KR100434188B1 - 장벽 금속층 적층 방법 - Google Patents
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Abstract
스퍼터링 방법에 의해 장벽 금속층을 적층하는 방법이 개시되어 있다. 기판을 상기 적층을 위한 챔버로 도입한다. 상기 챔버는 금속 물질 소스가 타겟으로 설치되고, 상기 타겟으로부터 방출되는 상기 금속 물질들이 기판 표면에 충분하게 적층되는 거리를 갖는다. 그리고, 가스 상태의 불순물을 도입하여 불안정 영역의 압력으로 조성한다. 상기 불안정 영역은 동일 유량 조건에서 상기 가스가 압력이 상승할 때와 하강할 때 상기 압력이 서로 다른 영역이다. 그리고, 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 금속 물질을 방출시킨다. 이에 따라, 상기 기판 표면에 상기 불순물 및 상기 금속 물질로 이루어지는 금속 화합물층을 적층한다. 상기 금속 화합물층은 장벽 금속층으로서, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는다.
Description
본 발명은 장벽 금속층 적층 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 티타늄층 및/또는 질화 티타늄층을 적층하기 위한 방법에 관한 것이다.
컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 그 기능 면에 있어서, 상기 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이러한 요구에 부응하여, 상기 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 제조 기술이 발전되고 있다. 때문에, 상기 반도체 장치의 금속 배선층에 대한 요구도 엄격해지고 있다.
상기 금속 배선층은 주로 알루미늄 물질로 형성한다. 그러나, 상기 알루미늄 물질은 실리콘 재질로 이루어지는 기판과 용이하게 반응하고, 그 결과 졍선 스파이킹(junction spiking)을 발생시킨다. 때문에, 상기 알루미늄 물질에 실리콘 물질을 과포화시킨 Al-1%Si 물질을 상기 금속 배선층으로 사용한다. 그러나, 상기 금속 배선층을 약 450℃ 이상이 온도로 열처리할 경우, 상기 금속 배선층의 Al-1%Si 물질로부터 Si가 석출된다. 상기 Si 석출은 Si 잔사(residue) 및 Si 노듈(nodule)을 발생시키는 원인으로 작용한다. 그리고, 상기 금속 배선층의 저항을 증가시키는 원인으로 작용한다.
이에 따라, 상기 졍선 스파이킹, Si 잔사 또는 Si 노듈이 발생을 최소화하기 위하여 확산 방지층으로서 장벽 금속층을 상기 금속 배선층과 상기 기판 또는 상기 금속 배선층과 절연층 사이에 형성한다.
그리고, 최근에는 상기 집적도의 향상을 위하여 상기 금속 배선층을 다층 구조로 형성한다. 이에 따라, 완충층(buffer layer)으로서 상기 장벽 금속층을 하부 금속 배선층과 상부 금속 배선층 사이에 형성한다. 이는, 상기 하부 및 상부 금속 배선층들 사이에서의 일렉트로 마이그레이션(electromigration) 특성을 개선하고, 후속 공정에서 가해지는 열적 스트레스를 최소화하기 위함이다.
상기 장벽 금속층에 대한 예들은 미합중국 특허 제5,904,561호(issued to Tseng), 미합중국 특허 제5,970,374호(issued to Teo), 미합중국 특허 제5,998,870호(issued to Lee et al.) 및 미합중국 특허 제6,033,983호(issued to Lee et al.) 등에 개시되어 있다.
상기 장벽 금속층으로는 주로 티타늄층 및/또는 질화티타늄층을 사용한다. 상기 장벽 금속층은 주로 스퍼터링 방법에 의해 형성된다. 상기 스퍼터링 방법에 대한 예들은 미합중국 특허 제5,958,193호(issued to Brugge) 및 미합중국 특허 제6,096,176호(issued to Van Buskirk) 등에 개시되어 있다.
