KR20010080437A - 스퍼터링을 위한 고순도 탄탈 표적 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 낮은 오염물질 수준, 즉 약 30ppm 미만의 금속성 오염물질, 약 50ppm 미만, 바람직하게는 10ppm 미만의 니오븀 오염물질, 약 10ppm 미만의 몰리브덴, 약 15ppm 미만의 금 및 약 10ppm 미만의 텅스텐을 갖는 표적으로부터 탄탈 및/또는 질화탄탈을 스퍼터 침착시킴으로써 수득되는 개선된 탄탈 함유 배리어 층에 관한 것이다. 이들 층을 포함하는 구리 커패시터의 손상에 걸리는 평균 시간은 다량의 오염물질을 갖는 통상적인 탄탈 표적의 이용에 비해서 증가된다.
Description
반도체 장치의 제조에 있어서, 전도성 금속 접촉부와 라인은 산화 규소와 같은 유전층상에 증착된다. 현재까지, 알루미늄이 최상의 금속 전도체였다. 알루미늄은 승온 처리 동안에 규소내로 확산되므로, 알루미늄의 기판내로의 확산 또는 "스파이킹(spiking)"을 방지하도록 배리어층, 특히 질화 티탄을 포함하는 층이 통상적으로 기판과 알루미늄 사이에 증착된다.
구리는 알루미늄 보다 우수한 전도체이며, 전기적이동에 대한 저항성이 알루미늄 보다 높다. 그러나, 구리는 규소와 반응하며, 승온 및 가해진 전기장하에서 이산화 규소와 같은 다양한 유전체내로 확산된다. 따라서, 양호한 배리어층은 알루미늄이 전도체로서 사용될 때와 같이 구리 라인과 접촉부에 대해 필수적이다.
탄탈은 구리에 대한 배리어층으로서 실험되어 왔다. 탄탈은 위에 놓여있는 구리층에 대한 양호한 전도체 및 양호한 습윤제이며, 또한 구리가 기판내로 확산되는 것을 방지하기 위한 매우 양호한 배리어이다. 질소 기체의 존재하에서 탄탈을 스퍼터 증착시킴으로써 생성된 질화 탄탈은 탄탈 보다 우수한 배리어이지만, 탄탈 보다 높은 저항성을 지닌다. 탄탈과 질화 탄탈 둘 모두가 구리 보다 훨씬 높은 저항성을 지니므로, 이들을 사용하는 것은 구리를 전도체로서 사용하는 경우 얻어지는 이점을 약간 떨어뜨린다. 구리의 우수한 전도성을 이용하기 위해서는, 탄탈 또는 질화 탄탈 배리어층은 등각이며, 가능한한 얇아야 한다.
통상적인 스퍼터링(sputtering), 특히 직경이 작고 종횡비가 큰 개구부내로의 스퍼터링은 얇은 등각 코팅을 이러한 개구부내로 증착시키기에 부적합한 것으로 발견되었다. 통상적인 스퍼터링은 DC 전원에 연결되어 있는 스퍼터링시키려는 물질의 표적을 사용하여 고진공 챔버에서 수행된다. 기판은 표적으로부터 평행하게 이격되어 있는 지지체상에 장착되고, 아르곤이 챔버내로 전달된다. 표적의 후면에 부착된 영구 자석은 표적에 전력이 공급되면 아르곤 이온을 표적 표면쪽으로 끌어당기고, 여기서, 이러한 아르곤 이온은 표적 물질의 입자에 충격을 주어 입자를 스퍼터링시킨다. 그 후, 이렇게 스퍼터링된 입자는 기판상에 증착된다.
그러나, 불운하게도, 스퍼터링은 수직 방향으로만 일어나는 것이 아니라 수평 방향을 제외한 모든 방향에서 일어난다. 따라서, 종횡비가 크고 직경이 작은 개구부을 충전시키려는 경우, 스퍼터링된 입자는 개구부의 상단에 비해 개구부의 하단과 측벽상에는 거의 증착되지 않는다. 이는 종횡비가 큰 개구부(16)의 상단(12)과 상부 측벽(14)상의 표적 물질(10)의 축적을 도시하는 도 1에 도시되어 있다. 이러한 축적은 많은 스퍼터링된 입자가 개구부(16)의 하단(18)과 하단측벽(20)에 도달하지 못하도록 해준다. 배리어 물질로서의 생성된 코팅은 필요한 정도로 등각이 아니다.
