KR910006971B1 - 고융점 금속막의 형성방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 본 발명에 의한 제1의 실시예를 나타내는 공정 단면도.
제2도 및 제3도는 본 발명에 의한 다른 실시예를 나타내는 공정 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실리콘 기판 2 : n+확산층
3 : 실리콘 산화막 4 : 접촉구멍
5 : 텅스텐 막 6 : 실리콘 기판
7 : 실리콘 산화막 8 : 질화티탄
9 : 텅스텐 막 10 : 실리콘 기판
11 : n+확산층 12 : 실리콘 산화막
13 : 접속공 14 : 질화티탄
15 : 텅스텐
본 발명은 반도체 장치의 제조방법, 특히 고융점 금속막의 형성방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 고집적화는 구성소자의 미세화에 의해 이루어지고 있다.
예를 들면 현재의 IMDRAM256KSRAM은 1-2㎛의 설계기준으로 만들어지며 디바이스는 금후 다시 미세한 서브 미크론의 설계기준으로 제작되도록 하고 있다.
그러나 이 미세화로 인해 반도체 장치의 제조공정에 여러 가지 문제가 생기고 있다.
배선을 예로 들면 설계기준의 축소화로 배선폭은 작아지고 또 배선길이는 증대하는 것이다.
게다가 능동소자수의 증대로 전기적으로 접속해야 하는 개소가 증대하며 또 각각의 접속구멍의 어스펙트비(=접촉깊이/접촉폭)는 증대하는 것이다.
이 때문에 통상의 Al, 1% Si에 의한 배선에서는 배선이 끊어지는 오픈 불량, 접속구멍 저부에서의 단절로 인한 접촉 저항의 증대, 일렉트로 마이그레션등이 속발해서 신뢰성이 높은 배선을 만드는 것이 곤란해진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 배선재료 및 새로운 배선구조가 요구되고 있다.
예를 들면 접촉저항의 증대를 방지하기 위해 고융점 금속이나 질화티탄막(TiN)/티탄(Ti)구조의 확산장벽층을 알루미늄(Aℓ) 혹은 Aℓ, Si 합금과 실리콘(Si) 기판과의 사이에 설치하기도 하며 고융점 금속막에 의한 배선이 시도되기도 하고 있다. 이와 같이 배선용의 새로운 재료로는 현재 고융점의 금속막 혹은 이들의 실리사이드막이 유력하다.
결국 텅스텐(W), 티탄(Ti), 몰리브덴(Mo)등의 고융점 금속막 혹은 이들 실리사이드막을 접촉하는 확산장벽층으로 사용하기도 하며 전계 효과형 트랜지스터(FET)의 게이트 전극에 사용하기도 하는 시도가 있다.
이들 고융점 금속막 혹은 실리사이드막은 고속 스퍼터링법으로 형성되는 경우가 많았지만 지금은 기상성장법(chemical Vapor Deposition; CVD) 으로 형성하려는 것이 시도되고 있다.
이 방법을 사용해서 몇 토르의 감압하에서 이들 박막을 형성한 경우(감압 CVD법) 반응가스의 소위 확산현상이 일어나 어스펙트비가 큰 홈의 저부에도 기판 표면의 평탄부와 같은 균일한 박막의 고융점의 금속막을 형성할 수 있다.
이 때문에 전술한 미세한 설계 기준으로 설계되어 간격이 작은 배선 라인과 스페이스를 갖추고 협소한 접속구멍을 갖는 초 LSI의 메탈리제이션에 있어 감압 CVD법은 극히 유효한 박막형성 방법이라고 말할 수 있다.
또 특히 일회의 CVD공정으로 텅스텐(W)은 기판상의 특정영역에만 형성된다.
소위 텅스텐(W)의 선택 CVD법은 반도체 장치의 제조공정을 간략화해 자기 정학적으로 전기적인 신뢰성이 높은 W막을 형성할 수 있으므로 실용산 장점이 많은 박막형성 방법으로서 주목을 받고 있다.
텅스텐 막의 선택 CVD법이라는 것은 텅스텐의 할로겐화물 (통상은 6불화 텅스텐을 사용하고 있다)과 수소(H2)가스와의 혼합가스를 원료가스로서 CVD법에 의해 실리콘, 알루미늄 및 그 합금 또는 텅스텐등의 고융점 금속 등의 위에만 선택적으로 W막을 형성하는, 실리콘 산화막 등의 절연막 상에는 형성되지 않는 텅스텐 막의 형성방법을 말한다.
통상 이와 같은 텅스텐의 선택 CVD법으로는 어느 정도의 퇴적속도는 얻어지지만 막질은 양호하지 않으므로 배선으로 사용할 수 없는 경우가 많다.
