JP2021502473A - レーザ化学気相蒸着を用いた微細配線形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来のレーザ化学気相蒸着（ｌａｓｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＬＣＶＤ）を用いた微細配線形成方法における問題を解決・軽減させるためのもので、狭い幅の金属配線パターンを短時間で厚く成長させて、必要な導電性を確保することができる微細配線形成方法を提供すること。【解決手段】 レーザ化学気相蒸着（ＬＣＶＤ）により複数の金属元素を含むソースガスを供給しながら、基板に複数の金属元素を含む合金配線を形成するステップと、前記金属配線を含む領域にレーザ熱処理を行うステップと、を含んでなる微細配線形成方法が開示される。本発明の微細配線形成方法によれば、一次的に微細配線をＬＣＶＤ方式で形成しながら合金蒸着により狭い幅で短時間に高い厚さの成長を良好な膜質で達成し、後続のレーザ熱処理により微細配線の内部膜質の欠陥を治癒して組織緻密度及び膜質を改善し、均質性と導電安定性を向上させることができ、照射幅と出力強度及び照射方式を調節して、部分溶融及び冷却される過程でパターンが凝集するにつれて微細配線の線幅を２μｍ以下まで小さくすることができる。【選択図】 図８

Description

本発明の実施例は、微細配線形成方法に係り、さらに詳しくは、レーザ化学気相蒸着（ｌａｓｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＬＣＶＤ）によって微細配線を形成する方法に関する。
従来の微細配線形成方法としては、レーザを使用して微細パターンを形成するレーザ化学気相蒸着（ｌａｓｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＬＣＶＤ）方法を一例として挙げることができる。
ＬＣＶＤは、化学気相蒸着を行う際に、基板の当該部位にレーザ光を照射してその部分で集中的に蒸着が行われながら、単一の金属材料を用いて配線パターンなどを直接パターニングする方式である。この従来の方法は、配線パターンを形成するために、配線パターンを形成しようとする部位にタングステン、モリブデン、銅、アルミニウムなどから選択されたいずれかの金属元素を含むソース（ｓｏｕｒｃｅ）ガスを供給するように構成されている。
ＬＣＶＤ過程で形成される配線パターンの厚さや幅、形状、膜質等は、配線を形成するＬＣＶＤ工程での真空度、ソースガス圧力、レーザ出力及びレーザビームの形状、大きさ、照射時間、温度条件などにより異なる場合があり、また、かかる事項は、既存のＬＣＶＤについての研究や実験によりよく知られている。
ＬＣＶＤは、既存の主に配線パターンの欠陥部位をリペアするための手段として多く使用されたが、高速化と多重化によって直接パターニング方式の配線形成も十分に考えられるようになった。
一方、ＬＣＶＤにおいて、形成される配線パターンは、比較的短時間内に急速に形成されるので、配線パターンをなす金属膜の膜質が均一でなく、クラックやボイドが発生する場合が多く、配線形成方向と垂直な断面から見ると、中央部分がくぼんだ形をなし、配線幅に応じて厚さの成長量と成長速度が制限されるなどの問題がある。
そして、前述した問題は、高集積化された表示装置や集積回路パターンを形成する過程で工程を困難にしたり、工程時間を多く必要としたり、隣接するパターンとの短絡の問題を引き起こしたり、十分な導電性を確保できないようにしたりするなどの限界がある。
本発明は、従来のレーザ化学気相蒸着（ｌａｓｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＬＣＶＤ）を用いた微細配線形成方法における問題を解決・軽減させるためのもので、狭い幅の金属配線パターンを短時間で厚く成長させて、必要な導電性を確保することができる微細配線形成方法を提供することを目的とする。
本発明は、ＬＣＶＤにより一次的に形成した金属配線の膜質の導電性に影響を与える欠陥を癒し、緩和させて導電性を向上させることができる微細配線形成方法を提供することを他の目的とする。
本発明は、直接パターニング方式で金属配線パターンを形成する際に蒸着形成時の配線幅を後続の処理過程を経て２．０μｍ以下まで最終的に減少させることができる微細配線形成方法を提供することをまた他の目的とする。
上記技術的課題を解決するために、本発明の一側面による微細配線形成方法は、レーザ化学気相蒸着（ｌａｓｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＬＣＶＤ）により複数の金属元素を含むソースガスを供給しながら基板に複数の金属元素を含む金属配線（以下、合金配線と混用する。）を形成するステップと、前記金属配線を含む領域にレーザ熱処理を行うステップと、を含む。
一実施例において、蒸着形成された金属配線は、タングステン（ｔｕｎｇｓｔｅｎ、Ｗ）とモリブデン（Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ、Ｍｏ）を主として、例えは合計含有量が８０重量％以上を含んでいてもよい。
