KR20030014563A - 구리 박막 기상 성장 방법 및 장치 - Google Patents

구리 박막 기상 성장 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

구리 박막 기상 성장 방법은 고순도 구리를 염소 가스를 함유한 가스의 플라즈마에 노출시켜 상기 고순도 구리를 에칭함으로써, 활성 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스를 생성하는 단계와, 상기 CuxCly가스를 피처리 기판의 표면상으로 반송해서 구리 박막을 성막하는 단계를 포함한다. 저가의 고순도 구리와, 저가의 염소, 염화 수소 또는 염소 및 수소를 원료 가스로서 이용함으로써 탄소와 같은 불순물이 잔류하지 않고 또한 막질이 양호한 구리 박막을 높은 재현성으로 형성할 수 있다.

Description

구리 박막 기상 성장 방법 및 장치{METAL FILM VAPOR PHASE DEPOSITION METHOD AND VAPOR PHASE DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 반도체 장치의 배선 재료 막의 형성 등에 적용되는 구리 박막 기상 성장 방법 및 구리 박막 기상 성장 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 배선 재료 등에서 이용되는 구리(Cu) 박막은 진공증착법, 이온도금법, 스퍼터링과 같은 물리적인 성막법과, 화학적 기상 성장법(CVD)에 의해서 형성된다. 특히, CVD는 표면 피복성이 우수하기 때문에 일반적으로 광범위하게 이용된다.
CVD를 이용하는 종래의 공지된 구리 박막 형성 방법은 구리·헥사플루로아세틸아세톤에이트·트리메틸비닐실란과 같은 액체의 유기 구리 복합체를 원료로서 이용하고 있다. 또한, 일본 특허 공개 제 1992-72066 호, 제 1992-74866 호 및 1997-53177 호 공보에는 플루오르를 함유하지 않은 유기 금속 복합체를 원료로서 이용하는 방법이 개시되어 있다. 이들 원료는 승화되고, 반송되고, 열, 광 또는 플라즈마에 의해서 여기되어 피처리 기판의 표면상에 구리 박막을 성막한다.
불행하게도, 상술한 종래의 구리 박막 형성 방법은 하기의 문제점을 갖고 있다.
(1) 원료 화합물이 매우 비싸기 때문에, 성막된 구리 박막의 가격이 높게 된다.
(2) 승화의 경우에 제어가 매우 곤란하기 때문에, 균질의 구리 박막을 높은 재현성으로 성막하는 것이 곤란하다.
(3) 탄소를 함유한 유기 화합물의 경우에, 구리 박막중에 탄소가 혼합되어 전기적 특성 등에 악영향을 준다.
본 발명의 목적은 저가인 고순도 구리와, 저가인 염소, 염화 수소 또는 염소 및 수소를 원료 가스로서 이용함으로써 탄소와 같은 불순물을 잔류시키지 않고 막질이 양호한 구리 박막을 높은 재현성으로 형성하는 것이 가능한 구리 박막 기상 성장 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 특성을 가진 구리 박막의 성막을 실현할 수 있는 구리 박막 기상 성장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 구리 박막 기상 성장 방법은 고순도 구리를 염소 가스를 함유한 가스의 플라즈마에 노출시켜 상기 고순도 구리를 에칭함으로써, 활성 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스를 생성하는 단계와, 상기 CuxCly가스를 피처리 기판의 표면상으로 반송해서 구리 박막을 성막하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 다른 구리 박막 기상 성장 방법은 고순도 구리를 염화 수소 가스를 함유한 가스의 플라즈마에 노출시켜 상기 고순도 구리를 에칭함으로써, 활성 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스를 생성하는 단계와, 상기 CuxCly가스를 피처리 기판의 표면상으로 반송해서 구리 박막을 성막하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 또 다른 구리 박막 기상 성장 방법은 고순도 구리를 염소 가스 및 수소를 함유한 가스의 플라즈마에 노출시켜 상기 고순도 구리를 에칭함으로써, 활성 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스 및 수소를 함유하는 혼합 가스를 생성하는 단계와, 상기 혼합 가스를 피처리 기판의 표면상으로 반송해서 구리 박막을 성막하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 각각의 구리 박막 기상 성장 방법에 있어서, 상기 고순도 구리가 200℃ 내지 400℃로 가열되는 것이 바람직하며, 상기 기판은 100℃ 내지 200℃로 가열되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 구리 박막 기상 성장 장치는 피처리 기판이 내부에 위치된 반응 용기와, 상기 반응 용기내에 