KR101971547B1 - 반도체 소자의 금속층 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 소자의 금속층 형성 방법을 제시한다.
본 기술의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법은 반도체 기판 상에 핵 생성층을 형성하는 단계 및 핵 생성층 상부에 일정 두께는 갖는 금속층을 형성하되, 금속층 내부에 생성되는 불순물들을 제거하면서 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 기술의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법은 반도체 기판 상에 핵 생성층을 형성하는 단계 및 핵 생성층 상부에 일정 두께는 갖는 금속층을 형성하되, 금속층 내부에 생성되는 불순물들을 제거하면서 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 소자의 금속층 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조 공정에서는 배선, 인접 도전층과의 연결, 배선 사이의 연결 등을 위해 금속 또는 금속 화합물을 이용하여 금속층을 형성한다.
이러한 금속층 형성시에는 텅스텐, 티타늄, 구리 등의 금속이 이용될 수 있는데, 특히 비저항이 낮고 증착 온도가 낮으며, 스텝 커버리지 특성이 우수한 텅스텐이 주로 사용되고 있다. 텅스텐막을 형성하기 위해서는 소스가스로서 WF6을 사용하고, 이를 실란(SiH4), 디보란(B2H6), 실란(SiH4)+수소(H2), 디보란(B2H6)+수소(H2)로 이루어진 가스 중 적어도 어느 하나의 환원가스로 환원하여 텅스텐막을 형성한다.
실란은 수소에 비해 WF6와의 반응성이 우수하고, 활성화 에너지가 낮은 이점이 있으나, 스텝 커버리지 특성이 열악한 단점이 있다. 반면, 수소는 실란에 비해 환원성은 낮으나, 스텝 커버리지 특성이 우수하여, 홀 매립 특성이 우수한 이점이 있다. 반도체 소자의 축소율이 증가함에 따라 콘택홀, 비아홀 등의 구경도 작아지고 있으며 따라서 환원가스로 수소가 주로 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 금속층, 예를 들어 텅스텐층을 증착할 기판에 대한 전처리 공정이 수행된다(S101).
보다 구체적으로, 금속층을 형성할 반도체 기판을 챔버 내로 로딩하고, 기판을 기 설정된 온도로 가열한다. 반도체 기판을 가열한 후에 흡수가스(soak gas) 를 공급 및 퍼지하는 공정이 추가될 수 있다.
이후, 반도체 기판 상에 핵 생성층을 형성한다(S103). 핵 생성층은 원자층 증착 방식(Atomic layer deposition, ALD) 또는 화학기상증착 방식(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 의해 형성 할 수 있으며, 그 두께는100Å 이하로 제어할 수 있다. 또한 이러한 핵 생성층을 형성하기 위해 소스가스로 WF6가 이용될 수 있고 환원가스로 실란(SiH4), 디보란(B2H6), 실란(SiH4)+수소(H2), 디보란(B2H6)+수소(H2)로 이루어진 가스 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다.
다음, 핵 생성층 상에 지정된 두께의 금속 벌크층을 형성한다(S105). 금속 벌크층 형성 후에는 후처리 공정이 수행된다(S107). 후처리 공정에는 반응 부산물 및 미반응물을 제거하기 위한 퍼지 공정, 또는 어닐링공정이 포함될 수 있다. 아울러, 후처리가 완료된 반도체 기판은 챔버 밖으로 언로딩된다.
이와 같이, 현재는 금속층을 형성함에 있어서, 핵 생성층 형성 후 금속 벌크층을 지정된 두께로 한번에 형성하였다. 그런데, 텅스텐층의 매립 특성을 향상시키기 위해 수소가스를 환원가스로 사용함에 따라, WF6와 수소간의 반응성이 저하되어 미반응물이 적지 않게 발생할 수 있고, 미반응된 F가 막 내에 포함될 수 있으며, 또한 WF6와 반응한 HF가 완전히 배출되지 않을 수 있다. 아울러 막 내의 F 및 HF와 같은 반응 부산물의 침착은 매립 대상 홀의 종횡비가 높을수록 심화된다.