特に、蒸着された金属配線は、タングステン：モリブデンの重量比が２０：８０〜８０：２０であってもよく、好ましく５０：５０であってもよい。
配線に含まれる金属としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）のほか銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）などの比抵抗が低い金属が使用されてもよく、例えば、配線内には白金（Ｐｔ）が３重量％〜５重量％含有されてもよい。
一実施例において、レーザ熱処理を行うステップは、配線の表面から深さ１μｍまでを選択的にあるいは集中的に加熱した後、冷却することができる。この熱処理ステップで５００℃〜６５０℃の温度雰囲気下で加熱することができる。
一実施例において、ＬＣＶＤによる微細配線の形成とレーザ熱処理は、同じ場所で工程空間を移動していないまま、レーザのプロパティを変更しながら行うことができる。
一実施例において、微細配線形成方法は、前記ＬＣＶＤ合金配線形成ステップの前に欠陥をリペアするザッピング（ｚａｐｐｉｎｇ）ステップをさらに含んでいてもよい。そこで、前記ザッピングステップのリペアは、レーザ光によって行われ、前記ＬＣＶＤ合金配線の形成ステップ及び前記レーザ処理ステップで使用されるレーザ化学気相蒸着装置と、前記レーザ化学気相蒸着装置に結合された光学系及び観測装置とによりリペア工程がリアルタイムで観測されながら、前記前記レーザ化学気相蒸着装置に結合された制御装置によって自動的に行われることができる。
前述した本発明の微細配線形成方法によれば、一次的に微細配線を形成した後、後続のレーザ熱処理により微細配線の内部クラックやボイド（ｖｏｉｄ）を無くし、特にレーザ化学気相蒸着（ｌａｓｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、 ＬＣＶＤ）技術を利用する微細配線形成時の配線幅の中間部分にＵ字型の溝が発生する現象を緩和させることができ、組織緻密度を高め膜質を改善し、均質性を高め、導電性を向上させることができる。
本発明によれば、二次的レーザ熱処理ステップで照射幅と出力強度を調節して部分溶融及び冷却される過程で、パターンが凝集するにつれて微細配線の線幅を２．３μｍ以下、好ましくは２．０μｍ以下に小さくすることができ、パターン周辺の微細パーティクルを除去し、パターン周辺の汚い突出部を配線パターンのほうに凝集させて短絡などの電気的不良要因を防ぐことができるという利点がある。
上から見た微細配線形成方法による一実施例において合金配線あるいは複数の金属を含む配線の成分比とレーザ熱処理による配線膜質と周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡（ＦＩＢ ＳＥＭ）写真 上から見た微細配線形成方法による一実施例において合金配線あるいは複数の金属を含む配線の成分比とレーザ熱処理による配線膜質と周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡（ＦＩＢ ＳＥＭ）写真 上から見た微細配線形成方法による一実施例において合金配線あるいは複数の金属を含む配線の成分比とレーザ熱処理による配線膜質と周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡（ＦＩＢ ＳＥＭ）写真 本発明との比較のためのタングステン単一金属微細配線における成分比とレーザ熱処理による配線膜質と配線を覆う周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡写真 本発明との比較のためのタングステン単一金属微細配線における成分比とレーザ熱処理による配線膜質と配線を覆う周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡写真 本発明との比較のためのタングステン単一金属微細配線における成分比とレーザ熱処理による配線膜質と配線を覆う周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡写真 レーザ熱処理を行う前の合金配線と単一金属配線の断面写真をそれぞれ上下に置いて比較して示す説明図 本発明の一実施例の合金配線の熱処理前後の状態を対比して示す例示説明図 この合金配線の熱処理評価結果を説明するためのグラフ この合金配線の熱処理評価結果を図式的に示す説明図 合金配線の熱処理前後の変化を示す説明図 本発明の微細配線形成方法による合金配線の熱処理過程の説明図 本発明の微細配線形成方法による合金配線の熱処理過程の説明図 本発明の微細配線形成方法による合金配線の熱処理過程の説明図 本発明の微細配線形成方法による合金配線の熱処理過程の説明図 本発明の他の実施例に係る微細配線形成方法に採用することができる合金材料の成分比率を示す説明図 