KR20000062522A - 알루미늄 상호접속에서의 전자이동을 감소시키기 위한웨팅/배리어 층의 테일러링 - Google Patents

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Abstract

본 출원인은 우수한 전자이동 특성을 갖는 연속적으로 증착된 알루미늄 상호접속층을 얻기 위해 종래의 여러 관련 자료에 개시된 삼중의 웨팅층/배리어층 구조물(Ti/TiN/TiNx)을 제공하는 것이 필수적인 것이 아님을 알아 내었다. 본 출원인은 약 1°이하의 록킹 곡선 FWHM 각도(θ)를 제공하기에 충분한 (111) 텍스처링을 갖는 알루미늄 상호접속층을 증착할 수 있는 다수의 상이한 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물을 발견하였다. 이들 배리어층은 1) 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 단일 Ti층, 2) 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 Ti/TiN 층, 및 3) Ti층이 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착되고, TiN 층이 표준 스퍼터링 기술 또는 조준식 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 Ti/TiN 층을 포함한다. 이들 배리어층은 배리어층의 조성 및 주어진 증착 챔버에서 사용할 수 있는 피이처에 따라 단일 공정 챔버 또는 두 개의 공정 챔버 내에서 기판 상에 증착될 수 있다. 추가로, 본 출원인은 삼중의 배리어층을 사용하는 것이 바람직한 경우(전자이동 저항성 이외의 이유에 의해), 적어도 고밀도 플라즈마에서 형성된 초기 Ti층을 갖는 Ti/TiN/TiNx삼중층은 그 위에 연속적으로 증착된 알루미늄층에서의 우수한 전자이동 저항성을 제공한다. 이는 상호접속 분야에 있어서 알루미늄 증착 온도가 약 350℃ 아래인 경우에도 가능하다. 본 출원인은 또한 적어도 초기 Ti층을 증착하는 동안 기판에 바이어스를 적용하는 것(기판을 향해 이온을 끌어당기기 위해)은 (111) 텍스처링이 감소한 후의 지점까지 연속적으로 증착된 알루미늄층의 (111) 텍스처링을 개선하는데 유리함을 알아 내었다.

Description

알루미늄 상호접속에서의 전자이동을 감소시키기 위한 웨팅/배리어 층의 테일러링 {TAILORING OF A WETTING/BARRIER LAYER TO REDUCE ELECTROMIGRATION IN AN ALUMINUM INTERCONNECT}
본 발명은 배리어층 상에 증착된 알루미늄 상호접속의 〈111〉 결정 방위를 증가시켜서 알루미늄 상호접속 내에서의 전자이동을 감소시키기 위한 배리어/웨팅 층의 테일러링에 관한 것이다.
플라즈마 스퍼터링 증착된 알루미늄은 반도체 장치에서 상호접속을 형성하기 위해 폭넓게 사용된다. 상호접속의 신뢰성은 반도체 장치의 신뢰성에 있어서 매우 중요하다. 알루미늄 상호접속의 신뢰성을 심각하게 손상시키는 인자 중 하나는 전자이동인데, 여기서 알루미늄 원자는 전자 흐름에 의해 물리적으로 이동된다. 이동된 원자는 시간에 따라 크기가 점진적으로 증가하는 보이드 공간 뒤에 남아서, 상호접속을 파괴시킨다.
전자이동을 감소시키기 위해, 산업계에서는 여러 상이한 시도가 있었다. 예컨대, 알루미늄에 구리를 도핑하는 것은 알루미늄의 결정립계를 현저하게 강화시켜서 전자이동을 감소시킬 수 있다. 알루미늄 표면의 패시베이션(여기서 전자이동이 없는 재료층이 알루미늄 표면 위에 증착된다)이 또한 유용하다. 다마신(damascene) 또는 이중 다마신 구조물에서, 여러 제조업자들은 하부층 상에 증착된 알루미늄의 전자이동을 감소시키기 위해 하부층(배리어층으로 언급됨)을 사용하였다. 일반적으로, 이러한 하부층은 Ti/TiN 이중층이며, 여기서 Ti는 티타늄이며, TiN은 질화티타늄이다.
알루미늄 결정 구조와 전자이동 사이의 관계가 참고문헌에 개시되어 있다. 일반인들에게 잘 공지된 관계식으로는 1981년에 바이드야(Vaidya) 및 신하(Shiha)에 의해 발표된 공식이 있다.
MTTF ∞ [S/σ2] Log [I(111)/I(200)]3
여기서, MTTF는 파손까지의 평균 시간이며, S는 평균 결정립 크기이며, σ는 결정립 크기 분포의 표준 편차이며, I(111)은 알루미늄 (111) 평면의 회전 강도이며, I(200)은 알루미늄 (200) 평면의 회전 강도이다(에스. 바이드야(S. Vaidya) 및 (에이.케이. 신하(A.K. Sinha)가 쓴 1981년 발간된 책명 "고체 박막(Thin Solid Films)"의 75권의 253페이지 참조).
이러한 관계로부터, 알루미늄 결정 방위의 텍스처가 높을수록, 파손까지의 평균 시간이 길어진다는 것을 명백하게 알 수 있다. 이러한 원리를 근거로 하여, 증착된 알루미늄층에서 알루미늄의 텍스처(111)를 결정하기 위한 다른 방법이 산업계에서 시도되었다.
텍스처를 결정하기 위해 산업계에서 사용되는 방법 중 하나는 X-선 회절이며, 이러한 X-선 회절에서는 주어진 재료가 공지된 파장의 X-선을 회절시키는 방법으로 재료의 결정구조가 측정된다. 본 발명에서 사용된 X-선 회절 기술에 대해서는 이하에 상세하게 설명한다.
"전형적인 스퍼터링 방법"을 사용하여 증착된 티타늄 웨팅층과 질화티타늄 배리어층은 알루미늄 및 알루미늄 합금층 아래에 놓인 반도체 장치 구조물에서 사용되어 왔다. 그렇지만, 예컨대 질화티타늄 배리어층의 표면 상에 증착된 알루미늄 결정 방위는 일반적으로 텍스처가 높지 않으며(즉, 보다 불규칙한 결정 방위를 가지며), 전자이동 저항성이 불량하다. 상호 접속 구조물의 신뢰성은 낮은 텍스처를 갖는 알루미늄의 전자이동에 의해 영향을 받는다.
"전형적인 스퍼터링(traditional sputtering)"또는 "표준 스퍼터링(standard sputtering)"이라는 용어는 기판 상에 박막층을 형성하는 방법을 의미하는 것으로서, 타겟이 스퍼터링되고, 타겟으로부터 스퍼터링된 재료가 타겟과 기판 사이를 통과하여 기판 상에 박막층을 형성하고, 타겟 재료가 기판에 도달하기 전에 타겟으로부터 증착된 타겟 재료의 일부를 이온화시키기 위한 수단을 갖추고 있지 않다. 전형적인 스퍼터링을 제공하도록 구성된 장치는 미국 특허 제 5,320,728호에 개시되어 있으며, 본 발명에서는 이를 참조하였다. 이러한 전형적인 스퍼터링 구성에서, 이온화되는 타겟 재료의 비율은 타겟으로부터 스퍼터링된 재료의 10% 미만이며, 보다 일반적으로는 1% 미만인 것으로 여겨진다.
"전형적으로 스퍼터링된(traditionally sputtered)"질화티타늄 함유 박막 또는 층은 반응성 스퍼터링에 의해 기판 상에 증착되는데, 여기서 티타늄 타겟은 질소 가스와 혼합된 아르곤과 같은 불활성 가스로부터 발생된 플라즈마로 스퍼터링된다. 타겟으로부터 스퍼터링된 티타늄의 일부는 플라즈마에 의해 활성화된 질소 가스와 반응하여 질화티타늄을 형성하고, 가스상 혼합물은 기판과 접촉하여 기판 상에 질화티타늄 함유층을 형성한다. 적절한 양의 질소가 플라즈마 소오스 가스에 존재하는 경우, 질화티타늄 함유층에서의 티타늄과 질소의 농도는 화학양론적이다. 비록 이러한 전형적으로 스퍼터링된 질화티타늄 함유층은 접촉 비아의 고온 알루미늄 충진을 위한 웨팅층으로서 작용할 수 있지만, 비아의 양호한 충진은 일반적으로 약 500℃ 미만의 기판 표면 온도에서 달성되지 않는다. 전형적인 스퍼터링 생성물은 충진될 트렌치 또는 비아로 개구의 에지를 따라 현가되며, 이러한 현가를 극복하기 위해 알루미늄이 충분히 흐를 수 있도록 고온이 요구된다.
