KR20020068898A - 이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법및 그에 의한 장치 - Google Patents

이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법및 그에 의한 장치 Download PDF

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Abstract

이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법 및 그에 의한 장치에 대해 개시되어있다. 그 방법과 장치는, 이온화 금속 플라즈마 장치의 정전인가척에 콘택홀이 형성된 웨이퍼를 로딩하고, 정전인가척의 가열부에 RF 바이어스를 인가한다. 증착물질입자의 직진성을 향상하기 위하여 정전인가척의 가열부에 RF 바이어스를 가함으로써, 불순물이 없고 균일한 두께를 갖는 배리어막을 형성할 수 있다.

Description

이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법 및 그에 의한 장치{Method of forming metal interconnection using ionized metal plasma apparatus and therof}
본 발명은 반도체 소자의 형성방법에 관한 것으로서, 특히 이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화 됨에 따라, 높은 종횡비(aspect ratio)에서 충분한 단차피복성(step coverage)을 확보할 수 있는 금속배선이 요구된다. 통상적으로, 금속배선시 금속과 층간절연막 사이에 반응이 일어나는 것을 방지하기 위하여 배리어막을 형성한다. 이때, 배리어막은 도전성물질로 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 금속배선을 위한 배리어막이 형성시 발생하는 일반적인 문제점을 설명하기로 한다.
도1 내지 도3은 금속배선을 위한 배리어막이 형성되는 일반적인 과정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도1을 참조하면, 하부구조가 형성된 하부구조층(10) 상에 금속층(12)을 형성한다. 이때, 하부구조는 커패시터, 트랜지스터, 비트라인(bit-line)과 같은 것일 수 있으며, 금속층(12)은 통상적으로 알루미늄(Al)층이 사용된다. 이어서, 층간절연막(14)을 금속층(12) 상에 형성한 후, 금속배선을 위한 콘택홀(16)을 형성한다. 다음에, 후속공정에서 형성되는 배리어막을 형성하기 위하여 도전물질입자(18)를 증착한다.
도2는 스퍼터링(Sputtering) 장치를 이용하여 웨이퍼(20)에 도전성물질을 증착하는 과정을 간략하게 도시한 것이다.
도2를 참조하면, 증착하고자 하는 물질로 이루어진 타겟(24)에서 떨어져 나온 입자는 증착물질흐름(22)을 형성하여 웨이퍼(20)에 증착된다. 그런데, 웨이퍼(20)의 중심의 홀(hole)이나 트렌치(trench)에 대한 단차피복성은 우수하지만, 웨이퍼(20) 주변에서 반경방향으로 증착막의 비대칭이 발생한다. 즉, 웨이퍼(20) 중심근처보다 웨이퍼(20) 주변에 강한 밀도의 플라즈마가 형성된다.
도3을 참조하면, 도전물질입자(18) 중에는 층간절연막(14)에 형성된 콘택홀(16)을 향하여 직진하지 않고 일정한 각도로 증착되는 입자(18';도1 참조)가 있다. 상기 입자(18')는 콘택홀(16) 측벽의 층간절연막(14)을 침식하여 절연물 탈락시켜 불순물입자(28)를 발생시킨다. 특히, 이러한 현상은 웨이퍼(20)의 주변에서 현저하게 발생한다. 또한, 불순물입자(28)중에는 공정 중에 발생한 불순물, 예컨대 고분자와 같은 물질도 포함된다. 이러한 불순물입자(28)는 재증착(resputtering)되어 배리어막(26)의 일부를 형성한다. 이렇게 되면, 배리어막(26)의 저항이 상승하여 콘택저항이 커지게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 금속배선을 위한 배리어막형성시, 배리어막에 불순물입자가 주입되는 문제를 해결하는 금속배선 형성방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 금속배선을 위한 배리어막 형성시, 배리어막에 불순물입자가 주입되는 문제를 해결하는 금속배선 형성장치를 제공하는 데 있다.
도1 내지 도3은 금속배선을 위한 배리어막의 일반적인 형성과정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도4는 본 발명에 의한 이온화 금속 플라즈마 장치를 설명하기 위해 도시한 개략도이다.
