KR19990062428A - 원자층 증착 공정을 이용하는 도전층 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자층증착(atomic layer deposition) 공정을 사용하는 도전층 형성방법을 개시한다. 본 발명은 금속을 함유하는 전구체 및 환원가스를 반응시키어 반도체기판 상에 희생금속원자층을 형성하고, 희생금속원자층과 반응을 잘하는 금속할로겐화합물(metal halide) 가스를 사용하여 반도체기판 상에 금속할로겐화합물 가스로부터 분해된 금속원자가 침적된 금속원자층을 형성하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 금속원자층 상에 실리콘 소스가스를 사용하여 실리콘원자층을 추가로 형성함으로써 금속원자층과 실리콘층을 서로 교대로 적층시킨다. 이로써, 본 발명은 반도체 기판 상에 단차도포성이 우수한 금속층 또는 금속실리사이드층을 형성할 수 있다.

Description

원자층증착 공정을 이용하는 도전층 형성방법
본 발명은 도전층 형성방법에 관한 것으로, 특히 원자층증착(atomic layer deposition) 공정을 사용하는 반도체 소자의 도전층 형성방법에 관한 것이다.
반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 디자인 룰(design rule)이 점점 감소하고 있다. 이에 따라, 콘택홀의 어스펙트 비는 증가하는 반면에, 접합깊이(junction depth)는 얕아지고 있다. 접합깊이는 모스 트랜지스터의 짧은채널 효과와 직접적으로 관련이 있다. 즉, 고집적 반도체소자에 적합한 모스 트랜지스터는 채널 길이가 짧아야 하며, 짧은 채널을 갖는 모스트랜지스터의 특성을 개선하기 위해서는 소오스/드레인 영역의 깊이,즉 접합 깊이를 얕게 형성하여야 한다. 얕은 접합과 금속배선(metal interconnection)을 접촉시키는 배선 기술(interconnection technology)에 있어서, 장벽금속층은 필수적으로 사용된다. 이는, 금속배선이 얕은 접합을 침투하는(penetrating) 접합 스파이킹 현상을 방지하기 위함이다. 장벽금속층으로는 타이타늄 질화층(TiN)이 널리 사용되며, 장벽금속층 및 접합 사이에는 오믹층(ohmic layer), 예컨대 타이타늄 실리사이드층이 개재된다. 타이타늄 실리사이드층은 1540℃의 높은 용융점(melting point), 13μΩ-㎝ 내지 16μΩ-㎝의 낮은 비저항 및 N형 불순물층(N-type impurity layer)에 대하여 0.6eV의 낮은 장벽높이(barrier height)를 보이므로 오믹층 또는 배선에 널리 사용되고 있다. 오믹층으로 사용되는 타이타늄 실리사이드층은 접합, 즉 불순물로 도우핑된 실리콘 기판(불순물층) 상에 타이타늄층을 형성한 후에 타이타늄층 및 실리콘기판을 서로 반응시키기 위한 열공정을 실시함으로써 형성된다.
상기한 바와 같이 종래의 금속배선을 형성하는 방법은 불순물층 상에 층간절연층을 형성하고, 상기 층간절연층을 패터닝하여 불순물층의 소정영역을 노출시키는 콘택홀을 형성한다. 그리고, 콘택홀이 형성된 결과물 전면에 오믹층, 장벽금속층, 및 금속배선을 차례로 형성한다. 여기서, 오믹층은 불순물층 상에 타이타늄막을 형성한 후에 타이타늄층을 열처리하여 타이타늄 실리사이드층을 형성하거나 불순물층 상에 타이타늄 실리사이드층을 직접 형성할 수도 있다. 오믹층으로 사용되는 타이타늄 실리사이드층은 불순물층에 손상이 가해지는 현상을 방지하기 위하여 가능한 낮은 온도에서 형성하여야 한다. 이에 따라, 플라즈마 증가형 화학기상증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; 이하 PECVD라 한다) 공정에 의한 타이타늄 실리사이드층 형성방법이 제안된 바 있다(J. Lee et al., Plasma Enhanced CVD of Blanket TiSi2on Oxide Patterned Wafer, J. Electrochem. Soc., vol. 139, no. 4, 1992, pp.1159-1165 / Alan E. Morgan et al., Material characterization of plasma-enhanced CVD titanium silicide, J. Vac. Sci. Technol. B4(3), 1986, pp. 723-731). 그러나, 고집적 반도체소자의 높은 어스펙트 비를 갖는 콘택홀에 PECVD 공정을 사용하여 타이타늄 실리사이드층을 형성하면, 플라즈마 특성에 기인하여 불량한 단차도포성(poor step coverage)을 보이는 문제점이 있다. 한편, V. Ilderem 등 및 G. J. Reynolds 등은 600℃ 이상의 높은 온도에서 저압 화학기상증착(low pressure CVD; 이하 LPCVD라 한다) 공정을 사용하여 타이타늄 실리사이드층을 형성하는 방법을 제안한 바 있다(V. Ilderem et al., Optimized Deposition Parameters for Low Pressure CVD titanium silicide, J. Electrochem. Soc., 1988, pp. 2590-2596 / G. J. Reynolds et al., Selective titanium disilicide by Low Pressure CVD, J. Appl. Phys. 65(8), 1989, pp. 3212-3218). 그러나, 600℃ 이상의 고온에서 타이타늄 실리사이드층을 형성하면, 타이타늄층과 접촉하는 불순물층의 실리콘 소모(silicon consumption)가 증가하여 불순물층의 접합 누설전류 특성이 저하된다. 따라서, LPCVD에 의한 타이타늄 실리사이드층은 얕은 접합이 요구되는 고집적 반도체소자에 적용하기가 어렵다.
본 발명의 목적은 원자층증착 공정을 사용하여 500℃ 이하의 저온에서 단차도포성을 개선시킬 수 있는 도전층 형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 타이밍 다이아그램이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 타이밍 다이아그램이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 사용되는 도전층 형성용 장비의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 타이타늄층의 단면도를 전자주사현미경(SEM; scanning electron microscopy)으로 촬영한 사진이다.
