KR100924555B1 - Metal wiring of semiconductor device and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상하부 배선 간의 확산을 방지하여 콘택 저항을 개선할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 및 그 형성방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속배선은, 반도체 기판 상부에 형성된 하부 금속배선; 상기 반도체 기판 상에 형성되며, 상기 하부 금속배선의 적어도 일부를 노출시키는 배선 형성 영역을 갖는 절연막; 상기 절연막의 배선 형성 영역 표면 상에 형성되며, TaxNy막, TaxByNz막, TixByNz막 및 TixNy막의 다층 구조를 포함하는 확산방지막; 및 상기 확산방지막 상에 상기 절연막의 배선 형성 영역을 매립하도록 형성된 상부 금속배선;을 포함한다.The present invention discloses a metal interconnection of a semiconductor device and a method of forming the same, which can improve contact resistance by preventing diffusion between upper and lower interconnections. Metal wiring of the semiconductor device according to the present invention, the lower metal wiring formed on the semiconductor substrate; An insulating film formed on the semiconductor substrate and having a wiring formation region exposing at least a portion of the lower metal wiring; A diffusion barrier film formed on a surface of a wiring formation region of the insulating film and including a multilayer structure of a Ta x N y film, a Ta x B y N z film, a Ti x B y N z film, and a Ti x N y film; And an upper metal wiring formed on the diffusion barrier to fill the wiring forming region of the insulating film.
Description
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 및 그 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상하부 배선 간의 확산을 방지하여 콘택 저항을 개선할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 및 그 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to metal wiring of semiconductor devices and methods of forming the same, and more particularly, to metal wiring of semiconductor devices and a method of forming the same, which can improve contact resistance by preventing diffusion between upper and lower wirings.
일반적으로, 반도체 소자에는 소자와 소자 간, 또는, 배선과 배선 간을 전기적으로 연결하기 위해 금속배선이 형성되며, 상기 금속배선의 형성 공정으로서 다마신 공정이 제안된 바 있다. 상기 다마신 공정은 절연막을 식각하여 트렌치를 형성한 다음, 상기 트렌치를 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 도전성 물질로 매립하여 금속배선을 형성하는 기술이다. 상기 도전성 물질로서 알루미늄을 적용하는 경우에는, 확산방지막 및 웨팅막로서 Ti/TiN 적층구조의 막을 형성한다. In general, a metal wiring is formed in the semiconductor device to electrically connect the device and the device, or the wiring and the wiring, and a damascene process has been proposed as a process for forming the metal wiring. In the damascene process, a trench is formed by etching an insulating layer, and then the trench is embedded with a conductive material such as tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), and the like to form a metal wiring. When aluminum is applied as the conductive material, a film having a Ti / TiN laminated structure is formed as a diffusion barrier film and a wetting film.
한편, 반도체 소자의 고집적화 추세가 심화됨에 따라 미세해진 반도체 소자의 제조시, 상기 알루미늄 및 텅스텐보다 전기 전도도가 월등히 우수하고 저항이 낮아 고집적 고속동작 소자에서 RC 신호 지연 문제를 해결할 수 있는 구리를 차세대 금속배선 물질로 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. Meanwhile, as the trend toward higher integration of semiconductor devices is intensified, copper, which is capable of solving the RC signal delay problem in high-density high-speed operation devices, has much higher electrical conductivity and lower resistance than the aluminum and tungsten in the fabrication of semiconductor devices that have become finer. Research into using as a wiring material is in progress.
상기 도전성 물질로서 구리를 적용하는 경우에는, 절연막을 통해 반도체 기판으로 구리 성분의 확산이 유발된다. 상기 확산된 구리 성분은 실리콘으로 이루어진 반도체 기판 내에서 딥 레벨(Deep Level) 불순물로서 작용하여 누설 전류를 유발하므로, 상기 구리와 절연막의 접촉 계면에 확산방지막을 형성해주어야 한다. 상기 확산방지막은 통상 Ta막과 TaN막의 단일막, 또는, 이중막 구조로 형성한다.When copper is applied as the conductive material, diffusion of the copper component into the semiconductor substrate is caused through the insulating film. Since the diffused copper component acts as a deep level impurity in a semiconductor substrate made of silicon to cause a leakage current, a diffusion barrier must be formed at the contact interface between the copper and the insulating layer. The diffusion barrier is usually formed of a single film or a double film structure of a Ta film and a TaN film.