図１３の合金材料を使用する微細配線形成方法の熱処理前後の合金配線状態を対比して示す例示説明図 図１４の合金配線の熱処理評価結果を説明するためのグラフ 図１４の合金配線の熱処理評価結果を図式的に示す説明図 図１４の合金配線の熱処理後の状態を示す説明図 本発明のまた他の実施例に係る微細配線形成方法に採用することができる合金材料の成分比率を示す説明図 本発明の実施例との比較のための単一金属配線の材料成分を示すグラフ 図１９の単一金属配線を用いた微細配線形成方法の熱処理前後の配線状態を対比して示す例示説明図 図２０の単一金属配線の熱処理評価結果の説明図 図２０の単一金属配線の熱処理評価結果の説明図 図２０の単一金属配線の熱処理前後の変化を拡大して示す電子顕微鏡写真を含む説明図図 図２０の単一金属配線の熱処理後の厚さの変化を示す説明図
まず、本明細書において別に定義しない限り、技術的または科学的な用語を含めてここで用いられるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を含む。一般的に用いられる、辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上に有する意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味と解釈されない。
以下、本発明に係る好適な実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。
本実施例に係る微細配線形成方法は、一連の手順として、基板に微細配線を形成する第１ステップと、レーザを利用して配線を熱処理する第２ステップと、を含む。
具体的には、第１ステップでは、基板に２．５マイクロメートル（μｍ）以内の線幅を持つ微細配線パターンを形成する。微細配線パターンは、基板上に単層構造で形成されるか、積層工程を経て複層または多層構造で形成されてもよい。製造される電子部品素子における微細配線パターンは、酸化膜や窒化膜の絶縁層によって覆われる。
配線はタングステン（ｔｕｎｇｓｔｅｎ、Ｗ）とモリブデン（Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ、Ｍｏ）を主材料として、例えば８５重量％以上を含むように形成する。配線材料としては、銀（Ａｇ）、銅、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはこれらの組み合わせから選択される１つ以上の材料をさらに含んでいてもよい。このような配線材料により形成される微細配線パターンは、蒸着過程で炭素原子や酸素原子を含んでいてもよい。
合金配線では、タングステン：モリブデンの重量比を５０：５０にするために用意されたソースガスを使用した。タングステン配線の材料となるソースガスはＷ（ＣＯ）６で表示されるヘキサカルボニルタングステンが使用されてもよい。
本実施例において、微細配線を形成するためにＬＣＶＤを使用し、微細配線パターン形成のためのレーザ光を基板の所定の位置に照射しながら、当該位置の周辺にはソースガスを供給した。
ソースガスとして、タングステンを含むガスとモリブデンを含むガスとを別途のキャニスタ（ｃａｒｎｉｓｔｅｒ）に保存し、別途のマスフローコントローラ（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、ＭＦＣ）を使用して量を調節しながら、別途のラインを通じて供給するか、途中で供給ラインの最後の部分で統合配管内で混流された状態で供給するか、中間部に混合のための貯蔵タンク（ｒｅｓｅｒｖｅ ｔａｎｋ）のような空間を置いて混合した状態で供給するか、ガス貯蔵キャニスタに最初から両ソースガスを混合して供給するものを使用することができる。
レーザ光は、基板に形成したい線幅に合わせてビーム整形（ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ）が行われるように設けられたスリットまたはマスクを通過しながら所定の形態と大きさ及び光強度分布を有するレーザ光となり、基板の移送中に基板に対して相対的に移動しながら基板の当該部位あるいは領域を照射する。
工程過程において、ガスの供給は連続的に行われ、基板は基板が載置された移送手段の上で平面的にｘ、ｙ軸方向に移動することができる。
第２ステップでは、前述した特定の金属材料を使用し、ＬＣＶＤ技術を利用して微細配線パターンを形成した後、一般的な熱処理を行うのとは異なり、更なる性能向上のためにレーザ熱処理を行う。
レーザは、連続的にレーザ光を出すＣＷレーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ）であり、毎秒３μｍの速度で２回の繰り返しスキャンで基板基準線幅２μｍ、長さ５０μｍの微細パターンを照射して、その結果、レーザ熱処理が行われた微細配線パターンを得る。