그러나, 개구부(window)를 갖는 구조물 상에 통상의 스퍼터링 장치를 사용하여 상기 장벽 금속층을 형성할 경우, 상기 개구부에는 상기 장벽 금속층이 용이하게 적층되지 않는다. 따라서, 상기 개구부 입구는 우수한 스텝 커버리지의 확보가 용이하지 않다. 이는, 상기 스퍼터링 장치에 설치되는 타겟과 상기 스퍼터링 장치에 놓여지는 기판 간의 거리가 짧기 때문이다. 상기 거리는 약 50mm 정도이다. 특히, 종횡비(aspect ratio)가 2 이상인 개구부를 갖는 구조물 상에 상기 장벽 금속층을 적층할 경우 상기 스텝 커버리지의 확보는 더욱 힘들다.
따라서, 최근에는 상기 거리가 170mm 정도인 스퍼터링 장치를 사용하여 상기장벽 금속층을 적층하고 있다. 따라서, 우수한 스텝 커버리지를 갖는 장벽 금속층의 적층이 가능하다. 그러나, 상기 170mm의 스퍼터링 장치를 사용할 경우 상기 티타늄층의 적층은 용이하지만, 상기 질화 티타늄층의 형성은 용이하지 않다. 이는. 상기 장치 내에 질소 가스를 균일하게 도입하지 못하기 때문이다. 이에 따라, 상기 질소 가스의 균일한 도입이 가능한 170mm의 스퍼터링 장치를 사용하여 상기 질화 티타늄층을 형성한다. 그러나, 상기 질화 티타늄층은 상기 개구부 저부 및 측벽에서 높은 저항을 갖는다. 그리고, 상기 장치를 사용할 경우 빈번한 유지 보수가 요구된다. 이는. 상기 질소 가스가 상대적으로 많은 유량으로 도입되기 때문이다.
이와 같이, 종래에는 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 장벽 금속층의 형성이 용이하지 않다.
따라서, 최근에는 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 장벽 금속층의 형성을 위한 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 제1목적은, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 장벽 금속층을 형성하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2목적은, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 질화 티타늄층을 포함하는 장벽 금속층을 형성하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장벽 금속층의 적층에 사용되는 스퍼터링 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 스퍼터링 장치의 챔버 내에 도입되는 질소 가스의 유량에 따른 압력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 질화 티타늄층을 포함하는 장벽 금속층을 적층하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따라 적층한 장벽 금속층들의 저항 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 방법을 포함하는 금속층 적층 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 도 5의 금속층을 적층하기 위한 적층 장치를 나타내는 개략적인 구성도이다.
상기 제1목적을 달성하기 위하여 본 발명은, a) 금속 물질 소스가 타겟으로 설치되고, 상기 타겟으로부터 방출되는 상기 금속 물질들이 기판 표면에 충분하게적층되는 거리를 갖는 스퍼터링 장치의 챔버로 상기 기판을 도입하는 단계, b) 동일 유량 조건에서 압력이 상승할 때와 하강할 때 상기 압력이 서로 다른 불안정 영역이 존재하는 가스 상태의 불순물을 상기 챔버로 도입하여 상기 챔버를 상기 불안정 영역의 압력으로 조성하는 단계, c) 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 금속 물질을 방출시켜 상기 기판 표면에 상기 불순물 및 상기 금속 물질로 이루어지는 금속 화합물층을 적층하는 단계를 포함하는 장벽 금속층 적층 방법을 제공한다.
상기 제2목적을 달성하기 위하여 본 발명은, a) 티타늄 물질 소스가 타겟으로 설치되고, 상기 타겟으로부터 방출되는 상기 티타늄 물질들이 기판 표면에 충분하게 적층되는 거리를 갖는 스퍼터링 장치의 챔버로 상기 기판을 도입하는 단계, b) 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 티타늄 물질들을 방출시켜 상기 기판 표면에 상기 티타늄 물질로 이루어지는 티타늄층을 적층하는 단계, c) 동일 유량 조건에서 압력이 상승할 때와 하강할 때 상기 압력이 서로 다른 불안정 영역이 존재하는 가스 상태의 질소를 상기 챔버로 도입하여 상기 챔버를 상기 불안정 영역의 압력으로 조성하는 단계, d) 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 티타늄 물질들을 방출시켜 상기 티타늄층 표면에 상기 질소 및 상기 티타늄 물질로 이루어지는 질화 티타늄층을 적층하는 단계를 포함하는 장벽 금속층 적층 방법을 제공한다.
