KR20000004476A - Method for forming copper thin film on semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체의 금속공정기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 MOCVD(Metal Organic Chemical deposition)방법에 의한 구리 박막의 증착에 있어서 증착 표면에 관계없이 전면적인 증착이 가능하도록 하는 반도체소자의 구리 박막 형성방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal processing technology of a semiconductor, and more particularly, in forming a copper thin film by MOCVD (Metal Organic Chemical Deposition), to form a copper thin film of a semiconductor device to enable full deposition regardless of the deposition surface. It is about a method.
반도체 소자 구조는 여러 가지 층을 필요로 한다. 즉, 유전체, 반도체, 도체 등이 여러 가지 방법으로 입혀진다. 이중에서 적층된 도체는 표면 배선 역할을 하게 되는 데, 도체는 IC구조에서 퓨즈(fuse)나 후면 전기 접촉으로 쓰인다.The semiconductor device structure requires several layers. That is, dielectrics, semiconductors, conductors and the like are coated in various ways. The double layered conductor serves as surface wiring, which is used as a fuse or back electrical contact in the IC structure.
Al은 전통적인 배선금속이나 몇가지 단점이 있다. 그중 하나가 전기적 이동(Electromigration)으로서, 이는 회로가 동작할 때 Al배선에 나타나는 현상이다. 이는 공정 문제가 아니라 전장에 의한 것이다. 즉, 회로 동작 중에 Al배선에 전장이 걸려 Al의 이동이 일어난다. 이러한 현상은 전류에 의해 열이 발생했을 때, 선에 온도 기울기가 있을 때 더욱 촉진되며, 상기 현상이 더욱 진행됨에 따라 금속이 더욱 얇아져서 결국 절단된다.Al is a traditional wiring metal but has some drawbacks. One of them is electromigration, which is a phenomenon in the Al wiring when the circuit is operated. This is not a process problem, but a battlefield. That is, during the circuit operation, the electric field is applied to the Al wiring, so that Al moves. This phenomenon is further promoted when the heat is generated by the current, when the line has a temperature gradient, and as the phenomenon progresses further, the metal becomes thinner and eventually cuts.
따라서 차세대 반도체 금속공정에서 요구되는 조건을 만족시키기 위하여 물질 측면에서는 Al의 대체물질로서 Cu에 대한 연구가 진행되고 있다. Cu는 Al보다 비저항이 낮아 RC저항에 의한 시간의 지연을 감소시킴으로서 보다 빠른 회로 속도를 얻을 수 있다.Therefore, in order to satisfy the requirements of the next-generation semiconductor metal processing, research on Cu as a substitute material for Al is being conducted. Cu has a lower specific resistance than Al, thereby reducing the delay of time due to RC resistance, thereby obtaining a faster circuit speed.
한편, 공정 측면에서는 ULSI(극초밀도 집적회로)급에서 요구되는 하이 애스팩트비(high aspect ratio)의 구조에 컨포말(conformal)한 증착을 위해서 PVD(Physical vapor deposition)보다는 기체상태의 화합물을 분해한 후 화학적 반응에 의해 기판위에 적층하는 CVD(Chemical Vapor Deposition)공정이 선호되고 있다.On the other hand, in terms of process, gaseous compounds are decomposed rather than physical vapor deposition (PVD) for conformal deposition to the high aspect ratio structure required in ULSI (ultra-high density integrated circuit) class. After that, a chemical vapor deposition (CVD) process that is deposited on a substrate by a chemical reaction is preferred.
도 1은 일반적인 CVD공정을 위한 기본적 시스템을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a basic system for a general CVD process.
도 1에 도시된 바와 같이, CVD공정을 위한 기본적 시스템은 화학 소스(11), 유량조절 및 타이머 부분(13), 반응실(15) 및 웨이퍼 홀더(17)의 기본 구성요소로 이루어져 있다.As shown in FIG. 1, the basic system for the CVD process consists of the basic components of the chemical source 11, the flow control and timer portion 13, the reaction chamber 15 and the wafer holder 17.
