상(lifting)을 방지하고, 금속 물질이 하부 기판으로 확산되어 발생되는 접합파괴(junction spiking) 현상을 방지하기 위하여 형성하며, 티타늄(Ti)/티타늄 나이트라이드(TiN)의 적층막으로 형성한다. 장벽금속층(120)은 물리기상증착(Pysical Vapor Deposition; PVD) 방법, 예컨대 스퍼터링(Sputtering) 방법으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 1c를 참조하면, 절연막 패턴(110) 상부 및 절연막 패턴(110)의 제2 산화막(106)과 질화막(104) 측벽의 장벽금속층(120)을 식각한다. 여기서, 장벽금속층(120)은 건식 식각(dry etch) 방법으로 식각하며, 바람직하게 RF 식각(radio-frequency etch) 방법으로 식각한다.
RF 식각 방법은 절연막 패턴(110) 상부에 형성된 장벽금속층(120)이 제거된 후 절연막 패턴(110)의 제2 산화막(106)이 경사지면서 일부 식각되고, 그 다음 질화막(104)도 경사지면서 일부 식각되도록 수행하며, 질화막(104)과 제1 산화막(102)이 만나는 지점에서 식각을 정지한다.
따라서, RF 식각 깊이(depth)는 절연막 패턴(110) 상부에 형성된 장벽금속층(120)에서부터 제1 산화막(102)과 질화막(104)의 경계면까지의 높이, 즉 장벽금속층(120), 제2 산화막(106) 및 질화막(104)의 두께를 합한 값과 동일하며, 여기서 제1 산화막(102)은 RF 식각 깊이 하부에 형성되게 된다.
RF 식각 방법은 아르곤(Ar) 가스를 반응 가스로 하고, RF 파워를 100 내지 500W으로 하여 실시한다. 이렇게, RF 식각 방법을 통해 트렌치(108) 저면 및 절연막 패턴(110)의 제1 산화막(102) 측벽에만 장벽금속층(120)이 잔류된다.
도 1d를 참조하면, 트렌치(108) 내 장벽금속층(120) 상에 금속층(130)을 형성한다. 금속층(130)은 후속한 공정에서 형성되는 금속 배선의 저항을 낮추기 위하여 비저항이 낮은 알루미늄(Al)으로 형성한다.
특히, 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속층(130)은 장벽금속층(120) 부분에만 선택적으로 증착될 수 있도록 금속층에서는 성장되고 절연막에서는 성장되지 않는 특성을 가지는 메틸 피롤리딘 알란(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA, 분자식: (CH3)(CH2)4N·AlH3)) 소스를 전구체(precursor)로 사용하는 CVD 방법으로 형성한다.
보다 상세하게, MPA 소스를 사용하는 CVD 방법은 MPA 소스가 장벽금속층(120)의 티타늄 나이트라이드(TiN) 표면(face)과 반응하여 섬(island) 형태로 성장되고, 이후 열처리에 의해 군데군데 형성된 섬(island)이 리플로우(reflow)되면서 뭉쳐져 알루미늄막을 형성하는 원리를 이용한다.
여기서, 알루미늄막인 금속층(130)을 형성하기 위한 CVD 방법은 MPA를 금속 소오스로 사용하여 130℃ 내지 140℃의 온도로 실시한다. 알루미늄막을 선택적으로 형성하기 위한 CVD 공정을 실시할 때 금속 소오스를 운송시키기 위한 가스, 즉 운송 가스(carrier gas)로는 아르곤(Ar) 가스 또는 수소(H2) 가스를 사용한다. 이로써, MPA 소스를 사용하는 알루미늄(Al) CVD 방법을 통해 장벽금속층(120) 상에 트렌치(108)를 채우는 알루미늄막인 금속층(130)을 형성한다. 한편, 금속층(130)은 트렌치(108)를 채울뿐만 아니라 트렌치(108) 상부에도 충분히 형성될 수 있다.
이렇듯, 금속층(130)이 장벽금속층(120) 상부에만 선택적으로 성장하는 이유 는 MPA 소스를 전구체로 사용하는 CVD 증착 방식이 하부막과의 전자 이동을 통한 증착 메카니즘(mechanism)을 따르기 때문이다.
이후, 금속층(130)을 리플로우(reflow)시키기 위하여 아르곤(Ar) 가스를 챔버(Chamber) 내에 주입하여 반도체 기판(100)의 온도를 420 내지 450℃로 상승시키는 열처리를 실시한다. 이로써, 반도체 기판(100)의 온도가 상승되어 장벽금속층(120) 상부에 증착된 금속층(130)이 리플로우(reflow)되면서 트렌치(108)가 완전히 채워지게 된다. 즉, 열처리를 실시하면 장벽금속층(120) 상에 금속층(130) 성장 시 발생될 수 있는 빈 공간도 리플로우를 통해 빈틈없이 메워지게 된다.
