KR20080105347A - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 소자의 금속 배선 형성 방법이 제공된다. 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하고, 층간 절연막 내에 다마신 패턴을 형성하고, 다마신 패턴 내에 매립된 금속 배선을 형성하고, 결과물 전면에 원자층 증착 공정을 진행하여 금속 배선 표면에만 선택적으로 확산 방지막을 형성하는 것을 포함한다.
원자층 증착 공정, 확산 방지막, 금속 배선
Description
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 순서대로 나타내는 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 반도체 기판 110: 층간 절연막
112: 다마신 패턴 120: 금속 배리어막
130: 금속막 140: 금속 배선
151a: 확산 방지막 원자층 151b: 핵생성층
152: 확산 방지막
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
현재, 반도체 메모리 소자의 고집적화가 요구되면서 디자인 룰(design rule) 이 급속하게 감소되고 있으며, 이에 따라 반도체 메모리 소자 내의 배선들을 연결하는 콘택(contact) 사이즈 또한 감소하여 콘택의 종횡비(aspect ratio)가 증가하고 있다. 또한, 반도체 메모리 소자의 디자인 룰(design rule)이 감소됨에 따라 고속 동작을 요구하는 반도체 소자의 경우, 배선의 저항 및 캐패시턴스의 증가에 의한 RC 지연 효과가 커져 반도체 메모리 소자의 동작 속도가 저하되고 있다.
이를 해결하기 위해, 보다 낮은 저항을 갖는 배선 물질 및 낮은 유전율(low-k)을 갖는 층간 절연막의 도입이 요구된다. 이러한 배선 물질로는 종래의 알루미늄 합금에 비해 낮은 비저항을 가지며, 전기적 원자 이동도(electrical migration; EM)가 작은 구리(Cu)가 이용될 수 있다.
그런데 구리를 이용하는 배선의 경우, 구리의 식각 특성이 매우 열악하기 때문에 다마신(damascene) 공정으로 배선을 형성한다. 이러한 다마신 공정으로는 층간 절연막 내에 비아(via) 및 트렌치(trench)를 형성하고 비아 및 트렌치 내에 구리를 매립하여 배선을 형성하는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정이 이용되고 있다.
그리고, 구리 배선의 경우, 절연막 내에서 원자들의 확산율이 크므로, 절연막 내로 구리 원자가 확산되어 누설 전류를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 절연막 내에 형성된 구리 배선의 표면에는 금속 이온의 확산을 방지하기 위한 확산 방지막이 형성된다.
이러한 확산 방지막은 구리 배선의 표면뿐만 아니라 낮은 유전율의 절연막 상에까지 형성될 수 있으며, 낮은 유전율을 갖는 절연막 상에 형성된 확산 방지막 은 유전율이 높아 절연막의 유전 상수(k)를 증가시킬 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하고, 층간 절연막 내에 다마신 패턴을 형성하고, 다마신 패턴 내에 매립된 금속 배선을 형성하고, 결과물 전면에 원자층 증착 공정을 진행하여 금속 배선 표면에만 선택적으로 확산 방지막을 형성하는 것을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 순서대로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100) 상부에 층간 절연막(110)을 형성한다. 층간 절연막(110)은 금속 배선(도 3의 140 참조)들 간의 RC 신호 지연을 방지하고, 상호 간섭 및 전력 소비의 증가를 억제하기 위해 저유전 물질(low-k)로 형성한다.
예를 들어, 층간 절연막(110)으로는 PSG(PhosphoSilicate Glass), BPSG(BoroPhosphoSilicate Glass), USG(Undoped Silicate Glass), PE-TEOS(Plasma Enhanced-TetraEthlyOrthoSilicate Glass) 등과 같은 실리콘 산화막이거나 불소 또는 탄소가 도핑된 저유전막일 수 있다. 또한, 층간 절연막(110)은 SiLK와 같은 저유전율을 갖는 유기 폴리머로 형성할 수도 있다.
이러한 층간 절연막(110)의 종류는 층간 절연막(110) 내에 형성될 금속 배선의 피치와, 이에 따른 RC특성에 따라 결정될 수 있다. 즉, 금속 배선의 피치가 큰 경우에는 USG 또는 TEOS 등이 사용될 수 있으며, 피치가 작은 경우에는 보다 더 낮은 유전율을 갖는 FSG 또는 OSG 등이 사용될 수 있다.
그리고, 층간 절연막(110)은 PECVD(Plasma Enhanced CVD), HDP-CVD(High Density Plasma CVD), APCVD(Atmospheric Pressure CVD), 스핀 코팅(spin coating) 방식 등을 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 층간 절연막(110)은 내부에 트렌치 및/또는 비아 등과 같은 구조물을 형성할 수 있도록 충분한 두께로 형성한다.
