KR100274603B1 - 반도체장치의제조방법및그의제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콘택홀 영역의 접촉 저항 및 스텝 카버리지를 향상시키는 반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치에 관한 것으로, 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막을 식각 하여 배선간의 상호연결을 위한 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀을 포함하여 층간절연막 상에 옴성 접촉용 도전막을 형성하며, 상기 도전막 상부 표면을 질화 시켜서 상기 도전막에 대한 보호막을 형성한다. 이어서, 상기 보호막 상에 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)방법을 사용하여 금속 배리어막을 형성한다. 이와 같은 반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치에 의해서, 금속 배리어막을 원자층 증착(ALD) 방법으로 형성함으로써 500 ℃ 이하의 낮은 온도에서 우수한 스텝 카버리지를 갖고 불순물이 함유되지 않은 안정된 금속 배리어막을 형성할 수 있고, 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 금속 배이어막을 형성하기 전에 보호막을 형성함으로써 불순물에 의한 상기 옴성 접촉용 도전막의 손상을 방지할 수 있다.

Description

반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치(A Method of Fabricating Semiconductor Device and an Apparatus of Fabricating the same)
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 배선간의 상호연결을 위한 콘택 형성시 옴성 접촉막(ohmic contact layer)과 금속 배리어막(metal barrier layer)을 순차적으로 형성하는 반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 회로가 고집적화 됨에 따라 기존의 박막 증착 공정의 개선이 요구된다. 특히, 이 분야에서 잘 알려진 콘택(contact) 및 비아(via), 트렌치(trench) 등에 사용되는 옴성 접촉용 도전막/금속 배리어막은 콘택홀(contact hole)이 크기가 작아질수록 즉, 콘택홀의 가로 세로의 비(aspect ratio)가 증가될수록 우수한 스텝 카버리지(step coverage)가 요구된다.
또한, 증착률(deposition rate)의 조절에 의한 증착 두께의 조절도 Å 단위의 오차 내에서 재현성 있게 증착할 수 있는 새로운 공정이 요구된다.
상기 옴성 접촉용 도전막/금속 배리어막으로서 통용되고 있는 Ti/TiN(또는 Ti/WN)막은 스퍼터링(sputtering) 방법으로 형성되기 때문에 상기 스텝 카버리지 문제점을 해결할 수 없고, 원자 단위의 두께 컨트롤 또한 어렵다. 그리고, 스텝 카버리지 측면에서 상기 스퍼터링보다 우수한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, 이하 CVD) 방법으로 상기 Ti막을 형성하는 경우 플라즈마(plasma) CVD를 사용해야 하는 단점 및 CVD 방법으로 상기 TiN(WN)을 형성하는 경우 Cl(F) 불순물 함유의 문제가 발생된다.
이때, 상기 불순물 함유 문제를 해결하기 위해 Steven D. Marcus et al., "CHARACTERIZATION OF LOW PRESSURE CHEMICALLY VAPOR-DEPOSITED TUNGSTEN NITRIDE FILMS"(p. 330 ~ 333, Thin Solid Films 236, 1993)에 게재된 바와 같이 WN막 형성 온도를 650 ℃ 이상으로 증가시켜야 하고, 이때 써멀 버짓(thermal budget) 및 장비의 유지, 그리고 파티클(particle) 등의 문제점이 발생된다.
그리고, 상기 플라즈마 CVD는 써멀 CVD에 비해 스텝 카버리지 면에서 불리하다.
따라서, 소자의 고집적화를 위해서는 상기 문제점들을 극복할 수 있는 공정이 필수적으로 요구된다.
T. Suntola et al., "METHOD FOR PRODUCING COMPOUND THIN FILMS"(U. S. P 4058430, 1977)에 게재된 바와 같이 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, 이하 ALD)는 상기 문제점들을 해결할 수 있는 신 공정으로 대두되고 있다.
상기 ALD는 CVD 와 같은 화학 반응을 사용하는 증착 방법이나, 사용되는 각각의 가스가 챔버(chamber) 내에서 혼합되지 않고 한 종류씩 펄스(pulse)로 유입된다.
