説明

NORフラッシュデバイス及びその製造方法

【課題】本発明は、NORフラッシュデバイス及びその製造方法を提供する。
【解決手段】バックエンドオブライン(BEOL)構造を有するNORフラッシュデバイスにおいて、BEOL構造は導電領域を有する基板と、基板上に形成された第1層間絶縁膜と、導電領域に形成される第1金属ラインと、該第1金属ラインと第1層間絶縁膜を覆う第2層間絶縁膜と、第2層間絶縁膜を貫通する第1コンタクト及び第1コンタクトを通じて第1金属ラインと連結される第2金属ラインを具備して、第1コンタクト、第1及び第2金属ラインのうちで少なくとも一つは銅であり、第1及び第2層間絶縁膜のうちで少なくとも一つは、低誘電物質を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば90nm級などのようなNORフラッシュ(Flash)デバイスに関するものであり、特に、NORフラッシュデバイスでバックエンドオブライン(BEOL:Back End Of Line)に対する構造及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
超大規模集積回路(ULSI:Ultra Large Scale Integration)の微細化、高集積化及び高速化要求に対応するためにフラッシュ素子でも新技術が要求されている。NORフラッシュ素子でも金属層間絶縁膜(IMD:Inter Metal Dielectric)の材料とその形成技術が素子の特性を向上させてくれる重要な要素として指摘される。
【0003】
まず、一般的に物質の種類による遅延時間を下記のように説明する。
【0004】
図1は、物質の種類による遅延時間(Delay time)の関係を示すグラフとして、横軸は配線幅を示して、縦軸は遅延時間をそれぞれ示す。
【0005】
図1を参照すると、配線幅が0.13μm以下である配線に低誘電薄膜が適用された場合、Al/SiO2であるときには遅延時間が急激に増加する。しかし、Cu/Low-kを適用する場合にはAl/SiO2より遅延時間を50%程度減少させることができる。さらに、金属配線層数を12から6層に減少させることができる。その結果、複雑な金属配線工程を簡単にすることができ、素子の消費電力で30%程度の利得を有して工程単価を30%減らすことができるから、次世代半導体素子開発において、層間絶縁物質が核心要素技術として増加している。
【0006】
NORフラッシュデバイスの場合にも、その大きさが縮小されながら時定数(RC)、遅延(delay)、混線(cross talk)、雑音(noise)及び電力消散(power dissipation)のためにBEOLに高伝導物質と低誘電物質を層間絶縁物の物質で使用する必要が切実になっている実情がある。
【非特許文献1】The International Technology Roadmap for Semiconductor Industry Association, San Jose, CA, 2004
【非特許文献2】W.W. Lee and P.S. Ho, MRS Bull., 22, 19 (1997)
【非特許文献3】R. H. Haveman and J. A. Hutchby, Proc, IEEE, 89, 586 (2201)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、一般的なNORフラッシュデバイスのBEOLの構造で、現在使用されている金属配線の層間物質(IMD)であるSiO2薄膜は、誘電率が3.9ないし4.2ととても高く、0.18μm級以上の半導体素子の高集積化、高速化などに深刻な問題を引き起こす。また、高集積化及び高速化のために、0.13μmの最小線幅(CD:Critical Dimension)とおおよそ2000MHzの駆動速度が要求されるが、従来のNORフラッシュデバイスの配線物質自体もアルミニウム(Al)になっていて電気抵抗がとても高い問題点がある。
【0008】
本発明が解決しようとする技術的課題は、BEOLで銅と低誘電物質を使用するNORフラッシュデバイス及びその製造方法を提供することにある。
【0009】
また、本発明が解決しようとする技術的課題は、BEOLで銅と低誘電物質を適用して発生することができる銅の拡散を防止することができるNORフラッシュデバイス及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記課題を達成するために、バックエンドオブライン(BEOL)構造を有するNORフラッシュデバイスにおいて、本発明による前記BEOL構造は導電領域を有する基板と、前記基板上に形成された第1層間絶縁膜と、前記導電領域に形成される第1金属ラインと、該第1金属ラインと前記第1層間絶縁膜を覆う第2層間絶縁膜と、前記第2層間絶縁膜を貫通する第1コンタクト及び前記第1コンタクトを通じて前記第1金属ラインと連結される第2金属ラインを含んで、前記第1コンタクト、前記第1及び前記第2金属ラインのうちで少なくとも一つは銅であり、前記第1及び前記第2層間絶縁膜のうちで少なくとも一つは低誘電物質を含むことが望ましい。
【0011】
