KR100880233B1 - 금속배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자에 있어서, 특히, 금속배선 형성 방법에 관한 것으로, 금속배선을 형성하기 위한 도금 중에 하부의 금속 플러그를 안전하게 보호하도록 해주며, 특히 식각 등의 잔유물에 의해 베리어 금속막이 불안전하게 형성되는 경우에 도금에 사용되는 전해 이온에 의한 도전성 금속 플러그의 산화를 방지하도록 해주어, 금속배선의 신뢰성을 향상시켜 주는 발명이다.
비어홀, 트렌치, 금속배선, 전해 도금, TaN
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히, 금속배선 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자는 트랜지스터, 저항 및 캐패시터 등으로 구성되며, 이러한 반도체 소자를 반도체 기판 상에 구현하는데 있어 금속배선은 필수적으로 요구된다.
금속배선은 전기적 신호를 전송하는 역할을 하므로, 전기적 저항은 낮아야 함은 물론 경제적이고 신뢰성이 높아야 한다. 이러한 금속배선으로 적합한 물질로 기존에는 텅스텐(W)과 알루미늄 합금을 사용하였다.
그러나 반도체 소자가 점점 고집적화됨에 따라 텅스텐과 알루미늄 합금은 비저항이 크고, 일렉트로 마이그레이션(EM: Electro migration) 특성이나 스트레스 마이그레이션(SM: Stress migration) 특성으로 인해 신뢰성이 저하되기 때문에, 비저항이 작으며 소자의 신뢰성이 우수한 구리가 강력한 금속배선 재료로 사용되고 있다. 더욱이, 순수한 구리배선에 비해 비저항은 다소 크지만 배선의 신뢰성과 내식성이 우수한 구리합금배선도 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 금속배선 형성 절차를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 금속배선은 다음과 같이 형성된다.
먼저, 웨이퍼에 절연막(1,3)을 형성한다. 그리고, 그 절연막(1,3)에 비어홀(via hole)과 트렌치(trench)를 형성한다.
비어홀과 트렌치를 형성하는 방식으로는, 듀얼 다마신 공정을 이용하여 비어홀과 트렌치를 동시에 형성할 수도 있으며, 또한 하부 절연막(1)을 증착 후 식각하여 비어홀을 형성한 후에 다시 상부 절연막(3)을 증착 후 식각하여 트렌치를 형성할 수도 있다.
한편, 비어홀에 전도성 금속을 매립하여 금속 플러그(2)를 형성하고, 그 상부에 트렌치를 금속으로 매립하여 금속배선(4)을 형성한다. 예로써, 상기 금속 플러그(2)를 형성하기 위해 비어홀을 텅스텐(W)으로 도포한다.
금속배선(4)의 형성 후에는 화학기계적 연마(Chemical mechanical polishing: CMP)를 수행하여 상부 표면을 평탄화시킨다.
한편, 금속배선(4)의 형성 이전에 먼저 베리어 금속막(barrier metal)을 더 형성할 수도 있다. 그 베리어 금속막을 형성할 시에는 이전 식각 공정 등에서 발생했던 잔유물(particle)에 의해 베리어 금속막이 제대로 형성되지 못하여, 그가 방어막 역할을 못하는 경우가 발생한다.
이렇게 불안전한 상황에서, 이후에 금속배선으로써 합금을 형성하기 위한 전해 도금(Electro Chemical Plating: ECP)을 실시한다면, 도금에 사용되는 전해액의 일부 이온이 하부의 금속 플러그(2)까지 스며들어 그 금속 플러그(2)를 어택(Attack)(A)하는 문제가 발생한다.
다시 말해서, 상기에서 금속배선을 위한 합금은 구리 합금일 수 있으며, 황산구리(CuSO4) 등이 전해액으로 사용될 수 있다.
도금 중에는 황산구리가 Cu2 +와 SO4 2 -로 이온화되는데, 이때 황산 이온(SO4 2 -)이 스며들어 금속 플러그(2)와 접촉함으로써 산화되는 문제가 발생한다. 결국, 종래 기술에서는 전해 도금 시에 하부 금속 플러그(2)를 안전하게 보호할 물질이 없다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 금속배선을 형성하기 위한 도금 중에 하부의 금속 플러그를 안전하게 보호하도록 해주는 금속배선 형성 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 식각 등의 잔유물에 의해 베리어 금속막이 불안전하게 형성되는 경우에 도금에 사용되는 전해 이온에 의한 도전성 금속 플러그의 산화를 방지하도록 해주는 금속배선 형성 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속배선 형성 방법의 다른 특징은, 웨이퍼 상에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막을 선택적으로 패터닝하여 비어홀과 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 비어홀 내에 도전성 금속을 도포하여 플러그를 형성하는 단계와, 상기 플러그를 포함하는 상기 트렌치의 밑면에 베리어막을 형성하는 단계와, 상기 웨이퍼에 대해 전해 도금을 실시하여 상기 트렌치 내에 금속배선을 형성하는 단계로 이루어지는 것이다.