예를 들어, A 가스 및 B 가스를 사용하여 C막을 형성하는 경우, 먼저 챔버에 A 가스만을 유입시켜서 반도체 기판 상에 상기 A 가스를 화학 흡착(chemisorption) 시키고, 다음 B 가스를 유입시켜서 상기 B 가스를 상기 반도체 기판 상에 화학 흡착시킴으로써 상기 원자층 C막을 형성하게 된다.
이 때문에 어떠한 몰폴로지(morphology)를 갖는 표면이라 하더라도 항상 100 ％의 스텝 카버리지를 갖게 된다.
상기 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 형성된 TiN 막은 M. Ritala et al., "ATOMIC LAYER EPITAXY GROWTH OF TiN THIN FILMS"(J. Electrochem. Soc., Vol. 142, No. 8, p. 2731 ~ 2737, 1995)에 게재된 바와 같이, CVD방법을 사용하여 형성된 TiN 막보다 낮은 온도인 500 ℃에서 불순물을 함유하지 않도록 형성된다는 것이 이미 검증된 바 있다.
한편, 상기 옴성 접촉용 도전막인 Ti막은 현재 기술로는 상기 원자층 증착(ALD) 방법으로 증착할 수 없다.
따라서, 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 TiN 형성 이전에 원자층 증착(ALD)가 아닌 다른 방법 예를 들어, 스퍼터링 등으로 Ti막을 형성하고, 인 시츄(in-situ)로 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 TiN 형성 공정을 수행하는 클러스터 툴(cluster tool)이 요구된다.
이때, 상기 Ti막 상에 바로 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 TiN막을 형성하는 경우, 일반적으로 사용되는 상기 ALD-TiN(WN)막 형성을 위한 프리커서인 TiCl4(WF6)의 Cl(F)에 의해 상기 Ti막이 손상되는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 500 ℃ 이하의 저온에서 우수한 스텝 카버리지를 갖고 불순물이 함유되지 않은 금속 배리어막을 형성할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 금속 배리어막 형성시 옴성 접촉막의 손상을 방지할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 옴성 접촉막 및 금속 배리어막을 인 시츄로 형성할 수 있는 반도체 제조 장치를 제공함에 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 순차적으로 보여주는 단면도;
도 2a 내지 도 2f는 도 1c의 원자층 증착 방법을 사용하여 형성되는 금속 배리어막 형성 공정을 순차적으로 보여주는 단면도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 구성을 보여주는 도면;
도 4는 콘택홀의 크기에 따른 CVD 배리어막 및 원자층 증착 방법을 사용하여 형성되는 금속 배리어막의 스텝 카버리지를 비교하여 보여주는 그래프;
도 5a 내지 도 5b는 CVD 배리어막 및 원자층 증착 방법을 사용하여 형성되는 금속 배리어막의 스텝 카버리지를 비교하여 보여주는 SEM 단면도;
도 6은 CVD 배리어막 및 원자층 증착 방법을 사용하여 형성되는 금속 배리어막의 온도 변화에 따른 F 함량을 비교하여 보여주는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 반도체 기판 12 : 층간절연막
14 : 콘택홀 16 : 옴성 접촉용 도전막
18 : 보호막 20, 28 : 금속 배리어막
22, 30 : TiCl4(WF6) 24 : Ar(N2)
26 : NH3(N2H4) 27 : HCl(HF)
50 : 로드 락 챔버 51 : 옴성 접촉용 도전막 형성용 챔버
52 : 보호막 형성용 챔버 53 : ALD-금속 배리어막 형성용 챔버
54 : 트랜스퍼 챔버
(구성)
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 반도체 장치의 제조 방법은, 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막을 식각 하여 배선간의 상호연결을 위한 콘택홀을 형성하는 단계와; 상기 콘택홀을 포함하여 상기 층간절연막 상에 옴성 접촉용 도전막을 형성하는 단계와; 상기 도전막의 상부 표면을 질화 시켜서 상기 도전막에 대한 보호막을 형성하는 단계와; 상기 보호막 상에 원자층 증착 방법을 사용하여 금속 배리어막을 형성하는 단계를 포함한다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 도전막은, Ti막이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 도전막은, 스퍼터링 및 PE-CVD 중 어느 하나에 의해 형성된다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, TiN막이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, N2 및 NH3 중 어느 하나의 분위기에서 RTN으로 형성된다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, N2 및 NH3 중 어느 하나의 분위기에서 플라즈마로 형성된다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 원자층 증착 방법으로 형성되는 상기 금속 배리어막의 형성 단계는, 상기 보호막 상에 제 1 프리커서를 화학 흡착시키는 단계와; 상기 보호막 상에 화학 흡착되지 않은 제 1 프리커서를 퍼지시키는 단계와; 상기 보호막 상에 제 2 프리커서를 화학 흡착시키는 단계와; 상기 보호막 상에 흡착되지 않은 제 2 프리커서를 퍼지 시키는 단계와; 상기 제 1 프리커서 및 제 2 프리커서를 리간드 교환 반응시키는 단계와; 상기 반응에 의해 생성된 부산물을 퍼지 시키는 단계를 포함한다. 