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KR100671610B1 - 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 Download PDF

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KR100671610B1
KR100671610B1 KR1020000063161A KR20000063161A KR100671610B1 KR 100671610 B1 KR100671610 B1 KR 100671610B1 KR 1020000063161 A KR1020000063161 A KR 1020000063161A KR 20000063161 A KR20000063161 A KR 20000063161A KR 100671610 B1 KR100671610 B1 KR 100671610B1
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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 확산 방지막상에 화학적 강화제 처리를 실시하고 플라즈마 처리를 실시한 후 구리 박막을 증착함으로써 초미세 구조의 매립 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법이 제시된다.
CECVD, 구리 박막, 플라즈마 처리, 초미세 구조 매립

Description

반도체 소자의 금속 배선 형성 방법{Method of forming a metal wiring in a semiconductor device}
도 1 및 도 2는 화학적 강화제 처리를 실시한 후 CECVD 방법으로 구리를 증착한 경우의 단면 사진.
도 3(a) 내지 도 3(e)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 소자의 단면도.
도 4(a) 및 도 4(b)는 화학적 강화제 처리를 실시한 후 플라즈마 처리를 실시하지 않은 경우와 실시한 경우의 초미세 구조의 매립 특성을 나타낸 단면 사진.
도 5(a) 및 도 5(b)는 화학적 강화제 처리를 실시한 후 플라즈마 처리를 실시한 경우 10:1의 애스펙티비를 갖는 0.16㎛ 크기의 콘택 매립 특성을 단면 방향에 따라 나타낸 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 반도체 기판 12 : 층간 절연막
13 : 확산 방지막 14 : 화학적 강화제층
15 : 구리 박막
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 확산 장벽층상에 화학적 강화제 처리를 실시하고 플라즈마 처리를 실시한 후 구리 박막을 증착함으로써 초미세 구조의 매립 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
차세대 반도체 소자의 급격한 고성능화 추세로 인한 콘택 크기의 감소와 급격한 애스펙트비(aspect ratio)의 증가로 인하여 우수한 단차 피복성 및 콘택 매립이 요구된다.
이러한 차세대 반도체 소자의 금속 배선 물질로는 구리 박막이 많이 사용되는데, 구리 박막의 형성 방법을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 소정의 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 층간 절연막을 형성하고, 싱글 다마신(single damascene) 또는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정으로 층간 절연막을 패터닝하여 다마신 패턴을 형성한다. 다마신 패턴이 형성된 층간 절연막 상부에 확산 방지막을 형성하는데, PVD 방법을 이용하여 Ta, TaN을 형성한다. 그리고, 전기 도금법으로 구리 박막를 증착한다.
상기와 같이 전기 도금법으로 구리 박막을 증착할 경우 초미세 구조의 콘택에서는 증착되지 않기 때문에 CVD 방법을 이용한 구리 박막의 증착 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, CVD 방법을 이용한 구리 박막의 증착 방법 또한 낮은 증착 속도 및 높은 경비로 인하여 그 사용에 제약을 받고 있다. 이를 극복하기 위해 요오드 등의 화학적 강화제(chemical enhancer)를 이용한 CECVD 방법으로 구리 박막을 증착하여 CVD 방법에 의한 구리 박막의 증착 한계를 극복할 수 있는 가능성을 제안하고 있다.
그러나, CECVD 방법을 이용한 구리 박막의 증착 방법은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 초미세 구조의 매립시 불균일한 매립 특성을 보이고 있기 때문에 이 공정을 더욱 개선해야 한다. 즉, 도 1은 1∼30초 동안 화학적 강화제 처리를 실시하는 CECVD 방법으로 구리 박막을 증착한 경우의 예를 나타낸 것으로, 초미세 구조의 불균일한 매립 특성을 나타낸다. 그리고, 도 2는 30∼100초 동안 화학적 강화제 처리를 실시하는 CECVD 방법으로 구리 박막을 증착한 경우의 예를 나타낸 것으로, 화학적 강화제 처리 시간이 증가하더라도 초미세 구조의 불균일한 매립 특성은 개선되지 않음을 알 수 있다.
