KR100399417B1 - 반도체 집적 회로의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 집적 회로의 제조 방법에 관한 것으로, 반도체 기판(1) 상에 층간 절연막(3)을 형성하는 단계, 상기 층간 절연막(3)의 소정 영역을 식각하여 리세스(recess) 영역을 구비하는 층간 절연막(3) 패턴을 형성하는 단계, 상기 층간 절연막(3) 패턴이 형성된 결과물 전면에 장벽 금속(5)(barrier metal)을 형성하는 단계, 상기 층간 절연막(3) 패턴의 상부면에 형성된 장벽 금속(5) 상에 금속 증착 방지막(7)을 선택적으로 형성하여 장벽 금속(5)이 노출된 부위에만 화학적 기상 증착(CVD)으로 Al 층(9)을 형성하는 단계, 상기 구조 위에 후속 공정인 물리적 기상 증착(PVD)으로 Al 공정에 의한 증착된 Al 원자의 이동(migration)을 억제하는 층(13)을 증착하는 단계, 및 물리적 기상 증착(PVD)으로 Al을 증착하고 증착된 Al 층(11)을 리플로우(reflow)하는 단계를 포함하며, 상기 Al 원자의 이동을 억제하는 층(13)은 Ti, TiN, Ti/TiN, Ta, TaN 및 Ta/TaN으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 집적 회로의 제조 방법을 제공함으로써 PVD-Al이 금속 증착 방지막이 아닌 Ti 또는 TiN 위에서 이동할 수 있는 환경을 제공하여 증착된 Al의 그루브(groove)를 개선할 수 있다.

Description

반도체 집적 회로의 제조 방법{A method for preparing of integrated circuit of semiconductor}
[산업상 이용분야]
본 발명은 반도체 집적 회로의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 집적 회로의 금속 배선을 형성하여 반도체 집적 회로를 제조하는 방법에 관한 것이다.
[종래 기술]
반도체 소자는 트랜지스터(transistor), 저항 및 캐패시터 등으로 구성되며, 이러한 반도체 소자를 반도체 기판 상에 구현하는 데 있어서 금속 배선은 필수적으로 요구된다.
금속 배선은 전기적인 신호를 전송시키는 역할을 하므로, 전기적인 저항이 낮아야 함은 물론 경제적이고 신뢰성이 높아야 한다. 이러한 금속 배선에 적합한 물질로써는 알루미늄 막을 들 수 있다. 이에 따라, 지금까지 금속 배선으로 알루미늄 막이 널리 사용되고 있다.
한편, 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 금속 배선의 폭 및 두께는 점점 감소하고, 콘택 홀의 크기 또한 점점 감소하고 있다. 따라서, 콘택 홀의 에스펙트 비(aspect ratio)가 증가하여 콘택 홀 내에 금속 홀 내에 금속 배선을 완전히채우는 기술이 매우 중요해지고 있다.
에스펙트 비가 큰 콘택 홀을 저항이 작은 물질로 완전히 채우기 위한 기술로는 화학적 기상 증착으로 알루미늄을 증착(CVD-Al ; Chemical Vapor Depositin-Aluminium, 이하 CVD-Al이라 함)하는 공정이 있다.
CVD-Al 공정은 크게 2가지로 분류가 되는데 하나가 블랭킷-Al(blanket-Al) 공정이고, 또 하나는 선택적 Al(selective-Al) 공정이다.
브랭킷-Al 공정은 웨이퍼 전면에 Al을 증착하여 콘택 홀을 채우는 기술로서 우수한 스텝-커버리지(step-coverage)를 가진 Al의 특성을 최대한 이용하고자 하는 것이다.
그러나, CVD-Al의 경우, 알려진 바와 같이 일정 두께 이상에서는 특이한 성장 특성을 나타내 웨이퍼 거칠기(wafer roughness)가 나빠짐과 동시에 작은 콘택에서는 입구가 막혀 충전이 되지 않는 문제점을 지니고 있다.
반면에 절연막 및 도전막 상의 성장 능력 차이를 이용하는 선택적 Al 공정은 비아(via) 등의 제한된 영역에서만 사용이 가능한 상태였고 장벽 금속(barrier metal)이 증착되어 있는 금속 콘택의 경우에는 적용하기가 어려웠다.
따라서, 콘택 저항 및 배선 저항을 낮출 수 있고 완전한 콘택 충전을 할 수 있는 새로운 Al-콘택 충전 기술이 필요하게 되었다.
