KR100634651B1 - 할로겐화 티탄 전구 물질로부터의 ＣＶＤ ＴｉＮ 플러그의 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
고 품질의 질화 티탄(TiN) 막을 증착하여, TiN을 이용하여 고 종횡비 특징물을 가진 작은 접점을 충진하는 방법이 제공된다. 이 방법은 전구 물질로서 테트라요오드화 티탄(TiI4)을 이용한 CVD법을 사용한다. 이 방법은 약 0.3 ㎛보다 큰 두께를 가진 TiN 막이 균열 형성없이 증착되게 한다. 상당한 고 TiN의 증착 속도 및 상당한 저 TiN 저항률을 위해, 양호한 처리 온도는 적어도 약 500 ℃이다. 이 방법은, 처리 압력을 변화시켜, 고 종횡비의 구조체 내에 이음없는 TiN 플러그 충진을 달성하는 것이다.
기질, 반응실, 전구 물질, 막,
Description
본 발명은 집적 회로의 형성에 관한 것으로서, 특히, 할로겐화 티탄 전구 물질로부터의 질화 티탄막의 화학 증착에 관한 것이다.
집적 회로는 전기 장치에서 신호 전달을 위한 경로를 제공한다. 장치 내의 집적 회로(IC)는 반도체 기질(substrate)의 규소 베이스 층 내에 포함된 다수의 활성 트랜지스터로 구성된다. IC의 용량을 증대하기 위해, 금속 "와이어"에 의한 다수의 상호 접속(interconnections)은, 기질의 규소 베이스 내의 한 활성 트랜지스터와 기질의 규소 베이스 내의 다른 활성 트랜지스터 사이에서 행해진다. 총체적으로 회로의 금속 상호 접속으로 공지된 상호 접속은 기질 내에 있는 홀(hole), 비아(via) 또는 트렌치와 같은 특징물(features)을 통해 행해진다. 규소 베이스와 실제로 접촉하는 금속 상호 접속의 특정 포인트는 접점으로 공지되어 있다. 홀, 비아 또는 트렌치의 나머지는 접점 플러그라 칭하는 도전성 재료로 충진(fill)된다. 트랜지스터 밀도가 계속 증가하여, 고 레벨의 IC를 형성함에 따라, 접점 플러그의 직경은 상호 접속부, 다단(multilevel) 금속화 구조체 및 고 종횡비 비아의 수를 증대시키도록 감소해야 한다.
직경이 약 0.16 ㎛ 보다 큰 비아는 통상적으로 아래와 같이 충진된다. 약 100 Å 티탄(Ti)의 라이너(liner)는 먼저 CVD 또는 PVD의 어느 것을 이용하여 증착된다. 이 Ti 층은 규소 베이스 층에 대한 전기적 접촉을 향상시킨다. 그 후, 약 500 Å의 질화 티탄(TiN)의 라이너는 Ti 층에 증착된다. 증착은 CVD 또는 PVD의 어느 것에 의해 행해질 수 있고, 저압 CVD(LPCVD)는, LPCVD만이 등각성(conformality)을 제공하기 때문에 바람직하며, 이 등각성은, 고 종횡비를 가진 서브미크론(submicron) 구조의 바닥 및 측벽을 피복하는데 필요한 하부(underlying) 기질의 표면 형상(topography)을 정확히 재현하는 능력으로 정의된다. TiN 층은, WF6으로부터의 연속 텅스텐(W) 증착 동안에 불소(F)에 의해 부식 작용으로부터 Ti를 보호하는 금속 확산 장벽 역할을 한다. W가 금속 산화물에 부착되지 않기 때문에, TiN은 또한 W를 위한 접착층 역할을 한다. TiN이 우수한 접촉 장벽을 제공하지만, TiN은 장벽으로서 유효하도록 하기 위해서는 약 500 Å의 두께를 가져야 한다. TiN의 두께가 약 500 Å 미만이면, Ti 금속은 규소 내로 확산한다. 그리고 나서, 플러그의 나머지는 CVD에 의해 증착된 W로 충진된다. W는, 접촉 플러그를 형성할 시에 전기 저항률이 낮고, 신뢰성이 있기 때문에 사용된다. W 층은 IC 내에서 전류 도통에 중요한 저 저항의 영역을 제공한다. 그 후, 접촉 플러그의 표면은 에칭되거나 연마된다. 결과적으로 평탄화된 표면은 최적 금속 상호 접속에 필요하여, IC의 최적 기능에 필요하다.
트랜지스터 밀도가 계속 증가함에 따라, 특징물은 계속 작아지며, 즉, 직경은 0.25 ㎛ 이하로 된다. 접촉 플러그의 직경은 증가된 상호 접속의 수를 고려하여 작아져야 한다. 그러나, 약 0.16 ㎛ 미만의 직경을 가진 비아의 경우, 접촉 플러그의 금속화(metalization) 층의 저항은 TiN 확산 장벽층에 의해 지배된다(dominate). TiN 장벽 층이 확산 장벽으로서 로버스트(robust) 성능을 위해 약 500 Å로 되어야 하므로, 이는 W로 충진되는 접촉 플러그의 부분은 축소되게 한다. 예컨대, 0.15 ㎛의 직경을 가진 구조체는, 플러그의 중심에 약 300 Å만인 W 막 또는 "코어"를 갖는다. 그래서, 유효 플러그 저항은 더욱 높은 저항률의 TiN에 의해, 특히, TiN 및 W 층 간의 인터페이스의 저항에 의해 더욱 지배되도록 된다.
그 후, W에 의한 접촉 플러그의 연속 충진은 접촉 플러그의 총 저항에 상당한 영향을 미치지 않는 여분의 절차 단계를 제공한다. 따라서, IC 형성 시의 처리 단계는 제거되야 하고, TiN 및 W에 의해서 보다는 TiN 만의 접촉 플러그에 의해 비아를 충진함으로써, 제조 효율은 높아진다. 그래서, CVD에 의해 TiN 접촉 플러그를 형성하여, IC의 형성 시에 접촉 플러그의 W 층을 제거하는 방법이 필요하다.