상기 방법들에 의하면, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 장벽 금속층을 용이하게 형성할 수 있다. 특히, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 질화 티타늄층을 용이하게 형성할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 타겟으로부터 방출되는 상기 금속 물질들이 기판 표면에 충분하게 적층되는 거리를 갖는 스퍼터링 장치의 챔버로 기판을 도입한다. 상기 타겟은 상기 기판 상에 적층되는 물질과 동일한 물질로 이루어진다. 때문에, 상기 기판 상에 금속 물질을 적층할 경우 상기 타겟은 금속 물질 소스로 이루어진다. 그리고, 상기 금속 물질 소스는, 바람직하게는, 티타늄 물질이다. 따라서, 상기 타겟은 티타늄 믈질로 구성된다.
도 1은 상기 스퍼터링 장치(10)를 나타내는 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 상기 장치(10)는 챔버(100) 상측에 설치되는 타겟(110) 및 챔버(100)로 도입된 기판(120)이 놓여지는 플레이트(130)를 포함한다. 특히, 플레이트(130)에 놓여지는 기판(120)과 타겟(110) 간의 거리(ℓ)는 적어도 150mm 이상이다. 상기 거리는, 바람직하게는, 170mm 이다. 그리고, 플레이트(130)에 무선 주파수(radio frequency : RF)를 갖는 파워를 인가하는 부재(도시되지 않음)가 선택적으로 포함된다.
이에 따라, 상기 기판 표면에 상기 금속 물질을 충분하게 적층할 수 있다. 특히, 상기 기판의 요철 부위를 갖는 구조물 상에 상기 금속 물질을 충분하게 적층할 수 있다.
구체적으로, 상기 구조물이 상기 기판 표면이 노출되는 개구부를 포함하는 경우, 상기 개구부의 저부 및 측벽에 용이하게 상기 금속 물질을 적층할 수 있다.따라서, 상기 개구부 입구에 우수한 스텝 커버리지를 갖는 층을 적층할 수 있다. 그리고, 상기 구조물이 적어도 하나의 금속 배선층, 상기 금속 배선층을 절연하기 위한 절연층 및 상기 금속 배선층 표면이 노출되는 개구부를 포함하는 경우, 상기 개구부 저부 및 측벽에 용이하게 상기 금속 물질을 적층할 수 있다. 따라서, 상기 개구부 입구에 우수한 스텝 커버리를 갖는 층을 적층할 수 있다. 때문에, 다층 배선 구조를 갖는 구조물에 상기 적층 방법을 적극적으로 응용할 수 있다.
그리고, 상기 챔버로 가스 상태의 불순물을 도입한다. 따라서, 상기 챔버는 상기 가스 상태의 불순물에 의해 일정 압력으로 조성된다. 상기 가스 상태의 불순물은 동일 유량 조건에서 압력이 상승할 때와 하강할 때 서로 다른 불안정 영역(transition region)이 존재하는 물질이다. 따라서, 상기 일정 압력은 상기 불안정 영역의 압력이다. 구체적으로, 상기 불안정 영역은 상기 압력을 상승시킬 때의 제1압력값과 상기 상승시킨 압력을 하강시킬 때의 제2압력값이 동일 유량 조건에서 서로 다른 영역이다.
상기 압력은 상기 가스 상태의 불순물을 상대적으로 많은 유량으로 도입하여 상기 불안정 영역의 압력보다 높은 압력으로 조성한 다음 상기 가스 상태의 불순물을 상대적으로 적은 유량으로 도입하여 상기 불안정 영역으로 조성한다. 구체적으로, 상기 압력은 2 내지 4 Torr 정도이다. 따라서, 상기 압력은 상기 챔버 내부를 약 4 Torr 정도의 압력으로 조성한 다음 상기 챔버 내부를 2 내지 4 Torr 정도의 압력으로 조성한다. 이때, 상기 4 Torr 이상의 압력은 2 내지 4초 동안 조성하고, 상기 2 내지 4 Torr 정도의 압력은 18 내지 22초 동안 조성한다. 그리고, 상기 압력은 18 내지 25℃ 정도의 실온 분위기에서 조성한다.