また、バックエンドオブライン(BEOL)構造を有する本発明によるNORフラッシュデバイスの製造方法は、基板の内部に導電領域を形成する段階と、前記基板上に前記導電領域が露出するトレンチを有する第1層間絶縁膜を形成する段階と、前記トレンチの内部に第1金属ラインを形成する段階と、前記第1金属ライン及び前記第1層間絶縁膜の上部に前記第1金属ラインが露出するホールを有する第2層間絶縁膜を形成する段階及び前記ホールの内部に第1コンタクト及び第2金属ラインを形成する段階を具備して、前記第1コンタクト、前記第1及び前記第2金属ラインのうちで少なくとも一つは銅であり、前記第1及び前記第2層間絶縁膜のうちで少なくとも一つは低誘電物質を含む。
【発明の効果】
【0012】
以上で説明したところのように、本発明によるNORフラッシュデバイス及びその製造方法は、BEOLに銅配線と低誘電(k=3.0)物質を使用するので、時定数(RC)遅延がUSGとアルミニウムを適用した従来より40%以上改善することができるだけではなく、低誘電物質を使いながら発生するトレンチのオキシジェンプラズマ損傷や湿式ストリップによる低誘電物質の縮小や反り現象が発生しないし、TiSiN(4X50)を第3金属ラインであるアルミニウムの下部に第3拡散防止膜として適用するので、アルミニウムパッドの銅拡散現象を事前に除去することができる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明の実施例によるNORフラッシュデバイスの構造及びその製造方法を添付した図面らを参照して次のように説明する。
【0014】
図2は、本実施例によるNORフラッシュデバイスでバックエンドオブライン(BEOL:Back End Of Line)構造を示す図面である。
【0015】
図2を参照すると、バックエンドオブライン(BEOL)構造を有する本発明によるNORフラッシュデバイスで、BEOL構造は基板10、第1層間絶縁膜14、第1金属ライン16、第2層間絶縁膜18、第1コンタクト20及び第2金属ライン22を含む。
【0016】
具体的に説明すると、基板10は導電領域12を有する。第1層間絶縁膜14は、基板10上に形成されていて、第1金属ライン16は基板10と導電領域12上に形成されている。第2層間絶縁膜18は、第1金属ライン16と第1層間絶縁膜14を覆うように形成されている。第1コンタクト20は、第2層間絶縁膜18を貫通するように形成されていて、第2金属ライン22は、第1コンタクト20を通じて第1金属ライン16と連結されている。ここで、第1コンタクト20、第1及び第2金属ライン16及び22のうちで少なくとも一つは銅であり、第1及び第2層間絶縁膜14及び18のうちで少なくとも一つは低誘電物質を含むことができる。
【0017】
また、本実施例によると、BEOL構造は第3層間絶縁膜24、第2コンタクト26及び第3金属ライン28をさらに含むことができる。第3層間絶縁膜24は、第2金属ライン22と第2層間絶縁膜18を覆うように形成されていて、第2コンタクト26は第3層間絶縁膜24を貫通して形成されている。第3金属ライン28は、第2コンタクト26を通じて第2金属ライン22と連結されている。ここで、第2コンタクト26は銅であり、第3層間絶縁膜24は低誘電物質を含むことができる。
【0018】
また、本実施例によると、BEOL構造は第1、第2及び第3拡散防止膜ら32、34及び36をさらに含むことができる。第1拡散防止膜32は、第1金属ライン16と第2層間絶縁膜18との間に形成されていて、第2拡散防止膜34は、第2金属ライン22と第3層間絶縁膜24との間に形成されていて、第3拡散防止膜36は、第2コンタクト26と第4層間絶縁膜30との間に形成されている。
【0019】
第1ないし第3層間絶縁膜14、18及び24のうちで少なくとも一つは低誘電物質層40、44及び48及び低誘電物質層40、44及び48の上部に形成されるTEOS(TetraEthylOrtho Silicate Glass)酸化膜42、46及び50を含むことができる。付け加えて、BEOL構造は、第3拡散防止膜36の上部に形成される第4層間絶縁膜30をさらに含むこともできる。
【0020】
図3は、本実施例によるNORフラッシュデバイスの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【0021】
図2及び図3を参照すると、半導体基板10の内部に導電領域12を形成する(第60段階)。導電領域12が形成された半導体基板10上には所定の半導体構造物が形成されることができる。第60段階後に、導電領域12が露出するトレンチを有する第1層間絶縁膜14を基板10上に形成する(第62段階)。第1層間絶縁膜14のトレンチの内部に第1金属ライン16を形成する(第64段階)。
【0022】
第64段階後に、第1金属ライン16と第1層間絶縁膜14の上部に第1拡散防止膜32を形成する(第66段階)。第66段階後に、第1拡散防止膜32の上部に第1金属ライン16が露出するホールを有する第2層間絶縁膜18を形成する(第68段階)。
【0023】
第68段階後に、ホールの内部に第1コンタクト20及び第2金属ライン22を形成する(第70段階)。第1コンタクト20は第2層間絶縁膜18を貫通して第1金属ライン16と第2金属ライン22を連結する。
【0024】
第70段階後に、第2金属ライン22と第2層間絶縁膜18の上部に第2拡散防止膜34を形成する(第72段階)。第72段階後に、第2拡散防止膜34の上部に第2金属ライン22が露出するビアを有する第3層間絶縁膜24を形成する(第74段階)。第74段階後に、ビアの内部に第2コンタクト26を形成する(第76段階)。第76段階後に、第2コンタクト26の上部に第3拡散防止膜36を形成する(第78段階)。
