KR20010007344A - 두꺼운 질화 티타늄막을 증착하는 방법 - Google Patents

두꺼운 질화 티타늄막을 증착하는 방법 Download PDF

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Abstract

암모니아 (NH3) 및 4염화 티타늄 (TiCl4) 간의 반응을 이용하여 질화 티타늄 (TiN) 층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 일실시예에서, 약 20토르의 압력으로 약 500℃ 의 온도에서 TiN 층을 증착하도록 약 8.5 의 NH3: TiCl4비율이 이용된다. 다른 실시예에서, 상이한 NH3: TiCl4비율을 갖는 공정 조건을 이용하여 상이한 두께를 갖는 TiN 층을 교대로 증착함으로써 복합 TiN 층이 형성된다. 바람직한 일실시예에서, 약 20Å 보다 작은 두께의 TiN 층은 약 85 의 NH3: TiCl4비율로 형성되고, 이후에 약 8.5 의 NH3: TiCl4비율로 보다 두꺼운 TiN 층이 증착된다. 2개의 상이한 공정 조건을 이용하여 막 증착을 교대로 반복함으로써, 복합 TiN 층이 형성된다. 이러한 복합 TiN 층은, 표준 TiN 공정에 비교하여 향상된 전체 단계 커버리지 및 감소된 스트레스를 나타내며, 작은 기하학적 플러그 필 응용에 적합하다.

Description

두꺼운 질화 티타늄막을 증착하는 방법{METHOD OF DEPOSITING A THICK TITANIUM NITRIDE FILM}
본 발명은 질화 티타늄막을 증착하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 균열이 없고 두꺼운 질화 티타늄막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
집적회로의 제조시, 금속이 배리어층밑의 기저영역으로 확산되는 것을 막기위해 금속 배리어막으로서 질화 티타늄막이 흔히 사용된다. 이러한 기저영역은 트랜지스터 게이트, 커패시터 절연체, 반도체 기판, 금속 라인, 및 집적회로에서 나타내는 다른 많은 구조를 포함한다.
예를 들어, 트랜지스터의 게이트용으로 전극이 형성되고 있을 때, 게이트 물질과 금속 간에 전극의 접촉부 역할을 하는 확산 배리어가 흔히 형성된다. 확산 배리어는 폴리실리콘으로 구성될 수도 있는 게이트 물질로 금속이 확산되는 것을 방지한다. 이러한 금속 확산은 트랜지스터의 특성을 변경시키고, 또는 동작되지 않게 만들기에 바람직하지 못한다. 예를 들어, 티타늄/질화 티타늄 (Ti/TiN) 의 조합이 확산 배리어로서 흔히 사용된다.
Ti/TiN 스택은 트랜지스터의 소스 및 드레인에 대한 접촉부를 제공하도록 또한 사용되어왔다. 예를 들어, 텅스텐 (W) 플러그 공정을 이용하여 접촉부를 형성하는데 있어서, Ti 층은 실리콘 (Si) 기판위에 증착되고, Ti 층이 티타늄 실리사이드 (TiSiX) 로 변환되며, 이것은 Si 와 접촉하는 보다 낮은 저항을 제공한다. 이후 Tin 층은 텅스텐 플러그를 형성하기에 앞서 TiSiX위에 형성된다. 배리어 층이 존재하는 것에 더하여, TiN 층은 2개의 추가 기능을 나타낸다. 즉, 1) W 증착동안 6플루오르화 텅스텐 (WF6) 에 의해 TiSiX의 화학적 공격을 방지하고 2) 글루층 (glue layer) 이 W 플러그의 부착을 향상시키는 기능을 나타낸다.
Ti 및 TiN 막은 물리적 또는 화학적 기상 증착에 의해 형성될 수 있다. Ti/TiN 조합 배리어층은 한 체임버에서 Ti 막을 증착하고 이후에 다른 체임버에서 TiN 막을 증착함으로써 다중 체임버 클러스터 툴에서 형성될 수도 있다. 화학 기상 증착 (CVD) 을 이용하여 Ti 및 TiN 을 증착할 때, 예를 들어, 상이한 반응성 가스로 반응할 수 있을 때 즉, 플라즈마 상태일 때 Ti 및 TiN 막을 형성하기 위해 TiCl4가 사용될 수도 있고, TiN 막은 TiCl4이 질소와 반응할 때 형성된다. 일반적으로, TiN 은, 화합물을 함유하는 특정한 질소에 의존하는 플라즈마 또는 열적 상태에서 화합물을 함유하는 질소가 TiCl4와 반응함으로써 형성된다. 따라서, TiN 막은 TiCl4와 암모니아 (NH3) 간의 반응을 이용하여 고온 CVD 에 의해 형성될 수도 있다. 그러나, 이러한 TiN 막은 200Å 의 막 두께용으로 2x1010dyne/cm2차수로 높은 신장성 스트레스를 내재적으로 갖는 경향이 있다. 신장력은 막 두께가 증가함에 따라 증가되고, 두께가 400Å을 초과할 때 균열이 발생하기 시작한다. 사실, 균열의 밀도 및 크기는 막이 결국 박리될 때까지 막 두께와 함께 증가한다.