상기 가스 상태의 불순물은, 바람직하게는, 가스 상태의 질소다. 즉, 상기 가스 상태의 불순물은 질소 가스다.
도 2는 상기 챔버 내에 도입되는 질소 가스의 유량에 따른 압력을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, ◇는 상기 질소 가스를 계속적으로 도입하여 상기 압력을 상승시킬 때를 나타낸다. 구체적으로, 상기 챔버의 압력을 상승시킬 경우, 30 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버의 압력은 1.5 Torr 정도이고, 50 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버의 압력은 2 Torr 정도이다. 그리고, 70 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버의 압력은 2.5 Torr 정도이고, 90 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버의 압력은 4 Torr 정도이고, 110 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버의 압력은 4.5 Torr 정도이다. 그리고,상기 상승시킨 압력을 하강시킬 경우, 90 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버의 압력은 4 Torr 정도이다. 그러나, 70 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버 압력은 3.5 Torr 정도이고, 50 sccm 정도가 도입되는 시점에서 상기 챔버 압력은 2.5 Torr 정도이다. 이와 같이, 상기 질소 가스는 2 내지 4 Torr 정도의 압력에서 불안정 영역을 갖는다.
그리고, 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 금속 물질을 방출시켜 상기 기판 표면에 상기 불순물 및 상기 금속 물질로 이루어지는 금속 화합물층을 적층한다.
전술한 바와 같이, 상기 금속 물질로서 티타늄 물질을 사용하고, 상기 가스상태의 불순물로서 질소 가스를 사용할 경우 상기 기판 상에는 상기 티타늄 물질 및 상기 질소로 이루어지는 질화 티타늄층이 적층된다. 따라서, 질화 티타늄층을 포함하는 장벽 금속층의 적층에 상기 방법을 적극적으로 응용할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 상기 질화 티타늄층을 포함하는 본 발명의 장벽 금속층을 적층하는 방법을 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3c는 상기 질화 티타늄층을 포함하는 장벽 금속층을 적층하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a를 참조하면, 기판(30)을 상기 스퍼터링 장치의 챔버로 도입한다. 기판(30) 상에는 산화 물질로 이루어지고, 기판(30) 표면이 노출되는 개구부(33)를 갖는 절연층(32)이다. 상기 챔버에는 티타늄 물질 소스가 타겟으로 설치되어 있다. 그리고, 상기 타겟과 기판(30) 간의 거리는 적어도 150mm 정도이다. 상기 거리는, 바람직하게는, 170mm 정도이다. 이와 같이, 상기 거리를 갖기 때문에 상기 금속 물질은 개구부(33)의 측벽(33a) 및 저부(33b)에 충분하게 적층된다.
도 3b를 참조하면, 개구부(33)의 측벽(33a)과 저부(33b) 및 절연층(32) 표면 상에 연속적으로 티타늄 물질로 이루어지는 티타늄층(340)을 적층한다. 그리고, 티타늄층(340)은 개구부(33)의 측벽(33a)과 저부(33b) 및 절연층(32) 표면 상에 충분하게 적층된다. 이는, 상기 타겟과 기판(30)이 충분한 거리를 갖기 때문이다. 따라서, 우수한 스텝 커버리지를 갖는 티타늄층(340)이 형성된다.
구체적으로, 가속된 아르곤 입자를 상기 타겟에 충돌시켜 상기 타켓으로부터 상기 티타늄 물질을 방출시킨다. 이에 따라, 상기 방출된 티타늄 물질이 상기 개구부의 측벽과 저부 및 절연층 표면 상에 연속적으로 적층된다. 그리고, 상기 적층에 의해 티타늄층(340)이 형성된다. 이때, 티타늄층(340)은 250 내지 350Å 정도의 두께를 갖도록 적층되는데, 바람직하게는, 300Å 정도이다. 티타늄층(340)은 장벽 금속층이기 때문에 상기 두께 정도를 갖는다.