【0025】
第78段階後に、第3拡散防止膜36の上部に第3金属ライン28と第4層間絶縁膜30を形成する(第80段階)。第3層間絶縁膜24を貫通する第2コンタクト26を通じて第2金属ライン22と連結される第3金属ライン28が連結されている。
【0026】
本実施例の場合、図2に図示されたNORフラッシュデバイスのBEOLで、第1金属ライン16、第1コンタクト20、第2金属ライン22及び第2コンタクト26のうちで少なくとも一つは銅(Cu)で具現されることができる。例えば、電気メッキ法、CVD(Chemical Vapor Deposition)またはPVD(Physical Vapor Deposition)などの金属蒸着法を通じて銅膜を形成して、形成された銅膜を化学機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)工程などで研磨して該当する部分16、20、22、26が得られる。前述したように、金属ライン16及び22とコンタクト20及び26が銅である場合、これらはシングル(single)ダマシン(Damascene)またはデュアル(dual)ダマシン工程を通じて形成されることができる。この場合、第68段階で形成される第2層間絶縁膜18のホールはダマシンホールを意味する。
【0027】
例えば、第1コンタクト20及び第2金属ライン22は、ダマシン工程特に、デュアルダマシン工程によって形成されることができる。すなわち、第1拡散防止膜32の上部に第2層間絶縁膜18のための物質層を配置した後、感光膜パターンを利用したパターニングによって物質層を蝕刻してダマシンホールを生成して、生成されたダマシンホールの内壁に拡散防止膜(図示せず)などを形成した後、内壁の拡散防止膜の上部及びダマシンホールの前面に銅を蒸着した後CMP工程によって第2コンタクト20及び第2金属ライン22を形成することができる。図2の場合、低誘電物質と銅を利用して3層の金属ラインをダマシン工程によって製作したBEOL構造である。
【0028】
図2に図示された各コンタクト20及び26と金属ラインら16及び22が銅で具現される場合、隣接した層間絶縁膜に銅が拡散することを防止するために拡散防止膜が設けられることができる。図2に図示された第1、第2及び第3拡散防止膜ら32、34及び36を含めて、図2に詳細に図示されなかったが、銅と層間絶縁膜の間には銅の拡散を防止するための多数の拡散防止膜(図示せず)らが設けられることができる。拡散防止膜はPVD法、CVD法またはALD(Atomic Layer Deposition)法によって蒸着されることができるし、その物質としてTaN、Ta、TaN/Ta、TiSiN、WN、TiZrN、TiNまたはTi/TiNなどがある。
【0029】
もしも、第1金属ライン16が銅である場合、第1拡散防止膜32は第1金属ライン16の銅が第2層間絶縁膜18で拡散することを防止する役割をする。また、第2金属ライン22が銅である場合、第2拡散防止膜34は第2金属ライン22の銅が第3層間絶縁膜24で拡散することを防止する役割をする。第3金属ライン28は銅だけでなく、アルミニウム(Al)に具現されることができる。しかし、第2コンタクト26が銅であるので、第3拡散防止膜36は第2コンタクト26の銅が第3金属ライン28で拡散することを防止する役割をする。
【0030】
NORフラッシュデバイスは、後続のアニーリング(annealing)時間が長いから、後続の熱工程が進められた場合、第3拡散防止膜36の厚さが薄いとき、アルミニウムの第3金属ライン28に銅が拡散することがある。このように銅が拡散する場合、後続するポンディング(bonding)やパッケージ(Package)で問題が発生することがある。これを防止するために、TiSiNで具現されることができる第3拡散防止膜36の厚さを厚く形成することができる。第3拡散防止膜36の厚さは2X15Å〜4X100Åで具現することができるし、望ましくは4X50Åで形成することができる。厚さの表現で、Xの前部分は層数を示して、Xの後部分は各層の厚さを示す。例えば、4X50Åは4層構造であり、各層の厚さは50Åであることを意味する。
【0031】
一方、第1ないし第4層絶縁膜ら14、18、24及び30は、低誘電(low-k dielectric)物質を含むことができる。例えば、第1、第2または第3層間絶縁膜14、18または24は低誘電物質層40、44または48及び低誘電物質層40、44または48の上部に形成されるTEOS酸化膜42、46または50が積層された構造を有することができる。付け加えると、第1層間絶縁膜14を形成するために、基板10上に低誘電物質層40を形成する。低誘電物質層40を形成した後、低誘電物質層40の上部にTEOS酸化膜42を形成する。これと類似に、第2層間絶縁膜18を形成するために、第1拡散防止膜32の上部に低誘電物質層44を形成する。低誘電物質層44の上部にTEOS酸化膜46を形成する。また、第3層間絶縁膜24を形成するために、第2拡散防止膜34の上部に低誘電物質層48を形成する。低誘電物質層48の上部にTEOS酸化膜50を形成する。第4層間絶縁膜を形成するために、第3拡散防止膜36の上部に低誘電物質層30が形成されることができる。
