KR100296117B1 - 화학기상증착법에의한코발트다이실리사이드콘택형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학기상증착법에 의한 코발트다이실리사이드 (cobalt disilicide) 증착과 고집적회로 반도체소자에 이용되는 모스 트랜지스터에서의 콘택 형성방법에 관한 것이다. 미세구조의 고집적 반도체 소자의 소스(source)(15)드레인(drain)(30) 및 게이트(gate)(3) 전극의 접촉저항과 비저항을 감소시키기 위한 실리사이드 (silicide) 공정을 화학기상증착법에 의해 기판온도 600℃ 이상에서 코발트의 증착과 동시에 실리콘 표면에서 코발트와 실리콘의 금속간 화합물인 CoSi2(7)를 직접 형성시킴으로서, 후속공정인 열처리 및 보호막 증착 공정들을 생략할 수 있어 실리사이드 형성공정을 단순화시킬 수 있다. 이와 같은 화학기상증착법은 도포성(step coverage)이 우수하여 기가디램(Giga D RAM)급 이상의 초미세반도체 집적회로 제조에 이용할 수 있다. 또한 기존의 콘택형성 공정보다도 공정온도가 낮고 단결정이나 단결정에 가까운 에피택시층(epitaxial layer)의 CoSi2(7)를 성장시킴으로써 소스(15), 드레인(30)에서의 특성이 우수한 콘택을 형성시킬수 있다.
Description
본 발명은 기가디램(Giga D RAM)급 이상의 ULSI(Ultra large scale integration)용 초미세 반도체소자의 콘택형성에 관한 것이다. 보다 상세하게는 고융점 금속과 게이트전극인 폴리실리콘과의 반응에 의해 형성되는 폴리사이드(polycide)와 고융점 금속과 소스, 드레인에서의 실리콘과의 반응에 의해 형성되는 콘택실리사이드 형성방법인 샐리사이드(salicide) 공정에서 코발트 실리사이드를 이용하는 새로운 방법에 관한 것이다.
종래의 기가디램급 이상의 메모리 소자에서 콘택형성 방법은 기술적으로 어려운 점이 많다고 알려져 있으며 그 선행기술로써 한국특허출원 93-21059, 93-616, 93-28017 등의 내용은 미세구조의 고집적 반도체소자에서 소스, 드레인 및 게이트 전극의 저항을 감소시키기 위한 샐리사이드 공정이다. 이것의 공정방법은 도1에서 나타낸 것처럼 소스, 드레인과 게이트를 형성한 후 티타늄이나 코발트 금속과 보호층인 TiN을 스퍼터링(Sputtering) 방법에 의하여 200∼400℃에서 증착한 후 700℃ 이하에서 1차 열처리하여 금속과 실리콘의 1차 화합물인 C49 TiSi2나 CoSi를 형성시킨다. 그런다음 반응하지 않고 남은 금속을 에칭하고 700-800℃ 이상의 고온에서 2차 열처리하여 최종적으로 C54 TiSi2나 CoSi2등의 접촉저항 및 비저항이 낮은 실리사이드를 형성시키는 방법이다. 또한 변정수(Byun Jeong Soo, J. Electrochem. Soc., 1997, Vol. 144, 3175)등이 발표한 내용은 질소 분위기 하에서 기판온도를 500℃로 하여 스퍼터링에 의하여 코발트를 증착한 후 반응한 CoSi만을 남기고 미반응한 코발트는 에칭하여 제거하고 최종적으로 TiN의 보호층을 증착한 후 750℃ 이상의 고온에서 급속열처리에 의하여 CoSi2를 형성하는 방법이다. 도만스(Dormans, J. Crystal Growth, 1991, Vol. 114, 364)등은 화학기상증착법에 의하여 300∼600℃에서 코발트 증착이 가능함을 보여주었으나 새로운 샐리사이드 공정을 제안하지는 않았다. 종래의 샐리사이드 공정방법에 의하여 얻어진 실리사이드 박막의 면저항은 1-2Ω/□ 정도이다. 그러나 이들 종래의 방법은 200∼400℃에서 스퍼터링에 의해 증착된 금속을 700℃이하에서 1차 열처리하고 미반응 금속을 에칭한 후 다시 800℃ 이상에서 2차 열처리를 거쳐야 하며 이때 금속의 산화와 응집(agglomeration)를 방지하기 위해 금속보호층을 반드시 필요로 한다. 또한 스퍼터링법에 의한 방법은 초미세구조의 소자에서 도포성이 떨어져 균일한 박막을 얻기 어렵고 특히 소스, 드레인 및 게이트의 콘택홀 깊이와 직경의 비가 매우 클 경우 콘택홀에서 균일한 도포성을 얻기가 매우 어려운 단점이 있다.
