KR20010030989A - 금속 필름의 화학적 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 표면 상에 실질적으로 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는 두꺼운 금속 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다. 기판을 플라스마에 노출시킨다. 제1의 얇은 금속 필름은 화학적 증착법으로 기판 상에 부착시킨다. 필름이 부착된 기판을 플라스마에 노출시키고, 제2의 얇은 금속 필름을 제1 필름의 상부에 부착시킨다. 기판은 목적한 두께의 필름이 수득될 때까지 플라스마 노출 및 필름 부착의 후속적인 사이클을 수행한다. 생성되는 필름은 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는다.

Description

금속 필름의 화학적 증착 방법{Method of chemical vapor deposition of metal films}
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 반도체 기판 상에서의 금속 필름의 화학적 증착법(CVD), 및 보다 구체적으로는 비교적 평활하고 저항이 낮은 금속 필름 피복물을 갖는 기판 표면을 제조하는 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
집적 회로(IC)의 형성시, 얇은 필름 함유 금속 및 비금속 원소는 흔히 반도체 기판의 표면에 부착하여 회로 및 IC와 같은 각종 장치 사이에 전도성 및 저항 접촉을 제공한다. 예를 들어, 목적한 금속의 얇은 필름은 노출된 접촉 표면에 또는 반도체 기판 상의 홀을 통해 도포될 수 있다. 기판 상의 절연층을 통과하는 필름은 절연층을 교차하여 상호접촉하도록 하기 위한 목적으로 전도성 재료의 플러그를 제공한다.
얇은 금속 필름을 부착시키기 위한 익히 공지된 하나의 방법은 화학적 증착법(CVD)이다. CVD에서, 얇은 필름은 기판의 표면에서 각종 부착물 또는 반응물 기체 사이의 화학 반응을 사용하여 부착된다. 반응물 기체는 반응 챔버 내부의 기판 근처로 펌핑하고, 후속적으로 기체를 기판 표면에서 반응시켜 노출된 기판 표면 상에 필름을 형성하는 하나 이상의 반응 부산물을 생성한다.
화학적 증착법에 의해 기판 상에 부착된 얇은 금속 필름은 평활한 거울상 표면 형태를 갖는다. 그러나, 보다 많은 필름이 부착됨에 따라, 필름의 표면 형태는 필름 두께에 직접적으로 비례하여 거칠고 탁해진다. 거친 표면은, 전자 이동을 유발하고, 이에 의해 금속 원자가 고 전류 밀도하의 전자 유동에 의해 소비되는 힘에 의해 구동되는 입자 경계를 따라 운송되기 때문에, 바람직하지 않다. 결과적으로, 공극이 금속 라인의 한쪽 말단에서 형성되고, 분출이 다른쪽 말단에서 형성된다. 이는 공극 면적에서의 회로 고장 가능성을 증가시킨다.
구리 필름이 부착될 경우, 평활한 표면 형태 외에, 필름이 순수한 구리 금속의 저항인 1.68μΩ-cm의 벌크 저항에 근접하는 저항을 갖는 것이 통상적인 반도체 기판의 제조에 바람직하다. 약 2μΩ-cm보다 큰 저항을 갖는 구리 필름은 제조 기술에 따라 낮은 생존 능력을 갖는데, 이는 유사하게 높은 저항을 갖는 다른 금속이 구리를 대체할 수 있기 때문이다. 필름 저항에 영향을 줄 수 있는 인자는 필름 두께, 밀도, 순도 및 입자 크기를 포함한다.
따라서, 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는 두꺼운 금속 필름으로 피복된 기판을 제조하는 방법이 제공된다.
발명의 요약
상기한 목적을 위해, 및 본 발명의 원리에 따라서, 본 발명의 하나의 목적은 기판 표면 상에 실질적으로 평활한 표면 형태를 갖는 금속 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기판 표면 상에 저항이 낮은 금속 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 기판 표면 상에 실질적으로 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는 구리 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 실질적으로 평활한 표면 형태를 갖고 저항이 약 2μΩ-cm 미만인 두께가 약 750Å보다 큰 구리 필름 피복물을 갖는 기판을 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명은 기판 표면 상에 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는 금속 필름을 부착시키는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 기판 표면 상에 평활한 표면 형태를 갖고, 두께가 약 750Å 미만인 구리 필름에 필적할 만한 저항을 갖고 두께가 약 750Å보다 큰 구리 필름을 부착시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 원리에 따라서, 기판을 플라스마에 노출시키는 방법이 제공된다. 얇은 금속 필름은 화학적 증착법에 의해 기판 표면 상에 부착시킨다. 피복된 기판은 플라스마에 노출시킨다. 후속적으로 제2의 얇은 금속 필름 층을 기판 표면 상에 이미 부착된 필름 층 위에 부착시킨다. 기판을 다시 플라스마에 노출시킨다. 추가의 필름 층을 부착시키고 플라스마에 노출시키는 연속 사이클을 수행하여 목적한 두께의 필름을 수득한다. 바람직한 양태에서, 플라스마는 수소/아르곤 플라스마이고, 필름은 구리 필름이다. 본 발명의 방법에 따라서 부착될 구리 필름은 순수한 구리 금속의 벌크 저항에 근접하는 저항을 나타내고 실질적으로 평활한 표면 형태를 갖는다.