もちろん、他の方式のレーザ熱処理も可能である。例えば、第２ステップで使用されるレーザは、ビーム形成の過程で微細配線の線幅よりも１μｍ大きな線幅で用意し、レーザ光の照射としては、連続照射ではなくパルス方式の照射を行ってもよい。但し、出力を適切に調節することで、微細パターンの表面から所定の深さまでの温度を適切な温度範囲に保持する。
レーザ熱処理は、配線の表面から深さ１μｍまでを５００℃〜６５０℃の温度範囲で加熱した後、冷却する工程を含んでいてもよい。冷却は、室温で徐冷してもよいし、冷却媒体により急冷してもよい。
レーザ熱処理は、工程を行う空間を変えずに同じ場所でイン・サイチュ（ｉｎ ｓｉｔｕ）方式で行われる。但し、光路を調整して、ＬＣＶＤに使用されたレーザと異なる出力及び照射プログラムを有するレーザを使用して行われる。
また、上述では詳しく説明していないが、本実施例では、微細配線パターンに対するレーザ熱処理を行う前に、レーザリペア加工の一種としてザッピング（ｚａｐｐｉｎｇ）を行うことで、問題部分を除去し、微細配線パターンの導電性を向上させる詳細ステップをさらに含んでいてもよい。ザッピングは、合金配線の黒欠陥を修正するために行うことができ、熱風、マイクロ波、またはこれらの組み合わせによる改善されたザッピング作業を行ってもよいが、このような環境では、イン・サイチュで容易に行うためにレーザ処理をすることが好ましい。
このようなザッピングでは、レーザ熱処理に使用するレーザを、出力を強くするか周期を大きくして瞬間出力を大きくセットした状態で使用してもよく、別途のレーザ光源（ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）を使用してもよい。
このような第２ステップを経て微細配線の組織緻密度と導電性及び安定性を向上させることができる。ここで、配線膜の性能は、抵抗散布の減少、平均抵抗の減少、蒸着線幅の減少、内部膜の均一性向上及びクラック除去などの総合的な性能を含み得る。
図１乃至図３は、上から見た微細配線形成方法による一実施例において合金配線あるいは複数の金属を含む配線の成分比とレーザ熱処理による配線膜質と周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡（ＦＩＢ ＳＥＭ）写真であり、図４乃至図６は、本発明との比較のためのタングステン単一金属微細配線における成分比とレーザ熱処理による配線膜質と配線を覆う周辺膜質の形状、ステップカバレッジ及び大きさを表す２方向からの断面を示す集束イオンビーム走査電子顕微鏡写真である。
これらの両微細配線は、ソースガスを異ならせたことを除いては実質的に同一の条件で形成され、図１による合金配線は、炭素３．４１質量％、酸素５．６８質量％、タングステン４３．２２質量％、白金３．６１質量％、モリブデン４４．０９質量％の成分を有し、図４による単一金属配線は、炭素１．８質量％、酸素１．５５質量％、タングステン９６．６５質量％の成分を有することがわかる。
合金配線内のタングステンとモリブデンとの含有量比は、膜質や抵抗などの特性を総合的に考慮すると、質量比で５：５、原子モル数比で２：８程度が好ましく、質量比で２：８から８：２までの範囲で配線膜質の優秀性が大きな変化なしに維持されることを実験的に確認することができた。
実験及び計測から、合金配線では、全体抵抗は１００Ω、蒸着厚さは１８００ｎｍ〜２０４０ｎｍであって厚さ偏差は略１０％、ステップカバレッジ状態はクラックがなく、膜特性は非常に密であり空隙（ｖｏｉｄ）もなく、レーザ熱処理後の実際の線幅は約２μｍであることがわかる。
これに対して、単一金属配線では、全体抵抗は１００Ω、蒸着厚さは５２８ｎｍ〜１０８０ｎｍであって厚さ偏差が略５０％、ステップカバレッジ状態はクラックがなく、膜特性は相対的にあまり密ではなく空隙（ｖｏｉｄ）があり、レーザ熱処理後の実際の線幅は約２．５μｍであることがわかる。
これら両金属配線の最大の違いは、合金の配線の方が、単一金属配線の方に比べて、線幅が２μｍ対２．５μｍで２０％がより小さく、膜特性がより密であり空隙もないということであり、これにより、高度に集積化されたＬＣＤ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）やＯＬＥＤ（ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）などの表示装置に配線を形成する配線形成装置において、安定した導電性及び膜特性を有すると共に線幅が狭いため、集積度を更に高める配線を形成することができる。
このような違いは、レーザ熱処理をする前の合金配線（図７の（ａ）参照）と単一金属配線の断面写真（図７の（ｂ）参照）とを、それぞれ上下に置いて比較した結果と、熱処理した後の集束イオンビーム走査電子顕微鏡（ＦＩＢ ＳＥＭ）写真（図３：本実施例；図６：比較例）の比較とからみると、ＬＣＶＤによって一次的に配線パターンを形成する際に、タングステン及びモリブデンの合金配線の方が、数μｍ程度の線幅において非常に高い厚さを有する膜を迅速に形成することができるという点と、ボイオやクラックなどの膜の均質性を低下させる欠陥の発生及び存在確率が低いため、より緻密で良い膜質を形成することができるという点とから生じることがわかった。
