KR100483719B1 - TaN thin film forming method - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 TaN 박막형성방법은, Ta함유기체와 NH3기체를 공정챔버 내로 교번하여 공급하여 상기 공정챔버 내에 미리 장입되어 있는 기판 표면에 TaN박막을 ALD 법으로 형성하는 TaN 박막형성방법이며, 상기 NH3 기체는 상기 공정챔버 내로 공급되기 전에 미리 700℃ 내지 900℃로 가열되어 상기 공정챔버 내로 공급되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, NH3 기체를 미리 700~900℃로 예비가열하여 공급하므로서 200~300℃의 온도에서 ALD 법으로 TaN 박막을 형성하는 경우에 나타나는 단점인 막질 저하 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 균일도(uniformity), 단차도포성(step coverage), 및 막질이 좋은 TaN 박막을 낮은 온도에서 얻을 수 있다. TaN thin film forming method according to the present invention is a TaN thin film forming method for forming a TaN thin film by the ALD method on the substrate surface pre-loaded in the process chamber by supplying Ta-containing gas and NH3 gas alternately into the process chamber, Before the NH 3 gas is supplied into the process chamber, it is heated to 700 ° C. to 900 ° C. in advance and is supplied into the process chamber. According to the present invention, the preliminary heating of the NH 3 gas at 700 to 900 ° C. may be performed to prevent the degradation of the film quality, which is a disadvantage in forming a TaN thin film by the ALD method at a temperature of 200 to 300 ° C. Therefore, according to the present invention, a TaN thin film having good uniformity, step coverage, and film quality can be obtained at a low temperature.
Description
본 발명은 TaN 박막형성방법에 관한 것으로서, 특히 CVD법보다 낮은 온도에서 Ta 박막증착 공정이 진행되는 ALD 공정에서 나타나는 막질의 불량을 극복할 수 있는 TaN 박막형성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a TaN thin film formation method, and more particularly, to a TaN thin film formation method capable of overcoming a defect in film quality in an ALD process in which a Ta thin film deposition process is performed at a lower temperature than a CVD method.
반도체소자 제조에 있어서 확산방지막이 많은 부분에 필요하다. 확산 방지막은 전도성도 갖고 있어야 하며 대표적인 것들로는 TiN, WN, 또는 TaN막 등이 있다. In the manufacture of semiconductor devices, many diffusion barrier films are required. The diffusion barrier should also have conductivity, and typical ones include TiN, WN, or TaN.
반도체소자의 배선으로는 알루미늄이 압도적으로 사용되는데, 차세대 반도체소자의 배선으로는 한계가 있어 구리를 사용하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 구리는 낮은 비저항과 높은 융점을 제외하면, 종래의 알루미늄이 가지고 있는 다른 우수한 물성들은 가지고 있지 않다. Aluminum is overwhelmingly used as the wiring of semiconductor devices, but there is a limit to the wiring of the next-generation semiconductor devices, and many studies for using copper have been made. Copper does not have the other excellent properties of conventional aluminum except for low resistivity and high melting point.
예를 들어, 구리는 Al2O3과 같은 치밀한 보호피막이 없으며, 이산화규소(SiO2)에 대한 접착력이 나쁘고, 건식 식각이 어렵다. 또한, 구리는 실리콘 내에서 확산계수가 알루미늄보다 대략 106 배정도 크며, 실리콘 내부로 확산한 구리는 밴드 갭(Band Gap)사이에 깊은 에너지 준위(Deep Level)를 형성하는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 구리는 SiO2 내에서 확산계수도 큰 것으로 알려져 있는데, 이는 구리 배선 사이의 절연 특성을 감소시키게 된다. 결국 실리콘이나 SiO2 내에서구리가 가지는 큰 확산계수는 소자의 신뢰성을 크게 저하시키게 된다. 따라서, 구리 배선 공정에서 소자의 신뢰성을 확보하기 위해서는, 구리의 실리콘 및 SiO2로의 빠른 확산을 방지할 수 있는 확산 방지막(Diffusion Barrier)을 개발하는 것이 필수적이다. For example, copper does not have a dense protective film such as Al2O3, has poor adhesion to silicon dioxide (SiO2), and is difficult to dry etch. In addition, copper has a diffusion coefficient of about 106 times larger than aluminum in silicon, and copper diffused into silicon is known to form a deep energy level between band gaps. Moreover, copper is known to have a high diffusion coefficient in SiO2, which reduces the insulating properties between copper interconnects. As a result, the large diffusion coefficient of copper in silicon or SiO 2 greatly reduces the reliability of the device. Therefore, in order to secure the reliability of the device in the copper wiring process, it is essential to develop a diffusion barrier that can prevent the rapid diffusion of copper into silicon and SiO2.
