KR20000044540A - 반도체소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속배선의 레이아웃을 변경하고 열처리전에 수소 원자를 주입시키고 질소분위기에서 어닐링함으로써 구리박막의 산화 및 MOSFET의 문턱전압 천이를 방지하기 위한 것으로, 구리배선을 갖춘 반도체소자를 열처리하는 공정시 열처리를 수행하기 전에 기판의 전면에 수소를 이온주입하여 상기 구리배선 및 배선층간에 형성된 절연막의 표면층에 수소원자가 분포되도록 한 후, 수소가스가 배제된 질소 분위기에서 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 반도체소자의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 금속으로 이루어진 다층배선구조를 갖춘 반도체소자에 있어서 금속배선의 산화를 방지하고 반도체소자를 구성하는 MOSFET의 문턱전압 저하를 방지할 수 있는 반도체소자의 제조방법에 관한 것이다.
구리를 다층 금속배선막으로 이용하는 반도체소자의 경우, 구리배선막이 포스트 어닐링 도중, 대기중 또는 질소분위기에서 열처리시 미량의 산소성분과 구리박막이 쉽게 반응하여 다공성의(porous) 구리산화막을 형성하여 구리배선막의 전기적 특성을 저하시킨다. 따라서 질소분위기만으로는 완전한 구리박막의 산화를 방지할 수 없다.
구리박막의 산화를 방지하기 위해서는 환원분위기가 가능한 수소가 첨가된 분위기에서 열처리를 실시해야 한다. 그러나 수소분위기하에서의 열처리는 열처리 도중에 수소원자가 반도체장치의 MOSFET 트랜지스터에 침투하여 소자의 문턱전압의 천이(shift)를 초래하기 때문에 안정된 트랜지스터를 제조하기 어렵게 된다. 도 1은 수소 원자의 확산을 도시한 모식도로서, 수소원자는 금속배선(1)을 통과하지 못하는 반면에, 절연막(2,3,4)을 통해 매우 빠른 속도로 확산하여 트랜지스터(5)로 침투하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속배선의 레이아웃을 변경하고 열처리전에 수소 원자를 주입시키고 질소분위기에서 어닐링함으로써 구리박막의 산화 및 MOSFET의 문턱전압 천이를 방지할 수 있도록 하는 반도체소자 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자 제조방법은 산화에 취약한 재료로 이루어진 금속배선을 갖춘 반도체소자를 열처리하는 공정시 열처리를 수행하기 전에 기판의 전면에 수소를 이온주입하여 상기 금속배선 및 배선층간에 형성된 절연막의 표면층에 수소원자가 분포되도록 한 후, 수소가스가 배제된 분위기에서 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 반도체소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 금속배선은 구리로 이루어지거나 Pt, PZT, Ag, Au등의 재료로 이루어진다.
상기 수소가스가 배제된 분위기하에서의 열처리는 질소분위기하에서 수행하는 것이 바람직하며, 이외에도 헬륨 또는 아르곤 분위기하에서 수행하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 수소원자의 이온주입은 300KeV이상의 높은 이온주입 에너지를 이용하고, 도우즈는 1.0E12 내지 1.0E15의 범위에서 수행한다.
상기 열처리시 주입된 수소원자는 금속배선과 우선적으로 반응하여 금속막의 산화를 방지하고, 절연막의 표면층에 분포하는 수소원자는 절연막 표면층에서 댕글링본드를 형성하여 수소원자가 상기 금속배선 하부에 형성된 소자로 확산해 들어가는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 금속배선 하부에 형성된 소자는 MOSFET 또는 TFT가 될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 금속배선 형성을 위한 마스크 작업시 스크라이브 라인 및 가딩구조를 형성할때 이를 금속박막으로 감싸 주고, 셀, 코아영역 및 주변회로영역을 금속 더미패턴을 형성할 수 있도록 설계 레이아웃을 실시하여 수소원자가 기판쪽으로 침투해 들어갈 수 있는 거리를 최대한 길게 유지하는 것이 바람직하다.
도 1은 종래기술에 의한 다층 구리배선구조를 갖춘 반도체소자의 수소분위기하에서의 열처리시 수소원자의 확산을 나타낸 단면구조도,
도 2는 본 발명이 적용되는 다층 배선구조를 갖춘 반도체소자의 단면구조도,
도 3은 본 발명에 의한 반도체소자의 설계 레이아웃의 일례를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1,13,15,17 : 금속배선
2,3,4,12,14,16 : 절연막
5,11 : MOSFET
10 : 금속막 및 절연층 표면에 분포하는 수소원자
20 : 금속막
30 : 절연막
100 : 반도체기판
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2에 본 발명에 의한 다층배선구조의 반도체소자 단면도를 나타내었다. 도 2를 참조하면, MOSFET(11)가 형성된 반도체기판(100)상에 다층의 절연막(12,14,16)과 다층의 구리배선(13,15,17)을 번갈아 가면서 형성한 후, 열처리를 수행하기에 앞서 수소원자를 기판 전면에 이온주입하여 구리박막(17) 및 절연막(16)의 표면층에만 수소원자(10)가 분포되도록 한 다음에 수소기체가 배제된 질소분위기에서 열처리를 수행한다.
