KR20040056026A - 구리 배선의 캐핑층 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
하부 구조를 갖는 층간 절연막 상에 다마신 구조의 홈을 형성하는 단계; 상기 홈을 포함한 전체 구조 상부에 장벽층 및 구리 시드층을 형성하는 단계; 상기 구리 시드층을 포함한 전체 구조 상부에 구리층을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막이 노출될 때 까지 평탄화 공정을 실시하여 그로인하여 노출된 구리층 상부에 구리 산화막이 형성되는 단계; 상기 구리 산화막을 제거하는 단계; 상기 구리층 상부에만 메탈 캐핑층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어 진 구리 배선의 캐핑층 형성 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 구리 배선의 캐핑층 형성 방법에 관한 것으로, 특히 선택적 증착 공정에 의해 구리 배선 상부에만 캐핑층을 형성할 수 있는 구리 배선의 캐핑충 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체소자의 고집적화와 더불어 고성능화가 지속적으로 진행되어 왔고 이에 추가하여 반도체소자의 고속화도 진행되어 왔다. 고성능 로직소자의 경우, 게이트 산화막의 두께 감소와 게이트전극의 길이 축소가 동작속도의 개선에 영향을 주지만, 배선 저항과 층간 절연막의 커패시턴스에 의한 RC지연이 동작속도의 악화에 더 많은 영향을 주고 있는 실정이다.
이러한 RC지연을 개선하기 위하여 여러 가지 방법들이 제안되어 왔고 그 중에서 구리(Cu)와 저유전 막질을 도입하는 방법이 현재 추진중에 있다. 구리(Cu)는 비저항 2.62Ωμ㎝의 알루미늄에 비하여 약 35%의 낮은 1.69Ωμ㎝의 비저항을 갖고, 또한 재료 가격이 값싸고, 일렉트로마이그레이션(electromigration) 수명도 길어서 차세대 배선재료로서 많은 업체에서 채용하고 있다.
구리 배선을 형성함에 있어서, 현재 구리배선의 식각이 어려움이 있기 때문에 다마신(damascene)공정이 많이 연구되고 있다.
종래의 구리 다마신공정에 의한 반도체소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 구성된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체기판(10) 상에 제 1 도전체(11)가 형성되고, 층간절연막(13)이 제 1 도전체(11)를 포함한 반도체기판(10) 상에 형성되며 층간절연막(13)에 제 1 도전체(11)의 일부 영역을 각각 노출시키며 일정 간격을 두고 이격된 다마신구조의 홈들이 형성된다. 상기 홈들 내의 층간절연막(13)의 표면 상에만 장벽층(17)이 형성되고, 상기 홈들을 채우며 그 내부에만 구리배선(21)이 형성되고, 구리배선들(21)의 상부면으로부터의 구리 확산 및 산화를 방지하기 위해 상기 홈들 외측의 층간 절연막(13)을 포함한 구리배선(21) 상에캐핑층(capping layer)(23)이 함께 형성된다.
이러한 캐핑층(23)은 SiN와 같은 유전 캐핑층(dielectric capping layer)을 사용하고 있다. 그러나 SiN의 유전 상수(K)는 비교적 낮지만 SiO2의 유전 상수(K)보다는 높기 때문에 캐패시턴스를 증가시켜 소자의 동작 속도를 저하시키고 있다. 또한, Cu/SiN 계면은 구리 원자의 일렉트로 마이그레이션 활성 에너지(electromigration activation energy)가 구리/장벽층 또는 구리 그레인 바운더리 보다 낮기 때문에 소자의 신뢰성을 저하시키는 요인이 되고 있다.