따라서, 뛰어난 단계 커버리지 및 낮은 스트레스와 같은 향상된 성질을 갖는 신뢰성있고 두꺼운 TiN 막을 형성하는 방법이 당해 기술에 필요하다.
본 발명은 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 질화 티타늄 (TiN) 층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에서, TiN 층은 550℃ 보다 낮은 온도 및 약 10 ~ 50 토르 압력에서 형성된다. 보다 바람직하게, TiN 층은 약 500℃ 온도, 약 20 토르 압력, 및 약 8.5 의 NH3: TiCl4비율에서 형성된다.
또다른 실시예에서, TiN 층은 상이한 NH3: TiCl4비율을 갖는 2개의 공정 단계를 이용하여 TiN 층을 교대로 증착함으로써 형성된다. 바람직하게, 2개의 공정 단계는 약 500℃ 에서 수행된다. 교대로 된 TiN 층은 스트레스, 단계 커버리지 및 결정 구조와 같은 막 특성에 있어서 상이하다. 교대로 된 복합층을 포함하는 최종 TiN 층은 종래 기술의 공정을 이용하여 증착된 TiN 층에 비교하여 향상된 전체 단계 커버리지 및 스테리스 성질을 갖는다. 바람직한 일실시예에서, 제 1 TiN 층은 예를 들어 약 20Å 보다 작은 제 1 두께, 및 40 ~ 250 의 NH3: TiCl4비율로 증착된다. 이러한 제 1 TiN 층은 보다 낮은 막 스트레스를 갖는 경향이 있다. 이후에 예를 들어 2.5 ~ 17, 바람직하게는 약 8.5 의 NH3: TiCl4비율을 이용하여 150 ~ 300Å 의 제 2 두께를 갖는 제 2 TiN 층이 증착된다. 제 2 TiN 층은 뛰어난 단계 커버리지를 갖지만 막 스트레스는 더 높아진다. 이러한 2개의 층을 교대로 반복하여 형성함으로써, 두께 1000Å 를 넘는 최종 복합 TiN 층이 단계 커버리지 및 막 스트레스가 전체적으로 향상되어 형성될 수 있다. 일반적으로, 초기 TiN 층을 형성하기 위해 사용되는 특정한 공정 단계는 중요하지 않으며, 교대층이 상이한 두께로 적절히 증착될 수 있다. 본 발명을 이용하여 형성된 복합 TiN 층은 0.18㎛ 이하의 기하학의 플러그-필 (plug-fill) 응용에 잘 적용된다.
이해하기 쉽도록, 도면에서 공통인 동일한 요소를 지정하도록, 가능한 동일한 참조 번호가 사용되었다.
도 1 은 본 발명에서 실행되어 사용될 수 있는 장치를 개략적으로 도시한 도.
도 2a 내지 2c 는 본 발명의 일실시예에 따른 집적회로 제조의 상이한 단계에서 기판 구조를 나타내는 개략적인 단면도.
도 3a 내지 3d 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적회로 제조의 상이한 단계에서 기판 구조를 나타내는 개략적인 단면도.
도 4a 는 미소 균열을 나타내는 TiN 막의 개략적인 단면도.
도 4b 는 도 4a 의 TiN 막의 스트레스 및 비저항을 나타내는 그래프.
도 5a 는 균열이 없는 TiN 막을 도시하는 개략적인 단면도.
도 5b 는 도 5a 의 TiN 막의 스트레스 및 비저항을 도시하는 그래프.
도 6 은 500℃ 에서 증착된 TiN 막의 스트레스 및 비저항을 도시하는 그래프.
