KR20030059489A - 금속배선 확산방지막을 구비한 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

금속배선 확산방지막을 구비한 반도체 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속배선에 대한 새로운 확산방지막으로서 비정질 텅스텐막을 적용하여 고집적화에 대응하는 얇은 확산방지막의 두께를 확보하면서 확산방지막의 성능을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 확산방지막으로서 ALD 나 CVD 를 이용하여 수 ㎚의 얇은 두께를 갖는 비정질 텅스텐막을 형성하는 것에 의해 달성될 수 있다. 여기서, ALD는 WF6의 텅스텐 전구체 및 보론 함유 개스, 예컨대 B2H6의 환원개스를 이용하여 수행하고, CVD 는 WF6의 텅스텐 전구체 및 SiH4의 환원개스를 이용하고, SiH4/WF6의 유량비를 2.5 이상으로 조절하여 수행한다.

Description

금속배선 확산방지막을 구비한 반도체 소자의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING DIFFUSION BARRIER LAYER IN METAL INTERCONNECTION}
본 발명은 반도체 제조방법에 관한 것으로, 특히 비정질 텅스텐막이 적용된 금속배선 확산방지막을 구비한 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조시, 소자간이나 소자와 외부회로 사이를 전기적으로 연결시키기 위하여 배선을 형성하며, 특히 낮은 저항이 요구되는 부분에는 알루미늄, 텅스텐 및 구리 등의 금속을 주 배선물질로 이용하는 금속배선을 형성한다.
또한, 금속배선의 형성 시에서는, 주 배선 물질 이외에도 배선 이외의 영역인 실리콘 활성영역이나 절연막 등으로 금속 원자들이 확산침투하거나, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 이나 전기도금법 등으로 금속을 증착할 때 발생하는 부산물들이 확산침투하는 것을 방지하기 위하여, 금속배선과 절연막 또는 활성영역 사이에 TiN막, TaN막 또는 WN막 등으로 확산방지막을 형성한다.
이러한 막들은 모두 다결정 형태의 물질 구조를 가지기 때문에, 확산방지막으로서 작용하기 위해서는 최소한 20㎚ 이상의 두께를 가져한다. 그러나, 고집적화에 따른 패턴의 미세화로 인하여 콘택홀 또는 비아홀 크기 및 배선의 크기가 예컨대 100㎚ 이하로 급격히 감소함에 따라, 확산방지막의 두께도 더욱 더 얇아져야 하므로, 확산방지막으로서 상기 막들을 적용하는 데에는 한계가 있다. 또한, 각 입자 사이의 경계면(grain boundary)을 통해 발생하는 물질확산으로 인하여 방지막으로서의 역할을 제대로 수행하기가 어렵고, 이는 두께가 얇을수록 더욱 더 심각해진다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 금속배선에 대한 새로운 확산방지막으로서 비정질 텅스텐막을 적용하여 고집적화에 대응하는 얇은 확산방지막의 두께를 확보하면서 확산방지막의 성능을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 금속 실리사이드 공정시 비정질 텅스텐막을 적용하여 콘택저항을 감소시킬 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 금속도금법에 의한 금속 증착시 시드층(seed layer) 로서 비정질 텅스텐막을 적용하여 우수한 전기 도금 증착을 가능하게 하는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속배선 확산방지막을 구비한 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 2는 ALD 에 의해 증착된 비정질 텅스텐막의 XRD 분석 결과도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 반도체 기판 20 : 층간절연막
30 : 비정질 텅스텐막 40 : 도전막
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기의 본 발명의 목적은 텅스텐막을 ALD 나 CVD 를 이용하여 수 ㎚의 얇은 두께를 갖는 비정질 텅스텐막으로 형성하는 것에 의해 달성될 수 있다.
여기서, ALD는 WF6의 텅스텐 전구체 및 보론 함유 개스, 예컨대 B2H6의 환원개스를 이용하여 수행하고, CVD 는 WF6의 텅스텐 전구체 및 SiH4의 환원개스를 이용하고, SiH4/WF6의 유량비를 2.5 이상으로 조절하여 수행한다.
또한, 비정질 텅스텐막은 배선 공정시 확산방지막으로서 형성하거나, 금속 실리사이드 공정시 금속으로서 형성하거나, 또는 전기도금법에 의한 금속의 증착시 시드층으로서 형성한다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 트랜지스터 공정과 같은 소정의 공정이 완료된 반도체 기판(10) 상에 층간절연막(20)을 형성하고, 층간절연막(20)을 식각하여 기판(10)의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성한다. 그 다음, 콘택홀 표면 및 층간절연막(20) 표면에 확산방지막으로서 비정질 텅스텐막(30)을 형성한다.
바람직하게, 고집적화에 따른 패턴의 미세화를 감안하여 수 ㎚, 예컨대 6㎚의 얇은 두께로 비정질 텅스텐막(30)을 형성하기 위하여, 비정질 텅스텐막(30)을 원자층증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방식이나 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방식으로 형성한다.
