KR100980039B1 - 확산 방지막의 제조방법과 이에 의한 확산 방지막 - Google Patents

확산 방지막의 제조방법과 이에 의한 확산 방지막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TFT-LCD용 금속배선으로 Cu를 적용함에 있어 문제가 되는 확산현상을 해결하기 위해 적용되는 확산 방지막의 성능을 효과적으로 개선할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 확산 방지막을 물리적 기상 증착법으로 증착할 때 초기압력을 낮게 조절하여 형성되는 박막 내에 불순물 함량을 높이고, 이 불순물을 미세구조 제어에 이용함으로써, 기존의 순수 전이금속 확산 방지막이 갖는 결정립계를 통한 확산현상을 효과적으로 극복하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 확산 방지막 제조기술은 초기압력을 조절하는 것만으로도 효과적인 성능개선을 가져올 수 있고, 더욱이 10-5torr 레벨의 비교적 저진공에서 확산 방지막이 제조되기 때문에 고진공을 뽑기 위해 필요한 시간 및 에너지 절감효과를 가져올 수 있어 제품의 생산단가를 낮출 수 있다.
확산 방지막, Mo, Cu, TFT-LCD, 미세조직 제어

Description

확산 방지막의 제조방법과 이에 의한 확산 방지막 {MANUFACTURING METHOD OF THIN FILM FOR DIFFUSION BARRIER AND THIN FILM FOR DIFFUSION BARRIER PRODUCED THEREBY}
본 발명은 확산 방지막을 제조하는 방법과 이 제조방법에 의해 제조된 확산 방지막에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 순수 전이금속 물질을 확산 방지막으로 적용할 때 나타나는 결정립계를 통한 확산 문제를 해결하기 위하여, 확산 방지막을 증착하기 전 초기압력의 조절을 통해 박막 내 불순물 함량을 조절하여 이 불순물을 박막의 미세구조 제어에 이용함으로써, 기존의 확산 방지막에 비해 확산 방지 성능이 크게 향상될 수 있는 미세구조를 형성하는 방법과 이 방법에 의해 제조된 확산 방지막에 관한 것이다.
최근 TFT-LCD의 대형화, 낮은 전력소비량 및 생산단가의 하락 등으로 PDP가 주를 이루었던 30인치 이상의 대형 TV 패널 시장에서, LCD가 점차 그 우위를 점하게 되었다. 또한 HD급 방송과 DVD급 화질의 미디어 시장이 활성화됨에 따라 고해상도 디스플레이에 대한 요구도 증대되고 있다.
한편, LCD 패널에 있어서 유닛 셀(Unit cell)의 전체 면적에서 빛이 투과하 여 나올 수 있는 정도인 개구율과 단위면적당 유닛 셀의 개수는 대면적 LCD 패널의 고해상도를 결정짓는 중요한 요소이다.
상기 개구율을 결정하는 요소로는 TFT(Thin Film Transistor) 크기, 게이트 및 데이터 신호라인의 선폭, ITO로 된 화소전극과 신호배선 간의 공간 등을 들 수 있다.
그런데, LCD 패널의 면적이 증가하게 되면 게이트 라인과 데이터 라인의 총 길이가 증가하게 되고, 특히 게이트 라인에는 보다 많은 수의 TFT가 연결되기 때문에 게이트 신호의 신호지연이 증가하게 된다. 이때 배선의 저항을 줄이기 위해 선 폭을 증가시키면 개구율이 감소하게 된다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 기존에 게이트 라인의 물질로 사용되었던 Al(2.67μΩcm)보다 우수한 비저항 특성을 갖는 새로운 물질이 필요하다.
한편, 차세대 신호배선으로서 전기적인 특성이 우수한 후보 물질로 Cu, Ag, Au 등이 거론되고 있다. 이 중 Cu는 비저항이 1.67μΩcm로 매우 낮으며, Ag나 Au에 비해 가격경쟁 면에서 우수해 Al을 대체할 신호 배선으로서 가장 적합하다는 평가를 받고 있다. 특히 Cu는 Al에 비해 힐럭(hillock)과 전자이주(electromigration)에 대한 저항성이 높은 장점이 있다.