본 발명의 목적은 초미세 구조를 균일하게 매립시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 화학적 강화제 처리를 실시하는 CECVD 방법으로 구리 를 증착할 때 초미세 구조를 균일하게 매립시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에서는 요오드등의 화학적 강화제 처리를 실시한 후 플라즈마 처리를 실시하여 구리 박막을 증착함으로써 초미세 구조를 균일하게 매립시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 소정의 하부 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 층간 절연막을 형성하고 상기 층간 절연막에 다마신 패턴을 형성하는 단계와, 상기 다마신 패턴이 형성된 전체 구조 상부에 확산 방지막을 형성하는 단계와, 상기 확산 방지막상에 화학적 강화제 처리를 실시하여 상기 확산 방지막 상부에 화학적 강화제층을 형성하는 단계와, 상기 화학적 강화제층을 형성한 후 플라즈마 처리를 실시하는 단계와, 상기 다마신 패턴이 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막의 상부 표면이 노출되도록 연마 공정을 실시하여 상기 다마신 패턴 내에만 구리 박막이 잔류되도록 하는 단계를 포함하며, 상기 플라즈마 처리 단계는 이중 주파수 플라즈마 처리 방법을 이용하여 -50 내지 300℃의 온도에서 실시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3(a) 내지 도 3(e)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법 을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.
도 3(a)를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(11) 상부에 저유전율을 갖는 절연막을 이용하여 층간 절연막(12)을 형성한다. 싱글 다마신 또는 듀얼 다마신 공정을 실시하여 층간 절연막(12)에 다마신 패턴을 형성한다. 세정 공정을 실시한 후 다마신 패턴이 형성된 층간 절연막(12) 상부에 확산 방지막(13)을 형성한다. 세정 공정은 하부 구조가 텅스텐, 알루미늄등인 경우에는 RF 플라즈마를 이용하여 실시하고, 하부 구조가 구리인 경우에는 반응성(reactive) 세정 방법을 적용한다. 또한, 확산 방지막(13)은 TiN막, Ta막, TaN막, WN막, TiAlN막, TiSiN막 및 TaSiN막중 어느 하나의 막으로 형성한다. TiN막은 이온화(ionized) PVD 방법, CVD 방법 및 MOCVD 방법중 어느 하나의 방법으로 형성하고, Ta막 및 TaN막은 이온화 PVD 방법으로 형성하며, WN막은 CVD 방법으로 형성한다. 한편, TiAlN막, TiSiN막 및 TaSiN막은 PVD 방법 또는 CVD 방법으로 형성한다.
도 3(b)를 참조하면, 확산 방지막(13)상에 촉매등의 화학적 강화제 처리를 실시하여 화학적 강화제층(14)을 형성한다. 화학적 강화제 처리 공정을 실시하기 이전에 시드층을 형성하거나 플라즈마 처리를 실시할 수 있다. 화학적 강화제 처리는 요오드 함유 액체 화합물, Hhfac1/2H2O, Hhfac, TMVS, 순수 요오드 가스, 요오드 함유 가스, 수증기, 주기율표상의 7족 원소들인 F, Cl, Br, I, Ar 원소의 액체 및 가스, 그리고 그 화합물의 액체 및 가스 중 어느 하나를 이용하여 -20∼300℃의 온도에서 1초∼10분 동안 실시한다. 이때, 웨이퍼와 샤워 헤드는 5∼50㎜의 간격을 유지하도록 한다.