또 안정된 퇴적속도가 얻어지는 온도 범위는 한정되어 있다. 예를들면 콜드왈 타이프의 반응로에서 램프를 가열할 경우 300℃-340℃정도, 통상 엄밀하게 온도를 일정하게 유지하는 것은 어렵고(오차 범위가 크기 때문) 전술한 온도 범위를 벗어난 경우 퇴적속도의 제어가 곤란하게 된다.
한편 종래 흔히 사용되는 WF6-H2계에 의한 텅스텐의 선택 CVD법에서는 퇴적 초기 과정에서는 반드시 실리콘 등의 기판물질에 의한 WF6의 환원반응으로 텅스텐이 퇴적되므로 텅스텐의 퇴적은 기판물질의 소비소위 "부식"을 초래해 심한 경우에는 예를들면 실리콘 기판의 확산층이 형성된 부분에 텅스텐을 퇴적하도록 하면 전술한 확산층의 파괴를 일으키는 경우도 자주 보였다.
이와 같이 WF6-H2계의 선택 CVD법에서는 기판물질의 소비를 재현성 좋게 억제하는 것은 어렵고 또 통상의 CVD법으로 양호하게 선택성을 유지하며 또 실용적인 퇴적속도로 W막을 두껍게 형성하는 것이 곤란하므로 실용적이 못되었다. 그밖에 WF6-SiH4계의 가스를 사용한 텅스텐 막의 선택 CVD의 경우 WF6-H2계보다도 퇴적속도가 빠르지만 막질은 역시 실용적인 것이 아니었다.
본 발명은 종래의 고융점 금속막의 화학적 기상성장법 또는 고융점 금속막의 선택적 기상성장법의 문제를 해결하고 선택성이 좋고 고속으로 양호한 고융점의 금속막을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 전술한 종래의 고융점 금속막의 형성에 있어서의 문제점을 해결하기 위해 고융점 금속인 할로겐화물과 수소와 모노실란 또는 디실란 또는 그들 할로겐화물과의 혼합가스를 원료가스로 하여 화학적 기상성장법으로 고융점 금속막을 형성한다.
실란, 디실란 또는 이들 할로겐화물 가스에 의한 고융점 금속인 할로겐화물의 환원반응을 이용함과 동시에 수소가스를 가함으로써 전술한 반응을 어느 정도 억제시켜 고융점 금속막을 형성하도록 했다.
이로 인해 텅스텐의 기판 물질쪽에의 "부식"은 없고 선택성은 뛰어나며 또 텅스텐의 양호한 고속 퇴적이 가능하게 된다.
다음은 본 발명에 의한 실시예를 도면을 사용해 설명한다. 제1도는 본 발명에 의한 제1의 실시예를 설명하기 위한 공정 단면도이다.
우선 제1도(a)에서 처럼 P형 실리콘 기판(1)상에서 소자분리를 하여 As를 이온 주입한 뒤 활성화해 n+확산층(2)으로 형성한다.
그리고 실리콘 산화막(3)을 퇴적시키고 통상의 광로광법등을 사용해 전극을 전술한 확산층(2)과 접속시키기 위한 접촉구멍(4)을 형성한다.
여기서 기판의 표면에는 실리콘 표면(n+확산층)이 노출된 부분과 실리콘 산화막(3)이 노출된 부분이 존재하고 있다.
이 기판을 적당하게 화학적 처리 혹은 물리적 처리를 해서 깨끗한 실리콘 표면 및 실리콘 산화막 표면으로 한후 통상의 확산로형의 감압 CVD로에 넣고 아르곤을 0-2000cc/min 또는 수소를 200-3000cc/min 통하게 하면서 200-600℃의 소정온도로 기판을 가열한다. 그런후에 수소(H2) 가스의 유량을 적당한 퇴적조건으로 설정해서 안정시킨 후 디클로로실란(SiH2Cl2)을 1-200cc/min로 통과시킨다.
이때 전술한 온도범위에서 디클로로실란이 분해되어 기판상에 퇴적되는 일은 없었다.
그런 다음 수소 및 SiH2Cl2를 통과시킨 채로 다시 WF6를 0.1-100cc/min 첨가하면 제1b도에서 처럼 접촉구멍(4) 저부의 실리콘 상에 선택적으로 텅스텐(5)이 퇴적속도 100-15000Å/min으로 퇴적되었다.
이때 실리콘 산화막(3)상에 텅스텐이 형성되는 일은 없었고 선택성은 완전했다.
