KR20020054640A - 반도체소자의 제조방법 - Google Patents

반도체소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로, 듀얼 다마신공정에서 확산방지막을 형성하고, 배선물질로 Ti막/Cu막/Ti막의 적층구조를 형성한 다음, 질화산화막을 형성한 후, 후속공정을 실시하면, 상기 Ti막과 Cu막의 계면에 Cu3Ti막이 형성되어 상기 질화산화막과의 접착력을 향상시키면서 Cu 성분에 의해 저항이 증가하는 것을 억제하고, Cu막 내의 Cu가 확산에 의한 SM(stress migration) 및 EM(electrmigration)현상을 억제하여 소자의 동작 특성 및 배선의 신뢰성을 향상시키는 기술이다.

Description

반도체소자의 제조방법{Manufacturing method for semiconductor device}
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 Cu막을 배선재료로 이용하는 듀얼 다마신공정에서 상기 Cu막 형성 전, 후에 Ti막을 형성하여 Cu막 내의 Cu가 확산되는 것을 방지하고, Cu막의 접착성을 향상시키는 반도체소자의 제조방법에 관한 것이다.
반도체소자가 고집적화되고, 고속화되어 감에 따라 새로운 배선 재료를 개발하고 있다.
종래에는 Al막이 배선재료로 주로 사용되었으나, 초전도성을 갖는 Cu막으로 점점 대체되어 가고 있다.
그러나, 상기 Cu막은 식각공정이 어렵기 때문에 배선라인에 금속층을 상감하는 기법인 듀얼 다마신(dual damascene)공정이 개발되었다.
초기의 듀얼 다마신공정에서는 절연물질로 플루오르 실리카 유리물질 및 SiLK 반도체 절연체 등의 SiO2막이 사용되었다.
그러나, RC 지연(delay)으로 인한 반도체소자의 동작 속도를 향상시키기 위해 Cu막과 저유전물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, R값의 감소를 위하여 Cu막을 사용하고, C값을 감소시키기 위하여 저유전물질을 사용하고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1 은 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법에 의한 듀얼 다마신공정을 도시한 단면도이다.
먼저, 소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상부에 하부절연막(11)을 형성한다.
다음, 상기 하부절연막(11) 상부에 제1금속배선(12)을 형성한다.
그 다음, 전체표면 상부에 비트라인 콘택홀과 제2금속배선으로 예정되는 부부분을 노출시키는 트랜치가 구비되는 층간절연막(14)을 형성한다.
다음, 전체표면 상부에 제1확산방지막(15)을 소정 두께 형성한다. 상기 제1확산방지막(15)은 Ta막, TaN막 또는 TiN막으로 형성된다.
그 다음, 상기 제1확산방지막(15) 상부에 Cu막을 형성하여 상기 트랜치 및 비아콘택홀을 매립한다.
다음, 상기 Cu막 및 제1확산방지막(15)을 화학적 기계적 연마공정으로 제거하여 상기 트랜치 및 비아콘택홀을 통하여 상기 제1금속배선(12)에 접속되는 제2금속배선(16)을 형성한다.
그 다음, 전체표면 상부에 제2확산방지막(18)을 형성한다. 상기 제2확산방지막(18)은 SiN막으로 형성된다. (도 1 참조)
상기와 같이 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법은, 배선재료로 사용되는 Cu막은 확산속도가 빠르고, 반응성이 낮아 접착력이 불량하기 때문에 Cu막 형성 전에 형성되는 Ta막, TaN막 및 TiN막 등의 얇은 확산방지막과, Cu막 형성 후에 형성되는 SiN막과의 접착성이 불량하기 때문에 EM 및 SM 현상을 유발하여 배선의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, Cu막을 배선재료로 사용하는 듀얼 다마신공정에서 제1확산방지막을 형성하고, Cu-Cr 합금막을 형성한 다음, Cu막을 형성하고, 화학적 기계적 연마공정으로 상기 Cu막, Ti막 및 제1확산방지막을 식각하여 제2금속배선을 형성한 다음, 상기 제2금속배선 표면에 다시 Ti막을 형성한 후 제2확산방지막을 형성하면, 상기 제2금속배선의 표면에 Ti막이 형성되어 있기 때문에 상기 Cu막 내의 Cu가 확산되어 배선의 신뢰성을 저하시키는 것을 방지하는 동시에 접촉성을 향상시키는 반도체소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래기술에 따른 반도체소자의 제조방법에 의한 듀얼 다마신공정을 도시한 단면도.
도 2 는 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법에 의한 듀얼 다마신공정을 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21 : 하부절연막 12, 22 : 제1금속배선
14, 24 : 층간절연막 15, 25 : 제1확산방지막
16, 27 : 제2금속배선 18, 29 : 제2확산방지막
26 : 제1Ti막 28 : 제2Ti막
이상의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법은,