이와 같이 확산방지막은 배선에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 따라서, 치밀한 확산방지막을 형성할 수 있는 기술을 확보하는 것이 매우 중요하다. 특히, TaN막은 구리와 열역학적으로 안정하기 때문에, 이를 구리 배선 공정에서의 확산 방지막으로 사용하기 위한 연구들이 많은 관심 속에 진행되고 있다.As such, the diffusion barrier plays a very important role in the wiring. Therefore, it is very important to secure a technology capable of forming a dense diffusion barrier film. In particular, since the TaN film is thermodynamically stable with copper, studies for using it as a diffusion barrier in the copper wiring process have been conducted with much interest.
TaN박막은 통상의 CVD법이나 최근 많은 연구가 되고 있는 ALD법으로 형성시킬 수 있는데, CVD법인 경우에는 약 500℃ 정도에서 TaN박막을 얻을 수 있는 반면, ALD법인 경우에는 약 250℃정도의 낮은 온도에서도 TaN박막을 얻을 수 있다. 그러나, ALD법으로 형성할 경우에는 균일도(uniformity) 및 단차도포성(step coverage)이 좋으나, 치밀도(density)가 낮고 불순물을 많이 함유하여 막질이 나쁘다는 단점이 있다. 반면, CVD법으로 형성할 경우에는 위와는 반대의 장단점을 갖는다. The TaN thin film can be formed by a conventional CVD method or an ALD method which has been studied a lot recently. In the case of the CVD method, the TaN thin film can be obtained at about 500 ° C., whereas the ALD method has a low temperature of about 250 ° C. TaN thin film can also be obtained. However, when formed by the ALD method, uniformity and step coverage are good, but there is a disadvantage in that the film quality is poor due to low density and a large amount of impurities. On the other hand, when formed by the CVD method has the opposite advantages and disadvantages.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, CVD법보다 낮은 온도에서 TaN박막을 얻을 수 있는 ALD법으로 TaN박막을 형성하되 CVD법으로 형성시키는 경우에 비할 정도로 양질의 막을 얻을 수 있는 TaN 박막형성방법을 제공하는 데 있다. Therefore, a technical problem to be achieved by the present invention is to form a TaN thin film by forming an TaN thin film by an ALD method that can obtain a TaN thin film at a lower temperature than a CVD method, and to obtain a film of a good quality compared to the case of forming by a CVD method. To provide.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 TaN 박막형성방법은, Ta함유기체와 NH3기체를 공정챔버 내로 교번하여 공급하여 상기 공정챔버 내에 미리 장입되어 있는 기판 표면에 TaN박막을 ALD 법으로 형성하는 TaN 박막형성방법이며, 상기 NH3 기체는 상기 공정챔버 내로 공급되기 전에 미리 700℃ 내지 900℃로 가열되어 상기 공정챔버 내로 공급되는 것을 특징으로 한다. In the TaN thin film forming method according to the present invention for achieving the above technical problem, by supplying Ta-containing gas and NH3 gas alternately into the process chamber to form a TaN thin film on the surface of the substrate pre-loaded in the process chamber by the ALD method In the TaN thin film forming method, the NH3 gas is heated to 700 ° C to 900 ° C in advance before being supplied into the process chamber is characterized in that the supply into the process chamber.
여기서, 상기 기판의 온도는 200 ~ 300 인 것이 바람직하며, 상기 NH3 기체를 미리 가열하는 것은 상기 NH3 기체를 공급하는 NH3 기체 공급관에 설치된 인-라인 히터를 통하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 Ta함유기체와 상기 NH3기체의 공급 사이에 퍼지용 비활성 기체를 공급하는 것이 좋다. Here, the temperature of the substrate is preferably 200 ~ 300, the heating of the NH3 gas in advance is preferably made through an in-line heater installed in the NH3 gas supply pipe for supplying the NH3 gas. It is preferable to supply an inert gas for purge between the Ta-containing gas and the NH 3 gas.