CVD법의 원리는 박막 재료의 화학 소스를 기화해서 고온 가열한 웨이퍼 위에 보내고 웨이퍼 위에서 분해, 환원, 산화, 치환 등의 반응을 시켜서 박막을 형성하는 것이다. 상기 화학 소스, 즉 박막재료의 휘발성 화합물로는 할로겐화물, 유기 화합물, 카르보닐이 사용된다. 일반적으로 수소, 아르곤, 질소 등의 캐리어 가스에 섞어서 반응실에 보낸다.The principle of the CVD method is to form a thin film by vaporizing a chemical source of a thin film material, sending it onto a wafer heated at high temperature, and reacting such as decomposition, reduction, oxidation, and substitution on the wafer. Halides, organic compounds, and carbonyl are used as volatile compounds of the chemical source, that is, the thin film material. Generally, it is mixed with a carrier gas such as hydrogen, argon, nitrogen, and sent to the reaction chamber.
그러나, Cu를 MOCVD(Metal Organic Chemistry Vaper Deposition)방법, 즉 유기금속 원료를 사용하여 상기의 방법으로써 Cu를 증착시키는 경우 구리의 증착 시간에는 CVD반응 초기에 핵형성을 하기 위해 기판 위에서 아무런 반응이 없이 지속되는 인큐베이션(incubation)타임이 존재한다.However, when Cu is deposited by MOCVD (Metal Organic Chemistry Vaper Deposition) method, i.e., using an organic metal raw material as described above, there is no reaction on the substrate to nucleate early in the CVD reaction at the deposition time of copper. There is a sustained incubation time.
이러한 인큐베이션 타임의 차이는 동일 시간동안 증착을 실시하는 경우, 최종의 박막에 있어서 두께의 차이를 유발하며 박막의 최종 두께를 증착시간으로 나누어 환산하는 증착 속도에서도 차이를 일으키게 된다.This difference in incubation time causes a difference in thickness in the final thin film when deposition is performed for the same time, and also in a deposition rate in which the final thickness of the thin film is divided by the deposition time.
상기 MOCVD반응에 의한 Cu의 증착 반응은 아래와 같이 기판 표면에서의 불균형화(disproportionation)반응에 의하여 진행되며, 이때 Cu의 금속 유기 소스로서 Cu+1베타-디케토네이트(β-diketonate)종류가 환원 기체의 첨가 없이 사용된다.The deposition reaction of Cu by the MOCVD reaction proceeds by disproportionation reaction on the surface of the substrate as follows, wherein Cu +1 beta-diketonate is reduced as a metal organic source of Cu. Used without addition of gas.
2(hfac)Cu+1(L)(g) -> Cu0(s) + (hfac)2Cu+2(g) + 2L(g)2 (hfac) Cu +1 (L) (g)-> Cu 0 (s) + (hfac) 2Cu +2 (g) + 2L (g)
여기서 hfac(1,1,1,5,5,5-hexafloroacetylacetonate)는 베타-디케토네이트 리간드(β-diketonate ligand)이고 L은 루이스 염기의 중성 리간드이다.Where hfac (1,1,1,5,5,5-hexafloroacetylacetonate) is a beta-diketonate ligand and L is a neutral ligand of Lewis base.
위 반응의 중간 단계에서는 (hfac)Cu+1이 생성된다. 중간생성물인 (hfac)Cu+12분자간에는 전자 교환이 일어날 수 있는 데, 상기 전자 교환의 결과로써 (hfac)2Cu+2와 Cu0가 생성되어 기판에서의 Cu 핵 형성 및 이후 공정에서의 Cu 핵의 성장이 촉진되는 것이다. 위 반응은 기판 표면에 의한 촉매 작용에 영향을 받게 된다.In the middle of the reaction, (hfac) Cu +1 is produced. Electron exchange may occur between the intermediate (hfac) Cu +1 2 molecules, and as a result of the electron exchange, (hfac) 2 Cu +2 and Cu 0 are generated to form Cu nuclei on the substrate and in subsequent processes. The growth of the Cu nucleus is promoted. The reaction is affected by catalysis by the substrate surface.
즉, 이러한 전자 교환은 기판이 전도성일 경우에 보다 잘 일어나게 되는 데, 이는 TiN, Al과 같은 전도성 기판일수록 흡착된 중간 생성물인 (hfac)Cu+1간에 전자가 용이하게 이동할 수 있어 (hfac)2Cu+2와 금속Cu0가 용이하게 형성되고 따라서 Cu의 핵 형성 및 성장이 보다 우세하게 되기 때문이다.That is, such an electronic exchange is to take place in which the substrate is better in the case of conductivity, which is TiN, between the (hfac) Cu conductive substrate the more the adsorbed intermediate product, such as Al +1 there electrons can move easily (hfac) 2 This is because Cu + 2 and metal Cu 0 are easily formed, and thus, nucleation and growth of Cu become more prevalent.
