KR20040058953A - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 트렌치에 금속 시드층을 형성한 후 열처리 공정으로 금속 시드층을 흘려(Flow)주어 트렌치 상부에서 발생되는 오버행(Over-hang)이 제거되면서 금속 시드층이 균일하게 형성되도록 함으로써, 빈공간이 발생되는 것을 방지하면서 전기 도금법을 이용하여 금속 도금층으로 트렌치를 완전히 매립하여 공정의 신뢰성 및 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법이 개시된다.

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법{Method of forming a metal wiring in a semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 트렌치 또는 비아홀 내부로의 금속 매립 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라, 금속 배선이 형성되는 트렌치나 금속 플러그의 종횡비(Aspect ratio)가 높아진다. 이로 인해, PVD 방식의 장벽 금속막을 형성시 트렌치나 비아 상부에 오버행이 발생하여 금속 시드층 형성을 방해하여 후속 공정인 전기 도금법의 금속막 형성을 방해한다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위하여 트랜지스터나 플래시 메모리 셀과 같은 여러 요소(도시되지 않음)가 형성된 반도체 기판(101) 상에 제1 층간 절연막(102)을 형성한다. 이후, 제1 층간 절연막(102)의 소정영역에 하부의 접합 영역(도시되지 않음)이 노출되도록 비아홀(또는 콘택홀)을 형성한 후 전도성 물질을 매립하여 콘택 플러그(103)를 형성한다. 이어서, 전체 상부에 확산 방지막(104), 제2 층간 절연막(105) 및 캡핑 산화막(106)을 순차적으로 형성한 후 트렌치 마스크를 이용한 식각 공정으로 콘택 플러그(103)가 노출되도록 소정 영역에 트렌치(107)를 형성한다.
도 1b를 참조하면, 트렌치(107)의 측벽 및 저면을 포함한 전체 상부에 장벽 금속층(108)을 형성한 후 금속 시드층(109)을 형성한다. 이때, 트렌치(107)의 높은 종횡비로 인하여 트렌치(107)의 상부 모서리에서 장벽 금속층(108)의 오버행(Over hang)이 발생되면서 금속 시드층(109)이 균일하게 형성되지 못한다.
도 1c를 참조하면, 전기 도금법으로 금속 도금층(110)을 형성한 후 캡핑 산화막(106)이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정을 실시하여 금속 도금층(110)을 격리시킨다. 이로써, 금속 도금층으로 이루어진 금속 배선(110)이 형성된다.
이때, 도 1b에서 금속 시드층(109)이 불균일하게 형성된 상태에서 전기 도금법을 실시되기 때문에 트렌치에 빈공간이 발생되면서 금속 배선(110)이 형성되어 배선의 저항이 증가하는 등 전기적 특성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 트렌치에 금속 시드층을 형성한 후 열처리 공정으로 금속 시드층을 흘려(Flow)주어 트렌치 상부에서 발생되는 오버행(Over-hang)이 제거되면서 금속 시드층이 균일하게 형성되도록 함으로써, 빈공간이 발생되는 것을 방지하면서 전기 도금법을 이용하여 금속 도금층으로 트렌치를 완전히 매립하여 공정의 신뢰성 및 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101, 201 : 반도체 기판 102, 202 : 제1 층간 절연막
103, 203 : 콘택 플러그 104, 204 : 확산 방지막
105, 205 : 제2 층간 절연막 106, 206 : 캡핑 산화막
107, 207 : 트렌치 108, 208 : 장벽 금속층
109, 209 : 금속 시드층 110, 210 : 금속 도금층, 금속 배선
111 : 빈 공간
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 층간 절연막이 형성되고, 층간 절연막에는 소정의 패턴으로 트렌치가 형성된 반도체 기판이 제공되는 단계와, 트렌치를 포함한 전체 상부에 장벽 금속층을 형성하는 단계와, 트렌치의 측벽 및 저면에 금속 시드층을 형성하는 단계와, 장벽 금속층의 오버행에 의해 불균일하게 형성된 금속 시드층을 열처리 공정으로 흘려주어 균일하게 형성하는 단계와, 전기 도금법으로 금속 도금층을 형성하여 트렌치를 금속 도금층으로 매립하는 단계와, 금속 도금층이 트렌치에만 잔류되도록 층간 절연막이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정을 실시하여 금속 도금층으로 이루어진 금속 배선을 형성하는 단계를 포함한다.
장벽 금속층은 TiN막, Ti막 또는 이들의 적층막으로 형성할 수 있으며, 화학기상 증착법에 의해 10 내지 100Å의 두께로 형성할 수 있다. 또한, 금속 시드층은 알루미늄으로 형성할 수 있으며 100 내지 1000Å의 두께로 형성할 수 있다.
열처리 공정은 급속 열처리 공정으로 진행할 수 있으며, 200 내지 400℃의 온도에서 질소 분위기로 1분 내지 5분 동안 실시할 수 있다.