도 3(c)를 참조하면, 화학적 강화제 처리를 실시한 후 플라즈마 처리를 실시한다. 플라즈마 처리는 이중 주파수 플라즈마, 원격 플라즈마(remote plasma) 또는 플라즈마 식각(plasma etch) 방법으로 실시한다. 이중 주파수 플라즈마 처리는 -50∼300℃의 온도를 유지하는 상태에서 0∼1000W의 고주파와 0∼1000W의 저주파를 인가하여 1초∼10분 동안 실시한다. 한편, 원격 플라즈마를 사용하는 경우에는 반응성 처리(reactive treatment)를 이용하며, 플라즈마 식각을 사용하는 경우에는 단일 또는 이중 주파수 식각이 가능하다. 원격 플라즈마 또는 플라즈마 식각은 수소, 질소, 아르곤 및 헬륨중 어느 하나의 단일 가스를 이용하여 실시하거나 수소와 아르곤의 혼합 가스를 이용하여 실시하며, 단일 스텝으로 실시하거나 1∼10회의 다단계로 실시한다. 그리고, 원격 플라즈마 또는 플라즈마 식각시 공급 전력은 1∼1000W로 하고, 처리 시간은 1초∼10분으로 한다. 또한, 수소, 질소, 아르곤 및 헬륨중 어느 하나의 단일 가스를 이용하여 플라즈마 처리를 실시하는 경우 각 단일 가스의 유량은 5∼1000sccm으로 하고, 혼합 가스를 사용하는 경우에는 5∼95%의 수소와 5∼95%의 아르곤을 이용하여 실시한다. 한편, 단일 스텝을 이용하는 경우에는 단일 가스의 혼합 가스의 사용이 가능하며, 다단계 처리를 이용하는 경우에는 먼저 아르곤 단일 가스 또는 혼합 가스를 이용하여 처리한 후, 수소 가스를 이용하여 최종처리 하는 주기를 1∼10회 반복한다. 플라즈마 처리시 웨이퍼의 온도는 10∼350℃로 유지하고, 챔버 내의 압력은 0.3∼10Torr로 한다.
도 3(d)를 참조하면, 다마신 패턴이 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막(15)을 형성한다. 구리 박막은 (hfac)Cu(3-Hexyne) 계열, (hfac)CuMHY 게열, (hfac)CuDMCOD 계열, (hfac)CuVTMOS 계열, (hfac)CuDMB 계열, (hfac)CuTMVS 계열 등의 hfac를 이용한 전구체 및 기타 모든 구리 전구체를 이용하여 형성하며, 다이렉트 리퀴드 인젝션(Direct Liquid Injection; DLI), 컨트롤 에바포레이션 믹서(Control Evaporation Mixer; CEM), 오리피스(Orifice), 스프레이 방식의 모든 기화기(vaporizer)를 이용한 MOCVD법으로 증착한다. 구리 박막(15) 대신에 알루미늄, 텅스텐등을 형성할 수 있다. 이때, 웨이퍼와 샤워 헤드는 5∼50㎜의 간격을 유지하도록 한다.
도 3(e)는 구리 박막(15), 화학적 강화제층(14) 및 확산 방지막(13)을 연마하여 구리 배선을 형성한 상태의 단면도이다.
상기의 공정에서 확산 방지막(13) 형성 공정, 화학적 강화제 처리 공정, 플라즈마 처리 공정 및 구리 박막(15) 형성 공정은 인시투 또는 익스시투로 실시할 수 있다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 화학적 강화제 처리를 실시하고 플라즈마 처리를 실시하지 않은 경우와 실시한 경우의 초미세 구조의 매립 특성을 나타낸 것이다. 이때, 플라즈마 처리는 100∼220℃의 온도에서 0∼1000W의 고주파와 0∼1000W의 저주파를 인가하여 1∼100초동안 실시한 경우를 나타낸다.