이 텅스텐의 선택퇴적은 WF6와 SiH2-Cl2와의 표면반응으로 형성되므로 종래의 예에서 설명했듯이 WF6와 H2의 혼합가스계를 사용하면 생기는 텅스텐이 하지기판쪽을 먹어들어가는 소위 부식현상이 현저하게 억제되어 접합의 파괴가 생기는 일은 없었다.
본 실시예에서는 디클로로실란(SiH2C12)을 사용했지만 이 가스 대신에 실란, 디실란 혹은 이들 할로겐화물 가스를 사용해도 같은 효과가 얻어졌다.
또 본 실시예와 같이 (ⅰ) H2가스를 도입한 경우와 (ⅱ) H2가스 대신에 Ar가스를 도입한 경우를 비교하면 (ⅰ) H2가스를 도입한 경우가 (ⅱ) Ar가스를 도입한 경우에 비해 속도는 약간 떨어졌지만 어느 정도의 일정한 퇴적속도가 얻어지는 온도범위가 더욱 광범위하고 막질은 극히 양호하며 실용적인 것으로 나타났다.
또 선택성에 대해 분석했더니 선택성은 WF6의 유량 Q1과 SiH2Cl2의 유량 Q'2에 따라 Q를 증가시키면 선택성은 향상되지만 W막의 퇴적속도는 느려진다.
역으로 Q'2를 증가시키면 퇴적속도는 빨라지지만 선택성은 떨어져 기판 표면 전면에 W막이 형성되는 것을 알았다.
이 선택성이 갖는 Q'1,Q'2의 범위는 온도, 압력, 유량비에 크게 의존하며 유량비는 Q2/Q1 
3로 양호한 선택성이 얻어졌다.
그러나 퇴적속도(T)가 높아지면 Q2/Q1＞2에서 특히 기판 중심쪽에서 선택성이 붕괴되는 경우도 나타나며 퇴적온도를 250℃
T
350℃, 350℃
T
600℃로 나누면 전자에서는 Q2/Q1 
3, 후자에서는 Q2/Q1 
1.5로 하는 선택성이 얻어졌다.
퇴적압력도 선택성에 영향을 주는 중요한 인자이며 전술한 조건에서는 0.01-5토르의 전압으로 선택성이 얻어졌지만 보다 저압쪽이 뛰어난 효과가 있다.
제2도는 본 발명에 의한 제2의 실시예를 나타내는 공정단면도이다.
우선 P형 실리콘 기판(6)상에 실리콘 산화막(7)을 8000Å 형성하고 그런 다음 고속 마그네트론 스퍼터링인 화성 스퍼터링으로 질화티탄막(TiN)(8)을 1000Å 형성했다.
그런 다음 통상의 광로광법으로 질화티탄막(8)을 패터닝했다.(제2a도).
본 기판을 제1의 실시예와 같이 통상의 확산로형의 감압 CVD로에 넣고 아르곤을 0-2000cc/min 또는 수소를 200-3000cc/min 통과시켜 200-600℃의 소정 온도로 기판을 가열한다.
그런 다음 수소가스의 유량을 적절한 퇴적조건으로 설정해서 안정시킨 후 SiH2Cl2가스를 1-1000cc/min로 흘린다.
이때 전술한 온도 범위에서 SiH2C12가 분해되어 기판상에 퇴적되는 것은 보이지 않았다.
그런 다음에 수소가스 및 SiH2C12가스를 통과시킨 채로 다시 WF6을 0.1-100cc/min 첨가하면 텅스텐막(9)이 질화티탄막(8)상에만 퇴적속도 100-2000A/min로 퇴적되었다.(제2b도).
통상의 WF6와 H2의 혼합가스계를 사용하면 전술한 것과 같은 퇴적조건에서는 TiN상에 텅스텐 막은 퇴적되지 않거나 혹은 퇴적되어도 TiN상은 아니고 기판표면의 전면에 텅스텐 막이 퇴적되었다.
이것은 다음과 같은 이유때문이라고 생각된다. 결국 WF6와 H2와의 반응은 하지 즉 기판상에로의 수소의 흡착해리가 같은 반응을 지배하기 쉬운 점에 있지만 수소의 흡착해리는 텅스텐(W)등의 금속표면에는 생기기 쉬운데 비해 일반적으로 공유결합성이 강한 하지 재질상에서는 생기기 어려우므로 금속이나 실리콘 산화막 그리고 질화막 상에서는 W의 퇴적반응이 일어나기 어렵게 된다.
이에 대해 WF6와 SiH2C12과의 반응에서는 SiH2C12의 흡착 해리과정은 수소의 그것과 비교해서 해리속도가 크고 또 그 해리에서는 Si, H, C1가 생성되지만 WF6의 환원에는 Si가 가장 크게 기여하고 H, C1은 반응 속도를 억제해 제어하기 쉽게 하는 효과가 있다.