본 발명의 목적은 종래에 수행되지 않았던 저압 화학기상증착방법을 이용하여 (100) 방위 실리콘 기판위에 600℃이상에서 코발트 금속을 증착함과 동시에 기판의 실리콘과의 반응으로 실리콘과 같은 (100) 방위를 갖는 단결정이나 단결정에 가까운 에피택시층(epitaxial layer)의 CoSi2를 형성시킴으로써, 750℃ 이상의 고온 열처리를 수행하지 않고 1회에 반응기 (reaction chamber) 내에서 공정을 수행하여 콘택형성 공정을 단순화시키고 저항을 낮추어 기가디램급 이상의 반도체소자 배선공정 기술개발 및 관련 소자개발을 하는데 있다.
도 1 은 소스, 드레인 및 폴리실리콘 게이트에서의 실리콘과 금속간의 종래의 스퍼터링(sputtering)법에 의한 실리사이드 형성방법을 개략적으로 나타낸 MOS 트랜지스터의 단면구조로서,
(a)는 MOS 트랜지스터의 소스, 드레인, 게이트를 형성한 상태
(b)는 스퍼터링에 의해 Co 또는 Ti 금속을 증착하고 그 위에 Ti 나 Co의 산화 와응집(agglomeration) 방지를 위한 보호층인 TiN을 증착한 상태
(c)는 700℃ 이하에서 1차 열처리하여 소스, 드레인, 게이트에 금속과 실리콘의 1차 화합물인 다결정 CoSi나 C49 TiSi2가 형성된 상태
(d)는 미반응 금속 및 보호층을 에칭한 상태
(e)는 800℃ 이상에서 2차 열처리를 하여 CoSi는 CoSi2로, C49 TiSi2는 C54 TiSi2로 안정된 실리사이드를 형성한 상태
도 2 는 본 발명의 화학기상증착법에 의한 CoSi2형성 공정을 개략적으로 나타낸 단면구조로서,
(a)는 MOS 트랜지스터의 소스, 드레인 및 게이트가 형성된 상태
(b)는 화학기상증착법에 의해 600℃이상에서 Co의 증착과 동시에 실리콘과 인 시튜(in-situ) 실리사이드 형성 반응하여 소스, 드레인, 게이트에 CoSi2가 형 성된 상태
(c)는 산화막 위의 Co 금속을 에칭한 상태
도 3은 화학증착온도 550℃와 600℃에서 실리콘 표면의 X-선 회절패턴 도표이다.