상기한 바에 따라, 화학적 증착법에 의해 기판 상에 부착될 실질적으로 평활한 표면 형태 및 낮은 저항을 갖는 두꺼운 금속 필름을 제공하는 방법이 제공된다. 본 발명의 상기한 목적 및 기타 목적 및 잇점은 첨부된 도면 및 이의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 서스셉터(susceptor) 및 기판의 개략도이다.
도 2는 구리 CVD용 반응 챔버의 개략적인 단면도이다.
도면의 상세한 설명
도 1에서, 구리 CVD 동안 반도체 기판(22)용 서스셉터(20)를 도시한다. 통상적인 서스셉터(20)는 이의 상부(26a) 및 측면(26b) 표면에 천연 산화물 층(24)을 갖는다. 기판(22)은 가공 동안 서스셉터(20)에 지지된다. 기판(22)은 이의 상부 표면(28)으로서 두께가 약 10 내지 약 20Å인 천연 산화물 층(30)을 갖는다. 이 상부 층(30)은, 또한 규소 층(34)에 피복된 두께가 약 500Å인 TiN 층(32)의 상부에 또한 존재한다.
도 2에서, 화학적 증착법에 의해 반도체 기판(22)의 표면(28)에 구리 부착용 반응기(45)가 예시된다. 반응기(45)는 가공 공간(48)을 포함하는 반응 챔버(46)를 포함한다. 서스셉터(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 특허 제5,628,829호에 기술된 시스템과 같은 기체 운반 시스템은 CVD 공정용 기체의 적절한 유동 및 분포를 제공한다. 일반적으로, 기체 운반 시스템은 반응 챔버(46)에서 수평의 샤워 꼭지(50)와 같은 기체 분산 소자를 함유한다. 샤워 꼭지(50)는 들어오는 반응물 기체를 반응 챔버(46)의 가공 공간(48) 주위로 살포하여 서스셉터(20) 및 기판(22) 근처에 기체의 균일한 분포 및 유동을 보장한다. 균일한 기체 분포 및 유동은 균일하고 효율적인 부착 방법, 조밀한 플라스마 및 균일하게 부착된 필름에 바람직하다.
구리 필름 부착을 위해, 2분자의 구리 전구체, 구리I헥사플루오로아세틸아세토네이트 트리메틸비닐실란(CuI(hfac)(tmvs))을 다음과 같은 불균형 반응에 의해 반응시켜 구리 금속을 생성한다:
2CuI(hfac)(tmvs) → Cu0+ CuII(hfac)2+ 2(tmvs)
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; 액체의 전구체 유동 약 0.2 내지 약 1.0ml/min(증기 약 16 내지 80sccm과 대등함); 및 희석액 유동 약 100sccm.
본 발명의 하나의 양태에 따라서, 반응기(45)에는 가공하기 위해 기판(22)을 놓기 전에 또는 놓은 후에 서스셉터(20)를 수소/아르곤 플라스마에 노출시키기 위한 플라스마 생성 장치(51)를 장착시킨다. 서스셉터(20)를 수소/아르곤 플라스마에 노출시키기 위한 장치(51)는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에 명백하게 참조로 인용된, 질화티탄 기판 표면 상에 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 부착된, 450KHz를 발생시킬 수 있는 고주파(RF) 발생기(52)를 포함한다.
본 발명의 방법에서, 서스셉터(20)에 지지된 기판(22)은 반응 챔버(46)에서 수소/아르곤 플라스마에 노출시킨다. 반응 챔버(46)에서의 조건은 다음과 같다: 챔버 압력 약 1torr; 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 부착시켜 얇은 구리 필름을 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; 전구체 유동 속도 약 0.2 내지 1.0ml/min; 및 희석액 유동 속도 약 100sccm.
후속적으로, 기판(22)을 플라스마 노출에 대하여 상기한 바와 동일한 조건하에 수소/아르곤 플라스마에 노출시킨다. 제2의 얇은 구리 층을 후속적으로 구리 부착에 대하여 상기한 바와 같은 반응 챔버(46)에서의 조건하에 제1 층의 상부에 부착시킨다. 바람직하게는, 제2의 구리 필름 층의 두께는 약 300Å이다. 구리 부착에 따르는 후속적인 추가의 플라스마 노출 사이클을 사용하여 목적한 두께의 구리 필름을 생성할 수 있다.
