KR19990034762A - 반도체 장치의 제조공정에 있어서 장벽층 형성방법 - Google Patents

Abstract

두께가 100Å보다 얇은 물질층을 다층 장벽층의 하나로 포함하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법을 개시한다. 상기 얇은 물질층은 상기 다층 장벽층이 전면에 형성되어 있는 콘택홀에 도전성 플러그 예컨데, 텅스텐 플러그를 채우는 과정에서 텅스텐 플러그의 소오스 가스에서 발생되는 불소와 상기 장벽층내의 반도체 기판과 반응하고 남은 티타늄과 반응하는 것을 억제한다. 이 결과, 상기 콘택홀에 도전성 플러그를 채우는 과정에서 장벽층의 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 상기 다층 장벽층을 형성한 이후, 그 결과물을 RTN처리함으로써 상기 도전성 플러그의 콘택저항은 더욱 안정된다.

Description

반도체 장치의 제조공정에 있어서 장벽층 형성방법

본 발명은 반도체 장치의 제조공정에 있어서 장벽층(barrier lalyer) 형성방법에 관한 것으로서, 특히, 텅스텐 증착시 불소(F)의 어택(attack)에 의한 장벽층의 저항증가를 방지할 수 있는 장벽층 형성방법에 관한 것이다.

반도체 장치가 고집적화됨에 따라 반도체 장치의 제조공정에 부가되는 공정이 늘어나서 반도체 장치의 공정이 복잡해지고 있다. 고집적화에 따라 부가된 공정의 하나가 장벽층 형성공정이다. 즉, 콘택홀을 형성한 후, 콘택홀을 채우는 도전성 물질층과 반도체기판 또는 콘택홀이 형성된 절연층간의 반응을 방지하기 위한 물질층 형성공정으로서, 콘택홀에 도전성 물질을 채우기 전에 층간절연막과 콘택홀을 통해서 노출되는 기판의 전면에 형성된다. 이는 고집적화에 의해, 콘택홀의 직경이 작아져서 콘택홀을 채우는 도전성물질의 접촉저항을 낮추기 위해, 또한, 높은 종횡비의 콘택홀에 도전성 물질층 채우는 과정에서 나타날 수 있는 결함 예컨데, 보이드 형성을 방지하기 위해 도입된 공정이다.

기존에도 두 물질층간의 반응에 의한 부작용을 방지하기 위해, 장벽층이 형성되기는 하였으나, 대개 단층으로 형성하였다. 하지만, 현재는 다층으로 형성되고 있다.

이하, 종래 기술에 의한 장벽층 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하세 설명한다.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(10)을 반도체 소자들이 형성되는 활성영역과 반도체 소자들을 전기적으로 분리시키는 역할을 하는 필드영역으로 구분한다. 필드영역에 필드산화막(12)을 형성한다. 필드산화막(12)이 형성된 결과물 전면에 층간절연막(14)을 형성한다. 층간절연막(14)은 실리콘산화막(SiO₂)이다. 층간절연막(14)에 반도체기판(10)을 노출시키는 콘택홀(16)을 형성한다. 콘택홀(16)을 통해서 노출되는 반도체기판(40)의 표면과 층간절연막(14)의 전면에 장벽층(barrier matel)(22)을 형성한다. 장벽층(22)은 후속공정에서 콘택홀(16)을 채우는 도전성 물질층과 반도체기판(10) 또는 층간절연막(14) 사이에 반응을 방지하기 위한 물질층이다. 장벽층(22)은 티타늄층(Ti)(18)과 티타늄 나이트라이드층(TiN)(20)을 순차적으로 형성하여 형성한다. 이후, 도면에 도시되지는 않았지만, 장벽층(22) 상에 콘택홀(16)을 채우는 도전층을 형성한다. 도전층은 텅스텐층으로 형성한다. 이때, WF₆가 소오스가스로 사용된다.

한편, 반도체 장치의 고집적화에 의해, 콘택홀의 입구는 좁아지고 깊이는 깊어진다. 따라서, 콘택홀의 종횡비(aspect ratio)는 증가된다.

결과적으로, 종래 기술에 의한 장벽층 형성방법에서 장벽층(22)의 스텝 커버리지는 불량해지고 오버행(overhang)이 나타난다. 이 상황에서, 콘택홀(16)에 텅스텐을 채우는 경우, 소오스가스의 불소에 의해 장벽층(22)의 반도체기판(10)과 오믹 콘택을 이루고 남은 티타늄(Ti)이 어택된다. 이에 따라, 장벽층에 TiF_X라는 물질층이 형성되어 결국, 장벽층(22)은 Ti/Ti+TiF_X/TiN구조를 갖게되므로 장벽층의 저항이 높아지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 콘택홀에 도전성 플러그를 형성하는 과정에서 장벽층의 저항이 증가되는 것을 억제할 수 있는 구조로 장벽층이 형성되는 반도체 장치의 제조공정에 있어서 장벽층(barrier lalyer) 형성방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 장벽층(barrier lalyer) 형성방법으로 형성된 장벽층의 단면도이다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 장벽층(barrier lalyer) 형성방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

40:반도체 기판. 42:필드산화막.

