KR100485584B1 - Plasma process apparatus for contact hole barrier metal film by use of rolling plasma source - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 제작 공정 중 콘텍홀(Contact Hole) 베리어 메탈(Barrier Metal)막 형성에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 콘텍홀 베리어 메탈막으로 형성되는 CVD TiN막에 대한 플라즈마 처리시 롤링 플라즈마 소스를 이용하여 플라즈마 처리를 위해 상기 CVD TiN막으로 입사되는 플라즈마 이온이 입사각을 콘텍홀 내 CVD TiN막의 측면부로 편향시켜 플라즈마 처리를 수행함으로서, 콘텍홀의 상/하부면 뿐만아니라 측면부에 증착된 CVD TiN막에 대해서도 플라즈마 처리가 충분히 수행될 수 있도록 하여, CVD TiN막 측면부의 베리어 메탈막 이상으로 인한 텅스텐 막의 성장 이상을 방지시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 CVD TiN막의 베리어 메탈로서의 특성이 콘텍홀 측면부에서 약해지는 것을 방지할 수 있는 있으며, 후속 텅스텐 공정시 불소가 CVD TiN막의 측면부로 침입하는 것을 방지하여 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to the formation of a contact hole barrier metal layer during a semiconductor device fabrication process. That is, in the present invention, the plasma ions incident to the CVD TiN film for the plasma treatment using a rolling plasma source during the plasma treatment of the CVD TiN film formed of the contact hole barrier metal film have an incident angle of the side part of the CVD TiN film in the contact hole. Plasma treatment is performed by deflecting in order to allow the plasma treatment to be sufficiently performed not only on the upper and lower surfaces of the contact hole but also on the CVD TiN film deposited on the side surface, thereby growing the tungsten film due to the abnormal barrier metal film on the side surface of the CVD TiN film. There is an advantage that can prevent abnormality. In addition, it is possible to prevent the CVD TiN film as a barrier metal from weakening at the contact hole side portion, and to prevent fluorine from penetrating into the side portion of the CVD TiN layer during the subsequent tungsten process, thereby improving the reliability of the device.
Description
본 발명은 반도체 소자 제작 공정 중 콘텍홀(Contact Hole) 베리어 메탈(Barrier Metal)막 형성에 관한 것으로, 특히 콘텍홀 베리어 메탈막의 측면부(Sidewall)에 대한 플라즈마 처리(Plasma treatment)가 용이하도록 하는 롤링 플라즈마 소스(Rolling Plasma Source)를 이용한 콘텍홀 베리어 메탈막 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to forming a contact hole barrier metal film during a semiconductor device fabrication process. In particular, the present invention relates to a rolling plasma that facilitates plasma treatment of sidewalls of a contact hole barrier metal film. The present invention relates to a contact hole barrier metal film plasma processing apparatus and a method using a rolling plasma source.
반도체 소자의 고집적화에 따른 디자인 룰(Design rule)의 축소는 콘텍 및 비아의 종횡비(Aspect ratio)의 증가를 가져와 기존 PVD방법에 의한 베리어 메탈 증착에 한계를 가져오게 되었다. 따라서 최근에는 0.22μm 급 이상의 디바이스에서는 상기 PVD의 한계를 극복하기 위해 IMP(Ionized Metal Plasma)법에 의한 타이타늄(Titanium)과 CVD에 의한 질화 타이타늄(TiN)을 많이 사용하고 있다. The reduction of design rules due to the high integration of semiconductor devices has resulted in an increase in aspect ratios of contact and vias, thus limiting barrier metal deposition by conventional PVD methods. Therefore, in recent years, devices over 0.22 μm class have used titanium (Ionized Metal Plasma) method and titanium nitride (TiN) by CVD in order to overcome the limitation of PVD.
한편, 상기 CVD TiN증착시에는 소스 가스로써 TDMAT를 사용하는 경우 내부의 불필요한 화합물 제거와 저항 감소, 필름의 안정화를 위해 H2,N2 플라즈마 처리를 사용하게 되는데, 이때 상기 H2,N2 플라즈마의 직진성에 의해 콘텍 및 비아의 측벽부분은 플라즈마 처리가 잘되지 않는다.On the other hand, there is the use of the CVD during TiN deposition, remove unwanted compounds in the inside and the resistance reduction When using TDMAT as a source gas, H 2, N 2 plasma treatment in order to stabilize the film, in which the H 2, N 2 plasma Due to the straightness of the sidewalls of the contacts and vias are not well plasma treated.
