KR101069630B1 - Method for fabricating metal line using adsorption inhibitor in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 흡착억제제를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 하부구조가 형성된 반도체 기판상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층 상에 일정 패턴의 트렌치(trench) 또는 비아(via)홀을 형성하는 단계와; 상기 트렌치 또는 비아홀이 형성된 반도체 기판상에, 상기 도전물질의 증착을 위한 증착공정과 상기 도전물질의 흡착을 억제하기 위한 흡착억제공정을, 상기 트렌치 또는 비아홀이 상기 도전물질로 채워질 때까지 연속적, 단계적, 순환적 방법 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 방법으로 수행하여 도전층을 형성하는 단계와; 상기 절연층의 상부가 노출될 때까지 상기 도전층 제거공정을 수행하여 상기 트렌치 또는 비아홀을 제외한 부분의 도전층을 제거함에 의해 금속배선을 형성하는 단계를 구비한다. 본 발명에 따르면, 금속배선 형성시 보이드나 연결선 없는 균일한 증착이 가능한 장점이 있다. The present invention relates to a method for forming a metal wiring of a semiconductor device using an adsorption inhibitor, the method for forming a metal wiring of a semiconductor device according to the present invention, forming an insulating layer on a semiconductor substrate having a lower structure, and on the insulating layer Forming a trench or via hole in a predetermined pattern; On the semiconductor substrate having the trench or via hole formed thereon, a deposition process for depositing the conductive material and an adsorption suppression process for suppressing adsorption of the conductive material are continuously and stepped until the trench or via hole is filled with the conductive material. Performing the at least one method selected from a cyclic method to form a conductive layer; Forming a metal wiring by removing the conductive layer except for the trench or via hole by performing the conductive layer removing process until the upper portion of the insulating layer is exposed. According to the present invention, there is an advantage that uniform deposition without voids or connecting lines is possible when forming metal wiring.
증착, 보이드, 흡착억제제, 구리, 트렌치 Deposition, Voids, Adsorption Inhibitors, Copper, Trench
Description
본 발명은 흡착억제제를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 금속배선 형성을 위한 증착시 흡착억제 공정과 도전물질 증착공정을 선택적으로 수행하여 균일한 증착을 통해 금속배선을 형성하는 흡착억제제를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a metal wiring of a semiconductor device using an adsorption inhibitor, and more specifically, to the metal wiring through the uniform deposition by selectively performing the adsorption suppression process and the conductive material deposition process during the deposition for forming the metal wiring It relates to a method for forming metal wiring of a semiconductor device using the adsorption inhibitor to form a.
최근, 반도체 소자의 집적도 증대로 인해 금속배선의 최소 선폭은 축소되고, 종횡비(aspect ratio)는 증가되고 있으며, 배선 구조는 다층구조화 되고 있다. 이러한 구조의 직접회로(IC) 소자의 제조를 위해서는 신뢰성확보, 속도향상, 및 제조원가의 절감 문제가 부각되고 있어, 이를 위한 새로운 배선 공정 및 재료 개발이 관련 분야에서 큰 관심사로 대두되고 있다.Recently, due to the increase in the degree of integration of semiconductor devices, the minimum line width of metal wirings has been reduced, the aspect ratio has been increased, and the wiring structure has been multilayered. In order to manufacture integrated circuit (IC) devices having such a structure, reliability, speed, and manufacturing cost reduction issues have been raised, and new wiring processes and material development for this issue have been of great concern in the related field.