도5 내지 도8은 본 발명에 의한 배리어막의 형성과정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 ; 챔버 102 ; 배출구
104 ; 정전인가척 106 ; 냉각판
108 ; 가열부 110 ; 웨이퍼
112 ; 증착물질흐름 114 ; 클램프
116 ; 고주파코일 118 ; 챔버쉴드
120 ; 타겟 122 ; 캐소드
124 ; 챔버상부 126 ; 마그네트론
200 ; 하부구조층 202 ; 도전막
202' ; 도전막 패턴 204 ; 자연산화막
206 ; 층간절연막 208 ; 콘택홀
210 ; 증착물질입자 212 ; 배리어막
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 이온화 금속배선 형성방법은, 진공챔버에 설치된 정전인가척에 콘택홀이 형성된 웨이퍼를 로딩하는 단계와, 상기 정전인가척의 가열부에 RF 바이어스를 인가하여 상기 웨이퍼 상에 형성된 자연산화막을 제거하는 단계와, 상기 자연산화막을 제거한 이후에, 상기 챔버 내에 설치되고 상기 웨이퍼 상에 증착하고자 하는 금속물질로 이루어진 타겟을 스퍼터링하여 이온화된 금속물질을 생성하는 단계 및 상기 이온화된 금속물질의 직진성을 향상시키도록 상기 정전인가척의 가열부에 RF 바이어스에 의하여, 상기 가열부 상에 전극 바이어스를 형성하여 상기 웨이퍼의 전면에 금속막의 배리어막을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 RF 바이어스는 -300V 내지 -560V가 바람직하다.
나아가, 상기 배리어막이 Ti 또는 TiN로 이루어진 어느 하나의 물질막 혹은 이들의 복합막인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 이온화 금속 플라즈마 장치는, 진공챔버 내부에 자계를 형성할 수 있는 마그네트론과, 상기 진공챔버 내에 설치되고 웨이퍼 상에 증착하고자 하는 금속 물질로 이루어진 타겟과, 상기 타겟 하부에 설치되어 상기 타겟으로부터 스퍼터된 금속 물질을 이온화시키는 고주파코일과, 상기 웨이퍼가 흡·탈착되는 정전인가척 및 상기 마그네트론과의 전위차를 일으켜 상기 이온화된 금속물질의 직진성을 향상시키도록 RF 바이어스가 인가되어, 상기 웨이퍼의 하부에 전극 바이어스를 형성시키는 정전인가척의 가열부를 구비한다.
여기서, 상기 가열부의 직경은 상기 웨이퍼의 직경과 같거나 큰 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 개시한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 여러 막과 영역들의 두께는 명료성을 위해서 강조되었으며, 어떤 층이 다른 층이나 기판 "상"에 존재한다고 기술될 때 이 어떤 층은 다른 층이나 기판과 직접 접하면서 존재할 수도 있고 그 사이에 제3의 층이 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 금속배선 형성장치는 이온화 금속 플라즈마(Ionized Metal Plasma) 장치이다. IMP 장치는 피증착체, 예컨대 웨이퍼의 전력을 가하여 이온화 상태의 금속입자들에 의한 단차피복성을 향상시키는 장치이다. IMP 장치에 의한 금속배선의 형성은 콜리메이트(Collimate) 타입에 의한 것보다 증착두께가 균일하고, 증착후 콘택(Contact)에서의 저항이 작다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 웨이퍼 흡·탈착 장치는 정전인가척 (Electrostatic chuck; 도3의 104)이다. 상기 장치는 정전인가척에 포함된 정전인가 전극(Electrode)에 직류전원을 연결하여 양전하 또는 음전하를 대전시키면, 상시 대전된 전하에 의해 정전장(electrostatic field)가 형성되고, 이에 의해 웨이퍼(110)가 흡착시킨다. 정전인가척에 의한 금속배선 형성은 진공척(Vaccum chuck)에 의한 것보다 증착두께가 균일하고, 증착후 콘택(Contact)에서의 저항이 작다.