도 1은 상기 종래 플라즈마 처리를 통한 베리어 금속막의 쉬링크 발생 일예를 도시한 것으로, 상기 도 1의 (a)에서와 같이 웨이퍼 표면에 TDMAT 소스 가스를 CVD 방법으로 증착시켜 TiN막을 생성시킨 후, H2,N2 플라즈마 처리를 통해 상기 도 1의 (b)에서와 같은 쉬링크(Shrink)된 TiN막을 얻게 되는 것이다.FIG. 1 illustrates an example of shrink generation of a barrier metal film through the conventional plasma treatment. As shown in FIG. 1A, a TDMAT source gas is deposited on a wafer surface by CVD to generate a TiN film, and then H Through the 2 , N 2 plasma treatment, a shrinked TiN film as in FIG. 1B is obtained.
그러나 상기와 같이 생성되는 종래 TiN막은 도 2에서 보여지는 바와 같이 전술한 H2,N2 플라즈마의 직진성에 의해 콘텍홀의 상부면(200)과 하부면(202)에서는 플라즈마 처리가 잘 수행되어 충분한 쉬링크가 발생한 TiN막을 형성할 수 있는 반면, 콘텍홀의 측면부(204)에서는 플라즈마 처리가 거의 수행되지 않아 쉬링크가 발생하지 않게 되는 문제점이 있었다.However, as shown in FIG. 2, the conventional TiN film produced as described above has sufficient plasma treatment on the upper surface 200 and the lower surface 202 of the contact hole due to the straightness of the H 2 and N 2 plasma described above. While the TiN film in which the link was generated can be formed, there is a problem in that the side portion 204 of the contact hole has no plasma treatment and thus no shrink occurs.
이는 후속 텅스텐 CVD 방식에 의한 콘텍, 비아홀 매립시 측벽 방향으로 불소 공격(Fluorine attack)이나 불순물의 존재로 인한 메탈 막의 저항 증가, 베리어 금속 막 물성의 문제로 인한 텅스텐 막의 성장 방해 등의 원인이 되어 왔으며, 이와 같은 콘텍홀 측벽의 플라즈마 처리에의 문제점은 0.13μm, 0.10μm 급 이상의 상위 테크놀러지 디바이스에서는 반도체 디바이스의 동작에 치명적인 영향을 미치게 되는 문제점이 있었다. This has been the cause of contact by the subsequent tungsten CVD method, increased resistance of the metal film due to fluorine attack or presence of impurities in the sidewall direction during via hole filling, and tungsten film growth inhibition due to barrier metal film properties. In the plasma processing of the contact hole sidewalls, the upper technology devices of 0.13 μm and 0.10 μm or more have a fatal effect on the operation of the semiconductor device.
따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마 발생에 있어서 캐소드 부분의 역할을 하는 히터 부위에 가해지는 전위보다 더 강한 비 대칭적인 회전 플라즈마 소스를 장착하여 플라즈마 이온의 입사각을 편향시켜 콘텍홀 측면부에 대한 플라즈마 처리가 가능하도록 함으로써, 콘텍홀 베리어 메탈막으로 증착되는 CVD TiN막에 대한 효과적인 프라즈마 처리가 가능하도록 하는 롤링 플라즈마 소스를 이용한 콘텍홀 베리어막 플라즈마 처리 장치 및 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to mount a non-symmetrical rotating plasma source that is stronger than the potential applied to the heater portion serving as the cathode portion in plasma generation, thereby deflecting the incident angle of the plasma ions, thereby causing plasma treatment on the contact hole side portion. The present invention provides a contact hole barrier film plasma processing apparatus and method using a rolling plasma source to enable an effective plasma treatment of a CVD TiN film deposited as a contact hole barrier metal film.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 롤링 플라즈마 소스를 이용한 콘텍홀 베리어 메탈막 플라즈마 처리 장치 및 방법에 있어서, 상기 베리어 메탈막이 증착된 웨이퍼상 콘텍홀로 플라즈마 처리를 위한 플라즈마 이온을 방사하는 샤워헤드와; 상기 플라즈마 처리를 위한 웨이퍼가 놓이며, 상기 샤워헤드와 대향되게 위치되어 상기 웨이퍼상으로 상기 샤워헤드로부터 방사된 플라즈마 이온이 스퍼터링 되도록 상기 플라즈마 이온을 끌어 당기는 히터와; 상기 히터의 일측면에 구비되어 히터보다 더 낮은 전위를 가지고 상기 플라즈마 이온을 콘텍홀 베리어막 측면부로 편향시키는 롤링 플라즈마 소스;를 포함하는 플라즈마 처리장치를 구현하며, (a)웨이퍼상 콘텍홀에 베리어 메탈막을 CVD로 증착시키는 단계와; (b)상기 베리어 메탈막 증착된 콘텍홀에 대한 플라즈마 처리를 위해 웨이퍼를 상기 샤워헤드에 대향되도록 상기 히터상에 위치시키는 단계와; (c)상기 히터상 일측면에 구비된 롤링 플라즈마 소스에 전원을 인가하여 상기 샤워 헤드로부터 방사되는 플라즈마 이온의 입사각을 웨이퍼 상 콘텍홀 측면부로 편향시키는 단계와; (d)상기 롤링 플라즈마 소스에 의해 입사각이 편향된 플라즈마 이온을 이용하여 콘텍홀 측면부의 베리어 메탈막에 대한 플라즈마 처리를 수행하는 단계;를 포함하는 플라즈마 처리 방법을 구현하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a contact hole barrier metal film plasma processing apparatus and method using