KR0179777B1 - 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법은 MO 소스를 사용하며 총압력이 0.5 torr보다 낮은 상태에서 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계와, MO 소스를 사용하며 총압력이 0.5 torr보다 높은 상태에서 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계가 순차적으로 진행되어, 낮은 압력에서 증착한 Cu 박막의 경우 장점인 초기 인큐베이션(incubation) 시간 억제와, 높은 압력에서 증착하는 Cu박막의 장점인 그레인 사이즈(grain size)증가와 표면거칠기 감소효과를 각기 장점만을 선택, 초기에는 낮은 압력에서 증착하고 이후에는 높은 압력으로 증착하여 비저항값을 2μΩ-㎝ 이하로 낮추어 동작속도를 빠르게 하며, 그레인 사이즈 및 표면거칠기를 줄여 전자이동 즉 EM의 특성을 개선하며 증착초기에 소요되는 인큐베이션 시간을 억제하도록 하였다.

Description

다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법

제1도는 증착온도 및 압력에 따른 인큐베이션 시간을 나타낸 그래프.

제2도는 증착온도 및 압력에 따른 비저항값을 나타낸 그래프.

본 발명은 다중압력을 이용한 구리(Cu) 화학기상증착(Chemical Vaper Deposition, 이하 CVD 라고함)에 의한 박막형성방법에 관한 것으로, 특히 낮은 압력에서 증착한 Cu박막의 경우 장점인 초기 인큐베이션(incubation) 시간 억제와, 높은 압력에서 증착하는 Cu박막의 장점인 그레인 사이즈(grain size)증가와 표면거칠기 감소효과를 각기 장점만을 선택, 초기에는 낮은 압력에서 증착하고 이후에는 높은 압력으로 증착하여 비저항값을 2μΩ-㎝ 이하로 낮추어 동작속도를 빠르게 하며 그레인 사이즈 및 표면거칠기를 줄여 전자이동(Electro-migration, 이하 EM 이라함)의 특성을 개선하며 증착초기에 소요되는 인큐베이션 시간을 억제하도록 한 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법에 관한 것이다.

종래의 기술을 설명하면 다음과 같다.

초집적 소자의 메탈 배선재료로 개발된 종래의 Cu CVD 박막의 형성방법은 높은 단차에 균일한 두께의 증착, 낮은 온도에서의 증착 등이 요구됨에 따라 메탈-오가닉(Metal Organic, 이하 MO 라고함) 소스(source)를 사용하여 높은 단차에 균일한 도포가 가능한 Cu-CVD 방법을 사용하는 것이다. 이때 사용되는 MO 소스로는 Cu(Ⅱ)화합물로 Cu(Ⅱ)(β-디케토네이트(diketonate))₂와 Cu(Ⅰ) 화합물로는 사이클로펜타디엔(Cyclopentadiene) Cu(I) 트리알킬포스핀(trialkylphosphine), Cu(Ⅰ) t-부톡사이드테트라머(butoxidetetramer), 루이스-염기(Lewis-base) 안정화된(stabilized) Cu(Ⅰ)β-디케토네이트(diketonate) 화합물등을 사용하며 특히 (Ⅰ)가 화합물의 경우는 대개 상온에서 액체상태이므로 버블러(bubbler)나 리퀴드 디리버리(liquid delivery) 시스템을 사용하여 반응 챔버에 MO 소스를 공급하며 이때 압력은 0.1~2 torr, 온도는 140~400℃에서 CVD 방법으로 증착한다. MO 소스를 사용한 Cu 박막의 경우 비저항은 Cu 박막내의 불순물이나 박막을 구성하고 있는 필름의 미세구조 즉 그레인 사이즈등에 의해 결정된다. 예로 제1도 및 제2도에서와 같이, 동일온도에서 총압력이 0.25torr로 낮아지면, 초기 뉴클레이션(nucleation) 속도가 빨라 인큐베이션 속도는 빨라지지만 그레인 사이즈가 Cu 박막의 1/4 정도 두께인 400-700Å정도로서 비저항의 두께가 4000Å에서 비저항값은 3.2-10μΩ-㎝ 정도 나타나고, 또한 Cu 박막의 표면이 거칠어져 EM 특성이 저하되며 후공정인 에치공정에 어려움을 야기시킨다. 총압력이 1.0torr 경우는 초기 뉴클레이션 속도가 늦어 인큐베이션 시간이 0.25 torr에 비해 1.2~1.5배로 나타나 공정기간이 길어지는 단점을 보이지만, 그레인 사이즈가 크고 Cu 박막의 표면이 스무드(smooth)한 장점을 가지고 있다.

