KR100219552B1 - 반도체 장치의 배선 형성 방법 - Google Patents

Abstract

배선용 막으로서 우수한 특성을 갖는 코발트 막질을 상감기법과 CMP를 통해 형성할 수 있는 반도체 장치의 배선 형성 방법이 개시되어 있다. 패턴 그루브가 형성되어 있는 절연막의 전면에 폴리실리콘을 증착하여 상기 그루브를 매립하는 폴리실리콘층을 형성한 후, 상기 절연막이 노출될 때까지 폴리 실리콘층을 CMP방법을 이용하여 평탄화하여 상기 패턴 그루브에 폴리실리콘 배선을 형성한다. 다음에, 코발트 금속을 증착한 후, 상기 코발트 금속을 실리시데이션(silicidation) 반응시켜 상기 폴리 실리콘 배선상에 코발트 실리사이드로 구성된 상부 배선을 형성한다. 스텝 커버리지가 우수한 폴리실리콘을 사용하여 폴리실리콘 배선을 형성하고, 폴리실리콘 배선상에 배선용 재질이 우수한 코발트막질을 적층하여 형성시키게 됨으로 고집적 고속화용 배선을 형성할 수 있다

Description

반도체 장치의 배선 형성 방법{Wiring forming method in semiconductor device}

본 발명은 반도체 장치의 배선 형성 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 상감 기법과 CMP(Chemical Meachanical Polishing) 공정을 이용하여 반도체 장치의 배선을 형성하기 위한 반도체 장치의 배선 형성 방법에 관한 것이다.

집적회로가 발전하게 됨에 따라 디바이스의 스케일의 목적은 두개의 요소로 압축되었다. 첫째는 회로의 동작속도를 증가시키므로써, 회로의 동작을 증가시키기 위한 것이고, 둘째는 회로의 함수적 기능을 증가시키는 것이다. 초기에는 작동 소자의 크기를 줄이는 것이 이러한 목표들을 성취하는데에 있어 가장 효과적인 수단이었다. 그러나, 작동 소자의 크기를 줄이는 것이 더 이상 효과적일 수 없게 되었다. 회로의 스피드와 최대 기능 밀도가 소자의 크기보다는 배선의 특성에 더 의존하게 되었기 때문이다. 이와 같이, 웨이퍼 효율, 칩가격, 그리고 IC디자인면등은 역으로 배선기술의 제한에 의해 영향을 받게 됨에 따라 칩내의 배선의 집적화에 적합한 배선에 대한 개발이 요구되고 있다.

이러한 배선에 대한 요구에 따라 도입된 기술들중의 하나가 상감기법에 의한 배선형성방법이다. 상감기법에 의한 배선의 형성방법은 일반적으로 절연막상에 형성하고자하는 배선의 형태를 먼저 패턴닝하고 그 패턴닝된 기판에 배선용 물질을 증착시킨 후, CMP를 통해 배선을 형성하는 방법이다. 이와 같이, 상감 기법을 이용하여 배선을 형성하는 데 사용되는 재료로서는 폴리 실리콘이나 텅스텐을 들 수 있다. 도 1a 및 도 1b는 종래의 텅스텐을 사용하여 배선을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1a를 참조하면, 층간 절연막(101)상에 배선설계에 따라 통상적인 포토리쏘그래피 공정에 따라, 패턴닝하여 배선용 그루브를 형성한다. 다음에, 상기 배선용 그루브가 형성되어 있는 상기 층간 절연막(101)의 전표면상에 확산 방지막(102)을 형성한다. 다음에, 상기 확산 방지막(102)의 전면상에 텅스텐을 스퍼터링법에 텅스텐층(103)을 형성한다.

도 1b를 참조하면, 상기 텅스텐층(103)을 CMP 공정에 따라서, 상기 층간 절연막(101)을 스토퍼로 에칭하여 상기 배선용 그루브에만 텅스텐을 잔류시킴으로써 반도체 장치의 배선을 형성하게 된다.

상기와 같이, 상감기법을 이용한 배선 형성 방법에서, 텅스텐을 배선용 재료로서 사용하는 경우에는, 텅스텐을 증착하기 전에 반드시 확산 방지 물질을 증착하여야 한다. 또한, 텅스텐은 스퍼터링에 의한 증착시에 단차 도표성이 불량하여 도 1b에 나타낸 바와 같이, 배선내부에 심(seam; 104)이 형성된다. 따라서, 텅스텐을 상감기법을 통해 배선하는 경우에는 반도체 장치의 추후의 신뢰성 및 전기적 특성상의 문제점을 일으킬 염려가 있어서, 반도체 장치의 배선형성의 설계에 제한이 따른다.

