KR20200101110A - Copper interconnector, method of manufacturing the copper interconnector, and semiconductor device having the copper interconnector - Google Patents

Copper interconnector, method of manufacturing the copper interconnector, and semiconductor device having the copper interconnector Download PDF

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Abstract

A copper interconnector is disclosed. The copper interconnector includes: a first conductor; a capping layer disposed to cover an upper surface of the first conductor and formed of an electrically conductive material; a dielectric layer disposed on the capping layer and including a trench from which a portion of the capping layer is etched to be removed; a diffusion barrier layer formed with a first thickness on a region of the surface of the dielectric layer which forms a side surface of the trench and a region of the upper surface of the first conductor exposed by the trench, wherein the diffusion barrier layer is formed of amorphous tantalum-manganese oxide; and a second conductor disposed inside the trench covered by the diffusion barrier layer and formed of copper (Cu). Therefore, the present invention can provide the copper interconnector capable of effectively preventing the diffusion of copper.

Description

구리 인터커넥터, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 반도체 장치{COPPER INTERCONNECTOR, METHOD OF MANUFACTURING THE COPPER INTERCONNECTOR, AND SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING THE COPPER INTERCONNECTOR}A copper interconnector, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device including the same TECHNICAL FIELD [0002] COPPER INTERCONNECTOR, METHOD OF MANUFACTURING THE COPPER INTERCONNECTOR, AND SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING THE COPPER INTERCONNECTOR}

본 발명은 반도체 집적 회로에서 소자들을 전기적으로 연결하는 구리 인터커넥터, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a copper interconnect for electrically connecting elements in a semiconductor integrated circuit, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device including the same.

인터커넥터 기술은 반도체 소자 제조시 소자와 소자 간을 전기적으로 연결하기 위한 기술로서, 현재 반도체 장치에서는 기존의 알루미늄이나 텅스텐에 비해 비저항이 낮고 일렉트로 마이그레이션(electromigration, EM) 및 스트레스마이그레이션(stressmigration, SM) 등의 측면에서 신뢰성이 우수한 구리(Cu)가 널리 적용되고 있다. 구리는 종래 인터커넥터 재료로 사용된 알루미늄보다 녹는점이 높을 뿐 만 아니라, 비저항이 알루미늄(2.7

Figure pat00001
) 보다 낮은 1.7
Figure pat00002
을 가지므로, 고집적 회로에 적합하다. Interconnector technology is a technology for electrically connecting devices and devices when manufacturing semiconductor devices.In current semiconductor devices, the specific resistance is lower than that of conventional aluminum or tungsten, and electromigration (EM) and stress migration (SM) are used. Copper (Cu), which has excellent reliability in terms of etc., is widely applied. Copper not only has a higher melting point than aluminum used as a conventional interconnect material, but also has a specific resistance of aluminum (2.7
Figure pat00001
) Lower than 1.7
Figure pat00002
As it has, it is suitable for highly integrated circuits.

그러나, 구리는 알루미늄에 비해 실리콘이나 산화물 내에서 매우 빠른 확산도를 가지고 있으므로 구리의 확산을 차단해 줄 수 있는 확산 방지막이 필요하다. 확산 방지막은 구리와 전혀 반응하지 않는 금속인 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 루테늄(Ru) 등의 금속 재료, TaN, TiN, WN, TaSiN 등의 질화물 재료 등으로 형성되고 있다. However, since copper has a very fast diffusivity in silicon or oxide compared to aluminum, there is a need for a diffusion barrier that can block the diffusion of copper. The diffusion barrier is formed of metal materials such as tantalum (Ta), titanium (Ti), cobalt (Co), ruthenium (Ru), which are metals that do not react with copper, and nitride materials such as TaN, TiN, WN, and TaSiN. Has become.

다만, 최근 보고에 의하면, 금속 또는 질화물로 수 나노미터의 두께를 갖는 확산방지막을 형성할 경우, 구리의 확산을 제어할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 질화물로 확산 방지막을 형성하는 경우, 구리와 실리콘의 매우 좋은 화학적 친화력 때문에 확산 방지막을 비정질로 형성하더라도 상대적으로 저온에서 결정질로 변화되어 확산 방지 성능이 저하되는 문제점이 있다.However, according to a recent report, when a diffusion barrier film having a thickness of several nanometers is formed from a metal or nitride, there is a problem that the diffusion of copper cannot be controlled. In addition, when the diffusion barrier layer is formed of nitride, even if the diffusion barrier layer is formed of an amorphous material due to a very good chemical affinity between copper and silicon, there is a problem in that the diffusion barrier performance is deteriorated because it is changed to crystalline at a relatively low temperature.

본 발명의 일 목적은 탄탈럼-망가니즈 산화물로 이루어진 확산방지층을 구비하여 구리의 확산을 효과적으로 방지할 수 있는 구리 인터커넥터를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a copper interconnector capable of effectively preventing the diffusion of copper by providing a diffusion barrier layer made of tantalum-manganese oxide.

본 발명의 다른 목적은 상기 구리 인터케넉터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the copper intercancer.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 구리 인터커넥터를 구비하는 반도체 장치를 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device including the copper interconnector.

본 발명의 실시예에 따른 구리 인터커넥터는 제1 도전체; 상기 제1 도전체 상부면을 피복하도록 배치되고, 전기 전도성 재료로 형성된 캡핑층; 상기 캡핑층 상부에 배치되고, 상기 캡핑층의 일부를 식각하는 트렌치를 포함하는 유전체층; 상기 유전체층의 표면 중 상기 트렌치의 측면을 형성하는 영역 및 상기 캡핑층의 상부면 중 상기 트렌치에 의해 노출된 영역 상에 제1 두께로 형성되고, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 비정질 탄탈럼-망가니즈 산화물로 형성된 확산방지층; 및 상기 확산방지층에 의해 피복된 상기 트렌치 내부에 배치되고, 구리(Cu)로 형성된 제2 도전체를 포함한다. A copper interconnector according to an embodiment of the present invention includes a first conductor; A capping layer disposed to cover an upper surface of the first conductor and formed of an electrically conductive material; A dielectric layer disposed on the capping layer and including a trench for etching a portion of the capping layer; An amorphous tantalum-manganese oxide formed with a first thickness on a region of the surface of the dielectric layer forming a side surface of the trench and a region of the upper surface of the capping layer exposed by the trench, and having a composition of Formula 1 A diffusion barrier layer formed of; And a second conductor disposed inside the trench covered by the diffusion barrier layer and formed of copper (Cu).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 화학식 1에서, x는 0.09 이상 0.6 이하의 실수이고, y는 2 이상 3 이하의 실수일 수 있다. In Formula 1, x may be a real number of 0.09 or more and 0.6 or less, and y may be a real number of 2 or more and 3 or less.

일 실시예에 있어서, 상기 x는 0.35 이상 0.55 이하의 실수일 수 있다. In one embodiment, x may be a real number of 0.35 or more and 0.55 or less.