【0032】
低誘電物質層40、44、48及び30として、Low-k(k=3.0)を有するブラックダイヤモンド(BD:Black Diamond)フィルムが使用されることができるし、拡散防止膜(32、34及び36)として、ブロック(Block)フィルムが使用されることができる。図2に図示されたBEOLでパッド(PAD)部分にアルミニウムを使用することができる。
【0033】
図2に図示された各層間絶縁膜14、18、24の場合、低誘電物質層40、44及び48とTEOS酸化膜42、46及び50が二重で積層された構造を見せている。しかし、本発明はこれに限らないで各層間絶縁膜14、18、24は単一層の構造または三つ以上の層らが積層された構造を有することもできる。
【0034】
以下、NORフラッシュデバイスで、従来のBEOLの構造に備えて本発明によるBEOL構造が有する効果及び本発明によるBEOL構造で各領域の特性を添付された図面らを参照して次のように説明する。
【0035】
図4は、シミュレーションの概略図を示す図面である。
【0036】
まず、アルミニウムとFSG(Fluorinated Silicate Glass)を利用したスタック(stack)と銅と低誘電物質(以下、'Low-k'と称する。)を使用したスタックの時定数の遅延をHSPICE(Y−2006.09)とRaphael(Z−2006.12−SP1)装置を利用して図4に図示されたところのように概略的にシミュレーションする。また、90nmのBEOL工程のパターニング工程のうち、基板10の導電領域12と第1金属ライン16のためのパターニング工程は、既存の248nm波長のKrF(Krypton Fluoride)よりさらに短い193nm波長を有するArF(Argon Fluoride)を光源(light source)にするNikon会社の306C ArFフォトリソグラフィー装置を使用してセットアップされる。本実施例のBEOL構造で、層間絶縁膜のための低誘電物質を蒸着するために、AMAT会社から得られる生産装置を利用して、low-k IMDとしてBDフィルムを使用して、拡散防止膜としてはブロック(Block)フィルムを使用する。付け加えて、本実施例の層間絶縁膜は多孔性(Porous)低誘電物質によって蒸着されて、CMP工程によって研磨されて、アッシングされる。また、金属抵抗(METAL resistance)、接触抵抗(contact resistance)、オープン及び短絡(open and short)のような電気的特徴は、オート(auto)電気的データ測定装置を利用して測定する。また、TEM(Transmission Electro Microscope)とSEM(Scanning Electro Microscope)を利用して銅とLow-kの集積プロファイルを分析する。
【0037】
さらに、前述した銅拡散及びその解決のための様子を見せるために次のような条件を付与する。拡散防止膜の役割をするTiSiN膜は、ウェハーの基板温度が約350℃の状態でTetrakis-dimethyl-amino-titaniume(TDMAT)のようなプリカーサー(precursor)の熱的分解によって蒸着される。
【0038】
まず、ブランケット(Blanket)ウェハーテストのために、P型ウェハーの上に熱的に形成されたオキサイド(Ox)を1000Åまで積層した後、TiSiNの拡散防止膜の特性を比較判断するために、TaN(150Å)/Ta(150Å)/Seed Cu(3000Å)/TiSiN(2X50)/Al(7000Å)まで積層して形成する。以後、AMAT会社の生産装置のアニーリングシステムを利用して温度による銅拡散をAES(Auge Electro Microscope)と光学映像装置を利用して測定する。
【0039】
次に、パターンを有するウェハーのテストのために、実際の90nmNORフラッシュの第2コンタクト26から最後のUV消去まで進行してパターンを生成する。最適な第3金属ライン28のために、TiSiN(2X50X2)/Ti(40Å)/Al(7000Å)/In-situ Ti/TiN(460Å)を蒸着する。銅拡散の様子を検査するために光学映像装置でパッドを確認して、断面映像を確認するためにSEMで第2コンタクト26のビア(via)ボイド(void)を確認する。後続のオート電気的データ測定装置を通じて第2コンタクト26の接触抵抗を測定する。
【0040】
従来と本実施例を比較し、前述した条件下における本実施例の各特性を詳細に説明する。
【0041】
図5は、従来の一般的なNORフラッシュデバイスのBEOL構造図である。
【0042】
図5を参照すると、基板90のコンタクト92の上部に第1金属ライン94が連結されて、第1金属ライン94は、コンタクト100を通じて第2金属ライン102と連結されて、第2金属ライン102は、コンタクト104を通じて第3金属ライン112と連結される。各金属ラインらの間には層間絶縁膜96、98、106、108及び110が設けられている。図5に図示されたBEOLで、各配線94、102及び112の物質はアルミニウムであり、層間絶縁膜96及び106はUSG(Un-doped Silicate Glass)であり、層間絶縁膜98及び108はoxide-TEOSである。図5の場合、パッド部分にはアルミニウムを使用する。