이러한 금속배선의 형성을 위해 종래에는 소재로 알루미늄을 사용하였다. 그러나, 이러한 알루미늄을 이용한 금속배선은, 신뢰성 확보, 속도 향상, 및 소자의 안정성 확보 등의 문제를 만족시킬 수 없어, 현재는 구리를 금속배선소재로 하는 반도체 소자가 제작 되고 있다. 또한, 나노(nano)스케일을 가지는 배선구조에서는 증착된 배선용 금속의 비저항이 증가되어 소자의 신뢰성 확보에 어려움이 발생되므로, 단면적 감소에 따른 저항 증가를 완화시킬 수 있는 구리합금을 이용한 금속배선에 대한 연구도 진행되고 있다. In order to form such a metal wire, conventionally, aluminum was used as a material. However, such a metal wiring using aluminum cannot satisfy problems such as securing reliability, improving speed, and securing stability of devices, and at present, semiconductor devices using copper as a metal wiring material have been manufactured. In addition, since the resistivity of the deposited metal is increased in the wiring structure having a nanoscale, it is difficult to secure the reliability of the device. Thus, the metal wiring using the copper alloy that can alleviate the increase in resistance due to the reduction of the cross-sectional area is used. Research is also in progress.
구리 또는 구리합금을 통해 금속배선을 형성하는 경우에는, 종래의 알루미늄에 비하여 비저항이 낮아 신호전달 속도를 증가 시킬 수 있고, 녹는점이 높아 전자이동도(electro-migration;EM)에 대한 저항이 커서 소자의 안정성을 확보할 수 있는 것으로 알려져 있다. 더구나 상기 구리합금은 나노스케일의 금속배선구조에 적용될 때 단면적 감소에 따른 비저항의 증가, 부식 및 박리현상을 억제하는 효과를 가지고 있는 것으로 알려져 있다. In the case of forming the metal wiring through copper or copper alloy, the specific resistance is lower than that of conventional aluminum to increase the signal transmission speed, and the melting point is high, so the resistance to electro-migration (EM) is large. It is known that the stability of the. In addition, the copper alloy is known to have an effect of suppressing the increase of the resistivity, corrosion and peeling phenomenon due to the reduction of the cross-sectional area when applied to the nanoscale metal wiring structure.
상기 구리 또는 구리합금을 이용하여 금속배선을 형성하는 경우에는 식각공정을 통한 제거가 어렵기 때문에, 이를 극복하기 위해서 다마신(damascene)이라는 공정 기술이 도입되었다. 상기 다마신 공정 기술은 구리 금속배선이 위치할 절연층에 회로배선용 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치를 구리 또는 구리 합금으로 완전히 매립시켜 구리 금속배선을 형성하는 방법이다. 상기 다마신 공정기술은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있으므로 더 이상의 설명을 생략한다.In the case of forming the metal wiring using the copper or copper alloy, it is difficult to remove through the etching process, a process technology called damascene has been introduced to overcome this problem. The damascene process is a method of forming a trench for circuit wiring in an insulating layer on which a copper metal wiring is to be located, and forming the copper metal wiring by completely filling the trench with copper or a copper alloy. The damascene process technology is well known to those skilled in the art to which the present invention pertains, and further description thereof will be omitted.
상기 다마신 공정을 위해, 상기 트렌치의 내부를 도전물질로 채우는 방법으로는 다음과 같은 방법이 이용되고 있다. 즉, 전기도금법(electro-plating), 무전해도금법(electroless plating), 물리기상증착법(PVD;Physical Vapor Deposition), 유기금속 화학기상증착법(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등이 있다.For the damascene process, the following method is used as a method of filling the inside of the trench with a conductive material. That is, electro-plating, electroless plating, physical vapor deposition (PVD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and the like.
상기 물리기상증착법(PVD)의 경우는, 증착되는 구리 입자가 갖는 고유의 직진성으로 인하여 나노스케일의 고종횡비 트렌치나 비아홀에서 요구하는 단차피복성(step coverage)과 매립 특성을 만족 시킬 수 없다는 단점이 있다. In the case of the physical vapor deposition method (PVD), due to the inherent straightness of the deposited copper particles can not satisfy the step coverage and buried characteristics required in the nano-scale high aspect ratio trench or via hole. have.
상기 전기도금법의 경우는, 낮은 제조원가와 우수한 단차피복성을 가지나, 균질한 구리 핵생성을 촉진할 수 있는 구리 시드층(seed layer)이 전제되어야 하며, 나노스케일의 고종횡비 트렌치나 비아홀에서 발생하는 구리박막의 비저항 증가를 해소할 수 있는 구리합금을 형성시키는데 제한이 있다.In the case of the electroplating method, it has a low manufacturing cost and excellent step coverage, but a copper seed layer capable of promoting homogeneous copper nucleation must be premised, and a nanoscale high aspect ratio trench or via hole is generated. There is a limitation in forming a copper alloy which can solve the increase in the resistivity of the copper thin film.