상기 피처리 기판과 대향해서 배치된 고순도 구리와, 상기 반응 용기내에 설치되고, 상기 고순도 구리의 근방에 염소 가스 및 염화 수소 가스의 가스를 함유하는 가스를 공급하기 위한 가스 공급관과, 상기 반응 용기내의 상기 고순도 구리의 근방에 염소 및 염화 수소의 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 발생 수단과, 상기 반응 용기내의 가스를 배기하기 위한 배기 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 다른 구리 박막 기상 성장 장치는 피처리 기판이 내부에 위치된 반응 용기와, 상기 반응 용기내에 상기 피처리 기판과 대향해서 배치된 고순도 구리와, 상기 반응 용기내에 설치되고, 상기 고순도 구리의 근방에 염소를 함유하는 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 공급관과, 상기 반응 용기내에 설치되고, 상기 고순도 구리의 근방에 수소를 함유하는 가스를 공급하기 위한 제 2 가스 공급관과, 상기 반응 용기내의 상기 고순도 구리의 근방에 염소 및 수소의 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 발생 수단과, 상기 반응 용기내의 가스를 배기하기 위한 배기 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 각각의 구리 박막 기상 성장 장치는 상기 고순도 구리의 온도를 제어하기 위한 제 1 온도 제어 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 각각의 구리 박막 기상 성장 장치는 상기 기판의 온도를 제어하기 위한 제 2 온도 제어 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 추가적인 목적 및 이점은 하기의 설명에서 알 수 있으며, 부분적으로 상세한 설명으로부터 명확해지거나, 본 발명을 실시함으로써 알 수 있다. 본 발명의 이들 목적 및 이점은 이후에 특별히 지적되는 기구 및 조합에 의해 이뤄질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 구리 박막 기상 성장 장치의 일 실시예를 도시하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 구리 박막 성장 장치의 다른 실시예를 도시하는 개략도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 배기 부재2 : 반응 부재
3 : 가열 부재4 : 고순도 구리판
6, 13, 14 : 가스 공급관8 : RF 코일
10 : 피처리 기판11 : CuxCly플럭스
17 : CuxCly+ H 플럭스
상세한 설명의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내며, 상술한 일반적인 설명과 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하는데 도움을 준다.
이제 본 발명을 상세하게 설명한다.
(제 1 실시예)
도 1은 제 1 실시예에 따른 구리 박막 기상 성장 장치를 도시하는 개략도이다.
저부에 진공 펌프와 같은 배기 부재(1)가 연결되는 박스형 반응 용기(2)내에는 피처리 기판이 탑재되는 제 2 온도 제어 수단, 예를 들면 평판형 가열 부재(3)가 배치되어 있다. 고순도 구리, 예를 들면 고순도 구리판(4)은 반응 용기(2)의 상부에 가열 부재(3)와 대향되게 배치되어 있다. 여기에서 언급하는 고순도 구리라는 것은 구리의 순도가 99.9% 또는 그 이상인 것을 의미한다.
이러한 고순도 구리의 형상은 평판이 아니라 예를 들면 블록일 수 있다.
제 1 온도 제어 수단, 예를 들면 가열/냉각 부재(5)는 가열 부재(3)의 대향면으로 멀리 고순도 구리판(4)의 표면상에 위치되어 있다.
염소 가스를 함유하는 가스(또는 연화수소 가스를 함유하는 가스)를 공급하기 위한 가스 공급관(6)은 반응 용기(2)의 상부 측벽에 연결되어 있다. 유량 제어기(7)는 반응 용기(2)의 외부에 위치하는 가스 공급관(6)의 부분내에 설치된다.
RF 코일(8)은 반응 용기(2)의 상부 측벽 둘레에 권취된다. RF 전원(9)은 RF 코일(8)에 연결되고, 13,56㎒의 RF 파워를 상기 RF 코일(8)에 인가한다. 이와 같은 플라즈마 발생 수단은 유도 결합형 플라즈마 발생기로 한정되지 않고, 용량 결합형 플라즈마 발생기일 수 있다.
도 1을 참조하면, 고순도 구리판(4)이 반응 용기(2)의 상부에 탑재되어 있고, 피처리 기판(10)이 탑재되는 가열 부재(3) 및 배기 부재(1)가 반응 용기(2)의 하부에 탑재되어 있다. 그러나, 이러한 수직방향 위치 관계는 반전될 수도 있다.
도 1에 도시된 구리 박막 기상 성장 장치를 이용하여 구리 성막 방법을 설명한다.
우선, 기판(10)은 반응 용기(2)내의 가열 부재(3)상에 위치된다. 배기 부재(1)를 작동시켜 반응 용기(2)내의 가스(공기)를 소정의 진공도로 설정한다.
