KR100906616B1 - 니켈 실리사이드막상의 탄소 함량 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자층 증착 방법(atomic layer deposition : ALD)을 통해 니켈실리사이드를 형성시 포함된 카본 함량을 조절할 수 있는 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 반응챔버와, 플라즈마 발생부와, 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스 공급부를 구비한 반도체 제조장치에 있어서, 상기 반응챔버의 증착온도 및 열처리 온도를 조절하는 열공급부와, 상기 반응가스 공급부에서 공급되는 반응가스의 양을 제어하거나 상기 퍼지가스 공급부에서 공급되는 퍼징시간을 제어하거나 상기 열공급부를 제어하여 상기 반응챔버에서 증착되는 니켈실리사이드의 탄소함량을 조절하는 제어부를 포함하여 니켈 실리사이드막상의 탄소함량 제어 방법을 제공한다.
실리사이드, ALD, RTP, 살리사이드
Description
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 니켈 살리사이드 공정 및 니켈 FUSI 게이트 공정을 이용한 반도체 디바이스의 제조공정을 설명하는 도면,
도 2는 도 1에서 설명한 반도체 디바이스를 설명하기 위한 흐름도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 Ni 박막 증착을 위한 ALD 장치 및 그 증착공정을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 ALD 장치의 기능블럭도,
도 5은 본 발명의 ALD 방법에 따른 Ni 박막 증착시의 H2 주입량에 따른 원자 농도 특성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 ALD 방법에 따른 Ni 박막 증착시의 증착온도에 따른 전기적 특성을 나타낸 도면,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 ALD 방법에 따른 RTP 온도 구간에 따른 NiSi의 면저항을 측정한 그래프이다.
*도면의 주요부호에 대한 설명*
310: 반응 챔버 320: 플라즈마 발생부
330: 반응가스 공급부 340: 소스가스 공급부
350: 퍼지가스 공급부 360: 제어부
370: 열공급부 381: 온도센서
382: 가스센서
본 발명은 반도체 물질내의 탄소 함량 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자층 증착 방법(Atomic Layer Deposition : ALD)을 통해 니켈실리사이드를 형성시 포함된 탄소함량을 제어하는 방법에 관한 것이다.
현재 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정상에서 소자의 집적도와 성능을 높이기 위해 경쟁적으로 소자의 크기를 축소하고 있다.
또한, 소자의 크기가 축소됨에 따라 증가하는 소스/드레인과 게이트의 접촉저항을 낮추기 위해 실리사이드가 사용되어 왔고, 최근에는 금속 게이트의 응용으로 FUSI(Fully Silicide)가 연구되고 있다.
상기 실리사이드는 LSI(Large Scale Integrated Circuit) 소자들에서 폴리 실리콘 게이트의 전극으로 사용하기 위해 polycide로부터 소개되었다.
1980년대부터 MoSi2가 polycide의 물질로 사용되어 왔으며, 그 후 WSi2가 MoSi2보다 면저항이 작은 이점 때문에 1980년도 중반부터 MoSi2로 대체되어 사용되 었다.
1990년대 들어오게 되면서 게이트에만 적용되어오던 실리사이드가 소스/드레인에 까지 적용되면서, 살리사이드(salicide: self-aligned silicidation) 공정으로 사용되기 시작했다. 상기 살리사이드 공정 적용에 따라 TiSi2가 WSi2를 대체해 사용되어 왔으나, 고온 공정에서의 응집 문제로 저항이 상승하는 문제가 발생하게 되어 1990년대 후반부터 CoSi2가 사용되게 되었다.
그러나, 65나노 이하의 선폭을 가지는 CMOS 소자에서 CoSi2는 큰 실리콘 소모에 의한 초미세 접합 형성의 어려움과 줄어드는 게이트 면적에 따라 저항이 상승하는 문제점들이 보고되었다. 이를 보완하기 위해 65나노 이하의 선폭을 가지는 CMOS 소자의 살리사이드 공정과 FUSI 게이트 응용으로 NiSi가 활발하게 연구되고 있다. 상기 NiSi(nickel silicide)는 CoSi2에 비해 낮은 Si 소모, 낮은 공정온도, 낮은 접촉저항, 면적에 따른 저항의 비의존성, 한 단계의 열처리 등의 장점을 가진다.
