KR20020002807A - 플라즈마 질화 공정에 의한 텅스텐-폴리사이드와 비트라인 텅스텐폴리사이드간의 콘택방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 질화 공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법은, W-폴리사이드 워드라인 상부에 형성시킨 실리콘고농도 WSix층을 W-Si-N으로 상변화시켜 콘택하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 기판상부에 형성하고자 하는 반도체소자의 소정 구조물 일부를 형성하고, 이후 폴리실리콘층, 텅스텐-실리콘층, 실리콘고농도 텅스텐-실리콘층을 차례로 형성시킨다. 이 후 형성된 실리콘고농도 텅스텐-실리콘층의 상부를 텅스텐-실리콘-질소층으로 변화되도록 플라즈마 질화 공정을 실시한다. 이 후 콘택 라인을 형성하기 위해 텅스텐-실리콘-질소층 상부에 폴리실리콘층과 텅스텐-실리콘층을 각각 형성하는 다단의 공정단계들을 포함하고 있다.
따라서 본 발명은 콘택저항을 개선하여 소자의 신호처리속도를 배가시키고, 종래 ARC증착공정을 생략하면서도 안정된 CD를 확보하여 게이트의 GOI 및 TR특성이 개선하므로써, 소자의 생산수율을 증대시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 반도체제조에 이용되는 텅스텐-폴리사이드(W-Polycide ; 이하 'W-폴리사이드'라 함)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 W-폴리사이드 워드라인(word line) 상부에 형성시킨 실리콘고농도(Si-rich) WSix층을 W-Si-N으로 상변화시키므로써 W-폴리사이드의 콘택저항을 감소시키고 게이트특성을 개선시키기 위한, 플라즈마 질화 공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법에 관한 것이다.
W-폴리사이드는 소자의 고집적화에 따른 신호처리속도 개선의 측면에서 기존의 폴리실리콘을 대체하여 게이트와 비트라인(bit line)으로 사용되고 있다. 일반적으로 W-폴리사이드 비트라인과 워드라인은 커패시터층으로의 신호이송을 위해 셀주변부위에서 콘택된다. 이러한 콘택저항은 신호이동속도를 지배하는 주요인자이다. 따라서 신호처리시 지연시간(delay time)을 감소시키기 위해서는 콘택저항을 최대한으로 감소시켜야 한다. 종래에는 x값이 약 2.3∼2.5 정도의 Si농도를 갖는 WSix층이 W-폴리사이드 워드라인의 실리사이드층으로 이용되었다.
도 1은 종래의 폴리사이드 비트라인과 W-폴리사이드 게이트의 콘택구조를 나타낸 것이다. 도 2는 도 1의 콘택계면에서의 에너지준위를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 기판(10) 상부에 게이트산화막(11)을 형성한다. 그리고 이 상부에 폴리실리콘층(12)을 형성하여 도핑시키고, 그 상부에 다시 워드라인을 위한 WSix층(13)을 형성함으로써 W-폴리사이드 게이트를 완성한다. 이후 비트라인을 형성하기 위하여 W-폴리사이드 게이트상부의 절연층(14)에 콘택홀을 형성한다. 이 후 콘택홀이 형성된 절연층(14)의 표면에 비트라인용 폴리실리콘층(15)과 WSix층(16)을 차례로 형성함으로써 콘택된 비트라인을 형성한다.
그리고 이러한 종래의 비트라인의 도핑된 폴리실리콘층(15)과 워드라인의 WSix층(13)의 콘택은 도 2에 도시한 바와 같은 에너지구조의 접합을 이루고 있다. 도시된 에너지배드 다이아그램에서 Ev는 가전자대(valence band)를, Ef는 페르미 에너지준위(fermi energy level)를, Ec는 전도대(conduction band)를, Evac는 진공에너지 준위(vaccum energy level)를 각각 나타낸다. 그리고 Φwsix, Φpoly는 WSix와 폴리실리콘의 일함수(work function)를 각각 나타낸다.
도시한 바와 같이, 종래의 비트라인의 도핑된 폴리실리콘층과 워드라인의 WSix층의 콘택은 일함수의 차이를 보이며 접합하고 있음을 알 수 있다.
그러나, 전술한 종래의 워드라인과 비트라인의 콘택은 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 도핑된 폴리실리콘층과 WSix층이 0.65eV의 에너지차이가 있는 이종접합(hetrojuction)을 형성하고 있기 때문에, WSix층 내에서 이동하는 전자의 터널전류(tunneling current)가 감소하게 되며, 이에 따라 콘택저항이 증가되는 문제가 있다. 아울러 이러한 콘택저항은 비트라인 콘택에 대한 에칭공정시, 식각플라즈마 가스와의 반응에 따라 워드라인 WSix층 표면에 형성된 WO3또는 WC 등의 화합물이 장벽기능을 하기 때문에 더욱 증가된다.
