KR20060090676A - 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 이용한 금속 층형성 방법 - Google Patents

간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 이용한 금속 층형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스(intermittent precursor gas flow process)를 사용하여 기판 상에 금속 층을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 환원성 가스에 기판을 노출시킴과 아울러 그 기판을 금속-카르보닐 전구체(metal-carbonyl precursor) 가스의 펄스에 노출시키는 것을 포함한다. 상기 프로세스는 소망의 두께를 지닌 금속 층이 기판 상에 형성될 때까지 실행된다. 상기 금속 층은 기판 상에 형성될 수 있거나, 그 대안으로 금속 층은 금속 핵형성 층 상에서 형성될 수 있다.

Description

간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 이용한 금속 층 형성 방법{METHOD OF FORMING A METAL LAYER USING AN INTERMITTENT PRECURSOR GAS FLOW PROCESS}
본 발명은 반도체 프로세싱에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스에서 금속-카르보닐(metal-carbonyl) 전구체의 열분해(thermal decomposition)로부터 금속 층을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.
집적 회로를 제조하기 위한 다층 금속화법(multilayer metallization scheme)에 구리(Cu) 금속을 도입하는 것은 Cu층의 점착력과 성장을 증대시키기 위해 그리고 유전체 물질로부터 Cu를 화학적으로 격리시켜 유전체 물질로의 Cu의 확산을 방지하기 위해 확산 배리어/라이너(barrier/liner)의 사용을 필요로 할 수 있다.
유전체 물질(dielectric material) 상에 증착되는 배리어/라이너는 Cu와 반응성이 없고 Cu와 혼화할 수 없는(immiscible) 동시에 낮은 전기 비저항(electrical resistivity)을 제공할 수 있는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 및 탄탈(Ta) 등의 굴절 물질(refractive material)을 포함할 수 있고, 있다. 전기 비저항, 열안정성 및 확산 배리어 특성과 같은 텅스텐(W)의 기본적인 물질 특성은 구리를 주성분으로 첨단 배선 용례에 텅스텐(W) 층을 적절하게 사용할 수 있도록 해준 다. Cu 금속화 및 유전체 물질을 집적시키는 현재의 집적법은 약 400℃ 내지 약 500℃ 혹은 그 보다 낮은 기판 온도에서 텅스텐(W) 배리어/라이너 증착 프로세스를 필요로 할 수 있다.
텅스텐(W) 층은 수소 혹은 실란 등의 환원성 가스의 존재 하에서 텅스텐 할로겐화물 전구체, 예컨대, 텅스텐 헥사플루오라이드(WF6)를 열분해함으로써 열화학 증착(TCVD) 프로세스에서 기판 상에 형성될 수 있다. 텅스텐 할로겐화물 전구체의 사용에 수반되는 문제점은 텅스텐(W) 층의 물질 특성을 저하시킬 수 있는 텅스텐(W) 층 내의 할로겐 부산물의 혼입에 있다. 텅스텐-카르보닐 전구체 등의 할로겐을 함유하지 않는 텅스텐 전구체는 텅스텐 할로겐화물 전구체와 관련한 전술한 문제점을 완화시키기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 텅스텐-카르보닐 전구체(예컨대, W(CO)6)의 열분해에 의해 형성되는 텅스텐(W) 층의 물질 특성은 열증착된 텅스텐(W) 층으로의 CO 반응 부산물의 혼입으로 인해 악화될 수 있고, 그 결과 텅스텐(W)층의 전기 비저항의 증가를 초래하고, 또 불량한 정합성(conformality)을 지닌 텅스텐(W) 층의 형성을 초래한다.
기판 상에 금속 층을 형성하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 프로세스 챔버 내에 기판을 제공하는 단계와, 그 기판을 환원성 가스에 노출시키는 단계와, 기판 상에 금속 층을 형성하도록 그 기판을 금속-카르보닐 전구체 가스의 펄스에 노출시키는 단계와, 소망하는 두께를 지닌 금속 층이 형성될 때까지 상기 노출 단계들을 반복하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 미세구조를 포함하는 기판 상에 금속 층을 형성하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 프로세스 챔버 내에 기판을 제공하는 단계와, 그 기판을 환원성 가스에 노출시키는 단계와, 기판 상에 금속 층을 형성하도록 그 기판을 금속-카르보닐 전구체 가스의 펄스에 노출시키는 단계와, 소망하는 두께를 지닌 금속 층이 형성될 때까지 상기 노출 단계들을 반복하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 적어도 하나의 미세 구조체의 바닥에 제1 두께를 지닌 금속 층을 형성하는 단계와, 적어도 하나의 미세 구조체의 측벽에 제2 두께를 지닌 금속 층을 형성하는 단계와, 적어도 하나의 미세 구조체의 윗면에 돌출물(overhang)을 지닌 금속 층을 형성하는 단계를 포함한다.