1996년 8월 6일자로 야마다(Yamada) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,543,357호에는 반도체 장치를 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 여기서는 알루미늄 합금 박막을 위한 하부 박막으로서 티타늄 박막이 사용되어서, 알루미늄 합금 박막의 장치 특성이 악화되는 것을 방지한다. 티타늄 박막은 스퍼터링 공정에 의해 비아 홀을 포함하는 기판 표면 위에 형성된다. 연속적으로, 알루미늄 박막은 티타늄 박막 위에 스퍼터링된다. 다음으로, 기판은 알루미늄 합금 박막을 용융시키기 위해 450℃ 내지 500℃로 가열되며, 이에 의해 비아 홀이 충진된다. 티타늄 박막의 두께는 알루미늄 합금 박막의 두께의 10% 이하로 설정되는데, 최대 25nm로 설정된다. 알루미늄 합금 박막이 실리콘을 포함하지 않는 경우에, 티타늄 박막은 알루미늄 합금 박막의 두께의 5% 보다 작도록 설정된다. 공정의 다른 양태에서, 질화티타늄 박막은 티타늄 박막이 적용되기 전에 기판 표면 위에 형성된다.
에스.엠. 로스타겔(S.M. Rossnagel) 및 제이. 호프우프(J. Hopwood)는 1994년 1월/2월판 J. Vac. Sci. Technol. B. Vol. 12, No. 1에 게재된 제목이 "이온화된 마그네트론 스퍼터링 방전으로부터의 금속 이온 증착(Metal ion deposition from ionized magnetron sputtering discharge)"인 1993년 논문에서 스퍼터링 음극과 기판 사이의 영역에서 고밀도의 유도 결합 RF 플라즈마와 종래의 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 조합한 기술을 개시하고 있다. 이 논문은 여러 공정 변수의 함수로서 스퍼터링된 알루미늄에 대한 상대적인 이온화 레벨을 개시하고 있다. 또한, 상세하게 기술되지는 않았지만, 높은 개구비의 트렌치의 측부 및 바닥을 따라 얇은 라이너 또는 확산 배리어로서 TiN 박막의 증착에 대해 일반적으로 기술되어 있다. 낮은 이온 에너지(0∼10eV)에서 증착된 TiN 박막은 200μΩcm 범위에서 저항성을 갖는 청동색을 띠는 반면, 높은 이온 에너지(20∼50eV)에서 증착된 박막은 75μΩcm 범위에서 저항성을 갖는 밝은 금색을 가지는데, 이는 높은 응력을 받은 박막 특성을 나타내는 것으로 기술되어 있다. 벗겨짐(peeling)은 700Å 이상의 두께에서 공통적이며, 회로 토포그래피 피이처(feature) 상의 증착물은 분열시에 갈라지게 된다. 고밀도 플라즈마 스퍼터링 방법의 추가적인 기술은 J. Vac. Sci. Technol. B. Vol. 14, No. 3에 게재된 저자가 에스.엠 로스나겔 및 제이. 호프우드인 제목이 "확산 배리어, 접착층, 및 시이드층 분야에 대한 고원자량의 얇은 박막 증착(Thin, high atomic weight refractory film deposition for diffusion barrier, adhesion layer, and seed layer applications)"인 논문에 제공되어 있다.
1997년 3월 27자로 엔간(Ngan) 등이 출원한 미국 특허 출원 제 08/824,991호에는 높은 (111) 방위 알루미늄 상호접속이 가능한 Ti/TiN/TiNx하부층이 개시되어 있다. 특히, 이온 금속 플라즈마 기술을 사용하여 모두 3개층이 증착되는데, 여기서는 고밀도 플라즈마가 스퍼터링 음극과 기판 지지 전극 사이에서 발생되어서, 스퍼터링된 방출물의 증가된 부분이 기판 표면에 도달하는 동시에 이온의 형태가 된다. 제 1 Ti층은 약 100Å 내지 500Å 보다 큰 두께를 가지며, 제 2 TiN층은 약 100Å 내지 500Å의 두께를 가지며, 약 15Å 내지 500Å의 두께를 갖는 제 3 TiNx층은 TiN 증착 말미에서 공정 챔버로의 질소 가스 공급을 차단함으로써 형성된다. 이러한 기술은 다중층 배리어/웨팅 시스템에 적합한데, 여기서는 각각의 층은 고밀도 플라즈마로부터 적용되어서, 약 350℃ 내지 500℃의 온도에서 알루미늄 충진물이 증착된다. 이러한 기술은 본 출원인에게 양도되었으며, 본 발명에서 참조하였다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 복잡한 제조 공정을 단순화시키고 제조 비용을 절감시키면서 높은 (111) 결정 방위 알루미늄 상호접속 구조물을 증착할 수 있는 티타늄 함유 웨팅층 및 웨팅/배리어 구조물을 제공하는 것이다.
도 1a는 알루미늄 상호접속배선과 조합한 알루미늄 충진 접촉 비아(contact via)를 포함하는 다중층 금속 스택의 개략적인 단면도.
도 1b는 알루미늄 상호접속배선과 조합한 텡스텐 충진 접촉 비아의 개략적인 단면도.
도 2a 및 도 2b는 에칭된 알루미늄 배선의 개략적인 3차원 도면으로서, 각각이 에칭된 금속 배선의 표면의 측부가 확대된 도면.
도 3은 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착되고 그 표면 위에는 전형적인 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 알루미늄층이 증착된 Ti 웨팅층에 대한 데이터를 도시한 그래프.
도 4a는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 Ti 웨팅층과 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 TiN 배리어층으로 구성된 이중 웨팅/배리어 구조물 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시한 그래프.
도 4b는 이중 웨팅/배리어 구조물 및 상부 알루미늄층으로 형성된 삼중층 스택에 대한 비교 데이터를 도시한 그래프.
도 4c는 본 발명의 방법을 사용하여 준비된 이중층 웨팅/배리어 구조물과 상부 알루미늄층으로 형성된 삼중층 스택에 대한 비교 데이터를 도시한 그래프.
도 4d는 도 4b에 도시된 이중층 웨팅/배리어 구조물(고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 Ti 웨팅층 및 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 TiN 배리어층으로 구성된) 상에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대해 알루미늄 증착 온도가 미치는 영향을 도시한 그래프.
도 4e는 1) 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 Ti 웨팅층 및 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 (약 -50V에서 적절하게 바이어스된 기판 상에) 증착된 TiN 배리어층으로 구성된 이중층 웨팅/배리어 구조물과, 2) 조준식 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 Ti 웨팅층 및 이후에 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 TiN 배리어층 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도의 비교예를 도시한 그래프.
도 4f는 이중층 Ti/TiN 구조물 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대한 비교 데이터를 도시한 그래프.
도 5a는 Ti/TiN 이중층 구조물의 Ti 웨팅층을 적용하는 동안 Ti층 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대한 기판 바이어싱의 효과를 도시한 그래프.
도 5b는 단지 TiN 배리어층만을 적용하는 동안 기판 바이어싱의 효과를 도시한 그래프.
도 6은 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 스퍼터링 웨팅층, 배리어층, 또는 금속층을 증착하는데 필수적인 구성 요소를 갖춘 장치의 개략도.
