KR100351197B1 - Method of forming a metal thin film by using plasma which contains metal ions - Google Patents
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Abstract
금속이온을 포함하는 플라즈마를 이용한 금속박막 형성방법에 관하여 개시한다. 본 발명은, 금속이온이 포함된 플라즈마에 기판을 노출시키되, 상기 기판에 수∼수십 kV대의 음의 고전압을 인가함으로써 상기 기판 표면에 금속이온주입에 따른 동적 이온선 혼합 효과에 의한 계면 혼합층을 형성시킨 후 금속박막을 증착시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 종래와 같이 접착력의 개선을 위한 별도의 전처리 공정을 행하지 않고도 단 한번의 스텝(step)으로 접착력이 개선된 금속박막을 형성시킬 수 있다.A method of forming a metal thin film using a plasma containing metal ions is disclosed. The present invention exposes a substrate to a plasma containing metal ions, and forms an interfacial mixed layer due to the dynamic ion ray mixing effect of the metal ion implantation on the surface of the substrate by applying a negative high voltage of several to several tens of kV to the substrate. After the metal thin film is characterized in that the deposition. According to the present invention, it is possible to form a metal thin film having improved adhesion in a single step without performing a separate pretreatment process for improving the adhesion as in the prior art.
Description
본 발명은 금속박막 형성방법에 관한 것으로서, 특히 금속이온을 포함하는 플라즈마를 이용한 금속박막 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal thin film forming method, and more particularly, to a metal thin film forming method using a plasma containing metal ions.
금속박막은 여러 가지 분야에서 요구되어진다. 예컨대 자기 기록용 자성박막, 광학박막, 초고집적 반도체소자의 금속배선이나 커패시터 전극 등이 그 적용예이다. 그러나, 금속박막을 유전체(dielectrics), 세라믹(ceramics), 폴리이미드(polyimide) 등에 형성할 경우에는 접착력(adhesion)이 매우 나쁘다는 문제점이 있다.Metal thin films are required in various fields. For example, magnetic recording magnetic thin films, optical thin films, metal wirings and capacitor electrodes of ultra-high integration semiconductor devices are examples of applications. However, when the metal thin film is formed in dielectrics, ceramics, polyimide, or the like, there is a problem in that adhesion is very bad.
금속박막과 기판과의 접착력을 개선시키기 위한 종래의 방법으로는 다음과 같은 몇가지가 있다. 가장 일반적인 방법으로는 접착력을 증가시키기 위하여 기판 표면을 먼저 화학습식세정하고, 플라즈마 또는 가스 이온총(ion gun)을 통하여 기판 표면에 존재하는 오염원을 제거한 후에, 금속박막을 증착하는 방법을 들 수 있다.There are several conventional methods for improving the adhesion between the metal thin film and the substrate. The most common method is to wet-wet the substrate surface in order to increase adhesion, and to remove the contaminant present on the surface of the substrate through a plasma or gas ion gun, and then deposit a metal thin film. .
그리고, 다른 방법으로는 수 KeV의 에너지를 갖는 가스이온을 기판에 조사함으로써 기판 표면의 거칠기를 증가시켜 접착면적을 증가시키거나, 반응성 가스를이용하여 화학작용기를 기판 표면에 생성시킴으로써 금속박막과의 화학반응을 유도하거나, 보조 가스 이온총의 에너지를 이용하여 밀도가 높은 박막을 만들므로써 접착력을 향상시키는 방법 등을 들 수 있다.In another method, a gas ion having energy of several KeV is irradiated to the substrate to increase the roughness of the surface of the substrate to increase the adhesion area, or to generate a chemical functional group on the surface of the substrate by using a reactive gas. And a method of improving adhesion by inducing a chemical reaction or making a thin film with high density using energy of an auxiliary gas ion gun.
이것들 외에도, 이온선 혼합법 등을 사용하거나, 접착력 개선을 위한 Ti, Cr 등의 완충층(buffer-adhesion promoter)을 금속박막과 기판 사이에 삽입함으로써 금속박막과 기판 사이의 접착력을 증가시키는 방법들이 있다.In addition to these, there are methods of increasing adhesion between the metal thin film and the substrate by using an ion ray mixing method or inserting a buffer-adhesion promoter such as Ti or Cr to improve the adhesion between the metal thin film and the substrate. .