하나의 실시예에 따르면, 금속 층은 기판 상에 형성될 수 있거나 또는 그 대안으로 금속 층은 금속 핵형성 층(metal nucleation layer)에 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 금속 층을 형성하기 위한 프로세싱 시스템을 간략하게 나타낸 블록선도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 사용한 금속 층 형성과 관련한 플로차트이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 금속 층을 형성하기 위한 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스 동안 가스 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 Si 미세구조체 상에 형성된 텅스텐(W) 층 을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따라 금속 층을 형성하기 위한 프로세싱 시스템의 간략한 블록선도가 도시되어 있다. 상기 프로세싱 시스템(100)은 상측 챔버 섹션(1a), 하측 챔버 섹션(1b), 및 배출 챔버(23)를 구비하는 프로세스 챔버(1)를 포함한다. 하측 챔버 섹션(1b)이 배출 챔버(23)에 접속하게 되는 하측 챔버 섹션(1b)의 중간에는 원형 개구(22)가 형성되어 있다.
프로세스 챔버(1) 내부에는 처리될 기판(웨이퍼)(50)을 수평 방향으로 유지하기 위한 기판 홀더(2)가 마련되어 있다. 기판 홀더(2)는 배출 챔버(23)의 하측 부분의 중심으로부터 상방향으로 연장하는 원통형 지지 부재(3)에 의해 지지된다. 기판 홀더(2) 상에 기판(50)을 위치 설정하기 위한 가이드 링(4)이 기판 홀더(2)의 가장자리에 설치되어 있다. 더욱이, 기판 홀더(2)는 전력 공급원(6)에 의해 제어되는 동시에 기판(50)을 가열하기 위해 사용되는 히터(5)를 포함한다. 상기 히터는 저항식 히터일 수 있다. 그 대안으로, 상기 히터(5)는 램프 히터라도 좋다.
처리 중에, 가열된 기판(50)은 W(CO)6 전구체를 열분해시켜 기판(50) 상에 텅스텐(W) 층의 형성을 가능케 한다. 기판 홀더(2)는 기판(50) 상으로 소망하는 텅스텐(W) 층이 증착하기에 적합한 예정된 온도로 가열된다. 히터(도시 생략)는 챔버 벽을 예정된 온도로 가열하기 위해 프로세스 챔버(1)의 벽에 내장되어 있다. 히터는 프로세스 챔버(1)의 벽의 온도를 약 40℃ 내지 약 80℃로 유지시킬 수 있 다.
샤워헤드(10, showerhead)는 프로세스 챔버(1)의 상측 챔버 섹션(1a) 내에 배치되어 있다. 샤워헤드(10)의 바닥에 있는 샤워헤드 플레이트(10a)는 W(CO)6 전구체 가스를 포함하는 프로세스 가스를 기판(50) 위에 위치한 프로세싱 영역(60)으로 급송하기 위한 복수의 가스 급송 구멍(10b)을 포함한다. 프로세싱 영역(60)은 기판(50)과 샤워헤드(10) 사이의 간극과 기판의 직경에 의해 정해지는 체적이다.
프로세스 가스를 가스 라인(12)으로부터 가스 분배 격실(10d)로 주입하기 위해 상측 챔버 섹션(1b) 내에는 개구(10c)가 마련되어 있다. 샤워헤드(10)의 온도를 제어하여 샤워헤드(10) 내에서의 W(CO)6 전구체의 분해를 방지하기 위해 동심의 냉각제 유동 채널(10e)이 마련되어 있다. 물 등의 냉각 유체는 샤워헤드(10)의 온도를 약 20℃ 내지 약 100℃로 제어하기 위해 냉각 유체 공급원(10f)으로부터 냉각제 유동 채널(10e)로 공급될 수 있다.
가스 라인(12)은 가스 급송 시스템(300)을 프로세스 챔버(1)에 연결한다. 전구체 컨테이너(13)는 고체 W(CO)6 전구체(55)를 포함하며, 전구체 히터(13a)가 전구체 컨테이너(13)를 가열하여 W(CO)6 전구체(55)의 온도를 소망하는 W(CO)6 전구체의 증기압을 생성하는 온도로 유지시키도록 마련되어 있다. W(CO)6 전구체(55)는 65℃에서 ∼1 Torr의 상대적으로 높은 증기압(Pvap)을 지닐 수 있다. 따라서, 단지 전구체 공급원(13)과 전구체 가스 급송 라인[예컨대, 가스 라인(12)]의 적절한 가 열만이 W(CO)6 전구체 가스를 프로세스 챔버(1)로 급송하기 위해 요구된다. 더욱이, W(CO)6 전구체(55)는 약 200℃ 미만의 온도에서 열분해되지 않는다. 이것은 가열된 챔버 벽과 기체상 반응 간의 상호 작용으로 인해 W(CO)6 전구체(55)의 분해를 현저하게 줄일 수 있다.