스퍼터링된 입자의 수직성(verticality)을 개선시키기 위해, 개선된 스퍼터링 챔버가 개발되었다. 고밀도 플라즈마가 스퍼터링 챔버내에서 RF 전원에 커플링된 유도 코일에 의해 표적과 기판 사이에 형성된다. 입자가 표적으로부터 스퍼터링되는 경우, 이들은 코일 근처의 플라즈마 영역을 통과하여, 이 영역에서 이온화된다. 기판이 바이어싱(biasing)된 경우, 기판 지지체에 전력이 공급됨으로써 기판이 음 하전되며; 플라즈마 영역에 형성된 양 하전된 스퍼터링된 이온은 기판쪽으로 끌려가고, 이들은 더욱 수직한 방향으로 기판에 충격을 가한다. 이와 같이, 보다 많은 수의 스퍼터링된 입자는 이러한 유형의 챔버내 개구의 기부 및 기부 측벽상에 증착되어, 기부 커버링을 상당히 증대시키고 보다 적합한 스퍼터링된 층을 생성시킨다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같은 이러한 개선된 스퍼터링 챔버는 "이온화된 금속 플라즈마" 또는 "IMP" 챔버로 공지되어 있다. 이러한 IMP 챔버(170)는 챔버(170)의 상부벽(173)상에 고정된 탄탈 그대로의 통상의 표적(172)을 포함한다. 한쌍의 대향 자석(176, 178)은 표적(172)의 상부의 전면에 고정된다. 기판(175)상에 포함되어 있는 기판 지지체(174)는 표적(172)의 반대편에 고정된다. 전력원(180)은 표적(172)에 연결되며, RF 전력원(182)은 기판 지지체(174)에 연결된다. 조절장치(200)는 가스 유량을 조절한다. 1회 이상 감을 수 있으며, 바람직하게는 표적(172)과 동일한 물질로 제조되는 나선형 코일(186)은 표적(172)과 기판 지지체(174) 사이에 고정되며, RF 전력원(188)에 또한 연결된다. 용기(192) 및(194)내 아르곤 및 질소와 같은 가스는 각각 가스 유량조절 밸브(196) 및 (198)에 의해 챔버(170)내로 계량된다. 챔버내 압력은 세가지 형상의 게이트 밸브(199)를 경유하여 유입구(191)를 통해 극저온 펌프(190)에 의해 유지된다.
챔버내 압력이 상당히 높은 경우, 즉, 약 10 내지 수백 밀리토르인 경우, 내부 유도 결합 코일(186)은 표적(172)과 지지 전극(174) 사이의 영역에 고밀도 플라즈마를 제공한다. 압력이 지나치게 낮은 경우, 꽤 적은 수의 입자가 존재하며 충분한 금속 이온화가 전력 코일의 영역에서 일어나지 않을 것이다. 게이트 밸브(199)는 펌핑 속도를 조절하는데 사용되며, 바꾸어 말하면, 챔버내 압력을 요망 범위, 일반적으로는 약 10 내지 100 밀리토르 범위로 조절하는데 사용된다.
IMP 챔버를 사용하게 되면 보다 강한 배리어층을 증착시킬 수 있고 배리어층의 적합성이 우수하게 되지만, 다양한 문제점이 여전히 존재하게 된다. 구리 선 및 접촉물에 대한 배리어로서 탄탈 함유층을 개선시키기 위한 증착 장치 및 증착 방법은 개속해서 연구해야할 개선점이다.
본 발명은 반도체 장치 제조용의 구리 금속 라인과 접촉부를 위해 개선된 배리어층을 증착시키는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 향상된 배리어 성능을 지니는 탄탈 함유 배리어층을 증착시키는 방법에 관한 것이다.