삭제
바람직하게, 상기 베리어막을 적어도 50Å의 TaN으로 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 도전성 금속 플러그의 상부에 미리 방어막 개념의 베리어막을 형성시키므로, 식각 등의 잔유물에 의해 베리어 금속막이 불안전하게 형성되는 경우에도 후속 공정인 전해 도금 공정에 사용되는 전해 이온이 하부의 도전성 금속 플러그까지 스며드는 것을 방지할 수 있다.
그에 따라, 황산과 같은 전해 이온에 의해 금속 플러그가 산화되는 것을 방지할 수 있으므로, 금속배선의 신뢰성을 향상시켜 준다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명에서는 금속배선을 형성함에 있어서, 전해 도금 공정을 이용한다. 이때, 하부 배선을 상부 배선에 전기적으로 연결시키는 금속 플러그의 상부면에 베리어막을 미리 형성시켜, 전해 도금에 사용되는 전해 이온에 의해 금속 플러그가 어택(Attack) 당하는 것을 미연에 방지하도록 한다. 그에 대해, 이하의 예를 통해 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속배선 형성 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 웨이퍼에 절연막(10)을 형성한다. 그리고, 그 절연막(10)을 식각하여 비어홀(via hole)을 형성한다.
비어홀에 전도성 금속을 매립하여 금속 플러그(20)를 형성한다. 예로써 전도성 금속으로 텅스텐(W)을 비어홀에 도포하여 금속 플러그(20)를 형성한다.
이후, 전면에 대해 화학기계적 연마(CMP)를 수행하여 상부 표면을 평탄화시킨다.
이어, 웨이퍼 상에 베리어막으로써 TaN을 증착한다. TaN 증착 시에는 스퍼터링이나 CVD(Chemical Vapor Deposition)을 사용하되, 그 TaN은 적어도 50Å의 두께 로 형성된다.
상기 베리어막의 형성 예들을 이하 설명한다.
실시 예1
상기 상부 표면에 대한 평탄화 이후에 웨이퍼 전면에 베리어막으로써 TaN을 증착한다.
그리고, 상기 베리어막의 상부에 식각을 위한 포토레지스트 패턴을 형성하여, 금속 플러그(20) 상부 영역의 일부 베리어막(50)을 제외한 영역에서 TaN을 제거한다. 이어, 포토레지스트 패턴을 제거한 후에 잔류한 베리어막(50) 이외 영역에 절연막(30)을 형성한다. 그에 따라, 도 2b에 도시된 바와 같이, 트렌치(40)가 형성되며, 그 트렌치(40) 하부에 잔류 베리어막(50)이 형성된다.
실시 예2
상기 상부 표면에 대한 평탄화 이후에 웨이퍼 전면에 절연막(30) 예로써, SiO2를 증착한 후에 포토레지스트 패턴을 사용한 식각을 실시하여 금속 플러그(20)가 형성된 영역 상부에 트렌치(40)를 형성한다. 여기서, 상기 식각은 습식 식각 또는 건식 식각 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 이어, 사용된 포토레지스트 패턴을 제거한다.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(40) 내 밑면에 베리어막(50)으로써 TaN을 증착한다.
상기한 여러 예들 중 하나로써, 베리어막(50)을 형성한 후에는 트렌치(40) 내에 금속배선을 형성한다.
그런데, 추가 예로써, 트렌치(40) 내에 금속배선을 형성하기 이전에 베리어 금속막(barrier metal)을 더 형성할 수 있다. 그러나, 이전 식각 공정 등에서 발생했던 잔유물(particle)에 의해 그 베리어 금속막은 불안전한 상태로 형성될 수도 있다.
한편, 도 2c에 도시된 바와 같이, 도금에 의한 합금을 금속배선(60)으로써 트렌치(40) 내에 형성한다. 즉, 트렌치(40) 내에 합금의 금속배선(60)을 형성하기 위한 전해 도금(ECP)을 실시한다. 이때, 베리어막(50)은 도금에 사용되는 전해액의 일부 이온이 하부의 금속 플러그(20)까지 스며드는 것을 막는다.