다음에, 염소(Cl2)를 함유하는 가스가 가스 공급관(6)을 통해 반응 용기(2)내로 공급된다. 이러한 염소 함유 가스의 유량은 가스 공급관(6)내에 설치된 유량 제어기(7)에 의해 제어된다. 반응 용기(2)의 상부에 위치된 고순도 구리판(4)의 온도는 가열/냉각 부재(5)에 의해 제어된다. 따라서, 이러한 고순도 구리판(4)의 온도가 제어된 후에, RF 전원(9)은 13.56㎒의 RF 파워를 RF 코일(8)에 인가하며, 이에 의해 반응 용기(2)내의 고순도 구리판(4)의 아래 근방에서 염소 플라즈마를 발생한다. 고순도 구리판(4)의 온도가 이러한 염소 함유 플라즈마의 발생에 따라서 과도하게 상승된다면, 가열/냉각 부재(5)가 고순도 구리판(4)을 목적 온도로 제어한다.
따라서, 반응 용기(2)내에 염소 플라즈마를 발생시킴으로써, 고순도 구리판(4)은 여기 염소(excited chlorine)에 의해 에칭되고 반응하여 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스를 생성한다. 이러한 CuxCly플럭스(11)는 가열 부재(3)에 의해 가열된 기판(10)으로 전달되고, 기판(10)의 표면상에 구리 박막(12)을 석출한다. 여기에서 CuxCly가스의 x 및 y는 온도에 따라 변화한다. 예를 들면, 이러한 반응은 하기의 수학식 1로 표시된다.
반응에 관여되지 않은 가스 및 에칭 생성물은 배기 부재(1)에 의해 배기된다.
예를 들면, 구리 박막의 두께는 1㎚ 내지 1㎛이다.
염소(Cl2)를 함유한 가스로서는 예를 들면 염소 가스 단독으로 또는 희석 가스를 이용할 수 있으며, 상기 희석 가스는 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 염소 가스를 희석한 것으로 염소 농도가 50% 또는 그 이하이다.
가열 부재(3)에 의해 기판(10)을 가열하는 것은 실용적인 구리 성막 속도를 얻기 위해서 고순도 구리(예를 들면 고순도 구리판)의 설정 온도보다 낮은 온도에서 실행하여 CuxCly가스의 기판 표면으로의 흡착을 촉진하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 온도가 너무 낮다면, 염화물이 구리 박막중에 형성될 수도 있다. 따라서, 고순도 구리의 온도가 200℃ 내지 400℃로 설정된다면, 기판의 온도는 예를 들면 100℃ 내지 200℃로 설정되는 것이 바람직하다.
고순도 구리판(4)의 온도를 가열/냉각 부재(5)에 의해 0 내지 600℃의 범위내로 조절함으로써, 염소 플라즈마 분위기에 있어서 표면 에칭 속도 및 에칭 형태를 제어하는 것이 가능하다. 여기에서 하한 온도는 염소 가스가 응집되지 않는 온도이며, 상한 온도는 고순도 구리가 용해되지 않는 온도이다. 즉, 온도가 상기 온도 범위내에서 상승되는 경우, 에칭 속도(CuxCly생성 량)를 증가시키고, 구리 성막속도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 구리의 박막 품질을 고려하여, 온도는 에칭 반응의 급격한 증가를 방지하기 위해서 200℃ 내지 400℃의 범위내에서 제어되는 것이 바람직하다.
반응 용기(2)내의 염소 가스의 압력은 진공 분위기에서 고순도 구리판을 실용적인 속도로 에칭하기 위해서 0.1 Torr 내지 10 Torr 범위내에서 제어되는 것이 바람직하다.
상술한 제 1 실시예에 있어서, 저가인 고순도 구리(예를 들면 고순도 구리판)(4)가 배치된 반응 용기(2)내로 저가인 염소를 함유하는 가스를 가스 공급관(6)을 통해서 공급한다. RF 전원(9) 및 RF 코일(8)은 반응 용기(2)내의 고순도 구리판(4) 아래 근방에서 염소 플라즈마를 발생한다. 이러한 방법에서, 고순도 구리판(4)은 여기 염소에 의해 에칭되고 반응하여 CuxCly가스를 생성한다. 이러한 CuxCly플럭스(11)는 기판(10)으로 전달되어 기판(10)상에 구리 박막(12)을 형성한다.
또한, 이러한 제 1 실시예에 있어서, 고순도 구리의 온도, 염소 가스의 압력 및 유량, 및 피처리 기판의 온도를 독립적으로 조절할 수 있다. 이것은 종래의 승화법을 이용하는 성막과 비교해서 제어 파라메터의 자유도를 증가시킨다. 그 결과, 탄소와 같은 불순물을 잔류시키지 않고 박막 품질이 양호한 구리 박막을 기판상에 높은 재현성으로 형성할 수 있다.