일 실시예에 있어서, 상기 확산방지층 전체 영역에 있어서, 탄탈럼 원소 및 망가니즈 원소 각각의 비율의 차이가 10% 이하가 되도록 상기 탄탈럼-망가니즈 산화물 조성이 균일할 수 있다. In an embodiment, the tantalum-manganese oxide composition may be uniform so that a difference in the ratio of each of the tantalum element and the manganese element is 10% or less in the entire area of the diffusion barrier layer.

일 실시예에 있어서, 상기 확산방지층은 0.5 nm 이상 3 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment, the diffusion barrier layer may have a thickness of 0.5 nm or more and 3 nm or less.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 도전체는 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. In one embodiment, the first conductor may be formed of copper (Cu) or aluminum (Al).

일 실시예에 있어서, 상기 캡핑층은 CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, SiCON으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성될 수 있다. In one embodiment, the capping layer may be formed of one or more materials selected from the group consisting of CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, and SiCON.

일 실시예에 있어서, 상기 유전체층은 실리콘산화물 또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. In one embodiment, the dielectric layer may be formed of silicon oxide or silicon nitride.

본 발명의 실시예에 따른 구리 인터커넥터의 제조방법은 제1 도전체 상에 캡핑층 및 유전체 박막을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 유전체 박막에 상기 캡핑층의 일부를 노출시키는 트렌치를 형성하여 유전체층을 형성하는 단계; 상기 트렌치 내부를 포함한 상기 유전체층 표면 상에 물리기상증착(PVD) 공정을 통해 하기 화학식 1의 조성을 갖는 비정질 탄탈럼-망가니즈 산화물로 형성되고 제1 두께를 갖는 확산방지 박막을 형성하는 단계; 상기 확산방지 박막으로 피복된 상기 트렌치를 채우는 구리 박막을 형성하는 단계; 및 화학적 기계연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정을 통해, 상기 확산방지 박막 및 상기 구리 박막 중 상기 트렌치 외부에 위치하는 부분들을 제거하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a copper interconnector according to an embodiment of the present invention includes sequentially forming a capping layer and a dielectric thin film on a first conductor; Forming a dielectric layer by forming a trench exposing a portion of the capping layer in the dielectric thin film; Forming an anti-diffusion thin film formed of amorphous tantalum-manganese oxide and having a first thickness on the surface of the dielectric layer including the inside of the trench through a physical vapor deposition (PVD) process; Forming a copper film filling the trench covered with the diffusion barrier film; And removing portions of the diffusion barrier thin film and the copper thin film located outside the trench through a chemical mechanical polishing (CMP) process.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 화학식 1에서, x는 0.09 이상 0.6 이하의 실수이고, y는 2 이상 3 이하의 실수이다. In Formula 1, x is a real number of 0.09 or more and 0.6 or less, and y is a real number of 2 or more and 3 or less.

일 실시예에 있어서, 상기 트렌치는 듀얼 다마신(Dual Damascene) 공정으로 형성되어 상기 캡핑층에 인접한 제1 폭을 갖는 하부 영역 및 상기 하부 영역 상부에 위치하고 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 상부 영역을 갖도록 형성될 수 있다. In one embodiment, the trench is formed by a dual damascene process, and is positioned above the lower region and the lower region having a first width adjacent to the capping layer and having a second width greater than the first width. It can be formed to have an upper region.

일 실시예에 있어서, 상기 구리 박막은 전해 도금 공정 또는 물리기상증착 (PVD) 공정을 통해 형성될 수 있다. In one embodiment, the copper thin film may be formed through an electroplating process or a physical vapor deposition (PVD) process.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치는 제1 소자; 상기 제1 소자와 이격되게 배치된 제2 소자; 및 상기 제1 소자와 상기 제2 소자를 전기적으로 연결하는 구리 인터커넥터를 포함하고, 상기 구리 인터컨넥터는 상기 제1 소자에 전기적으로 연결된 제1 도전체; 상기 제1 도전체 상부면을 피복하도록 배치되고, 선택적으로 형성된 캡핑층; 상기 캡핑층 상부에 배치되고, 상기 캡핑층의 일부를 노출시키는 트렌치를 포함하는 유전체층; 상기 유전체층의 표면 중 상기 트렌치의 측면을 형성하는 영역 및 상기 캡핑층의 상부면 중 상기 트렌치에 의해 식각된 영역 상에 제1 두께로 형성되고, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 비정질 탄탈럼-망가니즈 산화물로 형성된 확산방지층; 및 상기 확산방지층에 의해 피복된 상기 트렌치 내부에 배치되고, 구리(Cu)로 형성되며, 상기 제2 소자에 전기적으로 연결된 제2 도전체를 포함한다. A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first element; A second element disposed to be spaced apart from the first element; And a copper interconnect electrically connecting the first device and the second device, wherein the copper interconnect comprises: a first conductor electrically connected to the first device; A capping layer disposed to cover an upper surface of the first conductor and selectively formed; A dielectric layer disposed on the capping layer and including a trench exposing a portion of the capping layer; Amorphous tantalum-manganese oxide formed to a first thickness on a region of the surface of the dielectric layer forming a side surface of the trench and a region of the upper surface of the capping layer etched by the trench, and having a composition of Formula 1 A diffusion barrier layer formed of; And a second conductor disposed inside the trench covered by the diffusion barrier layer, formed of copper (Cu), and electrically connected to the second device.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 화학식 1에서, x는 0.09 이상 0.6 이하의 실수이고, y는 2 이상 3 이하의 실수이다.In Formula 1, x is a real number of 0.09 or more and 0.6 or less, and y is a real number of 2 or more and 3 or less.

일 실시예에 있어서, 상기 확산방지층은 0.5 nm 이상 3 nm 이하의 두께를 갖고, 상기 캡핑층은 CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, SiCON으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성되며, 상기 제1 도전체와 상기 제2 도전체는 전기적으로 연결될 수 있다. In one embodiment, the diffusion barrier layer has a thickness of 0.5 nm or more and 3 nm or less, and the capping layer is at least one material selected from the group consisting of CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, and SiCON. And the first conductor and the second conductor may be electrically connected.

