KR19990005816A - 반도체장치의 콘택형성방법 - Google Patents

Abstract

금속배선의 콘택부위에서 장벽금속층의 단차 도포성 및 전도성을 향상시킬 수 있는 반도체장치의 콘택형성방법에 대해 개시되어 있다. 본 발명의 콘택형성방법은, 절연층을 포함한 하부구조가 형성된 반도체기판에 콘택홀을 형성하는 단계와; 상기 콘택홀의 콘택부분에 존재하는 자연산화막을 제거하기 위해 저압화학 기상증착장비의 반응실 내에서 아르곤가스를 주입하는 단계와; 저압화학 기상증착공정에 의해 상기 콘택부분에 접속되는 W-N의 장벽금속층을 형성하는 단계와; 상기 W-N의 장벽금속층에 접속되는 금속배선을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 장벽금속층으로서 W-N막을 저압화학 기상증착장비에서 증착하므로 우수한 단차 도포성을 가지도록 할 수 있으며, 전기전도성도 우수하다.

Description

반도체장치의 콘택형성방법

본 발명은 반도체장치의 콘택형성방법에 관한 것으로서, 특히 금속배선의 콘택부위에서 장벽금속(barrier metal)층의 단차 도포성(step coverage) 및 전도성을 향상시킬 수 있는 반도체장치의 콘택형성방법에 관한 것이다.

반도체장치의 집적도가 증가함에 따라 금속배선의 폭은 줄어들고 콘택홀에서는 어스펙트비(aspect ratio)는 계속 증가하고 있다. 이에 따라, 현재 금속배선의 재료로 사용되고 있는 알루미늄과 같이 스퍼터링에 의해 형성되는 금속층은 콘택홀 내에서의 단차 도포성이 불량하거나 보이드(void)와 같은 결함을 발생시키게 된다. 그 결과, 금속배선들 간의 단선 등이 유발되어 반도체장치의 신뢰성이 저하되게 된다.

한편, 반도체장치에 있어서, 금속배선과 하부 반도체기판의 접합영역이 접속되는 영역에는 N⁺콘택과 P⁺콘택이 있다. 이러한 콘택홀에 배선층을 형성하는 종래방법은, 오믹층인 타이타늄(Ti)막을 증착한 후 장벽금속층으로서 타이타늄질화막(TiN)을 증착하고, 최종배선으로서 그 위에 알루미늄(Al) 또는 텅스텐(W)을 증착하는 것이 보통이다. 그 외에도 오믹층(ohmic layer)과 장벽금속층으로는 타이타늄/탄탈륨(Ti/Ta) 또는 타이타늄의 재료가 사용되기도 한다. 이러한 장벽금속층은 반도체기판의 재질로 많이 사용되는 실리콘과 알루미늄 금속과의 열적반응에 의한 알루미늄-실리콘 간의 구조적 이동인 금속 스파이킹(spiking)을 방지하기 위한 용도로 사용된다. 그러나, 이러한 장벽금속층을 증착하기 위해 스퍼터링공정을 사용할 경우, 상기한 알루미늄 배선의 경우와 마찬가지로 단차 도포성이 불량해지거나, 보이드의 발생에 의해 콘택저항이 높아지는 문제점을 야기하고 있다.

스퍼터링공정은 증착하고자 하는 금속을 스퍼터링 타아게트로 미리 마련해두고 이 스퍼터링 타아게트에 비활성기체, 예컨대 아르곤가스의 양이온을 충돌시킴으로써 발생하는 운동량(momentum) 교환을 통해 박막을 증착시키는 공정이다. 스퍼터링 타아게트로부터 튕겨나온 금속입자는 일정한 방향성을 가지게 되기 때문에, 표면형상이 복잡한 반도체기판의 구조물에 대해서는 단차 도포성이 나쁘게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 단차 도포성 및 전기전도성이 우수한 반도체장치의 콘택을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 열적안정성을 가지는 동시에 외부 원자의 확산을 유효하게 방지할 수 있는 반도체장치의 콘택을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 콘택형성방법의 공정순서를 나타낸 순서도,

도2는 본 발명의 실시예에 따른 콘택형성방법에 의해 구현된 반도체장치의 콘택구조를 나타낸 단면도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호설명