例えば、単一金属配線では、ＬＣＶＤを行い、レーザ熱処理前段階における線幅そのものが４．５μｍ程度の広い幅を有し、これに比べて厚さの成長速度は、合金配線に比べて遅いため、線幅が広いにもかかわらず、同一蒸着時間における断面積の成長はより小さい。その結果、この状態で配線パターンをレーザ熱処理すると、線幅は、全体的にターゲットにした２μｍよりも０．５μｍ大きくなり、断面積は、合金配線の方よりも小さいため、抵抗が大きくなる可能性が高い。但し、実際の測定抵抗は同じ抵抗である１００Ωを示すが、これは、単一タングステン金属の比抵抗、あるいは単位面積当たりの抵抗が、タングステン、モリブデン５０：５０の重量比の合金の比抵抗、あるいは単位面積当たりの抵抗に比べて小さいからである。
また、図２、図３と図５、図６との比較からわかるように、配線膜質は、合金配線の方が、クラックが少なくボイド（ｖｏｉｄ）も少ないより緻密な膜質を有する。図２及び図５の比較からわかるように、膜厚の厚さ偏差も、合金配線の方が、極めて均一で低い偏差を示す。これは、工程不良をもたらす可能性を下げ、作製された製品の導電安定性を向上させることであることが簡単に考えられる。したがって、合金配線と単一金属配線の抵抗値が同一であっても、電気的特性の一部としての安定性、信頼性は、合金配線のほうが極めて優れていることが予測できる。
以下では、本発明の更なるいくつかの実施例に係る微細配線形成方法による合金（Ａｌｌｏｙ）配線と、単一の金属材料からなるタングステン配線（Ｗ）との比較において、抵抗、抵抗散布、断面の状態、線幅、熱処理効果などで、レーザ熱処理前後の測定値や性能を正確に比較するために、図面を参照してより具体的に示す。
図８は、本発明の一実施例の合金配線の熱処理前後の状態を対比して示す例示写真であり、図９は、この合金配線の熱処理評価結果を説明するためのグラフであり、図１０は、この合金配線の熱処理評価結果を図式的に示す図である。
本発明の実施例において、１次的に形成された微細配線の性能を向上させるためにレーザ熱処理を行い、レーザ熱処理実行前及び実行後の微細配線パターンの外観は、図８に示すものである。図８において、レーザ熱処理後の微細配線パターンは、レーザ熱処理前の微細配線パターンに比べて線幅の減少などの優れた性能を示す。
図９に示すように、基板に形成された合金配線に対する７回の実験の結果、レーザ熱処理の前、すなわち、ザッピング後に測定した抵抗の平均は約１０７．２９Ωであったが、レーザ熱処理後の抵抗の平均は約９４．２９Ωに変わった。最大約１９Ω減少し、最小約１３Ω減少した。
また、図１０に示すように、ほとんどの実験例において、蒸着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ｄｅｐｏ）線幅は３．３μｍから２．３μｍになり、１．０μｍ減少した。平均抵抗は約１０７Ωから約９４Ωになり、約１３Ωだけ減少した。また、抵抗散布は約６．９Ωから約４．９Ωになり、約３０％増加した。
このように、本実施例に係るレーザ熱処理後の合金配線の性能は、レーザ熱処理前または既存の他の熱処理実行後の合金配線の性能に比べて優れていることが確認された。
図１１は、合金配線の熱処理前後の変化を示す図である。
同図によれば、本実施例に係る微細配線形成方法で合金材料を用いて配線を形成した後、レーザ熱によるアニーリング効果により、合金配線が不安定な状態から安定した状態に変化し、それに応じて内部膜質の密度が増加することが確認できる。
すなわち、図１１に示すように、合金配線の熱処理未適用時に配線の中間部分にＵ字型の溝が発生したが（Ａ１参照）、熱処理適用後に対応配線の中間部分にＵ字型の溝形状が消えたことが確認できる（Ａ２参照）。また、合金配線の熱処理未適用時に約５０％または２個のうち１個程度の実験対象である微細配線の内部でクラック（ｃｒａｃｋ）が発生したが（Ｂ１参照）、熱処理適用後に対応微細配線の内部全てからクラックが除去されたことが確認できる（Ｂ２参照）。
図１２ａから図１２ｄは、本発明の微細配線形成方法による合金配線の熱処理過程を説明するための参考図である。
図１２ａから図１２ｄを参照すると、本実施例に係る微細配線形成方法は、レーザ熱処理工程を含む。レーザ熱処理工程では、複数の微細配線パターンのうち特定の微細配線をレーザの焦点に配置し（図１２ａ参照）、既設定温度雰囲気下で予熱し（図１２ｂ参照）、予熱動作直後や所定の時間内に、あるいは予熱温度が所定の温度以下に落ちる前に（図１２ｃ参照）予熱の温度よりも高い温度雰囲気下でレーザビームにより加熱する。レーザビームは、特定の微細配線に合わせた円形断面形状を有してもよい（図１２ｄ参照）。
レーザビームによる加熱は、基板の上面側や下面側からレーザビームを照射して行うことができる。本実施例において、円形断面を有するレーザビームは、３つの微細配線パターンのうち中央の微細配線に合わせて照射されている（図１２ｄ参照）。この場合、好ましい具現例によれば、レーザ熱処理のためのレーザビームは、配線の表面に照射されてもよい。レーザビームによる加熱は、温度雰囲気５００℃〜６５０℃で配線表面から深さ１μｍまで選択的に行われてもよい。