본 발명에 따른 구리 인터커넥터 및 이를 구비하는 반도체 장치에 따르면, 내열금속 또는 내마모성 금속인 탄탈럼(Ta)과 망가니즈(Mn) 그리고 산소(O)의 화학적 결합에 의해 형성된 탄탈럼-망가니즈 산화물로 이루어진 확산방지층을 구비하여 구리의 확산을 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 확산방지층을 약 0.5 내지 3nm의 두께로 형성하더라도 구리 확산을 방지할 수 있어서 제1 도전체와 제2 도전체로 이루어진 배선의 저항을 감소시킬 수 있고, 그 결과, 인터커넥터 배선을 형성하기 위한 공정 온도 범위를 넓힐 수 있고, 반도체 장치의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. According to the copper interconnector according to the present invention and a semiconductor device having the same, a tantalum-manganese oxide formed by chemical bonding of tantalum (Ta), manganese (Mn), and oxygen (O), which are heat-resistant or wear-resistant metals. By providing a diffusion barrier layer made of, not only can the diffusion of copper effectively be prevented, but even if the diffusion barrier layer is formed to a thickness of about 0.5 to 3 nm, diffusion of copper can be prevented, so that the wiring made of the first conductor and the second conductor is The resistance can be reduced, and as a result, the process temperature range for forming the interconnector wiring can be widened, and the performance and reliability of the semiconductor device can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구리 인터커넥터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 구리 인터커넥터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 실시예 1의 1nm 두께를 갖는 Ta1-xMnxOy 박막에 대한 각 원소의 XPS 분석결과를 나타낸다.
도 4는 실시예 1 및 2의 적층체들에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 HR-TEM 결과들이다.
도 5는 비교예 1의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 HR-TEM 결과이다.
도 6a 및 도 6b는 실시예 1의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 EDS 및 EELS 원소 분석 결과를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 실시예 2의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 EDS 및 EELS 원소 분석 결과를 나타낸다.
도 8은 실시예 1의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 400℃에서 10시간 열처리한 후에 측정된 TEM 이미지, EDS 및 EELS 원소 분석 결과를 나타낸다.
도 9는 실시예 1의 적층체에 대해 400℃에서 10시간의 열처리 전 및 후의 I-V 특성들 및 C-V 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 10 내지 도 12는 비교예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 적층체들에서의 XPS 분석 결과 및 I-V 특성을 나타낸다.
1 is a cross-sectional view illustrating a copper interconnector according to an embodiment of the present invention.
2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the copper interconnector shown in FIG. 1.
3 shows the XPS analysis results of each element of the Ta 1-x Mn x O y thin film having a thickness of 1 nm of Example 1.
4 are HR-TEM results measured in an initial state after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the laminates of Examples 1 and 2;
5 is an HR-TEM result measured in an initial state after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the laminate of Comparative Example 1.
6A and 6B show EDS and EELS element analysis results measured in an initial state after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the laminate of Example 1.
7A and 7B show EDS and EELS element analysis results measured in an initial state after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the laminate of Example 2.
8 shows TEM images, EDS, and EELS element analysis results measured after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the laminate of Example 1 and then heat treatment at 400° C. for 10 hours.
9 are graphs showing IV characteristics and CV characteristics of the laminate of Example 1 before and after heat treatment at 400° C. for 10 hours.
10 to 12 show XPS analysis results and IV characteristics in the laminates of Comparative Example 2, Example 3, and Example 4.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present invention, various modifications may be made and various forms may be applied, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form of disclosure, it is to be understood as including all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features or steps. It is to be understood that it does not preclude the possibility of addition or presence of, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구리 인터커넥터를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 구리 인터커넥터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a copper interconnector according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the copper interconnector illustrated in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구리 인터커넥터는 제1 도전체(110), 캡핑층(120), 유전체층(130), 확산방지층(140) 및 제2 도전체(150)를 포함할 수 있다. 1, a copper interconnector according to an embodiment of the present invention comprises a first conductor 110, a capping layer 120, a dielectric layer 130, a diffusion barrier layer 140, and a second conductor 150. Can include.

상기 제1 도전체(110)는 제1 소자(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있고, 도전성 재료로 형성될 수 있다. 상기 제1 도전체(110)의 재료로는 공지의 반도체 소자용 배선 재료가 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전체(110)는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 코발트 (Co) 등의 금속으로 형성될 수 있다. 한편, 도 1에는 상기 제1 도전체(110)가 외부로 노출된 것으로 도시되어 있으나, 상기 제1 도전체(110)는 기판이나 유전체 내부에 실장될 수도 있다. The first conductor 110 may be electrically connected to a first device (not shown), and may be formed of a conductive material. As a material of the first conductor 110, a known wiring material for semiconductor devices may be applied without limitation. For example, the first conductor 110 may be formed of a metal such as copper (Cu), aluminum (Al), and cobalt (Co). Meanwhile, in FIG. 1, the first conductor 110 is shown to be exposed to the outside, but the first conductor 110 may be mounted inside a substrate or dielectric.

상기 캡핑층(120)은 상기 제1 도전체(110) 상부에 배치될 수 있고, 도전성 재료로 형성될 수 있다. 상기 캡핑층(120)은 상기 제1 도전체(110)와 상기 유전체층(130)의 접촉을 방지하여 상기 제1 도전체(110)의 금속 성분이 상기 유전체층(130) 내부로 확산하는 것을 방지할 수 있으며, 구리의 일렉트로 마이그레이션을 제어함으로써 신뢰성을 향상해줄 수 있는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 상기 캡핑층(120)은 CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, SiCON 등의 재료로 형성될 수 있다. The capping layer 120 may be disposed on the first conductor 110 and may be formed of a conductive material. The capping layer 120 prevents contact between the first conductor 110 and the dielectric layer 130 to prevent the metal component of the first conductor 110 from diffusing into the dielectric layer 130. It can play a role of improving reliability by controlling the electromigration of copper. To this end, the capping layer 120 may be formed of a material such as CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, and SiCON.

상기 유전체층(130)은 상기 캡핑층(120) 상부에 배치되고, 상기 캡핑층(120)과 상기 유전체층 (130)의 일부를 식각하여 제거한 트렌치 패턴(도 2a의 131)을 포함할 수 있다. 상기 트렌치(도 2a의 131)는 상기 캡핑층(120)에 인접한 하부 영역은 제1 폭을 갖고 상부 영역은 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 유전체층(130)은 유전체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유전체층(130)은 실리콘산화물, 실리콘 질화물, low-k 유전물 등의 재료로 형성될 수 있고, 상기 low-k 유전물은 SiOF, SiOC, SiCOH, 다공성 SiCOH, 제올라이트(Zeolites), 옥시카보실란(Oxycarbosilanes) 등의 재료를 포함할 수 있다. The dielectric layer 130 is disposed on the capping layer 120 and may include a trench pattern (131 in FIG. 2A) removed by etching the capping layer 120 and a portion of the dielectric layer 130. The trench (131 in FIG. 2A) may be formed such that a lower region adjacent to the capping layer 120 has a first width, and an upper region has a second width greater than the first width. The dielectric layer 130 may be formed of a dielectric material. For example, the dielectric layer 130 may be formed of a material such as silicon oxide, silicon nitride, and low-k dielectric material, and the low-k dielectric material is SiOF, SiOC, SiCOH, porous SiCOH, zeolites, and oxy Materials such as carbosilanes may be included.

상기 확산방지층(140)은 상기 유전체층(130)의 트렌치를 형성하는 표면, 예를 들면, 상기 유전체층(310)의 표면 중 상기 트렌치의 측면을 형성하는 면 및 상기 트렌치에 의해 노출된 상기 제1 도전체(110)의 상부면 상에 일정한 두께로 형성될 수 있고, 상기 제2 도전체(150)는 상기 확산방지층(140)에 의해 피복된 상기 트렌치(131) 내부에 배치될 수 있다.The diffusion barrier layer 140 is a surface forming a trench of the dielectric layer 130, for example, a surface of the dielectric layer 310 forming a side surface of the trench and the first conductivity exposed by the trench. The second conductor 150 may be formed on the upper surface of the sieve 110 to have a predetermined thickness, and the second conductor 150 may be disposed inside the trench 131 covered by the diffusion barrier layer 140.