이에 비해, 기판의 표면이 부도성일 경우에는 원료 기체가 기판 표면의 활성 부위(active sites)에 확률적으로 흡착된 후 , 핵 형성 및 성장의 반응이 진행되면서 증착이 이루어지게 되어 부도성 기판에서의 Cu가 전면적으로 증착되지 않는다. 그 한 예로써, 부도성 기판으로 SiO2가 사용된 경우에는 -OH기가 상기 활성 부위가 되어 원료 기체를 흡착하는 것으로 알려져 있다.On the other hand, when the surface of the substrate is unstable, the source gas is stoichiometrically adsorbed to active sites on the surface of the substrate, and then deposition occurs as the reaction of nucleation and growth proceeds. Cu is not deposited entirely. As an example, when SiO 2 is used as the non-conductive substrate, it is known that -OH group becomes the active site to adsorb the raw material gas.
이상에서 언급한 바와 같이 MOCVD 공정에 의한 Cu박막은 기판이 전도성이냐 부도성이냐에 따라 증착의 선택성이 나타나게 되며, 이는 반도체 금속 공정에서 금속층을 증착시 기판의 종류에 상관없이 전면적인 증착이 필요한 경우 문제가 된다.As mentioned above, Cu thin film by MOCVD process shows the selectivity of deposition depending on whether the substrate is conductive or non-conductive. This means that when deposition of a metal layer in a semiconductor metal process requires full deposition regardless of the type of substrate. It is a problem.
즉 앞서 언급한 바와 같이 기판의 종류에 따라 Cu의 핵 형성 및 그에 따른 성장이 영향을 받는 동시에 선택/비선택적 증착이 가변적으로 나타나므로 그 공정 조건이 연구마다 다양하고 프로세싱 윈도(processing windows)가 좁기 때문에 일관성 있고 재현성 있는 비선택적 증착이 어렵다.That is, as mentioned above, the nucleation and subsequent growth of Cu are affected by the type of substrate, and the selective / non-selective deposition is variable, so the processing conditions vary from study to study and the processing windows are narrow. This makes coherent and reproducible non-selective deposition difficult.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기판의 종류에 관계없이 Cu를 기판의 표면에 비선택적으로 증착할 수 있으며, 미세구조적으로 크기가 작아 보다 낮은 비저항을 얻고 동시에 밀도가 높은 구리 입자를 증착시킬 수 있으며 또한 증착 초기의 인큐베이션 타임을 감소시킬 수 있음과 더불어 수소 기체에 의한 부가적인 환원 반응이 병행되어 Cu의 높은 증착 속도를 얻을 수 있는 반도체소자의 구리 박막 형성방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 나아가, CVD 공정 고유의 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 그대로 유지할 수 있는 반도체소자의 구리 박막 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, it is possible to deposit Cu selectively on the surface of the substrate irrespective of the type of the substrate, the microstructure is small in size to obtain a lower specific resistance and at the same time high density A method for forming a copper thin film of a semiconductor device capable of depositing copper particles and reducing incubation time at the beginning of deposition and additional reduction reaction by hydrogen gas in parallel to obtain a high deposition rate of Cu. Its purpose is to. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method for forming a copper thin film of a semiconductor device capable of maintaining excellent step coverage inherent in a CVD process.
도 1은 종래 반도체소자의 구리 박막 형성방법을 설명하기 위한 개략도이며,1 is a schematic view for explaining a method of forming a copper thin film of a conventional semiconductor device,
도 2은 본 발명에 의한 반도체소자의 구리 박막 형성방법을 설명하기 위한 개략도이며,2 is a schematic view for explaining a method for forming a copper thin film of a semiconductor device according to the present invention,
도 3은 본 발명의 SiO2기판에 각 캐리어 가스를 흘려 보냈을 때 나타나는 SiO2기판의 FTIR 스펙트라 그래프이며,3 is an FTIR spectra graph of the SiO 2 substrate which appears when each carrier gas flows through the SiO 2 substrate of the present invention.