도 4 는 화학증착온도 650℃에서의 실리콘 표면의 X-선 회절패턴 도표이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
(1) 실리콘 기판 (2) 산화막
(3) 게이트 (4) Co 또는 Ti
(5) TiN 등 보호막 (6) CoSi 또는 C49 TiSi2
(7) CoSi2또는 C54 TiSi2(15)소스
(30) 드레인
본 발명은 MOS 트랜지스터의 소스(15), 드레인(30) 및 게이트(3)에서 직접 콘택(contact)이 가능한 CoSi2(7) 콘택을 제시한다. 본 발명에서 제안한 화학기상증착법을 이용한 콘택형성의 공정방법을 도2에 나타냈다. 공정을 간단히 설명하면 n+ 및 p+ 의 소스(15), 드레인(30)과 게이트(3)로 구성된 실리콘기판(1)을 600℃로 유지한 다음 시클로펜타디에닐코발트디카보닐[Co(C5H5)(CO)2]나 비스시클로펜타디에닐코발트[Co(C5H5)2]등과 같은 코발트-금속유기물소스를 낮은 온도의 저장용기에서부터 반응기까지 가스상태로 직접 이동시키거나 수소, 질소 및 아르곤가스를 이용하여 반응기까지 이송시켜 화학기상증착법으로 증착하면 소스(15), 드레인(30) 위에서 증착되는 Co(4)와 실리콘과의 반응으로 실리콘기판(1)의 (100)방위와 같은 방위를 가지는 (100)방위의 에피택시층 CoSi2(7)가 바로 형성되고 게이트(3)위에는 다결정 CoSi2(7)가 바로 형성되며 산화물 위에는 Co(4)와 SiO2(7)가 반응하지 않고 남아있게 된다. 이 때 소스(15), 드레인(30) 게이트(3)에서의 반응식은 아래와 같다.
Co(C5H5)(CO)2+ 2 Si → CoSi2+ (C5H5) ↑ + (CO)2↑
Co(C5H5)2+ 2 Si → CoSi2+ 2 (C5H5) ↑
다음의 실시예에서 본 발명을 더 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이 실시예가 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
＜ 실시예 1 ＞
n+ 및 p+ 의 소스(15), 드레인(30), 게이트(3)로 구성된 실리콘기판(1)을 600℃로 유지한 다음, 코발트-금속유기물소스로서 시클로펜타디에닐코발트디카보닐[Co(C5H5)(CO)2] 및 비스시클로펜타디에닐코발트[(C5H5)2Co]를 저장용기에서부터 반응기까지 수소가스를 이용하여 이송한 후 화학기상증착법으로 증착하였다. 이때 저장용기의 온도에 따라 수소가스의 유량을 변화시켜야 하는데 이는 실제로 반응기내로 유입되는 코발트-금속유기물소스의 양을 최소로하여 코발트다이실리사이드가 기판위에 형성되도록 하기 위해서이다. 저장용기의 온도가 상온일 경우에는 수소나 기타 이송가스를 사용하지 않고 코발트-금속유기물소스의 증기압만으로도 충분히 이송이 가능하여 매우 짧은 시간내에 코발트다이실리사이드를 기판위에 형성시킬 수 있다. 그러나 이 경우에는 코발트박막의 증착속도가 매우 빠르기 때문에 50nm 이상의 두께로 증착하는 경우에는 에피택시층이 형성되기 어렵고 미반응한 코발트 박막이 기판과 반응하여 생성된 코발트다이실리사이드층 위에 형성되게 된다. 또한 이 외에 다른 코발트-실리콘간 화합물이 형성될 수 있다. 저장용기의 온도를 0℃로 낮춘 경우에는 충분히 낮은 증착속도를 가지게 되어 에피택시층형성에 필요한 시간이 충분히 공급되기 때문에 100nm 이상의 두께를 가지는 에피택시층 코발트다이실리사이드도 형성시킬 수 있게된다. 또한 이 때에는 수소나 기타 다른 이송가스를 이용하여 증착을 하여도 기판위에서 에피택시층 코발트다이실리사이드가 형성된다.
＜ 실시예 2 ＞
기판온도 550℃에서 코발트-금속유기물소스로서 비스시클로펜타디에닐코발트[Co(C5H5)2]를 사용하고 <실시예1>과 같이 화학기상증착법으로 증착하였다.
