JP2012501557A - 多層金属薄膜製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Abstract
別途の熱処理工程を省略することができる多層金属薄膜製造方法及びその製造装置を提供する。多層金属薄膜製造方法は、（ａ）第１反応容器に第１金属前駆体を流入して、基板上に第１金属膜を形成する工程と、（ｂ）第２反応容器に第２金属前駆体を流入して、前記第１金属膜上に第２金属膜を形成する工程とを含み、前記（ｂ）工程は、前記第１金属膜が熱処理されながら前記第２金属膜が形成されるように、前記第１金属膜の熱処理温度の範囲内でなされる。
Description
本発明は、半導体製造工程で多層金属薄膜の製造に関するものであり、より詳細には、別途の熱処理工程を省略することができる多層金属薄膜製造方法及びその製造装置に関するものである。
多層金属薄膜の代表的な例で、コバルト／チタン／窒化チタン（Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ）を挙げることができる。Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮは金属酸化物半導体（ＭＯＳ）素子が数十ｎｍ以下のスケールに微細化されながらソース／ドレイン領域とゲート間の接触抵抗を低めるためにたくさん利用されている。この時、コバルト膜（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、チタン窒化膜（ＴｉＮ）は一般的にそれぞれ異なる反応容器で形成されて、コバルト膜（Ｃｏ）の蒸着後には接触抵抗を低めるために、熱処理またはプラズマ処理を実施してコバルト膜内に含まれた炭素を除去する。
図１は、従来のＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造する方法の例を示したものである。図２は、図１のＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができる装置２００の例を示したものである。
図１及び図２を参照すれば、従来は第１反応容器２１０で、ＣＶＤ方法でシリコン基板上にコバルト（Ｃｏ）を蒸着して、コバルト膜を形成して（Ｓ１１０）、第２反応容器２２０で熱処理またはプラズマ処理を実施してコバルト膜の抵抗を低くする（Ｓ１２０）。以後、第３反応容器２３０でチタン（Ｔｉ）を蒸着してチタン膜を形成して（Ｓ１３０）、第４反応容器２４０でチタン窒化膜（ＴｉＮ）を形成する（Ｓ１４０）。
しかし、前記のような方法は、第１反応容器２１０で、ＣＶＤ方法でコバルト膜を形成した後、必要な熱処理またはプラズマ処理のための別途の第２反応容器２２０が必要である。また、熱処理またはプラズマ処理後に別途の第３反応容器２３０でウェハーを移送する時に空気中の露出による自然酸化膜の生成によって接触抵抗増加の原因になる。また、Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを形成するために４個の反応容器が必要である。これによって、Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮの生産性が落ちる問題点がある。
このような問題点を解決するために、最近には第２反応容器２２０でなされる熱処理またはプラズマ処理と第３反応容器２３０でなされるチタン膜の形成が一つの反応容器でなされている。特に、一つの反応容器でコバルト膜の熱処理などをした後、チタン膜を形成する。しかし、このような方法はコバルト膜の熱処理とチタン膜の形成が別に進行されるので、Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを形成するのに相変らず長い時間が必要となる問題点がある。
本発明は、上部金属膜の蒸着温度を下部金属膜の熱処理温度の範囲内に設定して、下部金属膜の別途の熱処理過程を省略することができる多層金属薄膜製造方法及びその製造装置を提供する。
本発明の一実施例は、（ａ）第１反応容器に第１金属前駆体を流入して、基板上に第１金属膜を形成する工程、及び（ｂ）第２反応容器に第２金属前駆体を流入して、前記第１金属膜上に第２金属膜を形成する工程を具備して、前記（ｂ）工程は前記第１金属膜が熱処理されながら前記第２金属膜が形成されるように、前記第１金属膜の熱処理温度の範囲内でなされることを特徴とする。
また、本発明の他の一実施例は、（ａ）第１反応容器に第１金属前駆体を流入して、基板上に第１金属膜を蒸着する工程、及び（ｂ）第２反応容器に第２金属前駆体及び窒素前駆体を流入して、前記第１金属膜上に窒素割合が５％〜３５％である第２金属窒化膜及び第２金属割合が５％〜３５％である第２金属窒化膜を順次形成する工程を具備して、前記（ｂ）工程は前記第１金属膜が熱処理されながら前記第２金属窒化膜が形成されるように、前記第１金属膜の熱処理温度範囲でなされることを特徴とする。
本発明の一実施例は、複数の反応容器を含む多層金属薄膜製造装置を提供する。２個の反応容器では基板上にコバルト膜の形成がそれぞれなされて、他の２個の反応容器では前記コバルト膜上にチタン膜の形成が、前記コバルト膜の熱処理温度範囲でそれぞれなされる。