그러나. CVD에 의해 증착된 TiN 막은 비교적 고 응력을 갖는다. 고 응력을 가진 막은, 막이 외부 힘을 받을 시에, 막의 용적(volume) 변화 또는 형상 변화에 견디는 내부 분산된 힘 또는 힘의 성분의 강도가 크다. 이런 고 응력은 증착될 수 있는 최대 막 두께를 제한한다. 통상적으로, 종래의 제 1 레벨의 산화물에 걸친, CVD에 의해 증착되는 TiN 막의 최대 두께는 약 800 Å이다. 약 800 Å보다 두꺼운 TiN 막은 막 내의 내부 응력으로 인하여 균열(crack)이 일어나기 시작한다. TiN 막 표면에 나타나고, 막의 저항을 증가시킬 만큼 상당히 큰 표면 재료 내의 불연속부로 정의되는 미세 균열(microcracks)은 결과적으로 IC의 최적 성능에는 미치지 못하는 성능을 초래한다.
W 층의 절대 두께가 충진될 비아의 사이즈에 따라 변할 수 있지만, 그의 상대적 두께는 비아 직경의 약 80 %이다. 이것은, 증착된 막이 비아의 용적을 접촉 플러그로 충진할 뿐만 아니라, 접촉 플러그 위의 "딤플(dimple)"도 충진해야 하기 때문이다. 비아의 충진 중에 형성되는 TiN 내의 압흔(indentation)으로 정의되는 "딤플"은, 플러그의 상부에 TiN을 더욱 증착시켜 캡핑(capping) 층을 생성시킴으로써 제거된다. 따라서, 0.25 ㎛의 특징물의 경우, 2000 Å (0.8 ×2500 Å)의 두께를 가진 TiN 막이 요구된다. 양호한 플러그 충진에 대해서는, 또한, 막이 연속적이고, 완전한 등각성(conformal)이며, 그리고 이음없는(seamless) 것이 매우 중요하다. 등각성의 막은 하부 기질의 표면 형상을 정확히 재현하는 것이다. 이음없는 막은 균열을 포함하지 않는다는 것이다.
TiN 플러그로 기질 내의 비아를 충진하여, TiN 층과 캡핑(capping)하는 CVD 방법은, 도쿄 일렉트론 리미티드에게 양도되고, 여기서 전적으로 참조로 포함되는 미국 특허 출원 제08/964,532호에 개시되어 있다. 이들 특징물은 TiCl4 전구 물질을 이용하여 CVD법에 의한 현존하는 TiN 증착법에 의해 획득될 수 없다. TiCl4 전구 물질에 의하면, 막은 두께가 약 500 Å 내지 800 Å을 초과할 시에 항상 균열이 생긴다. 균열 형성(cracking)은, 하부 층에 대한 막의 접착을 방해하여, 막 "플레이킹 오프(flaking off)"를 생성시켜, 후속 처리를 손상(compromise)시키기 때문에 수용할 수 없다. 균열 형성은, 또한 플러그의 예상 전기 저항률을 증가시킨다.
그래서, 고 종횡비의 비아를 TiN의 고 품질의 등각성 접촉 플러그에 의해 균열없이 충진하는 방법이 바람직하다. 이와 같은 막은 W의 증착 단계를 제거하여, 접점을 충진하는 처리 단계의 수를 축소한다. 이것은 장치의 제조 비용을 상당히 절약한다.
1997년 3월, 전기 화학 협회의 저널, Electrochem. Soc. USA, 용적 144, 넘버 3, 페이지 1002-1008, XP000938672 ISSN: 0013-4651에서, 폴터메이어 씨. 등에 의한 "테트라요오드화 티탄으로부터 저온 화학 증착에 의해 성장된 질화 티탄 막의 장벽 특성"은 스텝 커버리지에 이용될 수 있는 TiN 막을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 30 sccm의 흐름에서 H2의 담체 가스로 반응 구역에 TiI4를 공급하는 단계를 포함한다. TiI4은 0.3 Torr (39.97 N/㎡)의 반응기 압력에서 암모니아와 반응된다. 전구 물질에 대한 담체 가스를 사용하는 것이 공지된 다른 막 형성 방법의 특징이다. 이것은 결과적으로 원하지 않은 입자가 첨가되고, 또한 전구 물질의 정확한 계량을 방해하는 문제를 유발시킨다.
1997년 3월, 전기 화학 협회의 저널, Electrochem. Soc. USA, 용적 144, 넘버 3, 페이지 1002-1008, XP000938672 ISSN: 0013-4651에서, 폴터메이어 씨. 등에 의한 "테트라요오드화 티탄으로부터 저온 화학 증착에 의해 성장된 질화 티탄 막의 장벽 특성"은 스텝 커버리지에 이용될 수 있는 TiN 막을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 30 sccm의 흐름에서 H2의 담체 가스로 반응 구역에 TiI4를 공급하는 단계를 포함한다. TiI4은 0.3 Torr (39.97 N/㎡)의 반응기 압력에서 암모니아와 반응된다. 전구 물질에 대한 담체 가스를 사용하는 것이 공지된 다른 막 형성 방법의 특징이다. 이것은 결과적으로 원하지 않은 입자가 첨가되고, 또한 전구 물질의 정확한 계량을 방해하는 문제를 유발시킨다.
본 발명의 원리에 따르면, 반응실 내의 고 종횡비의 기질의 특징물 내에 등각성의 이음없는 질화 티탄 (TiN) 플러그를 제공하는 방법은, 기질을 400 ℃ 내지 650 ℃의 범위 내의 온도로 가열하는 단계, 상기 반응실 내에 1.5 Torr (199.98 N/㎡) 미만의 압력을 제공하면서, 상기 전구 물질을 기화시키기에 충분한 온도로 상기 전구 물질을 가열시켜 담체 가스없이 약 5 sccm 내지 40 sccm의 범위 내의 흐름에서, 테트라요오드화 티탄 전구 물질의 증기를 상기 반응실에 제공하는 단계 및, 화학 증착법에 의해 상기 TiN을 증착하도록 질소 함유 처리 가스와 상기 증기를 조합하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 테트라요오드화 티탄 (TiI4) 전구 물질은 열적 CVD에 의해 증착된다.