소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상부에 제1층간절연막을 형성하는 공정과,
상기 제1층간절연막 상부에 제1금속배선을 형성하는 공정과,
전체표면 상부에 비아콘택홀과 제2금속배선으로 예정되는 트랜치가 구비되는 제2층간절연막을 형성하는 공정과,
전체표면 상부에 소정 두께의 제1확산방지막을 형성하는 공정과,
상기 제1확산방지막 상부에 제1Ti막을 소정 두께 형성하는 공정과,
상기 제1Ti막 상부에 Cu막을 형성하여 상기 트랜치 및 비아콘택홀을 매립하는 공정과,
상기 Cu막, 제1Ti막 및 제1확산방지막을 화학적 기계적 연마공정으로 평탄화시켜 상기 비아콘택홀과 트랜치에 매립되는 제2금속배선을 형성하는 공정과,
상기 제2금속배선 상부에 제2Ti막을 형성하는 공정과,
전체표면 상부에 제2확산방지막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법에 의한 듀얼 다마신공정을 도시한 단면도이다.
먼저, 소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상부에 하부절연막(21)을 형성한다.
다음, 상기 하부절연막(21) 상부에 제1금속배선(22)을 형성한다.
그 다음, 전체표면 상부에 비트라인 콘택홀과 제2금속배선으로 예정되는 부부분을 노출시키는 트랜치가 구비되는 층간절연막(24)을 형성한다.
다음, 전체표면 상부에 제1확산방지막(25)을 소정 두께 형성한다. 상기 제1확산방지막(25)은 Ta막, TaN막 또는 TiN막으로 형성된다.
그 다음, 상기 제1확산방지막(25) 상부에 소정 두께의 제1Ti막(26)을 형성한다.
다음, 상기 제1Ti막(26) 상부에 Cu막을 형성하여 상기 트랜치 및 비아콘택홀을 매립시킨다.
그 다음, 상기 Cu막과 제1Ti막(26) 및 제1확산방지막(25)을 화학적 기계적 연마공정으로 제거하여 상기 트랜치 및 비아콘택홀을 통하여 상기 제1금속배선(22)에 접속되는 제2금속배선(27)을 형성한다.
그 다음, 상기 제2금속배선(27) 상부에 제2Ti막(28)을 형성한다. 상기 제2Ti막(28)은 전체표면 상부에 물리기상증착방법 또는 화학기상증착방법으로 형성한 다음, 사진식각공정에 의해 상기 제2금속배선 표면에 형성된다.
다음, 전체표면 상부에 제2확산방지막(29)을 형성한다. 상기 제2확산방지막(29)은 SiN막으로 형성된다. (도 2 참조)
그 후, 후속공정을 실시하게 되면, 상기 제1Ti막(26)과 제2Ti막(28)이 제2금속배선(27)인 Cu막과 반응하여 상기 제1Ti막(26)과 제2금속배선(27)의 계면 및 제2Ti막(28)과 제2금속배선(27)의 계면에 Cu3Ti막이 형성되어 상기 제2금속배선(27)으로부터 Cu가 확산되는 것을 방지하고, 상기 제2확산방지막(29)과의 접촉성을 향상시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자의 제조방법은, 듀얼 다마신공정에서 확산방지막을 형성하고, 배선물질로 Ti막/Cu막/Ti막의 적층구조를 형성한 다음, 질화산화막을 형성한 후, 후속공정을 실시하면, 상기 Ti막과 Cu막의 계면에 Cu3Ti막이 형성되어 상기 질화산화막과의 접착력을 향상시키면서 Cu 성분에 의해 저항이 증가하는 것을 억제하고, Cu막 내의 Cu가 확산에 의한 SM 및 EM현상을 억제하여 소자의 동작 특성 및 배선의 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상부에 제1층간절연막을 형성하는 공정과,
    상기 제1층간절연막 상부에 제1금속배선을 형성하는 공정과,
    전체표면 상부에 비아콘택홀과 제2금속배선으로 예정되는 트랜치가 구비되는 제2층간절연막을 형성하는 공정과,
    전체표면 상부에 소정 두께의 제1확산방지막을 형성하는 공정과,
    상기 제1확산방지막 상부에 제1Ti막을 소정 두께 형성하는 공정과,
    상기 제1Ti막 상부에 Cu막을 형성하여 상기 트랜치 및 비아콘택홀을 매립하는 공정과,
    상기 Cu막, 제1Ti막 및 제1확산방지막을 화학적 기계적 연마공정으로 평탄화시켜 상기 비아콘택홀과 트랜치에 매립되는 제2금속배선을 형성하는 공정과,
    상기 제2금속배선 상부에 제2Ti막을 형성하는 공정과,
    전체표면 상부에 제2확산방지막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1확산방지막은 Ta막, TaN막 및 TiN막으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1Ti막은 물리기상증착방법 또는 화학기상증착방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2Ti막은 전체표면 상부에 물리기상증착방법 또는 화학기상증착방법으로 형성한 다음, 사진식각공정에 의해 상기 제2금속배선 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1Ti막과 제2Ti막은 상기 Cu막과 반응하여 제1Ti막과 Cu막의 계면 및 제2Ti막과 Cu막의 계면에 Cu3Ti막이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
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