KR100296533B1 - 실란의사용없이진공챔버내에서wf6환원에의해수행되는텅스텐cvd공정중에서의텅스텐핵형성방법 - Google Patents

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Abstract

텅스텐과 같은 내열 금속의 핵 형성이 반응 온도 및 반응 압력으로 상승된 금속을 포함하는 반응 가스의 도입에 앞서 CVD 반응로 내로 수소를 도입함으로써, 실란의 사용 없이 TiN 기판 상에 이루어지기 시작한다. 이러한 방법은 패터닝된 TiN으로 코팅된 실리콘 반도체 웨이퍼 상에 텅스텐을 CVD 할 때 가장 유용하다.
대안으로서, 수소가 WF6와 같은 금속 포함 가스와의 혼합물로 도입되어 약 4O0℃ 이상의 반응 온도에서 안정화되어 웨이퍼 표면 상에서 수소의 해리를 일으킬 때까지 예를 들면 13N/m2(10OmTorr)의 반응 압력 이하의 압력으로 유지되며, 그 후 핵 형성이 이루어지는 예를 들면 7.8kN/m2(60Torr)의 비교적 높은 반응 압력으로 상승된다. 또한, 텅스텐 막을 증착시키는 환원 반응은 2단계 핵 형성 증착 공정이 필요 없이 수행될 수 있다.

Description

실란의 사용 없이 진공 챔버 내에서 WF6 환원에 의해 수행되는 텅스텐 CVD 공정 중에서의 텅스텐 핵 형성 방법.
실리콘 집적 회로의 제조에 있어서, 패턴이 형성된 웨이퍼상에 바이어스(vias)를 삽입하고 상호 접속시켜서 접점을 형성하는 반도체 웨이퍼에 대한 처리를 수행하는 것이 필요하다. 대개 금속 원소로 된 전도성 물질이 삽입되거나 충전되어야만 하는 홀이나 트렌치의 치수는 통상 1 미크론, 즉 1O-6미터 미만이다. 이러한 바이어스와 접점 홀의 미세한 치수와 가파른 단차부 형성 측면에 기인하여, 스퍼터링과 같은 물리적 증착 방법은 종종 만족스럽지 못하게 되고 비효율적으로 된다.
이러한 바이어스 및 접점 홀을 전도성 물질로 충전시켜서 접점을 형성하는 효과적 방법은 텅스텐(W) 원소의 화학 증착(CVD)임이 알려져 있다. 통상 헥사 불화 텅스텐 증기(WF6)의 환원 반응을 포함하는 이러한 방법은, 바이어스 및 접점 홀내에 적당한 막의 공형(共形 ; conformality)을 형성한다.
WF6는 기판 자체에 의해 직접 환원되어 텅스텐이 기판에 막으로 코팅될 수 있다. 이것은 기판이 WF6와 반응하여 직접 WF6를 환원시키거나 기판이 단원자 수소를 발생시키는 경우에 발생될 수 있다. 그러나 실리콘과 같은 기판인 경우에, 초기의 막이 웨이퍼를 코팅함에 따라 반응이 대체로 천천히 이루어지기 때문에 텅스턴의 제한된 증착 두께가 이루어짐이 알려져 있다. 이러한 경우에, 추가 증착은 H2나 SiH4와 같은 다른 환원제를 사용할 경우에만 이루어질 수 있다.
통상의 CVD 텅스텐 반응은 WF6기체에 대한 환원제로서 수소 가스(H2)를 사용한다. WF6및 H2가스는 통상 냉벽 반응로(cold wall reactor)의 입구 영역에서 미리 혼합되어, 예컨대 450℃ 의 높은 반응 온도에서 유지되는 코팅될 웨이퍼의 표면상으로 안내된다. 이것은 혼합된 가스가 상기 온도에서 웨이퍼에 접촉되면, WF6및 H2는 웨이퍼상에 막으로 증착되는 텅스텐(W) 원소와 처리 챔버 내의 가스 흐름에 의해 웨이퍼 표면으로부터 이격되어 운반되는 불화 수소(HF) 부산가스를 생성하는 반응을 한다.