도 7은 스퍼터링 챔버에서 본 발명의 방법을 용이하게 수행하도록 프로그램된 컴퓨터에 의해 제어된 물리 기상 증착 챔버(스퍼터링 챔버)의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 120 : 장치 구조물 101,121 : 유전재료층
102a,123 : 알루미늄 상호접속 구조물
102b,105b,122,125 : 전기적 콘택
103 : 금속층 104,124 : 유전층
105a,133 : 상호접속 배선 106,126 : 기판
107,127,129 : 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물
130,132 : 알루미늄층
600 : 공정 챔버 602 : 타겟
603 : 채널 604 : 기판 지지 전극
605 : 반도체 기판 606 : RF 전력원
607 : 플라즈마 608 : 코일
612 : 진공 챔버 613 : 실드
702 : 처리기 704 : 메모리
712 : 물리 기상 증착 (스퍼터링 챔버)
본 출원인은 우수한 전자이동 특성을 갖는 연속적으로 증착된 알루미늄 상호접속층을 얻기 위해 상기한 여러 관련 자료에 개시된 삼중의 웨팅층/배리어층 구조물(Ti/TiN/TiNx)을 제공하는 것이 필수적인 것이 아님을 알아 내었다. 본 출원인은 약 1°이하의 록킹 곡선 FWHM 각도(θ)를 제공하기에 충분한 (111) 텍스처링을 갖는 알루미늄 상호접속층을 증착할 수 있는 다수의 상이한 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물을 발견하였다. 이들 배리어층은 1) 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 단일 Ti층, 2) 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 Ti/TiN 층, 및 3) Ti층이 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착되고, TiN층이 표준 스퍼터링 기술 또는 조준식 스퍼터링 기술(collimated sputtering technique)을 사용하여 증착된 Ti/TiN 층을 포함한다. 이들 배리어층은 배리어층의 조성 및 주어진 증착 챔버에서 사용할 수 있는 피이처에 따라 단일 공정 챔버 또는 두 개의 공정 챔버 내에서 기판 상에 증착될 수 있다.
추가로, 본 출원인은 삼중의 배리어층을 사용하는 것이 바람직한 경우(전자이동 저항성 이외의 이유에 의해), 적어도 고밀도 플라즈마에서 형성된 초기 Ti층을 갖는 Ti/TiN/TiNx삼중층은 그 위에 연속적으로 증착된 알루미늄층에서의 우수한 전자이동 저항성을 제공함을 알아 내었다. 이는 상호접속 분야에 있어서 알루미늄 증착 온도가 약 350℃ 아래인 경우에도 가능하다.
본 출원인은 또한 적어도 초기 Ti층을 증착하는 동안 기판에 바이어스를 적용하는 것(기판을 향해 이온을 끌어당기기 위해)은 (111) 텍스처링이 감소한 후의 지점까지 연속적으로 증착된 알루미늄층의 (111) 텍스처링을 개선하는데 유리함을 알아 내었다. 이러한 효과는 일반적으로 최대 350℃의 증착 온도에 대해 알루미늄 증착 온도가 독립적인 것을 암시한다.
본 발명은 배리어층 위에 증착된 알루미늄 상호접속의 〈111〉 결정 방위를 증가시키기 위해 웨팅층 또는 웨팅층/배리어층 구조물을 테일러링하여 알루미늄 상호접속 내에서의 전자이동을 방지하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 출원인은 후속하는 웨팅층 및 웨팅/배리어 구조물이 약 1°이하의 록킹 곡선 FWHM 각도를 형성하기에 충분한 (111) 텍스처링을 갖는 알루미늄 상호접속층의 증착을 허용한다. 이러한 록킹 곡선 각도는 공지된 종래 기술에 대한 알루미늄의 전자이동 특성의 현저한 개선을 나타낸다. 웨팅층 및 웨팅/배리어 구조물은 1) 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 Ti층, 2) 양 층 모두가 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 Ti/TiN 층, 및 3) Ti층이 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착되고 TiN층이 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되는 Ti/TiN 층을 포함한다. 이들 배리어층은 단일 공정 챔버에서 기판 상에 형성되거나 또는 원한다면 하나 이상의 공정 챔버에서 형성될 수 있다.
정의
본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본원의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 것을 명확하게 지칭하지 않는 한 복수를 지칭한다는 점에 주목해야 한다. 예컨대, "반도체(a semiconductor)"라는 용어는 반도체 거동 특성을 갖는 것으로 공지된 여러 상이한 재료를 포함하며, "알루미늄 상호접속 재료(aluminum interconnect material)"는 알루미늄 및 알루미늄 합금을 포함하는 것이다.
본 발명의 명세서에서 특별히 중용한 기술적 용어를 이하에 정의하였다.
용어 "알루미늄"은 반도체 산업에서 일반적으로 사용되는 종류의 알루미늄의 합금을 포함한다. 이러한 합금은 예컨대 알루미늄-구리 합금 및 알루미늄-구리-실리콘 합금을 포함한다. 일반적인 알루미늄-구리 합금은 예로서 약 0.5%의 구리를 포함할 수도 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
용어 "개구비(aspect ratio)"는 특별한 개구의 높이 대 폭의 칫수비를 의미한다. 일반적으로, 개구비를 계산하기 위해 사용된 폭의 칫수는 최소 피이처 칫수이다. 예컨대, 다중층을 통해 관형태로 연장하는 비아 개구는 높이 및 직경을 가지며, 이때의 개구비는 직경으로 나눈 관형태의 높이를 말한다. 트렌치의 개구비는 트렌치의 베이스에서 트렌치의 최소 경로 폭으로 나눈 트렌치의 높이이다.
용어 "피이처(feature)"는 기판 표면의 토포그래피를 형성하는 콘택, 비아, 트렌치, 및 다른 구조물을 의미한다.
용어 "고밀도 플라즈마 기술(high density plasma)"또는 "이온 증착 스퍼터링(ion-deposition sputtered)"또는 "이온 금속 플라즈마 스퍼터링(ion metal plasma sputtered)"은 고밀도 플라즈마가 스퍼터링 음극 및 기판 지지 전극 사이에서 발생되고, 이에 의해 이온 형태를 갖는 스퍼터링된 방출물의 일부가 기판 표면에 도달함과 동시에 증가되는, 물리 기상 증착(바람직하게는 마그네트론 스퍼터링 증착)을 의미한다.
용어 "고밀도 플라즈마(hidh density plasma)"는 적어도 5×1010e-/cm3의 전자 밀도를 갖는 플라즈마를 의미하며, 이에 한정되지는 않는다.
용어 "반응성 이온 증착(reactive ion deposition)", "반응성 이온 금속 플라즈마(reactive ion metal plasma)", 또는 "반응성 고밀도 플라즈마 기술(reactive high density plasma technique)"은 스퍼터링 공정 동안 스퍼터링될 이온화 재료와 반응하도록 반응성 가스를 공급하여, 반응성 가스 성분을 함유하는 이온 증착 스퍼터링 혼합물을 형성하는, 고밀도 플라즈마를 사용하는 물리 기상 증착을 의미하는데, 이에 한정되지는 않는다.
용어 "반응성 스퍼터링(reactive sputtering)"은 반응성 가스가 스퍼터링 공정 동안 스퍼터링될 재료와 반응하도록 반응성 가스가 공급하여, 반응성 가스 성분을 함유하는 스퍼터링 증착 혼합물을 형성하는 표준 또는 전형적인 스퍼터링을 의미한다.
용어 "SEM"은 주사 전자 현미경(scanning electron microscope)을 의미한다.
용어 "X-선 회절(X-ray Diffration)"은 결정 방위를 측정하는데 통상적으로 사용되는 기술을 의미하며, 여기서 특별한 파장에 대한 방사선을 특정화될 재료로 통과시켜서 방사선이 통과하는 재료에 의해 유발된 방사선 회절을 측정함으로써, 공정 중에 방사선에 노출된 샘플 내의 결정 방위를 결정한다.
본 발명을 수행하기 위한 장치
본 발명의 방법을 수행하는데 사용되는 공정 시스템은 "어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드(미국 캘리포니아 산타 클라라에 소재)"에서 제조되는 상품명 "Endura Integrated Processing System"이다. 이러한 공정 시스템은 도면에 특별히 도시하지 않았지만, 도 6에 도시된 공정 요소는 이러한 집적형 공정 시스템(Integrated Processing System) 내에 수용된 저압 공정 챔버 중 하나 내에서 작동될 수 있다. 이러한 시스템은 미국 특허 제 5,186,718호 및 미국 특허 제 5,236,868호에 개시되어 있으며, 이를 본 발명에서 참조하였다. 고밀도 플라즈마 스퍼터링 증착 시스템의 중요 요소를 도시한 도 6을 참조하면, 공정 챔버(600)는 Ti 또는 TixNY층과 같은 배리어층의 고밀도 플라즈마 증착을 위해 사용될 수 있다. 이러한 공정 챔버는 또한 이온화 코일(908)에 아무런 전력도 인가되지 않는 경우 표준 스퍼터링 공정을 위해 사용될 수 있다.