44:층간절연막. 46:콘택홀.

48:장벽층. 48a, 48b, 48c, 48d:제1 내지 제4 장벽층.

50:RTN막.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 반도체 장치의 제조공정에 있어서 장벽층(barrier lalyer) 형성방법은 다음과 같이 실시한다.

(a) 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성한다. (b) 상기 층간절연막에 콘택홀을 형성한다. (c) 상기 층간절연막과 콘택홀을 통해서 노출되는 기판 상에 다층 장벽층을 형성하되, 상기 다층 장벽층중 선택된 어느 한 층을 100Å보다 얇은 두께로 형성한다.

상기 (c)단계이후, 상기 결과물을 질소부위기 하에서 RTN(Rapid Thermal Nitridation) 처리 한다. 다시 말하면, 상기 결과물을 암모니아(NH₃) 분위기하에서 급속 열처리 한다. 이때, 열처리 온도는 500℃∼750℃정도이다.

상기 층간절연막은 실리콘 산화막으로 형성한다.

상기 다층 장벽층은 제1 내지 제4 장벽층으로 형성한다. 이때, 제3 장벽층이 상기 선택된 어느 한층으로서, 100Å보다 얇은 두께로 형성한다.

여기서, 상기 제1 내지 제4 장벽층은 각각 제1 티타늄층(Ti), 제1 티타늄 나이트라이드층(TiN), 제2 티타늄층 및 제2 티타늄 나이트라이드층으로 형성한다.

본 발명에 의한 장벽층 형성방법은 다층의 장벽층을 제공한다. 상기 다층의 장벽층은 두께가 100Å보다 얇은 장벽층을 포함한다. 상기 얇은 장벽층은 상기 다층 장벽층이 전면에 형성되어 있는 콘택홀에 도전성 플러그 예컨데, 텅스텐 플러그를 채우는 과정에서 텅스텐 플러그의 소오스 가스에서 발생되는 불소와 상기 장벽층에 존재하는 미반응물질이 반응하는 것을 억제한다. 이 결과, 상기 콘택홀에 도전성 플러그를 채우는 과정에서 장벽층의 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 상기 다층 장벽층을 형성한 이후, 그 결과물을 RTN처리함으로써 상기 도전성 플러그의 콘택저항은 더욱 안정된다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조공정에 있어서 장벽층(barrier lalyer) 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 반도체기판(40)을 활성영역과 필드영역으로 구분한다. 상기 활성영역은 트랜지스터와 커패시터와 같은 반도체 소자들이 형성되는 영역이다. 반면, 상기 필드영역은 상기 반도체 소자들을 전기적으로 분리시키기 위한 영역으로서 여기에 필드산화막(42)을 형성한다. 상기 필드산화막(42)은 상기 반도체 기판(40)을 국부적으로 산화하여 형성한 로코스(LOCOS)형 필드산화막으로 형성한다. 하지만, 상기 필드영역에는 상기 반도체 기판(40)의 일부를 트랜치한 다음 그 곳에 산화막이나 절연막을 성장시키거나 채워서 형성한 트랜치형 필드산화막이 형성될 수도 있다. 상기 필드산화막(42)이 형성된 반도체기판(40)의 전면에 층간절연막(44)을 형성한다. 상기 층간절연막(44)은 실리콘 산화막(SiO₂)으로 형성한다. 상기 층간절연막(44)에 상기 반도체기판(40)을 노출시키는 콘택홀(46)을 형성한다. 상기 콘택홀(46)을 통해서 노출된 기판에 도전성 불순물 예컨데, P⁺또는 N⁺를 주입하여 불순물영역을 형성한다. 이러한 불순물영역은 콘택홀(46)을 통해서 노출되는 기판 영역의 접촉저항을 낮추는 역할을 한다.

도 3을 참조하면, 상기 층간절연막(44)의 전면과 상기 콘택홀(46)을 통해서 노출되는 반도체기판(40)의 전면에 장벽층(48)을 형성한다. 상기 장벽층(48)은 다층 장벽층으로서 순차적으로 형성되는 제1 내지 제4 장벽층(48a, 48b, 48c, 48d)으로 형성한다. 상기 제1 내지 제4 장벽층(48a, 48b, 48c, 48d)은 티타늄층 또는 그 질화물의 혼합층이다. 구체적으로 상기 제1 내지 제4 장벽층(48a, 48b, 48c, 48d)은 각각 제1 티타늄층(Ti), 제1 티타늄 나이트라이드층(TiN), 제2 티타늄층 및 제2 티타늄 나이트라이드층으로 형성한다. 이때, 상기 제3 장벽층(48c)인 제2 티타늄층은 100Å보다 얇은 두께로 형성한다. 그리고, 상기 제1, 제2 및 제4 장벽층(48a, 48b, 48d)은 각각 500Å∼1,500Å정도의 두께로 형성한다.

