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KR20010078215A - Ｃｖｄ법에 의해 형성된 티타늄 나이트라이드 막의플라즈마 처리 - Google Patents

Ｃｖｄ법에 의해 형성된 티타늄 나이트라이드 막의플라즈마 처리 Download PDF

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KR20010078215A
KR20010078215A KR1020010004598A KR20010004598A KR20010078215A KR 20010078215 A KR20010078215 A KR 20010078215A KR 1020010004598 A KR1020010004598 A KR 1020010004598A KR 20010004598 A KR20010004598 A KR 20010004598A KR 20010078215 A KR20010078215 A KR 20010078215A
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KR
South Korea
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titanium nitride
ticl
nitride layer
hydrogen
layer
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Withdrawn
Application number
KR1020010004598A
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English (en)
Inventor
술린 왕
밍 씨
쯔비 란도
메이 창
Original Assignee
조셉 제이. 스위니
어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 조셉 제이. 스위니, 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 filed Critical 조셉 제이. 스위니
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Abstract

저항이 낮은 두꺼운 티타늄 나이트라이드 막을 형성하는 방법이다. 암모니아(NH3) 및 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 사이의 열적 화학 기상 증착(thermal CVD)반응을 이용하여, 약 600℃ 이하의 온도 및 약 5 이상의 NH3:TiCl4유동도에서 티타늄 나이트라이드 막이 형성된다. 증착된 티타늄 나이트라이드 막은 분자 수소(H2)에서 발생된 수소-함유 플라즈마에서 처리되어, 저항이 낮고 좋은 스텝 커버리지를 갖는 두꺼운 티타늄 나이트라이드 막이 된다. 상기 증착 및 플라즈마 처리 스텝들은 추가적인 사이클 동안 반복되어 원하는 만큼 두꺼운 합성 티타늄 나이트라이드 막을 형성하며, 이 막은 플러그 필(plug fill) 또는 커패시터 구조 응용분야에 사용하기 적합하다.

Description

ＣＶＤ법에 의해 형성된 티타늄 나이트라이드 막의 플라즈마 처리 {PLASMA TREATMENT OF A TITANIUM NITRIDE FILM FORMED BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
본 발명은 티타늄 나이트라이드 막 증착방법에 관한 것으로, 더 상세히는 저항값이 낮으며 두껍고 응력이 낮은 티타늄 나이트라이드 막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
집적회로 제조에 있어서 티타늄 나이트라이드 막은 금속이 장벽층 아래의 하부영역으로 확산되는 것을 방지하는 금속 장벽층으로 종종 이용되어 왔다. 이러한 하부영역은 트랜지스터 게이트, 커패시터 유전체, 반도체 기판, 금속 라인, 그리고 집적회로에서 나타나는 많은 다른 구조들을 포함한다.
티타늄/티타늄 나이트라이드(Ti/TiN)의 화합물은 종종 확산장벽으로 이용되며, 트랜지스터의 소스와 드레인의 접촉을 제공한다. 접촉을 형성하는데는 텅스텐(W) 플러그 공정을 사용한다. 예컨대, Ti층이 실리콘(Si) 기판 상에 증착되고, Ti층은 티타늄 실리사이드(TiSix)로 전환되며, 이는 실리콘(Si)과의 저 저항 접촉을 제공한다. 텅스텐(W) 플러그를 형성하기 전에 TiN 층이 TiSix층 위에 형성된다. 구체적 적용례에 있어 대안적으로 W 플러그 대신에 TiN 플러그를 형성할 수 도 있다.
Ti 및 TiN 막은 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)에 의해 형성될 수 있다. Ti/TiN 화합물층은 다수의 챔버인 "클러스터 툴(cluster tool)"에서 형성되는데, 한 챔버에서 Ti 막이 증착되고 또 다른 챔버에서 TiN 막이 증착된다. CVD에 의해 Ti 및 TiN 을 증착할 때, 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4)는 다른 반응 기체와 반응하여 Ti 및 TiN 막을 형성하는데 사용된다. 즉, 플라즈마 상태하에서 TiCl4가 H2와 반응할 때는 Ti가 생성되고, TiCl4가 N2와 반응할 때는 TiN 이 생성된다. 일반적으로, TiN은 특정 N2함유 화합물이 반응할 수 있는 플라즈마 또는 열적 상태하에서 TiCl4가 N2함유 화합물과의 반응에 의해 생성된다. 이렇게, TiN 막은 TiCl4와 암모니아(NH3)의 반응을 이용하는 고온 CVD에 의해 생성된다. 그러나 종래기술에 의한 공정으로 증착된 두꺼운 TiN 막은 크랙이 발생하기 쉽고, 특히 막의 두께가 400Å을 초과하는 경우에는 더욱 그러하다. 막의 두께가 증가함에 따라 막이 결국 벗겨질때까지 크랙의 밀도와 크기도 증가한다.
더욱이, TiCl4에 기초한 화학적 공정에 의해 TiN 막이 증착될 때 염소(Cl)는 TiN 층으로 인트레인(entrain)된다. 막 저항이 증가함에 따라 Cl 함유물이 결합되고, 이는 접촉 저항의 바람직하지 못한 증가를 가져온다. TiN 플러그 적용에 있어서, 1000Å 이상 두께의 TiN 막이 종종 요구되며, 막 저항의 감소는 아주 중요하다.