하지만, 반도체 소자의 모든 배선 형성 영역에 도전성 물질로서 구리를 적용하는 것은, 소자 특성과 제조비용 상승 측면에서 적절하지 않다. 이에, 다층 금속배선 구조를 갖는 반도체 소자의 제조시, 신호 전달의 역할을 하는 배선층은 속도가 중요하므로 구리를 사용하고, 상대적으로 속도가 덜 중요한 배선층, 즉, 전력을 공급하는 것이 주역할인 배선층은 알루미늄을 사용하는 방법이 개발되고 있다. However, the application of copper as the conductive material to all the wiring formation regions of the semiconductor device is not appropriate in terms of device characteristics and manufacturing cost increase. Therefore, when manufacturing a semiconductor device having a multi-layered metal wiring structure, the wiring layer that plays a role of signal transmission uses copper because speed is important, and a wiring layer whose main role is to supply power, which is relatively less important, is used. A method of using aluminum is being developed.
예컨대, 하부 금속배선은 구리막으로 형성하고, 상하부 금속배선 간의 콘택 및 상부 금속배선은 알루미늄막으로 형성하는 방법이 제안된 바 있다. 이때, 상기 하부 금속배선의 형성시 구리막과 절연막 사이의 계면에 Ta/TaN 적층 구조의 확산방지막을 형성하며, 상기 상부 금속배선의 형성시 알루미늄막과 절연막 사이 및 알루미늄막과 구리막 사이의 계면에 Ti/TiN 적층 구조의 확산방지막을 형성한다.For example, a method has been proposed in which the lower metal interconnection is formed of a copper film, and the contact between the upper and lower metal interconnections and the upper metal interconnection are formed of an aluminum film. In this case, a diffusion barrier layer having a Ta / TaN layer structure is formed at an interface between the copper layer and the insulating layer when the lower metal line is formed, and an interface between the aluminum layer and the insulating layer and between the aluminum layer and the copper layer when the upper metal line is formed. A diffusion barrier film having a Ti / TiN laminated structure is formed on the substrate.
그러나, 전술한 종래 기술은 상기 상부 금속배선의 형성시 적용된 Ti/TiN 적층 구조의 확산방지막의 확산방지 특성이 열악하여 상기 구리막과 알루미늄막 간의 상호 확산이 유발된다. 그 결과, 상기 구리막과 알루미늄막 사이의 계면에 두 금속막의 화합물이 형성되며, 이 때문에, 상하부 금속배선 사이의 콘택 저항이 저하되어 소자 특성이 열화된다. However, the above-described prior art has poor diffusion preventing properties of the Ti / TiN laminated structure applied during the formation of the upper metal wiring, causing mutual diffusion between the copper film and the aluminum film. As a result, a compound of two metal films is formed at the interface between the copper film and the aluminum film. Therefore, the contact resistance between the upper and lower metal wirings is lowered, resulting in deterioration of device characteristics.
본 발명은 상하부 배선 간의 확산을 방지할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 및 그 형성방법을 제공한다.The present invention provides a metal wiring of a semiconductor device and a method of forming the same that can prevent diffusion between upper and lower wirings.
또한, 본 발명은 콘택 저항을 개선할 수 있는 반도체 소자의 금속배선 및 그 형성방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a metal wiring and a method of forming the semiconductor device capable of improving the contact resistance.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선은, 반도체 기판 상부에 형성된 하부 금속배선; 상기 반도체 기판 상에 형성되며, 상기 하부 금속배선의 적어도 일부를 노출시키는 배선 형성 영역을 갖는 절연막; 상기 절연막의 배선 형성 영역 표면 상에 형성되며, TaxNy막, TaxByNz막, TixByNz막 및 TixNy막의 다층 구조를 포함하는 확산방지막; 및 상기 확산방지막 상에 상기 절연막의 배선 형성 영역을 매립하도록 형성된 상부 금속배선;을 포함한다.Metal wiring of the semiconductor device according to an embodiment of the present invention, the lower metal wiring formed on the semiconductor substrate; An insulating film formed on the semiconductor substrate and having a wiring formation region exposing at least a portion of the lower metal wiring; A diffusion barrier film formed on a surface of a wiring formation region of the insulating film and including a multilayer structure of a Ta x N y film, a Ta x B y N z film, a Ti x B y N z film, and a Ti x N y film; And an upper metal wiring formed on the diffusion barrier to fill the wiring forming region of the insulating film.