그러나, 실리콘 및 유전체와 같은 물질에 대한 텅스텐의 융화성은 매우 좋지 않다고 알려져 있다. 텅스텐은 초기에 웨이퍼의 실리콘(Si)과 반응하여, 먼저 규화 텅스텐(WSi)의 박막을 형성하고 밑에 있는 실리콘 층내에 피트(pit)를 생성하여 결함을 발생시킨다. 그 후 텅스텐 원소는 WSi 막에 점착된다.
유전체 물질에 대한 텅스텐의 점착성 또한 좋지 않다고 알려져 있다. 유전체에 대한 텅스텐의 좋지 않은 점착성이나 초기 핵형성의 문제 및 W-Si 반응에 의한 웨이퍼 표면으로부터의 실리콘 소모를 방지하기 위하여, WF6의 환원을 위해 적어도 공정의 초기 단계에서 실란(SiH4)이 사용되고 있다. 그 결과, 텅스텐 막을 따라 형성된 WSi 이 SiH4과 WF6의 반응으로부터 공급되므로, 웨이퍼로부터 보다는 실란으로부터 실리콘이 활용된다. 그 후 이러한 WSi 막 상에 W 층이 증착된다.
그러나 실란은 유해한 물질이므로 법규에 의해 허용되지만 제조 공장내의 그 존재는 바람직하지 않다. 실란은 유독성, 발화성 및 폭발성을 가지며, 안전하게 취급되어 유지하는테 비용이 많이 든다. W CVD 에서의 SiH4의 사용은 실리콘을 텅스텐막 내에 일체화시켜 증착된 텅스텐 막의 저항을 증가시킨다. SiH4는 또한 15℃ 의 저온에서 WF6와 반응하므로 반응로 내의 요구되지 않는 위치 내에 텅스텐의 증착을 발생시켜, 반응로의 세척이 종종 요구되어 반응로의 비가동시간을 증가시켜서 처리량이 감소된다.
대안으로서, 텅스텐 증착에 앞서 실리콘 및 유전체에 점착성을 향상시키는 층이 적용되고 있다. 이러한 층중의 하나는 질화 티타늄(TiN)이다. 반응적으로 스퍼터된 TiN, CVD TiN 및 RTP 로 형성된 TiN 이 유전체 상에 텅스텐을 증착시키기 위한 효과적인 점착층으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, H2가 환원제로 사용되는 경우에, 텅스텐이 TiN 층상에 증착되기 시작하기 전에 때때로 수분에 달하는 상당히 긴 잠복기가 발생된다고 알려져 있다. WF6의 환원을 위해 SiH4를 사용하면, TiN 막상으로의 W 핵 형성이 향상되며 이것은 거의 순간적이다.
TiN 자체가 WF6가스를 환원시켜 약 580℃ 이하의 온도에서는 휘발성을 띠지 않는 불소 화합물을 형성한다. WF6환원 반응은 통상 약 450℃에서 이뤄지므로, 생성된 불소 화합물은 TiN 표면상의 H2해리를 억제하는 웨이퍼 표면에 대한 촉매 및 산소의 작용을 약화시킬 수 있으므로, W 형성 반응을 연장시킨다.
따라서, 반도체 장치의 제조에 있어서, 기판의 TiN 막상에 텅스텐을 핵 형성시키는 보다 효과적인 방법이 요구된다.
본 발명은 화학 증착 공정(chemical vapor deposition processes) 중에서의 텅스텐의 핵 형성(nucleation) 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실란을 사용하지 않고 반도체 웨이퍼상의 질화 티타늄막상에 텅스텐을 핵 형성시키는 방법에 관한 것이다.
제 1 도는 본 발명의 방법이 수행될 수 있는 CVD 반응로를 도시한 도면.
제 2 도는 본 발명의 적합한 일실시예의 온도 및 압력 처리 윈도우를 도시한 그래프.
제 3 도는 대안적 방법들과 본 발명에 따라 생성된 핵 형성 시간을 비교한 그래프.
제 4 도는 코팅과 기판의 상이한 조합에 적용된 본 발명에 따라 생성된 핵 형성 시간을 비교한 그래프.