발명의 요약
본 발명자들은 탄탈 표적내의 불순도 수준이 탄탈 함유 배리어층 특성에 많은 영향을 미친다는 것을 발견하였다. IMP 챔버내에서 고순도의 탄탈 표적을 사용함으로써, 구리 선 및 접촉물에 대한 탄탈 함유 배리어층으로 제조된 MOS 커패시터의 수명 및 재현성은 상당히 개선된다. 개선은 또한 IMP 챔버의 코일이 고순도 탄탈 물질로 제조되는 경우에도 나타난다.
도면의 간단한 설명
도 1은 종개 기술 방법에 따라 물질로 부분적으로 충전시킨 개구의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 유용한 변형된 물리적 기상 증착 챔버의 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 시험용 MOS 커패시터의 개략적인 횡단면도이다.
도 4는 종래 기술의 표적을 사용하는 경우의 고장 시간에 대한 누적 확률을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 개선된 표적을 사용하는 경우의 고장 시간에 대한 누적 확률을 나타내는 그래프이다.
도 6은 종래 기술의 표적을 사용하는 경우의 고장 시간에 대한 누적 확률을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 개선된 표적을 사용하는 2개 시험의 고장 시간에 대한 누적 확률을 나타내는 그래프이다.
발명의 상세한 설명
구리 선에 대한 탄탈 함유 배리어층의 거칠기는 275℃ 및 2MV/cm에서 바이어스 온도 응력 시험(BTS)을 사용하여 Si/SiOx/TaN 배리어층/Cu 층 구조를 시험용 MOS 커패시터 구조물을 전기적으로 시험함으로써 정량적으로 최적으로 특성화될 수 있다. 적합한 시험용 금속-산화물 반도체(MOS) 커패시터는 도 3에 도시되어 있다.규소 기판(110)은 산화규소와 같은 유전층(112)로 일반적으로 약 1000Å 두께로 피복된다. 얇은 배리어 층(114)는 침착되고 전도성 구리 금속층(116)은 배리어 층 위에 침착된다. 캡 층(118)은 전압이 가해질 수 있는 구리층(116) 위에 침착된다. 상기 산화물 층을 통과하는 전류는 측정된다. 구리가 배리어층을 통해 산화물 층으로 확산되는 경우, 산화물의 극단적인 손상이 주목된다. 손상에 걸리는 평균 시간(MTTF: median time to failure)은 배리어 성능을 평가하는데 사용된다. 손상 분포는 데이타 포인트의 표준 편차를 제공한다.
본 발명자들은 IMP 챔버중에 표적 및/또는 표적과 코일에 사용되는 물질로서 초순도의 탄탈을 사용함으로써 탄탈 배리어 층이 개선됨을 발견하였다.
이러한 발견을 예시하기 위해서, 여러가지 탄탈 표적물에 대한 금속 및 비금속성 오염물질 모두의 불순도 수준을 측정하였다. 각각의 오염물질의 불순도 수준 및 이의 농도를 ppm(parts per million by weight) 단위(100ppm = 0.01 중량%)로 기록하였다. 그 결과를 하기 표 1에 제시하였다.
상기 표적들로부터 이루어진 시험 커패시터를 이용한 시험은 표적 1을 사용하여 수득된 배리어 층이 불리한 결과를 제공함을 보여주고 있다. 표적 2의 성능은 허용할 수 있었다. 표적 3은 표적 1 및 2를 사용하여 제조된 축전기이상의 향상된 결과를 제공하였고; 상기 표적은 더 많은 산소 및 탄소가 존재함에도 불구하고 더 적은 니오비움을 가지고 있었다. 따라서 명백하게 금속 불순물은 배리어 층성능상에 매우 불리한 효과를 가지고 있다. 가장 순수한 표적 물질인 표적 4는 가장 우수한 배리어 결과를 제공하였다.