따라서, 금속배선을 위한 위한 배리어막의 형성하는 장치는, IMP 장치와 정전인가척을 동시에 사용하는 것이 바람직하다.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 IMP 장치를 설명하기 위해 도시한 개략도이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용하는 IMP 장치는, 스퍼터링(sputtering)이 일어나는 챔버(100)와, 챔버(100) 내에서 증착물질인 타겟(120)이 위치하는 캐소드(122)와, 챔버(100)의 하부에 설치되어 웨이퍼(110)를 흡·탈착하는 정전인가척(104)과, 타겟(120)에서 떨어져 나온 증착물질을 이온화시킬 수 있는 수단인 RF 바이어스(Radio Frequency bias)를 인가되는 고주파코일(116)을 기본구성으로 한다. 또한, 챔버(100) 내부로 자계(Magnetic field)를 인가할 수 있는 마그네트론(Magnetron; 126)이 챔버 상부(124)에 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 웨이퍼(110)는 정전인가척(104) 상에 로딩한다. 정전인가척(104)에는 가열부(108)가 설치되어 있어 스퍼터링에 필요한 적정온도를제공할 수 있다. 가열부(108)의 하단에는 냉각판(106)이 설치되어 있어, 웨이퍼(110)를 냉각한다. 공정중에 발생한 가스는 배출구(102)를 통하여 배출된다. 도면에서 참조부호 118은 챔버 쉴드(Shield)를 나타내며, 참조부호 114는 웨이퍼(110)를 고정시키는 클램프(Clamp)를 지칭한다.
도5 내지 도8은 본 발명에 의한 배리어막의 형성과정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도5 및 도6을 참조하면, 하부구조가 형성된 하부구조층(200) 상에 금속층(202) 및 금속층 패턴(202')을 형성한다. 이때, 하부구조는 커패시터, 트랜지스터, 비트라인(bit-line)과 같은 것일 수 있으며, 금속층(202) 및 금속층 패턴(202')은 통상적으로 알루미늄(Al)층이 사용된다. 그런데, 금속층(202)및 금속층 패턴(202')이 형성된 후에는 그 표면에 자연산화막(204)이 형성된다. 상기 자연산화막(204)은 금속배선을 형성하기 이전에 제거한다. 즉, IMP 장치의 정전인가척(104)에 RF 바이어스를 인가하면 자연산화막(204)은 제거된다. 이때, 가해지는 인가전압은 약 -300V 정도이다.
도7 및 도8을 참조하면, 하부구조가 형성된 하부구조층(200) 상에 금속층(202)을 형성한다. 이때, 하부구조층(200)과 금속층(202)은 도5에서 설명한 바와 같다. 이어서, 금속층(202) 상에 층간절연막(206)을 형성한 후 금속배선을 위한 콘택홀(208)을 형성한다. 다음에, 금속배선을 위해 후속공정에서 형성되는 배리어막을 형성하기 위하여 도전물질입자(210)를 IMP 장치를 이용하여 증착한다. 이때, 도전막(202)을 이루는 물질은 콘택홀(208)의 매립특성 및 단차피복성이 우수한막질이다. 예를 들어, Cu, Al, W, Ti, Zr, Hf, V, Mo 및 Cr으로 이루어진 금속막군에서 선택된 어느 하나의 단일막 혹은 이를 포함하는 복합막이 사용될 수 있다. 또한, Cu, Al, W, Ti, Zr, Hf, V, Mo, Cr의 질화물, 탄화물, 실리사이드 혹은 불순물이 도핑된 폴리실리콘이 사용될 수 있다. 특히, TiN이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 증착물질흐름(도3의 112)이 직진성을 갖기 위하여, 정전인가척(104)에 설치된 가열부(108)에 RF 바이어스를 가한다. 통상적으로, RF 바이어스는 냉각판(106)에 가해진다. 그런데, 냉각판(106)에 RF 바이어스를 가하면, 냉각판(106)에 인가되는 영역의 직경이 상대적으로 작다. 이러한 이유로, 증착물질입자(210)는 좁은 영역으로 향하게 되어 증착물질입자(210) 중에 층간절연막(206)에 형성된 콘택홀(208)을 향하여 직진하지 않고 일정한 각도로 증착되는 입자들이 많아진다. 특히, 웨이퍼(110)의 주변에서는 강한 플라즈마의 영향으로 증착물질입자(210)가 층간절연막(206)을 침식시키고 불순물을 재증착시키게 된다. 따라서, RF 바이어스를 냉각판(106)에 인가하지 않고, 직경이 상대적으로 큰 가열부(108)에 인가하는 것이 바람직하다.
한편, 가열부(108)의 직경은 웨이퍼(110)의 직경과 같거나 큰 것이 바람직하다. RF 바이어스를 정전인가척(104)의 가열부(108)에 가함으로써, 증착물질입자 (210)가 넓은 영역으로 향하게 되어 직진성이 향상된다. 따라서, 콘택홀(208)에 불순물입자가 증착되지 않는 배리어막(212)을 형성한다. 이때, 인가되는 RF 바이어스는 -200V 내지 -600V가 바람직하다.
이상 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지않고 당업자에 의해 많은 변형 및 개량이 가능하다.
상술한 본 발명에 의한 이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법 및 그에 의한 장치는, 증착물질입자의 직진성을 향상하기 위하여 정전인가척의 가열부에 RF 바이어스를 가함으로써, 불순물이 없고 균일한 두께를 갖는 배리어막을 형성할 수 있다.

