KR20000048210A - 텅스텐막의 성막방법 - Google Patents

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Abstract

비저항치를 작게 할 수 있는 텅스텐막의 성막방법을 제공한다.
진공처리장치(2)내에서 피처리체(W)의 표면에 텅스텐막(50)을 성막함에 있어서, 상기 피처리체의 표면에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 텅스텐의 핵결정(48)을 성장시키는 핵결정 성장공정과, 이 공정후에, 상기 피처리체를 수소희석의 보론함유가스의 분위기에 단시간 노출시키는 보론노출공정과, 이 공정후에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스와 수소가스와 수소희석의 보론함유가스의 존재하에서 상기 핵결정을 성장시켜 텅스텐막을 형성하는 텅스텐 성막공정을 구비하도록 구성한다. 이에 따라, 텅스텐막의 비저항치를 작게 한다.

Description

텅스텐막의 성막방법 {A METHOD OF FILM-FORMING OF TUNGSTEN}
본 발명은 비저항을 개선하는 것이 가능한 텅스텐막의 성막방법(成膜方法)에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체집적회로의 제조공정에 있어서는, 피처리체인 반도체 웨이퍼 표면에 배선 패턴을 형성하기 위하여, 혹은 배선사이 등의 홀을 매립하기 위하여, 또는 이들 양자를 동시에 행하기 위해 W(텅스텐), WSi(텅스텐실리사이드), Ti(티타늄), TiN(티타늄나이트라이드), TiSi(티타늄실리사이드) 등의 금속 혹은 금속화합물을 퇴적시켜 얇은 막을 형성하는 것이 행하여지고 있다.
이 종류의 금속박막의 형성방법으로는 3가지 방식, 예를 들면 H2(수소)환원법, SiH4(실란)환원법, SiH2Cl2(디클루실란)환원법 등이 알려져 있으며, SiH2Cl2환원법은 배선 패턴을 형성하기 위해 예를 들면 환원 가스로서 디클로실란을 사용하여 600℃정도의 고온하에서 W나 WSi(텅스텐실리사이드)막을 형성하는 방법이고, SiH4환원법은, 마찬가지로 배선 패턴을 형성하기 위해 예를 들면 환원가스로서 실란을 사용하여 앞서보다 낮은 350℃정도의 저온하에서 W나 WSi막을 형성하는 방법이다.
또한, H2환원법은 주로 배선사이의 홀과 같은 웨이퍼 표면상의 구멍을 매립하기 위해 예를 들면 환원가스로서 수소를 사용하여 400∼430℃ 정도의 온도하에서 W막을 퇴적시키는 방법이다.
상기의 경우, 모두 예컨대 WF6(6불화텅스텐)이 사용된다. 여기서, 종래의 텅스텐막의 성막방법에 대하여 설명하면, 먼저, 텅스텐막의 성막에 앞서, 반도체 웨이퍼 표면에 바리어 메탈로서 예컨대 Ti/TiN 막을 얇게 형성해 둔다. 다음에, 성막가스로서 WF6, SiH4, H2, Ar, N2등을 성막챔버내에 도입하여, 상기 바리어 메탈의 표면에 텅스텐의 핵결정을 부착하여 형성시킨다.
다음으로, 성막챔버내를 일단 베이스압력까지 진공으로 끌어 잔류 가스를 제거한 후에, Ar, H2, N2가스를 챔버내에 공급하여 프로세스압력까지 단시간에 승압(昇壓)하고, 또한 WF6가스를 소정 유량으로 공급하여 WF6가스를, SiH4가스를 사용하지 않고 H2가스에 의해 수소환원하여 텅스텐막을 성막함으로써 예컨대 홀의 매립과 배선층의 형성을 동시에 행한다.
그런데, 반도체집적회로의 다층화, 또한 고미세화 및 고집적화의 요청에 따라, 선폭이나 홀의 직경도 더욱 미세화될 것을 요구하고 있다. 이 경우, 배선 패턴 등이 미세화되면 그만큼 저항치는 상승하는데, 종래의 설계디자인에서는 충분한 비저항치였던 것이 미세화에 의해 비저항치를 더욱 내릴 필요가 생겨나고 있다.
그러나, 상기와 같은 텅스텐막의 종래의 성막방법에서는, 비저항치가 충분히 작고 새로운 설계디자인에 적합하도록 하는 텅스텐막을 얻는 것이 곤란하였다.
그래서, 상기 문제점을 해결하는 방법으로서, 텅스텐의 핵결정이 부착되어 형성된 후의 텅스텐막의 성막시에, 보란 함유가스, 예컨대 디보란(B2H6)을 Ar나 N2가스와 함께 챔버내에 첨가도입함으로써, 텅스텐결정의 입자직경을 크게 하여 비저항치를 내리는 시도가 행하여지고 있다. 그러나, 이 경우에도 충분히 비저항치를 내릴 수 없을 뿐만 아니라, 질소희석의 보란가스가, 예를 들면 중합하는 등에 의해 공급도중의 배관계내에서 고형화하여 배관이 막혀버릴 수도 있다는 문제도 있었다.
또한, 일반적으로는 어느 정도 반복하여 성막처리를 행하면, 성막처리장치의 처리용기내에 불필요한 막이 부착하여 이것이 파티클의 원인이 되기 때문에, 정기적으로, 혹은 비정기적으로 예를 들면 ClF3가스로 이루어진 크리닝가스를 처리용기내에 흐르게 하여 불필요한 막을 제거하는 크리닝처리를 행하고 있다. 이 경우, 이 크리닝 가스가 처리용기내에 아주 조금이기는 하지만 잔류하며, 이 ClF3가스의 Cl원소나 F원소가 반도체 웨이퍼의 막 속에 침입하여, 웨이퍼에 있어서 바람직하지 못한 불순물로서 작용한다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 착안하여 이것을 효과적으로 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은 비저항치를 작게 할 수 있는 텅스텐막의 성막방법을 제공하는 데에 있다.
