KR20040103016A - Method for forming a barrier metal and Structure of the barrier metal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자에서 사용되는 베리어 메탈(Barrier Metal)에 관한 것으로, 더 상세하게는 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 포함하고 있는 베리어 메탈(Barrier Metal)의 형성방법 및 그 구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a barrier metal used in a semiconductor device, and more particularly, to a method and a structure of a barrier metal including a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film.
종래 금속의 EM(Electro-Migration) 신뢰성 확보를 위해 하부 베리어 메탈(Barrier Metal)로 Ti/TiN구조를 사용하고 있다. Ti막만 사용하는 경우 Ti와 상부 Al도선의 Al이 반응하여 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)이 형성되며, 그 결과 부피 감소의 문제와 이에 따른 EM(Electro-Migration)특성이 취약해지는 문제점이 발생하기 때문이다. 따라서, Ti막 상에 Al확산 등을 막기 위한 TiN막을 더 형성하는 것이다.In order to secure EM (Electro-Migration) reliability of the conventional metal, Ti / TiN structure is used as a lower barrier metal. In the case of using only the Ti film, Ti and Al in the upper Al wire react to form a titanium-aluminum alloy (TiAl x ), resulting in a problem of volume reduction and weakening of EM (Electro-Migration) characteristics. Because. Therefore, a TiN film is further formed on the Ti film to prevent Al diffusion and the like.
도 1은 상기 종래 기술을 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the prior art.
도 1 을 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상의 절연막(101) 상에 Ti(105)와 TiN(107)으로 이루어진 베리어 메탈(Barrier Metal)을 형성한 후 Al도선(109)을 형성한다. 그 다음 Al도선(109) 상에 캡핑층으로 Ti(111)와 TiN(113)막을 형성한다.Referring to FIG. 1, a barrier metal made of Ti 105 and TiN 107 is formed on an insulating film 101 on a semiconductor substrate having a predetermined structure, and then an Al lead 109 is formed. Then, a Ti (111) and a TiN 113 film are formed on the Al lead 109 as a capping layer.
그러나, 상기 도면에 도시된 것과 같이 베리어 메탈(Barrier Metal)을 형성하는 경우 TiN의 두께에 따라 문제점이 발생한다. 구체적으로, TiN막이 200Å이상으로 형성되면 TiN막 상에 형성되는 Al도선의 모폴러지(Morphology)에 문제점이 발생하게 되므로, 후속 열공정 과정에서 결점(Defect)이 발생될 수 있다. 반면, TiN막이 200Å이하로 형성되면 TiN막 상에 형성되는 Al도선으로부터 Al이 확산되는 것을 효과적으로 막을 수 없어, 결국 부피감소의 문제와 이에 따른 EM(Electro-Migration)특성이 취약해지는 문제점이 발생하게 된다.However, when forming the barrier metal (barrier metal) as shown in the drawing, a problem occurs depending on the thickness of TiN. Specifically, when the TiN film is formed to be 200 Å or more, a problem occurs in the morphology of the Al conductor formed on the TiN film, and thus, defects may occur in a subsequent thermal process. On the other hand, if the TiN film is formed below 200 GPa, Al cannot be effectively prevented from diffusing from the Al wire formed on the TiN film, resulting in a problem of volume reduction and weakening of EM (Electro-Migration) characteristics. do.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 기술적 문제점을 해결하기 위해 베리어 메탈(Barrier Metal)인 Ti막과 TiN막 사이에 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 개재시킨 개선된 베리어 메탈(Barrier Metal)의 형성방법 및 그 구조를 제공하는데 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to improve the barrier metal (TiAl x ) interposed between the titanium film and the TiN film of the barrier metal (TiAl x ) to solve the above technical problems. To provide a method of forming and its structure.
도 1은 종래 기술을 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the prior art.
도 2내지 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 베리어 메탈(Barrier Metal)의 형성방법을 공정의 순서에 따라 나타낸 단면도이다.2 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of forming a barrier metal according to a first embodiment of the present invention in order of a process.
도 5내지 도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 의해 형성될 수 있는 베리어 메탈(Barrier Metal)의 구조를 나타낸 단면도이다.5 to 8 are cross-sectional views showing the structure of a barrier metal that can be formed by the first embodiment of the present invention.
도 9내지 도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 베리어 메탈(Barrier Metal)의 형성방법을 공정의 순서에 따라 나타낸 단면도이다.9 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of forming a barrier metal according to a second embodiment of the present invention in order of a process.
