KR0161889B1 - Formation method of wiring in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체장치의 배선 형성방법에 관한 것으로, 종횡비가 큰 콘택내에 MOCVD법에 의해 장벽금속을 증착하기 위한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a wiring in a semiconductor device, and to deposit a barrier metal in a contact having a high aspect ratio by MOCVD.
본 발명은 기판상에 유기계 소오스를 이용한 화학기상증착방법에 의해 TiN막을 증착하는 단계와, 상기 TiN막을 수소 처리하는 단계, 및 상기 TiN막 상부에 배선 형성을 위한 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체장치의 배선 형성방법을 제공한다.The present invention includes depositing a TiN film by a chemical vapor deposition method using an organic source on a substrate, hydrogenating the TiN film, and forming a conductive layer on the TiN film to form a wiring. A wiring forming method of a semiconductor device is provided.
Description
제1도는 TiN막 형성을 위한 유기계 소오스의 화학식을 나타낸 도면.1 is a diagram showing the chemical formula of an organic source for forming a TiN film.
제2도는 종래의 TiN을 장벽금속으로 사용한 배선 공정을 도시한 공정순서도.2 is a process flowchart showing a wiring process using a conventional TiN as a barrier metal.
제3도는 본 발명의 일실시예에 의한 반도체장치의 배선 형성방법을 도시한 공정순서도.3 is a process flowchart showing a wiring forming method of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
제4도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반도체장치의 배선 형성방법을 도시한 공정 순서도.4 is a process flowchart showing a wiring formation method of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 기판 11 : 불순물 접합영역10 substrate 11 impurity junction region
12 : 절연층 13 : 콘택홀12 Insulation layer 13 Contact hole
14,14A : TiN막 15 : Al14,14A: TiN film 15: Al
본 발명은 반도체장치의 배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 종횡비(aspectratio)가 큰 콘택(contact)내에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 장벽금속(barrier metal)을 증착하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming wirings in semiconductor devices, and more particularly, to a technique for depositing a barrier metal by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method in a contact having a high aspect ratio.
반도체소자의 제조에 있어서 배선 용도로 쓰이는 Al과 W, Cu등은 고온에서 기판으로 사용되는 Si등과 반응하여 실리사이드(silicide)를 형성하거나 다량의 Si을 함유함으로써 실리콘 기판에 형성된 접합영역(junction)을 파괴하기도 한다. 따라서 이들이 기판과 반응하는 것을 방지하기 위해 기판과 배선 금속사이에 장벽금속이라는 금속층을 형성하는데, 이러한 용도로 사용되는 금속물질로는 TiN, TiW, W등이 있다.Al, W, Cu, etc., which are used for wiring in the manufacture of semiconductor devices, form a silicide by reacting with Si, which is used as a substrate at a high temperature, or contain a large amount of Si to form a junction region formed on a silicon substrate. It can be destroyed. Accordingly, in order to prevent them from reacting with the substrate, a metal layer called a barrier metal is formed between the substrate and the wiring metal. Examples of metal materials used for this purpose include TiN, TiW, and W.
한편, 소자의 집적도가 증가함에 따라 콘택의 높이는 높아지고 크기는 작아져, 즉, 종횡비가 커져 기존의 금속 증착방법인 스퍼터링(sputtering)에 의해서는 콘택홀의 하부에 충분한 양의 장벽금속의 증착이 어려워지게 되었다. 이에 따라 최근에는 CVD방법에 의해 TiN 박막을 증착하는 기술이 개발되었는데, 이때 CVD 소오스(source)로서 많이 사용되는 것으로는 무기계(inorganic)의 TiCl4와 유기계(organic)의 TDEAT(Tetrakisdiethylamintitanium), TDMAT(Tetrakisdimethylamintitanium)이 있다. 이중에서 무기계 소오스인 TiCl4가스를 사용하는 경우에는 600℃이상의 고온이 필요하며, TiN박막을 형성했을때 막중에 Cl이 함유되어 후에 증착되는 Al과의 반응에 의해 금속 배선의 신뢰성을 저하시키는 문제가 있어 유기계를 사용하려는 경향이 있다. 