일본 공개 특허 평 4-171940호에서는 콘택홀에 오믹 도전막과 배리어 도전막을 가지는 중간 도전막과 Al막 또는 Al 합금막을 순차 형성하고, 콘택 측벽에 Al막을 잔존하게 하고 콘택홀 저부에는 배리어 도전막을 잔존하게 하는 공정과 측벽의Al막을 리플로우시켜 콘택홀 저부에 남기는 공정과 콘택홀을 메우는 새로운 Al 막을 형성하는 공정을 가지는 반도체 제조 방법을 개시하고 있고, 미국 특허 제 6,022,800호에서는 콘택홀 전면에 화학적 기상 증착(CVD)으로 제 1 TiN 막을 형성하고, 물리적 기상 증착(PVD)로 제 2 TiN 막을 상부면에 형성하고 CVD에 의해 텅스텐을 충분히 적층하여 콘택홀을 메우는 방법을 개시하고 있다.
또한, 일본 공개 특허 평 10-64902호에서는 웨이퍼 상에 Ti 및 TiN을 PVD로 배리어 층을 형성하고, 전극 배선이 하부 실리콘 또는 하층 배선과 반응하지 않게 배리어 금속막 상에 알루미늄과 젖음성(wetting)이 뛰어난 Ti로 된 젖음성 특성이 개선막을 형성한 후, 알루미늄을 실온에서 성막하고, 반도체 웨이퍼에 열을 가하여 알루미늄을 리플로우시켜 콘택홀을 메우는 방법을 개시하고 있다.
한편, 콘택 홀 내부에 Al을 증착하기 위한 기술로 블랭킷-Al과 동일하게 진행하되 Al 하지막의 선택비를 개선하여 콘택 충전을 진행하는 PMD(Preferential Metal Deposition) 공정이 개발되었다.
PMD 공정이란, 도 1a에서 도시한 바와 같이, 장벽 금속 증착(5) 후에 금속 증착 방지막(7)(ANL ; Anti-Nucleation Layer, 이하 ANL이라 함)을 층간 절연막(3) 패턴의 상부면에만 형성하여 선택적인 금속 증착을 가능하도록 하는 방법이다.
이때의 금속 증착 방지막(5)은 Al, Zr, Ti, Sr, Mg, Ba, Ca, Ce, Y 등의 실리콘보다 산화성이 우수한 물질을 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법이나 CVD(단, 순응도가 나쁜 조건에서) 방법으로 증착한 후, 대기 노출 또는 산소 플라즈마에 의해 산화시키는 방법에 의해서 형성한다.
이후, 도 1b에 도시한 바와 같이, 장벽 금속 강화와 오믹 콘택층(ohmic contact layer) 형성을 위해 장벽 금속의 열처리를 진행하고 CVD-Al 공정으로 선택적으로 Al 금속(9)을 형성하게 된다. 이후, 도 1c 및 도 1d에 도시한 바와 같이, 물리적 기상 증착으로 Al을 증착(11)(PVD-Al ; Physical Vapor Deposition-Alumunium, 이하 PVD-Al이라 함)하고 리플로우(reflow) 공정을 통하여 콘택을 완벽하게 채우게 된다.
그러나, 상기 특허 기술과 종래의 PMD-Al 공정에서 리플로우되는 PVD-Al은 금속 증착 방지막 위에서 이동을 하게 되며, 상기 증착된 Al과 금속 증착 방지막의 반응이 일어나지 않기 때문에 이동이 활발히 일어난다.
이러한 이유 때문에 증착된 Al의 그레인 성장(grain growth)이 과도하게 진행되어 그레인 바운더리(grain boundary)의 단차가 깊어지게 되고, 따라서 후속 공정 상에서 링 디펙트(ring defect)를 유발시킬 가능성이 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 위에서 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 물리적 기상 증착으로 증착된 Al의 이동을 억제하여 증착되는 Al의 그레인 성장(grain growth)을 억제하여 반도체 집적 회로의 이상 패턴을 방지할 수 있는 반도체 집적 회로의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따라 제조되는 반도체 집적 회로의 배선 형성 방법을 순서적으로 도시한 도면이다.
도 2a 내지 2e는 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 반도체 집적 회로의 배선 형성 방법을 순서적으로 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 알루미늄 리플로우 공정에서 리플로우한 후 알루미늄 표면의 AFM 사진이고, 도 3b는 종래의 PMD(Preferential Metal Deposition) 공정으로 알루미늄으로 증착한 후의 알루미늄 표면의 AFM 사진이다.
도 4는 종래 PMD 공정 후 링 디펙트(ring defect)가 발생한 모습을 나타내는 사진이다.
도 5a는 종래의 기술로 제조된 반도체 집적 회로의 표면을 나타내는 사진이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 반도체 집적 회로의 표면을 나타내는 사진이다.