도 12내지 도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 의해 형성될 수 있는 베리어 메탈(Barrier Metal)의 구조를 나타낸 단면도이다.12 to 15 are cross-sectional views showing the structure of a barrier metal that can be formed by the second embodiment of the present invention.
*도면에 사용된 부호의 설명* Explanation of symbols used in the drawings
101 : 절연막 103 : 플러그101: insulating film 103: plug
105 : Ti막 107 : TiN막105: Ti film 107: TiN film
109 : Al도선 111: Ti막109: Al lead 111: Ti film
113 : TiN막113: TiN film
201 : 절연막 203 : 플러그201: insulating film 203: plug
205 : Ti막 207 : Al막205 Ti film 207 Al film
209 : TiN막 211 : 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)209 TiN film 211 Titanium-aluminum alloy (TiAl x )
213 : Al도선 215 : Ti막213: Al wire 215: Ti film
217 : TiN 막217 TiN film
본 발명은 반도체 소자를 제조하는 경우에 사용되는 베리어 메탈(Barrier Metal)의 형성방법과 그 베리어 메탈(Barrier Metal)의 구조에 관한 것이다. 구체적으로 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상에 절연막을 형성하고 상기 절연막 상에 Ti막을 형성한 다음, 상기 Ti막 상에 Al막, TiN막을 순차적으로 형성하다. 이때, 상기 Al막의 형성과정, 상기 TiN막의 형성과정 및(/또는) 후속 열공정 동안 상기 Ti와 Al의 반응을 통해 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 형성시킨다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a barrier metal used in the manufacture of a semiconductor device and a structure of the barrier metal. Specifically, an insulating film is formed on a semiconductor substrate having a predetermined structure, a Ti film is formed on the insulating film, and then an Al film and a TiN film are sequentially formed on the Ti film. At this time, a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film is formed through the reaction between the Ti and Al during the formation of the Al film, the formation of the TiN film, and / or the subsequent thermal process.
한편, 상기 TiN막 상에 Al도선이 형성될 수 있으며, 상기 Al도선 상에는 캡핑층으로 Ti/TiN막이 형성될 수 있다.An Al lead may be formed on the TiN film, and a Ti / TiN film may be formed as a capping layer on the Al lead.
상기 Al은 Cu나 Si 등이 미량 첨가된 합금일 수 있다. Cu는 EM특성 등을 개선시키는 작용을 하고, Si는 정션 스파이킹(Junction Spiking) 등을 개선시키는 작용을 한다.The Al may be an alloy in which trace amounts of Cu, Si, and the like are added. Cu serves to improve the EM characteristics and the like, and Si serves to improve the junction spiking.
구체적으로, 상기 Ti막과 상기 Al막은 약 300~350℃에서 반응하므로 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 형성하기 위해 상기 Ti막 상에 Al막을 형성하는 과정, 상기 Al막 상에 TiN막을 형성하는 과정 및(/또는) 후속 열공정 등을 300℃ 이상에서 수행하게 되면 추가적인 열처리 없이 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 형성시킬 수 있다. 다만, 필요한 경우, 상기 Ti막 상에 Al막을 형성한 후에 또는 상기 Al막 상에 TiN막을 형성한 후에 추가적인 열처리 공정을 수행할 수도 있다.Specifically, since the Ti film and the Al film reacts at about 300 to 350 ° C., forming an Al film on the Ti film to form a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film, and forming a TiN film on the Al film. When the process and / or subsequent thermal process is performed at 300 ° C. or higher, a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film may be formed without additional heat treatment. However, if necessary, an additional heat treatment process may be performed after the Al film is formed on the Ti film or after the TiN film is formed on the Al film.
