KR960000377B1 - 다층배선 구조의 층간절연층의 구조 및 그 형성방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다층배선 구조의 층간절연층의 구조 및 그 형성방법

제1도 내지 제5는 종래 방법에 의한 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법을 설명하기 위해 도시된 단면도들.

제6도 내지 제11도는 본 발명의 방법에 의한 다층배선 구조의 층간 절연층 형성방법을 설명하기 위해 도시된 단면도들.

제12도는 본 발명의 방법에 의해 제조된 다층배선 구조의 층간절연층의 구조를 도시한 단면도.

본 발명은 반도체장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 다층배선 구조를 갖는 반도체장치에 있어서 신뢰성 있는 층간절연층 형성을 위한 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법에 관한 것이다.

최근 반도체 제조기술의 발달과 메모리 소자의 응용분야가 확장되어 감에 따라 대용량의 메모리소자 개발이 진척되고 있다. 메모리소자의 용량 증가를 위해 한층에 형성되던 배선을 하부배선 및 상부배선으로 나누어 두층의 물질층에 형성하는 다층배선 형성방법이 도입되었다.

제1도 내지 제5도는 종래 방법에 의한 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법을 설명하기 위해 도시된 단면도들로서, 제1도는 불순물확산영역(12)이 형성되어 있는 반도체기판(10)상에, 예컨대 CVD(Chemical Vapor Depopsition) 산화막등과 같은 순수산화막을 도포하여 제1의 층간절연층(14)을 형성하는 제1공정, 및 상기 불순물확산영역상에 형성된 제1의 층간절연층을 등방성식각을 이용하여 1차식각한 후 상기 불순물 확산영역이 표면으로 노출되도록 상기 제1의 층간절연층을 이방성식각을 이용하여 2차식각함으로써 상기 불순물확산영역(12)상에 콘택홀(7)을 형성하는 제2공정에 의해 형성된 반도체장치의 단면도를, 제2도는 제2공정에 의해 형성된 결과물 전면에, 예컨대 티타늄(Ti)/티타늄 나이트라이드(TiN)/티타늄(Ti)이나 티타늄 (Ti)/티타늄 텅스텐(TiW)/티타늄(Ti)과 같은 물질을 적층하여 장벽금속(16)을 형성하는 제3공정, 상기 콘택홀을 통해 불순물확산영역(12)과 접촉하도록 알루미늄등과 같은 금속물질을 증착하여 금속물질층(18)을 증착하는 제4공정, 상기 금속물질 전면에, 예컨대 티타늄 나이트라이드(TiN)와 같은 물질은 증착하여 금속물질 보호층 (20)을 형성하는 제5공정 및 결과물 전면에 감광성물질, 예컨대 포토레지스트를 도포한 후 상기 장벽금속(16), 금속물질(18) 및 금속물질 보호층(20)을 식각대상으로 한 사진식각공정을 행하여 하부배선(100)을 형성하는 제6공정에 의해 형성된 반도체장치의 단면도를, 제3도는 상기 제6공정에 의해 형성된 결과물 전면에, 예컨대 플라즈마-TEOS 산화막이나 플라즈마-SiH₄산화막과 같은 플라즈마-산화막을 증착하여 제1의 절연물질층(22)을 형성하는 제7공정 및 O₃-TEOS와 같은 절연물질을 결과물 전면에 도포하여 제2의 절연물질층(24)을 형성하는 제8공정에 의해 형성된 반도체장치의 단면도를, 제4도는 상기 제8공정에 의해 형성된 결과물 전면에, 예컨대 SOG(Spin On Glass)막과 같은 액상의 절연물질을 도포한 후 상기 하부배선 및 임의의 다른 구조물들에 의해 형성된 표면굴곡을 완화시키기 위해 상기 제2의 절연물질층의 최상부 표면이 노출되도록 상기 SOG막을 에치백하여 제3의 절연물질층(26)을 형성하는 제9공정에 의해 형성된 반도체장치의 단면도를, 제5도는 상기 제9공정에 의해 형성된 결과물 전면에, 예컨대 O₃-TEOS와 같은 절연물질을 도포하여 제4의 절연물질층(28)을 형성함으로써 상기 제1의 절연물질층(22), 제2의 절연물질층(24), 제3의 절연물질층(26) 및 제4의 절연물질층(28)로 구성된 제2의 층간절연층(200)을 형성하는 제10공정에 의해 형성된 반도체장치의 단면도를 도시한다.

