KR101066897B1 - 화학 기상 성장 장치, 막의 형성 방법 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

화학 기상 성장 장치, 막의 형성 방법 및 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

MOCVD법에 의해 기재(10) 위에 TiN막을 형성하는 경우, 히터(2)에 의해 샤워 헤드(3)와 포획 부재(5) 사이의 공간을, TDMAT가 열분해하는 온도 이상으로 가열한다. 뒤이어, 샤워 헤드(3)로부터 TDMAT를 포함하는 원료 가스 등을 챔버(1) 내로 방출한다. 이 결과, 챔버(1) 내로 방출된 TDMAT가, 히터(2)에 의해 샤워 헤드(3)와 포획 부재(5) 사이의 공간에서 TiN, 탄소 및 탄화 수소로 열분해한다. 그리고, TiN, 탄소 및 탄화 수소는 기재(10)를 향해 이동한다. 다만, 탄소 및 탄화 수소는 포획 부재(5)에 의해 포획된다. 한편, TiN은 그대로 포획 부재(5)를 빠져나가, 기재(10)까지 도달한다. 이 결과, 기재(10)의 표면에서, 탄소 및 탄화 수소를 포함하지 않는 TiN막이 성장한다.
MOCVD, TDMAT, TiN, 열분해, 탄소, 탄화 수소, 포획

Description

화학 기상 성장 장치, 막의 형성 방법 및 반도체 장치의 제조 방법{CHEMICAL VAPOR-PHASE GROWING APPARATUS, METHOD OF FORMING FILM AND PROCESS FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 배리어 메탈막의 형성에 적합한 화학 기상 성장 장치, 성막 방법 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치를 구성하는 배선의 형성에 있어서는 TiN막 및 Ti막 등의 배리어 메탈막이 형성되어 있다. TiN막의 형성 방법으로서는 스퍼터링법 및 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 들 수 있다. MOCVD법에서는 커버리지(coverage)가 높다는 이점이 있다.
MOCVD법에 의해 TiN막을 형성하는 경우, 원료로서 테트라키스(디메틸아미노) 티탄(TDMAT : Ti[N(CH3)2]4)이 주로 사용되고 있다. TDMAT는 비교적 저온에서 열분해하기 때문에, Al 배선의 형성 후에서의 사용에 특히 유효하다.
그러나, TDMAT에는 탄소가 포함되어 있기 때문에, TiN막 중에 탄소 및 탄화 수소가 취입되기 쉽다. TiN막 중에 탄소 또는 탄화 수소가 취입되면, TiN막의 비저항이 증대하게 되어, 원하는 특성이 얻어지지 않게 된다.
그래서, 종래의 방법에서는, 두께가 10nm 정도 이하의 TiN막을 형성한 후에, 이 TiN막에 대하여 플라즈마를 조사하여 탄소 및 탄화 수소를 제거한다고 하는 처리를 행하고 있다. TiN막의 두께를 10nm 정도 이하로 하고 있는 것은, 이보다도 두꺼울 경우에는, 플라즈마를 조사하여도 탄소 등을 전부 제거할 수 없기 때문이다. 또한, 플라즈마 조사시의 RF 파워는 750W 정도이다.
그러나, 이 방법에서는 필요한 TiN막의 두께가 두꺼워질수록, 처리수가 증가하게 된다. 예를 들면, 20nm의 TiN막이 필요한 경우에는, 적어도, 2회의 TiN막의 형성 및 2회의 플라즈마의 조사가 필요하게 된다. 극단적인 예로서, 100nm의 TiN막이 필요한 경우에는, 적어도, 10회의 TiN막의 형성 및 10회의 플라즈마의 조사가 필요하게 된다. 이 때문에, 스루풋(throughput)이 충분하다고는 말할 수 없다. 또한, 플라즈마의 조사의 횟수가 증가할수록, 이미 형성되어 있는 트랜지스터 등의 반도체 소자에 주는 대미지(damage)가 증대하게 된다.
플라즈마 조사의 RF 파워를 올리면 스루풋을 향상시킬 수 있지만, 그 정도만큼 반도체 소자로의 대미지가 커진다. 반대로, RF 파워를 내리면 반도체 소자로의 대미지를 저감할 수 있지만, 그 정도만큼 스루풋이 낮아진다.
특허문헌 1 : 일본국 특개2006-161163호 공보
특허문헌 2 : 일본국 특개2001-326192호 공보
특허문헌 3 : 일본국 특개2000-286215호 공보
본 발명은 MOCVD법에서의 TiN막으로의 탄소 및 탄화 수소의 혼입(混入)을 억제할 수 있는 화학 기상 성장 장치, 막의 형성 방법 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원 발명자는 상기 과제를 해결하도록 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 나타낸 발명의 여러 형태에 상도(想到)하였다.