도 3c를 참조하면, 티타늄층(340) 상에 질소 및 티타늄 물질로 이루어지는 질화 티타늄층(342)을 적층한다. 그리고, 질화 티타늄층(342)은 상기 개구부 측벽과 저부에도 충분하게 적층된다. 이는, 상기 타겟과 기판(30)이 충분한 거리를 갖기 때문이다. 따라서, 우수한 스텝 커버리지를 갖는 질화 티타늄층(342)이 형성된다.
구체적으로, 티타늄층(340)을 형성한 다음 상기 챔버로 질소 가스를 도입한다. 이에 따라, 상기 챔버는 상기 불안정 영역의 압력으로 조성된다. 상기 압력은 다음과 같이 조성한다. 먼저, 상기 챔버를 상기 불안정 영역보다 높은 압력을 갖도록 조성한다. 그리고, 상기 챔버를 상기 불안정 영역의 압력을 갖도록 조성한다. 실제로, 상기 챔버에 3초 동안 100sccm 정도의 질소 가스를 도입시킨다. 이에 따라, 상기 챔버는 4 Torr 정도의 압력을 갖는다. 그리고, 상기 챔버에 20초 동안 55sccm 정도의 질소 가스를 도입시킨다. 또한, 상기 챔버는 실온 분위기로 조절된다. 즉, 18 내지 25℃ 정도의 온도를 갖도록 조절된다. 이에 따라, 상기 챔버는 2.5 Torr 정도의 압력을 갖는다. 상기 챔버의 압력을 상기 높은 압력으로 조성한 다음 상기 불안정 영역의 압력으로 조성하는 것은 상승할 때의 압력보다 하강할 때의 압력이 보다 안정적이기 때문이다. 이어서, 상기 아르곤 입자를 가속시켜 상기타겟에 충돌시킨다. 상기 충돌에 의해 상기 타겟으로부터 상기 티타늄 물질이 방출된다. 따라서, 상기 티타늄 물질 및 질소가 티타늄층 상에 적층된다. 그리고, 상기 적층에 의해 상기 질화 티타늄층이 형성된다. 이때, 상기 질화 티타늄층은 250 내지 350Å 정도의 두께를 갖도록 적층되는데, 바람직하게는, 300Å 정도이다. 질화 티타늄층은 장벽 금속층이기 때문에 상기 두께 정도를 갖는다.
이와 같이, 상기 방법에 의해 티타늄층(340) 및 질화 티타늄층(342)으로 이루어지고, 우수한 스텝 커버리지를 갖는 장벽 금속층(34)이 형성된다. 장벽 금속층(34)은 0.55 내지 0.8 ohm 정도의 저항을 갖는다.
비교예
상기 질소 가스를 사용하여 2.5 Torr, 4 Torr 및 4.5 Torr 정도의 압력들을 갖도록 조성하여 상기 질화 티타늄층을 적층해 보았다. 그리고, 300Å 정도의 두께를 갖는 티타늄층 상에 상기 질화 티타늄층을 300Å 정도의 두께를 갖도록 적층하였다.
도 4는 상기 비교예에 따라 적층한 장벽 금속층들의 저항 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, □는 2.5 Torr 정도의 압력에서 상기 질화 티타늄을 적층하였을 때 상기 개구부 부위에서의 저항을 나타내는 결과이고, ×는 4 Torr 정도의 압력에서 상기 질화 티타늄을 적층하였을 때 상기 개구부 부위에서의 저항을 나타내는 결과이고, ∥는 4.5 Torr 정도의 압력에서 상기 질화 티타늄을 적층하였을 때 상기 개구부 부위에서의 저항을 나타내는 결과이다. 즉, 상기 2.5 Torr 정도에서의저항은 0.6 내지 0.8 ohm을 나타냈고, 상기 4 Torr 정도에서의 저항은 0.8 내지 1.2 ohm을 나타냈고, 상기 4.5 Torr 정도에서의 저항은 0.4 ohm을 나타냈다.