비록 증착된 TiN 막에 있어 Cl 함유량은 증착 온도의 증가에 의해 감소될 수 있지만, 증착 온도를 낮춤으로써 향상된 스텝 커버리지가 부여된다. 더욱이, 상대적으로 낮은 증착 온도는 집적공정 효과에도 유리하다. 예컨대, TiN은 유전체로서의 탄탈륨 펜트옥사이드(Ta2O5)와 함께 커패시터의 상부전극에 대한 장벽층으로 이용된다. 그러나 가령 TiCl4와 NH3사이의 반응을 이용하는 것와 같은 TiN의 열적 CVD는 약 650℃의 온도에서 자주 수행된다. 이러한 고온은 커패시터내에 바람직하지 못한 원자의 상호확산(inter-diffusion)을 유발할 수 있다.
그러므로, 좋은 스텝 커버리지와 낮은 저항을 포함한 향상된 특성을 갖는 두껍고 크랙없는 TiN 막을 생산하기 위하여 감소된 온도에서 TiN 을 증착하는 방법이 필요하게 되었다.
본 발명은 약 10∼50 torr의 압력과 약 600℃ 이하의 온도에서 암모니아(NH3)와 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 사이의 반응을 이용하여 티타늄나이트라이드(TiN)층을 형성하고, 수소(H2)가 함유된 플라즈마에서 TiN 층을 처리하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명을 실행하는데 사용되는 장치의 개요도이다.
도 2a-2c는 본 발명의 한 국면(aspect)에 따라 형성된 TiN 층을 지닌 기판 구조의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 3a-3d는 집적회로의 또 다른 제조단계에서 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 형성된 합성 TiN 층 기판 구조의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의해 형성된 TiN 장벽층을 갖는 커패시터 구조의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명을 실행하는데 사용되는 도 1의 장치의 또다른 실시예의 개요도이다.
*도면의 주요부분에 대한 설명
(100) : 공정 챔버 (150) : 페디스털
(110) : 제어장치 (120) : 샤워헤드
(200) : 기판 (250) : 기판구조
(204) : 나이트라이드층 (210) : 수소-함유 플라즈마
본 발명의 한 실시예에 있어서는, 약 20 torr의 압력과 약 550∼600℃ 온도 및 약 8.5의 NH3:TiCl4의 유동도(flow ratio)에서 TiN 층이 형성되며, H2의 존재하에 플라즈마 처리가 뒤따른다. 상기의 공정 상태하에서는 적어도 250Å 이상의 TiN 층이 형성될 수 있다. TiN 증착 및 부가적인 사이클(cycle)에 대한 플라즈마 처리를 반복함에 의해, 플러그-필(plug-fill) 적용에 대하여 원하는 두께의 합성 TiN 층이 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 커패시터 상부 전극의 일부로서 TiN 층을 형성하는 것에도 또한 이용될 수 있다. TiN 층의 처리는 고주파(radio-frequency; RF) 국부 플라즈마(local plasma) 또는 원거리 플라즈마(remote plasma)를 사용하여 수행될 수 있다.
또다른 실시예에 있어서는, 서로 다른 증착상태를 이용하여 TiN층을 형성할 수 있다. 예컨대, 제 1 TiN 층과는 다른 스텝 커버리지 그리고/또는 응력 특성을 갖는 제 2 TiN 층은 제 1 TiN 층에서 사용된 것과는 다른 NH3:TiCl4의 유동도를 사용하여 형성된다. 다른 공정 상태를 사용하는 제 1 및 제 2 TiN 층의 증착 및 처리의 교대에 의하여, 향상된 모든 스텝 커버리지와 응력 특성을 갖는 최종적으로 원하는 두께의 합성 TiN 층을 얻을 수 있다.
본 발명은 낮은 저항과 좋은 스텝 커버리지를 갖는 두꺼운 TiN (TiN은 일반적으로 다른 화학량론(stoichiometries)의 막을 포함하는데 이용된다)막을 형성하는 방법을 제공한다. 예컨대, 두꺼운 TiN 막은 0.18 마이크로미터 이하의 기술에서는 플러그 적용으로 이용된다. 본 발명의 실시예는 감소된 증착 온도에서 NH3와 TiCl4사이의 반응에 의해 생성되는 낮은 저항을 지닌 두꺼운 TiN 막을 형성할 수 있다.
제 1 실시예에 있어서, TiN 층은 약 2.5∼17 범위(대체적으로 약 5 이상, 더 바람직하게는 약 8.5)의 NH3:TiCl4의 유동도와 약 600℃ 이하(바람직하게는 약 580℃)의 공정 온도에서 증착된다. 약 300Å 까지 두께를 갖는 증착된 TiN 층은 그 후에 H2를 함유한 플라즈마에 노출된다. 플라즈마 처리된 TiN 층은 낮은 Cl 함유량으로 인하여 먼저 증착된 TiN 층에 비해서 적은 저항을 가진다.
대안적으로, TiN 층이 2단계 진행(procedure)에 의해 증착될 수 있는데, 상대적으로 얇은 TiN층(예컨대 약 20Å 이하)은 제 1 NH3:TiCl4유동도에 의해 증착하고, 그 후에 제 2 NH3:TiCl4유동도에 의해 제 2 TiN 층을 증착한다.
구체적인 적용례에 따라서, 막 증착과 플라즈마 처리 단계는 합성 TiN 층을 형성하기 위하여 부가적인 사이클로 반복될 수 있다. 예컨대, 약 1000Å 이상의 두께를 위하여 두꺼운 TiN층이 얻어질 수 있다. 합성 TiN 층은 전형적으로 약 200 마이크로옴-cm 이하의 저항을 가지며, 두께가 0.18 마이크로미터 이하인 플러그-필(plug-fill) 적용에 있어서 적합하다.