반도체 기판(100) 상에 저율전율의 층간 절연막(110)을 형성한 다음에는, 싱글 다마신 또는 듀얼 다마신 방법을 이용하여, 층간 절연막(110) 내에 트렌치 또는 비아 홀 등과 같은 다마신 패턴(112)을 형성한다. 이러한 다마신 패턴(112)은 도 1에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(110)의 일부를 노출시킬 수도 있으며, 층간 절연막(110) 하부에 형성된 하부 배선(미도시)을 노출시킬 수도 있다.
다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 다마신 패턴이 형성된 층간 절연막(110)의 표면을 따라 컨포말하게 금속 배리어막(120)을 형성한다. 금속 배리어막(120)은 다마신 패턴 내에 매립될 금속 물질이 층간 절연막(110)으로 확산되는 것을 방지하기 위해 형성되며, 예를 들어 Ta, TaN, TaSiN, Ti, TiN, TiSiN, W, WN 중 선택된 어느 하나이거나 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 이러한 금속 배리어막(120)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 스퍼터링과 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법으로 증착할 수 있다.
그리고 나서, 금속 배리어막(120) 상에 층간 절연막(110) 내의 다마신 패턴을 매립시키는 금속막(130)을 형성한다. 금속막(130)으로는 구리 또는 구리 합금이 이용될 수 있다. 이 때, 구리 합금이란 구리 내에 미량의 C, Ag, Co, Ta, In, Sn, Zn, Mn, Ti, Mg, Cr, Ge, Sr, Pt, Mg, Al 또는 Zr이 혼입된 것을 말한다.
다마신 패턴이 매립되도록 금속막(130)을 형성하는 데에는, 스퍼터링 또는 CVD 방법을 이용할 수 있으며, 전기 도금법 또는 무전해 도금법이 이용될 수도 있다.
도금법을 이용하여 금속막(130)을 형성할 때에는, 금속 배리어막(120) 표면에 씨드막(미도시)을 형성할 수 있다. 이러한 씨드막은 도금층의 균일성을 증가시키며 초기 핵생성 자리(nucleation site) 역할을 한다. 씨드막으로는 Cu, Au, Ag, Pt, Pd 등이 사용될 수 있으며, 도금법과 금속막(130)의 종류에 따라 물질을 선택하여 증착할 수 있다.
금속막(130)을 형성한 다음에는, 재결정을 통해 입성장을 시켜 비저항을 감소시키기 위한 어닐링(annealing) 공정이 진행될 수 있다.
이와 같이, 금속 배리어막(120) 및 금속막(130)을 형성한 다음에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(110)이 노출될 때까지 화학 기계적 연마(CMP) 공정을 진행하여, 층간 절연막(110) 내에 매립된 금속 배선(140)을 완성한다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 결과물 전면에 대해 원자층 증착(ALD) 공정을 진행하여 금속 배선(140) 표면 상에만 확산 방지막(152)을 형성한다. 확산 방지막(152)으로는 비교적 높은 유전율(k≒4~8)을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘(Si) 원자를 포함하는 SiN, SiC, SiCN 또는 SiON 등으로 형성할 수 있다. 또한, 확산 방지막(152)은 코발트(Co) 원자를 포함하는 CoWP, CoSnP, CoP, CoB, CoSnB 또는 CoWB 등과 같은 물질로 형성될 수도 있으며, 인듐(In) 원자를 포함하는 InWP, InSnP, InP, InB, InSnB 또는 InWB 등과 같은 물질로도 형성될 수 있 다.
확산 방지막(152)의 형성 방법에 대해서는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 5a를 참조하면, 층간 절연막(110) 내에 금속 배선(140)을 완성한 다음, 결과물 전면에 대해 원자층 증착 공정을 진행한다. 일반적으로 원자층 증착 공정은 원하는 박막을 형성하는데 필요한 두 가지 이상의 공정 가스들을 기상에서 만나지 않도록 시간차를 두고 순차적으로 분할하여 공급하고, 이러한 공정 가스들을 주기적으로 반복하여 공급함으로써 1사이클당 1모노레이어(monolayer)의 박막을 성장시킬 수 있다.
이러한 원자층 증착 공정으로 박막을 형성할 경우, 박막은 하부에 위치하는 물질의 특성, 즉, 하부에 위치하는 물질의 결정 구조 등이 초기 핵생성(nucleation)에 큰 영향을 미친다.
그리고, Si 원자를 포함하는 박막을 원자층 증착 공정으로 형성하는 경우, Si 전구체(precursor)가 증착되어질 수 있는 치환 반응이 이루어지기 힘들어 촉매 역할을 할 수 있는 사이트(site)가 요구된다.
그런데, 상면이 노출된 금속 배선(140)을 갖는 층간 절연막(110)의 전면에 대해 원자층 증착 공정을 진행할 경우, 저유전 물질로 형성된 층간 절연막(110)은 촉매 역할을 할 수 있는 사이트가 없어, 층간 절연막(110) 상에 확산 방지막 원자층(151a)이 형성되지 않는다.