이때, 상기 단계들을 하나의 사이클로 하여 반복하여 수행함으로써 원하는 두께의 금속 배리어막을 형성한다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 프리커서는, Ti 프리커서 및 W 프리커서 중 어느 하나이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 Ti 프리커서는, TiCl4 등의 Halid계 물질, 그리고 금속 유기체 물질 중 어느 하나이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 W 프리커서는, WF6이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 2 프리커서는, N 프리커서이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 N 프리커서는, NH3 및 N2H4 중 어느 하나이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 퍼지 가스는, 아르곤 및 질소 중 어느 하나이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 반도체 장치의 제조 방법은, 배선간의 상호연결 형성시 옴성 접촉용 도전막과, 상기 도전막 상에 ALD 금속 배리어막을 순차적으로 형성하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 ALD 금속 배리어막 형성시 사용되는 프리커서의 리간드에 의해 상기 옴성 접촉용 도전막이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막을 형성한다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, 금속 질화막이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, 상기 옴성 접촉용 도전막의 상부 표면을 질화 시켜서 형성한다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, TiN 막이다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, N2 및 NH3 중 어느 하나의 분위기에서 RTN 으로 형성된다.
이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막은, N2 및 NH3 중 어느 하나의 분위기에서 플라즈마로 형성된다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 반도체 제조 장치는, 배선간의 상호연결을 위한 콘택홀에 옴성 접촉용 도전막 및 금속 배리어막이 순차적으로 형성되는 반도체 제조 장치에 있어서, 공정 대상물을 공정 챔버로 로딩 시키는 로드 락 챔버와; 옴성 접촉용 도전막을 형성하기 위한 챔버와; 상기 옴성 접촉 도전막에 대한 보호막을 형성하기 위한 챔버와; 금속 배리어막을 형성하기 위한 챔버와; 인 시츄 공정을 위해 상기 공정 대상물을 각 챔버로 이동시키는 트랜스퍼 챔버를 포함한다.
이 제조 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 옴성 접촉용 도전막 형성 챔버는, Ti 스퍼터링 챔버 및 Ti 플라즈마-CVD 챔버 중 어느 하나이다.
이 제조 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호막 형성 챔버는, RTN 챔버 및 질화막 형성용 플라즈마 챔버 중 어느 하나이다.
이 제조 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 배리어막 형성 챔버는, ALD-TiN 챔버 및 ALD-WN 챔버 중 어느 하나이다.
이 제조 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 배리어막 형성 챔버는, 한 번의 공정 단계에서 다수의 웨이퍼에 대해 각각의 금속 배리어막을 형성시키는 배치형 챔버이다.
이 제조 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 배리어막 형성 챔버의 온도는, 약 300 ~ 600 ℃ 범위 내로 사용된다.
이 제조 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 배리어막 형성 챔버의 압력은, 약 5 mtorr ~ 10 torr 범위 내로 사용된다.
이 제조 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 반도체 제조 장치는, 디개싱 챔버와; Al-CVD 챔버와; W-CVD 챔버를 더 포함한다.
(작용)
본 발명에 의한 반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치는 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 콘택홀에 형성되는 금속 배리어막을 500 ℃ 이하의 온도에서 불순물이 없고 우수한 스텝 카버리지를 갖도록 형성하고, 금속 배리어막 형성시 옴성 접촉막의 손상을 방지한다.
