KR20090069569A - 반도체소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 반도체소자는 기판상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층 내에 형성된 플러그; 상기 플러그 상에 형성된 금속층; 및 상기 금속층 상에 형성된 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
메탈라인, 반사방지막, 신터링

Description

반도체소자 및 그 제조방법{Semiconductor Device and Method for manufacturing the same}
실시예는 반소체소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체소자에서 배선공정은 비아플러그 공정과 메탈라인 공정을 통해 진행된다. 또한, 메탈라인 상에는 반사방지막 공정이 진행된다.
한편, 금속배선 공정 후 소자의 성능개선을 위해 열처리에 의한 신터링공정(Sinter Process)이 진행된다.
그런데, 종래기술에 의하면 신터링을 진행하는 경우 Thermal Stress에 의해, 메탈라인과 층간절연층의 열팽창 계수 차이 또는 메탈라인과 반사방지막의 계면반응에 의해 메탈리프팅(Metal Lifting), IMD 크랙(Crack)이 심화되어 메탈패드(Metal Pad)의 일정부분(Via Array 영역) 위의 메탈층(Metal Layer)이 떨어져 나가는 패드홀(Pad Hole)이 발생하는 등의 문제가 있다. 이는 소자의 외관 불량 및 신뢰성을 저하시키는 주요 요인으로 작용할 수 있다.
또한, 종래기술에 의하면 메탈라인과 반사방지막 사이에 Thermal Stress에 의한 메탈보이드가 발생하는 문제가 있었다.
실시예는 층간절연층과 메탈라인 계면 특성을 개선하여 Thermal Stress에 의한 영향을 최소화시킬 수 있는 반도체소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 메탈라인과 반사방지막의 계면특성을 개선하여 신터링진행시 Thermal Stress에 의한 메탈 보이드를 방지할 수 있는 반도체소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 반도체소자는 기판상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층 내에 형성된 플러그; 상기 플러그 상에 형성된 금속층; 및 상기 금속층 상에 형성된 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 반도체소자의 제조방법은 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 층간절연층 내에 플러그를 형성하는 단계; 상기 플러그 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC)을 형성하는 단계; 상기 금속층과 임퓨어 반사방지막을 선택적으로 식각하여 금속배선을 형성하는 단계; 및 상기 금속배선을 포함하는 기판에 신터링을 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 반도체 소자 및 그 제조방법에 의하면 PE USG 공정에 의해 층간절연층과 메탈라인의 계면 특성을 개선함으로써 IMD/Metal Film의 특성을 Tensile 쪽으로 개선하여 Sinter Process 전/후의 Stress 변화를 최소화할 수 있으며, Metal Lifting 및 IMD Crack에 의한 CIS 등의 반도체소자의 Pad Hole을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 Pad Hole에 의한 제품의 외관 불량 개선 및 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 메탈라인 형성시 인슈트 공정(in-situ Process)를 적용하여 임퓨어 반사방지막을 형성하여 신터링공정(Sinter Process)에 따른 Thermal Stress 변화를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 이미지센서 제품의 Metal Void를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 SM(Stress Migration) 특성이 개선되기 때문에 Metal Process의 Margin 및 제품의 신뢰성을 향상할 수 있다.
이하, 실시예에 따른 반도체소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 발명은 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, 반사방지막과 신터링공정이 필요한 모든 반도체소자에 적용이 가능하다.
(실시예)
도 1는 실시예에 따른 반도체소자의 금속배선의 단면도이다.
실시예에 따른 반도체소자는 기판(미도시)상에 형성된 층간절연층(110); 상 기 층간절연층(110) 내에 형성된 플러그(123), 상기 플러그(123) 상에 형성된 금속층(240); 및 상기 금속층(240) 상에 형성된 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250);을 포함할 수 있다.
상기 층간절연층(110)은 PE(Plasma Enhansed) USG로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플러그(123)와 상기 층간절연층(110) 사이에는 확산방지막(121)을 더 형성될 수 있다.
상기 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)은 임퓨어 TiNx막일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)은 300~375Å의 두께를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 금속배선(200)은 상기 금속층(240) 하측에 형성된 라이너층(230)을 더 포함할 수 있다. 라이너층(230)은 제1 라이너층(231)과 제2 라이너층(232)을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 실시예에 따른 반도체소자의 금속배선에 대한 열처리에 따른 스트레스 변화이다.
우선, 도 2는 온도에 따른 Thermal stress의 변화로서 종래기술(POR)에서는 온도에 따른 Thermal stress 변화가 급격하다.
반면, 실시예에 따른 반도체소자는 층간절연층(110)과 금속배선(200) 사이에 도 2와 같이 PE USG/in-situ ARC 공정(I)에 의해 Tensile Stress 특성을 가지며, 열처리 (450℃ Sinter Process) 전/후 Stress 변화가 기존의 IMD/Metal (POR) 대비 매우 적기 때문에 Thermal Budget 에 의한 영향을 최소화 할 수 있다.