따라서 본 발명의 주목적은 실란의 사용 없이 반도체 웨이퍼 상의 TiN 층 상으로의 텅스텐의 핵 형성을 향상시키는 방법을 제공하는 것으로서, 보다 상세하게는 WF6환원을 위해 H2를 사용하여 반도체 웨이퍼상의 TiN 층 상으로의 텅스텐의 핵 형성을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 시간의 지연 없이 W 증착 반응을 개시하는 텅스텐 핵 형성 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 TiN 상에 증착되는 텅스텐 막의 질을 손상시키지 않고 텅스텐 CVD 공정을 효과적으로 개시하는 텅스텐 핵 형성 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 실란을 사용하지 않고 기판 상에 금속을 증착시키도록 진공 챔버 내에서 WF6의 환원에 의해 수행되는 텅스텐 CVD 방법에서 텅스텐을 핵 형성시키는 방법은, 챔버 내로 수소를 주입하는 단계와, 상기 챔버 내로 수소를 도입하는 단계와 동시에 또는 그 후에 챔버 내로 WF6을 주입하는 단계와, 챔버 내의 가스의 압력을 WF6환원 반응을 위한 최소 압력 이하의 준반응 압력(subreaction pressure)으로부터 WF6환원 반응 압력으로 상승시키는 단계 및, WF6가스가 최소 반응 압력으로 챔버 내에 존재하기 전에 기판의 온도를 WF6환원 반응 온도로 상승시키는 단계를 포함하며, 준반응 압력으로부터 압력을 증가시키기 전에 기판의 온도는 적어도 수소의 해리 반응 온도로 유지되며 및/또는 상기 최소 반응 압력은 6.7kN/m2(50Torr) 이상이다.
본 발명의 원리에 따르면, WF6의 도입에 앞서 H2가 CVD 반응로의 반응 챔버내로 도입된다. 본 발명에 따르면, H2가 반응로 내로 도입되어 적당한 온도 및 적당한 압력에서 적합하게는 순수한 형태로 또는 대안적으로는 WF6와의 혼합물로 기판과 접촉하게 된다. 온도 및 압력은 H2를 해리시켜 웨이퍼 표면상에 자유 수소(free hydrogen)를 생성할 만큼 충분하므로, 환원 반응이 시작되면 충분한 양의 수소가 WF6와 반응하여 텅스텐을 형성한다. TiFx 와 같은 비휘발성 불화물의 형성은, WF6가스와의 현저한 접촉에 앞서 적당한 압력, 적당한 온도의 H2해리로부터 해리된 수소에 웨이퍼 표면을 노출시킴으로써 방지된다. WF6가 H2와 함께 도입되면, WF6환원 반응에 요구되는 압력 이하로 압력을 유지함으로써 환원 반응이 일어나기 전에 해리가 증진된다. 따라서 저온 고압의 H2와 WF6가스 혼합물이 웨이퍼 표면에 접촉되는 것이 방지된다. 그 결과, 텅스텐의 핵 형성이 TiN 표면 상에 발생되어 핵 형성 공정 단계 후에 텅스텐 증착 단계가 진행되기 보다는 텅스텐의 증착이 단일의 공정 단계로 진행된다.
본 발명의 적합한 실시예에 있어서, H2는 대략 7.8kN/m2(60Torr)의 압력으로 반응로 내에 도입되고, 그 후 H2및 기판의 온도는 적합하게는 약 450℃ 인 처리 온도로 된다. 일반적으로, 보다 높은 압력의 사용은 온도를 낮출 수 있게 하는데, 예를 들면 11.7kN//m2(90Torr)에서 415℃ 또한 26kN/m2(20OTorr)에서 약 390℃ 이다. 상기 제한은 특히 질량 및 온도 유동 특성이 상이한 반응로에 따라 변할 수 있다. 온도 및 압력이 안정화되면, WF6가 도입되어 W 증착이 시작된다.
대안으로서, "WF6와의 혼합물 내의 H2가 환원 반응 압력 미만의 최초 압력, 예컨대 약 0.4kN/m2(3Torr) 이하, 적합하게는 약 13N/m2(10OmTorr)의 압력으로 반응로 내에 도입되고 온도는 약 450℃ 로 된다. 그 후 온도가 안정화됨에 따라 압력이 약 7.8kN/m2(60Torr)으로 증가된다. 그 후 증착이 시작된다.
본 발명의 공정은 WF6가 유용한 시기 또는 그 전의 해리 조건 및 환원 조건에서 H2를 기판의 표면으로 이동시킨다. 그 결과, 비휘발성 불화물이 기판으로부터의 물질과 형성되지 않으며 텅스텐이 기판에 접착되는 것을 방해한다.
