KR100559030B1 - 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 구리 금속 배선 형성 공정시 타이타늄 접착층(Ti-wetting layer)을 형성하고, 접착층상에 화학기상증착(CVD)법으로 알루미늄 시드층(Al-seed layer)을 형성한 후, 전기도금법으로 구리를 증착하므로써, 공정 특성상 단차 피복성(step coverage)이 우수하여 콘택의 단차가 커지더라도 공정 마진을 충분히 확보할 수 있고, 기존의 구리 시드층 적용 시에 구리의 확산을 방지하기 위해 필요한 Ta계 확산 방지막의 높은 비저항으로 인한 저항 증가 문제를 해결할 수 있어 반도체 소자의 신호전달 속도를 증가 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관하여 기술된다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 접착층(wetting layer)으로 타이타늄(Ti)을 증착하고, 시드층(seed layer)으로 알루미늄을 증착하고, 이후 진공 파괴 없이 전기도금법으로 구리를 증착하므로써, 공정 특성상 단차 피복성(step coverage)이 우수하여 콘택의 단차가 커지더라도 공정 마진을 충분히 확보할 수 있고, 기존의 구리 시드층 적용 시에 구리의 확산을 방지하기 위해 필요한 Ta계 확산 방지막의 높은 비저항으로 인한 저항 증가 문제를 해결할 수 있어 반도체 소자의 신호전달 속도를 증가 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자 제조시 소자와 소자간 또는 배선과 배선간을 전기적으로 연결시키기 위해 금속 배선을 사용하고 있다. 금속 배선 재료로 알루미늄(Al) 또는 텅스텐(W)이 널리 사용되고 있으나, 낮은 융점과 높은 비저항으로 인하여 초고집적 반도체 소자에 더 이상 적용이 어렵게 되었다. 반도체 소자의 초고집적화에 따라 비저항은 낮고 전류 영동(EM) 저항은 더욱 큰 물질의 이용이 필요하게 되었으며, 이에 부합할 수 있는 가장 적합한 재료로 구리가 최근에 관심의 대상이 되고 있으며, 그 이유로는 구리의 녹는점이 1080℃로서 비교적 높을 뿐만 아니라 (알루미늄; 660℃, 텅스텐; 3400℃), 비저항은 1.7μΩ㎝로서(알루미늄;2.7μΩ㎝, 텅스텐; 5.6μΩ㎝) 매우 낮기 때문이다.
따라서, 구리를 이용하여 알루미늄 금속 배선을 대체하면 구리가 알루미늄보다 40%정도 낮은 비저항으로 인하여 시정수 지연(RC delay time))을 줄여주어 소자의 동작 속도를 증가시키며, 전류 영동에 대한 저항이 10배정도 높아져 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
최근에 구리를 이용한 배선 매립 방법으로 전기도금을 이용한 방법이 높은 증착 속도 및 경제적인 장점으로 인하여 실용화를 위한 집중적인 연구가 이루어지고 있는데, 기존의 전기도금법을 이용하는 구리 금속 배선 형성 공정을 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 기판(11)이 제공되고, 기판(11) 상에 금속 배선 형성을 위한 절연층(12)을 형성한다. 절연층(12)의 일부분을 식각 하여 기판(11)이 노출되는 콘택홀(13)을 형성한다. 콘택홀(13)을 포함한 절연층(12) 상에 구리 확산 방지막(14)을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 확산 방지막(14) 상에 구리 시드층(15)을 형성한다.
도 1c를 참조하면, 진공 파괴 후에 프리-클리닝(pre-cleaning) 공정을 실시하고, 전기도금법으로 구리 매립층(16)을 형성한다.
이후, 패터닝 공정으로 구리 금속 배선을 형성한다.
상기한 종래 방법에서, 전기도금법에 적용되는 구리 시드층(15) 형성 전에 구리의 확산을 방지하기 위한 확산 방지막(14)을 형성하여야 한다. 확산 방지막(14)은 탄탈륨(Ta), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 텅스텐나이트라이드(WN), 타이타늄나이트라이드(TiN) 등을 사용한다. 이러한 물질은 높은 비저항을 갖고 있어 그 두께를 200Å 이하로 조절하여 형성하여야 하는데, 얇으면서 균일한 두께를 구현하기어려운 문제가 있다. 즉, 종래 방법은 알루미늄을 이용한 매립 방법보다 비저항이 높은 별도의 확산 방지막이 필요하여 구리 매립 고유의 비저항 감속 효과가 거의 없어지며, 또한 시드층으로서 구리를 증착 하는 단계와 프리-클리닝 단계가 필요하여 공정 단계가 증가하고 단가 상승의 주 원인이 되는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 구리 시드층 적용으로 인한 구리의 확산과 Ta계 확산 방지막의 높은 비저항으로 인한 저항 증가 문제를 해결하여 반도체 소자의 신호전달 속도를 증가 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법은 다마신 패턴을 갖는 절연층이 형성된 기판이 제공되는 단계; 상기 다마신을 포함한 절연층 상에 접착층으로 타이타늄을 증착 하는 단계; 상기 타이타늄 접착층상에 시드층으로 알루미늄을 증착 하는 단계; 및 전기도금법으로 시드층 상에 구리 매립층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 기판(21)이 제공되고, 기판(21) 상에 금속 배선 형성을 위한 절연층(22)을 형성한다. 절연층(22)의 일부분을 식각 하여 트랜치(trench; 23A)와 콘택홀(contact hole; 23B)을 갖는 다마신 패턴(damascene pattern; 23)을 형성한다.