실시예에서의 PE USG/in-situ ARC Process(I)는 Thermal Stress 에 대한 충분한 Margin 을 가짐으로써 450℃ Sinter Process 에 기인한 Metal Lifting 및 IMD Crack 에 의한 Pad Hole 을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 도 3과 신터링에 따른 Stress Variation으로서 종래기술(POR)은 약 106 MPa의 급격한 Stress Variation이 있는 반면에, 실시예에 의하면 PE USG/in-situ ARC Process(I)에 의해 약 8.7 MPa의 Tensile Stress 특성을 나타낸다.
즉, 실시예에 따른 반도체소자에 의하면 층간절연층을 PE-USG에 의해 형성하고, 금속층(Metal Layer) 상에 ARC 증착시 인슈트 공정(in-situ Process)를 적용하여 임퓨어 반사방지막을 형성함으로써 신터링공정(Sinter Process)에 따른 Thermal Stress 변화를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 이미지센서 제품의 Pad Hole 또는 Metal Void를 효과적으로 억제할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 실시예에 따른 반도체소자의 제조방법을 설명한다.
우선, 기판(미도시) 상에 층간절연층(110)을 형성한다. 상기 층간절연층(110)은 PMD 또는 IMD일 수 있다.
상기 층간절연층(110)은 PE(Plasma Enhansed) USG로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 PE(Plasma Enhansed) USG 공정은 약 400±40℃에서 진행될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서의 PE(Plasma Enhansed) USG로 형성되는 층간절연층의 특징을 설 명한다. 층간절연층(Dielectric Film)이 좀더 컴프레스브(more Compressive) 할수록 메탈(Metal)과의 열팽창 계수의 차이가 커질 뿐만 아니라 메탈층(Metal Layer)으로 푸싱다운(Pushing Down) 하는 힘이 커져서 메탈 보이드(Metal Void) 형성에 유리하도록 작용할 수 있다.
한편, HDP CVD 에 의한 층간절연층 공정(IMD Process)은 PE CVD 방식보다 ㄱ기판 내 온도 변화가 크기 때문에 열스트레스(Thermal Stress)에 기인한 메탈 리프팅)(Metal Lifting, or Metal Void) 및 메탈층(Metal Layer)의 비저항 변화(Rs Shift)가 발생하기 쉽다.
이와 같은 문제를 개선하기 위하여 실시예는 more Compressive 한 HDP USG 대신 PE USG를 증착함으로써 메탈 보이드 등의 발생을 방지할 수 있다.
이후, 상기 층간절연층(110)을 식각하여 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치에 플러그(123)를 형성할 수 있다. 상기 플러그(123)은 컨택플러그 또는 비아플러그 일 수 있다.
이때, 실시예는 상기 플러그(123)와 상기 층간절연층(110) 사이에 확산방지막(121)을 더 형성할 수 있다.
이후, 상기 플러그(123)와 층간절연층(110) 상에 SiH4를 이용한 캡층(Cap layer) 형성공정을 더 진행할 수 있다.
다음으로, 실시예는 상기 층간절연층(110) 상에 라이너층(230)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 라이너층(230)은 제1 라이너층(231)과 상기 제1 라이너층(231) 상에 형성되는 제2 라이너층(232)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 라이너층(230)은 Ti 라이너층(231)과 TiN 라이너층(233)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 라이너층(230) 상에 금속층(240)을 형성한다. 예를 들어, AlCu로 금속층을 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 금속층(240) 상에 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)을 형성한다. 상기 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)을 형성하는 단계는 제1 반사방지막(미도시)을 형성하는 단계와 상기 제1 반사방지막 상에 제2 반사방지막(미도시)을 인시튜공정(In-situ Process)으로 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 반사방지막은 Ti막이며, 상기 제2 반사방지막은 TiN막으로 인시튜공정(In-situ Process) 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)은 Ti막 형성 후 TiN막을 인시튜공정(In-situ Process) 으로 진행함으로써 임퓨어 TiNx막을 형성하여 Ti막과 AlCu의 계면반응에 의한 TiAl3 형성을 최소화하여 신터링공정(Sinter Process) 에 기인한 Metal Void를 효과적으로 억제할 수 있다.
이하, 실시예에서의 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250) 형성공정을 좀 더 구체적으로 설명한다.
우선, 실시 예에서 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250) 형성공정에서 제1 반사방지막은 상기 제2 반사방지막 두께의 20~50% 두께를 가질 수 있다.
예를 들어, 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)이 약 300~375Å의 두께를 가질 수 있다. 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)의 두께가 증가할수록 TiAl3 형성에 의한 금속배선(Metal Line)의 Volume Shrinkage를 효과적으로 억제함으로써 Surface Morphology, Rs Drift Issue를 개선할 수 있다. 즉, Metal의 EM/SM 특성을 향상할 수 있다.