상기 하부 금속배선은 구리막을 포함한다.The lower metal wiring includes a copper film.
상기 TaxByNz막은 비정질상을 갖는다.The Ta x B y N z film has an amorphous phase.
상기 TaxNy막의 x는 0.4∼0.7의 범위를 갖고, y는 0.3∼0.6의 범위를 갖는다.The x of the Ta x N y film has a range of 0.4 to 0.7, and y has a range of 0.3 to 0.6.
상기 TaxByNz막의 x는 0.3∼0.7의 범위를 갖고, y는 0.1∼0.3의 범위를 가지며, z는 0.2∼0.4의 범위를 갖는다. X of the Ta x B y N z film has a range of 0.3 to 0.7, y has a range of 0.1 to 0.3, and z has a range of 0.2 to 0.4.
상기 TixByNz막의 x는 0.3∼0.7의 범위를 갖고, y는 0.1∼0.3의 범위를 가지며, z는 0.2∼0.4의 범위를 갖는다. X of the Ti x B y N z film has a range of 0.3 to 0.7, y has a range of 0.1 to 0.3, and z has a range of 0.2 to 0.4.
상기 TixNy막의 x는 0.4∼0.7의 범위를 갖고, y는 0.3∼0.6의 범위를 갖는다.The x of the Ti x N y film has a range of 0.4 to 0.7, and y has a range of 0.3 to 0.6.
상기 상부 금속배선은 알루미늄막을 포함한다.The upper metal wiring includes an aluminum film.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법은, 반도체 기판의 상부에 하부 금속배선을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 상기 하부 금속배선의 적어도 일부를 노출시키는 배선 형성 영역을 갖는 절연막을 형성하는 단계; 상기 배선 형성 영역의 표면을 포함한 절연막 상에 TaxNy막, TaxByNz막, TixByNz막 및 TixNy막의 다층 구조를 포함하는 확산방지막을 형성하는 단계; 및 상기 확산방지막 상에 상기 배선 형성 영역을 매립하도록 상부 금속배선을 형성하는 단계;를 포함한다.Method of forming a metal wiring of the semiconductor device according to an embodiment of the present invention, forming a lower metal wiring on the semiconductor substrate; Forming an insulating film having a wiring formation region exposing at least a portion of the lower metal wiring on the semiconductor substrate; Forming a diffusion barrier film including a multilayer structure of a Ta x N y film, a Ta x B y N z film, a Ti x B y N z film, and a Ti x N y film on the insulating film including the surface of the wiring forming region; And forming an upper metal wiring on the diffusion barrier to fill the wiring formation region.
상기 하부 금속배선은 구리막을 포함한다.The lower metal wiring includes a copper film.
상기 TaxByNz막은 비정질상을 갖는 막으로 형성한다.The Ta x B y N z film is formed of a film having an amorphous phase.
상기 TaxNy막은 x가 0.4∼0.7의 범위를 갖고, y가 0.3∼0.6의 범위를 갖는 막으로 형성한다.The Ta x N y film is formed of a film having x in the range of 0.4 to 0.7 and y in the range of 0.3 to 0.6.
상기 TaxByNz막은 x가 0.3∼0.7의 범위를 갖고, y가 0.1∼0.3의 범위를 가지며, z가 0.2∼0.4의 범위를 갖는 막으로 형성한다.The Ta x B y N z film is formed of a film in which x has a range of 0.3 to 0.7, y has a range of 0.1 to 0.3, and z has a range of 0.2 to 0.4.
상기 TixByNz막은 x가 0.3∼0.7의 범위를 갖고, y가 0.1∼0.3의 범위를 가지며, z가 0.2∼0.4의 범위를 갖는 막으로 형성한다.The Ti x B y N z film is formed of a film in which x has a range of 0.3 to 0.7, y has a range of 0.1 to 0.3, and z has a range of 0.2 to 0.4.
상기 TixNy막은 x가 0.4∼0.7의 범위를 갖고, y가 0.3∼0.6의 범위를 갖는 막으로 형성한다.The Ti x N y film is formed of a film having x in the range of 0.4 to 0.7 and y in the range of 0.3 to 0.6.
