KR0175011B1 - 티타늄나이트라이드 박막의 제조방법 - Google Patents

티타늄나이트라이드 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

신규한 티타늄나이트라이드 박막 제조방법이 개시되어 있다.
금속유기 소오스를 공급하고, 금속유기 소오스와 직접 반응하지 않는 가스를 플라즈마 발생용 가스로 사용하여 리모트 방식으로 상기 금속유기 소오스와 기상반응하지 않는 비반응성 라디칼을 생성한다. 비반응성 라디칼을 조사하여 티타늄나이트라이드 박막을 형성한다. 비반응성 라디칼을 생성함으로써 중간 생성물 및 미립자의 생성을 억제하고 C-H기를 제거하며 단차 도포성을 개선시킬 수 있다.

Description

티타늄나이트라이드 박막의 제조방법
제1도는 전자-사이클로트론 공명 화학기상증착(ECR-CVD) 장치의 개략적인 구성도.
제2도는 본 발명의 실시예들에 따라 티타늄나이트라이드 박막을 형성하기 위한 단일웨이퍼 냉벽형 저압 화학기상증착 장치의 개략적인 구성도.
제3a도 및 제3b도는 각각 본 발명의 제2실시예에 의한, 플라즈마 전력을 변화시켰을 때의 비저항 및 단차 도포성을 나타내는 그래프들이고, 제3c도는 100W의 플라즈마 전력에서 콘택에 증착된 TiN 박막의 SEM 사진.
제4a도 및 제4b도는 각각 본 발명의 제3실시예에 의한, 수소와 질소의 혼합비를 변화시켰을 때의 비저항 및 단차 도포성을 나타내는 그래프들.
본 발명은 반도체장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마에 의해 발생되는 라디칼 조사를 사용하는 티타늄나이트라이드(이하, TiN이라 한다) 박막의 화학기상증착(Chemical Deposition; 이하 CVD라 한다) 방법에 관한 것이다.
고집적 회로, 특히 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 콘택과 비아(via)의 제조에 있어서 안정적이고 신뢰성있는 금속화공정이 점차 중요해지고 있다. 다층 샌드위치 금속화 공정은 낮은 콘택저항과 신뢰성 있는 도전라인을 제공할 수 있다. 현재는, 콘택 상에 티타늄(Ti) 및 TiN과 같은 장벽층을 형성하고 그 위에 스퍼터된 알루미늄 함금이나 CVD 팅스텐 플러그를 형성하여 금속화를 이루고 있다. 상기 TiN층은 알루미늄과 실리콘 사이의 상호확산을 방지하거나 CVD 텅스텐의 증착동안 실리콘 상에 텅스텐 헥사플로라이드(WF6)가 침투되는 것을 방지하는 역할을 한다.
높은 종횡비를 갖는 콘택이나 비아홀과 같은 미세 형상의 코너나 엣지에서 장벽층 특성의 저하가 유발되는데, 이를 방지하기 위해 낮은 저항과 우수한 장벽특성을 갖는 TiN 박막을 균일하게 증착하는 것이 요구된다. CVD 공정은 서브마이크론급의 형상에서도 우수한 균일성을 갖는 막을 침적할 수 있는 기술이다. 특히, 플라즈마-증대 CVD(Plasma-Enhanced CVD; 이하 PECVD라 한다) 공정이나 전자-사이클로트론 공명 CVD(Electron-Cyclotron Resonance CVD; 이하 ECR-CVD라 한다) 공정은 양질의 TiN 박막을 낮은 기판온도에서 형성하기 위해 널리 사용되어진 기술이다.
제1도는 ECR-CVD 장치의 개략적인 구성도이다. 여기서, 참조부호 20은 마이크로웨이브 플라즈마 공급부를 나타내고, 21은 가스 투입구, 22는 반응챔버, 23은 자계 발생부, 24는 그 위에 TiN막이 증착되어질 웨이퍼를 가열시키기 위한 히터, 그리고 25는 반응챔버로부터 가스를 배출시키는 배출부를 각각 나타낸다.
제1도를 참조하면, ECR-CVD 공정은, 플라즈마에 자계를 가하여 이온과 전자의 공명을 유도함으로써 플라즈마 밀도를 높이는 작용을 한다. 이 공정은 플라즈마 상태에서 구성원소를 반응성(reactive)으로 만들어 Ti를 함유하고 있는 소오스와 반응하여 낮은 열에너지 하에서 박막을 형성하도록 하는 기술이다. 더욱 구체적으로, 마이크로웨이브 플라즈마(2.45GHz)를 사용하여 질소를 반응성 라디칼로 형성하고, 이 라디칼이 재결합하기 전에 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 등의 프리커서(precursor)와 반응시켜 박막을 형성한다. 따라서, 기존의 ECR-CVD 공정의 경우, 충분한 반응성 라디칼을 얻기 위하여 높은 전력밀도를 유지하고 기판과의 거리를 짧게 유지하는 것이 중요하다.