상기 무전해도금법의 경우는, 구리 박막의 증착속도가 매우 느리다는 단점이 있다.In the case of the electroless plating method, there is a disadvantage that the deposition rate of the copper thin film is very slow.
상기 유기금속 화학기상증착법의 경우는, 전기도금법에 비하여 낮은 증착속도 및 높은 비용을 갖지만, 구리 시드층이 필요하지 않고, 비교적 우수한 단차피복성과 나노스케일의 배선에서 발생되는 비저항 증가의 문제점을 해결할 수 있는 구리합금의 증착이 비교적 용이하다는 장점이 있다. The organic metal chemical vapor deposition method has a lower deposition rate and higher cost than the electroplating method, but does not require a copper seed layer, and can solve problems of relatively excellent step coverage and increase in specific resistance caused by nanoscale wiring. The advantage is that the deposition of copper alloys is relatively easy.
상술한 바와 같은 증착방법들을 통해 구리 또는 구리합금을 증착하는 경우에, 예를 들어, 나노스케일에서 고종횡비 (high aspect-ratio)를 가지는 구리금속배선공정시 증착공정에서 보이드(void)나 연결선(seam)이 형성되어 반도체 소자의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 발생된다. 따라서, 보이드나 연결선 없이 트렌치의 바닥에서부터 상부입구까지 균일하게 도전층을 증착할 수 있는 방법에 대한 필요성 이 대두되고 있다. In the case of depositing copper or a copper alloy through the above-described deposition methods, for example, voids or connecting lines in the deposition process in a copper metal wiring process having a high aspect-ratio at nanoscale. seam) is formed, thereby deteriorating the reliability of the semiconductor device. Therefore, there is a need for a method of uniformly depositing a conductive layer from the bottom of the trench to the top inlet without voids or connecting lines.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 흡착억제제를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a metal wiring of a semiconductor device using an adsorption inhibitor that can overcome the above-mentioned conventional problems.
본 발명의 다른 목적은 보이드나 연결선이 없이 균일하게 증착할 수 있는 흡착억제제를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for forming metal wirings of a semiconductor device using an adsorption inhibitor that can be uniformly deposited without voids or connecting lines.
본 발명의 또 다른 목적은 금속배선 및 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 흡착억제제를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for forming metal wiring of a semiconductor device using an adsorption inhibitor that can improve the reliability of the metal wiring and the semiconductor device.
본 발명의 또 다른 목적은 나노(nano)스케일의 금속배선 형성에 적합한 흡착억제제를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a method for forming metal wirings of a semiconductor device using an adsorption inhibitor suitable for forming nanoscale metal wirings.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 하부구조가 형성된 반도체 기판상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층 상에 일정 패턴의 트렌치(trench) 또는 비아(via)홀을 형성하는 단계와; 상기 트렌치 또는 비아홀이 형성된 반도체 기판상에, 상기 도전물질의 증착을 위한 증착공정과 상기 도전물질의 흡착을 억제하기 위한 흡착억제공정을, 상기 트렌치 또는 비아홀이 상기 도전물질로 채워질 때까지 연 속적, 단계적, 순환적 방법 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 방법으로 수행하여 도전층을 형성하는 단계와; 상기 절연층의 상부가 노출될 때까지 상기 도전층 제거공정을 수행하여 상기 트렌치 또는 비아홀을 제외한 부분의 도전층을 제거함에 의해 금속배선을 형성하는 단계를 구비한다.According to an embodiment of the present invention for achieving some of the technical problems described above, the method for forming a metal wiring of the semiconductor device according to the present invention, forming an insulating layer on a semiconductor substrate on which a lower structure is formed, and a predetermined on the insulating layer Forming trenches or via holes in the pattern; On the semiconductor substrate where the trench or via hole is formed, a deposition process for depositing the conductive material and an adsorption suppression process for suppressing adsorption of the conductive material are continuously performed until the trench or via hole is filled with the conductive material. Performing at least one method selected from a stepwise and a cyclic method to form a conductive layer; Forming a metal wiring by removing the conductive layer except for the trench or via hole by performing the conductive layer removing process until the upper portion of the insulating layer is exposed.