도 7은 도 6의 타이타늄층에 대한 성분을 XRF(x-ray fluorescence) 장비로 측정한 결과이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 태양(aspect)에 의하면, 본 발명은 반도체기판 상에 희생금속원자층(sacrificial metal atomic layer)을 형성하고, 상기 희생금속원자층을 금속할로겐화합물(metal halide) 가스와 반응시킴으로써 상기 희생금속원자층을 제거함과 동시에 상기 반도체기판 상에 금속할로겐화합물 가스로부터 분해된 금속원자들이 침적된 금속원자층을 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 반도체기판은 실리콘기판이며, 그 표면의 소정영역에 불순물로 도우핑된 접합(juncton), 즉 불순물층(impurity layer)을 갖는다. 그리고, 상기 반도체기판 상에 상기 불순물층의 소정영역을 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연층 패턴이 형성될 수 있다. 상기 반도체기판 상에 처음으로 형성된 금속원자층, 즉 초기 금속원자층 상에 상기 희생금속원자층 및 상기 금속원자층을 적어도 1회 이상 순차적으로 반복적으로 형성함으로써, 상기 반도체기판 상에 복수의 금속원자층으로 이루어진 금속층을 형성한다. 여기서, 반도체기판 상에 처음으로 형성되는 희생금속원자층, 즉 초기 희생금속원자층은 상기 노출된 불순물층의 표면전체가 완전히 덮이도록 형성되어야 한다. 만일, 상기 콘택홀에 의해 노출된 불순물층의 표면이 초기 희생금속원자층에 의해 완전히 덮이지 않는 경우에 금속할로겐화합물 가스가 불순물층과 서로 반응하여 불순물층에 손상이 가해진다. 따라서, 상기 초기 희생금속원자층을 형성하기 전에 상기 콘택홀에 의해 노출되는 불순물층의 표면 전체를 완전히 덮는 초기 희생금속층을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 초기 희생금속층은 반도체기판을 500℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃로 가열한 상태에서 형성한다. 상기 초기 희생금속층은 상기 희생금속원자층과 동일한 물질층이다. 상기 초기 희생금속층 또는 상기 희생금속원자층은 희생금속 소스가스와 환원가스를 반응시키어 형성한다. 여기서, 상기 환원가스로는 수소가스를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 금속할로겐화합물 가스는 희생금속원자층과 원활한 반응을 하기 위하여 상기 희생금속원자층 내의 금속원자와 상기 금속할로겐화합물 내에 함유된 할로겐 원소로 이루어지는 화합물의 깁스자유 에너지(Gibbs free energy)보다 낮은 깁스자유 에너지를 갖는 물질이어야 한다. 다시 말해서, 상기 희생금속원자층은 상기 금속할로겐화합물을 이루는 금속원자 및 할로겐원자의 결합을 깨뜨리고 할로겐원자와 결합할 수 있는 금속원자들로 이루어진 물질층이어야 한다. 예를 들면, 반도체기판 상에 타이타늄으로 이루어진 금속원자층을 형성하고자 하는 경우에는 상기 금속할로겐화합물로 TiCl4가스, TiI4가스, TiBr4가스, 또는 TiF4등을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 금속할로겐화합물이 TiCl4가스인 경우에는 상기 희생금속원자층으로 알루미늄층(Al), 란타눔층(La), 프라세오디뮴층(Pr), 인듐층(In), 세리윰층(Ce), 네오디뮴층(Nd) 또는 베릴리움층(Be)층이 바람직하다. 이는, 상기 TiCl4가스의 깁스자유에너지가 Al2Cl6가스, LaCl3가스, PrCl3가스, In2Cl6가스, CeCl3가스, NdCl3가스 또는 Be2Cl4가스의 깁스자유에너지보다 낮기 때문이다. 이와 마찬가지로, 반도체기판 상에 타이타늄으로 이루어진 금속원자층을 형성하기 위하여 TiI4가스를 금속할로겐화합물로 사용하는 경우에는 상기 희생금속원자층으로 알루미늄층, 지르코니움층(Zr) 또는 하프니움층(Hf)이 바람직하다. 이는, TiI4가스의 깁스자유에너지가 Al2I6가스, ZrI4가스 또는 HfI4가스의 깁스자유에너지보다 낮기 때문이다.
상기한 금속할로겐화합물 가스 이외에도 반도체기판에 형성하고자 하는 금속원자층의 종류에 따라 여러 가지의 금속할로겐화합물 가스, 예컨대 TaCl5가스, TaI5가스, TaBr5가스, TaF5가스, HfCl4가스, HfI4가스, HfBr4가스, HfF4가스, ZrCl4가스, ZrI4가스, ZrBr4가스 또는 ZrF4가스 등이 사용될 수 있다. 그리고, 각각의 경우에 적합한 희생금속원자층을 사전에 형성함으로써 원하는 금속원자층을 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 희생금속원자층이 형성된 결과물 표면 또는 초기 희생금속층과 초기 희생금속원자층이 형성된 결과물 표면에 금속할로겐화합물 가스를 공급하면, 상기 희생금속원자층 내의 금속원자들 및 상기 초기 희생금속층 내의 금속원자들이 금속할로겐화합물 가스의 할로겐 원자와 결합하여 휘발성 가스를 발생시키고 금속할로겐화합물 내의 금속원자들, 예컨대 천이족 금속원자들은 반도체기판, 즉 불순물층 상에 침적되어 금속원자층을 형성한다. 상기 희생금속원자층 및 금속원자층은 모두 반도체기판을 500℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃의 온도로 가열한 상태에서 순차적으로 형성한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양(aspect)에 의하면, 본 발명은 본 발명의 일 태양과 동일한 방법으로 반도체기판 상에 희생금속원자층 및 금속원자층을 형성하고, 상기 금속원자층 상에 실리콘원자층을 형성한다. 여기서, 반도체기판 상에 처음으로 형성되는 희생금속원자층, 즉 초기 희생금속원자층을 형성하기 전에 본 발명의 일 태양과 같이 반도체기판 상에 초기 희생금속층을 형성할 수도 있다. 그리고, 상기 처음으로 형성되는 실리콘층, 즉 초기 실리콘층이 형성된 결과물 상에 희생금속원자층, 금속원자층 및 실리콘원자층을 순차적으로 적어도 1회 이상 반복적으로 형성함으로써, 반도체기판 상에 복수의 금속원자층 및 복수의 실리콘원자층을 교대로 적층시킨다. 이때, 하나의 금속원자층의 두께 및 하나의 실리콘층의 두께를 각각 적절히 조절하면, 원하는 조성비를 갖는 금속 실리사이드층을 형성할 수 있다. 상기 실리콘원자층은 반도체기판의 온도를 500℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃의 온도로 유지시킨 상태에서 형성한다. 