그러나 유기계의 소오스를 사용하는 경우에는 제1도에 도시된 바와 같이 소오스내에 함유되어 있는 탄소성분이 쉽게 막내에 함유되어 TiN막의 저항을 증가시키고, TiN과 Si사이에 증착되어 Ti의 막내로도 확산되어 배선의 콘택저항을 증가시키는 악영향을 끼친다. TiN막내에 탄소성분이 함유되는 경우에는 후 공정의 공정여유도 까지도 감소시키게 되는데, 일례로 Al을 증착한 후, 고온에서 Al을 플로잉(flowing)시켜 콘택홀을 매립하는 Al 평탄화(planarization)공정을 탄소가 함유된 TiN위에서 실시할 경우, TiN막내의 탄소가 Al과 반응하여 그 유동성을 저하시켜 Al이 콘택홀을 매립하지 못하도록 하는 부작용이 일어난다.On the other hand, as the degree of integration of the device increases, the height of the contact increases and the size decreases, that is, the aspect ratio increases, making it difficult to deposit a sufficient amount of barrier metal under the contact hole by sputtering, which is a conventional metal deposition method. It became. Recently, a technique for depositing a TiN thin film by a CVD method has been developed. In this case, TiCl 4, an organic type, TDEAT (Tetrakisdiethylamintitanium) and an organic type, TDEAT (Tetrakisdimethylamintitanium), are widely used as a CVD source. There is). In the case of using TiCl4 gas, which is an inorganic source, a high temperature of 600 ° C. or higher is required, and when the TiN thin film is formed, Cl is contained in the film, thereby degrading the reliability of the metal wiring by reaction with Al deposited later. There is a tendency to use organic systems. However, in the case of using an organic source, as shown in FIG. 1, the carbon component contained in the source is easily contained in the film to increase the resistance of the TiN film, and is deposited between TiN and Si to diffuse into the Ti film. This has the adverse effect of increasing the contact resistance of the wiring. When the carbon component is contained in the TiN film, the process margin of the subsequent process is also reduced. For example, an Al planarization process in which Al is deposited and an Al is flowed at a high temperature to fill a contact hole is filled. When is carried out on TiN containing carbon, side effects occur in that the carbon in the TiN film reacts with Al, lowering its fluidity and preventing Al from filling a contact hole.
TiN막내의 이러한 탄소를 제거할 목적으로 유기계 소오스를 사용하여 TiN를 증착하는 공정중 NH3를 같이 포함시켜 유기계 소오스내의 탄소가 수소와의 화합물 형태로 제거되도록 하기도 한다. 그러나 이 경우, 기판이 아닌 가스상태에서 유기계 소오스와 NH3가 격렬하게 반응함으로써 기판에 형성된 콘택홀내의 TiN막의 피복성(step coverage)을 감소시키는 역할을 하게 된다.In order to remove such carbon in the TiN film, NH 3 may be included in the process of depositing TiN using an organic source to remove carbon in the organic source in the form of a compound with hydrogen. In this case, however, the organic source reacts violently with NH 3 in the gas state instead of the substrate, thereby reducing the step coverage of the TiN film in the contact hole formed in the substrate.
종래 MOCVD방법에 의해 유기계 소오스를 이용하여 TiN 장벽금속층을 콘택홀내에 형성하는 방법을 제2도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 2, a method of forming a TiN barrier metal layer in a contact hole using an organic source by a conventional MOCVD method is as follows.
먼저, 제2도(a)에 도시된 바와 같이 도전층, 예컨대 불순물 접합영역(2)이 형성된 기판(1)상에 절연층(3)을 형성하고, 이 절연층(3)을 선택적으로 식각하여 상기 불순물 접합영역(2)을 노출시키는 콘택홀(4)을 형성한다.First, as illustrated in FIG. 2A, an insulating layer 3 is formed on a substrate 1 on which a conductive layer, for example, an impurity junction region 2 is formed, and the insulating layer 3 is selectively etched. As a result, a contact hole 4 exposing the impurity junction region 2 is formed.
이어서 제2도(b)와 같이 상기 콘택홀 내부를 포함한 절연층(3) 전면에 TDMAT 소오스를 이용한 MOCVD방법에 의해 장벽금속층으로서, TiN막(5)을 100-200Å 정도의 두께로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2 (b), the TiN film 5 is formed to a thickness of about 100-200 으로서 as a barrier metal layer by the MOCVD method using a TDMAT source on the entire surface of the insulating layer 3 including the inside of the contact hole.
다음에 제2도(c)와 같이 상기 TiN막(5)을 강화시키기 위해 급속 열처리장치를 사용하여 암모니아(NH3) 분위기에서 열처리를 행하여 강화된 TiN막(6)으로 만든다.Next, as shown in FIG. 2 (c), a heat treatment is performed in an ammonia (NH 3) atmosphere by using a rapid heat treatment apparatus to strengthen the TiN film 5 to form a reinforced TiN film 6.