본 발명에 따른 화학 기상 성장 장치에는 챔버와, 상기 챔버 내에 설치된 서셉터(susceptor)와, 상기 챔버 내에 유기 금속을 함유하는 원료 가스를 공급하는 공급 수단이 설치되어 있다. 또한, 상기 공급 수단으로부터 공급된 유기 금속을 가열함으로써, 분해시키는 가열 수단과, 상기 유기 금속의 분해에 의해 생긴 탄소 및 탄화 수소를, 상기 서셉터까지 도달하기 전에 포획하는 포획 수단이 설치되어 있다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 제조 방법에서는 상기 화학 기상 성장 장치의 상기 서셉터 위에 기재(基材)를 탑재 배치하고, 그 후, 상기 기재 위에 막을 화학 기상 성장시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학 기상 성장 장치의 구조를 나타낸 모식도.
도 2a는 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도.
도 2b는 도 2a에 이어서, 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도.
도 2c는 도 2b에 이어서, 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도.
도 2d는 도 2c에 이어서, 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도.
도 2e는 도 2d에 이어서, 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도.
도 2f는 도 2e에 이어서, 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도.
도 2g는 도 2f에 이어서, 반도체 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학 기상 성장 장치(CVD 장치)의 구조를 나타낸 모식도이다.
본 실시예에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 챔버(1)의 상부에, 유기 금속을 함유하는 원료 가스를 방출하는 샤워 헤드(shower head; 3)가 설치되어 있다. 유기 금속으로서는, 테트라키스(디메틸아미노) 티탄(TDMAT : Ti[N(CH3)2]4) 및 테트라키스(디에틸아미노) 티탄(TDEAT : Ti[N(C2H5)2]4)을 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다. 또한, 샤워 헤드(3)로부터는 질소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스 등의 캐리어 가스가 방출되는 것도 있다. 또한, 원료 가스 중에, 질소 원자의 공급을 위해 암모니아가 포함되는 것도 있다.
또한, 챔버(1)의 하부에는, 반도체 기판 등의 기재(10)가 탑재 배치되는 스테이지(서셉터)(4)가 설치되어 있다. 또한, 기재(10)로서는, 예를 들면 실리콘 기판, 화합물 반도체 기판, 이들 위에 절연막 및/또는 절연막 등이 형성된 것이 사용된다. 또한, 샤워 헤드(3)와 스테이지(4) 사이에, 탄소 원자 및 탄화 수소 분자를 포획하는 포획 부재(5)가 설치되어 있다. 포획 부재(5)는, 예를 들면 Pt, Ru, Rh, Pd, Os, Ir 등의 Pt족 원소로 구성되어 있다. 또한, 챔버(1)의 내부에, 샤워 헤드(3)와 포획 부재(5) 사이의 공간을 데우는 히터(2)가 설치되어 있다.
다음에, 상술한 바와 같이 구성된 CVD 장치를 사용하여, MOCVD법에 의해 기재(10) 위에 TiN막을 형성하는 방법에 관하여 설명한다.
우선, 스테이지(4) 위에 기재(10)를 탑재 배치한다. 다음에, 히터(2)에 의해 샤워 헤드(3)와 포획 부재(5) 사이의 공간을, TDMAT가 열분해하는 온도(150℃ 정도) 이상으로 가열한다. 뒤이어, 샤워 헤드(3)로부터 TDMAT를 포함하는 원료 가스 및 캐리어 가스를 챔버(1) 내로 방출한다. 이 결과, 챔버(1) 내로 방출된 TDMAT가, 히터(2)에 의해 샤워 헤드(3)와 포획 부재(5) 사이의 공간에서 TiN, 탄소(C) 및 탄화 수소(CHX)로 열분해한다. 그리고, TiN, 탄소 및 탄화 수소는 기재(10)를 향해 이동한다. 단, 기재(10)로의 이동 경로에 포획 부재(5)가 설치되어 있다. 이 때문에, 탄소 및 탄화 수소는 포획 부재(5)에 의해 포획된다. 한편, TiN은 그대로 포획 부재(5)를 빠져나가, 기재(10)까지 도달한다. 이 결과, 기재(10)의 표면에서, 탄소 및 탄화 수소를 포함하지 않는 TiN막이 성장한다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 탄소 및 탄화 수소를 포함하지 않는 TiN막을 기재(10) 위에 성장시킬 수 있다. 이 때문에, TiN막의 형성 후에 TiN막으로부터 탄소 및 탄화 수소를 제거하기 위한 플라즈마 처리가 불필요해진다. 따라서, 두꺼운 TiN막이 필요한 경우일지라도, TiN막을 복수회로 나누어 성장시킬 필요가 없다. 따라서, 필요하게 되는 처리수 및 처리 시간을 대폭 저감하고, 스루풋을 향 상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 처리에 따른 반도체 소자 등의 대미지를 방지할 수도 있다. 또한, 플라즈마 처리용의 설비가 불필요해지기 때문에, CVD 장치 전체의 구성이 간소화된다.