10 … 실리콘기판

20 … 격리산화막

30 … 게이트산화막

40 … 게이트전극

50 … 제1 층간절연막

60 … 제2 층간절연막

70 … W-N 장벽금속층

80 … 알루미늄 배선층

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,

(a) 절연층을 포함한 하부구조가 형성된 반도체기판에 콘택홀을 형성하는 단계와; (b) 상기 콘택홀의 콘택부분에 존재하는 자연산화막을 제거하기 위해 저압화학 기상증착장비의 반응실 내에서 아르곤을 주입하는 단계와; (c) 저압화학 기상증착공정에 의해 상기 콘택부분에 접속되는 텅스텐질화막(이하 W-N이라 한다)의 장벽금속층을 형성하는 단계와; (d) 상기 W-N의 장벽금속층에 접속되는 금속배선을 형성하는 단계를 구비하는 반도체장치의 콘택형성방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 자연산화막을 제거하는 단계는, RF 전력을 100∼200㎾으로 가하고, 상기 반응실 내의 압력은 15∼25mTorr으로 유지한 상태에서 아르곤가스를 400∼600sccm으로 주입함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 W-N의 장벽금속층을 형성하는 단계는 400∼600℃의 온도, 0.001∼0.1mTorr의 압력조건에서 WF₆는 7∼17sccm, SiH₄는 300∼500sccm, N₂는 70∼110sccm을 주입함으로써 이루어지게 하면 동일한 저압화학 기상증착장비 내에서 반응가스만을 교체하면 손쉽게 자연산화막을 제거하는 동시에 W-N의 장벽금속층을 형성할 수 있다.

또한, 상기 W-N의 장벽금속층을 형성하는 단계 이후에 상기 W-N의 장벽금속층의 결정을 재배열하여 치밀화하기 위하여 열처리하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하며, 이 열처리는 RTP공정에 의해 이루어질 경우, 500∼600℃의 온도에서 20∼40분의 어닐링하여 진행할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 콘택형성방법의 공정순서를 나타낸 순서도이다.

도1에 의하면, 우선 절연층을 포함한 하부구조가 형성된 실리콘기판에 콘택홀을 형성하는 단계(S1)부터 진행된다. 절연층은 층간절연막으로 많이 사용되는 BPSG(BoroPhosphoSilicate Glass)를 도포한 후 리플로우(reflow)에 의해 평탄화시킨 상태로 사용하기도 한다. 콘택홀은 금속배선과 하부 반도체기판의 접합영역이 접속되는 영역인 N⁺영역 또는 P⁺영역에 포토리소그래피 공정 및 식각공정을 통해 형성된다.

그 다음 상기 콘택홀의 콘택부분에 필연적으로 발생하는 자연산화막이 잔류한다면 오믹콘택(ohmic contact)을 형성시키기 어려우므로 이를 제거하는 단계를 거친다(S2). 종래 기술에서는 이 자연산화막의 제거에 있어서 100:1 정도로 희석된 BOE(Buffered Oxide Echant)를 이용한 습식식각을 행하였으나, 본 실시예에서는 후속되는 장벽금속층의 증착이 이루어지는 저압화학 기상증착장비와 동일한 장비에서 자연산화막의 제거가 이루어질 수 있도록 저압화학 기상증착장비의 반응실에 RF 전력을 150㎾으로 가하고, 상기 반응실 내의 압력은 20mTorr로 유지한 상태에서 아르곤가스를 500sccm으로 주입함으로써 진행하였다. 이러한 공정을 흔히 프리 메탈딥(pre metal dip) 또는 RF(Radio Frequency) 식각이라고 한다.

자연산화막을 제거한 다음에는 저압화학 기상증착공정에 의해 상기 콘택부분에 접속되는 W-N의 장벽금속층을 형성한다(S3). 이 W-N의 장벽금속층을 형성하는 단계는 500℃의 온도, 0.01mTorr의 압력조건에서 WF₆는 12sccm, SiH₄는 400sccm, N₂는 90sccm을 주입하여 다음 반응식을 유도함으로써 진행된다.