図１３は、本発明の他の実施例に係る微細配線形成方法に採用できる合金材料の成分比率を示す図である。
図１３を参照すると、本実施例に係る合金配線の材料は、タングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）を含んでいてもよい。このような合金材料により基板に形成される微細配線パターンは、相対的に少量の炭素原子（Ｃ）、酸素原子（Ｏ）などをさらに含んでいてもよい。
配線材料の構成元素の含有量は下記表１の通りである。
Figure 2021502473
表１に示すように、本実施例に係る合金配線に含まれる元素の含有量比は、タングステン２８．９０重量％、モリブデン６３．６４重量％、酸素４．９３重量％及び炭素０２．５３重量％であリ得る。また、表１には、各元素の質量％（Ｗｔ％）がＡｔ％にも換算されている。前記のような合金配線のための合金材料は、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）との含量比（重量％基準）は約３：７である場合に対応できる。このような合金材料を使用すると、基板に微細配線パターンを形成した後にレーザ熱処理を行い、配線の性能を向上させることができる。
図１４は、図１３の合金材料を使用する微細配線形成方法の熱処理前後の合金配線状態を対比して示す例示図である。図１５は、図１４の合金配線の熱処理評価結果を説明するためのグラフである。図１６は、図１４の合金配線の熱処理評価結果を図式的に示す図である。図１７は、図１４の合金配線の熱処理後の状態を示す図である。
本実施例に係る合金配線の材料は、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）を記載順に重量％基準２：８または８：２で含有することができる。本実施例では、微細配線の性能を向上させるためにレーザ熱処理を行う。
レーザ熱処理実行前及び実行後の微細配線パターンの外観は、図１４に示す通りである。図１４におけるレーザ熱処理後の微細配線パターンは、レーザ熱処理前の微細配線パターンに比べて線幅の減少などの優れた性能を示す。
また、図１５に示すように、基板に形成された合金配線に対する５回の実験の結果、ザッピング後、レーザ熱処理前に測定した抵抗の平均は約１０８．６Ωであったが、レーザ熱処理後に測定した抵抗の平均は約９９．４Ωに変わった。最大約１９Ωが減少し、最小約５Ωが減少した。
また、図１６に示すように、ほとんどの実験例において、蒸着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ｄｅｐｏ）線幅は３．４μｍから２．３μｍになり、１．１μｍ減少した。平均抵抗は約１０９Ωから約９９Ωになり、約１０Ωだけ減少した。しかし、抵抗散布は約４．９Ωから約５．９Ωになり、約２０％増加した。
このように、本実施例によるレーザ熱処理後の合金配線の性能の一部は、レーザ熱処理前や既存の他の熱処理実行後の合金配線の性能に比べて、優れていることが確認された。特に、図１７に示すように、レーザ熱処理後の膜質は、単一タングステン配線のレーザ熱処理後の膜質（図６参照）に比べて相対的に優れていることができる。
一方、本実施例の変形例では、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）との含量比（重量％基準）が記載順に７：３である場合についても実験した。その結果、前記３：７の含有量比を有する合金材料と類似の配線性能を示すことが確認できた。また、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）との含量比（重量％基準）が、８：２である場合及び２：８である場合についても実験した。その結果、前記３：７の含有量比を有する合金材料と類似の配線性能を示すことが確認できた。
前述した実施例によれば、本実施例に係る微細配線形成方法は、タングステンとモリブデンのと含有量比が、記載順に関係なく、２０〜８０重量％及び８０〜２０重量％の範囲ですべて優れた配線性能を示すことがわかる。
以下では、合金材料に特定の元素を追加した場合について説明する。
図１８は、本発明のまた他の実施例に係る微細配線形成方法に採用できる合金材料の成分比率を示す図である。
図１８を参照すると、本実施例に係る合金配線の材料は、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）を含んでいてもよい。また、配線材料は、所定含量の白金（Ｐｔ）をさらに含んでいてもよい。このような合金材料を使用して基板に形成する微細配線パターンは、相対的に少量の炭素原子（Ｃ）、酸素原子（Ｏ）などをさらに含んでいてもよい。
前記配線材料の構成元素の含有量は下記表２の通りである。
Figure 2021502473