(실시예)
도 1c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 신규한 반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치는, 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막을 식각 하여 배선간의 상호연결을 위한 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀을 포함하여 층간절연막 상에 옴성 접촉용 도전막을 형성하며, 상기 도전막 상부 표면을 질화 시켜서 상기 도전막에 대한 보호막을 형성한다. 이어서, 상기 보호막 상에 원자층 증착(ALD) 방법을 금속 배리어막을 형성한다. 이와 같은 반도체 장치의 제조 방법 및 그의 제조 장치에 의해서, 상기 금속 배리어막을 원자층 증착(ALD) 방법으로 형성함으로써 500 ℃ 이하의 낮은 온도에서 우수한 스텝 카버리지를 갖고 불순물이 함유되지 않은 안정된 금속 배리어막을 형성할 수 있고, 상기 ALD 금속 배리어막 형성 전에 보호막을 형성함으로써 상기 ALD 금속 배리어막 형성시 불순물에 의한 상기 옴성 접촉용 도전막의 손상을 방지할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 순차적으로 보여주는 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법은 먼저, 반도체 기판(10) 상에 층간절연막(12)을 형성한다.
상기 층간절연막(12)을 식각 하여 배선간의 상호연결을 위한 콘택홀(14)을 형성한다.
그리고, 상기 콘택홀(14)을 포함하여 상기 층간절연막(12) 상에 옴성 접촉용 도전막(16)으로서, 여기서는 Ti막(16)을 형성한다.
이때, 상기 Ti막(16)은, Ti-스퍼터링 또는 Ti-플라즈마 CVD 방법 등으로 형성한다. 상기 Ti-플라즈마 CVD 방법의 경우 TiCl4와 반응 가스를 혼합하여 챔버에 유입시키고 플라즈마 반응을 통해 상기 Ti막(16)을 형성시킨다.
상기 반응 가스는, H2 및 SiH4, 그리고 Si2H6 등의 가스를 Ar 가스와 혼합하여 사용한다.
상기 두 가지 방법에 의해 형성된 Ti막(16)은 원자층 증측(ALD) 방법에 의해 형성되는 막과 같이 우수한 스텝 카버리지를 얻을 수는 없으나, TiSi 옴성 접촉막을 형성하기 위해 미량의 Ti막을 형성하면 되므로 큰 문제가 되지 않는다.
다음, 도 1b에 있어서, 상기 Ti막(16) 상에 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 금속 배리어막(20) 형성하기 전에 상기 Ti막(16)의 손상을 방지하기 위해서 보호막(18)을 형성한다.
상기 보호막(18)은, 원자층 증팍(ALD) 방법을 사용하여 상기 금속 배리어막(20) 형성시 사용되는 프리커서(precursor) 예를 들어, TiN막의 경우 TiCl4의 Cl 성분 또는 WN막의 경우 WF6의 F 성분이 상기 Ti막(16)을 부식시키는 등 손상을 유발하게 되므로 이를 방지하기 위해 형성된다.
상기 보호막(18)은, 상기 Ti막(16)의 상부 표면을 질화(nitridation)시킴으로써 형성되는 금속 질화막으로서, N2 또는 NH3 등의 분위기에서 RTN(Rapid Thermal Nitridation) 시키는 방법과 N2 또는 NH3 등의 분위기에서 플라즈마 처리하는 방법 등이 있다.
마지막으로, 상기 보호막(18)인 TiN막(18) 상에 원자층 증팍(ALD) 공정으로 금속 배리어막(20)인 TiN막(WN막)(20)을 형성하면 도 1c에 도시된 바와 같이, 상호연결을 위한 옴성 접촉막/금속 배리어막이 형성된다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1c의 원자층 증팍(ALD) 방법을 사용하는 금속 배리어막(20) 형성 공정을 순차적으로 보여주는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 상기 상호연결을 위한 옴성 접촉막/금속 배리어막을 인 시츄로 형성하기 위한 클러스터 툴은 로드 락 챔버(load lock chamber)(50)와, Ti막 형성용 챔버(51)와, TiN 보호막 형성용 챔버(52)와, ALD-금속 배리어막(20) 형성용 챔버(53)와, 트랜스퍼 챔버(transfer chamber)(54)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 로드 락 챔버(50)에 웨이퍼 카세트(wafer cassette)가 로딩(loading)되면 원하는 레벨(level)까지 진공(vacuum)을 형성한 후 상기 Ti막 형성용 챔버(51) 및 상기 보호막 형성용 챔버(52)에서 각각 상기 Ti막(16) 및 TiN막(18)을 형성한다.
