KR100420406B1 - Oxygen stuffing method for titanium nitride layer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속 콘택의 장벽금속층 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 티타늄질화막(TiN)의 베리어 특성을 강화하기 위한 산소 충진 공정에 관한 것이다. 본 발명은 티타늄질화막의 산화를 최소화하면서 충분한 산소 충진을 이룰 수 있는 티타늄질화막의 산소 충진 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 티타늄질화막의 산소 충진을 위한 어닐 공정시 플라즈마 활성화 에너지를 이용함으로써 상대적으로 저온에서 어닐을 수행하는 기술이다. 이처럼 저온에서 어닐을 수행하기 때문에 티타늄질화막의 산화를 최소화할 수 있게 된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a barrier metal layer forming process of a metal contact during a semiconductor device manufacturing process, and more particularly, to an oxygen filling process for enhancing barrier properties of titanium nitride (TiN). An object of the present invention is to provide a method for oxygen filling of a titanium nitride film which can achieve sufficient oxygen filling while minimizing oxidation of the titanium nitride film. The present invention is a technique for performing annealing at a relatively low temperature by using the plasma activation energy in the annealing process for oxygen filling the titanium nitride film. Since the annealing is performed at such a low temperature, the oxidation of the titanium nitride film can be minimized.

Description

티타늄질화막의 산소 충진 방법{Oxygen stuffing method for titanium nitride layer}Oxygen stuffing method for titanium nitride layer

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 제조 공정 중 금속 콘택의 장벽금속층 형성 공정에 관한 것이며, 더 자세히는 티타늄질화막(TiN)의 베리어 특성을 강화하기 위한 산소 충진 공정에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a barrier metal layer forming process of a metal contact during a semiconductor device manufacturing process, and more particularly, to an oxygen filling process for enhancing barrier properties of titanium nitride (TiN).

알루미늄 금속배선은 비저항이 낮고 공정이 용이하다는 장점 때문에 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나, 소자가 고집적화되면서 알루미늄막의 열악한 매립 특성이 문제점으로 지적되어 왔으며, 이러한 매립 특성을 보완하기 위한 하나의 방편으로 알루미늄막 증착 전에 콘택홀 내부에 웨팅 티타늄(wetting Ti)막을 증착하고 있다.Aluminum metallization has long been used because of its low resistivity and ease of processing. However, as the device is highly integrated, poor embedding characteristics of the aluminum film have been pointed out as a problem, and as a way to compensate for the embedding characteristics, a wetting Ti film is deposited inside the contact hole before the deposition of the aluminum film.

그러나, 티타늄막은 실리콘 고용도(silicon solubility)가 매우 높아 접합(junction)으로부터 실리콘(Si)이 확산되어 Al, Ti, Si이 혼합되면서 접합 페일(junction fail)을 유발한다.However, since the titanium film has a very high silicon solubility, silicon (Si) is diffused from the junction and Al, Ti, and Si are mixed to cause a junction failure.

이러한 접합 페일을 억제하기 위하여 웨팅 티타늄막 증착 전에 장벽금속층으로 티타늄질화막(TiN)을 증착하고 있다. 한편, 티타늄질화막은 주상정 구조를 가지기 때문에 결정립계를 통한 금속 또는 실리콘의 확산 가능성이 크다. 따라서, 증착된 티타늄질화막의 결정립계 산소(oxygen)를 충진(stuffing)하는 공정을 추가로 실시하고 있다. 티타늄질화막에 대한 산소 충진 공정은 통상적으로 산화 가스 분위기에서 급속열처리(RTA)를 수행하는 방식으로 진행하고 있다.In order to suppress such a bonding failure, a titanium nitride film (TiN) is deposited as a barrier metal layer before deposition of the wet titanium film. On the other hand, since the titanium nitride film has a columnar crystal structure, there is a high possibility of diffusion of metal or silicon through grain boundaries. Therefore, the process of stuffing the grain boundary oxygen of the deposited titanium nitride film is further performed. The oxygen filling process for the titanium nitride film is generally performed in a manner of performing rapid heat treatment (RTA) in an oxidizing gas atmosphere.