表２に示すように、本実施例に係る合金配線に含まれる元素の含有量比は、タングステン４８．２７重量％、モリブデン３４．０６重量％、白金１０．３４重量％、酸素３．５９重量％及び炭素０３．７４重量％であり得る。表２には、各元素の質量％（Ｗｔ％）がＡｔ％にも換算されている。また、表２において、合金配線材料に含有される元素の含有量比は、マトリックス補正（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）またはＺＡＦ補正により測定されるか計算されたものであり得る。マトリックス補正やＺＡＦ補正は、電子走査顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）などを使用するＸ線分光分析（ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、ＥＤＳ）で発生する試料の元素に応じてＸ線の量が変わる定量結果のエラーを補正することを含んでいてもよい。
前記のような合金配線材料は、タングステン（Ｗ）とモリブデン（Ｍｏ）との含量比（重量％基準）が約５：３．５でありながら、他の金属、例えば白金を含有（約１０重量％）した場合に対応することができる。このような合金配線材料を使用する場合にも、基板に微細配線パターンを形成した後、レーザ熱処理を行い、配線の性能を向上させることができる。
以下では、比較例の単一金属配線の場合について説明する。
図１９は、本発明の実施例との比較のための単一金属配線の材料成分を示すグラフである。
図１９を参照すると、微細配線パターンに使用できる単一金属配線の材料は、タングステン（Ｗ）を含んでいてもよい。単一のタングステン材料を使用して基板に形成される微細配線パターンは、少量の炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）などの元素をさらに含んでいてもよい。
前記タングステン配線材料の元素の含有量は下記表３の通りである。
Figure 2021502473
図２０は、図１９の比較例の単一金属配線を用いた微細配線形成方法の熱処理前後の配線状態を対比して示す例示図である。図２１は、図２０の単一金属配線の熱処理評価結果を説明するための図である。図２２は、図２０の単一金属配線の熱処理評価結果を図式的に示す図である。単一のタングステン材料を使用して基板に微細配線パターンを形成した後、レーザ熱処理実行前及び実行後の微細配線パターンの状態を対比して示すと、図２０の通りである。図２０に示すように、レーザ熱処理後の微細配線パターンの線幅は、レーザ熱処理前の微細配線パターンの線幅に比べて減少したことがわかる。
また、図２１に示すように、単一タングステン配線に対する７回の実験の結果、レーザ熱処理前に測定された、所定の長さの各微細配線パターンの抵抗は、６２Ω、７３Ω、６３Ω、７８Ω、８２Ω、７３Ω、７５Ωであり、その平均は約７２．２９Ωであり、レーザ熱処理後に測定された抵抗は、記載順に６０Ω、６２Ω、５１Ω、７２Ω、７７Ω、５８Ω、５７Ωであり、その平均は約６２．７１Ωであった。７回の実験の結果のうち微細配線パターンに対する抵抗は、最大１７Ωが減少し、最小２Ωが減少して、偏差が大きいことが確認された。
また、図２２に示すように、蒸着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ｄｅｐｏ）の線幅は４．５μｍから２．５μｍになり、２．０μｍだけ減少したことが確認された。平均抵抗は約７２Ωから約６２Ωになり、約１０Ωだけ減少したことが確認された。なお、抵抗散布は約７．４Ωから約９．０Ωになり、約１８％だけ増加したことが確認された。
図２３は、図２０の単一金属配線の熱処理前後の変化を拡大して示す電子顕微鏡写真を含む図である。図２４は、図２０の単一金属配線の熱処理後の厚さの変化を示す例示図である。
単一タングステン配線にも本実施例の微細配線形成方法を適用して所定の効果を得ることができる。図２３に示すように、単一タングステン配線の熱処理未適用時に配線の中間部分にＵ字型の溝が発生したが（Ａ１参照）、熱処理適用後に対応配線の中間部分にＵ字型の溝形状が凸形状に変わり消えたことが確認できる（Ａ２参照）。また、合金配線の熱処理未適用時に配線の内部に約１７％または６個のうち１個程度でクラック（ｃｒａｃｋ）が発生したが（Ｂ１参照）、熱処理適用後に対応配線内部のクラックが除去されたことがわかる（Ｂ２参照）。
前述した場合、単一タングステン配線の黒欠陥を修正するザッピング（ｚａｐｐｉｎｇ）作業を行い、平均抵抗を一次的に１５０Ωから７２Ωに下げることができ、レーザ熱処理により、平均抵抗をさらに７２Ωから６２Ωに下げることができる。
このように、単一のタングステン材料を使用した微細配線パターンの場合にも、本発明の実施例と類似に、レーザ熱による物性変換効果により、タングステン配線が不安定な状態（Ａ１）から安定した状態（Ａ２、Ｂ２）に変化し、それに応じて内部膜質の密度が増加することがわかる。