도면의 주요부분에 대한 부호설명
10 시스템 100 공정 체임버
110 제어 유닛 120 샤우어헤드
130 가스 패널 150 페디스털
170 히터 190 웨이퍼
200 실리콘 기판 202 산화층
본 발명은 두꺼운 질화 티타늄 (TiN) 막의 스트레스에 의해 유도된 균열 문제를 다룬다. 예를 들어, 두꺼운 TiN 막은 서브-0.18㎛ 기술에서의 플러그 응용을 위해 사용될 수도 있다. 막에서 발생하는 균열은 막 비저항을 증가시키게 되며, 이것은 접촉 홀에서의 접촉 저항에 직접적으로 영향을 끼친다. 본 발명은 비교적 두껍고, 낮은 스트레스의 TiN 막이 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 형성될 수 있게 한다. 일실시예에서, TiN 층은 2.5 ~ 17, 보다 바람직하게는 약 8.5 의 NH3: TiCl4비율, 및 약 500℃ 의 공정 온도에서 증착된다. 다른 실시예에서, TiN 층은 바람직하게 약 500℃ 의 온도에서 2개의 상이한 NH3: TiCl4비율을 이용하여 상이한 두께를 갖는 Tin 막을 교대로 증착함으로써 형성된다. 특히, 한 공정 단계에는 낮은 스트레스를 갖는 얇은 TiN 막을 형성하는 단계가 관련되며, 다른 공정 단계는 향상된 단계 커버리지를 갖지만 보다 높은 막 스트레스를 갖는 보다 두꺼운 TiN 막을 증착하는데 이용된다. 이러한 2개의 공정 단계는 원하는 최종 TiN 층 두께가 얻어질 때까지 반복된다. 본 발명은 감소된 스트레스 및 뛰어난 전체 단계 커버리지를 갖는 두꺼운 TiN 막을 제공한다. 2개 단계 접근법으로 인해 보다 큰 공정 마진이 가능해지며, 단일 단계 접근법을 이용하여 얻어지는 특성에 비해 향상된 특성 (즉, 감소된 스트레스) 을 갖는 복합 TiN 층이 발생한다.
시스템 (10)
도 1 은 본 발명의 실시예를 실행하는데 이용될 수 있는 웨이퍼 처리 시스템 (10) 의 개략적인 도이다. 시스템 (10) 은 전형적으로 전원 및 진공 펌프와 같은 다른 하드웨어 구성요소와 함께 공정 체임버 (100), 가스 패널 (130), 제어 유닛 (110) 을 포함한다. 공정 체임버 (100) 의 한 예로 TiN 체임버가 있으며, 참고로 "High Temperature Chemical Vapor Deposition Chamber" 라는 명칭으로 1998년 12월 14일 출원한 미국특허 출원번호 제 09/211,998 호에서 이미 설명되어 있다. 시스템 (10) 의 일부 주요 특성은 아래에 간략히 설명된다.
체임버 (100)
공정 체임버 (100) 는 일반적으로 지지 페디스털 (150) 을 포함하며, 이것은 공정 체임버 (100) 내의 반도체 웨이퍼 (190) 와 같은 기판을 지지하는데 사용된다. 페디스털 (150) 은 (도시되지 않은) 배치 메카니즘을 이용하여 체임버 (100) 내에서 특히 수직 방향으로 이동될 수 있다. 특정한 공정에 의존하여, 웨이퍼 기판 (190) 은 처리되기에 앞서 어떤 원하는 온도에서 가열되어야 한다. 본 발명에서, 웨이퍼 지지 페디스털 (150) 은 매입된 히터 (170) 에 의해 가열된다. 예를 들어, 페디스털 (150) 은 AC 전원 (106) 으로부터의 전류를 히터 소자 (170) 에 인가함으로써 저항하여 가열된다. 이제, 웨이퍼 (190) 는 페디스털 (150) 에 의해 가열되고, 예를 들어, 750℃ 의 공정 온도에서 유지될 수 있다. 열전대와 같은 온도 센서 (172) 는 종래의 방식에서 페디스털 (150) 의 온도를 감시하도록 웨이퍼 지지 페디스털 (150) 내에 또한 매입된다. 예를 들어, 측정된 온도는, 웨이퍼 온도가 특정한 공정 응용을 위해 소망하는 적절한 온도로 유지되거나 제어될 수 있는 것처럼 가열 소자 (107) 용 전원 (106) 을 제어하도록 피드백 루프에서 이용될 수도 있다.
가스 패널 (130) 을 통한 가스 흐름의 적절한 제어 및 조절은 (도시되지 않은) 대량 가스 제어기 및 컴퓨터와 같은 제어기 유닛 (110) 에 의해 수행된다. 샤우어헤드 (showerhead; 120) 로 인해 가스 패널 (130) 로부터의 공정 가스가 체임버 (100) 내로 균일하게 분산 및 도입될 수 있다. 예로, 제어 유닛 (110) 은 중앙 처리 유닛 (CPU; 112), 지지 회로 (114), 및 관련된 제어 소프트웨어를 포함하는 메모리 (116) 를 포함한다. 제어 유닛 (110) 은 웨이퍼 전송, 유량 제어, 온도 제어, 체임버 배출, 등과 같은 웨이퍼 처리에 필요한 수많은 단계의 자동 제어를 담당한다. 제어 유닛 (110) 과 시스템 (10) 의 다양한 구성요소 간의 양방향 통신은 신호 버스 (118) 로 언급되는 수많은 집약된 단일 케이블을 통하여 이루어지며, 그 일부가 도 1 에 도시되어 있다.
