KR19990015715A - 금속배선층 형성방법 - Google Patents

Abstract

배선층의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 금속배선층 형성방법에 대해 기재되어 있다. 이 방법은, 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 반도체기판의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계와, 결과물의 전면에, 반도체기판과 배선층의 반응을 방지하기 위한 장벽층을 형성하는 단계, 및 장벽층이 형성된 결과물 상에, 장벽층과 인-사이튜(in-situ) 방법으로 배선층을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속배선층 형성방법

본 발명은 반도체장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 신뢰성있는 금속배선층의 형성방법에 관한 것이다.

반도체 구조가 고집적화됨에 따라, 작은 사이즈 및 고단차의 콘택홀을 용이하게 매몰할 수 있는 금속배선층 형성기술이 필요하게 되었다. 이에 따라, 금속을 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법으로 증착하는 기술이 많이 연구되고 있다. 특히, 알루미늄(Al) 막은 후속 공정이 용이하고 저항이 낮기 때문에, CVD 공정으로 우수한 막질을 확보할 수 있다면 매우 용이하게 사용될 수 있는 물질로 알려져 있다. 그러나, 현재 알루미늄을 CVD 방법으로 증착하는 기술은 막이 두꺼워질수록 표면 형상이 불량해지고 반사율(reflectivity)이 떨어지는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서는 알루미늄 증착공정에 치명적인 산화막, 특히 알루미늄이 증착될 하부막질의 표면에 형성되는 자연산화막을 제거해야만 한다. 따라서, 자연산화막이 형성되지 않도록 하기 위하여 인-사이튜(in-situ) 장벽층/ 금속막 형성기술이 무엇보다도 요구되는 기술이다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 배선층의 특성을 향상시킬 수 있는 금속배선층 형성방법을 제공하는 것이다.

도 1 내지 도 5는 본 발명에 의한 금속배선층 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10.....반도체기판 12.....층간절연막

16.....오믹접촉층 18.....장벽층

20.....티타늄(Ti) 원자층 22.....질소(N) 원자층

26.....배선층

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 금속배선층 형성방법은, 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 상기 반도체기판의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 결과물의 전면에, 상기 반도체기판과 배선층의 반응을 방지하기 위한 장벽층을 형성하는 단계, 및 장벽층이 형성된 결과물 상에, 상기 장벽층과 인-사이튜(in-situ) 방법으로 배선층을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 장벽층은 상기 장벽층을 구성하는 원자들을 한 층씩 번갈아 쌓는 방법으로 형성하는데, 예를 들어 ALD(Atomic Layer Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), ALE(Atomic Layer Epitaxy) 및 MOMBE로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 한 방법으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 장벽층은 티타늄 질화막(TiN), 탄탈륨 질화막(TaN), 티타늄실리콘 질화막(TiSiN), 탄탈륨실리콘 질화막(TaSiN), 텅스텐 질화막(WN) 또는 몰리브덴 질화막(MoN)과 같은 금속 질화막으로 형성한다.

상기 배선층은 화학 기상 증착(CVD) 및 물리적 기상 증착(PVD) 방법 중 어느 한 방법으로, 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 상기 금속들의 합금으로 형성한다.

상기 장벽층을 형성하는 단계 전에 상기 콘택홀의 바닥면에, 상기 장벽층과 반도체기판 사이의 오믹접촉을 위한 오믹접촉층을 형성하는데, 상기 오믹접촉층은 CVD-티타늄 실리사이드 및 PVD-티타늄 실리사이드 중의 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 배선층을 형성하는 단계 후에 배선층이 형성된 반도체기판을 열처리하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 장벽층의 장벽특성을 향상시키고 신뢰성있는 배선층을 형성할 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 5는 본 발명에 의한 금속배선층 형성방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 1을 참조하면, 반도체기판(10) 상에 예를 들어 산화막을 증착하여 층간절연막(12)을 형성한 후, 상기 층간절연막(12)을 식각하여 상기 반도체기판(10)의 일부를 노출시키는 콘택홀(14)을 형성한다.

도 2를 참조하면, 결과물 상에, 예를 들어 티타늄(Ti)을 증착한 후 열처리함으로써, 이후에 형성될 장벽층과 반도체기판(10) 사이의 오믹접촉(ohmic contact)을 위한 오믹접촉층(16)을 형성한다. 상기 열처리 공정에 의해 상기 티타늄(Ti)과 반도체기판의 실리콘(Si)이 반응하여 티타늄실리사이드(TiSi₂)가 형성되어 오믹접촉층을 이루게 된다. 다른 방법으로는, 콘택홀이 형성된 결과물 상에 물리적 기상 증착 (Physical Vapor Deposition; PVD) 방법을 이용하여 티타늄 실리사이드(TiSi₂)를 직접 증착할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 오믹접촉층(16)이 형성된 결과물의 전면에, 예를 들어 티타늄 질화막을 증착하여 장벽층(18)을 형성한다. 이 때, 상기 장벽층(18)은 ALD(Atomic Layer Deposition) 방식, 즉 장벽층을 이루는 각 구성원자(component) 층을 한 층씩 번갈아 쌓는 방법, 예를 들어 티타늄 질화막(TiN)의 경우 티타늄(Ti) 원자층(20) 한층, 질소(N) 원자층(22) 한층, 티타늄(Ti) 원자층(20) 한층....을 반복하여 쌓는 방법으로 형성한다. 이 때, 처음 시작하는 층과 마지막에 마감하는 층은 필요에 따라 선택하여 증착할 수 있다. 이렇게 ALD 방법으로 장벽층을 형성할 경우 티타늄 원자와 질소원자가 매우 촘촘하고 치밀하게 증착되기 때문에, PVD 방법으로 티타늄 질화막을 형성할 때 장벽특성을 강화하기 위하여 필요한 어닐링 단계를 생략할 수 있는 이점이 있다. 또한, 기존의 PVD나 CVD 공정에 비해 거의 100％에 가까운 스텝 커버리지(step coverage)를 얻을 수 있다.

