KR20010066720A - 구리배선 형성방법 - Google Patents

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Abstract

표면촉매를 이용함으로써 구리배선의 형성에 필요한 함몰부를 다른 부분보다 더 빠른 속도로 구리로 채울 수 있는 구리배선 형성방법에 관하여 개시한다. 본 발명은, 반도체 기판 상의 절연막에 함몰부를 형성하고 그 결과물 표면에 표면촉매를 도입한 후 구리막을 화학증착하는 단계를 포함함으로써 상기 함몰부에서의 구리막 성장속도가 그 밖의 부분에서의 구리막 성장속도보다 더 빠르도록 하여 상기 함몰부를 구리로 채우는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법을 제공한다. 이와 같은 개념은 구멍, 도랑, 또는 함몰패드를 구리로 채우는 데 널리 이용될 수 있다. 본 발명은 다마신공정과 더불어 사용하기에 바람직하며, 특히 미세 콘택홀이나 비아홀을 공극없이 효과적으로 채울 수 있는 장점을 가진다.

Description

구리배선 형성방법 {Method of forming Copper interconnects}
본 발명은 구리배선 형성방법에 관한 것으로서, 특히 표면촉매를 이용함으로써 구리배선의 형성에 필요한 함몰부에 공극 없이 구리를 빠른 속도로 채울 수 있는 구리배선 형성방법에 관한 것이다.
반도체소자의 고집적화에 따라 금속배선의 최소 선폭은 계속적으로 축소되고 있으며, 이에 따라, RC 지연에 따른 동작속도의 저하가 문제점으로 대두되고 있다. 따라서, 최근에는 반도체소자의 고속동작에 대한 요구를 만족시키기 위해 도전율이 높은 구리가 종래의 알루미늄을 대체할 재료로서 많이 연구되고 있다.
구리는 도전율이 높기 때문에 반도체소자의 고속화로 인해 도선에 흐르는 전자량이 증대하더라도 이에 따른 내성을 유지할 수 있다는 이점을 가진다. 그러나, 구리는 알루미늄에 비해 식각하기가 어려운 문제가 있기 때문에 구리배선을 형성시키는 방법으로, 구리배선의 하부에 위치할 절연막에 미리 회로 도선부에 대응하는 도랑(trench)을 형성하고 그곳에 구리를 채워넣는 다마신(damascene) 공정이 적용되고 있다. 또한, 아래층의 도선부와 연결에 필요한 비아홀을 도랑과 함께 형성하고 비아홀과 도랑을 한꺼번에 채우는 이중 다마신 공정도 적용되고 있다.
이와 같은 다마신 공정에서의 구멍이나 도랑에 구리를 채우는 기술로 현재 가장 널리 적용되고 있는 방식은 전기도금법이다. 그러나, 기존 반도체소자 제조공정과의 정합성을 위해서는 화학증착공정이나, 또는 스퍼터링과 같은 물리증착공정을 적용하는 것이 바람직하다.
스퍼터링방법으로 막을 증착할 경우에는, 직시형(line of sight) 증착특성 때문에 좁고 깊은 구멍을 채울 때 구멍이 다 채워지기 전에 그 개구부가 닫히는 핀치-오프(pinch-off) 현상이 발생한다. 따라서, 디자인 룰이 서브마이크론 단위인 반도체소자에 스퍼터링 방법을 적용하기는 곤란하다.
화학증착공정의 경우는 기판표면의 요철에 관계없이 박막의 핵생성 및 성장이 가능할 뿐만 아니라 물리증착공정에 비해 우수한 단차피복성(step coverage)이 얻어지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 기판온도 200℃ 전후에서 구리막을 증착할 경우, 막의 성장속도가 500Å/분 이하로 낮을 뿐만 아니라 성장초기에는 섬(island)형태로 성장하여 성장된 막의 표면이 거칠다는 문제가 여러 보고에 의하여 지적되고 있다.
이와 같이 막의 성장속도가 느리고 막의 표면이 거친 문제점을 해결하기 위한 방안이 대한민국 특허출원 제98-53575호에 개시되었다. 이 특허출원기술에 따르면, 아이오딘 및 브롬 등의 할로겐족 원소들이 구리막의 표면에서 표면활성제(surface agent)로 작용하여 구리막의 3차원적 성장을 2차원적 성장으로 변환시킴으로써 표면의 평탄도를 크게 향상시켰을 뿐만 아니라 Cu+1종 구리화합물의 표면반응을 촉진시켜서 구리막의 성장속도를 크게 향상시켰다.
한편, 다마신 또는 이중 다마신 공정으로 구리배선을 형성할 때, 다른 부분에 비해 구멍이나 도랑 내에 구리가 더 빠르게 채워지도록 하면 구리배선 형성공정 후에 화학기계적 연마공정에서 드는 부담을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대한민국 특허출원 제98-53575호에 개시된 바 있는 표면촉매를 이용하여 구리배선의 형성에 필요한 함몰부에 핀치-오프현상의 발생없이 구리를 빠른 속도로 채울 수 있는 구리배선 형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 구리배선 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도들;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 구리배선 형성방법을 구멍에 적용한 효과를 설명하기 위한 주사전자현미경 사진들;
도 3은 본 발명에 따른 구리배선 형성방법을 도랑에 적용한 효과를 설명하기 위한 주사전자현미경 단면사진;
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리배선 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 반도체 기판 상의 절연막에 함몰부를 형성하는 단계와; 상기 함몰부가 형성된 결과물 표면에 표면촉매를 도입하는 단계와; 표면촉매가 도입된 상기 결과물 상에 구리막을 화학증착하는 단계를 포함함으로써 상기 함몰부에서의 구리막 성장속도가 그 밖의 부분에서의 구리막 성장속도보다 더 빠르도록 하여 상기 함몰부를 구리로 채우는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법이 제공된다.
본 발명의 사상이 적용되는 상기 함몰부의 구조는 구멍이나 도랑일 수도 있고, 기둥 또는 벽형태의 절연막 패턴을 남겨서 상기 함몰부의 내부가 서로 연결된 도랑을 갖는 함몰패드일 수도 있다.
상기 함몰부가 그 외의 부분에 비해 더 빠르게 구리로 채워지는 이유는 다음 두 가지를 생각할 수 있다. 첫째, 상기 표면촉매가 계면활성제로 작용하여 구리 원자의 표면 이동이 매우 빠르기 때문에 성장하는 구리 막의 표면적이 최소가 되도록 함몰부가 메워지기 때문이다. 둘째, 함몰부 안에 막이 성장하면 함몰부 내부의 표면적이 줄어들기 때문에 함몰부 안의 표면 촉매의 농도가 높아져 함몰부 안에서 막의 성장속도가 구멍 바깥의 막의 성장 속도보다 빠르다. 이 때, 면적이 줄어드는 정도는 함몰부의 바닥이 가장 심하기 때문에 바닥의 성장속도가 대체적으로 가장 빠르다.