바람직하게, 상기 Ti막 상에 Al막을 약 135℃의 저온에서 형성하여 형성과정 동안 상기 Al이 상기 Ti와 반응하지 않도록 한다. 이는 Al막의 두께를 정확히 조정하여 향후 생길 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막의 두께를 조정하기 위함이다. 그러나, 경우에 따라, 고온 공정이 요구되는 경우 Al막 형성과정에서부터 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)이 형성될 수도 있다. 한편, 상기 Al막 상에 TiN막을 약 400℃에서 형성하여 형성과정 동안 상기 Ti와 상기 Al 이 반응하도록 하여 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 형성할 수 있다. 게다가, 상기 TiN막 상에 Al도선을 300~350℃로 형성하여 형성과정 동안 상기 Ti와 상기 Al이 반응하도록 하여 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 추가적으로 더 형성할 수도 있다.Preferably, an Al film is formed on the Ti film at a low temperature of about 135 ° C. to prevent Al from reacting with the Ti during the formation process. This is to precisely adjust the thickness of the Al film to adjust the thickness of the titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film to be generated in the future. However, in some cases, when a high temperature process is required, a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) may be formed from the Al film formation process. Meanwhile, a TiN film may be formed on the Al film at about 400 ° C. to allow the Ti and Al to react during the formation process to form a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film. In addition, an Al wire may be formed at 300 to 350 ° C. on the TiN film to further form a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film by allowing the Ti and Al to react during the formation process.
상기 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막은 TiAl3일 수 있다.The titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film may be TiAl 3 .
상기 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)과 TiN은 Al도선으로 부터 Al이 확산되어 부피 감소나 EM(Electro-Migration)특성이 취약해지는 것을 방지하는 작용을 한다.The titanium-aluminum alloy (TiAl x ) and TiN act to prevent Al from diffusing from Al wires and thus weakening the volume reduction or EM (Electro-Migration) characteristics.
본 발명의 제 1 실시예로 상기 절연막은 도전성 플러그를 갖는 절연막일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the insulating film may be an insulating film having a conductive plug.
Ti막은 상기 절연막 상에 약 100Å의 두께로 형성되며, 이는 상기 하부 도전성 플러그와 전기적으로 연결되어 있다. 한편, 상기 Ti막의 형성은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.A Ti film is formed on the insulating film to a thickness of about 100 GPa, which is electrically connected to the lower conductive plug. On the other hand, the Ti film may be formed by a general film forming method, in particular, a sputtering method.
상기 Ti막 상에 Al막이 약 300Å의 두께로 형성된다. 한편, 상기 Al막의 형성은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 CVD 방법으로 형성될 수 있다.An Al film is formed on the Ti film to a thickness of about 300 GPa. On the other hand, the Al film may be formed by a general film forming method, in particular, by a CVD method.
상기 Al막 상에 TiN막이 약 200Å의 두께로 형성된다. 한편, 상기 TiN막의 형성은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 스퍼터링이나 MOCVD 방법으로 형성될 수 있다.A TiN film is formed on the Al film to a thickness of about 200 GPa. On the other hand, the TiN film may be formed by a general film forming method, in particular, by sputtering or MOCVD.
이와 같이 형성된 베리어 메탈(Barrier Metal)은 상기 Ti와 상기 Al의 반응정도에 따라, 4가지 형태의 베리어 메탈(Barrier Metal)로 형성될 수 있다.The barrier metal formed as described above may be formed of four types of barrier metals according to the degree of reaction between the Ti and Al.
제 1 형태는 Ti/TiAlx/Al/TiN으로 형성되어 있는 막이고 제 2 형태는 Ti/TiAlx/TiN으로 형성되어 있는 막이다. 한편, 제 3형태는 TiAlx/TiN으로 형성되어 있는 막이며 제 4형태는 TiAlx/Al/TiN으로 형성되어 있는 막이다.The first aspect is a film formed of Ti / TiAl x / Al / TiN and the second aspect is a film formed of Ti / TiAl x / TiN. On the other hand, the third aspect is a film formed of TiAl x / TiN and the fourth aspect is a film formed of TiAl x / Al / TiN.
본 발명의 제 2 실시예로 상기 절연막은 콘택홀을 갖는 절연막일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the insulating film may be an insulating film having a contact hole.
상기 Ti막은 상기 절연막 상부와 상기 콘택홀 내부를 덮도록 형성되며 콘택홀 주변의 절연막 상으로 약 100Å의 두께로 형성된다. 또한, 상기 Ti는 하부 메탈과 전기적으로 연결되어 있다. 한편, Ti막의 형성은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.The Ti film is formed to cover an upper portion of the insulating film and the inside of the contact hole and is formed to a thickness of about 100 μs on the insulating film around the contact hole. In addition, the Ti is electrically connected to the lower metal. On the other hand, the Ti film may be formed by a general film forming method, in particular, a sputtering method.