진공 펌프 (102) 는 공정 체임버 (100) 를 배출하고 체임버 (100) 내에서 적절한 유량 및 압력을 유지하는데 사용된다. 체임버 (100) 내로 공정 가스가 도입되게 하는 샤우어헤드 (120) 는 웨이퍼 지지 페디스털 (150) 위에 위치한다. 본 발명에서 사용되는 듀얼 가스 샤우어헤드 (120) 는 2개의 개별적인 경로를 갖고, 이것은 2개의 가스가 미리 혼합되지 않고 체임버 (100) 내로 개별적으로 도입되게 한다. 샤우어헤드 (120) 의 상세한 사항은 참고로 "Dual Gas Faceplate for a Showerhead in a Semiconductor Wafer Processing System" 이라는 명칭으로 1998년 6월 16일 출원한 미국특허 출원번호 제 09/098,969 호에서 설명되어 있다. 샤우어헤드 (120) 는, (도시되지 않은) 대량 흐름 제어기를 통해 공정 시퀀스의 상이한 단계에서 사용되는 다양한 가스를 제어 및 공급하는 가스 패널 (130) 에 연결된다. 웨이퍼 처리동안, 퍼지 가스 공급기 (104) 는 예를 들어, 페디스털 (150) 위에 불필요한 증착이 형성되는 것을 최소화하기 위해 페디스털 (150) 의 밑면 주위에 퍼지 가스, 비활성 가스를 또한 제공한다.
TiN 막 증착
이상적인 TiN 막은 특히 0.18㎛ 이하의 작은 기하학과 관련된 플러그 필 응용에서 낮은 스트레스 및 뛰어난 단계 커버리지를 갖추어야 한다. 최적의 바람직한 특성을 갖는 막을 제공하기위해 증착 공정 조건의 적절한 조절이 요구된다. NH3과 TiCl4간의 반응을 이용하여 TiN 을 증착시에, 예를 들어, NH3: TiCl4비율은 다양한 단계 커버리지 및 스트레스 특성을 갖는 TiN 막을 제공하도록 조절될 수 있다.
표준 TiN 증착 공정에서, 650℃ 초과의 페디스털 온도는 약 5 의 NH3: TiCl4비율에서 흔히 사용된다. 이에따라 200Å 두께의 막용으로 2 x 1010dyne/cm2차수로 신장력을 갖는 TiN 막이 발생한다. 균열은 약 400Å 두께인 막에서 발생하기 시작한다. 일반적으로, TiN 막 스트레스는 증착 온도를 낮춤으로써 그리고/또는 NH3: TiCl4비율을 증가함으로써 감소될 수 있다. 그러나, 증가된 NH3: TiCl4비율은 단계 커버리지를 또한 감소되게 한다.
본 발명은 뛰어난 단계 커버리지를 갖고 두꺼우며 균일이 없는 TiN 층을 형성하는 2개의 대체 실시예를 제공한다. 일실시예는 표 1 에 도시된 공정 단계 (a) 를 이용한다. 제 2 실시예에서, 복합 TiN 층은 상이한 NH3: TiCl4비율을 갖는 2개의 공정 단계 (a 및 b) 를 교대로 수행함으로써 형성된다. 이러한 2개의 단계 (a, b) 를 위한 공정 파라미터는 표 1 에 도시된다.
단계 (a) 단계 (b)
범위 바람직한 값 범위 바람직한 값
NH3(sccm) 30 - 200 100 100 - 500 150
N2(sccm) 1000 - 5000 2000 1000 - 5000 2000
TiCl4(sccm) 3 - 25 12 1 - 6 1.8
N2(sccm) 500 - 2500 1000 500 - 2500 1000
He (sccm) 500 - 2500 1000 500 - 2500 1000
NH3:TiCl4 2.5 - 17 8.5 40 - 250 85
페디스털 온도(℃) 400 - 600 500 400 - 600 500
압력 (torr) 5 - 50 20 5 - 50 20
Ar (sccm) 퍼지 1000 - 5000 2000 1000 - 5000 2000
도 2a - 2c 는 집적회로 제조 시퀀스의 상이한 스테이지에서 기판 (200) 의 개략적인 단면도를 도시한다. 일반적으로, 기판 (200) 은 막 처리가 수행되는 소재이며, 기판 구조 (250) 는 기판 (200) 위에 형성된 다른 물질 층과 함께 기판 (200) 을 일반적으로 나타내는데 사용된다. 처리의 특정 스테이지에 의존하여, 기판 (200) 은 실리콘 반도체 웨이퍼, 또는 웨이퍼 위에 형성된 다른 물질층에 상응할 수도 있다. 예를 들어, 도 2a 는 기판 구조 (250) 의 단면도를 도시하며, 종래에 기판 (200) 위에 (예를 들어, 리소그래피 및 에칭에 의해) 형성되어 패터닝된 물질층 (202) 을 갖는다. 물질층 (202) 은 기판 (200) 의 최상위면으로 연장되는 접촉 홀 (202H) 을 형성하도록 패터닝된 산화물 (즉, SiO2) 일 수도 있다. 도 2a 는 기판 (200) 이 실리콘인 일실시예를 도시하며, 실리사이드 층 (201), 즉 다른 것들 중에서 티타늄 실리사이드 (TiSiX) 는 접촉 홀 (202H) 의 밑면 (202B) 에 형성된다. TiSiX층 (201) 은, 예를 들어, 실리콘 기판 (200) 및 패터닝된 산화물 (202) 위에 Ti 를 증착 (즉, 물리적 기상 증착 또는 CVD) 함으로써 형성될 수도 있고, 이후에 고온의 어닐링이 뒤따르며, 이에따라 TiSiX층 (201) 이 형성된다. 반응하지 않은 Ti 층 (203) 은 산화층 (202) 의 최상면 (202T) 에 존재한다 (비등각 Ti 증착때문에 접촉홀 (202H) 의 측면 (202S) 에는 Ti 가 형성되지 않는다). 도 2b 는 도 2a 의 기판 구조위에 증착된 TiN 층 (204) 을 도시한다.