상기 실리콘원자층은 실리콘 소스가스, 즉 실리콘원자를 함유하는 전구체를 사용하여 형성한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 500℃ 이하의 저온에서 높은 어스펙트비를 보이는 콘택홀을 갖는 반도체기판 표면에 단차도포성이 우수한 금속층 또는 금속실리사이드층을 형성할 수 있다. 따라서, 얕은 접합이 요구되는 고집적 반도체소자를 제조함에 있어서 신뢰성이 우수한 도전막, 즉 신뢰성이 우수한 장벽금속층 또는 오믹층(ohmic layer)을 형성할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 일 실시예를 설명하기 위한 공정 순서도 및 타이밍 다이아그램(timing diagram)이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예에 의한 도전층을 형성하는 데 사용되는 장비의 개략도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 도전층을 형성하는 데 사용되는 장비는 반응 챔버(51)와, 반도체기판(55)이 놓이도록 상기 반응 챔버(51)의 바닥에 설치된 서셉터(susceptor; 53)와, 반응 가스들이 상기 반응 챔버(51) 내부로 주입되도록 상기 서셉터(53) 상부에 설치된 샤우어 헤드(shower head; 57)와, 상기 반응 챔버(51) 내부의 압력을 조절하기 위하여 상기 반응 챔버(51)와 연결된 진공펌프(59)를 구비한다. 여기서, 상기 샤우어 헤드(57)는 서로 분리된 2개의 가스주입관(gas inlet; A 및 B)을 구비한다. 그리고, 금속 소스가스(metal source gas) 및 불활성 가스(inert gas)는 상기 가스주입관(A)을 통하여 반응 챔버(51) 내부로 주입되고, 실리콘 소스가스(silicon source gas), 희생금속 소스가스(sacrificial metal source gas) 및 환원가스(reducer gas)는 상기 가스주입관(B)을 통하여 반응 챔버(51) 내부로 주입된다. 이는, 서로 반응하기 쉬운 가스들이 챔버(51) 내부에 도달하기 전에 하나의 가스관(A 또는 B) 내에서 반응하는 것을 억제시키기 위함이다. 상기 금속 소스가스 및 상기 불활성 가스는 각각 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)에 의하여 가스주입관(A) 내부로의 주입이 제어되고, 상기 실리콘 소스가스, 상기 희생금속 소스가스 및 상기 환원가스는 각각 제3 밸브(V3), 제4 밸브(V4) 및 제5 밸브(V5)에 의하여 상기 가스주입관(B) 내부로의 주입이 제어된다. 그리고, 상기 챔버(51)에 수소 원격 플라즈마를 주입할 수 있는 수소 원격 플라즈마 발생기(61)가 설치되어 있다. 상기 수소 원격 플라즈마 발생기(61)는 상기 챔버와 이격되고 수소 플라즈마를 발생할 수 있는 다른 챔버로 구성된다. 다시 말하면, 상기 수소 원격 플라즈마 발생기(61)는 상기 챔버와 이격된 다른 챔버에서 수소 플라즈마를 발생시켜 챔버로 수소 플라즈마를 주입할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 설명하면, 반도체기판, 예컨대 실리콘기판의 소정영역 표면에 불순물로 도우핑된 접합, 즉 불순물층을 형성한다. 상기 불순물층은 모스 트랜지스터의 소오스/드레인 영역에 해당하고, 고집적 반도체소자의 경우에 0.1㎛ 이하의 얕은 깊이로 형성하여야 한다. 이는, 모스 트랜지스터의 짧은채널효과(short channel effect)가 접합깊이와 매우 밀접한 관계가 있기 때문이다. 즉, 불순물층의 접합깊이가 얕을수록 모스 트랜지스터의 짧은채널효과는 개선된다. 상기 불순물층이 형성된 결과물 전면에 층간절연막을 형성하고, 상기 층간절연막을 패터닝하여 상기 불순물층의 소정영역을 노출시키는 콘택홀을 형성한다. 이때, 반도체소자의 집적도가 증가할수록 상기 층간절연막의 두께는 두꺼워지고 콘택홀의 직경은 작아진다. 따라서, 반도체소자의 집적도가 증가할수록 콘택홀의 어스펙트비는 증가한다. 상기 콘택홀이 형성된 반도체기판(55)을 도전층 형성용 장비(equipment for forming a conductive layer)의 반응 챔버(51) 내에 설치된 서셉터(susceptor; 53) 상에 로딩시킨다. 그리고, 공정 레서피(process recipe) 중에 하나의 사이클이 수행되는 횟수를 가리키는 n값을 0으로 초기화시킴과 동시에 원하는 사이클 수 k를 입력시킨다(10).
이어서, 상기 반도체기판(55)의 온도(Ts)를 500℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃로 조절한 상태에서 제2 밸브(V2), 제4 밸브(V4), 및 제5 밸브(V5)를 오픈시키어 불활성 가스(inert gas), 희생금속 소스가스(sacrificial matal source gas) 및 환원가스(reducer gas)를 챔버(51) 내부로 소정의 시간동안 주입시킴으로써, 콘택홀이 형성된 반도체기판(55) 전면에 초기 희생금속층을 형성한다(11). 상기 희생금속 소스가스 및 상기 환원가스는 하나의 가스주입관(B) 내에서 서로 섞이지만 가스주입관(B) 내부의 온도가 100℃ 내지 150℃ 정도로 낮으므로 서로 반응하지 않는다. 이때, 상기 반응 챔버(51) 내의 압력은 3torr 정도로 조절한다. 상기 초기 희생금속층은 후속공정에서 원하는 금속원자층을 형성하기 위하여 사용되는 금속 소스가스(metal source gas), 즉 천이족 금속과 할로겐 원소로 이루어진 금속할로겐화합물(metal-halide) 가스와 반응을 잘하는 금속층인 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 금속원자층으로 타이타늄막을 형성하고자 하는 경우에는 상기 금속할로겐화합물 가스로 타이타늄을 함유하는 금속할로겐화합물, 즉 TiCl4가스, TiI4가스, TiBr4가스, 또는 TiF4가스 등이 바람직하다. 그리고, 상기 금속할로겐화합물 가스로 TiCl4가스를 사용하는 경우에는 상기 초기 희생금속층이 알루미늄층, 란타눔층, 프라세오디뮴층, 인듐층, 세리윰층, 네오디뮴층 또는 베릴리움층인 것이 바람직하다. 이때, 가장 바람직한 초기 희생금속층으로는 알루미늄층이다. 이는, 표 1a로부터 알 수 있듯이 알루미늄이 염소에 대하여 가장 높은 깁스자유에너지를 보일뿐만 아니라, 다양한 전구체(precursor)를 갖고 있기 때문이다. 상기 불활성 가스로는 아르곤 가스 또는 질소 가스가 바람직하고, 상기 환원가스로는 수소가스가 바람직하다. 상기 환원가스는 상기 희생금속 소스가스를 환원시키는 역할을 한다. 참고로, 절대온도 700K(427℃)에서 여러 가지의 금속할로겐화합물 가스들에 대한 깁스자유에너지들이 표 1a, 표 1b, 표 2, 표 3 및 표 4에 보여졌다.