a rolling plasma source, comprising: a shower head radiating plasma ions for plasma processing into a contact hole on a wafer on which the barrier metal film is deposited; ; A heater on which the wafer for plasma processing is placed, which is positioned opposite the showerhead and attracts the plasma ions such that the plasma ions radiated from the showerhead onto the wafer are sputtered; And a rolling plasma source provided on one side of the heater to lower the plasma ions to the contact hole barrier layer side portion with a lower potential than the heater, and (a) a barrier in the wafer-shaped contact hole. Depositing a metal film by CVD; (b) placing a wafer on the heater to face the showerhead for plasma treatment of the barrier metal film deposited contact hole; (c) applying power to a rolling plasma source provided on one side of the heater to deflect an incident angle of plasma ions radiated from the shower head to a contact hole side surface on a wafer; and (d) performing plasma processing on the barrier metal film at the side surface of the contact hole by using plasma ions having an incident angle deflected by the rolling plasma source.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation of the preferred embodiment according to the present invention.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 롤링 플라즈마 소스를 구비한 콘텍홀 베리어막 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 것이다. 3 illustrates a configuration of a contact hole barrier film plasma processing apparatus having a rolling plasma source according to an embodiment of the present invention.
이하 상기 도 3의 (a)을 참조하여 각 구성요소의 동작을 설명하면, 먼저 샤워헤드(Shower Head)(300)는 CVD TiN막이 베리어 메탈막으로 증착된 웨이퍼 상 콘텍홀로 플라즈마 처리를 위한 플라즈마 이온을 방사시킨다. 상기 플라즈마 이온으로는 내부의 불필요한 화합물 제거와 저항 감소, 막 안정화를 위한 H2, N2 플라즈마 이온이 사용될 수 있다. 히터(Heater)(302)는 플라즈마 처리를 위한 웨이퍼(304)가 놓이며, 상기 샤워헤드(300)와 대향되게 위치되어 상기 샤워헤드(300)로부터 방사된 H2, N2 플라즈마 이온이 웨이퍼(304) 상으로 스퍼터링되도록 플라즈마 이온을 끌어당기게 된다. 롤링 플라즈마 소스(306)는 상기 히터(302)의 일측면에 구비되어 히터(302)보다 더 낮은 전위를 가지고 상기 샤워 헤드(300)로부터 방사된 플라즈마 이온을 콘텍홀 CVD TiN막 측면부로 편향시켜 플라즈마 이온이 콘텍홀 CVD TiN막 측면부로도 충분히 입사될 수 있도록 한다. 그리고, 롤링 플라즈마 소스(306)는 히터(302)하부에 형성되는 회전판에 어레이 형태로 구현된 영구 자석으로 형성할 수 있으며, 회전판의 회전에 따라 콘텍홀 측면부 베리어막 전체에 대한 일정 수준의 플라즈마 처리가 수행되도록 한다.Hereinafter, the operation of each component will be described with reference to FIG. 3A. First, the shower head 300 is a plasma ion for plasma treatment with a contact hole on a wafer on which a CVD TiN film is deposited as a barrier metal film. Radiate. As the plasma ions, H 2 and N 2 plasma ions for removing unnecessary compounds therein, reducing resistance, and stabilizing a film may be used. The heater 302 is placed on the wafer 304 for plasma processing, the H 2 , N 2 plasma ions that are located opposite to the shower head 300 radiated from the shower head 300 is a wafer ( 304 to attract plasma ions to sputter onto. A rolling plasma source 306 is provided on one side of the heater 302 and has a lower potential than the heater 302 to deflect plasma ions radiated from the shower head 300 to the contact hole CVD TiN film side surface. The ions are also allowed to sufficiently enter the side surface of the contact hole CVD TiN film. In addition, the rolling plasma source 306 may be formed as a permanent magnet implemented in an array form on the rotating plate formed under the heater 302, and a predetermined level of plasma treatment is performed on the entire barrier layer of the contact hole side according to the rotation of the rotating plate. To be performed.