상기 Ti막 상에 Al막이 형성되며, 상기 콘택홀 내부를 덮으며 Ti막 상으로 약 300Å의 두께로 형성된다. 한편, Al막의 형성은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 CVD 방법으로 형성될 수 있다. 다만, 콘택홀의 종횡비가 큰 경우, Al막의 형성은 고온 공정이나 리플로어법이 이용될 수 있다.An Al film is formed on the Ti film, covering the inside of the contact hole, and having a thickness of about 300 kPa on the Ti film. On the other hand, the Al film can be formed by a general film forming method, in particular, by the CVD method. However, when the aspect ratio of the contact hole is large, the Al film may be formed by a high temperature process or a reflow method.
상기 Al막 상에 TiN막이 약 200Å의 두께로 상기 콘택홀 내부를 덮으며 형성된다. 한편, TiN막의 형성은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 스퍼터링이나 MOCVD 방법으로 형성될 수 있다.A TiN film is formed on the Al film to cover the inside of the contact hole with a thickness of about 200 GPa. On the other hand, the TiN film may be formed by a general film formation method, in particular, by sputtering or MOCVD.
이와 같이 형성된 베리어 메탈(Barrier Metal)은 상기 Ti와 상기 Al의 반응 정도에 따라, 4가지 형태의 베리어 메탈(Barrier Metal)로 형성될 수 있다.The barrier metal formed as described above may be formed of four types of barrier metals according to the degree of reaction between the Ti and Al.
제 1 형태는 Ti/TiAlx/Al/TiN으로 형성되어 있는 막이고 제 2 형태는Ti/TiAlx/TiN으로 형성되어 있는 막이다. 한편, 제 3형태는 TiAlx/TiN으로 형성되어 있는 막이며 제 4형태는 TiAlx/Al/TiN으로 형성되어 있는 막이다.The first aspect is a film formed of Ti / TiAl x / Al / TiN and the second aspect is a film formed of Ti / TiAl x / TiN. On the other hand, the third aspect is a film formed of TiAl x / TiN and the fourth aspect is a film formed of TiAl x / Al / TiN.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층(또는 막) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층(또는 막)이 다른 층(또는 막) 또는 기판 "상(위에)"에 있다(또는 형성된다)고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층(또는 막) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers (or films) and regions are exaggerated for clarity. Also, where a layer (or film) is said to be on (or formed on) another layer (or film) or substrate, it may be formed directly on the other layer (or film) or substrate. Or a third layer may be interposed therebetween. Like numbers refer to like elements throughout.
도 2내지 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 베리어 메탈(Barrier Metal)의 형성방법을 공정의 순서에 따라 나타낸 단면도이다.2 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of forming a barrier metal according to a first embodiment of the present invention in order of a process.
도 2를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(도면에 도시되어 있지 않음)에 절연막(201)을 형성한 후 컨택홀을 형성한다. 상기 콘택홀을 도전성 물질로 채워 플러그(203)를 형성한다. 상기 절연막(201) 및 상기 플러그(203) 상에 Ti막(205) 및 Al막(207)을 순차로 형성한다.Referring to FIG. 2, an insulating film 201 is formed on a semiconductor substrate (not shown) having a predetermined structure, and then contact holes are formed. The contact hole is filled with a conductive material to form a plug 203. Ti films 205 and Al films 207 are sequentially formed on the insulating film 201 and the plug 203.
상기 도전성 플러그(203)는 텅스텐 또는 폴리실리콘 등일 수 있으며, 바람직하게는 텅스텐을 사용한다.The conductive plug 203 may be tungsten or polysilicon, and preferably tungsten.
상기 Al(207)은 Cu나 Si 등이 미량 첨가된 합금일 수 있다. Cu는 EM(Electo-Migration)특성 등을 개선시키는 작용을 하고, Si는 정션 스파이킹(Junction Spiking) 등을 개선시키는 작용을 한다.The Al 207 may be an alloy in which trace amounts of Cu or Si are added. Cu serves to improve the EM (Electo-Migration) characteristics and the like, Si serves to improve the junction spiking (Junction Spiking) and the like.
