KR100210897B1 - Process for forming barrier metal layer in semiconductor device - Google Patents

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진성곤
홍미란
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김영환
현대전자산업주식회사
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Abstract

본 발명은 N2O 플라즈마를 이용하여 TiNxOy층을 형성하여 과도한 산소 충진에 의한 콘택 저항의 증가를 방지하고, 알루미늄과 실리콘의 상호 확산에 의해 발생되는 접합 파괴 방지함으로써 금속 배선의 신뢰성의 향상과, 반응로나 RTP 장비를 이용한 후속 열처리 공정을 생략함으로써 생산성 증대를 이룰 수 있는 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법이 개시된다.The present invention forms a TiN x O y layer using an N 2 O plasma to prevent an increase in contact resistance due to excessive oxygen filling, and to prevent junction breakage caused by the interdiffusion of aluminum and silicon. Disclosed is a method of forming a metal diffusion barrier layer of a semiconductor device capable of improving productivity and increasing productivity by omitting a subsequent heat treatment step using a reactor or RTP equipment.

Description

반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법Method for forming metal diffusion barrier layer of semiconductor device

제1(a)도 내지 제1(c)도는 본 발명에 따른 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of a device for explaining a method for forming a metal diffusion barrier layer of a semiconductor device according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 실리콘 기판 2 : 접합 영역1 silicon substrate 2 junction region

3 : 절연막 4A : Ti막3: insulating film 4A: Ti film

4B : TiN막 5 : TiNxOy4B: TiN film 5: TiN x O y layer

6 : 알루미늄 금속층 7 : 콘택홀6: aluminum metal layer 7: contact hole

본 발명은 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법에 관한 것으로, 특히 N2O 플라즈마를 이용하여 TiNxOy층을 형성하도록 한 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a metal diffusion barrier layer of a semiconductor device, and more particularly to a method for forming a metal diffusion barrier layer of a semiconductor device to form a TiN x O y layer using N 2 O plasma.

일반적으로 반도체 소자의 금속층 형성에 있어서, 알루니늄과 실리콘의 상호확산에 의해 발생하는 접합 파괴(Junction Spiking) 현상을 방지하기 위해 확산 방지막으로 Ti막 및 TiN막이 증착되어 사용되고 있다. 또한, 베리어 특성을 강화시키기 위해 TiN막을 증착한 후 반응로나 급속 열처리 장치를 이용하여 열처리를 실시하므로서 산소 충진에 의한 베리어 특성이 향상된다. 위와 같은 방법에 의한 열처리시에는 450700사이에서 열처리를 실시함으로써 산소 충진에 의해 베리어 효과가 향상되나, 과도 산소 충진시에는 TiN막의 박막 내부로의 산소 침투 뿐만 아니라 산소의 확산에 의한 Ti막의 산화 및 접합 지역으로의 산소 침투로 인한 저항의 증가를 가져오게 됨으로 산소를 충진시킬 때에는 산소량의 조절이 매우 중요하다. 이러한 원인으로 소자가 고집적화됨에 따라 금속 층덮힘 개선을 위하여 도입된 2-단계에 의한 금속 증착법, 재용융법이 도입됨에 따라 더욱더 우수한 베리어 특성이 요구되는 추세이다. 콘택 크기가 감소하고 단차비 증대로 인한 TiN막의 층덮힘 불량으로 인하여 베리어 특성 저하 및 생산성의 저하의 단점이 있다.In general, in forming a metal layer of a semiconductor device, a Ti film and a TiN film are deposited and used as a diffusion barrier layer in order to prevent a junction spiking phenomenon caused by mutual diffusion of aluminum and silicon. In addition, after the TiN film is deposited to enhance the barrier properties, the barrier properties due to oxygen filling are improved by performing heat treatment using a reactor or a rapid heat treatment apparatus. When heat treatment by the above method 450 700 The barrier effect is improved by oxygen filling by performing heat treatment in between. However, during oxygen filling, not only oxygen penetration into the thin film inside the TiN film but also resistance due to oxygen penetration into the bonding region and oxidation of the Ti film due to diffusion of oxygen Controlling the amount of oxygen is very important when filling the oxygen as it leads to an increase. For this reason, as the device is highly integrated, as the two-step metal deposition and remelting methods introduced to improve the metal layer covering are introduced, more excellent barrier characteristics are required. Due to a poor layer covering of the TiN film due to a decrease in contact size and an increase in step ratio, there are disadvantages of deterioration of barrier properties and productivity.