제3도는 본 발명에 의한 제3의 실시예를 나타내는 공정단면도이다.
P형 실리콘 기판(10)상에서 소자분리를 이행하고 As등의 이온을 주입한 뒤 활성화해서 n+확산층(11)을 형성한다.
그후 이산화 실리콘막(12)을 퇴적하고 또 통상의 광로광법을 사용해서 패턴전사를 한뒤 반응성 이온 스퍼터링법등에 의해 노출된 실리콘 산화막을 식각해서 접속공(13)을 형성해 적당하게 건식 및 습식 처리를 했다(제3a도).
그런 다음 반응성 스퍼터링법 등으로 질화티탄막(TiN)(14)을 전술한 접속공(13) 및 이산화 실리콘막(12)상에 형성한다(제3b도).
다시 통상의 광로광법과 반응성 스퍼터링법을 사용해 접속 구멍(13) 저부와 측벽에 TiN막(14)을 남긴다(제3c도).
이 기판을 감압 CVD로에 넣고 제2의 실시예와 같이 텅스텐(15)을 TiN상에 선택적으로 퇴적시키면서 접속구멍에 텅스텐(15)으로 채워진 평탄한 기판표면이 형성된다(제3d도).
또 본 실시예에서는 고융점 금속인 할로겐화물로서 6불화 텅스텐의 경우를 나타내지만 고융점 금속으로서는 텅스텐외에 티탄, 탄탈륨, 몰리브덴도 좋으며 또 이들의 염화물도 효과가 있다.
첨가하는 모노실란 혹은 디실란의 할로겐화물로는 SiH2C12외에 SiC14, Si-H2F2, SiF4, Si2H4C12, Si2H2C14, Si2C16, Si2H4F2, Si2H2F4, Si2F6등도 효과가 있었다.
그리고 본 발명은 본 발명의 방법으로 MOS트랜지스터의 소스, 드레인, 게이트 영역상에 예를 들면 고융점 금속막을 1000Å정도 피착해서 바이메탈로의 사용도 가능하다.
이 경우 이 고융점 금속막은 접촉부분의 저저항화가 이루어지는 효과가 얻어진다.
고융점 금속인 할로겐화물의 모노실란 혹은 디실란의 할로겐화물에 의한 환원을 이용하고 이것에 수소가스를 첨가함으로써 반응의 억제작용을 일으키면서 고융점금속막을 형성하므로 고융점 금속막의 양호한 막질에서의 고속 퇴적이나 금속의 질화물상 등의 선택적인 퇴적이 가능하게 된다.
Claims (5)
- 반응용기 내에 텅스텐(W), 티탄(Ti), 탄탈륨(Ta)등의 고융점 금속인 할로겐화물로 이루어지는 가스군으로부터 선택된 적어도 1종류의 가스와 모노실란, 디실란 또는 이들의 할로겐화물로 이루어지는 가스군에서 선택된 적어도 1종류의 가스와 수소가스를 도입하고 전술한 반응용기내에 배치된 기판상의 특정의 영역에 화학적 기상 성장법으로 선택적으로 고융점 금속막을 형성하는 것을 특징으로 하는 고융점 금속막의 형성방법.
- 제1항에 있어서, 전술한 지기판상의 특정 영역이 기판전면, 기판상의 기판과 다른 재질의 박막에 형성된 홈부분, 혹은 기판상의 절연막상에 형성된 금속 배선인 것을 특징으로 하는 고융점 금속막의 형성방법.
- 제1항에 있어서, 고융점 금속의 할로겐 물의 유량(Q1)은 0.1-100cc/min이며 모노실란 또는 디실란 또는 이들의 할로겐화물을 이루어지는 가스군에서 선택된 가스의 유량(Q2)은 200cc/min이하이고 또 양자의 유량비(R=Q2/AQ1)가 Q2/Q13인 것을 특징으로 하는 고융점 금속막의 형성방법.
- 제1항에 있어서, 수소가스의 유량은 4l/min이하이고 또 가스의 전압(퇴적압력) P토르는0.01P
5 (토르)
인 것을 특징으로 하는 고융점 금속막의 형성방법. - 제1항 또는 제3항에 있어서, 화학적 기상 성장법으로 고융점 금속막을 형성할 때의 기판온도(T)가 250-600℃이고 또 250T
350℃때 R=Q2/Q1
3(Q1은 고융점 금속의 할로겐화물로 이루어지는 가스의 유량, Q2는 모노실란, 디실란 또는 이들의 할로겐화물로 이루어지는 가스의 유량) 350
T
600℃때 R
1.5 인 것을 특징으로 하는 고융점 금속막의 형성방법.
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