본 공정은, 텅스텐 CVD 에 이용되는 전형적인 조건인 13ON/m2(1Torr) 이상의 압력 및 400 내지 650℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것이 적합하다.
본 발명은 CVD 공정에서 실란을 배제하고, 텅스텐 CVD 공정 특히 블랭킷 W 증착 공정에서의 처리량을 증가시키고 또한 텅스텐 CVD 공정을 보다 경제적으로 만드는 장점을 제공한다.
본 발명은 특히 기판 표면상의 W 증착을 방해하거나 WF6을 쉽게 환원시키지 않는 불화물과 같은 비휘발성 물질을 형성하는, 반응적으로 스퍼터된 TiN, CVD, TiN, RTP 로 형성된 TiN 및 기타 유사한 기판 상으로의 텅스텐 CVD를 향상시킨다. 본 방법은 CVD TiN, 반응적으로 스퍼터된 TiN, 및 RTP 로 형성된 TiN 으로 된 기판뿐만 아니라 실리콘, 스퍼터된 TiW 및 질화 실리콘 상의 Ti(Ti on silicon nitride)로 된 기판에 대해 효과적이다.
본 발명에 의하면, 환원 가스에 대한 과다한 노출에 기인한 기판의 손상 없이 H2만을 WF6환원제로서 사용하여 1O 초 내에 예컨대 TiN 층 상으로 핵 형성이 달성된다. 텅스텐 핵 형성 및 텅스텐의 실질적 증착은 개별의 핵 형성 및 증착 단계를 사용하는 두 단계 방법과는 달리 단일 단계로 달성된다.
또한, 본 발명의 텅스텐 핵 형성 방법은 TiN 이 제 1 공정에서 증착되고 제 2 공정으로 이송되기 위하여 진공으로부터 제거되며, 이송 중에 TiN 코팅된 웨이퍼가 산소를 포함하는 분위기에 노출되고 그 후 본 발명의 핵 형성 방법이 사용되는 텅스텐 코팅 처리되는 일련의 방법으로 될 때 유리하며, 본 발명의 방법은 또한 TiN 공정 및 W 코팅 공정이 다중 챔버 클러스터 툴(multichamber cluster tool)에 서와 같이 진공을 깨뜨리지 않고 연속적으로 수행되는 경우 효과적이다.
본 발명의 상술된 장점 및 기타 장점들이 다음의 도면에 대한 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 명백해질 것이다.
본 발명의 텅스텐 핵 형성 방법은 냉벽 CVD 반응로, 온벽(hat wall) CVD 반응로 및 회전 디스크 CVD 반응로를 포함하는, WF6환원 방법을 사용하여 반도체 웨이퍼 상에 텅스텐 막을 적용하기 위하여 당업자가 선택할 수 있는 다양한 CVD 반응로 중 어느 것에서도 수행될 수 있다. 본 발명이 특히 성공적인 회전 디스크 반응로는 포스터(Foster) 등에 의해 발명되어 본 발명과 동일자로 출원되어 본원 명세서에 참조로 인용된, 발명의 명칭이 "텅스텐 CVD 에 유용한 회전 감수 반도체 웨이퍼 처리 클러스터 툴 모듈(ROTATING SUSCEPTOR SEMICONDUCTOR MATER PROCESSING CLUSTER T00L MODULE USEFUL FOR TUNGSTEN CVD)"인 현재 계류중인 국제 특허 출원 W0 93/25723 호에 개시되어 있다.
본 발명이 특히 성공적인 다른 고정 감수기 냉벽 반응로(fixed susceptor cold wall reactor)는 제 1 도에 도시되어 이하에 설명된다.
제 1 도를 참조하면, 냉벽 CVD 반응로(10)가 도시되어 있다. 반응로(10)는 반응로 벽(16) 내의 냉각수 순환 포트(18, 20)에 의해 반응 온도 이하로 유지되는 금속 반응로 벽(16)으로 둘러싸인 반응 챔버(14)가 한정되는 반응 용기(vessel)(12)를 포함한다. 본 발명의 방법은 실란(SiH4)을 사용하지 않는 텅스텐의 CVD 방법에 관한 것이므로, 벽이 유지되는 반응 온도 이하는 예컨대 20℃ 의 통상 실온일 수 있다.