이때 상기 플라즈마 이온은 종래에는 상기 도 3의 (b)에서와 같이 웨이퍼(304)상으로 직진성을 가지고 스퍼터링되어 콘텍홀의 상부면과 하부면에서만 효과적인 플라즈마 처리가 수행되었으나, 본 발명에서는 상기 도 3의 (a)에서와 같이 플라즈마 이온이 히터(302) 하부면에 구비되는 롤링 플라즈마 소스(306)에 의한 전계의 영향을 받아 롤링 플라즈마 소스(306)쪽으로 편향되어 웨이퍼(304)상으로 스퍼터링됨에 따라 콘텍홀의 측면부에서도 플라즈마 처리가 적절히 수행될 수 있게 되는 것이다. In this case, the plasma ions are sputtered onto the wafer 304 in a straight line as in FIG. 3 (b), so that an effective plasma treatment is performed only on the upper and lower surfaces of the contact hole. As in (a), plasma ions are deflected toward the rolling plasma source 306 and sputtered onto the wafer 304 under the influence of an electric field by the rolling plasma source 306 provided on the lower surface of the heater 302. The plasma treatment can also be appropriately performed on the side surface of the hole.
즉, 도 3의 (c)와 (d)에서 보여지는 바와 같이 롤링 플라즈마 소스(306)는 비대칭형으로 히터(302)보다 낮은 전위를 가지는 롤링 캐소드(Rolling cathode)로써 히터(302) 하부면 회전판에 장착되어 플라즈마 처리시 히터(302) 하부면을 회전하게 되는데, 이에 따라 플라즈마에서 발생한 플러스(+) 이온들은 웨이퍼 방향으로 직진하여 끌려오다, 상기 롤링 캐소드의 영향을 받아 롤링 캐소드의 방향으로 편향됨으로써 콘텍홀 측면부로 입사되게 되어 콘텍홀 측면부에 대한 플라즈마 처리가 가능하게 되는 것이다. 이때, 롤링 플라즈마 소스(306)는 회전판을 10∼200RPM으로 회전하며 측면부 처리를 하며, 롤링 플라즈마 소스(306)에 의한 측면부 처리는 콘텍홀의 상부면과 하부면에 대하여 미리 설정된 일정 수준의 플라즈마 처리가 수행된 이후 롤링 플라즈마 소스(306)에 전원이 인가되도록 하여 진행하는 것이 바람직하며, 이때 전원은 200W∼1500W의 RF전원을 인가하는 것이 바람직하다.That is, as shown in (c) and (d) of FIG. 3, the rolling plasma source 306 is asymmetrical and has a rolling cathode having a lower potential than the heater 302. It is mounted on the to rotate the lower surface of the heater 302 during the plasma treatment, so that the positive (+) ions generated in the plasma is attracted to go straight to the wafer direction, by being deflected toward the rolling cathode under the influence of the rolling cathode The incident light is incident on the contact hole side part, thereby enabling plasma processing on the contact hole side part. At this time, the rolling plasma source 306 rotates the rotating plate at 10 to 200 RPM and performs side surface treatment. The side surface treatment by the rolling plasma source 306 has a predetermined level of plasma treatment for the upper and lower surfaces of the contact hole. After performing, it is preferable to proceed with the power applied to the rolling plasma source 306, and in this case, it is preferable to apply the RF power of 200W to 1500W.