상기 결과, 4.5 Torr 정도의 압력에서 적층한 질화 티타늄층의 저항이 가장 양호한 것을 확인하였다. 그러나, 상기 4.5 Torr 에서는 질소 가스의 소모가 많아진다. 때문에, 상기 저항이 양호함에도 불구하고, 상기 질소 가스의 소모(약 115sccm)로 인하여 상기 장치의 빈번한 유지 보수가 요구된다. 따라서, 본 발명에서는 4.5 Torr에서 상기 질화 티타늄층을 적층하는 방법을 제외하였다. 그리고, 4 Torr 정도이 압력에서 적층한 질화 티타늄층은 저항이 높을 뿐만 아니라 그 분포 또한 일정하지 않은 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명에서는 4 Torr 이상의 범위를 제외하였다. 이에 따라, 본 발명에서는 불안정 영역의 압력인 2.5 Torr 정도에서 상기 질화 티타늄을 적층하는 방법을 선택하였다.
그리고, 상기 2 Torr 이하의 압력에서는 상기 질화 티타늄층이 적층되지 않는다. 이는, 상기 질소 가스가 45 sccm 이하로 도입되기 때문이다. 즉, 상기 질소 가스가 적게 존재하기 때문에 상기 질화 티타늄층이 적층되지 않고, 티타늄층이 적층된다.
이와 같이, 타겟과 기판 간에 충분한 거리를 갖는 챔버를 사용하고, 불안정 영역의 압력을 갖도록 가스 상태의 불순물을 도입함으로서, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 장벽 금속층을 용이하게 적층할 수 있다.
이하, 상기 장벽 금속층을 포함하는 다층 배선 구조를 갖는 금속층 형성 방법을 설명하기로 한다.
도 5a 내지 도 5g는 상기 장벽 금속층을 포함하는 다층 배선 구조를 갖는 금속층을 적층하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 하부 구조물(도시되지 않음)들이 형성되어 있는 기판(50) 상에 산화 물질로 이루어지고, 기판(50) 표면이 노출되는 제1개구부(54)를 갖는 제1절연층(52)을 형성한다. 상기 하부 구조물들은 게이트, 소스 및 드레인으로 이루어지는 트렌지스터 구조물 등을 포함한다. 그리고, 제1개구부(54)는 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하는 식각에 의해 형성한다.
도 5b를 참조하면, 제1개구부(54) 측벽과 저부 및 제1절연층(52) 상에 연속적으로 제1장벽 금속층(56)을 형성한다. 제1장벽 금속층(56)은 전술한 방법과 동일한 방법에 의해 적층된다. 따라서, 티타늄층 및 질화 티타늄층으로 이루어지고, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 제1장벽 금속층(56)이 적층된다.
도 5c를 참조하면, 상기 제1개구부 내에 금속 물질을 매몰시킴과 동시에 제1장벽 금속층(56) 상에 금속 물질로 이루어지는 제1금속층(58)을 적층한다. 제1금속층(58)은 알루미늄 물질로 이루어진다. 따라서, 제1금속층(58)은 알루미늄층이다. 그리고, 제1금속층(58)은 8,000Å 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 이어서, 500℃ 이상의 온도로 제1금속층(58)을 리플로우시킨다. 이에 따라, 상기 제1개구부에 매몰되어 있는 금속 물질이 완전히 충전된다. 따라서, 보이드 등과 같은 결함을 해소한다. 특히, 상기 제1장벽층이 우수한 스텝 커버리지를 갖기 때문에 상기 결함이 없는 제1금속층(58)을 용이하게 적층할 수 있다. 또한, 제1장벽 금속층(58)은 상기 리플로우에 의하여 발생하는 제1금속층(58)의 물질 이동 등을 저지한다.
이어서, 평탄화 공정 등을 수행하여 제1금속층(58)의 표면을 평탄하게 만든다.
도 5d를 참조하면, 제1금속층(58) 상에 티타늄으로 이루어지는 반사 방지층(60)을 형성한다. 반사 방지층(60)은 후속되는 패턴 형성에 사용되는 포토레지스트 패턴과 하부층과의 굴절률 차이로 인해 발생하는 난반사를 방지하여 고해상도의 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하기 위함이다.