더욱이, 미반응된 F 및 완전히 배출되지 않은 반응 부산물은 텅스텐층의 비저항을 증가시키는 요인으로 작용한다,
본 발명의 실시예는 금속층의 비저항을 낮출 수 있는 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 제공한다.
본 기술의 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법은 소스가스 및 환원가스를 공급하여 반도체 기판 상에 핵 생성층을 형성하는 단계; 비활성 가스를 이용한 퍼지 공정을 수행하는 단계; 및 상기 소스가스 및 상기 환원가스를 공급하고 상기 비활성 가스의 공급을 유지하면서 상기 핵 생성층 상부에 일정 두께는 갖는 금속층을 형성하되, 상기 소스가스의 공급을 중단하고, 상기 환원가스의 공급을 중단 또는 유지하면서, 상기 비활성 가스의 공급이 유지되는 상태로 상기 금속층 내부에 생성되는 불순물들을 제거하면서 상기 금속층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 기술에 의하면, 금속층을 증착하는 사이사이에 공정 부산물을 제거하므로써, 금속층의 비저항을 효과적으로 낮출 수 있다.
도 1은 일반적인 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 금속층을 형성할 반도체 기판에 대한 전처리를 수행한다(S201). 여기에서, 전처리 공정은 반도체 기판을 챔버 내로 로딩하고, 기 설정된 온도까지 가열하는 공정을 포함할 수 있다. 아울러, 반도체 기판을 가열한 후에는 흡수가스(soak gas)를 공급 및 퍼지하는 공정 또한 수행될 수 있다.
전처리 공정이 완료되면, 반도체 기판 상에 핵 생성층을 형성한다(S203). 핵 생성층은 예들 들어 ALD 방식, CVD 방식 중에서 선택될 수 있다. 또한, 핵 생성층은 100Å 이하로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 CVD 방식으로 핵 생성층을 형성하는 경우 소스가스로 WF6, 환원가스로서 실란(SiH4), 디보란(B2H6), 실란(SiH4)+수소(H2), 디보란(B2H6)+수소(H2)로 이루어진 가스 중 적어도 어느 하나를 공급하여 텅스텐 핵 생성층을 형성할 수 있다.
핵 생성층이 형성되면, 단위 벌크층을 형성하기 전 비저항을 낮추기 위해 환원가스를 이용한 플러싱 공정 또는 비활성 가스(Ar, N2 등)를 이용한 퍼지 공정이 추가로 수행될 수 있다.
이후, 핵 생성층 상에 단위 벌크층을 형성한다(S205). 그리고 미반응물 및 반응 부산물과 같은 공정 부산물을 제거한다(S207). 미반응물 및 반응 부산물을 제거하는 공정은 이전의 단위 벌크층 형성시 사용된 소스가스(WF6), 환원가스(SiH4, B2H6, H2 등 중 어느 하나), 캐리어 가스(Ar, N2 등과 같은 비활성 가스 중 어느 하나) 중 소스 가스(WF6)의 공급을 중단하고, 캐리어 가스 및 환원가스 만의 반응 용기 분위기에서 수행되거나, 또는 소스 가스 및 환원가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스를 이용하여 반응 용기 내의 반응 부산물이 충분히 제거되도록 수행되거나, 소스가스 및 환원가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스를 공급하면서 반응 용기의 압력을 단위 벌크층 형성 공정시의 압력 미만으로 낮추어 반응 부산물을 충분히 제거한 후 후속 단위 벌크층 형성을 위해 승압하는 공정일 수 있다.