이처럼 급속열처리 방식의 산소 충진 공정을 실시하는 경우, 티타늄질화막의 베리어 특성은 어느 정도 확보할 수 있으나, 열처리 과정에서 TiN 벌크(bulk)가 심하게 산화되어 티타늄질화막의 비저항이 높아지고, 결국 콘택 저항을 증가시켜 소자의 전기적 특성을 열화시키는 문제점이 있었다.In the case of the rapid thermal treatment of the oxygen filling process, the barrier property of the titanium nitride film can be secured to some extent, but the TiN bulk is oxidized severely during the heat treatment process, thereby increasing the specific resistance of the titanium nitride film and eventually increasing the contact resistance. There is a problem that deteriorates the electrical characteristics of the device.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 티타늄질화막의 산화를 최소화하면서 충분한 산소 충진을 이룰 수 있는 티타늄질화막의 산소 충진 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide an oxygen filling method of a titanium nitride film that can achieve sufficient oxygen filling while minimizing oxidation of the titanium nitride film.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FeRAM의 금속 콘택 형성 공정도.1 to 4 are process diagrams for forming a metal contact of FeRAM according to an embodiment of the present invention.

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

19 : 티타늄질화막19: titanium nitride film

23 : 웨팅 티타늄막23: wetting titanium film

24 : 알루미늄막24: aluminum film

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 티타늄질화막의 산소 충진 방법에 있어서, 상기 티타늄질화막이 형성된 기판을 반응기에 로딩하는 제1 단계; 상기 반응기 내에 플라즈마 소오스 가스를 공급하여 플라즈마를 활성화시키는 제2 단계; 및 상기 반응기 내에 산소 소오스 가스를 공급하고 플라즈마 활성화 에너지를 이용하여 어닐을 실시하는 제3 단계를 포함하는 티타늄질화막의 산소 충진 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, an oxygen filling method of a titanium nitride film, the first step of loading a substrate on which the titanium nitride film is formed in a reactor; Supplying a plasma source gas into the reactor to activate a plasma; And a third step of supplying an oxygen source gas into the reactor and performing annealing using plasma activation energy.

바람직하게, 상기 제2 단계에서, 1mTorr∼10Torr의 압력, 150∼400℃의 온도, 10∼1000W의 파워 조건을 사용하여 플라즈마를 활성화시킨다.Preferably, in the second step, the plasma is activated using a pressure of 1 mTorr to 10 Torr, a temperature of 150 to 400 ° C., and a power condition of 10 to 1000 W.

바람직하게, 상기 플라즈마 소오스 가스는 Ar, Ne, N2가스 중 적어도 어느 하나를 포함한다.Preferably, the plasma source gas includes at least one of Ar, Ne, and N 2 gas.

바람직하게, 상기 산소 소오스 가스는, O2, N2O, H2O, H2O2중 적어도 어느 하나를 포함한다.Preferably, the oxygen source gas includes at least one of O 2 , N 2 O, H 2 O, and H 2 O 2 .

바람직하게, 상기 제3 단계에서, 상기 산소 소오스 가스와 함께 Ar, Ne, N2중 적어도 어느 하나의 가스를 더 공급한다.Preferably, in the third step, at least one of Ar, Ne, and N 2 gas is further supplied together with the oxygen source gas.

바람직하게, 상기 반응기로는 급속열처리(RTA) 챔버를 사용한다.Preferably, the reactor uses a rapid heat treatment (RTA) chamber.

본 발명은 티타늄질화막의 산소 충진을 위한 어닐 공정시 플라즈마 활성화 에너지를 이용함으로써 상대적으로 저온에서 어닐을 수행하는 기술이다. 이처럼 저온에서 어닐을 수행하기 때문에 티타늄질화막의 산화를 최소화할 수 있게 된다.The present invention is a technique for performing annealing at a relatively low temperature by using the plasma activation energy in the annealing process for oxygen filling the titanium nitride film. Since the annealing is performed at such a low temperature, the oxidation of the titanium nitride film can be minimized.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced in order to enable those skilled in the art to more easily carry out the present invention.

첨부된 도면 도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FeRAM의 금속 콘택 형성 공정도로서, 이하 이를 참조하여 설명한다.1 to 4 are diagrams illustrating a metal contact forming process of FeRAM according to an embodiment of the present invention, which will be described below with reference to the drawings.

