KR20030001584A - 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 금속화 공정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 금속에서만 선택적으로 화학흡착 반응을 하는 특성을 갖고 있으며, 동시에 화학기상 증착 반응에 대한 촉매 역할을 하여 반응속도를 향상시키는 특성을 갖는 표면 촉매제를 선도입하여 금속 박막을 금속 표면에서만 낮은 온도에서 빠른 속도로 증착시킨 후, CVD 금속화 공정을 진행함으로써 홀의 바닥에서부터 금속이 성장하여 빈공간이나 주름살 모양의 균열없이 홀 내부를 완벽하게 채울 수 있는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은, 제1 금속층이 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성한 후, 상기 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 금속층 표면을 노출시키는 단계; 표면 촉매 화합물을 유입하여 상기 노출된 제1금속층 표면에 표면 촉매제를 선흡착시키는 단계; 상기 결과물 상에 제2 금속층을 형성하되, 상기 표면 촉매제와 자리 바꿈하여 상기 제1금속층에 콘택되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로 특히, 갭-필 특성 개선 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조 공정은 빠른 속도로 고집적화됨에 따라 요구되는 최소 선폭은 더욱 초미세화 되고 있다.
이에 따라 금속화(Metallization) 등의 공정 개발에 대한 중요성이 증가하고 있다. 초기의 금속화 공정은 모두 물리기상 증착(Physical Vapor Deposition; 이하 PVD라 함)법을 이용하여 금속선을 형성하였으나, 서브 마이크론(Sub-micron) 이하의 선폭을 요구하는 제조 공정에서부터 화학기상 증착(Chemical Vapor Deposition; 이하 CVD라 함)법이 도입되어 사용되어 왔다. 즉, 콘택홀(Contact hole) 또는 비아홀(Via hole)의 종횡비(Aspect ratio)가 증가하면서 PVD보다 갭필, 즉 홀 채움 특성이 우수한 CVD의 특성 때문에 CVD에 의한 금속화 공정이 반도체 소자 제조 공정에 필수적으로 적용되고 있다.
그러나, 서브-0.1㎛ 이하의 최소 선폭이 요구되는 공정에서는 일반 CVD법도 한계를 갖게 된다. 즉, 기가 스케일(Giga scale) 이상으로 집적화되면서 필요한 콘택홀의 종횡비가 10 이상으로 증가하게 되어, CVD법에 의해 홀을 완전히 채우지 못하고 홀 내부에 빈 공간을 형성하거나 주름살 모양의 균열(Seam) 등을 형성하게 된다. 그 결과 집적도가 증가할 수록 금속 접촉 저항은 기하급수적으로 증가하게 되며, 이에 따라 종횡비가 큰 콘택홀을 완전히 채울 수 있는 새로운 방법들이 요구되고 있다.
한편, 이러한 요구 사항에 대한 대안으로 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; 이하 ALD라 함)법이 사용되고 있으나, 단원자층 형성을 반복적으로 수행하는 특성 상 증착 속도가 매우 느리다는 단점이 있으며, 이 역시 홀 내부를 모두 채우는 데는 한계가 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은, 금속에서만 선택적으로 화학흡착 반응을 하는 특성을 갖고 있으며, 동시에 화학기상 증착 반응에 대한 촉매 역할을 하여 반응속도를 향상시키는 특성을 갖는 표면 촉매제를 선도입하여 금속 박막을 금속 표면에서만 낮은 온도에서 빠른 속도로 증착시킨 후, CVD 금속화 공정을 진행함으로써 홀의 바닥에서부터 금속이 성장하여 빈공간이나 주름살 모양의 균열없이 홀 내부를 완벽하게 채울 수 있는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 촉매를 이용한 금속배선 공정을 도시한 단면도,
도 2는 금속 표면에서 할로겐 원소의 흡착 유무가 MOCVD-Cu의 증착속도에 미치는 영향을 기판 온도에 따라 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판
2 : 제1금속층
3 : 층간절연막
4 : 콘택홀
5 : 표면 흡착제
6 : 제2금속층
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 제1 금속층이 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성한 후, 상기 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 금속층 표면을 노출시키는 단계; 표면 촉매 화합물을 유입하여 상기 노출된 제1금속층 표면에 표면 촉매제를 선흡착시키는 단계; 상기 결과물 상에 제2 금속층을 형성하되, 상기 표면 촉매제와 자리 바꿈하여 상기 제1금속층에 콘택되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 촉매를 이용한 금속배선 공정을 도시한 단면도이다.
먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 소자를 이루기 위한 여러 요소가 형성된 기판(1) 상에 소정의 금속층(2)을 형성한 다음, 그 상부에 층간절연막(3)을 형성한다. 이어서, 층간절연막(3)을 선택적으로 식각하여 금속층(2) 표면을 노출시킴으로써, 금속배선 등을 위한 콘택홀(4)을 형성한다. 여기서, 콘택홀(4)은 다중 금속 배선일 경우에는 비아홀로 적용 가능하며, 본 발명의 실시예에서는 콘택홀을 일예로 하였으며, 금속층(2)은, Cu, Al, W, Pt, Co, Ir, Ti, Ta, Zr, Hf 또는 이들의 산화물을 포함한다.
