JP2009001904A - 半導体素子の薄膜形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子の薄膜形成方法が開示される。
【解決手段】前記方法は、基板に液状金属イオンソースを吸着するステップと、前記基板に吸着されない液状金属イオンソースをリンス液で除去するステップと、前記吸着された液状金属イオンソースを液状還元剤で金属膜に吸着するステップと、前記基板に残存する液状還元剤と反応副産物を前記リンス液で除去して半導体素子の薄膜を形成するステップと、を含む。
【選択図】図1
【解決手段】前記方法は、基板に液状金属イオンソースを吸着するステップと、前記基板に吸着されない液状金属イオンソースをリンス液で除去するステップと、前記吸着された液状金属イオンソースを液状還元剤で金属膜に吸着するステップと、前記基板に残存する液状還元剤と反応副産物を前記リンス液で除去して半導体素子の薄膜を形成するステップと、を含む。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体素子の薄膜形成方法に関し、さらに詳細には、無電解方式で半導体素子の薄膜を形成する方法に関する。
通常、半導体素子の薄膜形成には、化学気相蒸着工程(CVD:Chemical Vapor Deposition)、物理気相蒸着工程(PVD:Physical Vapor Deposition)、電気化学蒸着工程(ECD:Electrochemical Deposition)、及び無電解蒸着工程(Electroless DepositionまたはElectroless Plating)などを選択的に利用することができる。この中で、電気化学蒸着工程によって比較的不純物含量が少ない金属膜を得ることができ、他の工程に比べて相対的に優秀な特性を有する金属膜を得ることができる。しかしながら、電気化学蒸着工程は、外部電源を利用した電気化学的方法で金属膜を蒸着するので、電圧降下により大面積ウェハへの適用が困難であり、伝導性の良いシード層(seed layer)を要求するので、工程が複雑であるという短所を有する。
上述の短所を解決するため、ウェハ表面を活性化した後、溶液内で還元剤と酸化剤とのイオン化傾向の差を利用して金属膜を蒸着する方法が特許文献1に開示されている。
同方法によれば、銅(Cu)シード層形成工程が必要なく、外部電源を利用せずウェハ全体で等しく蒸着が行なわれるため、電圧降下による均一性低下を改善できるという長所がある。また、同方法は、電気化学蒸着方法とは異なり、シード層形成工程を必要としないため、工程を単純化することができ、生産性の側面で高い競争力を有する。例えば、上述の特許文献1に開示された無電解蒸着工程は、電気化学蒸着工程に比べて工程を単純化することができる。
米国特許第6、126、989号
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、無電解蒸着方式で半導体素子の薄膜を形成する方法を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明による半導体素子の薄膜形成方法は、無電解蒸着工程に原子層蒸着工程技術を適用したことを特徴とする。
前記特徴を具現すべく、本発明の実施の形態による半導体素子の薄膜形成方法は、基板に液状金属イオンソースを吸着するステップと、前記基板に吸着されない液状金属イオンソースをリンス液で除去するステップと、前記吸着された液状金属イオンソースを液状還元剤で金属膜に吸着するステップと、前記基板に残存する液状還元剤と反応副産物を前記リンス液で除去して半導体素子の薄膜を形成するステップと、を含むことを特徴とする。
本実施の形態において、前記方法は、前記液状金属イオンソースを前記基板に吸着するステップの前に、前記基板を活性化するステップををさらに含むことができる。前記表面活性化処理ステップでは、前記基板にパラジウム膜を形成するか、または前記基板をプラズマ処理した後、前記パラジウム膜を形成することができる。
本実施の形態において、前記液状金属イオンソースは銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、錫(Sn)、鉄(Fe)、鉛(Pb)、カドミウム(Cd)、これらの合金及びこれらの組み合わせのうち何れか一つを含む金属塩であることができる。
本実施の形態において、前記液状還元剤は、水素化硼素カリウム(KBH4)、次亜リン酸塩(hypophosphite)、ヒドラジン(hydrazine)、ジメチルアミンボラン(DMAB:dymethylamineborane)、ジエチルアミンボラン(diethylamineborane)、モルホリンボラン(morpholineborane)、ピリジンアミンボラン(pyridineamineborane)、ピペリジンボラン(piperidineborane)、エチレンジアミンボラン(ethylenediamineborane)、エチレンジアミンビスボラン(ethylenediaminebisborane)、t−ブチルアミンボラン(t−butylamineborane)、イミダゾールボラン(imidazoleborane)、メトキシエチルアミンボラン(methoxyethylamineborane)、ナトリウムボロハイドライド(sodium borohydride)を含むことができる。
本実施の形態において、前記リンス液は超純水を含むことができる。
本実施の形態において、前記ステップの各々は、0.01秒(sec)乃至100秒(sec)の間行うことができる。前記ステップの各々は、100以下または25℃乃至100℃で行うことができる。
