KR20000015238A - 반도체소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 하부물질층 상부에 제1절연막을 형성하는 공정과, 상기 제1절연막 상부에 장벽금속층을 패터닝하는 공정과, 상기 장벽금속층을 노출시키는 홈이 구비된 제2절연막을 전체표면상부에 형성하는 공정과, 상기 제2절연막을 질소가스 분위기하에서 열처리 또는 플라즈마처리하는 공정과, 상기 제2절연막을 구리막 증착 억제층으로 하여 상기 홈을 매립하는 구리막을 형성하는 공정으로 금속배선을 형성함으로써 저항이 낮고 전도율이 우수하여 좁은 폭과 얇은 두께로 금속배선을 형성할 수 있도록 하여 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키며 반도체소자의 고집적화를 가능하게 하는 기술이다.

Description

반도체소자의 금속배선 형성방법
본 발명은 반도체소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 구리를 차세대 고집적 반도체소자의 배선 재료로 사용하기 위한 방법으로 메소리 소자 뿐 아니라 고속을 필요로 하는 비메모리 반도체소자에도 적용할 수 있도록 구리배선을 형성하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 소자간이나 소자와 외부회로 사이를 전기적으로 접속시키기 위한 반도체소자의 배선은, 배선을 위한 소정의 콘택홀 및 비아홀을 배선재료로 매립하여 배선층을 형성하고 후속공정을 거쳐 이루어지며, 낮은 저항을 필요로 하는 곳에는 금속배선을 사용한다.
상기 금속배선은 알루미늄(Al)에 소량의 실리콘이나 구리가 포함되거나 실리콘과 구리가 모두 포함되어 비저항이 낮으면서 가공성이 우수한 알루미늄합금을 배선재료로 하여 물리기상증착 ( Physical Vapor Deposition, 이하에서 PVD 라 함 ) 방법의 스퍼터링으로 상기의 콘택홀 및 비아홀을 매립하는 방법이 가장 널리 이용되고 있다.
상기 스퍼터링방법은, 화학기상증착 ( chemical vapor deposition, 이하에서 CVD 라 함 ) 방법에 비하여 저온에서 실시되며 공정이 단순한 장점이 있으나, 단차피복비가 낮아 고집적화된 반도체소자의 제조공정에는 적용하기 어려운 단점이 있다.
이를 해결하기 위하여, 단차피복비가 우수한 화학기상증착 ( chemical vapor deposition, 이하에서 CVD 라 함 ) 방법을 사용하게 되었다.
도 1a 내지 도 1d 는 종래기술에 따른 반도체소자의 금속배선 형성방법을 도시한 단면도이다.
먼저, 소정의 하부물질층이 구비된 반도체기판(21) 상부에 산화막(23)을 형성하고, 그 상부에 장벽금속층(25)을 일정두께 형성한다. 이때, 상기 장벽금속층(25)은 TiN 으로 형성한다. (도 1a, 도 1b)
그 다음에, 금속배선마스크를 이용한 식각공정으로 상기 장벽금속층(25)을 식각하고, 상기 장벽금속층(25) 표면에 구리막(27)을 선택적으로 증착한다. 이때, 상기 구리막(27)은 MOCVD 방법에 의한 선택적 구리 증착방법으로 형성한다.
이때, 상기 구리막(27)은 배선으로 사용할 때 저항을 줄이기 위하여 2000 Å 이상의 두께로 형성하여야 하는데 상기 구리막(27)은 증착시 상측 뿐만아니라 측면으로도 증착되어 고집적화된 서브마이크론 ( sub micron ) 공정에 사용하기가 어렵다.
여기서, 상기 선택적 구리 증착 방법은, 구리의 특성을 활용한 배선법으로 구리를 MOCVD 로 증착할때 도체와 절연체 사이의 성장률이 다르다는 것을 활용한 것이다. 즉, 절연체인 산화막 상부에 건식식각이 가능한 장벽금속층인 TiN 이나 WN 을 증착하고, 패터닝한 후 구리를 MOCVD 방법으로 증착시키면 장벽금속층에서는 구리의 성장이 빠르게 일어나고 절연체 위에서는 구리의 성장이 늦으므로 장벽금속층과 동일한 패턴을 얻을 수 있다.