도 1은 본 발명의 텅스텐막의 성막방법을 실시하기 위한 진공처리장치를 나타내는 개략구성도.
도 2A, 도 2B, 도 2C, 도 2D는 본 발명의 제 1 실시형태의 성막방법을 설명하기 위한 공정도로서, 도 2A는 전(前)공정을 나타내고, 도 2B는 핵결정 성장공정을 나타내며, 도 2C는 보론 노출공정을 나타내고, 도 2D는 텅스텐 성막공정을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명방법의 성막과 B2H6를 사용하지 않는 종래 방법의 성막의 비저항치를 비교한 그래프.
도 4는 B2H6가스(5% 농도)의 유량과 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 B2H6(5% 농도)의 공급량과 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 텅스텐 성막공정에 있어서의 각 가스의 총 가스량과 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 텅스텐 핵결정층과 비저항치와의 관계를 나타내는 도면.
도 8은 희석가스로서 N2가스(종래의 방법)를 사용한 경우와 H2가스 (본 발명의 방법)를 사용한 경우의 디보란(B2H6)의 농도변화를 나타내는 그래프.
도 9A, 도 9B, 도 9C, 도 9D는 제 2 실시형태방법을 나타내는 공정도로서, 도 9A는 전(前)공정을 나타내고, 도 9B는 핵결정 성장공정을 나타내며, 도 9C는 압력상승공정을 나타내고, 도 9D는 텅스텐 성막공정을 나타내는 도면.
도 10은 보론농도의 단면 프로필을 나타내는 도면.
도 11은 염소농도의 단면 프로필을 나타내는 도면.
도 12는 불소농도의 단면 프로필을 나타내는 도면.
도 13A, 도13B는, 텅스텐막에 의한 홀 매립 부분의 단면의 전자현미경사진으로서, 도 13A는 종래의 방법에 의한 것이고, 도 13B는 본 발명에 의한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 진공처리장치 4 : 처리용기
6 : 리플렉터 8 : 유지부재
10 : 얹어놓는대 12 : 투과창
14 : 가열실 16 : 가열램프
18 : 회전대 20 : 회전 모터
22 : 배기구 24 : 배기통로
26 : 게이트밸브 28 : 샤워헤드부
28A : 분출면 30 : 가스분출구멍
32 : 가스도입구 34 : 매스플로우콘트롤러
36, 38 : 개폐밸브 40 : 바리어메탈
42 : 홀 44 : 도프드폴리실리콘막
46 : 절연막 48 : 텅스텐핵결정
50 : 텅스텐막
본 발명자는, 텅스텐막의 성막방법에 대하여 예의 연구한 결과, 텅스텐막을 실제로 성막할 때에, 수소와 보란 함유 가스, 예컨대 디보란을 첨가하여 처리함으로써, 결정입자의 직경을 크게 할 수 있으며, 또한, 텅스텐 핵결정의 형성후이고, 텅스텐막을 실제로 성막하기 직전에, 반도체 웨이퍼를 보론함유가스, 예컨대 디보란으로써 보론화표면처리함으로써, 그 후의 성막시에 결정입자의 직경을 크게 할 수 있다는 지견을 얻음으로써, 본 발명에 이른 것이다.
본 발명의 제 1 특징은, 진공처리장치내에서 피처리체의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, 상기 피처리체의 표면에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 텅스텐의 핵결정을 성장시키는 핵결정 성장공정과, 이 공정후에 상기 피처리체를 보론 함유가스의 분위기에 단시간 노출시키는 보론노출공정과, 이 공정후에 텅스텐원소를 함유하는 성막가스와 수소가스와 수소희석의 보론함유가스의 존재하에서 상기 핵결정을 성장시켜 텅스텐막을 형성하는 텅스텐 성막공정을 구비하도록 구성한 것이다.
이와 같이, 텅스텐의 핵결정을 성장시킨 후에, 피처리체를 보론함유 가스의 분위기에 단시간 노출시키고, 또한, 실제로 텅스텐막을 성막할 때에, 피처리체를 보론함유가스와 수소가스의 존재하에서 성막가스를 공급하여 텅스텐막을 성막하도록 하였기 때문에, 막의 성장시에 텅스텐막의 결정입자가 커지고, 비저항치를 작게 하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 제 2 특징은, 진공처리장치내에서 피처리체의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, 상기 피처리체의 표면에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 텅스텐의 핵결정을 성장시키는 핵결정 성장공정과, 이 공정후에 텅스텐원소를 함유하는 성막가스와 수소가스와 수소희석의 보론함유가스의 존재하에서 상기 핵결정을 성장시켜 텅스텐막을 형성하는 텅스텐 성막공정을 구비하도록 구성한 것이다.
이와 같이, 본 발명의 제 1 특징의 하나인 보론노출공정을 생략한 경우에도 비저항치를 어느 정도 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 3 특징은, 상기 보론함유가스로서 5% 수소 희석의 디보란가스를 사용한 경우, 이 유량은 전체 가스 총유량에 대하여 약 0.85% 이상으로 하는 것이다. 이렇게 하면, 비저항치를 바람직한 범위내로 할 수 있는 동시에, 상기 보론노출공정에 있어서는, 보론함유 가스는 자기분해하여 성장표면에 보론흡착, 결합 등을 일으킨다.