本実施の形態において、前記ステップの各々は、前記基板をチャックにマウントして行うかまたは前記基板をバス(bath)に浸して行うことができる。
本実施の形態において、前記金属膜は単原子、合金、または金属と非金属とで構成されることができる。
本実施の形態において、前記方法は、前記金属膜を窒化処理、シリサイド化処理、または酸化処理するステップをさらに含むことができる。
本実施の形態において、前記基板は半導体ウェハ、伝導性膜、または絶縁性膜を含むことができる。
前記特徴を具現すべく、本発明の他の実施の形態による半導体素子の形成方法は、少なくとも二種類の液状金属塩を含む液状金属イオンソースを基板に吸着するステップと、前記液状金属イオンソースを液状還元剤でラミネートされた金属膜に吸着するステップと、前記基板をリンスして、半導体素子に薄膜を提供するステップと、を含み、前記液状還元剤のうち何れか一つは、前記液状金属イオンソースのうち何れか一つを吸着することを特徴とする。
本実施の形態において、前記液状金属イオンソースは銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、錫(Sn)、鉄(Fe)、鉛(Pb)、カドミウム(Cd)、これらの合金及びこれらの組み合わせのうち何れか一つを含む金属塩を含むことができる。
本実施の形態において、前記液状還元剤は、水素化硼素カリウム(KBH4)、次亜リン酸塩(hypophosphite)、ヒドラジン(hydrazine)、ジメチルアミンボラン(DMAB:dymethylamineborane)、ジエチルアミンボラン(diethylamineborane)、モルホリンボラン(morpholineborane)、ピリジンアミンボラン(pyridineamineborane)、ピペリジンボラン(piperidineborane)、エチレンジアミンボラン(ethylenediamineborane)、エチレンジアミンビスボラン(ethylenediaminebisborane)、t−ブチルアミンボラン(t−butylamineborane)、イミダゾールボラン(imidazoleborane)、メトキシエチルアミンボラン(methoxyethylamineborane)、ナトリウムボロハイドライド(sodium borohydride)を含むことができる。
本実施の形態において、前記方法は、前記基板に前記液状金属イオンソースを吸着するステップの前に、前記基板を活性化するステップをさらに含むことができる。
本実施の形態において、前記基板を活性化するステップは、前記基板をプラズマエッチング処理するかまたは処理せず、前記基板にパラジウム膜を形成するステップを含むことができる。
本実施の形態において、前記方法は、前記金属膜を窒化処理、シリサイド化処理、または酸化処理するステップをさらに含むことができる。
本実施の形態において、前記基板をリンスするステップは、前記基板に吸着されない液状金属イオンソースを除去するステップと、残存する液状還元剤と副産物を除去するステップと、を含むことができる。
前記特徴を具現すべく、本発明のまた他の実施の形態による半導体素子の薄膜形成方法は、基板を提供する基板提供ステップと、前記基板に第1液状金属イオンソースを提供して、前記第1液状金属イオンソースを前記基板に吸着する第1金属イオン吸着ステップと、前記基板にリンス液を提供して、前記基板に吸着されない第1液状金属イオンソースを除去する第1リンスステップと、前記基板に第1液状還元剤を提供して、前記基板に吸着された第1液状金属イオンソースを還元することで、前記基板に第1金属膜を蒸着する第1金属イオン還元ステップと、前記基板に前記リンス液を提供して、残存する第1液状還元剤と第1反応副産物を除去する第2リンスステップと、前記基板に第2液状金属イオンソースを提供して、前記第2液状金属イオンソースを前記第1金属膜に吸着する第2金属イオン吸着ステップと、前記基板に前記リンス液を提供して、前記第1金属膜に吸着されない第2液状金属イオンソースを除去する第3リンスステップと、前記基板に第2液状還元剤を提供して、前記第1金属膜に吸着された第2液状金属イオンソースを還元することで、前記第1金属膜上に第2金属膜が積層されたラミネート金属膜を蒸着する第2金属イオン還元ステップと、前記基板にリンス液を提供して、残存する第2液状還元剤と第2反応副産物を除去する第4リンスステップと、を含むことを特徴とする。
本実施の形態において、前記第1及び第2液状金属イオンソースは、互いに異なる液状金属塩を含むことができる。前記液状金属イオンソースは銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、錫(Sn)、鉄(Fe)、鉛(Pb)、カドミウム(Cd)、これらの合金及びこれらの組み合わせのうち何れか一つを含む金属塩を含む。
本実施の形態において、前記方法は、前記第1金属イオン吸着ステップの前に、前記基板を活性化するステップををさらに含むことができる。前記表面活性化処理ステップでは、前記基板にパラジウム膜を形成するか、または前記基板をプラズマ処理した後、前記パラジウム膜を形成することができる。