본 발명은 양태의 설명에 의해 설명되고, 예시적인 양태가 보다 상세하게 기술되었지만, 본 발명자는 첨부된 청구의 범위의 범위를 상기 상세한 설명으로 한정하거나 제한하고자 하는 것은 아니다. 추가의 잇점 및 변형이 당해 기술분야의 숙련가에게 용이하게 인지될 것이다. 예를 들어, 서스셉터(20)는 본원에서 명백하게 전적으로 참조로 인용된, "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. 따라서, 본 발명은 이의 광범위한 국면에서 도시되고 기술된 구체적인 상세한 설명, 대표적인 장치 및 방법, 및 예시용 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 발명 개념의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고서 상기 상세한 설명으로부터 변경이 수행될 수 있다.

Claims (23)

  1. (a) 기판을 플라스마에 노출시키는 단계;
    (b) 기판의 적어도 하나의 표면에 제1 금속 필름을 부착시키는 단계;
    (c) 필름이 부착된 기판을 플라스마에 노출시키는 단계; 및
    (d) 제2 금속 필름을 기판의 표면 상의 제1 금속 필름의 상부에 부착시키는 단계를 포함하여, 화학적 증착법에 의해 반도체 기판 표면 상에 금속 필름을 부착시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계(c) 및 (d)를 반복하여 목적한 필름 두께를 수득함을 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 노출 단계(a) 및 (c)가 기판을 수소/아르곤 플라스마에 노출시킴을 포함하고, 부착 단계(b) 및 (d)가 구리 필름을 부착시킴을 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 단계(c) 및 (d)를 반복하여 목적한 필름 두께를 수득함을 추가로 포함하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 부착 단계가 약 0.1 내지 10torr 범위, 바람직하게는 약 0.5 내지 2.0torr 범위의 압력하에 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 부착 단계가 약 0.01 내지 약 5ml/min의 범위, 바람직하게는 약 0.2 내지 약 1.0ml/min 범위의 전구체 유동에서 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 부착 단계가 약 10 내지 1500sccm 범위, 바람직하게는 약 100sccm의 수소 유동하에 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  8. 제3항에 있어서, 부착 단계가 약 120 내지 280℃ 범위, 바람직하게는 약 170℃의 서스셉터 온도에서 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  9. 제3항에 있어서, 노출 단계가 약 0.1 내지 25torr 범위, 바람직하게는 약 1torr의 압력하에 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  10. 제3항에 있어서, 노출 단계가 약 50 내지 1500W의 범위, 바람직하게는 약 750W의 전력에서 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  11. 제3항에 있어서, 노출 단계가 약 250 내지 500KHz 범위, 바람직하게는 약 450KHz의 주파수에서 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  12. 제3항에 있어서, 노출 단계가 약 50 내지 5000sccm 범위, 바람직하게는 약 200sccm의 수소 유동하에 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  13. 제3항에 있어서, 노출 단계가 약 10 내지 1500sccm 범위, 바람직하게는 약 50sccm의 아르곤 유동하에 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  14. 제3항에 있어서, 노출 단계가 약 120 내지 280℃ 범위, 바람직하게는 약 170℃의 서스셉터 온도에서 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  15. 제3항에 있어서, 노출 단계가 약 2 내지 240초 범위, 바람직하게는 약 10초의 시간 동안 반응 챔버에서 발생하는 방법.
  16. (a) 서스셉터에 지지된 기판을 수소/아르곤 플라스마에 노출시키는 단계;
    (b) 기판의 적어도 하나의 표면에 두께가 약 500Å인 제1 구리 필름을 부착시키는 단계;
    (c) 구리 필름을 함유하는 기판을 수소/아르곤 플라스마에 노출시키는 단계; 및
    (d) 두께가 약 300Å인 제2 구리 필름을 기판의 표면 상의 제1 구리 필름의 상부에 부착시키는 단계를 포함하여, 반도체 기판 상에 CVD-구리 필름을 제조하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 단계(c) 및 (d)를 반복하여 목적한 필름 두께를 수득함을 추가로 포함하는 방법.
  18. 제1항의 방법에 따르는 생성물.
  19. 제2항의 방법에 따르는 생성물.
  20. 제3항의 방법에 따르는 생성물.
  21. 제4항의 방법에 따르는 생성물.
  22. 제16항의 방법에 따르는 생성물.
  23. 제17항의 방법에 따르는 생성물.
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