또한, 본 발명의 제 4 특징은, 상기 핵결정 성장공정에 있어서의 핵결정층의 두께는 50nm이하로 설정하는 것으로, 이와 같이 하면, 비저항치가 작아지므로 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 5 특징은, 텅스텐 성막공정에 있어서의 1분당 각 가스의 총유량은 상기 진공처리장치의 처리용기 용량의 약 100%이상으로 설정하는 것으로, 이렇게 하는 것이 비저항치를 작게 하기 때문에 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제 6 특징은, 예를 들어 상기 텅스텐 성막공정은 상기 피처리체의 표면에 형성된 홀의 매립과 배선을 동시에 행하는 공정인 것이다.
본 발명의 제 7 특징은, 진공처리장치내에서 피처리체의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, 상기 피처리체의 표면에 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 텅스텐의 핵결정을 성장시키는 핵결정 성장공정과, 이 공정후에, 상기 피처리체를 보론함유가스의 분위기에 단시간 노출시키는 보론노출공정과, 이 공정후에 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 상기 핵결정을 성장시켜 텅스텐막을 형성하는 텅스텐 성막공정을 구비한 것이다.
이와 같이, 텅스텐의 핵결정을 성장시킨 후이고, 실제로 텅스텐막을 성막하기 직전에 피처리체를 보론함유 가스의 분위기에 노출시킴으로써, 텅스텐의 핵결정을 보론표면처리하는 것으로 그 후의 막의 성장시에 텅스텐막의 결정입자[그레인 (grain)]가 커져, 비저항치를 작게 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제 8 특징은, 상기 보론함유가스로서 5% 수소희석의 디보란가스를 사용한 경우에는, 이 유량은 전체 가스총유량에 대하여 약 0.85% 이상으로 하는 것이다. 이에 따라, 비저항치를 매우 작게 할 수 있다.
본 발명의 제 9 특징은, 예컨대 상기 텅스텐 성막공정이, 상기 피처리체의 표면에 형성된 홀의 매립과 배선을 동시에 행하는 공정인 것이다.
[발명의 실시형태]
이하에, 본 발명에 따른 텅스텐막의 성막방법의 한 실시형태를 첨부도면에 기초하여 상술한다.
도 1은 본 발명의 텅스텐막의 성막방법을 실시하기 위한 진공처리장치를 나타내는 개략구성도이다.
먼저, 본 발명방법을 실시하기 위한 진공처리장치에 대하여 설명한다.
이 진공처리장치(2)는 예컨대 알루미늄 등에 의해 원통형상으로 성형된 처리용기(4)를 가지고 있으며, 이 처리용기(4)내에는 처리용기 바닥부로부터 세워진 원통형상의 리플렉터(6)가 설치된다. 이 리플렉터(6)의 위에는, Ｌ자형상의 유지부재 (8)를 통하여 그 윗면에 피처리체로서 예컨대 반도체 웨이퍼(W)를 얹어 놓기 위한 얹어놓는대(1O)가 설치된다. 이 얹어놓는대(1O)는 예를 들면 수mm 정도 두께의 카본 소재, AlN 등의 알루미화합물로서 구성된다.
이 얹어놓는대(10)의 바로 아래의 처리용기 바닥부에는, 석영 등으로 이루어진 투과창(12)이 기밀(氣密)하게 설치되어 있으며, 이 아래쪽에는 투과창(12)을 둘러싸도록 하여 상자형상의 가열실(14)이 설치된다. 이 가열실(14)내에는, 복수개의 가열 램프(16)가 반사경을 겸하는 회전대(18)에 부착되어 있으며, 이 회전대 (18)는 회전 모터(20)에 의해서 회전된다. 따라서, 이 가열 램프(16)로부터 방출된 열선은, 투과창(12)을 투과하여 얹어놓는대(10)의 아래면을 조사하여 웨이퍼(W)를 간접적으로 가열할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 처리용기의 바닥부 주변부에는, 배기구(22)가 설치되어 있으며, 이 배기구(22)에는 도시하지 않은 진공펌프에 접속된 배기통로(24)가 접속되어 처리용기(4)내를 진공으로 끌어올릴 수 있도록 되어 있다. 또한, 처리용기(4)의 측벽에는 웨이퍼를 반입 및 반출할 때에 개폐되는 게이트 밸브(26)가 설치된다.
한편, 상기 얹어놓는대(10)와 대향하는 처리용기 천정부에는, 처리 가스 등을 처리용기(4)내에 도입하는 샤워 헤드부(28)가 설치되어 있으며, 이 샤워 헤드부 (28)의 분출면(28A)에는 다수의 가스분출구멍(30)이 형성된다. 이 샤워 헤드부 (28)의 가스도입구(32)에는, 성막처리 등에 필요한 가스를 공급하는 가스공급계가 접속되어 있다.
구체적으로는, 여기서는 텅스텐의 핵결정의 공정에서 사용하는 보론함유가스도 공급할 수 있도록 되어 있으며, 예를 들면 WF6가스, Ar가스, SiH4가스, H2가스, N2가스, B2H6가스의 각 가스원이 접속되어 있다. 각 가스원의 배관에는 유량제어기로서의 매스 플로우 콘트롤러(34) 및 이것을 사이에 두고 2개의 개폐밸브(36,38)가 각각 설치되어 있으며, 각 가스의 유량제어 및 공급의 유무 선택을 행할 수 있도록 되어 있다.
상기 보란 함유 가스로서 디보란(B2H6)을 사용하고 있으나, 여기서는 100% 농도의 디보란을 사용하는 것이 아니라, 이 중합고화를 방지하기 위해서 수소(H2)가스로 5%까지 농도를 희석한 5% 농도의 수소희석의 디보란가스를 사용하고 있다.