그러나, 이러한 종래의 기술에서는 단일 압력으로 증착한 Cu박막의 경우 압력이 낮은 경우 인큐베이션 시간이 짧아 공정시간은 단축할수 있으나, 그레인 사이즈가 작아 비저항이 높고 박막의 표면이 거칠어 EM 특성이 저하되며 후공정인 에치 공정에 어려움을 야기시키며, 압력이 높은 경우 그레인 사이즈가 커서 비저항이 낮으며 박막의 표면이 스무드하나 인큐베이션 시간이 길어 공정시간이 길어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 낮은 압력에서 증착한 Cu 박막의 경우 장점인 초기 인큐베이션(incubation) 시간 억제와, 높은 압력에서 증착하는 Cu 박막의 장점인 그레인 사이즈(grain size)증가와 표면거칠기 감소효과를 각기 장점만을 선택, 초기에는 낮은 압력에서 증착하고 이후에는 높은 압력으로 증착하여 비저항값을 2μΩ-㎝ 이하로 낮추어 동작속도를 빠르게 하며 그레인 사이즈 및 표면거칠기를 줄여 전자이동의 특성을 개선하며 증착초기에 소요되는 인큐베이션 시간을 억제하도록 한 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법을 제공함에 있다.

이러한, 본 발명의 목적은 MO 소스를 사용하며 총압력을 0.5 torr보다 낮게 하여 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계와, MO 소스를 사용하며 총압력을 0.5 torr보다 높게 하여 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계를 순차적으로 진행함으로써 달성된다.

이하, 본 발명에 의한 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법을 첨부도면을 참고로 설명한다.

제1도는 증착온도 및 압력에 따른 인큐베이션 시간을 나타낸 그래프이고, 제2도는 증착온도 및 압력에 따른 비저항값을 나타낸 그래프를 각각 보인 것이다.

본 발명은 MO 소스를 사용하며 총압력이 낮은 상태에서 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계와, MO 소스를 사용하며 총압력이 높은 상태에서 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계를 순차적으로 진행한다.

상기 MO 소스로는 Cu(Ⅱ)화합물로 Cu(Ⅱ)(β-디케토네이트(diketonate))2를 사용하며, Cu(Ⅰ) 화합물로는 사이클로펜타디엔(Cyclopentadiene) Cu(Ⅰ) 트리알킬포스핀(trialkylphosphine), Cu(Ⅰ) t-부톡사이드테트라머(butoxidetetramer), 루이스-염기(Lewis-base) 안정화된 Cu(Ⅰ) β-디케토네이트(diketonate) 화합물을 사용한다.

상기 총압력이 낮은 상태에서 증착하는 단계의 압력은 0.5 torr 이하로 하고, 총압력이 높은 상태에서 증착하는 단계의 압력은 0.5 torr 이상으로 한 것을 특징으로 한다.

상기 총압력을 낮게 증착하는 단계의 증착두께는 총 Cu 박막두께의 1/2 이하로 하고, 총압력을 높게 증착하는 단계의 증착두께는 총 Cu 박막두께의 1/2 이상으로 한것을 특징으로 한다.