열처리 공정을 실시한 후 전기 도금층을 형성하기 전에, 금속 시드층의 표면에 형성된 자연 산화막 또는 금속 산화막을 제거하는 단계를 더 실시할 수 있다. 이때, 산화막은 전기 도금이 진행될 전기 도금장비에서 습식각 방식으로 제거할 수있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 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. 한편, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위하여 트랜지스터나 플래시 메모리 셀과 같은 여러 요소(도시되지 않음)가 형성된 반도체 기판(201) 상에 제1 층간 절연막(202)을 형성한다. 이후, 제1 층간 절연막(202)의 소정영역에 하부의 접합 영역(도시되지 않음)이 노출되도록 비아홀(또는 콘택홀)을 형성한 후 전도성 물질을 매립하여 콘택 플러그(203)를 형성한다. 이어서, 전체 상부에 확산 방지막(204), 제2 층간 절연막(205) 및 캡핑 산화막(206)을 순차적으로 형성한 후 트렌치 마스크를 이용한 식각 공정으로 콘택 플러그(203)가 노출되도록 소정 영역에 트렌치(207)를 형성한다.
도 2b를 참조하면, 트렌치(207)의 측벽 및 저면을 포함한 전체 상부에 장벽 금속층(208)을 형성한 후 금속 시드층(209)을 형성한다. 이때, 트렌치(207)의 높은 종횡비로 인하여 트렌치(207)의 상부 모서리에서 장벽 금속층(208)의 오버행(Over hang)이 발생되면서 금속 시드층(209)이 균일하게 형성되지 못한다.
상기에서, 장벽 금속층(208)은 TiN막, Ti막 또는 이들의 적층막으로 형성할 수 있으며, 화학기상 증착법을 이용하여 10 내지 100Å의 두께로 형성하는 것이 가능하다. 한편, 금속 시드층(209)은 후속 공정에서 전기 도금법으로 도금될 금속과 동일한 종류의 금속으로 형성할 수 있으나, 열처리 공정 시 흐름율이 우수한 금속으로 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 후속 열처리 공정 시 흐름율이 우수해야만 불균일하게 형성된 금속 시드층(209)이 보다 더 균일한 두께로 형성되기 때문이며, 알루미늄으로 금속 시드층(209)을 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 금속 시드층(209)은 100 내지 1000Å의 두께로 형성한다.
도 2c를 참조하면, 불균일하게 형성된 금속 시드층(209)을 열처리 공정으로 흘려(Flow)주어 트렌치 상부에서 발생되는 오버행(Over-hang)을 제거하면서 금속 시드층(209)을 균일하게 형성한다. 이때, 열처리는 급속 열처리(Rapid Thermal Process; RTP) 방식으로 진행하며, 200 내지 400℃의 온도에서 질소 분위기로 1분 내지 5분 동안 실시한다.
도 2d를 참조하면, 금속 시드층(209)의 표면에 형성된 자연 산화막(도시되지 않음)을 제거한다. 이때, 자연 산화막은 전기 도금이 진행될 전기 도금장비에서 습식각 방식으로 제거할 수 있다. 자연 산화막을 제거한 후에는 시간의 지연 없이 전기 도금법으로 금속 도금층(210)을 형성한다. 이때, 금속 시드층(209)이 열처리 공정에 의해 균일한 두께로 형성된 상태에서 전기 도금법이 실시되기 때문에, 트렌치에 빈공간이 발생되지 않으면서 트렌치가 금속 도금층(210)으로 완전히 매립된다.
이후, 캡핑 산화막(206)이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정을 실시하여 금속 도금층(210)을 격리시킨다. 이로써, 금속 도금층으로 이루어진 금속 배선(210)이 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 트렌치에 금속 시드층을 형성한 후 열처리 공정으로 금속 시드층을 흘려주어 트렌치 상부에서 발생되는 오버행이 제거되면서 금속 시드층이 균일하게 형성되도록 함으로써, 빈공간이 발생되는 것을 방지하면서 전기 도금법을 이용하여 금속 도금층으로 트렌치를 완전히 매립하여 공정의 신뢰성 및 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 층간 절연막이 형성되고, 상기 층간 절연막에는 소정의 패턴으로 트렌치가 형성된 반도체 기판이 제공되는 단계;
    상기 트렌치를 포함한 전체 상부에 장벽 금속층을 형성하는 단계;
    상기 트렌치의 측벽 및 저면에 금속 시드층을 형성하는 단계;
    상기 장벽 금속층의 오버행에 의해 불균일하게 형성된 상기 금속 시드층을 열처리 공정으로 흘려주어 균일하게 형성하는 단계;
    전기 도금법으로 금속 도금층을 형성하여 상기 트렌치를 상기 금속 도금층으로 매립하는 단계; 및
    상기 금속 도금층이 상기 트렌치에만 잔류되도록 상기 층간 절연막이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정을 실시하여 상기 금속 도금층으로 이루어진 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장벽 금속층은 TiN막, Ti막 또는 이들의 적층막으로 형성되며, 화학기상 증착법에 의해 10 내지 100Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 시드층은 알루미늄으로 형성되며 100 내지 1000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 공정은 급속 열처리 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 급속 열처리 공정은 200 내지 400℃의 온도에서 질소 분위기로 1분 내지 5분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 공정을 실시한 후 상기 전기 도금층을 형성하기 전에,
    상기 금속 시드층의 표면에 형성된 자연 산화막 또는 금속 산화막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 산화막은 전기 도금이 진행될 전기 도금장비에서 습식각 방식으로 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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