그러나, 이런 장점에도 불구하고 소자 적용에 어려움이 있었던 것은 NiSi를 형성하기 위한 Ni 증착이 물리적 기상 증착(physical vapor deposition: PVD)에 의존하고 있었기 때문이다. 이것은 CoSi2를 형성하기 위해 화학 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD) 방법으로 Co를 증착하고 있는 것에 비해, PVD 증착은 65나노 이하의 좁은 선폭을 가지는 소자에서 증착 두께 조절의 어려움, 굴곡이 큰 구조 에 증착 문제와 같은 단점을 가지고 있다. 이런 단점들을 개선하기 위해 Ni의 CVD 증착 연구가 계속 되어 왔으나, CVD 증착 공정 중에 발생하는 불순물의 박막 내 포함으로 낮은 저항의 Ni 박막을 얻기 어려웠다. 이 때문에, NiSi 형성시 낮은 접촉 저항의 형성에 문제가 발생하여 소자 적용에도 어려움을 겪어 왔다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, ALD 방법으로 NiSi 형성시 포함되는 탄소의 함량을 반응가스, 퍼지가스, 증착온도 및 RTP 온도 제어를 통해 조절하고, 이를 통해 저저항 특성을 갖게 하는 반도체 제조장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 반응챔버와, 플라즈마 발생부와, 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스 공급부를 구비한 반도체 제조장치에 있어서, 상기 반응챔버의 증착온도 및 열처리 온도를 조절하는 열공급부와, 상기 반응가스 공급부에서 공급되는 반응가스의 양을 제어하거나 상기 퍼지가스 공급부에서 공급되는 퍼징시간을 제어하거나 상기 열공급부를 제어하여 상기 반응챔버에서 증착되는 니켈실리사이드의 탄소함량을 조절하는 제어부를 포함하는 반도체 제조장치를 제공한다.
또한, 상기 챔버 내의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 챔버 내의 반응가스 또는 퍼지가스의 양을 감지하는 가스 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 챔버 내에 증착되는 물질 내의 탄소함량을 감소시키기 위하여, 온도 센서가 상기 챔버 내의 온도를 감지하는 단계와, 가스 센서가 상기 챔버 내의 반응가스 또는 퍼지가스의 양을 감지하는 단계와, 제어부가 상기 가스 센서에서 측정된 반응가스의 양 또는 퍼지가스의 양을 기준치와 비교하여 반응가스 공급부에서 공급되는 반응가스의 양을 제어하거나 상기 퍼지가스 공급부에서 공급되는 퍼징시간을 제어하는 단계와, 상기 제어부가 상기 온도 센서에서 측정된 온도를 기준치와 비교하여 상기 챔버에서의 증착온도 또는 열처리 온도를 제어하는 단계를 포함하는 반도체 제조장치의 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 반응가스는 H2 이고, 상기 H2 가스의 공급량을 증가시켜 상기 탄소 함량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 퍼징시간은 5~10초 범위 내에서 퍼징시간의 증가에 따라 탄소함량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명된다.
본 발명은 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 사용하여 SiO2/Si 또는 Si 기판상에 고순도 Ni 박막을 증착하여 NiSi를 형성하는데, 먼저 ALD 공정에 대해 살펴보면 다음과 같다.
상기 ALD의 기본 원리는 각 반응 물질들이 교대로 반응 챔버 안으로 주입되어 흡착, 표면반응 및 탈착과 같은 화학적 반응의 반복에 의해 박막이 형성되는 것 이다. 이런 메커니즘에 따라 ALD는 자기 제어 특성으로 대 면적에서도 균일한 박막을 얻을 수 있으며, 표면의 굴곡이 큰 경우에도 매우 균일한 두께의 박막을 증착할 수 있다. 특히, ALD 방법은 종래의 CVD 방법과 비교하여 더 낮아진 증착 온도, 좋은 단차 피복성 특성은 차후 FinFET과 같은 3D 구조의 소자 적용에 큰 장점을 가지게 된다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 살리사이드 공정 및 니켈 FUSI 게이트 공정을 이용한 반도체 디바이스의 제조공정을 설명하는 도면이고, 도 2는 도 1에서 설명한 반도체 디바이스의 제조공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, p형 실리콘 기판(110)상에 필드 영역(130)을 형성하여 액티브 영역을 한정하며, 상기 필드 영역(130)은 필드 산화막으로 형성한다. 이때, p형 실리콘 기판 외에 n형 실리콘 기판, SiO2/Si 기판도 가능하다.