상기 Ti막 형성용 챔버(51)는, Ti-스퍼터링 챔버 및 Ti-플라즈마 증착(deposition) 챔버 중 어느 하나이다. 그리고, 상기 보호막 형성용 챔버(52)는, RTN 챔버 및 N2 또는 NH3을 사용하는 플라즈마 챔버 중 어느 하나이다.
또한, 상기 ALD-금속 배리어막 형성용 챔버(53)는, ALD-TiN 챔버 및 ALD-WN 챔버 중 어느 하나이다.
상기 트랜스퍼 챔버(54)는, 상기 웨이퍼 카세트를 각 챔버로 이동시키기 위한 챔버이다.
다시 말해, 상기 클러스터 툴의 구성은 상기 트랜스퍼 챔버(54)를 중심으로 로드 락 챔버(50)와, Ti 스퍼터링 챔버(51)와, RTN 챔버(52)와, ALD-TiN(WN) 챔버(53)를 포함하여 구성되거나, 상기 트랜스퍼 챔버(54)를 중심으로 로드 락 챔버(50)와, Ti 플라즈마 증착 챔버(51)와, RTN 챔버(52)와, ALD-TiN(WN) 챔버(53)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 클러스터 툴의 구성은 상기 트랜스퍼 챔버(54)를 중심으로 로드 락 챔버(50)와, Ti 스퍼터링 챔버(51)와, N2 또는 NH3 플라즈마 챔버(52)와, ALD-TiN(WN) 챔버(53)를 포함하여 구성되거나, 상기 트랜스퍼 챔버(54)를 중심으로 로드 락 챔버(50)와, Ti 플라즈마 증착 챔버(51)와, N2 또는 NH3 플라즈마 챔버(52)와, ALD-TiN(WN) 챔버(53)를 포함하여 구성된다.
도 2a를 참조하면, 상기 ALD-금속 배리어막 형성용 챔버(53)에 웨이퍼를 이동시킨 후, 챔버(53)가 약 300 ~ 600 ℃의 온도 및 5 mtorr ~ 10 torr의 압력이 되도록 조절한다.
그리고, 상기 ALD-금속 배리어막 형성용 챔버(53)에 Ti 프리커서(W 프리커서)(22)만을 유입시켜서 상기 보호막(18) 표면에 상기 Ti 프리커서(W 프리커서)(22)를 화학 흡착(chemisorption)시킨다.
이때, 상기 Ti 프리커서(22)는, TiCl4 등의 할리드계(halid) 물질 또는 Ti를 함유한 금속 유기체(metalorganic) 물질을 사용한다. 그리고, 상기 W 프리커서(22)는 WF6을 사용한다.
다음, 도 2b에 있어서, 상기 보호막(18) 표면에 화학 흡착되지 않은 잔존 Ti 프리커서(W 프리커서)(22)를 Ar 또는 N2 가스(24a)를 사용하여 퍼지(purge)시킨다.
도 2c를 참조하면, 이번에는 상기 ALD-금속 배리어막 형성용 챔버(53)에 N 프리커서(26)인 반응 가스 NH3 또는 N2H4(26)를 유입시켜서 상기 보호막(18) 상에 화학 흡착시킨다.
마찬가지로, 도 2d에 있어서, 상기 보호막(18) 상에 화학 흡착되지 않은 잔존 N 프리커서(26)를 상기 Ar 또는 N2 가스(24b)를 사용하여 퍼지 시킨다.
상기 반도체 기판(10) 상에 화학 흡착되어 있는 Ti 프리커서(W 프리커서)(22) 및 N 프리커서(26)를 리간드 교환 반응(ligand exchange reaction) 되도록 하여 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(10) 상에 원자층인 상기 TiN(WN) 금속 배리어막(28)을 형성한다.
이때, 상기 리간드 교환 반응에 의해 형성된 부산물(byproduct)로서, 리간드(ligand) Cl(F)(22b)과 H(26b)의 결합물인 HCl(HF)(27)을 상기 Ar 또는 N2 가스(24c)를 사용하여 퍼지 시킨다.
상술한 바와 같은 단계들이 상기 TiN 금속 배리어막(WN 금속 배리어막)(28)을 형성하기 위한 하나의 사이클(cycle)이 되고, 이러한 사이클을 반복함으로써 원하는 두께의 TiN 금속 배리어막(28)을 형성하게 된다. 도 2f는 상기 일 사이클에 의해 TiN 막 형성 후 다시 TiCl4(WF6)를 유입하여 상기 TiN 막 상에 화학 흡착시키는 단계를 보여준다.