도 1e를 참조하면, 금속층(130)을 절연막 패턴(110)의 제1 산화막(102)이 노출되는 시점까지 평탄화한다. 평탄화는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정으로 실시하는 것이 바람직하다. 따라서, 평탄화 시 금속층(130)의 상부가 연마되고, 절연막 패턴(110)의 제2 산화막(106) 및 질화막(104)이 연마된다. 이로써, 트렌치(108) 내부에만 금속층(130)이 잔류되어 금속 배선(140)이 형성된다.
이렇게, 본 발명의 일 실시예에서는 RF 식각으로 일부 장벽금속층(120)을 식각하여 트렌치(108) 저면 및 절연막 패턴(110)의 제1 산화막(102)측벽에만 장벽금속층(120)을 잔류시킨 후 MPA 소스를 전구체로 사용하는 CVD 방법으로 선택적으로 장벽금속층(120) 상부에만 금속층(130)을 형성하고, 열처리를 실시하여 금속 물질로 트렌치(108)를 완전히 채움으로써, 트렌치(108) 갭 필 효율을 높히면서 후속 금속 배선 형성을 위한 CMP 공정 시 제거시켜야 하는 금속층(130) 영역은 감소시켜 디싱 및 스크래치를 줄여 저저항 금속 배선을 안정적으로 형성할 수 있다.
도 1f를 참조하면, 금속 배선(140)을 포함하는 제1 산화막(112) 상부에 절연막(150), 예컨대 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막을 형성하고, 후속 공정을 진행한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 저저항 금속 배선 형성을 통해 RC 지연을 줄임으로써, 반도체 소자의 프로그램 스피드(Program Speed)를 증가시키고 소비전력을 낮출 수 있다. 또한, 금속 배선의 디싱 및 스크래치를 줄여 금속 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 배선 형성 방법은 디램(DRAM), 에스램(SRAM), 플래시(Flash) 소자 뿐만 아니라 미세 전도체 회로선을 구현하는 여타 소자 제조 기술에 다양하게 적용할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명은 RF 식각 방법으로 트렌치 저면 및 절연막 패턴의 하부 측벽에만 장벽금속층을 잔류시킨 후 메틸 피롤리딘 알란(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA, 분자식: (CH3)(CH2)4N·AlH3)) 소스를 전구체로 사용하는 CVD 방법을 이용하여 선택적으로 장벽금속층 상부에만 비저항이 낮은 금속층을 형성한 다음 열처리를 실시하여 금속 물질로 트렌치를 완전히 채움으로써, 트렌치 갭 필 효율을 향상시켜 저저항 금속 배선을 형성할 수 있다.
본 발명은 저저항 금속 배선을 안정적으로 형성함으로써 RC 지연을 줄여 프로그램 스피드를 증가시키고 저소비전력을 구현할 수 있는 반도체 소자를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속 배선 형성을 위한 CMP 공정 시 제거시켜야 하는 금속층 영역을 감소시킴으로써 금속 배선의 디싱 및 스크레치 발생을 줄일 수 있다.

Claims (15)

  1. 트렌치가 형성되도록 반도체 기판 상에 형성된 제1 절연막의 식각 공정을 실시하는 단계;
    상기 트렌치를 포함하며, 제1 산화막, 질화막 및 제2 산화막이 순차적으로 적층된 제1 절연막 패턴 상에 장벽금속층을 형성하는 단계;
    상기 제1 절연막 패턴의 상부 및 측벽 일부가 노출되도록 상기 장벽금속층의 식각 공정을 실시하는 단계;
    상기 트렌치 내 상기 장벽금속층 상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 리플로우시키기 위하여 열처리를 실시하는 단계; 및
    상기 금속층을 평탄화하여 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 장벽금속층은 Ti/TiN의 적층막으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 장벽금속층은 상기 트렌치 저면 및 상기 제1 절연막 패턴의 상기 제1 산화막 측벽에 잔류되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 장벽금속층은 RF 식각 방법으로 식각되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 RF 식각 방법은 아르곤(Ar) 가스를 반응 가스로 하고, RF 파워를 100W 내지 500W으로 하여 실시되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 RF 식각 방법은 상기 제1 절연막 패턴 상부에 형성된 상기 장벽금속층이 제거된 후 상기 제1 절연막 패턴의 상기 제2 산화막이 경사지면서 일부 식각되고, 그 다음 상기 질화막도 경사지면서 일부 식각되도록 수행하며, 상기 질화막과 상기 제1 산화막이 만나는 지점에서 식각을 정지하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄(Al)으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방 법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 알루미늄은 메틸 피롤리딘 알란(Methyl Pyrrolidine Alane; MPA, 분자식: (CH3)(CH2)4N·AlH3)) 소스를 전구체로 사용하는 CVD 방법으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 MPA 소스를 전구체로 사용하는 CVD 방법은 130℃ 내지 140℃의 온도로 실시하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 상기 반도체 기판의 온도를 420℃ 내지 450℃로 상승시키는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 제1 절연막 패턴의 상기 질화막이 노출되는 시점까지 화학적 기계적 연마 공정으로 평탄화되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 평탄화 시 상기 제1 절연막 패턴의 상기 제2 산화막 및 상기 질화막도 연마되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 절연막 식각 공정을 실시하는 단계 이전에 하드 마스크막을 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층을 평탄화하는 단계 이후에 제2 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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