또한, 여기서 사용한 처리용기(4)의 용량은 약 1200cm3정도이고, 또한, 얹어놓는대(10)의 지름은 200mm 정도로 설정되어 8인치 크기의 웨이퍼를 처리할 수 있도록 되어 있다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 장치를 사용하여 행하여지는 본 발명 방법의 제 1 실시형태(그의 1)에 대하여 도 2를 참조하면서 설명한다.
먼저, 처리용기(4)의 측벽에 설치한 게이트 밸브(26)를 열어 도시하지 않은 반송아암에 의해 처리용기(4)내에 웨이퍼(W)를 반입하고, 이 웨이퍼(W)를 얹어놓는대(10)상에 얹어놓는다. 이 웨이퍼(W)의 표면에는, 도 2A에 나타내는 바와 같은 전공정으로서 예를 들어 Ti/TiN으로 이루어진 얇은 바리어 메탈(40)이 형성되어 있다. 이 바리어메탈(40)은 콘택트 홀이나 비어 홀 등의 홀(42)의 내면에도 형성되어 있다. 또한, 홀(42)의 직경은 예를 들면 0.5∼1.0 ㎛정도이고, 이 홀(42)의 에스팩트비는 1∼2정도이다. 도면 중, (44)는 도프드폴리실리콘막, (46)은 절연막이다.
다음에, 각 처리 가스원으로부터 처리가스로서 WF6, Ar, SiH4, H2, N2를 샤워 헤드부(28)에 소정량씩 공급하고 혼합하여, 이것을 아래면의 가스분출구멍(30)으로부터 처리용기(4)내에 대략 균등하게 공급한다. 여기서는 B2H6가스는 공급하지 않고 있다. 이와 동시에, 배기구(22)로부터 내부 분위기를 흡인배기함으로써 처리용기(4)내를 소정의 진공도, 예를 들면 4Torr 정도의 값으로 설정하고, 또한 가열실 (14)내의 가열 램프(16)를 회전시키면서 구동하여 열에너지를 방사한다.
방사된 열선은 투과창(12)을 투과한 후, 얹어놓는대(10)의 이면을 조사하여 이것을 가열한다. 이 얹어 놓는대(1O)는 상술한 바와 같이 수mm 정도로 매우 얇기 때문에 신속하게 가열되며, 따라서, 이 위에 놓여 있는 웨이퍼(W)를 신속하게 소정 온도까지 가열할 수 있다. 이 때의 프로세스온도는 예를 들면 460℃ 정도이다. 공급된 혼합 가스는 소정의 화학반응을 일으키고, 여기서는 도 2B에 나타낸 바와 같이, WF6이 환원되어 바리어 메탈(40)의 표면에 텅스텐 핵결정(48)이 부착형성됨으로써 핵결정 성장공정이 행하여진다. 이 핵결정 성장공정은 예를 들면 30초 정도 행하여 두께가 30 nm정도인 핵결정층을 형성한다.
이렇게 하여 핵결정 성장공정을 종료하였으면, 다음으로 보론노출공정으로 이행한다.
먼저, 모든 가스의 공급을 정지하여 일단 베이스압력, 예를 들면 10-3Torr 정도까지 진공으로 하고, 또한, B2H6가스를 비롯한 소정 가스를 공급하여 80Torr 정도로 단시간 유지하여 도 2C에 나타낸 바와 같이 보론노출 공정을 행한다. 여기서의 공급 가스종류는, Ar가스, H2가스 및 B2H6가스(수소 희석5% 농도)이고, 각 가스량은 4000sccm, 1800sccm 및 100sccm이다. 여기서는 WF6가스와 SiH4가스와 N2가스의 공급은 하지 않는다. 이에 따라, 텅스텐 핵결정(48)은 보론에 노출되고, B2H6가스는 자기분해하여 보라타이트가 표면에 형성된다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이 핵결정의 입자직경을 어느 정도 크게 하는 것이 가능해진다. 이 보론노출 공정은, 예를 들면 28초 정도 행한다. 한편, 이 때의 프로세스온도는 460℃정도로서 전공정과 동일하다.
이렇게 하여, 보론노출 공정을 종료하였으면, 다음으로 실제의 텅스텐 성막공정으로 이행한다.
먼저, WF6가스, Ar가스, H2가스 및 B2H6가스(수소희석 5%농도)를 각각 25sccm , 4400sccm, 600sccm, 25sccm 공급하여 텅스텐막의 실제의 성막을 행한다. 여기서는 SiH4가스 및 N2가스의 공급은 정지한다. 프로세스압력 및 프로세스온도는 각각 전공정과 동일하고, 80Torr 및 460℃이다. 이에 따라, 도 2D에 나타낸 바와 같이, 홀(42)(도 2A 참조)이 매립되는 동시에, 표면에 배선용의 텅스텐막(50)이 형성된다. 이 때의 처리시간은, 예를 들면 40초 정도이고, 전체적으로 100nm 막두께의 텅스텐막(50)을 형성한다.
이와 같이, 핵결정 성장공정후에, 보론노출공정을 넣어 텅스텐 핵결정을 디보란에 노출하여 수소환원함으로써 부분적으로 보라타이트를 형성하고, 또한, 실제로 텅스텐막을 성막하는 텅스텐 성막공정에 있어서도, 디보란을 공급하여 텅스텐 핵결정을 수소환원하여 보라타이트를 형성하면서 텅스텐막을 성막하도록 하였으므로, 성장되는 텅스텐 핵결정(그레인)의 입자직경을 매우 크게 할 수 있다. 이 때문에, 형성된 텅스텐막(50)의 결정구조는, 벌크결정에 가깝게 되어 비저항치를 매우 작게 할 수 있다.