427℃에서 염소를 함유하는 여러 가지의 기체 화합물에 대한 깁스자유에너지
화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol)
Al2Cl6 -1121.9 HfCl3 -626.7 BeCl2 -373.1
ThCl4 -895.8 EuCl3 -621.6 BCl3 -367.7
UCl5 -811.9 YbCl3 -621.5 SiCl3 -365.7
HfCl4 -804.7 K2Cl2 -609.8 SnCl4 -362.3
ZrCl4 -777.6 Rb2Cl2 -607.6 InCl3 -335.8
LaCl3 -708.9 Li2Cl2 -597.8 AlCl2 -305.5
PrCl3 -706.9 SiCl4 -569.6 TaCl3 -300.1
In2Cl6 -703.7 AlCl3 -550.1 GeCl3 -299.8
CeCl3 -699.5 Fe2Cl6 -526.8 MnCl2 -286.4
NdCl3 -696.6 BaCl2 -524.3 WCl5 -285.6
Be2Cl4 -692.6 SrCl2 -498.1 CsCl -276.7
TiCl4 -678.3 TaCl4 -497.5 ZnCl2 -273.5
GdCl3 -674.3 CaCl2 -489.1 WCl4 -267.6
TbCl3 -668.1 PbCl4 -462.1 Ti2Cl2 -259.8
HoCl3 -659.7 VaCl4 -447.2 GaCl2 -258.4
ErCl3 -651.7 GeCl4 -410.8 SbCl5 -249.9
Cs2Cl2 -644.1 MgCl2 -407.8 Cu3Cl3 -242.9
TmCl3 -641.5 Fe2Cl4 -406.5 PCl3 -242.3
TaCl5 -636.6 GaCl3 -388.6 FeCl3 -240.6
427℃에서 염소를 함유하는 여러 가지의 기체 화합물에 대한 깁스자유에너지
화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol)
InCl2 -240.2 CaCl -165.1 NiCl2 -101.8
BiCl3 -238.5 TeCl4 -136.4 HCl -98.7
AsCl3 -231.4 HgCl2 -136.2 SeCl2 -50.5
SnCl2 -215.8 TeCl2 -134.6 BiCl -30.9
BaCl -198.5 CoCl2 -125.2 BeCl -6.2
SiCl2 -195.5 GaCl -123.1 AgCl 29.6
SrCl -181.5 AlCl -111.6 BCl 74.3
FeCl2 -174.5 BCl2 -109.9 SiCl 123.7
427℃에서 이오다인(I)를 함유하는 여러 가지의 기체 화합물에 대한 깁스자유에너지
화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol)
ThI4 -512 ZrI4 -409 TiI4 -320
Al2I6 -510 HfI4 -405 PbI4 -266
K2I2 -480 DyI3 -402 MgI2 -239
LaI3 -457 TmI3 -399 CuI -237
PrI3 -448 GdI3 -388 CsI -220
CeI3 -442 BaI2 -380 TaI5 -202
NdI3 -438 UI4 -377 SiI4 -150
Li2I2 -427 SrI2 -353 HI -11.8
ErI3 -410 CaI2 -338 - -
427℃에서 브로민(Br)을 함유하는 여러 가지의 기체 화합물에 대한 깁스자유에너지
화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol)
Al2Br6 -860 HoBr3 -567 CaBr2 -435
Mg2Br4 -764 ErBr3 -566 PbBr4 -428
ThBr4 -743 TmBr3 -563 TaBr5 -424
HfBr4 -639 TbBr3 -559 EuBr2 -413
ZrBr4 -627 DyBr3 -559 SiBr4 -387
LaBr3 -621 GdBr3 -551 Cu3Br3 -187
CeBr3 -616 Li2Br2 -534 WBr6 -139
PrBr3 -612 TiBr4 -527 HBr -58.6
UBr4 -602 Na2Br2 -510 - -
NdBr3 -598 SrBr2 -453 - -
427℃에서 불소(F)를 함유하는 여러 가지의 기체 화합물에 대한 깁스자유에너지
화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol) 화합물 깁스자유에너지(kJ/mol)
Al2F6 -2439 HfF4 -1592 Li3F3 -1457
UF6 -1953 ZrF4 -1587 PrF3 -1231
TaF5 -1687 S2F10 -1581 AsF5 -1080
ThF4 -1687 SiF4 -1515 CuF2 -287.3
Mg2F4 -1624 WF6 -1513 HF -277.1
NbF5 -1607 TiF4 -1467 - -
표 1 내지 표 4로부터, 반도체기판 상에 원하는 금속원자층을 형성하는 데 적합한 금속 소스가스 및 초기 희생금속층을 선택할 수 있다. 예를 들면, 금속원자층으로 타이타늄층을 형성하고자 하는 경우에 초기 희생금속층으로는 알루미늄층, 란타눔층, 프라세오디뮴층, 인듐층, 세리윰층, 네오디뮴층 또는 베릴리움층이 적합하고, 금속 소스가스로는 TiCl4가스가 적합하다. 상기 초기 희생금속층으로서 알루미늄층(Al)을 형성하기 위한 희생금속 소스가스로는 알루미늄을 함유하는 전구체, 예컨대 디이부틸알루미늄 하이드라이드((C4H9)2AlH), 트리이부틸알루미늄 하이드라이드((C4H9)3AlH), 트리에틸알루미늄((C2H5)3Al), 트리메틸알루미늄(TMA; (CH3)3Al), 트리메틸아민(AlH3N(CH3)3), 디메틸알루미늄 하이드라이드((CH3)2AlH), 또는 디메틸에틸아민 알란((CH3)2C2H5N:AlH3)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 초기 희생금속층으로서 란타눔층(La)을 형성하기 위한 희생금속 소스가스로는 란타눔을 함유하는 전구체, 예컨대 트리스사이클로펜타디에닐 란타눔((C5H5)3La) 또는 트리스이프로필사이클로펜타디에닐 란타눔((C2H7C4H4)3La)와 같은 전구체를 사용하는 것이 바람직하고, 초기 희생금속층으로서 프라세오디뮴층(Pr)을 형성하기 위한 희생금속 소스가스로는 프라세오디뮴을 함유하는 전구체, 예컨대 트리스사이클로펜타디에닐 프라세오디뮴((C5H5)3Pr) 또는 트리스이프로필사이클로펜타디에닐 프라세오디뮴((C3H7C5H4)3Pr)과 같은 전구체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 초기 희생금속층으로서 인듐층(In)을 형성하기 위한 희생금속 소스가스로는 인듐을 함유하는 전구체, 예컨대 사이클로디에닐 인듐(C2H5In), 펜타메틸사이클로펜타디에닐 인듐((CH3)5C5In), 트리에틸 인듐((C2H5)3In), 또는 트리메틸 인듐((CH3)3In)과 같은 전구체를 사용하는 것이 바람직하고, 초기 희생금속층으로서 세리윰층(Ce)을 형성하기 위한 희생금속 소스가스로는 세리윰을 함유하는 전구체, 예컨대 트리스사이클로펜타디에닐 세리윰((C5H5)3Ce) 또는 트리스이프로필사이클로펜타디에닐 세리윰(((C5H5)C5H4)3Ce)과 같은 전구체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 초기 희생금속층으로서 네오디뮴층(Nd)을 형성하기 위한 희생금속 소스가스로는 네오디뮴을 함유하는 전구체, 예컨대 트리스사이클로펜타디에닐 네오디뮴((C5H5)3Nd) 또는 트리스이프로필사이클로펜타디에닐 네오디뮴((C3H7C5H4)3Nd)와 같은 전구체를 사용하는 것이 바람직하고, 초기 희생금속층으로서 베릴리움층(Be)을 형성하기 위한 희생금속 소스가스로는 디에틸베릴리움(Be(C2H5)2)과 같은 전구체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기한 희생금속 소스가스들중 알루미늄을 함유하는 전구체는 가장 바람직한 희생금속 소스가스이다. 이는, 표 1 내지 표 4로부터 알 수 있듯이 알루미늄은 할로겐 원소, 예컨대 염소(Cl), 이오다인(I), 브로민(Br), 또는 불소(F)에 대하여 매우 높은 깁스자유에너지(Gibbs free energy)를 가지고 있으며, 상기한 바와 같이 매우 다양한 전구체를 갖고 있기 때문이다.