참고로, 구리의 선택적 증착 특성을 높이기 위한 방법으로는 고온 열처리, 질소 플라즈마 처리 또는 DMDCS ( dimethyldiclorosilane ) 을 이용하는 방법등이 있다. (도 1c, 도 1d)
상기한 바와같이 종래기술에 따른 반도체소자의 금속배선 형성방법은, 고집적화된 반도체소자 상부에 선택적 구리 증착방법을 이용하여 금속배선을 형성하는데 있어서, 구리막의 증착시 상측뿐아니라 측면으로도 증착되어 서브마이크론 크기의 미세 금속배선을 형성하면 금속배선의 패터닝이 어렵게 되어 그에 따른 반도체소자의 고집적화를 어렵게 하고 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 저하시킬 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기위하여, 절연막에서의 구리막의 측면 증착을 억제하며 선택적 구리 증착공정을 실시하여 반도체소자의 고집적화에 충분한 금속배선을 형성할 수 있도록 하는 반도체소자의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1d 는 종래기술에 따른 반도체소자의 금속배선 형성방법을 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2c 는 본 발명의 실시예에 반도체소자의 금속배선 형성방법을 도시한 단면도.
<도면의주요부분에대한부호의설명>
11,21 : 반도체기판 13,23 : 제1산화막
15,25 : 장벽금속층 17 : 제2산화막
19,27 : 구리막
이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체소자의 금속배선 형성방법은,
하부물질층 상부에 제1절연막을 형성하는 공정과,
상기 제1절연막 상부에 장벽금속층을 패터닝하는 공정과,
상기 장벽금속층을 노출시키는 홈이 구비된 제2절연막을 전체표면상부에 형성하는 공정과,
상기 제2절연막을 질소가스 분위기하에서 열처리 또는 플라즈마처리하는 공정과,
상기 제2절연막을 구리막 증착 억제층으로 하여 상기 홈을 매립하는 구리막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c 는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 금속배선 형성방법을 도시한 단면도이다.
먼저, 하부구조물이 형성된 반도체기판(11) 상부에 제1산화막(13)을 형성하고 그 상부에 TiN 으로 장벽금속층(15)을 패터닝하여 형성한다. 이때, 상기 장벽금속층(15)은 금속배선 마스크(도시안됨)를 이용한 식각공정으로 형성한다.
그리고, 상기 장벽금속층(15)을 완전히 도포할 수 있도록 전체표면상부에 제2산화막(17)을 두껍게 형성하고 이를 평탄화시킨다. (도 2a)
그 다음에, 금속배선 마스크를 이용한 식각공정으로 상기 제2산화막(17)을 식각하여 상기 장벽금속층(15)을 노출시키는 홈을 형성한다. (도 2b)
그리고, 질소가스 분위기하에서 열처리 또는 플라즈마처리하여 상기 제2산화막(17) 상부에는 구리막의 증착이 일어나지 않도록 한다.
그리고, MOCVD 를 이용한 선택적 구리 증착방법으로 상기 장벽금속층(15)에 콘택되는 구리막(19)을 형성한다. 이때, 상기 구리막(19)은 상기 장벽금속층(15)에 우선적으로 선택증착된다. 이때, 상기 제2산화막(17)은 상기 구리막(19)의 증착공정시 측면 성장, 즉 측면 증착되는 것을 방지하는 역할을 한다. (도 2c)
여기서, 상기 하부구조물이 형성된 반도체기판(11)은, 반도체기판(11)이나 기타 다른 물질층으로 대신할 수 있다.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 따른 반도체소자의 금속배선 형성방법은, 장벽금속층을 금속배선마스크로 패터닝하고 상기 장벽금속층을 노출시키는 홈을 갖는 절연막을 형성하고 상기 장벽금속층에 선택적 구리 증착방법으로 구리막을 형성함으로써 장벽금속층과 구리막의 적층구조 금속배선을 형성하여 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키고 그에 따른 반도체소자의 고집적화를 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 하부물질층 상부에 제1절연막을 형성하는 공정과,
    상기 제1절연막 상부에 장벽금속층을 패터닝하는 공정과,
    상기 장벽금속층을 노출시키는 홈이 구비된 제2절연막을 전체표면상부에 형성하는 공정과,
    상기 제2절연막을 질소가스 분위기하에서 열처리 또는 플라즈마처리하는 공정과,
    상기 제2절연막을 구리막 증착 억제층으로 하여 상기 홈을 매립하는 구리막을 형성하는 공정을 포함하는 반도체소자의 금속배선 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1절연막과 제2절연막은 산화막인 것을 특징으로하는 반도체소자의 금속배선 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 장벽금속층은 TiN 이나 WN 으로 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 금속배선 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구리막은 MOCVD 를 이용한 선택적 구리 증착방법으로 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 금속배선 형성방법.
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