B2H6가스를 사용하지 않는 종래의 성막방법을 본 발명방법과 비교한 결과, 종래의 방법에 의한 텅스텐막의 비저항치(1500Å환산)는 12.2μΩcm정도였으나, 본 발명방법에 의한 텅스텐막의 비저항치(1500Å환산)는 8.OμΩcm정도로서, 비저항치를 대폭 개선할 수 있는 것으로 판명되었다.
이 점에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은, 본 발명방법의 성막과 B2H6를 사용하지 않는 종래의 방법의 성막의 비저항치를 비교한 그래프이다.
이 그래프로부터 명백한 바와 같이 본 발명방법의 경우에는, 텅스텐성막의 두께에 관계없이 종래 방법과 비교하여 약 40%정도 비저항치를 작게 할 수 있는 것으로 판명되었다.
또한, 텅스텐성막도 포함시킨 웨이퍼 전체의 보론(B), 염소(Cl) 및 F(불소)의 각 원소의 함유량에 대하여 측정한 바, 종래 방법의 경우와 비교하여 B원소의 함유량은 당연하게 많아지고 있으나, Cl원소나 F원소의 함유량은 매우 적어지고 있으며, 크리닝시의 잔류가스에 의한 악영향을 억제할 수 있는 것으로 판명되었다. 이 점의 측정결과에 대해서는 후술한다.
또한, 본 발명방법의 경우에는, 홀(42)의 매립에 관해서는, 어떤 문제도 생기지 않고, 종래의 방법과 같이 양호한 매립 상태였다.
또한, 본 발명방법의 제 1 실시예(그 1)에서는, 상기한 보론노출공정에 있어서, 수소 희석 5%농도의 B2H6가스를 100sccm 첨가하고 있으나, 이 가스유량은 약 50sccm이상, 즉 전체 가스총합계량에 대하여 약 0.85%[≒50×100/(4000+1800+50)]이상인 것이 바람직하고, 이보다도 작으면 비저항치는 그 만큼 작아지지는 않는다. 이 점에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 상기 결과를 나타내기 위해서, B2H6가스(5% 농도)의 유량과 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다(1800Å 환산). 한편, 상술한 바와 같이 Ar가스유량과 H2가스유량은 각각 4000 sccm과 1800 sccm로 고정되어 있다.
이 그래프에서 명백한 바와 같이 B2H6가스(수소희석 5%농도)의 유량이 50 sccm보다 작을 때에는, 텅스텐막의 비저항치는 11.3μΩcm보다도 커서 바람직하지 못하지만, 50 sccm 이상이 되면, 비저항치는 11μΩcm보다도 작아지고, 따라서 보론노출 공정에 있어서는 B2H6가스(수소희석 5%농도)의 유량은 50sccm 이상(전체 가스총유량에 대하여 약 0.85% 이상)으로 설정하는 것이 좋은 것으로 판명되었다.
또한, 텅스텐 성막공정에 있어서는, 이 직전의 보론노출공정의 경우와는 달리, B2H6가스(5% 농도)의 공급량을 많게 하면, 비저항치가 상승하여 바람직하지 못하고, 예를 들면 전체 가스공급량의 총합에 대하여 약 2% 이하로 설정하는 것이 좋다. 또한, 이 하한치는 약 0.2% 정도이고, 이보다도 B2H6가스의 공급량이 적어지면 비저항치의 저감효과는 작아져 버린다.
이 점에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 B2H6가스(5% 농도)의 공급량과 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다. 한편, 이 때의 다른 WF6가스, Ar가스 및 H2가스의 각 공급량은 뒤에 나타내는 표 1의 텅스텐 성막공정의 값으로 고정하고 있다. 이 그래프에서 명백한 바와 같이, B2H6가스(5% 농도)의 공급량이 100 sccm(전체 가스공급량의 약 2%)보다도 커지면 비저항치가 급격히 커지고, 또한 B2H6가스(5% 농도)의 공급량이 10sccm(전체 가스공급량의 약 0.2%)보다도 작아지면, 마찬가지로 비저항치가 커진다. 따라서, 5% 농도의 B2H6가스의 공급량은 10∼100sccm의 범위내가 바람직하다.
또한, 텅스텐 성막공정에서는, 처리용기(4)의 용량에 대하여, 어느정도이상의 유량의 가스를 흐르게 하여 유속을 빠르게 함으로써, 텅스텐막의 비저항치를 보다 저하시킬 수 있다. 도 6을 참조하여 이 점을 설명한다. 도 6은 텅스텐 성막공정에 있어서의 각 가스의 총 가스량과 비저항치와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 가로축에는, 총 가스량과 함께 처리용기의 용량에 대한 비율을 병기하여 둔다. 한편, 여기서는 뒤의 표 1에 나타내는 텅스텐성막공정에 있어서의 각 가스량의 비율을 유지하여 총 가스량을 변화시키고 있다.
이 그래프로부터 명백한 바와 같이, 총 가스량이 증가함에 따라 비저항치가 점차로 저하하고 있으며, 1220sccm 이상이 되면 거의 일정하게 되어 있다. 따라서, 텅스텐 성막공정에 있어서의 총 가스량은 1220sccm이상으로, 즉 처리용기의 용량의 약 100% 이상으로 설정해야 하는 것으로 판명되었다. 덧붙여서 말하면, 5050sccm은 실시예(그의 1)의 텅스텐 성막공정시에 있어서의 총 가스량이다.
