KR100283107B1 - 반도체 소자의 구리배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 구리(Cu) 배선 형성 방법에 관한 것으로, 비아홀 및 트렌치가 형성된 웨이퍼의 표면에 배리어 메탈층 및 구리 시드층을 형성하고, 급속 열 공정 처리하여 구리 시드층을 균일하고 조밀하게 하면서 핀홀이 없게 한 후, 비아홀 및 트렌치가 매립되도록 구리층을 형성하고, 화학적 기계적 연마 공정을 실시하여 비아홀 및 트렌치에 구리 플러그와 구리 배선을 형성하고, 구리 배선 상에 캡핑층을 형성하여 구리 배선을 완성시키므로써, 구리 시드층의 급속 열 공정 처리로 인해 이후에 형성되는 구리층의 구리 상이 (111)로 배향 성장되어 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 구리(Cu) 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 구리 시드층(seed layer)을 형성한 후에 급속 열 공정(Rapid Thermal Process; RTP) 처리하여 구리 시드층을 균일하고 조밀하게 하면서 핀홀이 없게하므로써, 구리 시드층상에 형성되는 구리층의 구리 상이 (111)로 배향 성장되어 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자의 금속 배선으로 널리 사용하는 금속으로 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 및 텅스텐(W) 등이 있다. 그러나, 이러한 금속들은 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 낮은 융점과 높은 비저항으로 인하여 초고집적 반도체 소자에 더 이상 적용이 어렵게 되었다. 따라서, 금속배선의 대체 재료에 대한 개발 필요성이 대두되고 있는 실정이다. 대체 재료로 전도성이 우수한 물질인 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등이 있으며, 이러한 물질들 중 비저항이 낮고, 전자 이동(electromigration; EM)과 스트레스 이동(stress migration; SM) 등의 신뢰성이 우수하며, 생산원가가 저렴한 구리 및 구리 합금이 널리 적용되고 있는 추세이다.
이러한 장점을 인해 반도체 소자 제조 공정시 금속 배선 및 플러그로 구리를 많이 사용한다. 구리를 사용하여 금속 배선 및 플러그를 형성함에 있어, 식각 공정을 실시하여야 하는데, 일반적인 식각 공정으로는 구리를 양호한 형상(profile)을 갖도록 식각하기 어려워 다마신(damascene) 공정을 적용하고 있다. 다마신 공정으로 구리층을 형성하는 방법은 전해도금(electroplating) 방법, 물질적 기상 증착(PVD) 방법, 화학적 기상 증착(CVD) 방법, 무전해 도금(electroless plating) 방법 등이 있다. 물리적 기상 증착 방법은 층덮힘이 불량하며, 무전해 도금 방법은 증착 속도가 매우 늦고 상용화된 장비가 없어 실제 사용이 어렵고, 화학적 기상 증착 방법은 구리 상이 (111) 및 (200) 등의 혼재된 상으로 증착되어 전자 이동의 신뢰성이 떨어지고, 증착 속도가 느리다는 단점이 있다. 따라서, 비아홀(또는 콘택홀)과 트렌치(trench)에 구리 시드층을 먼저 형성하고, 이후 구리 전해도금 방법으로 비아홀 및 트렌치를 매립하는 2단계 공정을 주로 적용하고 있다. 이 방법은 화학적 기상 증착 방법으로만 구리층을 형성하는 것보다 비용도 낮은 장점이 있다. 일반적으로 구리 시드층은 화학적 기상 증착이나 물리적 기상 증착 방법으로 형성하는데, 이후에 형성되는 구리층의 신뢰성은 구리 시드층의 형성 상태에 따라 좌우된다.
화학적 기상 증착이나 물리적 기상 증착 방법으로 형성된 구리 시드층은 그 상이 (111) 및 (200) 등의 혼재된 상태이며, 첨부된 도 1(b) 및 도 2에 나타난 바와 같이, 표면이 거칠고 핀홀(pin hole; 10)이 존재하고 있다. 이러한 상태에서 구리를 성장 시키면, 거친 표면과 핀홀(10)로 인하여 구리의 성장이 균일하지 않고 조밀하게 성장되지 못하며, 구리를 성장시켜 형성된 구리층은 그 상이 (111) 및 (200) 등이 혼재된 상으로 존재하게 되어 배선의 신뢰성을 저하시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 구리 시드층을 형성한 후에 급속 열 공정 처리하여 구리 시드층을 균일하고 조밀하게 하면서 핀홀이 없게하므로써, 구리 시드층상에 형성되는 구리층의 상이 우수한 (111) 우선 배향 방향으로 성장 되도록하여 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구리 배선 형성 방법은 비아홀 및 트렌치가 형성된 기판이 제공되는 단계; 상기 기판 표면에 배리어 메탈층을 형성하는 단계; 상기 배리어 메탈층상에 구리 시드층을 형성하고, 상기 구리 시드층을 급속 열 공정 처리하는 단계; 상기 비아홀 및 트렌치가 매립되도록 구리 전해도금 방법으로 상기 구리 시드층상에 구리층을 형성하는 단계; 화학적 기계적 연마 공정으로 구리층을 연마하여 상기 비아홀 및 트렌치에 구리 플러그와 구리 배선을 형성하는 단계; 및 상기 구리 배선 상에 캡핑층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1(a) 내지 도 1(f)는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 소자의 단면도.
도 2는 구리 시드층을 형성한 후의 AFM 사진.
