KR100247643B1 - 금속 배선 형성용 반응 챔버 및 이를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법 - Google Patents

금속 배선 형성용 반응 챔버 및 이를 이용한 반도체 소자의 금속배선 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 배선 형성용 반응 챔버 및 이를 이용한 반도체 소자의 금속 배선 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 금속 배선간의 스트레스 및 전자들의 이동을 방지하는 베리어 금속막의 형성방법 및 베리어 금속막 형성용 반응 챔버에 관한 것이다.
본 발명은, 전도층의 소정 부분을 노출시키는 콘택홀이 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 콘택홀 내부 및 반도체 기판 상부에 베리어 금속막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 저부의 베리어 금속막과 콘택되도록 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 베리어 금속막은, 스퍼터링 방식에 의하여 제 1 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 상기 제 1 티타늄 질화막 상부에 화학 기상 증착 방식에 의하여 제 2 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 상기 제 2 티타늄 질화막 상부에 스퍼터링 방식에 의하여 제 3 티타늄 질화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 배선 형성용 반응 챔버 및 이를 이용한 반도체 소자의 금속 배선 형성방법
본 발명은 금속 배선 형성용 반응 챔버 및 이를 이용한 반도체 소자의 금속 배선 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 금속 배선간의 스트레스 및 전자들의 이동을 방지하는 베리어 금속막의 형성방법 및 이를 형성하기 위한 금속 배선 형성용 반응 챔버에 관한 것이다.
반도체 기술의 진보와 더불어 더 나아가서는 반도체 소자의 고속화, 고집적화가 진행되고 있고, 이에 수반해서 패턴에 대한 미세화의 필요성이 점점 높아지고 있으며, 또한 패턴의 칫수도 고정밀화가 요구되고 있다.
여기서, 종래의 상층 배선과 하층 배선을 연결하기 위한 콘택 방법은, 하층 배선이 형성된 기판상에 절연막을 증착하고, 하층 배선의 소정 부분이 노출되도록 절연막을 식각하여, 콘택홀을 형성한다. 이때, 콘택홀의 사이즈는 고집적화된 반도체 소자에 적용하도록 현재의 노광 장비로 형성할 수 있는 최소 크기로 형성함이 바람직하다. 이어 콘택홀 내벽면에는 접촉 및 베리어 금속막으로 티타늄막과, 티타늄 질화막이 순차적으로 형성되고, 이 콘택홀내에 금속 배선막이 형성된다. 여기서, 베리어 금속막인 티타늄 질화막은 일반적으로 화학 기상 증착 방식 또는 스퍼터링 방식으로 형성된다.
그러나, 상술한 바와 같이 티타늄 질화막을 형성하게 되면, 다음과 같은 문제점이 발생된다.
먼저, 금속 배선간의 스트레스 및 전자 이동을 방지하기 위한 티타늄 질화막을 화학 기상 증착 방식에 의하여 형성하면, 콘택홀내의 피복 특성은 우수하나, 스퍼터링 방식에 의하여 형성된 티타늄 질화막 보다 저항이 크다. 또한, 이 화학 기상증착 공정시, 산소 원자 또는 탄소 원자가 막내에 함유하게 되어, 막질을 불안정하게 되는 문제점이 발생된다.
또한, 이러한 문제점을 해결하고자, 스퍼터링 방식에 의하여 티타늄 질화막을 형성하게 되면, 미세한 사이즈를 갖는 콘택홀내에 제대로 피복이 이루어지지 않는 문제점이 발생된다.
따라서, 본 발명은 저항이 낮으며, 피복 특성이 우수한 베리어 금속막을 형성하여 금속 배선 신뢰성을 향상할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 금속 배선이 형성될 수 있는 반응 챔버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1a도 내지 제1c도는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도.