(제 2 실시예)
제 2 실시예에 따른 구리 성막 방법을 상술한 도 1에 도시된 구리 박막 기상 성장 장치를 이용하여 이하에 설명한다.
우선, 피처리 기판(10)은 반응 용기(2)내의 가열 부재(3)상에 위치된다. 배기 부재(1)를 작동시켜 반응 용기(2)내의 가스(공기)를 소정의 진공도로 한다.
다음에, 염화 수소(HCl)를 함유하는 가스가 가스 공급관(6)을 통해 반응 용기(2)내로 공급된다. 이러한 염화 수소 함유 가스의 유량은 가스 공급관(6)내에 설치된 유량 제어기(7)에 의해 제어된다. 반응 용기(2)의 상부에 위치된 고순도 구리판(예를 들면 고순도 구리판)(4)의 온도는 가열/냉각 부재(5)에 의해 제어된다. 따라서, 이러한 고순도 구리판(4)의 온도가 제어된 후에, RF 전원(9)은 13.56㎒의 RF 파워를 RF 코일(8)에 인가하며, 이에 의해 반응 용기(2)내의 고순고 구리판(4)의 아래 근방에서 염화 수소 플라즈마를 발생한다. 고순도 구리판(4)의 온도가 이러한 염화 수소 함유 플라즈마의 발생에 따라서 과도하게 상승된다면, 가열/냉각 부재(5)가 고순도 구리판(4)을 목적 온도로 제어한다.
따라서, 반응 용기(2)내에 염화 수소 플라즈마를 발생시킴으로써, 고순도 구리판(4)은 여기 염소에 의해 에칭되고 반응하여 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스를 생성한다. 이러한 CuxCly플럭스(11)는 가열 부재(3)에 의해 가열된 기판(10)으로 전달되고, 기판(10)의 표면상에 구리 박막(12)을 석출한다. 여기에서 CuxCly가스의 x 및 y는 온도에 따라 변화한다. 예를 들면, 이러한 반응은 하기의 수학식 2로 표시된다.
반응에 관여되지 않은 가스 및 에칭 생성물은 배기 부재(1)에 의해 배기된다.
예를 들면, 구리 박막의 두께는 1㎚ 내지 1㎛이다.
염화 수소(HCl)를 함유한 가스로서는 예를 들면 염화 수소 가스 단독으로 또는 희석 가스를 이용할 수 있으며, 상기 희석 가스는 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 염화 수소 가스를 희석한 것으로 염소 농도가 50% 또는 그 이하이다.
가열 부재(3)에 의해 기판(10)을 가열하는 것은 실용적인 구리 성막 속도를 얻기 위해서 고순도 구리(예를 들면 고순도 구리판)의 설정 온도보다 낮은 온도에서 실행하여 CuxCly가스의 기판 표면으로의 흡착을 촉진하는 것이 바람직하다.
그러나, 이러한 온도가 너무 낮다면, 염화물이 구리 박막중에 형성될 수도 있다. 따라서, 고순도 구리의 온도가 200℃ 내지 400℃로 설정된다면, 기판의 온도는 예를 들면 100℃ 내지 200℃로 설정되는 것이 바람직하다.
고순도 구리판(4)의 온도를 가열/냉각 부재(5)에 의해 0 내지 600℃의 범위내로 조절함으로써, 염화 수소 플라즈마 분위기에 있어서 표면 에칭 속도 및 에칭 형태를 제어하는 것이 가능하다. 여기에서 하한 온도는 염소 가스가 응집되지 않는 온도이며, 상한 온도는 고순도 구리가 용해되지 않는 온도이다. 즉, 온도가 상기 온도 범위내에서 상승되는 경우, 에칭 속도(CuxCly생성 량)를 증가시키고, 구리성막 속도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 구리의 박막 품질을 고려하여, 온도는 에칭 반응의 급격한 증가를 방지하기 위해서 200℃ 내지 400℃의 범위내에서 제어되는 것이 바람직하다.
반응 용기(2)내의 염화 수소 가스의 압력은 진공 분위기에서 고순도 구리판을 실용적인 속도로 에칭하기 위해서 0.1 Torr 내지 10 Torr 범위내에서 제어되는 것이 바람직하다.
상술한 제 2 실시예에 있어서, 저가인 고순도 구리(예를 들면 고순도 구리판)(4)가 배치된 반응 용기(2)내로 저가인 염화 수소를 함유하는 가스를 가스 공급관(6)을 통해서 공급한다. RF 전원(9) 및 RF 코일(8)은 반응 용기(2)내의 고순도 구리판(4) 아래 근방에서 염화 수소 플라즈마를 발생한다. 이러한 방법에서, 고순도 구리판(4)은 여기 염소에 의해 에칭되고 반응하여 CuxCly가스를 생성한다. 이러한 CuxCly플럭스(11)는 기판(10)으로 전달되어 기판(10)상에 구리 박막(12)을 형성한다.