상기 제2 도전체(150)는 구리(Cu) 듀얼 다마신(Dual Damascene) 공정으로 형성될 수 있고, 상기 확산방지층(140)은 상기 제2 도전체(150)의 구리가 상기 유전체층(130) 내부로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 상기 제2 도전체(150)는 제2 소자(미도시) 또는 제3 도전체(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 제1 및 제2 도전체(110, 150)에 의해 상기 제1 소자(미도시)와 상기 제2 소자 또는 제3 도전체는 전기적으로 연결될 수 있다. The second conductor 150 may be formed by a copper (Cu) dual damascene process, and the diffusion barrier layer 140 is formed of copper of the second conductor 150 as the dielectric layer 130. It can prevent spreading inside. The second conductor 150 may be electrically connected to a second element (not shown) or a third conductor (not shown), and the first and second conductors 110 and 150 An element (not shown) and the second element or the third conductor may be electrically connected.

일 실시예로, 상기 확산방지층(140)은 하기 화학식 1의 조성을 갖는 탄탈럼-망가니즈 산화물로 형성될 수 있고, 상기 탄탈럼-망가니즈 산화물은 상기 확산방지층(140) 내의 전체 영역에서 균일한 조성을 갖고, 구리의 빠른 확산경로가 없는 비정질(amorphous) 구조를 가질 수 있다. 상기 탄탈럼-망가니즈 산화물은 상기 확산방지층(140) 내의 전체 영역에서 균일한 조성을 갖는다는 것은 탄탈륨 원소 및 망간 원소의 비율의 차이가 약 10% 이하, 바람직하게는 약 5% 이하인 것을 의미한다. In one embodiment, the diffusion barrier layer 140 may be formed of a tantalum-manganese oxide having a composition of the following formula (1), and the tantalum-manganese oxide is uniform throughout the entire area within the diffusion barrier layer 140. It has a composition and can have an amorphous structure without a fast diffusion path of copper. The fact that the tantalum-manganese oxide has a uniform composition over the entire region in the diffusion barrier layer 140 means that the difference between the ratio of the tantalum element and the manganese element is about 10% or less, preferably about 5% or less.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 화학식 1에서, x는 약 0.09 이상 0.6 이하의 실수일 수 있고, y는 약 2 이상 3 이하의 실수일 수 있다. 상기 x의 값이 0.09 미만이거나 0.6을 초과하는 경우에는 상기 확산방지막(140)이 구리의 확산을 효과적으로 방지하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 일 실시예에 있어서, x는 약 0.35 이상 0.55 이하의 실수일 수 있다. In Formula 1, x may be a real number of about 0.09 or more and 0.6 or less, and y may be a real number of about 2 or more and 3 or less. When the value of x is less than 0.09 or exceeds 0.6, the diffusion barrier 140 may not effectively prevent the diffusion of copper. In one embodiment, x may be a real number of about 0.35 or more and 0.55 or less.

한편, 상기 제2 도전체(150)로부터 상기 유전체층(130)으로의 구리 확산을 효과적으로 방지하기 위해, 상기 확산방지층(140)은 약 0.5 nm 이상 3 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 확산방지층(140)의 두께가 0.5 nm 미만인 경우 너무 얇은 두께로 인해 구리 확산을 막을 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 3 nm를 초과하는 경우에는 상기 확산방지층(140) 내부에서 탄탈럼과 망가니즈이 상분리되어 구리의 확산 방지 성능이 오히려 저하될 뿐만 아니라 두께의 증가로 인하여 상기 제2 도전체(150) 내부에 있는 구리 영역이 감소됨에 따라 전기 저항이 증가하는 문제점이 발생될 수 있다. 일 예로, 상기 확산방지층(140)은 약 1 nm 이상 2.5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. Meanwhile, in order to effectively prevent diffusion of copper from the second conductor 150 to the dielectric layer 130, the diffusion barrier layer 140 may have a thickness of about 0.5 nm or more and 3 nm or less. If the thickness of the diffusion barrier layer 140 is less than 0.5 nm, there may be a problem in that copper diffusion cannot be prevented due to the too thin thickness, and when it exceeds 3 nm, tantalum and manganese may occur inside the diffusion barrier layer 140. Due to the phase separation, not only the performance of preventing diffusion of copper is lowered, but also the electrical resistance increases as the copper region inside the second conductor 150 decreases due to an increase in thickness. For example, the diffusion barrier layer 140 may have a thickness of about 1 nm or more and 2.5 nm or less.

도 1과 함께 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구리 인터커넥터를 제조하기 위해, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 도전체(110) 상에 상기 캡핑층(120) 및 일정한 두께를 갖는 유전체 박막을 순차적으로 형성한 후 상기 유전체 박막에 상기 트렌치(131)를 형성하여 상기 유전체층(130)을 형성할 수 있다. Referring to FIGS. 2A to 2D together with FIG. 1, in order to manufacture a copper interconnector according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2A, the capping layer ( 120) and a dielectric thin film having a predetermined thickness may be sequentially formed, and then the trench 131 may be formed in the dielectric thin film to form the dielectric layer 130.

상기 유전체 박막에 상기 트렌치(131)를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. A method of forming the trench 131 in the dielectric thin film is not particularly limited.

이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 유전체층(130) 표면 및 상기 트렌치(131)에 의해 노출된 제1 도전체(110) 표면 상에 확산방지 박막(140’을 형성할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, a diffusion barrier thin film 140 ′ may be formed on the surface of the dielectric layer 130 and the surface of the first conductor 110 exposed by the trench 131.

일 실시예에 있어서, 상기 확산방지 박막(140’은 물리기상증착(PVD) 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 물리기상증착 챔버 내부에 상기 제1 도전체(110), 상기 캡핑층(120) 및 상기 유전체층(130)이 형성된 구조체, 탄탈럼(Ta) 타겟 및 망가니즈(Mn) 타겟을 장착한 후 진공 상태에서 상기 증착 챔버 내부에 아르곤 가스를 주입하여 아르곤 플라즈마를 발생시키고, 이어서, 상기 아르곤 플라즈마를 상기 탄탈럼 및 망가니즈 타겟들에 충돌시켜 상기 타겟들로부터 튀어나온 탄탈럼 및 망가니즈 원자들을 상기 유전체층(130) 표면에 증착시키고, 이어서 이를 산화시킴으로써 상기 확산방지 박막(140’을 형성할 수 있다. 상기 구조체의 유전체층(130) 표면이 상기 탄탈럼 타겟 및 상기 망가니즈 타겟과 일정한 간격을 유지하면서 평행하도록 상기 구조체, 상기 탄탈럼 타겟 및 상기 망가니즈 타겟이 상기 증착 챔버 내부에 장착될 수 있다. In one embodiment, the diffusion preventing thin film 140 ′ may be formed by a physical vapor deposition (PVD) method, for example, the first conductor 110 and the capping layer inside a physical vapor deposition chamber. 120) and the structure on which the dielectric layer 130 is formed, a tantalum (Ta) target, and a manganese (Mn) target are mounted, and then argon gas is injected into the deposition chamber in a vacuum to generate argon plasma, and then, The argon plasma collides with the tantalum and manganese targets to deposit tantalum and manganese atoms protruding from the targets on the surface of the dielectric layer 130, and then oxidize them to form the diffusion preventing thin film 140'. The structure, the tantalum target, and the manganese target are mounted inside the deposition chamber so that the surface of the dielectric layer 130 of the structure is parallel to the tantalum target and the manganese target while maintaining a certain distance. Can be.