표적 2는 배리어 층으로서 200 Å 두께의 TaN 박막을 증착시킴으로써 구리 축전기를 제조하기 위해 사용되었다. 도 4는 표적 2를 사용하여 제조된 축전기에 대한 축적 가능성 대 시간에 따른 기능상실에 대한 시간의 그래프이다. 기능상실에 대한 중앙 시간은 6.0 시간이었다.
도 5는 표적 4를 사용하여 제조된 축전기에 대한 축적 가능성 대 시간에 따른 기능상실에 대한 시간의 그래프이다. 기능상실에 대한 중앙 시간은 8.0 시간이었다.
상기 시험을 표적 2를 사용하여 3회, 표적 4를 사용하여 2회 반복하였다. 이 결과를 각각 도 6 및 도 7에 도시하였다. 비교를 통해 표적 4를 사용한 상기 결과들의 반복가능성이 표적 2에 대한 결과들 보다 훨씬 우수한 것으로 나타났다.
소량의 불순물을 가진 탄탈을 사용한 향상된 결과에 대한 이유가 명백하게 밝혀지지는 않았지만, 상기 탄탈 질화물 배리어 층을 사용하여 제조된 장치에 불리한 영향을 미치는 탄탈 및 니오비움의 금속간 화합물 및/또는 텅스텐, 티탄 및 알루미늄과 같은 그 밖의 금속성 오염물질뿐만 아니라 금속성 오염물질의 화합물 및 특정 대기 오염물질이 증착 동안에 형성된다고 생각된다.
따라서, 우수한 수명 및 우수한 반복가능성을 가진 구리에 대해 탄탈 배리어 층을 증착시키기에 유용한 향상된 표적을 형성시키기 위해, 존재하는 금속 불순물의 전체량 뿐만 아니라 존재하는 불순물의 타입이 주의깊게 조절되어야 한다. 일반적으로, 중량부로 환산하여, 50 ppm 미만의 니오비움, 텅스텐, 몰리브덴 및 그 밖의 금속 불순물들은 예컨대, 바람직하게는 10 ppm 미만으로 존재해야 할 것이다. 그러나, 표적 물질의 선정은 성능에 기초한 것이고, 구리에 대해 약한 배리어인 금속간 물질을 형성하지 않는 탄탈 표적내 오염물질의 존재는 상기 표적을 사용하여 제조된 장치의 성능에 불리하게 영향을 미치지 않을 것이다. 따라서, 탄탈내 금속성 오염물질의 양은 전체의 300 ppm 이하, 바람직하게는 100 ppm 이하로 유지된다. 15 ppm 미만의 금, 10 ppm 미만의 텅스텐, 10 ppm 미만의 몰리브덴, 바람직하게는 모든 그 밖의 금속성 오염물질에 대해 10 ppm 미만이 탄탈 표적내에서 유지되어야 할 것이다. 산소 수준은 100 ppm 이하로 유지되어야 할 것이고 질소 수준은 100 ppm 이하로 유지되어야 할 것이다.
표적 물질에 대한 특정 데이터가 상기에 제공되어 있지만, 증착된 TaN 박막이 우수한 배리어 성능 특징을 가지도록 IMP 챔버내에서 코일 및 핀을 제조하기 위해 동일하게 낮은 오염물질을 함유한 탄탈 물질이 사용되어야 할 것이다.
따라서, IMP 챔버내에서 표적 및 코일을 제조하기 위해 사용된 탄탈 물질의 오염물질 수준을 낮추는 것은 상기 탄탈으로부터 제조된 배리어 층이 구리 금속선 및 접점을 위한 튼튼하고 효과적인 배리어가 되도록 해준다.
본 발명의 표적 물질을 상기 설명한 바와 같이 어느 정도 상세하게 기술하였지만, 특정 오염물질에 대한 기준은 알려지지 않았으며, 성능에 기초하고 있다. 모든 비금속성 오염물질이 금속성 오염물질과 같이 배리어 특성상에 해로운 영향을 미치는 것은 아니며, 일부 금속성 오염물질 또는 비금속성 오염물질을 함유한 이들의 화합물은 다른 금속보다 배리어 특성에 대해 더욱 해로울 수 있다. 탄소, 질소, 산소, 수소 등과 같은 비금속성 오염물질이 최대 350 ppm으로 유지되어야 할 것으로 생각된다. 따라서, 당업자는 특정 탄탈 물질이 본 발명에 따라 유용한지를 쉽게 결정할 수 있다.