본 발명은 반도체 배선 재료로 유망한 Cu CVD 박막 형성방법에 관한 것으로, 특히 256 MDRAM급 이상 고집적 소자의 배선재료로 적당하도록 박막 형성초기에는 압력을 낮게 증착하여 인큐베이션 시간을 줄여 주고 이후에는 높은 압력으로 증착하여 그레인 사이즈를 크게 하여 비저항을 낮게 하고 스무드한 박막표면을 가지도록 미세구조를 변화시킨 다중압력을 사용한 Cu CVD 박막형성방법이다. 실험내용 및 형성방법은 아래와 같다. 종래의 기술구성에서와 제1도 및 제2도에 도시한 바와 같이, 압력이 0.25 torr로 낮을 경우 인큐베이션 시간이 감소하고, 표면 거칠기가 감소하고, 그레인 사이즈의 감소로 비저항이 증가하며, 압력이 1.0 torr로 높을 경우 인큐베이션 시간이 증가하고, 표면거칠기가 감소하며, 그레인 사이즈의 증가로 비저항이 감소하게 된다.

형성방법을 살펴보면 다음과 같다.

1단계에서 총압력을 0.5 torr 이하로 Cu(Ⅰ)(hfac) 화합물을 사용하여 Cu 박막 전체 두께의 1/2 이하로 증착한다. 2단계에서 계속해서 총압력을 0.5 torr 이상으로 Cu(Ⅰ)(hfac) 화합물을 사용하여 Cu 박막 전체 두께의 1/2 이상의 두께를 증착한다.

참고로 리간드와 루이스 염기(Ligands and Lewis bases)를 살펴보면, 래디칼(Radical) R=R'=CF3 의 배위자는 1,1,1,5,5,5-Hexafluore-2,4-pentanedicne 이며, 이의 약자로 hfac를 사용한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법은 MO 소스를 사용하며 총압력을 낮게 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계와, MO 소스를 사용하며 총압력을 높게 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계가 순차적으로 진행되어, 낮은 압력에서 증착한 Cu 박막의 경우 장점인 초기 인큐베이션(incubation) 시간 억제와, 높은 압력에서 증착하는 Cu박막의 장점인 그레인 사이즈(grain size)증가와 표면거칠기 감소효과를 각기 장점만을 선택, 초기에는 낮은 압력에서 증착하고 이후에는 높은 압력으로 증착하여 비저항값을 2μΩ-㎝ 이하로 낮추어 동작속도를 빠르게 하며, 그레인 사이즈 및 표면거칠기를 줄여 전자이동 즉 EM의 특성을 개선하며 증착초기에 소요되는 인큐베이션 시간을 억제하도록 한 효과가 있다.

Claims (3)

1. MO 소스를 사용하며 총압력이 0.5 torr보다 낮은 상태에서 증착하여 Cu CVD 박막을 형성하는 단계와, MO 소스를 사용하며 총압력이 0.5 torr보다 높은 상태에서 Cu CVD 박막을 형성하는 단계를 순차적으로 진행함을 특징으로 하는 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 MO 소스로는 Cu(Ⅱ)화합물로 Cu(Ⅱ)(β-디케토네이트(diketonate))₂를 사용하며, Cu(Ⅰ) 화합물로는 사이클로펜타디엔(Cyclopentadiene) Cu(Ⅰ) 트리알킬포스핀(trialkylphosphine), Cu(Ⅰ) t-부톡사이드테트라머(butoxidetetramer), 루이스-염기(Lewis-base) 안정화된 Cu(Ⅰ) β-디케토네이트(diketonate) 화합물을 사용한 것을 특징으로 하는 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 총압력이 낮은 상태에서 증착하는 단계의 증착두께는 총 Cu 박막두께의 1/2 이하로 하고, 총압력이 높은 상태에서 증착하는 단계의 증착 두께는 총 Cu 박막두께의 1/2 이상으로 한 것을 특징으로 하는 다중압력을 이용한 구리 화학기상증착에 의한 박막형성방법.