KR100250954B1 - Deposition method of tasinx diffusion barrier and its application for multilevel interconnect contact of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for forming a diffusion barrier of tantalum silicon nitride(TaSiNx), a contact junction and a multi-level interconnection using the barrier, and related methods are provided to keep excellent electric characteristics after high-temperature heat treatment as well. CONSTITUTION: The TaSiNx diffusion barrier is deposited by sputtering, which uses a tantalum silicide(Ta5Si3) target with a nitrogen gas flow varying from 0 to 10 percent with respect to an entire gas flow including argon gas. Thus, the concentration of nitrogen in the diffusion barrier is controlled between 0 and 43 atomic percent. The TaSiNx diffusion barrier is deposited with a thickness of 500Å to 2000Å, and used for contact with silicon, gallium arsenic, gallium nitride, or indium phosphorus. In addition, the TaSiNx diffusion barrier(7) with 28 nitrogen atomic percent or below is used for the contact junction with a source(2) and a drain(3) to a temperature of 700°C. Furthermore, the TaSiNx diffusion barrier(7) with 40 nitrogen atomic percent or more is used for the multi-level interconnection including an interlayer dielectric layer(9) and a metallization layer(8) to a temperature of 900°C.

Description

TaSiNx 확산 방지막의 제조방법과 그를 이용한 반도체 소자의 접촉접합 및 다층금속배선Method for manufacturing TASI Ni diffusion barrier film and contact junction and multilayer metal wiring of semiconductor device using same

본 발명은, 256M급 이상의 초고집적 실리콘 기억 소자 및 비기억 소자 (이하 "소자"라 함)의 소스와 드레인 접촉접합 기술 및 다층 금속 배선 기술에 관한 것으로, 특히, 상기 접촉 접합기술 및 다층 금속 배선 기술에 사용될 수 있는 확산 방지막에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to source and drain contact bonding techniques and multilayer metal wiring techniques of ultra-high density silicon memory devices and non-memory devices (hereinafter referred to as "elements") of 256M or more, in particular, the above contact bonding technology and multilayer metal wiring technology. It relates to a diffusion barrier that can be used in the technique.

실리콘 및 화합물 반도체 소자 제조시, 반도체/금속 및 금속/금속 사이에 반도체 및 금속의 상호 확산을 막을 수 있는 확산 방지막을 삽입하여 다층 구조의 금속 배선을 형성함으로써 소자의 정보 처리 속도, 전류 밀도 및 신뢰성을 현격히 향상시킬 수 있다.In the manufacture of silicon and compound semiconductor devices, a multi-layered metal wiring is formed by inserting a diffusion barrier to prevent mutual diffusion of semiconductors and metals between semiconductors / metals and metals / metals, thereby forming information processing speed, current density and reliability of the device. Can significantly improve.

종래에는 다층 구조 금속 배선에 사용되는 확산 방지막으로서, 티탄(Ti), 텅스텐(W) 및 탄탈륨(Ta)과 같은 내화성 금속에 질소 등을 첨가한 티탄 질화막(TiN), 텅스텐 질화막(WN) 및 탄탈질화막(TaN)과 같은 이원소계 합금이 제안되어져 왔다.Conventionally, as a diffusion barrier film for multilayer structure metal wiring, a titanium nitride film (TiN), tungsten nitride film (WN) and tantalum in which nitrogen is added to a refractory metal such as titanium (Ti), tungsten (W) and tantalum (Ta) Binary alloys such as nitride films (TaN) have been proposed.

그러나, 상기 이원소계 합금 확산 방지막에서는, 주배선 금속(구리, 텅스텐, 알루미늄, 은 등)이 상기 이원소계 합금 확산 방지막위에 증착된 후, 기억 소자 및 비기억 소자의 후속 제조 공정(end-line process)에 따라 550∼700℃에서 후속 열처리가 행하여지면, 티탄 질화막과 같은 상기 이원소계 합금 확산 방지막은 열적 안정성이 열화되어 결정립 사이로 원소의 확산이 일어나서 확산 방지 기능이 상실된다. 이에 따라, 높은 밀도의 결정 결함이 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터) 소자의 소스 및 드레인 접촉 접합(contact junction) 부위에서 발생하여 반도체 소자의 전기적 특성이 열화되는 것을 막을 수 없게 된다.However, in the binary alloy diffusion barrier, a main wiring metal (copper, tungsten, aluminum, silver, etc.) is deposited on the binary alloy diffusion barrier, followed by an end-line process of manufacturing a memory element and a non-memory element. When subsequent heat treatment is performed at 550 to 700 ° C., the binary alloy diffusion barrier film, such as a titanium nitride film, is deteriorated in thermal stability, causing diffusion of elements between crystal grains and loss of diffusion prevention function. As a result, high density crystal defects cannot be prevented from occurring in the source and drain contact junctions of the MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) device and deteriorating the electrical characteristics of the semiconductor device.

본 발명은, 상술한 온도 범위 이상의 고온에서 후속 열처리 하여도 반도체 및 주배선 금속의 확산을 방지할 수 있고, 그에 따라 전기적 특성의 열화 및 결함이 전혀 발생하지 않는 확산 방지막을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a diffusion barrier that can prevent diffusion of semiconductors and main wiring metals even after subsequent heat treatment at a high temperature of the above-described temperature range, and thereby prevents deterioration of electrical properties and defects. .