본 발명의 일실시예에서, TiN 막 (204) 은, 표 1 의 공정 단계 (a) 에 따라 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 도 1 의 체임버 (100) 와 유사한 CVD 체임버에서 형성된다. 기판 구조 (250) 를 갖는 웨이퍼 (190) 가 웨이퍼 지지 페디스털 (150) 위로 로드된 후, 다른 가스와 함께 NH3및 TiCl4는 TiN 막 증착을 위해 체임버 (100) 내로 도입된다. TiCl4는 헬륨 (He) 및 질소 (N2) 와 함께, 듀얼 가스 샤우어헤드 (120) 의 (도시되지 않은) 한 개의 가스 라인을 통해 도입된다. TiCl4는, 상온에서 액체이기에, 예를 들어 (도시되지 않은) 액체 주입 시스템을 이용하여 가스 라인으로 전달된다. 일반적으로, 다음에 따르는 유량 범위가 사용될 수 있다. 즉, (액체 유량으로부터 미세 조정된) TiCl4는 3 ~ 25 sccm , He 는 500 ~ 2500 sccm, 및 N2는 500 ~2500 sccm 에서 사용될 수 있다. He 및 N2는 일반적으로 희석 가스로 언급된다. He 및 N2는 단지 예로서 언급된 것이며, 아르곤 (Ar) 및 수소 (H2) 와 같은 다른 가스가 희석 가스로서 또한 사용될 수 있다. 30 ~ 200 sccm 범우의 NH3는 1000 ~ 5000 sccm 범위의 N2와 같은 희석 가스와 함께 듀얼 가스 샤우어헤드 (120) 의 제 2 가스 라인을 통해 체임버 (100) 내로 도입된다. 어떠한 가스 라인에서의 희석 가스는 단일 가스, 또는 상이한 가스 혼합물의 조합 비율로 된 한 개 이상의 가스를 포함할 수 있다. 희석 가스의 정확한 비율 또는 조합은 본 발명의 실행에 대하여 결정적인 것이 아니며, 제 1 및 제 2 가스 라인에서 각 유량 간에 일부 균형이 유지되는 것이 바람직하다. 2개의 가스 라인에서 동일한 유량을 적절히 유지함으로써, 잠재적인 역류 문제가 회피될 수 있다. 보다 바람직하게, TiN 증착은 제 1 가스 라인에서 약 2000sccm 의 N2흐름 및 약 100sccm 의 NH3흐름에서, 그리고 제 2 가스 라인에서 약 1000sccm 의 He 흐름 및 약 1000sccm 의 N2흐름에서 수행된다. 10 ~ 50 토르 범위, 바람직하게는 약 20토르에서 약 5 토르보다 큰 전체 압력, 및 약 400 ~ 600 ℃의 온도 범위에서, 즉, 550℃보다 작고, 보다 바람직하게는 약 500℃ 인 페디스털 온도가 사용될 수 있다. 특정한 공정 조건에 의존하여, 기판 온도는 페디스털 온도보다 낮은 약 30 ~ 40℃ 일 수도 있다. 게다가, 약 2000sccm, 또는 보다 일반적으로 1000 ~ 5000 sccm 의 밑면 비활성 가스 퍼지 흐름 (즉, Ar 또는 다른 비활성 가스) 은 체임버 (100) 의 밑면에 제공되는 퍼지 가스 공급기 (104) 및 개별적인 가스 라인을 통해 확립된다. 이러한 가스 퍼지 흐름은 웨이퍼 지지 페디스털 (150) 의 뒷면에 바람직하지 못한 증착 누적을 최소화하는데 도움을 준다. 이러한 공정 조건에서, 약 5x109dynes/cm2을 갖고 1x109dynes/cm2만큼 낮은 막 스트레스를 가지며 균열이 없는 TiN 층 (204) 은 약 7 인 종횡비 및 수직에 가까운 측벽을 갖는 접촉 홀에 걸쳐 약 95% 의 단계 커버리지를 갖고 형성될 수 있다. (종횡비는 깊이 (d) 대 접촉홀 (202H) 의 폭 (w) 의 비율로 정의된다) TiN 층 (204) 은 주요 결정 배향 (220, 200) 을 갖는다. 도 2c 는 접촉 홀 (202H) 내부에 TiN 플러그 (210) 의 형성을 도시한다. 플러그 (210) 는 도 2b 의 구조로부터 적절한 평탄화 기술, 즉, 블랭킷 에치백 또는 화학적 기계적 연마에 의해 형성될 수 있다.