本実施の形態において、前記第1及び第2液状還元剤のうち何れか一つまたは両方は、水素化硼素カリウム(KBH4)、次亜リン酸塩(hypophosphite)、ヒドラジン(hydrazine)、ジメチルアミンボラン(DMAB:dymethylamineborane)、ジエチルアミンボラン(diethylamineborane)、モルホリンボラン(morpholineborane)、ピリジンアミンボラン(pyridineamineborane)、ピペリジンボラン(piperidineborane)、エチレンジアミンボラン(ethylenediamineborane)、エチレンジアミンビスボラン(ethylenediaminebisborane)、t−ブチルアミンボラン(t−butylamineborane)、イミダゾールボラン(imidazoleborane)、メトキシエチルアミンボラン(methoxyethylamineborane)、ナトリウムボロハイドライド(sodium borohydride)を含むことができる。
本実施の形態において、前記リンス液は超純水を含むことができる。
本実施の形態において、前記ステップの各々は、0.01秒(sec)乃至100秒(sec)の間行うことができる。前記ステップの各々は、100℃以下または25℃乃至100℃で行うことができる。
本実施の形態において、前記方法は、前記第4リンスステップの後、前記ラミネート金属膜を窒化処理、シリサイド化処理、または酸化処理するステップをさらに含むことができる。
本実施の形態において、前記第4リンスステップの後、前記ステップの各々を繰り返すことができる。
本実施の形態において、前記ステップの各々は、前記基板をチャックにマウントして行うかまたは前記基板をバス(bath)に浸して行うことができる。
本実施の形態において、前記基板は半導体ウェハ、伝導性膜、または絶縁性膜を含むことができる。
本発明によれば、原子層モードを使用して基板に金属イオンソースを提供し、リンス液を提供し、還元剤を提供し、またリンス液を提供することで、コンフォーマルで精密な厚さの調節が可能な金属膜を蒸着することができる。
本発明によれば、原子層蒸着モードを利用して基板に金属イオンソースを吸着し、リンス液で非吸着金属イオンソースを除去し、還元剤を基板に提供して表面反応により金属が蒸着されるようにし、またリンス液で残存還元剤と反応副産物を除去することで、基板にステップカバレッジの優れたコンフォーマルな金属膜を比較的低温(100℃以下)で高速(数百Å/分以上)で蒸着することができるようになる。また、上述のサイクルを繰り返して必要な厚さだけ金属膜を形成することができ、サイクル当たり適用する物質を変えて互いに異なる物質層または不純物層を形成することができ、精密な厚さ及び界面コントロールが可能であるという効果が得られる。
以下、本発明による半導体素子の薄膜形成方法を添付の図面を参照して詳しく説明する。
従来技術と比べた本発明の利点は、添付の図面の参照とともに詳細な説明と特許請求の範囲により明白になるであろう。特に、本発明は特許請求の範囲でよく指摘され、明白に請求される。しかしながら、本発明は添付の図面に関連して次の詳細な説明を参照することで最もよく理解できる。多様な図面において同一の参照符号は同一の構成要素を示す。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態による半導体素子の薄膜形成方法を示す概念図であり、図2は、前記方法を示すフローチャートである。
図1は、本発明の実施の形態による半導体素子の薄膜形成方法を示す概念図であり、図2は、前記方法を示すフローチャートである。
図1及び図2を参照すれば、基板100の表面100aに金属膜150を無電解方式で蒸着またはメッキするために、金属イオンソース(metal ion source)110を基板100に提供する。金属イオン吸着ステップS200で、金属イオンソース110が基板100の表面100aに吸着される。本明細書において、基板100はシリコンウェハ(silicon wafer)のような半導体ウェハ、伝導性膜または絶縁性膜などであり得る。即ち、基板100の種類は特定のものに限定されない。
金属イオンソース110は、例えば、ディスペンスアーム(dispense arm)を通して液状の金属イオンソース110をチャックにマウントされた基板100に噴射する方式、所謂シングルタイプ(single type)方式を採択して、基板200に提供されることができる。一方、金属イオンソース110は、例えば、液状の金属イオンソース110が満たされたバス(bath)に基板100を浸すバッチタイプ(batch type)方式を採択して、基板100に提供されることができる。金属イオン吸着ステップS200において、基板100の表面100aには、吸着された金属イオン、すなわち吸着金属イオンソース110aが存在するようになる。その他に、基板100上には、表面100aに吸着されなかった金属イオンソース、すなわち非吸着金属イオンソース110bが存在し得る。
金属イオンソース110は、基板100の表面100aに蒸着しようとする金属を含む物質、例えば金属塩であり得る。例えば、金属イオンソース110は、銅(Cu)薄膜を蒸着しようとする場合はCuSO4を、コバルト(Co)薄膜を蒸着しようとする場合はCoSO4を、ニッケル(Ni)薄膜を蒸着しようとする場合はNiSO4を含むことができる。金属イオンソース110は、上述の銅(Cu)、コバルト(Co)、またはニッケル(Ni)を含む金属塩の他に金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、錫(Sn)、鉄(Fe)、鉛(Pb)、またはカドミウム(Cd)などを含む金属塩であり得る。本明細書に記載された「蒸着」という用語は「メッキ」という意味と同様に使用されることができる。
