KR100884339B1 - 반도체 소자의 텅스텐막 형성방법 및 이를 이용한 텅스텐배선층 형성방법 - Google Patents
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Abstract
텅스텐을 이용하여 저저항의 배선층을 형성할 때 텅스텐 박막 내에 보론(B)이 잔류하는 것을 방지하여 접합영역으로의 보론(B)의 침투로 인한 누설전류를 방지하고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 텅스텐막 형성방법과 이를 이용한 텅스텐 배선층 형성방법을 기재하고 있다. 텅스텐막 형성방법은, 반응챔버 내에 반도체기판을 로딩하는 단계와, 반응챔버 내에 텅스텐(W) 원소를 포함하는 소스가스를 도입함으로써 반도체기판의 표면에 핵결정을 성장시키는 단계와, 반응챔버 내에 보론(B)을 함유하는 환원가스를 도입함으로써 소스가스와 환원가스의 작용에 의해 반도체기판에 텅스텐막을 형성하는 단계, 및 반응챔버 내에 수소가스(H2)를 도입함으로써 텅스텐막 내에 잔류하는 보론(B)을 제거하는 단계를 포함한다.
텅스텐막, 원자층 증착, 핵형성층
Description
도 1은 본 발명에 따른 텅스텐막 형성방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 반도체 소자의 텅스텐 배선층 형성방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 누설전류 특성을 개선하여 신뢰성있는 배선층 형성을 가능하게 하는 반도체 소자의 텅스텐막 형성방법과 이를 이용한 텅스텐 배선층 형성방법에 관한 것이다.
디램(DRAM; Dynamic Random Access Memory)과 같은 휘발성(volatile) 메모리소자의 경우엔 셀(cell) 내부에 지속적인 데이터(data)의 저장을 위하여 주기적으로 전하를 보충해 주어야 하는데 이를 리프래쉬(refresh) 과정이라고 한다. 이러한 리프래쉬 과정은 많은 전력을 소모시키기 때문에, 특히 모바일(mobile) 제품에 있 어서는 매우 불리한 요소로 작용할 수 있다. 따라서, 리프래쉬 주기를 증가시켜 이러한 문제점을 극복할 필요가 있는데, 리프래쉬 주기를 증가시키기 위해서는 셀 내의 스토리지 캐패시터의 용량(Cs)을 늘이거나, 셀 내부에 기생하는 기생 캐패시턴스(Cb)를 감소시키는 방법이 있다.
스토리지 캐패시터의 용량을 늘이기 위해서는 셀의 면적을 증가시키거나 유전상수가 큰 물질을 캐패시터의 재료로 사용하는 방법 등이 있으나, 셀의 면적을 증가시키는 방법은 디자인 룰(design rule)에 있어서 거의 한계 상황에 도달해 있으며, 유전상수가 높은 새로운 물질을 적용하는 것도 너무 큰 투자와 많은 연구적인 문제를 수반하기 때문에 현실적으로 어려움이 많은 것이 사실이다. 따라서, 현재로서는 반도체 소자 내부에 스토리지 캐패시터와 직렬로 존재하여 셀의 전체적인 캐패시턴스를 감소시키는 기생 캐패시턴스를 줄이는 것이 가장 좋은 방법이라고 할 수 있다.
기생 캐패시턴스(Cb)를 감소시키기 위해서는 비트라인 도전막, 즉 텅스텐막의 두께를 감소시키면 되는데, 비트라인의 과도한 두께 감소는 비트라인의 면저항(sheet resistance)을 증가시켜 소자의 동작속도를 악화시킬 수 있다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 낮은 저항률(resistivity)을 갖는 텅스텐막을 형성하는 공정에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 대표적인 방법이 디보란(Diborane; B2H6) 가스를 이용하여 텅스텐 핵생성층을 형성하는 방법으로, 디보란(B2H6)과 육불화텅스텐(WF6)의 순차적인 작용에 의해 원자층증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방식으 로 텅스텐 핵생성층을 형성한 후 후속 수소 환원작용에 의해 텅스텐막이 증착되도록 하는 방식이다. 그러면 텅스텐의 그레인이 증가하게 되어 그레인 바운더리(grain boundary)에 의한 산란(scattering)이 감소되어 텅스텐막의 저항률이 감소하게 된다.