또다른 실시예에서, 복합 TiN 층은, 또다른 공정 단계 (b) 와 함께 상기한 단계 (a) 로 언급되는 공정 단계를 이용함으로써 형성된다. 상기한 바와 같이, NH3및 TiCl4비율은 스트레스, 단계 커버리지 및 결정 구조와 같은 증착된 TiN 막 성질에 영향을 준다. 공정 단계 (a) 에 따라 증착된 TiN 막은 뛰어난 단계 커버리지를 나타내며, 막 스트레스는 두꺼운 막 응용에 있어서 최적이 되지 못할 수도 있다. 그러나, NH3및 TiCl4비율을 증가함으로써, 감소된 스트레스를 갖는 TiN 막이 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 상이한 두께를 갖는 TiN 막은 단계 (a, b) 의 공정 조건을 교대로 이용하여 도 2a 의 기판 구조 (250) 위에 증착된다.
도 3a ~ 도 3d 는 대체 실시예에 따라 처리를 실행하는 기판 (200) 의 개략적인 단면도를 도시한다. 예를 들어, 도 3a 는 도 2a 의 구조와 동일한 기판 구조 (350) 를 도시한다. 도 3b 는 t1의 두께로 기판 (350) 위에 증착되는 제 1 TiN 층 (302) 을 도시한다. 일반적으로, 기판 구조 (350) 위에 초기 TiN 층 (302) 을 형성하기 위해 공정 단계 (a 또는 b) 가 이용될 수도 있다. 그러나, 실리사이드 층 (201) 이 주로 TiSiX이라면, 초기 TiN 층 (302) 을 형성하기 위해서는 공정 단계 (b) 가 이용되는 것이 바람직하다. 공정 단계 (b) 를 이용하여 형성된 TiN 층 (302) 은 (111) 배향과 함께 (200) 결정 구조를 나타낸다. 이후 t2두께의 제 2 TiN 층 (304) 은 도 3c 에 도시된 바와 같이 공정 단계 (a) 를 이용하여 층 (302) 위에 형성된다. 층 (304) 은 층 (302) 에 비교하여 나은 단계 커버리지를 갖기에, t2가 t1보다 큰 것이 바람직하다. 따라서, 공정 단계 (b) 는 층 (304) 위에 t3두께의 제 3 TiN 층 (306) 을 형성하도록 반복될 수 있다. 단계 (a 및 b) 를 이용하는 대체 층 증착은 최종, 즉 복합 TiN 층 (310) 을 생성하기 위해 필요한 만큼 자주 반복될 수도 있다. 복합 TiN 층 (310) 의 두께 (tc) 는 각 층 (302, 304, 306...) 의 두께 (t1+ t2+ t3 +...) 합으로 주어진다. 일반적으로, (구성요소 층으로 언급될 수도 있는) 대체 층 (302, 304, 306) 은 상이한 두께로 증착될 수도 있다. 즉, 층 (302, 306) 은 서로 동일한 두께를 가질 필요가 없다. 그러나, 보다 나은 단계 커버리지를 갖는 구성요소 층이 보다 낮은 스트레스를 갖지만 더 열화된 단계 커버리지를 갖는 다른 구성요소 층보다 두껍게 증착되는 것이 바람직하다. 따라서, 형성된 복합 TiN 층 (310) 은 공정 단계 (a) 에 의해 제공되는 뛰어난 단계 커버리지 및 공정 단계 (b) 로부터 감소된 막 스트레스라는 장점을 갖는다.
예를 들어, 약 1x109dynes/cm2미만의 막 스트레스를 갖는 TiN 층 (302) 은 전형적으로 약 20Å 미만의 두께로 증착된다. 5x109dynes/cm2미만의 막 스트레스 및 약 95% 의 단계 커버리지를 갖는 층 (304) 은, 150 ~ 300Å, 보다 바람직하게는 약 200Å 의 두께 (t2) 로 증착된다. 프로시저는 원하는 최종 TiN 층 두께가 얻어질 때까지 필요한 만큼 단계 (a 및 b) 를 교대로 반복한다. 예를 들어, 5사이클의 증착 반복 공정을 이용하여, 1000Å 두께의 균열이 없는 TiN 층이 약 90% 의 전체 단계 커버리지로 얻어진다.
