KR19980033883A - 반도체 디바이스의 금속배선 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 종래의 티타늄/반응성 질화티타늄의 적층막 상에 티타늄막을 한층 더 적층한 후에 암모니아 가스 또는, 질소 분위기에서 급속열처리 장치를 이용하여 열처리함으로써, 상부에 적층된 티타늄막을 열질화티타늄막으로 만들어 기존 반응성 티타늄막의 구조적인 약점을 보완하여 이후에 알루미늄이 증착된 후 후속 열처리 공정 중에도 알루미늄이 접합 영역으로 확산하여 실리콘과 반응하는 것을 방지함으로써, 반도체 디바이스의 신뢰성을 향상시킨다.

Description

반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.

본 발명은 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 확산 방지막으로서 티타늄막, 반응성 질화티타늄막 및 열질화티타늄막의 적층 구조를 갖는 확산 방지막 형성 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 실리콘 기판의 접합 영역과 금속 배선막인 알루미늄막을 접합시키면, 통상적인 후속의 열공정으로 인하여, 알루미늄막이 접합 영역 상부의 실리콘과 반응하여 알루미늄 이온과 실리콘이 상호확산을 일으키게 되고, 심한 경우에는 접합파괴(Junction spiking) 현상이 발생된다.

따라서, 현재는 접합파괴 현상이 발생되는 것을 방지하도록 실리콘 기판의 접합 영역과 알루미늄막 사이에 확산 방지용 금속막을 형성하고 있다. 이러한, 확산 방지용 금속막은 알루미늄 및 실리콘과 반응성이 없어야 하며, 고온 안정성 및 확산 억제 능력이 우수해야 한다. 통상, 확산 방지용 금속막으로서 TiW와 TiN이 널리 사용된다.

종래, 확산 방지 금속층을 이용한 반도체 디바이스의 금속 배선 방법은 실리콘 기판상에 형성된 층간 절연막상에 콘택홀을 형성하고, 층간 절연막 및 콘택홀의 상부에 티타늄막을 증착한 후, 질소 가스분위기에서 급속열처리 장치로 열처리하여 티타늄막의 상부 표면에 질화티타늄을 형성하는 방법이 제시되었다.

그러나, 질화티타늄막을 형성하기 위한 열처리 공정시, 접합 영역의 상부에 증착된 티타늄막의 상부는 질소와 반응하여 질화티타늄이 형성되고, 티타늄막의 하부는 접합 영역의 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하게 된다. 이 때, 실리사이드화 반응이 질화티타늄막의 형성 속도보다 훨씬 빠르게 일어나기 때문에, 질화티타늄막의 두께를 제어하기 어려운 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한, 종래의 반도체 디바이스의 확산 방지 금속막의 형성 방법을 도 1A 내지 도 1C 에 도시하였다.

도 1A 을 참조하면, 실리콘 기판(1)에 불순물을 주입하여 접합 영역(2)을 형성한다. 실리콘 기판(1)에 층간 절연막(3)을 증착하고, 접합 영역(2)이 노출되도록 통상적인 방법으로 층간 절연막(3)을 식각하여 콘택홀(4)을 형성한다.

도 1B 를 참조하면, 층간 절연막(3) 및 접합 영역(2)의 상부에 확산 방지 금속층으로 티타늄막(5)과 질화티타늄막(6)을 적층한다. 질화티타늄막(6)은 통상, 반응성 스퍼터링 증착방법에 의해 형성되는데, 이것은 Ti 타켓을 Ar+N₂분위기에서 스퍼터 증착하여 질화티타늄막(6)을 형성시키는 방법이다. 이러한, 질화티타늄막(6)의 장벽 금속으로써의 특성은 Ti와 N간의 화학 당량비에 크게 의존되며, 1 : 1 일 경우가 장벽 금속의 역할을 가장 바람직하게 수행한다.