시스템 10
도 1은 본 발명의 실시예를 실행하는데 사용될 수 있는 웨이퍼 공정 시스템(10)의 개요도이다. 시스템(10)은 공정 챔버(100), 가스 패널(130), 제어 장치(110), 그리고 파워 서플라이나 진공펌프와 같은 다른 하드웨어 구성요소를 포함한다. 공정 챔버(100)의 한 예로는 TiN 챔버를 들 수 있는데, 이는 본 출원과 출원인이 동일하며 1998년 12월 14일 제출된 미국 특허출원 제 09/211,998의 "고온 CVD 챔버"에 이미 설명되어 있으며, 여기에 참고문헌으로 일체화되어 있다. 시스템(10)의 몇몇 주요한 특징은 다음과 같다.
챔버 100
공정 챔버(100)는 일반적으로 서포트 페디스털(support pedestal; 150)을 포함하는데, 이는 공정 챔버(100) 내의 반도체 웨이퍼(190)와 같은 기판을 지지하는데 사용된다. 상기 페디스털(150)은 이동장치(미도시)에 의해 챔버(100) 내에서 수직 방향으로 이동할 수 있다. 개별 공정에 따라서, 웨이퍼 기판(190)은 공정전에 원하는 일정 온도로 가열되어야 한다. 본 발명에 있어서 웨이퍼 서포트 페디스털(150)은 내장형 히터(170)에 의해 가열된다. 예컨대, 페디스털(150)은 교류 서플라이(AC supply; 106)에서 히터 소자(170)로 인가되는 전류에 의해 저항적으로 가열된다. 웨이퍼(190)가 페디스털(150)에 의해 차례로 가열되고, 가령 400∼750℃ 범위의 공정 온도로 유지될 수 있다. 종래 방식에서 페디스털(150)의 온도를 감지하기 위하여 써모커플(thermocouple)과 같은 온도센서(172)가 웨이퍼 서포트 페디스털(150)에 또한 내장된다. 예컨대, 측정된 온도는 웨이퍼 온도를 특정 공정 적용례에 알맞은 원하는 온도로 유지하고 제어할 수 있도록, 히터소자(170)를 위한 파워 서플라이를 제어하기 위하여 피드백 루프(feedback loop)에서 사용될 수 있다.
가스 패널(130)을 통한 가스 유속의 적절한 제어와 조절은 질량 유속 컨트롤러(mass flow controller; 미도시)나 컴퓨터와 같은 제어장치(110)에 의해 실행된다. 샤워헤드(showerhead;120)는 가스 패널(130)로부터의 공정 가스가 균일하게 분산되게 하고, 챔버(100)로 유입시킨다. 도시한 바와 같이, 제어장치(110)는 중앙처리장치(CPU;112), 보조회로(114), 그리고 관련된 제어 소프트웨어(116)를 포함하는 메모리를 포함한다. 상기 제어장치(110)는 웨이퍼 공정에서 요구되는 수많은 단계(예컨대 웨이퍼 전송, 가스 유속 제어, 온도 제어, 챔버 배출 등)의 자동제어를 관할한다. 제어장치(110)와 시스템(10)의 다양한 구성요소 사이의 양방향 통신은 신호버스(118)라 불리는 집합적인 수많은 신호케이블을 통해서 처리되며, 그 중 일부가 도 1에 도시되었다.
공정 챔버(100)를 배출하고 챔버(100) 내에 적절한 가스 유속과 압력을 유지하기 위하여 진공펌프(102)가 사용된다. 샤워헤드(120)는 웨이퍼 서포트 페디스털(150) 상부에 위치하며, 이를 통해서 공정 가스가 챔버(100)로 유입된다. 본 발명에서 사용된 "이중-가스(dual-gas)" 샤워헤드(120)는 2개의 분리된 경로를 가지며, 이는 2종류의 가스가 먼저 혼합되지 않고 챔버(100)로 유입되게 한다. 샤워헤드(120)에 대한 상세한 내용은 본 출원과 출원인이 동일하며 1998년 6월 16일에 제출된 미국 특허출원 제 09/098,969의 "반도체 웨이퍼 공정 시스템의 샤워헤드를 위한 이중 가스 페이스플레이트(Dual Gas Faceplate for a Showerhead in a Semiconductor Wafer Processing System)"에 공개되어 있으며, 여기에 참조문헌으로 일체화되어 있다. 상기 샤워헤드(120)는 질량 유속 컨트롤러(도시되지 않았음)를 통해서 연속적 공정의 서로 다른 단계에서 사용되는 다양한 가스를 제어하고 공급하는 가스 패널(130)과 연결되어 있다. 웨이퍼 공정동안, 퍼지 가스 서플라이(purge gas supply; 104)는 페디스털(150)에 형성되는 바람직하지 못한 증착을 최소화 하기 위하여 불활성 기체(inert gas)와 같은 퍼지 가스를 페디스털(150)의 바닥 주위에 공급한다.
TiN 막 증착
이상적인 TiN 막은 낮은 응력과 좋은 스텝 커버리지를 지녀야 하며, 특히0.18 마이크로미터 이하의 작은 두께를 유발하는 플러그 필 적용에 있어서 그러하다. 최상의 바람직한 특성을 지닌 막을 공급하기 위해서는 증착공정 상태의 적절한 수정이 요구된다. NH3와 TiCl4사이의 반응에 의한 TiN 증착에 있어서, 예컨대 NH3:TiCl4비율은 다양한 스텝 커버리지와 응력 특성을 지닌 TiN 막을 공급하기 위하여 조정된다.