증착시 실리콘기판(1)에 CoSi2(7)의 형성됨을 나타내는 X-선 회절패턴을 도3에 표시하였다. 저장용기의 온도를 0℃로 유지하고 기판온도가 550℃의 경우 코발트박막의 증착속도가 매우 느리고 코발트다이실리사이드를 형성시킬 수 있는 형성온도 이하이므로 실리콘기판(1)위에서 어떠한 반응도 일어나지 않으므로 실리콘기판(1)에서는 실리콘 이외에 어떤 상도 형성되지 않는다. 그러나 증착시간을 길게하면 코발트 및 코발트화합물이 실리콘기판(1)위에 형성될 수 있다. 600℃에서는 (100)방위의 실리콘과 같은 (100)방위를 가지는 에피택시층 CoSi2(7)가 형성되었음을 알 수 있다. 도4는 기판온도 650℃에서 (100) 방위의 에피택시층 CoSi2(7)가 형성되었음을 알 수있다. 이 때 SiO2(2)위의 코발트(4)는 SiO2(2)와 반응하지 않으며 이 코발트(4)를 NH4OH/H2O2나 HNO3/H2O 또는 H2SO4/H2O2용액으로 에칭하면 된다. 위와 같이하여 얻어진 코발트실리사이드 박막의 면저항은 1∼2Ω/□로서 스퍼터링에 의한 방법과 비교해 볼 때 비슷한 면저항 값을 나타내고 있고 비저항 값은 약 16 μΩ·cm 이다. 또한 에피택시층의 형성여부 및 에피택시층과 실리콘기판(1) 과의 접합여부를 나타내는 RBS분석시 최소수율값인 Xmin값은 9%로 나타났으며 이것으로 매우 우수한 특성의 에피택시층이 형성됨을 알 수 있다.
종래의 스퍼터링을 이용한 방법에서는 스퍼터링공정 후에 수행되는 1차 열처리 공정 및 2차 고온 열처리공정 그리고 보호층인 TiN 증착공정등의 여러 공정이 필요하나 본 발명은 화학기상증착법을 이용함으로써 콘택형성시 저항이 낮고 재현성이 높은 에피택시층 CoSi2를 여러단계의 열처리공정을 거치지 않고 금속증착과 동시에 형성시킬 수 있어 콘택 배선공정을 크게 단순화 시킬 수 있으며 초미세구조의 콘택 배선공정에서 도포성이 우수하고, 균일한 계면을 형성시킬 수 있다. 뿐만 아니라 공정온도가 600℃ 정도로 낮고 에피택시층 실리사이드를 형성하므로 실리사이드와 실리콘 간의 계면 결함이 적어 소스, 드레인에서 우수한 접합특성을 얻을 수 있어 기가디램급 이상의 고집적회로 초미세 반도체 소자의 제조에 활용할 수 있다.
Claims (3)
- 화학기상증착법을 이용한 MOS 트랜지스터의 소스, 드레인, 게이트에 코발트 다이실리사이드 콘택형성 방법에 있어서, 코발트-금속유기물 소스를 반응기에 주입하여 증착온도를 600℃ 이상으로 하여 코발트를 증착하는 단계와, 전기 단계에 의해 소스(15), 드레인(30)에 에피택시층 CoSi2(7)를 형성시키고, 게이트(3)에 다결정 CoSi2(7)를 형성시키는 단계와, 산화막 위의 코발트 금속을 에칭하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 코발트다이실리사이드 콘택형성방법.
- 제 1 항에 있어서, CoSi2(7) 형성단계에서 코발트-금속유기물소스로 비스시클로펜타디에닐코발트[(C5H5)2Co], 코발트트리카보닐나이트로실[Co(CO)3NO], 시클로펜타디에닐코발트카보닐[C5H5Co(CO)2], 코발트카보닐[Co2(CO)8], 테트라코발트도데카카보닐[Co4(CO)12]에서 선택된 1종임을 특징으로 하는 코발트다이실리사이드 콘택형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 화학기상증착법으로 CoSi2(7) 형성 후 반응기 내에서 열처리 또는 급속열처리하여 더욱 안정된 비저항을 갖는 CoSi2(7)를 형성하는 것을 특징으로 하는 코발트다이실리사이드 콘택형성방법.
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