도 1C 를 참조하면, 질화티타늄막(6)의 상부에 금속 배선용 알루미늄막(7)을 증착한 후, 사진식각 공정으로 알루미늄막(7), 질화티타늄막(6) 그리고, 티타늄막(5)을 식각하여 금속 배선을 형성한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 확산 방지 금속층으로 반응성 질화티타늄막을 이용한 금속 배선 방법은, 두께의 조절이 용이하고, 생산성이 높은 반면, 반응성 스퍼터 질화티타늄막의 구조가 침상 구조로 되어있기 때문에 알루미늄 이온이 질화티타늄막의 침상 구조 사이를 통과하여 접합 영역으로 확산됨으로써, 접합파괴 현상을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 확산 방지 금속층으로 티타늄막, 반응성 질화티타늄막 및 티타늄막의 적층구조를 형성한 후, 급속열처리하여 접합 영역과의 콘택 부분에서는 티타늄실리사이드화하여 확산 방지 금속층의 단점을 보완함과 동시에 배선층 하부에는 열질화티타늄을 형성하여 이온의 확산을 방지할 수 있는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1A 내지 도 1C 는 종래 기술에 따른 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 도면.

도 2A 내지 도 2C 는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 실리콘 기판12 : 접합 영역

13 : 층간 절연막14 : 콘택홀

15 : 제 1 티타늄막16 : 반응성 질화티타늄막

17 : 제 2 티타늄막17′: 열질화티타늄막

18 : 티타늄 실리사이드19 : 알루미늄 금속막

상기와 같은 목적은, 실리콘 기판에 불순물을 주입하여 접합 영역을 형성하는 단계; 실리콘 기판 상부에 층간 절연막을 형성하는 단계; 사진식각 공정으로 층간 절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계; 층간 절연막 및 콘택홀의 상부에 제 1 티타늄막, 반응성 질화티타늅막, 제 2 티타늄막을 적층하는 단계; 상기 적층막을 열처리하는 단계; 열질화티타늄막 상에 알루미늄 금속을 증착하는 단계; 및 사진 식각 공정으로 알루미늄막 및 적층막을 식각하여 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법에 의하여 달성된다.

본 발명에 따르면, 확산 방지 금속층으로서 티타늄막, 질화티타늄막 및 티타늄막의 적층구조를 형성한 후, 적층막을 소정 온도에서 급속열처리 장치로 가열하여 접합 영역 상에 형성된 티타늄막을 티타늄실리사이드화함으로써, 후속의 열공정에서도 알루미늄의 확산을 방지하기에 충분한 확산 방지 금속층을 확보할 수 있다.

[실시예]

이하, 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 2A 를 참조하면, 실리콘 기판(11)에 접합 영역(12)을 형성하고, 실리콘 기판(11) 전면에 층간 절연막(13)을 증착한 후, 사진식각 공정을 통해 층간 절연막(13)을 식각하여 이후의 공정에서 형성될 금속 배선과 접합 영역(12)을 접속시키기 위한 콘택홀(14)을 형성한다.

이 때, 콘택홀(14) 내의 접합 영역(12)의 상부에는 콘택홀의 형성 공정시 자연산화막이 형성되는데, 이러한, 자연산화막을 제거하기 위하여 NF₃로 건식 세정을 실시한다.

도 2B 를 참조하면, 층간 절연막(13) 및 콘택홀(14)에 스퍼터 장비를 이용하여 제 1 티타늄막(15), 반응성 질화티타늄막(16) 및 제 2 티타늄막(17)을 순차로 적층한다.

도 2C 를 참조하면, 전술된 공정으로 형성된 반도체 소자를 암모니아 가스분위기 또는, 질소 가스분위기의 급속열처리 장치로 600℃ 내지 700℃에서 열처리하거나, 암모니아 분위기에서 플라즈마 장치로 플라즈마 처리한다. 이 때, 반응성 질화티타늄막(16) 하부의 제 1 티타늄막(15)중 접합 영역(12)과 접속되는 부분은 접합 영역(12)의 실리콘과 반응하여 티타늄실리사이드(19)으로 변형되어 접촉저항을 감소시키게 되고, 콘택홀의 측벽과 층간 절연막(13) 상부의 제 1 티타늄막(15)은 변형되지 않고 티타늄막으로 존재한다.