그러나, 과도한 디보란(B2H6) 가스의 사용은 텅스텐 박막 내에 보론(B)의 잔류를 유발하고, 접합영역으로 보론(B)이 침투하여 누설전류가 증가하고 소자의 특성이 악화되며 제조수율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 텅스텐을 이용하여 저저항의 배선층을 형성할 때 텅스텐 박막 내에 보론(B)이 잔류하는 것을 방지하여 접합영역으로의 보론의 침투로 인한 누설전류를 방지하고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 텅스텐막 형성방법 및 이를 이용한 텅스텐 배선층 형성방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 반도체 소자의 텅스텐막 형성방법은, 반도체기판 상에 텅스텐막을 성막하는 방법에 있어서, 반응챔버 내에 반도체기판을 로딩하는 단계와, 상기 반응챔버 내에 텅스텐(W) 원소를 포함하는 소스가스를 도입함으로써 상기 반도체기판의 표면에 핵결정을 성장시키는 단계와, 상기 반응챔버 내에 보론(B)을 함유하는 환원가스를 도입함으로써 상기 소스가스와 상기 환원가스의 작용에 의해 상기 반도체기판에 텅스텐막을 형성하는 단계, 및 상기 반응챔버 내에 수소가스(H2)를 도입함으로써 상기 텅스텐막 내에 잔류하는 보론(B)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 반응챔버는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정을 수행하기 위한 챔버이다.
그리고, 상기 소스가스로 육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소를, 상기 환원가스로는 디보란(B2H6) 가스를 사용한다.
그리고, 상기 반응챔버 내에 보론(B)을 함유하는 환원가스를 도입하여 상기 반도체기판 텅스텐막을 형성하는 단계 및 상기 반응챔버 내에 수소가스(H2)를 도입하는 단계 후에, 상기 반응챔버 내에 퍼지(purge) 가스를 주입하여 반응챔버를 퍼징시키는 단계를 추가할 수 있다.
또한, 상기 반도체기판을 수소가스에 노출시키는 단계에서는 반응챔버 내에 수소(H2) 플라즈마를 형성할 수도 있다.
또한, 상기 반응챔버 내에 텅스텐(W) 원소를 포함하는 소스가스를 도입하여 상기 반도체기판의 표면에 핵결정을 성장시키는 단계와, 상기 반응챔버 내에 보론(B)을 함유하는 환원가스를 도입하여 상기 반도체기판 텅스텐막을 형성하는 단계 및 상기 반응챔버 내에 수소가스(H2)를 도입하는 단계를, 원하는 텅스텐막의 두께에 도달할 때까지 수회 반복하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자의 텅스텐 배선층 형성방법은, 하부 도전영역을 포함하는 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 상기 하부 도전영역의 일부를 노출시키는 컨택홀을 형성하는 단계와, 텅스텐(W) 원소를 포함하는 소스가스와 보론(B)을 함유하는 환원가스의 작용에 의해 상기 반도체기판 위에 텅스텐막을 형성하는 단계, 및 상기 반도체기판을 수소가스(H2)에 노출시킴으로써 상기 텅스텐막 내에 잔류하는 보론(B)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 텅스텐막은 원자층 증착 방법을 사용하여 형성한다.
그리고 본 발명에 있어서, 상기 소스가스로 육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소를, 그리고 상기 환원가스로는 디보란(B2H6) 가스를 사용한다.
그리고, 상기 반도체기판을 수소가스에 노출시키는 단계에서는 반응챔버 내에 수소가스(H2)를 주입하거나 수소 플라즈마를 형성할 수도 있다.
그리고, 상기 반도체기판 위에 텅스텐막을 형성하는 단계 전에, 상기 컨택홀내에 장벽금속층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직한데, 이 장벽금속층은 티타늄(Ti) 또는 티타늄 실리사이드(TiN)로 형성할 수 있다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 1은 본 발명에 따른 텅스텐막 형성방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 반도체기판을 반응챔버(미도시)에 로딩한다(단계 10). 여기서 반응챔버는 원자층증착을 위한 챔버를 의미한다. 상기 반도체기판 위에는 소정의 막들이 형성되어 있다. 예를 들어 텅스텐막을 사용하여 비트라인 배선층을 형성할 경우 상기 반도체기판에는 게이트스택을 포함하는 트랜지스터가 형성되고, 층간절연막과 컨택홀이 형성되어 있으며, 상기 컨택홀 내에는 장벽금속층이 형성되어 있을 수 있다.