【0043】
90nmNORフラッシュデバイスで、図5に図示されたようにAlとUSGを利用する場合のRC遅延値をシミュレーションした結果と、図2に図示されたように銅とLow-kを利用した場合のRC遅延値をシミュレーションした結果は次の表1のようである。
【0044】
【表1】

【0045】
ここで、METAL1は第1金属ライン16及び94を意味して、METAL2は第2金属ライン22及び102を意味する。表1から分かるように、METAL1ではlow-kとCuを利用しながら約10%のRC遅延の利得を得ることができるし、METAL2では約40%程度の利得を得ることができる。
【0046】
図6(a)及び(b)は、SEM及びTEMによってそれぞれ得られた導電領域12と第1金属ライン16の断面映像を示す。
【0047】
エッチング、アッシング、クリーニングされたトレンチが明示されており、CMPまで終わった第1金属ライン16のプロファイルの横断面をSEMとTEMでそれぞれ撮影された図6(a)及び(b)に図示された映像を見ると、low-kを使うことで発生するトレンチのオキシジェンプラズマ損傷(Oxygen plasma damage)や、湿式ストリップ(wet strip)によるLow-k物質の縮小(shrinkage)や反り(bowing)現象が発生しないことが分かる。また、実際の第1金属ライン16の深さは220nmになることができる。
【0048】
図7(a)及び(b)は、導電領域12と第1金属ライン16の間の抵抗と確率の関係を示すグラフである。
【0049】
具体的に、図7(a)は活性領域(AA:Active Area)上で導電領域12の線幅が0.118μm及び0.130μmである場合にチェーン(Chain)接触抵抗(Rc:Contact resistance)を示すグラフであり、横軸はChain接触抵抗(Chain Rc)を示して、縦軸は確率を示す。図7(b)は、第1金属ライン16の線幅が0.107μm、0.120μm及び0.132μmである場合に、第1金属ライン16の面抵抗(Rs:sheet resistance)を累積確率(cumulative probability)として示したグラフである。ここで、横軸は面抵抗(Rs)を示し、縦軸は確率を示す。
【0050】
図7(a)で導電領域12の線幅が0.130μmである時に導電領域12の接触抵抗は20ohm/CCよりすこし低いが、何の問題も起こさない。図7(b)で、第1金属ライン16も0.120μmの線幅で何の問題も起こさない。
【0051】
図8(a)及び(b)は、第1金属ライン16のオープン特性と短絡特性をそれぞれ示すグラフであり、横軸は第1金属ライン16の幅(width)/スペース(space)の割合を示す。
【0052】
図8(a)及び(b)を通じて90nmで最も脆弱な0.200μmピッチ(pitch)に対する第1金属ライン16のオープンと短絡特性が分かる。第1金属ライン16の線幅を0.094μmまで減らしても、オープンに異常がないことを図8(a)から確認することができる。ここで、オープンに異常がないということは、線幅が小さくて線幅がはっきり(define)していないか、または破断(breaking)現象がないということを意味する。短絡に対する観点でも、0.106μmまで第1金属ライン16の線幅を増加させても漏洩電流(leakage current)が2pA以下であるので、短絡が発生しないことが分かる。
【0053】
図9はSEMによって得られた第1コンタクト20と第2金属ライン22の断面を示す映像である。
【0054】
図9は、第1層間絶縁膜14としてLow-k(k=3)物質層40とキャッピング(capping)TEOS42を蒸着した後、ダマシンパターンを作って、第1拡散防止膜32と銅を蒸着してECP(Electro Chemical Plating)でギャップフィル(gap fill)し、CMPを行うことで得られた第1コンタクト20と第2金属配線22の形状を示している。図9からlow-k物質の使用に起因する縮小と反り現象が発生しないことが分かる。第2金属ライン22の実際の深さ(depth)は254nmであり、第1コンタクト20の深さはおおよそ309nm程度である。
【0055】
図10(a)及び(b)は、第1コンタクト20及び第2金属ライン22の間の抵抗と確率の関係を示すグラフである。より具体的に、図10(a)は、第2金属ライン22の線幅が0.16μm、0.170μm及び0.180μmである場合の接触抵抗と確率との関係を示している。ここで、横軸はチェーンRcを示し、縦軸は確率を示す。図10(b)は、第2金属ライン22の線幅が0.155μm、0.170μm及び0.190μmである場合に、第2金属ライン22の面抵抗(Rs)と累積確率を示すグラフである。ここで、横軸は面抵抗を示し、縦軸は確率をそれぞれ示す。
【0056】
図10(a)を通じて第1コンタクト20の接触抵抗の分布が良好であることが分かり、図10(b)を通じて第2金属ライン22の抵抗特性が良好であることが分かる。
【0057】
図11(a)及び(b)は、TEMとSEMによってそれぞれ得られた第2コンタクト26と第3金属ライン28の断面映像である。
【0058】
図11(a)を通じて分かるように、low-kによる縮小と反り現象は発生していない。しかし、図11(b)に図示されたように第2コンタクト26の上部の一部にボイドが観察されることが分かる。