전형적인 TiN 증착 공정에 있어서, 650℃이상의 페디스털 온도가 약 5의 NH3:TiCl4비율에 일반적으로 자주 이용된다. 이는 200Å 두께의 막에 대해서 2x1010dyne/cm2계수(order)의 장력(tensile stress)을 갖는 TiN 막을 가져온다. 약 400Å 두께의 이러한 막에 있어서는 크랙이 발생되기 시작한다. 일반적으로, TiN 막의 응력은 증착 온도를 낮추거나 그리고/또는 NH3:TiCl4비율을 증가시켜서 감소시킬 수 있다. 그러나 증가된 NH3:TiCl4비율은 또한 스텝 커버리지의 감소를 가져온다.
본 출원과 출원인이 동일하고 1999년 6월 11일에 제출된 미국 특허출원 제 09/330,696의 "두꺼운 TiN 막 증착 방법(Method of Depositing a Thick Titannium Nitride Film)"에 NH3와 TiCl4반응에 의해 두껍고 크랙이 없는 TiN 층을 형성하는 방법이 공개되어 있으며, 여기에서 참고문헌으로 일체화되어 있다.
본 발명은 좋은 스텝 커버리지와 낮은 저항을 갖는 두껍고 낮은 응력의 TiN 층을 형성하는 또 다른 실시예를 제시한다. 특히, 본 발명의 방법은 다음의 특징을포함한다: 1) 약 600℃ 이하의 상대적으로 낮은 증착 온도; 2) 적어도 약 5이상, 바람직하게는 약 8.5의 NH3:TiCl4비율; 3) 증착된 막의 H2플라즈마 처리.
2개의 대체적인 TiN 막의 증착 방법이 표 1에 나타나 있다.
도 2a∼2c는 집적회로의 제조과정의 서로 다른 단계에서 기판(200)의 횡단면도를 도시한 것이다. 일반적으로 기판(substrate; 200)은 막공정이 수행되는 어떤 소재를 말하고, 기판구조(substrate structure; 250)는 일반적으로 기판 위에 형성된 다른 물질층(material layer)과 함께 기판(200)을 나타내는데 사용된다. 개별적 공정 단계에 따라서, 기판(200)은 실리콘 반도체 웨이퍼가 될 수 있고, 또는 웨이퍼 위에 형성된 다른 물질층이 될 수 있다. 예컨대, 도 2a는 종래에 기판(200)위에 형성되고 패턴화된(가령 리소그래피 및 에칭에 의해) 물질층(202)을 갖는 기판구조(250)의 횡단면도를 도시한 것이다. 물질층(202)은 기판(200)의 상부 표면(200T)으로 확장되는 접촉 홀(202H)을 형성하도록 패턴화되는 옥사이드(oxide; 예컨대 SiO2)일 수 있다. 일반적으로 기판(200)은 실리콘층, 실리사이드(silicide)층 또는 다른 물질층일 수 있다. 도 2a는 기판(200)이 실리콘이고, 다른 것들 사이에 실리사이드층(201)(예컨대, 티타늄 실리사이드(TiSix))이 접촉 홀(202H)의 바닥(202B)에 형성된 한 실시예를 도시한 것이다. 상기 TiSix층(201)은 실리콘 기판(200)과 패턴화된 옥사이드(202) 위에 Ti를 증착시킴으로써 (예컨대, PVD 또는 CVD에 의해) 형성되고, TiSix층(201)을 형성하는 고온의 담금질(anneal)이 행해진다. 반응하지 않은 Ti 층(203)이 옥사이드층(202)의 위(202T)에 남는다(불균등한 Ti 증착 때문에 접촉 홀(202H)의 옆(202S)에는 Ti가 형성되지 않는다). 도 2b는 도 2a의 기판구조(250) 위에 증착된 TiN 층(204)을 도시한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 있어, TiN 막(204)이 도 1의 챔버(100)와 유사한 CVD 챔버에서 표 1의 공정 (a)의 방법에 따른 NH3와 TiCl4의 반응에 의해 형성된다. 기판구조(250)를 갖는 웨이퍼(190)가 웨이퍼 서포트 페디스털(150)에 로드(load)된 후, NH3및 TiCl4은 다른 기체와 함께 TiN 막 증착을 위한 챔버(100) 속으로 유입된다. 헬륨(He) 및 질소(N2)와 함께 TiCl4가 이중-가스 샤워헤드(120)의 한 가스라인 (미도시)을 경유하여 유입된다. 실온에서는 액체인 TiCl4는 액체 분사 시스템(미도시) 등에 의해 가스라인으로 배달된다. 일반적으로, 가스 유속범위는 다음과 같다. TiCl4: 약 3∼25 sccm (액체 유속비로부터 측정), He : 약 500∼2500 sccm, N2: 약 500∼2500 sccm He과 N2는 일반적으로 "희석(dilutant)" 가스로 불리운다. He 과 N2는 단지 예시적으로 사용되었고, 아르곤(Ar)과 수소(H2)와 같은 다른 기체도 또한 희석가스로서 사용될 수 있다. 약 1000∼5000 sccm 유속범위인 N2와 같은 희석가스와 함께 NH3는 약 30∼200 sccm 의 유속범위로 이중-가스 샤워헤드(120)의 제 2 가스라인을 통해서 챔버(100)로 유입된다. 각 가스라인의 희석가스는 한 종류의 가스이거나 혼합가스와 같은 서로 다른 화합물 또는 비율의 여러 종류의 가스일 수 있다. 희석가스의 정확한 비율이나 화합물은 본 발명의 실시에 있어서 크게 중요하지 않지만, 제 1 및 제 2 가스라인에서 각각의 가스 유속 사이에 일정한 "균형(balance)"이 유지되는 것이 바람직하다. 2개의 가스라인에서 대체적으로 동일한 가스 유속을 유지함에 의하여 잠재하는 "역흐름(back flow)" 문제를 방지할 수 있다.