미반응물 및 반응 부산물을 제거하기 위한 불순물 제거 공정시 공급되는 환원가스는 미반응된 WFx 중의 F와 환원 반응하여 F를 제거하는 역할을 하고, 캐리어 가스는 반응 부산물인 HF를 효과적으로 배출시키는 역할을 한다. 또한, 캐리어 가스를 공급함과 동시에 반응 용기의 압력을 감압하면 캐리어 가스의 펌핑 속도가 증가하여 미반응물과 부산물을 더욱 용이하게 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 형성하고자 하는 목표 금속층은 텅스텐층일 수 있으며, 예를 들어 CVD 방식으로 증착할 수 있다.
또한, 단위 벌크층 형성 단계(S205) 및 공정 부산물을 제거하는 단계는 기 설정된 횟수(N, 2 이상의 자연수)만큼 반복 수행된다. 예를 들어, 최종 형성하고자 하는 금속층의 두께가 K라면, 단위 벌크층은 각 단계에서 K/N의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 최종 두께 K를 만족하도록 각 단위 벌크층의 두께를 개별적으로 조절할 수 있음은 물론이다. 단위 벌크층을 CVD 방식으로 형성하기 위해서 소스가스로 WF6, 환원가스로 H2가 이용될 수 있다.
아울러, 개별적으로 단위 벌크층의 두께를 조절할 경우 단위 벌크층의 두께에 따라 미반응물 및 공정 부산물을 제거하기 위한 가스의 양 및 시간을 조절할 수 있다.
단계 S205 및 S207을 N회 반복하여 목적하는 두께의 금속층이 형성된 후에는 후처리 공정을 수행한다(S209). 후처리 공정은 예를 들어, 단위 벌크층 형성시 사용한 소스가스(WF6), 환원가스(SiH4, B2H6, H2 등 중 어느 하나), 캐리어 가스(Ar, N2 등과 같은 비활성 가스) 중 소스 가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스 및 환원가스 만의 반응 용기 분위기에서 미반응물 및 반응 부산물을 충분히 제거하는 공정, 또는 소스가스 및 환원가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스 만의 반응 용기 분위기에서 반응 부산물을 충분히 제거하는 공정, 또는 소스가스 및 환원가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스를 공급하면서 반응 용기의 압력을 단위 벌크층 형성 공정시의 압력 미만으로 낮추어 반응 부산물을 충분히 제거하는 공정이 될 수 있으며, 금속층 형성이 완료된 기판은 챔버 밖으로 언로딩된다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 소자의 금속층 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
먼저, 도 3과 같이 하부구조가 형성된 반도체 기판(101)이 제공된다. 여기에서, 반도체 기판(101)은 표면에 장벽 금속층(미도시)이 형성되어 있을 수 있으며, 장벽 금속층은 예를 들어 티타늄 또는 티타늄을 포함하는 금속층, 예를 들어 티타늄나이트라이드(TiN)일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 4에는 금속층 형성을 위한 소스가스와 환원가스를 이용하여 핵 생성층(103)을 형성한 상태를 나타내었다. 금속층으로서 텅스텐층을 형성하는 경우 핵 생성층은 소스가스로 WF6, 환원가스로 실란(SiH4), 디보란(B2H6), 실란(SiH4)+수소(H2), 디보란(B2H6)+수소(H2)로 이루어진 가스 중 적어도 어느 하나를 사용하여 ALD 방식 또는 CVD 방식으로 형성할 수 있다.
핵 생성층(103)이 형성된 후에는 도 5 및 도 6과 같이, 단위 벌크층(105A, 105B, 105C, …) 형성 및 공정 부산물을 제거하는 공정이 지정된 횟수(N)만큼 반복된다. 그리고, 이러한 단위 벌크층의 반복 증착에 의해 도 7과 같이 목적하는 두께의 금속층(105) 형성이 완료된다.