하나의 실시예에 있어서, W(CO)6 전구체 증기는 캐리어 가스의 사용 없이 프로세스 챔버(1)로 급송될 수 있거나, 그 대안으로 캐리어 가스는 프로세스 챔버(1)로의 전구체의 급송을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 가스 라인(14)가 가스 공급원(15)으로부터 전구체 컨테이너(13)로 캐리어 가스를 제공할 수 있고, 질량 유동 컨트롤러(MFC)(16)는 캐리어 가스 흐름을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 캐리어 가스가 사용될 때, 그 가스는 고체 W(CO)6 전구체(55)를 침투해 통과하도록 전구체 컨테이너(13)의 하측 부분으로 주입될 수 있다. 그 대안으로, 캐리어 가스는 전구체 공급원(13) 안으로 주입되어, 고체 W(CO)6 전구체(55)의 상부에 걸쳐 분배될 수 있다. 센서(45)가 전구체 컨테이너(13)로부터 총 가스 유동량을 측정하기 위해 제공된다. 이 센서(45)는 예컨대, MFC를 포함할 수 있으며, 프로세스 챔버(1)로 급송되는 W(CO)6 전구체(55)의 양은 센서(45)와 질량 유동 컨트롤러(16)를 사용하여 결정될 수 있다. 그 대안으로, 상기 센서(45)는 프로세스 챔버(1)로 흐르는 가스 흐름 내의 W(CO)6 전구체의 농도를 측정하기 위한 광 흡수 센서(light absorption sensor)를 포함할 수 있다.
바이패스 라인(41)이 센서(45)로부터 하류에 배치되어 있고 가스 라인(12)을 배출 라인(24)에 연결시킨다. 바이패스 라인(41)은 가스 라인(12)을 비우고, 또 프로세스 챔버(1)로의 W(CO)6 전구체의 공급을 안정화시키기 위해 제공된다. 추가적으로, 밸브(42)는 가스 라인(12)의 분기부로부터 하류에 배치된 밸브(42)가 바이패스 라인(41) 상에 마련되어 있다.
히터(도시 생략)는 가스 라인(12, 14, 41)을 독립적으로 가열하기 위해 제공되며, 가스 라인의 온도는 가스 라인 내에서 W(CO)6 전구체의 응축을 방지하기 위해 제어될 수 있다. 가스 라인의 온도는 약 20℃ 내지 약 100℃ 혹은 약 25℃ 내지 약 60℃에서 제어될 수 있다.
희석 가스는 가스 라인(18)을 사용하여 가스 공급원(19)에서 가스 라인(12)으로 공급될 수 있다. 상기 희석 가스는 프로세스 가스를 희석시키거나 혹은 프로세스 가스의 분압을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 가스 라인(18)은 MFC(20)와 밸브(21)를 포함한다. MFC(16, 20)와 밸브(17, 21, 42)는 캐리어 가스, W(CO)6 전구체 가스, 및 희석 가스의 공급, 차단, 및 유동을 제어하는 컨트롤러(40)에 의해 제어된다. 센서(45)는 또한 컨트롤러(40)에 연결되어 있고, 센서(45)의 출력을 기초하여 컨트롤러(40)는 프로세스 챔버(1)로 흐르는 소망의 W(CO)6 전구체를 얻기 위해 질량 유동 컨트롤러(16)를 통해 캐리어 가스 흐름을 제어할 수 있다. 환원성 가스는 가스 라인(64), MFC(63), 및 밸브(62)를 사용하여 가스 공급원(61)으로부터 프로세스 챔버(1)로 공급될 수 있다. 퍼지 가스는 가스 라인(64), MFC(67), 및 밸 브(66)를 사용하여 가스 공급원(65)에서 프로세스 챔버(1)로 공급될 수 있다. 컨트롤러(40)는 환원성 가스와 퍼지 가스의 공급, 차단, 흐름을 제어할 수 있다.
배출 라인(24)은 배출 챔버(23)를 진공 펌핑 시스템(400)에 연결시킨다. 진공 펌프(25)가 프로세스 챔버(1)를 소망하는 정도의 진공 상태로 비우고 그리고 처리 중에 기체상의 종을 프로세스 챔버(1)로부터 제거하기 위해 사용된다. 자동 압력 컨트롤러(APC)(59)와 트랩(57)은 진공 펌프(25)와 직렬 연결된 상태로 사용될 수 있다. 진공 펌프(25)는 초당 약 5,000리터(또는 그 이상)로 펌핑 속력을 증가시킬 수 있는 터보 분자 펌프(TMP)를 포함할 수 있다. 그 대안으로, 진공 펌핑 시스템(400)은 건식 펌프를 포함할 수 있다. 처리 중에, 프로세스 가스는 프로세스 챔버(1)로 주입될 수 있고, 챔버 압력은 APC(59)에 의해 조절될 수 있다. APC(59)는 나비형 밸브 혹은 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 상기 트랩(57)은 반응하지 않은 전구체 물질과 프로세스 챔버(1)에서 나온 부산물을 수집할 수 있다.