상기 Ta함유기체와 상기 NH3기체의 공급 사이에 H2 플라즈마 또는 N2 플라즈마로 상기 기판 표면을 처리하는 단계를 포함할 수도 있다. 이 때, 상기 H2 플라즈마 또는 N2 플라즈마는 상기 공정챔버가 아닌 별도로 마련된 플라즈마 발생장치에서 발생하여 상기 공정챔버 내로 유입되는 것이 좋다. Treating the substrate surface with H2 plasma or N2 plasma between the Ta-containing gas and the supply of NH3 gas. In this case, the H2 plasma or the N2 plasma may be generated in a plasma generator provided separately from the process chamber and introduced into the process chamber.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
본 발명에 적합한 도 1의 장치를 참고하여 본 발명에 따른 TaN 박막형성방법을 설명한다. 공정챔버(30)로의 Ta함유기체 공급여부는 Ta 공급밸브(3)의 개폐에 의해 결정되고, NH3 기체의 공급여부는 NH3 공급밸브(10)의 개폐에 의해 결정된다. Ta함유기체는 TBTDET(TertButylimidoTrisDiEthylamidoTantalum) 전구체를 솔벤트에 용해시켰다가 기화기(미도시)로 이를 기화시킴으로써 얻을 수 있다. A TaN thin film forming method according to the present invention will be described with reference to the apparatus of FIG. 1 suitable for the present invention. Whether Ta-containing gas is supplied to the process chamber 30 is determined by opening and closing the Ta supply valve 3, and whether or not the supply of NH 3 gas is determined by opening and closing the NH 3 supply valve 10. Ta-containing gas can be obtained by dissolving TBTDET (TertButylimidoTrisDiEthylamidoTantalum) precursor in solvent and vaporizing it with a vaporizer (not shown).
Ta 공급밸브(3) 및 NH3 공급밸브(10)의 개폐를 통해서 Ta함유기체와 NH3기체를 공정챔버(30) 내로 교번하여 공급하여 공정챔버(30) 내에 미리 장입되어 있는 기판 표면에 ALD법으로 TaN박막을 형성한다. Ta함유기체와 NH3기체의 공급 사이에는 퍼지기체 공급밸브(4, 5)의 개폐를 통하여 퍼지용 비활성 기체를 주기적으로 공급하여 기판 위에 반응하지 않고 잔류하는 소스원료를 제거한다. Through the opening and closing of the Ta supply valve 3 and the NH3 supply valve 10, Ta-containing gas and NH3 gas are alternately supplied into the process chamber 30, and the ALD method is applied to the substrate surface previously loaded in the process chamber 30. A TaN thin film is formed. The inert gas for purging is periodically supplied between the Ta-containing gas and the NH 3 gas through opening and closing of the purge gas supply valves 4 and 5 to remove the remaining source material without reacting on the substrate.
상기와 같은 ALD법은 CVD법으로 TaN박막을 형성시키는 경우보다 낮은 200~300℃ 정도의 온도에서 진행되는데, 이러한 온도범위에서 ALD 공정을 진행하면 막질이 좋지 않게 된다. 따라서, 막질이 향상되도록 NH3 기체 공급관에 인-라인 히터(in-line heater, 9)를 설치하여 여기서 NH3 기체를 미리 700℃ 내지 900℃로 가열하여 공정챔버(30)로 공급한다. NH3기체를 이러한 온도범위로 미리 예비가열하여 공급하면 NH3 기체가 라디칼(radical) 상태 또는 적어도 활성화된 상태이기 때문에 Ta 리간드와 빠르고 치밀하게 반응할 수 있다.As described above, the ALD method is performed at a temperature of about 200 to 300 ° C. lower than that of forming a TaN thin film by CVD. However, when the ALD process is performed in this temperature range, the film quality is not good. Therefore, an in-line heater 9 is installed in the NH 3 gas supply pipe so that the film quality is improved, and the NH 3 gas is heated to 700 ° C. to 900 ° C. in advance and supplied to the process chamber 30. Preheating and supplying the NH3 gas to this temperature range in advance allows the NH3 gas to react rapidly and closely with the Ta ligand because the NH3 gas is in a radical or at least activated state.