상기 트렌치 또는 비아홀을 형성하는 단계이후 상기 도전층을 형성하는 단계이전에, 상기 트렌치 또는 비아홀이 형성된 반도체 기판상에, 상기 도전층의 확산을 방지하기 위한 확산방지층을 형성하는 단계를 더 구비할 수 있다.After forming the trench or via hole and before forming the conductive layer, the method may further include forming a diffusion barrier layer on the semiconductor substrate on which the trench or via hole is formed to prevent diffusion of the conductive layer. have.
상기 확산방지층을 형성하는 단계 이후 상기 도전층을 형성하는 단계이전에, 상기 확산방지층이 형성된 반도체 기판 상에, 상기 도전물질의 증착시 핵생성 및 접착력 증가를 향상을 위한 금속장벽층을 형성하는 단계를 더 구비할 수 있다.After forming the diffusion barrier layer and before forming the conductive layer, forming a metal barrier layer on the semiconductor substrate on which the diffusion barrier layer is formed to improve nucleation and adhesion strength during deposition of the conductive material. It may be further provided.
상기 도전물질은 구리 또는 구리합금일 수 있다.The conductive material may be copper or a copper alloy.
상기 도전층의 형성은 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)을 이용할 수 있다.The conductive layer may be formed by organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).
상기 구리를 이용한 상기 도전층의 형성은 (hfac)CuVTMOS 계열, (hfac)CuTMVS 계열, 및 (hfac)CuDMB 계열 중에서 선택된 어느 하나의 구리전구체(precursor)를 이용하여 수행될 수 있다.The formation of the conductive layer using the copper may be performed using any one copper precursor selected from (hfac) CuVTMOS series, (hfac) CuTMVS series, and (hfac) CuDMB series.
상기 구리합금을 이용한 상기 도전층의 형성은, 상기 구리전구체에, 알루미늄(Al), 은(Ag), 코발트(Co), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta), 및 주석(Sn) 중에서 선택된 어느 하나를 주성분으로 포함하는 금속전구체들 중에서 적어도 하나의 전구체를 더 추가하여 수행될 수 있다.Formation of the conductive layer using the copper alloy, aluminum (Al), silver (Ag), cobalt (Co), tungsten (W), titanium (Ti), nickel (Ni), tantalum (Ta) to the copper precursor ), And tin (Sn) may be performed by further adding at least one precursor among the metal precursors including as a main component.
상기 흡착억제공정은, 흡착억제제(adsorption inhibitor) 기체분자 또는 래 디컬(radical)을 통해, 상기 트렌치 또는 비아홀의 상부, 및 상기 트렌치 또는 비아홀의 내부를 제외한 상기 반도체 기판 상부면에 대한 상기 도전물질의 증착을 억제하는 공정일 수 있다.The adsorption suppression process is performed by adsorption inhibitor gas molecules or radicals to form the conductive material on the upper surface of the trench or via hole and the upper surface of the semiconductor substrate except for the inside of the trench or via hole. It may be a process for suppressing deposition.
상기 흡착억제제는 H2, NH3, N2H2, H2S, HI, CH4, C2H2, 및 C2H6 를 포함하는 수소(H)가 있는 기체분자들 중에서 선택된 어느 하나의 기체분자, 또는 상기 선택된 어느 하나의 기체분자의 플라즈마로부터 생성된 수소 래디컬이며, 이 래디컬을 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스에 희석하여 사용할 수 있다.The adsorption inhibitor is any one selected from gas molecules with hydrogen (H) including H 2 , NH 3 , N 2 H 2 , H 2 S, HI, CH 4 , C 2 H 2 , and C 2 H 6 Gas radicals or hydrogen radicals generated from a plasma of any one of the gas molecules selected above, and the radicals may be diluted with nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) gas.