또한, 이러한 제 2 실시예에 있어서, 고순도 구리의 온도, 염화 수소 가스의 압력 및 유량, 및 피처리 기판의 온도를 독립적으로 조절할 수 있다. 이것은 종래의 승화법을 이용하는 성막과 비교해서 제어 파라메터의 자유도를 증가시킨다. 그 결과, 탄소와 같은 불순물을 잔류시키지 않고 박막 품질이 양호한 구리 박막을 기판상에 높은 재현성으로 형성할 수 있다.
(제 3 실시예)
도 2는 제 3 실시예에 따른 구리 박막 기상 성장 장치를 도시하는 개략도이다. 도 1에서와 동일한 참조부호는 도 2에서 동일한 구성요소를 가리키며, 그 상세한 설명은 생략한다.
이러한 기상 성장 장치는 반응 용기(2)의 상부 측벽에 연결되어 염소를 함유한 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 공급관(13)과, 상기 제 1 가스 공급관(13)과 반대측의 반응 용기(2)의 상부 측벽에 연결되어 수소를 공급하기 위한 제 2 가스 공급관(14)을 포함한다. 이들 제 1 및 제 2 가스 공급관(13, 14)에는 유량 제어기(15, 16)가 각각 내장되어 있다.
도 2를 참조하면, 고순도 구리(예를 들면 고순도 구리판)(4)가 탑재되어 있고, 피처리 기판(10)이 탑재되는 가열 부재(3) 및 배기 부재(1)가 반응 용기(2)의 하부에 탑재되어 있다. 그러나, 이러한 수직방향 위치 관계는 반전될 수도 있다.
이러한 고순도 구리의 형상은 평판이 아니라 예를 들면 블록일 수 있다.
도 2에 도시된 구리 박막 기상 성장 장치를 이용하여 구리 성막 방법을 설명한다.
우선, 기판(10)은 반응 용기(2)내의 가열 부재(3)상에 위치된다. 배기 부재(1)를 작동시켜 반응 용기(2)내의 가스(공기)를 소정의 진공도로 설정한다.
다음에, 염소(Cl2)를 함유하는 가스가 제 1 가스 공급관(13)을 통해 반응 용기(2)내로 공급되고, 수소가 제 2 가스 공급관(14)을 통해 반응 용기(2)내로 공급된다. 이들 염소 함유 가스 및 수소의 유량은 가스 공급관(13, 14)내에 설치된 유량 제어기(15)에 의해 제어된다. 반응 용기(2)내에, 예를 들면 상부에 위치된 고순도 구리판(4)의 온도는 가열/냉각 부재(5)에 의해 제어된다. 따라서, 이러한 고순도 구리판(4)의 온도가 제어된 후에, RF 전원(9)은 13.56㎒의 RF 파워를 RF 코일(8)에 인가하며, 이에 의해 반응 용기(2)내의 고순고 구리판(4)의 아래 근방에서 염소 + 수소의 플라즈마를 발생한다. 고순도 구리판(4)의 온도가 이러한 염소 + 수소의 플라즈마의 발생에 따라서 과도하게 상승된다면, 가열/냉각 부재(5)가 고순도 구리판(4)을 목적 온도로 제어한다.
따라서, 반응 용기(2)내에 염소 + 수소의 플라즈마를 발생시킴으로써, 고순도 구리판(4)은 여기 염소에 의해 에칭되고, 수소의 해리가 발생되어 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3)의 플럭스(17)가 생성된다. 이러한 플럭스(17)는 가열 부재(3)에 의해 가열된 기판(10)으로 전달되고, 기판(10)의 표면상에 구리 박막(12)을 석출한다. 여기에서 CuxCly가스의 x 및 y는 온도에 따라 변화한다. 예를 들면, 이러한 반응은 하기의 수학식 3으로 표시된다.
반응에 관여되지 않은 가스 및 에칭 생성물은 배기 부재(1)에 의해 배기된다.
예를 들면, 구리 박막의 두께는 1㎚ 내지 1㎛이다.
염소(Cl2)를 함유한 가스로서는 예를 들면 염소 가스 단독으로 또는 희석 가스를 이용할 수 있으며, 상기 희석 가스는 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 염소 가스를 희석한 것으로 염소 농도가 50% 또는 그 이하이다.
