KR20090052517A - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 제1 절연막이 형성된 반도체 기판 상에 구리화합물로 이루어지는 제1 배리어 메탈막, 금속층, 구리화합물로 이루어지는 제2 배리어 메탈막, 식각 선택비가 서로 다른 제1 및 제2 하드 마스크막을 순차적으로 형성하는 단계, 상기 제1 및 제2 하드 마스크막을 패터닝하는 단계, 패터닝된 상기 제2 하드 마스크막을 제거하는 단계, 열처리를 실시하여 상기 제1 및 제2 배리어 메탈막의 구리 성분을 상기 금속층으로 확산시켜 상기 제1 및 제2 배리어 메탈막 및 상기 금속층을 구리-금속 반응막으로 치환시키는 단계, 망간산화물막으로 치환된 패터닝된 상기 제1 하드 마스크막을 식각 마스크로 하여 상기 구리-금속 반응막을 패터닝하는 단계, 및 상기 구리-금속 반응막 및 망간산화물막으로 치환된 상기 제1 절연막 상에 제2 절연막을 형성하는 단계를 포함한다.
금속 배선, 저저항, CuMn, AlCu, MnOx
Description
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 저저항을 구현하고, 커패시턴스를 낮추어 금속 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 금속 배선은 다마신 기법(Damascene Scheme)을 이용하여 형성한다. 이러한 다마신 기법을 이용한 반도체 소자의 금속 배선 형성 공정을 간략히 설명한다. 우선, 게이트 등 소정의 구조물이 형성된 반도체 기판 상에 층간 절연막을 증착한 후 트렌치를 형성하고, 트렌치를 포함하는 층간 절연막 상부에 Ti/TiN 성분의 배리어 메탈막을 형성한다. 이후, 배리어 메탈막 상부에 트렌치를 채우도록 텅스텐(W)막을 형성한 다음 텅스텐(W)막과 배리어 메탈막을 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정으로 평탄화하여 트렌치 내부에 텅스텐(W) 금속 배선을 형성한다.
최근에는 반도체 제품들이 고집적화됨에 따라 텅스텐 다마신을 이용한 텅스텐 플러그(W Plug)를 형성할 경우 집적화되고 있는 소자 특성상 금속 간 스페이스 의 수축으로 인하여 커패시턴스(Capacitance) 특성을 얻기 힘들다. 이러한 커패시턴스 문제를 해결하기 위하여 인터커넥션(interconnection) 공정에서 금속의 높이를 낮추어 커패시턴스 값을 줄여주어야 하는데, 이때 문제되는 것이 낮아진 높이로 인한 저항 값의 증가이다. 금속라인의 높이를 줄여 커패시턴스 값을 확보하면서 저항 값의 변화를 주지 않는 방법은 낮은 Rs 특성을 가진 물질을 통한 인터커넥션 공정이고, 이것을 위한 연구가 계속 되고 있다. 낮은 Rs 특성을 지닌 물질로는 로직(logic) 소자에서 사용중인 구리(Cu) 및 현재 와이어(wire) 물질로 사용중인 알루미늄(Al)이 있고, 이러한 물질을 통한 공정 도입이 텅스텐 플러그를 대체할 공정으로 연구되고 있다. 그러나, 현재의 알루미늄(Al)을 이용한 다마신 기법은 후속한 CMP의 슬러리(Slurry) 문제로 인하여 도입이 힘든 실정이다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 이온성 반응 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 방식을 이용하여 알루미늄막 패턴을 형성하는 방법이 도입되었다. 그러나, 이러한 RIE 방식은 배리어 메탈막(Ti/TiN)/금속층(Al)/반사방지막(Ti/TiN)이 스택(stack) 구조로 증착되는 알루미늄 증착 방식으로 인하여 후속한 식각 공정에서 물질에 따른 식각 속도(etch rate) 차이 및 브릿지(bridge) 방지를 위한 과식각(over-etch)에 의하여 알루미늄막 측벽의 손실(loss)이 발생하여 라인 저항 증가 및 금속배선간 절연막(Inter Metal Dielectric; IMD)의 갭 필(gap-fill)에 있어 비정상적인 보이드(void)가 발생하며, 이는 금속 배선 형성 시 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다.