상기 확산방지층 및 상기 금속장벽층은 원자층 증착(ALD;Atomic Layer Deposition) 방법을 통해 형성될 수 있다.The diffusion barrier layer and the metal barrier layer may be formed through an atomic layer deposition (ALD) method.
상기 확산방지층은 Ti, TiN, TiSiN, Ta, TaN, TaSiN, W, WN 중에서 선택된 어느 하나의 물질을 재질로 할 수 있다.The diffusion barrier layer may be made of any one material selected from Ti, TiN, TiSiN, Ta, TaN, TaSiN, W, and WN.
상기 금속장벽층은 Cu,Os,Ir,Ru,Co,Pd 중에서 선택된 어느 하나의 물질을 재질로 할 수 있다.The metal barrier layer may be made of any one material selected from Cu, Os, Ir, Ru, Co, and Pd.
상기 금속장벽층을 형성한 이후에, 상기 트렌치 하부에, 표면촉매제 처리를 하여 상기 도전물질의 성장 속도를 높이는 단계를 더 포함할 수 있다.After forming the metal barrier layer, a lower surface of the trench may be treated with a surface catalyst to increase the growth rate of the conductive material.
상기 트렌치 또는 비아홀을 제외한 부분의 도전층을 제거하는 단계에서의 상기 도전층의 제거는, 상기 도전층이 형성된 반도체 기판을 상기 절연층이 노출될 때까지 연마하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 수행될 수 있 다.The removal of the conductive layer in the step of removing the conductive layer except for the trench or via hole is performed through a chemical mechanical polishing (CMP) process in which the semiconductor substrate on which the conductive layer is formed is polished until the insulating layer is exposed. Can be performed.
상기 도전층은, 상기 반도체 기판상에 형성되고 상기 트렌치 또는 비아홀 하부에 존재하는 별도의 금속배선과 전기적으로 연결되는 구조를 가질 수 있다.The conductive layer may have a structure formed on the semiconductor substrate and electrically connected to a separate metal line existing under the trench or via hole.
본 발명에 따르면, 금속배선 형성시 보이드나 연결선 없는 균일한 증착이 가능한 장점이 있다. 이를 통해 금속배선 및 반도체 소자의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다. 또한, 나노 스케일의 고종횡비 트렌치나 비아홀의 금속배선형성에 적합한 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage that uniform deposition without voids or connecting lines is possible when forming metal wiring. Through this, it is possible to secure the reliability of the metal wiring and the semiconductor device. In addition, there is an advantage that is suitable for forming a metal aspect of the nano-scale high aspect ratio trench or via hole.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings without intending to intend to provide a thorough understanding of the present invention to a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선형성을 위한 공정순서 단면도이다.1 to 6 are cross-sectional views of a process sequence for forming a metal wiring of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 하부구조가 형성된 반도체 기판(100)에 일정두께로 절연층(110)을 형성한다. As shown in FIG. 1, the