반응로 용기 내의 챔버(14)는 챔버 상부 벽을 형성하는 석영 윈도우(22)에 의해 밀봉된 상부를 갖는다. 윈도우(22)는 챔버(14)가 예컨대 1.3×1O-3N/m2(1O-5Torr)의 진공으로 펌핑되어 정화(purge)되게 하는데 효과적이며, 이는 O-링(24)으로 도시된 밀봉체로 벽(16)의 상부 림(rim)에 밀봉되어 있다. 반응로(10) 및 반응로의 구성 부품은 반도체 웨이퍼(28)가 처리를 위해 예컨대 4 개의 세라믹 핀(30)에 의해 윈도우(22)의 하향면에 대해 고정되는 수직축(26) 상에 대체로 정렬되어 있다. 윈도우(22)의 후방, 즉 상부에는, CVD 처리 동안 웨이퍼(28)를 상승된 반응 온도까지 가열하도록 작동되는 방사 히터(32)의 석영 램프가 위치되어 있다. 웨이퍼(28)의 온도는 온도 조절을 위해 윈도우(22)를 관통하여 웨이퍼(28)의 후면과 열적으로 접촉하고 있는 열전쌍(thermocouple)(34)에 의해 감시된다. 용기(12)의 벽(16) 바닥부 중심에는 챔버 내에서의 플라즈마 CVD 처리를 위해 또는 챔버 세척을 위해 사용될 수 있는 RF 전극(36)이 있다. 전극(36) 상부에는 각각 다수의 하향 오리피스(orifice)(42)가 구비된 다수의 가스 분사 튜브(40)가 배치된다. 오리피스(42)를 통해 처리 가스가 챔버(14) 내로 분사된다. 튜브에 있는 오리피스(42)는 처리 중에 웨이퍼(28)의 표면을 가로지르는 가스의 대체로 균일한 유동, 즉 먼저 전극(36)을 향해 하향으로 유동되며 그 후 웨이퍼(28)의 표면으로 상승되어 웨이퍼의 표면을 따라 벽(16)의 측면 주위의 배출 포트(44)의 링까지 외부로 방사상으로 유동하는 유동을 제공하도록 배치 및 분포되어 있다.
반응로(10)에서의 CVD 처리에 대한 준비로서, 웨이퍼(28)가 챔버(14)내로 삽입되어 처리될 표면이 챔버(14)를 향해 하향되도록 핀(30)에 의해 윈도우(22)에 대해 고정된다. 이러한 표면은 텅스텐 층이 챔버(14) 내에서 증착되는 TiN 막으로 코팅되는 것이 적합하다. 그 후 챔버(14)가 펌핑되어 최초 가스가 정화되고, 막의 증착에 앞서 웨이퍼의 예비 가열이나, 가스 제거가 수행된다.
본 발명에 따른 방법의 적합한 실시예에 있어서, 먼저 수소 가스(H2)가 흡입 튜브(40)를 통해 분사되어 웨이퍼(28)의 표면에 대해 유동하므로, 충분히 공급된 해리성 H2는 WF6가스와 반응하여 CVD 반응의 시작에 앞서 불소와 결합하게 된다. 이러한 H2분사 중에 챔버의 압력은 약 7.8kN/m2(60Torr)이 적합하다. 그 후 웨이퍼의 온도는 히터(32)의 램프의 작동에 의해 예컨대 450℃ 의 반응 온도로 상승된다. 이때 WF6는 튜브(40)를 통해 챔버(14) 내로 분사시키기 위한 펌프(도시 않음)로 안내되고, 웨이퍼(23)의 온도 및 상가 웨이퍼(28)와 접촉하여 유동하는 H2가스의 온도는 조절된 450℃ 온도에서 안정화된다. 이것은 웨이퍼를 H2의 해리에 충분한 온도로 만들 뿐만 아니라 일단 WF6가 도입되면 WF6환원 반응을 촉진시키는 상태로 만든다.
