KR100624351B1 - 금속 필름의 화학적 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 표면상에 실질적으로 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는 두꺼운 금속 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다. 기판을 플라즈마에 노출시킨다. 제1 금속 박막은 화학적 증착법으로 기판상에 침착시킨다. 필름이 침착된 기판을 플라즈마에 노출시키고, 제2 금속 박막을 제1 금속 박막의 상부에 침착시킨다. 기판은 목적하는 두께의 필름이 수득될 때까지 플라즈마 노출 및 필름 침착의 후속적인 사이클을 수행한다. 생성되는 필름은 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는다.
반도체 기판, 평활한 표면 형태, 낮은 저항, 플라즈마, 노출, 침착, 화학적 증착법.

Description

금속 필름의 화학적 증착 방법{Method of chemical vapor deposition of metal films}
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 반도체 기판상에서의 금속 필름의 화학적 증착법(CVD)에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 비교적 평활하고 저항이 낮은 금속 필름 피막을 갖는 기판 표면을 제조하는 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
집적 회로(IC)의 제작시, 종종 금속 및 비금속 원소 함유 박막을 반도체 기판의 표면에 침착시켜, 회로에 IC와 같은 각종 장치 사이에 전도성 및 저항 접촉을 제공한다. 예를 들어, 목적하는 금속 박막은 노출된 접촉 표면에 또는 반도체 기판상의 홀(hole)을 통해 적용될 수 있다. 기판상의 절연층을 통과하는 필름은 절연층을 교차하여 상호접촉하도록 하기 위한 목적으로 전도성 재료의 플러그를 제공한다.
금속 박막을 침착시키기 위한 익히 공지된 하나의 방법은 화학적 증착법(CVD)이다. CVD에서, 기판의 표면에서의 각종 침착물 또는 반응물 기체 사이의 화학 반응을 이용하여 박막이 침착된다. 반응물 기체를 반응 챔버 내부의 기판 근처로 펌핑한 다음, 기체가 기판 표면에서 반응하면 노출된 기판 표면상에 필름을 형성하는 하나 이상의 반응 부산물이 생성된다.
화학적 증착법에 의해 기판상에 침착된 금속 박막은 평활한 거울상 표면 형태를 갖는다. 그러나, 보다 많은 필름이 침착됨에 따라, 필름의 표면 형태는 필름 두께에 직접적으로 비례하여 거칠고 탁해진다. 거친 표면에 의해 전자 이동이 유발되고, 이에 의해 금속 원자가 고전류 밀도하의 전자 유동에 의해 발생하는 힘에 의해 구동되는 입자 경계를 따라 이동하기 때문에, 거친 표면은 바람직하지 않다. 결과적으로, 공극이 금속 라인의 한쪽 말단에서 형성되고, 유출물이 금속 라인의 다른쪽 말단에서 형성된다. 이로 인해, 공극 영역에서 회로가 고장날 가능성이 커진다.
구리 필름이 침착되는 경우, 평활한 표면 형태 외에, 필름의 저항이 순수한 구리 금속의 저항인 1.68μΩ-cm의 벌크 저항에 근접하는 것이 통상적인 반도체 기판의 제조에 바람직하다. 저항이 약 2μΩ-cm보다 큰 구리 필름은 제조 기술에 따라 실행 가능성이 낮은데, 이는 저항이 유사하게 높은 다른 금속이 구리를 대체할 수 있기 때문이다. 필름 저항에 영향을 줄 수 있는 인자로는 필름 두께, 밀도, 순도 및 입자 크기가 있다.
유럽 특허공보 제0288754호에는 규소 기판상에 두꺼운 저응력 텅스텐을 침착시키는 방법이 기재되어 있다. 이러한 방법은 육불화텅스텐을 CVD에 의해 텅스텐 층으로 침착시키는 단계를 포함한다. 기판의 규소를 WF6과 반응시켜 텅스텐 및 불화규소를 형성한다. 다음 단계는 플라즈마 침착에 의한 규소 층의 침착이다. 이러한 두 단계를 목적하는 텅스텐 두께가 달성될 때까지 반복한다.