다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 노출된 금속층(2) 표면에만 표면 촉매제(5)를 화학흡착시킨다.
구체적으로, 기판(1)을 금속 증착 반응기에 넣은 후, 반응기 내부에 표면 촉매 화합물을 유입하여 노출된 금속층(2) 표면에만 화학흡착시킨다.
다음으로 도 1c에 도시된 바와 같이, 화학흡착이 완료된 후, 반응기 내에 잔류하는 화합물을 제거하는 바, He, Ne, Ar 또는 Xe 등의 비활성 기체 또는 N2, H2기체를 이용하여 퍼지(Purge) 및 펌핑(Pimping)을 한 다음, 금속 화학 증착을 위한 전구체(Precursor)를 반응기 내에 유입하여 표면 촉매제(5)가 흡착된 영역에서만 금속층(6)이 성장하도록 반응시킨다. 이 때, 표면 촉매제(5)는 증착하는 금속 원자와 빠르게 자리바꿈하여 항상 표면에만 흡착되는 성질을 가져야 한다.
예컨대, 금속유기 화학기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; 이하 MOCVD라 함)법에 의한 Cu 금속층(6) 형성 시, F, Cl, Br 또는 I와 같은 할로겐 물질을 표면 촉매제(5)로 사용하는 바, 이러한 표면 촉매제(5)로 사용할 수 있는 화합물은 R-Ix와 R-Brx이다.
여기서, R은 수소, 알킬, 카르복실, 에테르 또는 수소 대신 불소나 염소가 탄소에 치환된 알킬화합물이며, x는 1 ∼ 3이다. 이러한 화합물은 일정 온도 이상에서 금속 표면과의 상호 반응에 의해 R 치환기는 기상으로 배출되고 할로겐 원소 만이 금속 표면에 흡착하게 된다.
도 2는 금속 표면에서 할로겐 원소의 흡착 유무가 MOCVD-Cu의 증착속도에 미치는 영향을 기판 온도에 따라 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 기판 온도가 100℃일 때 할로겐 원소가 없는 기판에서는 10Å/min 이하의 증착 속도를 보이지만, 할로겐 원소가 흡착된 기판에서는 1000Å/min 까지 증착 속도가 증가하여 100배 이상 빨라짐을 알 수 있다.
또한, 기판 온도가 50℃일 때는 할로게 원소가 없는 경우 Cu의 증착이 거의 이루어지지 않는 반면 할로겐 원소가 흡착된 표면에서는 250Å/min 까지 증착 속도가 나타남을 알 수 있다.
따라서, 상기한 바와 같은 본 발명은 콘택홀 또는 비아홀 등의 저면에만 할로겐 원소가 흡착되며, 이 후에 낮은 온도에서 Cu 등의 금속층을 성장시키면 홀의 저면에서 부터 Cu가 성장하여 빈 공간이나 주름살 모양의 균열 없이 거의 완벽하게 갭-필할 수 있으며, 표면 촉매제의 일부가 계면 활성제로서도 작용하는 특성을 갖고 있기 때문에 표면이 매끈한 박막을 형성할 수 있어 후속의 노광 및 식각 공정에 대한 마진을 높일 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 발명은, 금속층 형성시 할로겐 원소를 포함하는 화합물을 표면 촉매제로 이용함으로써, 갭-필 특성을 향상시키며, 후속 공정 마진을 향상시킴으로써, 궁극적으로 소자 수율을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (6)
- 반도체 소자 제조 방법에 있어서,제1 금속층이 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성한 후, 상기 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 금속층 표면을 노출시키는 단계;표면 촉매 화합물을 유입하여 상기 노출된 제1금속층 표면에 표면 촉매제를 선흡착시키는 단계;상기 결과물 상에 제2 금속층을 형성하되, 상기 표면 촉매제와 자리 바꿈하여 상기 제1금속층에 콘택되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 표면 촉매제는, Cl, Br 또는 I 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 표면 촉매 화합물은, R-Ix(R은 수소, 알킬, 카르복실, 에테르 또는 수소 대신 불소나 염소가 탄소에 치환된 알킬화합물, x는 1 내지 3) 또는 R-Brx 중어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 표면 촉매제 선흡착 후, He, Ne, Ar, Xe, N2또는 H2중 어느 하나를 이용한 퍼지 및 펌핑을 실시하여 잔류하는 화합물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1, 2금속층은, Cu, Al, W, Pt, Co, Ir, Ti, Ta, Zr, Hf 또는 이들의 산화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 금속층의 형성은, 금속유기 화학기상 증착법 또는 화학기상 증착법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 표면 촉매를 이용한 갭-필 특성 개선 방법.
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Legal Events
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| WITN | Withdrawal due to no request for examination |