KR100545194B1 - 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 확산방지막 형성 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 소자의 확산방지막 형성 방법에 관한 것으로, 그 목적은 접속홀의 내벽에 증착하는 확산방지막으로서 확산방지 기능이 우수하면서도 비저항이 낮고, 또한 스텝 커버리지가 우수한 TaSiN을 형성하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 원자층증착(atomic layer deposition : ALD) 방법을 이용하여 TaSiN을 형성하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법은, 반도체 기판의 구조물 상에 형성된 금속막의 상부 전면에 층간절연막을 형성한 후 선택적으로 식각하여 금속막의 일부를 노출시키는 소정폭의 홀을 형성하는 제1단계; 홀의 내벽에 Si 소스층을 형성하는 제2단계; Si 소스층 상에 Ta층을 형성함과 동시에, Ta층의 상부로 질소를 포함한 가스를 주입하여 Si 소스층, Ta층 및 질소를 반응시키고, 반응의 결과 TaSiN층을 형성하는 제3단계; TaSiN층의 상부로 수소를 포함한 가스를 주입하여 TaSiN층 내에 함유된 불순물을 수소와 반응시켜 제거하는 제4단계를 포함하여 이루어진다..
확산방지막, 원자층증착, TaSiN

Description

반도체 소자의 확산방지막 형성 방법 {Formation method of barrier metal in semiconductor device}
도 1a 내지 1d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
11 : 반도체 기판의 구조물 12 : 금속막
13 : 층간절연막 14 : Si 소스층
15 : Ta층 16 : 비저항이 높은 TaSiN층
17a, 17b, 17c : 비저항이 낮은 TaSiN층
본 발명은 반도체 소자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀의 내벽에 확산방지막으로서 비저항이 낮은 TaSiN막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 제조 공정에서 컨택홀 또는 비아홀과 같은 홀의 내벽에는 확산방지막을 증착한 후, 확산방지막 상에 금속물질을 형성하여 홀의 내부를 매립한다.
TaSiN은 가장 우수한 확산방지막으로 인정되고 있지만, 비저항이 너무 높다는 단점이 있다. TaSiN은 물리기상증착(PVD : physical vapor deposition) 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition) 방법으로 형성한다.
물리기상증착 방법에서는 TaSi 타겟을 물리적으로 기상화시키면서 질소와 반응시켜 TaSiN을 증착한다. 이러한 물리기상증착 방법을 이용하면 제작이 용이하다는 장점이 있는 반면에, TaSiN이 다결정상태로 존재하여 구리금속배선에 대한 확산방지막으로 사용 시에는 구리가 쉽게 확산하여 TaSiN과 Cu와의 계면에 Cu3Si가 형성된다는 문제점이 있다.
또한, 물리기상증착 방법을 이용하면 높은 종횡비를 요구하는 소자에서는 원하는 수준의 스텝 커버리지를 얻을 수 없다는 문제점이 있다. 이러한 문제점들로 인해 물리기상증착 방법 보다는 화학기상증착 방법을 연구하게 되었고, 현재에도 TaSiN 형성을 위한 화학기상증착 방법에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나, 화학기상증착 방법에서 사용하는 반응가스(precursor)에 포함되는 각종 유기 잔재물에 의해 증착된 TaSiN의 비저항이 높다는 문제점이 있다. 비저항이 높은 TaSiN을 구리금속배선의 확산방지막으로 사용할 경우, 소자의 전체 저항을 증가시켜 금속배선의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 홀의 내벽에 증착하는 확산방지막으로서, 확산방지 기능이 우수하면서도 비저항이 낮 은 TaSiN을 증착하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스텝 커버리지가 우수한 TaSiN 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 원자층증착(atomic layer deposition : ALD) 방법을 이용하여 TaSiN을 형성하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법은, 반도체 기판의 구조물 상에 형성된 금속막의 상부 전면에 층간절연막을 형성한 후 선택적으로 식각하여 금속막의 일부를 노출시키는 소정폭의 홀을 형성하는 제1단계; 홀의 내벽에 Si 소스층을 형성하는 제2단계; Si 소스층 상에 Ta층을 형성함과 동시에, Ta층의 상부로 질소를 포함한 가스를 주입하여 Si 소스층, Ta층 및 질소를 반응시키고, 반응의 결과 TaSiN층을 형성하는 제3단계; TaSiN층의 상부로 수소를 포함한 가스를 주입하여 TaSiN층 내에 함유된 불순물을 수소와 반응시켜 제거하는 제4단계를 포함하여 이루어진다.
이 때, Si 소스층 및 Ta층은 원자층증착(atomic layer deposition : ALD) 방법을 이용하여 수-수십Å의 두께로 형성한다.
Si 소스층으로는 SiH4층 또는 Si층을 형성할 수 있는데, 이를 위해서는 기판을 챔버 내에 투입하고 기판의 온도를 170-550℃로 가열한 상태에서 챔버 내로 SiH4 가스를 주입하여 SiH4층 또는 Si층을 형성하는 것이 바람직하며, 이 때 챔버 내의 압력은 90-300 torr로 하고 10초-2분 동안 유지시켜 SiH4층 또는 Si층을 형성하는 것이 바람직하다.