다음에 반응챔버 내에 텅스텐(W)을 포함하는 소스가스를 공급하여 반도체기판에 핵결정이 성장되도록 한다(단계 20). 상기 소스가스로는 육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소를 사용한다. 다음에 반응챔버에 퍼지(purge) 가스를 공급하는데(단계 30), 퍼지가스로는 불활성 계열의 가스를 사용한다.
다음에 반응챔버 내에 보론(B)을 함유하는 환원가스, 예를 들어 디보란(B2H6) 가스를 도입함으로써 상기 소스가스와 환원가스의 작용에 의해 반도체기판에 텅스텐막을 성막한다(단계 40). 다시 반응챔버에 퍼지가스를 공급하는데(단계 50), 퍼지가스로는 불활성 계열의 가스를 사용한다.
다음에 텅스텐 박막 내에 잔류하는 보론(B)을 제거하기 위하여 반응챔버 내에 수소가스(H2)를 공급한(단계 60) 다음, 퍼지가스를 공급한다(단계 70). 상기 반응챔버에 수소가스(H2)를 수 초 정도 주입하면, 텅스텐막 내에 잔존하는 보론(B) 이 온이 수소(H)와 결합하므로 텅스텐 박막 내에 보론(B)이 잔류하는 것을 방지할 수 있다. 수소가스를 주입하는 대신에 수소 플라즈마를 반응챔버 내에 형성할 수도 있으며, 퍼지가스로는 불활성 계열의 가스를 사용한다.
다음에, 텅스텐 박막의 증착이 원하는 두께만큼 완료되었는지를 판단한다(단계 80). 증착이 원하는 두께만큼 완료되면 증착공정을 끝내고, 원하는 두께만큼 완료되지 않았으면 다시 소스가스를 주입하는 단계(단계 20)부터 반복해서 수행한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 의한 텅스텐막 형성방법을 이용하여 반도체 소자의 배선층을 형성하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 반도체기판(100)의 활성영역에 불순물 이온주입 및 활성화를 수행하여 불순물영역(102)을 형성한다. 불순물영역이 형성된 상기 반도체기판의 전면에 절연막을 증착하여 층간절연막(110)을 형성한다. 도시되지 않았지만, 텅스텐 배선층이 비트라인 도전층으로 사용될 경우 상기 층간절연막이 형성되기 전에 반도체기판 상에 게이트절연막, 게이트 도전막 및 하드마스크층을 포함하는 게이트 스택이 형성된다.
다음에 컨택이 형성될 영역의 상기 층간절연막(110)을 식각하여 상기 불순물영역을 노출시키는 컨택홀을 형성한다. 티타늄(Ti) 또는 티타늄 나이트라이드(TiN)와 같은 장벽금속을 증착하여 컨택홀 내벽에 장벽금속층(120)을 형성한다. 상기 장벽금속층(120) 위에 텅스텐(W) 막을 증착하여 텅스텐 핵생성층(130)을 형성한다. 상기 텅스텐 핵생성층(130)은 원자층증착(ALD) 방식으로 형성하는데, 이를 위하여 육불화텅스텐(WF6)과 수소로 이루어진 소스가스와 디보란(B2H6) 가스를 반응챔버 내에 순차적으로 흘려보내어 20 ∼ 60Å 정도 두께로 텅스텐 핵생성층(130)을 형성한다.
도 3을 참조하면, 텅스텐 핵생성층(130)이 형성된 상기 반도체기판에 수소가스(H2)를 수 초 정도 흘려보낸다(140). 그러면, 텅스텐 핵생성층(130) 내에 잔존하는 보론(B) 이온이 수소(H)와 결합하므로 텅스텐 핵생성층(130) 내에 보론(B)이 잔류하지 않게 된다. 수소가스 대신에 수소 플라즈마(plasma)를 형성시켜도 같은 효과를 거둘 수 있다.