상기 확산방지막을 형성하는 단계는, 상기 배선 형성 영역의 표면을 포함한 절연막 상에 TaxNy막을 형성하는 단계; 상기 TaxNy막의 표면에 보론을 침투시켜 TaxByNz막을 형성하는 단계; 상기 TaxByNz막 상에 TixNy막을 형성하는 단계; 및 상기 TaxByNz막 내의 보론과 상기 TixNy막을 반응시켜 상기 TaxByNz막과 상기 TixNy막 사이의 계면에 TixByNz막을 형성하는 단계;를 포함한다.The forming of the diffusion barrier layer may include forming a Ta x N y film on an insulating film including a surface of the wiring forming region; Penetrating boron on the surface of the Ta x N y film to form a Ta x B y N z film; Forming a Ti x N y film on the Ta x B y N z film; And forming an interface layer on Ti x B y N z between the Ta x B y N z of boron in the film and the Ti x N y by reacting a film the Ta x B y N z layer and the Ti x N y film; It includes.
상기 TaxNy막은 스퍼터링(Sputtering) 방식으로 형성한다.The Ta x N y film is formed by a sputtering method.
상기 TaxNy막은 결정질상을 갖도록 형성한다.The Ta x N y film is formed to have a crystalline phase.
상기 보론의 침투는 보론 계열의 기체를 이용한 열 처리 또는 플라즈마 처리로 수행한다.The boron infiltration is performed by heat treatment or plasma treatment using boron-based gas.
상기 열처리는 300∼600℃의 온도 조건으로 수행한다.The heat treatment is carried out under a temperature condition of 300 to 600 ℃.
상기 보론 계열의 기체는 B2H6, 또는, BCl3를 이용한다.The boron-based gas uses B 2 H 6 , or BCl 3 .
상기 TaxByNz막은 비정질상을 갖도록 형성한다.The Ta x B y N z film is formed to have an amorphous phase.
상기 TixNy막은 Ti-리치(Rich)한 TiN막을 이용한다.The Ti x N y film is a Ti-rich TiN film.
상기 TaxByNz막 내의 보론과 상기 TixNy막의 반응은 열 처리로 수행한다.The reaction of boron in the Ta x B y N z film and the Ti x N y film is performed by heat treatment.
상기 상부 금속배선은 알루미늄막을 포함한다.The upper metal wiring includes an aluminum film.
본 발명은 하부 금속배선과 상부 금속배선 물질로서 각각 구리막과 알루미늄막의 적용시에 상기 하부 금속배선과 상부 금속배선 사이의 계면에 TaN/TaBN/TiBN/TiN의 다층 구조를 포함하는 확산방지막을 형성함으로써, 상기 확산방지막의 특성을 개선할 수 있다. According to the present invention, a diffusion barrier layer including a multilayer structure of TaN / TaBN / TiBN / TiN is formed at an interface between the lower metal interconnection and the upper metal interconnection when the copper and aluminum layers are applied as the lower metal interconnection and the upper metal interconnection, respectively. By doing so, the characteristics of the diffusion barrier can be improved.
또한, 본 발명은 상기와 같이 TaN/TaBN/TiBN/TiN의 다층 구조를 포함하는 확산방지막을 형성함으로써, 상기 상하부 금속배선 간의 확산으로 인한 화합물 생성을 방지할 수 있으므로, 그에 따른 콘택 저항 상승을 방지하여 콘택 저항을 개선할 수 있다.In addition, the present invention by forming a diffusion barrier film having a multi-layer structure of TaN / TaBN / TiBN / TiN as described above, it is possible to prevent the generation of the compound due to the diffusion between the upper and lower metal wiring, thereby preventing the increase in contact resistance The contact resistance can be improved.