【0059】
図12(a)は、アルミニウムパッドの映像を示し、図12(b)は、第3金属ライン28に対するSEM映像を示し、図12(c)は、第3金属ライン28に対するAES映像を示す。
【0060】
第2コンタクト26にビアボイドが発生する場合、パッドの上部に銅が拡散して汚くなっていることが図12(a)に図示された光学映像で確認することができる。また、このような銅拡散が発生した部分をSEM及びAESで分析すると、実際に第3金属ライン28に銅成分が検出されることが図12(b)及び(c)を通じて分かる。このようなパッドへの銅拡散は後続のポンディングとパッケージに問題を起こすことがある。
【0061】
図13(a)及び(b)は、第2コンタクト26と第3金属ライン28の抵抗特性を説明するためのグラフである。
【0062】
図13(a)を通じて、第2コンタクト26の線幅が0.200μm、0.210μm及び0.220μmである場合に、第2コンタクト26の接触抵抗と確率との関係が分かる。図13(b)を通じて、第3金属ライン28の線幅が0.400μm、0.440μm及び0.480μmである場合に、第3金属ライン28の面抵抗と累積確率との関係が分かる。
【0063】
もしも、第3金属ライン28の下部にTi(110Å)/Al(7000Å)/in-sitTi/TiN(50Å/360Å)が積層された構造で、拡散防止膜として用いられるTiSiNの厚さが2X50Å程度に薄い場合、銅拡散を防止する役割が十分に果たされず、図11及び図12に図示されたように第3金属ライン28に銅が拡散することがある。
【0064】
図14(a)、(b)及び(c)は、アニーリング条件による銅拡散の様子を光学装置とSEMを通じて得た映像である。
【0065】
350℃、400℃、450℃のN雰囲気でアニーリング処理が30分間行われた場合、図14(a)、(b)及び(c)に図示されたような映像が得られる。350℃アニーリング処理をした場合、図14(a)に図示されたようにパッド部分(左側映像)もきれいであるだけでなく、フォーカスイオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)映像でパッドの断面(右側映像)を確認した結果、銅拡散が発生しないことが分かる。しかし、450℃でアニーリング処理した結果、図14(c)に図示されたように、パッドがかなり汚くて、アルミニウムパッド全体が銅に変わったことをFIBで確認することができる。したがって、アルミニウムパッドの銅拡散は後続の工程の熱処理に起因することが分かる。
【0066】
図15(a)及び(b)は、第3拡散防止膜36としてTiSiN(2X100)及びTiSiN(4X50)をそれぞれ使用する場合に得られたパッド(左側映像)と第3金属ライン28の断面映像(右側映像)である。
【0067】
第3拡散防止膜36として、TiSiN(2X100)とTiSiN(4X50)を使用して450℃で30分アニーリングした後、光学装置とFIBで確認した場合に、図15(a)及び(b)に図示された映像が得られる。TiSiN(2X100)を第3拡散防止膜36で使用する場合、図15(a)から分かるように、局所的に銅拡散する部分があることが分かる。しかし、TiSiN(4X50)を第3拡散防止膜36で使用する場合、図15(b)に図示されたように銅が拡散しないことが分かる。
【0068】
図16(a)及び(b)は、TiSiN(4X50)を第3拡散防止膜36として90nmNORフラッシュデバイスに実際に適用した場合における中央とエッジのFIB映像である。
【0069】
図16(a)及び(b)を通じて分かるように、第3拡散防止膜36としてTiSiN(2X50)を適用した時には見えた銅拡散が、TiSiN(4X50)を第3拡散防止膜36として適用したときにはどこにも見られないことが分かる。
【0070】
図17(a)及び(b)は、第3拡散防止膜36としてTiSiN(2X50)とTiSiN(4X50)を適用する時、単位ウェハーでフルポイント(full point)の接触抵抗(Rc)と面抵抗(Rs)のターゲットサイズ(target size)で電気的にデータを測定した結果である。
【0071】
図17(a)は、第2コンタクト26の線幅が0.210μmである場合に各拡散防止膜の種類別抵抗特性を示す図であり、図17(b)は、第3金属ライン28の線幅が0.44μmである場合に各拡散防止膜の種類別抵抗特性を示す図である。
【0072】
図17(a)を参照すると、Rcの観点でTiSiNの厚さが上がって接触抵抗は増加するが、問題にならない程度であることが分かる。図17(b)を参照すると、面抵抗の観点でもTiSiN(2X50)とTiSiN(4X50)に大きな差がないことが分かる。
【0073】
以上のように、図2に図示されたようにCu/low-kを使用したほうが、図5に図示されたようにAl/USGを使用した時よりも、約40%以上RC遅延が良好であることが分かる。また、導電領域12から第2コンタクト26までの接触抵抗と、第1金属ライン16から第3金属ライン28までの面抵抗特性も優秀であることが分かる。90nm工程の最も脆弱な部分である第1金属ライン16でのオープンと短絡も問題がないことが分かる。low-kを使用する場合に発生するトレンチ上のオキシジェンプラズマ損傷や湿式ストリップによるlow-k物質の縮小や反り現象が発生しないことがSEMとTEMによって得られた映像から分かる。