프로세스 챔버(1)에는 기판(50)을 유지, 상승 및 하강시키기 위해 3개의 기판 리프트 핀(26)(단지 2개만 도시)이 제공된다. 상기 기판 리프트 핀(26)은 플레이트(27)에 고정되어 기판 홀더(2)의 상측면 아래로 하강될 수 있다. 예컨대, 공기 실린더를 사용하는 구동 기구(28)가 플레이트(27)를 상승 및 하강시키는 수단을 제공한다. 기판(50)은 로봇 이송 시스템(도시 생략)에 의해 게이트 밸브(30) 및 챔버 공급원료 통로(29)를 통해 프로세스 챔버(1) 안팎으로 이송될 수 있다. 일단 기판(50)이 이송 시스템으로부터 수납되면, 기판은 기판 리프트 핀(26)을 하강시킴으로써 기판 홀더(2)의 상측면으로 하강될 수 있다.
프로세싱 시스템 컨트롤러(500)는 마이크로프로세서, 메모리, 및 프로세싱 시스템(100)과 통신하여 그 프로세싱 시스템(100)으로 들어가는 입력을 작동시키고 또 그 프로세싱 시스템(100)에서 나오는 출력을 모니터할 수 있도록 하기에 충분한 제어 전압을 발생시킬 수 있는 디지털 I/O 포트를 포함한다. 더욱이, 상기 프로세싱 시스템 컨트롤러(500)는 프로세스 챔버(1)와, 컨트롤러(40) 및 전구체 히터(13a)를 포함하는 가스 급송 시스템(300)과, 진공 펌핑 시스템(400)과, 전력 공급원(6)과, 그리고 냉각제 유체 공급원(10f)에 결합되어 그것들과 정보 교환을 할 수 있다. 진공 펌핑 시스템(400)에 있어서, 프로세싱 시스템 컨트롤러(500)는 프로세스 챔버(1) 내의 압력을 제어하기 위한 자동 압력 컨트롤러(59)에 결합되어 그것과 정보 교환을 할 수 있다. 메모리에 저장된 프로그램은 저장된 프로세스 방법에 따라 프로세싱 시스템(100)의 전술한 구성 요소들을 제어하기 위해 사용된다. 프로세싱 시스템 컨트롤러(500)의 일례로는 텍사스주 달라스 소재의 델 코포레이션(Dell Corporation)에서 입수 할 수 있는 DELL PRECISION WORKSTATION 610TM을 들 수 있다.
텅스텐(W) 층을 형성하기 위한 프로세싱 시스템은 도 1에 개략적으로 도시되고 설명된 바와 같이 단일 웨이퍼용 프로세스 챔버를 포함할 수 있다. 그 대안으로, 상기 시스템은 복수 개의 기판(웨이퍼)을 동시에 처리할 수 있는 배치(batch) 타입의 프로세스 챔버를 포함할 수 있다. 예컨대 Si 웨이퍼 등의 반도체 기판 외에도, 기판은 예컨대, LCD 기판, 유리 기판, 혹은 복합 반도체 기판을 포함할 수 있다. 상기 프로세스 챔버는 예컨대, 200mm 기판, 300mm 기판, 혹은 더 큰 기판과 같이 임의의 크기의 기판을 처리할 수 있다.
일반적으로, 해당하는 금속-카르보닐 전구체로부터 다양한 금속 배리어/라이너가 증착될 수 있다. 이것은 W(CO)6, Ni(CO)4, Mo(CO)6, Co2(CO)8, Rh4(CO)12, Re2(CO)10, Cr(CO)6, 및 Ru3(CO)12 전구체로부터 각각 W, Ni, Mo, Co, Rh, Re, Cr, 및Ru 금속 층의 증착을 포함한다.
금속 층은 환원성 가스를 사용하지 않고 금속 함유 전구체로부터 열적으로 증착될 수 있다. 그 대안으로, 환원제 예컨대, H2 가스는 금속 층의 증착을 보조하기 위해 사용될 수 있다. 금속 카르보닐 전구체의 열분해와 금속 층의 형성은 CO 제거와 기판으로부터 CO 부산물의 탈착에 의해 주로 진행되는 것으로 여겨진다. 금속 층으로 CO 부산물의 혼입은 금속 카르보닐 전구체의 불완전한 분해와, 금속 층으로부터 흡수된 CO 부산물의 불완전한 제거와, 그리고 금속 층으로 프로세스 챔버 내의 CO 부산물의 재흡착으로부터 초래될 수 있다. 금속 층으로 CO 반응 부산물의 혼입은 금속 층의 전기 비저항을 증가시킬 수 있고, 금속 층의 표면 및/또는 금속 내에서의 성장 마디(nodule, 금속 입자)의 비정상적 성장으로 인해 불량한 표면 조직으로 이어진다.
