KR100379333B1 - 티타늄 실리사이드막 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학기상증착법에 의한 실리사이드막의 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 기판 위에 티티늄실리사이드층을 화학기상증착법으로 형성할 때, 증착 공정 도중에 NH3또는 N2가스의 플라즈마 처리를 수행함으로써, 실리콘 기판의 식각 및 불순물층의 도펀트의 소비를 최소화하여 누설전류의 증가를 억제할 수 있는 티타늄 실리사이드 막의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실리사이드막의 제조방법은, 실리콘 기판을 준비하는 제1 단계와, 상기 실리콘 기판 상면에 화학기상증착법으로 최종적으로 원하는 두께의 약 1/n(n은 자연수)두께의 티티늄 실리사이드막을 형성하는 제2 단계와, 상기 티타늄 실리사이드막을 NH3또는 N2플라즈마로 처리하는 제3 단계와, 상기 티타늄 실리사이드막의 두께가 원하는 두께가 될 때까지 상기 제2 단계와 제3 단계를 n회 반복하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로 특히, 실리콘 기판의 상면에 실리사이드막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조에 있어서, 도전층간의 접촉 부위에 일반적으로 접촉 저항을 낮추기 위해 저항이 낮은 재료인 실리사이드막을 형성한다. 특히 티타늄 실리사이드막은 그 저항이 다른 실리사이드에 비해 상대적으로 더욱 낮은 장점이 있어, 배선재료로서 많은 주목을 받고 있다.
종래의 티타늄 실리사이드막을 제조하는 방법은, 일반적으로 물리적 기상증착법(Physical Vapor Deposition;PVD)으로 티타늄막을 실리콘막 위에 증착한 후 열처리를 하여 티타늄과 실리콘간의 실리사이드화 반응을 일으켜 형성하는 자기 정렬법이 많이 이용되었다. 즉 종래 자기정렬법에 의한 티타늄 실리사이드막 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 도1a에 도시된 바와 같이, 실리콘층(10)의 상면에 티타늄막(11)을 형성한다. 다음으로, 상기 티타늄막(11)을 약 650℃에서 열처리함으로써 도1b에 도시된 바와 같이, 실리콘층(10)과 티타늄막(11)이 반응하여 티타늄실리사이드층(12)이 형성된다.
그러나, 상기 자기정렬법에 의한 티타늄 실리사이드막을 형성하기 위한 열처리 공정동안 티타늄막에 산소등 불순물이 침투되어 실리사이드가 응집되는 현상이나타난다는 문제점이 있었다. 그와 같은 문제점을 해결하기 위해, 상기 티타늄막 위에 질화티타늄(TiN)막을 증착한 후 열처리 하는 공정이 개발되어 상용되고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 티타늄실리사이드의 제조방법은, 티타늄 실리사이드층을 고 종횡비(high aspect ratio)를 갖는 컨택홀내에 형성할 경우, 물리적 증착법으로 티타늄막을 형성할 때 단차피복성이 떨어지는 단점이 있었다. 특히, 콘택홀의 저면에는 티타늄막이 증착되지 않고 콘택홀의 입구에 티타늄막이 두껍게 증착되어 콘택홀의 입구가 막히는 현상이 발생하는등의 문제가 있었다. 또한 자기정렬법에 의한 티타늄실리사이드막의 제조방법은 형성할 수 있는 막의 두께에 제한이 있고, 또한 자기정렬법으로 제조한 티타늄실리사이드막은 열적안정성이 떨어지는 문제가 있었다.
그와 같은 문제를 해결하기 위해 최근 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)으로 티타늄실리사이드막을 형성하는 방법이 제안되었다.
즉, TiCl4와 실레인 가스의 환원반응에 의해 티타늄실리사이드막을 증착하는 방법이다. 티타늄실리사이드를 형성하기 위한 반응식은 다음과 같다.
