KR930005485B1 - 금속 배선층 형성 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

금속 배선층 형성 방법

제1도는 종래의 스퍼터링 방법으로 제작한 금속 배선층의 단면도.

제2a도 내지 제2c도는 본 발명에 따른 금속 배선층의 형성 방법을 도시한 일실시예의 공정 순서도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 반도체 기판 1 : 단차물

2 : 콘택트홀 3 : 금속배선층

4 : 1차금속층 4a : 1차금속층이 매몰된 것

5 : 2차금속층

본 발명은 반도체 장치의 배선공정에 관한 것으로, 특히 토포그라피(topography)가 큰 반도체 장치의 금속배선층 형성방법에 관한 것이다.

최근 반도체 제조기술의 발달과 메모리 소자의 응용분야가 확장되어 감에 따라 대용량의 메모리 소자 개발이 진척되고 있는데, 이러한 메모리소자의 대용량화는 각 세대마다 2배로 진행하는 미세프로세스 기술을 기본으로 한 메모리 셀 연구에 의해 추진되어 오고 있다. 특히 반도체 장치에 있어서의 배선기술은 메모리소자의 미세화 기술에 있어서 중요한 항목중의 하나이며, 이러한 배선기술은 메모리의 워드선과 같은 배선으로 사용되는 게이트 전극, 소오드(드레인) 확산영역과의 콘택트 및 각 소자를 상호접속하는 금속배선등으로 분류된다.

종래에 주로 사용하여 왔던 소자간의 금속 배선층 형성방법은 스퍼터링(sputtering) 방법을 사용한 몰리 증착방식이었으며 실시한 후의 모양은 제1도에 도시한 바와같다.

먼저, 반도체기판(10)상에 소정패턴의 단차물(1)을 형성하고, 이 단차물에 금속배선을 위한 콘택트 홀(2)을 형성한다. 그후 스퍼터링 방법을 사용하여 금속 배선층(3)을 형성하는데, 이 금속 배선층(3)은 콘택트 홀 내벽에서의 피복력 약화 혹은 단선으로 인해 사용한계에 도달해 있다. 즉, 반도체 장치의 고립적화가 진행되는 가운데 콘택트 홀부에서는 횡방향과 같은 비율로 종방향의 기하학적 사이즈를 축소하기 어려워져서 어스팩트비(aspectratio)가 증대되고, 이른바 스텝(step)에 의한 음영효과(shadowing effect)때문에 어스팩트 비가 높은 콘택트 홀에 대해서는 충분한 피복율(step coverage) 확보가 곤란해져서 상기 제1도에 도시된 바와같은 금속 배선층의 단선이 일어나게 된다. 이와같은 문제를 극복하기 위하여 여러가지 방법으로 콘택트 홀 매몰을 시도중인데, 예로써 콘택트 홀내만을 배선층 침적전에 텅스텐으로 매몰, 평탄화하는 선택적 텅스텐 매몰기술이나 피복력이 우수한 다결정실리콘을 사용하여 콘택트 홀의 매몰을 시도하고 있다. 그러나, 상기 선택적 텅스텐 매몰의 경우는 실리콘 기판과의 계면 반응으로 인한 누수전류증가 및 접착성을 개선하는데 과제로 남아있고, 상기 다결정실리콘 매몰기술의 경우는 이온 주입에 의해 다결정실리콘을 도체로 만들어야 하므로 콘택트 홀내에서의 접촉저항을 일정수준에서 유지 및 그 재현성 조절이 풀어야 할 과제이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 금속을 1차로 증착한 후 열처리 공정을 통하여 개구부(opening) 혹은 콘택트 홀의 매몰을 실시하는 금속 배선층 형성방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은 개구부 혹은 콘택트 홀을 통하여 금속배선을 연결하는 금속배선층 형성방법에 있어서, 반도체 기판상에 상기 개구부 혹은 콘택트 홀의 패턴을 형성한 후 임의의 온도에 금속을 증착하는 제1공정과, 상기 제1공정이후 열처리하는 제2공정을 구비함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

제2a도 내지 제2c도는 본 발명에 따른 금속 배선층 형성방법을 도시한 일 실시예의 공정순서도이다.

제2a도는 1차금속층(4)의 형성공정을 도시한 것으로, 먼저 단차물(1)이 형성된 반도체 기판(10)상에 직경이 0.8um 정도이고 어스펙트비가 1.0이상인 콘택트 홀(12)의 패턴을 형성하고, 이 패턴이 형성된 상기 기판(10)을 세척한다. 상기 콘택트홀을 바람직하기로는 1.0um 이하의 직경을 갖는다. 그후 상기 기판(10)을 스퍼터 반응실에 넣어 일정치의 진공도를 유지하고, 200℃ 이하의 온도에서 금속, 예컨대 알루미늄(Al) 혹은 알루미늄 합금을 500Å~3000Å 정도의 두께로 증착하여 1차 금속층(4)을 형성한다. 상기 1차금속층은 금속원자들이 높은 표면자유에너지를 가질 수 있도록, 진공챔버에서 울리증착방식(physical vapor deposition)에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 여기서 상기 Al 합금은 1중량% 실리콘(Si)과, 0.5중량% 구리(Cu)가 섞인 것이 바람직하다. 그외에도 Al-Si 합금, Al-Cu 합금, Al-Si-Cu 합금 혹은 Al-Ti 합금등이 본 발명에 사용되어질 수 있다.