초기 희생금속층을 알루미늄층으로 형성하는 경우에 대표적인 희생금속 소스가스로는 TMA((CH3)3Al) 가스를 들 수 있다. 이때, 환원가스인 수소가스와 TMA 가스는 서로 반응하여 TMA 가스의 메틸기(CH3)를 메탄기(CH4)로 변화시킨다. 상기 메탄기(CH4)는 반응 챔버(51) 밖으로 배출되고 알루미늄원자들이 반도체기판 표면에 침적되어 알루미늄층이 형성된다.
다음에, 상기 초기 희생 금속층이 형성된 결과물의 주위를 상기 수소 원격 플라즈마 발생기(61)로 수소 원격 플라즈마(H2remote plasma)를 주입하여 상기 희생 금속 소스 가스에서 나와 챔버 내에 잔류하는 CHX성분의 잔류물을 완전히 제거한다(12). 여기서, 수소 원격 플라즈마는 반응을 수행하는 챔버와 이격된 다른 챔버에서 수소 플라즈마를 발생시킨 것이다. 이렇게 되면, 기체 상태의 수소를 이용하는 것 보다 CHX를 완전하게 제거할 수 있어 순수한 초기 희생 금속층만을 형성할 수 있고, 이에 따라 후속의 금속 원자층을 순도 높게 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 원격 플라즈마를 주입하기 전에 상기 챔버를 퍼지하지 않았으나, 상기 원격 플라즈마를 주입하는 단계 전에 상기 챔버를 불활성 가스 또는 수소 가스로 퍼지하여 희생 금속 소오스 가스에서 분해된 잔류물들을 제거할 수 도 있다.
이어서, 상기 초기 희생금속층이 형성된 결과물의 주위를 상기 불활성 가스로 퍼지시키어 반응 챔버(51) 내에 잔류하는 희생금속 소스가스를 완전히 배출시키는 제1 퍼지 공정을 실시한다(13). 상기 제1 퍼지공정이 실시되는 동안에 상기 환원가스를 계속해서 공급하여도 무방하다. 그리고, 상기 반도체기판의 온도는 500℃이하, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃의 온도로 유지시킨다. 여기서, 상기 초기 희생금속층을 형성하는 동안에 유지되는 반도체기판의 온도와 상기 제1 퍼지 공정이 진행되는 동안에 유지되는 반도체기판의 온도는 서로 동일하거나 다르게 조절할 수도 있다.
상기 제1 퍼지공정이 완료된 후에 상기 반응 챔버(51) 내에 다시 상기 희생금속 소스가스, 상기 환원가스 및 상기 불활성 가스를 다시 주입시키어 상기 희생금속 소스가스 및 상기 환원가스를 반응시킴으로써, 상기 초기 희생금속층 상에 희생금속원자층을 형성한다(15). 예컨대, 상기 희생금속 소스가스 및 상기 환원가스로 각각 TMA((CH3)3Al) 가스 및 수소(H2) 가스를 사용하는 경우에 상기 희생금속원자층으로 알루미늄층이 형성된다. 여기서, 상기 희생금속원자층은 상기 초기 희생금속층과 동일한 물질층으로 형성한다. 예를 들면, 상기 초기 희생금속층이 알루미늄층이면, 상기 희생금속원자층도 알루미늄층으로 형성한다. 또한, 상기 희생금속원자층은 상기 초기 희생금속층을 형성하는 데 사용되는 희생금속 소스가스와 동일한 희생금속 소스가스를 사용하여 형성한다. 이때, 상기 희생금속원자층은 4Å 내지 5Å 정도의 매우 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 희생금속원자층이 상기 노출된 불순물층의 전체표면을 완전히 덮는다면, 상기한 초기 희생금속층을 형성하는 공정은 생략할 수도 있다. 다시 말해서, 상기 초기 희생금속층은 상기 희생금속원자층이 형성된 후에 이어지는 금속원자층 형성시 반응 챔버(51) 내로 주입되는 금속 소스가스가 불순물층의 실리콘 원자들과 반응하는 현상을 방지하기 위하여 형성하는 것이다.
다음에, 상기 희생 금속 원자층이 형성된 결과물의 주위를 상기 수소 원격 플라즈마 발생기(61)로 수소 원격 플라즈마(H2remote plasma)를 주입하여 상기 희생 금속 소스 가스에서 나와 챔버 내에 잔류하는 CHX성분의 잔류물을 완전히 제거한다(16). 여기서, 수소 원격 플라즈마는 반응을 수행하는 챔버와 이격된 다른 챔버에서 수소 플라즈마를 발생시킨 것이다. 이렇게 되면, 기체 상태의 수소를 이용하는 것 보다 CHX를 완전하게 제거할 수 있어 순수한 희생 금속 원자층만을 형성할 수 있고, 이에 따라 후속의 금속 원자층을 순도 높게 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 원격 플라즈마를 주입하기 전에 상기 챔버를 퍼지하지 않았으나, 상기 원격 플라즈마를 주입하는 단계 전에 상기 챔버를 불활성 가스 또는 수소 가스로 퍼지하여 희생 금속 소오스 가스에서 분해된 잔류물들을 제거할 수 도 있다.