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 삼원소계 확산방지막을 소자의 소스와 드레인의 접합배선(contact metallization)공정 및 다층 금속배선 공정에 이용하므로써, 고온 열처리 후에도 반도체 및 금속의 확산이 방지되고, 우수한 전기적 특성을 가지는 접합배선 및 다층금속배선을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to use the three-element diffusion barrier layer in the contact metallization process of the source and drain of the device and the multilayer metallization process, thereby preventing the diffusion of the semiconductor and metal even after high temperature heat treatment, and excellent electrical It is to provide a junction wiring and a multilayer metal wiring having characteristics.

도 1a은 본 발명에 의한 삼원소계 탄탈실리나이트라이드 (TaSiNx) 확산 방지막 제조 방법에 따른 박막내의 질소함유량의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 1b는 질소 농도에 따른 탄탈실리나이트라이드 (TaSiNx) 확산 방지막의 비저항값의 변화를 도시한다.Figure 1a is a graph showing the change in nitrogen content in the thin film according to the method for producing a three-element tantalum silicide nitride (TaSiN x ) diffusion barrier according to the present invention, Figure 1b is tantalum silicide nitride (TaSiN x ) diffusion according to the nitrogen concentration The change in the specific resistance value of the protective film is shown.

도 2는 본 발명에 의한 확산방지막을 이용한, 기억소자 및 비기억 소자의 소스 및 드레인접촉공정의 개요도이다.2 is a schematic diagram of a source and drain contact process of a memory element and a non-memory element using the diffusion barrier according to the present invention.

도 3은 본 발명에 의한 확산 방지막을 이용한, 기억소자 및 비기억 소자의 소자간 상호연결을 위한 다층 금속 배선공정의 개요도이다.3 is a schematic diagram of a multi-layer metallization process for the interconnection of elements of a memory device and a non-memory device using the diffusion barrier according to the present invention.

도 4은 열처리 온도에 따른 실리콘/탄탈실리나이트라이드/구리 (Si/TaSiNx/Cu) 구조의 다층 금속 배선의 면저항값의 변화를 타나낸 그래프이다.4 is a graph showing a change in sheet resistance of a multilayer metal wiring having a silicon / tantallin nitride / copper (Si / TaSiN × / Cu) structure according to a heat treatment temperature.

도 5는 본 발명에 의한 실리콘/탄탈실리나이트라이드/구리 (Si/TaSiNx/Cu) 구조의 다층 금속 배선에서 탄탈실리나이트라이드박막내의 질소농도 차이에 따른 결함발생을, 탄탈실리나이트라이드를 사용하지 않는 실리콘/구리 구조의 다층 금속 배선과 비교하여 도시하는 노말스키(Nomarski) 현미경 사진이다.FIG. 5 shows the occurrence of defects according to the nitrogen concentration difference in the tantalum silicide nitride film in the silicon / tantal silicide nitride / copper (Si / TaSiN x / Cu) structure of the multilayer metal interconnection according to the present invention, using tantalum silicide It is a Normalski micrograph shown compared with the multilayer metal wiring of a silicon / copper structure which does not.

**도면의 주요부분에대한 부호의설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **

1 : 분리산화막 2 : 소스1: separation oxide 2: source

3 : 드레인 4 : 게이트산화막3: drain 4: gate oxide film

5 : 게이트금속 6 : 게이트금속 보호막5: gate metal 6: gate metal protective film

7 : 탄탈륨실리나이트사이드 확산방지막7: tantalum silicide side diffusion prevention film

8 : 주배선 금속 9 : 층간절연박막8 main wiring metal 9 interlayer insulating thin film

따라서, 본 발명에서는 탄탈륨에 실리콘 및 질소를 첨가하여 삼원소계 합금을 제조하였다. 제조된 탄탈실리나이트라이드 (TaSiNx) 확산 방지막 (이하 "탄탈 확산 방지막")을 반도체와의 접촉 접합(contact junction) 공정 및 다층 금속 배선(multi-level interconnection)을 위한 다층 구조로 사용하였다. 본 발명의 탄탈 확산 방지막은 850℃ 이상의 고온에서 후속 열처리하여도 반도체 및 구리 금속의 확산을 방지하였으며, 전기적 특성의 열화 및 결함이 전혀 발생하지 않는 특징이 있다.Therefore, in the present invention, silicon and nitrogen were added to tantalum to prepare a three-element alloy. The prepared tantalum silicide (TaSiN x ) diffusion barrier (hereinafter referred to as "tantalum diffusion barrier") was used as a multilayer structure for a contact junction process and a multi-level interconnection with a semiconductor. The tantalum diffusion barrier of the present invention prevents diffusion of semiconductors and copper metals even after subsequent heat treatment at a high temperature of 850 ° C. or higher, and does not cause any deterioration of electrical characteristics and defects.

도 1은 본 발명에서 제조된 탄탈 확산 방지막의 제조 방법에 따른 박막내의 질소 함유량의 변화 및 비저항값의 변화를 나타낸 도면이다.1 is a view showing the change in the nitrogen content and the change in the specific resistance value of the thin film according to the manufacturing method of the tantalum diffusion barrier film prepared in the present invention.