더 바람직하게는, 제 1 가스라인에서 약 100 sccm 유속의 NH3와 약 2000 sccm 유속의 N2, 제 2 가스라인에서 약 12 sccm 유속의 TiCl4와 약 1000 sccm 유속의 N2그리고 약 1000 sccm 유속의 He 상태에서 TiN 증착을 수행하는 것이다. 일반적으로 5 이상의 NH3:TiCl4유동도가 사용되며, 약 8.5 가 바람직하다. 약 5 torr이상의 전체압력(예컨대 약 10∼50 torr의 범위, 바람직하게는 약 20 torr)이 사용될 수 있고, 약 400∼600℃(예컨대 약 500∼600℃, 바람직하게는 약 550∼600℃)의 페디스털 온도가 유지된다. 개별적 공정 상태에 따라서, 기판온도는 페디스털 온도보다 낮은 약 30∼40℃가 될 수도 있다. 더 나아가, 분리된 가스라인과 챔버(100) 바닥에 구비된 퍼지 가스 서플라이(104)를 통해 약 2000 sccm(일반적으로는 약 1000∼5000 sccm)의 하부의 불활성 가스 퍼지 유속(예컨대, Ar 또는 다른 불활성 기체)이 형성된다. 웨이퍼 서포트 페디스털(150) 뒷편의 바람직하지 못한 증착의 누적을 최소화하는 것은 별도로하고, 퍼지 가스 유속은 또한 불균일한 증착에 영향을 미칠 수 있다.
이러한 프로세스 조건 하에서, 약 1x1016dynes/cm2이하의 막 응력을 갖는 크랙 없는 티타늄 나이트라이드층(204)이 거의 수직인 옆면을 갖고 종횡비가 약 7인 접촉 홀 위에 95% 이상의 스텝 커버리지로 형성된다.(여기서 종횡비는 접촉홀(202H)의 깊이 d에 대한 너비 w의 비율로 정의된다.) 이 증착 프로세스만을 이용하여, 상기 티타늄 나이트라이드층(204)은 적절한 평면화 기술, 예컨대 담요 에치백 또는 화학 기계적 연마에 의해 접촉홀(202H)내의 티타늄 나이트라이드 플러그(미도시) 안으로 형성될 수 있다. 약 600℃이하의 증착 온도에서는, 스텝 커버리지는 고종횡비, 예컨대 7:1 이상의 종횡비에 대해 향상될 수 있다. 훨씬 높은 종횡비를 갖는 피쳐에 대해서는, NH3:TiCl4유동도를 감소시키므로써 스텝 커버리지를 더 향상시킬 수 있다.
크랙 없는 Tin 막의 형성은 막 응력만의 함수가 아니라는 사실을 주목해야 한다. 대신에 증착이 발생하는 NH3:TiCl4비율 또한 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 동일한 막응력을 갖는 막들은 서로 다른 NH3:TiCl4비율을 사용하여 증착되는 경우에는 다른 크래킹 반응을 나타낼 수도 있다. 이것 때문에 증착막의 증착 및 발생 과정에서 서로 다른 표면 반응을 일으킬 수 있다.
증착 온도 및 NH3:TiCl4비율에 따라서, 증착된 티타늄 나이트라이드 막은 약 5% 정도의 염소 함유물을 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 티타늄 나이트라이드층(204)은 도 2c에 도시된 바와 같이 플라즈마 처리 과정에 종속이다. 특히 예컨대 약 300Å의 두께를 갖는 티타늄 나이트라이드층(204)은 RF 파워를 챔버(100)의 샤워헤드(showerhead;120)에 적용시키므로써 수소-함유 플라즈마(210)에 노출된다. 상기 수소-함유 플라즈마(210)는 바람직하게 분자 H2가스로부터 발생되지만, 선택적으로는 질소(N2)를 포함한다. 다른 수소-함유, 유기 또는 무기 선임자, 예컨대 암모니아 가스(NH3), 메탄(CH4)은 상기 수소-함유 플라즈마(210)를 발생시키는데 사용될 수 있다. 상기 티타늄 나이트라이드층(204)을 상기 플라즈마에 노출시키는 것은 티타늄 나이트라이드층(204)의 원자 수소(예컨대, 중성 원자 및 이온 모두를 포함한다.) 및 염소류 사이의 상호 작용을 일으킨다고 믿어진다. 또한 상기 막처리 과정은 이온 충격보다 화학 반응에 더 많이 영향을 받는다고 믿어진다. 그리하여, 본 발명에 따라서, 상기 막처리 과정은 또한 기판 근처에서 발생된 지역플라즈마 뿐만 아니라 원거리 플라즈마 환경 하에서도 수행될 수 있다.
도 5는 도 2c의 티타늄 나이트라이드층(204)를 포함하는 웨이퍼(190)를 처리하기 위한 챔버(100)에 연결된 원거리 플라즈마 소스(501)를 도식적으로 보여준다. 예를 들어, 원거리 플라즈마는 마이크로파 또는 플라즈마 소스 가스(예컨대, 아르곤 같은 불활성 기체와 함께있는 수소-함유 가스)의 RF 여기에 의해 발생된다. 가스 흐름 제어기(505)는 가스 공급기(503)로부터 원거리 플라즈마 소스(501)로의 플라즈마 소스 가스 공급을 제어한다. 원자 수소 같은 원거리 플라즈마 소스(501)에 발생된 근본적인 종류들이 입구(507)에서 챔버(100) 안으로 유도된다. 화학 반응은 플라즈마로부터의 기본 물질과 티타늄 나이트라이드층(204)에서의 염소류 사이에서 발생하여 티타늄 나이트라이드층(204)을 처리하게 된다.