게다가, 본 발명은 상기 TaN/TaBN/TiBN/TiN의 다층 구조를 포함하는 확산방지막 상에 웨팅막을 형성함으로써, 알루미늄막으로 이루어진 상부 금속배선의 형성시, 상기 상부 금속배선의 형성을 안정적이고 용이하게 수행할 수 있다.In addition, the present invention forms a wetting film on the diffusion barrier film including the multilayer structure of TaN / TaBN / TiBN / TiN, thereby forming the upper metal wiring stably and easily at the time of forming the upper metal wiring made of the aluminum film. Can be done.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선을 설명하기 위해 도시한 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.1 is a cross-sectional view illustrating a metal wiring of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 반도체 기판(100) 상부에 층간절연막(102) 및 연마정지막(104)이 차례로 형성되어 있고, 상기 연마정지막(104)을 포함한 층간절연막(102) 내에는 하부 금속배선이 형성될 제1배선 형성 영역(D1)이 형성되어 있으며, 상기 제1배선 형성 영역(D1) 내에는 하부 금속배선(108)이 형성되어 있다. 이때, 상기 하부 금속배선(108)은 구리막으로 형성된다. 상기 하부 금속배선(108)이 형성된 층간절연막(102)의 제1배선 영역(D1)의 표면 상에는 TaN/Ta막(106)이 형성되어 있다.As illustrated, an interlayer
또한, 상기 하부 금속배선(108)을 포함한 연마정지막(104) 상에는 캡핑막(110) 및 절연막(112)이 차례로 형성되며, 상기 캡핑막(110)을 포함한 절연막(112) 내에 상기 하부 금속배선(108)을 노출시키는 제2배선 형성 영역(D2)이 형성되어 있으며, 상기 제2배선 형성 영역(D2)을 포함한 절연막(112) 상에 상부 금속배선(124)이 형성되어 있다. 이때, 상기 상부 금속배선(124)은 알루미늄막으로 형성된다.In addition, the
여기서, 상기 상부 금속배선(124)이 형성된 절연막(112)의 제2배선 형성 영역(D2)의 표면 상에는 TaN막(114), TaBN막(116), TiBN막(120) 및 TiN막(118)이 순차적으로 적층된 다층 구조를 포함하는 확산방지막(122)이 형성되어 있다. 상기 확산방지막(122) 중 TaN막(114)과 TaBN막(116)은 상기 하부 금속배선(108)의 확산방지막 역할을 하고, 상기 TiBN막(120)과 TiN막(118)은 상기 상부 금속배선(124)의 확산방지막 역할을 하며, 상기 TiN막(118)은 상기 알루미늄막의 웨팅막으로서 역할할 수도 있다.Here, the TaN
상기 TaBN막(116)은 비정질상을 갖는다. 그리고, TaN막(114)은, 바람직하게, TaxNy막(0.4≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.6)이고, 상기 TaBN막(116)은, 바람직하게, TaxByNz막(0.3≤x≤0.7, 0.1≤y≤0.3, 0.2≤z≤0.4)이고, 상기 TiBN막(120)은, 바람직하게, TixByNz막(0.3≤x≤0.7, 0.1≤y≤0.3, 0.2≤z≤0.4)이며, 상기 TiN막(118)은 바람직하게, TixNy막(0.4≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.6)이다.The
또한, 상기 하부 금속배선(108)이 형성된 제1배선 형성 영역(D1)은 싱글 다마신 공정 또는 듀얼 다마신 공정에 따라 트렌치 구조, 또는, 트렌치 및 상기 트렌치와 연결되는 적어도 하나 이상의 비아홀을 포함하는 트렌치 및 비아홀 구조로 형성될 수 있으며, 이때, 상기 상부 금속배선(124)이 형성된 제2배선 형성 영역(D2)은 비아홀 구조로 형성한다. In addition, the first wiring formation region D1 in which the
본 발명의 금속배선은 하부 금속배선(108)과 상부 금속배선(124) 간의 접촉 계면에 TaN막(114), TaBN막(116), TiBN막(120) 및 TiN막(118)이 순차적으로 적층된 다층 구조를 포함하는 확산방지막(122)이 형성되므로, 상기 확산방지막(122) 자체의 특성이 개선된다. 따라서, 본 발명은 상부 금속배선(124) 물질인 알루미늄의 확산으로 인한 상기 하부 금속배선(108)과 상부 금속배선(124) 간의 접촉 계면에서의 고 저항 화합물의 생성을 효과적으로 방지할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 하부 금속배선(108)과 상부 금속배선(124)간 콘택 저항 상승을 방지할 수 있어서 콘택 저항을 개선할 수 있다. In the metal wiring of the present invention, the
또한, 본 발명은 상기 확산방지막(122)의 상기 TiN막(118)이 알루미늄막의 웨팅막으로서 역할함으로써, 상부 금속배선(124)의 형성시, 상기 상부 금속배 선(124) 형성 공정을 안정적이고 용이하게 수행되도록 할 수 있다.In addition, according to the present invention, the