본 발명의 하나의 실시예에 있어서, 금속 층은 일련의 금속-카르보닐 전구체 가스 펄스 동안 형성된다. 각각의 펄스는 약 5Å(옹스트롱) 내지 약 60Å 두께의 금속 층을 형성한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 각각의 금속-카르보닐 전구 체 가스 펄스 동안 형성된 금속 층은 약 5Å 내지 약 10Å 두께일 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 금속 층의 총 두께는 복수의 금속 전구체 가스 펄스 이후에 약 500Å 미만이다. 순환적 프로세싱(cyclical processing)은 보통 비순환적 프로세스 즉, 전구체 가스가 증착 프로세스 동안 기판에 1회 노출되는 종래의 화학 증착(CVD) 프로세스와 다르다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따라 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 사용한 금속 층 형성과 관련한 플로차트가 도시되어 있다. 단계 200에서, 프로세스가 시작된다. 단계 202에서, 프로세스 챔버에 기판이 제공되고, 단계 204에서, 기판은 환원성 가스에 노출된다. 단계 206에서, 기판은 금속-카르보닐 전구체 가스의 펄스에 노출되고, 이에 의해 금속-카르보닐 전구체 가스의 열분해로부터 기판 상에 금속 층이 형성된다. 단계 208에서, 프로세스의 종료 여부가 결정된다. 소망의 두께가 얻어졌을 때, 상기 프로세스는 단계 210에서 종료되고, 소망하는 두께가 얻어지지 않았을 때, 그 프로세스는 단계 206으로 되돌아간다.
도 3에는 본 발명의 일실시예에 따라 금속 층을 형성하기 위한 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스 동안 가스 흐름이 개략적으로 도시되어 있다. 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 환원성 가스(예컨대, H2)와 퍼지 가스(예컨대, Ar)를 포함하는 가스 흐름이 프로세스 챔버 내에서 얻어진다. 이에 후속하여, 금속-카르보닐 전구체 가스의 펄스는 시간 주기(250) 동안 프로세스 챔버로 흐른다. 시간 주기(250)의 길이는 예컨대, 금속 카르보닐 전구체의 반응도, 캐리어 가스 및 희석 가 스와의 금속-카르보닐 전구체의 희석도, 및 프로세싱 시스템의 유동 특성에 따라 결정될 수 있다. 시간 주기(250)의 말기에서, 프로세스 챔버는 퍼지 가스와 환원성 가스에 의해 시간 주기(260) 동안 퍼징(purging)된다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 퍼지 가스와 환원성 가스의 유량은 상기 프로세스 동안 일정할 수 있다. 그 대안으로, 퍼지 가스와 환원성 가스의 유량은 상기 프로세스 동안 변할 수 있다.
금속-카르보닐 전구체 가스는 금속-카르보닐 전구체와, 선택적으로 캐리어 가스 및 희석 가스를 포함할 수 있다. 금속-카르보닐의 유량은 예컨대, 약 0.1sccm 내지 약 200sccm일 수 있다. 캐리어 가스, 희석 가스 및 퍼지 가스는 예컨대, Ar, He, Kr, Xe 및 N2 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 캐리어 가스 유량은 약 10sccm 내지 약 1,000sccm일 수 있고, 퍼지 가스의 유량은 약 50sccm 내지 약 1,000sccm일 수 있으며, 희석 가스의 유량은 약 10sccm 내지 약 1,000sccm일 수 있다.
일반적으로, 환원성 가스는 금속 층으로부터 반응 부산물의 제거를 보조할 수 있는 가스를 포함한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 환원성 가스는 수소 함유 가스 예컨대, H2를 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 환원성 가스는 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 및 디클로로실란(SiCl2H2) 등의 규소 함유 가스를 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 환원성 가스는 붕소 함유 가스 예컨대, 일반식 BxH3x를 지닌 붕소 함유 가스를 포함할 수 있다. 이것은 예컨대, 보란(BH3), 디보란(B2H6), 트리보란(B3H9) 등을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 환원성 가스는 질소 함유 가스, 예컨대 암모니아(NH3)를 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 환원성 가스의 유량은 약 10sccm 내지 약 500sccm일 수 있다.