또한, 폴리실리콘의 경우에는, 반도체 장치의 고집적 고속화를 위해서는 일반적으로 배선저항의 감소가 요구되는데 반해 폴리실리콘은 고저항을 갖고 있어서, 반도체 장치의 고집적 고속화를 위한 배선용 재료로서는 적당하지 않다.

또한, 상기 폴리실리콘과 텅스텐의 문제점을 해결하기 위해 티타늄-폴리사이드(Ti-polycide) 구조의 배선이 제안된 바 있다. 도 2a 및 도 2b는 종래의 티타늄을 사용하여 형성된 배선을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a는 x축에서의 배선의 단면을 나타내고, 도 2b는 도 2a에 도시한 배선의 y축에서의 배선의 단면을 나타낸다. 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 층간 절연막(201)의 상부에는 배선 형성용 그루브가 형성되어 있고, 상기 배선 형성용 그루브에는 폴리 실리콘 배선(202)이 형성되어 있고, 상기 폴리 실리콘 배선(202)상에는 티타늄 실리사이드로 구성된 상부 배선층(203)이 형성되어 있다.

상기 티타늄-폴리사이드(Ti-polycide) 구조의 배선에 있어서는 도 2(나)에 나타낸 바와 같이, 티타늄 실리사이드(TiSi₂)로 구성된 폴리 실리콘 배선(202)의 상부 배선인(203)이 후속열처리시 응집현상으로 단선되는 문제점이 있다. 이러한 응집 현상은 티타늄 실리사이드 물질 자체의 특성이다. 따라서, 이러한 단선 현상 때문에 티타늄 폴리사이드의 구조는 바람직하지 않다.

상술한 바와 같이, 상감 기법을 이용한 반도체 장치의 배선 형성 방법은 배선의 재질에 따라 배선의 설계및 공정이 제한받고 있다는 문제점을 갖고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 상감기법과 CMP기술을 사용하여 배선을 형성할 때, 배선용 재질로서 우수한 특성을 갖는 물질을 이용하여 배선을 형성함으로써 특성이 우수한 배선을 갖는 반도체 장치의 배선 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 텅스텐을 사용하여 배선을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 티타늄을 사용하여 형성된 배선을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 배선형성방법을 설명하기 위한 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

101, 201, 301: 절연막 102: 경계막

103: 텅스텐 104: 심(seam)

202, 303: 폴리실리콘 203: TiSi₂

302: 포토레지스터 303: 코발트

304: CoSi₂

상기 목적을 실현하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 장치의 배선 형성 방법을 수행하기 위하여는 먼저 절연막에 배선 형성용 패턴 그루브를 형성한다. 상기 패턴 그루브가 형성되어 있는 절연막의 전면에 폴리실리콘을 증착하여 상기 그루브를 매립하는 폴리실리콘층을 형성한 후, 상기 절연막이 노출될 때까지 폴리 실리콘층을 CMP방법을 이용하여 평탄화하여 상기 패턴 그루브에 폴리실리콘 배선을 형성한다. 다음에, 상기 폴리실리콘 배선 및 상기 절연막의 전면에 금속막, 예컨대 코발트 금속막을 형성한 후, 상기 코발트 금속막을 실리시데이션(silicidation) 반응시켜 상기 폴리 실리콘 배선상에 코발트 실리사이드로 구성된 상부 배선을 형성한다. 상기 절연막상에 잔류하는 코발트층을 제거함으로써 반도체 장치의 배선을 완성한다. 상기 패턴 그루브는 상기 절연막상에 배선 형성용 마스크를 사용하여 포토 레지스트 패턴을 형성한 후, 상기 포토 레지스트 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 절연막을 배선 형성의 깊이만큼 식각하여 형성한다. 상기 폴리실리콘층은 상기 패턴 그루브의 폭의 반 이상의 두께를 갖도록 상기 폴리실리콘을 증착하여 형성한다. 상기 절연막상에 잔류하는 코발트는 황산 용액을 이용하여 세정함으로써 제거할 수 있다.