이 때, 아르곤 가스를 공급한 후 상기 챔버 내부를 약 4.0 내지 6.0 mTorr, 바람직하게는 약 5.5 mTorr의 기압으로 유지시킨 상태에서 약 5 내지 25 W 이하, 바람직하게는 약 5 내지 10 W의 전력으로 아르곤 가스를 이온화시켜 아르곤 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마를 형성하는 아르곤 이온들을 전기장에 의해 각 타겟으로 가속시켜 각 타겟들의 표면에 충돌시킬 수 있다. 이러한 충돌에 의해 각 타겟의 표면에 위치하는 원자나 분자가 물리적으로 튀어나오게 되고, 튀어나온 원자나 분자가 유전체층(130) 표면에 비정질 탄탈럼-망가니즈 합금(TaxMny) 형태로 증착될 수 있다. 그리고 증착된 탄탈럼-망가니즈 합금(TaxMny) 물질은 산소 친화력이 매우 높은 물질이기 때문에 상기 증착 챔버 내부로부터 외부로 꺼내질 때 산소와 결합하여 산화될 수 있다. 상기 물리증착 공정은 약 25 ℃ 내지 100 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 상기 유전체 박막은 약 10 Å 내지 25 Å의 두께로 형성될 수 있고, 상기 탄탈럼-망가니즈 합금(TaxMny)에서, 망가니즈의 함량은 약 9 내지 60 atomic%가 되도록 증착될 수 있다. At this time, after supplying the argon gas, the chamber is maintained at an atmospheric pressure of about 4.0 to 6.0 mTorr, preferably about 5.5 mTorr, with a power of about 5 to 25 W or less, preferably about 5 to 10 W. Argon plasma may be formed by ionizing argon gas, and argon ions forming the plasma may be accelerated to each target by an electric field to collide with the surfaces of the targets. By such collision, atoms or molecules located on the surface of each target physically protrude, and the protruding atoms or molecules will be deposited on the surface of the dielectric layer 130 in the form of an amorphous tantalum-manganese alloy (Ta x Mn y ). I can. In addition, since the deposited tantalum-manganese alloy (Ta x Mn y ) material is a material having a very high oxygen affinity, it may be oxidized by bonding with oxygen when taken out from the inside of the deposition chamber. The physical vapor deposition process may be performed in a temperature range of about 25° C. to 100° C., the dielectric thin film may be formed to a thickness of about 10 Å to 25 Å, and the tantalum-manganese alloy (Ta x Mn y ), the content of manganese may be deposited to be about 9 to 60 atomic%.

이어서, 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 확산방지 박막(140‘상부에 상기 트렌치를 채우는 구리 박막(150‘’을 형성할 수 있다. 일 실시예로, 상기 구리 박막(150‘’은 전해도금 공정을 통해 형성할 수 있다. 이 경우, 도 2c에 도시된 바와 같이, 구리 시드층(150‘을 형성한 후 전해도금 공정을 수행하여 상기 구리 박막(150‘’을 형성할 수 있다. Subsequently, as shown in FIGS. 2C and 2D, a copper thin film 150 ″ filling the trench may be formed on the diffusion barrier thin film 140 ′. In an embodiment, the copper thin film 150 ″ may be formed. Silver may be formed through an electroplating process In this case, as shown in FIG. 2C, the copper thin film 150 ″ may be formed by performing an electroplating process after forming a copper seed layer 150 ′. .

이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 화학적 기계연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정을 통해, 상기 확산방지 박막(140‘및 상기 구리 박막(150‘’중 상기 트렌치(131) 내부에 위치하는 부분들을 제외한 나머지 부분들을 제거함으로써, 상기 확산방지층(140) 및 상기 제2 도전체(150)를 형성할 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 1, through a chemical mechanical polishing (CMP) process, a portion of the diffusion preventing thin film 140 ′ and the copper thin film 150 ″ positioned inside the trench 131 The diffusion barrier layer 140 and the second conductor 150 may be formed by removing the remaining portions except for the elements.

본 발명에 따른 구리 인터커넥터 및 이를 구비하는 반도체 장치에 따르면, 내열금속 또는 내마모성 금속인 탄탈럼(Ta)과 망가니즈(Mn) 그리고 산소(O)의 화학적 결합에 의해 형성된 탄탈럼-망가니즈 산화물로 이루어진 확산방지층을 구비하여 구리의 확산을 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 확산방지층을 약 0.5 내지 3nm의 두께로 형성하여 제1 도전체와 제2 도전체로 이루어진 배선의 저항을 감소시킬 수 있고, 그 결과, 인터커넥터 배선을 형성하기 위한 공정 온도 범위를 넓힐 수 있고, 반도체 장치의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. According to the copper interconnector according to the present invention and a semiconductor device having the same, a tantalum-manganese oxide formed by chemical bonding of tantalum (Ta), manganese (Mn), and oxygen (O), which are heat-resistant or wear-resistant metals. By providing a diffusion prevention layer made of, not only can the diffusion of copper effectively be prevented, but also by forming the diffusion prevention layer to a thickness of about 0.5 to 3 nm, it is possible to reduce the resistance of the wiring made of the first conductor and the second conductor, As a result, the process temperature range for forming the interconnector wiring can be widened, and the performance and reliability of the semiconductor device can be improved.

이하 본 발명의 실시예와 비교예 그리고 실험예에 대해 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, examples, comparative examples, and experimental examples of the present invention will be described. However, the following examples are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예 1 및 2][Examples 1 and 2]

SiO2 유전체층이 피복된 2개의 실리콘 웨이퍼들 상에 탄탈럼 타겟 및 망가니즈 타켓을 이용한 물리기상증착(PVD) 공정을 통해 1.0nm(실시예 1)및 2.5nm(실시예 2) 두께의 Ta1-xMnxOy 박막들을 각각 형성하였고, 이들의 상부에 스퍼터링 공정을 통해 구리 박막들을 각각 형성하였다. 이 때, Ta1-xMnxOy 박막들에 있어서, 망가니즈 원자와 탄탈럼 원자의 비는 53.45:46.55로 측정되었다.(도 3 참조)Ta 1 having a thickness of 1.0 nm (Example 1) and 2.5 nm (Example 2) through a physical vapor deposition (PVD) process using a tantalum target and a manganese target on two silicon wafers coated with a SiO 2 dielectric layer. -x Mn x O y thin films were formed, respectively, and copper thin films were formed on top of them through a sputtering process. At this time, in the Ta 1-x Mn x O y thin films, the ratio of manganese atoms and tantalum atoms was measured to be 53.45:46.55 (see FIG. 3).