순도 99.99%의 탄탈륨실리사이드 (Ta5Si3) 타켓을 사용하여 스파터링 (RF 및 DC) 방법으로, 질소 및 알곤의 전체 유량에 대한 질소 유량비 (N2/(N2+Ar))를 0에서 20%까지 변화시키면서 탄탈 확산 방지막을 증착하였다. 도 1a에서와 같이, 질소 유량비(N2/(N2+Ar))가 0에서 6%가 될 때까지 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도가 급격히 증가하였으며, 질소 유량비가 6% 이상이 되면 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도의 증가는 둔화되어 질소 농도는 43 원자농도% (이하 "at.%"라 한다)로 포화 상태를 나타내고 있다. 이러한 현상은, 탄탈 확산 방지막 내부의 질소 농도가 28 at.% 이하인 경우 탄탈륨실리사이드가 질소와 반응하여 탄탈실리나이트라이드라는 질화물을 형성하기에는 아직 질소 농도가 충분하지 못하므로 후속 열처리하는 동안 탄탈륨 실리사이드가 결정화되는 특성을 보이기 때문이다. 그러나 TaSiNx박막내의 질소 농도가 40 at.% 이상인 경우는 탄탈륨과 실리콘의 합금 상태도를 고려해 볼 때 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도가 탄탄실리나이트라이드라는 질화물을 형성하기에 충분한 고용도를 가진다. 따라서 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도가 40 at.% 이하인 경우 다결정 구조의 결정 구조를 가지는데 반하여 질소 농도가 40 at.% 이상으로 증가하면 안정된 비정질 상을 나타냄을 보여주었다. 탄탈 확산 방지막내에 존재하는 40 at.%이상의 잉여의 질소 원자들은 탄탈실리나이트라이드의 결정 구조를 미세화하면서 결정립계에 응집(segregation)하여 반도체 및 다른 금속 원자 (특히 구리 원자)의 확산을 방지하는 효과의 현격한 향상을 가져올 뿐만 아니라 탄탈실리나이트라이드 자체의 결정립이 성장하려는 구동력을 감소시킴으로써, 미세 구조를 후속 열처리 공정에서도 지속적으로 유지함으로써 반도체와의 접촉공정이나 다층 구조의 금속 배선에 사용할 경우 확산 방지막으로써 기능을 안정되게 얻을 수 있었다.Using a tantalum silicide (Ta 5 Si 3 ) target with a purity of 99.99%, the ratio of nitrogen flow rate (N 2 / (N 2 + Ar)) to the total flow rate of nitrogen and argon was determined from zero by the spattering (RF and DC) method. The tantalum diffusion barrier was deposited while changing to 20%. As shown in FIG. 1A, the nitrogen concentration in the tantalum diffusion barrier rapidly increased until the nitrogen flow ratio N 2 / (N 2 + Ar) became 0 to 6%, and when the nitrogen flow ratio was 6% or more, tantalum diffusion The increase in the nitrogen concentration in the protective film is slowed down, and the nitrogen concentration is shown to be saturated at 43 atomic concentration% (hereinafter referred to as "at.%"). This phenomenon is due to the fact that the tantalum silicide crystallizes during the subsequent heat treatment since the tantalum silicide does not yet have sufficient nitrogen concentration to react with nitrogen to form a nitride called tantalum silicide when the nitrogen concentration in the tantalum diffusion barrier is 28 at% or less. It is because it shows the characteristic. However, when the nitrogen concentration in the TaSiN x thin film is 40 at.% Or more, considering the state diagram of the alloy of tantalum and silicon, the nitrogen concentration in the tantalum diffusion barrier has a sufficient solid solubility to form a nitride called tantansilitide. Therefore, when the concentration of nitrogen in the tantalum diffusion barrier is less than 40 at.%, It has a crystal structure of polycrystalline structure. However, when the concentration of nitrogen increases to more than 40 at.%, It shows a stable amorphous phase. The excess of at least 40 at.% Of nitrogen atoms present in the tantalum diffusion barrier prevents the diffusion of semiconductors and other metal atoms (especially copper atoms) by agglomeration at grain boundaries while miniaturizing the crystal structure of tantalum nitride. In addition to the remarkable improvement, the tantalum silitide itself reduces the driving force to grow, and the microstructure is continuously maintained in the subsequent heat treatment process so that it can be used in contact with semiconductors or multi-layer metal wiring. It was possible to obtain a stable function.