本発明の他の一実施例は、複数の反応容器を含む多層金属薄膜製造装置を提供する。２個の反応容器では基板上にコバルト膜の形成がそれぞれなされて、前記複数の反応容器のうちの他の２個の反応容器では前記コバルト膜上に窒素割合が５％〜３５％であるチタン窒化膜（ＴｉＮ）、及びチタン割合が５％〜３５％であるチタン窒化膜の形成が順次前記コバルト膜の熱処理温度範囲でそれぞれなされる。
本発明の他の一実施例は、複数の反応容器を含む多層金属薄膜製造装置を提供する。２個の反応容器では基板上にコバルト膜の形成がそれぞれなされて、前記複数の反応容器のうちで他の一つの反応容器では、前記コバルト膜上にチタン膜の形成が前記コバルト膜の熱処理温度範囲でなされて、前記複数の反応容器のうちでまた他の一つの反応容器では前記チタン膜上にチタン窒化膜の形成がなされる。
本発明による多層金属薄膜製造方法及びその製造装置は、上部金属膜の蒸着温度を下部金属膜の熱処理温度領域で進行して、下部金属膜の別途の熱処理過程を省略することができるので、多層金属薄膜製造の効率を高めることができる。
また、本発明による多層金属薄膜製造方法及びその製造装置は、多層金属薄膜の蒸着工程進行に必要な反応容器の数を減らすことができるので、多層金属薄膜製造の生産性を高めることができる。
以下では、本発明の具体的な実施例を、図面を参照して詳しく説明するようにする。
図３は、本発明による多層金属薄膜製造方法の一実施例を示したものである。
図３に示された多層金属薄膜製造方法３００は、第１金属膜形成工程（Ｓ３１０）、第２金属膜形成工程（Ｓ３２０）を具備してなされる。
第１金属膜形成工程（Ｓ３１０）では、第１反応容器に第１金属前駆体を流入して、基板上に第１金属膜を形成する。第２金属膜形成工程（Ｓ３２０）では、第２反応容器に第２金属前駆体を流入して、第１金属膜上に第２金属膜を形成する。
この時、第２金属膜形成工程（Ｓ３２０）は、第１金属膜の熱処理温度範囲でなされる。これは第１金属膜が熱処理されながら第２金属膜が形成されるようにするためである。第１金属膜の抵抗を低くするために従来には別途の熱処理またはプラズマ処理を行った。しかし、本発明では第２金属膜を第１金属膜の熱処理温度範囲で形成することで、第２金属膜の形成と第１金属膜の熱処理を同時に進行することができる。よって、第１金属膜の別途の熱処理時間を減らすことができるので、全体的に多層金属薄膜の製造時間を減らすことができる。
第２金属膜の形成以後、第２金属膜の表面処理のために第２金属膜の表面を窒化するか（Ｓ３３０−１）、または第２金属膜上に第２金属窒化膜をさらに形成（Ｓ３３０−２）することができる。
第２金属膜の表面を窒化（Ｓ３３０−１）する方法は、第２金属膜が形成される第２反応容器にＮＨ３とＮ２のような窒素成分を含むガスをＡｒ、Ｈ２などと共に流入することでなされることができる。一例で、第２反応容器に１ＳＬＭ（Standard Liters per Minute）以上のＡｒ、１ＳＬＭ以上のＮＨ３、４ＳＬＭ以上のＨ２及び１ＳＬＭ以下のＮ２を流入して、反応容器内部に１０００Ｗ以上のパワーを印加して、反応容器内部を１ｔｏｒｒ以上の圧力で維持してチタン膜の表面を窒化することができる。
第２金属膜上に第２金属窒化膜をさらに形成（Ｓ３３０−２）する方法は、第２反応容器または別途の第３反応容器に第２金属前駆体及び窒素前駆体を流入して第２金属窒化物を蒸着することでなされることができる。この過程は、熱蒸着（Thermal Deposition）方式によってなされるので、第２反応容器よりは別途の第３反応容器でなされることが望ましい。
仮に、製造しようとする多層金属薄膜がコバルト／チタン／窒化チタン（Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ）なら、図３に示された製造方法３００にしたがって次のような過程でＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができる。
先ず、第１金属膜形成工程（Ｓ３１０）では、第１反応容器にコバルト（Ｃｏ）前駆体を流入して、おおよそ１００℃〜２００℃の低温で基板上にコバルト膜を形成する。第２金属膜形成工程（Ｓ３２０）では第２反応容器にチタン（Ｔｉ）前駆体を流入して、コバルト膜上にチタン膜を形成する。この時、コバルト膜の熱処理温度は、おおよそ５００℃程度であるので、第２反応容器でチタン膜の形成温度をおおよそ４５０℃〜５５０℃にすれば、コバルト膜の熱処理と同時にコバルト膜上にチタン膜を形成することができる。
以後、チタン膜の表面を窒化するか、またはチタン窒化膜（ＴｉＮ）をさらに形成すれば、Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮが製造される。よって、コバルト膜の別途の熱処理工程を略しても所望のＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを得ることができるので、別途のコバルト膜の熱処理工程に必要となる時間及び費用を減らすことができる。
図４は、本発明による多層金属薄膜製造方法の他の一実施例を示したものである。