그러나 이러한 장점에도 불구하고 300℃이상의 온도에서는 하부 유전층 (SiO2)으로의 확산에 의한 금속배선의 파괴가 일어나게 된다. 따라서 이러한 Cu의 확산현상을 해결하기 위해 Cu를 합금화하는 방법이나 Cu와 유전층 사이에 확산 방 지막을 적용하는 방법 등이 연구되어 왔으며 이를 통해 어느 정도 효과를 얻고 있다.
이중 Cu를 합금화하는 방법의 경우, 열처리를 하는 동안 첨가된 합금원소가 계면으로 확산되어 새로운 확산 방지막을 자가생성하거나, Cu 박막 내 잔류하는 합금원소에 의한 비저항이 증가하는 문제가 있어, 열적 또는 화학적으로 안정적인 확산 방지막을 적용하는 방법이 필요하다.
일반적으로 확산 방지막은 상호 고용도가 매우 낮은 물질을 사용하게 된다. 현재까지 연구된 확산 방지막으로는 Ta, Ti, W 등의 전이금속류, 전이금속 규소화합물 및 질화물 등이 연구되어 왔다.
그러나 Ta나 Ti 등은 Ta/Si, Ti/Si 구조에서는 실리사이드 형성 온도가 높아 안정적이나 Ta/SiO2 , Ti/SiO2의 구조에서는 실리사이드 형성온도가 낮아 화학적으로 불안정하다.
한편, 금속-실리콘-산소(M-Si-O)의 3상 상태도를 살펴보면, M/Si의 구조에서 확산 방지막으로서의 효과가 뛰어나지 않았던 Mo가 오히려 안정적임을 알 수 있다. 따라서 TFT-LCD용 금속배선으로 Cu를 적용할 때, 확산 방지막은 기존의 D램에서 사용되었던 Ta나 Ti가 아닌 Mo를 확산 방지막으로 사용하게 되면 보다 높은 신뢰성을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
그리고, 확산 방지막은 Cu 및 SiO2 와 상호 고용도가 매우 낮은 전이금속류를 사용할 수 있는데, 다결정 구조를 가지는 확산 방지막을 사용할 경우 Cu의 확산 에 필요한 충분한 열에너지를 얻게 되면 결정립계를 통한 확산이 일어나는 문제가 있다.
기존의 물리적 기상 증착법(PVD)으로 고진공에서 증착된 확산 방지막은 도 1에 도시된 바와 같이 주상정(columnar) 구조 또는 평균 입경이 큰 다결정 구조를 갖는데, 이러한 확산 방지막은 일정 온도까지는 안정적이지만 임계점을 넘어서면 결정립계를 통한 확산이 일어나기 때문에, 소자의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
이를 방지하는 방법으로, 확산 방지막을 결정립계가 없는 비정질(amorphous) 상으로 미세구조를 변경하여 결정립계를 통한 확산을 방지할 수도 있으나, 비정질 확산 방지막은 제조자, 제조장치 또는 공정조건 등에 따른 물성의 편차가 큰 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 전이 금속을 확산 방지막으로 사용할 때 발생하는 결정립계를 통한 확산현상을 차단할 수 있는 확산 방지막과 이 확산 방지막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 공정이 단순하고 공정시간이 단축되어 제조원가를 낮출 수 있는 확산 방지막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 전술한 종래기술의 문제점을 예의 검토한 결과, 확산 방지막을 증착하기 전 초기압력의 조절을 통해 형성된 박막 내 불순물 함량과 미세구조를 효과적으로 제어할 수 있으며 이를 통해 순수 전이금속을 사용하더라도 확산 현상을 효과적으로 차단할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 물리적 기상 증착법을 이용하여 확산 방지막을 증착함에 있어서 챔버 내 초기압력의 조절을 통해 확산 방지막 내 불순물의 함량을 조절함으로써 확산 방지막의 미세구조를 제어하는 것을 특징으로 하는 확산 방지막 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(L-MBE, Laser Molecular Beam Epitaxy), 펄스레이저증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition) 등 공 지된 모든 물리적 기상 증착법에 적용 가능하다.