도 1b는 질소 원자 농도에 따른 확산방지막의 비저항 변화를 나타낸 것이다. 질소 원자 농도가 0일 때, 비저항은 160μΩ-cm이며, 질소 원자 농도가 20%일 때 200μΩ-cm이며, 40%로 증가하면 비저항은 1.2KμΩ-cm까지 증가한다. 일반적으로 확산 방지막으로 사용되는 금속은 200μΩ-cm 내외의 낮은 비저항을 가져야 한다. 그 이유는 접촉 접합용 배선으로 사용될 경우 비저항이 높은 경우 접촉 저항의 증가로 인해 정보 처리 속도가 낮아지기 때문이다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 티탄 질화막(TiN)의 경우 비저항은 약 200μΩ-cm이지만, 600℃ 이상의 온도에서 후속 열처리시 하부층의 실리콘과 반응하여 비저항이 500μΩ-cm 이상 증가한다. 그러나, 본 발명에서 제조된 탄탈 확산 방지막은 질소 농도 28% 이상만 되어도 700℃ 이상의 온도에서 열처리하여도 비저항은 500μΩ-cm 이하로 유지하면서, 동시에 구리 금속의 확산을 막을 수 있다. 특히 다층 금속 배선에 필요한 확산 방지막으로 사용할 경우에는 확산 방지막의 비저항 보다 금속과의 반응을 막을 수 있는 고온 열적 안정성이 보다 중요한 요소가 된다.Figure 1b shows the resistivity change of the diffusion barrier according to the nitrogen atom concentration. When the nitrogen atom concentration is 0, the specific resistance is 160 mu Ω-cm, when the nitrogen atom concentration is 20%, 200 mu Ω-cm, and when it increases to 40%, the specific resistance increases to 1.2 K mu Ω-cm. In general, the metal used as the diffusion barrier should have a low resistivity of about 200μΩ-cm. The reason for this is that, when used as a contact bonding wiring, when the specific resistance is high, the information processing speed decreases due to an increase in the contact resistance. In the case of the most widely used titanium nitride film (TiN), the specific resistance is about 200 µΩ-cm, but the specific resistance increases more than 500 µΩ-cm by reaction with the silicon of the lower layer at a subsequent heat treatment at a temperature of 600 ° C. or higher. However, the tantalum diffusion barrier film prepared in the present invention can prevent the diffusion of copper metal while maintaining a specific resistance of 500 mu Ω-cm or less even when heat treatment is performed at a temperature of 700 ° C. or higher even if the nitrogen concentration is 28% or more. In particular, when used as a diffusion barrier film for multilayer metal wiring, a high temperature thermal stability that prevents the reaction with metal becomes more important than the specific resistance of the diffusion barrier film.

도 2는 탄탈 확산 방지막을 기억 소자 혹은 비기억 소자의 접합 배선 (contact metallization)으로 사용한 실용예이다.2 is a practical example in which a tantalum diffusion barrier is used as contact metallization of a memory element or a non-memory element.

도 2a는 분리 산화막(1)을 형성한 후 소스(2) 및 드레인(3)의 접촉창을 식각해낸 후 보론 혹은 인 등의 불순물을 주입하여 소스 및 드레인을 형성한다. 이 때 열산화막이 소스 및 드레인 접촉창을 덮게 된다. 도 2b는 게이트 부분을 다시 식각하여 도 2c에서 게이트 산화막(4)을 형성한다. 게이트 금속(5)을 증착/식각한 후 게이트 금속 보호막(6)을 도포한다. 도 2d에서 도면과 같이 소스 및 드레인의 접촉창이 될 부분을 다시 식각하여 도 2e에서 탄탈 확산 방지막(7)을 도포한 후 구리, 알루미늄, 은 혹은 텅스텐 금속 중 하나를 주금속배선(8)으로 도포함으로써 기억 혹은 비기억 소자의 후제조 공정이 끝나게 된다. 탄탈 확산 방지막을 소스 및 드레인의 접합 배선으로 사용함으로써 소스 및 드레인의 0.1 마이크론 이하의 매우 얇은 접합(shallow junction)이 후속 열처리에 의해 파괴되는 현상을 방지할 수 있다.In FIG. 2A, after forming the isolation oxide layer 1, the contact windows of the source 2 and the drain 3 are etched, and impurities such as boron or phosphorus are implanted to form the source and the drain. At this time, the thermal oxide film covers the source and drain contact windows. FIG. 2B again etches the gate portion to form the gate oxide film 4 in FIG. 2C. After the gate metal 5 is deposited / etched, the gate metal protective film 6 is applied. As shown in FIG. 2D, the portions to be contact windows of the source and drain are etched again to apply the tantalum diffusion barrier 7 in FIG. 2E, and then one of copper, aluminum, silver, or tungsten metal is applied to the main metal wiring 8. This ends the post-manufacturing process of the memory or non-memory element. By using the tantalum diffusion preventing film as the junction wiring of the source and drain, it is possible to prevent the phenomenon that a very thin shallow junction of 0.1 micron or less of the source and drain is destroyed by subsequent heat treatment.

도 3은 본 발명의 탄탈 확산 방지막을 다층 금속 배선 공정에 이용한 실용예로서, 도 2에서의 도 2d 공정 이후의 공정을 보여주고 있다.FIG. 3 is a practical example in which the tantalum diffusion barrier of the present invention is used in a multi-layer metal wiring process, and shows a process after the process of FIG. 2D in FIG. 2.