図４に示された多層金属薄膜製造方法４００は、第１金属膜形成工程（Ｓ４１０）及び第２金属窒化膜形成工程（Ｓ４２０）を具備してなされる。
第１金属膜形成工程（Ｓ４１０）では、第１反応容器に第１金属前駆体を流入して、基板上に第１金属膜を蒸着する。第２金属窒化膜形成工程（Ｓ４２０）では、第２反応容器に第２金属前駆体及び窒素前駆体を流入して、第１金属膜上に窒素割合が５％〜３５％（以下、第２金属リッチと称する）である第２金属窒化膜及び第２金属割合が５％〜３５％（以下、Ｎリッチと称する）である第２金属窒化膜を順次に形成する。この時、第２金属窒化膜形成工程（Ｓ４２０）は、第１金属膜が熱処理されながら第２金属窒化膜らが形成されるように、第１金属膜の熱処理温度範囲でなされる。
第２金属窒化膜形成工程（Ｓ４２０）で先に蒸着される第２金属リッチである第２金属窒化膜は第２金属膜の組成に近くするために窒素の割合を相対的に低くしたものである。このような方法は、第２反応容器で第２金属膜を形成して、別に窒化させる方法や、第２金属窒化膜を形成する方法に比べて第２反応容器内に流入される前駆体の流量を調節することで工程時間をさらに縮めることができる長所がある。
仮に、製造しようとする多層金属薄膜がＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮなら、図４に示された製造方法４００にしたがって次のような過程でＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができる。
第１金属膜形成工程（Ｓ４１０）では第１反応容器にコバルト前駆体を流入して、１００℃〜２００℃で基板上にコバルト膜を蒸着する。第２金属窒化膜形成工程（Ｓ４２０）ではコバルト膜の熱処理温度範囲に該当するおおよそ４５０℃〜５５０℃で第２反応容器にチタン前駆体及び窒素前駆体を流入して、コバルト膜上にチタン膜の組成に近接したＴｉリッチであるチタン窒化膜及びＮリッチであるチタン窒化膜を順次に形成する。
図３に示された多層金属薄膜製造方法３００で、第２反応容器で第２金属膜が形成されるうちに（Ｓ３２０）、第２反応容器にプラズマが印加されて、第２金属膜が形成されながら第１金属膜の熱処理がなされること以外に、追加的に第１金属膜のプラズマ処理がさらになされることができる。同じく、図４に示された多層金属薄膜製造方法４００で、第２反応容器に第２金属窒化膜が順次形成されるうちに（Ｓ４２０）、プラズマが印加されることができる。この時、プラズマはＨ２、ＮＨ３のような水素（Ｈ）を含むガスを基盤にするプラズマであることができる。プラズマが印加される場合、第２金属膜または第２金属窒化膜が形成されながら下部の第１金属膜の熱処理がなされること以外に、追加的に第１金属膜のプラズマ処理がさらになされることで第１金属膜の抵抗を低くする効率を高めることができる。
図５は、本発明による多層金属薄膜製造装置の一実施例を示したものであり、具体的には、図３に記載した多層金属薄膜製造方法３００、４００を利用して、Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができる装置を示したものである。
図５に示されたＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ製造装置５００を参照すれば、複数の反応容器５１０〜５４０のうち、２個の反応容器５１０、５２０をコバルト膜形成（図３のＳ３１０）のための用途で、他の２個の反応容器５３０、５４０をチタン膜形成（図３のＳ３２０）のための用途で利用することができる。また、他の２個の反応容器５３０、５４０はチタン膜形成後、チタン膜表面の窒化（図３のＳ３３０−１）のための用途にも利用することができる。
図５に示されたＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ製造装置５００を利用すれば、ＥＦＥＭ（Equipment Front End Module）から２枚のウェハーがロードロック（Load lock）チャンバに具備されるウェハー移送用ロボットを通じてコバルト膜形成のための２個の反応容器５１０、５２０に移送される。コバルト膜が形成された２個のウェハーは、ウェハー移送用ロボットを通じてコバルト膜熱処理と同時にチタン膜形成のための他の２個の反応容器５３０、５４０に移送されて、ＥＦＥＭから他の２枚のウェハーがコバルト膜形成のための２個の反応容器５１０、５２０に移送される。
したがって、図２に示された多層金属薄膜製造装置２００を利用した時には４個の反応容器を順次経てＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができるが、図５に示された多層金属薄膜製造装置５００を利用した時は２個の反応容器のみを経ってＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができるので、Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮの製造効率をずっと高めることができる。