본 실시예에 따른 FeRAM의 금속 콘택 형성 공정은, 우선 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(10) 상에 소자분리막(도시되지 않음), 워드라인(21) 등을 형성하고, 그 과정에서 형성된 층간절연막(11)를 선택 식각하여 하부전극 콘택홀을 형성한 다음, 콘택홀 내에 폴리실리콘 플러그(12), 실리사이드막(13) 및 장벽금속층(14)을 형성하고, 그 상부에 하부전극(15), 강유전체 박막(16), 상부전극(17)이 차례로 적층된 구조의 강유전체 캐패시터를 형성하고, 전체 구조 상부에 평탄화된 층간절연막(18)을 증착한 후 금속 콘택 마스크를 사용한 사진 및 식각 공정을 통해 금속 콘택홀을 형성한다. 이때, 금속 콘택홀은 실리콘 기판(10)의 접합과 상부전극(17)을 노출시키며, 미설명 도면 부호 '20'는 게이트 산화막, '22'는 측벽 스페이서 산화막을 각각 나타낸 것이다.In the metal contact forming process of FeRAM according to the present embodiment, first, as shown in FIG. 1, an isolation layer (not shown), a word line 21, and the like are formed on the silicon substrate 10, and formed in the process. The interlayer insulating layer 11 is selectively etched to form a lower electrode contact hole, and then a polysilicon plug 12, a silicide layer 13, and a barrier metal layer 14 are formed in the contact hole, and the lower electrode 15 is formed thereon. ), A ferroelectric capacitor having a structure in which the ferroelectric thin film 16 and the upper electrode 17 are stacked in this order, depositing the planarized interlayer insulating film 18 on the entire structure, and then performing a photo and etching process using a metal contact mask. Through the metal contact hole. In this case, the metal contact hole exposes the junction of the silicon substrate 10 and the upper electrode 17, and reference numeral 20 denotes a gate oxide film and reference numeral 22 denotes a sidewall spacer oxide film.

이어서, 도 2에 도시된 바와 같이 전체 구조 표면을 따라 티타늄질화막(19)을 증착하고, 산소 충진 어닐을 실시한다. 이때, 산소 충진 어닐은 다음과 같이 진행한다.Subsequently, as shown in FIG. 2, a titanium nitride film 19 is deposited along the entire structure surface, and oxygen filled annealing is performed. At this time, the oxygen filled annealing proceeds as follows.

가) 급속열처리 챔버에서 Ar, Ne, N2가스 등을 사용하여 플라즈마를 활성화시킨다. 이때, 압력은 1mTorr∼10Torr, 온도는 150∼400℃, 파워는 10∼1000W 범위에서 설정한다.A) Activate the plasma using Ar, Ne, N 2 gas, etc. in the rapid heat treatment chamber. At this time, the pressure is set in a range of 1 mTorr to 10 Torr, a temperature of 150 to 400 ° C., and a power of 10 to 1000 W.

나) 상기 온도 조건을 유지하여 플라즈마 활성화 에너지를 이용한 저온 어닐을 실시한다. 이때, O2, N2O, H2O, H2O2등과 같이 산소를 포함하는 반응 가스를 챔버 내에 공급하여 산소가 티타늄질화막(19)의 결정립계에 충분히 충진되도록 한다. 한편, Ar, Ne, N2등의 비활성 가스를 더 공급할 수도 있다.B) Low temperature annealing is performed using plasma activation energy while maintaining the above temperature conditions. At this time, a reaction gas containing oxygen, such as O 2 , N 2 O, H 2 O, H 2 O 2, or the like is supplied into the chamber so that oxygen is sufficiently filled in the grain boundary of the titanium nitride film 19. Meanwhile, inert gases such as Ar, Ne, and N 2 may be further supplied.

계속하여, 도 3에 도시된 바와 같이 티타늄질화막(19) 상에 웨팅 티타늄막(23)을 50∼500Å 두께로 증착한다. 이때, 웨팅 티타늄막(23)은 금속배선 재료로 알루미늄을 사용하는 경우 매립 특성을 보완하기 위한 것이므로 다른 금속배선 재료를 사용하는 경우에는 이를 증착하지 않아도 된다.Subsequently, as shown in FIG. 3, the wetting titanium film 23 is deposited to a thickness of 50 to 500 kPa on the titanium nitride film 19. At this time, the wetting titanium film 23 is intended to supplement the buried characteristics when aluminum is used as the metal wiring material, and thus does not need to be deposited when other metal wiring materials are used.