이와 달리, 금속 배선(140)의 표면 상에서는 금속 물질의 그레인(grain)들이 Si 전구체의 치환 반응을 일으킬 수 있는 사이트 역할을 하게 되어 금속 배선(140) 표면에 확산 방지막 원자층(151a)이 형성된다. 따라서, 결과물 전면에 대해 원자층 증착 공정을 계속 진행하게 되면, 금속 배선(140)의 표면 상에만 확산 방지막 원자층(151a)이 계속 적층되어 도 4에 도시된 바와 같이 확산 방지막(152)을 형성할 수 있다.
추가로, 상면이 노출된 금속 배선(140)을 갖는 층간 절연막(110)의 전면에 대해 원자층 증착 공정을 진행할 때, 도 5b에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(110) 상에 핵생성층(nucleation layer; 151b)이 형성될 수도 있다.
보다 자세히 설명하면, 확산 방지막(152)을 형성하기 위한 원자층 증착 공정이 일정 시간 이상 계속되는 동안, 저유전율의 층간 절연막(110) 상에 Si 원자가 증착되어 핵생성층(151b)을 형성될 수도 있다. 그리고 핵생성층(151b)이 층간 절연막(110) 상에 형성되고 나면, 층간 절연막(110) 상에서 핵생성층(151b)이 Si 전구체의 치환 반응을 일으킬 수 있는 사이트 역할을 하게 된다. 따라서, 층간 절연막(110) 상에 핵생성층(151b)이 형성되고 나면, 층간 절연막(110) 상에도 실리콘 원자를 포함하는 박막이 형성될 수 있다.
이와 같은 원리로 금속 배선(140) 상면뿐만 아니라 층간 절연막(110) 상에 확산 방지막이 형성될 경우, 확산 방지막은 금속 배선(140)과 층간 절연막(110)에서 확연한 두께 차이를 갖는다. 따라서 원자층 증착 공정을 진행하여 확산 방지막을 형성한 다음, 결과물 전면에 대하여 건식 또는 습식 식각 공정을 진행하여 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 배선(140) 상에만 확산 방지막(152)을 잔류시킬 수 있 다.
이와 같이, 금속 배선(140) 상에만 확산 방지막(150)을 형성함으로써, 저유전율의 층간 절연막(110) 상에 높은 유전율의 확산 방지막(150)이 형성되어 전체 유전 특성이 증가되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 원자층 증착 방법을 이용하여 확산 방지막(150)을 형성함으로써, 금속 배선(140) 상에 확산 방지막(152)이 균일하게 형성될 수 있으므로 우수한 막질의 확산 방지막(152)을 얻을 수 있다. 이에 따라, 금속 배선(140)과 확산 방지막(152) 간의 결합력의 향상될 수 있으며, 구리 배선인 경우 전기적 원자 이동도(EM) 특성을 향상시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 따르면, 저유전율의 층간 절연막 내에 형성된 금속 배선의 표면 상에만 확산 방지막을 형성할 수 있다. 그러므로, 저유전율의 층간 절연막 상에 높은 유전율의 확산 방지막이 형성되어 전체 유전 특성이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 원자층 증착 방법을 이용하여 확산 방지막을 형성함으로써, 금속 배선 상에 확산 방지막이 균일하게 형성되어 우수한 막질의 확산 방지막을 얻을 수 있다. 이에 따라, 금속 배선과 확산 방지막 간의 결합력이 향상될 수 있으므로 금속 배선의 저항 및 캐패시턴스 등을 줄일 수 있다.
또한, 금속 배선을 이루는 금속 물질의 전기적 원자 이동도(EM) 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 금속 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있으므로, 반도체 소자의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하고,상기 층간 절연막 내에 다마신 패턴을 형성하고,상기 다마신 패턴 내에 매립된 금속 배선을 형성하고,상기 결과물 전면에 원자층 증착 공정을 진행하여 상기 금속 배선 표면에만 선택적으로 확산 방지막을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 층간 절연막은 낮은 유전율을 갖는 절연 물질로 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 배선을 형성하는 것은,상기 층간 절연막에 형성된 상기 다마신 패턴의 표면을 따라 금속 배리어막을 형성하고,상기 금속 배리어막 상에 금속막을 적층하고,상기 층간 절연막이 노출될 때까지 상기 금속막 및 상기 금속 배리어막을 평탄화시키는 것을 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지막은 SiN, SiCN 및 SiON으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합으로 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지막은 CoWP, CoSnP, CoP, CoB, CoSnB, CoWB로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합으로 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지막은 InWP, InSnP, InP, InB, InSnB, InWB로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합으로 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 확산 방지막을 형성한 다음, 결과물 전면에 대해 식각 공정을 진행하여, 상기 금속 배선 상부에만 상기 확산 방지막을 잔류시키는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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| KR1020070052829A KR20080105347A (ko) | 2007-05-30 | 2007-05-30 | 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 |
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| KR (1) | KR20080105347A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109128403A (zh) * | 2018-07-24 | 2019-01-04 | 杭州电子科技大学 | 基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法与装置 |
-
2007
- 2007-05-30 KR KR1020070052829A patent/KR20080105347A/ko not_active Application Discontinuation
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