표 2는 H2처리를 위한 통상적인 프로세스 조건들을 나타낸다. H2유동도는 약 500-5000sccm의 범위, 또는 바람직하게는 약 2000sccm의 범위에 있다.; RF 파워는 약 600-900W의 범위, 또는 바람직하게는 약 600W의 범위에 있다. 택일적으로, H2/N2플라즈마 또한 예를 들어, 약 500-5000 sccm 범위의 N2유동도와 함께 사용될 수 있다. N2/H2유동도는 통상적으로 약 0-2의 범위 내에서 유지되고 바람직하게는 약 1로 유지된다.; 40초의 처리 시간이 300Å 두께의 티타늄 나이트라이드막에 대해 사용된다. 더 얇은 티타늄 나이트라이드 막에 대해서는 더 짧은 처리 시간으로도 충분하다. 선택적으로, 아르곤이나 헬륨 같은 다른 불활성 기체들이 상기 처리 플라즈마에 추가될 수 있다. 원거리 플라즈마를 사용하는 처리에 대해서는, 상기프로세스 조건들(예를 들어, 플라즈마 파워, 가스 유동도, 압력 기타 등등)은 충분한 양의 원자 수소를 제공하여 효과적인 처리를 위한 티타늄 나이트라이드층(204)에 도달할 수 있도록 조절될 수 있다. 그러한 처리를 위해 요구되는 기본 종류는 해당 분야의 당업자에 의한 실험에 의해 발견될 수 있다.
H2로부터 발생된 것과 같은 수소-함유 플라즈마를 사용하는 플라즈마 처리는 NH3에서의 열 담금질에 비해 티타늄 나이트라이드 막의 Cl 함유물을 감소시키는데 훨씬 더 효과적이다. 예를 들어, 약 580℃의 온도에서, 티타늄 나이트라이드막은 H2/N2플라즈마 처리후에는 약 1.5%의 Cl 농도를 갖는데 비해, NH3열 담금질 후에는 약 3%의 Cl농도를 갖는다. 통상적으로, 약 580℃에서 H2/N2플라즈마에서 처리되는 티타늄 나이트라이드막의 저항, 또는 보다 일반적으로 수소 및 질소를 포함하는 플라즈마의 저항은 약 200-230 마이크로옴-cm이다. 한 실시예에서, 예를 들어, NH3열 담금질 후에는 약 320 마이크로옴-cm인 것에 비해, 수소를 포함하는 플라즈마로 처리되는 티타늄 나이트라이드막은 약 180 마이크로옴-cm이다.
NH3로 열 담금질한 것에 비해 더 나은 숙성 효과가 또한 수소-함유 플라즈마로 처리된 티타늄 나이트라이드막에 대해서 관찰된다. 예를 들어, H2플라즈마로 취급된 티타늄 나이트라이드막은 24시간 뒤에는 4% 미만의 시트 저항 증가를 보인다. 반면에, NH3의 열 담금질에 의해 처리된 동일한 두께의 다른 티타늄 나이트라이드막은 약 40%의 증가를 보인다.
어떤 실시예에서, 플라즈마 처리후에는 화학양론 즉 티타늄 나이트라이드막의 Ti:N 비율은 변경되지 않은 것이 발견되며, 중요한 막 밀도 높이기는 없다. 그러나, 상대적으로 저온에서 증착된 티타늄 나이트라이드막은 비결정질이거나 미정질이기 때문에, 상기 플라즈마 처리는 티타늄 나이트라이드 입자 크기를 향상시키거나 결정 발생에 있어서 사소한 문제를 일으킨다.
본 발명의 또다른 관점에서는, 상기 막증착 및 플라즈마 처리 단계는 다양한 바람직한 막 특성을 달성하기 위해 서로 다른 시퀀스 조합에서 수행된다. 예컨대, 하나의 특정 제조 시퀀스는 2개의 프로세스 단계에서 서로 다른 증착 조건을 사용하는 2단계 프로시져를 사용하여 복합 티타늄 나이트라이드층의 형성하는 단계를 포함한다. 이 프로세스 시퀀스는 도 3a-d에 도시되어 있다. 도 3a는 도 2c에 도시된 것과 유사하게 첫번째 티타늄 나이트라이드층(304)을 기판 구조(350)상에 증착하는 것을 도시한다. 상기 티타늄 나이트라이드층(304)은 바람직하게 상대적으로 저응력 막이며, 또한 상대적으로 얇다. 예컨대, 20-25Å 보다 더 적다. 예를 들어, 표 1에 나타난 프로세스(b)의 방법은 약 600℃ 이하의 온도에서 이 층(304)을 층작하는데 사용된다. 20이상 또는 바람직하게는 40 이상, 더 바람직하게는 85 이상의 NH3:TiCl4유동도가 이 단계에서 상대적으로 저응력을 갖는 제1층을 제공하기 위해 사용된다. 상기 프로세스 시퀀스의 제2단계에서, 제2 티타늄 나이트라이드층(306)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1층(304) 상에 증착된다. 제2 티타늄 나이트라이드층(306)은 표 1의 프로세스 방법(a)에 보여진 바와 같이, 바람직하게는 좋은 스텝 커버리지, 예컨대 약 5 이상 또는 5 이상, 더 바람직하게는 약 8.5 이상의 NH3:TiCl4유동도를 갖게 해주는 프로세스 조건 하에서 증착된다. 