계속해서, 도 4를 참조하면, 상기 제1 내지 제4 장벽층(48a, 48b, 48c, 48d)이 형성된 결과물 전면, 결국, 상기 제4 장벽층(48d)의 전면을 RTN처리하여 그 전면에 RTN막(50)을 형성한다. 구체적으로, 상기 결과물 암모니아(NH₃)분위기하에서 500℃∼750℃정도의 온도로 어닐링하면, 상기 제4 장벽층(48d)의 전면에 상기 RTN막(50)이 형성된다.

이와 같이, 장벽층(48)을 형성하면, 상기 콘택홀(46)을 통해서 노출되는 기판과 상기 제1 장벽층(48d)이 반응하여 그 계면에 티타늄 실리사이드층(TiSi_x)이 형성된다.

한편, 이와 같은 구조의 장벽층(48)을 형성한 다음 상기 콘택홀(46)을 채우는 도전성물질층(도시하지 않음) 예컨데, 텅스텐층을 상기 RTN막(50)의 전면에 형성한다. 이때, 상기 텅스텐층의 소오스가스로는 WF₆가 사용되는데, 소오스 가스의 불소(F) 가스가 장벽층(48)내로 침투하여 상기 장벽층(48)내의 상기 반도체 기판(40)과 반응하고 남은 티타늄과 반응하여 불소화합물(예컨데, TiF_X)이 형성된다.

그러나, 상기 불소화합물은 상기 제3 장벽층(48c) 즉, 얇은 제2 티타늄층에 의해 억제한다. 곧, 상기 불소는 상기 제3 장벽층(48c)의 티타늄과 반응하여 상기 제3 장벽층(48c)에 형성된다. 따라서, 상기 반도체 기판(40)과 직접 접촉되는 상기 제1 장벽층(48a)이나 그 위에 형성된 상기 제2 장벽층(48b)에는 형성되지 않는다.

결과적으로, 상기 콘택홀(46)에 도전성 물질을 채운, 상기 장벽층(48)은 TiSi_x/TiN/Ti+TiF_X/TiN 구조로 바뀐다. 따라서, 상기 불소가스에 의한 장벽층(48)의 저항증가를 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의한 장벽층 형성방법은 다층의 장벽층을 제공한다. 상기 다층의 장벽층은 두께가 100Å보다 얇은 장벽층을 포함한다. 상기 얇은 장벽층은 상기 다층 장벽층이 전면에 형성되어 있는 콘택홀에 도전성 플러그 예컨데, 텅스텐 플러그를 채우는 과정에서 텅스텐 플러그의 소오스 가스에서 발생되는 불소와 상기 장벽층내의 반도체 기판과 반응하고 남은 티타늄과 반응하는 것을 억제한다. 이 결과, 상기 콘택홀에 도전성 플러그를 채우는 과정에서 장벽층의 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 상기 다층 장벽층을 형성한 이후, 그 결과물을 RTN처리함으로써 상기 도전성 플러그의 콘택저항은 더욱 안정된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 실시 가능함은 명백하다.

Claims (8)

1. (a) 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계;

   (b) 상기 층간절연막에 콘택홀을 형성하는 단계; 및

   (c) 상기 층간절연막과 콘택홀을 통해서 노출되는 기판 상에 다층 장벽층을 형성하되, 상기 다층 장벽층중 선택된 어느 한 층을 100Å보다 얇은 두께로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 (c)단계이후의 결과물을 질소부위기 하에서 RTN(Rapid Thermal Nitridation) 처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 (c) 단계 이후의 결과물을 암모니아(NH₃) 분위기하에서 500℃∼750℃정도로 어닐링하여 RTN처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 층간절연막은 실리콘 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 다층 장벽층은 제1 내지 제4 장벽층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 선택된 어느 한층으로서, 두께가 100Å보다 얇은 장벽층은 상기 제3 장벽층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 장벽층은 각각 제1 티타늄층(Ti), 제1 티타늄 나이트라이드층(TiN), 제2 티타늄층 및 제2 티타늄 나이트라이드층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제1 티타늄층, 제1 티타늄 나이트라이드층 및 제2 티타늄 나이트라이드층은 각각 500Å∼1,500Å정도의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조공정에서 장벽층 형성방법.