【0074】
しかし、Cu/Low-kBEOL工程でAlとUSGを使いながら発生しなかったパッド側への銅の拡散が、後続の工程の熱処理によって発生することがあることが分かる。しかし、TiSiN(4X50)を第3拡散防止膜36で使用するので、第3金属ライン28への銅拡散が防止できることがSEM映像から分かる。
【0075】
以上、前述した本発明の望ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものである。よって、当業者なら特許請求範囲に開示された本発明の技術的思想とその技術的範囲内で、開示された実施例の改良、変更、代替または付加などで多様な他の実施例を作ることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0076】
【図1】物質の種類による遅延時間の関係を示すグラフである。
【図2】本発明の実施例によるNORフラッシュデバイスでバックエンドオブライン構造を示す図面である。
【図3】本発明の実施例によるNORフラッシュデバイスの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図4】シミュレーションの概略図を示す図面である。
【図5】従来の一般的なNORフラッシュデバイスのBEOL構造図である。
【図6】(a)及び(b)は、SEM及びTEMによってそれぞれ得られた導電領域と第1金属ラインの断面映像をそれぞれ示す。
【図7】(a)及び(b)は、導電領域と第1金属ラインの抵抗と確率との関係を示すグラフである。
【図8】(a)及び(b)は、第1金属ラインのオープン特性と短絡特性をそれぞれ示すグラフである。
【図9】SEMによって得られた第1コンタクトと第2金属ラインの断面を示す映像である。
【図10】(a)及び(b)は、第1コンタクト及び第2金属ラインの間の抵抗と確率との関係を示すグラフである。
【図11】(a)及び(b)は、TEMとSEMによってそれぞれ得られた第2コンタクトと第3金属ラインの断面映像である。
【図12】(a)は、アルミニウムパッドの映像を示し、(b)は第3金属ラインに対するSEM映像を示し、(c)は第3金属ラインに対するAES映像を示す。
【図13】(a)及び(b)は、第2コンタクトと第3金属ラインの抵抗特性を説明するためのグラフである。
【図14】(a)、(b)及び(c)は、アニーリング条件による銅拡散の様子を光学装置とSEMを通じて得られた映像である。
【図15】(a)及び(b)は、第3拡散防止膜としてTiSiN(2X100)及びTiSiN(4X50)をそれぞれ使用する場合に、得られたパッドと第3金属ラインの断面映像である。
【図16】(a)及び(b)は、TiSiN(4X50)を第3拡散防止膜として90nmNORフラッシュデバイスに実際に適用した場合における中央とエッジのFIB映像である。
【図17】(a)及び(b)は、第3拡散防止膜としてTiSiN(2X50)とTiSiN(4X50)を適用する時、単位ウェハーでフルポイントの接触抵抗と面抵抗のターゲットサイズで電気的にデータを測定した結果である。
【符号の説明】
【0077】
10 基板、 12 導電領域、 14 第1層間絶縁膜、 16 第1金属ライン、 18 第2層間絶縁膜、 20 第1コンタクト、 22 第2金属ライン、 24 第3層間絶縁膜、 26 第2コンタクト、 28 第3金属ライン、 30 第4層間絶縁膜、 32 第1拡散防止膜、 34 第2拡散防止膜、 36 第3拡散防止膜、 90 基板、 92 コンタクト、 94 第1金属ライン、 96 層間絶縁膜、 98 層間絶縁膜、 102 第2金属ライン。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
バックエンドオブライン(BEOL)構造を有するNORフラッシュデバイスにおいて、
前記BEOL構造は、
導電領域を有する基板と、
前記基板上に形成された第1層間絶縁膜と、
前記導電領域に形成される第1金属ラインと、
前記第1金属ラインと前記第1層間絶縁膜を覆う第2層間絶縁膜と、
前記第2層間絶縁膜を貫通する第1コンタクトと、及び、
前記第1コンタクトを通じて前記第1金属ラインと連結される第2金属ラインを具備して、
前記第1コンタクト、前記第1及び前記第2金属ラインのうちで少なくとも一つは銅であり、前記第1及び前記第2層間絶縁膜のうち少なくとも一つは低誘電物質を含むことを特徴とするNORフラッシュデバイス。
【請求項2】
前記NORフラッシュデバイスは、
前記第2金属ラインと前記第2層間絶縁膜を覆う第3層間絶縁膜と、
前記第3層間絶縁膜を貫通する第2コンタクトと、及び、
前記第2コンタクトを通じて前記第2金属ラインと連結される第3金属ラインをさらに具備して、
前記第2コンタクトは前記銅であり、前記第3層間絶縁膜は低誘電物質を含むことを特徴とする請求項1に記載のNORフラッシュデバイス。
【請求項3】
前記第3金属ラインは、銅またはアルミニウムであることを特徴とする請求項2に記載のNORフラッシュデバイス。
【請求項4】
前記NORフラッシュデバイスは、
前記第1金属ラインと前記第2層間絶縁膜との間に形成される第1拡散防止膜と、及び、
前記第2金属ラインと前記第3層間絶縁膜との間に形成される第2拡散防止膜と、をさらに具備することを特徴とする請求項2に記載のNORフラッシュデバイス。