또한, 상기 챔버 내 초기압력은 1.0× 10-5torr ~ 5.0× 10-5torr로 유지하는 것이 바람직한데, 1.0× 10-5torr보다 고진공으로 유지할 경우 불순물의 양이 부족하여 미세구조를 나노 입상정 형태로 제어하기 어렵고, 5.0× 10-5torr보다 저진공으로 유지할 경우 확산 방지막 내에 불순물이 과다하게 함유되어 MoO가 형성될 수 있으며 또한 박막의 질이 떨어져 확산 방지막 자체의 성능을 저하시킬 수 있기 때문이다.
또한, 상기 확산 방지막은 Cu배선의 확산 방지막으로 적용할 경우, Cu 및 SiO2와의 상호 고용도가 낮은 전이 금속으로 이루어지는 것이 바람직하며, 전이 금속 중에서는 Mo가 보다 바람직하다.
상기 불순물은 챔버 내 분위기 중 존재하는 모든 물질일 수 있으며, 통상 산소, 질소 또는 탄소가 대부분을 차지하며, 이 중에서 미세조직의 제어의 측면에서는 산소의 영향력이 가장 크다.
또한, 본 발명에 있어서 미세구조의 제어란 주상정(columnar)이나 입상정( granular)과 같은 결정립 형상, 결정립의 크기 및 불순물과 불순물을 포함하는 화합물의 존재 위치에 대한 제어를 의미한다.
또한, 상기 불순물의 함량은 1500 ~ 2000ppm인 것이 바람직한데, 이는 불순물의 함량이 1500ppm 미만일 경우 미세구조를 나노 결정립화하기 어렵고, 2000ppm 을 초과할 경우 불순물이 지나치게 많아져 확산 방지막 자체의 물성을 저하시키기 때문이다.
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 물리적 기상 증착법을 이용하여 형성된 확산 방지막으로서, 불순물의 함량이 1500 ~ 2000ppm이며, 평균 결정립 크기가 20nm이하의 나노 결정립 구조를 갖는 확산 방지막을 제공한다.
이와 같이 확산 방지막의 미세구조가 나노 결정립화되면, 확산 방지막을 관통하기 위한 결정립계의 길이가 매우 길어지기 때문에, 확산이 현저하게 지연된다. 이를 통해 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 불순물의 함량이 1500ppm 미만일 경우 나노 결정립 구조를 형성하기 어렵고, 2000ppm을 초과할 경우 불순물이 지나치게 많아져 확산 방지막 자체의 물성을 저하시키기 때문에 상기 범위로 함유하는 것이 바람직하며, 소자의 신뢰성을 확보하기 위해서는 평균 결정립 크기가 20nm 이하이어야 하며, 10nm 이하가 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 확산 방지막에 있어서, 상기 불순물 또는 불순물을 포함하는 화합물은 상기 나노 결정립의 입계(grain boundary)에 위치하는데, 불순물 등이 입계에 위치하면, Cu와 같은 배선을 이루는 금속의 원자가 입계를 통해 확산할 때 장애물 역할을 하게 되어, 확산을 더 지연시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 상기 확산 방지막은 Cu배선의 확산 방지막으로 적용할 경우, Cu 및 SiO2와의 상호 고용도가 낮은 전이 금속이 바람직하며, 전이 금속 중에 서는 Mo가 보다 바람직하다.
상기 불순물은 챔버 내 분위기 중 존재하는 모든 물질일 수 있으며, 통상 산소, 질소 또는 탄소가 대부분을 차지한다.
본 발명에 따른 확산 방지막 제조방법은 단지 증착 전 챔버의 초기압력만을 조절함으로써, 확산 현상이 방지될 수 있도록 확산 방지막의 불순물 함량과 미세구조를 제어할 수 있으므로, 상용화에 유리하다.