이와 같이 접착력 개선을 위한 많은 연구가 최근 20여년 동안 진행되어 왔지만 아직까지도 바람직하면서 명확한 해결책을 제시하지는 못하고 있다.As such, many researches for improving adhesive strength have been conducted for the last 20 years, but have not yet suggested a desirable and clear solution.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 금속이온을 포함하는 플라즈마를 이용함으로써, 상술한 종래의 방법보다 극히 간단한 방법으로 접착력이 향상된 금속박막을 형성하는 금속박막 형성방법을 제공하는 데 있다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a metal thin film forming method of forming a metal thin film with improved adhesion in an extremely simple method than the conventional method described above by using a plasma containing a metal ion.
도 1은 본 발명에 이용되는 플라즈마 공정장치를 나타내는 개략도;1 is a schematic view showing a plasma processing apparatus used in the present invention;
도 2는 도 1의 플라즈마 공정장치에 의해 금속박막이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면;2 is a view for explaining a process of forming a metal thin film by the plasma processing apparatus of FIG.
도 3은 구리이온을 포함하는 플라즈마를 이용하여 SiO2기판 상에 구리박막을 증착한 다음에 스카치 테이프를 이용하여 접착력 테스트를 한 결과를 보여주는 사진;3 is a photograph showing the result of adhesion test using Scotch tape after depositing a copper thin film on a SiO 2 substrate using a plasma containing copper ions;
도 4a 및 도 4b는 도 3의 (b)에 대한 시편에 대하여 Cu 2p 및 Si 2p 피크(peak)를 기준으로 깊이에 따라 각각 측정된 XPS 분석 그래프이다.4A and 4B are XPS analysis graphs measured according to depths based on Cu 2p and Si 2p peaks for the specimens of FIG. 3B.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 ><Description of Reference Numbers for Main Parts of Drawings>
10: 챔버 20: 음극10 chamber 20 cathode
25: 트리거 전력원(trigger power) 30: 양극25: trigger power 30: positive pole
40: 코일 45:아크 펄서(arc pulser)40: coil 45: arc pulser
50: 기판 지지대 55: 바이어스 펄서(bias pulser)50: substrate support 55: bias pulser
100: 계면 혼합층 102: 금속박막100: interfacial mixed layer 102: metal thin film
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 금속박막 형성방법은, 금속이온이 포함된 플라즈마에 기판을 노출시키되, 상기 기판에 음의 전압을 인가함으로써 상기 기판 표면에 금속이온주입에 따른 동적 이온선 혼합 효과에 의한 계면 혼합층을 형성시킨 후 금속박막을 증착시키는 것을 특징으로 한다.Metal thin film forming method according to an embodiment of the present invention for achieving the technical problem, by exposing a substrate to a plasma containing a metal ion, by applying a negative voltage to the substrate according to the metal ion implantation The metal thin film is deposited after the interfacial mixed layer is formed by the dynamic ion ray mixing effect.
여기서, 상기 금속이온은 구리이온, 금이온, 또는 은이온 일 수가 있으며,상기 기판은 실리콘 산화물과 같은 유전체나 폴리이미드 같은 폴리머로 이루어질 수가 있다.The metal ions may be copper ions, gold ions, or silver ions, and the substrate may be made of a dielectric such as silicon oxide or a polymer such as polyimide.