상기 반도체 기판(100)의 하부구조는 도면상에서 도시되지 않았지만, 소오스, 드레인 및 게이트를 포함하는 트랜지스터, 워드라인 및 비트라인 등을 포함할 수 있다. 또한 상기 트랜지스터, 상기 워드라인, 또는 상기 비트라인과 연결되는 배선이나 콘택(contact)을 포함할 수 있다. 즉 본 발명에 의해 형성되는 금속배선은 상기 반도체 기판의 하부구조에 포함되는 적어도 하나의 하부배선이나 콘택(contact)등과 전기적으로 연결되기 위한 것일 수도 있고, 상기 반도체 기판의 하부구조와는 전기적으로 연결되지 않고 다른 부분(인접소자나 배선 등)과 연결되기 위한 것일 수 있다. 따라서, 상기 절연층(110)과 접촉되는 상기 반도체 기판(100)의 상부면은 각종 절연층, 각종 도전층, 또는 일부 절연층과 일부 도전층으로 형성될 수 있다.Although not shown in the drawings, the lower structure of the
상기 절연층(110)은 저유전상수 값을 가지는 절연물질 등으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(110)은 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), PSG(Phosphorus Silicate Glass), PE-TEOS((Plasma Enhanced-Tetra Ethyl Ortho Silicate) 또는 HDP(High Density Plasma) 산화물과 같은 절연물을 증착하여 형성한다. 이외에도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 알려진 다양한 절연물질이 상기 절연층(110)의 형성에 사용될 수 있다. 상기 절연층(110)은 후속공정에서 트렌치나 비아홀을 형성할 수 있을 정도의 두께로 형성될 수 있다. The
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(110)의 일부를 식각하여 트렌치(trench) 또는 비아(via)홀(이하 통칭하여 '트렌치'라 함)(120)을 형성한다. 상기 트렌치(120)의 내부 바닥부분은 상기 반도체 기판(100)이 노출되도록 형성될 수 있다. As shown in FIG. 2, a portion of the insulating
상기 트렌치(120)는 포토공정 및 식각공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 트렌치를 형성하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자 에게 잘 알려져 있다.The
필요에 따라서는 상기 반도체 기판(100)상에 식각정지층(미도시)을 먼저 형성한 다음 상기 절연층(120)을 형성할 수도 있다. 상기 식각정지층(etch stopper)은 상기 트렌치(120) 형성시 과도식각에 따른 상기 반도체 기판(100)의 손상을 방지하기 위한 것이다. 상기 식각정지층은 상기 절연층(110)과 식각선택비가 다른 재질, 예를 들어 질화막 등으로 형성할 수 있다. 이때 상기 트렌치(120) 바닥의 남아있는 상기 식각정지층은 별도의 공정을 통해 제거되게 된다.If necessary, an etch stop layer (not shown) may be first formed on the
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(120)가 형성된 반도체 기판(100)상에, 확산방지층(130) 및 금속장벽층(140)을 순차적으로 형성한다. 경우에 따라 상기 확산방지층(130) 및 금속장벽층(140) 모두 또는 이들 중 어느 하나의 층의 형성공정은 생략될 수 있다. As shown in FIG. 3, the
상기 확산방지층(130)은 후속공정에서의 금속배선 형성을 위한 도전물질 증착시, 증착된 도전물질이 상기 절연층(110) 내부로 확산하는 것을 방지하기 위해 형성된다. 특히 구리 또는 구리합금을 증착하는 경우에는 필요할 수 있다. 그러나 상기 절연층(110)의 재질이 특이하여 상기 도전물질의 확산을 방지할 수 있거나, 상기 도전물질이 상기 절연층(110)으로의 확산이 되지 않는 재질을 가지는 경우에는 상기 확산방지층(130)의 형성공정은 생략될 수 있다.The
상기 확산방지층(130)은 Ti, TiN, TiSiN, Ta, TaN, TaSiN, W 및 WN 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. The
상기 금속장벽층(140)은 후속되는 상기 도전물질의 증착공정에서 도전물질의 핵생성 및 접착성을 향상시키기 위해 형성될 수 있다. 따라서, 상기 도전물질에 대한 핵생성 및 접착성의 향상이 필요하지 않은 경우 상기 금속장벽층(140)의 형성공정은 생략될 수 있다. The
상기 금속장벽층(140)은 Cu,Os,Ir,Ru,Co,Pd 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 또한 상기 금속장벽층(140)은 1~5nm로 형성될 수 있다.The
상기 확산방지층(130) 및 금속장벽층(140)은 나노스케일의 고종횡비 트렌치에서의 균일한 형성을 위해 단차 피복성이 우수한 원자층증착법(ALD)을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 도 2에서 형성되는 트렌치(120)가 나노 스케일의 고종횡비의 트렌치가 아닌 경우에는, 상기 원자층증착법(ALD) 이외에도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상을 가진자에게 잘 알려진 증착방법들을 사용하여 상기 확산 방지층(130) 및 금속장벽층(140)을 형성할 수 있다. The
상기 금속장벽층(140)을 형성한 후에 필요에 따라, 트렌치 하부의 상기 금속장벽층(140) 표면에 표면촉매제 처리를 하여, 후속공정의 금속배선 형성을 위한 도전물질의 증착 공정시 도전물질의 성장 속도를 높이는 공정이 포함될 수 있다.After the