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본 발명에 따라 접촉 플러그를 충진하는 TiN 막은 하부 형상과 100% 등각성이다. 100% 등각성인 막은, 하부 기질의 표면 형상을 정확히 재현하여, IC의 최적 기능을 가능하게 하기 때문에 유익하다. 따라서, 이 방법은 고 종횡비의 특징물을 완전히 충진하는데 유용하다. 이 방법의 다른 이점은 W를 증착하는 별개의 처리 단계를 제거하여, 시간 및 비용의 모두를 절약한다. 이 방법은 또한 W 층을 TiN에 부착하는 문제를 제거한다. 본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 첨부한 도면 및 그의 설명으로부터 명백해진다.
도 1은 화학 증착(CVD)을 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 할로겐화 티탄(TiX)에 의한 질화 티탄(TiN) 막 내의 응력을 비교한 그래프이다.
도 3은 테트라요오드화 티탄(TiI4)에 의한 TiN 막의 SEM의 사진이다.
도 4A 및 4B는 Ti 할라이드에 의한 TiN 막의 투과 전자 현미경이다.
도 5는 1.5 Torr의 압력에서 CVD에 의해 증착된 TiN으로 충진된 10:1 종횡비의 구조체의 SEM의 사진이다.
도 6은 1.0 Torr의 압력에서 CVD에 의해 증착된 TiN으로 충진된 10:1 종횡비의 구조체의 SEM의 사진이다.
도 7은 본 발명의 Ti, TiN 및 텅스텐 플러그 충진을 이용한 접촉 저항 데이터의 그래프이다.
화학 증착(CVD)법에서, 가스 전구 물질은 열 에너지 또는 전기 에너지의 어느 것을 이용하여 활성화된다. 활성화하면, 가스 전구 물질은 화학적으로 반응하여 막을 형성한다. 바람직한 CVD법은, 도 1에 도시되어 있으며, 본 출원과 동일자로 출원되고, 도쿄 일렉트론 리미티드에게 양도되었으며, 웨스텐도프(Westendorp) 등에 의한 명칭이 APPARATUS AND METHOD FOR DELIVERY OF VAPOR FROM SOLID SOURCES TO A CVD CHAMBER인 계류 중인 출원에 개시되어 있다. 화학 증착(CVD) 시스템(10)은 CVD 반응실(11) 및 전구 물질 송출(delivery) 시스템(12)을 포함한다. 반응실(11)에서, 반응을 행하여, 할로겐화 티탄 화합물, 예컨대, 요오드화 티탄(TiI)의 전구 물질 가스를 TiN의 장벽층 막과 같은 막으로 변화시킨다.
전구 송출 시스템(12)은 가스 출구(14)를 가진 전구 물질 가스원(13)을 포함하며, 이 가스 출구(14)는 가스 입구(16)를 가진 계량 시스템(15)을 통해 CVD 반응실(11)로 통한다. 가스원(13)은, 각각의 TiI 화합물, 바람직하게는 TiI4로부터 전구 물질 가스, 예컨대, TiI 증기를 생성시킨다. 이 화합물은 표준 온도 및 압력에서 고체 상태로 있는 것이다. 전구 물질원은, 바람직하게는 제어된 가열에 의해, 전구 물질의 원하는 증기압을 생성시키는 온도로 유지된다. 증기압은, 그 자체가 전구 물질의 증기를 반응실(11)로, 바람직하게는 담체 가스를 사용하지 않고, 송출하는데 충분한 증기압이다. 계량 시스템(15)은, 반응실(11) 내에 상업적으로 실행 가능한(viable) CVD법을 유지하는데 충분한 속도로, 가스원(13)에서 반응실(11)로 전구 물질의 가스 증기의 흐름을 유지한다.
반응실(11)은 일반적으로 통상의 CVD 반응기이고, 완전한 진공(vacuum tight) 벽(21)에 의해 바운드된(bounded) 진공실(20)을 포함한다. 진공실(20)내에는, 반도체 웨이퍼(23)와 같은 기질이 지지되는 기질 지지대 또는 서셉터(susceptor)(22)가 배치되어 있다. 진공실(20)은, TiN 장벽층과 같은 막을 반도체 웨이퍼 기질(23) 상에 증착하는 CVD 반응을 실행하기 위해 적당한 진공으로 유지된다. 양호한 압력 범위는 0.2 Torr 내지 5.0 Torr(26.664 N/㎡ 내지 666.61 N/㎡)이다. 진공은 진공 펌프(24) 및 입구 가스원(25)의 제어된 조작에 의해 유지되며, 입구 가스원(25)은 송출 시스템(12)을 포함하고, 또한 Ti 환원(reduction) 반응을 행할 시에 사용하기 위한, 예컨대, 수소(H2), 질소(N2) 또는 암모니아(NH3)의 환원성 가스원(26) 및, 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)과 같은 가스를 위한 불활성 가스원(27)을 포함할 수 있다. 가스원(25)로부터의 가스는, 기질(23)에 대향하고, 일반적으로 기질(23)과 평행하고, 그에 직면하는 진공실(20)의 한 단부에 위치된 샤워헤드(showerhead)(28)를 통해 진공실(20)에 들어간다.
전구 물질 가스원(13)은 수직 방향으로 지향된 축(32)을 가진 원통형의 기화 용기(31)를 포함하는 밀봉된 기화기(30)를 포함한다. 이 용기(31)는, 합금 INCONEL 600과 같은 고온 내구성 및 비부식성 재료로 형성된 원통형 벽(33)에 의해 바운드되며, 상기 벽의 내부 표면(34)은 고도로 연마되어 매끄럽게 된다. 벽(33)은 평평한 폐쇄된 원형 바닥부(35) 및 개방된 최상부를 가지며, 이 최상부는 벽(33)과 동일한 열 내구성 및 비부식성 재료의 덮개(36)에 의해 밀봉된다. 가스원(13)의 출구(14)는 덮개(36) 내에 위치된다. 예컨대, TiI4 또는 TaBr5와 함께 고온을 이용하는 경우, 덮개(36)는 플랜지 링(37)으로 밀봉되고, 이 링(37)은 HELICOFLEX 밀봉재와 같은 고온 내구성 진공 융화성(compatible) 금속 밀봉재(38)에 의해 벽(33)의 최상부에 일체로 되며, 밀봉재(38)는 INCONEL 코일 스프링을 둘러싸는 C-형 니켈관으로 형성된다. TaCl5 및 TaF5와 같이 저온을 필요로 하는 재료로 이용하는 경우, 통상적인 탄성 O-링 밀봉재(38)는 덮개를 밀봉하는데 사용될 수 있다.