따라서 본 발명은 구리 배선 위에만 선택적 증착 공정에 의해 메탈 캐핑층을 형성하므로써 상술한 단점을 해소할 수 있는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 구리 배선의 캐핑층 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 구리 배선의 캐핑층 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 반도체 기판 11: 제 1 도전체
13: 층간 절연막 17: 장벽층
21: 구리 배선 23: 캐핑층
15: 구리 시드 층 30: 구리층
22: 구리 산화막 230: 메탈 캐핑층
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 구리 배선의 캐핑층 형성 방법은 하부 구조를 갖는 층간 절연막 상에 다마신 구조의 홈을 형성하는 단계;
상기 홈을 포함한 전체 구조 상부에 장벽층 및 구리 시드층을 형성하는 단계;
상기 구리 시드층을 포함한 전체 구조 상부에 구리층을 형성하는 단계;
상기 층간 절연막이 노출될 때 까지 평탄화 공정을 실시하여 그로인하여 노출된 구리층 상부에 구리 산화막이 형성되는 단계;
상기 구리 산화막을 제거하는 단계;
상기 구리층 상부에만 메탈 캐핑층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 구리 배선의 캐핑층 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(10)상에 제 1 도전체(11)가 형성된다. 제 1 도전체 상부에 층간 절연막(13)이 형성되고 층간 절연막(13)의 일부를 제거하여 제 1 도전체(11)의 일부가 노출되는 콘택홀을 형성한다. 이후, 층간 절연막(13)의 일부를 제거하므로써 콘택홀과 연통되는 트랜치가 형성되어 그로인하여 다마신 구조의 홈이 형성된다. 다마신 구조의 홈을 포함하는 전체 구조 상부에 장벽층 및 구리 시드층(17 및 15)을 순차로 형성한다. 구리 시드층(15)을 포함한 전체 구조 상부에 구리층(30)을 형성한다. 이후 어닐 공정을 실시한다.
도 2b 는 층간 절연막(13)이 노출될 때까지 구리 평탄화 공정을 실시한 상태의 단면도이다. 이 때 구리층(30) 상부에 구리 산화막(22)이 생성된다.
도 2c 는 구리 산화막(22)을 제거한 후 선택적 증착법에 의해 구리층(30)상부에만 메탈 캐핑층(230)을 형성한 상태의 단면도이다. 메탈 캐핑층(230)은 구리 확산 및 산화를 방지하기 위해 사용된다.
메탈 캐핑층(230)은 Ta, TaN, TaSiN, Ta/TaN과 같은 탄탈륨(Ta) 계 물질로 형성될 수 있고, W, WN, WSiN 과 같은 텅스텐(W)계 물질을 사용할 수도 있으며, Ti, TiN, TiSiN, Ti/TiN과 같은 티타늄(Ti)계 물질로 형성될 수 있다.
구리 산화막(22)은 건식 식각 또는 습식 식각 공정에 의해 제거 될 수 있다.
도 2d 는 메탈 캐핑층(230)을 포함한 전체 구조 상부에 낮은 유전 상수 값을 갖는 유전 물질 또는 SiO2(24)를 형성한 상태의 단면도이다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 금속의 선택적 증착 공정을 이용하여 구리 배선 위에만 메탈 캐핑층을 형성 하므로써 SiN과 같은 유전 캐핑층의 사용을 배제할 수 있어 배선 저항과 층간 절연막의 커패시턴스에 의한 RC지연을 방지할 수 있다. 따라서 소자의 동작속도와 신뢰성을 개선할 수 있다.
본 발명은 실시예를 중심으로 하여 설명되었으나 당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시예를 이용하여 다양한 형태의 변형 및 변경이 가능하므로 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니라 다음의 특허 청구 범위에 의해 한정된다.
Claims (10)
- 층간 절연막에 형성된 홈을 통해 하부 배선과 연결하기 위한 구리 배선을 형성하는 단계;상기 구리 배선의 상부에만 선택적 증착 공정을 통해 메탈 캐핑층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어 진 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 메탈 캐핑층은 Ta, TaN, TaSiN, Ta/TaN과 같은 탄탈륨(Ta) 계 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 메탈 캐핑층은 W, WN, WSiN 과 같은 텅스텐(W)계 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐피층 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 메탈 캐핑층은 Ti, TiN, TiSiN, Ti/TiN과 같은 티타늄(Ti)계 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법.
- 하부 구조를 갖는 층간 절연막 상에 다마신 구조의 홈을 형성하는 단계;상기 홈을 포함한 전체 구조 상부에 장벽층 및 구리 시드층을 형성하는 단계;상기 구리 시드층을 포함한 전체 구조 상부에 구리층을 형성하는 단계;상기 층간 절연막이 노출될 때 까지 평탄화 공정을 실시하여 그로인하여 노출된 구리층 상부에 구리 산화막이 형성되는 단계;상기 구리 산화막을 제거하는 단계;상기 구리층 상부에만 메탈 캐핑층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어 진 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 메탈 캐핑층은 Ta, TaN, TaSiN, Ta/TaN과 같은 탄탈륨(Ta) 계 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법.
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- 제 5 항에 있어서,상기 메탈 캐핑층은 Ti, TiN, TiSiN, Ti/TiN과 같은 티타늄(Ti)계 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 구리 산화막은 건식 또는 습식 식각공정에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 메탈 캐핑층은 선택적 증착 공정에 의해 형성되는 것을 특지으로 하는 구리 배선의 캐핑층 형성 방법
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