그 후, WF6가스가 예정된 비율로 WF6와 혼합된 H2환원 가스의 연속적인 공급과 함께 튜브(40)를 통해 챔버(14) 내로 분사되어 웨이퍼(28)의 표면에 대해 유동하게 된다. 그 결과, 약 1O 초 동안 TiN 막 상에 양호한 텅스텐의 핵 형성에 의해 웨이퍼의 표면상의 핵 형성이 시작되었다. 챔버 압력과 반응 온도가 제 2 도의 덮여진 영역으로 도시된 처리 영역 내에 있을 때, 본 실시예의 핵 형성 방법에서 TiN 막 상의 텅스텐의 핵 형성이 효과적으로 이루어짐이 발견되었다.
본 발명의 제 2 실시예에 있어서, 웨이퍼(28)가 윈도우(22)상에 위치되고 챔버(14)가 정화된 후에, H2와 WF6가스의 혼합물이 튜브(4O)를 통해 챔버(14) 내로 분사되어 웨이퍼(28)의 표면에 걸쳐 유동하는 동안 웨이퍼(28)의 온도는 약 13N/m2(10OmTorr)의 최초 챔버 압력 하에서 약 500℃ 까지 상승된다. 그 후, 웨이퍼(28) 및 웨이퍼(28)와 접촉하는 가스의 온도가 반응 온도 500℃ 에서 안정화됨에 따라 압력이 7.8kN/m2(60Torr)까지 증가된다. H2와 WF6의 혼합물은 반응으로부터의 모든 불소 가스가 해리된 수소와 결합되도록 충분히 많은 H2를 포함한다. 그후 반응은 약 1O 초 동안 핵 형성이 진행된 후 TiN 막 상에 W CVD 가 수행된다.
상술된 적합한 실시예에 있어서, 양호한 반응 온도는 제 2 도에 도시된 최소압력보다 높은 압력 예컨대 상술한 7.8kN/m2(60Torr)에서 400 내지 470℃ 의 범위를 갖는다.
챔버(14) 내로의 H2및 WF6가스의 분사 중에, WF6가스가 H2분사에 앞서 고온 및 고압으로 또는 제 2 도의 그래프에 표시된 영역에 인접한 온도 및 압력 관계로 챔버(14) 내로 도입되면 안된다. 또한, H2와 WF6가스의 혼합물은 온도가 낮은, 즉 온도가 제 2 도에 표시된 값을 벗어난 높은 반응 압력에서 웨이퍼(28)와 접촉하도록 챔버(14)에 도입되면 안된다. 이러한 조건은 웨이퍼 표면에 인접하여 핵 형성 과정을 방해하는 TiFx 합성물이 형성되게 한다.
본 발명의 원리로부터 일탈되어 생성된 양호하지 못한 핵 형성 결과의 예를 들면, WF6가 먼저 펌프로 전진된 H2환원 가스와 함께 7.8kN/m2(60Torr)의 압력으로 튜브(40)를 통해 반응 챔버(14) 내로 분사된다. WF6가 웨이퍼(28)의 표면에 접촉된 후에, 웨이퍼(28)의 온도가 웨이퍼가 안정화되는 예컨대 500℃ 의 반응 온도까지 상승되어 반응이 시작된다. 생성된 결과는 핵 형성이 양호하지 못하였고, 스크래치(scratch) 및 테이프 테스트에 의해 시험될 때 벗겨진 증착된 텅스텐 막의 에지를 보면 TiN 표면상의 TiNFx 화합물의 형성을 나타내는 TiN 컬러 변화가 나타났다.
유사한 불만족스런 결과가 온도가 500 ℃ 까지 상승되는 동안 H2와 WF6의 혼합물을 먼저 7.8kN/m2(60Torr)의 압력으로 챔버(14) 내로 분사시킴으로써 얻어졌다. 이러한 레벨에서 안정화된 온도 및 압력에서, 증착 반응이 TiN 컬러 변화, 텅스텐 막 에지 필링(peeling) 및 양호하지 못한 핵 형성으로 진행되었다. 웨이퍼(28)의 온도가 H2와 WF6혼합물의 도입이 7.8kN/m2(60Torr)로 분사된 후까지 상승되지 않는 경우에, 동일한 양호하지 못한 결과가 나타난다.