제2b도는 상기 콘택트홀의 매몰공정을 도시한 것으로, 상기 제2a도의 공정으로 얻어진 기판을 진공 브레이크(break) 없이 다른 스퍼터 반응실로 이동한 후 용융점 이하의 고온에서, 바람직하게는 550℃에서 2분이상 가열한다. 증착된 금속물질이 열처리공정에 의해 금속층의 외측표면을 따라 이동(migratior)함으로서 상기 제2b도에 도시된 바와같이 콘택트 홀을 매몰시킨다. 상기 1차금속층의 열처리는 1분이상 수행되는 것이 바람직하다. 이때 반응실내의 압력은 Al의 표면 이동현상에 기인하는 Al의 표면이동거리를 증가시키기 위하여 낮을수록 좋다. 미설명 부호 4a는 제2a도의 1차 금속층이 매몰된 것을 나타낸다.

여기서, 상기 제2b도의 열처리 온도는 상기 Al 혹은 Al 합금의 종류에 따라 그 용융점의 80%~100% 범위내의 온도가 바람직하다. 저온에서 증착된 Al 혹은 Al 합금이 그 용융점의 약 80% 이상부터 용융점 아래의 온도범위에서 이동하는 현상을 이용하여 개구부 혹은 어스팩트비가 높은 콘택트홀을 완전히 매몰시킬 수 있다는 사실은 본 발명자가 최초로 발견한 것이다.

제2c도는 2차금속층(5)의 형성공정을 도시한 것으로, 상기 제2b도는 공정 이후 필요한 총배선 두께의 나머지를 신뢰성을 고려한 온도에서 증착하여 2차 금속층(5)를 형성함으로써 금속배선층을 제작한다. 예를들어 총배선 두께가 6000Å이고, 상기 제2b도 공정이후 단차물(5) 위에 남아있는 1차 금속층의 두께가 χÅ이라면(600-χ)Å 두께의 Al 혹은 Al 합금을 증착하여 1차 금속층(5)을 형성한다. 이때 배선의 신뢰성을 고려하여 χ는 최소화한다. 여기서, 상기 신뢰성을 고려한 온도는 상기 2차 금속층과 1차 금속층의 연결상태를 양호하게 하기 위하여, 상기 2차 금속층의 종류에 따른 적절한 온도를 가리키며 350℃ 이하가 바람직하다. 상기 2차금속층은 상기 1차금속층의 열처리공정 이후 그리고 혹은 열처리공정이 진행되는 동안 상기 1차금속층(4a)상에 증착된다.

이상과 같이 본 발명에서는 통상 사용되고 있는 물리증착방식의 스퍼터링 장비를 사용하여 1차로 금속을 증착한 후 이 증착된 금속을 열처리함으로써, 콘택트 홀 내부를 매몰시킬 수 있게 되어 어스팩트 비가 높은 콘택트 홀에 대해서도 100%의 피복을, 즉 완전 매몰이 가능하다.

또한, 필요한 배선의 두께가 클 경우에는 상기 콘택트 홀의 매몰이후 계속적인 금속층의 증착으로 그 두께를 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 금속배선층의 형성방법은 금속배선을 연결하는 모든 반도체 장치에 적용할 수 있다.

Claims (14)

1. 반도체기판상에 형성된 절연층상에, 높은 표면 자유에너지를 갖도록 진공중의 저온에서, 1차로 금속 물질을 증착하여 제1금속층을 형성하는 제1공정, 및 상기 금속 물질의 용융점이하의 고온에서, 진공을 깨지않고 적절한 시간동안 열처리하여 상기 제1금속층을 구성하는 물질이 이동하도록 하는 제2공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선층의 형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 배선층의 형성방법은 상기 제2공정 이후, 금속을 증착하여 제2금속층을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선층 형성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1금속층은 스퍼터링 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 배선층 형성방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1공정에서의 저온은 200℃이하의 온도인 것을 특징으로 하는 금속 배선층 형성방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2공정은 상기 제1공정 후, 진공을 깨지 않고, 다른 스퍼터 반응실로 반도체 기판을 이동시켜서 제1금속층의 금속 물질의 용융점의 80% 내지 100%의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 금속 배선층 형성방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1공정의 금속은 알루미늄 혹은 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 상기 금속배선층 형성방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1공정에서의 상기 1차금속물질은 알루미늄에 1중량% 실리콘과 0.5중량% 구리가 섞인 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 상기 금속배선층 형성방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 500Å~30000Å인 것을 특징으로 하는 상기 금속 배선층 형성방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2공정은 상기 제1공정에서 얻어진 기판을 진공을 깨지않고 다른 스퍼터 반응실로 이동한 후, 550℃의 온도에서 2분이상 가열하는 것을 특징으로 하는 금속 배선층 형성방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 금속 배선층은 콘택트홀을 통하여 금속 배선을 연결하는 초고집적 반도체 장치의 배선층으로 사용되는 것을 특징으로 하는 금속 배선층 형성방법.
11. 반도체기판상에 개구부(opening)가 형성된 절연층을 제공하고, 상기 절연층과 상기 개구부의 내측표면상에, 높은 표면자유에너지를 가지도록 진공챔버에서, 1차금속을 증착하여 1차금속층을 형성하고, 상기 개구부를 상기 1차금속으로 완전히 매몰하기 위해, 상기 증착단계 이후, 상기 1차금속물질 용융점온도의 80%~100% 범위의 온도에서 진공을 깨지 않고 적절한 시간동안 상기 1차금속층을 열처리하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
12. 제11항에 있어서, 금속층이 소기 두께를 갖도록 상기 1차 금속층을 열처리한 후, 2차 금속을 증착시켜 2차 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 2차 금속층은 350℃이하의 온도에서 증착되는 것을 특징으로 하는 금속배선층 형성방법.
14. 제11항에 있어서, 상기 개구부는 1.0이상의 어스팩트비를 갖고, 상기 직경이 1um 이하인 것을 특징으로 하는 상기 금속배선층 형성방법.

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