그러나, TiCl4를 프리커서로 하고 종래의 PECVD 공정이나 ECR-CVD 공정을 사용하여 TiN 박막을 성막할 경우, 박막의 증착온도가 높고 충분한 박막 형성 에너지가 제공되지 않을 경우 박막 내에 염소(Cl)기가 포함되어 후속공정에서 부식의 원인이 된다. 또한, 높은 박막 형성온도는 소자 및 회로의 신뢰성을 크게 저하시키는 요인이 된다.
최근에는 이러한 염소기와 고온공정의 문제점을 해결하기 위하여 테트라키스-디메틸-아미노 티타늄(TDMAT) 또는 테트라키스-디에틸-아미노 티타늄(TDEAT) 등과 같은 금속유기 소오스(metal organic source)를 프리커서로서 사용하는 연구가 진행되고 있다 (참조문헌: J.Electrochem. Soc. Vol.140, pp3215~3222, 불활성 가스, 암모니아 또는 리모트 활성화를 사용하여 저압에서 유기 프리커서로써 증착된 CVD-TiN막의 성질). 그러나, 금속유기 소오스를 사용하게 되면 카본(C-H기)의 박막 침투에 의해 박막의 비저항이 증가하는 단점이 있다. 이러한 단점을 억제하기 위해 암모니아와의 반응을 이용하여 TiN 박막을 형성하거나 수소를 포함한 플라즈마를 사용할 경우, 매우 반응성있는 중간생성물이 형성되고, 이들의 결합으로 인한 높은 표면 점착계수(surface sticking coefficient)에 의하여 콘택홀에서의 단차 도포성이 감소되는 경향이 나타나고 있다. 특히, 플라즈마에 의한 금속유기 소오스의 분해는 C-H기의 생성 및 박막 내로의 침투에 의해 박막 내의 카본 함유량이 증가하는 현상을 초래한다. 또한, 이러한 공정은 중간생성물들의 결합에 의한 미립자 발생이 관찰되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 종래방법의 문제점들을 해결하여 저온에서 적절한 비저항을 갖고 높은 단차 도포성을 나타내며 미립자 발생을 최대한 억제할 수 있는 TiN 박막의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 귀하여 본 발명은, 화학기상증착 반응이 일어나는 반응챔버에, 플라즈마를 발생시켜 반응챔버로 유입하는 플라즈마 발생기가 부착된 리모트 방식의 플라즈마 화학기상증착 장치를 이용하여 티타늄나이트라이드 박막을 제조하는 방법으로서, 반응챔버로 금속유기 소오스를 공급함과 동시에, 플라즈마 발생기로 금속유기 소오스와 직접 반응하지 않는 플라즈마 발생용 가스를 공급하여 금속유기 소오스와 기상반응하지 않는 비반응성 라디칼을 생성하는 단계 및 생성된 비반응성 라디칼을 반응챔버로 유입하여 티타늄나이트라이드 박막을 형성할 기판에 조사하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속유기 소오스로서 티타늄과 질소의 결합이 존재하는 소오스를 사용하여 금속유기 소오스 자체의 열분해에 의해 TiN 박막이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 금속유기 소오스와 반응하지 않는 플라즈마 발생용 가스로서는 질소 또는 아르곤 등의 불활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 플라즈마 발생기는 RF(Radio Frequency) 또는 마이크로웨이브 방식의 플라즈마 발생기를 사용할 수 있다.
상기 금속유기 소오스가 비반응성 라디칼에 의해 직접 분해되지 않도록 플라즈마 발생기의 전력을 조절한다.
