KR20060001306A - 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법에 관한 것으로, 이종의 전구체를 주기적으로 변화시켜 유입하는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법을 이용하여 하이브리드(hybrid) 형태의 나노 합성(nanocomposite) 확산 방지막을 구현함으로써 열적 안정성 및 신뢰성이 향상된 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법이 제시된다.
확산 방지막, 이종의 전구체, ALD

Description

반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법{Method of forming a diffusion barrier in a semiconductor device}
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 반도체 기판 12 : 층간 절연막
13 : 확산 방지막
본 발명은 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법을 이용하여 TiN 확산 방지막에 이종의 원소를 첨가하여 하이브리드(hybrid) 형태의 나노 합성(nanocomposite) 확산 방 지막을 구현함으로써 열적 안정성 및 신뢰성이 향상된 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법에 관한 것이다.
알루미늄 배선 공정에서 확산 방지막으로 주로 사용되는 TiN막은 구리 배선 공정의 확산 방지막으로 적용할 경우 구조적인 문제로 인하여 구리 확산을 억제하지 못하기 때문에 소자의 신뢰성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 구리 배선 공정에서는 일반적으로 스퍼터 방식으로 Ta 계열의 막을 형성하여 확산 방지막으로 사용하고 있다. 그러나, 스퍼터 방식으로 형성된 확산 방지막은 증착 방식의 한계로 인하여 균일한 스텝 커버러지 특성을 확보하기가 어렵기 때문에 소자가 고집적화될 수록 확산 방지막의 두께를 감소시키는데 많은 제약이 있는 것으로 보고되고 있다. 한편, 스퍼터 방식으로 형성된 확산 방지막의 스텝 커버러지 특성을 개선하기 위하여 현재 개발되고 있는 화학기상증착방법으로 형성된 Ta 계열의 확산 방지막은 스텝 커버러지 특성은 개선되었으나, 확산 방지막으로 유입되는 불순물들을 최소화할 수 있는 전구체 개발이 아직 미흡하기 때문에 확산 방지막의 저항이 증가되는 단점이 있으므로 고집적 고성능 소자의 구현을 위해서는 이에 대한 개선책이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 TiN 확산 방지막에 이종의 원소를 첨가하여 하이브리드(hybrid) 형태의 나노 합성(nanocomposite) 확산 방지막을 형성함으로써 열적 안정성 및 신뢰성이 향상된 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에서는 기존의 TiN 확산 방지막의 구조적인 문제로 인해 발생되는 신뢰성 감소 문제를 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방식을 이용하여 이종의 확산 방지막을 하이브리드(hybroid) 형태의 나노 합성(nancomposite)으로 형성함으로써 해결하고자 하였다. 즉, 현재 상용화되어 있는 ALD 방식의 TiN 확산 방지막 공정중에 Ti 금속의 β상 안정기(phase stablizer)로 알려진 Ta 금속을 주기적으로 일정량 첨가하므로써 TiN 박막의 구조를 개선하여 구리 원소에 대한 확산 방지막 신뢰성을 증대시키고자 한다. 또한, 이원계 박막의 혼합 구조를 형성하여 확산 방지막의 결정화 온도를 상승시킬 수 있으므로 소자의 신뢰성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법은 이종의 전구체를 주기적으로 변화시켜 유입하는 원자층 증착 방법을 이용하여 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 나노 합성 확산 방지막을 형성한다.
상기 이종의 전구체는 Ti 전구체 및 Ta 전구체를 포함한다.
상기 Ti 전구체와 Ta 전구체의 유입 주기는 Ti가 Ta를 고용할 수 있는 미세 범위부터 각각이 단일층을 형성할 수 있는 조건까지를 모두 포함한다.
상기 확산 방지막은 기판 온도를 150 내지 450℃로 하여 실시한다.
상기 확산 방지막을 형성하기 이전에 프리클리닝 공정을 더 실시한다.
상기 프리클리닝 공정은 아르곤 스퍼터를 이용한 클리닝, 리액티브 프리클리닝 또는 NH3를 이용한 습식 공정으로 실시한다.
상기 리액티브 프리클리닝 공정은 상기 NH3를 이용한 습식 공정 시간을 조절하여 상기 확산 방지막의 형성 공정과 동시에 실시할 수 있다.
상기 확산 방지막을 형성한 후 350 내지 500℃의 온도에서 인시투 어닐 공정을 더 실시한다.
상기 이종의 전구체는 내화 금속계 물질을 조합하여 구성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.
도 1(a)를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(11) 상부에 층간 절연막(12)을 형성한 후 층간 절연막(12)의 소정 영역을 식각하여 비아홀 및 트렌치로 구성된 듀얼 다마신 패턴을 형성한다.