가열 부재(3)에 의해 기판(10)을 가열하는 것은 실용적인 구리 성막 속도를 얻기 위해서 고순도 구리(예를 들면 고순도 구리판)의 설정 온도보다 낮은 온도에서 실행하여 CuxCly가스의 기판 표면으로의 흡착을 촉진하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 온도가 너무 낮다면, 염화물이 구리 박막중에 형성될 수도 있다. 따라서, 고순도 구리의 온도가 200℃ 내지 400℃로 설정된다면, 기판의 온도는 예를 들면 100℃ 내지 200℃로 설정되는 것이 바람직하다.
고순도 구리판(4)의 온도를 가열/냉각 부재(5)에 의해 0 내지 600℃의 범위내로 조절함으로써, 염소 + 수소의 플라즈마 분위기에 있어서 표면 에칭 속도 및 에칭 형태를 제어하는 것이 가능하다. 여기에서 하한 온도는 염소 가스가 응집되지 않는 온도이며, 상한 온도는 고순도 구리가 용해되지 않는 온도이다. 즉, 온도가 상기 온도 범위내에서 상승되는 경우, 에칭 속도(CuxCly생성 량)를 증가시키고, 구리 성막 속도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 구리의 박막 품질을 고려하여, 온도는 에칭 반응의 급격한 증가를 방지하기 위해서 200℃ 내지 400℃의 범위내에서 제어되는 것이 바람직하다.
반응 용기(2)내의 염소 가스의 압력은 진공 분위기에서 고순도 구리판을 실용적인 속도로 에칭하기 위해서 0.1 Torr 내지 10 Torr 범위내에서 제어되는 것이 바람직하다.
반응 용기(2)내의 수소 가스의 압력은 환원반응에 의해 구리 박막의 석출(성막)을 효율적으로 행하기 위해서 0.1 Torr 내지 10 Torr 범위내에서 제어되는 것이 바람직하다.
상술한 제 3 실시예에 있어서, 저가인 고순도 구리(예를 들면 고순도 구리판)(4)가 배치된 반응 용기(2)내로 저가인 염소 및 수소를 함유하는 가스를 제 1 및 제 2 가스 공급관(13, 14)을 통해서 공급한다. RF 전원(9) 및 RF 코일(8)은 반응 용기(2)내의 고순도 구리판(4) 아래 근방에서 염소 및 수소의 플라즈마를 발생한다. 고순도 구리판(4)의 여기 염소에 의한 에칭과 수소의 해리에 의해서 CuxCly및 H의 플럭스(17)를 생성한다. 이러한 플럭스(17)는 기판(10)으로 전달되어 기판(10)상에 구리 박막(12)을 형성한다.
또한, 이러한 제 3 실시예에 있어서, 고순도 구리의 온도, 염소 가스 및 수소의 압력 및 유량, 및 피처리 기판의 온도를 독립적으로 조절할 수 있다. 이것은 종래의 승화법을 이용하는 성막과 비교해서 제어 파라메터의 자유도를 증가시킨다. 그 결과, 탄소와 같은 불순물을 잔류시키지 않고 박막 품질이 양호한 구리 박막을 기판상에 높은 재현성으로 형성할 수 있다.
[실시예]
본 발명의 바람직한 실시예를 상술한 도 1 및 도 2를 참조하여 아래에 설명한다.
(실시예 1)
도 1에 도시된 바와 같이, 직경이 300㎜인 피처리 기판(10)은 반응 용기(2)내에 가열 부재(3)상에 설치되고, 200℃로 가열된다. 배기 부재(1)를 작동시켜 반응 용기(2)내의 가스(공기)를 배기해서 소정의 진공도로 설정한다.
다음에, 염소(Cl2)를 가스 공급관(6) 및 유량 제어기(7)를 통해서 반응 용기(2)내에 100 sccm의 유량으로 공급한다. 반응 용기(2)내의 염소의 압력은 5 Torr 이다. 반응 용기(2)의 상부에 배치된 고순도 구리판(4)의 온도는 가열/냉각 부재(5)에 의해서 300℃로 제어된다. 따라서 이러한 고순도 구리판(4)의 온도가 제어된 후에, RF 전원(9)으로부터 RF 코일(8)로 13.56㎒의 RF 파워가 인가되어, 반응 용기(2)내의 고순도 구리판(4) 아래 근방에서 염소 플라즈마를 발생한다. 따라서, 고순도 구리판(4)이 여기 염소에 의해 에칭되고 반응해서 CuxCly플럭스(11)가 생성되어, 기판(10)의 표면상에 두께가 500㎚인 구리 박막(12)을 석출했다. 반응에 관여되지 않은 가스 및 에칭 생성물은 배기 부재(1)에 의해 배기된다.
상술한 실시예 1에 있어서, 구리 박막이 100㎚/분의 속도로 그리고 3% 또는 그 이하의 편차로 기판상에 균질로 성막된다. 이러한 구리 박막은 벌크 구리(bulk copper)의 저항률과 동등한 특성을 갖고 있다.