상기 금속이온이 구리이온이고, 상기 기판이 실리콘 산화물로 이루어질 경우에는 상기 계면 혼합층이 형성되도록 상기 기판에 0.1 ~ 100 KV 범위를 갖는 전압을 인가하는 것이 바람직하다.When the metal ion is copper ion and the substrate is made of silicon oxide, it is preferable to apply a voltage having a range of 0.1 to 100 KV to the substrate so that the interfacial mixed layer is formed.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 이용되는 플라즈마 공정장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 공정장치에 의해 금속박막이 형성되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic view showing a plasma processing apparatus used in the present invention, Figure 2 is a view for explaining the process of forming a metal thin film by the plasma processing apparatus of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 금속박막 형성방법을 설명하면 다음과 같다. 기판 지지대(50)에 기판을 설치하고, 트리거 전력원(25)을 통하여 10KV 정도의 고전압을 증착시킬 금속성분이 함유된 음극(20)에 순간적으로 인가하면, 음극(20)과 양극(30) 사이에서 방전이 일어나 금속이온을 포함하는 플라즈마가 발생하게 된다.Referring to FIGS. 1 and 2, the metal thin film forming method according to the present invention will be described. When the substrate is installed on the substrate support 50 and instantaneously applied to the cathode 20 containing a metal component to deposit a high voltage of about 10 KV through the trigger power source 25, the cathode 20 and the anode 30 are provided. Discharge occurs between the plasma generating metal ions.
아크 펄서(45)를 통하여 코일(40)에 200~300 암페어(Ampere)의 펄스 전류를 흘려보내게 되면, 코일(40)에 자기장이 발생하게 되고, 플라즈마 내의 전자 및 금속이온은 이 자기장에 의해 유도되어 기판 지지대(50) 근방까지 인도되게 된다. 방전시 형성되는 거대 금속 중성입자는 전하를 띠지 않기 때문에 이러한 자기장에 유도되지 않는다. 따라서, 코일(40)은 수 ㎛ 크기를 갖는 거대한 금속 중성입자를 제거하는 필터 역할을 하게 된다.When a pulse current of 200 to 300 amperes flows through the arc pulser 45 to the coil 40, a magnetic field is generated in the coil 40, and electrons and metal ions in the plasma are generated by the magnetic field. Guided to the vicinity of the substrate support 50. The large metal neutral particles formed during discharge are not charged and thus are not induced in such a magnetic field. Thus, the coil 40 serves as a filter for removing large metal neutral particles having a size of several μm.
음극(20)과 양극(30) 사이의 방전 전원에 동기화된 수십 KV의 음전압(negative voltage)을 바이어스 펄서(55)를 통하여 기판 지지대(50)에 인가하게 되면 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 양의 전하를 띠는 금속이온이 기판표면으로 주입되게 된다. 이렇게 금속이온이 기판에 주입되게 되면 동적 이온선 혼합(dynamic ion mixing)효과에 의해 계면 혼합층(100)이 기판 표면에 형성되게 된다.When a negative voltage of several tens of KV synchronized to the discharge power between the cathode 20 and the anode 30 is applied to the substrate support 50 through the bias pulser 55, as shown in FIG. As can be seen, positively charged metal ions are implanted into the substrate surface. When the metal ions are injected into the substrate, the interfacial mixing layer 100 is formed on the surface of the substrate by a dynamic ion mixing effect.
계면 혼합층(100)이 형성된 후에는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 계면 혼합층(100) 상에서 금속박막(102)이 성장하게 된다. 금속박막(102)의 두께가 금속이온의 평균도달거리(mean projected range)보다 커지게 되면 상술한 동적 이온 혼합효과는 나타나지 않고 금속박막(102)의 증착현상만이 일어나게 된다.After the interfacial mixed layer 100 is formed, the metal thin film 102 is grown on the interfacial mixed layer 100 as shown in FIG. When the thickness of the metal thin film 102 becomes larger than the mean projected range of the metal ions, the above-described dynamic ion mixing effect does not appear, and only the deposition phenomenon of the metal thin film 102 occurs.
도 3은 구리이온을 포함하는 플라즈마를 이용하여 SiO2기판 상에 구리박막을 증착한 다음에 스카치 테이프를 이용하여 접착력 테스트를 한 결과를 보여주는 사진이다. 여기서 (a)는 SiO2기판에 음의 전압을 가하지 않은 경우이고, (b)는 SiO2기판에 -15KV의 음의 전압을 가한 경우이다. (a) 및 (b) 모두 1×10-5torr의 압력에서 구리박막이 증착되었다.3 is a photograph showing a result of adhesion test using a scotch tape after depositing a copper thin film on a SiO 2 substrate using a plasma containing copper ions. Here, (a) is a case where a negative voltage is not applied to the SiO 2 substrate, and (b) is a case where a negative voltage of −15 KV is applied to the SiO 2 substrate. In both (a) and (b), a copper thin film was deposited at a pressure of 1 × 10 −5 torr.