특히, 공정 단계 (b) 는 40 ~ 250 dml NH3: TiCl4, 바람직하게는 약 85 의 비율 사용을 필요로 한다. NH3흐름은 100 ~ 500sccm, 보다 바람직하게는 약 150sccm 일 수도 있고, 한편 TiCl4은 1 ~ 6 sccm, 보다 바람직하게는 약 1.8sccm 일 수도 있다. 다른 희석 유량, 온도 및 압력 범위는 단계 (a) 에서와 동일하다.
공정 온도의 감소 및 NH3: TiCl4유량의 증가는 본 발명의 2가지 중요한 점이다. TiN 막에 대한 2개 파라미터의 영향은 도 4 ~ 6 에 도시된다. 도 4a 는, 약 680℃ 의 페디스털 온도에서 약 5 의 NH3: TiCl4비율을 갖는 표준 TiCl4/NH3증착 공정을 이용하여 기판 (400) 및 패터닝 층 (402) 위에 형성되는 TiN 층 (404) 의 개략적인 단면도를 도시한다. 층 (404) 에서의 내재적으로 높은 막 스트레스로 인해 수많은 균열 (404C) 이 형성된다. 도 4b 는 TiN 층 (404) 의 두께 함수로서 막 스트레스 및 비저항을 도시하는 그래프이다. TiN 층 (404) 의 두께가 약 200Å 로부터 1000Å 넘을 때까지 증가함에 따라, 막 스트레스는 약 2x1010dynes/cm2으로부터 1x1010dynes/cm2로 감소된다. 이러한 막 두께를 증가시킴에 따라 막 스트레스가 감소되는 명백한 역설은 미세 균열로서 설명된다. 즉, 층 (404) 내의 균열 (404C) 외양은 상당한 막 스트레스를 경감한다. 미세 균열과 함께, 막 비저항은 약 140 으로부터 260 μohm-cm 을 넘을 때까지 또한 증가한다.
도 5a 는 패터닝 물질층 (502) 및 기판 (500) 위에 형성된 균열이 없는 TiN 층 (504) 을 도시한다. 층 (504) 은 NH3: TiCl4비율을 약 60 으로 증가시키고 공정 온도를 약 680℃ 로 유지함으로써 증착된다. 도 4a 의 TiN 층 (402) 과는 대조적으로, TiN 층 (504) 은 미세 균열로부터 영향을 받지 않는다. 막 스트레스는 막 두께가 증가되면서 1.5x1010dynes/cm2의 차수로 비교적 일정하게 유지되는 한편, 막 비저항은 약 120 μohm-cm 으로부터 약 100 μohm-cm 으로 감소한다.
균열이 없는 TiN 층은, NH3: TiCl4비율을 약 5 로 유지하는 한편 공정 온도를 약 500℃ 로 감소시킴으로써 또한 형성될 수 있다. 도 6 은, 약 500μohm-cm 의 비저항과 함께, 1x109dynes/cm2미만으로 유지되는 1000Å 두께의 층의 막 스트레스를 도시한다.
표준 TiN 증착 공정에 대하여 NH3: TiCl4비율을 증가시키고 공정 온도를 감소시킴으로써, 본 발명은 낮은 스트레스 및 뛰어난 단계 커버리지를 갖는 두꺼운 TiN 층을 형성하는 방법을 제공한다. 본 발명이 플러그 필과 같은 응용에 특히 적절하지만, 집적회로 제로의 다양한 스테이지에서 발생하는 다른 많은 기판 구조에 일반적으로 적용가능하다.
본 발명의 교시를 포함하는 여러 바람직한 실시예가 도시 및 상세히 설명되었지만, 당해 기술에 숙련된 당업자는 이러한 교시를 여전히 포함하는 다양한 다른 실시예를 만들 수 있다.
형성된 복합 TiN 층 (310) 은 공정 단계 (a) 에 의해 제공되는 뛰어난 단계 커버리지 및 공정 단계 (b) 로부터 감소된 막 스트레스라는 장점을 갖는다.