도 3에 개략적으로 도시된 실시예에서, 증착 사이클(270)은 시간 주기(250)와 시간 주기(260)로 구성되어 있다. 시간 주기(250) 동안, 얇은 금속 층이 금속-카르보닐 전구체의 열분해로부터 기판 상에 형성된다. 시간 주기(260) 동안, 프로세스 챔버는 퍼지 가스와 환원성 가스에 의해 퍼징된다. 증착 사이클(270)은 소망의 두께를 지닌 금속 층이 기판 상에 형성될 때까지 반복될 수 있다.
소망의 두께를 지닌 금속 층의 형성을 가능케 하는 적절한 프로세스 조건은 직접 실험 및/또는 실험 계획법(DOE: design of experiment)에 의해 결정될 수 있다. 조절 가능한 프로세스 파라미터는 예컨대 시간 주기(250, 260)의 길이, 온도(예컨대, 기판 온도), 프로세스 압력, 프로세스 가스, 및 상대적인 가스 유량을 포함할 수 있다. 각각의 시간 주기(250, 260)의 길이는 금속 층의 두께와 정합성을 최적화시키기 위해 독립적으로 변할 수 있다. 시간 주기(250, 260)의 길이는 각각의 증착 사이클에서 일정할 수 있거나, 그 대안으로 시간 주기(250, 260)의 길이는 증착 사이클(270)에서 독립적으로 변할 수 있다. 일반적으로, 시간 주기(250)의 길이는 약 1초 내지 약 500초 사이, 예컨대 25초일 수 있고, 시간 주기(260)의 길이는 약 120초 미만, 예컨대 약 30초일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 있어서, 프로세스 챔버 압력은 예컨대, 약 0.01 Torr 내지 5 Torr일 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 프로세스 챔버 압력은 약 0.2 Torr 미만일 수 있고, 또 약 0.04 Torr일 수 있다. 기판 온도는 약 250℃ 내지 약 600℃, 혹은 약 400℃ 내지 약 500℃일 수 있다. 전구체 컨테이너 내의 금속-카르보닐 전구체는 예컨대, 약 35℃ 내지 약 45℃ 사이의 온도로 유지될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 금속 핵형성 층이 전술한 간헐적 금속-카르보닐 전구체 가스 플로우 프로세스를 사용하여 금속 층을 형성하기 전에 기판 상에 형성될 수 있다. 금속 핵형성 층은 한정하려는 의도는 아니지만 CVD, 플라스마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 및 물리 기상 증착(PVD)을 포함하는 다양한 공지의 증착 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 초기 금속 핵형성의 두께는 예컨대, 약 10Å 내지 약 1,000Å일 수 있다. 하나의 실시예에서, 금속 핵형성 층을 증착하기 위한 CVD 프로세스는 금속-카르보닐 전구체 가스, 약 0.5 Torr의 프로세스 압력, 및 약 60초의 노출 시간을 이용할 수 있다.
도 4에는 본 발명의 일실시예에 따라 Si 미세구조체 상에 형성된 텅스텐(W) 층의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도 4에서, 텅스텐(W) 층(310)의 두께는 기판(370) 상에 형성된 미세구조체(300)의 형태(topography)에 따라 변한다. 미세구조체(300)는 약 3:1(구멍 혹은 트렌치의 깊이 : 구멍 혹은 트렌치의 폭)의 종횡비를 지닌다. 구멍 및 트렌치의 깊이(390)는 약 1.1 미크론(11,000Å)이었고, 구멍 및 트렌치의 평균 폭(380)은 약 0.36 미크론(3,600Å)이었다.
표 1에는 본 발명의 일실시예에 따라 도 4에 개략적으로 도시된 Si 미세구조체 상에 형성된 텅스텐(W) 층의 두께와 정합성(conformality)이 도시되어 있다. 상이한 프로세싱 조건에 대한 텅스텐(W) 층(310)의 정합성을 평가하기 위해, 미세구조체(300) 상의 다양한 위치에서 텅스텐(W) 층(310)의 두께를 미세구조체(300)에 인접한 텅스텐(W) 층(310)의 두께(320)와 비교하였다. 이것은 미세구조체(300)의 윗면에 있는 텅스텐(W) 층의 돌출물의 두께(360), 미세구조체(300)의 개구 윗면에 있는 텅스텐(W) 층(310)의 두께(350), 미세구조체(300)의 바닥에 있는 텅스텐(W) 층(310)의 두께(330), 및 미세구조체(300)의 수직 측벽에 있는 텅스텐(W) 층의 최소 두께(340)를 포함하였다.
표 1의 텅스텐(W) 층은 아래의 프로세스 조건 즉, a) 텅스텐(W) CVD 프로세스는 약 500℃의 기판 온도에서, b) 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스는 약 500℃의 기판 온도에서, c) 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스는 약 400℃의 기판 온도에서 실시하는 조건을 사용하여 형성되었다. a) 내지 c) 조건에 따라 텅스텐(W) 층을 증착하기 이전에, 얇은 텅스텐(W) 핵형성 층을 W(CO)6, Ar 캐리어 가스 및 Ar 퍼지 가스를 포함하는 W(CO)6 전구체 가스를 사용하여 기판 상에 증착시켰다. 텅스텐(W) 핵형성 층을 약 0.5 Torr의 프로세스 챔버 압력에서 60초 동안 증착시켰다.