[비교예 1][Comparative Example 1]

Ta1-xMnxOy 박막의 두께를 8nm로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1 및 2와 동일한 방법으로 SiO2 유전체층이 피복된 실리콘 웨이퍼 상에 Ta1-xMnxOy 박막 및 구리 박막을 순차적으로 형성하였다.Except that the formation of the thickness of the Ta 1-x Mn x O y thin film as 8nm in Example 1 and 2 with the same method as SiO 2 dielectric layer is coated with a silicon wafer onto the Ta 1-x Mn x O y thin film, and copper Thin films were sequentially formed.

[실험예][Experimental Example]

도 3은 실시예 1의 1nm 두께를 갖는 Ta1-xMnxOy 박막에 대한 각 원소의 XPS 분석결과를 나타낸다. 3 shows the XPS analysis results of each element of the Ta 1-x Mn x O y thin film having a thickness of 1 nm of Example 1.

도 3을 참조하면, Ta1-xMnxOy 박막 내부에서, 탄탈럼 산화물은 대부분 Ta2O5 형태로 존재하고 망가니즈 산화물은 MnO, MnO2 및 Mn2O3 형태로 존재함으로 확인할 수 있다. 그리고 망가니즈 원소와 탄탈럼 원소는 약 53.45: 46.55의 비율로 상기 Ta1-xMnxOy 박막에 포함되어 있음을 확인할 수 있다. 이로부터 TaxMnyOz 박막에 있어서, 망가니즈 원소와 탄탈럼 원소 합에 대한 망가니즈 원소이 비율은 약 0.60 at%까지, 바람직하게는 약 0.55 at%까지는 안정적으로 구리 확산 방지막으로 기능할 수 있을 것으로 판단된다.Referring to FIG. 3, it can be confirmed that in the Ta 1-x Mn x O y thin film, tantalum oxide mostly exists in the form of Ta 2 O 5 and manganese oxide exists in the form of MnO, MnO 2 and Mn 2 O 3 . have. In addition, it can be seen that the manganese element and the tantalum element are included in the Ta 1-x Mn x O y thin film in a ratio of about 53.45:46.55. From this, in the Ta x Mn y O z thin film, the ratio of the manganese element to the sum of the manganese element and the tantalum element is up to about 0.60 at%, preferably up to about 0.55 at%, stably functioning as a copper diffusion barrier. I think there will be.

도 4는 실시예 1 및 2의 적층체들에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 HR-TEM 결과들이고, 도 5는 비교예 1의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 HR-TEM 결과이다.4 shows HR-TEM results measured in an initial state after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the stacks of Examples 1 and 2, and FIG. 5 is a stack of Comparative Example 1, Ta This is the HR-TEM result measured in the initial state after depositing a 1-x Mn x O y thin film.

도 4 및 도 5를 참조하면, 실시예 1 및 2의 Ta1-xMnxOy 박막들에서는 상분리가 발생하지 않고 비정질 상태임을 확인할 수 있으나, 비교예 1의 Ta1-xMnxOy 박막에서는 Mn층과 Ta층의 상분리가 발생하였고 비정질 상태가 아닌 결정질 상태로 존재함을 확인할 수 있다. 따라서, Ta1-xMnxOy 박막의 두께는 8nm 미만, 바람직하게는 5nm 이하, 보다 바람직하게는 3nm 이하인 것이 바람직하다. 4 and 5, it can be seen that the Ta 1-x Mn x O y thin films of Examples 1 and 2 do not cause phase separation and are in an amorphous state, but Ta 1-x Mn x O y of Comparative Example 1 In the thin film, it can be seen that the phase separation between the Mn layer and the Ta layer occurred and exist in a crystalline state rather than an amorphous state. Therefore, the thickness of the Ta 1-x Mn x O y thin film is preferably less than 8nm, preferably 5nm or less, and more preferably less than or equal to 3nm.

도 6a 및 도 6b는 실시예 1의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 EDS 및 EELS 원소 분석 결과를 나타내고, 도 7a 및 도 7b는 실시예 2의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 초기 상태에서 측정된 EDS 및 EELS 원소 분석 결과를 나타낸다. 6A and 6B show EDS and EELS element analysis results measured in an initial state after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the laminate of Example 1, and FIGS. 7A and 7B are Example 2 In the laminate of, the EDS and EELS element analysis results measured in the initial state after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film are shown.

도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 실시예 1 및 2의 적층체들에 있어서, 이들을 제조하는 공정 동안 구리(Cu)가 SiO2 유전체층으로 확산되지 않았음을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1 및 2의 Ta1-xMnxOy 박막들은 매우 우수한 구리 확산 방지막으로 기능함을 알 수 있다. 6A, 6B, 7A, and 7B, in the laminates of Examples 1 and 2, it can be seen that copper (Cu) did not diffuse into the SiO 2 dielectric layer during the manufacturing process. That is, it can be seen that the Ta 1-x Mn x O y thin films of Examples 1 and 2 function as very excellent copper diffusion barriers.

도 8은 실시예 1의 적층체에서, Ta1-xMnxOy 박막을 증착한 후 400℃에서 10시간 열처리한 후에 측정된 TEM 이미지, EDS 및 EELS 원소 분석 결과를 나타낸다. 8 shows TEM images, EDS, and EELS element analysis results measured after depositing a Ta 1-x Mn x O y thin film in the laminate of Example 1 and then heat treatment at 400° C. for 10 hours.

도 8을 참조하면, 400℃에서 10시간 열처리하는 동안에도 구리(Cu)가 SiO2 유전체층으로 확산되지 않았음을 확인할 수 있고, 실시예 1의 Ta1-xMnxOy 박막 내부에 어떠한 상분리도 발생하지 않았음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, it can be seen that copper (Cu) did not diffuse into the SiO 2 dielectric layer even during heat treatment at 400° C. for 10 hours, and any phase separation inside the Ta 1-x Mn x O y thin film of Example 1 It can be seen that also did not occur.

도 9는 실시예 1의 적층체에 대해 400℃에서 10시간의 열처리 전 및 후의 I-V 특성들 및 C-V 특성을 나타내는 그래프들이다. 9 are graphs showing I-V characteristics and C-V characteristics before and after heat treatment at 400° C. for 10 hours for the laminate of Example 1;

도 9를 참조하면, 실시예 1의 적층체에서는 열처리 전과 후에 유전체 파괴 전압(dielectric breakdown voltage)의 변화가 없는 것을 확인할 수 있고, C-V 특성 또한 구리 확산에 의해 나타나는 히스테리시스 곡선이 전혀 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 결과에 비추어 실시예 1의 Ta1-xMnxOy 박막은 우수하고 신뢰성 있는 구리 확산방지층임을 알 수 있다. Referring to FIG. 9, in the laminate of Example 1, it was confirmed that there was no change in dielectric breakdown voltage before and after heat treatment, and it was confirmed that the hysteresis curve exhibited by copper diffusion did not appear at all. . In view of these results, it can be seen that the Ta 1-x Mn x O y thin film of Example 1 is an excellent and reliable copper diffusion barrier layer.