Ta층을 형성하는 제3단계에서는, 기판의 온도를 170-550℃로 하고 챔버 내에 Ta을 포함한 반응가스를 주입하여 Ta층을 형성하는 것이 바람직하다.
Ta을 포함한 반응가스로는 터트부틸이미도 (트리스디에틸아마이드) 탄탈륨(tertbutylimido (trisdiethylamide) tantalum : TBTDET), 펜타키스 (디에틸아마이드) 탄탈륨(pentakis (diethylamide) tantalum : PDEAT), 펜타키스 (디메틸아마이드) 탄탈륨(pentakis (dimethylamide) tantalum : PDMAT), 및 펜타키스 (에틸메틸아미노) 탄탈륨(pentakis (ethylmethylamino) tantalum : PEMAT 중의 어느 하나를 사용할 수 있다.
질소를 포함한 가스로는 NH3 또는 N2 가스를 주입하는 것이 바람직하다.
TaSiN층 내에 함유된 불순물을 제거하는 제4단계에서는, 기판의 온도를 170-550℃로 하고 챔버 내에 NH3 또는 H2 가스와 같은 수소를 포함한 가스를 100-400 sccm의 유량으로 주입하는 것이 바람직하다.
TaSiN층 내에 함유된 불순물을 수소와 반응시켜 제거하는 과정에서 TaSiN층의 부피가 수축되어 치밀화되며, 이렇게 치밀화된 TaSiN층의 두께는 수-수십Å 두께이다.
이러한 제4단계 이후에 제2단계 내지 제4단계를 소정횟수 반복하여 TaSiN층 을 원하는 두께만큼 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 TaSiN 확산방지막 형성 방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 개별소자가 형성된 반도체 기판의 구조물(11) 상에 금속막(12)을 형성하고 선택적으로 식각하여 소정폭으로 남긴다.
다음, 소정폭의 금속막(12)을 포함하여 반도체 기판 구조물(11)의 상부 전면에 층간절연막(13)을 두껍게 증착한 후, 층간절연막(13)을 선택적으로 식각하여 금속막(12)을 소정영역 노출시키는 소정폭의 컨택홀(H)을 형성한다.
다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 컨택홀이 형성된 층간절연막 및 컨택홀을 통해 노출된 금속막의 상부 전면에 원자층증착 방법을 이용하여 Si 소스층(14)을 수-수십Å 정도의 얇은 두께로 형성한다.
이 때 Si 소스층(14)이란 반응성이 높은 Si을 제공해줄 수 있는 층을 의미한다. Si 소스층(14)을 형성하는 방법으로는 SiH4 가스를 이용하는 방법이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
SiH4 가스를 이용하는 방법은, 챔버 내에 웨이퍼를 넣고 웨이퍼를 170-550℃로 가열한 상태에서 챔버 내로 SiH4 가스를 주입하여 챔버 내의 90-300 torr로 하고 10초-2분 동안 유지시킴으로써, 하부 구조물의 상면에 SiH4층 또는 Si층을 얇게 형 성하는 방법이다.
이어서, 웨이퍼 온도를 170-550℃로 유지한 상태에서 챔버 내에 Ta을 포함한 반응가스를 주입하여 Si 소스층(14) 위에 수-수십Å 두께로 Ta층(15)을 형성함과 동시에, 질소를 포함한 가스를 주입한다.
이 때 Ta을 포함한 반응가스로는 터트부틸이미도 (트리스디에틸아마이드) 탄탈륨(tertbutylimido (trisdiethylamide) tantalum : TBTDET), 펜타키스 (디에틸아마이드) 탄탈륨(pentakis (diethylamide) tantalum : PDEAT), 펜타키스 (디메틸아마이드) 탄탈륨(pentakis (dimethylamide) tantalum : PDMAT), 또는 펜타키스 (에틸메틸아미노) 탄탈륨(pentakis (ethylmethylamino) tantalum : PEMAT 등을 사용할 수 있다.
질소를 포함한 가스로는 NH3 또는 N2 가스를 주입한다.
그러면, 도 1c에 도시된 바와 같이, Ta층(15)과 Si 소스층(14)의 Si이 서로 반응하여 TaSi층이 형성됨과 동시에, 주입된 NH3 또는 N2 가스로부터 N이 TaSi층과 반응하여 TaSiN층(16)이 형성된다.
Si 소스층(14)과 Ta층(15)이 각각 수-수십Å 두께로 얇게 형성되었기 때문에, 이 둘을 합한 TaSiN층(16) 역시 수-수십Å 두께 범위를 가지게 된다.
그런데 이렇게 형성된 TaSiN층(16) 내에는 O, C 등의 불순물과 유기물 등이 다량 포함되어 있어서 TaSiN층(16)은 높은 비저항을 가진다. 따라서, 불순물과 유기물 등을 제거할 필요가 있다.