도 5e를 참조하면, 반사 방지층(60) 상에 산화 물질로 이루어지고, 제2개구부(63)를 갖는 제2절연층(62)을 형성한다. 제2개구부(63)는 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하는 식각에 의해 형성한다. 그리고, 제2개구부(63)에 의해 제1금속층(59) 표면이 노출된다. 이는, 상기 식각에서 반사 방지층(60)까지 식각하기 때문이다.
도 6은 상기 장벽 금속층 및 금속층을 적층하기 위한 장치(70)를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상기 장치는 퍼지를 위한 디가스 챔버(71), 플라즈마 식각을 위한 식각 챔버(72), 장벽 금속층의 적층을 위한 챔버(73), 금속층의 적층을 위한 챔버(74) 및 리플로우를 위한 챔버(75)를 포함한다. 그리고, 디가스, 식각, 장벽 금속층 적층, 금속층 적층 및 리플로우를 순차적으로 수행하는 장치이다. 때문에, 상기 장치에는 상기 순차적 수행에 사용되는 이송 부재(도시되지 않음)들이 설치된다.
상기 식각에 의해 상기 제2개구부 및 제2절연층 표면에 물기 및 불순물이 흡착된다. 상기 물기 및 불순물은 후속 공정에서 불량 소스로 작용하기 때문에 제거되어야 한다. 따라서, 상기 장치의 디가스 챔버(71)로 상기 기판을 도입시킨다. 이에 따라, 상기 퍼지를 통하여 상기 물기 및 불순물을 제거한다.
그리고, 상기 식각에 의해 노출되는 제1금속층(58) 표면은 산화되고, 얇은 두께를 갖는 산화층이 형성된다. 따라서, 상기 물기 및 불순물을 제거한 다음 식각을 위한 챔버(72)로 도입시킨다. 이에 따라, 플라즈마 식각을 수행하여 상기 산화층을 제거한다.
이와 같이, 상기 디가스 및 식각을 수행한 기판은 제2장벽 금속층을 적층하기 위한 챔버(73)로 도입된다.
도 5f를 참조하면, 상기 제2개구부의 측벽과 저부 및 제2절연층 상에 연속적으로 제2장벽 금속층(64)을 형성한다. 제2 장벽 금속층(64)은 전술한 방법과 동일한 방법에 의해 적층된다. 따라서, 티타늄층 및 질화 티타늄층으로 이루어지고, 우수한 스텝 커버리지 및 낮은 저항을 갖는 제2장벽 금속층(64)이 적층된다.
이와 같이, 상기 제2장벽 금속층이 적층된 기판은 제2금속층을 적층하기 위한 챔버(74)로 도입된다.
도 5g를 참조하면, 상기 제2개구부 내에 금속 물질을 매몰시킴과 동시에 상기 제2장벽 금속층 상에 금속 물질로 이루어지는 제2금속층(66)을 적층한다. 제2금속층(66)은 알루미늄 물질로 이루어진다. 따라서, 제2금속층(66)은 알루미늄층이다. 그리고, 제2금속층(66)은 8,000Å 정도의 두께를 갖도록 형성한다.
이와 같이, 상기 제2금속층이 적층된 기판은 제2금속층을 리플로우시키기 위한 챔버(75)로 도입된다. 이에 따라, 500℃ 이상의 온도로 제2금속층(66)을 리플로우시킨다. 상기 리플로우에 의해, 상기 제2개구부에 매몰되어 있는 금속 물질이 완전히 충전된다. 따라서, 보이드 등과 같은 결함을 해소한다. 특히, 상기 제2장벽층이 우수한 스텝 커버리지를 갖기 때문에 상기 결함이 없는 제2금속층을 용이하게 적층할 수 있다. 또한, 상기 제2장벽 금속층은 상기 리플로우에 의하여 발생하는 제2금속층의 물질 이동 및 열적 스트레스 등을 저지한다.
그리고, 상기 제2금속층 표면을 평탄화시킨 다음 설정된 후속 공정을 계속적으로 수행한다.