공정 챔버(600)는 일반적으로 스퍼터링 플라즈마를 한정하기 위해 표준 스퍼터링 자석(도시되지 않음)을 적용한 마그네트론 챔버로서, 스퍼터링율을 증가시킬 수 있다. 추가로, 공정 챔버는 단일의 편평한 코일(608)의 형태를 갖는 유도 결합 RF 소오스(610)가 스퍼터링 음극(타겟)(602)과 기판 지지 전극(604) 사이에 위치되어 있으며, 이에 의해 스퍼터링된 방출물의 일부분이 기판 표면에 도달함과 동시에 이온의 형태를 갖게 된다. RF 전력원(606)은 반도체 기판(605) 상에 DC 바이어스를 형성하도록 기판 지지 전극(604)에 바이어스를 인가하는데 사용될 수도 있다. 일반적으로, 실드(613)는 채널(603)을 통해 유입되는 가스로부터 플라즈마(607)가 발생되는 영역을 둘러싸고 있다. 이러한 실드(613)는 배출 채널(도시되지 않음)을 통해 기판 처리 영역으로부터 가스를 배출할 수 있는 진공 챔버(612)에 의해 둘러싸여 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 형성될 배리어층은 TixNy이며, 질화티타늄은 스퍼터링 이온을 발생시키기 위해 아르곤 가스를 사용하는 공지된 기술을 사용하여 티타늄 타겟을 스퍼터링하고, 채널(603)을 통해 공정 챔버(600)로 질소를 부가함으로써 형성된다. 질소의 적어도 일부분은 이온화 코일(608)을 통과할 때 이온화된다. 반응성 질소는 반응성 티타늄과 자유롭게 반응하여 반도체 기판(605) 상에 놓여진 바이어스에 의해 반도체 기판(605)의 표면을 향해 끌어당겨질 수도 있는 질화티타늄을 형성한다. 1997년 3월 27자로 엔간 등이 출원한 미국 특허 출원 제 08/825,216호에는 낮은 저항성을 갖는 매끄러운 질화티타늄 박막 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다. 이 출원은 박막 결정 방위를 포함하는 TiN 특성에 대한 여러 공정 변수의 영향을 기술하고 있다. 이 출원은 본 출원인에게 양도되었으며, 본 발명에서 참조하였다.
도 7은 도 6을 참조하여 기술한 물리 기상 증착 챔버를 도시하고 있는데, 여기서 물리 기상 증착 챔버(일반적으로 스퍼터링 챔버)는 본 발명의 방법을 용이하게 수행할 수 있도록 프로그램된 컴퓨터에 의해 제어된다. 이러한 컴퓨터(700)는 처리기(702), 지시(706)를 저장하도록 적용된 메모리(704), 및 하나 이상의 포트(708)를 포함하고 있다. 처리기(702)는 메모리(704)와 통신하도록 적용되며, 지시(706)를 수행하도록 적용되어 있다. 처리기(702)와 메모리(704)는 또한 하나 이상의 포트(708)와 통신하도록 적용되어 있다. 포트(708)는 물리 기상 증착 챔버(712)와 연통하도록 적용되어 있다. 물리 기상 증착 챔버(712)는 포트(708)를 통해 처리기(702)로부터 수신된 신호에 따라 공정 단계를 수행하도록 적용되어 있다. 바람직하게, 컴퓨터(700)는 본 발명의 방법을 달성하기 위해 공정 변수를 제어할 수 있다.
X-선 회절 측정 기술
본 발명에 사용된 X-선 파장은 Cu Kα선의 파장이다. 증착된 박막 샘플은 초기에 그의 주요 표면이 X-선원과 동일한 평면 상에 놓이도록 그리고 이온화 검출기와 동일한 평면 상에 놓이도록 장착되는데, X-선원은 샘플의 우측 상에 놓이고, 이온화 검출기는 샘플의 좌측 상에 놓인다. 이러한 초기 위치에서, 검출기의 각도 및 X-선원의 각도는 주요 샘플면의 평면으로부터 각각 0이다. 연속적으로, X-선원에 인접한 샘플의 우측 에지는 최초 위치로부터 반시계방향으로 회전되며, X-선원으로부터 입사각(θ)을 형성한다. 알루미늄(111)을 측정에 있어서, 샘플의 재질에 따라, 2θ는 일반적으로 약 38.5°내지 38.6°의 범위를 갖는다. 검출기는 이후 샘플 표면의 최초 평면으로부터 각도(2θ)로 반시계방향으로 회전하여서(X-선원과 검출기 사이의 각도가 180°-2θ가 되도록), 검출기가 자동적으로 회절 비임을 검출하기 위한 정확한 위치에 놓이도록 한다. 알루미늄(111)에 대한 격자 평면으로부터의 회절 각도(θ)는 또한 알루미늄(111)에 대한 브래그각(Bragg angle)이라 불린다.
0°내지 80°로의 검출기로부터의 주사는 샘플 격자 평면의 가능한 모든 반사로부터 강도 및 2θ 회절각도 모두를 제공한다. "텍스처(texture)"로 일컬어지는 알루미늄 방위 특성을 나타내는 통상적인 표시는 "록킹 곡선(Rocking Curve)"이며, 이러한 록킹 곡선은 검출기가 2θ로 고정되는 동안 샘플을 특정한 브래그각으로 회전시킴으로써 얻어진 측정값이다. 측정값의 증가하는 각도에서의 CPS(초당 광자수)가 플로트되어서, 증가하는 각도에서 측정된 특정한 결정 방위의 특성에 대한 분포 곡선이 그려진다. 록킹 곡선의 FWHM(최대 높이의 1/2에서의 전체 폭, full width at half maximum)은 곡선의 최대 높이의 1/2 위치에서 곡선의 폭을 측정함으로써 계산된다. 도수(degree)로 표시되는 FWHM은 곡선의 최대 높이의 1/2에서의 곡선의 폭에 의해 측정된 도수를 나타낸다. 보다 큰 도수를 갖는 보다 넓은 곡선은 관심물의 결정격자 방위가 높게 텍스처링되어 있지 않음을 나타낸다. 제한된 도수를 갖는 좁은 곡선은 관심물의 결정격자 방위의 비교적 큰 것(높은 텍스처)임을 나타내는 강한 신호이다. FWHM 측정값은 회절 강도에 대한 결정격자 방위 또는 "텍스처"의 인디케이터(indicator)로서 바람직한데, 이는 측정값 변수에 덜 민감하고 주어진 샘플에 대한 텍스처의 정도를 직접 나타내는 인디케이터이기 때문이다. 록킹 곡선의 FWHM은 증착된 알루미늄 박막에 대한 전자이동 저항성의 표준 인디케이터가 되었으며, 본 발명에서는 목적을 달성하기 위해 이를 사용하였다.
티타늄 웨팅층
티타늄은 알루미늄 상호접속 피이처의 전자이동을 개선시키는 웨팅층으로써 사용될 수 있는데, 티타늄층의 두께는 티타늄층이 배리어층 표면 위에 증착된 알루미늄층의 바람직하지 못한 양을 소모하지 않도록 제공된다. 도 1a 및 도 1b는 상호접속 피이처의 예를 도시하고 있다. 도 1a는 표면 상에 유전재료층(101)이 증착된 기판(106)을 포함하는 장치 구조물(100)을 포함하고 있다. 전기적 콘택(102b)을 포함하는 금속화를 위한 개구를 형성하도록 유전재료층(101)이 패턴된다. 유전재료층(101)의 표면 위에 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물(107)이 적용되며, 이후 금속층(103)(일반적으로 알루미늄)이 증착되어서 전기적 콘택(102b)을 충진하고 유전재료층(101)의 표면 위에 금속 박막을 제공한다. 금속층(103)은 이후 배선과 같은 알루미늄 상호접속 구조물(102a)을 형성하기 위해 종래의 공지된 방법으로 에칭된다. 이후, 금속층(103)의 표면 상에 유전층(104)이 적용된다. 이후 유전층(104)의 표면 위에 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물(109)이 적용된다. 이후 전기적 콘택(105b)을 포함하는 금속화를 위한 추가 개구를 형성하도록 유전층(104)이 패턴된다. 이후, 유전층(104)의 표면 위에 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물(109)이 적용되고, 이후 금속층(110)이 증착되어서, 전기적 콘택(105b)을 충진하고 유전층(104)의 표면에 대한 금속 박막을 제공한다. 금속층(110)은 이후 상호접속 배선(105a)을 제공하도록 에칭될 수 있다. 이러한 방식에서, 멀티-레벨 도전 장치가 형성된다.