도 4는 본 발명에 의해 형성된 구리 박막의 두께를 증착시간에 따라 나타낸 그래프이며,Figure 4 is a graph showing the thickness of the copper thin film formed by the present invention according to the deposition time,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 구리 박막의 인큐베이션 타임(incubation time)을 증착 온도와 증착 압력의 변화에 따라 나타낸 그래프이다.5 and 6 are graphs showing the incubation time of the copper thin film according to the present invention according to the deposition temperature and the deposition pressure.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : Cu+1β-디케토네이트(Cu+1β- diketonate)종류의 화학 소스21: Cu +1 β- diketonates (Cu +1 β- diketonate) kinds of chemical source
23 : 유량조절 및 타이머 부분23: flow control and timer part
25 : 반응실25: reaction chamber
27 : 웨이퍼 홀더27: wafer holder
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 구리 박막 형성방법은Copper thin film forming method of a semiconductor device of the present invention for achieving the above object is
Cu+1β-디케토네이트(Cu+1β- diketonate) 리간드를 함유하는 구리의 휘발성 화합물을 기화시키는 단계, 상기 기화된 구리의 휘발성 화합물을 수소가 포함된 캐리어 가스(carrier gas)에 섞어 기판과 반응시키거나 상기 기화된 구리의 휘발성 화합물을 캐리어 가스에 섞어 기판과 반응시킬 때 수소를 직접 첨가하여 반응시켜 구리 박막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.Cu +1 β- diketonates (Cu +1 β- diketonate) mixing the step of vaporizing volatile compounds in the copper containing ligand, wherein the hydrogen containing the volatile compounds of copper vaporizing the carrier gas (carrier gas) substrate When reacted with or mixed with the volatile compounds of the vaporized copper in the carrier gas to react with the substrate to form a thin film of copper by the addition of hydrogen directly.
상기 Cu+1β-디케토네이트(Cu+1β-diketonate)리간드를 함유하는 구리의 휘발성 화합물로서, (hfac)Cu+1(L)을 들 수 있다. 상기 화학식에서 hfac(1,1,1,5,5,5-hexafloroacethylacetonate)는 대표적인 β-디케토네이트 리간드이며, L은 루이스 염기의 중성 리간드로서 트리메틸포스파인(PMe3), 1,5-시클로옥타디엔(COD), 2-부틴(butyne), 비닐트리메틸실란(vinyltrimethylsilane; VTMS라 약칭) 등을 사용할 수 있다. 이하, 본 발명의 반도체소자의 구리 박막 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.(Hfac) Cu + 1 (L) is mentioned as a volatile compound of the copper containing said Cu + 1 ( beta) -diketonate (Cu + 1 (beta) -diketonate) ligand. In the above formula, hfac (1,1,1,5,5,5-hexafloroacethylacetonate) is a representative β-diketonate ligand, and L is a neutral ligand of Lewis base, trimethylphosphine (PMe 3 ), 1,5-cyclo Octadiene (COD), 2-butyne (butyne), vinyltrimethylsilane (abbreviated as VTMS) and the like can be used. Hereinafter, a method of forming a copper thin film of a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 반도체소자의 구리 박막 형성방법을 설명하기 위한 개략도이다.2 is a schematic view for explaining a method for forming a copper thin film of a semiconductor device according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, Cu+1β-디케토네이트(Cu+1β-diketonate)리간드를 함유하는 구리의 휘발성 화합물(21)을 화학소스로 하여, 상기 구리의 휘발성 화합물(21)을 수소를 포함한 캐리어 가스에 섞어 반응실(25)로 보내어 기판과 화학반응을 일으킬 수 있도록 가열 가압한 결과 기판에 구리 박막이 증착된다.As shown in Figure 2, by the volatile compound 21 of the copper containing Cu +1 β- diketonates (Cu +1 β-diketonate) with a chemical ligand source, the volatile compound (21) of the copper The copper thin film is deposited on the substrate as a result of being mixed with a carrier gas containing hydrogen and sent to the reaction chamber 25 to be heated and pressurized to cause a chemical reaction with the substrate.
또한, 상기 구리의 휘발성 화합물(21)을 캐리어 가스에 섞어 반응실로 보내 기판과 반응시킬 때 수소를 직접 첨가하여 구리 박막을 증착시킬 수도 있다. 이 경우 사용되는 캐리어 가스는 수소를 포함할 수도 있고 포함하지 아니할 수도 있다.In addition, when the copper volatile compound 21 is mixed with the carrier gas and sent to the reaction chamber to react with the substrate, the copper thin film may be deposited by directly adding hydrogen. The carrier gas used in this case may or may not contain hydrogen.
한편, 상기 기판은 부도성 기판일수도 있으며 전도성 기판일 수도 있다.The substrate may be a non-conductive substrate or a conductive substrate.