(실시예 2)
도 1에 도시된 바와 같이, 직경이 300㎜인 피처리 기판(10)은 반응 용기(2)내에 가열 부재(3)상에 설치되고, 170℃로 가열된다. 배기 부재(1)를 작동시켜 반응 용기(2)내의 가스(공기)를 배기해서 소정의 진공도로 설정한다.
다음에, 염화 수소(HCl)를 가스 공급관(6) 및 유량 제어기(7)를 통해서 반응 용기(2)내에 100 sccm의 유량으로 공급한다. 반응 용기(2)내의 염소의 압력은 5 Torr 이다. 반응 용기(2)의 상부에 배치된 고순도 구리판(4)의 온도는 가열/냉각 부재(5)에 의해서 300℃로 제어된다. 따라서 이러한 고순도 구리판(4)의 온도가 제어된 후에, RF 전원(9)으로부터 RF 코일(8)로 13.56㎒의 RF 파워가 인가되어, 반응 용기(2)내의 고순도 구리판(4) 아래 근방에서 염화 수소 플라즈마를 발생한다. 따라서, 고순도 구리판(4)이 여기 염화 수소에 의해 에칭되고 반응해서 CuxCly플럭스(11)가 생성되어, 기판(10)의 표면상에 두께가 500㎚인 구리 박막(12)을 석출했다. 반응에 관여되지 않은 가스 및 에칭 생성물은 배기 부재(1)에 의해 배기된다.
상술한 실시예 2에 있어서, 구리 박막이 100㎚/분의 속도로 그리고 3% 또는 그 이하의 편차로 기판상에 균질로 성막된다. 이러한 구리 박막은 벌크 구리(bulk copper)의 저항률과 동등한 특성을 갖고 있다.
(실시예 3)
도 2에 도시된 바와 같이, 직경이 300㎜인 피처리 기판(10)은 반응 용기(2)내에 가열 부재(3)상에 설치되고, 150℃로 가열된다. 배기 부재(1)를 작동시켜 반응 용기(2)내의 가스(공기)를 배기해서 소정의 진공도로 설정한다.
다음에, 염소 가스를 제 1 가스 공급관(13) 및 유량 제어기(15)를 통해서 반응 용기(2)내에 100 sccm의 유량으로 공급한다. 또한, 수소를 제 2 가스 공급관(14) 및 유량 제어기(16)를 통해서 반응 용기(2)내에 500 sccm의 유량으로공급한다. 반응 용기(2)내의 염소 가스 및 수소의 압력은 각각 2.5 Torr 와 5 Torr 이다. 반응 용기(2)의 상부에 배치된 고순도 구리판(4)의 온도는 가열/냉각 부재(5)에 의해서 300℃로 제어된다. 따라서 이러한 고순도 구리판(4)의 온도가 제어된 후에, RF 전원(9)으로부터 RF 코일(8)로 13.56㎒의 RF 파워가 인가되어, 반응 용기(2)내의 고순도 구리판(4) 아래 근방에서 염소 및 수소의 플라즈마를 발생한다. 따라서, 고순도 구리판(4)의 여기 염소에 의한 에칭과 수소의 해리에 의해서 CuxCly및 H의 플럭스(17)를 생성되어, 기판(10)의 표면상에 두께가 500㎚인 구리 박막(12)을 석출했다. 반응에 관여되지 않은 가스 및 에칭 생성물은 배기 부재(1)에 의해 배기된다.
상술한 실시예 3에 있어서, 구리 박막이 100㎚/분의 속도로 그리고 3% 또는 그 이하의 편차로 기판상에 균질로 성막된다. 이러한 구리 박막은 벌크 구리(bulk copper)의 저항률과 동등한 특성을 갖고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 저가의 고순도 구리와, 저가의 염소, 염화 수소 또는 염소 및 수소를 원료 가스로서 이용함으로써 탄소와 같은 불순물이 잔류하지 않고 또한 막질이 양호한 구리 박막을 높은 재현성으로 형성할 수 있고, 반도체 장치, 액정 표시 장치의 배선 재료 막의 형성 등에 이용할 수 있는 구리 박막 기상 성장 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 특성을 가진 구리 박막의 성막을 실현할 수 있는 구리 박막 기상 성장 장치를 제공할 수 있다.
본 기술 분야에 숙련된 자들은 추가적인 장점 및 이점을 이해할 수 있다. 따라서, 넓은 실시 형태에 있어서 본 발명은 도시되고 개시된 특정 상세 및 전형적인 실시예에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 첨부된 특허청구범위 및 그 등가물에 의해 규정된 바와 같은 일반적인 발명 개념의 정신 및 영역으로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이 이뤄질 수 있다.