도면 부호의 간단한 설명
1 : 반도체 기판 3 : 층간 절연막 패턴
5 : 장벽 금속(barier metal) 7 : 금속 증착 방지막(ANL)
9 : CVD-Al 11 : PVD-Al
13 : 절연막
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
반도체 기판(1) 상에 층간 절연막(3)을 형성하는 단계;
상기 층간 절연막(3)의 소정 영역을 식각하여 리세스(recess) 영역을 구비하는 층간 절연막(3) 패턴을 형성하는 단계;
상기 층간 절연막(3) 패턴이 형성된 결과물 전면에 장벽 금속(5)(barrier metal)을 형성하는 단계;
상기 층간 절연막(3) 패턴의 상부면에 형성된 장벽 금속(5) 상에 금속 증착 방지막(7)을 선택적으로 형성하여 장벽 금속이 노출된 부위에만 화학 기상 증착으로(CVD) Al 층(9)을 형성하는 단계;
상기 구조 위에 후속 공정인 물리적 기상 증착(PVD)으로 증착된 Al(11) 원자의 이동(migration)을 억제하는 층(13)을 증착하는 단계; 및
물리적 기상 증착(PVD)으로 Al(11)을 증착하고 증착된 Al 층(11)을 리플로우(reflow)하는 단계를 포함하며, 상기 Al 원자의 이동을 억제하는 층(13)은 Ti, TiN, Ti/TiN, Ta, TaN 및 Ta/TaN으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 집적 회로의 제조 방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따라 제조되는 반도체 집적 회로의 제조 방법을 순서적으로 도시한 도면이다.
먼저, 반도체 기판(1) 상에 층간 절연막(3)을 형성한다. 다음에, 상기 층간 절연막(3)의 소정 영역을 식각함으로써 리세스 영역(recess region)을 갖는 층간 절연막(3) 패턴을 형성한다.
여기서, 상기 리세스 영역은 반도체 기판의 소정 영역을 노출시키는 콘택 홀이거나 상기 층간 절연막의 두께보다 얕게 형성된 그루브(groove)일 수 있다. 상기 리세스 영역이 그루브인 경우에는 다마신(damascene) 공정에 해당한다.
이어서, 상기 층간 절연막(3) 패턴이 형성된 결과물 전면에 장벽 금속(5)(barrier metal)을 형성한다. 여기서, 상기 리세스 영역이 반도체 기판의 소정 영역, 예를 들어, 트랜지스터의 소스/드레인(source/drain) 영역을 노출시키는 콘택 홀일 경우에는 장벽 금속(5)을 형성하기 전에 층간 절연막(3) 패턴이 형성된 결과물 전면에 오믹 금속층(ohmic metal layer)을 형성하여야 한다.
그리고 나서, 도 2a에 도시한 바와 같이, 상기 층간 절연막(3) 패턴의 상부면에 형성된 장벽 금속(5) 상에만 금속 증착 방지막(7)(anti-nucleation layer)을 선택적으로 형성함으로써, 상기 리세스 영역의 측벽 및 바닥에 형성된 장벽 금속(5)을 노출시킨다.
다음에 도 2b에 도시한 바와 같이, 화학적 기상 증착으로 Al을 증착(9)(CVD-Al ; Chemical Vapor Depositon Alumunium, 이하, CVD-Al이라 함)하는 공정을 진행하게 되면 장벽 금속이 드러난 부분에서만 Al 박막의 성장이 일어나고, 금속 증착 방지막 위에서는 CVD-Al이 성장하지 않는다.
이렇게 리세스 영역 내에 형성된 장벽 금속(5)을 노출시키는 금속 증착 방지막(7)에 의해 리세스 영역 내에 Al, Cu 등과 같은 금속막을 선택적으로 형성할 수 있다. 이는 절연체 막인 금속 증착 방지막(7) 위에 금속 핵이 형성되는 시간이 금속막인 장벽 금속에서 형성되는 시간에 비해 수십배 이상 길기 때문이다.
노출된 장벽 금속(5)에 의하여 둘러싸여진 영역을 채우는 금속막을 선택적MOCVD 방법으로 형성하고, 이후 필요에 따라 CVD 방법으로 형성된 금속막을 덮는 금속막, 예를 들어, Al 또는 Al 합금막을 추가로 형성하며 금속 배선을 완성할 수도 있다.
한편, 도 2c에 도시한 바와 같이, 금속 증착 방지막(7)을 형성한 후 상기 금속 증착 방지막(7) 상에 Ti, TiN, Ti/TiN, Ta, TaN 및 Ta/TaN으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 물질(13)을 증착한다. 상기 증착되는 물질의 두께는 100 Å 이하인 것이 바람직하다.
그리고 나서, 도 2d에 도시한 바와 같이, PVD-Al 공정을 진행하여 Al(11) 층을 형성하고, 도 2e에 도시한 바와 같이, 리플로우 공정을 진행하여 금속 배선을 완성한다.