도 3a에서 탄탈 확산 방지막(7)을 소스(2) 및 드레인(3)의 접촉 배선한다. 도 3b에서는, 소스(2)쪽은 주금속 배선(8)을 한 후 실리카 글래스(9)(silica glass) 등과 같은 층간 절연 박막 (interlevel dielectric material)을 전면에 도포한다. 도 3c는 드레인(3)쪽은 층간 절연막(9)을 다시 식각한다. 도 3d는 탈탄 확산 방지막(7)을 전면에 도포하고 그 위에 주금속 배선(8)을 도포하고 그 위에 다시 보호막(9)을 형성시킨다. 4G급 이상의 기억소자 및 비기억소자에서는 층간절연막/탄탈확산방지막/주금속배선 도포공정이 4층 이상 되풀이됨으로써 모든 금속 배선 공정이 끝나게 되고 그 이후에 보호막(9)을 형성시킨다.In FIG. 3A, the tantalum diffusion barrier 7 is contacted with the source 2 and the drain 3. In FIG. 3B, the source 2 side is made of main metal wiring 8, and then an interlevel dielectric material such as silica glass 9 is applied to the entire surface. 3C again etches the interlayer insulating film 9 on the drain 3 side. 3D shows the decarburization diffusion prevention film 7 on the entire surface, the main metal wiring 8 is applied thereon, and the protective film 9 is again formed thereon. In the 4G class or higher memory device and the non-memory device, the interlayer insulating film / tantalum diffusion preventing film / main metal wiring coating process is repeated four or more times, so that all metal wiring processes are completed, and the protective film 9 is formed thereafter.

도 3에 의한 다층 금속배선 공정에 의하여, 기억 소자 및 비기억 소자의 후제조 공정중, 여러 층의 금속을 다층으로 배선할 경우에 층간 절연막 제조 및 평탄화 공정에 필요한 후속 열처리에 의해 발생하게 되는 주금속 배선 및 층간 절연막과의 반응을 방지함으로써 다층 금속 배선 공정의 신뢰성을 향상시키고, 금속 배선에 따른 결함 발생 및 전기적 특성 열화를 방지할 수 있게 되었다.In the post-manufacturing process of the memory and non-memory devices, the multilayer metallization process shown in FIG. By preventing the reaction with the metal wiring and the interlayer insulating film, it is possible to improve the reliability of the multi-layer metal wiring process and to prevent the occurrence of defects and the deterioration of electrical characteristics due to the metal wiring.

도 4는 도 2 및 3과 같은 다층 금속 배선의 후속 열처리에 따른 면저항 변화를 측정한 것이다. 600∼900℃의 후속열처리 온도범위안에서 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도가 28 at. % 이하의 경우에는, 700℃ 이상으로 열처리 온도가 증가하면 열처리 온도가 증가함에 따라 박막의 면저항값은 급격한 증가를 보이는데 이는 탄탈 확산 방지막이 구리의 확산을 막지 못하고 실리콘기관과 반응하여 구리실리사이드 (Cu-silicide)를 형성하였기 때문이다. 또 이로 인하여 다층 구조 금속 배선에서 주배선재료인 구리박막과 탄탈 확산 방지막이 서로 반응하여 전기저항이 증가했기 때문이다. 이와 같은 반응은 실제 소자제조시 소자의 얕은 접합 (shallow junction)을 파괴하는 치명적인 결함을 가져오는 원인이 된다. 그러나 도 3에서 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도가 40 at. % 이상인 경우는 열처리온도가 증가함에 따라 면저항값이 커다란 변화 없이 초기 증착시의 구리박막의 면저항값을 유지하고 있느데 이는 탄탈 확산 방지막이 효과적으로 구리의 확산을 막아 구리박막의 전기적, 물리적 특성열화를 방지했음을 보여주고 있다. 따라서 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도가 40 at. % 이상일 때 900℃ 까지 다층 금속 배선의 열적. 전기적 특성을 유지할 수 있다.4 is a measurement of the sheet resistance change according to the subsequent heat treatment of the multi-layer metal wiring as shown in FIGS. In the subsequent heat treatment temperature range of 600 to 900 ° C, the nitrogen concentration in the tantalum diffusion barrier was 28 at. In the case of less than%, when the heat treatment temperature increases above 700 ℃, the sheet resistance of the thin film increases rapidly as the heat treatment temperature increases. This means that the tantalum diffusion barrier does not prevent the diffusion of copper and reacts with the silicon organ to form copper silicide (Cu -silicide was formed. This is because the electrical resistance is increased by the reaction between the copper thin film and the tantalum diffusion preventing film, which are the main wiring materials, in the multi-layer metal wiring. Such reactions cause fatal defects that destroy the shallow junctions of the device during actual device fabrication. However, in FIG. 3, the nitrogen concentration in the tantalum diffusion barrier is 40 at. In the case of more than%, as the heat treatment temperature increases, the sheet resistance of the copper thin film is maintained without any significant change, and the tantalum diffusion barrier effectively prevents the diffusion of copper and prevents the deterioration of the electrical and physical properties of the copper thin film. It is showing. Therefore, the nitrogen concentration in the tantalum diffusion barrier was 40 at. Thermal of multi-layered metal wiring up to 900 ° C when above%. Electrical characteristics can be maintained.