상기 질소분위기하에서의 열처리시 이온주입된 수소원자는 구리박막(17)과 우선적으로 반응하여 구리박막의 산화를 방지하며, 절연막의 표면층에 분포하는 수소원자는 절연막 표면층에서 댕글링 본드(dangling bond)를 형성하여 질소분위기하에서의 열처리시 쉽게 수소원자와 질소간의 반응을 유도함으로써 수소원자가 MOSFET(11)으로 확산되어 들어가는 것을 방지하게 된다.
상기 실시예에서는 열처리를 질소분위기하에서 수행하였으나, 아르곤 또는 헬륨 등 불활성기체의 분위기에서 열처리를 행할 수도 있다.
상기 실시예에서는 구리배선을 예로 들었으나, 금속배선 형성시 산화에 취약한 특성을 갖는 재료, 예컨대 Pt, PZT, Ag, Au등의 재료로 이루어진 배선을 구비한 반도체소자에도 본 발명을 적용할 수 있다.
상기 수소 이온주입시 이온주입조건은 높은 이온주입 에너지, 예컨대 300KeV이상의 고 에너지로 도우즈는 1.0E12 내지 1.0E15의 범위로 하는 것이 바람직하다.
한편, 배선의 산화 및 MOSFET의 문턱전압 천이를 방지하기 위한 또 다른 방법으로서 본 발명은 금속배선의 레이아웃을 변경하는 방법을 채용하는데 이를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 금속배선 마스크 작업시 구리박막을 가능한한 전면으로 감싸주기 위하여 다이(Die) 와 다이의 경계인 스크라이브 라인(scribe line) 및 가딩(guarding)구조 형성시 금속박막(20)으로 감싸 주고, 셀, 코아영역 및 주변회로영역을 금속 더미패턴을 형성할 수 있도록 설계 레이아웃을 실시하여 수소원자가 MOSFET에 도달할 수 있는 거리를 최대한 길게 유지함으로써 MOSFET의 문턱전압 천이에 미치는 영향을 최소화한다. 도 3에서 참조부호 30은 절연막을 나타낸다.
상기 본 발명이 적용되는 반도체소자는 TFT(thin film transistor)를 사용하는 SRAM, LCD(liquid crystal display)등의 금속배선 공정 형성에 사용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 금속배선의 레이아웃을 변경하고 열처리전에 수소 원자를 주입시키고 질소분위기에서 어닐링함으로써 구리박막의 산화 및 MOSFET의 문턱전압 천이를 방지한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의하면, 비교적 간단한 방법에 의하여 반도체소자의 금속배선의 산화를 방지하고, MOSFET의 문턱전압 천이를 방지할 수 있다.
Claims (7)
- 산화에 취약한 재료로 이루어진 금속배선을 갖춘 반도체소자를 열처리하는 공정시 열처리를 수행하기 전에 기판의 전면에 수소를 이온주입하여 상기 금속배선 및 배선층간에 형성된 절연막의 표면층에 수소원자가 분포되도록 한 후, 수소가스가 배제된 분위기에서 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 반도체소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속배선은 구리로 이루어진 것임을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 열처리를 질소 또는 헬륨 또는 이르곤 분위기하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 수소원자의 이온주입은 300KeV이상의 높은 이온주입 에너지를 이용하고, 도우즈는 1.0E12 내지 1.0E15의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 열처리시 주입된 수소원자가 금속배선과 우선적으로 반응하여 금속막의 산화를 방지하고, 절연막의 표면층에 분포하는 수소원자는 절연막 표면층에서 댕글링본드를 형성하여 수소원자가 상기 금속배선 하부에 형성된 소자로 확산해 들어가는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 금속배선 하부에 형성된 소자는 MOSFET 또는 TFT인 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속배선 형성을 위한 마스크 작업시 스크라이브 라인 및 가딩구조를 형성할때 이를 금속박막으로 감싸 주고, 셀, 코아영역 및 주변회로영역을 금속 더미패턴을 형성할 수 있도록 설계 레이아웃을 실시하여 수소원자가 기판쪽으로 침투해 들어갈 수 있는 거리를 최대한 길게 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20101025 Year of fee payment: 10 |
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