담체 가스원(39)은 덮개(36)를 통해 용기(31)에 접속되며, 이 담체 가스는 He 또는 Ar과 같은 불활성 가스인 것이 바람직하다. 가스원(13)은, 용기(31)의 바닥부에서, TiI, 바람직하게는 TiI4와 같은 다량의 전구 물질을 포함하며, 이 전구 물질은 표준 온도 및 압력에서 고체 상태로 용기(31) 내에 도입된다. 용기(31)는 그 내에 다량의 고체의 TiI로 용기(31)를 밀봉함으로써 TiI 증기로 충진된다. TiI은 용기(31)의 바닥에 위치되는 전구 물질(40)로서 공급되며, 여기서 전구 물질(40) 결과적으로 생긴 증기압이 허용 범위 내에 있는 한 액체 상태로 가열되는 것이 바람직하다. 전구 물질(40)이 액체인 경우, 증기는 액체 전구 물질(40)의 레벨 위에 있다. 벽(33)이 수직 원통형이기 때문에, TiI 전구 물질(40)의 표면적은, 액체인 경우, TiI의 소실 레벨과 무관하게 일정하게 남아 있다.
송출 시스템(12)은 전구 물질(40)의 직접 송출로 제한되지 않지만, 가스원(39)으로부터 용기(31) 내에 도입될 수 있는 담체 가스와 함께 전구 물질(40)을 송출하기 위한 대안으로 이용될 수 있다. 이와 같은 가스는 수소(H2)일 수 있거나, 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스일 수 있다. 담체 가스가 이용되는 경우, 이 담체 가스는 전구 물질(40)의 최상부 표면에 걸쳐 분포하도록 용기(31) 내에 도입될 수 있거나, 담체 가스에 대한 전구 물질(40)의 최대 표면적 노출을 달성하기 위해, 상향 확산에 의해 용기(31)의 바닥부(35)로부터 전구 물질(40)을 통해 침투(percolate)하도록 용기(31) 내에 도입될 수 있다. 또 다른 대안은, 용기(31) 내에 존재하는 액체를 기화시키는 것이다. 그러나, 이와 같은 대안은 원하지 않은 입자를 부가하고, 전구 물질의 직접 송출, 즉, 담체 가스를 사용하지 않은 송출에 의해 달성되는 제어된 송출 속도를 제공하지 않는다. 그래서, 전구 물질의 직접 송출이 바람직하다.
용기(31) 내의 전구 물질(40)의 온도를 유지하기 위해, 벽(33)의 바닥부(35)는 히터(44)와 열 전도 상태로 유지되어, 전구 물질(40)을 제어된 온도, 바람직하게는 그의 융점보다 높게 유지하여, 담체 가스가 없을 시에는(즉, 직접 송출 시스템에서) 약 3 Torr(399.97 N/㎡)보다 큰 증기압을 생성시킨다. 정확한 증기압은 기질(23)의 표면적 등과 같은 변수에 의존한다. TiI, 특히 TiI4의 직접 송출 시스템에서, 이와 같은 온도는 약 180℃ 내지 약 190℃의 범위 내에 있다. 온도는, 샤워헤드(28) 내에서 또는 웨이퍼(23)에 접촉하기 전에 너무 이른(premature) 가스 반응을 유발시킬 만큼 높지 않아야 한다.
예로서, 180℃의 온도가 용기(31)의 바닥부(35)를 가열하기 위한 제어 온도인 것으로 추정된다. 이 온도는 TiI4 전구 물질로 원하는 증기압을 생성시키는데 적절한 온도이다. 용기(31)의 벽(33) 및 덮개(36) 상에 전구 물질 증기가 응축하는 것을 방지하기 위해, 용기(31)의 바닥부(35)에 이 온도를 제공하면, 덮개는, 덮개(36)의 외측과 열적 접촉해 있는 별개의 제어된 히터(45)에 의해 벽(33)의 바닥부(35)에서 히터(44)보다 높은 온도, 예컨대 190℃의 온도로 유지된다. 진공실 벽(33)의 측면은 환상 트랩된 공기 공간(46)에 의해 둘러싸이며, 이 공간(46)은 진공실 벽(33)과, 둘러싼 동심 외부 알루미늄 벽 또는 캔(can)(47) 사이에 포함된다. 이 캔(47)은 또한 규소 발포(foam) 절연체(48)의 환상 층에 의해 둘러싸인다. 이 온도 유지 장치는, 덮개(36), 벽(33)의 측면 및, 전구 물질(40)의 표면(42)에 의해 바운드된 진공실의 용적 내에 증기를, 180℃ 와 190℃ 사이의 원하는 예의 온도 범위 및, 약 3 Torr (399.97 N/㎡)보다 큰, 바람직하게는 5 Torr (666.61 N/㎡) 보다 큰 압력에 유지한다. 원하는 압력을 유지하는데 적절한 온도는 전구 물질 재료에 따라 변화하고, 이 재료는 주로 할로겐화 티탄 화합물인 것으로 고려된다.
증기 흐름 계량 시스템(15)은, 직경이 적어도 1/2 인치(1.27 cm)이거나, 또는 내경이 적어도 10 밀리미터, 바람직하게는 적어도 약 2 내지 40 표준 ㎤/분(sccm)인 원하는 흐름 속도에서 상당한 압력 강하가 생기지 않을 만큼 큰 송출관(50)을 포함한다. 이 관(50)은 상류단(upstream end)에서 출구(14)에 접속하는 전구 물질 가스원(13)으로부터, 하류단(downstream end)에서 입구(16)에 접속하는 반응실(11)로 연장한다. 기화기 출구(14)에서 반응기 입구(16)까지의 관(50)의 전체 길이 및 반응실(11)의 샤워헤드(28)는 또한 전구 물질 재료(40)의 기화 온도보다 높게, 예컨대, 195℃으로 가열되는 것이 바람직하다.