다시 말해서, 상기 금속배선을 위한 합금으로써 구리 합금을 형성할 때는 황산구리(CuSO4) 등이 전해액으로 사용될 수 있다. 도금 중에 황산구리는 Cu2 +와 SO4 2 -로 이온화된다. 이때 베리어막(50)은 도금 중에 황산 이온(SO4 2 -)이 스며들어 금속 플러그(20)와 접촉하는 것을 막는다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속배선 형성 절차를 설명하기 위한 도면으로, 비어홀과 트렌치를 듀얼 다마신 공정을 이용하여 형성하는 경우의 예이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 웨이퍼에 절연막(100)을 형성한 후에 그 절연막(100)에 비어홀(110)과 트렌치(120)를 형성한다.
이어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 비어홀(110)에 전도성 금속을 매립하여 금속 플러그(130)를 형성한다. 예로써 전도성 금속으로 텅스텐(W)을 비어홀(110)에 도포하여 금속 플러그(130)를 형성한다.
이후, 트렌치 밑면에 대해 화학기계적 연마(CMP)를 수행하여 금속 플러그(130) 상부 표면을 평탄화시킨다.
이어, 도 3c에 도시된 바와 같이, 트렌치 밑면에 베리어막(140)으로써 TaN을 증착한다. TaN 증착 시에는 스퍼터링이나 CVD(Chemical Vapor Deposition)을 사용하되, 그 TaN은 적어도 50Å의 두께로 형성된다.
베리어막(140)을 형성한 후에는 트렌치(120) 내에 금속배선을 형성한다.
여기서, 추가 예로써, 트렌치(120) 내에 금속배선을 형성하기 이전에 베리어 금속막(barrier metal)을 전면에 더 형성할 수 있다. 이 때, 베리어 금속막은 이전 식각 공정 등에서 발생했던 잔유물(particle)의 영향으로 불안전한 상태로 형성될 가능성이 높다.
마지막으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 도금에 의한 합금을 금속배선(150)으로써 트렌치(120) 내에 형성한다. 즉, 트렌치(120) 내에 합금의 금속배선(150)을 형성하기 위한 전해 도금(ECP)을 실시한다. 이전에 트렌치(120)의 밑면에 형성된 베리어막(140)은 도금에 사용되는 전해액의 일부 이온이 하부의 금속 플러그(130)까지 스며드는 것을 막는다.
다시 말해서, 상기 금속배선(160)을 위한 합금으로써 구리 합금을 형성할 때 는 황산구리(CuSO4) 등이 전해액으로 사용될 수 있다. 도금 중에 황산구리는 Cu2 +와 SO4 2 -로 이온화된다. 이때 베리어막(140)은 도금 중에 황산 이온(SO4 2 -)이 스며들어 금속 플러그(130)와 접촉하는 것을 막는다.
한편, 상기한 본 발명의 실시 예들에서는 포토레지스트 패턴을 제거하기 위한 에싱 공정 등의 일반적인 공정에 대한 설명은 생략하였다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 금속배선 형성 절차를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속배선 형성 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속배선 형성 절차를 설명하기 위한 도면
Claims (4)
- 삭제
- 삭제
- 웨이퍼 상에 층간 절연막을 형성하는 단계와;상기 층간 절연막을 선택적으로 패터닝하여 비어홀과 트렌치를 형성하는 단계와;상기 비어홀 내에 도전성 금속을 도포하여 플러그를 형성하는 단계와;상기 플러그를 포함하는 상기 트렌치의 밑면에 베리어막을 형성하는 단계와;상기 웨이퍼에 대해 전해 도금을 실시하여 상기 트렌치 내에 금속배선을 형 성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속배선 형성 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 베리어막을 적어도 50Å의 TaN으로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선 형성 방법.
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| KR20010076659A (ko) * | 2000-01-27 | 2001-08-16 | 박종섭 | 반도체 소자의 배선형성 방법 |
| KR20060090449A (ko) * | 2005-02-05 | 2006-08-11 | 삼성전자주식회사 | 미세 전자 소자의 듀얼 다마신 배선의 제조 방법 및 이에의해 제조된 듀얼 다마신 배선을 구비하는 미세 전자 소자 |
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2007
- 2007-08-29 KR KR1020070087016A patent/KR100880233B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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