이후, 상기 액티브 영역 상에 게이트 패턴(190)을 형성한다. 상기 게이트 패턴(190)은 게이트 절연막(150) 및 게이트 전극(170)으로 이루어진다. 상기 게이트 절연막(150)은 산화막으로 형성하며, 상기 게이트 전극(170)은 불순물이 도핑된 폴리실리콘막(Poly-Si)으로 형성한다.
이후, 상기 게이트 패턴(190)의 양측벽에 스페이서(171)를 형성한다. 상기 스페이서(171)는 게이트 패턴(190)이 형성된 실리콘 기판(110)의 전면에 스페이서용 절연막, 예컨대 질화막을 형성한 후 스페이서 에치하여 형성한다.
이후, 상기 스페이서(171)에 얼라인(aline)되도록 상기 실리콘 기판(110)에 불순물을 주입하여 소오스/드레인 영역(140)을 형성한다. 상기 실리콘 기판(110)이 p형 실리콘 기판일 경우에는 n형 불순물을 주입하고, 상기 실리콘 기판(110)이 n형 실리콘 기판일 경우에는 p형 불순물을 주입한다. 결과적으로, 도 1a의 공정을 통하여 n-MOS 트랜지스터나 p-MOS 트랜지스터가 형성된다(S210).
이후, 상기 소오스/드레인 영역(140)이 형성된 기판(110) 상에 니켈 전구체를 이용하여 ALD 방법에 의해 증착하여 니켈 박막(180)을 형성한다(Metal deposition)(S220). 이때, 기판(110)의 표면상에 형성된 자연산화막 및 파티클들을 제거하는 습식세정이 니켈 박막(180)의 증착 전에 행해질 수 있다.
이후, 니켈 박막(180)이 형성된 실리콘 기판(110)을 열처리하여 실리시데이션 공정을 진행한다(Silicidation). 이렇게 되면, 게이트 패턴(190)의 상부 표면과 소오스/드레인 영역(140)의 표면상에는 증착된 니켈과 실리콘이 반응하여 니켈 실리사이드막(NiSi)(185)이 형성된다. 또한, 니켈 박막(180) 및 니켈 실리사이드막(185)이 형성된 상기 실리콘 기판(110)을 습식 세정하여 실리콘과 미반응된 니켈 박막(180)을 선택적으로 제거하여, 실질적으로 게이트(190) 표면과 소오스/드레인 영역(140)의 표면에서만 니켈 실리사이드막(185)이 형성되게 할 수 있다.
상기 니켈 실리사이드막(185) 형성을 위한 열처리 공정은 급속 열처리 공정(RTP:Rapid T.hermal Processing), 노(furnace), 또는 스퍼터 장치(sputter system)를 이용하여 단독 또는 조합으로 수행한다(실리시데이션 및 열처리 공정(thermal annealing))(S230).
이후, 상기 니켈 박막(180) 상에 캡핑층(181)을 형성할 수 있다. 상기 캡핑층으로는 Ni 증착후 Ta, TaN, W, Ti, TiN 등의 캡핑층을 증착시키는데, 상기 캡핑층은 불순물의 침투와 열적 안정성을 확보할 수 있다. 이와 같이 캡핑층(181)의 형성은 제조공정 도중 발생하는 불순물이 상기 실리콘 기판(110) 내로 침투하는 것을 방지하게 된다. 이때, 캡핑층(181)의 증착은 인-시츄(in-situ) 공정을 통해 이루어질 수 있다. 이와 같은 인-시츄 공정은 선행공정에 이어서 연속적으로 수행되므로 챔버의 진공분위기를 깨뜨릴 필요가 없어 기존의 ALD 증착 공정에 비해 공정시간이 단축될 수 있다. 또한, 캡핑층(181)의 증착 공정 이외에 니켈 박막(180)의 증착시에도 인-시츄 공정을 이용할 수 있다.
이상에서 니켈 살리사이드(Ni salicide) 공정을 위주로 설명하였으나, Ni FUSI 게이트 공정은 특히 게이트 패턴(190)의 상부 표면에만 니켈 박막(180) 및 캡핑층(181)을 증착하여 니켈 실리사이드막(FUSI)(186)을 형성하는 것으로, 그 공정에 있어 니켈 살리사이드 공정의 축소 및 생략 과정으로 이에 대한 설명은 생략한다.