계속해서, 상기 희생금속원자층이 형성된 결과물의 주위를 상기 불활성 가스로 퍼지시키어 반응 챔버(51) 내에 잔류하는 희생금속 소스가스를 완전히 배출시키는 제2 퍼지 공정을 실시한다(17). 상기 제2 퍼지공정이 실시되는 동안에 상기 환원가스를 계속해서 공급하여도 무방하다. 상기 제2 퍼지공정이 완료된 후에 반응 챔버(51) 내부로 금속소스 가스(metal source gas), 불활성 가스 및 환원가스를 주입시키어 상기 희생금속원자층 및 상기 초기 희생금속층을 제거함과 동시에 반도체기판 전면에 금속원자층을 형성한다(19). 이때, 상기 금속소스 가스로는 형성하고자 하는 금속층의 금속원자를 함유하는 금속할로겐화합물(metal halide) 가스, 예컨대 TiCl4가스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 불활성 가스, 예컨대 질소 가스 또는 아르곤 가스는 상기 금속소스 가스, 즉 금속할로겐화합물 가스의 운송가스(carrier gas) 역할을 한다. 상기 희생금속원자층 및 초기 희생금속층이 알루미늄층인 경우에 금속할로겐화합물 가스로 TiCl4가스를 사용하면, 알루미늄층의 알루미늄 원자와 TiCl4가스의 염소 원자(Cl)가 결합하여 Al2Cl6가스가 생성되고 TiCl4가스로부터 분해된 타이타늄 원자(Ti)들은 반도체기판 상에 침적되어 타이타늄층(Ti)이 형성된다. 상기 Al2Cl6가스는 반응 챔버(51) 밖으로 배출된다.
상기한 바와 같이 알루미늄층과 TiCl4가스가 반응하여 타이타늄층(Ti)이 형성되는 이유는 표 1a로부터 알 수 있듯이 Al2Cl6가스의 깁스자유에너지가 TiCl4가스의 깁스자유에너지보다 높기 때문이다. 상기 금속할로겐화합물 가스로는 TiCl4가스 이외에 TaCl5가스, HfCl4가스, ZrCl4가스, TiI4가스, TaI5가스, HfI4가스, ZrI4가스, TiBr4가스, TaBr5가스, HfBr4가스, ZrBr4가스, TiF4가스, TaF5가스, HfF4가스 또는 ZrF4가스가 사용될 수 있다. 만일, 금속할로겐화합물 가스로서 HfCl4가스 또는 ZrCl4가스를 사용하여 하프니움층(Hf) 또는 지르코니움층(Zr)을 형성하고자 하는 경우에는 희생금속원자층 또는 초기 희생금속층으로 란타눔층, 프라세오디뮴층, 인듐층, 세리움층, 네오디뮴층 및 베릴리움층보다는 알루미늄층이 적합하다. 이는, 표 1a로부터 알 수 있듯이 HfCl4가스 및 ZrCl4가스의 깁스자유에너지가 LaCl3가스, PrCl3가스, In2Cl6가스, CeCl3가스, NdCl3가스 및 Be2Cl4가스의 깁스자유에너지보다 높기 때문이다. 이와 마찬가지로, 상기한 대부분의 금속할로겐화합물 가스를 사용하여 원하는 금속원자층을 형성하기 위해서는 표 2 내지 표 4로부터 희생금속원자층 또는 초기 희생금속층으로 알루미늄층이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다. 상기 초기 희생 금속층 형성 공정(11)부터 상기 금속원자층 형성공정(19)까지 모두 동일한 온도에서 형성하는 것이 바람직하다.
다음에, 상기 금속 원자층이 형성된 결과물의 주위를 상기 수소 원격 플라즈마 발생기(61)로 수소 원격 플라즈마(H2remote plasma)를 주입하여 상기 금속 소스 가스에서 나와 챔버 내에 잔류하는 ClX성분의 잔류물을 완전히 제거한다(20). 여기서, 수소 원격 플라즈마는 반응을 수행하는 공정 챔버와 이격된 다른 챔버에서 수소 플라즈마를 발생시킨 것이다. 이렇게 되면, 기체 상태의 수소를 이용하는 것 보다 ClX를 완전하게 제거할 수 있어 순수한 금속 원자층만을 형성할 수 있다.
다음에, 상기 금속원자층이 형성된 결과물의 주위를 상기 불활성 가스로 퍼지시키어 챔버(51) 내에 잔류하는 금속 소스가스를 완전히 배출시키는 제3 퍼지 공정을 실시한다(25). 상기 제3 퍼지공정이 실시되는 동안에 상기 환원가스를 계속해서 공급하여도 무방하다. 그리고, 상기 원격 플라즈마 주입 공정(20) 및 제3 퍼지 공정(25)도 상기 초기 희생 금속층 형성 공정(11)부터 상기 금속원자층 형성공정(19)까지 수행한 온도와 동일한 온도에서 수행한다.
상기 금속원자층이 형성된 후에 상기 n값은 1만큼 증가한다(21). 그리고, 상기 증가된 n값과 초기에 설정된 사이클 수 k를 서로 비교한다(23). 만일, 상기 증가된 n값이 초기에 설정된 사이클 수 k보다 작으면, 상기 증가된 n값이 사이클 수 k와 같아질 때까지 상기 희생금속원자층 형성공정(15)부터 상기 제3 퍼지공정(25)을 순차적으로 반복하여 실시함으로써, 반도체기판 상에 원하는 두께를 갖는 금속층을 형성한다. 상기 금속층이 형성된 결과물을 소정의 온도에서 열처리하면, 불순물층과 상기 금속층 사이의 계면에 금속 실리사이드층이 형성된다. 여기서, 상기 금속 실리사이드층은 상기 금속층과 상기 불순물층 사이의 접촉저항을 개선시키는 오믹층(ohmic layer) 역할을 한다.