또한 비트라인 콘택 에칭시 콘택홀 하부의 워드라인 WSix층 표면이 노출되어 텅스텐(W)과 실리콘(Si)의 스풋터율(sputter yield)의 차이, 텅스텐(W)과 실리콘(Si)의 에칭플라즈마 가스간의 차이로 인하여 거친 표면구조의 WSix층이 형성되어 견고한 콘택계면의 확보가 어려운 문제점이 있다. 그리고 이러한 문제점으로 인하여 커패시터층으로의 신호이송시 지연시간이 증가되며, WSix층의 고반사도 광특성으로 인하여 결과적으로 TR특성과 GOI특성을 열화시킨다.
따라서 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 비트라인 W-폴리사이드와 워드라인 W-폴리사이드의 콘택구조에서 WSiX층 상부의 Si농도분포를 조절하여 Si-rich WSiX층을 형성시킨 후 WSiX층과의 응력차가 적으면서 전도성 W-Si-N층을 증착함으로써, 콘택저항을 감소시키고 TR특성 및 GOI특성을 개선시켜 소자의 신호처리속도를 증가시키기 위한, 플라즈마 질화 공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 폴리사이드 비트라인과 W-폴리사이드 게이트의 콘택구조도.
도 2는 도 1의 콘택계면에서의 에너지준위를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 질화 공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법을 설명하기 위한 도면.
도 4a및 도 4b는 본 실시예에 따라 실리콘의 농도 및 에너지 준위가 변화되는 과정을 나타낸 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10, 30 : 기판 11, 31 : 게이트산화막
12, 15, 32, 37 : 폴리실리콘층 13, 16, 33, 38 : WSix층
14, 36 : 절연층
34 : 실리콘고농도 WSix층 35 : W-Si-N층
본 발명에 따른 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법은, 텅스텐-폴리사이드의 콘택을 형성함에 있어서,
기판상부에 형성하고자 하는 반도체소자의 소정 구조물 일부를 형성하는 제1단계; 상기 형성된 소정 구조물의 상부에 폴리실리콘층을 형성하는 제2단계; 상기폴리실리콘층 상부에 텅스텐-실리콘층을 형성하는 제3단계; 상기 텅스텐-실리콘층 상부에, 실리콘을 고농도로 한 실리콘고농도 텅스텐-실리콘층을 형성하는 제4단계; 상기 형성된 실리콘고농도 텅스텐-실리콘층 상부의 소정 부분이, 텅스텐-실리콘-질소층으로 변화되도록 플라즈마 질화 공정을 실시하는 제5단계; 콘택된 소정 라인을 형성하기 위해 상기 변화된 텅스텐-실리콘-질소층 상부에 폴리실리콘층을 형성하는 제6단계; 및, 상기 콘택된 폴리실리콘층 상부에 텅스텐-실리콘층을 형성하는 제7단계를 포함한다.
이하 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 질화 공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법을 설명하기 위한 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 기판(30) 상부에 게이트산화막(31)을 형성한다. 그리고 이 상부에 도핑된 폴리실리콘층(32)을 형성하고, 그 상부에 다시 노말(normal) WSix층(33)을 형성한다. 이 때, 폴리실리콘층(32)과 WSix층(33)은 각각 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; 이하 'CVD'라 함)방식으로 증착한다. 이러한 증착공정시 폴리실리콘층(32)은 SiH4를 반응기체로, PH3를 도펀트(dopant)로 하며, SiH4대 PH3의 혼합비는 1.1 : 1.5 ∼1.5 : 1.8정도로 해서 약 500∼700℃에서 증착한다.
그 다음, WSix층(33)을 증착하는 과정에서 반응기체의 혼합비율을 조절하여WSix층(33) 상부에 실리콘고농도(Si-rich) WSix층(34)을 형성시킨다. 이 때, 워드라인을 위한 노말 WSix층(33) 및 실리콘고농도(Si-rich) WSix층(34)은 SiH2Cl2와 WF6을 반응시켜 증착시킨다. 이 경우, 워드라인 노말 WSix층(33)은 SiH2Cl2와 WF6의 혼합비를 8∼10 : 1.5∼2로 해서 x가 2.3∼2.5가 되도록, 실리콘고농도(Si-rich) WSix층(34)은 SiH2Cl2와 WF6의 혼합비를 9∼11 : 0.8∼1.2 로 해서 x가 2.6∼2.9가 되도록 각각 형성한다. 이렇게 하면 노말 WSix층(33)의 Si조성이 2.3∼2.5이므로 실리콘층(32)과의 접착강도가 증가하고 산화특성을 향상시킨다.