이어서, 웨이퍼 온도를 170-550℃로 유지한 상태에서 챔버 내로 수소를 포함하는 가스, 일 예로 NH3 또는 H2 가스를 100-400 sccm의 유량으로 주입하면, NH 3 또는 H2 가스의 H와 TaSiN층(16)의 O 또는 C계 불순물이 반응하여 각각 H2O 또는 CH x 등의 화합물을 만들고, 이로써 TaSiN층(16) 내의 불순물이 제거된다.
이와 같이 불순물이 제거되는 과정에서 TaSiN층(16)은 치밀화되고 경우에 따라서는 부피 수축도 일어난다.
그 결과 도 1d에 도시된 바와 같이, 불순물이 제거되어 비저항이 낮은 TaSiN층(17a)이 수-수십Å 두께로 형성된다.
비저항이 낮은 TaSiN층을 원하는 두께만큼 형성하기 위해서는 앞의 공정을 반복하면 된다. 즉, 최초로 형성된 TaSiN층(17a) 상에 Si 소스층 형성 단계에서부터 다시 시작하여 제2 TaSiN층(17b)을 형성할 수 있으며, 여기에 다시 Si 소스층 형성 단계에서부터 시작하여 제3 TaSiN층(17c)을 형성할 수 있다.
이러한 TaSiN층 형성공정은 수 회에서 수십회 혹은 수백회까지 반복하여 원하는 두께로 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 Si 소스층과 Ta층을 수-수십Å 두께로 얇게 형성하고, 여기에 질소를 포함한 가스를 주입하여 Si 소스층과 Ta층 및 질소가 서로 반응하여 수-수십Å 두께의 TaSiN층을 형성하며, 이렇게 형성된 TaSiN층을 NH3 또는 H2가스와 반응시켜 TaSiN층 내의 불순물을 제거하기 때문에, 비저항이 낮은 TaSiN 확산방지막을 형성하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 원자층증착 방법을 이용하여 수-수십Å 두께의 TaSiN층 형성공정을 수 회에서 수십회 혹은 수백회까지 반복하여 원하는 두께로 형성하기 때문에, 종횡비가 크고 폭 사이즈가 나노미터 규모인 접속홀에 대해서도 우수한 스텝 커버리지를 가지도록 형성하는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따라 형성된 TaSiN층은 비정질상태로 증착되기 때문에, 얇은 두께임에도 불구하고 확산방지기능이 우수하여 구리금속 등의 확산을 최소화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 원자층증착 방법에서는 기존의 화학기상증착용 챔버를 그대로 사용하므로, 신규 개발비용의 추가 없이 본 발명을 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 기판의 구조물 상에 형성된 금속막의 상부 전면에 층간절연막을 형성한 후 선택적으로 식각하여 금속막의 일부를 노출시키는 소정폭의 홀을 형성하는 제1단계;
    상기 홀의 내벽에 Si 소스층을 형성하는 제2단계; 및
    상기 Si 소스층 상에 Ta층을 형성함과 동시에, 상기 Ta층의 상부로 질소를 포함한 가스를 주입하여 상기 Si 소스층, Ta층 및 질소를 반응시키고, 상기 반응의 결과 TaSiN층을 형성하는 제3단계를 포함하며,
    상기 질소를 포함한 가스로는 NH3 또는 N2 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 형성된 TaSiN층 상에 수소를 포함한 가스를 주입하여 상기 TaSiN층 내에 함유된 불순물을 상기 수소와 반응시켜 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Si 소스층 및 Ta층은 원자층증착(atomic layer deposition : ALD) 방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Si 소스층으로는 SiH4층 또는 Si층을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 Si 소스층을 형성함에 있어, 상기 기판을 챔버 내에 투입하고 상기 기판의 온도를 170-550℃로 가열한 상태에서 상기 챔버 내로 SiH4 가스를 주입하여 SiH4층 또는 Si층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 Si 소스층을 형성함에 있어 챔버 내의 압력을 90-300 torr로 하고 10초-2분 동안 유지시켜 상기 SiH4층 또는 Si층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ta층을 형성함에 있어, 상기 기판의 온도를 170-550℃로 하고 상기 챔버 내에 Ta을 포함한 반응가스를 주입하여 상기 Ta층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ta을 포함한 반응가스로는 터트부틸이미도 (트리스디에틸아마이드) 탄탈륨(tertbutylimido (trisdiethylamide) tantalum : TBTDET), 펜타키스 (디에틸아마이드) 탄탈륨(pentakis (diethylamide) tantalum : PDEAT), 펜타키스 (디메틸아마이드) 탄탈륨(pentakis (dimethylamide) tantalum : PDMAT), 및 펜타키스 (에틸메틸아미노) 탄탈륨(pentakis (ethylmethylamino) tantalum : PEMAT 중의 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  9. 삭제
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 TaSiN층 내에 함유된 불순물을 제거하는 단계에서는, 상기 기판의 온도를 170-550℃로 하고 상기 챔버 내에 수소를 포함한 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소를 포함한 가스로는 NH3 또는 H2 가스를 100-400 sccm의 유량으로 주입하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 TaSiN층을 원하는 두께만큼 형성하기 위해 상기 제2단계 내지 제3단계를 소정횟수 반복하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 확산방지막 형성 방법.
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