도 1b는 전기적 콘택이 알루미늄 상호접속과 연속적으로 겹쳐지는 텅스텐 플러그로 충진된 유사한 장치 구조물을 도시하고 있다. 도 1b를 참조하면, 장치 구조물(120)은 유전재료층(121)이 표면 상에 증착된 기판(126)을 포함하고 있다. 유전재료층(121)은 전기적 콘택(122)용 개구를 형성하도록 패턴된다. 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물(127)이 유전재료층(121)의 표면 상에 적용되고, 연속적으로 텅스텐이 충진된다. 이러한 텅스텐은 전기적 콘택(122) 내에 텅스텐 플러그가 남도록 종래의 공지된 기술(CMP와 같은)을 사용하여 평탄화되며, 이러한 평탄화 공정은 원한다면 전기적 콘택(122) 외부의 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물(127)의 표면을 평탄화시켜서 텅스텐이 존재하지 않도록 한다. 이후, 알루미늄층(130)이 평탄화된 표면 위로 증착된다. 이후, 알루미늄층(130)은 종래의 공지된 기술을 사용하여 에칭되어서 배선과 같은 상호접속 알루미늄 구조물(123)을 형성한다. 이러한 에칭된 알루미늄의 표면 위로 유전층(124)이 적용된다. 유전층(124)은 이후 전기적 콘택(125)을 위한 개구를 형성하도록 패턴된다. 이후, 웨팅층 또는 웨팅/배리어층 구조물(129)이 유전층(124)의 표면 위에 적용되며, 전기적 콘택(125)이 텅스텐으로 충진된다. 텅스텐은 CMP와 같은 기술을 사용하여 평탄화되어서 전기적 콘택(125) 내에 텅스텐 플러그가 남도록 한다. 연속적으로, 알루미늄층(132)이 평탄화된 표면 위에 증착된다. 이후, 알루미늄층(132)은 상호접속 배선(133)을 형성하도록 에칭된다. 이러한 방식에서, 멀티-레벨 도전 장치가 형성된다.
알루미늄 금속화층 아래에 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 증착된 Ti 웨팅층을 사용함으로써, 알루미늄의 전자이동 저항성을 현저하게 개선시킬 수 있다. 본 출원인은 약 1°이하의 알루미늄층 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 의해 도시된 바와 같이, 전자이동 저항성이 개선된 알루미늄 상호접속을 얻을 수 있었다. 도 3은 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 Ti 웨팅층에 대한 데이터를 도시한 그래프로서, Ti 웨팅층 표면 위에는 전형적인 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 알루미늄층이 증착된다. Ti층은 증착하는 동안 기판에 적용된 여러 양의 바이어스로 기판 위에 증착된다. 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM은 각각의 상이한 Ti 웨팅층에 대한 알루미늄 증착 온도의 함수를 도시한 도면이다. 도 3은 알루미늄의 증착 온도의 함수(기판 지지 플레이트 온도가 축선(304) 상에서 ℃로 표시됨)로서 알루미늄 (111) FWHM 각도(도면에서는 축선(302) 상의 도수로 도시됨)의 그래프(300)를 도시하고 있는데, 알루미늄이 증착되는 기판의 실제 온도는 대략 50℃ 보다 낮다.
일련의 곡선들은 티타늄 웨팅층이 상이한 전압으로 바이어스된 기판 상에 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 증착될 때, 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 티타늄 웨팅층 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM에 대한 바이어스의 영향을 기술하고 있다. 곡선(306)은 기판 상에 약 -10V의 바이어스 전압을 인가한 고밀도 플라즈마의 존재 하에서 증착된 티타늄 웨팅층에 대한 것이다. 곡선(308)은 기판 상에 약 -30V의 전압으로 증착된 티타늄 웨팅층에 대한 것이다. 곡선(310)은 기판 상에 약 -45V의 전압으로 증착된 티타늄 웨팅층에 대한 것이다. 곡선(312)은 기판 상에 약 -55V의 전압으로 증착된 티타늄 웨팅층에 대한 것이다. 이러한 기판 바이어싱 레벨에서, 상부의 알루미늄층의 (111) FWHM의 개선이 관찰된다. 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM은 또한 알루미늄이 증착되는 온도의 함수로서 도시되어 있다. 약 380℃의 가열 온도까지, 티타늄 웨팅층의 증착 동안 기판 바이어스를 증가시킬 때 현저한 효과가 있음을 알 수 있다. 상기한 온도 위에서, 티타늄 웨팅층을 고밀도 플라즈마 증착하는 동안 기판에 대한 바이어스의 적용 효과는 도 3에 도시된 바와 같이 동일하게 되는 경향이 있다.
도 3을 참조하면, 알루미늄이 위에 증착되는 티타늄 웨팅층은 상품명 "엔듀라(ENDURA)"금속 증착 챔버 내에서 증착되었다. 각각의 배리어층은 각각의 시험 웨이퍼 상에 증착되었다. 각각의 티타늄 웨팅층의 두께는 약 300Å이었다. 도 6을 참조하면, 증착 챔버는 다음의 조건 하에서 작동되었다. 티타늄 타겟(602)에 인가된 전력은 약 2kW의 직류였다. 고밀도의 유도 결합 RF 플라즈마(607)는 편평한 코일(608)로 약 2MHZ의 주파수에서 약 2.5kW의 RF 전력을 인가함으로써 티타늄 타겟 음극(602)과 기판(605) 사이의 영역에서 발생되었다. 증착 챔버의 압력은 일반적으로 약 10 내지 35mT 사이에서 선택되었다. 티타늄 웨팅층의 증착 동안 기판의 온도는 대략 80℃였다.
약 5,000Å의 두께를 갖는 알루미늄층은 각각의 배리어층 샘플 구조물 위에 증착되었다. 알루미늄은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 표준 엔듀라 공정 챔버 내에서 증착되었다. 알루미늄 타겟에 인가된 전력은 대략 9kW의 직류였다. 어떠한 바이어스도 기판으로 가해지지 않았다. 공정 압력은 2mT였으며, 알루미늄은 도 3의 축선(304) 상에 도시된 기판지지 받침대 가열 온도보다 약 50℃ 정도 낮은 기판 온도에서 증착되었다.
종래에는, 티타늄 배리어층의 〈200〉 결정(결정립) 방위가 높다는 것은 티타늄 배리어층의 표면 위에 가해진 알루미늄층 내에 높은 (111) 텍스처링을 가지게 된다는 것으로 믿고 있었다. 그렇지만, 본 출원인은 알루미늄층의 텍스처링(록킹 곡선 FWHM 각도)이 티타늄 배리어층의 (200) 결정 방위를 나타내는 X선 회절 피이크 강도와 직접 연관되지 않음을 발견하였다.
이러한 발견의 결과로, 본 출원인은 증착 동안 티타늄 배리어층 표면이 이온으로 적절하게 가격될 때 보다 조밀하고 평활한 티타늄층이 형성됨을 이론화시켰다. 이러한 보다 조밀하고 평활한 티타늄 표면은 티타늄의 (200) 결정 방위가 티타늄 웨팅층 표면의 이온 가격의 결과로 낮아진다는 사실에도 불구하고, 보다 우수한 (111) 텍스처링과 보다 우수한 전자이동 저항성을 달성할 수 있는 알루미늄층의 증착을 가능하게 한다.
또한, 본 출원인은 증착된 알루미늄층의 (111) 텍스처링이 높을 때(즉, 록킹 곡선 FWHM 각도가 낮을 때), 알루미늄의 전자이동 저항성이 개선될 뿐만 아니라, 알루미늄이 에칭 패턴될 때, 에칭 동안 피트(pit)에서 에칭된 피이처의 측벽이 파손될 가능성이 감소된다는 것을 알아내었다.
도 2a 및 도 2b는 에칭된 알루미늄 배선의 개략적인 3차원 도면으로서, 각각이 에칭된 금속 배선의 표면의 측부가 확대된 도면이다. 에칭된 금속 표면의 확대도는 알루미늄 배선을 에칭하는 동안 발생하는 측벽 피팅량에 대한 (111) 알루미늄 텍스처링양의 효과를 도시하고 있다.