또한, 텅스텐막의 비저항치는, 텅스텐핵 결정층의 두께에도 크게 관계하고 있으며, 비저항치를 약 12μΩcm 이하로 하기 위해서는, 핵결정층의 두께를 약 50nm 이하가 되도록 설정해야 한다. 도 7은 이 점을 나타내는 그래프로서, 텅스텐 핵결정층과 비저항치와의 관계를 나타내고 있다. 이 그래프에서 명백한 바와 같이 핵결정층의 두께가 늘어날수록, 비저항치가 점차로 커지게 되고, 두께가 50nm보다도 커지면 비저항치가 약 12μΩcm보다도 커지기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 핵결정층의 두께는 50nm이하로 설정하는 것이 좋은 것으로 판명되었다. 단, 핵결정층의 두께를 과도하게 작게 하면, 텅스텐의 성막이 곤란하게 되므로, 그 하한치는 약 1Onm 정도이다.
또한, 본 발명방법에서는, B2H6가스로서 이 가스를 수소가스에 의해 5%농도까지 희석한 희석 가스를 사용하고 있기 때문에, 종래의 방법과 같이 B2H6가스를 질소 가스나 아르곤가스로 희석한 가스를 사용한 경우와 달리, B2H6가스가 가스원 용기내나 B2H6가스의 공급배관계내에서 중합하지 않아, 배관계가 중합고형물에 의해 막히는 것을 방지할 수 있다. 이 점에 대하여 도 8를 참조하여 설명한다. 도 8은 희석 가스로서 N2가스(종래의 방법)를 사용한 경우와 H2가스(본 발명방법)를 사용한 경우의 디보란(B2H6)의 농도변화를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서 명백한 바와 같이, N2가스 희석의 경우에는 경과 일수가 많아질수록 디보란의 농도가 저하하고 있으므로 디보란이 중합을 일으키고 있는 것으로 판명되었다. 이에 대하여, 본 발명방법에서 사용한 H2가스희석의 경우에는 경과 일수에 관계없이 디보란의 농도는 거의 일정하며, 중합을 일으키지 않고 양호한 상태인 것으로 판명되었다. 이것은, N2가스를 희석 베이스가스로 사용하면, B2H6에 있어서 분자적으로 불안정해지기 때문이라고 생각된다.
이상 설명한 제 1 실시형태(그의 1)에 있어서는, 텅스텐의 핵결정 성장공정과 텅스텐 성막공정과의 사이에, 도 2C에 나타낸 바와 같은 보론노출 공정을 행하고 있으나, 제 2 실시형태에서는 이 보론노출공정을 생략하도록 하여도 좋다. 이 경우에는, 보론노출 공정에 대신하여, 처리용기내의 잔류 가스 배기와 압력조정을 위한 단순한 승압공정이 들어가게 된다. 도 9는 이 제 2 실시형태의 방법을 나타내는 공정도로서, 도 9C를 제외한 다른 공정은 도 2에 나타내는 경우와 동일하다. 즉, 이 도 9C에 나타내는 공정에서는 처리용기(4)내를 베이스압력까지 배기한 후에, Ar가스, H2가스 및 N2가스를 각각 2700sccm, 1800sccm 및 900sccm의 유량으로 공급하여 프로세스압력인 80 Torr까지 승압시킨다.
이 제 2 실시형태에 있어서의 전체의 프로세스조건은, 승압공정을 제외하고 제 1 실시형태(그의 1)와 동일하다. 이와 같이, 제 1 실시형태에 있어서의 보론노출공정을 생략하여도 제 1 실시형태(그의 1)정도까지는 아니라고 해도 비저항치를 많이 저하시킬 수 있다.
여기서, 종래 방법과 본 발명의 제 1 실시형태(그의 2, 그의 3)와 제 2 실시형태에 대하여 비교시험을 행하였으므로, 그 결과에 대하여 설명한다. 표 1에 텅스텐 성막공정에 있어서의 가스유량, B2H6가스의 노출공정의 유무 및 텅스텐막의 비저항치를 나타낸다. 또한, 도 10에 보론농도의 단면 프로필을 나타내고, 도 11에 염소농도의 단면프로필을 나타내며, 도 12에 불소농도의 단면프로필을 나타낸다.
WF6 B2H6(5%농도) H2 Ar 보론노출공정 비저항
제 1 실시예(그의 2) 20 20 750 3500 유 8.82
제 1 실시예(그의 3) 20 20 750 1000 유 10.6
제 2 실시예 20 20 750 1000 무 11.6
종래의 방법 20 - 750 1000 무 14.5
유량 : sccm
이 표 1에서 명백한 바와 같이, 종래 방법의 경우에는 비저항치는 14.5 μΩcm 였으나, 보론노출공정을 생략한 제 2 실시형태의 경우에는 11.6 μΩcm으로 조금 작게 되어 있으며, 또한, 제 1 실시형태의 경우에는 10.6 μΩcm 이하로 대폭 작게 되어 양호한 결과를 보이고 있다. 이 제 1 실시형태에 있어서도, Ar가스량을 많게 한 제 1 실시형태(그의 2)의 경우에는 비저항치는 더욱, 8.82 μΩcm까지 저하하고 있으며, 상술한 바와 같이 총가스량을 많게 할수록, 비저항치의 저감효과가 크게 나타나고 있어, 양호한 결과를 나타내고 있다.
또한, 보론농도에 관해서는 도 10에 나타낸 바와 같이, 제 1 실시형태(그의 2) 및 제 1 실시형태(그의 3)가 모두 많고, 제 2 실시형태와 종래 방법은 거의 동일하고 낮은 값으로 되어 있다. 또한, 염소농도에 관해서는 도 11에 나타낸 바와 같이, 종래 방법의 경우에는 매우 높아서 바람직하지 못하지만, 본 발명의 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태의 경우에는 모두 매우 낮게 되어 있어, 양호한 결과를 나타내고 있는 것으로 판명되었다.