또한, ALD 공정 위주로 설명하였으나, 퍼징(purging) 공정을 제거한 상태인 사이클릭 CVD 방법으로도 상기 Ni 박막의 증착이 가능하다.
이하에서는 전술한 니켈 실리사이드막(NiSi) 형성을 위해, 본 발명에 따른 ALD 장치 및 그 제어과정을 통해 Ni 박막을 증착하는 공정에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 ALD 장치 및 그 증착 공정을 보여주는 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ALD 장치는, 초기진공을 10-6 Torr로 유지하며 증착시 외벽의 out-gassing에 의해 증착 기판이 오염되는 문제를 최소화하기 위해 스테인레스 재질을 갖는 반응 챔버(310)와, 상기 반응 챔버(310)의 상부에 형성되어 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 챔버(320)를 구비한다.
또한, 상기 플라즈마 형태는 ICP 타입의 리모트(remote) 플라즈마가 사용될 수 있고, 발생장치는 주파수 13.56MHz인 플라즈마 전원기와 π타입의 정합기를 사용할 수 있으며, Ni 전구체의 가스라인은 히팅 테이프(heating tape)를 이용해 80℃로 유지하여 라인 내에 반응물의 흡착을 막을 수 있다.
또한, 반응 챔버(310)에서 실리콘 기판이 놓여질 서셉터(susceptor)(311)는 탄소 불순물의 흡착이 작은 스테인레스를 사용하고, 상기 서섭터(311) 내부에 열선을 설치하여 온도를 500℃까지 조절이 가능하다.
또한, 각 반응가스들의 교대 스위칭(alternative switching), 즉 순차적인 주입을 위해 뉴매틱 밸브(pneumatic valve), 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 사용할 수 있다. 그리고, 플라즈마 발생기를 PLC(programmable logic controller)하여 온/오프가 가능하도록 연결하여 사용한다. 이때, ALD 장치의 동작은 윈도우 XP 기반의 서버 컴퓨터에 의해 PLC와의 통신으로 자동으로 이루어지며, 각각의 반응가스에 대한 유량을 조절하기 위해 MFC(mass flow controller)를 사용할 수 있 다.
이와 같이 구성된 ALD 장치를 이용하여 Ni 박막의 증착이 이루어지는데, 즉, 상기 플라즈마 챔버(320)의 상부에 형성된 유입구(321)를 통해 Ni 전구체(Bis-Ni), 반응가스(Ar, H2)가 유입되고, 유입된 가스는 상기ICP 타입 안테나를 통해 상기 플라즈마 챔버 내에 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마는 반응 챔버 공간 내 에 유입된 서셉터에 놓여진 기판상에 니켈 박막을 증착시킨다.
여기서, 본 발명에서의 상기 Ni 박막의 ALD 증착을 위한 순차적인 주입과정(injection sequence)은 다음과 같다. 즉, 도 3b에 도시된 바와 같이, 1 주기(cycle) 당 Ni 금속유기 전구체(10sec)-> 퍼지가스(Ar)(5sec)-> 반응가스 H2(10sec)-> 퍼지가스(Ar)(5sec) 순의 공정 사이클(cycle)을 갖는다.
이와 같은 공정에서 증착된 Ni 박막은 불순물이 포함되지 않은 순수한 Ni 박막을 기대하나, 금속유기 전구체를 사용한 Ni 박막의 ALD 증착과정에서 Ni 박막 내에 탄소(carbon)가 포함될 수 있다. 이때, 상기 탄소의 포함은 금속유기 전구체의 리간드에 존재하던 탄소가 완전히 제거되지 못하고 박막에 포함된 것으로 보이며, 일반적으로 ALD 증착 도중 불순물, 즉 탄소나 산소 등의 포함은 많은 문제점들을 일으켜 왔으며, 박막의 전기적 특성을 떨어뜨리는 주요인으로 작용할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 ALD 장치에서 박막 내에 포함되는 탄소의 함량을 조절하는 탄소 함량 조절을 위한 장치의 기능 블럭도이며, 도 4를 참조하여 Ni 박막 내의 탄소 함량 제어과정을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ALD 장치는, Ni 금속유기 전구체등 소스가스를 반응챔버(310)로 공급하는 소스가스 공급부(330)와, 반응가스를 반응챔버(310)로 공급하는 반응가스 공급부(340)와, 상기 반응가스들에 의한 증착공정에서 발생하는 잔류물 또는 가스를 반응챔버(310)로부터 제거하기 위해 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부(340)를 구비한다. 여기서, 소스가스는 효율적인 박막의 증착을 위해 상온에서 액화된 상태로 존재하고, 충분한 기화압력을 얻을 수 있어 수송가스(Ar)를 사용하여 그 양을 조절할수 있는 특성을 가지는 Ni 유기 전구체를 사용될 수 있다.