이때, 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하는 상기 TiN(WN) 형성 공정은 증착률이 느리고, 또한 화학 흡착 메커니즘(mechanism)을 사용하여 챔버의 구조나 가스 유체 다이내믹(gas fluid dynamic)에 영향을 받지 않기 때문에 한꺼번에 많은 수의 웨이퍼에 대해 공정을 진행하는 배치형(batch type)으로 수행할 수 있다. 한편, 상기 Ti막(16) 및 TiN막(18) 형성은 단일 웨이퍼 형(single wafer type)으로 수행된다.
또한, 상기 클러스터 툴은, 후속 금속 배선 형성을 위한 Al-CVD 챔버와, W-CVD 챔버 및 디개싱 챔버(degassing chamber)를 더 포함하도록 형성할 수 있다.
도 4는 콘택홀(14)의 크기에 따른 CVD 금속 배리어막 및 원자층 증착 방법으로 형성되는 금속 배리어막의 스텝 카버리지를 비교하여 보여주는 그래프이고, 도 5a 내지 도 5b는 CVD 금속 배리어막 및 원자층 증착 방법으로 형성되는 금속 배리어막의 스텝 카버리지를 비교하여 보여주는 SEM(Scanning Electronic Microscope) 단면도이다.
도 4를 참조하면, 동일한 양의 WF6(10sccm), NH3(500sccm), 그리고 N2(100sccm) 가스를 사용하고, 기판 온도를 400℃로 설정했을 때 콘택 깊이 1.2 ㎛에 대한 가로 세로 비(aspect ratio)가 증가할수록 종래 CVD-WN의 스텝 카버리지(참조 번호 56a)와 원자층 증착 방법으로 형성되는 상기 WN(28)의 스텝 카버리지(참조 번호 56b) 모두 감소하는 경향을 보이나, 원자층 증착 방법으로 형성되는 상기 WN(28)이 스텝 카버리지(참조 번호 56b)가 상기 CVD-WN의 스텝 카버리지(참조 번호 56a)에 비해 전체적으로 우수한 특성을 보인다.
이때, 원자층 증착 방법으로 형성되는 상기 WN의 스텝 카버리지가 100 ％에 도달하지 못하는 것은 공정 상의 오차로서 특히, 불완전한 퍼지 때문이다. 즉, 퍼지가 불충분한 경우 원자층 증착(ALD) 방법과 화학 기상 증착(CVD) 방법, 두 가지 메커니즘이 혼용되어 박막을 증착하게 되므로 결과적으로 스텝 카버리지를 포함한 여러 가지 특성 열화를 발생시키게 된다.
상기 CVD 방법으로 형성된 WN막은 도 5a에 도시된 바와 같이, 콘택홀 입구 에지(edge) 부분에 더 두껍게 형성되는 등 불균일한 두께로 막이 증착되는 경향을 보이는 반면, 상기 원자층 증착(ALD) 방법으로 형성된 WN막은 도 5b에 도시된 바와 같이, 콘택홀 입구를 포함하여 콘택홀 내벽 즉, 콘택홀 하부 및 양측벽에 균일한 두께로 형성되어 우수한 스텝 카버리지를 보여준다.
도 6은 CVD 금속 배리어막 및 원자층 증착 방법으로 형성되는 금속 배리어막의 형성 온도 변화에 따른 F 함량을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 동일한 양의 WF6(10sccm), NH3(500sccm), 그리고 N2(100sccm) 가스를 사용하고, WN 막 형성 온도를 200 ℃에서 400 ℃로 점차 증가시킴에 따라 변화되는 상기 WN 막 내의 F 성분의 함량을 XPS로 분석한 것으로서, CVD-WN에 대한 F 성분의 함량 그래프(58a)는 300 ℃까지 증가하는 경향을 보이고, 그 이상의 온도인 400 ℃ 까지 그 함량이 거의 일정하게 유지된다.