選択的に、金属イオン吸着ステップS200の前に、前処理ステップとして基板100の表面100aに対して表面活性化処理(surface activation)S100をさらに行うことができる。表面活性化処理S100では、無電解蒸着において金属膜150の成長核になりメッキ反応の触媒として作用する物質を基板100の表面100aに形成する。表面活性化処理S100を行うことで、金属膜150と基板100との密着性を向上させることができ、金属膜150を稠密且つ均一に形成することができる。表面活性化処理S100は、例えば、基板100にパラジウム塩(palladium salt)を提供して表面100aに表面活性化処理膜としてパラジウム膜105を形成するか、またはプラズマエッチング処理で表面100aに存在し得る酸化物を先に除去してパラジウム膜105を形成することができる。パラジウム膜105を形成すると、表面100a上においてパラジウム膜105が形成された部位のみに選択的に金属膜150が形成されることができる。
金属イオン吸着ステップS200の後に、基板100の表面100aにリンス液(rinsing solution)を提供して、非吸着金属イオンソース110bを基板100から除去する第1リンスステップS300を行う。第1リンスステップS300は、例えばディスペンスアームを通してチャックにマウントされた基板100にリンス液を噴射する方式(シングルタイプ)を採択して行うことができる。一方、第1リンスステップS300は、例えばリンス液が満たされたバス(bath)に基板100を浸す方式(バッチタイプ)を採択して行うことができる。シングルタイプ方式を採択して第1リンスステップS300を行う場合、非吸着金属イオンソース110bは基板100から除去される一方、吸着金属イオンソース110aは表面100aに残存するように、リンス液を基板100に噴射する力を適切に調節することが好ましい。ここで、前記リンス液は、超純水(DIW)及び様々な溶媒(solvent)のうち何れか一つまたはその組み合わせを採択することができる。一例として、溶媒は、SC−1(NH4OH+H2O2+H2O)、SC−2(HCl+H2O2+H2O)、IPA(isopropyl alcohol),HF、HF+NH3+H2SO4、TCE(Trichloro Ethylene)、またはリンス液として使用できる任意の化学物質であり得る。
第1リンスステップS300の後に、基板100に還元剤(reducing agent)120を提供して吸着金属イオンソース110aから金属イオンを還元し、表面100aに金属130が蒸着されるようにする金属イオン還元ステップS400を行う。金属イオン還元ステップS400では、無電解蒸着で、すなわち外部電源を利用せず、還元剤120の酸化反応によって生成された電子を吸着金属イオンソース110aが受けて金属に還元される吸着金属イオンソース110aの還元反応によって、金属130が表面100aに蒸着される。
還元剤120としては、基板100の表面100aに提供された吸着金属イオンソース110aの金属イオンを還元して金属130に析出できるものを採択する。一例として、銅(Cu)を還元しようとする場合、還元剤120は水素化硼素カリウム(KBH4)、ジメチルアミンボラン(dimethylamineborane)、次亜リン酸塩(hypophosphite)、またはヒドラジン(hydrazine)などであり得る。他の例として、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)を還元しようとする場合、還元剤120は、ジメチルアミンボラン(DMAB:dymethylamineborane)、ジエチルアミンボラン(diethylamineborane)、モルホリンボラン(morpholineborane)、ピリジンアミンボラン(pyridineamineborane)、ピペリジンボラン(piperidineborane)、エチレンジアミンボラン(ethylenediamineborane)、エチレンジアミンビスボラン(ethylenediaminebisborane)、t−ブチルアミンボラン(t−butylamineborane)、イミダゾールボラン(imidazoleborane)、メトキシエチルアミンボラン(methoxyethylamineborane)、ナトリウムボロハイドライド(sodium borohydride)などのようなホウ化物(boride)であり得る。
金属イオン還元ステップS400は、例えばディスペンスアームを通してチャックにマウントされた基板100に液状の還元剤120を噴射する方式(シングルタイプ)を採択して行うことができる。一方、金属イオン還元ステップS400は、例えば液状の還元剤120が満たされたバス(bath)に基板100を浸す方式(バッチタイプ)を採択して行うことができる。金属イオン還元ステップS400で還元剤120が基板100に提供されると、金属イオン還元反応に参加する反応還元剤120aと基板100に残存する残存還元剤120bとに区分されることができる。
本発明では、金属イオンソース110は金属イオン吸着ステップS200で基板100に提供され、還元剤120は金属イオン還元ステップS400で金属イオンソース110とは別途に基板100に提供される。即ち、本発明では、金属イオンソース110と還元剤120とが分離されて基板100に提供されるので、金属イオンソース110と還元剤120の混合液を別途に製造して保管する必要がない。したがって、金属イオンソース110と還元剤120との混合による化学的劣化(chemical degradation)の問題を考慮する必要が全くない。さらに、金属イオンソース110と還元剤120の混合液内のpH制御のために必要な錯化剤(complexing agent)や、金属イオンソース110と還元剤120との反応(homogeneous reaction)を防止する安定剤(stabilizer)が使用される必要が全くない。