또한, TiN막을 형성하는 경우는, 원료 가스에 암모니아 등의 질소 원자를 함유하는 물질을 포함시켜 두는 것이 바람직하다. 이는 원료 가스에, 질소 원자를 함유하는 물질이 TDMAT 등 이외에 포함되어 있지 않을 경우에는, 질소 원자가 부족하여 Ti막이 형성되거나, Ti 과다의 TiN막이 형성되기 때문이다. 반대로, Ti막을 형성하려고 하는 경우에는, TDMAT만을 함유하는 원료 가스를 사용해도 된다.
또한, TiN막 또는 Ti막을 형성할 때에는 기재(10)를 가열할 필요는 없다. 종래의 CVD 장치에는 히터(2)에 상당하는 것이 존재하지 않기 때문에, 기재(10)의 온도를 400℃ 정도까지 가열하여 그 표면에서 TDMAT 등을 열분해시킬 필요가 있지만, 본 실시예에서는 기재(10)의 표면에서의 열분해는 필요로 하지 않는다. 종래, Al 배선을 포함하는 기재를 400℃보다 높은 온도까지 가열하는 것은 피하고 있고, 이 때문에, 사용 가능한 유기 금속의 종류가 한정되어 있다. 이에 대하여, 본 실시예에서는 히터(2)의 가열에 의해 유기 금속이 열분해하므로, 기재를 가열할 필요가 없고, 높은 온도에서 열분해하는 유기 금속을 사용하는 것도 가능하다.
샤워 헤드(3)와 포획 부재(5) 사이의 공간의 온도는 TDMAT 등의 유기 금속이 열분해하는 온도 이상이면 되고, 지나치게 높아도 히터(2)의 부하가 커질 뿐이다. 이 때문에, 이 공간의 온도는 150℃ 내지 800℃ 정도로 하는 것이 바람직하다.
다음에, 상술한 CVD 장치를 사용하여 반도체 장치를 제조하는 방법에 관하여 설명한다. 도 2a 내지 도 2g는 반도체 장치의 제조 방법을 공정순으로 나타낸 단면도이다.
우선, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(101)의 표면에 소자 분리 절연막(102)을 STI(shallow trench isolation)법에 의해 형성한다. 또한, 소자 분리 절연막(102)을 LOCOS(local oxidation of silicon)법 등에 의해 형성해도 된다. 다음에, 소자 분리 절연막(102)에 의해 획정된 소자 영역 내에 전계 효과 트랜지스터를 형성한다. 전계 효과 트랜지스터의 형성에서는, 우선, 게이트 절연막(103) 및 게이트 전극(104)을 형성한다. 다음에, 저농도 불순물 확산층(106), 사이드월 절연막(105) 및 고농도 불순물 확산층(107)을 순차적으로 형성한다.
그 후, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 전계 효과 트랜지스터를 피복하는 층간 절연막(108)을 형성한다. 계속해서, 고농도 불순물 확산층(107)까지 도달하는 콘택트 홀(109)을 층간 절연막(108)에 형성한다.
다음에, 도 1에 나타낸 CVD 장치를 사용하여, MOCVD법에 의해, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 콘택트 홀(109)의 저면(底面) 및 측면 및 층간 절연막(108)의 표면 위에, 배리어 메탈막으로서 TiN막(110)을 형성한다. 또한, TiN막(110)의 형성 전에 Ti막을 형성함으로써, 배리어 메탈막을 2층 구조로 하여도 된다.
뒤이어, 도 2d에 나타낸 바와 같이, TiN막(110) 위에, 콘택트 홀(109)을 매립하는 W막(111)을 형성한다. W막(111)의 형성시에, 도 1에 나타낸 CVD 장치를 사용해도 된다.
그 후, 도 2e에 나타낸 바와 같이, W막(111) 및 TiN막(110)을 층간 절연 막(108)의 표면이 노출될 때까지, CMP(chemical mechanical Polishing)법 등에 의해 연마한다. 이 결과, 콘택트 홀(109) 내에, TiN막(110) 및 W막(111)으로 이루어진 콘택트 플러그가 남는다.