구리 박막을 형성할 때 기판이 부도성일 경우 종래 기술에서 언급한 바와 같이 비선택적인 전면적 증착이 어려워지나, 본 발명의 반도체소자의 구리 박막 형성방법은 기판이 부도성이어도 구리 박막의 비선택적인 전면 증착을 가능하게 하는 데, 이에 관련된 작용은 다음과 같다.When the copper thin film is formed, the non-selective full surface deposition becomes difficult, as mentioned in the prior art, when the substrate is non-conductive, but the method of forming a copper thin film of the semiconductor device of the present invention is a non-selective front surface of the copper thin film even if the substrate is non- Allowing deposition, the action associated with it is as follows.
본 발명에서 구리 박막의 화학 소스로 사용한 (hfac)기중의 산소가 부도성 기판으로 일반적으로 사용되는 SiO2기판 표면의 -OH기의 수소와 수소결합을 이루면서 흡착을 하게 되는 데, 이때 이러한 Cu+1원료의 CVD반응에 수소가 도입되면 SiO2기판표면의 -OH 사이트(sites)가 증진되면서 Cu의 핵 형성 및 성장이 촉진되게 되는 것이다.To a the (hfac) used as a chemical source of the copper foil in the present invention, air oxygen to the adsorption yirumyeonseo generally hydrogen and hydrogen bonding of the -OH groups of the substrate surface, SiO 2 is used as a default substrate, wherein these Cu + 1 When hydrogen is introduced into the CVD reaction of the raw material, -OH sites on the surface of the SiO 2 substrate are enhanced to promote nucleation and growth of Cu.
본 발명에 따른 부도성 기판은, 바람직하게는 SiO2위에 구리의 디퓨젼 배리어 물질(diffusion barrier material)로써 TiN이 패터닝 되어 있는 구조를 가진 기판이거나 SiO2막의 트랜치(trench)나 바이어 홀(via hole)내에 TiN이 코팅되어 있는 구조를 가진 기판일 수 있다.Default substrate according to the present invention, preferably, or a substrate having a structure in which TiN is patterned as a diffusion barrier material (diffusion barrier material) of copper over SiO 2 SiO 2 film, trench (trench) or a via hole (via hole ) May be a substrate having a structure coated with TiN.
또한, 본 발명의 반도체소자의 구리 박막 형성방법에 사용되는 기판은 전도성 기판일 수도 있다.In addition, the substrate used in the method for forming a copper thin film of the semiconductor device of the present invention may be a conductive substrate.
본 발명에서 기판이 전도성일 때의 관련 작용은 다음과 같다.In the present invention, the related action when the substrate is conductive is as follows.
즉, (hfac)Cu(VTMS)의 Cu+1원료가 Al, TiN과 같은 전도성 기판에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)공정이 사용되어 증착되는 과정에 있어서 전도성 기판 표면에 의한 촉매작용으로 전자 이동이 용이해짐은 앞서 상술한 바와 같다. 이때 수소기체가 도입되면 부가적인 환원 반응이 병행됨에 따라 구리의 핵 형성이 더욱 용이하게 일어나, 미세구조적으로 크기가 작고 그 밀도가 높은 구리 입자를 얻을 수 있으며 상기 미세구조적 특성으로 인해 보다 낮은 비저항을 얻을 수 있게 되며 높은 증착속도를 얻을 수 있게 된다. 상술한 미세구조적 특성으로 인한 효과는 그 작용하는 바는 상이하나 부도성 기판에서도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.In other words, in the process of depositing Cu +1 raw material of (hfac) Cu (VTMS) to conductive substrates such as Al and TiN by using MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) process, the transfer of electrons by catalysis by the surface of conductive substrate This ease is as described above. At this time, when hydrogen gas is introduced, additional reduction reactions are performed in parallel, so that nucleation of copper is more easily performed, thereby obtaining copper particles having a smaller microstructure and higher density, and having a lower specific resistance due to the microstructural characteristics. To obtain a high deposition rate. The effects due to the above-described microstructural characteristics are different, but the same effects can be obtained in the non-conductive substrate.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(제 1 실시예)(First embodiment)
기본적인 공정은 도 2에 도시된 바와 같은 CVD시스템에서 (hfac)Cu(VTMS)을 화학소스로 하여 기화시키고, 그 다음 상기 기화된 (hfac)Cu(VTMS)를 순수한 수소로 이루어진 캐리어 가스에 섞어 반응실로 보내고 가열 가압한 SiO2의 부도성 기판과 반응시켜 기판에 구리 박막을 증착시켰다. 또한 다른 조건은 상기 공정과 같이 하고 전도성 기판으로 TiN을 사용하여 구리 박막을 증착시켰다.The basic process is to vaporize (hfac) Cu (VTMS) as a chemical source in a CVD system as shown in FIG. 2 and then mix the vaporized (hfac) Cu (VTMS) with a carrier gas consisting of pure hydrogen. A thin film of copper was deposited on the substrate by reacting with a non-conductive substrate of SiO 2 which was sent to a chamber and heated and pressurized. In addition, the other conditions were the same as the above process, and the copper thin film was deposited using TiN as the conductive substrate.