아이젠브라운(Eisenbraun) 등의 논문[참조: "Enhanced Growth of Device-Quality Copper by Hydrogen Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition" Applied Physics Letters, Vol. 60, No. 25, June 1992, at pages 3126-3128]에는 구리 필름이 160 내지 170℃의 온도, 1.3 내지 1.7torr(173.3 내지 226.7N/m2)의 압력 및 15 내지 30W 범위의 수소 플라즈마 전력에서 수소 플라즈마를 사용하여 침착시킬 수 있다는 사실이 기재되어 있다. 당해 필름은 치밀하고 매우 균일한 것으로 거론된다.
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발명의 요약
본 발명의 하나의 목적은 기판 표면상에 실질적으로 평활한 표면 형태를 갖는 금속 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판 표면상에 저항이 낮은 금속 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판 표면상에 실질적으로 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는 구리 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 표면 형태가 실질적으로 평활하고 저항이 약 2μΩ-cm 미만인 두께가 약 750Å보다 큰 구리 필름 피막을 갖는 기판을 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명은 기판 표면상에 표면 형태가 평활하고 저항이 낮은 금속 필름을 침착시키는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 기판 표면상에 표면 형태가 평활하고, 저항이 두께가 약 750Å 미만인 구리 필름에 필적할 만한 저항을 갖고 두께가 약 750Å보다 큰 구리 필름을 침착시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 원리에 따라서, 화학적 증착법에 의해 하나 이상의 기판의 표면에 제1 금속 필름을 침착시키는 단계, 제1 금속 필름이 침착된 기판을 플라즈마에 노출시키는 단계 및 제2 금속을 함유하는 기체의 화학적 증착법에 의해 제2 금속 필름을 기판의 표면 상의 제1 금속 필름의 상부에 침착시키는 단계를 포함하고, 제1 금속 필름을 침착시키기 전에 기판을 플라즈마에 노출시키는 예비 단계를 포함하고, 제2 금속 필름이 제1 금속 필름을 금속 함유 기체에 노출시킴으로써 침착됨을 특징으로 하는 방법이 제공된다.
추가의 필름 층을 침착시키고 플라즈마에 노출시키는 연속 사이클을 수행하여 목적하는 두께의 필름을 수득한다. 바람직한 양태에서, 플라즈마는 수소/아르곤 플라즈마이고, 필름은 구리 필름이다. 본 발명의 방법을 이용하여 침착시킨 구리 필름의 저항은 순수한 구리 금속의 벌크 저항에 근접하고 표면 형태가 실질적으로 평활하다.
상기한 바에 따라, 화학적 증착법에 의해 기판상에 침착된 실질적으로 평활한 표면 형태 및 저항이 낮은 두꺼운 금속 필름을 제공하는 방법이 제공된다. 본 발명의 상기한 목적 및 기타 목적 및 잇점은 첨부된 도면 및 이의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 서셉터(susceptor) 및 기판의 개략도이다.
도 2는 구리 CVD용 반응 챔버의 개략적인 단면도이다.
도면의 상세한 설명
도 1은 구리 CVD 동안 반도체 기판(22)용 서셉터(20)를 도시한 것이다. 통상적인 서셉터(20)는 이의 상부(26a) 및 측부(26b) 표면에 천연 산화물 층(24)을 갖는다. 기판(22)은 가공 동안 서셉터(20)에 의해 지지된다. 기판(22)은 이의 상부 표면(28)으로서 두께가 약 10 내지 약 20Å인 천연 산화물 층(30)을 갖는다. 당해 상부 층(30)은, 또한 규소 층(34)에 피복된, 두께가 약 500Å인 TiN 층(32)의 상부에 존재한다.