また、単一タングステン配線に対して本発明のレーザ熱処理を適用する場合、配線の線幅は、約４．５μｍから約３．０６μｍ〜約２．５μｍに減少することができる（図２４参照）。但し、合金配線を形成する場合に比べて、線幅は大きく、厚さ方向における蒸着の限界のゆえに、形成される配線の断面積の大きさが制限され、膜質においても相対的にボイド（ｖｏｉｄ）やクラックの可能性が大きい。
前述したレーザ熱処理は、レーザビームを集光レンズで集光させスキャナやステージで配線の表面を走査する方法を含むがこれに限定されない。レーザ熱処理の効率を高めるために、基板を挟んで反射鏡によって形成される反射レーザビームによる多数の微細配線や線状の微細配線を熱処理するように実現可能である。
前述した実施例の微細配線形成方法を用いれば、基板に形成される微細配線の組織緻密度を向上させ、単位抵抗を低下させ、線幅を２μｍレベルまで減少させることができるとう利点がある。また、微細配線の中間部分に形成されるＵ字型の溝を除去し、配線内部に発生したクラックを除去することができ、配線の線幅を２．３μｍまで減少させることができるという利点がある。
また、前述した微細配線形成方法を実現する微細配線形成装置は、レーザ化学気相蒸着装置の動作を制御する第１制御装置と、第１制御装置に一体に結合するか、第１制御装置とネットワークで接続される第２制御装置と、を含んでいてもよい。この場合、第１または第２の制御装置は、論理回路を備えるプログラミング・ロジック・コントローラ、マイコン、コンピューティング装置などから選択される少なくともいずれか一つ以上を含んでいてもよい。ここで、コンピューティング装置はプロセッサとメモリとを含み、プロセッサはメモリに格納されたプログラムやソフトウェアモジュールを実行及び搭載して、ソフトウェアモジュールの機能により微細配線形成方法を実現することができる。また、ソフトウェアモジュールは、レーザ化学気相蒸着（ＬＣＶＤ）により、複数の金属元素を含むソースガスを供給しながら、基板に複数の金属元素を含む合金配線を形成するＬＣＶＤ合金配線形成モジュール、合金配線を含む領域にレーザ熱処理を行うレーザ熱処理モジュール、およびＬＣＶＤ合金配線形成前に配線上の欠陥をリペアするためのザッピング（ｚａｐｐｉｎｇ）工程を制御するザッピング管理モジュールを含んでいてもよい。
前述した場合、ザッピング管理モジュールは、レーザ化学気相蒸着装置と、前記レーザ化学気相蒸着装置に結合された光学系及び観測装置とによりリペア工程をリアルタイム観測した結果に基づいて、レーザ化学気相蒸着装置によるザッピング工程を自動的に行うことができる。ザッピング管理モジュールは、ザッピング工程を制御するために、レーザ化学気相蒸着装置に結合された構成部の制御により、ソースガスの選択及び注入量の制御、レーザ発生装置の制御、光学系の制御などを行うことができる。
以上、本発明の好適な実施例を参照して説明したが、当該技術分野における熟練した当業者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から外れない範囲内で、本発明を様々に修正および変更できる。

Claims (6)

  1. レーザ化学気相蒸着（ＬＣＶＤ）により複数の金属元素を含むソースガスを供給しながら基板に複数の金属元素を含む合金配線を形成するＬＣＶＤ合金配線形成ステップと、
    前記合金配線を含む領域にレーザ熱処理を行うレーザ熱処理ステップと、を含む
    ことを特徴とする微細配線形成方法。
  2. 前記合金配線は、タングステン（ｔｕｎｇｓｔｅｎ、Ｗ）とモリブデン（Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ、Ｍｏ）を合わせた含有量が８０重量％以上であり、
    タングステンとモリブデンの重量比が２０：８０〜８０：２０の範囲である
    請求項１に記載の微細配線形成方法。
  3. 前記合金配線には、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）およびアルミニウム（Ａｌ）のうちから少なくとも１つが３重量％〜５重量％含有される
    請求項１または２に記載の微細配線形成方法。
  4. 前記レーザ熱処理ステップにおいて、前記合金配線の表面から深さ１μｍまでを５００℃〜６５０℃の温度範囲で集中的に加熱した後、冷却する
    請求項１または２に記載の微細配線形成方法。
  5. 前記ＬＣＶＤ合金配線形成ステップの前に欠陥をリペアするザッピング（ｚａｐｐｉｎｇ）ステップをさらに含む
    請求項１または２に記載の微細配線形成方法。
  6. 前記ザッピングステップのリペアは、レーザ光によって行われ、前記ＬＣＶＤ合金配線の形成ステップ及び前記レーザ処理ステップで使用されるレーザ化学気相蒸着装置と、前記レーザ化学気相蒸着装置に結合された光学系及び観測装置とによりリペア工程がリアルタイムで観測されながら、前記前記レーザ化学気相蒸着装置に結合された制御装置によって自動的に行われる
    請求項５に記載の微細配線形成方法。

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