TiCl4+ 2SiH4TiSi2+ HCl + 2H2
상기와 같은 플라즈마 CVD법은 바닥면 피복성(bottom coverage) 특성이 우수한 장점이 있으나, 다음과 같은 단점을 갖는다. 즉, 실리콘 기판의 상면에 화학기상증착법에 의한 티타늄실리사이드막 형성시, 소스 가스인 TiCl4와 실레인 가스의반응 부산물인 HCl등에 의해 실리콘 기판이 식각되어 실리콘기판과 증착된 티타늄 실리사이드막과의 계면이 균일하지 못하고, 또한 정션의 깊이(junction depth)가 줄어드는 문제가 있으며, 그로 인하여 누설전류가 증가할 가능성이 있다. 또한 반도체 기판(실리콘)과 티타늄실리사이드막의 계면에서의 도핑농도의 감소로 인하여 컨택 저항이 증가하는 문제가 있었다. 또한 플라즈마 화학기상증착법에 의한 티타늄실리사이드막의 증착 공정은 고온에서 진행되므로, 고온에서 실리사이드 반응이 급격히 일어나 티타늄 실리사이드가 증착되면서 응집되는 현상이 함께 일어나 실리사이드와 실리콘 기판간의 계면이 거칠어지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 화학기상증착법에 의한 티타늄실리사이드막 제조시 증착 공정 도중에 여러차례의 NH3또는 N2가스의 플라즈마 처리를 수행함으로써, 실리콘 기판의 식각 및 불순물층의 도펀트의 소비를 최소화하여 누설전류의 증가를 억제할 수 있는 티타늄 실리사이드 막의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 실리콘 기판 위에 화학기상증착법으로 티타늄실리사이드막을 형성하되 원하는 티타늄 실리사이드막의 1/n의 두께만큼을 증착하는 제1 공정과, 상기 티타늄 실리사이드막을 질소 또는 암모니아 가스의 플라즈마로 처리하는 제2 공정과, 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 n회 반복하는 단계를 포함하는 티타늄 실리사이드막 제조방법을 제공한다.
또한 상기 본발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 질소가스 또는 암모니아 가스의 플라즈마로 처리하는 공정은 상기 티타늄 실리사이드막의 상면에 질화막을 약 100Å이하의 두께만큼 형성하는 공정인 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법을 제공한다.
또한 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 제1 공정과 상기 제2 공정은 동일한 장치 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법을 제공한다.
또한 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 제1 공정을 수행하기 전에, 상기 실리콘 기판에 불순물을 주입하여 불순물층을 형성하는 공정과, 상기 실리콘 기판상에 절연막을 형성하는 공정과, 상기 절연막을 부분적으로 식각하여 상기 불순물층의 상면이 노출되도록 콘택홀을 형성하는 공정을 순차 수행하는 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법을 제공한다.
도1a 및 도1b는 종래의 실리사이드막의 제조공정을 도시한 것이다.
도2a 내지 도2f는 본 발명에 따른 실리사이드막의 제조공정을 설명하기 위한 공정도이다.
**도면의주요부분에대한설명**
10 : 실리콘층 11 : 티타늄막
12 : 티타늄실리사이드막 100 : 실리콘 기판
102 : 도전층(불순물층) 104 : 절연막
106 : 콘택홀 108 : 제1 티타늄 실리사이드막
110 : 제1 질화막 111 : 제2 티타늄 실리사이드막
112 : 제2 질화막 120 : 제10 티타늄 실리사이드막
본 발명에 따른 티타늄 실리사이드의 제조방법을 첨부된 도2a 내지 도2d를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 도2a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(100)의 상면에 불순물을 이온주입하여 도전층(불순물층)(102)을 형성한다. 다음으로, 상기 실리콘 기판(100)의 상면에 절연층(104)을 형성한 다음, 상기 도전층(102)의 상면이 노출되도록 상기 절연층(104)을 선택적으로 식각하여 콘택홀(106)을 형성한다.
다음으로, 상기 도전층(102) 상면의 자연산화막 및 기타 오염물을 제거하기 위해 상기 콘택홀(106) 내부를 세정한다.
다음으로 도2b에 도시한 바와 같이, 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 상기 콘택홀(106)의 내벽면 및 저면과 상기 절연층(104)의 상면에 제1티타늄실리사이드막(108)을 형성한다. 이때 상기 제1티타늄 실리사이드막(108)의 두께는 콘택홀내에 최종적으로 형성하고자 하는 티타늄실리사이드막 두께의 약 1/10 정도로 한다.
다음으로, 도전층(102) 상면의 자연산화막 및 기타 오염물을 제거하기 위해 상기 콘택홀(106) 내부를 세정한다.
다음으로, 상기 도2b의 구조를 NH3가스의 플라즈마 또는 N2/H2혼합가스의 플라즈마 처리함으로써 도2c에 도시한 바와 같이 상기 제1 티타늄 실리사이드막(108)의 표면에 제1 질화막(110)을 형성한다. 상기 제1 질화막(110)의 두께는 약 100Å이하가 되도록 형성한다. 상시 제1 질화막(110)은 NH3또는N2/H2플라즈마에 포함된 질소와 티타늄 실리사이드막에 포함된 티타늄이 반응한 TiN막이다.
한편 상기 제1질화막(110)을 형성하는 방법은, 상기 질소를 포함하는 가스의 플라즈마 처리 이외에도, NH3가스 또는 N2/H2혼합가스 분위기에서 열처리 하는 방법도 가능하다.