먼저, ALD 방식을 적용하는 경우에는, 텅스텐 전구체로서 WF6를 이용하고 환원기체로서 보론(B) 함유 개스, 예컨대 B2H6를 이용하여, 텅스텐 전구체와 환원기체를 교대로 웨이퍼 표면에 화학흡착반응시켜 다음과 같은 반응식 (1)(2)로 비정질 텅스텐막(30)을 증착한다.
(1) WFx(a) ＋ B2H6(g) → W-BHyFz(a) ＋ H2(g) ＋ BHaFb(g)
(2) W-BHyFz(a) ＋ WF6(g) → W-WFx(a) ＋ BHaFb(g) 여기서, a 는 화합물이 표면이 화학흡착(adsorption)된 상태를 나타내고, g는 개스 상태를 나타낸다.
이때, 환원기체로서 종래의 SiH4 나 Si2H6 등을 사용하는 대신 B2H6를 사용하는 이유는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 예컨대 원자층 증착에 의해 티타늄질화막(TiN) 상부에 WF6와 SiH4를 사용하여 텅스텐막을 증착하는 경우(a)와,WF6와 B2H6를 사용하여 텅스텐막을 증착하는 경우(b)의 텅스텐막 박막의 XRD 분석결과를 살펴보면, (a)의 경우에는 W(110) 및 W(200)과 같은 텅스텐막의 결정(crystal)과 관련된 피크(peak)가 관찰되지만, (b)의 경우에는 TiN의 결정과 관련된 피크만 관찰될 뿐 텅스텐막의 결정과 관련된 피크가 전혀 관찰되지 않으므로, 환원기체로서 B2H6를 사용하게 되면 텅스텐막을 비정질 상태로 얇게 형성하는 것이 가능해지기 때문이다.
다음으로, CVD 방식을 적용하는 경우에는, 텅스텐 전구체로서 WF6를 이용하고 환원기체로서 SiH4를 이용하여, 이들 기체의 유량비를 변화시켜 비정질 텅스텐막(30)을 증착한다. 즉, SiH4/WF6의 유량비가 1 이상이 되면 자발적 기상반응이 일어나고, 2.5 이상이 되면 비정질 텅스텐막이 증착되므로, 본 발명에서는 텅스텐의 증착반응시 핵생성단계에서 SiH4의 유량을 WF6의 유량보다 2.5 배 이상 높게 유입하여 비정질 텅스텐막을 증착한다.
이와 같이, 확산방지막으로서 비정질 텅스텐막(30)을 형성한 후, 비정질 텅스텐막(30)이 형성된 콘택홀에 매립되도록 배선용 도전막(40)을 형성한다. 여기서, 도전막은 W, Cu, Al, Ru, Pt, Ag, Ti, Co, Ni, Fe 및 Mn 으로부터 선택되는 금속으로 이루어진 막으로 형성하거나, 이러한 금속과 실리사이드 화합물 또는 질화화합물로 형성한다. 또한, 도전막(40)의 증착은 물리기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD), CVD, ALD, 전기도금(electroplating), 및 무전기증착(electroless depositon) 으로부터 선택되는 하나의 증착법으로 수행한다.
이러한 도전막(40)의 형성 후, 확산방지막으로서 비정질 텅스텐막(30)의 성능을 알아보기 위하여 불소의 확산분포를 분석해 보면, 비정질 텅스텐막이 적용된 경우에는 비정질 텅스텐막에 의해 불소원자가 하지층으로 확산되는 것이 방지되는 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예에 의하면, 확산방지막으로서 텅스텐막을 비정질 상태로 형성함으로서, 고집적화에 대응하는 얇은 확산방지막 두께 및 우수한 확산방지 특성을 확보할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는 배선 형성시 확산방지막으로서 비정질 텅스텐막을 적용하는 경우에 대해서만 설명하였지만, 콘택저항을 감소시키기 위한 금속 실리사이드 공정시에도 비정질 텅스텐막을 적용할 수 있다.
또한, 비정질 텅스텐막은 금속이면서 확산방지 특성을 동시에 가지므로, 전기도금법에 의한 금속의 증착시 시드층으로서도 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 발명은 텅스텐막을 얇은 비정질 상태로 형성하고, 이를 확산방지막, 실리사이드 공정, 및 금속도금법의 시드 층 등에 적용함으로써, 우수한 확산방지막 성능, 낮은 콘택저항, 및 우수한 전기 도금 증착특성을 확보함으로써, 소자의 고집적화를 용이하게 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 텅스텐막을 구비한 반도체 소자의 제조방법으로서,
    상기 텅스텐막을 ALD 나 CVD 를 이용하여 수 ㎚의 얇은 두께를 갖는 비정질 텅스텐막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ALD 는 WF6의 텅스텐 전구체 및 보론 함유 개스의 환원개스를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보론함유 개스는 B2H6인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 CVD 는 WF6의 텅스텐 전구체 및 SiH4의 환원개스를 이용하고, SiH4/WF6의 유량비를 2.5 이상으로 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비정질 텅스텐막을 배선 공정시 확산방지막으로서 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비정질 텅스텐막을 금속 실리사이드 공정시 금속으로서 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비정질 텅스텐막을 전기도금법에 의한 금속의 증착시 시드층으로서 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
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