도 5는 실리콘/탄탈 확산 방지막/구리 (Si/TaSiNx/Cu)구조의 다층 금속 배선을 열처리한 후, 실리콘내부에 생성된 결함을 노말스키 (Nomarski) 현미경으로 관찰한 사진을 타나낸 것으로, (a)는 600℃에서 열처리된 실리콘/28at.%질소의 탄탈확산방지막/구리 다층구조 금속배선인 경우이고, (b)는 700℃에서 열처리된 실리콘/28at.%질소의 탄탈확산방지막/구리 다층구조 금속배선, (c)는 800℃에서 열처리된 실리콘/40 at.%질소의 탄탈확산방지막/구리 다층구조 금속배선, (d)는 900℃에서 열처리된 실리콘/40at.%질소의 탄탈확산방지막/구리 다층구조 금속배선인 경우이며, (e)는 600℃에서 열처리된 실리콘/구리 다층구조 금속배선내의 실리콘내부에 생성된 결함을 보여준다. 도 5(b)에서 탄탈 확산 방지막내의 질소 농도가 28 at. % 이하의 경우는, 700℃ 부터 실리콘/탄탈 확산 방지막 계면에서 구리금속과 실리콘과 실리사이드 반응에 반응에 의한 피라미드 모양의 결함이 나타남을 볼 수 있다. 그러나 탄탈 확산 방지막의 질소 농도가 40 at. % 이상의 경우, 도 5(d)에 나타난 바와 같이 900℃ 까지 실리콘내부에 이러한 결함이 나타나지 않았다. 따라서 40 at. %이상의 질소 농도를 가진 탄탈 확산 방지막을 사용할 경우 900℃ 까지 구리의 확산을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 도 1과 관련된 설명에서 밝힌 바와 같이 질소 농도의 증가에 따른 탄탈 확산 방지막의 미세구조 비정질화 때문이다. 즉, 구리금 속의 확산 경로가 되는 확산 방지막의 결정립계를 미세화하고 비정질화함으로써 구리금속의 확산이 방지되는 효과를 가져올 수 있기 때문이다. 또, 결정립계에 존재하는 40 at. %이상의 잉여의 질소원자가 구리의 확산을 막을 뿐만 아니라, 탄탈실리나이트라이드의 결정화를 고온 열처리에서도 억제함으로써 지속적인 미세구조 비정질화를 통해 다층 구조 금속 배선의 열적. 전기적 특성을 향상시킴을 알 수 있다.FIG. 5 shows a photograph of a silicon / tantal diffusion barrier / copper (Si / TaSiN × / Cu) structure after heat treatment, followed by a Normalsky microscope for defects generated in silicon. (a) is the case of tantalum diffusion barrier / copper of silicon / 28at.% nitrogen heat-treated at 600 ° C, and (b) is the tantalum diffusion barrier / copper of silicon / 28at.% nitrogen heat-treated at 700 ° C. Multilayer metallization, (c) Tantalum diffusion barrier / copper of silicon / 40 at.% Nitrogen heat-treated at 800 ° C Multi-layered metallization, (d) Tantalum diffusion of silicon / 40at.% Nitrogen heat-treated at 900 ° C In the case of the barrier / copper multilayer metallization, (e) shows defects generated in the silicon in the silicon / copper multilayered metallization heat treated at 600 ° C. In FIG. 5 (b), the nitrogen concentration in the tantalum diffusion barrier is 28 at. In the case of% or less, it can be seen that the pyramidal defects due to the reaction of the copper metal, the silicon and the silicide reaction appear at the silicon / tantalum diffusion barrier interface from 700 ° C. However, the concentration of nitrogen in the tantalum diffusion barrier was 40 at. In the case of more than%, such defects did not appear in the silicon up to 900 ° C as shown in FIG. Thus 40 at. It can be seen that the use of a tantalum diffusion barrier with a nitrogen concentration of more than% can prevent copper diffusion up to 900 ° C. The reason for this is due to the microstructure amorphousness of the tantalum diffusion barrier according to the increase of the nitrogen concentration as shown in the description related to FIG. 1. That is, it is because the diffusion of the copper metal can be prevented by making the grain boundary of the diffusion barrier film which becomes the diffusion path in the copper metal fine and amorphous. Moreover, 40 at. Present in a grain boundary. Excess nitrogen atoms not only prevent the diffusion of copper, but also suppress the crystallization of tantalum silicide even at high temperature heat treatment, so that the thermal structure of the multi-layered metal wiring through continuous microstructure amorphization. It can be seen that it improves the electrical characteristics.

따라서, 원자 농도 28% 이하인 경우 700℃까지 열적 안정한 접촉 접합을 위한 확산 방지막으로 사용할 수 있고, 다층 금속 배선을 위한 확산 방지막의 경우 40%의 질소 원자 농도를 갖는 탄탈 확산 방지막을 사용하여 900℃까지 열적 안정한 다층 금속 배선을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제조된 탄탈 확산 방지막은 접촉 접합 및 다층 금속 배선에 모두 응용될 수 있는 특성을 가지고 있다.Therefore, when the atomic concentration is 28% or less, it can be used as a diffusion barrier for thermally stable contact bonding up to 700 ° C. In the case of the diffusion barrier for multilayer metal wiring, up to 900 ° C using a tantalum diffusion barrier having a nitrogen atom concentration of 40%. Thermally stable multilayer metal wiring can be performed. Therefore, the tantalum diffusion barrier film produced in the present invention has a property that can be applied to both contact bonding and multilayer metal wiring.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 탄탈 확산 방지막을, 기억 소자 및 비기억 소자의 제조방법내의 새로운 접촉접합 공정 및 다층 금속 배선 공정에 이용함으로써, 고온에서 후속 열처리 하여도 반도체 및 주배선 금속의 확산을 방지할 수 있고, 그에 따라 전기적 특성의 열화 및 결함이 전혀 발생하지 않아, 기존의 확산 방지막을 이용한 경우보다 월등히 우수한 전기적 특성을 가지는 반도체 소자를 제공할 수 있다.As described above, the tantalum diffusion barrier according to the present invention is used for the novel contact bonding process and the multilayer metal wiring process in the manufacturing method of the memory element and the non-memory element, so that the semiconductor and the main wiring metal may be subjected to subsequent heat treatment at high temperature. The diffusion can be prevented, and thus deterioration and defects of the electrical characteristics do not occur at all, thereby providing a semiconductor device having excellent electrical characteristics than in the case of using a conventional diffusion barrier.