Claims (5)

  1. 진공챔버에 설치된 정전인가척에 콘택홀이 형성된 웨이퍼를 로딩하는 단계;
    상기 정전인가척의 가열부에 RF 바이어스를 인가하여 상기 웨이퍼 상에 형성된 자연산화막을 제거하는 단계;
    상기 자연산화막을 제거한 이후에,
    상기 챔버 내에 설치되고 상기 웨이퍼 상에 증착하고자 하는 금속물질로 이루어진 타겟을 스퍼터링하여 이온화된 금속물질을 생성하는 단계; 및
    상기 이온화된 금속물질의 직진성을 향상시키도록 상기 정전인가척의 가열부에 RF 바이어스에 의하여,
    상기 가열부 상에 전극 바이어스를 형성하여 상기 웨이퍼의 전면에 금속막의 배리어막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 RF 바이어스는 -200V 내지 -600V인 것을 특징으로 하는 이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배리어막이 Ti 또는 TiN로 이루어진 어느 하나의 물질막 혹은 이들의 복합막인 것을 특징으로 하는 이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법.
  4. 진공챔버 내부에 자계를 형성할 수 있는 마그네트론;
    상기 진공챔버 내에 설치되고 웨이퍼 상에 증착하고자 하는 금속 물질로 이루어진 타겟;
    상기 타겟 하부에 설치되어 상기 타겟으로부터 스퍼터된 금속 물질을 이온화시키는 고주파코일;
    상기 웨이퍼가 흡·탈착되는 정전인가척;
    상기 마그네트론과의 전위차를 일으켜 상기 이온화된 금속물질의 직진성을 향상시키도록 RF 바이어스가 인가되어,
    상기 웨이퍼의 하부에 전극 바이어스를 형성시키는 정전인가척의 가열부;
    를 구비하는 이온화 금속 플라즈마 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가열부의 직경은 상기 웨이퍼의 직경과 같거나 큰 것을 특징으로 하는 이온화 금속 플라즈마 장치.
KR1020010009278A 2001-02-23 2001-02-23 이온화 금속 플라즈마 장치를 이용한 금속배선 형성방법및 그에 의한 장치 Withdrawn KR20020068898A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100919487B1 (ko) * 2009-01-22 2009-09-28 주식회사 맥시스 플라즈마 처리 장치

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