관(50)에는, 중심에 원형 오리피스(orifice)(52)가 있는 배플(baffle)판(51)이 제공되며, 이 오리피스는 약 0.089 인치(0.226 cm)의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 게이지 1(56)에서 게이지 2(57)로의 압력 강하는 제어 밸브(53)에 의해 조절된다. 오리피스(52)를 통해 반응실(11)로 제어 밸브(53) 후의 이 압력 강하는 약 10 밀리 Torr(1.333 N/㎡)보다 크고, 흐름 속도에 비례한다. 차단 밸브(54)는 관(50) 내에서 기화기(13)의 출구(14)와 제어 밸브(53) 사이에 제공되어, 기화기(13)의 용기(31)를 폐쇄시킨다.
송출 시스템(15)으로부터 CVD 반응실(11)의 실(20)내로의 전구 물질 가스의 흐름 속도를 제어하는 것을 포함하고, 시스템(10)을 제어할 시에 이용하기 위한 제어기(60)에 정보를 제공하기 위해, 시스템(10) 내에 압력 센서(55-58)가 제공된다. 이 압력 센서는, 기화기(13)의 출구(14)와 차단 밸브(54) 간의 관(50)에 접속된 센서(55)를 포함하여, 기화 용기(31) 내의 압력을 모니터한다. 압력 센서(56)는 제어 밸브(53)와 배플(51) 간의 관(50)에 접속되어, 오리피스(52)의 하류의 압력을 모니터하지만, 압력 센서(57)는 배플(51)과 반응기 입구(16) 간의 관(50)에 접속되어, 오리피스(52)의 하류의 압력을 모니터한다. 다른 압력 센서(58)는 반응실(11)의 실(20)에 접속되어, CVD 실(20)내의 압력을 모니터한다.
반응실(11)의 CVD 실(20)로의 전구 물질 증기의 흐름의 제어는, 센서(55-58), 특히 오리피스(52)에 걸친 압력 강하를 결정하는 센서(56 및 57)에 의해 감지된 압력에 응답하여 제어기(60)에 의해 달성된다. 오리피스(52)를 통한 전구 물질 증기의 흐름이 초크되지 않은(unchoked) 흐름이도록 하는 조건이 있는 경우, 관(52)을 통한 전구 물질 증기의 실제 흐름은 압력 센서(56 및 57)에 의해 모니터되는 압력의 함수이고, 오리피스(52)의 상류측 상에서 센서(56)에 의해 측정되는 압력 대, 오리피스(52)의 하류측 상에서 센서(57)에 의해 측정되는 압력의 비로부터 결정될 수 있다.
오리피스(52)를 통한 전구 물질 증기의 흐름이 초크된 흐름이도록 하는 조건이 있는 경우, 관(52)을 통한 전구 물질 증기의 실제 흐름은 압력 센서(57)에 의해 모니터되는 압력만의 함수이다. 어느 경우에서도, 초크되거나 초크되지 않은 흐름의 존재는 처리 조건을 해석함으로써 제어기(60)에 의해 결정될 수 있다. 이 결정이 제어기(60)에 의해 행해지는 경우, 전구 물질 가스의 흐름 속도는 제어기(60)에 의해 계산하여 결정될 수 있다.
관(50)에는, 중심에 원형 오리피스(orifice)(52)가 있는 배플(baffle)판(51)이 제공되며, 이 오리피스는 약 0.089 인치(0.226 cm)의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 게이지 1(56)에서 게이지 2(57)로의 압력 강하는 제어 밸브(53)에 의해 조절된다. 오리피스(52)를 통해 반응실(11)로 제어 밸브(53) 후의 이 압력 강하는 약 10 밀리 Torr(1.333 N/㎡)보다 크고, 흐름 속도에 비례한다. 차단 밸브(54)는 관(50) 내에서 기화기(13)의 출구(14)와 제어 밸브(53) 사이에 제공되어, 기화기(13)의 용기(31)를 폐쇄시킨다.
송출 시스템(15)으로부터 CVD 반응실(11)의 실(20)내로의 전구 물질 가스의 흐름 속도를 제어하는 것을 포함하고, 시스템(10)을 제어할 시에 이용하기 위한 제어기(60)에 정보를 제공하기 위해, 시스템(10) 내에 압력 센서(55-58)가 제공된다. 이 압력 센서는, 기화기(13)의 출구(14)와 차단 밸브(54) 간의 관(50)에 접속된 센서(55)를 포함하여, 기화 용기(31) 내의 압력을 모니터한다. 압력 센서(56)는 제어 밸브(53)와 배플(51) 간의 관(50)에 접속되어, 오리피스(52)의 하류의 압력을 모니터하지만, 압력 센서(57)는 배플(51)과 반응기 입구(16) 간의 관(50)에 접속되어, 오리피스(52)의 하류의 압력을 모니터한다. 다른 압력 센서(58)는 반응실(11)의 실(20)에 접속되어, CVD 실(20)내의 압력을 모니터한다.
반응실(11)의 CVD 실(20)로의 전구 물질 증기의 흐름의 제어는, 센서(55-58), 특히 오리피스(52)에 걸친 압력 강하를 결정하는 센서(56 및 57)에 의해 감지된 압력에 응답하여 제어기(60)에 의해 달성된다. 오리피스(52)를 통한 전구 물질 증기의 흐름이 초크되지 않은(unchoked) 흐름이도록 하는 조건이 있는 경우, 관(52)을 통한 전구 물질 증기의 실제 흐름은 압력 센서(56 및 57)에 의해 모니터되는 압력의 함수이고, 오리피스(52)의 상류측 상에서 센서(56)에 의해 측정되는 압력 대, 오리피스(52)의 하류측 상에서 센서(57)에 의해 측정되는 압력의 비로부터 결정될 수 있다.