[실시예 3 및 4][Examples 3 and 4]

SiO2 유전체층이 피복된 2개의 실리콘 웨이퍼들 상에 탄탈럼 타겟 및 망가니즈 타켓을 이용한 물리기상증착(PVD) 공정을 통해 두께가 1.0nm인 Ta1-xMnxOy 박막들을 각각 형성하였고, 이들의 상부에 스퍼터링 공정을 통해 구리 박막들을 각각 형성하였다. 이 때, 실시예 3의 Ta1-xMnxOy 박막에서의 망간 원자와 탄탈럼 원자의 비는 37.4:62.6이었고, 실시예 3의 Ta1-xMnxOy 박막에서의 망가니즈 원자와 탄탈럼 원자의 비는 43.5:56.5이었다.Ta 1-x Mn x O y thin films having a thickness of 1.0 nm were formed on two silicon wafers coated with a SiO 2 dielectric layer through a physical vapor deposition (PVD) process using a tantalum target and a manganese target. Copper thin films were respectively formed on top of them through a sputtering process. At this time, Embodiment 3 of the Ta 1-x Mn x O y Mn ratio of the atom and tantalum atom in the thin film was 37.4: manganese atoms in was 62.6, the third embodiment of the Ta 1-x Mn x O y thin film The ratio of and tantalum atoms was 43.5:56.5.

[비교예 2][Comparative Example 2]

SiO2 유전체층이 피복된 2개의 실리콘 웨이퍼들 상에 탄탈럼 타겟 및 망가니즈 타켓을 이용한 물리기상증착(PVD) 공정을 통해 두께가 1.0nm인 Ta1-xMnxOy 박막들을 각각 형성하였고, 이들의 상부에 스퍼터링 공정을 통해 구리 박막들을 각각 형성하였다. 이 때, 비교예 2의 Ta1-xMnxOy 박막에서의 망가니즈 원자와 탄탈럼 원자의 비는 8.5:91.5이었다.Ta 1-x Mn x O y thin films having a thickness of 1.0 nm were formed on two silicon wafers coated with a SiO 2 dielectric layer through a physical vapor deposition (PVD) process using a tantalum target and a manganese target. Copper thin films were respectively formed on top of them through a sputtering process. At this time, the ratio of manganese atoms and tantalum atoms in the Ta 1-x Mn x O y thin film of Comparative Example 2 was 8.5:91.5.

[실험예][Experimental Example]

도 10 내지 도 12는 비교예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 적층체들에서의 XPS 분석 결과 및 I-V 특성을 나타낸다.10 to 12 show XPS analysis results and I-V characteristics in the laminates of Comparative Example 2, Example 3, and Example 4.

도 10을 참조하면, 비교예 2의 적층체에서는 400℃에서 10시간의 열처리 후 유전 파괴 전압(dielectric breakdown voltage)이 낮아진 것으로 나타났다. 즉, 망간의 비율이 8.5 at% 이하인 Ta1-xMnxOy 박막은 신뢰성 있는 구리 확산 방지막으로 기능할 수 없는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 10, in the laminate of Comparative Example 2, it was found that the dielectric breakdown voltage was lowered after heat treatment at 400° C. for 10 hours. That is, it was found that a Ta 1-x Mn x O y thin film with a manganese ratio of 8.5 at% or less could not function as a reliable copper diffusion barrier.

그러나 도 11 및 도 12를 참조하면, 실시예 3 및 4의 적층체들에서는 400℃에서 10시간의 열처리 후에도 유전 파괴 전압(dielectric breakdown voltage)이 거의 변화하지 않은 것으로 나타났다. 즉, 실시예 3 및 4의 Ta1-xMnxOy 박막들은 신뢰성 있는 구리 확산 방지막으로 기능할 수 있음을 알 수 있다. However, referring to FIGS. 11 and 12, it was found that in the laminates of Examples 3 and 4, the dielectric breakdown voltage hardly changed even after heat treatment at 400° C. for 10 hours. That is, it can be seen that the Ta 1-x Mn x O y thin films of Examples 3 and 4 can function as a reliable copper diffusion barrier.

이상의 사항을 기초로, Ta1-xMnxOy 박막이 신뢰성 있는 구리 확산 방지막으로 기능하기 위해서는, 망가니즈 원자와 탄탈럼 원자 합을 기준으로 망가니즈 원자가 약 9 at% 이상, 바람직하게는 약 35 at% 이상 포함되는 것이 바람직할 것으로 판단된다.Based on the above, in order for the Ta 1-x Mn x O y thin film to function as a reliable copper diffusion barrier, manganese atoms are about 9 at% or more, preferably about 9 at% or more, based on the sum of manganese atoms and tantalum atoms. It is judged that it would be desirable to contain 35 at% or more.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can.

100: 구리 인터커넥터 110: 제1 도전체
120: 캡핑층 130: 유전체층
140: 확산방지층 150: 제2 도전체
100: copper interconnect 110: first conductor
120: capping layer 130: dielectric layer
140: diffusion barrier layer 150: second conductor

Claims (13)

제1 도전체;
상기 제1 도전체 상부면을 피복하도록 배치되고, 안정한 재료로 형성된 캡핑층;
상기 캡핑층 상부에 배치되고, 상기 캡핑층의 일부를 식각하는 트렌치를 포함하는 유전체층;
상기 유전체층의 표면 중 상기 트렌치의 측면을 형성하는 영역 및 제1 도전체의 상부면 중 상기 트렌치에 의해 노출된 영역 상에 제1 두께로 형성되고, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 비정질 탄탈럼-망가니즈 산화물로 형성된 확산방지층; 및
상기 확산방지층에 의해 피복된 상기 트렌치 내부에 배치되고, 구리(Cu)로 형성된 제2 도전체를 포함하는, 구리 인터커넥터:
[화학식 1]
Figure pat00007

상기 화학식 1에서, x는 0.09 이상 0.6 이하의 실수이고, y는 2 이상 3 이하의 실수이다.
A first conductor;
A capping layer disposed to cover an upper surface of the first conductor and formed of a stable material;
A dielectric layer disposed on the capping layer and including a trench for etching a portion of the capping layer;
An amorphous tantalum-manganese formed with a first thickness on a region of the surface of the dielectric layer forming a side surface of the trench and a region of the upper surface of the first conductor exposed by the trench, and having a composition of the following formula (1) A diffusion barrier layer formed of an oxide; And
A copper interconnector comprising a second conductor formed of copper (Cu) and disposed inside the trench covered by the diffusion barrier layer:
[Formula 1]
Figure pat00007