다음으로, 도2c의 구조 상면에 다시 플라즈마화학기상증착법을 이용하여 도2d에 도시한 바와 같이 제2 티타늄 실리사이드막(111)을 형성한다. 이때 제2 티타늄 실리사이드막(111)의 두께는 제1 티타늄 실리사이드막(108)의 두께와 같다. 또한 상기 제1 질화막(110)의 티타늄은 상기 제2 티타늄실리사이드막(111) 증착 공정동안 실리콘과 반응하여 티타늄 실리사이드막이 되고, 질소는 외부로 배출되어 상기 제1 질화막(110)은 없어진다. 결과적으로 상기 제1 티타늄 실리사이드막(108)의 상면에 제2 티타늄 실리사이드막(111)을 직접 증착한 것과 동일한 구조가 된다.
다음으로, 도2e에 도시한 바와 같이, 상기 제2 티타늄 실리사이드막(111)의 상면에 도2b에서 설명한 바와 같은 방법으로 제2 질화막(112)을 형성한다.
다음으로, 상기 도2d와 도2e에서 설명한 공정 즉 화학기상증착법에 의한 티타늄 실리사이드막 형성공정 및 티타늄 실리사이드막 상면에 100Å 이하의 질화막을 형성하는 공정을 10회 반복 수행하여, 도2f에 도시한 바와 같이 제10 티타늄실리사이드막(120)을 형성함으로써, 본 발명에 따른 티타늄 실리사이드막 제조공정을 완료한다.
본 발명의 실시례에서는 최종적으로 형성하고자 하는 실리사이드막 두께의 1/10 두께만큼씩 1회의 실리사이드막 증착 공정마다 형성하여, 실리사이드막 증착공정을 10회 반복 수행함으로써 최종적으로 원하는 두께의 실리사이드막을 형성하였다. 또한 실리사이드막을 1/10 두께만큼씩 증착한 후, 매번 질화막 형성공정을 수행하였다.
본 발명에서는 원하는 두께의 실리사이드막을 10회에 나누어 증착하였으나, 사용자의 편의에 맞추어 3-15회로 자유로이 나누어 증착할 수 있다.
한편, 상기 티타늄 실리사이드막을 형성하는 공정은 TiCl4가스와 실레인 가스를 소스가스로 한 화학기상증착법으로 수행한다. 또는 TiCl4가스와 수소가스를 이용한 화학기상증착법으로 수행한다.
또한, 상기 질화막을 형성하는 공정은, 상기 티타늄 실리사이드막을 형성시 사용한 동일한 화학기상증착 장치내에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 티타늄 실리사이드막 제조방법에 따르면, 티타늄 실리사이드막의 증착 공정중에 얇은 질화막을 형성하는 공정을 실시함으로써, 상기 질화막이 티타늄실리사이드 증착용 소스가스인 TiCl4에 포함된 염소(Cl)에 의해 실리콘 기판이 식각되는 것을 방지하여 누설전류의 증가를 방지하는 효과가 있다. 또한 실리콘 기판에 형성된 불순물층의 식각을 저지하므로 정션 깊이가 줄어드는 것을 방지하여 도전배선과 불순물층간의 콘택저항의 증가를 억제할 수 있다.
또한 얇은 티타늄 실리사이드막들 사이에 질화막을 형성함으로써, 고온에서 급격하게 실리사이드화 반응이 일어나 티타늄 실리사이드막이 응집되는 것을 방지하므로, 균질한 티타늄 실리사이드막을 형성할 수 있는 잇점이 있다.
Claims (7)
- 실리콘 기판에 불순물을 주입하여 불순물층을 형성하는 제1 공정과,상기 실리콘 기판상에 절연막을 형성하는 제2 공정과,상기 절연막을 부분적으로 식각하여 상기 불순물층의 상면이 노출되도록 콘택홀을 형성하는 제3 공정과,상기 콘택홀이 형성된 구조 위에 화학기상증착법으로 티타늄실리사이드막을 형성하되 최종적으로 형성할 두께의 1/n의 두께만큼을 형성하는 제4 공정과,상기 티타늄 실리사이드막을 질소 가스 플라즈마 또는 암모니아 가스 플라즈마로 처리하여 그 티타늄 실리사이드막 위에 질화막을 형성하는 제5 공정과,목적하고자 하는 두께의 티타늄 실리사이드막을 형성할 때까지 상기 제4 공정 및 제5 공정을 n회 반복하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 티타늄 실리사이드막은 NH3또는 N2/H2혼합가스의 플라즈마로 처리하는 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 티타늄 실리사이드막은 NH3또는 N2/H2혼합가스의 분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제4 공정과 상기 제5 공정은 동일한 장치 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 상기 제1항에 있어서, 상기 제5 공정에서 상기 질화막의 두께는 100Å 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 실리사이드막 제조방법.
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