또한 그리드를 사용하여 상기 비반응성 라디칼의 라디칼 에너지를 조절할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
화학기상증착방법으로 TiN 박막을 제조하는 방법으로서, 가열된 기판에 링-타입노즐을 사용하여 금속유기 소오스를 분사함과 동시에 질소를 플라즈마 발생용 가스로 사용하여 리모트 방식으로 플라즈마를 생성하는 단계 및 생성된 플라즈마를 기판에 수직으로 분사하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 플라즈마 발생을 위한 전력은 80 내지 120W로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 플라즈마 발생용 가스로서 수소를 더 첨가할 수도 있는데, 이때 질소에 대한 수소의 첨가비율은 0.5 내지 0.8인 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명은, 종래의 방법이 반응성 플라즈마에 의해 프리커서와 플라즈마의 반응에 의해 TiN막을 형성함에 반해, 플라즈마 발생용 가스로서 프리커서인 금속유기 소오스와 반응하지 않는 가스를 사용하고 플라즈마 발생기의 전력을 조절하여 플라즈마에 의한 금속유기 소오스의 분해를 방지함으로써 중간 생성물이나 미립자의 발생을 억제하고, 그에 따라 단차 도포성이 개선되며, 금속유기 소오스 자체의 열분해에 의해 TiN 박막을 형성하는 벗을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
[실시예 1]
제2도는 본 발명의 TiN 박막을 형성하기 위한 단일웨이퍼 냉벽(cold-wall)형 저압 CVD장치의 개략적인 구성도이다. 여기서, 참조부호 1은 플라즈마 발생기 연결부를 나타내며, 2는 플라즈마 발생용 가스의 투입구를, 3은 석영 튜브를, 4는 차폐(shield) 박스를, 5는 유도 코일을, 6은 금속유기 소오스의 투입구를, 7은 링-타입노즐을, 8은 반응챔버를, 9는 히터를, 10은 조절판 밸브(throttle valve)를, 11은 플라즈마를, 12는 그리드(grid)를, 13은 배기구를, 그리고 14는 기판(웨이퍼)을 각각 나타낸다.
제2도를 참조하면, 단일 웨이퍼 냉벽형 반응장치에서 가스 또는 라디칼의 유출(flow)은 다운-스트림(down-stream) 또는 업-스트림(up-stream)의 형식을 취할 수 있으며, 펌핑 포트(port) 역시 유출패턴을 고려하여 설치된다. TiN 박막의 증착시 반응챔버(8) 내의 압력은 조절판 밸브(10)로써 조절되기 때문에, 플라즈마 발생용 7가스의 유출비(flow rate)를 변화시킬 수 있다. 상기한 냉벽형 반응장치의 구조는 일반적인 리모트 플라즈마 CVD 장치와 비슷하다.
이러한 증착장치를 사용하여 본 발명의 TiN박막을 증착하는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 분리된 금속유기 소오스 투입구(6)를 통하여 금속유기 소오스를 반응챔버(8) 내의 기판(14) 가까이에 설치된 링-타입노즐(7)로 공급하고, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스를 플라즈마 발생용 가스 투입구(2)로 공급한다. 그리고 플라즈마 발생기의 전력을 조절함으로써 플라즈마 발생기에 투입된 불활성 가스는 비반응성 라디칼로 된다. 이렇게 생성된 비반응성 라디칼은 반응챔버(8)로 투입되는데, 이때 비반응성 라디칼의 라디칼 에너지를 조절하여 금속유기 소오스를 분해하지 않도록 그리드(12)를 사용할 수 있다.
그러면, 상기 링-타입노즐(7)을 통하여 공급된 금속유기 소오스는 비반응성 라디칼에 의해 분해되지 않고 히터(9)에 의해 가열된 기판(14)표면에 흡착되어 열분해된다. 이렇게 기판(14) 표면에 열분해된 금속유기 소오스는 비반응성 라디칼의 조사에 의해 표면이동율(surface migration rate)이 증가되어 결과적으로 단차 도포성이 향상된다. 또한 비반응성 라디칼은 중간생성물을 생성하지 않으며, 따라서 미립자를 발생시키지 않고, 기판에 약하게 결합된 C-H기를 제거함으로써 TiN 박막 내의 탄소 함유량을 감소시킨다.
[실시예 2]
다음으로 제2도에 도시된 증착장치를 사용하여 플라즈마 발생용 가스로서 질소를 사용한 경우와 수소를 사용한 경우를 설명한다. TiN의 프리커서로서는 테트라키스-디메틸-아미노 티타늄(TDMAT)을 37℃로 설정하여 사용하였으며 질소를 강철용기 안에 있는 프리커서의 캐리어 가스로 사용하였다. 또한 기판온도는 히터의 중앙에 설치된 아이언-콘스탄탄 열전쌍 (iron-constantan thermocouple)에 의해 조절하였는데, 300℃로 설정하였다.
먼저, 패터닝되거나 패터닝되지 않은 웨이퍼(기판)를 로딩한 후, 고순도(99.9999%)의 아르곤 또는 질소로써 반응챔버를 씻어내고 터보분자펌프(Turbo Molecular Pump: TMP)를 사용하여 10-6Torr까지 감압하였다. 상기의 금속유기 소오스 및 플라즈마 발생용 가스를 각각 투입구(6 및 2)에 투입하고 상술한 실시예 1의 방법에 따라 비반응성 라디칼을 생성하고 생성된 라디칼을 기판 표면에 조사하였다.
제3a도 및 제3b도는 각각, TDMAT의 유출비를 2.5sccm으로 고정하고 기판 설정온도 300℃에서 플라즈마 전력을 변화시켰을 때의 비저항 및 단차 도포성을 나타내는 그래프들이다. 제3c도는 질소를 리모트 플라즈마 발생용 가스로 사용하여 100W의 플라즈마 전력에서 콘택에 증착된 TiN 박막의 SEM(Scanning Electro Microscopy) 사진이다.