이어서 제2도(d)와 같이 Al 플로잉 공정을 행하여 상기 콘택홀을 Al(7)으로 매립한 후, 제2도(e)와 같이 상기 Al(7) 및 TiN막을 소정의 배선패턴으로 패터닝하여 배선을 형성한다.Subsequently, an Al-flowing process is performed as shown in FIG. 2 (d) to fill the contact hole with Al (7). Then, as shown in FIG. 2 (e), the Al (7) and TiN films are patterned with a predetermined wiring pattern. To form wiring.
상기와 같이 MOCVD방법으로 형성한 TiN막은 불안정하기 때문에 급속 열처리를 행하여 강화시키는데, 이때 급속 열처리를 위해 대기중에 노출될 경우 급격히 대기중의 산소와 TiN막이 반응하여 저항값이 증가되고, 박막내에 탄소 불순물 함량이 높아지며, 박막 조직이 치밀하지 못하게 되어 Al 플로잉에 대한 장벽금속층의 역할을 충실히 행하지 못하게 된다.As described above, the TiN film formed by the MOCVD method is unstable and is strengthened by rapid heat treatment. When exposed to the air for rapid heat treatment, oxygen and the TiN film in the atmosphere rapidly react to increase the resistance value, and the carbon impurities in the thin film. The content becomes high, and the thin film structure becomes dense so that the role of the barrier metal layer for Al flow cannot be faithfully performed.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 고집적 반도체 소자의 배선공정에 적합한 장벽금속층 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide a method for forming a barrier metal layer suitable for a wiring process of a highly integrated semiconductor device.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체장치의 배선 형성방법은 기판상에 유기계 소오스를 이용한 화학기상증착방법에 의해 TiN막을 증착하는 단계와, 상기 TiN막을 수소 처리하는 단계, 및 상기 TiN막 상부에 배선 형성을 위한 도전층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, a method of forming a wiring of a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of depositing a TiN film by a chemical vapor deposition method using an organic source on a substrate, hydrotreating the TiN film, and on the TiN film. And forming a conductive layer for wiring formation.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배선 형성방법은 기판상에 유기계 소오스를 이용한 화학기상증착방법에 의해 TiN막을 증착하고 연속적으로 질소 플라즈마 처리를 행하는 단계와, 상기 TiN막 상부에 배선 형성을 위한 도전층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.The wiring forming method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of depositing a TiN film by a chemical vapor deposition method using an organic source on a substrate and subsequently performing nitrogen plasma treatment, and conducting a wire formation on the TiN film. Forming a layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
제3도에 본 발명의 제1실시예에 의한 반도체장치의 배선 형성방법을 공정순서에 따라 도시하였다.3 shows a wiring forming method of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention according to the process sequence.
먼저, 제3도(a)에 도시된 바와 같이 하부도전층, 예컨대 불순물 접합영역(11)이 형성된 기판(10)상에 절연층(12)을 형성하고, 이 절연층(12)을 선택적으로 식각하여 상기 불순물 접합영역(11)을 노출시키는 콘택홀(13)을 형성한다.First, as shown in FIG. 3A, an insulating layer 12 is formed on a substrate 10 on which a lower conductive layer, for example, an impurity junction region 11 is formed, and the insulating layer 12 is selectively formed. Etching is performed to form contact holes 13 exposing the impurity junction region 11.
이어서 제3도(b)와 같이 상기 콘택홀 내부를 포함한 절연층(12) 전면에 200-500℃의 온도, 0.5-20Torr의 압력하에서 TDMAT 또는 TDEAT소오스를 챔버내에 유입시켜 MOCVD방법에 의해 장벽금속인 TiN막(14)을 100-200Å 두께로 형성한다. 이때, TDMAT, TDEAT소오스내의 탄소성분으로 인해 TiN막내에 탄소가 포함되게 된다. 이어서 수소를 포함한 가스를 챔버내에 유입시키면서 RF파워 또는 DC파워 바이어스등을 가하여 수소 플라즈마를 형성시켜 활성화된 수소이온이 TiN막내의 탄소성분과 반응하여 CH4, C2H6등과 같은 수소 화합물을 형성하도록 함으로써 TiN막내의 탄소성분을 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 3 (b), the TDMAT or TDEAT source is introduced into the chamber at a temperature of 200-500 ° C. and a pressure of 0.5-20 Torr on the entire surface of the insulating layer 12 including the inside of the contact hole. Phosphorus TiN film 14 was formed to a thickness of 100-200 mm 3. At this time, carbon is contained in the TiN film due to the carbon component in the TDMAT and TDEAT sources. Subsequently, a gas containing hydrogen is introduced into the chamber while applying a RF power or DC power bias to form a hydrogen plasma so that the activated hydrogen ions react with the carbon components in the TiN film to form hydrogen compounds such as CH 4, C 2 H 6, and the like. Carbon component of is removed.