Claims (7)

탄탈륨실리사이드(Ta5Si3) 타겟을 사용한 스파터링 방법으로, 질소 및 알곤 가스의 전체 유량에 대한 질소 가스의 유량을 0 에서 10%까지변화시키면서 탄탈륨실리나이트라이드(TaSiNx)를 증착함으로써, 상기 탄탈륨실리나이트라이드 박막내의 질소 농도가 0 내지 43 원자농도%로 제어되는 것을 특징으로 하는 탄탈륨실리나이트라이드 박막 제조 방법.A sputtering method using a tantalum silicide (Ta 5 Si 3 ) target, by depositing tantalum silicide (TaSiN x ) while varying the flow rate of nitrogen gas from 0 to 10% for the total flow rate of nitrogen and argon gas, A method for producing a tantalum silicide nitride thin film, characterized in that the concentration of nitrogen in the tantalum silicide nitride thin film is controlled to 0 to 43 atomic concentration%. 제 1 항에 의하여 제조되는 상기 탄탈륨실리나이트라이드 박막을 두께 500-2000Å로 증착하여, 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨나이트라이드(GaN), 및 인듐인(InP)중 어느 하나와의 접합하기 위한 접합금속으로 사용하는 방법.The tantalum silicide nitride thin film prepared according to claim 1 is deposited to a thickness of 500-2000 kPa to form any one of silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), and indium phosphorus (InP). How to use as a joining metal for joining. 탄탈륨실리사이드(Ta5Si3) 타겟을 사용한 스파터링 방법으로, 질소 및 알곤 가스의 전체 유량에 대한 질소 가스의 유량을 0 에서 10%까지변화시키면서 탄탈륨실리나이트라이드(TaSiNx)를 증착함으로써, 상기 탄탈륨실리나이트라이드내의 질소 농도가 28원자농도% 이하인 탄탈륨실리나이트라이드 박막이, 확산방지 및 접착력 향상을 위하여, 소스 및 드레인 접촉접합의 반도체 및 주배선금속 사이에 사용되는 것을 특징으로 하는 집적 반도체 소자.A sputtering method using a tantalum silicide (Ta 5 Si 3 ) target, by depositing tantalum silicide (TaSiN x ) while varying the flow rate of nitrogen gas from 0 to 10% for the total flow rate of nitrogen and argon gas, An integrated semiconductor device comprising a tantalum silicide nitride thin film having a nitrogen concentration of 28 atomic% or less in tantalum silicide nitride is used between the semiconductor of the source and drain contact junctions and the main wiring metal for preventing diffusion and improving adhesion. . 탄탈륨실리사이드(Ta5Si3) 타겟을 사용한 스파터링 방법으로, 질소 및 알곤 가스의 전체 유량에 대한 질소 가스의 유량을 0 에서 10%까지변화시키면서 탄탈륨실리나이트라이드(TaSiNx)를 증착하여, 상기 탄탈륨실리나이트라이드내의 질소 농도가 0 내지 43원자농도%가 되는 상기 탄탈륨실리나이트라이드 박막이, 반도체 소자중의 층간절연층 및 하부금속사이에 확산 방지막으로 사용되므로써, 층간절연층/탄탈확산방지막/주배선금속으로 이루어진 금속배선이 2층 이상으로되어 있는 다층 금속 배선을 가지는 집적 반도체 소자.A sputtering method using a tantalum silicide (Ta 5 Si 3 ) target, depositing tantalum silicide (TaSiN x ) while varying the flow rate of nitrogen gas from 0 to 10% with respect to the total flow rate of nitrogen and argon gas, and The above-mentioned tantalum silicide nitride thin film having a nitrogen concentration of 0 to 43 atomic concentration% in tantalum silicide nitride is used as a diffusion barrier between the interlayer insulating layer and the underlying metal in the semiconductor device, whereby the interlayer insulating layer / tantal diffusion barrier / An integrated semiconductor device having a multi-layer metal wiring in which two or more metal wirings made of a main wiring metal are formed. 탄탈륨실리사이드(Ta5Si3) 타겟을 사용한 스파터링 방법으로, 질소 및 알곤 가스의 전체 유량에 대한 질소 가스의 유량을 0 에서 10%까지변화시키면서 탄탈륨실리나이트라이드(TaSiNx)를 증착하여, 상기 탄탈륨실리나이트라이드내의 질소 농도가 40원자농도% 이상이 되는 상기 탄탈륨실리나이트라이드 박막이, 구리금속아래에 직접 접촉하는 금속 배선을 구비하는 집적 반도체 소자.A sputtering method using a tantalum silicide (Ta 5 Si 3 ) target, depositing tantalum silicide (TaSiN x ) while varying the flow rate of nitrogen gas from 0 to 10% with respect to the total flow rate of nitrogen and argon gas, and An integrated semiconductor device comprising: a metal wiring in which the tantalum silicide nitride thin film having a nitrogen concentration of at least 40 atomic percent in tantalum silicide nitride is in direct contact with a copper metal. 