이 후 실리콘고농도 WSix층(34)과 후술할 N+ 플라즈마와 반응성을 촉진시키기 위해, 아르곤 플라즈마(Ar plasma)공정으로 실리콘고농도 WSix층(34) 표면을 활성화시킨다. 이 경우 아르곤 플라즈마(Ar plasma)공정은 약 3∼8mTorr의 공정압력과 10∼30 sccm유속 하에서 실시한다.
이 후 동일반응기내에서 반응기체로 유입된 질소(N2)기체의 유속량을 10∼30 sccm으로 하고 2∼5mTorr의 공정압력하에서 RF방전에 의해 이온화시킨다. 이 후, 플라즈마 질화(plasma nitridation) 공정에 의해 아래의 (화학식 1) 및 (화학식 2)와 같은 화학반응을 유도하여 Si-rich WSix층(34)의 상부를 W-Si-N(35)으로 상변화시킨다.
이 때의 플라즈마 질화(plasma nitridation)공정은 이온화 및 반응성의 효율이 큰 13.56㎒의 N+ 플라즈마를 이용한다. 또한 약 600∼900℃의 온도에서 후속열처리 공정을 실시하여 노말 WSix층(33)은 육방격자구조에서 정방격자구조로 변화시키고, W-Si-N(35)층은 결정화시켜 결정구조를 미세화한다. 또한 SiH2Cl2와 WF6의 혼합비와 증착시간 등을 조절하여 노말 WSix층(33), 실리콘고농도(Si-rich) WSix층(34), W-Si-N(35)층을 각각 100∼200Å, 500∼800Å, 30∼80Å의 두께로 형성한다. 이렇게 실리콘고농도 WSix층(34), W-Si-N(35)층을 형성하면, 실리콘고농도 WSix층(34)의 잔류응력을 감소시켜 WSix층(34)내 F의 확산도를 감소시키는 효과가 있다.
이후 비트라인을 위하여 형성된 W-Si-N(35)층 상부가 덮히도록 전체적으로 절연층(36)을 형성하고, W-Si-N(35)층 상부까지 절연층(36)에 콘택홀을 형성한다. 이 후 형성된 콘택홀내 W-Si-N(35)층 상부에 비트라인용 폴리실리콘층(37)을 약 500∼700Å의 두께로 형성한다. 다음 비트라인 WSix층(38)은 모노실란(MonoSilane,SiH2)과 WF6를 약 90∼100 : 1∼4정도로 혼합시킨 혼합기체로 반응시켜 약 350∼400℃의 온도에서 증착시켜, 약 900∼1300Å의 두께로 형성한다.
비트라인을 위한 이 폴리실리콘층(37)과 WSix층(38)도 워드라인의 폴리실리콘층(32)과 WSix층(33) 형성시와 같이, 각각 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; 이하 'CVD'라 함)방식으로 증착한다. 또한 폴리실리콘층(37)층도 전술한 바와 동일하게 SiH4를 반응기체로, PH3를 도펀트(dopant)로 하며, SiH4대 PH3의 혼합비는 1.1 : 1.5 ∼1.5 : 1.8정도로 해서 약 500∼700℃에서 증착한다.
도 4a는 본 실시예에 따라 실리콘의 농도가 변화되는 과정을 나타낸 도면으로, 가로축은 실리콘농도가 증가되는 방향을, 세로축은 형성된 층의 깊이가 증가되는 방향을 나타낸다. 그리고, 도 4b는 도 3의 공정을 통해 형성된 콘택계면에서의 에너지준위를 설명하기 위한 도면이다.
이러한 형성과정에서 도 4a에 도시한 바와 같이 워드라인 WSix층(34) 상부의 Si농도를 Cn에서 Cs로 증가시키게 되면, 도 4b에 나타낸 것과 같이 Φwsix(cn)이 Φwsix(cs)로 1차적으로 감소된다. 이 후 (화학식 1) 및 (화학식 2)와 같이 Si-rich WSix층(34)을 W-Si-N(35)으로 상변화시키면, Φw-si-n 으로 장벽에너지가 다시 감소된다. 따라서 WSix층(34)내 전자의 이동시 턴널전류가 증가한다. 아울러 W-Si-N(35)층이 비트라인 콘택 에칭시 노출됨에 따라 WO3및 WC 등의 절연성 화합물 생성이 억제되므로 콘택저항이 감소된다.