상술된 본 발명의 방법에 대한 실시예에 의해, 잠복기 또는, 가스의 도입에서 TiN 상의 텅스텐 핵 형성의 개시까지의 시간 지연은, 제 3 도에 도시된 바와 같이 종래의 기술을 설명하는 문헌에 기록된 시간과 비교되어 있다. 제 4 도는 CVD TiN 및 RIS TiN 상의 텅스텐 증착에서의 본 발명의 사용을 지금까지 핵 형성하는데 사용되어 온 기판(스퍼터된 TiW 기판, 실리콘 기판 및 티타늄 코팅된 SiNx 기판)상의 텅스텐 증착과 비교하고 있다. 제 3 도는 본 발명에 의한 잠복기가 0.16 분이고, 라나(Rana)외, "Thin Layers of TiN and Al as Glue Layers for Blanket Tungsten Deposition", VLSI 적용 II 에 대한 텅스텐 및 기타 내열성 금속(Tungsten and Other Refractory Metals for VLSI Application II), 머터리얼즈 리써치 소사이어티(Materials Research Society), 187-195 페이지, 1987; 이와사끼(Iwasaki) 외, "Blanket CVD-W Formed by H2Reduction of WF6on-TiN for Planar Interconnection", Tungsten and Other Refractory Metals for VLSI Applications V, Materials Research Society, Pages 187-193, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. VLSI V, 1990; 스미스(Smith), "CVD Tibanium Mitried Nucleation Layer for "CVD Tungsten", Tungsten and Other Refractory Metals for VLSI Application in 1990, Materials Research Society, VSLI VI, pages 267-273, Conference Proceedings, 1991; 의 문헌에 기술된 방법들에 대한 잠복기가 각각 약 10 분, 7 분 및 5 분 이상임을 나타낸다. 제 4 도의 시험 결과는 본 발명에 의한 잠복기가 CVD TiN 상으로의 W 에 대해 9.1 초이고 RIS TiN 상으로의 W 에 대해 10.6 초임을 나타내며, 이는 Si 상으로의 W 에 대해 10.7 초, TiW 상으로의 W 에 대해 9.9 초 및 티타늄 코팅된 SiNx 상으로의 Ti 에 대해 9.7 초와 비교될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시예에 의해 TiN 상으로 1㎛ 두께로 증착된 텅스텐 막에 의해, 웨이퍼의 표면에 걸쳐 1cm 당 7 내지 9 마이크로-오옴 범위의 저항이 얻어졌다. 1㎛ x 1㎛ 의 SEM 단면 형태는 1㎛ x 6㎛의 SEM 단면 형태에서 생성된 바와 같은 100% 단계 범위를 생성하였다.
본 발명과는 달리, 비휘발성 TiFx 합성물의 형성을 초래하는 조건하에서 WF6를 분사하는 상술된 방법에 의하면, 어거(Auger) 깊이 테스트는 표면층의 원자 비율이 텅스텐 25% 미만이고 티타늄 50% 이상인 양호하지 못한 핵형성 결과를 나타낸다.
이에 비하여, 본 발명의 방법에 의하면 TiN 상의 텅스텐의 어거 깊이 프로파일은 막의 95% 이상의 대부분이 매우 소량의 불순물을 함유한 텅스텐으로 이루어져 있음을 나타내고 표면층의 티타늄 원자 비율은 1% 이하이고 W 막 및 TiN 막 내의 불소 레벨은 무시된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 있어서, 상술된 텅스텐 핵 형성 방법은 앞에서 참조로 인용된 일반 양도된 특허출원에 개시된 형태의 클러스터 툴 CVD 모듈에서 사용되며, 여기에는 TiN 막이 증착된 후 장치의 진공을 깨뜨리지 않거나 TiN 코팅된 웨이퍼를 분위기에 노출시키지 않고 본 발명의 방법에 의해 핵 형성된 텅스텐 코팅이 TiN 막상에 적용된다. 이러한 방법에서 웨이퍼는 클러스터 툴의 한 모듈에서 TiN 막으로 코팅되고 그 후 상술된 본 발명의 핵 형성 방법 및 텅스텐 증착 방법이 수행되는 제 2 CVD 모듈 내로 불활성 저압 분위기를 유지하면서 전달 모듈을 통하여 이송되는 것이 적합하다.