따라서, 본 발명은 상기한 단점을 해결하기 위하여 Ti막 및 TiN막을 증착한 후 TiN막 내부에 산소를 충진시켜 연속적으로 저온에서 N2O 플라즈마를 이용하여 TiN막 표면을 질소기와 산소기를 이용하여 TiNxOy층을 형성시킬 수 있도록 한 반도체 소자의 확산 방지층 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, in order to solve the above-mentioned disadvantages, the present invention deposits Ti and TiN films, and then fills oxygen inside the TiN film, and continuously forms the TiN film surface using nitrogen and oxygen groups using N 2 O plasma at low temperature. It is an object of the present invention to provide a method for forming a diffusion barrier layer of a semiconductor device capable of forming a x O y layer.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 기판 상부에 형성된 절연막의 선택된 영역을 식각하여 상기 실리콘 기판상에 형성된 접합 영역을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 Ti막 및 TiN막을 순차적으로 증착하는 단계와, 전체 구조 상부에 N2O 플라즈마를 사용하여 TiNxOy층을 형성한 후 알루미늄 금속층을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is formed by etching a selected region of the insulating film formed on the silicon substrate to form a contact hole for exposing the junction region formed on the silicon substrate, and over the entire structure including the contact hole Sequentially depositing a Ti film and a TiN film, and forming a TiN x O y layer by using an N 2 O plasma over the entire structure, and then forming an aluminum metal layer.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

제1(a)도 내지 제1(c)도는 본 발명에 따른 반도체 소자의 확산 방지층 형성방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of a device for explaining a method for forming a diffusion barrier layer of a semiconductor device according to the present invention.

제1(a)도를 참조하면, 실리콘 기판(1)에 N+또는 P+이온이 주입되어 접합 영역(2)이 형성된 후, 절연막(3)이 증착된다. 전체 구조 상부에 콘택 마스크를 이용한 식각 공정이 실시되어 콘택홀(7)이 형성된다. 콘택홀(7)을 포함한 전체 구조 상부에 확산 방지층인 Ti막(4A) 및 TiN막(4B)이 증착된다. Ti막(4A) 및 TiN막(4B)은 반응 스퍼터링(reactive sputtering) 방식에 의해 증착된다.Referring to FIG. 1A, after the N + or P + ions are implanted into the silicon substrate 1 to form the junction region 2, the insulating film 3 is deposited. An etching process using a contact mask is performed on the entire structure to form a contact hole 7. A Ti film 4A and a TiN film 4B, which are diffusion preventing layers, are deposited on the entire structure including the contact hole 7. Ti film 4A and TiN film 4B are deposited by a reactive sputtering method.