또한, 불소농도에 관해서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 종래 방법의 경우에는 전체적으로 높게 되어 있는 데 비하여, 본 발명의 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태는 모두 낮은 값으로 되어 있어, 양호한 결과를 나타내고 있는 것으로 판명되었다. 이와 같이, 본 발명의 경우에 있어서 염소농도 및 불소농도가 함께 낮은 이유는, 도프된 보론에 의해, 막 속의 전자이동도가 상승하여 불순물로서의 F나 Cl가 감소함으로써 저항이 내려가고, 결정입자가 커졌기 때문에 입자계에서의 접촉저항이 내려갔기 때문이라고 생각된다.
다음에, 본 발명의 제 3 실시형태에 관해서 설명한다.
이 제 3 실시형태인 텅스텐막의 성막방법은, 제 1 및 제 2 실시형태에서 사용하는 도 1에 나타내는 진공처리장치(2)를 사용한다.
이 제 3 실시형태의 텅스텐막의 성막방법은, 제 1 실시형태의 텅스텐막의 성막방법과 유사하기 때문에, 그 상이점을 주로 설명한다.
먼저, 도 2A, 도 2B에 나타낸 바와 같이, 제 1 실시형태와 같은 전공정, 핵결정공정을 행한다.
이어서, 도 2C에 나타낸 바와 같이 보론노출공정을 행한다. 여기서의 공급 가스종류는 Ar가스, H2가스, B2H4가스이고, 각 가스량은 4000sccm, 1800sccm, 및 100sccm(5% 농도)이다. 이에 따라, 텅스텐 핵결정(48)은 보론에 노출되어 B2H6가스에 의해 보론표면이 형성된다. 이 보론노출공정은, 예를 들면 28초 정도 행한다. 이 때의 프로세스 온도는 460℃정도이다.
이러한 보론노출 공정후, 다음으로 텅스텐 성막공정으로 이행한다.
먼저, WF6가스, Ar가스, H2가스 및 N2가스를 각각 80sccm, 900sccm, 750sccm, 100sccm 공급하여, 텅스텐막의 실제의 성막을 행한다. 여기서는 SiH4가스 및 B2H6가스의 공급은 정지한다. 프로세스압력 및 프로세스온도는 각각 전공정과 동일하고, 80Torr 및 460℃이다. 이에 따라, 도 2D에 나타낸 바와 같이, 홀(42)(도 2A 참조)이 매립되는 동시에, 표면에 배선용의 텅스텐막(50)이 형성된다. 이 때의 처리시간은, 예를 들면 98초 정도이고, 전체적으로 800nm의 막두께의 텅스텐막(50)을 형성한다.
이와 같이, 핵결정 성장공정과, 실제로 텅스텐막을 성막하는 텅스텐성막공정과의 사이에, 보론노출공정을 넣어 텅스텐 핵결정을 예컨대 디보란에 노출하여 보론표면을 형성함으로써, 후속 공정에서 성장되는 텅스텐 핵결정(그레인)의 입자직경을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 형성된 텅스텐막(50)의 결정구조는, 벌크 결정에 가깝게 되어 비저항치를 작게 할 수 있다.
B2H6가스를 사용하지 않는 종래의 성막방법을 본 발명방법과 비교한 결과, 종래 방법에 의한 텅스텐막의 비저항치(1500Å 환산)는 12.2 μΩcm정도였으나, 본 발명방법에 의한 텅스텐막의 비저항치(1500Å 환산)는 8.5 μΩcm 정도로서, 비저항치를 대폭 개선할 수 있었던 것으로 판명되었다.
도 13A 및 도 13B는 상기한 방법에 의해 성막된 텅스텐막에 의한 홀의 매립 부분의 단면의 전자현미경 사진으로서, 도 13A에 나타내는 종래 방법과 비교하여, 도 13B에 나타내는 본 발명방법의 텅스텐핵결정의 입자직경은 확실히 크게 되어 있으며, 벌크결정에 가까운 상태로 되어 있는 것으로 판명되었다.
또한, 본 발명방법의 경우에는, 홀(42)의 매립에 관해서는, 어떤 문제도 생기지 않고, 종래 방법과 마찬가지로 양호한 상태였다.
또한, 본 발명방법에서는 상기한 보론노출공정에 있어서, 수소희석 5%농도의 B2H6가스를 100sccm 첨가하고 있으나, 이 가스유량은 약 50sccm이상, 즉 전체 가스총합계량에 대하여 약 0.85%[≒50×100/(4000+1800+50)]이상인 것이 바람직하고, 이보다도 작으면, 비저항치는 그 만큼 작아지지는 않는다. 이 점에 대해서는, 도 4에 나타나 있으며, 제 1 실시형태의 경우와 같다.
또한, 본 발명방법에서는, B2H6가스로서 이 가스를 수소 가스에 의해 5% 농도까지 희석한 희석 가스를 사용하고 있으므로, 종래 방법과 같이 B2H6가스를 질소가스나 아르곤가스로 희석한 가스를 사용한 경우와 달리, B2H6가스가 가스원 용기내나 B2H6가스의 공급배관계내에서 중합하지 않아, 배관계가 중합고형물에 의해 막히거나 하는 것도 방지할 수 있다. 이 점에 대하여 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 희석 가스로서 N2가스(종래의 방법)를 사용한 경우와 H2가스(본 발명방법)를 사용한 경우의 디보란(B2H6)의 농도변화를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 명백한 바와 같이, N2가스 희석의 경우에는 경과 일수가 많아질수록 디보란의 농도가 저하하고 있으므로, 디보란이 중합을 일으키고 있는 것으로 판명되었다. 이에 대하여, 본 발명방법에서 사용한 H2가스 희석의 경우에는, 경과 일수에 관계없이 디보란의 농도는 거의 일정하며, 중합을 일으키고 있지 않고 양호한 상태인 것으로 판명되었다. 이것은, N2가스를 희석 베이스 가스로 사용하면, B2H6에 있어서 분자적으로 불안정하기 때문이라고 생각된다.