이때 (hfac)Cu(VTMS)를 기화시키는 온도는 40-50℃에서 결정되며, 상기 소스를 기판에 증착시키는 온도는 150-220℃에서 결정되는 것이 바람직하다. 또한 기판에 증착시킬 때의 반응 압력은 10-1-10토르(Torr)이며, 수소를 반응실로 들여보내는 유량은 50-200sccm의 범위내에서 결정됨이 바람직하다.At this time, the temperature for vaporizing (hfac) Cu (VTMS) is determined at 40-50 ° C, and the temperature for depositing the source on the substrate is preferably determined at 150-220 ° C. In addition, the reaction pressure at the time of deposition on the substrate is 10 -1 -10 Torr (Torr), the flow rate of introducing hydrogen into the reaction chamber is preferably determined within the range of 50-200sccm.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 효과를 나타낸 도면이다.4 to 6 are views showing the effect of the first embodiment according to the present invention.
즉, 도 4는 제 1 실시예에서 언급한 대로 SiO2기판 및 TiN기판 위에 증착된 구리 박막의 두께변화를 측정한 그래프로써, 결과의 비교를 위하여 상기의 기판들에 Ar을 캐리어 가스로 하였을 때 구리 박막의 두께 변화를 측정하여 함께 나타내었다. 이때 두께가 0으로 표시된 영역은 어패어런트 인큐베이션 피리어드(apparent incubation period)이다.That is, Figure 4 is a graph measuring the thickness change of the copper thin film deposited on the SiO 2 substrate and TiN substrate as mentioned in the first embodiment, when Ar is a carrier gas to the above substrate for comparison of the results The thickness change of the copper thin film was measured and shown together. In this case, an area marked with a thickness of 0 is an incubation period.
도 5는 도 4와 같은 대상으로 하여금 증착 온도에 따른 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 측정한 그래프이며, 도 6은 증착 압력에 따른 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 측정한 그래프이다.FIG. 5 is a graph of an incubation time of an object according to a deposition temperature according to a deposition temperature, and FIG. 6 is of an incubation time of an incubation time of a deposition pressure. It is a graph.
(제 2 실시예)(Second embodiment)
본 발명의 제 2 실시예는 전체적인 구성 및 여러 반응조건들은 제 1 실시예와 유사하나, 캐리어 가스로서 비활성 기체가 사용되고 이에 사용되는 희석기체로서 수소가 도입됨이 상이하다. 그러나, 수소기체가 역시 증착공정에 첨가하여 도입됨으로써 기판 표면의 활성 부위가 증가되는 작용은 동일하게 나타난다.The second embodiment of the present invention is similar in overall configuration and various reaction conditions to the first embodiment, except that inert gas is used as the carrier gas and hydrogen is introduced as the diluent gas used therein. However, the action of increasing the active site on the surface of the substrate by the introduction of hydrogen gas in addition to the deposition process appears to be the same.
(제 3 실시예)(Third embodiment)
본 발명의 제 3 실시예는 (hfac)Cu(VTMS)는 도 2에 도시된 바와 같은 CVD시스템에서 (hfac)Cu(VTMS)을 화학소스로 하여 기화시키고, 그 다음 상기 기화된 (hfac)Cu(VTMS)를 캐리어 가스에 섞어 반응실로 보낸다. 이어, 가열 가압한 SiO2의 부도성 기판과 반응시켜 기판에 구리 박막을 증착시키는 데, 이때 상기 증착 반응에 직접 수소를 첨가하였다. 또한 다른 조건은 상기 공정과 같이 하고 전도성 기판으로 TiN을 사용하여 구리 박막을 증착시켰다.In a third embodiment of the present invention, (hfac) Cu (VTMS) is vaporized using (hfac) Cu (VTMS) as a chemical source in a CVD system as shown in FIG. (VTMS) is mixed with the carrier gas and sent to the reaction chamber. Subsequently, a thin copper film was deposited on the substrate by reacting with a heat-pressurized non-conductive substrate of SiO 2 , wherein hydrogen was directly added to the deposition reaction. In addition, the other conditions were the same as the above process, and the copper thin film was deposited using TiN as the conductive substrate.