2WF₆+ 2SiH₄+ N₂→ 2WN + SiF₄+ 4HF↑ + 2H₂↑

W-N의 장벽금속층의 증착은 약 1500∼1700Å의 두께로 행했으며, 이 때 단위면적당 저항은 40∼44Ω/㎠의 값을 나타내었다. 이와 같이 장벽금속층의 증착을 저압화학 기상증착장비에서 행하면 스퍼터링에 의한 증착에 비해 우수한 단차 도포성을 얻을 수 있다.

W-N의 장벽금속층을 형성한 다음에는 비정질 형태의 W-N의 장벽금속층을 치밀화(densification)시키기 위해 램프에 의해 급속히 온도를 올려 어닐링하는 RTP(Rapid Thermal Process) 공정을 적용한다(S4). 이 단계를 거치게 되면, 결정의 재배열이 이루어지게 된다.

그 다음, 콘택홀을 채우는 동시에 상기 W-N의 장벽금속층에 접속되는 금속배선을 형성하는 단계(S5)가 진행된다. 본 실시예에서는 알루미늄을 기존의 스퍼터링공정에 의해 증착시켰으나, 금속배선의 재료는 반드시 알루미늄에 한정되지는 않는다.

상기한 바와 같이, S1∼S5의 단계를 거치고 나면 우수한 단차 도포성을 가진 실리콘/텅스텐질화막/알루미늄(Si/W-N/Al)의 적층구조를 얻을 수 있다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 콘택형성방법에 의해 구현된 반도체장치의 콘택구조를 나타낸 단면도이다.

실리콘기판(10)에 형성된 격리산화막(field oxide)(20)에 의해 활성영역이 규정되며, 이 활성영역에 게이트산화막(30)과 게이트전극(40) 등이 형성된다. 그 후, BPSG 재질의 제1 층간절연막(50)과 제2 층간절연막(60)이 형성된 다음, 콘택홀이 실리콘기판 내의 이온주입영역에 접속통로로서 만들어진다. 본 발명의 실시예에 의해 증착된 W-N 장벽금속층(70)은 콘택홀을 피복할 수 있도록 형성되며, 이 장벽금속층(70)에 접속될 수 있도록 알루미늄 배선층(80)이 형성된다. 설명되지 않은 참조부호 90은 비트라인을 나타낸다.

상기한 본 발명과 같이, 장벽금속층으로서 W-N막을 저압화학 기상증착장비에서 증착하면 우수한 단차 도포성을 가지도록 할 수 있으며, 보이드 등의 결함이 생기지 않으므로 전기전도성도 우수하다.

또한, 콘택홀의 콘택부위에 필연적으로 발생하는 자연산화막을 저압화학 기상증착장비에서 RF 식각에 의해 제거하므로, 후속하는 장벽금속층의 형성과 연계하여 동일 장비에서의 공정이 이루어질 수 있다. 따라서, 작업시간을 단축할 수 있다.

Claims (6)

1. (a) 절연층을 포함한 하부구조가 형성된 반도체기판에 콘택홀을 형성하는 단계와; (b) 상기 콘택홀의 콘택부분에 존재하는 자연산화막을 제거하기 위해 저압화학 기상증착장비의 반응실 내에서 아르곤가스를 주입하는 단계와; (c) 저압화학 기상증착공정에 의해 상기 콘택부분에 접속되는 W-N의 장벽금속층을 형성하는 단계와; (d) 상기 W-N의 장벽금속층에 접속되는 금속배선을 형성하는 단계를 구비하는 반도체장치의 콘택형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 자연산화막을 제거하는 단계는, RF 전력을 100∼200㎾으로 가하고, 상기 반응실 내의 압력은 15∼25mTorr으로 유지한 상태에서 아르곤을 400∼600sccm으로 주입함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 콘택형성방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 W-N의 장벽금속층을 형성하는 단계는 400∼600℃의 온도, 0.001∼0.1mTorr의 압력조건에서 WF₆는 7∼17sccm, SiH₄는 300∼500sccm, N₂는 70∼110sccm을 주입함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 콘택형성방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 W-N의 장벽금속층을 형성하는 단계 이후에 상기 W-N의 장벽금속층의 결정을 재배열하여 치밀화하기 위하여 열처리하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 콘택형성방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 열처리는 RTP공정에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 콘택형성방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 RTP공정은 500∼600℃의 온도에서 20∼40분의 어닐링하는 공정인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 콘택형성방법.