실제로, 상기한 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 타이타늄층이 도 6에 보여졌다. 도 6은 5 이상의 높은 어스펙트비를 갖는 콘택홀 내부 및 주변에 형성된 타이타늄층의 단면을 전자주사현미경(SEM; scanning electron microscopy)으로 촬영한 사진이다. 여기서, 초기 희생금속층 형성공정부터 제3 퍼지공정까지 모두 반도체기판의 온도(Ts)를 450℃로 가열한 상태에서 진행하였다. 상기 초기 희생금속층은 TMA 가스 및 수소가스를 약 10초 동안 반응시킴으로써 알루미늄층으로 형성하였다. 이때, 불활성 가스인 질소 가스 또한 반응 챔버 내부로 주입시키었다. 상기 질소 가스 및 수소 가스는 반응 챔버 내부의 압력이 약 3torr인 상태에서 각각 40sccm(standard cubic centimeter per minute) 및 1000sccm의 유량(flow rate)으로 반응 챔버 내부로 주입시키었다. 그리고, 상기 TMA 가스는 상온(room temperature)을 유지하는 버블러(bubbler)를 사용하여 생성시켰다. 이때, 상기 TMA 가스에 대한 운송가스(carrier gas)는 사용하지 않았으므로 TMA 가스는 단순히 TMA 가스의 증기압(vapor pressure)와 반응 챔버 내부의 압력 차이에 의해서 반응 챔버 내부로 주입되었다. 상기 초기 희생금속층(알루미늄층)을 형성한 후에 상기 TMA 가스의 공급을 중단시키고 반응 챔버 내에 잔류하는 TMA 가스를 완전히 제거하기 위하여 약 5초동안 제1 퍼지 공정을 실시하였다. 이때, 상기 질소 가스 및 수소 가스는 반응 챔버 내의 압력을 약 8torr로 유지시킨 상태에서 지속적으로 주입시키었다. 계속해서, 상기 제1 퍼지 공정이 완료된 후에 TMA 가스를 약 1초동안 반응 챔버 내로 다시 주입시킴으로써, 상기 수소가스와 TMA 가스를 반응시키어 얇은 희생금속원자층, 즉 알루미늄원자층을 형성하였다. 그리고, 상기 TMA 가스의 공급을 중단시킨 상태에서 상기 제1 퍼지공정과 동일한 제2 퍼지공정을 실시하였다, 다음에, 상기 반응 챔버 내로 금속소스 가스로서 TiCl4가스를 약 5초동안 주입하여 알루미늄층과 TiCl4가스를 반응시킴으로써 상기 반도체기판 전면에 타이타늄원자층을 형성하였다. 계속해서, 상기 제1 퍼지공정, 상기 희생금속원자층 형성공정, 상기 제2 퍼지공정 및 상기 금속원자층 형성공정을 순차적으로 50회 반복하여 실시하였다.
도 6을 참조하면, 상기한 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 타이타늄층은 5 이상의 어스펙트비를 갖는 콘택홀의 내부 및 주변에 약 600Å 정도의 균일한 두께로 형성되었음을 알 수 있다.
도 7은 도 6에 보여진 타이타늄층의 성분을 XRF(x-ray fluorescence) 장비로 측정한 결과이다. 여기서, 가로축은 엑스선의 회절각도(diffraction angle)를 나타내고, 세로축은 회절된 엑스선의 세기를 나타낸다. 또한, 엑스선의 회절각도(2θ)가 140。 내지 147。의 범위를 나타내는 그래프는 알루미늄 성분에 대한 측정결과이고, 84。 내지 89。의 범위를 나타내는 그래프는 타이타늄 성분에 대한 측정결과이고, 90。 내지 96。의 범위를 나타내는 그래프는 염소 성분에 대한 측정결과이다.
도 7로부터 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 타이타늄층은 타이타늄원자 이외의 어떤 불순물도 함유하지 않음을 알 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 공정순서도 및 타이밍 다이아그램이다. 여기서, 본 발명의 일 실시예와 동일한 참조 번호로 표시한 부분은 동일한 공정을 의미하므로 이들에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예는 본 발명의 일 실시예에 따른 초기 희생금속층 형성공정(11)부터 제3 퍼지 공정을 실시한 후에 실리콘원자층 형성공정(27)을 추가로 더 실시함으로써 금속실리사이드층을 형성하는 데 그 특징이 있다. 실리콘원자층은 제3 퍼지공정(25)이 완료된 후에 반응 챔버(51) 내에 실리콘 소스가스를 주입하여 반응시킴으로써 금속원자층 상에 형성된다. 이때, 상기 실리콘층을 형성하는 동안에 반도체기판의 온도는 제3 퍼지공정(25)에서와 동일한 온도, 즉 500℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃로 유지시킨다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에서와 마찬가지로 상기 수소 원격 플라즈마 주입 공정(12)부터 상기 실리콘원자층 형성공정(27)을 순차적으로 원하는 회수만큼 반복적으로 실시함으로써 금속원자층 및 실리콘원자층을 교대로 적층시킨다. 이때, 상기 금속원자층 및 상기 실리콘원자층이 교대로 형성되는 도중에 이들이 서로 반응하여 금속실리사이드층이 형성될 수도 있다. 금속실리사이드층의 조성비는 금속원자층의 두께 및 실리콘원자층의 두께를 적절히 조절함으로써 변화시킬수 있다. 상기 실리콘 소스가스로는 사일레인(SiH4) 가스, 다이사일레인(Si2H6) 가스, 비스트리메틸실릴아세틸렌((CH3)3SiC≡CSi(CH)3) 가스, 비스트리메틸실릴메탄(((CH3)3Si)2CH2) 가스, t-부틸다이메틸클로로사일레인((CH3)3CSi(CH3)2Cl) 가스, n-부틸트리클로로사일레인((C4H9)SiCl3) 가스, N-다이에틸아미노트리메틸사일레인((CH3)3SiN(C2H5)2) 가스, 다이메틸다이클로로사일레인((CH3)2SiCl2) 가스, 다이메틸폴리사일레인(((CH3)2Si-)n) 가스, 다이페닐다이클로로사일레인((C6H5)2SiCl2) 가스, 다이페닐사일레인((C6H5)2SiH2) 가스, 에틸트리클로로사일레인(C2H5SiCl3) 가스, 헥사클로로다이사일레인(Cl3SiSiCl3) 가스, 헥사메틸다이사일레인((CH3)3SiSi(CH3)3) 가스, 메틸다이클로로사일레인(CH3SiCl2H) 가스, 메틸페닐다이클로로사일레인((CH3)(C6H5)SiCl2) 가스, 페닐트리클로로사일레인(C6H5SiCl3) 가스, 실리콘브로마이드(SiBr4) 가스, 실리콘클로라이드(SiCl4) 가스, 실리콘플루오라이드(SiF4) 가스, 실리콘이오다이드(SiI4) 가스, 실리콘프탈로시아닌다이클로라이드((C32H16N8)SiCl2) 가스, 테트라키스트리메틸실릴사일레인(Si(Si(CH3)3)4) 가스, 테트라메틸사일레인(Si(CH3)4) 가스, 트리클로로메틸사일레인(CH3SiCl3) 가스, 트리클로로사일레인(HSiCl3) 가스, 트리에틸클로로사일레인((C2H5)3SiCl) 가스, 트리플루오로메틸트리메틸사일레인(CF3Si(CH3)3) 가스, 트리메틸클로로사일레인((CH3)3SiCl) 가스, 트리메틸사일레인((CH3)3SiH) 가스, 트리메틸실릴아세틸렌((CH3)3SiC≡CH) 가스, 트리메틸실릴사이클로펜타디엔((C5H5)Si(CH3)3) 가스, 트리메틸시닐펜타메틸사이클로펜타디엔((C5(CH3)5)Si(CH3)3) 가스, 트리페닐클로로사일레인((C6H5)3SiCl) 가스, 트리페닐사일레인((C6H5)3SiH) 가스, 트리스다이메틸아미노사일레인(((CH3)2N)3CH) 가스 또는 비닐트리클로로사일레인(CH2〓CHSiCl3) 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 금속원자층의 종류에 따라 원하는 금속 실리사이드층, 예컨대 타이타늄 실리사이드층, 탄탈륨 실리사이드층, 지르코니움 실리사이드층 또는 하프니움 실리사이드층 등을 형성할 수 있다. 또한, 어스펙트비가 높은 콘택홀 내에 단차도포성(step coverage)이 우수한 금속 실리사이드층을 형성할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 높은 어스펙트비를 갖는 콘택홀 내에 단차도포성(step coverage)이 우수한 금속층 또는 금속실리사이드층을 형성할 수 있다. 이에 따라, 고집적 반도체소자에 적합한 금속배선을 형성할 수 있다.