도 2b는 Ti/TiN(도시되지 않음)으로 구성된 표준 웨팅/배리어 이중층 구조물이 증착된 알루미늄층 아래에서 하부 구조물로서 사용되는 에칭된 알루미늄 피이처(220)를 도시하고 있다. 티타늄층 및 TiN층 모두는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되며, 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM은 약 2 내지 3°정도이다. 알루미늄층(222)은 종래 기술에서 공통적으로 사용된 알루미늄 에칭 표준 조건을 사용하여 상품명"센츄라(CENTURA)"공정 챔버 내에서 에칭되었다. 에칭된 피이처(220)는 그루브(223)를 포함하며, 상부면(227) 및 측벽(228)을 갖추고 있다. 측벽(228)은 에칭 공정의 결과로 피팅(232)이 형성된다. 측벽(228)의 피팅(232)은 확대도(230)로 도시되어 있다(여기서, 참조부호 227은 알루미늄층(222)의 상부면을 나타내며, 참조부호 228은 에칭된 그루브(223)의 측벽을 나타내며, 참조부호 229는 에칭된 그루브의 바닥면을 나타낸다).
도 2a는 본 발명의 방법을 사용하여 달성된 에칭된 피이처(200)를 도시하고 있다. Ti/TiN 웨팅/배리어 이중층 구조물(도시되지 않음)은 알루미늄층(202)의 증착 동안 하부 구조물로서 사용되었다. Ti 웨팅층은 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 증착되며, TiN층은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된다. 상부 알루미늄층(202)은 약 1 내지 1.5°의 (111) FWHM을 갖는다. 알루미늄층(202)은 도 2b를 참조하여 기술한 동일한 표준 알루미늄 에칭 조건을 사용하여 상품명 "센츄라(CENTURA)"공정 챔버에서 에칭된다. 에칭된 피이처(200)는 그루브(203)를 포함하며, 확대도(205)로서 도시된 바와 같이 측벽(206)에 피팅이 형성되지 않았다(여기서, 참조부호 204는 알루미늄층(202)의 상부면을 나타내며, 참조부호 206은 에칭된 그루브(203)의 측벽을 나타내며, 참조부호 201은 에칭된 그루브의 바닥면을 나타낸다).
티타늄 웨팅층이 질화티타늄 배리어층의 부재로서 사용될 때, 티타늄과 반응하는 알루미늄층의 양이 제어되도록 티타늄 웨팅층의 두께는 제한될 필요가 있다. 이는 부피 변화를 방지하고, 알루미늄 표면의 CMP를 가능하게 하는데 중요하다. 본 발명의 Ti 웨팅층 위에 증착된 알루미늄층의 (111) FWHM은 Ti 웨팅층의 두께가 100Å 내지 300Å으로 증가할 때 개선됨을 알아내었다. 약 300Å 위에서, 본 출원인은 현저한 개선을 발견할 수 없었다. 알루미늄층의 표준 두께는 약 5,000 내지 6,000Å이며, 약 400Å의 알루미늄 두께만이 100Å의 티타늄 웨팅층과 반응함으로써 소모되어야 한다.
Ti/TiN 웨팅/배리어층
본 출원인은 Ti/TiN 웨팅/배리어층 구조물을 연구하였는데, 여기서 Ti는 고밀도 플라즈마의 존재 하에서 증착되고, TiN은 1) 고밀도 플라즈마의 존재 하에서, 2) 조준 기술을 사용, 및 3) 전형적인 스퍼터링 기술과 같은 상이한 3가지 방식으로 증착된다.
제조될 장치 구조물은 높은 개구비(2:1 보다 큰)의 피이처와 비교하여 상대적으로 편평한 상호접속물인 경우, 알루미늄 흐름을 유도하기 위해 알루미늄층 바로 아래에 TiN 또는 TiNx를 갖는 것이 필수적이지 않다. 이러한 경우에, Ti 웨팅층이 일반적으로 적절하다. 또한, 본 명세서의 종래 기술 부분에서 인용한 여러 참조 문헌에서 언급한 바와 같이 고온에서 알루미늄을 증착할 필요는 없다. 알루미늄은 약 25℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서, 바람직하게는 약 350℃ 아래의 온도에서 배리어층 상에 증착될 수 있다.
2:1 이상의 개구비에 대해서는, Ti/TiN 또는 Ti/TiNx이중 웨팅층을 사용하는 것이 바람직하다. Ti/TiN 층은 미립자의 형성을 감소시키기 위해 바람직하다. 최상의 Ti/TiN 웨팅/배리어층을 형성하기 위해, Ti 및 TiN층 모두가 고밀도 플라즈마의 존재 하에서 증착되는 것이 추천된다. 그렇지만, TiN층은 또한 조준 기술 또는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 스퍼터링될 수도 있다. 알루미늄의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도가 약 1°아래로 유지된다면, TiN층의 증착과 동시에 기판에 인가된 바이어스의 양에 따라 TiN층의 두께가 제한될 것이다.
도 4a는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 Ti 웨팅층과 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 TiN 배리어층으로 구성된 이중 웨팅/배리어 구조물 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시한 그래프이다. 두 개의 곡선은 상이한 Ti 두께 및 TiN 두께를 나타낸다. 알루미늄의 FWHM 각도는 알루미늄 증착 온도의 함수로서 도시되어 있다. 이는 본 발명이 개선된 것임을 암시하는 종래 기술의 결과에 대한 비교 데이터이다.
도 4a는 알루미늄 증착 온도(축선(484)으로 도시됨)의 함수로서 Ti/TiN 이중 웨팅/배리어층 위에 증착된 알루미늄층의 (111) FWHM(축선(482)으로 도시됨)에 대한 종래 기술의 비교 데이터를 도시한 그래프(480)이다. Ti 웨팅층 및 TiN 배리어층 모두는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되었으며, 기판으로 바이어스가 적용되지 않았다. 곡선(486)은 상부에 5000Å 두께의 알루미늄층(표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된)이 증착된 200Å 두께의 Ti 웨팅층 및 600Å 두께의 TiN 배리어층에 대한 데이터를 도시하고 있다. (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 약 3.5 내지 4°의 범위를 가지며, 알루미늄의 전자이동 특성에 따라 1°이하를 훨씬 초과하는 것이 바람직하다. 곡선(488)은 상부에 5000Å 두께의 알루미늄층이 증착된 500Å 두께의 Ti 웨팅층 및 200Å 두께의 TiN 배리어층에 대한 데이터를 도시하고 있다. 비록, (111) 록킹 곡선 FWHM 각도가 약 2.25 내지 3.1°사이에서 개선되더라도, 여전히 1°이하를 훨씬 초과하는 것이 바람직하다.
도 4b는 이중 웨팅/배리어 구조물 및 상부 알루미늄층으로 형성된 삼중층 스택에 대한 비교 데이터를 도시한 그래프이다. 웨팅/배리어 이중층 구조물은 조준식 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 Ti층과 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 질화티타늄층으로 구성된다. 상부 알루미늄층은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된다. 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 두 개의 TiN층 두께 및 두 개의 알루미늄 증착 온도에 대한 TiN 증착 온도의 함수로서 도시되어 있다.
도 4b는 TiN 배리어층의 증착 온도(축선(404)으로 표시됨)의 함수로서 Ti/TiN 웨팅/배리어 이중 배리어층 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대한 종래 기술의 비교 데이터를 도시한 그래프(400)이다. Ti 웨팅층은 공지된 조준 기술을 사용하여 증착되었다. TiN층은 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되었다. 약 6000Å㎛의 두께를 갖는 알루미늄층은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되었다. 곡선(406)은 하부의 Ti 웨팅층이 약 300Å의 두께를 가지고 TiN 배리어층이 약 1200Å의 두께를 가지며 또한 상부 알루미늄층이 약 350℃에서 증착될 때, 상부 알루미늄의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시하고 있다. 그 결과, (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 약 2.45 내지 2.55°의 범위를 갖는다. 곡선(408)은 하부 Ti 웨팅층의 두께가 약 300Å이고, TiN 배리어층의 두께가 약 800Å일 때, 상부 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시하고 있다. 비록 TiN 두께의 감소가 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에서의 개선을 제공하지만, 이러한 인디케이터는 2°이상을 유지한다. 알루미늄은 다시 350℃에서 증착되었지만, 이후에 기술된 바와 같이, 이는 하부 Ti/TiN 웨팅/배리어층이 본 발명의 방법을 사용하여 증착될 때의 적절한 알루미늄 증착 온도 보다 높다. 곡선(410)은 Ti층의 두께가 300Å이고, TiN층의 두께가 1200Å이며, 알루미늄층이 175℃에서 증착될 때, 하부 Ti/TiN 웨팅/배리어층을 도시하고 있다. 놀랍게도, 낮은 온도에서의 알루미늄층의 증착은 350℃의 알루미늄 증착 온도에서 얻어진 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도 보다 개선된 각도를 제공한다. 상부 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 약 1.7°를 유지한다. 곡선(412)은 Ti층의 두께가 300Å이고, TiN층의 두께가 800Å이며, 알루미늄층이 175℃에서 증착될 때, 하부 Ti/TiN 웨팅/배리어층을 도시하고 있다. 다시 한번, TiN 배리어층 두께의 감소는 (111) FWHM을 개선시키지만, 이러한 인디케이터는 바람직한 1°이하를 훨씬 초과하여 약 1.5 내지 1.4°에서 견고하게 유지된다.