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 확산방지층(130) 및 상기 금속장벽층(140)이 형성된 반도체 기판(100)상에 도전물질의 증착을 통해 도전 층(150a,150b) 형성을 위한 증착공정이 수행된다. As shown in FIGS. 4 and 5, the
여기서 도 4는 도전물질의 증착이 중간정도 진행되었을 경우의 도전층(150a)을 나타낸 단면도이고, 도 5는 도전물질의 증착이 완료된 경우의 도전층(150b)을 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating the
상기 증착공정은 종래와 달리 흡착억제제(adsorption inhibitor) 기체분자 또는 래디컬을 통한 처리 과정을 병행하여 수행된다. 상기 흡착억제제는 상기 트렌치(120)의 상부부분에서의 상기 도전물질의 증착 또는 흡착을 억제한다. 다시말하면, 상기 흡착억제제 처리공정과 상기 도전물질의 증착공정은 여러 가지 방법들(예를 들면, 연속적, 단계적, 순환적 등의 방법들) 중에서 필요에 따라 선택된 방법을 통하여 수행될 수 있다. 여기서 연속적이라 함은, 상기 도전물질이 증착되는 동안 지속적으로 상기 흡착억제제를 주입하여 처리하는 것을 말하고, 단계적이라 함은, 상기 도전물질이 증착되는 동안 상기 흡착억제제를 일정한 주기를 갖고 단계적으로 처리하는 것을 의미하고, 순환적이라 함은 상기 도전물질의 증착과 흡착억제제의 처리를 교번함을 의미한다. Unlike the conventional method, the deposition process is performed in parallel with a process through adsorption inhibitor gas molecules or radicals. The adsorption inhibitor inhibits deposition or adsorption of the conductive material on the upper portion of the
흡착억제제 기체분자 또는 래디컬의 처리와 동시에 상기 도전물질을 증착하게 되면 상기 트렌치(120)의 상부에 구리박막의 성장을 억제시킬 수 있는데, 그 개념은 다음과 같다.Deposition of the conductive material at the same time as the treatment of the adsorption inhibitor gas molecules or radicals can suppress the growth of the copper thin film on the
제조장치의 반응기 내부로 흡착억제제 기체분자 또는 래디컬을 처리하게 되면, 나노스케일의 고종횡비 트렌치의 하부에는 흡착억제제 기체분자나 래디컬이 도달하지 못하고, 상기 고종횡비 트렌치(120)의 상부에만 흡착되어 잔류하게 된다. 상기 고종횡비 트렌치(120)의 상부에 잔류한 흡착억제제 기체분자 또는 래디컬은 상기 도전물질이 트렌치(120)의 상부에 흡착하지 못하도록 방해를 하게 된다. 따라서, 흡착억제제 기체분자나 래디컬이 도달하기 어려운 트렌치(120)의 하부에는 상기 도전물질(150)이 도달하게 되어 화학 반응이 유도되고 도전층(150)이 형성되게 된다.When the adsorption inhibitor gas molecules or radicals are processed into the reactor of the manufacturing apparatus, the adsorption inhibitor gas molecules or radicals do not reach the lower portion of the nanoscale high aspect ratio trench, and are adsorbed only on the upper portion of the high
상기 흡착억제제 기체분자 또는 래디컬의 처리는 수소(H2), 암모니아(NH3), 히드라진(N2H2), 황화수소(H2S), 요오드화수소(HI), 메탄(CH4), 에틴(C2H2), 에탄(C2H6) 등 수소를 포함한 가스분자들, 및 이들의 플라즈마로부터 생성된 수소를 포함한 래디컬, 이들 가스에 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 등을 희석한 기체들 중에서 선택된 어느 하나를 이용하여 처리한다.The adsorption inhibitor gas molecules or radicals are treated with hydrogen (H 2 ), ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 2 ), hydrogen sulfide (H 2 S), hydrogen iodide (HI), methane (CH 4 ), ethyne Gas molecules containing hydrogen such as (C 2 H 2 ), ethane (C 2 H 6 ), radicals containing hydrogen generated from plasma thereof, and diluting nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) to these gases Treatment is performed using any one selected from one of the gases.