제 1 항에 의하여 제조된 탄탈륨실리나이트라이드 확산방지막을 이용한 반도체 소자의 접합배선 방법으로서,A junction wiring method of a semiconductor device using the tantalum silicide nitride diffusion prevention film prepared according to claim 1, 반도체 기판상에 분리산화막을 형성하고, 소스 및 드레인의 접촉창을 식각한 후, 불순물을 주입하여 소스 및 드레인을 형성하고, 상기 소스 및 드레인 접촉창을 열산화막으로 덮는 단계와,Forming a separation oxide film on the semiconductor substrate, etching the contact windows of the source and drain, implanting impurities to form the source and drain, and covering the source and drain contact window with a thermal oxide film; 게이트부분을 다시 식각하고, 게이트 산화막을 형성하는 단계와,Etching the gate portion again to form a gate oxide film; 상기 게이트에 금속을 증착하고, 전 기판상에 게이트 금속보호막을 도포한 후, 상기 소스 및 드레인 접촉창 부분을 다시 식각하는 단계와,Depositing a metal on the gate, applying a gate metal protective film on the entire substrate, and then etching the source and drain contact window portions again; 상기 게이트 윗면을 제외한 전 기판상에 제 1 항에 의하여 제조되는 탄탈확산 방지막을 도포하는 단계 및Applying a tantalum diffusion barrier film prepared by claim 1 on all substrates except the upper surface of the gate; and 상기 소스 및 드레인상에 구리, 알루미늄, 은 및 텅스텐중 하나로 구성되는 주금속 배선을 도포하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집적 반도체 소자의 소스 및 드레인 접촉공정.Source and drain contact process of the integrated semiconductor device, characterized in that the step of applying a main metal wiring consisting of one of copper, aluminum, silver and tungsten on the source and drain. 제 1 항에 의하여 제조되는 탄탈륨실리나이트라이드 확산방지막을 이용한 집적 반도체 소자의 다층 금속 배선방법으로서,A multi-layer metal wiring method of an integrated semiconductor device using the tantalum silicide nitride diffusion barrier film prepared according to claim 1, 반도체 기판상에 분리산화막을 형성하고, 소스 및 드레인의 접촉창을 식각한 후, 불순물을 주입하여 소스 및 드레인을 형성하고, 상기 소스 및 드레인 접촉창을 열산화막으로 덮는 제 1 단계와,Forming a separation oxide film on the semiconductor substrate, etching the contact windows of the source and drain, implanting impurities to form a source and a drain, and covering the source and drain contact window with a thermal oxide film; 게이트부분을 다시 식각하고, 게이트 산화막을 형성하는 제 2 단계와,Etching the gate portion again to form a gate oxide film; 상기 게이트에 금속을 증착하고, 전 기판상에 게이트 금속보호막을 도포한 후, 상기 소스 및 드레인 접촉창 부분을 다시 식각하는 제 3 단계와,Depositing a metal on the gate, applying a gate metal protective film on the entire substrate, and then etching the source and drain contact window portions again; 상기 게이트 윗면을 제외한 전 기판상에 제 1 항에 의하여 제조되는 탄탈확산 방지막을 도포하는 제 4 단계와,A fourth step of applying a tantalum diffusion prevention film manufactured by claim 1 on all substrates except the upper surface of the gate; 상기 소스부분에 구리, 알루미늄, 은 및 텅스텐중 하나로 구성되는 주금속 배선을 도포하는 제 5 단계와,A fifth step of applying a main metal wiring composed of one of copper, aluminum, silver and tungsten to the source portion; 상기 전 기판면에 층간절연박막을 도포하는 제 6 단계와,A sixth step of applying an interlayer insulating thin film to all the substrate surfaces; 상기 드레인 측의 상기 층간절연박막을 다시 식각하고, 전면에 상기 탄탈확산방지막을 도포하는 제 7 단계와,A seventh step of etching the interlayer insulating thin film on the drain side and applying the tantalum diffusion preventing film to the entire surface; 상기 탄탈확산방지막상에 주금속배선을 도포하는 제 8 단계 및An eighth step of applying a main metal wiring on the tantalum diffusion barrier; and 층간절연막/탄탈확산반지막/주배선금속층이 2층이상이 되도록, 상기 6 내지 8 단계를 2회이상 반복한 후, 그 위에 보호막을 형성시키는 제 9 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 다층 금속배선 방법.And a ninth step of repeating steps 6 to 8 two or more times so that the interlayer insulating film / tantalum diffusion ring film / main wiring metal layer is two or more layers, and then forming a protective film thereon. Wiring method.
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