이때 상기 캐리어 가스는 불활성 기체만으로 이루어질 수 있으며, 또한 수소를 포함한 캐리어 가스일 수도 있다.In this case, the carrier gas may be made of only an inert gas, and may also be a carrier gas containing hydrogen.
상기 공정에서 (hfac)Cu(VTMS)를 기화시키는 온도나, 상기 소스를 기판에 증착시키는 온도, 기판에 증착시킬 때의 반응 압력 등의 조건은 제 1 실시예와 동일하며, 수소를 반응실로 들여보내는 유량은 50-200sccm의 범위내에서 결정된다.In the above process, the conditions for vaporizing (hfac) Cu (VTMS), the temperature for depositing the source on the substrate, the reaction pressure for depositing on the substrate, and the like are the same as those in the first embodiment. The sending flow rate is determined in the range of 50-200 sccm.
상기 증착 반응에 더욱 도입되는 수소는 수소 플라즈마(plasma)에 의하여 도입된 수소일 수 있는 데, 이는 하기의 반응식과 같은 원자화(automization)에 따른다.The hydrogen further introduced into the deposition reaction may be hydrogen introduced by a hydrogen plasma, which is subject to atomization (automization) as shown below.
H2------->H + H 원자화H 2 -------> H + H atomization
또한, 물(H2O)의 버블링(bubbling)에 의하여서도 수소가 도입될 수 있는 데 이 경우 버블러(bubbler)의 온도는 70 - 80℃에서 결정되는 것이 바람직하다.In addition, hydrogen may also be introduced by bubbling of water (H 2 O). In this case, the temperature of the bubbler is preferably determined at 70 to 80 ° C.
본 발명의 반도체 소자의 구리 박막 형성방법에 따른 구체적 효과를 나타내기 위하여 도 3 내지 도 5를 개시하였다.3 to 5 show specific effects of the method for forming a copper thin film of the semiconductor device of the present invention.
도 3에 CVD(Chemical Vapor Deposition)반응기내에서, 200℃에서 30분간 열처리한 SiO2기판에 캐리어 가스로서 Ar과 H2를 흘려 보냈을 때 구리 박막의 증착 직전 단계의 기판 표면상태를 나타나는 FTIR 스펙트라를 나타내었다. 상기 도면을 통하여 H2가 캐리어 가스로 사용된 경우는 Ar이 캐리어 가스로 사용되었을 때 보다 -OH 피크(peak)가 증진되어 있음을 알 수 있다. 이는 기판 표면의 활성 부위가 증가되었음을 의미한다.FTIR spectra showing the surface state of the substrate just before the deposition of the copper thin film when Ar and H 2 were flowed to the SiO 2 substrate heat-treated at 200 ° C. for 30 minutes in a chemical vapor deposition (CVD) reactor. Indicated. Through the above drawings, it can be seen that when H 2 is used as a carrier gas, an -OH peak is enhanced than when Ar is used as a carrier gas. This means that the active sites on the substrate surface have increased.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따를 경우 나타나는 구리 박막의 두께와 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 도시한 그래프이다.4 to 6 are graphs showing the thickness of the copper thin film and the parental incubation time according to the first embodiment of the present invention.
즉, 도 4는 제 1 실시예에서 언급한 대로 SiO2기판 및 TiN기판 위에 증착된 구리 박막의 두께변화를 측정한 그래프로써, 결과의 비교를 위하여 상기의 기판들에 Ar을 캐리어 가스로 하였을 때의 구리 박막의 두께 변화를 측정하여 함께 나타내었다. 이때 두께가 0으로 표시된 영역은 어패어런트 인큐베이션 피리어드(apparent incubation period)이다.That is, Figure 4 is a graph measuring the thickness change of the copper thin film deposited on the SiO 2 substrate and TiN substrate as mentioned in the first embodiment, when Ar is a carrier gas to the above substrate for comparison of the results The thickness change of the copper thin film was measured and shown together. In this case, an area marked with a thickness of 0 is an incubation period.