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.2A to 2G are cross-sectional views illustrating processes for forming a metal wiring of a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 게이트 및 비트 라인과 같은 하부 구조물(도시안됨)이 구비된 반도체 기판(100)의 상부에 상기 하부 구조물을 덮도록 층간절연막(102)을 형성하고, 상기 층간절연막(102) 상에 연마정지막(104)을 형성한다. Referring to FIG. 2A, an
그런 다음, 상기 층간절연막(102) 및 연마정지막(104)을 식각하여 하부 금속배선이 형성될 제1배선 형성 영역(D1)을 형성한다. 여기서, 상기 제1배선 형성 영역(D1)은 트렌치로 이루어진 싱글(Single) 구조 또는 트렌치와 비아 홀을 포함하는 듀얼(Dual) 구조로 형성할 수 있다.Then, the
도 2b를 참조하면, 상기 연마정지막(104)을 포함한 제1배선 형성 영역(D1)의 표면 상에 구리의 확산방지막 역할을 수행하기 위한 TaN/Ta막(106)을 형성하고, 상기 TaN/Ta막(106) 상에 금속막의 매립을 위한 씨드막(도시안됨)을 형성한다. 이어서, 상기 씨드막 상에 상기 제1배선 형성 영역(D1)을 매립하도록 하부 금속배선용 금속막(108a)을 형성한다. 상기 상부 금속배선용 금속막(108a)은 구리막으로 형성하며, 전해도금 방식을 이용하여 형성한다.Referring to FIG. 2B, a TaN /
도 2c를 참조하면, 상기 하부 금속배선용 금속막 및 TaN/Ta막(106)을 상기 연마정지막(104)이 노출될 때까지 CMP하여 제거해서 하부 금속배선(108)을 형성한다음, 상기 TaN/Ta막(106)을 포함한 하부 금속배선(108) 및 연마정지막(104) 상에 캡핑막(110)을 형성한다. 상기 캡핑막(110)은, 예컨대, 질화막으로 형성한다.Referring to FIG. 2C, the lower metal wiring metal film and the TaN /
도 2d를 참조하면, 상기 캡핑막(110) 상에 절연막(112)을 형성하고, 상기 절연막(112) 및 캡핑막(110)을 상기 하부 금속배선(108)이 노출될 때까지 식각하여 제2배선 형성 영역(D2)을 형성한다. 이때, 상기 제2배선 형성 영역(D2)은, 바람직하게, 비아 홀 구조이다. Referring to FIG. 2D, an insulating
도 2e를 참조하면, 상기 제2배선 형성 영역(D2)의 표면을 포함한 절연막(112) 상에 TaN막(114)을 형성한다. 상기 TaN막(114)은, 바람직하게, TaxNy막(0.4≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.6)으로 형성하며, 스퍼터링(Sputtering) 방식으로 형성한다. 상기 스퍼터링 방식으로 형성된 TaN막(114)은 나노 사이즈의 결정질상을 갖는다.Referring to FIG. 2E, a
그런 다음, 상기 TaN막(114)의 표면에 보론을 침투시켜 비정질의 TaBN막(116), 바람직하게, TaxByNz막(0.3≤x≤0.7, 0.1≤y≤0.3, 0.2≤z≤0.4)을 형성한다. 상기 비정질의 TaBN막(116)을 형성하기 위한 보론의 침투는 보론 계열의 기체, 예컨대, B2H6, 또는, BCl3를 이용한 열 처리 또는 플라즈마 처리로 수행하며, 상기 열처리는 300∼600℃의 온도 조건으로 수행한다. Then, boron is penetrated to the surface of the
여기서, 상기 보론의 침투를 통해 결정질상을 갖는 TaN막(114)의 결정 구조가 깨지면서 비정질화되고, 이에 따라, 비정질상을 갖는 TaBN막(116)을 형성할 수 있다. Here, the crystal structure of the
도 2f를 참조하면, 상기 TaBN막(116) 상에 Ti-리치(Rich)한 TiN막, 바람직하게, Ti의 함량이 N의 함량의 1.5배 이상인 TiN막을 형성한다. 상기 TaBN막(116) 내의 보론과 상기 TiN막을 반응시켜 상기 TaBN막(116)과 상기 TiN막 사이의 계면에 TiBN막(120)을 형성한다. 상기 TiBN막(120)은, 바람직하게, TixByNz막(0.3≤x≤0.7, 0.1≤y≤0.3, 0.2≤z≤0.4)이다. Referring to FIG. 2F, a Ti-rich (Rich) TiN film is formed on the
그 결과, TaN막(114), TaBN막(116), TiBN막(120) 및 TiN막(118)이 순차적으로 적층된 다층 구조를 포함하는 확산방지막(122)이 형성된다. 이때, 상기 TiN막(118)은, 바람직하게, TixNy막(0.4≤x≤0.7, 0.3≤y≤0.6)이다. 상기 확산방지막(122) 중 TaN막(114)과 TaBN막(116)은 상기 하부 금속배선(108)의 확산방지막 역할을 하고, 상기 TiBN막(120)과 TiN막(118)은 상기 상부 금속배선(124)의 확산방지막 역할을 한다.As a result, a
여기서, 상기 TaBN막(116) 내의 보론과 상기 TiN막의 반응은 열 처리로 수행한다. 상기 열처리시 상기 Ti-리치한 TiN막과 상기 TaBN막(116)의 계면에서는 TiBN막(120)이 형성되며, 상기 TaBN막(116) 내의 보론과 반응하지 않은 나머지 TiN막의 표면 부분은 화학양론적 TiN막(118)으로 변환된다. 상기 화학양론적 TiN막(118)은 후속 알루미늄막의 증착시 웨팅막 역할을 한다.Here, the reaction between the boron in the