그러나 Ti에 의한 Hydrogen (H)의 Trap이 증가되기 때문에 Dark 특성 열화가 발생할 수 있으므로 ARC Ti는 50~125Å의 두께를 사용할 수 있다.
또한, TiN막의 두께는 250Å에서 사진/식각 공정시 충분한 마진(Margin)을 확보할 수 있다.
다음으로, 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250) 공정은 약 5~10㎾의 Power를 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 반사방지막의 증착률(Dep rate)은 상기 제2 반사방지막의 증착률보다 더 높을 수 있다. 예를 들어, ARC Ti의 경우, D/R(Dep. Rate) 을 높여 TiAl3 형성을 최소화한다. 이와 반대로 TiN의 경우는 D/R 을 낮추어 Dense 한 Film 을 형성할 수 있다. 이는 사진 공정시 현상액(Developer)에 의한 Al의 Attack 을 방지하기 위함이다.
다음으로, 상기 임퓨어 반사방지막(Impure ARC)(250)을 형성하는 단계는 약 50℃ 이하의 온도에서 진행될 수 있다. 예를 들어, in-situ ARC Ti/TiN 은 ≤50℃ 의 Temp 에서 증착한다.
Trouble 발생시 Chamber(@ 200℃) 내 장시간 홀딩(Holding)에 기인한 Cu Segregation (Θ Phase 형성) 에 의해서 금속배선(Metal Line)의 쇼트(Short)가 발생되고 이로 인하여 수율(Yield) 저하(Loss)가 발생할 수 있다. 이와 같은 문제를 방지하기 위하여 in-situ ARC Process 는 ≤50℃의 저온 공정을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 반사방지막을 형성하는 단계는 60~100 sccm의 Ar가스 분위기에서 진행되며, 상기 제2 반사방지막을 형성하는 단계는 40~60 sccm의 Ar가스 및 80~120 sccm의 N2가스 분위기에서 진행될 수 있다.
예를 들어, in-situ ARC Process는 Dense한 Impure TiNX Film 구조를 형성하기 위하여 80sccm(Ar)- 50/100sccm (Ar/N2) 의 Process Gas를 사용할 수 있다. 이는 이후 진행되는 사진공정시 현상액(Developer)에 의한 Al의 어택(Attack)을 방지하기 위함이다.
그 다음으로, 상기 금속층(240)과 임퓨어 반사방지막(250)을 선택적으로 식각하여 금속배선(200)을 형성한다.
이후, 상기 금속배선(200)을 포함하는 기판에 신터링을 진행한다.
실시예에 따른 반도체 소자 및 그 제조방법에 의하면 PE USG 공정에 의해 층간절연층과 메탈라인의 계면 특성을 개선함으로써 IMD/Metal Film의 특성을 Tensile 쪽으로 개선하여 Sinter Process 전/후의 Stress 변화를 최소화할 수 있으며, Metal Lifting 및 IMD Crack에 의한 CIS 등의 반도체소자의 Pad Hole을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 Pad Hole에 의한 제품의 외관 불량 개선 및 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 메탈라인 형성시 인슈트 공정(in-situ Process)를 적용하여 임퓨어 반사방지막을 형성하여 신터링공정(Sinter Process)에 따른 Thermal Stress 변화를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 이미지센서 제품의 Metal Void를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 SM(Stress Migration) 특성이 개선되기 때문에 Metal Process의 Margin 및 제품의 신뢰성을 향상할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 반도체소자의 금속배선의 단면도.
도 2 및 도 3은 실시예에 따른 반도체소자의 금속배선에 대한 열처리에 따른 스트레스 변화.

Claims (10)

  1. 기판상에 형성된 층간절연층;
    상기 층간절연층 내에 형성된 플러그;
    상기 플러그 상에 형성된 금속층; 및
    상기 금속층 상에 형성된 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC);을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 층간절연층은
    PE USG로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC)은,
    임퓨어 TiNx막인 것을 특징으로 하는 반도체소자.
  4. 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간절연층 내에 플러그를 형성하는 단계;
    상기 플러그 상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층 상에 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC)을 형성하는 단계;
    상기 금속층과 임퓨어 반사방지막을 선택적으로 식각하여 금속배선을 형성하는 단계; 및
    상기 금속배선을 포함하는 기판에 신터링을 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 층간절연층을 형성하는 단계는,
    PE USG로 층간절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC)을 형성하는 단계는,
    제1 반사방지막을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 반사방지막 상에 제2 반사방지막을 인시튜공정(In-situ Process)으로 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막은 Ti막이며,
    상기 제2 반사방지막은 TiN막인 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 임퓨어 반사방지막(Impuer ARC)은,
    임퓨어 TiNx막인 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  9. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막은 상기 제2 반사방지막 두께의 20~50% 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
  10. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막의 증착률(Dep rate)은 상기 제2 반사방지막의 증착률 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 반도체소자의 제조방법.
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