도 5는 화학적 강화제 처리를 실시하고 플라즈마 처리를 실시한 경우 10:1의 애스펙트비를 갖는 0.16㎛ 크기의 콘택 매립 특성을 단면 방향에 따라 나타낸 것으로, 플라즈마 처리를 실시하여 완전한 매립 특성을 나타낸다. 이러한 예는 8:1의 애스펙트비를 갖는 0.1㎛ 크기의 콘택도 완전히 매립할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 화학적 강화제 처리를 실시한 후 플라즈마 처리를 실시함으로써 초미세 구조의 매립 특성을 향상시킬 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (22)

  1. 소정의 하부 구조가 형성된 반도체 기판 상부에 층간 절연막을 형성하고 상기 층간 절연막에 다마신 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 다마신 패턴이 형성된 전체 구조 상부에 확산 방지막을 형성하는 단계와,
    상기 확산 방지막상에 화학적 강화제 처리를 실시하여 상기 확산 방지막 상부에 화학적 강화제층을 형성하는 단계와,
    상기 화학적 강화제층을 형성한 후 플라즈마 처리를 실시하는 단계와,
    상기 다마신 패턴이 매립되도록 전체 구조 상부에 구리 박막을 형성하는 단계와,
    상기 층간 절연막의 상부 표면이 노출되도록 연마 공정을 실시하여 상기 다마신 패턴 내에만 구리 박막이 잔류되도록 하는 단계를 포함하며,
    상기 플라즈마 처리 단계는 이중 주파수 플라즈마 처리 방법을 이용하여 -50 내지 300℃의 온도에서 실시하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다마신 패턴을 형성한 후 세정 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 세정 공정은 하지층이 텅스텐, 알루미늄 등으로 된 금속층인 경우에는 RF 플라즈마를 이용하여 실시하고, 하지층이 구리로 된 금속층인 경우에는 반응성 세정 방법을 적용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지막은 TiN막을 이온화 PVD 방법, CVD 방법 및 MOCVD 방법 중 어느 하나의 방법으로 증착하여 형성하거나, Ta막 또는 TaN막을 이온화 PVD 방법 또는 CVD 방법으로 증착하여 형성하거나, WN막을 CVD 방법으로 증착하여 형성하거나, TiAlN막, TiSiN막 및 TaSiN막 중 어느 하나를 PVD 방법 또는 CVD 방법으로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 화학적 강화제 처리 이전에 플라즈마 처리를 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 화학적 강화제는 요오드 함유 액체 화합물, Hhfac1/2H2O, Hhfac, TMVS, 순수 요오드, 요오드 함유 가스, 수증기, F, Cl, Br, I, At 등 7족 원소의 액체 및 가스, 그리고 그 화합물의 액체 및 가스 상태 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 화학적 강화제 처리는 1초 내지 10분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 화학적 강화제 처리는 -20 내지 300℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 화학적 강화제 처리는 100 내지 220℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 이중 주파수 플라즈마 처리 대신 원격 플라즈마 또는 플라즈마 식각 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 이중 주파수 플라즈마 처리는 0 내지 1000W의 고주파와 0 내지 1000W의 저주파를 1초 내지 10분 동안 인가하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 원격 플라즈마 처리 또는 플라즈마 식각 방법은 수소, 아르곤, 질소, 헬륨의 단일 가스를 이용하여 실시하거나 수소와 아르곤 혼합가스를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 수소, 질소, 아르곤 및 헬륨의 단일 가스는 각각 5 내지 1000sccm의 양으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 혼합 가스는 5 내지 95%의 수소와 5 내지 95%의 아르곤의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 원격 플라즈마 처리 또는 플라즈마 식각 방법은 단일로 실시하거나 1 내지 10회의 다단계로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 단일 플라즈마 처리는 단일 가스 또는 혼합 가스를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 다단계 플라즈마 처리는 아르곤 단일 가스 또는 혼합 가스를 이용하여 처리한 후, 수소 가스를 이용하여 최종 처리하는 주기를 1 내지 10회 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 원격 플라즈마 처리 또는 플라즈마 식각 방법은 50 내지 700W의 전력을 인가하여 1초 내지 10분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  19. 제 10 항에 있어서, 상기 원격 플라즈마 처리 또는 플라즈마 식각 방법은 웨이퍼의 온도는 10 내지 350℃로 유지하고, 웨이퍼와 샤워 헤드의 간격은 5 내지 50㎜로 하며, 챔버 내의 압력은 0.3 내지 10Torr로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 구리 박막은 (hfac)Cu(3-Hexyne) 계열, (hfac)CuMHY 게열, (hfac)CuDMCOD 계열, (hfac)CuVTMOS 계열, (hfac)CuDMB 계열, (hfac)CuTMVS 계열 중 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 구리 박막은 다이렉트 리퀴드 인젝션, 컨트롤 에바포레이션 믹서, 오리피스, 스프레이 방식의 기화기를 이용한 MOCVD법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 구리 박막 대신에 알루미늄막 또는 텅스텐막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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