본 발명의 방법에 의하면, 상감기법과 CMP기술을 사용하여 배선을 형성할 때, 스텝 커버리지가 우수한 폴리실리콘을 사용하여 폴리실리콘 배선을 형성하고, 폴리실리콘 배선상에 배선용 재질이 우수한 코발트막질을 적층하여 형성시키게 됨으로 고집적 고속화용 배선을 형성할 수 있다.

이하, 도면을 참조한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 배선형성방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a를 참조하면, 반도체 기판상에 형성되어 있는 절연막(301)상부에 상감기법으로 배선하기 위해서, 통상적인 포토공정을 통해 배선할 부위의 절연막을 노출하는 포토 레지스트 패턴(302)을 형성한다. 다음에, 상기 포토 레지스트 패턴(302)을 에칭 마스크로 사용하여 상기 절연막을 배선을 형성하는 데 적당한 깊이를 갖도록 배선 그루브를 형성한다.

도 3b를 참조하면, 상기 포토 레지스트 패턴(302)을 스트립하여 제거하고, 상부에 배선 그루브가 형성되어 있는 절연막(301)의 전면에 폴리실리콘을 화학 기상 방법에 의해 증착하여 상기 배선 그루브를 매립하는 폴리실리콘층(303)을 형성한다. 상기 폴리실리콘의 증착은 상기 패턴닝에 의해 형성된 배선 그루브 부위가 충분이 채워지도록 폴리실리콘을 증착시켜 상기 폴리실리콘층(303)이 상기 배선 그루브의 폭의 반이상의 두께를 갖도록 형성한다.

도 3c를 참조하면, 폴리실리콘층(303)을 형성한 후, CMP공정을 통해 상기 절연막(301)을 에칭 스톱 포인트로 하여 상기 절연막(301)상에 형성된 폴리실리콘을 제거하여, 상기 절연막(301)의 배선 그루브에만 폴리 실리콘이 잔류하게 되어 폴리실리콘으로 구성된 하부 배선(303')을 형성한다. 다음에, 상기 배선 그루브내에 형성되어 있는 하부 배선(303')상 및 상기 절연막(301)상에 스퍼터링 방법에 의해 금속막, 예컨대 코발트를 증착시켜 코발트층(304; Cobalt)을 형성한다.

다음에, 도 3d를 참조하면, 상기 금속층(304)을 실리시데이션 반응시켜 도시한 바와 같이, 상부 배선층(305)를 형성한다. 증착된 상기 코발트층(304)은 폴리실리콘으로 구성된 하부 배선(303)과 반응하여 CoSi₂를 형성한다. 다음에, 황산용액을 이용하여 세정하면, 잔류하는 코발트층(304)은 제거되고, 도시한 바와 같이 하부에 폴리실리콘으로 구성된 하부 배선(303)과 CoSi₂로 구성된 상부 배선(305)을 형성하게 되어 반도체 장치의 배선을 완성하게 된다.

본 발명을 상기 실시예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상적인 지식의 범위내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 상감기법과 CMP기술을 사용하여 배선을 형성할 때, 배선용 막질로서 그 재질이 우수한 코발트막질을 상감기법과 CMP를 통해 배선할 수 있는 방법을 실현할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 절연막에 배선 형성용 패턴 그루브를 형성하는 단계;

   상기 패턴 그루브가 형성되어 있는 절연막의 전면에 폴리실리콘을 증착하여 상기 그루브를 매립하는 폴리실리콘층을 형성하는 단계;

   상기 절연막이 노출될 때까지 폴리 실리콘층을 CMP방법을 이용하여 평탄화하여 상기 패턴 그루브에 폴리실리콘 배선을 형성하는 단계;

   상기 폴리실리콘 배선 및 상기 절연막의 전면에 코발트막을 형성하는 단계;

   상기 코발트막을 실리시데이션 반응시켜 상기 폴리 실리콘 배선상에 코발트 실리사이드로 구성된 상부 배선을 형성하는 단계; 및

   상기 절연막상에 잔류하는 코발트막을 제거하는 단계로 구성된 반도체 장치의 배선 형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리실리콘층은 상기 패턴 그루브의 폭의 반 이상의 두께를 갖도록 상기 폴리실리콘을 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 배선 형성 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 절연막상에 잔류하는 코발트막은 황산 용액을 이용하여 세정하여 제거하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 배선 형성 방법.