퍼지용 비활성 기체, Ta함유기체, 및 NH3 기체의 유속 안정화를 위해서 진공펌프(20)를 통한 배기를 결정하는 배기밸브(1, 2, 8, 6)가 설치된다. NH3 기체를 활성화시키기 위하여 인-라인 히터(9) 대신에 NH3 기체를 플라즈마로 만들어서 공정챔버(30)로 공급하는 방식을 사용할 수도 있지만, 이 경우에는 플라즈마를 만드는 곳에 플라즈마 전력을 온/오프 시켜야 하는 등 사이클 시간(cycle time)이 늘어나는 문제를 야기시키므로 바람직하지 않다. Exhaust valves 1, 2, 8, and 6 are provided for determining exhaust through the vacuum pump 20 for stabilizing the flow rates of the purge inert gas, Ta-containing gas, and NH3 gas. In order to activate the NH3 gas, instead of the in-line heater 9, the NH3 gas may be converted into a plasma and supplied to the process chamber 30. However, in this case, the plasma power should be turned on / off at the place where the plasma is made. It is not preferable because it causes the problem of longer cycle time.
인-라인 히터의 일 예가 도시된 도 2를 참조하면, 인-라인 히터는 히터(152)와 몸체(154)로 구성된다. 몸체(154) 내부에는 서로 연결되는 복수개의 미세공극이 형성되어 있다. 몸체(154)로는 예컨대 세라믹 재질의 미세볼을 충진하여 만들어진 것을 사용할 수 있다. 히터(152)는 저항열에 의하여 발열하는 것을 사용한다. NH3 기체 공급관을 통하여 공급되는 NH3 기체는 몸체(154)의 미세공극을 통과하면서 히터(152)에서 발생하는 열에 의하여 700~900℃로 예비가열되어 공정챔버(30)로 공급된다. Referring to FIG. 2 where an example of an in-line heater is shown, the in-line heater is composed of a heater 152 and a body 154. A plurality of micropores are formed in the body 154 connected to each other. As the body 154, for example, one made of a fine ball made of ceramic material may be used. The heater 152 uses heat generated by resistance heat. The NH3 gas supplied through the NH3 gas supply pipe is preheated to 700 to 900 ° C. by the heat generated from the heater 152 while passing through the micropores of the body 154 and is supplied to the process chamber 30.
별도의 플라즈마 발생장치(12)가 공정챔버(30)에 연결되도록 설치될 수 있는데, N2 공급밸브(13) 또는 H2 공급밸브(140)의 개폐를 통하여 플라즈마 발생장치(12)에 N2 또는 H2 기체를 공급하고 여기에서 미리 N2 플라즈마 또는 H2 플라즈마를 형성시켜 플라즈마 공급밸브(11)를 열어 공정챔버(30)로 리모트 플라즈마를 유입시킨다. 리모트 플라즈마는 Ta함유기체와 NH3기체의 공급 사이에 제공되는 데, 이는 기판 혹시나 기판 표면에 잔류하는 부산물(by-product)을 제거하기 위한 것이다. 리모트 플라즈마 처리는 TaN의 시효(aging)를 방지하는 역할도 한다. 리모트 플라즈마는 Ta함유기체와 NH3 기체 공급의 1 사이클 마다 한번씩 흘려보낼 수도 있지만, 여러 사이클에 한번씩 흘려보낼 수도 있다. A separate plasma generator 12 may be installed to be connected to the process chamber 30. N2 or H2 gas is supplied to the plasma generator 12 through opening and closing of the N2 supply valve 13 or the H2 supply valve 140. And supply N2 plasma or H2 plasma in advance and open the plasma supply valve 11 to introduce the remote plasma into the process chamber 30. The remote plasma is provided between the Ta containing gas and the supply of NH 3 gas to remove the substrate or by-products remaining on the substrate surface. The remote plasma treatment also serves to prevent aging of TaN. The remote plasma may flow once per cycle of Ta-containing gas and NH3 gas supply, but may also flow once every several cycles.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, NH3 기체를 미리 700~900℃로 예비가열하여 공급하므로서 200~300℃의 온도에서 ALD 법으로 TaN 박막을 형성하는 경우에 나타나는 단점인 막질 저하 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 균일도(uniformity), 단차도포성(step coverage), 및 막질이 좋은 TaN 박막을 낮은 온도에서 얻을 수 있다. As described above, according to the present invention, the preliminary heating of the NH 3 gas at 700 to 900 ° C. may be performed to prevent film degradation, which is a disadvantage of forming a TaN thin film by the ALD method at a temperature of 200 to 300 ° C. have. Therefore, according to the present invention, a TaN thin film having good uniformity, step coverage, and film quality can be obtained at a low temperature.
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.
도 1은 본 발명에 따른 TaN 박막형성방법에 적합한 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining an example of a device suitable for the TaN thin film forming method according to the present invention.
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