도 3을 참조하면, (a)의 경우에는 구리박막이 완전히 벗겨진 반면 (b)의 경우는 구리박막이 전혀 벗겨지지 않았음을 볼 수 있다. 이렇게 (a)의 경우에 비해(b)의 경우에 구리박막의 접착력이 더 강한 이유는 도 2에서 상술한 바와 같이 구리이온의 주입에 의해 구리박막과 SiO2기판의 계면에 CuSiO3로 이루어진 계면 혼합층이 형성되고, 이 계면 혼합층에 의해 접착력이 개선되었기 때문이다. SiO2기판에 -15KV의 음전압을 가했지만, 구리이온은 1가 외에도 2가 및 3가 형태로도 존재하기 때문에 실제 구리이온의 주입에너지는 15~45KeV가 된다.Referring to FIG. 3, in the case of (a), the copper thin film is completely peeled off, whereas in (b), the copper thin film is not peeled off at all. The reason why the adhesive strength of the copper thin film is stronger in the case of (b) than in the case of (a) is that the interface consisting of CuSiO 3 at the interface between the copper thin film and the SiO 2 substrate by the injection of copper ions as described above in FIG. It is because a mixed layer was formed and the adhesive force improved by this interface mixed layer. A negative voltage of -15 KV was applied to the SiO 2 substrate, but since copper ions exist in divalent and trivalent forms in addition to monovalent, the actual implantation energy of copper ions is 15-45 KeV.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 (b)에 대한 시편에 대하여 Cu 2p 및 Si 2p 피크(peak)를 기준으로 깊이 따라 각각 측정된 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석결과이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, SiO2기판과 구리박막의 계면에 CuSiO3계면 혼합층이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.4A and 4B are XS-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results measured according to depths based on Cu 2p and Si 2p peaks for the specimen of FIG. 3B. 4A and 4B, it can be seen that the CuSiO 3 interfacial mixed layer is formed at the interface between the SiO 2 substrate and the copper thin film.
여기서는 SiO2기판의 경우만을 예로 들었지만, 폴리이미드 기판 또는 Al2O3기판의 경우에서도 마찬가지로 동적 이온선 혼합효과에 의해 계면 혼합층이 형성되고, 이렇게 형성된 계면 혼합층에 의해 구리박막의 접착력이 증가하게 된다.In this case, only the SiO 2 substrate is exemplified, but in the case of the polyimide substrate or the Al 2 O 3 substrate, the interface mixing layer is formed by the dynamic ion ray mixing effect, and the adhesion of the copper thin film is increased by the interface mixing layer thus formed. .
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 금속박막 형성방법에 의하면, 기판에 음의 전압을 가하여 플라즈마 내에 존재하는 금속이온이 증착초기에 기판 표면에 주입되도록 하여 동적 이온선 혼합효과에 의한 계면 혼합층이 형성되도록 함으로써 금속박막의 접착력을 개선시킬 수 있다. 따라서, 종래와 같이 접착력의 개선을 위한별도의 전처리 공정을 행하지 않고도 단 한번의 스텝(step)으로 접착력이 개선된 금속박막을 형성시킬 수 있다.As described above, according to the method for forming a metal thin film according to the present invention, a negative voltage is applied to a substrate so that metal ions present in the plasma are injected into the substrate surface at the beginning of deposition so that an interfacial mixture layer is formed by a dynamic ion ray mixing effect. By doing so, the adhesive force of the metal thin film can be improved. Therefore, it is possible to form a metal thin film having improved adhesion in a single step without performing a separate pretreatment step for improving the adhesion as in the prior art.
본 발명은 기판과의 접착력을 개선시키기 위해서라면 자기 기록용 자성박막, 광학박막, 및 초고집적 반도체소자의 금속배선이나 커패시터 전극 등의 제조와 같은 광범위한 분야에 적용할 수 있다.The present invention can be applied to a wide range of fields, such as the manufacture of magnetic recording magnetic thin films, optical thin films, and metal wirings and capacitor electrodes of ultra-high density semiconductor devices in order to improve the adhesion to the substrate.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
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