본 발명에 의하면, 저가의 고순도 구리와, 저가의 염소, 염화 수소 또는 염소 및 수소를 원료 가스로서 이용함으로써 탄소와 같은 불순물이 잔류하지 않고 또한 막질이 양호한 구리 박막을 높은 재현성으로 형성할 수 있고, 반도체 장치, 액정 표시 장치의 배선 재료 막의 형성 등에 이용할 수 있는 구리 박막 기상 성장 방법 및 장치를 제공하는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 구리 박막 기상 성장 방법에 있어서,
    고순도 구리를 염소 가스를 함유한 가스의 플라즈마에 노출시켜 상기 고순도 구리를 에칭함으로써, 활성 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스를 생성하는 단계와,
    상기 CuxCly가스를 피처리 기판의 표면상으로 반송해서 구리 박막을 성막하는 단계를 포함하는
    구리 박막 기상 성장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 판의 형상인
    구리 박막 기상 성장 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 200℃ 내지 400℃로 가열되며, 상기 기판은 100℃ 내지 200℃로 가열되는
    구리 박막 기상 성장 방법.
  4. 구리 박막 기상 성장 방법에 있어서,
    고순도 구리를 염화 수소 가스를 함유한 가스의 플라즈마에 노출시켜 상기 고순도 구리를 에칭함으로써, 활성 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스를 생성하는 단계와,
    상기 CuxCly가스를 피처리 기판의 표면상으로 반송해서 구리 박막을 성막하는 단계를 포함하는
    구리 박막 기상 성장 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 판의 형상인
    구리 박막 기상 성장 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 200℃ 내지 400℃로 가열되며, 상기 기판은 100℃ 내지 200℃로 가열되는
    구리 박막 기상 성장 방법.
  7. 구리 박막 기상 성장 방법에 있어서,
    고순도 구리를 염소 가스 및 수소를 함유한 가스의 플라즈마에 노출시켜 상기 고순도 구리를 에칭함으로써, 활성 CuxCly(x = 1 내지 3, y = 1 내지 3) 가스 및 수소를 함유하는 혼합 가스를 생성하는 단계와,
    상기 혼합 가스를 피처리 기판의 표면상으로 반송해서 구리 박막을 성막하는 단계를 포함하는
    구리 박막 기상 성장 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 판의 형상인
    구리 박막 기상 성장 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 200℃ 내지 400℃로 가열되며, 상기 기판은 100℃ 내지 200℃로 가열되는
    구리 박막 기상 성장 방법.
  10. 구리 박막 기상 성장 장치에 있어서,
    피처리 기판이 내부에 위치된 반응 용기와,
    상기 반응 용기내에 상기 피처리 기판과 대향해서 배치된 고순도 구리와,
    상기 반응 용기내에 설치되고, 상기 고순도 구리의 근방에 염소 가스 및 염화 수소 가스로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 가스를 함유하는 가스를 공급하기 위한 가스 공급관과,
    상기 반응 용기내의 상기 고순도 구리의 근방에 염소 및 염화 수소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료의 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 발생 수단과,
    상기 반응 용기내의 가스를 배기하기 위한 배기 수단을 포함하는
    구리 박막 기상 성장 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 판의 형상인
    구리 박막 기상 성장 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 고순도 구리의 온도를 제어하기 위한 제 1 온도 제어 수단을 더 포함하는
    구리 박막 기상 성장 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판의 온도를 제어하기 위한 제 2 온도 제어 수단을 더 포함하는
    구리 박막 기상 성장 장치.
  14. 구리 박막 기상 성장 장치에 있어서,
    피처리 기판이 내부에 위치된 반응 용기와,
    상기 반응 용기내에 상기 피처리 기판과 대향해서 배치된 고순도 구리와,
    상기 반응 용기내에 설치되고, 상기 고순도 구리의 근방에 염소를 함유하는 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 공급관과,
    상기 반응 용기내에 설치되고, 상기 고순도 구리의 근방에 수소를 함유하는 가스를 공급하기 위한 제 2 가스 공급관과,
    상기 반응 용기내의 상기 고순도 구리의 근방에 염소 및 수소의 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 발생 수단과,
    상기 반응 용기내의 가스를 배기하기 위한 배기 수단을 포함하는
    구리 박막 기상 성장 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 고순도 구리가 판의 형상인
    구리 박막 기상 성장 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 고순도 구리의 온도를 제어하기 위한 제 1 온도 제어 수단을 더 포함하는
    구리 박막 기상 성장 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판의 온도를 제어하기 위한 제 2 온도 제어 수단을 더 포함하는
    구리 박막 기상 성장 장치.
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