본 발명은 알루미늄으로 이루어진 금속층의 상·하부에 구리화합물(CuMn)로 이루어지는 배리어 메탈막을 형성한 후 후속한 열처리에 의해 구리화합물의 구리 성분을 금속층으로 확산시키고, 망간 성분을 배리에 메탈막과 인접한 산화막으로 확산시켜 금속층 및 배리어 메탈막을 구리-금속 반응막(AlCu)으로 치환시킴으로써, 비저항이 낮은 구리-금속 반응막(AlCu)만으로 저저항 금속 배선을 형성할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은, 제1 절연막이 형성된 반도체 기판 상에 구리화합물로 이루어지는 제1 배리어 메탈막, 금속층, 구리화합물로 이루어지는 제2 배리어 메탈막, 식각 선택비가 서로 다른 제1 및 제2 하드 마스크막을 순차적으로 형성하는 단계, 제1 및 제2 하드 마스크막을 패터닝하는 단계, 패터닝된 제2 하드 마스크막을 제거하는 단계, 열처리를 실시하여 제1 및 제2 배리어 메탈막의 구리 성분을 금속층으로 확산시켜 제1 및 제2 배리어 메탈막 및 금속층을 구리-금속 반응막으로 치환시키는 단계, 망간산화물막으로 치환된 패터닝된 제1 하드 마스크막을 식각 마스크로 하여 구리-금속 반응막을 패터닝하는 단계, 및 구리-금속 반응막 및 망간산화물막으로 치환된 제1 절연막 상에 제2 절연막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기에서, 구리화합물은 망간구리(CuMn)로 형성된다. 제1 및 제2 배리어 메탈막 각각은 50 내지 200Å의 두께로 형성된다. 금속층은 알루미늄(Al)으로 형성된다. 제1 배리어 메탈막, 제2 배리어 메탈막 및 금속층 각각은 물리기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 방법으로 형성된다.
제1 절연막 및 제1 하드 마스크막 각각은 산화막으로 형성된다. 제2 하드 마스크막은 아모퍼스 카본(amorphous carbon)막으로 형성된다. 열처리는 400 내지 450℃의 온도에서 실시한다.
구리-금속 반응막은 알루미늄구리(AlCu)막으로 형성된다. 망간산화물막은 구리-금속 반응막이 형성되면서 배리어 메탈막 및 반사 방지막으로 사용된 구리화합물의 망간 성분이 제1 절연막 및 제1 하드 마스크막으로 확산되어 산소 성분과 반응하여 제1 절연막 및 제1 하드 마스크막이 망간산화물(MnOx(1≤x≤2))로 이루어지는 막으로 치환되어 형성된다.
제1 및 제2 하드 마스크막 패터닝 시, 제2 배리어 메탈막 상부 표면에서 식각이 정지되도록 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속층의 상·하부에 구리화합물(CuMn)로 이루어지는 배리어 메탈막을 형성한 후 후속한 열처리에 의해 구리화합물의 구리 성분을 금속층으로 확산시키고, 망간 성분을 배리에 메탈막과 인접한 산화막으로 확산시켜 금속층 및 배리어 메탈막을 구리-금속 반응막(AlCu)으로 치환시킴으로써, 비저항이 높은 배리어 메탈막 없이 비저항이 낮은 구리-금속 반응막(AlCu)만으로 금속 배선을 형성하므로 콘택 저항을 줄여 저저항 금속 배선을 형성할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 구리-금속 반응막 형성 방법을 이용하여 금속 배선을 형성할 경우 금속층의 높이를 낮출 수 있어 커패시턴스 값을 낮출 수 있다.
셋째, 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속층에 구리(Cu)를 유입시킴으로써, 알루미늄막의 전자 이동(electric-migration) 특성을 개선하여 금속 배선에 로버스트(robust)한 신뢰성을 확보할 수 있다.
넷째, 저저항 금속 배선을 통해 RC 지연을 줄여 반도체 소자의 프로그램 스피드를 증가시키고 저소비전력을 구현할 수 있다.
다섯째, 금속 배선의 신뢰성을 향상시켜 소자의 전기적 특성 향상 및 수율 증가를 가져온다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도 1a를 참조하면, 게이트(미도시) 및 층간 절연막(110) 등 소정의 구조물이 형성된 반도체 기판(100) 상에 제1 배리어 메탈막(barrier metal layer, 120), 금속층(130), 제2 배리어 메탈막(140) 및 하드 마스크막(150)을 순차적으로 형성한다. 층간 절연막(110)은 산화막으로 형성할 수 있으며, 예를들어 SOG(Spin On Glass), BPSG(Boron-Phosphorus Silicate Glass), PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate), USG(Undoped Silicate Galss), PSG(Phosphorus Silicate Glass) 및 IPO(Inter Poly Oxide) 중에서 선택되는 어느 하나로 형성할 수 있다.
제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140) 각각은 망간구리(CuMn)와 같은 구리화합물을 이용하여 라이너(liner) 형태로 형성할 수 있다. 이러한 망간구리(CuMn)막으로 이루어진 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140) 각각은 물리기상증착(Physical Vapor Depositon; PVD) 방법, 예를들어 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여 형성할 수 있으며, 50 내지 200Å의 두께로 형성할 수 있다.