도 1(b)를 참조하면, 프리클리닝(precleaning) 공정을 실시하여 듀얼 다마신 패턴을 형성하기 위한 식각 공정에서 발생된 식각 잔류물을 제거한다. 이때, 하부 구조가 구리층일 경우 구리층 표면에 잔존하는 Cu-O를 제거한다. 프리클리닝 공정은 아르곤(Ar) 스퍼터를 이용한 클리닝, 리액티브 프리클리닝(reactive precleaning) 또는 NH3를 이용한 습식 공정으로 실시할 수 있다. 그런데, 리액티브 프리클리닝 공정은 듀얼 다마신 패턴 상부에 확산 방지막을 형성하기 이전에 NH3를 이용한 습식 공정 시간을 조절하여 확산 방지막과 동시에 실시할 수 있기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있다.
도 1(c)를 참조하면, 원자층 증착(ALD) 방법을 이용하여 이종의 전구체를 주기적으로 변화시켜 유입함으로써 하이브리드(hybrid) 형태의 나노 합성(nanocomposite) 확산 방지막(13)을 형성한다. 이종의 전구체로는 예컨데 Ti 전구체와 Ta 전구체를 조합으로 하면 Ti-Ta-N 형태의 확산 방지막(13)이 형성된다. 이때, Ti 전구체와 Ta 전구체의 유입 주기는 Ti가 Ta를 고용할 수 있는 미세 범위부터 각각이 단일층(monolayer)을 형성할 수 있는 조건까지의 변수를 모두 포함하도록 증착 조건을 설정하며 소자 특성에 따라 적절한 조건을 설정한다. 예를들어, 소자의 신뢰성을 확보하기 위해 확산 방지막(13) 증착 초기에는 Ta 증착비를 높여 TaN 단일막이 증착되도록 하여 층간 절연막(12)과 확산 방지막(13) 사이에 발생할 수 있는 문제점을 최소화할 수 있으며, 이후로는 Ti 증착비를 높여 낮은 저항값을 갖는 확산 방지막(13)을 형성할 수 있도록 증착 조건을 구성할 수 있다. 한편, 최종 단계에서는 Ta 증착비를 상승시켜 이후 구리 시드층 증착시 결정배향성을 높이도록 증착 조건을 구성할 수 있다. 한편, 확산 방지막(13) 증착 공정시 기판 온도 는 150∼450℃로 하고, 350∼500℃의 온도에서 인시투 어닐 공정을 실시하여 Ti/Ta 비 조절에 의하여 발생될 수 있는 계면(interface)에 대한 안정성을 확보한다. 또한, Ta 및 Ti 전구체 이외에 내화 금속(refractory metal)계의 물질을 조합하여 형성할 수 있다.
이후 전체 구조 상부에 구리층을 형성한 후 열처리 공정을 실시하고 CMP 공정을 실시하여 금속 배선을 형성한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 원자층 증착 방법을 이용하여 이종의 전구체의 유입을 주기적으로 변화시켜 하이브리드 형태의 나노 합성(nanocomposite) 확산 방지막을 형성함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 확산 방지막을 균일하게 형성할 수 있기 때문에 확산 방지막의 최적화된 두께 제어가 가능하고, 기존의 동종 확산 방지막에서 얻을 수 없는 특성을 구현할 수 있으므로 확산 방지막의 특성을 개선할 수 있다.
둘째, Ti 및 Ta의 비를 조절하여 확산 방지막 조성을 제어할 수 있으므로 기존의 TaN 확산 방지막을 단독으로 사용하였을 때 보다 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 TiN 확산 방지막의 구조 문제를 Ta 합성에 의해 보완할 수 있으므로 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
세째, Ti 및 Ta의 비를 조절하여 계면에서의 확산 방지막 조성을 제어할 수 있으므로 층간 절연막과 시드 계면에서 발생할 수 있는 접착성 열화 문제와 금속 구조의 열화 문제를 해결할 수 있다.
네째, 확산 방지막 증착시 별도의 프리클리닝 공정없이 확산 방지막 증착 챔버에서 NH3를 이용한 습식 공정만으로도 프리클리닝 효과를 얻을 수 있기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법에 있어서,
    이종의 전구체를 주기적으로 변화시켜 유입하는 원자층 증착 방법을 이용하여 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 나노 합성 확산 방지막을 형성하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이종의 전구체는 Ti 전구체 및 Ta 전구체를 포함하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 Ti 전구체와 Ta 전구체의 유입 주기는 Ti가 Ta를 고용할 수 있는 미세 범위부터 각각이 단일층을 형성할 수 있는 조건까지를 모두 포함하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지막은 기판 온도를 150 내지 450℃로 하여 실시하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지막을 형성하기 이전에 프리클리닝 공정을 더 실시하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 프리클리닝 공정은 아르곤 스퍼터를 이용한 클리닝, 리액티브 프리클리닝 또는 NH3를 이용한 습식 공정으로 실시하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 리액티브 프리클리닝 공정은 상기 NH3를 이용한 습식 공정 시간을 조절하여 상기 확산 방지막의 형성 공정과 동시에 실시할 수 있는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지막을 형성한 후 350 내지 500℃의 온도에서 인시투 어닐 공정을 더 실시하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 이종의 전구체는 내화 금속계 물질을 조합하여 구성하는 반도체 소자의 확산 방지막 형성 방법.
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