도 4c는 본 발명의 방법을 사용하여 준비된 이중층 웨팅/배리어 구조물과 상부 알루미늄층으로 형성된 삼중층 스택에 대한 비교 데이터를 도시한 그래프이다. 이중층 구조물은 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 초기 Ti층 및 이후에 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 TiN층으로 구성된다. 상부 알루미늄층은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된다. 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 TiN층이 인가된 바이어스로 기판에 증착되거나 또는 바이어스가 없이 기판에 증착될 때, TiN층의 두께의 함수로서 도시되어 있다.
도 4c는 TiN층의 두께(축선(424)으로 도시됨)의 함수로서 Ti/TiN 웨팅/배리어 이중층 위에 증착된 알루미늄에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도(축선(422)으로 도시됨)를 도시한 그래프(420)이다. 도 4c는 Ti 웨팅층이 고밀도 플라즈마의 존재 하에서 증착되고, TiN층이 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되는 본 발명의 바람직한 일실시예를 도시하고 있다. 약 4500Å 두께의 알루미늄층은 약 300℃의 온도에서 Ti/TiN 웨팅/배리어층 위에 증착되었다. 곡선(426)은 300Å의 Ti층이 약 150℃의 온도에서 고밀도 플라즈마로부터 스퍼터링되고, 이후 약 250℃의 온도에서 그래프(420)의 축선(424)으로 도시된 두께를 갖는 TiN층이 표준 반응성 스퍼터링에 의해 증착된 하부 Ti/TiN 배리어층을 도시하고 있다. 이러한 웨팅/배리어 이중층은 기판에 바이어스가 인가되지 않은 채로 적용된다. 그 결과, 상부 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 약 1°보다 작았다(TiN층의 두께가 약 300 내지 600Å으로 증가될 때 약 0.86 내지 0.91°의 범위를 갖는데 비해). 곡선(428)은 300Å의 Ti층이 약 150℃의 온도에서 고밀도 플라즈마로부터 스퍼터링되고, 이후 약 250℃의 온도에서 TiN층이 표준 반응성 스퍼터링에 의해 증착된 Ti/TiN 배리어층 위에 증착된 알루미늄층에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도 데이터를 도시하고 있다. 그렇지만, 이러한 Ti 웨팅층은 약 -33V의 전압이 발생하도록 기판에 바이어스가 인가된다. 결과적으로, 상부 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 약 300Å 내지 600Å 범위의 전체 TiN 두께에 대해 약 0.80°로 감소되었다.
도 4d는 알루미늄층 증착 온도(실제 기판 온도보다 대략 50℃ 정도 높은 알루미늄 가열 온도로서 축선(434)으로 도시됨)의 함수로서 표준 스퍼터링 조건을 사용하여 이중 Ti/TiN 웨팅/배리어층 위로 대략 5000Å의 두께로 증착된 알루미늄층에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도(축선(432)으로 도시됨)를 도시한 그래프(430)이다. Ti 웨팅층은 약 -26V로 바이어스된 기판에 고밀도 플라즈마의 존재 하에서 증착되었으며, 약 300Å의 두께를 갖는다. TiN층은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 약 300Å의 두께로 증착되었다.
곡선(436)은 알루미늄 증착 온도가 증가할 때 록킹 곡선 FWHM의 감소를 도시하고 있는데, 보다 상세하게, 알루미늄이 약 125℃의 기판 온도(175℃의 가열기 온도)에서 증착될 때의 알루미늄에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도 1.0°로부터 알루미늄이 약 425℃의 기판 온도에서 증착될 때의 알루미늄에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도 0.8로 알루미늄에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 감소되었다. 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 낮은 바이어스(기판에 대해 -26V)로 고밀도 플라즈마를 사용하여 하부 Ti 웨팅층을 증착함으로써 1°아래로 감소되었다.
도 4e는 두 개의 상이한 Ti/TiN 웨팅/배리어 이중층 구조물 위에 증착된 두께 5000Å의 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대한 비교 데이터를 도시하고 있다. 곡선(456)은 Ti층이 조준식 스퍼터링 기술을 사용하여 약 300Å의 두께로 증착되고 TiN층이 전형적인 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 약 300Å의 두께로 증착된 종래 기술의 웨팅/배리어 이중층 구조물을 도시하고 있다. 곡선(456)에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도(축선(452)으로 도시됨)는 약 1.4 내지 2.15°의 범위를 가지며, 기판 온도가 약 125 내지 300°로 증가될 때 록킹 곡선 FWHM 각도는 증가한다. 곡선(458)은 Ti층이 약 -50V로 바이어스된 기판 상에 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착되고 TiN층이 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되는 Ti/TiN 이중층 위에 증착된 동등한 알루미늄 박막에 대해 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도가 약 1°이하로 개선된 것을 나타내고 있다. 다시, Ti층은 약 300Å의 두께를 가지며, TiN층은 약 300Å의 두께를 가진다. 이러한 데이터는 Ti층이 고밀도 플라즈마의 존재 하에서 적절하게 바이어스된 기판 상으로 스퍼터링될 때 Ti/TiN 웨팅/배리어층의 우수성을 나타낸다.
도 4f는 이중층 Ti/TiN 구조물 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대한 비교 데이터를 도시한 그래프로서, 여기서 곡선들 중 하나는 Ti층이 조준식 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되고 이후에 TiN층이 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된 이중층에 대한 것인 반면, 다른 하나는 Ti층 및 TiN층 모두가 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 본 발명의 바람직한 실시예 중 하나를 사용하여 적용된 이중층에 대한 것이다. 두 번째 예에서, 양 배리어층은 조준 기술을 사용하여 증착된다. 그래프는 각각의 예에서 알루미늄 증착 온도의 함수로서 증착된 알루미늄층의 록킹 곡선 FWHM를 도시하고 있다. 비록 Ti 및 TiN 배리어층의 두께가 샘플 마다 변하더라도, 변화율은 결코 20%를 초과하지 않으며, 이러한 두께 변화율은 본 데이터의 비교 특성에 영향을 미치지 않는 것으로 여겨진다.
도 4f는 알루미늄층 증착 온도(알루미늄 가열기 온도로서 축선(444)으로 도시됨)의 함수로서 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 Ti/TiN 이중 배리어층 위에 증착된 5000Å 두께의 알루미늄층 스퍼터링의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대한 비교 데이터를 도시하고 있다. 도 4f에서 곡선(446)으로 도시된 Ti/TiN 웨팅/배리어층은 조준식 스퍼터링 기술을 사용하여 400Å 두께의 Ti층을 증착하고, 이후에 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 800Å 두께의 TiN층을 증착함으로써 준비되었다. 상부 알루미늄층에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 알루미늄 증착 온도(축선(444)으로 도시된 가열기 온도)에 따라 약 1.4 내지 2.2°의 범위를 갖는다. 이는 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 300Å 두께의 Ti층 및 고밀도 플라즈마로부터 증착된 300Å 두께의 TiN층을 포함하는 Ti/TiN 이중층 위에 증착된 알루미늄층에 대해 수득된 약 0.7°의 보다 개선된 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도와 비교된다. Ti층 또는 TiN층을 증착하는 동안 어떠한 기판 바이어스도 인가되지 않았다.
도 5a는 Ti/TiN 이중층 구조물의 Ti 웨팅층을 적용하는 동안 Ti층 위에 증착된 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도에 대한 기판 바이어싱의 효과를 도시한 그래프이다. Ti층은 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 증착되며, TiN 및 알루미늄층은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착된다. 알루미늄의 록킹 곡선 FWHM는 마찬가지로 TiN층 두께의 함수로써 도시되어 있다.