金属イオン還元ステップS400の後に、基板100にリンス液を提供して残存還元剤120bを基板100から除去する第2リンスステップS500を行う。第2リンスステップS500では、残存還元剤120bだけでなく反応副産物140も一緒に基板100から除去することができる。第2リンスステップS500は、例えばディスペンスアームを通してチャックにマウントされた基板100にリンス液を噴射する方式(シングルタイプ)を採択して行うことができる。一方、第2リンスステップS500は、例えば、リンス液が満たされたバス(bath)に基板100を浸す方式(バッチタイプ)を採択して行うことができる。ここで、前記リンス液としては、超純水(DIW)及び様々なソルベント(solvent)のうち何れか一つまたはその組み合わせを採択することができる。
上述のように、原子層蒸着(ALD)方式と同じく、金属イオン吸着ステップS200、第1リンスステップS300、金属イオン還元ステップS400及び第2リンスステップS500を順に行うと、基板100の表面100aには金属膜150が蒸着される。金属膜150の蒸着速度は、略数百Å/分(min)以上の高速であり得る。図面には便宜上、金属膜150が不連続的に図示されていることに留意するべきである。金属膜150は、表面100aの全体にかけて蒸着されることができ、または表面100aで選択的に蒸着されることができる。必要によって、金属イオン吸着ステップS200、第1リンスステップS300、金属イオン還元ステップS400及び第2リンスステップS500を繰り返すことで、金属膜150を所望の厚さ、例えば10Å乃至1000Å程度の厚さに精密に調節することができる。
上述のように、単原子で構成された金属膜150の形成以外に、合金または金属と不純物(例えば、非金属)で構成された金属膜150を蒸着することもできる。すなわち、金属イオン吸着ステップS200で、金属イオンソース120を二つ以上の物質で構成するなどの方法を適切に選択することで、例えばコバルト合金、ニッケル合金、銅合金及びその他の様々な合金で構成された金属膜150を形成することができる。例えば、コバルト合金としては、CoP、CoB、CoWP、CoWB、CoZnP、CoFeP、CoReP、CoCuP、CoMoP、CoMoB、CoMnPなどがある。ニッケル合金としては、例えば、NiP、NiB、NiWP、NiCoP、NiCuP、NiFeP、NiReP、NiCoReP、NiCoWPなどがある。そして、銅合金としては、例えば、CuZn、CuAg、CuCaなどがある。
図3は、本発明の実施の形態による半導体素子の薄膜形成方法における各ステップ別工程時間を示すグラフである。
図3を参照すれば、金属イオン吸着ステップS200をT1の間行った後、第1リンスステップS300をT2の間行う。その後、金属イオン還元ステップS400をT3の間行った後、第2リンスステップS500をT4の間行う。第2リンスステップS500の後、必要によって金属イオン吸着ステップS200と第1リンスステップS300をそれぞれT5及びT6の間繰り返し、以降、金属イオン還元ステップS400と第2リンスステップS500をそれぞれT7及びT8の間繰り返すことができる。T1乃至T8は、各ステップS200〜S500で反応が十分起きる時間の程度であり、一例として、T1乃至T8はそれぞれ略0.01秒乃至100秒であり得る。
前記一連のステップS200〜S500は、常温(例えば、25℃)で行うことができ、各ステップS200〜S500の工程温度を上昇させて、各ステップS200〜S500での反応をさらに活性化することができる。各ステップS200〜S500の工程温度は、略100℃以下に設定しても、各反応を活性化するに十分であろう。
再び図1及び図2を参照すれば、これまで基板100に金属膜150を蒸着することに対して記述したが、必要によって基板100に窒化膜やシリサイド膜や酸化膜などを蒸着し得る。上述の各ステップS200〜S500で金属膜150を形成した後、選択的に金属膜150の窒化処理S600、シリサイド化処理S700、または酸化処理S800などの後続処理をさらに行うことができる。一例として、前記後続処理S600〜S800は、急速熱処理方式(RTP)を利用するか、超高真空チャンバ(UHV chamber)で行うか、対流(convection)または伝導(conduction)方式による熱処理方式で行うことができる。前記後続処理S600〜S800の温度は、略100℃乃至1500℃に設定することができる。そして、前記後続処理S600〜S800の圧力は、略10−8トル(Torr)程度の高真空乃至5気圧(atm)程度の高圧に設定することができる。前記後続処理S600〜S800は、上述の条件以外に周知の工程を採択して行うことができる。
半導体素子の薄膜形成の際に本発明を採択すれば、フラット(flat)金属膜はもちろん特に縦横比(aspect ratio)が大きいコンタクトホールやビアホール内にバリア(barrier)または非常に大きい高さのキャパシタの上下部電極などをコンフォーマル(conformal)に蒸着できるので、ステップカバレッジ(step coverage)が非常に優れた薄膜を具現することができるようになる。
(他の実施の形態)
図4A及び図4Bは、本発明の他の実施の形態による半導体素子の薄膜形成方法を示す概念図であり、図5は、前記方法のフローチャートである。本実施の形態は、図1及び図2の実施の形態と類似するので、以下では相違点に対して詳しく説明し、同一な点に対しては概略的に説明するか省略する。