이때, 콘택홀을 통해 상기 불순물확산영역(12)과 접촉하는 모양으로 형성된 금속물질층(18)은, 그 증착특성상 콘택홀의 모서리 부분에서 오버-행(over-hang)(제2도의 A부분)된다는 것을 알 수 있는데, 이는 후속 공정에 의해 형성되는 제1의 절연물질층의 도포 특성을 좋지 않게 하며, 결국 콘택홀내에 증착되는 층간절연층에 기공(Void)(9)을 형성시켜 층간절연층의 절연특성을 저하시킨다.

층간절연층에서의 기공 발생문제는, 알루미늄을 플로우시키(Al flow)거나 블랭킷-텡스텐(blanker-W)등의 방법으로 상기 하부배선을 형성하는 공정외의 모든 다층배선 공정에서 발생하기 때문에 고집적화 및 미소화 되어가는 반도체소자의 신뢰도를 향상시키기 위해서는 반드시 해결해야 될 과제로 남게 되었다.

본 발명품의 목적은 콘택홀내에 기공이 발생되지 않는 다층배선 구조의 층간절연층의 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 층간절연층의 신뢰도를 높일 수 있는 다층배선 구조의 층간절연층의 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 목적 및 다른 목적을 달성할 수 있는데 적합한 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은, 콘택홀내에 형성된 도전물질의 측벽에 소정의 물질로 형성된 스페이서를 포함하는 다층배선 구조의 층간절연층의 구조에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 또 다른 목적은, 콘택훌 내에 형성된 도전물질의 측벽에 소정의 물질로 된 스페이서를 형성하는 공정 및 결과물 상에 층간절연층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법에 의해 달성된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱더 자세하게 설명하고자 한다. 계속해서 소개되는 도면들에 있어서 상기 제1도 내지 제5도에서 참조한 도면부호와 동일한 도면부호는 동일 부분을 의미한다.

제6도내지 제11도는 본 발명에 의한 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법을 설명하기 위해 도시된 단면도들로서, 콘택홀 내부에 기공이 발생되는 것을 방지하여 층간절연층의 신뢰도를 높이는 방법을 제시한다.

먼저, 제6도는 콘택홀(1)을 형성하는 공정을 도시한 것으로서, 상기 콘택홀은, 불순물확산영역(12)이 형성되어 있는 반도체기판(10) 전면에, 예컨대 CVD 산화막과 같은 절연물질을 도포하여 제1의 층간절연층(14)을 형성하는 제1공정, 및 등방성식각과 이방성식각을 차례대로 진행하여 상기 불순믈 확산영역상에 형성되어 있는 제1의 층간절연층을 식각해냄으로써 상기 콘택홀(1)을 형성하는 제2공정에 의해 형성된다.

이때, 본 발명에서는 상기 콘택홀을, 예컨대 습식식각과 같은 등방성식각을 1차적으로 행한 후, 예컨대 반응성이온식각(RIE)법과 같은 이방성식각을 2차적으로 행하여 형성하였는데, 이는 상기 콘택홀의 종횡비(aspect ratio)(높이/넓이)를 작게 하여 금속물질이 나쁜 단차도포성(step-coverage)에 의해 콘택홀내벽에서 배선이 단선되는 등의 현상을 방지함으로써 소자의 신뢰도를 높이고자 함이다. 본 발명에 의한 다층배선구조의 층간절연층 형성방법을 설명하기 위해 형성된 상기 콘택홀은 그 크기가 0.7㎛1×0.8㎛이며, 종횡비는 0.6이다.

제7도는 장벽금속층(16) 및 금속물질층(18)을 형성하는 공정을 도시한 것으로서, 콘택홀이 형성되어 있는 결과물 전면에, 예컨대 Ti/TiN/Ti, Ti/TiW/Ti, Ti/TiN 또는 Ti/TiW 등과 같은 물질을 적층하여 상기 장벽금속층(16)을 형성하는 제1공정, 및 결과물 전면에, 예컨대 스퍼터링 등과 같은 방법을 이용하여 상기 금속물질층(18)을 형성하는 제2공정으로 진행된다.

이때, 본 발명에서는 상기 장벽금속층으로 Ti을 약 300Å 정도의 두께로 증착한 후 TiN를 약 900Å 정도의 두께로 적층하여 형성하였으며, 상기 금속물질층으로 알루미늄과 같은 급속물질을 약 6000Å 정도의 두께로 증착하여 형성하였다. 장벽금속층으로 형성된 상기 Ti/TiN는 금속물질층으로 형성된 알루미늄에 포함되어 있는 실리콘과 상기 반도체기판을 구성하고 있는 실리콘이 서로 결합하여 상기 불순물확산영역에 결정결합체(spike)를 형성하는 것을 방지하는 역할을 한다.