상술한 바와 같이, 상기 흡착억제제 처리와 도전물질의 증착을 함께 하게 되면, 종래의 경우에 문제점으로 지적되던, 보이드나 연결선의 생성을 원천적으로 방지할 수 있어 균일한 도전층 즉 균일한 금속배선의 형성이 가능하다. As described above, when the adsorption inhibitor treatment and the deposition of the conductive material are combined, it is possible to prevent the generation of voids or connecting wires, which was pointed out as a problem in the conventional case, so that the uniform conductive layer, that is, the uniform metal wiring Formation is possible.
상기 금속배선의 형성을 위한 도전물질은 구리 또는 구리합금일 수 있다. 그리고 상기 도전물질의 증착은 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)이 사용될 수 있다.The conductive material for forming the metal wire may be copper or a copper alloy. In addition, the deposition of the conductive material may use an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).
상기 도전층(150a, 150b)을 구리로 형성하는 경우에 사용되는 구리 전구체는 (hfac)CuVTMOS 계열, (hfac)CuTMVS 계열, 및 (hfac)CuDMB 계열 중에서 선택된 어느 하나의 물질 일 수 있다. The copper precursor used when the
또한, 상기 구리합금 도전층(150a,150b) 형성시에는, 상기 구리전구체 들 중 선택된 어느 하나의 구리전구체에, 알루미늄(Al), 은(Ag), 코발트(Co), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta), 주석(Sn) 등을 주성분으로 하는 유기금속 전구체들 중에서 적어도 어느 하나를 선택하여 첨가한 합성물질을 사용할 수 있다. 여기서 상기 구리합금은 구리에 대한 첨가물의 조성비가 0.1~10 at.% 되도록 할 수 있다.In addition, when the copper alloy
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 흡착억제제 처리를 통한 상기 증착공정을 통해 증착이 완성된 도전층(150b)은 보이드나 연결선 없이 균일한 박막이 가능한 구조를 가진다.As illustrated in FIG. 5, the
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(120) 내부에 형성된 도전층(150b)(확산방지층(130) 및 금속장벽층(140)이 형성된 경우에는 이들을 포함한다.)을 제외한 나머지 부분의 도전층(150b)(확산방지층(130) 및 금속장벽층(140) 포함)을 제거한다. 즉 상기 트렌치(120)의 내부에만 상기 도전층(150b)(확산방지층(130) 및 금속장벽층(140) 포함)이 존재하도록 하는 제거공정이 수행된다.As shown in FIG. 6, the conductive layer of the remaining portion except for the
상기 제거공정은 평탄화 공정을 통해 수행되며, 일반적으로 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 통하여, 상기 절연층(110)의 상부 표면이 노출될 때까지 수행된다. 이에 따라 상기 트렌치(120) 내에 금속배선(150c)이 형성되게 된다.The removal process is performed through a planarization process, and is generally performed through a chemical mechanical polishing (CMP) process until the upper surface of the insulating
이후, 추가적으로 세정 공정 등이 수행될 수 있다.Thereafter, a washing process may be additionally performed.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발 명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다. The foregoing description of the embodiments is merely illustrative of the present invention with reference to the drawings for a more thorough understanding of the present invention, and thus should not be construed as limiting the present invention. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the basic principles of the present invention.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속배선 형성을 공정순서대로 나타낸 공정단면도들이다. 1 to 6 are process cross-sectional views illustrating metal wiring formation according to an embodiment of the present invention in a process order.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100 : 반도체 기판, 110 : 절연층100: semiconductor substrate, 110: insulating layer
120 : 트렌치 130 : 확산방지층120: trench 130: diffusion barrier layer
140 : 금속장벽층 150a,150b : 도전층140:
150c : 금속배선 150c: metal wiring
Claims (17)
Priority Applications (1)
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