図4A及び図4Bは、本発明の他の実施の形態による半導体素子の薄膜形成方法を示す概念図であり、図5は、前記方法のフローチャートである。本実施の形態は、図1及び図2の実施の形態と類似するので、以下では相違点に対して詳しく説明し、同一な点に対しては概略的に説明するか省略する。
図4A及び図5を参照すれば、基板200の表面200aに第1金属膜250を無電解方式で蒸着またはメッキするために、表面200aに第1金属イオンソース210を提供して吸着する第1金属イオン吸着ステップS210を行う。第1金属イオンソース210は例えば液状からなり、前述の実施の形態と同様にシングルタイプまたはバッチタイプを採択することができる。第1金属イオン吸着ステップS210によって、基板200の表面200aには第1吸着金属イオンソース210aが存在し、基板200の表面200a以外には第1非吸着金属イオンソース210bが存在する。第1金属イオンソース210は、例えば、銅金属塩やニッケル金属塩またはコバルト金属塩など、基板200の表面200aに蒸着しようとする金属を含む物質であり得る。一例として、第1金属イオンソース210はコバルト(Co)を含む金属塩(例えば、CoSO4)であり得る。
選択的に、第1金属イオン吸着ステップS210の前に、前処理ステップとして無電解蒸着において第1金属膜250の成長核となりメッキ反応の触媒として作用する物質を基板200の表面200aに付着させる表面活性化処理S110をさらに行うことができる。表面活性化処理S110は、例えば基板200にパラジウム塩(palladium salt)を提供して表面200aにパラジウム膜205を形成することで、第1金属膜250と基板200との密着性を向上させ、第1金属膜250を均一に蒸着することができる。
第1金属イオン吸着ステップS210の後に、基板200の表面200aにリンス液、例えば超純水(DIW)及び様々な溶媒(solvent)のうち何れか一つまたはその組み合わせを提供して、第1非吸着金属イオンソース210bを基板200から除去する第1リンスステップS310を行う。第1リンスステップS310は、前述した実施の形態と同様にシングルタイプまたはバッチタイプを採択して行うことができる。
第1リンスステップS310の後に、基板200に第1還元剤220を提供して第1吸着金属イオンソース210aから第1金属イオンを還元する第1金属イオン還元ステップS410を行う。第1金属イオン還元ステップS410で、第1還元剤220の酸化反応と第1吸着金属イオンソース210aの還元反応によって第1金属230が表面200aに蒸着される。第1金属イオン還元ステップS410は、例えば液状の還元剤を用いて、前述の実施の形態と同様にシングルタイプまたはバッチタイプを採択して行うことができる。第1金属イオン還元ステップS410で第1還元剤220が基板200で提供されると、金属イオン還元反応に参加する第1反応還元剤220aと基板200に残存する第1残存還元剤220bとに区分されることができる。前述の実施の形態のように、第1金属イオンソース210がコバルト(Co)を含む金属塩(例えば、CoSO4)である場合、第1還元剤220はジメチルアミンボラン(DMAB)であり得る。
第1金属イオン還元ステップS410の後に、基板200にリンス液、例えば超純水(DIW)及び様々な溶媒(solvent)のうち何れか一つまたはその組み合わせを提供して第1残存還元剤220bを基板200から除去する第2リンスステップS510を行う。第2リンスステップS510では、第1残存還元剤220bだけでなく第1反応副産物240も一緒に基板200から除去することができる。第2リンスステップS510は、シングルタイプまたはバッチタイプを採択して行うことができる。
上述の一連のステップによって、基板200の表面200aにはコバルト(Co)のような第1金属膜250が蒸着される。第1金属膜250は表面200aの全体にかけて蒸着でき、または表面200aで選択的に蒸着されることができる。必要によって、第1金属イオン吸着ステップS210、第1リンスステップS310、第1金属イオン還元ステップS410及び第2リンスステップS510を繰り返すことで、第1金属膜250の厚さを所望の厚さに精密に調節することができる。
図4B及び図5を参照すれば、第2リンスステップS510の後に、基板200に第2金属イオンソース215を提供して第2金属イオンソース215を第1金属膜250の表面250aに吸着する第2金属イオン吸着ステップS220を行う。第2金属イオン吸着ステップS220によって、第1金属膜250の表面250aには第2吸着金属イオンソース215aが存在し、その他に第2金属膜250上には第2非吸着金属イオンソース215bが存在し得る。第2金属イオンソース215は、例えば銅金属塩やニッケル金属塩またはコバルト金属塩など、第1金属膜250の表面250aに蒸着しようとする金属、例えば第1金属イオンソース(図4Aの210)に含まれた金属と異なる金属を含む物質であり得る。一例として、第1金属イオンソース(図4Aの210)がコバルト(Co)を含む金属塩(例えば、CoSO4)である場合、第2金属イオンソース215はニッケル(Ni)を含む金属塩(例えば、NiSO4)であり得る。
第2金属イオン吸着ステップS220の後に、第1金属膜250の表面250aにリンス液、例えば超純水(DIW)及び様々な溶媒(solvent)のうち何れか一つまたはその組み合わせを提供して第2非吸着金属イオンソース215bを第1金属膜250から除去する第3リンスステップS320を行う。第3リンスステップS320は、前述の実施の形態のように、シングルタイプまたはバッチタイプを採択して行うことができる。