이상과 같이, 본 발명에서는 금속 증착 방지막(7) 상에 Ti, TiN, Ti/TiN, Ta, TaN 및 Ta/TaN으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 물질층을 형성하는데 이는 종래의 PMD-Al 공정에서 리플로우(reflow)되는 물리적 기상 증착으로 증착된 Al(13)(PVD-Al ; Physical Vapor Deposition, 이하 PVD-Al이라 함)은 금속 증착 방지막(7) 위에서 이동(migration)을 하게 된다. 이것은 종래의 Al 리플로우 공정에서 PVD-Al이 TiN 위에서 이동하는 것과 다른 특성을 나타낸다.
PVD-Al이 금속 증착 방지막 위에서 이동할 때는 Al과 금속 증착 방지막의 반응이 일어나지 않기 때문에 이동이 활발히 일어난다. 그러나, 이때 Al의 그레인 성장(grain growth)이 과도하게 진행되어 그레인 바운더리(grain boundary)의 단차가 깊어지게 되는데, 이것은 후속에 링 디펙트(ring defect)를 유발시킬 가능성이크다.
이러한 문제들은 도 3a 및 도 3b에서 알 수 있다. 도 3a와 도 3b의 차이는 PVD-Al이 열 에너지에 의해서 이동할 때, 하지막이 금속 증착 방지막(도 3a)과 TiN(도 3b)인 것이다.
TiN 위에서 PVD-Al이 이동할 때에는 약간의 반응층이 형성되고 이것이 Al의 이동을 억제하는 효과를 나타내는 반면, 금속 증착 방지막 위에서는 반응이 일어나지 않아 Al의 이동이 활발하게 일어나게 된다.
Al의 이동이 활발하게 일어나면, 그레인 성장이 촉진되지만, 그레인과 그레인 사이의 단차가 증가하는 현상이 일어나는데, 이것은 금속 패터닝(metal patterning) 공정에서 링 디펙트(ring defect)를 유발할 수 있다. 링 디펙트란 Al의 깊은 그레인에 포토 레지스트 등의 마스크 층이 남아서 이상 패턴이 형성되는 것으로 그 예를 도 5에 나타내었다.
따라서, 본 발명에서는 PVD-Al이 금속 증착 방지막이 아닌 Ti, TiN 등과 같은 금속막 위에서 이동할 수 있는 환경을 구성해 주고, 이것을 구현하기 위해서 금속 증착 방지막과 CVD-Al 공정 후에 Ti 또는 TiN을 증착하고, PVD-Al, 리플로우(reflow)를 진행하면, PVD-Al이 금속 증착 방지막이 아닌 Ti 또는 TiN 위에서 이동하여 Al의 그루브(groove)를 개선할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 PVD-Al을 증착한 후 증착된 Al(11)의 표면을 나타내는 사진으로, 종래의 기술에 따라 증착된 Al의 표면(도 7a)보다 본 발명의 기술에 따라 증착된 Al의 표면(도 7b)이 더욱 균일한 표면을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이에따라 링 디펙트로 인한 이상 패턴 형성을 억제할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체 집적 회로의 제조 방법에서는 종래의 PMD-Al 공정에서 나타나는 Al 그루브(groove) 공정의 문제점을 개선한 것으로 PVD-Al의 이동도를 억제하여 그레인 성장의 진행을 억제함으로써 반도체 집적 회로의 이상 패턴 형성을 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 반도체 기판(1) 상에 층간 절연막(3)을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막(3)의 소정 영역을 식각하여 리세스(recess) 영역을 구비하는 층간 절연막(3) 패턴을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막(3) 패턴이 형성된 결과물 전면에 장벽 금속(5)(barrier metal)을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막(3) 패턴의 상부면에 형성된 장벽 금속(5) 상에 금속 증착 방지막(7)을 선택적으로 형성하여 장벽 금속(5)이 노출된 부위에만 화학적 기상 증착(CVD)으로 Al 층(9)을 형성하는 단계;
    상기 구조 위에 후속 공정인 물리적 기상 증착(PVD)으로 Al 공정에 의한 증착된 Al 원자의 이동(migration)을 억제하는 층(13)을 증착하는 단계; 및
    물리적 기상 증착(PVD)으로 Al을 증착하고 증착된 Al 층(11)을 리플로우(reflow)하는 단계를 포함하며,
    상기 Al 원자의 이동을 억제하는 층(13)은 Ti, TiN, Ti/TiN, Ta, TaN 및 Ta/TaN으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 집적 회로의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 물리적 기상 증착(PVD)으로 증착된 Al 원자의 이동을 억제하는 층(13)의 두께는 100 Å 이하인 반도체 집적 회로의 제조 방법.
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