Claims (20)
- 탄탈 함유 배리어 층을 제조하는데 유용한 스퍼터링 챔버를 위한 탄탈 표적으로서, 탄탈이 소량의 금속성 오염물질을 포함하는 탄탈 표적.
- 제 1항에 있어서, 탄탈이 300ppm 이하의 금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 탄탈 표적.
- 제 2항에 있어서, 탄탈이 100ppm 이하의 금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 탄탈 표적.
- 제 1항에 있어서, 탄탈이 50ppm 이하의 니오븀을 포함함을 특징으로 하는 탄탈 표적.
- 제 4항에 있어서, 탄탈이 10ppm 이하의 니오븀을 포함함을 특징으로 하는 탄탈 표적.
- 제 4항에 있어서, 탄탈이 10ppm 이하의 몰리브덴, 10ppm 이하의 텅스텐, 15ppm 이하의 금 및 10ppm 미만의 다른 금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 탄탈 표적.
- 제 1항에 있어서, 탄탈이 350ppm 이하의 비금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 탄탈 표적.
- 300ppm 이하의 금속성 오염물질을 포함하는 탄탈 표적을 포함하는 플라즈마 스퍼터링 챔버.
- 10ppm 이하의 니오븀, 10ppm 이하의 몰리브덴, 10ppm 이하의 텅스텐, 15ppm 이하의 금 및 10ppm 미만의 다른 금속성 오염물질을 포함하는 탄탈 표적을 포함하는 이온화된 금속 플라즈마 스퍼터링 챔버.
- 제 9항에 있어서, 200ppm 이하의 금속성 오염물질을 포함하는 탄탈 표적, 이 표적에 평행하게 반대편에 있는 기판 지지체 및 이들 사이에 삽입되어 있으며 표적과 같은 탄탈 물질로 제조된 코일을 포함함을 특징으로 하는 이온화된 금속 플라즈마 스퍼터링 챔버.
- 제 10항에 있어서, 탄탈 표적이 10ppm 이하의 니오븀, 10ppm 이하의 몰리브덴, 10ppm 이하의 텅스텐, 15ppm 이하의 금 및 10ppm 미만의 다른 금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 이온화된 금속 플라즈마 스퍼터링 챔버.
- 제 9항에 있어서, 탄탈 표적이 350ppm 이하의 비금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 이온화된 금속 플라즈마 스퍼터링 챔버.
- 300ppm 이하의 금속성 오염물질을 포함하는 탄탈 표적을 스퍼터링시킴으로써 침착된 탄탈 함유 배리어 층을 포함하는 커패시터.
- 제 13항에 있어서, 탄탈 표적이 10ppm 이하의 니오븀, 10ppm 이하의 몰리브덴, 10ppm 이하의 텅스텐, 15ppm 이하의 금 및 10ppm 미만의 다른 금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 커패시터.
- 제 13항에 있어서, 탄탈 표적이 350ppm 이하의 비금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 커패시터.
- 300ppm 이하의 금속성 오염물질을 포함하는 탄탈 표적을 스퍼터링시킴으로써 탄탈 함유 배리어 층을 스퍼터 침착시키는 것을 포함하는, 구리에 대해 탄탈 함유 배리어 층의 확산 배리어 성능을 개선시키는 방법.
- 제 16항에 있어서, 표적이 50ppm 이하의 니오븀을 포함함을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 표적이 10ppm 이하의 니오븀, 10ppm 이하의 몰리브덴, 10ppm 이하의 텅스텐, 15ppm 이하의 금 및 10ppm 미만의 다른 금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 탄탈 함유 배리어 층이 질화탄탈 층을 포함함을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 표적이 350ppm 이하의 비금속성 오염물질을 포함함을 특징으로 하는 방법.
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