도 5a는 Ti/TiN 웨팅/배리어층의 Ti층을 증착하는 동안 기판 바이어스가 Ti/TiN 층 위에 연속적으로 증착된 알루미늄층의 록킹 곡선 FWHM 각도에 어떻게 영향을 미치는지를 도시하고 있다. 대략 4500Å의 두께를 갖는 알루미늄층은 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 약 300℃의 기판 온도에서 웨팅/배리어층 위에 증착되었다. 300Å 두께의 Ti층은 약 150℃의 기판 온도에서 고밀도 플라즈마로부터 증착되며, 이후 그래프(500)의 축선(504)상에 도시된 두께를 갖는 TiN층이 증착된다. TiN층은 약 250℃의 온도에서 기판에 어떠한 바이어스도 인가하지 않으면서 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 증착되었다. 곡선(508)은 Ti층을 증착하는 동안 어떠한 기판 바이어스도 인가되지 않을 때 최소 자가 바이어스가 존재하고, 정확한 양은 알려지지 않음), 상부 알루미늄층에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도(축선(502)를 도시하고 있다. 곡선(510)은 약 -30V의 바이어스가 인가된 기판 상에 Ti층에 증착될 때 상부 알루미늄층의 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시하고 있다. 곡선(512)은 약 -50V의 바이어스가 인가된 기판 상에 Ti층에 증착될 때 상부 알루미늄층의 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시하고 있다. 곡선(506)은 약 -95V의 바이어스가 인가된 기판 상에 Ti층에 증착될 때 상부 알루미늄층의 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시하고 있다. 명백하게, 기판 바이어스가 너무 높으면, 평활하고 조밀도가 높은 Ti/TiN 웨팅/배리어층이 얻어지지 않았다. 약 -70V 보다 큰 기판 바이어스는 바이어스가 인가되지 않는 기판에 어떠한 장점도 제공하지 못함을 알 수 있다.
도 5b는 단지 TiN 배리어층만을 적용하는 동안 기판 바이어싱의 효과를 도시한 그래프이다. 각각의 Ti층은 기판 바이어스를 적용하지 않으면서 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 증착된다. 각각의 TiN층은 고밀도 플라즈마 기술을 사용하여 증착되는데, Ti층 중 두 개는 기판 바이어스를 적용하지 않으면서 증착되고, TiN층 중 하나는 기판 상에 -210V로 증착된다. 알루미늄 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도는 마찬가지로 알루미늄 증착 온도의 함수로서 도시되어 있다.
도 5b는 이중층의 TiN층을 증착하는 동안 기판에 과도한 바이어스가 적용될 때의 영향을 도시하고 있다. 5000Å 두께의 알루미늄층이 그래프(520)의 축선(522) 상에 도시된 기판 온도에서 Ti/TiN 웨팅/배리어층 위에 증착되었다. 300Å 두께의 Ti층은 약 250℃의 온도에서 고밀도 플라즈마로부터 기판 상에 증착되었다. 곡선(528)은 TiN층이 어떠한 바이어스도 인가되지 않은 기판 위에 증착될 때 상부 알루미늄층에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도(축선(520)를 도시하고 있다. 곡선(526)은 TiN층의 반응성 증착 동안 Ti 타겟으로의 전력이 낮을 때(3kW 아닌 2kW), 상부 알루미늄층에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시하고 있다. 곡선(524)은 TiN층의 증착 동안 기판이 약 -200V로 바이어스되고 Ti 타겟으로의 전력이 3kW일 때, 상부 알루미늄층에 대한 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 도시하고 있다. 명백하게, TiN층을 증착하는 동안 과도하게 바이어스된 기판은 하부 Ti층의 적절한 증착에도 불구하고 1°미만의 (111) 록킹 곡선 FWHM을 수득하기 위해 요구되는 평활하고 높은 조밀도를 갖는 표면을 파괴할 수 있다.
비록 본 명세서가 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 기술되어 있었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 개조 및 변형이 이루어질 수 있다.
상기한 본 발명에 의해, 높은 (111) 결정 방위 알루미늄 상호접속 구조물을 증착할 수 있는 티타늄 함유 웨팅층 및 웨팅/배리어 구조물을 제공함으로써, 복잡한 제조 공정을 단순화시키고 제조 비용을 절감시킬 수 있다.

Claims (27)

1°이하의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 갖는 알루미늄층을 형성하는 방법으로서,
a) 고밀도 플라즈마를 사용하여 기판 상에 티타늄층을 증착하는 단계와, 그리고
b) 고밀도 플라즈마 또는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 상기 티타늄층의 표면 상에 상기 알루미늄층을 증착하는 단계를 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 티타늄층을 100Å 내지 300Å 범위의 두께로 증착하는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 티타늄층이 증착되는 기판을 -0V 내지 -95V로 바이어스시키는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 알루미늄을 75℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 증착하는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 알루미늄을 350℃ 미만의 온도에서 증착하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 알루미늄을 75℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 증착하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 알루미늄을 350℃ 미만의 온도에서 증착하는 방법.
1°이하의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 갖는 알루미늄층을 형성하는 방법으로서,
a) 고밀도 플라즈마를 사용하여 기판 상에 티타늄층을 증착하는 단계와,
b) 상기 티타늄층의 표면 상에 질화티타늄층을 증착하는 단계와, 그리고
c) 고밀도 플라즈마 또는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 상기 질화티타늄층의 표면 상에 상기 알루미늄을 증착하는 단계를 포함하는 방법.
제 8항에 있어서, 상기 티타늄층을 100 내지 300Å 범위의 두께로 증착하는 방법.
제 8항에 있어서, 상기 질화티타늄층을 고밀도 플라즈마 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착하는 방법.
제 8항에 있어서, 상기 질화티타늄층을 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착하는 방법.
제 8항에 있어서, 상기 티타늄층이 증착되는 기판을 -0V 내지 -95V로 바이어스시키는 방법.
제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄을 75℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 증착하는 방법.
제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄을 350℃ 미만의 온도에서 증착하는 방법.
1°이하의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 갖는 알루미늄층을 형성하는 방법으로서,
a) 고밀도 플라즈마를 사용하여 기판 상에 제 1티타늄층을 증착하는 단계와,
b) 상기 제 1티타늄층의 표면 상에 질화티타늄층을 증착하는 단계와,
c) 상기 질화티타늄층의 표면 상에 제 2티타늄층을 증착하는 단계와, 그리고
d) 고밀도 플라즈마 또는 표준 스퍼터링 기술을 사용하여 상기 제 2티타늄층의 표면 상에 상기 알루미늄층을 증착하는 단계를 포함하는 방법.
제 15항에 있어서, 상기 티타늄층을 100 내지 300Å 범위의 두께로 증착하는 방법.
제 15항에 있어서, 상기 질화티타늄층을 고밀도 플라즈마 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착하는 방법.
제 15항에 있어서, 상기 질화티타늄층을 표준 반응성 스퍼터링 기술을 사용하여 증착하는 방법.
제 15항에 있어서, 상기 제 1티타늄층이 증착되는 기판을 -0V 내지 -95V로 바이어스시키는 방법.
제 15항에 있어서, 상기 제 2티타늄층을 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착하는 방법.
제 17항에 있어서, 상기 제 2티타늄층을 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착하는 방법.
제 16항 또는 제 18항 또는 제 19항에 있어서, 상기 알루미늄을 500℃ 미만의 온도에서 증착하는 방법.
제 16항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄을 350℃ 미만의 온도에서 증착하는 방법.
1°이하의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도를 갖는 알루미늄층을 갖춘 알루미늄 상호접속 구조물로서,
a) 고밀도 플라즈마를 사용하여 증착된 하나 이상의 하부 티타늄층과, 그리고
b) 상기 티타늄층의 상부에 증착된 알루미늄층을 포함하며,
상기 알루미늄층의 (111) 록킹 곡선 FWHM 각도가 상기 티타늄층의 텍스처링에 의해 영향을 받는 알루미늄 상호접속 구조물.
제 24항에 있어서, c) 상기 티타늄층 위 및 상기 알루미늄층 아래에 질화티타늄층을 더 포함하는 알루미늄 상호접속 구조물.
제 25항에 있어서, 상기 질화티타늄이 표준 스퍼터링을 사용하여 증착하는 알루미늄 상호접속 구조물.
제 26항에 있어서, d) 상기 질화티타늄층 위에 제 2티타늄층을 더 포함하는 알루미늄 상호접속 구조물.
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