구체적으로 상기 Ti막(205)과 상기 Al막(207)은 약 300~350℃에서 반응하므로 상기 Ti막(205) 상에 상기 Al막(207)을 약 135℃의 저온에서 약 300Å의 두께로 형성하여 형성과정 동안 상기 Al(207)이 상기 Ti(205)와 반응하지 않도록 한다. 이는 상기 Al막(207)의 두께를 정확히 조정하여 향후 생길 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)의 두께를 조정하기 위함이다. 상기 Ti막(205) 및 상기 Al막(207)은 일반적인 막 형성방법으로 형성될 수 있으나 바람직하게, 상기 Ti는 스퍼터링 방법으로, Al은 CVD방법으로 형성될 수 있다.Specifically, since the Ti film 205 and the Al film 207 react at about 300 to 350 ° C., the Al film 207 on the Ti film 205 has a thickness of about 300 kPa at a low temperature of about 135 ° C. To prevent the Al 207 from reacting with the Ti 205 during formation. This is to precisely adjust the thickness of the Al film 207 to adjust the thickness of the titanium-aluminum alloy (TiAl x ) to be generated in the future. The Ti film 205 and the Al film 207 may be formed by a general film forming method. Preferably, Ti may be formed by a sputtering method and Al may be formed by a CVD method.
도 3을 참조하면, 상기 Al막(207) 상에 TiN막(209)을 형성한다. 구체적으로 상기 Al막(207) 상에 상기 TiN막(209)을 약 400℃에서 약 200Å의 두께로 형성여 형성과정 동안 상기 Ti(205)와 상기 Al(207)이 반응하도록 하여 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)을 형성할 수 있다. 상기 TiN막(209)은 일반적인 막 형성방법으로 형성될 수 있으나 바람직하게, 상기 TiN(209)은 MOCVD나 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3, a TiN film 209 is formed on the Al film 207. Specifically, the TiN film 209 is formed on the Al film 207 to a thickness of about 200 kPa at about 400 ° C. so that the Ti 205 and the Al 207 react during the formation process. A (TiAl x ) film 211 can be formed. The TiN film 209 may be formed by a general film forming method, but preferably, the TiN 209 may be formed by MOCVD or sputtering.
상기 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)은 TiAl3일 수 있다.The titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film 211 may be TiAl 3 .
상기 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)과 TiN막(209)은 Al확산을 방지하는 작용을 한다.The titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film 211 and the TiN film 209 serve to prevent Al diffusion.
도 4를 참조하면, 상기 TiN막(209) 상에 Al도선(213) 및 캡핑층(도면에 도시되어 있지 않음)을 순차적으로 형성한다.Referring to FIG. 4, an Al lead 213 and a capping layer (not shown) are sequentially formed on the TiN film 209.
상기 Al도선(213)은 약 350℃에서 약 수백~수천Å의 두께로 형성한다. 따라서, 형성과정 동안 상기 Ti(205)와 상기 Al(207)이 반응하여 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)이 추가적으로 더 형성될 수 있다. 상기 Al도선(213)은 일반적인 막 형성방법으로 형성될 수 있으나 바람직하게, 상기 Al도선(213)은 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.The Al lead 213 is formed at a thickness of about several hundred to several thousand knots at about 350 ℃. Therefore, the Ti 205 and the Al 207 react during the formation process to further form a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film 211. The Al lead 213 may be formed by a general film forming method, but preferably, the Al lead 213 may be formed by a sputtering method.
한편, 캡핑층은 Ti막, TiN막으로 형성될 수 있다. 상기 캡핑층은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.Meanwhile, the capping layer may be formed of a Ti film or a TiN film. The capping layer may be formed by a general film forming method, in particular, a sputtering method.
도 5내지 도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 의해 형성될 수 있는 베리어 메탈(Barrier Metal)의 구조를 나타낸 단면도이다.5 to 8 are cross-sectional views showing the structure of a barrier metal that can be formed by the first embodiment of the present invention.
상기 도 2내지 도 4의 방법으로 베리어 메탈(Barrier Metal)을 형성하는 경우 상기 Ti(205)와 상기 Al(207)의 반응 정도에 따라, 4가지 형태의 베리어 메탈(Barrier Metal)이 형성될 수 있다.When forming a barrier metal by the method of FIGS. 2 to 4, four types of barrier metals may be formed according to the reaction degree of the Ti 205 and the Al 207. have.