이 제2 티타늄 나이트라이드층(306)은 약 300Å의 두께까지 증착될 수 있으며 층(304)의 막 응력 보다 더 큰 막 응력을 가질 수 있다. 도 3c는 H2로부터 발생된 것과 같은 수소-함유 플라즈마(310)에 노출되고 있는 증착된 티타늄 나이트라이드층(306)을 보여준다. 이 플라즈마 처리는 도 3d에 도시된 합성 티타늄 나이트라이드층(314)을 만들게 되고, 도 3c의 증착된 층(306)에 비해 감소된 Cl 함유물을 갖는 플라즈마 처리 또는 변형 층(306m) 및 기본층(304)을 포함한다. 특정 플라즈마 조건 및 제2 티타늄 나이트라이드층(306)의 두께에 따라서, 상기 기본층(304)은 플라즈마에 의해 처리될 수도 안될 수도 있다. 예를 들어, 상기 층(306)이 250Å 보다 적은 두께를 갖는 경우에는, 층(304)은 플라즈마(310)에 의해 처리될 것이다. 약 250Å보다 두꺼운층(306)에 대해서는, 층(304)은 처리되지 않을 것이다. 그러나, 제1층(304)이 제2티타늄 나이트라이드층(306)보다 염소 함유물이 더 적기 때문에(층(304)가 NH3:TiCl4 율이 더 높은 조건하에서 증착되었다.), 층(304)이 플라즈마 처리된 것인지 아닌지는 합성층(314)의 저항에 크게 영향을 미치지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 후에는 눈에 띌 만한 막 농축이 없고, 합성층 두께 tc는 대략 증착된 티타늄 나이트라이드층(304 및 306)의 두께의 합과 같다. 추가적인 막증착 및 플라즈마 처리 사이클은 바람직한 두께의 합성 티타늄 나이트라이드층을 형성하는데 필요한 만큼 수행될 수 있다. 본 발명에 따라서, 예를 들어, 1000Å의 두께를 가지며 크랙이 없는 티타늄 나이트라이드층(314)은 플러그 필 응용분야에서 사용하기 위해 제조될 수 있다.
일반적으로, 원하는 두께의 합성 티타늄 나이트라이드층이 수 사이클의 막 증착 및 플라즈마 처리를 반복하므로써 티타늄 나이트라이드 함유물층의 전체로부터 형성된다. 증착 및 각각의 티타늄 나이트라이드 함유물 층에 대한 플라즈마 처리 조건의 최적화는 향상된 커버리지 및 감소된 막응력이라는 조합된 잇점을 갖는 합성 티타늄 나이트라이드층이 된다.
플러그 필 응용분야 외에도, 본 프로세스에 의해 형성된 티타늄 나이트라이드층은 또한 절연체로 탄탈륨 펜트옥사이드(Ta2O5)를 갖는 커패시터 구조에서 상부 전극에 대한 장벽층으로도 사용될 수 있다. 도 4는 그러한 커패시터 구조에 대한 단면도를 보여준다.
하부 전극(400)은 실리콘 예컨대 폴리실리콘으로 구성된다. 실리콘 나이트라드 같은 장벽층(402)도 Ta2O5를 포함하는 절연층(404)을 형성하기 전에 사용될 수 있다. 통상적으로, Ta2O5는 약 450℃ 미만의 온도에서 액체 소스 예컨대 탄탈륨-펜타 에톡시(TAETO) 또는 탄탈륨-테트라에톡시다이메틸라민(TATDMAE)을 사용하는 CVD 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 티타늄 나이트라이드 장벽층(406)은 원치않는 다양한 재료층들을 통한 내부-확산을 피하기 위해 바람직하게는 낮은 프로세싱 온도에서 Ta2O5절연층(404) 상에 형성된다. 이것은, 예컨대 본 발명의 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 상기 티타늄 나이트라이드 장벽층(406)은 표 1에 나타난 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 폴리실리콘 또는 다른 적절한도전 물질을 포함하는 상부 전극층(408)은 플라즈마 처리된 티타늄 나이트라이드 장벽층(406) 상에 형성되고, 이것은 도 4의 커패시터 구조가 된다.
본 발명이 두꺼운 막 형성을 필요로하는 응용분야(예컨대, 플러그 필)에 특히 적합한 반면에, 일반적으로 다양한 집적 회로 제조 단계에서 만날 수 있는 라이터/장벽 커패시터 등등을 포함하는 많은 다른 기판 구조에 적용가능하다.
본 발명의 수개의 바람직한 실시예들이 보여지고 상세히 설명되었지만, 해당 분야의 당업자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 많은 다양한 실시예들로 수정할 수 있을 것이다.
본 발명에 의하여 티타늄 나이트라이드 막 증착방법에 관한 것으로, 더 상세히는 저항값이 낮으며 두껍고 응력이 낮은 티타늄 나이트라이드 막을 형성할 수 있다.