기판 상에서 얇은 텅스텐(W) 핵형성 층의 형성에 후속하여, W(CO)6 가스, Ar 캐리어 가스, Ar 퍼지 가스, 및 H2 환원성 가스를 기판에 노출시킴으로써 CVD 프로 세스를 상기 a)의 조건인 약 500℃의 기판 온도에서 실행하였다. 120회 증착 사이클과, 약 0.04 Torr의 프로세스 압력과, Ar 퍼지 가스와, H2 환원성 가스와, 그리고 Ar 캐리어 가스를 포함하는 W(CO)6 전구체 가스를 사용하여 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 상기 조건 b)와 c)인 약 500℃ 및 약 400℃의 기판 온도에서 각각 실행하였다.
(a) CVD (500℃) (b) 간헐적 전구체 플로우(500℃) (c) 간헐적 전구체 플로우(400℃)
층 구멍 트렌치 구멍 트렌치 구멍 트렌치
320 2150Å 2150Å 1555Å 1555Å 2533Å 2533Å
330 195Å 678Å 259Å 781Å 460Å 1260Å
340 293Å 684Å 204Å 586Å 364Å 1151Å
350 586Å 1270Å 518Å 977Å 691Å 1612Å
360 950Å 1270Å 690Å 977Å 1151Å 1727Å
비율
360/320 0.44 0.59 0.44 0.63 0.45 0.68
330/320 0.09 0.32 0.17 0.50 0.18 0.50
340/320 0.14 0.32 0.13 0.38 0.14 0.45
입자 크기(Å) 100-350Å 100-150Å 300-350Å
표 1의 결과는 프로세스 조건 a) 내지 c) 따라 형성된 텅스텐(W) 층들 전부가 텅스텐(W) 층에 있어서 돌출물의 유사 정도를 나타내는 360/320 값을 갖는다는 것을 보여준다. 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스는 조건 b) 및 c)에서 구멍 및 트렌치에 대해 CVD 프로세스보다 더 양호한 330/320 값이 얻어졌다. 다시 말해서, 미세구조체의 바닥에서의 텅스텐(W) 층(310)의 상대 두께는 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 사용함으로써 CVD 프로세스에 비해 현저하게 향상되었다. 추가적으로, 조건 b) 및 c)에 대한 340/320 값은 트렌치에 있어서 향상되었으며, 이는 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스를 사용하여 텅스텐(W) 층(310)의 더 양호한 상대적인 측벽 덮임률(relative sidewall coverage)을 보여준다.
프로세스 조건 a) 내지 c)에 있어서 텅스텐(W) 층(310) 내의 텅스텐(W) 입자의 크기를 SEM 현미경을 이용하여 눈으로 관찰하였다. CVD 프로세스에 의해 형성된 텅스텐(W)은 그 텅스텐(W)의 입자의 크기가 약 100Å 내지 약 350Å 범위인 것으로 나타난데 반면에, 조건 b) 및 c)에서의 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스에 의한 텅스텐(W)의 입자의 크기가 약 500℃의 기판 온도에 대해 약 100Å 내지 약 150Å이고, 약 400℃의 기판 온도에 대해 약 300Å 내지 약 350Å 범위인 것으로 나타났다. 따라서, 간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스에 의해 형성된 텅스텐(W)의 입자는 CVD 프로세스보다 더 좁은 입자 크기 분포를 갖는다.
기판은 복수 개의 미세구조체를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 미세구조체의 폭은 약 0.4 미크론 미만일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 그 폭은 약 0.15 미크론 미만일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 그 폭은 약 0.1 미크론 미만일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미세구조체의 깊이는 약 1 미크론보다 더 클 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 미세구조체의 종횡비는 약 3:1보다 더 클 수 있다. 또 다른 실시예에서, 미세구조체의 바닥에서 텅스텐 층의 두께는 약 10Å보다 더 클 수 있다. 또 다른 실시예에서, 그 두께는 약 50Å보다 더 클 수 있다. 실제로, 그 두께는 약 150Å보다 더 클 수 있다. 하나의 실시예에서, 미세구조체의 측벽에서 텅스텐(W) 층의 두께는 약 10Å보다 더 크다. 또 다른 실시예에서, 그 두께는 약 50Å보다 더 클 수 있다. 실제로, 그 두께는 약 150Å보다 더 클 수 있다.