상기 도면을 통하여 SiO2기판, TiN기판 모두 H2를 캐리어 가스로 하였을 경우가 Ar을 캐리어 가스로 하였을 경우보다 구리 박막이 훨씬 빠르게 증착되었음을 알 수 있다. 또한 어패어런트 인큐베이션 피리어드(Apparent Incubation Period) 역시 SiO2기판, TiN기판 모두에서 H2를 캐리어 가스로 사용하였을 경우에 더욱 짧아졌음을 알 수 있다.If all the drawing through the SiO 2 substrate, TiN substrate hayeoteul the H 2 as a carrier gas is hayeoteul the Ar as a carrier gas can be seen that the copper thin film than the much faster evaporation. In addition, it can be seen that the parental incubation period is also shorter when H 2 is used as a carrier gas in both the SiO 2 substrate and the TiN substrate.
특히 기판이 SiO2로 이루어졌을 때가 캐리어 가스를 Ar로부터 H2로 바꾸어 사용하였을 때의 증착속도의 증가나 어패어런트 인큐베이션 피리어드(Apparent Incubation period)의 감소가 현저함을 알 수 있다.In particular, when the substrate is made of SiO 2 it can be seen that the increase in the deposition rate and the reduction of the parental incubation period when using the carrier gas from Ar to H 2 is remarkable.
한편, 도 5는 도 4와 같은 종류의 기판과 캐리어 가스를 사용하여 실험한 것으로 증착 온도에 따른 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 측정한 그래프이며, 도 6은 SiO2기판에 Ar과 H2를 각각 캐리어 가스로 사용하였을 때 증착 압력에 따른 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 측정한 그래프이다.On the other hand, Figure 5 is an experiment using a substrate and a carrier gas of the same type as in Figure 4 is a graph measuring the incubation time (apparent incubation time) according to the deposition temperature, Figure 6 is a SiO 2 substrate and When H 2 is used as a carrier gas, the incubation time is measured according to the deposition pressure.
상기 도 5를 통하여 SiO2기판과 TiN기판 모두 H2를 캐리어 가스로 사용할 때가 Ar을 캐리어 가스로 사용할 때보다 일정 온도에서 보다 짧은 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 가질 수 있음을 알 수 있다.It can be seen from FIG. 5 that both SiO 2 and TiN substrates have a shorter incubation time at a constant temperature when H 2 is used as a carrier gas than when Ar is used as a carrier gas. have.
또한, 도 6은 SiO2기판에 Ar을 캐리어 가스로 사용하였을 때와 H2를 캐리어 가스로 사용하였을 때를 비교하여 반응기 내의 압력의 조절에 따른 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 측정한 그래프이다. 상기 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, H2를 캐리어 가스로 사용하였을 때 훨씬 짧은 어패어런트 인큐베이션 타임(apparent incubation time)을 갖는다.In addition, FIG. 6 compares the use of Ar as a carrier gas and the use of H 2 as a carrier gas in an SiO 2 substrate, and measures the incubation time according to the pressure control in the reactor. It is a graph. As can be seen in FIG. 6, when H 2 is used as a carrier gas, it has a much shorter incubation time.
정리하면, 본 발명에 따른 반도체 소자의 구리 박막 형성방법은 구리 박막을 기판에 증착시 기판의 성질에 상관없이 전면적인 증착을 이룰 수 있게 하며, 미세구조적으로 크기가 작고 그 밀도가 높은 구리 입자가 기판에 증착될 수 있어 보다 낮은 비저항을 얻을 수 있게 하며, 또한 짧은 인큐베이션 타임과 더불어 수소 기체에 의한 부가적인 환원 반응이 병행될 수 있어 구리 박막의 높은 증착속도를 얻을 수 있게 한다.In summary, the method for forming a copper thin film of a semiconductor device according to the present invention enables full deposition regardless of the nature of the substrate when the copper thin film is deposited on the substrate. It can be deposited on a substrate to achieve a lower resistivity, and also with a short incubation time and an additional reduction reaction by hydrogen gas can be combined to obtain a high deposition rate of the copper thin film.
또한, 본 발명의 반도체 소자의 구리 박막 형성방법은 수소 기체를 도입함으로써 표면 흡착 위치를 증진시켜 소정의 효과를 얻어내는 방법으로 CVD(chemical vapor deposition)공정 고유의 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 그대로 유지할 수 있게 한다.In addition, the method of forming a copper thin film of the semiconductor device of the present invention improves surface adsorption position by introducing hydrogen gas and obtains a predetermined effect, thereby maintaining excellent step coverage inherent in a chemical vapor deposition (CVD) process. To maintain.
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