Claims (25)

  1. 티타늄 나이트라이드층을 증착하는 방법에 있어서,
    (a) 약 10 내지 50 torr의 범위의 압력 및 약 600℃ 이하의 온도에서, 암모니아(NH3) 및 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 사이의 열 반응을 하여 프로세싱 챔버 내의 기판 상에 티타늄 나이트라이드층을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 스텝(a) 다음에, 수소-함유 플라즈마에서 상기 프로세싱 챔버로부터 상기 기판을 제거하지 않고 상기 티타늄 나이트라이드층을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스텝(b)는 약 0.5 내지 10 torr의 압력 및 500 내지 600℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스텝(a)는 약 5이상의 NH3:TiCl4유동도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스텝(a)에서 형성된 상기 제1 티타늄 나이트라이드층은 두께가 약 300Å 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스텝(b)의 상기 수소-함유 플라즈마는 분자 수소로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스텝(b)의 수소-함유 플라즈마는 분자 수소 및 분자 질소로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 나이트라이드층은 상기 스텝(b)후에는 약 200 마이크로옴-cm 이하의 막저항을 갖는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    (c) 스텝(a) 및 스텝(b)를 반복하여 두께는 적어도 1000Å이고 막저항은 약 200 마이크로옴-cm 이하인 합성 티타늄 나이트라이드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 수소-함유 플라즈마는 고주파 플라즈마(radio-frequency plasma)인 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수소-함유 플라즈마는 원거리 플라즈마인 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  11. 티타늄 나이트라이드층을 증착하는 방법에 있어서,
    (a) 약 20 이상의 제1 NH3:TiCl4유동도, 약 10 내지 50 torr 범위의 압력 및 약 600℃ 이하의 온도에서 암모니아(NH3) 및 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 사이의 열 반응을 이용하여 프로세싱 챔버 내의 기판 상에 티타늄 나이트라이드층을 형성하는 단계;
    (b) 스텝(a)에서 사용된 상기 제1 NH3:TiCl4유동도와는 다른 제2 NH3:TiCl4유동도에서 암모니아(NH3) 및 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 사이의 열 반응을 이용하여 제1 티타늄 나이트라이드층 상에 제2 티타늄 나이트라이드층을 형성하는 단계; 및
    (c) 스텝(b) 다음에, 상기 프로세싱 챔버로부터 상기 기판을 제거하지 않고 상기 제2 티타늄 나이트라이드층을 수소-함유 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 티타늄 나이트라이드층은 두께가 약 20Å이하이고, 상기 제1 티타늄 나이트라이드층은 두께가 약 300Å이하이며, 상기 제2 NH3:TiCl4유동도는 약 5 이상인 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 스텝(a),(b) 및 (c)는 추가적인 사이클을 반복하여 약 1000Å이상의 두께를 갖는 합성 티타늄 나이트라이드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 수소-함유 플라즈마는 고주파 플라즈마인 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 수소-함유 플라즈마는 원거리 플라즈마인 것을 특징으로 하는 티타늄 나이트라이드층 증착 방법.
  16. 커패시터 구조를 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1 금속 전극 상에 절연층을 형성하는 단계;
    (c) 약 10 내지 50 torr의 압력 및 약 600℃의 온도에서 암모니아(NH3) 및 사염화 티타늄(TiCl4) 사이의 열 반응을 이용하여 상기 절연층 상에 티타늄 나이트라이드층을 형성하는 단계;
    (d) 스텝(c)에서 형성된 상기 티타늄 나이트라이드층을 수소-함유 플라즈마에 노출시키는 단계; 및
    (e) 스텝(d) 뒤에 상기 티타늄 나이트라이드층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터 구조 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 스텝(b)의 상기 절연층은 탄탈륨 펜트옥사이드(Ta2O5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터 구조 형성 방법.
  18. 제16항에 있어서, 스텝(c)의 상기 수소-함유 플라즈마는 분자 수소로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 커패시터 구조 형성 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 스텝(c)는 약 5 이상의 NH3:TiCl4유동도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 커패시터 구조 형성 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 제1 전극은 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터 구조 형성 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 제2 전극은 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터 구조 형성 방법.
  22. 수행시 범용 컴퓨터로 하여금 막 증착 방법을 사용하여 증착 챔버를 제어하도록 하는 소프트웨어 루틴(routine)을 포함하는 컴퓨터 저장 매체에 있어서, 상기 막 증착 방법은,
    (a) 약 10 내지 50 torr 범위의 압력 및 약 600℃이하의 온도에서 암모니아(NH3) 및 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 사이의 열 반응을 사용하여 프로세싱 챔버내의 기판 상에 티타늄 나이트라이드 층을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 스텝(a) 후에는 상기 프로세싱 챔버로부터 상기 기판을 제거하기 않고도 수소-함유 플라즈마에서 상기 티타늄 나이트라이드 층을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
  23. 제22항에 있어서, 상기 스텝(b)의 상기 수소-함유 플라즈마는 분자 수소로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
  24. 제22항에 있어서, 상기 스텝(a)은 약 5 이상의 NH3:TiCl4유동도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
  25. 수행시 범용 컴퓨터로 하여금 막 증착 방법을 사용하여 증착 챔버를 제어하도록 하는 소프트웨어 루틴을 포함하는 컴퓨터 저장 매체에 있어서, 상기 막 증착 방법은,
    (a) 약 20 이상의 NH3:TiCl4유동도, 약 10 내지 50 torr 및 약 600℃ 이하의온도에서 암모니아(NH3) 및 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 사이의 열 반응을 이용하여 프로세싱 챔버내의 기판 상에 제1 티타늄 나이트라이드 층을 형성하는 단계;
    (b) 스텝(a)에서 사용되는 제1 NH3:TiCl4유동도와는 다른 제2 NH3:TiCl4유동도에서 NH3및 TiCl4사이의 열 반응을 이용하여 상기 티타늄 나이트라이드 층 상에 제2 티타늄 나이트라이드 층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 스텝(b) 후에는 상기 프로세싱 챔버로부터 상기 기판을 제거하지 않고도 상기 제2 티타늄 나이트라이드 층을 수소-함유 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 저장 매체.
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