여기서, 상기 표면촉매는 아이오딘과 같은 할로겐원소를 함유하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 구리막의 화학증착공정이 행해지는 온도는 50∼180℃ 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 구리가 절연막으로 확산하는 것을 방지하기 위하여 상기 표면촉매를 도입하기 전에 상기 함몰부가 형성된 결과물 위에 TaN 등의 확산방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 확산방지막과 구리막 사이의 접착성이 나빠 뒤따르는 화학기계적 연마공정에서 문제가 생긴다면, 이 문제를 피하기 위하여 상기 확산방지막과 접착성이 좋고 뒤따라 형성할 구리막과도 접착성이 좋은 접착층을 더 형성할 수도 있다. 확산방지막 위에 스퍼터링 방법으로 형성한 박막은 화학증착법으로 형성한 박막보다 접착성이 좋다고 알려져 있다. 여기서, 상기 접착층은 구리로 형성할 수도 있고, 구리가 아닌 다른 금속으로 형성하여도 무방하다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 구리배선 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 다마신 공정을 적용하기 위한 기본 구조로서 기판(100) 위의 절연막(110)에 500nm의 폭과 2:1의 종횡비를 가지는 구멍(120)들을 형성한다.
그 다음, 도 1b에 도시한 바와 같이, 구멍(120)이 형성된 기판 위에 TaN으로 이루어진 확산방지막(130)과 구리 접착층(140)을 스퍼터링 방법으로 차례로 형성한다. 이 때, 구리 접착층(140)은, 구멍(120) 사이의 평탄면에서는 20nm, 구멍(120)의 내측벽에서는 2nm의 두께를 각각 가지도록 한다.
이어서, 도 1c에 도시한 바와 같이, 구리 접착층(140)이 덮인 기판을 아이오딘화에탄(150)으로 처리하여, 아이오딘 표면촉매를 도입한다.
그 다음, (hfac)Cu(vtms)을 구리증착원료로 사용하여, 도 1d에 도시한 바와 같이, 구멍들을 구리(160)로 채운다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 구리배선 형성방법을 구멍에 적용한 효과를 설명하기 위한 주사전자현미경 사진들이다. 구체적으로, 도 2a는 도 1a 내지 도 1d의 공정을 진행한 결과를 나타낸다. (hfac)Cu(vtms)을 구리증착원료로 사용한 공정에서, 구멍들은 3분만에 구리로 채워졌는데, 도 2a를 참조하면, 구멍들이 핀치-오프 현상의 발생없이 우수하게 채워진 것을 알 수 있다.
도 2b는 도 2a를 위에서 관찰한 사진이다.
구멍이 채워지는 중간 단계를 나타내는 도 2c를 참조하면 구멍이 바닥부터 채워짐을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 구리배선 형성방법을 도랑에 적용한 효과를 설명하기 위한 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 도 1a 내지 도 1d에서 설명된 공정을 도랑에 대해 진행하는 과정을 나타낸 것으로서, 공정 완료상태를 나타낸 도 2a 및 도 2b와 달리, 도 2c처럼 공정의 중간단계를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 도랑도 역시 바닥부터 채워짐을 알 수 있다.
도 2a 내지 도 3의 주사전자현미경 사진들로부터, 구리막이 구멍 또는 도랑의 바닥부터 위로 빠르게 성장하기 때문에, 구멍 또는 도랑의 외부에 구리막의 100nm의 두께로 형성될지라도 깊이가 1㎛인 구멍 또는 도랑의 내부는 그 개구부가 핀치-오프되지 않고 공극없이 구리로 다 채워짐을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리배선 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a는 종래기술에 따른 패드구조를 나타낸 것으로서, 이를 참조하면, 절연막(400)에 넓고 오목한 패드(410)가 형성되어 있다. 일반적으로, 반도체 칩의 금속배선의 맨 위층에는 반도체 칩 외부로 전기적인 신호를 연결하는 면적이 넓은 패드가 있다. 이렇게 넓고 오목한 패드(410)의 바닥은 평탄하여 구리막을 형성할 필요가 없는 절연막의 윗면과 차이가 없다. 따라서, 이러한 구조에서는, 도 1a 내지 도 3에 설명된 바와 같은 빠른 구리막의 성장 속도를 기대할 수 없다.
도 4b는 본 발명의 실시예를 적용하기 위한 패드구조를 나타낸 도면이다. 도 4b를 참조하면, 패드의 내부에 절연막 기둥(420)이나 절연막 벽(430)을 남겨서 패드의 내부를 연결된 도랑(440)으로 만들 수 있다. 이와 같은 구조는 절연막을 식각하여 패드를 형성할 때, 패드 내부에 기둥(420)이나 절연막 벽(430)을 남기도록 하는 감광막 패턴을 사용하면 된다. 이와 같은 도랑의 안쪽은 평탄면보다 구리막의 성장 속도가 빠르므로 패드처럼 넓은 면적을 구리막으로 채우는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 따라서, 이와 같은 하부구조를 완성한 후에, 도 1b 내지 도 1d에서 설명된 공정을 진행하면 함몰패드를 구리로 쉽게 채울 수 있다. 이와 같은 기둥(420)이나 절연막 벽(430)을 주위의 절연막(400)보다 낮은 높이로 형성하는 것도바람직한데, 함몰패드부의 표면을 구리막만으로 덮이게 해야 패드부의 면저항을 줄일 수 있기 때문이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 구리배선 형성방법에 의하면, 함몰부를 공극없이 효과적으로 채울 수 있으므로 전기적 특성이 우수한 구리배선을 형성할 수 있으며, 나아가 콘택홀 또는 비아홀도 공극없이 구리로 채울 수 있으므로 본 발명은 다층배선을 형성하는 데도 적합하다.
또한 본 발명에 의하면, 함몰부에서의 구리막 성장속도가 그 외의 부분에서의 구리막 성장속도보다 더 빠르도록 하여 상기 함몰부를 구리로 채울 수 있기 때문에 기판 전면에 금속막을 형성시키는 경우에 비해 고가의 화학증착원료의 소비량이 적어 공정비용을 낮출 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 함몰부를 다 채운 상태에서 기판 표면이 대체로 평탄하다. 따라서, 구리 배선을 완성하기 위해 제거해야 할 구리막의 두께가 얇기 때문에 뒤따르는 화학기계적 연마 공정이 쉽고 화학기계적 연마 공정에 걸리는 시간을 줄일 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (8)