또한, 공급된 가스가 플라즈마 현상을 일으키도록 소정의 에너지 즉 13.56MHz로 여기시켜 이온화를 유도하는 플라즈마 발생부(320)와, 상기 반응챔버(310)의 증착온도 및 열처리 온도를 조절하는 열공급부(370)를 구비한다. 여기서, 상기 열공급부(370)는 열선을 구비한 서셉터(311), 히터, 노 또는 스퍼터 장치가 포함될 수 있다.
또한, 상기 반응챔버(310) 내의 온도를 감지하는 온도센서(381)와, 상기 챔버(310) 내의 반응가스의 양 또는 퍼지가스의 양을 감지하는 가스 센서(382)를 더 구비한다.
또한, 상기 반응가스 공급부(330), 소스가스 공급부(340), 퍼지가스 공급부(350), 플라즈마 발생부(330) 및 열공급부(370)를 제어하는 제어부(360)가 더 구비된다. 이때, 상기 제어부(360)는 상기 가스 센서(382)에서 측정된 반응가스의 양 또는 퍼지가스의 양을 기준치와 비교하여 반응가스 공급부(330)에서 공급되는 반응가스의 양을 제어하거나 상기 퍼지가스 공급부(350)에서 공급되는 퍼징시간을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(360)는 상기 온도 센서(381)에서 측정된 온도를 기준치와 비교하여 상기 열공급부(370)를 제어하여 상기 반응챔버(310)에서의 증착온도 또는 열처리 온도를 조절할 수 있다. 이를 통해 증착되는 니켈실리사이드 내의 탄소함량을 조절할 수 있다. 여기서, 기준치는 최적화된 반응가스 공급량, 퍼징 시간, 증착온도, 열처리 온도 등이 해당될 수 있고, 이는 프로그램화하여 업데이트될 수 있다.
먼저, Ni 박막의 ALD 증착에서 H2는 금속 유기 전구체의 리간드(ligand)를 제거하기 위한 반응 가스로 사용되는데, H2의 적절한 주입량은 금속 유기 전구체의 리간드를 완벽히 제거하여 불순물이 낮은 Ni 박막을 얻는데 필수 요건이 된다.
따라서, 제어부(360)는 반응가스 공급부(330)를 제어하여 반응챔버(310)에 공급되는 반응가스의 양을 조절하여 Ni 박막에 포함되는 탄소 함량을 조절할 수 있으며, 이하 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5은 본 발명의 ALD 방법에 따른 Ni 박막 증착시의 H2 주입량에 따른 원자농도 특성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, H2의 주입을 1000 sccm, 2000 sccm, 3000 sccm, 4000 sccm 으로 증가시켜며, Ni 박막을 증착하였다. 이때, 공정중 공급되는 H2 가스의 공급량이 증가할수록 Ni 박막내에 포함되는 탄소 함량이 보다 빠르게 감소함을 알 수 있 다.
이와 같이, 공정중 공급되는 H2 가스의 증가시킴에 따라 박막내에 포함되는 탄소의 함량을 감소시킬 수 있어 상기 H2 가스의 공급을 조절하여 포함된 탄소 함량을 조절할 수 있다. 즉, ALD 방법에 의해 증착된 Ni 박막 내의 탄소가 Ni과 결합하여 Ni3C 상을 이루며 결정성을 이루는데, Ni 박막 내부에서 Ni3C 상으로 존재했던 탄소가 Ni와의 결합이 끊어지면서 Ni은 Si 내부로 확산 Ni과 Si의 원자 농도 비가 1:1을 갖는 mono NiSi를 형성할 수 있고, 이는 낮은 면저항 특성을 갖게 한다.