제8도는 금속물질층 측벽에 스페이서(30)를 형성하는 공정을 도시한 것으로서, 금속물질층이 형성되어 있는 결과물 전면에, 예컨대 플라즈마-산화막과 같은 절연물질을 도포하는 제1공정 및 상기 절연물질을 식각대상무롤 한 이방성식각을 결과물 전면에 행하여 상기 금속물질층(18)의 측벽에만 상기 절연물질이 남도록 하여 스페이서(30)를 형성하는 제2공정으로 진행된다.

이때, 본 발명의 일 실시예에서는, 상기 스페이서를 구성하는 절연물질로 플라즈마-TEOS 산화막이나 플라즈마-SiH₄산화막등의 산화막 중 플라즈마 -SiH₄산화막을 약 2,500Å 정도의 두께로 도포하여 형성하였는데, 상기 도포두께는 금속물질층에 의해 재형성된 개구부(11)(제7도 참조)의 2/3 정도가 적당하고, 상기 이방성식각으로는 반응성이온식각법이 적당하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 스페이서를 구성하는 물질로 절연물질을 사용하였으나, 이와는 달리, 상기 스페이서를 구성하는 물질로 플라즈마-산화막과 같은 절연물질이 아니 임의이 이방성식각에 대해 상기 금속물질층을 구성하는 물질과는 그 식각율이 다른 도전물질도 사용가능함은 물론이다. 이는 상기 스페이서가 콘택홀의 모서리 부분에서 금속물질이 오버-행되어 콘택홀내에 새도우 (sha dow) 영역(스페이서가 형성되어 있는 영역)이 형성되는 것을 방지할 수 있는 역할만 하면 되기 때문이다.

제9도는 하부배선(100)을 완성하는 TiN공정을 도시한 것으로서, 결과물 전면에, TiN 등과 같은 물질을 약 250Å 정도의 두께로 증착하여 금속물질층 보호층 (20)을 형성하는 제1공정, 결과물 전면에 포토레지스트(72)와 같은 감광성 물질을 도포한 후 사진식각을 행하여 상기 하부배선(100)을 형성하는 제2공정으로 진행된다.

이때, 상기 금속물질층 보호층(20)은 상부배선(도시되지 않음)에 의해 상기 금속물질층의 표면 및 내부에 결정결합체등의 배선의 신뢰도를 저하시키는 요인들이 형성됨을 방지하기 위해 형성하였다.

제10도는 제1의 절연물질층(22) 및 제2의 절연물질층(24)을 형성하는 공정을 도시한 것으로서, 하부배선(100)이 형성되어 있는 결과물 전면에, 예컨대 플라즈마 -TEOS산화막이나 플라즈마-SiH₄산화막과 같은 플라즈마-산화막을 약 1,000Å 정도의 두께로 도포하여 상기 제1의 절연물질층(22)을 형성하는 제1공정 및 상기 제1의 절연물질층상에, 예컨대 O₃-TEOS산화막과 같은 절연물질을 약 6,200Å 정도의 두께로 증착하여 상기 제2의 절연물질층(24)을 형성하는 제2공정으로 진행된다.

이때, 상기 O₃-TEOS산화막은 우수한 막증착성과 기공-프리(Void-free) 평탄화 특성(하부구조의 큰 종횡비에 의해 층간절연층내에 발생하는 기공의 발생을 방지하면서 층간절연층을 평탄화 할 수 있는 특성)때문에 층간절연층을 평탄화시키는 공정에 많이 이용되고, 상기 플라즈마-산화막은 상기 O₃-TEOS산화막의 하지의존성(하부물질에 따라 증착율이 달라지는 특성)을 줄이기 위해 형성된다.

상기 제11도에서 보여지는 것과 같이, 하부배선의 측벽에 형성되어 층간절연층에 기공을 발생시키던 콘택홀의 섀도우 영역을 없애준 상기 스페이서(30)에 의해, 이후의 공정에 의해 도포되는 절연물질층에 기공이 발생하지 않았음을 알 수 있다.