도 3은 구리 시드층을 RTP 처리한 후의 AFM 사진.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1: 기판 2: 도전층
3: 층간 절연막 4: 비아홀 (또는 콘택홀)
5: 트렌치 6: 배리어 메탈층
7: 구리 시드층 8: 구리층
8A: 구리 배선 8B: 구리 플러그
9: 캡핑층 10: 핀홀
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1(a) 내지 도 1(f)는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 소자의 단면도이고, 도 2는 구리 시드층을 형성한 후의 AFM(Atomic Force Microscope) 사진이며, 도 3은 구리 시드층을 RTP 처리한 후의 AFM 사진이다.
도 1(a)를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 구조의 기판(1)에 도전층(2)을 형성한다. 도전층(2)을 포함한 기판(1) 전체구조상에 층간 절연층(3)을 형성한다. 다마신 공정을 진행하기 위해 층간 절연층(3)에 비아홀 또는 콘택홀(4) 및 트렌치(5)를 형성한다.
상기에서, 층간 절연층(3)은 저 유전 상수 값을 갖는 유전체 물질로 형성하거나 실리콘 산화물 예를 들어, 고밀도 플라즈마(HDP) 또는 스핀 온 글라스(SOG)를 증착하여 형성한다.
도 1(b)를 참조하면, 비아홀(4) 및 트렌치(5)가 형성된 층간 절연층(3)의 표면에 배리어 메탈층(6)을 형성한다. 배리어 메탈층(6) 상에 구리를 전해도금하기 위한 구리 시드층(Cu seed layer; 7)을 형성시킨다.
상기에서, 배리어 메탈층(6)은 200 내지 500Å의 두께로 탄탈륨 나이트라이드(TaN)를 물리적 기상 증착 또는 화학적 기상 증착 방법으로 증착하여 형성되며, 이 배리어 메탈층(6)은 후에 형성되는 구리층으로부터의 구리 원자가 층간 절연층(3)으로 확산하는 것을 방지하는 역할을 한다. 구리 시드층(7)은 물리적 기상 증착 또는 화학 기상 증착 방법에 의해 200 내지 1000Å의 두께로 증착하여 형성시킨다. 이렇게 형성된 구리 시드층(7)은, 도 1(b) 도 2에 나타난 바와 같이, 그 상이 (111) 및 (200) 등의 혼재된 상태이며, 표면이 거칠고 조밀하지 않으며 핀홀(pin hole; 10)이 존재하고 있다. 이러한 상태에서 구리를 성장 시키면, 전술한 바와 같이, 거친 표면과 핀홀(10)로 인하여 구리의 성장이 균일하지 않고 조밀하게 성장되지 못하며, 구리를 성장시켜 형성된 구리층은 그 상이 (111) 및 (200) 등이 혼재된 상으로 존재하게 되어 배선의 신뢰성을 저하시킨다.
도 1(c)를 참조하면, 급속 열 공정 장비에서 300 내지 650℃의 온도, 질소(N2), 수소(H2) 또는 질소와 수소 혼합 가스(N2/H2) 분위기로 10 내지 300초 급속 열 공정 처리하여, 최초 형성된 구리 시드층(7)의 구리 원소를 표면 확산시켜 표면이 균일하고 조밀하면서 핀홀(10)이 없고, 또한 구리 원소의 배향성이 (111)으로 우선 배향된 새로운 구리 시드층(7)이 형성된다.
도 1(d)를 참조하면, 비아홀 및 트렌치가 매립되도록 구리 전해도금 방법으로 구리층(8)을 형성한다.
도 1(e)를 참조하면, 화학적 기계적 연마 공정으로 구리층(8)을 연마하여, 비아홀(4) 및 트렌치(5)에 구리 플러그(8B)와 구리 배선(8A)을 형성한다.
도 1(f)를 참조하면, 구리 배선(8A) 상에 캡핑층(capping layer; 9)을 형성하여 본 발명의 구리 배선(8A)을 완성시킨다.
상기에서, 캡핑층(9)은 배리어 메탈층(6)과 동일한 물질을 증착하여 형성되며, 역할 또한 배리어 메탈층(6)과 동일하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 물리적 기상 증착 또는 화학적 기상 증착 방법으로 형성된 구리 시드층을 급속 열 공정 처리하여 균일하고 조밀하면서 핀홀이 없고, 또한 구리 원소의 배향성이 (111)으로 우선 배향된 구리 시드층으로 변화시키므로써, 이후에 구리 전해도금 방법으로 형성되는 구리층의 구리 상이 (111)로 배향 성장되어 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (4)
- 비아홀 및 트렌치가 형성된 기판이 제공되는 단계;상기 기판 표면에 배리어 메탈층을 형성하는 단계;상기 배리어 메탈층상에 구리 시드층을 형성하고, 상기 구리 시드층을 급속 열 공정 처리하는 단계;상기 비아홀 및 트렌치가 매립되도록 구리 전해도금 방법으로 상기 구리 시드층상에 구리층을 형성하는 단계;화학적 기계적 연마 공정으로 구리층을 연마하여 상기 비아홀 및 트렌치에 구리 플러그와 구리 배선을 형성하는 단계; 및상기 구리 배선 상에 캡핑층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 배리어 메탈층 및 상기 캡핑층 각각은 탄탈륨 나이트라이드(TaN)를 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 구리 시드층은 물리적 기상 증착 방법 및 화학적 기상 증착 방법중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 급속 열 공정 처리는 급속 열 공정 장비에서 300 내지 650℃의 온도, 질소(N2), 수소(H2) 또는 질소와 수소 혼합 가스(N2/H2) 분위기로 10 내지 300초 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법.
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