다음에 제3도(c)와 같이 Al 플로잉 공정을 행하여 기판 전면에 Al(15)을 증착하여 콘택홀을 매립한 후, 제3도(d)와 같이 상기 Al층(15) 및 TiN막(14)을 소정 패턴으로 패터닝하여 상부도전층을 형성하여 상기 콘택홀을 통해 하부도전층(11)과 접속되도록 함으로써 배선공정을 완료한다.Next, an Al-flowing process is performed as shown in FIG. 3 (c) to deposit Al (15) on the entire surface of the substrate to fill the contact holes, and as shown in FIG. 3 (d), the Al layer 15 and the TiN film. The upper conductive layer is formed by patterning 14 in a predetermined pattern so as to be connected to the lower conductive layer 11 through the contact hole, thereby completing the wiring process.
이상과 같이 본 발명은 종래 기술과 동일하게 MOCVD방법에 의해 장벽금속을 증착하므로 종래와 동일한 단차 피복성을 얻을 수 있으며, 수소 처리에 의해 장벽금속내의 탄소를 효과적으로 제거할 수 있다.As described above, in the present invention, since the barrier metal is deposited by the MOCVD method in the same manner as in the prior art, the same step coverage as in the prior art can be obtained, and the carbon in the barrier metal can be effectively removed by hydrogen treatment.
다음에 본 발명의 제2실시예를 설명한다.Next, a second embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 제2실시예에 의한 장벽금속층 형성방법은 상기 제1실시예와 동일한 공정에 의해 TiN막을 형성한 후, TiN막을 400℃이상의 고온으로 유지하면서 NH3 또는 H2와 같은 수소가 함유된 가스를 챔버내로 유입시켜 TiN막내의 탄소가 수소와 반응하도록 화합물을 형성하도록 함으로써 막내의 탄소를 제거한다.In the method for forming a barrier metal layer according to the second embodiment of the present invention, after the TiN film is formed by the same process as in the first embodiment, a gas containing hydrogen such as NH 3 or H 2 is maintained while maintaining the TiN film at a high temperature of 400 ° C. or higher. The carbon in the film is removed by flowing into the chamber to form a compound such that the carbon in the TiN film reacts with hydrogen.
즉, 상기 제1실시예는 플라즈마를 이용하여 탄소와 수소의 화합물을 형성하는 것이고, 제2실시예는 열처리에 의해 탄소와 수소의 화합물을 형성하는 것이다. 한편, 상기 플라즈마를 이용한 방법이나 열처리방법에 의해서는 박막의 표면으로부터 200Å 정도내에 있는 탄소만이 효과적으로 제거되므로 200Å 이상의 TiN막을 형성할 경우에는 TiN막을 200Å 이하로 증착한 후 상기의 수소처리를 행하는 공정을 여러차례 반복함으로써 원하는 두께의 TiN막을 얻도록 한다.That is, the first embodiment is to form a compound of carbon and hydrogen by using a plasma, the second embodiment is to form a compound of carbon and hydrogen by heat treatment. On the other hand, since only carbon within 200 mW from the surface of the thin film is effectively removed by the plasma-based method or the heat treatment method, when the TiN film is formed at 200 mW or more, the TiN film is deposited to 200 mW or less, and then the hydrogen treatment is performed. Is repeated several times to obtain a TiN film having a desired thickness.