제11도의 제2의 층간절연층(200)을 완성하는 공정을 도시한 것으로서, 제2의 층간절연층(24)이 형성되어 있는 결과물 전면에 액상의 절연물질, 예컨대 SOG(Spin On Glass)를 약 1,300Å 정도의 두께로 도포하는 제1공정, 제2의 절연물질층의 최상부 표면이 드러날때까지 상기 SOG를 에치백(약 1,500Å 정도)하여 하부구조에 의해 형성된 굴곡의 오목한 부분들을 채우는 모양의 제3의 절연물질층(26)을 형성하는 제2공정 및 결과물 전면에, 예컨대 O₃-TEOS산화막과 같은 절연물질을 재도포하여 제4의 절연물질층(28)을 형성함으로써 제1의 절연물질층(22), 제2의 절연물질층 (24), 제3의 절연물질층(26) 및 제4의 절연물질층(28)으로 구성된 상기 제2의 층간절연층(200)을 완성하는 제3공정으로 진행된다.

이때, 상기 제3의 절연물질층은 하부구조의 굴곡을 없애 층간절연층의 평탄도를 개선하기 위해, 상기 제4의 절연물질층은 제3의 절연물질층으로 사용된 상기 SOG가 금속배선과 접촉하는 것을 방지하기 위해 형성되었다. 상부배선(도시되지 않음)에 대한 설명은 생략한다.

제12도는 본 발명의 방법에 의해 제조된 다층배선 구조의 층간절연층의 구조를 도시한 단면도로서, 하부배선(100)에 의해 형성된 섀도우 영역에 형성된 스페이서(30), 상기 하부배선(100), 상기 하부배선과 불순물 확산영역을 연결시켜주는 콘택홀, 상기 콘택홀이 형성된 층간절연층(14), 상기 불순물확산영역(12) 및 상기 불순물확산영역이 형성되어 있는 반도체기판(10)으로 구성된 반도체장치를 도시한다.

상기 제12도는, 하부배선상에 형성되는 층간절연층을 도시하지는 않았지만, 본 발명의 방법에 의해 형성되는 층간절연층은 상기 스페이서에 의해 기공이 발생하지 않는 것을 특징으로 하므로, 본 발명의 주 포인트가 되는 상기 스페이서에 촛점을 맞춰 도시한 것이다.

따라서, 본 발명에 의한 다층배선 구조의 층간절연층의 구조 및 그 형성방법에 의하면, 하부배선의 증착특성에 의해 콘택홀내에 생기던 섀도우 영역을 소정의 물질로 된 스페이서로 없애므로 이후의 공정에 의해 형성되는 층간절연층내에 기공이 발생하는 것을 방지하여 층간절연층의 신뢰도 및 다층배선의 신뢰도를 개선하였다.

본 발명의 상기 실시예에 한정되지 않으며 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 실시 가능함은 명백하다.

Claims (9)

1. 반도체기판의 주표면에 형성된 불순물층; 상기 반도체기판상에 형성된 제1층간절연층; 상기 제1층간절연층에 형성되어 상기 불순물층을 노출시키는 접촉창; 상기 제1층간절연층 상부와 접촉창내에 형성된 도전층; 상기 접촉창내의 도전층의 측벽에 형성된 스페이서; 및 상기 제1층간절연층, 도전층 및 스페이서상에 형성된 제2층간절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층.
2. 그 주표면에 불순물층이 형성되어 있는 반도체기판상에 제1층간절연층을 형성하는 제1단계; 상기 제1층간절연층을 부분적으로 식각함으로써 불순물층을 노출시키는 접총창을 형성하는 제2단계; 상기 제1층간절연층 상부 상기 접촉창 전면상에 도전층을 증착하는 제3단계; 상기 도전층상에 물질층을 형성하는 제4단계; 상기 물질층을 이방성식각함으로써 상기 접촉창내의 도전층 측벽에 스페이서를 형성하는 제5단계; 상기 도전층을 패터닝하는 제6단계; 및 도전층이 패터닝되어 있는 반도체기판 전면에 제2층간 절연층을 형성하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 물질층은 절연물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 절연물질로 플라즈마-산화막을 사용하는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 제5단계 후, 스페이서가 형성되어 있는 반도체기판 전면에 도전물질 보호층을 형성하는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 도전물질 보호층은 티타늄 나이트라이드(TiN)로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 물질층은, 소정의 이방성식각에 대해, 도전층을 구성하는 물질과는 그 식각율이 다른 도전물질인 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.
8. 제2항에 있어서, 상기 도전층은 접촉창의 모서리 부분에서 오버-행되는 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.
9. 제2항에 있어서, 상기 제2층간절연층은 플라즈마 산화막/제1오존 -TEOS산화막/스핀-온 글래스/제2오존-TEOS 산화막이 차례대로 적층되어 그 표면이 평탄화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다층배선 구조의 층간절연층 형성방법.