  1. 반도체 기판 상의 절연막에 함몰부를 형성하는 단계와;
    상기 함몰부가 형성된 결과물 표면에 표면촉매를 도입하는 단계와;
    표면촉매가 도입된 상기 결과물 상에 구리막을 화학증착하는 단계를 포함함으로써 상기 함몰부에서의 구리막 성장속도가 그 밖의 부분에서의 구리막 성장속도보다 더 빠르도록 하여 상기 함몰부를 구리로 채우는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 함몰부가:
    구멍, 도랑, 및 기둥 또는 벽형태의 절연막 패턴을 남겨서 상기 함몰부의 내부가 서로 연결된 도랑을 갖는 함몰패드로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구리막의 화학증착단계를 50∼180℃ 내의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면촉매가 할로겐 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 할로겐 원소가 아이오딘인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 표면촉매를 도입하기 전에 상기 함몰부가 형성된 결과물 위에 확산방지막을 형성하는 단계를 더 포함하고 상기 확산방지막 위에 구리막을 화학증착하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 확산방지막 위에 상기 확산방지막과 구리막 사이의 접착성을 높일 수 있는 접착층을 더 형성하고, 상기 표면촉매는 상기 접착층이 형성된 결과물의 표면에 도입되는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 접착층이 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
KR1020000001232A 1999-12-15 2000-01-11 구리배선 형성방법 KR20010066720A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100383759B1 (ko) * 2000-06-15 2003-05-14 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법
KR100404941B1 (ko) * 2000-06-20 2003-11-07 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 금속 배선 형성방법
KR100895811B1 (ko) * 2006-08-31 2009-05-06 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 금속배선 형성방법
KR101036329B1 (ko) * 2009-02-13 2011-05-23 조응래 건축용 비계의 보조결합구

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