한편, 상기 각 실시형태 및 각 표에 있어서의 가스유량, 프로세스온도, 프로세스 압력은, 단지 일례를 나타낸 것에 지나지 않고, 그들에 한정되지 않음은 물론이다. 또한, 본 실시예에서는, 수소희석에 의한 5% 농도의 B2H6가스를 사용하고 있으나, 이 희석의 농도가 변하면, 상술한 각 공급량의 한계치도 그에 비례하여 변하는 것은 물론이다. 또한, 사용하는 보론함유 가스도 디보란에 한정되지 않고, 테트라보란, 펜타보란 등의 다른 보란도 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 크기도 다른 크기의 것을 사용할 수 있다. 또한, 피처리체로서는, 반도체 웨이퍼뿐만 아니라, 유리기판, LCD 기판 등도 사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 텅스텐막의 성막방법에 의하면, 다음과 같이 뛰어난 작용효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 제 1 특징에 의하면, 텅스텐막을 성막함에 있어서, 텅스텐 핵결정을 보론함유가스에 노출하고, 또한, 그 후의 텅스텐 성막공정에서 보론함유가스에 의해 환원하도록 하였기 때문에, 텅스텐결정입자(그레인)의 입자직경을 크게 하여 그 비저항치를 대폭 저하시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 특징에 의하면, 텅스텐막을 성막함에 있어서, 먼저, 텅스텐의 핵결정을 성장시키고, 실제로 텅스텐막을 성막할 때에, 보론함유 가스에 의해 환원하도록 하였기 때문에, 텅스텐결정입자(그레인)의 입자직경을 크게 하여 그 비저항치를 상당히 저하시킬 수 있다.
또한, 보론함유 가스로서 5% 수소 희석 디보란을 사용했을 때에는, 이 유량을 전체 가스총유량의 약 0.85% 이상으로 함으로써, 비저항치를 더욱 작게 할 수 있다. 또한, 텅스텐의 핵결정층의 두께를 50nm이하로 설정함으로써, 비저항치를 더욱 작게 할 수 있다. 또한, 텅스텐 성막공정에 있어서의 1분당 가스의 총유량을 처리용기의 용량의 약 100%이상으로 함으로써, 비저항치를 더욱 작게 할 수 있다.
또한, 피처리체의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, 핵결정 성장공정과 실제로 성막을 행하는 텅스텐 성막공정과의 사이에, 피처리체를 보론함유가스에 노출시키는 보론노출공정을 행하도록 하였기 때문에, 텅스텐결정입자(그레인)의 입자직경을 크게 하여 이 비저항치를 작게 할 수 있다.

Claims (9)

  1. 진공처리장치내에서 피처리체의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, 상기 피처리체의 표면에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 텅스텐의 핵결정을 성장시키는 핵결정 성장공정과, 이 공정후에 상기 피처리체를 보론함유가스의 분위기에 단시간 노출시키는 보론노출공정과, 이 공정후에 텅스텐원소를 함유하는 성막가스와 수소가스와 수소희석의 보론함유가스의 존재하에서 상기 핵결정을 성장시켜 텅스텐막을 형성하는 텅스텐 성막공정을 구비한 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  2. 진공처리장치내에서 피처리체의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, 상기 피처리체의 표면에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 텅스텐의 핵결정을 성장시키는 핵결정 성장공정과, 이 공정후에 텅스텐원소를 함유하는 성막가스와 수소가스와 수소희석의 보론함유가스의 존재하에서 상기 핵결정을 성장시켜 텅스텐막을 형성하는 텅스텐 성막공정을 구비한 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보론함유가스로서 5% 수소희석 의 디보란가스를 사용한 경우에는, 이 유량은 전체 가스총유량에 대하여 약 0.85% 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 핵결정 성장공정에서 핵결정층의 두께는 50nm이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항중의 어느 한 항에 있어서, 텅스텐 성막공정에 서 1분당 각 가스의 총유량은, 상기 진공처리장치의 처리용기의 용량의 약 100% 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 텅스텐 성막공정은, 상기 피처리체의 표면에 형성된 홀의 매립과 배선을 동시에 행하는 공정인 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  7. 진공처리장치내에서 피처리체의 표면에 텅스텐막을 성막함에 있어서, 상기 피처리체의 표면에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 텅스텐의 핵결정을 성장시키는 핵결정 성장공정과, 이 공정후에, 상기 피처리체를 보론함유가스의 분위기에 단시간 노출시키는 보론노출공정과, 이 공정후에, 텅스텐원소를 함유하는 성막가스의 존재하에서 상기 핵결정을 성장시켜 텅스텐막을 형성하는 텅스텐 성막공정을 구비한 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보론노출공정에서 상기 보론함유가스로서 수소희석의 디보란을 사용하고, 그 유량은 전체가스 총유량에 대하여 약 0.85% 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 텅스텐 성막공정은, 상기 피처리체의 표면에 형성된 홀의 매립과 배선을 동시에 행하는 공정인 것을 특징으로 하는 텅스텐막의 성막방법.
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