제3a도 내지 제3c도를 참조하면, 수소 라디칼과 질소 라디칼 모두 플라즈마 전력이 100W 정도일 때 비저항 및 단차 도포성의 특성이 가장 우수함을 알 수 있다. 특히, 수소 라디칼의 경우 탄소에 의한 오염이 감소되었고, 질소 라디칼의 경우 단차 도포성이 향상되었다.
[실시예 3]
다음으로, 질소 라디칼과 수소 라디칼의 장점을 모두 살리기 위해, 즉 질소 라디칼의 단차 도포성 향상과 수소 라디칼의 탄소 오염 감소의 효과를 모두 얻기 위하여 질소와 수소의 혼합 가스를 리모트 플라즈마 발생용 가스로 사용하였다. 반응챔버 내의 압력은 1 Torr이고, 플라즈마 전력은 100W이며, 기판의 온도는 350℃로 각각 설정하였고, 나머지 조건들은 상술한 제2실시예와 동일하다.
제4a도 및 제4b도는 각각, 수소와 질소의 혼합비를 변화시켰을 때의 비저항 및 단차 도포성을 나타내는 그래프들로서, 이를 참조하면, 수소와 질소의 혼합비(PH/PN)가 0.6 정도일 때 우수한 비저항 및 단차 도포성 특성을 나타냄을 알 수 있다.
이상, 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 TiN 박막 제조방법에 의하면, 다음과 같은 효과들을 얻을 수 있다.
① 플라즈마 발생용 가스를 금속유기 소오스와 직접 반응하지 않는 가스로 사용하여 반응에 의한 중간생성물 또는 미립자의 형성을 억제할 수 있다. 또한, 프리커서의 표면 이동율(surface migration rate)의 증가에 따라 단차 도포성이 개선되며, 약하게 결합된 C-H기가 제거되어 TiN 박막 내의 탄소 함유량이 감소된다. 따라서, 낮은 비저항을 갖는 TiN 박막을 얻을 수 있다.
② 금속유기 소오스가 분해될 경우 중간생성물의 결합에 따라 단차도포성이 크게 악화되는데, 본 발명은 플라즈마 전력을 약하게 조절하고 리모트 플라즈마 형태를 취함으로써, 플라즈마에 의한 금속유기 소오스의 분해를 억제할 수 있다.
③ 플라즈마 발생용 가스의 유출비에 의해 구성 가스의 기판 표면속도 및 유출패턴을 조절할 수 있다. 이에 따라, TiN 박막의 특성 및 대구경화되는 기판에서의 균일성을 개선할 수 있다.
본 발명이 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

Claims (10)

  1. 화학기상증착 반응이 일어나는 반응챔버에, 플라즈마를 발생시켜 상기 반응 챔버로 유입하는 플라즈마 발생기가 부착된 리모트 방식의 플라즈마 화학기상증착 장치를 이용하여 티타늄나이트라이드 박막을 제조하는 방법에 있어서, 상기 반응챔버로 금속유기 소오스를 공급함과 동시에, 상기 플라즈마 발생기로 상기 금속유기 소오스와 직접 반응하지 않는 플라즈마 발생용 가스를 공급하여 상기 금속유기 소오스와 기상반응하지 않는 비반응성 라디칼을 생성하는 단계, 및 상기 생성된 비반응성 라디칼을 상기 반응챔버로 유입하여 티타늄나이트라이드 박막을 형성할 기판에 조사하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속유기 소오스로서 티타늄과 질소의 결합이 존재하는 소오스를 사용하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속유기 소오스와 직접 반응하지 않는 플라즈마 발생용 가스는 질소 또는 아르곤 등의 불활성 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는 RF 또는 마이크로웨이브 방식의 플라즈마 발생기인 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속유기 소오스가 상기 비반응성 라디칼에 의해 직접 분해되지 않도록 상기 플라즈마 발생기의 전력을 조절하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 그리드를 사용하여 상기 비반응성 라디칼의 라디칼 에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  7. 화학기상증착방법으로 티타늄나이트라이드 박막을 제조하는 방법에 있어서, 가열된 기판에 링-타입노즐을 사용하여 금속유기 소오스를 분사함과 동시에, 질소를 플라즈마 발생용 가스로 사용하여 리모트 방식으로 플라즈마 생성하는 단계, 및 상기 생성된 플라즈마를 상기 기판에 수직으로 분사하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 플라즈마 발생을 위한 전력은 80 내지 120W로 하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 플라즈마 발생용 가스로서 수소를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 질소에 대한 수소의 첨가비율은 0.5 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 티타늄나이트라이드 박막 제조방법.
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