第3リンスステップS320の後に、第1金属膜250に第2還元剤225を提供して第2吸着金属イオンソース215aから第2金属イオンを還元する第2金属イオン還元ステップ420を行う。第2金属イオン還元ステップS420によって第2還元剤225の酸化反応と第2吸着金属イオンソース215aの還元反応により第2金属235が第1金属膜250の表面250aに蒸着される。第2金属イオン還元ステップS420は、シングルタイプまたはバッチタイプを採択して行うことができる。第2金属イオン還元ステップS420で第2還元剤225が第1金属膜250に提供されると、金属イオン還元反応に参加する第2反応還元剤225aと第1金属膜250に残存する第2残存還元剤225bとに区分されることができる。第2金属イオンソース215がニッケル(Ni)を含む金属塩(例えば、NiSO4)である場合、第2還元剤225はジメチルアミンボラン(DMAB)であり得る。
第2金属イオン還元ステップS420の後に、第1金属膜250にリンス液、例えば超純水(DIW)及び様々な溶媒(solvent)のうち何れか一つまたはその組み合わせを提供して第2残存還元剤225bを第1金属膜250から除去する第4リンスステップS520を行う。第4リンスステップS520では、第2残存還元剤225bだけでなく第2反応分産物245も一緒に第1金属膜250から除去することができる。第4リンスステップS520は、シングルタイプまたはバッチタイプを採択して行うことができる。
上述の一連のステップによって、第1金属膜250の表面250aには、例えばニッケル(Ni)膜のような第2金属膜255が蒸着される。結果的に、基板200の表面200aには第1金属膜250と第2金属膜255が積層された(laminated)金属膜260、例えばコバルト膜250とニッケル膜255が積層された金属膜260が蒸着される。必要によって、第2金属イオン吸着ステップS220、第3リンスステップS320、第2金属イオン還元ステップS420及び第4リンスステップS520を繰り返すことで、第2金属膜255の厚さを所望の厚さに精密に調節することができる。
第1金属膜250上に第2金属膜255を形成した後、第1金属イオン吸着ステップS210乃至第2リンスステップS510を再び行って、第2金属膜255上に第1金属膜250がさらに積層された金属膜260を形成することができる。さらに、選択的に第2金属イオン吸着ステップS220乃至第4リンスステップS520を再び行って、第1金属膜250と第2金属膜255が数回積層された金属膜260を形成することができる。
第1金属イオンソース210と第2金属イオンソース215を適切に選別することで、第1金属膜250と第2金属膜255のうち何れか一つまたは両方が合金、または金属と不純物(例えば、非金属)とで構成された金属膜260を形成することができる。一例として、第1金属膜250はコバルト合金で形成し、第2金属膜255はニッケル合金で形成することができる。
上述の各ステップS210〜S520により金属膜260を形成した後、選択的に金属膜260の窒化処理S610、シリサイド化処理S710、または酸化処理S810などの後続処理をさらに行うことができる。
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
100 基板
100a 基板の表面
105 パラジウム膜(表面活性化処理膜)
110 金属イオンソース
110a 吸着金属イオンソース
110b 非吸着金属イオンソース
120 還元剤
120a 反応還元剤
120b 残存還元剤
130 還元された金属
140 反応副産物
150 金属膜
100a 基板の表面
105 パラジウム膜(表面活性化処理膜)
110 金属イオンソース
110a 吸着金属イオンソース
110b 非吸着金属イオンソース
120 還元剤
120a 反応還元剤
120b 残存還元剤
130 還元された金属
140 反応副産物
150 金属膜
Claims (20)
- 基板に液状金属イオンソースを吸着するステップと、
前記基板に吸着されない液状金属イオンソースをリンス液で除去するステップと、
前記吸着された液状金属イオンソースを液状還元剤で金属膜に吸着するステップと、
前記基板に残存する液状還元剤と反応副産物を前記リンス液で除去して半導体素子の薄膜を形成するステップと、を含むことを特徴とする半導体素子の薄膜形成方法。 - 前記液状金属イオンソースを前記基板に吸着するステップの前に、前記基板を活性化するステップををさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記基板を活性化するステップは、