다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이 전체 구조 상부에 알루미늄막(24)을 증착하여 콘택홀을 매립하고, 금속배선 마스크를 사용한 사진 및 식각 공정을 실시하여 금속배선을 디파인한다.Next, as shown in FIG. 4, the aluminum layer 24 is deposited on the entire structure to fill the contact hole, and the metal wiring is defined by performing a photo and etching process using a metal wiring mask.

상기와 같은 공정을 실시하는 경우, 플라즈마 활성화 에너지를 이용하기 때문에 상대적으로 저온에서 어닐을 실시할 수 있어 티타늄질화막의 결정립계에 충분한 산소를 충진하면서도 티타늄질화막의 산화를 최소화할 수 있다.In the above process, since plasma activation energy is used, annealing can be performed at a relatively low temperature, thereby minimizing oxidation of the titanium nitride film while filling oxygen at a grain boundary of the titanium nitride film.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.

예컨대, 전술한 실시예에서는 FeRAM의 금속 콘택 공정에서 티타늄질화막에 산소를 충진하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 티타늄질화막에 산소를 충진하는 모든 공정에 적용될 수 있다.For example, in the above-described embodiment, the case in which oxygen is filled in the titanium nitride layer in the metal contact process of FeRAM is described as an example, but the present invention may be applied to all processes in which oxygen is filled in the titanium nitride layer.

전술한 본 발명은 티타늄질화막의 결정립계에 충분한 산소를 충진하고, 티타늄질화막의 산화를 최소화할 수 있으며, 이로 인하여 콘택 저항을 감소시켜 소자의 전기적 특성을 개선하는 효과가 있다.The present invention described above can fill the grain boundary of the titanium nitride film with sufficient oxygen and minimize oxidation of the titanium nitride film, thereby reducing the contact resistance, thereby improving the electrical characteristics of the device.

Claims (6)

티타늄질화막의 산소 충진 방법에 있어서,In the oxygen filling method of the titanium nitride film, 상기 티타늄질화막이 형성된 기판을 반응기에 로딩하는 제1 단계;Loading a substrate on which the titanium nitride film is formed into a reactor; 상기 반응기 내에 플라즈마 소오스 가스를 공급하여 플라즈마를 활성화시키는 제2 단계; 및Supplying a plasma source gas into the reactor to activate a plasma; And 상기 반응기 내에 산소 소오스 가스를 공급하고 플라즈마 활성화 에너지를 이용하여 어닐을 실시하는 제3 단계Supplying an oxygen source gas into the reactor and performing annealing using plasma activation energy 를 포함하는 티타늄질화막의 산소 충진 방법.Oxygen filling method of the titanium nitride film comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 단계에서,In the second step, 1mTorr∼10Torr의 압력, 150∼400℃의 온도, 10∼1000W의 파워 조건을 사용하여 플라즈마를 활성화시키는 것을 특징으로 하는 티타늄질화막의 산소 충진 방법.A method for oxygen filling a titanium nitride film, characterized in that the plasma is activated using a pressure of 1 mTorr to 10 Torr, a temperature of 150 to 400 ° C., and a power condition of 10 to 1000 W. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 플라즈마 소오스 가스는 Ar, Ne, N2가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄질화막의 산소 충진 방법.The plasma source gas is oxygen filling method of the titanium nitride film, characterized in that at least any one of Ar, Ne, N 2 gas. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 산소 소오스 가스는,The oxygen source gas, O2, N2O, H2O, H2O2중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄질화막의 산소 충진 방법.Oxygen filling method of a titanium nitride film comprising at least one of O 2 , N 2 O, H 2 O, H 2 O 2 . 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제3 단계에서,In the third step, 상기 산소 소오스 가스와 함께 Ar, Ne, N2중 적어도 어느 하나의 가스를 더 공급하는 것을 특징으로 하는 티타늄질화막의 산소 충진 방법.The oxygen filling method of the titanium nitride film, characterized in that for supplying at least any one of Ar, Ne, N 2 together with the oxygen source gas. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 반응기는 급속열처리(RTA) 챔버인 것을 특징으로 하는 티타늄질화막의 산소 충진 방법.The reactor is oxygen filled method of the titanium nitride film, characterized in that the rapid thermal treatment (RTA) chamber.
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