제1(b)도를 참조하면, Ti막 및 TiN막 증착 챔버와 동일 챔버 또는 다른 챔버에서 연속적으로 RF power를 이용하여 N2O 플라즈마가 발생되어 전체 구조 상부에 TiNxOy층(5)이 형성된다. 여기서, 인가되는 전체 RF power는 11.5kW이며, 이중(dual)의 RF 주파수가 이용되어 N2O 가스의 분해를 촉진시킨다. 이때, 고주파수는 13.56MHz의 RF 주파수가 이용되며, power는 300W1kW가 사용된다. 저주파수는 300400kHz의 RF 주파수가 이용되며, Power는 300W800W가 사용된다. 또한, 전체 Power에 대한 저주파수의 비율은 50% 이상이 되게 한다. 그리고 반응 챔버의 온도는 100450로 한다. 위와 같은 조건으로 반응을 일으키면 N2O 가스 또는 RF Power에 의해서 분해가 일어나고 플라즈마 상태로 된다. 이때, 발생된 산소기는 반응성이 뛰어나 저온에서도 TiN막(4B)과 반응하여 TiNxOy층(5)의 형성이 가능하다.Referring to FIG. 1 (b), an N 2 O plasma is generated using RF power continuously in the same chamber or another chamber as the Ti film and the TiN film deposition chamber, thereby forming a TiN x O y layer 5 over the entire structure. Is formed. Here, the total RF power applied is 1 1.5 kW, and a dual RF frequency is used to facilitate the decomposition of the N 2 O gas. At this time, the high frequency is 13.56MHz RF frequency is used, power is 300W 1 kW is used. Low frequency is 300 RF frequency of 400kHz is used, power is 300W 800 W is used. In addition, the ratio of low frequency to total power is 50% or more. And the temperature of the reaction chamber is 100 450 Shall be. When the reaction occurs under the above conditions, decomposition occurs by N 2 O gas or RF power, and the plasma state. At this time, the generated oxygen group is excellent in reactivity, and thus it is possible to form the TiN x O y layer 5 by reacting with the TiN film 4B even at a low temperature.

제1(c)도는 전체 구조 상부에 알루미늄 금속층(6)이 형성된 상태의 단면도이다.FIG. 1C is a cross-sectional view of the aluminum metal layer 6 formed on the entire structure.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 N2O 플라즈마를 이용하여 TiNxOy층 형성하여 과도한 산소 충진에 의한 콘택 저항의 증가를 방지할 수 있으며, 알루미늄과 실리콘의 상호 확산에 의해 발생되는 접합 파괴 방지함으로써 금속 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 반응로나 RTP 장비를 이용한 후속 열처리 공정을 생략함으로써 생산성 증대를 이룰 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to prevent the increase of contact resistance due to excessive oxygen filling by forming a TiN x O y layer by using an N 2 O plasma, and to prevent the bonding failure caused by the mutual diffusion of aluminum and silicon. In this way, the reliability of the metal wiring can be improved, and productivity can be increased by omitting a subsequent heat treatment step using a reactor or RTP equipment.

Claims (6)

실리콘 기판 상부에 형성된 절연막의 선택된 영역을 식각하여 상기 실리콘 기판상에 형성된 접합 영역을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 콘택홀을 포함한 전체 구조 상부에 Ti막 및 TiN막을 순차적으로 증착하는 단계와, 전체 구조 상부에 N2O 플라즈마를 사용하여 TiNxOy층을 형성한 후 알루미늄 금속층을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법.Etching a selected region of the insulating film formed on the silicon substrate to form a contact hole exposing a junction region formed on the silicon substrate, and sequentially depositing a Ti film and a TiN film over the entire structure including the contact hole And forming a TiN x O y layer by using an N 2 O plasma on the entire structure, and then forming an aluminum metal layer. 제1항에 있어서, 상기 TiNxOy층은 1 내지 1.5kW의 RF power를 인가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법.The method of claim 1, wherein the TiN x O y layer is formed by applying RF power of 1 to 1.5 kW. 제1항에 있어서, 상기 TiNxOy층은 13.56MHz의 고주파를 300W 내지 1kW의 RF power를 통해 인가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법.The method of claim 1, wherein the TiN x O y layer is formed by applying a high frequency of 13.56 MHz through RF power of 300 W to 1 kW. 제1항에 있어서, 상기 TiNxOy층은 300 내지 400kHz의 저주파를 300W 내지 800W의 RF Power를 통해 인가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법.2. The method of claim 1, wherein the TiN x O y layer is formed by applying a low frequency of 300 to 400 kHz through an RF power of 300 W to 800 W. 3. 제2항에 있어서, 상기 전체 RF Power에 대한 저주파수의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법.The method of claim 2, wherein the ratio of the low frequency to the total RF power is 50% or more. 제1항에 있어서, 상기 TiNxOy층은 100 내지 450의 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 확산 방지층 형성 방법.The method of claim 1, wherein the TiN x O y layer is 100 to 450 The metal diffusion barrier layer forming method of a semiconductor device, characterized in that formed at a temperature of.
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