Claims (32)

  1. 기판위에 질화 티타늄 (TiN) 층을 증착하는 방법으로서,
    (a) 약 10 ~ 50 토르의 압력 및 약 550℃ 미만의 온도 범위에서 암모니아 (NH3) 와 4염화 티타늄 (TiCl4) 간의 반응을 이용하여 제 1 TiN 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는 약 5 를 초과하는 제 1 NH3: TiCl4비율에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는 약 500℃ 의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는 약 20 토르의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는 약 30 ~ 200 sccm 범위의 NH3유량 및 약 3 ~ 25 sccm 범위의 TiCl4기체 유량으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는 약 8.5 의 제 1 NH3: TiCl4비율. 약 500℃ 의 공정 온도, 및 약 20 토르의 전체 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, (b) 제 2 NH3: TiCl4비율에서 NH3와 TiCl4간의 반응으로부터 제 2 TiN 층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 1 NH3: TiCl4비율은 상기 제 2 NH3: TiCl4비율과 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, (c) 제 1 및 제 2 TiN 층을 교대로 포함하는 복합 TiN 층을 형성하기 위해 상기 단계 (a 및 b) 를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 NH3: TiCl4비율은 약 40 을 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 NH3: TiCl4비율은 약 8.5 인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 NH3: TiCl4비율은 약 85 인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 (b) 단계는 약 550℃ 미만의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 Tin 층의 두께는 약 150 ~ 300Å 이고, 상기 제 2 TiN 층의 두께는 약 20Å 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 제 1 및 제 2 TiN 층을 교대로 포함하는 복합 TiN 층을 형성하기 위해 상기 단계 (a 및 b) 를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 기판위에 복합 질화 티타늄 (TiN) 층을 증착하는 방법으로서,
    (a) 약 40 보다 큰 제 1 NH3: TiCl4비율로 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 제 1 TiN 층을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 제 1 NH3: TiCl4비율과 상이한 제 2 NH3: TiCl4비율로 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 제 2 TiN 층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 단계 (a 및 b) 는 약 550℃ 미만의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 NH3: TiCl4비율은 상기 제 2 NH3: TiCl4비율보다 크며 상기 제 1 TiN 층은 상기 제 2 TiN 층의 제 2 두께보다 작은 제 1 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, (c) 제 1 및 제 2 TiN 층을 교대로 포함하는 상기 복합 TiN 층을 형성하기 위해 상기 단계 (a 및 b) 를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 NH3: TiCl4비율은 약 85 인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 NH3: TiCl4비율은 약 8.5 인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 단계 (a 및 b) 는 약 500℃ 의 공정 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 15 항에 있어서, 상기 단계 (a 및 b) 는 10 ~ 50 토르의 압력 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 기판위에 복합 질화 티타늄 (TiN) 층을 증착하는 방법으로서,
    (a) 제 1 NH3: TiCl4비율로 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 제 1 TiN 층을 형성하는 단계;
    (b) 제 2 NH3: TiCl4비율로 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 제 2 TiN 층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 복합 TiN 층을 형성하기 위해 상기 단계 (a 및 b) 를 교대로 반복하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 NH3: TiCl4비율은 상기 제 2 NH3: TiCl4비율과 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 단계 (a 및 b) 는 약 550℃ 미만의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 단계 (a 및 b) 는 약 5 토르를 초과하는 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 NH3: TiCl4비율은 약 5 보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 NH3: TiCl4비율은 약 40 보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 21 항에 있어서, 상기 (a) 단계는 약 30 ~ 200 sccm 범위의 NH3유량 및 약 3 ~ 25 sccm 범위의 TiCl4기체 유량에서 수행되고, 상기 (b) 단계는 약 100 ~ 500 sccm 범위의 NH3유량 및 약 1 ~ 6 sccm 범위의 TiCl4기체 유량에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 실행시에 막증착법을 이용하여 범용 컴퓨터가 증착실을 제어하도록 하는 소프트웨어 루틴을 포함하는 컴퓨터 저장 매체로서, 상기 막증착법은,
    (a) 약 10 ~ 50 토르 및 약 550℃ 미만의 온도에서 암모니아 (NH3) 및 4염화 티타늄 (TiCl4) 간의 반응을 이용하여 제 1 질화 티타늄 (TiN) 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 (a) 단계는 약 5 보다 큰 제 1 NH3: TiCl4비율에서 수행되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 막증착법은, (b) 상기 제 1 NH3: TiCl4비율과 상이한 제 2 NH3: TiCl4비율에서 NH3과 TiCl4간의 반응을 이용하여 제 2 질화 티타늄 (TiN) 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 막증착법은, (c) 제 1 및 제 2 TiN 층을 교대로 포함하는 복합 TiN 층을 형성하기 위해 상기 단계 (a 및 b) 를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
  32. 실행시에 막증착법을 이용하여 범용 컴퓨터가 증착실을 제어하도록 하는 소프트웨어 루틴을 포함하는 컴퓨터 저장 매체로서, 상기 막증착법은,
    (a) 제 1 NH3: TiCl4비율로 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 제 1 두께를 갖는 제 1 TiN 층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제 1 NH3: TiCl4비율보다 작은 제 2 NH3: TiCl4비율로 NH3와 TiCl4간의 반응을 이용하여 상기 제 1 두께보다 큰 두께를 갖는 제 2 TiN 층을 형성하는 단계; 및
    (c) 제 1 및 제 2 TiN 층을 포함하는 복합 TiN 층을 형성하기 위해 상기 단계 (a 및 b) 를 반복하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 (a 및 b) 는 약 550℃ 보다 작은 온도에서 수행되고, 상기 제 1 NH3: TiCl4비율은 약 40 보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
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