제 1 형태는 도 5에 나타나 있는 것과 같이 Ti(205), TiAlx(211), Al(207), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이고 제 2 형태는 도 6에 나타나 있는 것과 같이 Ti(205), TiAlx(211), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이다. 한편, 제 3형태는 도 7에 나타나 있는 것과 같이 TiAlx(211), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이며 제 4형태는 도 8에 TiAlx(211), Al(207), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이다.The first form is a film formed of Ti (205), TiAl x (211), Al (207), and TiN (209) as shown in FIG. 5, and the second form is formed of Ti (as shown in FIG. 205, TiAl x 211, and TiN 209. On the other hand, the third form is a film formed of TiAl x 211 and TiN 209 as shown in FIG. 7 and the fourth form is TiAl x 211, Al 207, TiN 209 in FIG. It is a film formed of).
도 9내지 도 11은 본 발명의 2 실시예에 따른 베리어 메탈(Barrier Metal) 형성방법을 공정의 순서에 따라 나타낸 단면도이다.9 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of forming a barrier metal according to a second embodiment of the present invention in order of a process.
도 9를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(도면에 도시되어 있지 않음)에 절연막(201)을 형성한 후 컨택홀을 형성한다. 상기 절연막 상부 및 콘택홀 내부를 덮도록 Ti막(205)을 형성한다. 그 다음 상기 Al막(207)을 상기 Ti막(205) 상에 형성하여 콘택홀 내부를 덮는다.Referring to FIG. 9, an insulating film 201 is formed on a semiconductor substrate (not shown) having a predetermined structure, and then contact holes are formed. A Ti film 205 is formed to cover the insulating film and the contact hole. The Al film 207 is then formed on the Ti film 205 to cover the inside of the contact hole.
상기 Al(207)은 Cu나 Si 등이 미량 첨가된 합금일 수 있다. Cu는 EM특성 등을 개선시키는 작용을 하고, Si는 정션 스파이킹(junction spiking) 등을 개선시키는 작용을 한다.The Al 207 may be an alloy in which trace amounts of Cu or Si are added. Cu serves to improve the EM properties and the like, and Si serves to improve the junction spiking and the like.
구체적으로 상기 Ti막(205)과 상기 Al막(207)은 약 300~350℃에서 반응하므로, 상기 Ti막(205) 상에 상기 Al막(207)을 약 135℃의 저온에서 약 300Å의 두께로 형성하여 형성과정 동안 상기 Al(207)이 Ti(205)와 반응하지 않도록 한다. 이는 Al막(207)의 두께를 정확히 조정하여 향후 생길 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)의 두께를 조정하기 위함이다. 그러나, 경우에 따라 고온 공정이 요구되는 경우 Al막(207) 형성과정에서부터 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)이 형성될 수도 있다. 상기 Ti막(205) 및 Al막(207)은 일반적인 막 형성방법으로 형성될 수 있으나 바람직하게, 상기 Ti는 스퍼터링 방법으로, Al은 CVD방법으로 형성될 수 있다.Specifically, since the Ti film 205 and the Al film 207 react at about 300 to 350 ° C., the Al film 207 on the Ti film 205 has a thickness of about 300 kPa at a low temperature of about 135 ° C. The Al 207 does not react with the Ti 205 during the formation process. This is to precisely adjust the thickness of the Al film 207 to adjust the thickness of the titanium-aluminum alloy (TiAl x ) to be generated in the future. However, in some cases, when a high temperature process is required, a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) may be formed from the Al film 207 process. The Ti film 205 and the Al film 207 may be formed by a general film forming method. Preferably, Ti may be formed by a sputtering method and Al may be formed by a CVD method.
도 10을 참조하면, 상기 Al막(207) 상에 TiN막(209)을 형성하여 콘택홀 내부를 덮는다. 상기 TiN막(209)을 약 400℃에서 약 200Å의 두께로 형성하여 형성과정 동안 상기 Ti(205)와 상기 Al(207)이 반응하도록 하여 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)을 형성한다. 상기 TiN(209)은 일반적인 막 형성방법으로 형성될 수 있으나 바람직하게, 상기 TiN(209)은 MOCVD 방법으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 10, a TiN film 209 is formed on the Al film 207 to cover the inside of the contact hole. The TiN film 209 is formed to a thickness of about 200Å at about 400 ° C. to allow the Ti 205 and the Al 207 to react during the formation process to form a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film 211. do. The TiN 209 may be formed by a general film forming method. Preferably, the TiN 209 may be formed by a MOCVD method.
상기 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)은 TiAl3일 수 있다.The titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film 211 may be TiAl 3 .
상기 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)과 TiN막(209)은 Al확산을 방지하는 작용을 한다.The titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film 211 and the TiN film 209 serve to prevent Al diffusion.