상기 장벽층(18)은 티타늄 질화막 외에, 탄탈륨 질화막(TaN), 티타늄실리콘 질화막(TiSiN), 탄탈륨실리콘 질화막(TaSiN), 텅스텐 질화막(WN), 몰리브덴 질화막(MoN) 등의 질화막 계열의 물질로 형성할 수 있다. 또한, 상기 장벽층(18)은 ALD 방법 외에 이와 비슷한 개념의 방법인 MBE(Molecular Beam Epitaxy), ALE(Atomic Layer Epitaxy) 또는 MOMBE 방법으로 형성할 수 있다.

도 4를 참조하면, 후속 공정에서 형성될 알루미늄 배선층의 핵생성을 도모하기 위하여, 장벽층(18)이 형성된 결과물의 전면에, 예를 들어 구리(Cu)막(24)을 증착한다. 상기 구리막(24)은 CVD, 스퍼터링, ALE, MBE 방법, 또는 단순한 플러슁(flushing) 및 열처리 방법으로 수Å, 예를 들어 10Å 정도 형성한다. 또한, 상기 구리막(24)은 오믹접촉층(16) 형성직후, 금속배선층 형성직후 또는 금속배선층 형성공정의 중간, 또는 이들을 결합하여 형성할 수도 있다.

도 5를 참조하면, 구리막(24)이 형성된 상태에서 인 - 사이튜(in-situ) CVD 또는 PVD 방법을 사용하여 상기 구리막(24) 상에 알루미늄(Al)을 증착함으로써, 콘택홀을 매립하는 배선층(26)을 형성한다. 상기 배선층(26)을 형성하기 위한 물질로는, 알루미늄(Al) 외에도 텅스텐(W), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 상기 금속의 합금을 사용할 수 있다.

다음에, 열처리를 실시하여 상기 알루미늄을 리플로우 시킴으로써 상기 콘택홀이 균일하게 매립되도록 하고, 티타늄, 질소원자 및 알루미늄 사이의 접착특성이 향상되도록 한다.

이상 본 발명을 상세히 설명하였으나 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술적 사상내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 본 발명에 의한 금속배선층의 형성방법에 따르면, 반도체기판과 배선층의 반응을 억제하기 위한 장벽층과 금속배선층을 인-사이튜(in-situ) 방법으로 형성하여 자연산화막이 형성되는 것을 억제한다. 이 때, 상기 장벽층은 ALD 방법과 같이 구성원자들의 층을 한 층씩 번갈아 쌓는 방법으로 형성함으로써, 장벽특성을 향상시키고 신뢰성있는 배선층을 형성할 수 있도록 한다.

Claims (10)

1. 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 상기 반도체기판의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계;

   상기 결과물의 전면에, 상기 반도체기판과 배선층의 반응을 방지하기 위한 장벽층을 형성하는 단계;

   장벽층이 형성된 결과물 상에, 상기 장벽층과 인-사이튜(in-situ) 방법으로 배선층을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 장벽층은,

   상기 장벽층을 구성하는 원자들을 한 층씩 번갈아 쌓는 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 장벽층은,

   ALD(Atomic Layer Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), ALE(Atomic Layer Epitaxy) 및 MOMBE로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 한 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 장벽층은,

   금속의 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 장벽층은,

   티타늄 질화막(TiN), 탄탈륨 질화막(TaN), 티타늄실리콘 질화막(TiSiN), 탄탈륨실리콘 질화막(TaSiN), 텅스텐 질화막(WN) 및 몰리브덴 질화막(MoN)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 배선층은,

   화학 기상 증착(CVD) 및 물리적 기상 증착(PVD) 방법 중 어느 한 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 배선층은,

   알루미늄(Al), 텅스텐(W), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 상기 각 금속들의 합금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 장벽층을 형성하는 단계 전에,

   상기 콘택홀의 바닥면에, 상기 장벽층과 반도체기판 사이의 오믹접촉을 위한 오믹접촉층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 오믹접촉층은,

   CVD-티타늄 실리사이드 및 PVD-티타늄 실리사이드 중의 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 배선층을 형성하는 단계 후에,

    배선층이 형성된 반도체기판을 열처리하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.