【請求項5】
前記第3拡散防止膜は、2X15Å〜4X100Åの厚さを有するTiSiNであることを特徴とする請求項4に記載のNORフラッシュデバイス。
【請求項6】
前記第1ないし前記第2層間絶縁膜のうちで少なくとも一つは、
低誘電物質層と、及び
前記低誘電物質層の上部に形成されるTEOS酸化膜と、を具備することを特徴とする請求項1に記載のNORフラッシュデバイス。
【請求項7】
前記第3層間絶縁膜は、
低誘電物質層と、及び
前記低誘電物質層の上部に形成されるTEOS酸化膜を具備することを特徴とする請求項2に記載のNORフラッシュデバイス。
【請求項8】
バックエンドオブライン(BEOL)構造を有するNORフラッシュデバイスの製造方法において、
基板の内部に導電領域を形成する段階と、
前記基板上に前記導電領域が露出するトレンチを有する第1層間絶縁膜を形成する段階と、
前記トレンチの内部に第1金属ラインを形成する段階と、
前記第1金属ライン及び前記第1層間絶縁膜の上部に前記第1金属ラインが露出するホールを有する第2層間絶縁膜を形成する段階と、及び、
前記ホールの内部に第1コンタクト及び第2金属ラインを形成する段階と、を具備して、
前記第1コンタクト、前記第1及び前記第2金属ラインのうちで少なくとも一つは銅であり、前記第1及び前記第2層間絶縁膜のうち少なくとも一つは低誘電物質を含むことを特徴とするNORフラッシュデバイスの製造方法。
【請求項9】
前記第1コンタクト及び前記第2金属ラインはダマシン工程によって形成されることを特徴とする請求項8に記載のNORフラッシュデバイスの製造方法。
【請求項10】
前記NORフラッシュデバイスの製造方法は、
前記第2金属ラインと前記第2層間絶縁膜の上部に前記第2金属ラインが露出するビアを有する第3層間絶縁膜を形成する段階と、
前記ビアの内部に第2コンタクトを形成する段階と、及び、
前記第2コンタクトと連結される第3金属ラインを形成する段階と、をさらに具備して、
前記第2コンタクトは前記銅であり、前記第3層間絶縁膜は低誘電物質を含むことを特徴とする請求項8に記載のNORフラッシュデバイスの製造方法。
【請求項11】
前記NORフラッシュデバイスの製造方法は、
前記第1金属ラインと前記第1層間絶縁膜の上部に第1拡散防止膜を形成する段階と、
前記第2金属ラインと前記第2層間絶縁膜の上部に第2拡散防止膜を形成する段階と、及び、
前記第2コンタクトの上部に第3拡散防止膜を形成する段階をさらに具備して、
前記第2層間絶縁膜は前記第1拡散防止膜の上部に形成されて、前記第3層間絶縁膜は前記第2拡散防止膜の上部に形成されて、前記第3金属ラインは前記第3拡散防止膜の上部に形成されることを特徴とする請求項10に記載のNORフラッシュデバイスの製造方法。
【請求項12】
前記第3拡散防止膜は、2X15Å〜4X100Åの厚さを有するTiSiNであることを特徴とする請求項11に記載のNORフラッシュデバイスの製造方法。
【請求項13】
前記第1層間絶縁膜を形成する段階は、
前記基板上に低誘電物質層を形成する段階と、及び、
前記低誘電物質層の上部にTEOS酸化膜を形成する段階と、を具備することを特徴とする請求項8に記載のNORフラッシュデバイスの製造方法。
【請求項14】
前記第2層間絶縁膜を形成する段階は、
前記第1金属ライン及び前記第1層間絶縁膜の上部に低誘電物質層を形成する段階と、及び、
前記低誘電物質層の上部にTEOS酸化膜を形成する段階と、を具備することを特徴とする請求項8に記載のNORフラッシュデバイスの製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図7】
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【図8】
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【図10】
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【図13】
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【図17】
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【図6】
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【図9】
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【図11】
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【図12】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【公開番号】特開2009−10386(P2009−10386A)
【公開日】平成21年1月15日(2009.1.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−167850(P2008−167850)
【出願日】平成20年6月26日(2008.6.26)
【出願人】(507246796)ドンブ ハイテック カンパニー リミテッド (189)
【Fターム(参考)】