도 2에 화학적 증착법에 의해 반도체 기판(22)의 표면(28)에 구리 침착용 반응기(45)가 예시되어 있다. 반응기(45)는 가공 공간(48)을 포함하는 반응 챔버(46)를 포함한다. 서셉터(20) 상에 기판(22)을 함유하는 것으로 도시된 반응 챔버(46)에서, CVD용 반응물 기체는 가공 공간(48)으로 운반된다. 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에서 구체적으로 참조로 인용된, CVD 및 PECVD 필름의 저온 증착 방법 및 장치(METHOD AND APPARATUS FOR LOW TEMPERATURE DEPOSITION OF CVD AND PECVD FILMS)라는 발명의 명칭의 미국 특허공보 제5,628,829호에 기재된 시스템과 같은 기체 운반 시스템에 의해 CVD 공정용 기체의 적절한 유동 및 분포가 제공된다. 일반적으로, 기체 운반 시스템은 반응 챔버(46)에서 수평의 샤워 꼭지(50)와 같은 기체 분산 소자를 함유한다. 샤워 꼭지(50)는 유입되는 반응물 기체를 반응 챔버(46)의 가공 공간(48) 주위로 산포하여 서셉터(20) 및 기판(22) 근처에 기체의 균일한 분포 및 유동을 보장한다. 균일한 기체 분포 및 유동은 균일하고 효율적인 침착 방법, 치밀한 플라즈마 및 균일하게 침착된 필름에 바람직하다.
구리 필름 침착을 위해, 2분자의 구리 전구체, 구리I 헥사플루오로아세틸아세토네이트 트리메틸비닐실란(CuI(hfac)(tmvs))을 다음과 같은 불균형 반응으로 반응시켜 구리 금속을 생성한다:
2CuI(hfac)(tmvs) → Cu0 + CuII(hfac)2 + 2(tmvs)
위의 반응식에서,
tmvs 리간드는 이의 증기화 단계 동안 전구체를 안정화시키고,
hfac 리간드는 기판 표면에서 보다 높은 금속화율을 위해 전구체를 활성화시킨다.
반응 챔버(46)의 통상적인 조건은 다음과 같다: 기판 온도 약 170℃; 반응 압력 약 0.5 내지 약 2.0torr(66.66 내지 266.64N/m2); 액체의 전구체 유동 약 0.2 내지 약 1.0ml/min(증기 약 16 내지 80sccm에 상당함); 및 희석액 유동 약 100sccm.
본 발명의 하나의 양태에 따라서, 반응기(45)에 가공을 위해 기판(22)을 놓기 전에 또는 놓은 후에 서셉터(20)를 수소/아르곤 플라즈마에 노출시키기 위한 플라즈마 생성 장치(51)를 장착한다. 서셉터(20)를 수소/아르곤 플라즈마에 노출시키기 위한 장치(51)는 본 발명의 양수인에게 양도된, 질화티탄 기판 표면상에 텅스텐의 화학적 증착법(PROCESS FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION FOR TUNGSTEN ONTO A TITANIUM NITRIDE SUBSTRATE SURFACE)이라는 발명의 명칭하에 공계류중인 미국 특허원 제08/797,397호에 기술된 형태일 수 있다. 장치(51)는 바람직하게는 샤워 꼭지(50)에 장착된, 450KHz를 발생시킬 수 있는 고주파(RF) 발생기(52)를 포함한다.
본 발명의 방법에서, 서셉터(20)에 의해 지지되는 기판(22)을 반응 챔버(46)에서 수소/아르곤 플라즈마에 노출시킨다. 반응 챔버(46)에서의 조건은 다음과 같다: 챔버 압력 약 1torr(133.32N/m2); 전력 약 750W; 주파수 약 450KHz; 수소 유동 약 200sccm; 아르곤 유동 약 50sccm; 시간 약 10초; 및 기판 온도 약 170℃.
구리I(hfac)(tmvs)는 화학적 증착법으로 기판(22)상에 박층으로 침착시켜 구리 박막을 형성한다. 바람직한 양태에서, 구리 필름의 두께는 약 500Å이다. 반응 챔버(46)에서의 조건은 다음과 같다: 기판 온도 약 170℃; 챔버 압력 약 0.5 내지 2.0torr(66.66 내지 266.64N/m2); 전구체 유동 속도 약 0.2 내지 1.0ml/min; 및 희석액 유동 속도 약 100sccm.
그 다음, 기판(22)을 플라즈마 노출에 대하여 상기한 바와 동일한 조건하에 수소/아르곤 플라즈마에 노출시킨다. 제2 구리 박막층을 후속적으로 구리 침착에 대하여 상술한 바와 같은 반응 챔버(46)에서의 조건하에 제1 층의 상부에 침착시킨다. 바람직하게는, 제2 구리 필름 층의 두께는 약 300Å이다. 플라즈마 노출시키고, 구리 침착시키는 후속적인 추가의 사이클을 이용하여 목적하는 두께의 구리 필름을 생성시킬 수 있다.