오리피스(52)를 통한 전구 물질 증기의 흐름이 초크된 흐름이도록 하는 조건이 있는 경우, 관(52)을 통한 전구 물질 증기의 실제 흐름은 압력 센서(57)에 의해 모니터되는 압력만의 함수이다. 어느 경우에서도, 초크되거나 초크되지 않은 흐름의 존재는 처리 조건을 해석함으로써 제어기(60)에 의해 결정될 수 있다. 이 결정이 제어기(60)에 의해 행해지는 경우, 전구 물질 가스의 흐름 속도는 제어기(60)에 의해 계산하여 결정될 수 있다.
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바람직하게는, 전구 물질 가스의 실제의 흐름 속도의 정확한 결정은, 제어기(60)에 의해 접근 가능한 비휘발성 메모리(61)에 기억된 조사표 또는 승수표로부터 흐름 속도 데이터를 검색함으로써 계산된다. 전구 물질 증기의 실제의 흐름 속도가 결정되면, 원하는 흐름 속도는, 하나 이상의 가변 오리피스 제어 밸브(53)의 폐 루프 피드백 제어, 배기 펌프(24)를 통한 CVD 실 압력이나 원(26 및 27)로부터의 환원성 또는 불활성 가스의 제어, 또는 히터(44,45)의 제어에 의해 용기(31) 내의 전구 물질 가스의 온도 및 증기 압력의 제어에 의해 유지될 수 있다.
TiI4는 99.99%의 순도에서 널리 입수 가능하다. 그것은, 약 150℃의 융점을 지니고, 주변 온도(18℃ 내지 22℃)에서 자주빛 흑색의 고체이며, 감습성이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고체의 TiI4 전구 물질(40)은, 전구 물질의 가용 표면적을 최대화하는 원통형의 내부식성 금속 용기(31) 내에 밀봉된다. TiI4로부터의 증기는, 고 컨덕턴스 송출 시스템에 의해 반응실(11)로 직접, 즉 담체 가스를 사용하지 않고, 송출되었다. 반응실(11)은, 증착 부산물의 응축을 방지하기 위해, 적어도 약 100℃의 온도까지 가열되었다. 증착막의 두께를 정확히 제어하기 위해서는, 담체 가스를 사용하지 않는 것이 바람직하다.
TiI4는 99.99%의 순도에서 널리 입수 가능하다. 그것은, 약 150℃의 융점을 지니고, 주변 온도(18℃ 내지 22℃)에서 자주빛 흑색의 고체이며, 감습성이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고체의 TiI4 전구 물질(40)은, 전구 물질의 가용 표면적을 최대화하는 원통형의 내부식성 금속 용기(31) 내에 밀봉된다. TiI4로부터의 증기는, 고 컨덕턴스 송출 시스템에 의해 반응실(11)로 직접, 즉 담체 가스를 사용하지 않고, 송출되었다. 반응실(11)은, 증착 부산물의 응축을 방지하기 위해, 적어도 약 100℃의 온도까지 가열되었다. 증착막의 두께를 정확히 제어하기 위해서는, 담체 가스를 사용하지 않는 것이 바람직하다.
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반응실로의 TiI4 증기의 제어된 직접 송출은, 약 3 Torr(399.97 N/㎡)보다 높은, 바람직하게는 5 Torr(666.61 N/㎡)보다 높은 상당한 증기압을 획득하기 위해, 고체의 TiI4를 약 180℃ 내지 190℃의 범위 내의 온도까지 가열함으로써 달성되었다. 이 압력은, 고 컨덕턴스 송출 시스템에서 형성된 오리피스에 걸친 일정한 압력 강하를 유지하면서, 약 50 sccm 까지의 TiI4 전구 물질을, 약 0.1 Torr 내지 2.0 Torr(13.33 N/㎡ 내지 266.64 N/㎡)의 범위 내에서 동작하는 처리실로 송출하는데 필요되었다. 이 압력을 획득하기 위한 온도는 TiI4에 관해서는 약 185℃이었다.
구동 전극이 가스 송출 샤워헤드이고, 웨이퍼 또는 기질(23)을 위한 서셉터(22) 또는 스테이지가 RF 접지인 경우에는 평행판 RF 방전(discharge)을 이용하였다. TiI4 증기는 기질 상의 암모니아(NH3)를 함유한 처리 가스와 조합되어, 약 300℃-500℃ 간의 온도까지 가열되었다. 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2) 및 헬륨(He)은 단독 또는 조합하여 처리 가스로서 이용될 수 있었다.
TiI4 전구 물질로부터의 TiN 막에 대한 증착 요건은 다음과 같다. 기질 또는 웨이퍼(23) 상의 하부 재료의 무결성을 보호하기 위해, 증착 온도는 약 650℃ 미만이어야 한다. 허용 가능한 처리량을 제공하기 위해, 증착 속도는 분당 약 300 Å보다 높아야 한다. 처리실 압력은 원하는 막 두께를 획득하도록 변화될 수 있다. 예컨대, 담체 가스를 사용하지 않은, 3000 sccm NH3 및 25 sccm TiI4에 대한 약 550℃의 웨이퍼 온도에서는, 약 2.0 Torr(266.64 N/㎡)의 압력이 분당 약 500-600 Å의 범위의 증착 속도를 생성한다. 이들 동일한 조건 하에, 약 1.5 Torr(199.98 N/㎡)의 압력은 분당 약 300 Å의 증착 속도를 생성하고, 약 1.0 Torr(133.32 N/㎡)의 압력은 분당 약 150 Å의 증착 속도를 생성한다. 증착된 막은, 단위 면적당 힘으로 측정되듯이, 저 응력을 가져야 한다. 막 응력은 약 1×1010 dynes/㎠ 미만이어야 하고, 균열 형성(cracking) 임계치는 약 2000 Å보다 높아야 한다. 증착 막의 전기 저항률은 약 
미만인 것이 바람직하다. 이 막은 고 종횡비의 구조체에서 100%의 등각성을 나타낸다. 여기에서 이용되듯이, 고 종횡비의 구조체는, 8.0보다 큰 종횡비를 가지고, 10.0 이상의 종횡비를 가진 구조체를 포함한다. 특징물은 비아, 홀, 트렌치 등일 수 있다. 알루미늄(Al) 막과 같은 연속 증착된 막에는 침식(attack) 또는 부식이 없다. 막에는 최소 불순물, 이상적으로는 약 2 원자 퍼센트 미만이어야 한다. 최종으로, He, Ar, H2 및 N2와 같은 처리 가스는 상업적으로 타당한 량으로 사용되어야 한다.