계속해서, 도 2f에 나타낸 바와 같이, 콘택트 플러그에 접속되는 배선을 형성한다. 배선의 형성에 있어서는, 도 1에 나타낸 CVD 장치를 사용하여 TiN막(112)을 형성하고, Al막(113)을 형성하며, 도 1에 나타낸 CVD 장치를 사용하여 TiN막(114)을 형성하고, 이들을 패터닝한다. 또한, Al막(113)의 형성과 TiN막(114)의 형성 사이에, 도 1에 나타낸 CVD 장치를 사용하여 Ti막을 형성해도 된다. 또한, Al막(113)의 형성시에, 도 1에 나타낸 CVD 장치를 사용해도 된다.
배선의 형성 후에는, 도 2f에 나타낸 바와 같이, 배선을 피복하는 층간 절연막(115)을 형성한다. 다음에, 배선까지 도달하는 비어 홀(116)을 층간 절연막(115)에 형성한다.
뒤이어, TiN막(110) 및 W막(111)으로 이루어진 콘택트 플러그의 형성과 동일한 요령으로, 비어 홀(116) 내에, TiN막(117) 및 W막(118)으로 이루어진 비어 플러그를 형성한다.
그 후, 상층 배선 등을 형성하여, 반도체 장치를 완성시킨다.
또한, 상기한 설명에서는, 유기 금속으로서 TDMAT 또는 TDEAT만이 거론되고 있지만, 다른 유기 금속을 사용해도 된다. 또한, 형성되는 막도 TiN막 또는 Ti막에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명의 용도는 배리어 메탈막의 형성에 한정되는 것은 아니고, 예 를 들면 TiN막을 하드 마스크로서 형성하는 경우, TiN막 또는 Ti막을 전극의 전부또는 일부로서 형성하는 경우 등에 본 발명을 이용하는 것도 가능하다.
본 발명에 의하면, 유기 금속이 서셉터에 도달하기 전에 분해되어, 분해에 의해 생긴 탄소 및 탄화 수소가 포획 수단으로 포획되기 때문에, 기재 위에 형성되는 막으로의 탄소 및 탄화 수소의 혼입을 방지할 수 있다. 따라서, 탄소 및 탄화 수소를 제거하기 위한 플라즈마 처리 등을 불필요하게 할 수 있다. 또한, 기재 자체를 가열할 필요가 없기 때문에, 분해하는 온도가 비교적 높은 유기 금속을 사용하는 것도 가능해진다.

Claims (18)

  1. 챔버와,
    상기 챔버 내에 설치된 서셉터(susceptor)와,
    상기 챔버 내에 유기 금속을 함유하는 원료 가스를 공급하는 공급 수단과,
    상기 공급 수단으로부터 공급된 유기 금속을 가열함으로써, 분해시키는 가열 수단과,
    상기 유기 금속의 분해에 의해 생긴 탄소 및 탄화 수소를, 상기 서셉터까지 도달하기 전에 포획하는 포획 수단
    을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기상 성장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포획 수단은 백금족 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 성장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 금속은 Ti 및 N을 함유하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 성장 장치.
  4. 챔버와,
    상기 챔버 내에 설치된 서셉터와,
    상기 챔버 내에 유기 금속을 함유하는 원료 가스를 공급하는 공급 수단과,
    상기 공급 수단으로부터 공급된 유기 금속을 가열함으로써, 분해시키는 가열 수단과,
    상기 유기 금속의 분해에 의해 생긴 탄소 및 탄화 수소를, 상기 서셉터까지 도달하기 전에 포획하는 포획 수단
    을 갖는 화학 기상 성장 장치의 상기 서셉터 위에 기재(基材)를 탑재 배치하는 공정과,
    상기 기재 위에 막을 화학 기상 성장시키는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 막의 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 포획 수단으로서, 백금족 원소를 함유하는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 막의 형성 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유기 금속으로서, Ti 및 N을 함유하는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 막의 형성 방법.
  7. 챔버와,
    상기 챔버 내에 설치된 서셉터와,
    상기 챔버 내에 유기 금속을 함유하는 원료 가스를 공급하는 공급 수단과,
    상기 공급 수단으로부터 공급된 유기 금속을 가열함으로써, 분해시키는 가열 수단과,
    상기 유기 금속의 분해에 의해 생긴 탄소 및 탄화 수소를, 상기 서셉터까지 도달하기 전에 포획하는 포획 수단
    을 갖는 화학 기상 성장 장치의 상기 서셉터 위에 기재를 탑재 배치하는 공정과,
    상기 기재 위에 막을 화학 기상 성장시키는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 포획 수단으로서, 백금족 원소를 함유하는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유기 금속으로서, Ti 및 N을 함유하는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 막을, 배리어 메탈막으로서 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
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