도 2g를 참조하면, 상기 TaN막(114), TaBN막(116), TiBN막(120) 및 TiN막(118)이 순차적으로 적층된 다층 구조를 포함하는 확산방지막(122)을 갖는 상기 제2배선 형성 영역(D2)을 포함한 반도체 기판(100) 상에 상기 제2배선 형성 영역(D2)을 매립하도록 상부 금속배선용 금속막을 매립한다. 이때, 상기 상부 금속배선용 금속막은 알루미늄막으로 형성한다. 이어서, 상기 상부 금속배선용 금속막 및 확산방지막(122)을 식각하여 상부 금속배선(124)을 형성한다. Referring to FIG. 2G, the
이후, 도시하지는 않았으나 공지된 일련의 후속 공정들을 차례로 수행하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선을 형성한다.Subsequently, although not shown, a series of subsequent known processes are sequentially performed to form the metal wiring of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
전술한 바와 같이 본 발명은, TaN/TaBN/TiBN/TiN의 다층 구조를 포함하는 확산방지막을 형성함으로써, 상기 확산방지막의 두께를 종래 보다 증가시키지 않고도 상기 확산방지막의 특성을 개선시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 TaN/TaBN/TiBN/TiN의 다층 구조를 포함하는 확산방지막을 통해 상하부 금속배선 간의 확산을 방지함으로써, 콘택 저항을 개선할 수 있다.As described above, in the present invention, by forming a diffusion barrier including a multilayer structure of TaN / TaBN / TiBN / TiN, the characteristics of the diffusion barrier can be improved without increasing the thickness of the diffusion barrier. In addition, the present invention can improve the contact resistance by preventing the diffusion between the upper and lower metal wirings through the diffusion barrier layer including the multilayer structure of TaN / TaBN / TiBN / TiN.
게다가, 상기 확산방지막 상에 웨팅막을 형성함으로써, 상부 금속배선 형성시, 상기 금속배선의 형성을 안정적이고 용이하게 수행할 수 있으므로, 따라서, 반도체 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, by forming a wetting film on the diffusion barrier layer, when forming the upper metal wiring, the formation of the metal wiring can be performed stably and easily, thus improving the characteristics and reliability of the semiconductor device.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.As mentioned above, although the present invention has been illustrated and described with reference to specific embodiments, the present invention is not limited thereto, and the following claims are not limited to the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention. It can be easily understood by those skilled in the art that can be modified and modified.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선을 설명하기 위해 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view for explaining a metal wiring of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.2A to 2G are cross-sectional views illustrating processes for forming metal wirings of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 반도체 기판 102 : 층간절연막100
104 : 연마정지막 D1 : 제1배선 형성 영역104: polishing stop film D1: first wiring formation region
106 : TaN/Ta막 108 : 하부 금속배선106: TaN / Ta film 108: lower metal wiring
110 : 캡핑막 112 : 절연막110
D2 : 제2배선 형성 영역 114 : TaN막D2: Second Wiring Formation Area 114: TaN Film
116 : TaBN막 118 : TiBN막116: TaBN film 118: TiBN film
120 : TiN막 122 : 확산방지막120: TiN film 122: diffusion barrier film
124 : 상부 금속배선124: upper metal wiring
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