금속층(130)은 이후에 형성될 금속 배선이 저저항을 갖도록 비저항이 낮은 알루미늄(Al)으로 형성하는 것이 바람직하다. 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속층(130)은 PVD 방법, 예를들어 스퍼터링 방식을 이용하여 형성할 수 있다.
이때, 구리화합물막(CuMn)/금속층(Al)/구리화합물막(CuMn)이 적층된 스택(stack) 구조가 형성된다.
이어서, 제2 배리어 메탈막(140) 상에 하드 마스크막(150)을 형성한다. 하드 마스크막(150)은 후속한 금속 배선 형성을 위한 식각 공정 시 식각 마스크로 사용 하기 위한 것으로, 식각 선택비가 서로 다른 제1 하드 마스크막(160) 및 제2 하드 마스크막(170)의 적층막으로 형성할 수 있다. 이때, 제1 하드 마스크막(160)은 산화막으로 형성할 수 있고, 제2 하드 마스크막(170)은 아모퍼스 카본막(amorphous carbon layer)으로 형성할 수 있다.
그런 다음, 하드 마스크막(150) 상에 반사 방지막(Anti Reflective Coating Layer; ARC) 및 포토레지스트막을 증착한 후 노광(exposure) 및 현상(develop)으로 패터닝하여 포토레지스트 패턴(190)을 형성하고, 포토레지스트 패턴(190)을 마스크로 반사 방지막을 식각하여 반사 방지막 패턴(180)을 형성한다. 여기서, 반사 방지막은 포토레지스트막 노광 시 빛의 난반사를 방지하기 위한 것으로, 실리콘 산화질화막(SiON)으로 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 포토레지스트 패턴(190) 및 반사 방지막 패턴(180)을 마스크로 하여 제2 하드 마스크막(170) 및 제1 하드 마스크막(160)을 순차적으로 식각하여 패터닝한다. 패터닝 공정은 건식 식각(dry etch) 공정으로 실시할 수 있으며, 이때 식각 공정은 제2 배리어 메탈막(140)과 제1 하드 마스크막(160) 간 식각 선택비 차이에 의해 제2 배리어 메탈막(140) 상부 표면에서 식각이 정지되도록 실시한다. 이로써, 제2 배리어 메탈막(140)의 표면 일부가 노출된다.
한편, 제2 및 제1 하드 마스크막(170, 160) 패터닝 과정에서 포토레지스트 패턴(190) 및 반사 방지막 패턴(180)이 함께 식각되어 제거될 수 있으며, 잔류될 경우 식각 공정을 실시하여 제거한다.
도 1c를 참조하면, 식각 공정을 실시하여 제2 하드 마스크막(170)을 선택적 으로 제거한다. 이로써, 패터닝된 제1 하드 마스크막(160)만이 제2 배리어 메탈막(140) 상에 잔류된다.
도 1d를 참조하면, 400 내지 450℃의 온도에서 열처리를 실시한다. 이러한 열처리 공정에 의해 반도체 기판(100)의 온도가 상승됨에 따라 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140)으로 사용된 구리화합물(CuMn)의 결합이 분해되어 구리화합물(CuMn)의 구리(Cu) 성분이 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속층(130)으로 확산(diffuse)된다. 또한, 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140)으로 사용된 구리화합물(CuMn)의 망간(Mn) 성분이 각각에 인접한 층간 절연막(110) 및 제1 하드 마스크막(160)으로 확산(diffuse)된다.
이렇게, 금속층(130)으로 확산된 구리(Cu) 성분은 금속층(130)의 금속 성분, 즉 알루미늄(Al)과 반응하고, 층간 절연막(110) 또는 제1 하드 마스크막(160)으로 확산된 망간(Mn) 성분은 이들 각각의 막(110, 160)의 산소(O2) 성분과 반응하게 된다. 따라서, 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140) 및 금속층(130)이 구리-금속 반응막(130a), 즉 알루미늄구리(AlCu)막으로 치환되고, 층간 절연막(110) 및 제1 하드 마스크막(160) 각각이 망간산화물(MnOx(1≤x≤2))로 이루어지는 하부 및 상부 망간산화물막(110a, 160a)으로 치환된다.
상기한 바와 같이, 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140) 및 금속층(130)이 구리-금속 반응막(130a)으로 치환될 경우 비저항이 높은 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140)은 없어지고, 초기 증착된 금속층(130)의 두께에 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140)의 초기 증착 두께를 합한 두께를 갖는 비저항이 낮은 구리-금속 반응막(130a)이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구리-금속 반응막(130a) 형성 방법을 이용하여 후속한 금속 배선을 형성할 경우 금속층(130)의 높이를 낮출 수 있어 커패시턴스 값을 낮출 수 있다.