한편, ALD 공정에서 증착온도 구간의 설정이 중요한데, 제어부(360)는 서셉터(311)를 통해 반응챔버(310)에서의 증착온도를 제어하여 Ni 박막에 포함되는 탄소 함량을 조절할 수 있으며, 이하 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 ALD 방법에 따른 Ni 박막 증착시의 증착온도에 따른 전기적 특성(특히, 면저항 특성)을 나타낸 도면으로서, NiSi 공정에 사용하기 위한 Ni 박막은 기본적으로 불순물이 포함되지 않은 낮은 저항의 박막을 요구한다.
도 6에서, 다른 조건들은 고정시킨 상태에서 즉, 공정기압을 3 Torr로 유지하고 Ni(10sec)-> Purge(Ar: 5sec)-> Reactant(H2: 10sec)-> Purge(Ar: 5sec)의 공정 조건으로 200 사이클을 진행하였으며, 증착 온도만을 변화시켜 증착한 Ni 박막의 저항을 4-point probe를 이용하여 측정한 것이다.
또한, 증착된 Ni 박막의 면저항은 220℃에서 18.56 Ω/□(ohm/sq)로 가장 낮 은 면저항 값을 보였으며, 이 값은 PVD 방법에 의해 얻어진 면저항 값 이하의 낮은 값이다.
또한, 240℃까지 50 Ω/□ 이하의 값으로 NiSi 공정에 이용 가능한 Ni 박막의 면저항 값을 보여 주었으나, 250℃를 기점으로 급격히 증가하는 모습을 보여 주었다. 이 면저항 특성으로 보아 증착 온도에 따라 박막의 특성이 변함을 알 수 있으며, 특히 면저항의 상승은 불순물에 의한 영향과 관계가 깊을 것으로 생각이 된다. 이 증착 온도에 따른 면저항의 상승은 박막에 포함된 탄소의 영향으로 인한 특성으로 판단된다.
이와 같이, 증착온도를 조절하여 박막내에 포함되는 탄소의 함량을 조절할 수 있다. 가령, ALD 성장 온도창(증착온도 구간)으로 정한 200 ~ 250℃ 구간에서 면저항 특성을 고려하면, 200 ~ 240℃ 범위가 성장 온도창으로서 바람직하다.
한편, 제어부(360)는 퍼지가스 공급부(335)를 통해 반응챔버(310)에 공급되는 퍼지가스의 퍼지량 및 퍼징시간을 제어하여 Ni 박막에 포함되는 탄소 함량을 조절할 수 있다. 가령, ALD 증착시 퍼징시간을 5초로 설정하고 있으나, 퍼징시간을 증가시킬수록 박막내에 포함되는 탄소함량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 퍼징시간은 5~10초 범위내에서 퍼징시간의 증가에 따라 탄소함량을 감소시킬 수 있으며 반대로 퍼징시간의 감소에 따라 탄소함량을 증가시킬 수 있으며, 퍼징시간은 5~7초의 범위가 바람직하다.
한편, 도 7 내지 도 9는 본 발명의 ALD 방법에 따른 RTP 온도 구간에 따른 NiSi의 면저항을 측정한 그래프인데, 제어부(340)는 반응챔버(310) 내의 RTP 온도 구간을 조절하여서도 Ni 박막 내의 탄소 함량을 조절할 수 있다.
도 7에서, 급속 열처리 공정(RTP) 온도는 400℃에서 900℃까지 100℃씩 상승시키며 공정을 진행하였으며, ALD 증착된 Ni 박막의 NiSi 특성과 비교하기 위해서 같은 기판에 e-beam evaporator(PVD)를 사용하여 동일한 두께로 증착한 Ni 박막 시료를 함께 동일한 조건의 열처리로 진행하였다.
각 온도마다 측정된 면저항 값은 PVD로 증착된 경우에는 700℃까지 3Ω/□에서 6Ω/□ 대의 모노 니켈실리사이드(mono NiSi)의 면저항 값을 보였고, 800℃부터 급격하게 면저항 값이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 ALD 방법으로 증착된 경우에는 3Ω/□에서 8Ω/□ 대의 면저항 값을 800℃까지 유지하는 모습을 볼 수 있다.