이상과 같이 본 발명은 TiN증착후에 수소 처리를 행하여 TiN막내의 탄소를 효과적으로 제거할 수 있으며, 이에 따라 TiN막의 저항을 감소시킬 수 있게 된다. 다음에 제4도를 참조하여 본 발명의 제3실시예를 설명한다.As described above, the present invention can effectively remove carbon in the TiN film by performing hydrogen treatment after TiN deposition, thereby reducing the resistance of the TiN film. Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
먼저, 제4도(a)에 도시된 바와 같이 하부도전층, 예컨대 불순물 접합영역(11)이 형성된 기판(10)상에 절연층(12)을 형성하고, 이 절연층(12)을 선택적으로 식각하여 상기 불순물 접합영역(11)을 노출시키는 콘택홀(13)을 형성한다.First, as shown in FIG. 4A, an insulating layer 12 is formed on a substrate 10 on which a lower conductive layer, for example, an impurity junction region 11 is formed, and the insulating layer 12 is selectively formed. Etching is performed to form contact holes 13 exposing the impurity junction region 11.
이어서 제4도(b)와 같이 상기 콘택홀 내부를 포함한 절연층(12) 전면에 TDMAT소오스를 이용한 MOCVD방법에 의해 장벽금속층으로서, TiN막(14)을 100-200Å 정도의 두께로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 4 (b), the TiN film 14 is formed to a thickness of about 100-200 으로서 as a barrier metal layer by a MOCVD method using a TDMAT source on the entire surface of the insulating layer 12 including the inside of the contact hole.
다음에 제4도(c)와 같이 TiN막(14)의 증착직후 동일 챔버내에서 증착온도와 동일한 온도에서 질소 플라즈마 처리를 실시하여 강화된 TiN막(14A)으로 만든다. 이어서 급속 열처리 장치를 이용하여 암모니아 또는 질소분위기에서 열처리를 행한다. 이때, 상기 TiN막을 200Å 이상의 두께로 형성하고자 할 경우에는 TiN의 증착 및 질소 플라즈마 처리공정을 수차례 반복하여 원하는 두께의 TiN막을 얻도록 한다.Next, as shown in FIG. 4 (c), after the deposition of the TiN film 14, nitrogen plasma treatment is performed at the same temperature as the deposition temperature in the same chamber to form the reinforced TiN film 14A. Subsequently, heat treatment is performed in an ammonia or nitrogen atmosphere using a rapid heat treatment apparatus. At this time, when the TiN film is to be formed to a thickness of 200 kPa or more, the TiN deposition and nitrogen plasma treatment processes are repeated several times to obtain a TiN film having a desired thickness.
다음에 제4도(d)와 같이 Al 플로잉 공정을 행하여 상기 콘택홀을 Al(15)으로 매립한 후, 제4도(e)와 같이 상기 Al(15) 및 TiN막(14A)을 소정 패턴으로 패터닝하여 상부도전층을 형성하여 상기 콘택홀을 통해 상기 하부도전층(11)과 접속되도록 함으로써 배선공정을 완료한다.Next, an Al flowing process is performed as shown in FIG. 4 (d) to fill the contact hole with Al (15). Then, as shown in FIG. 4 (e), the Al (15) and the TiN film 14A are prescribed. The wiring process is completed by patterning a pattern to form an upper conductive layer so as to be connected to the lower conductive layer 11 through the contact hole.
이상과 같이 본 발명은 TiN 증착후 대기중에 노출시키는 일 없이 동일 챔버내에서 질소 플라즈마 처리를 행함으로써 증착중에 TiN내에 포함된 탄소의 함량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 막질 자체도 치밀하게 되어 박막 저항이 감소되므로 대기중에 노출되더라도 대기중의 산소와 반응하지 않는 안정된 특성을 가지게 되며, 후속 공정인 Al 플로잉시 장벽특성도 크게 향상되게 된다.As described above, the present invention can reduce the content of carbon contained in the TiN during deposition by performing nitrogen plasma treatment in the same chamber without exposing it to the atmosphere after TiN deposition. Because of this reduction, even if exposed to the atmosphere has a stable characteristic that does not react with the oxygen in the atmosphere, the barrier properties during the Al flow, which is a subsequent process is also greatly improved.
따라서 TiN막을 반도체장치의 배선공정에 안정하게 적용할 수 있게 되며 고집적 소자의 배선공정의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.Therefore, the TiN film can be stably applied to the wiring process of the semiconductor device, and the productivity of the wiring process of the highly integrated device can be greatly improved.
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| KR1019950023851A KR0161889B1 (en) | 1995-08-02 | 1995-08-02 | Formation method of wiring in semiconductor device |
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| KR1019950023851A KR0161889B1 (en) | 1995-08-02 | 1995-08-02 | Formation method of wiring in semiconductor device |
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| KR (1) | KR0161889B1 (en) |
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1995
- 1995-08-02 KR KR1019950023851A patent/KR0161889B1/en not_active IP Right Cessation
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