본 발명을 특정 양태의 상세한 설명에 의해 설명하였고, 예시적인 양태를 보다 상세하게 기술하였지만, 추가의 잇점 및 변형이 당해 기술분야의 숙련가에게 용이하게 인지될 것이다. 예를 들어, 서셉터(20)는 "금속의 화학적 증착법에서 가장자리 효과를 제거하는 방법(METHOD OF ELIMINATING EDGE EFFECT IN CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF A METAL)"이라는 발명의 명칭하에 동시 출원된 특허원에 기술된 바와 같이, 금속 필름으로 예비처리하여 기판(22)에 대한 가장자리 효과를 제거할 수 있다.

Claims (26)

  1. 화학적 증착법에 의해 제1 금속 필름을 하나 이상의 기판(22)의 표면에 침착시키는 단계(a),
    제1 금속 필름이 침착된 기판을 플라즈마에 노출시키는 단계(b) 및
    제2 금속을 함유하는 기체의 화학적 증착법에 의해 제2 금속 필름을 기판의 표면 위의 제1 금속 필름의 상부에 침착시키는 단계(c)를 포함하여, 화학적 증착법에 의해 반도체 기판 표면 위에 금속 필름을 침착시키는 방법으로서,
    제1 금속 필름을 침착시키기 전에 기판을 플라즈마에 노출시키는 예비 단계를 포함하고, 제2 금속 필름이 제1 금속 필름을 제2 금속 함유 기체에 노출시킴으로써 침착됨을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 노출 단계(b) 및 침착 단계(c)를 반복하여 목적하는 필름 두께를 수득함을 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계와 노출 단계(b)가 기판을 수소/아르곤 플라즈마에 노출시킴을 포함하고, 침착 단계(a) 및 (c)가 구리 필름을 침착시킴을 포함하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 침착 단계(a) 및 (c)가 0.1 내지 10torr(13.33 내지 1333.22N/m2)의 압력 범위하에 반응 챔버(46) 속에서 수행되는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 압력 범위가 0.5 내지 2.0torr(53.33 내지 266.64N/m2)인 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 침착 단계(a) 및 (c)가 0.01 내지 5ml/min의 전구체 유동 범위에서 반응 챔버(46) 속에서 수행되는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 전구체 유동 범위가 0.2 내지 1.0ml/min인 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 침착 단계(a) 및 (c)가 10 내지 1500sccm의 수소 유동 범위하에 반응 챔버(46) 속에서 수행되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 수소 유동이 100sccm하에 이루어지는 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 침착 단계(a) 및 (c)가 120 내지 280℃의 서셉터(susceptor) 온도 범위에서 반응 챔버(46) 속에서 수행되는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 서셉터 온도가 170℃인 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계 및 노출 단계(b)가 0.1 내지 25torr(13.33 내지 3333.05N/m2)의 압력 범위하에 반응 챔버 속에서 수행되는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 압력이 1torr(133.32N/m2)인 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계 및 노출 단계(c)가 50 내지 1500W의 전력 범위에서 반응 챔버 속에서 수행되는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 전력이 750W인 방법.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계 및 노출 단계(c)가 250 내지 500KHz의 주파수 범위에서 반응 챔버 속에서 발생하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 주파수가 450KHz인 방법.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계 및 노출 단계(c)가 50 내지 5000sccm의 수소 유동 범위하에 반응 챔버 속에서 수행되는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 수소 유동이 200sccm하에 이루어지는 방법.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계 및 노출 단계(c)가 10 내지 1500sccm의 아르곤 유동 범위하에 반응 챔버 속에서 수행되는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 아르곤 유동이 50sccm하에 이루어지는 방법.
  22. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계 및 노출 단계(c)가 120 내지 280℃의 서셉터 온도 범위에서 반응 챔버 속에서 수행되는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 서셉터 온도가 170℃인 방법.
  24. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예비 노출 단계 및 노출 단계(c)가 2 내지 240초의 시간 동안 반응 챔버 속에서 수행되는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 시간이 10초인 방법.
  26. 삭제
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