前記基板をプラズマエッチング処理するかまたは処理せず、前記基板にパラジウム膜を形成するステップを含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の薄膜形成方法。 - 前記液状金属イオンソースは銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、錫(Sn)、鉄(Fe)、鉛(Pb)、カドミウム(Cd)、これらの合金及びこれらの組み合わせのうち何れか一つを含む金属塩を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記液状還元剤は、水素化硼素カリウム(KBH4)、次亜リン酸塩(hypophosphite)、ヒドラジン(hydrazine)、ジメチルアミンボラン(DMAB:dymethylamineborane)、ジエチルアミンボラン(diethylamineborane)、モルホリンボラン(morpholineborane) 、ピリジンアミンボラン(pyridineamineborane)、ピペリジンボラン(piperidineborane)、エチレンジアミンボラン(ethylenediamineborane)、エチレンジアミンビスボラン(ethylenediaminebisborane)、t−ブチルアミンボラン(t−butylamineborane)、イミダゾールボラン(imidazoleborane)、メトキシエチルアミンボラン(methoxyethylamineborane)、ナトリウムボロハイドライド(sodium borohydride)を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記リンス液は超純水を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記ステップの各々は、0.01秒(sec)乃至100秒(sec)の間行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記ステップの各々は、100℃以下で行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記ステップの各々は、25℃乃至100℃で行うことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記ステップの各々は、前記基板をチャックにマウントして行うかまたは前記基板をバス(bath)に浸して行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記金属膜は単原子、合金、または金属と非金属とで構成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記金属膜を窒化処理、シリサイド化処理、または酸化処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記基板は半導体ウェハ、伝導性膜、または絶縁性膜を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 少なくとも二種類の液状金属塩を含む液状金属イオンソースを基板に吸着するステップと、
前記液状金属イオンソースを液状還元剤でラミネートされた金属膜に吸着するステップと、
前記基板をリンスして、半導体素子に薄膜を提供するステップと、を含み、
前記液状還元剤のうち何れか一つは、前記液状金属イオンソースのうち何れか一つを吸着することを特徴とする半導体素子の薄膜形成方法。 - 前記液状金属イオンソースは銅(Cu)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)、錫(Sn)、鉄(Fe)、鉛(Pb)、カドミウム(Cd)、これらの合金及びこれらの組み合わせのうち何れか一つを含む金属塩を含むことを特徴とする請求項14に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記液状還元剤は、水素化硼素カリウム(KBH4)、次亜リン酸塩(hypophosphite)、ヒドラジン(hydrazine)、ジメチルアミンボラン(DMAB:dymethylamineborane)、ジエチルアミンボラン(diethylamineborane)、モルホリンボラン(morpholineborane) 、ピリジンアミンボラン(pyridineamineborane)、ピペリジンボラン(piperidineborane)、エチレンジアミンボラン(ethylenediamineborane)、エチレンジアミンビスボラン(ethylenediaminebisborane)、t−ブチルアミンボラン(t−butylamineborane)、イミダゾールボラン(imidazoleborane)、メトキシエチルアミンボラン(methoxyethylamineborane)、ナトリウムボロハイドライド(sodium borohydride)を含むことを特徴とする請求項15に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記基板に前記液状金属イオンソースを吸着するステップの前に、前記基板を活性化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項14に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記基板を活性化するステップは、
前記基板をプラズマエッチング処理するかまたは処理せず、前記基板にパラジウム膜を形成するステップを含むことを特徴とする請求項17に記載の半導体素子の薄膜形成方法。 - 前記金属膜を窒化処理、シリサイド化処理、または酸化処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求項14に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
- 前記基板をリンスするステップは、
前記基板に吸着されない液状金属イオンソースを除去するステップと、
残存する液状還元剤と副産物を除去するステップと、を含むことを特徴とする請求項14に記載の半導体素子の薄膜形成方法。
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