Claims (14)

  1. 기판 상에 텅스텐 원소를 증착시키기 위해 실란의 사용 없이 진공 챔버 내에서 WF6환원에 의해 수행되는 텅스텐 CVD 공정 중에서의 텅스텐 핵 형성 방법에 있어서,
    상기 챔버 내로 수소와 WF6의 가스 혼합물을 주입하는 단계와,
    WF6환원 반응을 위해 상기 챔버를 최소 압력 이하인 준반응 압력과 기판의 온도에서 유지하는 단계와,
    상기 챔버 내의 압력을 적어도 최소 WF6환원 반응 압력까지 상승시키는 단계를 포함하며,
    상기 압력이 준반응 압력으로부터 상승되기 전에, 상기 기판의 온도는 적어도 수소의 해리 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 실란의 사용 없이 진공 챔버 내에서 WF6환원에 의해 수행되는 텅스텐 CVD 공정 중에서의 텅스텐 핵 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유지 온도는 400℃ 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응 압력은 0.4kN/m2(3Torr) 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응 압력은 6.7kN/m2(50Torr) 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  5. 기판 상에 금속을 증착시키기 위해 실란의 사용 없이 진공 챔버내에서 WF6환원에 의해 수행되는 CVD 공정 중에서의 텅스텐 핵 형성 방법에 있어서,
    수소를 포함하는 가스를 상기 챔버 내로 주입하는 단계와,
    상기 챔버 내로의 수소 도입과 함께 또는 수소 도입에 이어서 WF6을 포함하는 가스를 상기 챔버 내로 주입하는 단계와,
    WF6환원 반응을 위한 최소 압력 이하인 준반응 압력으로부터 6.7kN/m2(50Torr) 이상의 WF6환원 반응 압력으로 상기 챔버 내의 가스 압력을 상승시키는 단계 및,
    WF6가스가 상기 챔버 내에서 최소 반응 압력으로 존재하기 이전에 적어도 최소 WF6반응 온도까지 상기 챔버 내의 상기 기판의 온도를 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실란의 사용 없이 진공 챔버 내에서 WF6환원에 의해 수행되는 CVD 공정 중에서의 텅스텐 핵 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 기판의 온도를 상기 반응 온도까지 상승시키기 전에, 상기 반응 챔버 내의 WF6가스는 13ON/m2(1Torr) 이하의 압력에서 유지되는 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 수소가 상기 챔버 내로 분사되며, 상기 챔버는 상기 챔버 내로 WF6가 도입되기 전에 기판에서 수소 해리 반응을 발생시키기 충분한 7.8kN/m2(60Torr)의 압력 및 450℃의 온도로 되는 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 수소가 상기 챔버 내로 분사되며, 상기 챔버는, 상기 챔버 내로 WF6가 도입되기 전에 WF6환원 반응 압력과 온도인 6.7kN/m2(50Torr)의 압력 및 450℃의 온도로 되는 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 반응 온도는 약 400℃ 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  10. 제 5 항, 제 7 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 준반응 압력은 0.13kN/m2(1Torr) 이하인 것을 특징으로 하는 텅스텐-핵 형성 방법.
  11. 제 5 항, 제 7 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 TiN으로 형성된 표면 막을 갖는 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  12. 제 5 항, 제 7 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 CVD TiN, 반응적으로 스퍼터된 TiN, 또는 급속한 열처리로 형성된 TiN으로 구성된 그룹 중에서 선택된 물질로 형성된 표면을 갖는 것을 특정으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
  13. 제 5 항, 제 7 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 웨이퍼 처리 장치의 제 1 진공 처리 챔버 내에서 웨이퍼 상에 TiN 막을 증착시키는 예비 단계와,
    상기 TiN 막을 갖는 상기 웨이퍼를 상기 웨이퍼 처리 장치의 제 2 진공 처리 챔버로 이송시키는 단계 및,
    상기 제 2 진공 처리 챔버 내에서 상기 웨이퍼 상에 가스 분사 단계 및 압력 상승 단계를 수행하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 챔버는 진공 압력 레벨로 유지된 불활성 가스를 포함하는 웨이퍼 이송 경로를 갖는 동일한 웨이퍼 처리 장치내에 연결되며,
    상기 웨이퍼 이송 단계는 상기 웨이퍼가 상기 진공 압력 레벨에서 불활성 가스내에서 유지되며 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버까지 외부 환경에 대해 웨이퍼가 노출되지 않는 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 텅스텐 핵 형성 방법.
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