도 4는 상기 도 3에서와 같은 플라즈마 이온의 편향 스퍼터링을 이용한 콘텍홀 측면부에서의 플라즈마 처리 일 예를 도시한 것으로, 상기 도 4의 (a)에는 샤워헤드로부터 방사된 플라즈마 이온이 롤링 플라즈마 소스(306)에 의해 편향되어 CVD TiN막이 형성된 콘텍홀 측면부(400)로 입사됨으로써 콘텍홀 측면부(400)의 CVD TiN막이 플라즈마 처리로 인해 충분한 두께로 쉬링크되는 것을 보여주고 있으며, 또한 이와 같은 롤링 플라즈마 소스(306)를 회전시킴으로써 상기 도 4의 (b)에서 보여지는 바와 같이 콘텍홀 측면부(402) CVD TiN막 전체에 대해 일정 수준의 플라즈마 처리가 수행되어 콘텍홀 상부면(404), 하부면(406) 뿐만아니라 측면부(402)에서도 적절한 플라즈마 처리가 수행되는 것을 알 수 있다. FIG. 4 illustrates an example of plasma processing at a side surface of a contact hole using deflection sputtering of plasma ions as shown in FIG. 3. In FIG. 4A, plasma ions radiated from a shower head are provided with a rolling plasma source ( The CVD TiN film of the contact hole side portion 400 is shrunk to a sufficient thickness due to the plasma treatment by being incident to the contact hole side portion 400 deflected by the 306 to form the CVD TiN film. As shown in FIG. 4 (b) by rotating the 306, a certain level of plasma treatment is performed on the entire contact hole side portion 402 CVD TiN film, so that the contact hole upper surface 404 and the lower surface 406 are rotated. It can be seen that the appropriate plasma treatment is performed on the side portion 402 as well.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.Meanwhile, in the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the invention should be determined by the claims rather than by the described embodiments.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 콘텍홀 베리어 메탈막으로 형성되는 CVD TiN막에 대한 플라즈마 처리시 롤링 플라즈마 소스를 이용하여 플라즈마 처리를 위해 상기 CVD TiN막으로 입사되는 플라즈마 이온이 입사각을 콘텍홀 내 CVD TiN막의 측면부로 편향시켜 플라즈마 처리를 수행함으로서, 콘텍홀의 상/하부면 뿐만아니라 측면부에 증착된 CVD TiN막에 대해서도 플라즈마 처리가 충분히 수행될 수 있도록 하여, CVD TiN막 측면부의 베리어 메탈막 이상으로 인한 텅스텐 막의 성장 이상을 방지시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 CVD TiN막의 베리어 메탈로서의 특성이 콘텍홀 측면부에서 약해지는 것을 방지할 수 있는 있으며, 후속 텅스텐 공정시 불소가 CVD TiN막의 측면부로 침입하는 것을 방지하여 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.As described above, in the present invention, the plasma ions incident to the CVD TiN film for plasma treatment using a rolling plasma source during the plasma treatment of the CVD TiN film formed of the contact hole barrier metal film have an incident angle in the contact hole. Plasma processing is performed by deflecting to the side surface of the CVD TiN film, so that the plasma processing can be sufficiently performed not only on the upper and lower surfaces of the contact hole but also on the CVD TiN film deposited on the side surface. There is an advantage that can prevent the abnormal growth of the tungsten film. In addition, the barrier metal properties of the CVD TiN film can be prevented from being weakened at the sidewalls of the contact hole, and in the subsequent tungsten process, fluorine does not penetrate into the sidewalls of the CVD TiN film, thereby improving the reliability of the device.
도 1은 종래 CVD TiN막 증착 공정 예시도,1 illustrates a conventional CVD TiN film deposition process,
도 2는 종래 CVD TiN막 측면부에 대한 플라즈마 처리 예시도,2 is an exemplary plasma processing diagram of a side surface of a conventional CVD TiN film;
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리 장치 구성도,3 is a block diagram of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 CVD TiN막 측면부에 대한 개선된 플라즈마 처리 예시도.4 illustrates an improved plasma treatment for CVD TiN film side portions in accordance with an embodiment of the present invention.
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