또한, 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140)을 망간구리(CuMn)와 같은 구리화합물로 형성하여 후속한 열처리 시 금속층(130)의 내부에 구리(Cu)를 유입시킴으로써, 구리-금속 반응막(130a) 형성을 통해 알루미늄막의 전자 이동(electric-migration) 특성을 개선할 수 있고, 이를 통해 이후에 형성될 금속 배선의 로버스트(robust)한 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1e를 참조하면, 상부 망간산화물막(160a)을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 실시하여 구리-금속 반응막(130a)을 패터닝한다. 이로써, 초기 증착된 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140) 없이 알루미늄구리(AlCu)막과 같은 구리-금속 반응막(130a)으로만 이루어진 금속 배선(130b)이 형성된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 배선(130b)은 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140) 및 금속층(130)을 비저항이 낮은 구리-금속 반응막(130a)으로 치환시킴으로써, 초기 증착 시 비저항이 높은 제1 및 제2 배리어 메탈막(120, 140)을 없애 비저항이 낮은 구리-금속 반응막(130a)만으로 금속 배선(130b)을 형성함에 따라 콘택 저항을 줄여 저저항 금속 배선(130b)을 형성할 수 있게 된다. 그리고, 저저항 금속 배선(130b) 형성을 통해 RC 지연을 줄임으로써 반도체 소자의 프로그램 스피드(Program Speed)를 증가시키고 소비전력을 낮출 수 있다.
또한, 금속 배선(130b)에 구리를 유입시켜 금속 배선의 로버스트(robust)한 신뢰성을 확보함으로써, 금속 배선의 신뢰성을 향상시켜 소자의 전기적 특성 향상 및 수율 증가를 가져온다.
도 1f를 참조하면, 금속 배선(130b) 및 노출된 하부 망간산화물막(110a) 상에 금속배선간 절연막(Inter Metal Dielectric; IMD, 200)을 형성한 후 후속 공정을 실시한다. 금속배선간 절연막(200)은 절연 물질이면 모두 적용 가능하며, 바람직하게 산화막으로 형성할 수 있으며, 예를들어 고밀도 플라즈마(High Density Plasma; HDP) 산화막으로 형성할 수 있다.
본 발명은 상기에서 서술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 상기의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 기판 110 : 층간 절연막
110a : 하부 망간산화물막 120 : 제1 배리어 메탈막
130 : 금속층 130a : 구리-금속 반응막
130b : 금속 배선 140 : 제2 배리어 메탈막
150 : 하드 마스크막 160 : 제1 하드 마스크막
160a : 상부 망간산화물막 170 : 제2 하드 마스크막
180 : 반사 방지막 패턴 190 : 포토레지스트 패턴
200 : 금속배선간 절연막
Claims (11)
- 제1 절연막이 형성된 반도체 기판 상에 구리화합물로 이루어지는 제1 배리어 메탈막, 금속층, 구리화합물로 이루어지는 제2 배리어 메탈막, 식각 선택비가 서로 다른 제1 및 제2 하드 마스크막을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제1 및 제2 하드 마스크막을 패터닝하는 단계;패터닝된 상기 제2 하드 마스크막을 제거하는 단계;열처리를 실시하여 상기 제1 및 제2 배리어 메탈막의 구리 성분을 상기 금속층으로 확산시켜 상기 제1 및 제2 배리어 메탈막 및 상기 금속층을 구리-금속 반응막으로 치환시키는 단계;망간산화물막으로 치환된 패터닝된 상기 제1 하드 마스크막을 식각 마스크로 하여 상기 구리-금속 반응막을 패터닝하는 단계; 및상기 구리-금속 반응막 및 망간산화물막으로 치환된 상기 제1 절연막 상에 제2 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 구리화합물은 망간구리(CuMn)로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 및 제2 배리어 메탈막 각각은 50 내지 200Å의 두께로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속층은 알루미늄(Al)으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 배리어 메탈막, 상기 제2 배리어 메탈막 및 상기 금속층 각각은 물리기상증착 방법으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 절연막 및 상기 제1 하드 마스크막 각각은 산화막으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 하드 마스크막은 아모퍼스 카본(amorphous carbon)막으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열처리는 400 내지 450℃의 온도에서 실시하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 구리-금속 반응막은 알루미늄구리(AlCu)막으로 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 망간산화물막은 상기 구리-금속 반응막이 형성되면서 상기 제1 및 제2 배리어 메탈막으로 사용된 상기 구리화합물의 망간 성분이 상기 제1 절연막 및 상기 제1 하드 마스크막으로 확산되어 산소 성분과 반응하여 상기 제1 절연막 및 상기 제1 하드 마스크막이 망간산화물(MnOx(1≤x≤2))로 이루어지는 막으로 치환되어 형성되는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 하드 마스크막 패터닝 시,상기 제2 배리어 메탈막의 상부 표면에서 식각이 정지되도록 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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