도 11를 참조하면, 상기 TiN막(209) 상에 Al도선(213) 및 캡핑층(도면에 도시되어 있지 않음)을 순차적으로 형성한다.Referring to FIG. 11, an Al lead 213 and a capping layer (not shown) are sequentially formed on the TiN film 209.
상기 Al도선(213)은 약 350℃에서 약 수백~수천Å의 두께로 형성한다. 따라서, 형성과정 동안 상기 Ti(205)와 상기 Al(207)이 반응하여 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막(211)이 추가적으로 더 형성될 수 있다. 상기 Al도선(213)은 일반적인 막 형성방법으로 형성될 수 있으나 바람직하게, 상기 Al도선(213)은 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.The Al lead 213 is formed at a thickness of about several hundred to several thousand knots at about 350 ℃. Therefore, the Ti 205 and the Al 207 react during the formation process to further form a titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film 211. The Al lead 213 may be formed by a general film forming method, but preferably, the Al lead 213 may be formed by a sputtering method.
한편, 캡핑층은 Ti막, TiN막으로 형성될 수 있다. 상기 캡핑층은 일반적인 막 형성방법, 특히 그중에서도 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.Meanwhile, the capping layer may be formed of a Ti film or a TiN film. The capping layer may be formed by a general film forming method, in particular, a sputtering method.
도 12내지 도 15는 본 발명의 2 실시예에 의해 형성될 수 있는 베리어 메탈(Barrier Metal)의 구조를 나타낸 단면도이다.12 to 15 are cross-sectional views showing the structure of a barrier metal that can be formed by the second embodiment of the present invention.
이와 같이 형성된 베리어 메탈(Barrier Metal)은 상기 Ti와 상기 Al의 반응정도에 따라, 4가지 형태의 베리어 메탈(Barrier Metal)로 형성될 수 있다.The barrier metal formed as described above may be formed of four types of barrier metals according to the degree of reaction between the Ti and Al.
제 1 형태는 도 12에 나타나 있는 것과 같이 Ti(205), TiAlx(211), Al(207), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이고 제 2 형태는 도 13에 나타나 있는 것과 같이 Ti(205), TiAlx(211), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이다. 한편, 제 3형태는 도 14에 나타나 있는 것과 같이 TiAlx(211), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이며 제 4형태는 도 15에 TiAlx(211), Al(207), TiN(209)으로 형성되어 있는 막이다.The first form is a film formed of Ti (205), TiAl x (211), Al (207), TiN (209) as shown in FIG. 12, and the second form is formed of Ti (as shown in FIG. 205, TiAl x 211, and TiN 209. On the other hand, the third embodiment is a film formed of TiAl x 211 and TiN 209 as shown in FIG. 14, and the fourth embodiment is TiAl x 211, Al 207, TiN 209 in FIG. It is a film formed of).
본 발명이 제공하는 베리어 메탈(Barrier Metal)은 Ti/TiAlx/Al/TiN, Ti/TiAlx/TiN, TiAlx/TiN, TiAlx/Al/TiN이다. 이와 같이 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)막을 미리 형성시킴으로서, 비록 TiN막의 두께가 200Å이하여도, 상기 TiN막 상에 형성된 Al도선으로부터 Al의 확산을 방지할 수 있다. 그 결과, 과도한 타이타늄-알루미늄 합금(TiAlx)의 형성으로 인한 부피감소가 억제되고 이에 따라 EM(Electro-Migration) 특성 또한 개선될 수 있다. 게다가, 200Å이하로 TiN막을 형성하므로 상기 TiN막 상에 형성된 Al도선의 모폴로지(Morphology)도 개선할 수 있다.The barrier metal provided by the present invention is Ti / TiAl x / Al / TiN, Ti / TiAl x / TiN, TiAl x / TiN, TiAl x / Al / TiN. By forming the titanium-aluminum alloy (TiAl x ) film in this manner, it is possible to prevent the diffusion of Al from the Al lead formed on the TiN film, even if the thickness of the TiN film is 200 Å or less. As a result, volume reduction due to excessive formation of titanium-aluminum alloy (TiAl x ) can be suppressed and accordingly, EM (Electro-Migration) characteristics can also be improved. In addition, since the TiN film is formed at 200 kPa or less, the morphology of the Al conductor formed on the TiN film can be improved.
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