상기에서, 본 발명의 실시예는 듀얼다마신 형성 방법으로 다마신 패턴(23)을 형성하여 적용하였으나, 싱글 다마신 패턴과 일반적인 콘택홀을 형성하여 사용할 수도 있다.
도 2b를 참조하면, 다마신 패턴(23)을 포함한 절연층(22) 상에 접착층(wetting; 24)으로 타이타늄(Ti)을 물리기상증착 스퍼터링 공정이나 화학기상증착 공정으로 약 100Å 두께로 증착 하여 형성한다.
도 2c를 참조하면, 접착층(24) 상에 시드층(25)으로 알루미늄(Al)을 금속-유기 화학기상증착(MOCVD)법으로 1000 내지 1500Å 두께로 증착 하여 형성한다. 이때 사용하는 플라즈마 전력은 10 내지 1000W로 한다.
도 2d를 참조하면, 진공 파괴 및 프리-클리닝 단계 없이 바로 전기도금법으로 시드층(25) 상에 구리 매립층(26)을 형성한다.
이후, 화학기계적 연마 공정을 실시하여 다마신 패턴(23)에 구리 금속 배선을 형성한다. 다마신 패턴(23) 대신 콘택홀일 경우에는 패터닝 공정으로 구리 금속 배선을 형성한다.
한편, 본 발명의 실시예는 접착층(24)으로 타이타늄을 약 100Å 두께로 증착 하여 형성하였으나, 타이타늄 대신에 주로 확산 방지막으로 사용되는 탄탈륨(Ta), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 텅스텐나이트라이드(WN), 타이타늄나이트라이드(TiN) 등을 증착 하여 형성할 수 있으며, 다마신 패턴(23)의 콘택홀(23B) 내측벽에 증착 되는 두께가 50Å을 넘지 않도록 한다. 이와 같이 얇은 50Å의 두께로 형성할 경우 현재 사용되고 있는 장비로는 두께 균일성을 확보하기 어려우나 시드층으로 알루미늄을 사용하기 때문에 구리가 확산되는 것을 억제시킬 수 있다. 이들 물질로 된 확산 방지막을 접착층(24) 대신 사용할 경우 알루미늄 시드층(25)은 다마신 패턴(23)의 콘택홀(23B) 내측벽에 증착 되는 두께가 100Å 이내가 되도록 조절한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전기도금법을 이용한 구리 금속 배선 형성 공정시 타이타늄 접착층(Ti-wetting layer)을 형성하고, 접착층상에 금속-유기 화학기상증착(MOCVD)법으로 알루미늄 시드층(Al-seed layer)을 형성한 후, 전기도금법으로 구리를 증착하므로써, 공정 특성상 단차 피복성(step coverage)이 우수하여 콘택의 단차가 커지더라도 공정 마진을 충분히 확보할 수 있고, 기존의 구리 시드층 적용 시에 구리의 확산을 방지하기 위해 필요한 Ta계 확산 방지막의 높은 비저항으로 인한 저항 증가 문제를 해결할 수 있으며, 구리 시드층을 적용할 때보다 구리 확산으로 인한 소자의 불량 가능성을 최소화할 수 있어 반도체 소자의 신호전달 속도를 증가 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21: 기판 12, 22: 절연층
13: 콘택홀 23: 다마신 패턴
23A: 트랜치 23B: 콘택홀
14: 확산 방지막 24: 접착층
15: 구리 시드층 25: 알루미늄 시드층
16, 26: 구리 매립층
Claims (4)
- 다마신 패턴을 갖는 절연층이 형성된 기판이 제공되는 단계;상기 다마신을 포함한 절연층 상부에 접착층으로 타이타늄을 증착 하는 단계;상기 타이타늄 접착층 상부에 시드층으로 알루미늄을 증착 하는 단계; 및전기도금법으로 시드층 상부에 구리 매립층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 접착층은 타이타늄을 물리기상증착 스퍼터링 공정이나 화학기상증착 공정으로 약 100Å의 두께로 증착 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 시드층은 알루미늄을 금속-유기 화학기상증착 공정으로 1000 내지 1500Å의 두께로 증착 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 알루미늄 시드층을 형성한 후 진공 파괴 및 프리-클리닝 없이 상온에서 상기 구리 매립층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
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