In Formula 1, x is a real number of 0.09 or more and 0.6 or less, and y is a real number of 2 or more and 3 or less.
제1항에 있어서,
상기 x는 0.35 이상 0.55 이하의 실수인 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터.
The method of claim 1,
The x is characterized in that the real number of 0.35 or more and 0.55 or less, the copper interconnector.
제1항에 있어서,
상기 확산방지층 전체 영역에 있어서, 탄탈럼 원소 및 망간 원소 각각의 비율의 차이가 10% 이하가 되도록 상기 탄탈럼-망가니즈 산화물 조성이 균일한 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터.
The method of claim 1,
The copper interconnector, wherein the composition of the tantalum-manganese oxide is uniform so that a difference in the ratio of each of the tantalum element and the manganese element is 10% or less in the entire region of the diffusion barrier layer.
제1항에 있어서,
상기 확산방지층은 0.5 nm 이상 3 nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터.
The method of claim 1,
The diffusion barrier layer is characterized in that it has a thickness of 0.5 nm or more and 3 nm or less, the copper interconnector.
제1항에 있어서,
상기 제1 도전체는 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)으로 형성된 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터.
The method of claim 1,
The copper interconnector, characterized in that the first conductor is formed of copper (Cu) or aluminum (Al).
제1항에 있어서,
상기 캡핑층은 CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, SiCON으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성된 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터.
The method of claim 1,
The capping layer is formed of at least one material selected from the group consisting of CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, and SiCON.
제1항에 있어서,
상기 유전체층은 실리콘산화물, 실리콘 질화물, low-k 유전물 (SiOF, SiOC, SiCOH, Porous SiCOH, Zeolites, Oxycarbosilanes 등)으로 형성된 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터.
The method of claim 1,
The dielectric layer is a copper interconnect, characterized in that formed of silicon oxide, silicon nitride, low-k dielectric material (SiOF, SiOC, SiCOH, Porous SiCOH, Zeolites, Oxycarbosilanes, etc.).
제1항에 있어서,
상기 제1 도전체와 상기 제2 도전체는 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터.
The method of claim 1,
The copper interconnector, characterized in that the first conductor and the second conductor are electrically connected.
제1 도전체 상에 캡핑층 및 유전체 박막을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 유전체 박막에 상기 캡핑층의 일부를 식각하는 트렌치를 형성하여 유전체층을 형성하는 단계;
상기 트렌치 내부를 포함한 상기 유전체층 표면 상에 물리기상증착(PVD) 공정을 통해 하기 화학식 1의 조성을 갖는 비정질 탄탈럼-망가니즈 산화물로 형성되고 제1 두께를 갖는 확산방지 박막을 형성하는 단계;
상기 확산방지 박막으로 피복된 상기 트렌치를 채우는 구리 박막을 형성하는 단계; 및
화학적 기계연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정을 통해, 상기 확산방지 박막 및 상기 구리 박막 중 상기 트렌치 외부에 위치하는 부분들을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터의 제조방법:
[화학식 1]
Figure pat00008

상기 화학식 1에서, x는 0.09 이상 0.6 이하의 실수이고, y는 2 이상 3 이하의 실수이다.
Sequentially forming a capping layer and a dielectric thin film on the first conductor;
Forming a dielectric layer by forming a trench for etching a portion of the capping layer in the dielectric thin film;
Forming an anti-diffusion thin film formed of amorphous tantalum-manganese oxide and having a first thickness on the surface of the dielectric layer including the inside of the trench through a physical vapor deposition (PVD) process;
Forming a copper film filling the trench covered with the diffusion barrier film; And
A method of manufacturing a copper interconnect, comprising the step of removing portions of the diffusion barrier thin film and the copper thin film located outside the trench through a chemical mechanical polishing (CMP) process:
[Formula 1]
Figure pat00008

In Formula 1, x is a real number of 0.09 or more and 0.6 or less, and y is a real number of 2 or more and 3 or less.
제9항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 캡핑층에 인접한 제1 폭을 갖는 하부 영역 및 상기 하부 영역 상부에 위치하고 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 상부 영역을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터의 제조방법.
The method of claim 9,
The trench is formed to have a lower region having a first width adjacent to the capping layer, and an upper region positioned above the lower region and having a second width greater than the first width.
제9항에 있어서,
상기 구리 박막은 듀얼 다마신 (Dual Damascene) 공정을 통해 형성된 것을 특징으로 하는, 구리 인터커넥터의 제조방법.
The method of claim 9,
The copper thin film is characterized in that formed through a dual damascene (Dual Damascene) process, a method of manufacturing a copper interconnector.
제1 소자; 상기 제1 소자와 이격되게 배치된 제2 소자 또는 제3 도전체; 및 상기 제1 소자와 상기 제2 소자 또는 제3 도전체를 전기적으로 연결하는 구리 인터커넥터를 포함하는 반도체 장치에 있어서, 상기 구리 인터컨넥터는,
상기 제1 소자에 전기적으로 연결된 제1 도전체;
상기 제1 도전체 상부면을 피복하도록 배치되고, 전기 전도성 재료로 형성된 캡핑층;
상기 캡핑층 상부에 배치되고, 상기 캡핑층의 일부를 식각하여 제거한 트렌치를 포함하는 유전체층;
상기 유전체층의 표면 중 상기 트렌치의 측면을 형성하는 영역 및 상기 캡핑층의 상부면 중 상기 트렌치에 의해 노출된 영역 상에 제1 두께로 형성되고, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 비정질 탄탈럼-망가니즈 산화물로 형성된 확산방지층; 및
상기 확산방지층에 의해 피복된 상기 트렌치 내부에 배치되고, 구리(Cu)로 형성되며, 상기 제2 소자 또는 제3 도전체에 전기적으로 연결된 제2 도전체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치:
[화학식 1]
Figure pat00009

상기 화학식 1에서, x는 0.09 이상 0.6 이하의 실수이고, y는 2 이상 3 이하의 실수이다.
A first element; A second element or a third conductor disposed to be spaced apart from the first element; And a copper interconnect electrically connecting the first device and the second device or the third conductor, wherein the copper interconnect comprises:
A first conductor electrically connected to the first element;
A capping layer disposed to cover an upper surface of the first conductor and formed of an electrically conductive material;
A dielectric layer disposed on the capping layer and including a trench removed by etching a portion of the capping layer;
An amorphous tantalum-manganese oxide formed with a first thickness on a region of the surface of the dielectric layer forming a side surface of the trench and a region of the upper surface of the capping layer exposed by the trench, and having a composition of Formula 1 A diffusion barrier layer formed of; And
A semiconductor device comprising a second conductor disposed inside the trench covered by the diffusion barrier layer, formed of copper (Cu), and electrically connected to the second element or the third conductor:
[Formula 1]
Figure pat00009

In Formula 1, x is a real number of 0.09 or more and 0.6 or less, and y is a real number of 2 or more and 3 or less.
제12항에 있어서,
상기 확산방지층은 0.5 nm 이상 3 nm 이하의 두께를 갖고,
상기 캡핑층은 CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, SiCON로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료로 형성되며,
상기 제1 도전체와 상기 제2 도전체는 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는, 반도체 장치.
The method of claim 12,
The diffusion barrier layer has a thickness of 0.5 nm or more and 3 nm or less,
The capping layer is formed of at least one material selected from the group consisting of CoWP, CoWB, NiMoP, Co, SiN, SiCN, SiC, SiON, and SiCON,
The semiconductor device, characterized in that the first conductor and the second conductor are electrically connected.
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