또한 WSix층(34)과 W-Si-N(35)층의 격자상수의 차이가 적고 증착시 발생되는 응력의 차이도 적으므로, 응력완화현상(stress relexation effect)이 발생되고 필름 리프트(film lift)현상이 억제되어 생산공정에 적용이 용이하다. 게이트한정(gate define)공정시 형성된 W-Si-N(35)층에 의해 게이트의 GOI 및 TR특성이 개선된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 비트라인 W-폴리사이드/워드라인 W-폴리사이드 콘택구조에서 W-폴리사이드 워드라인의 Si-rich WSix층 상부의 전도성 W-Si-N층을 상온에서 생성시킨다. 따라서 콘택저항을 개선하여 소자의 신호처리속도를 배가시키고, 게이트 한정공정시 게이트 ARC증착공정을 생략하면서도 안정된 CD를 확보한다. 아울러 게이트의 GOI 및 TR특성이 개선하므로써 소자의 생산수율을 증대시키는 효과가 있다.
Claims (16)
- 텅스텐-폴리사이드의 콘택을 형성함에 있어서,기판상부에 형성하고자 하는 반도체소자의 소정 구조물 일부를 형성하는 제1단계;상기 형성된 소정 구조물의 상부에 폴리실리콘층을 형성하는 제2단계;상기 폴리실리콘층 상부에 텅스텐-실리콘층을 형성하는 제3단계;상기 텅스텐-실리콘층 상부에, 실리콘을 고농도로 한 실리콘고농도 텅스텐-실리콘층을 형성하는 제4단계;상기 형성된 실리콘고농도 텅스텐-실리콘층 상부의 소정 부분이, 텅스텐-실리콘-질소층으로 변화되도록 플라즈마 질화 공정을 실시하는 제5단계;콘택된 소정 라인을 형성하기 위해 상기 변화된 텅스텐-실리콘-질소층 상부에 폴리실리콘층을 형성하는 제6단계; 및,상기 콘택된 폴리실리콘층 상부에 텅스텐-실리콘층을 형성하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2, 제3, 제6 및 제7단계는화학기상증착 방식에 의해 폴리실리콘층 및 텅스텐-실리콘층을 증착시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 제2 및 제6단계는상기 폴리실리콘층은 SiH4를 반응기체로, PH3를 도펀트(dopant)로 하여, SiH4대 PH3의 혼합비를 1.1 : 1.5 ∼1.5 : 1.8정도로 해서 약 500∼700℃에서 증착하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제3단계는접착강도가 증가시키기 위해 상기 텅스텐-실리콘층의 실리콘 농도가 2.3∼2.5가 되도록, SiH2Cl2와 WF6의 혼합비를 8∼10 : 1.5∼2로 조절하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제3단계는상기 텅스텐-실리콘층을 100∼200Å의 두께로 형성시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제4단계는접착강도가 증가시키기 위해 상기 실리콘고농도 텅스텐-실리콘층의 실리콘 농도가 2.6∼2.9가 되도록, SiH2Cl2와 WF6의 혼합비를 9∼11 : 0.8∼1.2로 조절하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제4단계는반응성을 촉진하기 위하여 상기 텅스텐-실리콘층의 표면을 활성화시키는 아르곤 플라즈마(Ar plasma)공정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 아르곤 플라즈마 공정단계는약 3∼8mTorr의 공정압력 및 10∼30 sccm유속 하에서 실시하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제4단계는상기 실리콘 고농도 텅스텐-실리콘층을 500∼800Å의 두께로 형성시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제5단계는상기 플라즈마 질화공정을 위해, 질소(N2)기체를 유입시켜 유속량 10∼30 sccm, 공정압력 2∼5mTorr하에서 RF방전에 의해 이온화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항 또는 제 10항에 있어서, 상기 제5단계는상기 플라즈마 질화공정은 13.56㎒의 N+ 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제5단계는상기 텅스텐-실리콘-질소층을 30∼80Å의 두께로 형성시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제6단계는상기 텅스텐-실리콘층 및 텅스텐-실리콘-질소층의 결정구조를 변화시키기 위해, 약 600∼900℃의 온도에서 열처리하는 후속열처리 공정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제6단계는상기 폴리실리콘층을 500∼700Å의 두께로 형성시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제7단계는상기 텅스텐-실리콘층을 900∼1300Å의 두께로 형성시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
- 제 1항 또는 제 15항에 있어서, 상기 제7단계는모노실란(SiH2)과 WF6를 약 90∼100 : 1∼4정도로 혼합시킨 혼합기체로 반응시켜 약 350∼400℃의 온도에서 증착시켜, 상기 텅스텐-실리콘층을 형성시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 질화공정에 의한 텅스텐-폴리사이드의 콘택방법.
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