CVD TiN 막의 증착에 바람직한 범위는 표 2에 제공되고, 바람직한 조건은 괄호로 표시된다. Slm은 분당 표준 리터이고, W/㎠는 제곱 센티미터당 와트이다.
표 2
| 증착 온도 | 400℃-650℃(550℃) |
| 증착 속도 | 100-300 Å/min (300 Å/min) |
| 응력 | 1-15 ×109 dynes/㎠ (＜ 1010 dynes/㎠) |
| 균열이 없는 막 두께 | ＞4000 Å |
| 저항률 |
 |
| 잔류 요오드 | 0.5-5 원자 % (＜ 2 원자 %) |
| 필요한 처리 가스 | 5-40 sccm TiI4 (25 sccm TiI4) |
본 발명에 따라 TiI4 전구 물질로부터 CVD에 의해 증착된 TiN 막은, 원하는 모든 기준을 충족하고, 이들에는 연속 증착된 Al 층 상에 어떤 침식도 나타나지 않아, 10.0 보다 큰 종횡비를 가진 특징물에서 100%의 등각성이 나타난다. 더욱 고 증착 온도는, 등각성 또는 균열 형성 임계치를 희생시키지 않고, 더욱 저 저항률, 더욱 저 잔류 요오드 농도 및 더욱 고 증착 속도를 생성시켰다.
본 발명에 따라 TiI4 전구 물질을 이용하여 증착된 TiN 막은, TiCl4와 같은 다른 할로겐화 티탄 전구 물질을 이용하여 증착된 TiN 막 보다 더 큰 균열 형성 임계치를 갖는다. 도 2는 TiI4 및 TiCl4에 의한 TiN 막의 응력 또는 균열 형성을 비교한 그래프이다. 원형은 TiCl4 전구 물질로부터 580℃에서 증착된 TiN 막을 나타낸다. 삼각형은 TiI4 전구 물질로부터 550℃에서 증착된 TiN 막을 나타낸다. 화살표는 균열 형성이 TiCl4 막에서 관찰된 점을 나타낸다. 옹그스트롬(Å)으로 측정된 막 두께의 작은 증가에 의해, dynes/㎠로 측정된 막 응력의 급격한 감소는 광범한 균열 형성에 대응한다.
도 2에 도시된 바와 같이, TiCl4에 의한 막은, 약 1000 Å 미만의 두께에 대해 막 응력의 급속한 감소를 나타낸다. TiCl4에 의한 전구 물질을 이용하여 증착된 TiN 막의 주사 전자 현미경(SEM)에 의해, 광범한 균열 형성이 약 600 Å 보다 큰 막 상에 관찰되었다. 4000 Å 보다 큰 두께를 가진 TiI4 막의 어떤 지점에서도 균열 형성의 징후는 관찰되지 않았다. 도 3은, 본 발명에 따라 트렌치를 충진하여, 증착된 2000 Å의 무균열(crack-free) TiI4에 의한 TiN 막의 주사 전자 현미경(SEM)이다. TiN 층(60)은 이산화 규소 층(62) 상에 2000 Å로 증착된다.
TiI4 전구 물질을 이용하여 증착된 TiN 막의 균열 형성 임계치가 더욱 높은 이유 중 하나는, 이 막 내의 결정립도(grain size)가, TiCl4 전구 물질을 이용하여 증착된 TiN 막에 비해, 본질적으로 작기 때문이다. 작은 결정립의 매트릭스로 구성된 막은 더욱 큰 TiN 결정립으로 이루어진 막에 비해 균열의 확대를 억제한다. 도 4는, 550℃ 및 580℃에서 제각기 증착된 TiI4 및 TiCl4에 의한 전구 물질을 이용하여, 본 발명에 따라 CVD에 의해 증착된 TiN 막의 투과 전자 현미경(TEM)이다. 도 4에 도시된 바와 같이, TiI4에 의한 막은 실질적으로 더욱 작은 결정립을 가지고 있다. 이 더욱 작은 결정립은 TiI4에 의한 TiN 막의 우수한 균열 형성 임계치에 대한 확실한 이유이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 막의 등각성은, 다른 처리 조건이 모두 동일할 시에, 고 종횡비의 특징물을 가진 구조에서 처리 압력에 의존한다. 이들 조건은 다음과 같다. 즉, 550℃의 온도, 3 slm NH3의 흐름 및 25 sccm TiI4의 흐름이다. 도 5는, 1.5 Torr(199.98 N/㎡)의 압력에서 CVD에 의해 증착된 TiN으로 충진된 10:1 종횡비 구조체의 SEM이다. 도 6은 1.0 Torr(133.32 N/㎡)의 압력에서 CVD에 의해 증착된 TiN으로 충진된 10:1 종횡비 구조체의 SEM이다.
고 종횡비 구조체에서, "키홀(keyholes)"을 갖지 않은 양호한 플러그를 형성하기 위해서는 상당한 고 포화 처리가 필요하다. 이 "키홀" 효과는, 접촉 플러그를 형성하기 위해 비아 내에 증착된 TiN이 비아를 완전히 충진하지 않고, TiN을 포함하지 않은 키홀이라 칭하는 영역을 남길 시에 생긴다. 이 효과는, 비아가 실질적으로 수직한 벽, 즉 베이스에 실질적으로 직각인 벽을 가질 시에 생긴다. 경사진 벽을 가진 비아에서는, 키홀 효과가 제거된다. 이들 구조체를 충진하기 위해, 약 3 slm NH3 및 25 sccm TiI4의 가스 흐름을 유지하면서, 약 1.5 Torr(199.98 N/㎡) 미만의 감소된 처리 압력이 필요한 것으로 관찰되었다. 양호한 플러그 충진 처리는 더욱 낮은 흐름 속도로 가능하지만, 증착 속도를 희생시킬 시에만 가능하다. 역으로, 더욱 높은 증착 속도는 표 2에 기재된 흐름 속도보다 높은 흐름 속도에 의해 가능하다.