제2도는 상기의 금속 배선이 이루어지는 반응 챔버를 개략적으로 나타낸 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 반도체 기판 2 : 제 1 전도층
3 : 층간 절연막 4, 9 : 접촉 금속막
5 : 제 1 티타늄 질화막 6 : 제 2 티타늄 질화막
7 : 제 3 티타늄 질화막 8 : 텅스텐막
10 : 알루미늄 합금막 11 : 난반사 방지막
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 전도층의 소정 부분을 노출시키는 콘택홀이 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 콘택홀 내부 및 반도체 기판 상부에 베리어 금속막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 저부의 베리어 금속막과 콘택되도록 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 베리어 금속막은, 스퍼터링 방식에 의하여 제 1 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 상기 제 1 티타늄 질화막 상부에 화학 기상 증착 방식에 의하여 제 2 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 상기 제 2 티타늄 질화막 상부에 스퍼터링 방식에 의하여 제 3 티타늄 질화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 금속 배선을 형성하기 위한 반응 챔버는, 상기 제 1, 제 2, 제 3 티타늄 질화막을 증착하기 위한 증착 챔버들이 일정 간격을 가지며 순차적으로 위치되고, 상기 제 2 티타늄 질화막을 증착하기 위한 반응 챔버에 인접하여 배기용 펌프가 설치된다.
본 발명에 의하면, 베리어 금속막인 티타늄 질화막을 3층으로 구성하되, 1층과 3층은 스퍼터링 방식으로 형성하고, 2층은 화학 기상 증착 방식으로 형성하여, 베리어 금속막의 피복 특성 및 저항 특성을 개선하게 된다.
더불어, 상기 화학 기상 증착 방식에 티타늄 질화막의 형성시, 이 화학 기상 증착 챔버에 인접하여 반응하고 남은 가스를 신속히 배출하기 위한 펌프가 설치되어, 화학 기상 증착 방식에 의한 티타늄 질화막의 저항을 보다 낮출 수 있다.
[실시예]
이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이고, 도 2는 상기의 금속 배선이 이루어지는 반응 챔버를 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1a를 참조하여, 반도체 기판(1) 상에 제 1 도전층(2)이 소정 두께로 형성된다. 여기서, 반도체 기판(1)은 예를들어, 트랜지스터등의 소자 및 이를 절연시키기 위한 절연막이 구비된 실리콘 기판일 수 있다. 이어, 제 1 도전층(2) 상부에 이후에 형성된 도전층과 절연시키기 위한, 층간 절연막(3)이 형성된다. 그후, 제 1 도전층(2)의 소정 부분이 노출되도록 층간 절연막(3)이 식각되어, 콘택홀이 형성된다.
그후, 콘택홀 내부 및 층간 절연막(3) 상부에 접촉 금속막으로 티타늄 금속막(4)과, 제 1, 제 2, 제 3 티타늄 질화막(5,6,7)이 순차적으로 증착된다. 이때, 제 1 및 제 3 티타늄 질화막(5,7)은 스퍼터링 방식에 의하여 형성되고, 제 2 티타늄 질화막(6)은 화학 기상 증착 방식에 의하여 약 600Å이하로 형성된다. 이와같이 형성하는 것은, 화학 기상 증착 방식에 의하여 형성된 티타늄 질화막(6)은 피복 특성은 우수하나 저항이 스퍼터링 방식으로 형성된 것 보다 약간 크므로, 스퍼터링 방식으로 형성된 티타늄 질화막(5,7) 사이에 개재하도록 한다. 따라서, 전도층(2)과 직접 접촉될 부분에는 스퍼터링 방식에 의하여 티타늄 질화막(5,7)이 형성되고, 그 사이에는 피복 특성을 완하시키기 위하여 화학 기상 증착 방식에 의하여 티타늄 질화막(6)이 형성되어, 피복 특성 및 전도 특성이 동시에 개선된다.
그런다음, 경우에 따라, 막질의 특성을 개선하기 위하여 약 350℃이상의 온도에 열처리를 진행할 수 있다.
그후, 반도체 기판(1) 상부에는 결과물이 충분히 매립되도록 텅스텐막(8)이 증착된다. 이때, 텅스텐막(8) 대신 다른 금속막 예를들어, 구리막, 알루미늄막등이 이용될 수 있다.
그리고나서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 텅스텐막(8)은 층간 절연막(3) 상의 제 2 티타늄 질화막(6) 표면이 노출되도록 화학적 기계적 연마하여 텅스텐 플러그를 형성한다. 이때, 제 2 티타늄 질화막(6)을 연마 저지점으로 하는 것은, 화학 기상 증착 방식에 의하여 형성된 막이 비교적 막질이 단단하기 때문이다.