또한, 본 발명에 따른 확산 방지막의 제조는 10-5torr 레벨의 비교적 저진공에서 이루어지기 때문에, 종래에 고진공을 뽑기 위해 필요했던 시간 및 에너지를 절감할 수 있어 제품의 생산단가도 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 확산 방지막은 확산에 대한 저항성이 기존의 확산 방지막에 비해 현저하게 개선된다.
또한, 순수 전이금속, 특히 비저항이 매우 낮은 Mo를 확산 방지막으로 사용할 경우, 기존에 사용되었던 산화물 및 질화물 박막에 비해 기생저항을 효과적으로 줄일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
확산 방지막의 형성
Cu/Mo 다층박막은 이온 빔 스퍼터(Ion beam sputter)를 사용하여 증착하였는데, 기판으로는 SiO2를 100nm의 두께로 열산화 방법으로 산화시킨 4인치 n-type Si 웨이퍼를 사용하였고, 박막형성용 타겟은 순도 99.99%의 미국소재 LTS(chemical)사의 Cu 및 Mo 타겟을 사용하였다.
열산화 방법으로 증착된 SiO2판은 1×1cm2의 크기로 잘라낸 후 기판 표면의 유기물, 기름 등의 제거를 위해 클리닝(cleaning)을 하였는데, 클리닝은 아세톤(aceton), 메탄올(methanol) 용액 순으로 각각 5분 정도 초음파 세척을 하였으며, 각각의 초음파 세척 사이에 증류수로 용액을 세척하였다.
그리고, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 확산 방지막인 Mo 박막을 증착할 때는 챔버 내에 잔존하는 산소 및 질소 등 불순물의 양에 변화를 주기 위해 초기 압력(base pressure)이 각각 1.0×10-5torr(실시예) 및 7.6×10-7torr(비교예)가 되도록 배기하여 압력을 확인한 후, Ar gas를 4.5sccm을 흘려서 워킹압력(working pressure)을 7.6×10-4torr가 유지되도록 하였으며, Cu 박막을 형성할 때에는 모든 시편에 대한 초기 압력(base pressure)을 동일하게 1.6×10-6torr로 유지한 후 Cu를 증착하였다.
이온 빔 스퍼터에 의한 Cu/Mo 다층박막의 증착 조건
증착 조건 비고
빔 전압(Beam Voltage)(V) 700V
빔 전류(mA) 7mA
초기 압력
(Base Pressure)		 Mo 1.0×10-5torr 실시예
7.6×10-7torr 비교예
Cu 1.6×10-6torr
워킹 압력 (Working Pressure) 7.6×10-4torr
확산 방지막의 평가결과
도 3a 및 3b는 SiO2 박막 상에 Mo 확산 방지막을 증착할 때 초기압력을 각각 1.0×10-5torr와 7.6×10-7torr로 설정하여 증착한 Mo 박막을 이차이온질량분석기(SIMS)로 깊이방향 성분을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
상기 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 초기 압력 즉 진공도를 낮게 하여 형성한 Mo 박막의 경우, 진공도를 높게 하여 형성한 Mo 박막에 비해, 박막 내 산소의 함량이 높게 나타남을 알 수 있다.
도 4a 및 4b는 Mo 확산 방지막을 증착할 때 초기압력을 각각 1.0×10-5torr와 7.6×10-7torr로 설정하여 증착한 Cu/Mo/SiO2/Si 박막에 대한 투과전자현미경 명시야상 사진이다.
상기 사진에서 확인되는 바와 같이, Mo 확산 방지막 내 산소의 함량이 높은 본 발명의 실시예에 따른 확산 방지막의 경우, 결정립의 형상이 입상정 형태로 되어 있으며 그 크기도 10nm 내외로 나노 결정립화되어 있음을 알 수 있다. 이에 비해, 종래의 방법에 의해 형성한 Mo 확산 방지막의 경우, 미세조직이 주상정(columnar) 구조를 이루고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제조방법에 의하면, 형성되는 박막 내 불순물인 산소의 함량이 많기 때문에, 이 불순물이 결정립이 성장하는 과정에서 2차 결정립 성장에 필요한 에너지(즉, 큰 결정립이 작은 결정립을 포함하는데 필요한 에너지)를 높여 결과적으로 종래의 주상정 형상에서 입상의 나노 결정립을 갖는 박막으로 성장하게 하는 것으로 추정된다.