반면, 원자층 증착 방법으로 형성되는 상기 WN에 대한 F 성분의 함량 그래프(58b)는 300 ℃까지 상기 CVD-WN과 비슷한 분포를 보이다가 상기 온도 300 ℃ 이후 급격한 감소를 보이고, 상기 온도 400 ℃에서 XPS 검출 한계(0.0) 아래로 F 함량이 줄어들게 된다.
이것은 상기 CVD-WN이 F를 함유하지 않도록 형성하기 위한 650 ℃ 이상의 고온에 비해 150 ℃ 정도 낮은 온도로서, F를 함유하지 않은 WN 막의 저온 증착 공정이 가능함을 나타낸다.
본 발명은 500 ℃ 이하의 낮은 온도에서 우수한 스텝 카버리지를 갖고 불순물이 함유되지 않은 안정된 금속 배리어막을 형성할 수 있고, 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 금속 배리어막 형성시 불순물에 의한 상기 옴성 접촉용 도전막의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막을 식각 하여 배선간의 상호연결을 위한 콘택홀을 형성하는 단계와;
    상기 콘택홀을 포함하여 상기 층간절연막 상에 옴성 접촉(ohmic contact)용 도전막을 형성하는 단계와;
    상기 도전막의 상부 표면을 질화 시켜서 상기 도전막에 대한 보호막을 형성하는 단계와;
    상기 보호막 상에 원자층 증착 방법을 사용하여 금속 배리어막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전막은, Ti막인 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전막은, 스퍼터링 및 PE-CVD 중 어느 하나에 의해 형성되는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막은, TiN막인 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막은, N2 및 NH3 중 어느 하나의 분위기에서 RTN으로 형성되는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막은, N2 및 NH3 중 어느 하나의 분위기에서 플라즈마로 형성되는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    원자층 증착 방법으로 형성되는 상기 금속 배리어막의 형성단계는,
    상기 보호막 상에 화학 흡착되지 않은 제 1 프리커서를 퍼지(purge)시키는 단계와;
    상기 보호막 상에 제 2 프리커서를 화학 흡착시키는 단계와;
    상기 보호막 상에 흡착되지 않은 제 2 프리커서를 퍼지 시키는 단계와;
    상기 제 1 프리커서 및 제 2 프리커서를 리간드 교환 반응(ligand exchange reaction)시키는 단계와;
    상기 반응에 의해 생성된 부산물(byproduct)을 퍼지 시키는 단계를 포함하고,
    상기 단계들을 하나의 사이클로 하여 반복하여 수행함으로써 원하는 두께의 금속 배리어막을 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 프리커서는, Ti 프리커서 및 W 프리커서 중 어느 하나인 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 Ti 프리커서는, TiCl4 등의 Halid계 물질, 그리고 금속 유기체 물질 중 어느 하나인 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 W 프리커서는, WF6인 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 프리커서는, N 프리커서인 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 N 프리커서는, NH3 및 N2H4 중 어느 하나인 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는, 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 중 어느 하나인 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 배선간의 상호연결을 위한 콘택홀에 옴성 접촉용 도전막 및 금속 배리어막이 순차적으로 형성되는 반도체 제조 장치에 있어서,
    공정 대상물을 공정 챔버로 로딩 시키는 로드락 챔버와;
    옴성 접촉용 도전막을 형성하기 위한 챔버와;
    상기 옴성 접촉 도전막에 대한 보호막을 형성하기 위한 챔버와;
    금속 배리어막을 형성하기 위한 챔버와;
    인 시츄 공정을 위해 상기 공정 대상물을 각 챔버로 이동시키는 트랜스퍼 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 옴성 접촉용 도전막 형성 챔버는, Ti 스퍼터링 챔버 및 Ti 플라즈마-CVD 챔버 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 보호막 형성 챔버는, RTN 챔버 및 질화막 형성용 플라즈마 챔버 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 배리어막 형성 챔버는, ALD-TiN 챔버 및 ALD-WN 챔버 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 배리어막 형성 챔버는, 한 번의 공정 단계에서 다수의 웨이퍼에 대해 각각의 금속 배리어막을 형성시키는 배치형 챔버인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 배리어막 형성 챔버의 온도는, 약 300 ~ 600 ℃ 범위 내로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 배리어막 형성 챔버의 압력은, 약 5 mtorr ~ 10 torr 범위 내로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 반도체 제조 장치는, 디개싱 챔버와;
    Al-CVD 챔버와;
    W-CVD 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치.
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