그리고, 반응성 질화티타늄막(16) 상부의 제 2 티타늄막(17)은 암모니아 가스와 반응하여 열질화티타늄막(17′)으로 변형되어 확산 방지 금속층이 더욱 두껍게 형성된다. 열질화티타늄막(17′)은 침상 구조를 갖는 반응성 질화티타늄막(16)을 통해 알루미늄이 질화티타늄막(16)을 접합 영역(12)으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.

다음으로, 열질화티타늄막(17′) 상에 알루미늄 금속막(19)을 증착하고, 사진식각 공정으로 알루미늄 금속막(19), 열질화티타늄막(17′), 질화티타늄막(16) 및 티타늄실리사이드막(18)을 식각하여 반도체 디바이스의 금속 배선을 형성한다.

한편, 알루미늄 금속막(19)을 증착하기 전에 콘택홀(14)에 텅스텐 플러그를 형성할 수도 있다. 즉, 텅스텐막을 기판 전면에 증착하여 콘택홀을 매립한 후에, 열질화티타늄막(17′)이 노출될 때까지 에치백 공정 또는, 화학기계적 연마 공정을 수행하여 텅스텐 플러그를 형성시키고, 상기 공정을 실시하여 금속 배선을 형성할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법은 확산 방지 금속층으로서 티타늄막, 질화티타늄막 및 티타늄막의 적층구조를 형성한 후, 암모니아 가스분위기의 급속열처리하여 접합 영역 상에 형성된 티타늄막을 티타늄실리사이드화하여 접촉 저항을 감소시키고, 제 2 티타늄막을 열질화티타늄막으로 변형시켜 반응성 질화티타늄막을 통한 알루미늄의 확산을 방지함으로써, 반도체 디바이스의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (14)

1. 실리콘 기판에 불순물을 주입하여 접합 영역을 형성하는 단계; 실리콘 기판 상부에 층간 절연막을 형성하는 단계; 사진식각 공정으로 층간 절연막을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계; 층간 절연막 및 콘택홀의 상부에 제 1 티타늄막, 반응성 질화티타늅막, 제 2 티타늄막을 적층하는 단계; 상기 적층막을 열처리하는 단계; 열질화티타늄막 상에 알루미늄 금속을 증착하는 단계; 및 사진 식각 공정으로 알루미늄막 및 적층막을 식각하여 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 콘택홀 형성단계 후, 적층막 형성단계 전에 접합 영역 표면에 형성된 자연산화막을 제거하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 자연산화막은 NF₃로 건식 세정하여 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 암모니아 가스분위기의 급속열처리 장치로 600℃ 내지 700℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 질소분위기에서 급속열처리 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 암모니아 가스분위기에서 플라즈마 장치로 플라즈마 처리되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 금속의 증착단계 전에 콘택홀을 매립하도록 텅스텐 플러그를 형성하는 공정이 추가되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 텅스텐 플러그는 텅스텐 박막을 기판 전면에 증착한 후, 에치백 공정을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 텅스텐 플러그는 텅스텐 박막을 기판 전면에 증착한 후, 화학기계적 연마 공정을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선 형성 방법.
10. 접합 영역이 형성된 반도체 기판과, 상기 접합 영역 상부에 콘택홀을 갖는 층간 절연막과, 상기 콘택홀 내의 접합 영역에 형성된 금속 실리사이드와, 상기 콘택홀의 측벽 및 층간 절연막 상에 형성된 확산 방지 금속층과, 금속 실리사이드와 확산 방지 금속층 상에 형성된 적층 구조의 금속 질화막과 상기 금속 질화막 상에 형성된 배선용 금속막을 포함하는 반도체 디바이스의 금속 배선.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 실리사이드는 티타늄실리사이드인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 확산 방지 금속층은 티타늄인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 질화막은 열질화티타늄막과 반응성 질화티타늄막의 적층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선.
14. 제 10 항에 있어서, 상기 배선용 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 금속 배선.