도 4를 참조하면, 육불화텅스텐(WF6)과 수소가스, 디보란(B2H6) 가스를 이용한 텅스텐 증착 및 수소가스 주입을 수 회 반복해서 실시함으로써 상기 컨택홀을 완전히 매립하는 텅스텐 배선층(150)을 완성한다.
상술한 본 발명에 의한 반도체 소자의 텅스텐 배선층 형성방법에 따르면, 텅스텐(W)막을 증착하는 단계에서 수소가스를 플로(flow)시키는 단계를 추가함으로써 증착된 텅스텐막 내에 보론(B)이 잔류하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 불순물영역으로의 보론의 확산을 방지하여 누설전류를 방지할 수 있으며, 결과적으로 소자의 특성을 개선하며 제조수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상 의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.
Claims (12)
- 반도체기판을 반응챔버 내에 로딩하는 단계;상기 반응챔버 내에 원자층 증착(ALD) 공정을 위한 육불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하여 상기 반도체기판의 표면에 육불화텅스텐(WF6)을 흡착시키는 단계;상기 반응챔버 내에 퍼지가스를 주입하여 미흡착된 육불화텅스텐을 배기하는 단계;상기 반응챔버 내에 디보란(B2H6) 가스를 공급하여 상기 흡착된 육불화텅스텐과 상기 디보란 가스를 반응시켜 텅스텐(W)층을 형성하는 단계;상기 반응챔버 내에 퍼지가스를 주입하는 단계;상기 반응챔버 내에 수소가스(H2)를 도입하여 상기 텅스텐층에 잔류된 보론과 수소의 반응으로 보란의 생성을 유도하는 단계;상기 반응챔버 내에 퍼지가스를 주입하여 상기 보란을 배기시키는 단계; 및상기 육불화텅스텐을 흡착시키는 단계 내지 상기 보란을 배기시키는 단계를 반복하는 반도체 소자의 텅스텐막 형성방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 수소가스를 도입하는 단계에서,상기 반응챔버 내에 수소(H2) 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 텅스텐막 형성방법.
- 삭제
- 하부 도전영역을 포함하는 반도체기판 상에 형성된 층간절연막을 식각하여 상기 하부 도전영역의 일부를 노출시키는 컨택홀을 형성하는 단계;상기 반도체 기판상에 원자층 증착(ALD) 공정을 위한 육불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하여 상기 컨택홀 상에 육불화텅스텐(WF6)을 흡착시키는 단계;상기 컨택홀 상에 퍼지가스를 공급하여 미흡착된 육불화텅스텐을 배기하는 단계;상기 컨택홀 상에 디보란(B2H6) 가스를 공급하여 상기 흡착된 육불화텅스텐과 상기 디보란 가스를 반응시켜 텅스텐(W)층을 형성하는 단계;상기 텅스텐층 상에 퍼지가스를 주입하는 단계;상기 텅스텐층 상에 수소가스(H2)를 공급하여 상기 텅스텐층에 잔류된 보론과 수소의 반응으로 보란의 생성을 유도하는 단계;상기 텅스텐층 상에 퍼지가스를 주입하여 상기 보란을 배기시키는 단계; 및상기 컨택홀 상에 육불화텅스텐을 흡착시키는 단계 내지 상기 보란을 배기시키는 단계를 반복하는 반도체 소자의 텅스텐 배선층 형성방법.
- 삭제
- 삭제
- 제7항에 있어서, 상기 텅스텐층 상에 수소가스에 공급하는 단계에서,텅스텐막을 형성하기 위한 반응챔버내에 수소가스를 주입하거나, 수소(H2) 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 텅스텐 배선층 형성방법.
- 제7항에 있어서,상기 컨택홀을 형성한 후, 상기 컨택홀 상에 육불화텅스텐(WF6)을 흡착시키는 단계 전에,상기 컨택홀 내에 장벽금속층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 텅스텐 배선층 형성방법.
- 제11항에 있어서, 상기 장벽금속층은 티타늄(Ti) 또는 티타늄 나이트라이드(TiN)로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 텅스텐 배선층 형성방법.
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