이에 따라, 확산 방지막을 구성하는 결정립계의 총 길이가 주상정(columnar) 구조에 비해 현저하게 증가하게 된다. 또한, 불순물은 결정립계에 위치할 때 에너지적으로 안정해지기 때문에, 결정립계에 위치하게 되는데, 이러한 불순물 또는 불순물을 포함하는 화합물은 결정립계를 따라 이동하는 Cu의 움직임을 방해하는 요소로 작용하여 확산에 대한 저항성을 보다 높아지게 하는 작용을 할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 확산 방지막의 실제 성능을 평가하기 위하여, 700℃에서 30분 동안 열처리를 한 후, STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)-EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 맵핑(mapping) 분석을 실시한 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 확인되는 바와 같이, 확산 방지막의 미세조직이 나노 결정립 구조를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 Mo 확산 방지막의 경우, Cu의 확산이 전혀 일어나지 않았으나, 종래의 방법에 따라 제조된 주상정(columnar) 구조를 Mo 확산 방지막의 경우 Cu가 Mo 확산 방지막을 지나 SiO2 박막으로까지 확산이 진행되었음을 확인할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 실시예를 통해, 확산 방지막 내 불순물인 산소의 함량이 확산 방지막의 미세구조를 변화시키는 인자임이 규명되었고, 박막 내 산소의 함량은 증착 전 초기압력의 조절을 통해 제어할 수 있음이 확인되었다.
도 1은 종래의 확산 방지막의 미세구조에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 형성된 확산 방지막의 미세구조에 대한 모식도이다.
도 3a 및 3b는 각각 초기압력을 1.0×10-5torr와 7.6×10-7torr로 설정하여 증착한 Mo/SiO2/Si 박막을 이차이온질량분석기로 깊이방향 성분을 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 4b는 각각 초기압력을 1.0×10-5torr와 7.6×10-7torr로 설정하여 증착한 Cu/Mo/SiO2/Si 박막에 대한 투과전자현미경 명시야상 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 각각 초기압력을 1.0×10-5torr와 7.6×10-7torr로 설정하여 증착한 Cu/Mo/SiO2/Si 박막에 대한 STEM-EDS 맵핑 분석 사진이다.

Claims (13)

  1. 물리적 기상 증착법을 이용하여 확산 방지막을 증착함에 있어서,
    챔버내 초기압력의 조절을 통해 확산 방지막 내 불순물의 함량을 조절함으로써, 확산 방지막의 결정립 형상, 결정립의 크기 또는 불순물과 불순물을 포함하는 화합물의 존재 위치에 대한 제어를 행하며,
    상기 불순물은 산소, 질소 또는 탄소인 것을 특징으로 하는 확산 방지막 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버내 초기압력은 1× 10-5torr ~ 5× 10-5torr로 유지되는 것을 특징으로 하는 확산 방지막 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 확산 방지막은 전이 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 확산 방지막 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전이 금속은 Mo인 것을 특징으로 하는 확산 방지막 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물의 함량은 1500 ~ 2000ppm인 것을 특징으로 하는 확산 방지막 제조방법.
  8. 물리적 기상 증착법을 이용하여 형성된 확산 방지막으로서,
    불순물의 함량이 1500 ~ 2000ppm이며, 평균 결정립 크기가 20nm이하의 나노 결정립 구조를 갖고, 상기 불순물은 산소, 질소 또는 탄소인 것을 특징으로 하는 확산 방지막.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 불순물 또는 불순물을 포함하는 화합물이 상기 나노 결정립의 입계(grain boundary)에 위치하는 것을 특징으로 하는 확산 방지막.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 확산 방지막은 전이 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 확산 방지막.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 확산 방지막은 Mo로 이루어지며, 구리배선의 확산 방지에 적용되는 것을 특징으로 하는 확산 방지막.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 확산 방지막의 평균결정립 크기는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 확산 방지막.
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