도 7은 전기적 테스트 구조체에 대한 접촉 저항 데이터를 도시한 것이다. 본 발명에 따라 TiI4 전구 물질로부터 증착된 Ti 및 TiN의 플러그(흑색 원형)는, TiI4 전구 물질을 이용하여 통상적인 Ti/TiN 및 W 충진으로 충진된 플러그(백색 원형)와 비교되었다. 접촉 사이즈는 0.3 ㎛이고, 종횡비는 4:1이었다. 도 7에 도시된 바와 같이, 접촉 플러그를 충진할 시에, 보통의 Ti, TiN 및 W 층을 Ti 및 TiN으로 치환함으로써, 동등한 접촉 저항이 생긴다. 이것은, W에서 TiN으로 될 시에 벌크(bulk) 재료 저항률의 증가가 금속 인터페이스의 수의 감소에 의해 보상되는 이상의 것임을 제시한다.
따라서, TiI4부터의 플러그 충진 처리는, IC 소자를 형성할 시에 현재의 W 플러그의 대체 플러그로서 실행 가능한 해결법이다. 접촉 저항은, 본 발명을 이용하여도, 표준 W 플러그에 의한 경우와 동일하다. 이것은, TiN의 벌크 저항률이 10μΩ㎝의 저항률을 가진 W의 경우보다 15 내지 20 배 큰 것에 주목할 만하다. 이것은 플러그 내의 감소된 인터페이스의 수 및 단일 처리의 이점을 강조한다.
본 발명의 방법에 의해 증착된 막은 IC의 형성에 중요한 특성을 발휘한다. 이 막은 저 상호 접속 임피던스에 대해 상당한 저 전기 저항률을 가지고, 증착 속도는 처리량을 고려하여 충분하며(100 Å/min보다 큼), 막은 균열 형성없이 0.3 ㎛보다 큰 두께로 증착될 수 있다. 본 발명의 방법은, 직경이 0.15 ㎛ 만큼 작고, 10:1보다 큰 종횡비를 가진 특징물을 충진하는데 이용될 수 있다.
본 명세서에 도시되고 기술된 본 발명의 실시예는 본 기술 분야의 숙련된 발명자의 양호한 실시예일 뿐이고, 어느 식으로 제한하지 않는 것으로 이해된다. 예컨대, 제각기 PECVD OF Ta FILMS FROM TANTALUM HALIDE PRECURSORS, THERMAL CVD OF TaN FILMS FROM TANTALUM HALIDE PRECURSORS, PECVD OF TaN FILMS FROM TANTALUM HALIDE PRECURSORS 및 PLASMA TREATED THERMAL CVD OF TaN FILMS FROM TANTALUM HALIDE PRECURSORS에 기술되어 있는 바와 같이, Ta 막은 PECVD에 의해 증착되고, TaN×막은 열적 CVD, PECVD 및 플라즈마 처리된 열적 CVD (PTTCVD)에 의해 증착될 수 있는데, 이의 모두는 호타라 및 웨스텐도프에 의해 발명되고, 도쿄 일렉트론 리미티드에 양도되었으며, 본 출원과 동일자로 출원된 계류중인 출원이다. 더욱이, 호타라 및 웨스텐도프에 의해 발명되고, 도쿄 일렉트론 리미티드에 양도되었으며, 본 출원과 동일자로 출원된 계류 중인 출원인 INTEGRATION OF CVD Ta AND TaN×FILMS FROM TANTALUM HALIDE PRECURSORS 및 CVD TaN×PLUG FORMATION FROM TANTALUM HALIDE PRECURSORS에 개시되어 있는 바와 같이, Ta/TaN×이중층은 CVD에 의해 증착되고, TaN×는 본 발명에 따라 플러그 충진에 이용될 수 있다.
Claims (16)
- 반응실(11) 내의 고 종횡비의 기질(23)의 특징물 내에 등각성의 이음없는 질화 티탄 (TiN) 플러그를 제공하는 방법으로서,상기 기질(23)을 400 ℃ 내지 650 ℃의 범위 내의 온도로 가열하는 단계,상기 반응실(11) 내에 1.5 Torr (199.98 N/㎡) 미만의 압력을 제공하면서, 상기 전구 물질을 기화시키기에 충분한 온도로 상기 전구 물질을 가열시켜 담체 가스없이 약 5 sccm 내지 40 sccm의 범위 내의 흐름에서, 테트라요오드화 티탄 전구 물질의 증기를 상기 반응실(11)에 제공하는 단계 및,화학 증착법에 의해 상기 TiN을 증착하도록 질소 함유 처리 가스와 상기 증기를 조합하는 단계를 포함하는, 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 특징물은 8.0보다 큰 종횡비를 가지는 것을 특징으로 하는 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
- 제 1 또는 2 항에 있어서,상기 특징물은 약 0.16 ㎛ 보다 작은 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
- 제 1 또는 2 항에 있어서,상기 전구 물질의 상기 가열 단계는 약 180 ℃ 내지 190 ℃의 범위 내의 온도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
- 제 1 또는 2 항에 있어서,상기 TiN은 약 100 Å/min 내지 600 Å/min의 범위 내의 속도로 증착되는 것을 특징으로 하는 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
- 제 1 또는 2 항에 있어서,상기 질소 함유 처리 가스는 암모니아인 것을 특징으로 하는 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 암모니아의 흐름 속도는 약 3 slm인 것을 특징으로 하는 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
- 제 1 또는 2 항에 있어서,상기 화학 증착법은 열적 CVD법인 것을 특징으로 하는 등각성의 이음없는 질화 티탄 플러그를 제공하는 방법.
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