이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 플러그(8) 및 층간 절연막(2) 상부에 접촉 금속막으로 티타늄막(9)과 배선용 알루미늄 합금막(10) 및 난반사 방지막(11)을 순차적으로 형성한 후, 소정 부분 패터닝하여, 제 2 전도 배선을 형성한다. 여기서, 티타늄막(9) 대신 비저항이 약 60μΩ-㎝ 정도를 전이 금속막 예를들어, 탄탈륨막, 코발트막, 팔라티늄막등이 이용될 수 있다.
도 2는 상기와 같은 전도 배선이 형성되는 반응 챔버로서, 도면 부호 21과 22는 입,출력 로드락 챔버이고, 여기서, 입출력 로드락 챔버(21,22)의 양측에는 다수개의 반응 챔버(23,24,25,26,27)들이 소정 간격을 두고 연달아 배치되어 있다. 즉, 이들 반응 챔버(23,24,25,26,27)들을 거치어, 상기한 금속 배선막, 층간 절연막, 티타늄막, 티타늄 질화막, 금속 배선막등이 증착되어 진다. 이 반응 챔버(23,24,25,26,27)각각에는 증착시 가스 유량을 조절하기 위한 밸브(20)가 설치되어 있다.
또한, 본 발명에서는 제 2 티타늄 질화막(6)이 형성되는 챔버(26) 즉, 화학 기상 증착 챔버의 밸브 앞측에 펌프(29)를 설치하여, 미반응된 개스를 용이하게 제거하도록 한다. 이는 제 2 티타늄 질화막(6)의 형성시 발생되는 산소 및 탄소 원자를 용이하게 제거하여, 막 저항을 낮추기 위함이다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 의하면 베리어 금속막인 티타늄 질화막을 3층으로 구성하되, 1층과 3층은 저항이 낮은 스퍼터링 방식으로 형성하고, 2층은 피복 특성이 우수한 화학 기상 증착 방식으로 형성하여, 베리어 금속막의 피복 특성 및 저항 특성을 동시에 개선하게 된다.
더불어, 상기 화학 기상 증착 방식에 의한 티타늄 질화막의 형성시, 이 화학 기상 증착 챔버에 인접하여 반응하고 남은 가스를 신속히 배출하기 위한 펌프가 설치되어, 화학 기상 증착 방식에 의한 티타늄 질화막의 저항을 보다 낮출 수 있다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (8)

  1. 전도층의 소정 부분을 노출시키는 콘택홀이 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 콘택홀 내부 및 반도체 기판 상부에 베리어 금속막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 저부의 베리어 금속막과 콘택되도록 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 베리어 금속막은, 스퍼터링 방식에 의하여 제 1 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 상기 제 1 티타늄 질화막 상부에 화학 기상 증착 방식에 의하여 제 2 티타늄 질화막을 형성하는 단계; 상기 제 2 티타늄 질화막 상부에 스퍼터링 방식에 의하여 제 3 티타늄 질화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베리어 금속막을 형성하는 단계 이전에, 상기 콘택홀 내부 및 반도체 기판 상부에 접촉 금속막을 형성하는 단계를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 배선을 형성하는 단계는, 상기 콘택홀내에만 플러그 금속막을 형성하는 단계; 상기 플러그 금속막과 콘택되도록 알루미늄 합금막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 플러그 금속막을 형성하는 단계와, 알루미늄 합금막을 형성하는 단계 사이에 접촉 금속막을 형성하는 단계를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 접촉 금속막은 티타늄막, 탄탈륨막, 코발트막, 팔라티늄막과 같은 전이 금속막 중 선택되는 하나의 막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 플러그 금속막을 형성하는 단계는, 상기 반도체 기판 구조물이 충분히 매립되도록 금속막을 증착하는 단계; 상기 금속막을 상기 제 2 티타늄 질화막 표면이 노출되도록 화학적 기계적 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성방법.
  7. 제1항 기재의 반도체 소자의 금속 배선을 형성하는 반응 챔버로서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 티타늄 질화막을 증착하기 위한 증착 챔버들이 일정간격을 가지며 순차적으로 위치되고, 상기 제 2 티타늄 질화막을 증착하기 위한 반응 챔버에 인접하여 배기용 펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 금속 배선용 반응 챔버.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제 2 티타늄 질화막을 증착하기 위한 챔버는 화학 기상 증착 챔버인 것을 특징으로 하는 금속 배선용 반응 챔버.
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