이와 같이, 상기 장벽 금속층을 적층하는 방법은 다층 구조를 갖는 금속 배선의 형성에 적극적으로 응용할 수 있다. 따라서, 낮은 저항을 갖고, 우수한 스텝 커버리지를 갖는 금속 배선을 용이하게 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 장벽 금속층으로 인하여 발생하는 결함을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 상기 장벽 금속층을 포함하는 금속 배선의 신뢰도가 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 특히, 다층 구조를 갖는 금속 배선의 신뢰도를 향상시킴으로서, 집적도 향상을 위한 최근의 반도체 장치에 적극적으로 응용할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (17)
- a) 금속 물질 소스가 타겟으로 설치되고, 상기 타겟으로부터 방출되는 상기 금속 물질들이 기판 표면에 충분하게 적층되는 거리를 갖는 스퍼터링 장치의 챔버로 상기 기판을 도입하는 단계;b) 동일 유량 조건에서 압력이 상승할 때와 하강할 때 상기 압력이 서로 다른 불안정 영역이 존재하는 가스 상태의 불순물을 상대적으로 많은 유량으로 도입하여 상대적으로 높은 압력으로 조성한 다음 상기 가스 상태의 불순물을 상대적으로 적은 유량으로 도입하여 상기 챔버를 상기 불안정 영역의 압력으로 조성하는 단계; 및c) 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 금속 물질을 방출시켜 상기 기판 표면에 상기 불순물 및 상기 금속 물질로 이루어지는 금속 화합물층을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 타겟과 상기 기판 사이의 거리는 적어도 150mm 정도인 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 불안정 영역의 압력은 2 내지 4 Torr 정도인 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 압력은 상기 챔버 내부를 4 Torr 이상의 압력으로 조성한 다음 상기 챔버 내부를 2 내지 4 Torr 정도의 압력으로 조성하는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 4 Torr 이상의 압력은 2 내지 4초 동안 조성하고, 상기 2 내지 4 Torr 정도의 압력은 18 내지 22초 동안 조성하는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 압력은 실온 분위기에서 조성하는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 물질은 티타늄이고, 상기 불순물은 질소인 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판 상에는 요철 부위를 갖는 구조물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 구조물은 상기 기판 표면이 노출되는 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 구조물은 적어도 하나의 금속 배선층과, 상기 금속 배선층을 절연하기 위한 절연층 및 상기 금속 배선층 표면이 노출되는 개구부를 포함하는 것을 장벽 금속층 적층 방법.
- a) 티타늄 물질 소스가 타겟으로 설치되고, 상기 타겟으로부터 방출되는 상기 티타늄 물질들이 기판 표면에 충분하게 적층되는 거리를 갖는 스퍼터링 장치의 챔버로 상기 기판을 도입하는 단계;b) 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 티타늄 물질들을 방출시켜 상기 기판 표면에 상기 티타늄 물질로 이루어지는 티타늄층을 적층하는 단계;c) 동일 유량 조건에서 압력이 상승할 때와 하강할 때 상기 압력이 서로 다른 불안정 영역이 존재하는 가스 상태의 질소를 상대적으로 많은 유량으로 도입하여 상대적으로 높은 압력으로 조성한 다음 상기 가스 상태의 질소를 상대적으로 적은 유량으로 도입하여 상기 챔버를 상기 불안정 영역의 압력으로 조성하는 단계; 및d) 상기 타겟에 가속된 입자를 충돌시켜 상기 타겟으로부터 상기 티타늄 물질들을 방출시켜 상기 티타늄층 표면에 상기 질소 및 상기 티타늄 물질로 이루어지는 질화 티타늄층을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 타겟과 상기 기판 사이의 거리는 적어도 150mm 정도인 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 불안정 영역의 압력은 2 내지 4 Torr 정도인 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 티타늄층은 250 내지 350Å 정도의 두께를 갖도록 적층하고, 상기 질화 티타늄층은 250 내지 350Å 정도의 두께를 갖도록 적층하는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 기판 상에는 적어도 하나의 금속 배선층과, 상기 금속 배선층을 절연하기 위한 절연층 및 상기 금속 배선층 표면이 노출되는 개구부를 포함하는 구조물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 개구부 저부 및 측벽에 적층되는 질화 티타늄층은 0.55 내지 0.80 ohm 정도의 저항이 있는 것을 특징으로 하는 장벽 금속층 적층 방법.
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