도 8 및 도 9는 각각 6.7Ω/□의 낮은 면저항 값을 얻었던 600℃ RTP 시료와, 99.1Ω/□로 높은 면저항을 보였던 900℃ RTP 시료를 깊이 방향으로 auger depth profile한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 6.7Ω/□으로 낮은 면저항을 보였던 600℃ 시료는 auger depth profile에서 표면부터 90%이상의 탄소가 확인되었다. 그리고, 10분의 스퍼터 시간(sputter time)이 지난 후부터 Ni과 Si의 원자 농도가 1:1의 mono NiSi 상을 확인할 수 있다. 특히, ALD로 증착된 Ni 박막 내부에서 Ni과 결합한 탄소가 Ni3C 상을 나타내고 있어, 급속 열처리 공정 이후 박막 내부로 탄소 침투를 우려 하 였으나, auger depth profile 결과 급속 열처리 이후 표면에만 탄소가 존재하였고 mono NiSi 형성에서는 탄소의 존재를 확인할 수 없다는 것이다.
또한, ALD로 증착된 Ni 박막 내부에서 Ni3C 상으로 존재했던 탄소가 급속 열처리 공정에서 Ni과의 결합이 끊어지면서 Ni은 Si 내부로 확산 mono NiSi를 형성 하였고, 탄소는 표면에 잔류하게 된 것으로 판단된다. 이렇게 표면에 잔류하게 된 탄소는 ALD 증착된 Ni 박막의 두께(250Å), 조성비(Ni:Ni3C=3:7), Ni3C 상의 탄소의 원자수 등을 고려할 때 43Å정도의 두께를 가질 수 있다. 이런 특성 때문에 이전 급속 열처리 공정 이후 면저항 측정에서 4-point probe의 tip은 얇은 탄소층(carbon layer)를 뚫고 NiSi의 면저항을 측정할 수 있었으며, mono NiSi의 낮은 저항을 측정할 수 있었다.
도 9는 도 7의 면저항 측정에서 면저항이 99.1Ω/□로 급격히 상승했던 900 ℃ RTP 시료의 auger depth profile이다. 도 8과 비교해 볼 때, Ni과 Si의 원자 농도가 7:3으로 Si의 원자 농도가 급격하게 증가한 것을 확인 할 수 있다.
이것은 600℃ RTP 공정 이후에 Ni과 Si의 원자 농도 비가 1:1을 보여 mono NiSi 형성을 확인할 수 있었던 것과는 달리, 900℃ RTP 공정에서 Si의 원자 농도의 증가로 인한 NiSi2 형성 특성을 보이는 것이다. 이 때문에 면저항 측정에서 높은 값을 얻게 된다.
따라서, 제어부(340)는 반응챔버(310)에서 RTP 공정 온도를 조절하여 탄소함량을 조절할 수 있으며, mono NiSi 형성 RTP 공정 구간은 400~800℃가 바람직하다.
따라서, 본 발명은 상기의 실시예에 국한되는 것은 아니며 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 설계 변경이나 회피설계를 한다 하여도 본 발명의 범위 안에 있다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 ALD 방법으로 NiSi 형성시 포함되는 탄소의 함량을 반응가스, 퍼지가스, 증착온도 및 RTP 온도 제어를 통해 조절할 수 있게 한다.
이를 통해 포함된 탄소가 불순물로 작용하는 것을 막고 적정범위에서 조절하여 저저항 특성을 갖는 반도체 디바이스를 제공할 수 있다.
Claims (5)
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- ALD 방법으로 니켈실리사이드막을 형성하는 방법에 있어서,(a) 반응가스를 반응챔버로 공급하는 단계;(b) 가스 센서가 상기 반응챔버 내에 공급된 반응가스 또는 퍼지가스의 양을 감지하는 단계;(c) 제어부가 상기 가스 센서에서 측정된 반응가스의 양 또는 퍼지가스의 양을 기준치와 비교하여 반응가스 공급부에서 공급되는 반응가스의 양을 제어하거나 상기 퍼지가스 공급부에서 공급되는 퍼징시간을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈 실리사이드막상의 탄소함량 제어방법.
- 제3항에 있어서,상기 반응가스는 H2 이고, 상기 H2 가스의 공급량을 증가시켜 상기 탄소 함량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 니켈 실리사이드막상의 탄소함량 제어방법.
- 제3항에 있어서,상기 퍼징시간은 5~10초 범위 내에서 퍼징시간의 증가에 따라 탄소함량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 니켈 실리사이드막상의 탄소함량 제어방법.
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