また、２個の反応容器５１０、５２０でコバルト膜が形成された後、真空状態で直接、チタン膜などの形成のための他の２個の反応容器５３０、５４０にウェハーが移送されるので、空気中にコバルト膜が露出しない。よって、自然酸化膜の形成などによるコバルト膜の比抵抗増加を阻むことができるので、良質のＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができる。
図６及び図７は、本発明による多層金属薄膜製造装置の一実施例を示したものであり、具体的には図３及び図４に記載した多層金属薄膜製造方法３００、４００を利用して、Ｃｏ／Ｔｉ／ＴｉＮを製造することができる装置を示したものである。
図６に示されたＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ製造装置６００を参照すれば、複数の反応容器６１０〜６４０のうち２個の反応容器６１０、６２０をコバルト膜形成（図３のＳ３１０）のための用途で、他の一つの反応容器６３０をチタン膜形成（図３のＳ３２０）のための用途で、また他の一つの反応容器６４０をチタン窒化膜形成（図３のＳ３３０−２）のための用途で利用することができる。また、図７に示されたＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ製造装置７００を参照すれば、複数の反応容器７１０〜７４０のうち２個の反応容器７１０、７２０をコバルト膜形成（図４のＳ４１０）のための用途で、他の２個の反応容器７３０、７４０をチタン窒化膜形成（図４のＳ４２０）のための用途で利用することができる。
図５及び図６に示されたＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ製造装置５００、６００で、チタン膜が形成される反応容器ら５３０、５４０、６３０には、チタン膜が形成されるうちにコバルト膜の接触抵抗を低くする効果を高めるためにプラズマが印加されて、チタン膜が形成されながらコバルト膜の熱処理がなされること以外に追加的にコバルト膜のプラズマ処理がさらになされることができる。同じく、図７に示されたＣｏ／Ｔｉ／ＴｉＮ製造装置７００で、チタン窒化膜が形成される反応容器７３０、７４０にチタン窒化膜が順次形成されるうちにプラズマが印加されることができる。この時、プラズマはＨ２、ＮＨ３のような水素を含むガスを基盤にするプラズマであることができる。
以上では本発明に対する技術思想を添付図面とともに述べたが、これは本発明の望ましい実施例を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者なら誰でも本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形及び模倣が可能であることは明白な事実である。
Claims (9)
- （ａ）第１反応容器に第１金属前駆体を流入して、基板上に第１金属膜を形成する工程と、
（ｂ）第２反応容器に第２金属前駆体を流入して、前記第１金属膜上に第２金属膜を形成する工程と、を含み、
前記（ｂ）工程は、前記第１金属膜が熱処理されながら前記第２金属膜が形成されるように、前記第１金属膜の熱処理温度の範囲内でなされることを特徴とする多層金属薄膜製造方法。 - （ｃ）前記第２反応容器で前記第２金属膜の表面を窒化する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の多層金属薄膜製造方法。
- （ｃ）第３反応容器に前記第２金属前駆体及び窒素前駆体を流入して、前記第２金属膜上に第２金属窒化膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の多層金属薄膜製造方法。
- 前記第１金属膜はコバルト膜であり、
前記第２金属膜はチタン膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の多層金属薄膜製造方法。 - （ａ）第１反応容器に第１金属前駆体を流入して、基板上に第１金属膜を蒸着する工程と、
（ｂ）第２反応容器に第２金属前駆体及び窒素前駆体を流入して、前記第１金属膜上に窒素割合が５％〜３５％である第２金属窒化膜及び第２金属割合が５％〜３５％である第２金属窒化膜を順次形成する工程と、を含み、
前記（ｂ）工程は、前記第１金属膜が熱処理されながら前記第２金属窒化膜が形成されるように、前記第１金属膜の熱処理温度の範囲内でなされることを特徴とする多層金属薄膜製造方法。 - 前記第１金属膜はコバルト膜であり、
前記第２金属窒化膜はチタン窒化膜であることを特徴とする請求項５に記載の多層金属薄膜製造方法。 - 前記（ｂ）工程で、前記第２反応容器内にプラズマを印加して、前記第１金属膜のプラズマ処理がさらになされることを特徴とする請求項１、２、３又は５のいずれか一つに記載の多層金属薄膜製造方法。
- 前記プラズマは、水素を含むガスを基盤とするプラズマであることを特徴とする請求項７に記載の多層金属薄膜製造方法。
- 前記水素を含むガスは、Ｈ２またはＮＨ３であることを特徴とする請求項８に記載の多層金属薄膜製造方法。
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