Claims (25)

  1. 반도체기판 상에 희생금속원자층을 형성하는 단계;
    상기 희생금속원자층을 금속할로겐화합물(metal halide) 가스와 반응시킴으로써, 상기 희생금속원자층을 제거함과 동시에 상기 반도체기판 상에 상기 금속할로겐화합물 가스로부터 분해된 금속원자들이 침적된 금속원자층을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체기판과 접촉하는 금속원자층 상에 상기 희생금속원자층 및 상기 금속원자층을 적어도 1회 이상 번갈아가면서 반복적으로 형성함으로써, 상기 반도체기판 상에 복수의 금속원자층을 차례로 적층시키는 단계를 포함하는 금속층 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 희생금속원자층을 형성하는 단계 전에
    반도체기판 상에 초기 희생금속층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초기 희생금속층은 상기 반도체기판을 300℃ 내지 500℃로 가열한 상태에서 형성하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 희생금속원자층 및 상기 금속원자층은 상기 반도체기판을 300℃ 내지 500℃로 가열한 상태에서 형성하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 희생금속원자층의 금속원자와 상기 금속할로겐화합물 가스의 할로겐원자로 이루어지는 화합물의 깁스자유에너지는 상기 금속할로겐화합물의 깁스자유에너지보다 높은 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 희생금속원자층을 형성하는 단계 전에 상기 초기 희생금속층이 형성된 결과물 주위를 불활성 가스(inert gas)로 퍼지시키는(purge) 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속원자층을 형성하는 단계 전에 상기 희생금속층이 형성된 결과물 주위를 불활성 가스로 퍼지시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 금속원자층을 차례로 적층시키는 단계 이후에
    상기 복수의 금속원자층이 차례로 적층된 결과물을 열처리하여 상기 복수의 금속원자층과 상기 반도체기판을 서로 반응시킴으로써, 상기 반도체기판과 상기 복수의 금속원자층 사이의 계면에 오믹층(ohmic layer)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 오믹층은 금속실리사이드층인 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 초기 희생 금속층을 형성하는 단계 후에 상기 초기 희생금속층이 형성된 결과물을 수소 원격 플라즈마 처리하여 희생 금속 소스에서 분해되어 나온 잔류물을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 희생 금속 원자층을 형성하는 단계 후에 상기 희생금속 원자층이 형성된 결과물을 수소 원격 플라즈마 처리하여 희생 금속 소스에서 분해되어 나온 잔류물을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 금속 원자층을 형성하는 단계 후에 상기 금속 원자층이 형성된 결과물을 수소 원격 플라즈마 처리하여 상기 금속할로겐화합물(metal halide) 가스에서 분해되어 나온 잔류물을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 수소 원격 플라즈마 처리후에 상기 금속 원자층이 형성된 결과물 주위를 불활성 가스로 퍼지하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속층 형성방법.
  14. 반도체기판 상에 희생금속원자층을 형성하는 단계;
    상기 희생금속원자층을 금속할로겐화합물(metal halide) 가스와 반응시킴으로써, 상기 희생금속원자층을 제거함과 동시에 상기 반도체기판 상에 상기 금속할로겐화합물 가스로부터 분해된 금속원자들이 침적된 금속원자층을 형성하는 단계;
    상기 금속원자층 상에 실리콘원자층을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘원자층 상에 상기 희생금속원자층, 상기 금속원자층, 및 상기 실리콘원자층을 적어도 1회 이상 순차적으로 형성함으로써, 상기 반도체기판 상에 금속원자층 및 실리콘원자층을 교대로 적층시키는 단계를 포함하는 금속실리사이드층 형성방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 희생금속원자층을 형성하는 단계 전에
    반도체기판 상에 초기 희생금속층을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 초기 희생금속층은 상기 반도체기판을 300℃ 내지 500℃로 가열한 상태에서 형성하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 희생금속원자층, 상기 금속원자층 및 상기 실리콘원자층은 상기 반도체기판을 300℃ 내지 500℃로 가열한 상태에서 형성하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 희생금속원자층의 금속원자와 상기 금속할로겐화합물 가스의 할로겐원자로 이루어지는 화합물의 깁스자유에너지는 상기 금속할로겐화합물의 깁스자유에너지보다 높은 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 희생금속원자층을 형성하는 단계 전에 상기 초기 희생금속층이 형성된 결과물 주위를 불활성 가스로 퍼지시키는(purge) 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 금속원자층을 형성하는 단계 전에 상기 희생금속층이 형성된 결과물 주위를 불활성 가스로 퍼지시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 실리콘원자층을 형성하는 단계 전에 상기 금속원자층이 형성된 결과물 주위를 불활성 가스로 퍼지시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 초기 희생 금속층을 형성하는 단계 후에 상기 초기 희생금속층이 형성된 결과물을 수소 원격 플라즈마 처리하여 희생 금속 소스에서 분해되어 나온 잔류물을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  23. 제14항에 있어서, 상기 희생 금속 원자층을 형성하는 단계 후에 상기 희생금속 원자층이 형성된 결과물을 수소 원격 플라즈마 처리하여 희생 금속 소스에서 분해되어 나온 잔류물을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 실리사이드층 형성방법.
  24. 제14항에 있어서, 상기 금속 원자층을 형성하는 단계 후에 상기 금속 원자층이 형성된 결과물을 수소 원격 플라즈마 처리하여 상기 금속할로겐화합물(metal halide) 가스에서 분해되어 나온 잔류물을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
  25. 제14항에 있어서, 상기 실리콘원자층은 실리콘 소스가스를 반응시키어 형성하는 것을 특징으로 하는 금속실리사이드층 형성방법.
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