금속층(105)을 형성한 후에는 예를 들어, 단위 벌크층 형성시 사용한 소스가스(WF6), 환원가스(SiH4, B2H6, H2 등 중 어느 하나), 캐리어 가스(비활성 가스) 중 소스 가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스 및 환원가스 만의 반응 용기 분위기에서 미반응물 및 반응 부산물을 충분히 제거하는 공정, 또는 소스가스 및 환원가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스 분위기에서 반응 욕기 내의 반응 부산물을 충분히 제거하는 공정, 또는 소스가스 및 환원가스의 공급을 중단하고 캐리어 가스를 공급하면서 반응 용기의 압력을 단위 벌크층 형성 공정시의 압력 미만으로 낮추어 반응 부산물을 충분히 제거하는 공정 등과 같은 후처리 공정이 이루어지고, 금속층 형성이 완료된 기판은 챔버 밖으로 언로딩된다.
이와 같이 본 발명에서는 금속층을 한 번에 형성하는 것이 아니라 지정된 두께로 나누어 형성하면서 단위 벌크층을 형성하는 공정 사이사이마다 공정 부산물을 제거함으로써 금속층의 비저항을 효율적으로 낮출 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101 : 반도체 기판
103 : 핵 생성층
105A, 105B, 105C : 단위 벌크층
105 : 금속층
103 : 핵 생성층
105A, 105B, 105C : 단위 벌크층
105 : 금속층
Claims (17)
- 소스가스 및 환원가스를 공급하여 반도체 기판 상에 핵 생성층을 형성하는 단계;
비활성 가스를 이용한 퍼지 공정을 수행하는 단계; 및
상기 소스가스 및 상기 환원가스를 공급하고 상기 비활성 가스의 공급을 유지하면서 상기 핵 생성층 상부에 일정 두께를 갖는 금속층을 형성하되, 상기 소스가스의 공급을 중단하고, 상기 환원가스의 공급을 중단 또는 유지하면서, 상기 비활성 가스의 공급이 유지되는 상태로 상기 금속층 내부에 생성되는 불순물들을 제거하면서 상기 금속층을 형성하는 단계;
를 포함하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속층 형성 단계는,
상기 핵 생성층 상에 상기 일정 두께를 갖는 금속층을 형성하는 단위 벌크층 형성 공정 및, 상기 단위 벌크층 내부에 생성되는 불순물을 제거하는 불순물 제거 공정을 포함하되,
상기 단위 벌크층 형성 공정 및 상기 불순물 제거 공정을 복수회 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 핵 생성층은, 텅스텐을 포함하는 소스가스를 이용한 원자층 증착 방식 또는 화학기상 증착 방식으로 형성하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 핵 생성층은, 소스가스로 WF6, 환원가스로 실란(SiH4), 디보란(B2H6), 실란(SiH4)+수소(H2), 디보란(B2H6)+수소(H2)로 이루어진 가스 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 핵 생성층은 100Å 이하의 두께로 형성하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 단위 벌크층 형성 공정은, 텅스텐을 포함하는 소스가스를 이용한 화학기상 증착 방식으로 수행되는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 단위 벌크층은 상기 소스가스로 WF6를 공급하고, 상기 환원가스로 수소(H2)를 공급하여 형성하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 불순물을 제거하는 것은, 상기 소스가스 및 상기 환원가스의 공급을 중단하고, 상기 비활성 가스를 공급하면서 상기 일정 두께를 갖는 금속층 형성시의 압력 미만으로 반응기 압력을 감압하여 수행되는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 불순물 제거 공정은, 상기 단위 벌크층의 두께에 따라 불순물 제거 시간 또는 가스 분사량을 변화시켜 수행하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 핵 생성층을 형성하는 단계 이후 상기 금속층을 형성하기 전, 상기 환원가스를 이용한 플러싱 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속층을 형성하는 단계 이후, 상기 금속층 형성시 사용한 상기 환원가스 및 상기 비활성 가스를 공급하는 후처리 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속층을 형성하는 단계 이후, 상기 비활성 가스를 공급하는 후처리 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속층을 형성하는 단계 이후, 상기 비활성 가스를 공급하면서 상기 금속층 형성 공정시의 압력 미만으로 반응기 압력을 감압하는 후처리 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 금속층 형성 방법.
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