하나의 실시예에서, 미세구조체의 바닥의 금속 층 두께와 미세구조체에 인접한 금속 층 두께의 비율은 약 0.1보다 더 크다. 또 다른 실시예에서, 미세구조체의 측벽의 금속 층 두께와 미세구조체에 인접한 금속 층 두께의 비율은 약 0.1보다 더 크다. 또 다른 실시예에서, 미세구조체의 윗면에서 금속 돌출물의 두께와 미세구조체에 인접한 금속 층 두께의 비율은 약 0.7 미만이다. 또 다른 실시예에서, 그 비율은 약 0.5 미만일 수 있다.
간헐적 전구체 가스 플로우 프로세스의 또 다른 실시예에서, 60회의 증착 사이클을 사용하여 400℃의 기판 온도에서 열적으로 성장된 SiO2 층에 텅스텐(W) 층을 형성하였다. W(CO)6 전구체 가스의 각 펄스의 지속 기간을 약 25초로 하였고, Ar 캐리어 가스 유량을 약 50sccm로 하였다. H2 환원성 가스 유량을 약 100sccm으로 하였다. 각 증착 사이클에서 평균 증착 속도가 약 6.5Å인 경우, 상기 프로세스에 의해 형성된 텅스텐(W) 층의 두께는 약 389Å였다. 텅스텐(W) 층의 전기 비저항은 약 34.9 μohm-cm이었다.
본 발명의 여러 변형례와 수정례가 본 발명을 실시하는 데에 채택될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위의 범주 내에서 본 명세서에 구체적으로 설명한 것 이외의 것으로 실시될 수도 있다는 것으로 이해될 것이다.

Claims (54)

  1. 기판 상에 금속 층을 형성하는 방법으로서:
    프로세스 챔버 내에 기판을 제공하는 단계와;
    상기 기판을 환원성 가스에 노출시키는 단계와;
    상기 기판 상에 금속 층을 형성하도록 상기 기판을 금속-카르보닐 전구체 가스의 펄스에 노출시키는 단계와;
    소망하는 두께를 지닌 금속 층이 형성될 때까지 상기 노출 단계들을 반복하는 단계
    를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속-카르보닐 전구체는 W(CO)6, Ni(CO)4, Mo(CO)6, Co2(CO)8, Rh4(CO)12, Re2(CO)10, Cr(CO)6, 및 Ru3(CO)12 중 하나 이상을 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 층은 W, Ni, Mo, Co, Rh, Re, Cr, 및 Ru 중 하나 이상을 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속-카르보닐 전구체 가스는 W(CO)6을 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 금속 카르보닐 전구체의 유량은 약 0.1sccm 내지 약 200sccm인 것인 금속 층 형성 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 금속-카르보닐 전구체 가스는 캐리어 가스와 희석 가스 중 하나 이상을 더 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 캐리어 가스와 상기 희석 가스 중 하나 이상은 불활성 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar, He, Kr, Xe, N2 중 하나 이상을 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 전구체 가스는 약 10sccm 내지 약 1,000sccm의 유량을 지닌 캐리어 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 전구체 가스는 약 10sccm 내지 약 1,000sccm의 유량을 지닌 희석 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 환원성 가스는 수소 함유 가스, 규소 함유 가스, 붕소 함유 가스, 및 질소 함유 가스 중 하나 이상을 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 환원성 가스는 H2를 포함하는 수소 함유 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 환원성 가스는 SiH4, Si2H6, 및 SiCl2H2 중 하나 이상을 포함하는 규소 함유 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 환원성 가스는 BH3, B2H6, 및 B3H9 중 하나 이상을 포함하는 붕소 함유 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 환원성 가스는 NH3을 포함하는 질소 함유 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 환원성 가스의 유량은 약 10sccm 내지 약 1,000sccm인 것인 금속 층 형성 방법.
  17. 제1항에 있어서, 기판을 퍼지 가스에 노출시키는 단계를 더 포함하는 금속 층 형성 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 퍼지 가스는 불활성 가스를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar, He, Kr, Xe, N2 중 하나 이상을 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 퍼지 가스의 유량은 약 50sccm 내지 약 1,000sccm인 것인 금속 층 형성 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 금속 카르보닐 전구체 가스 펄스의 길이는 약 1초 내지 약 500초인 것인 금속 층 형성 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 금속 카르보닐 전구체 가스 펄스의 길이는 약 25초인 것인 금속 층 형성 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 금속 카르보닐 전구체 가스 펄스들 사이의 시간 주기 는 약 1초 내지 약 120초인 것인 금속 층 형성 방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 금속 카르보닐 전구체 가스 펄스들 사이의 시간 주기는 약 30초인 것인 금속 층 형성 방법.
  25. 제1항에 있어서, 상기 기판 온도는 약 250℃ 내지 약 600℃인 것인 금속 층 형성 방법.
  26. 제1항에 있어서, 상기 기판 온도는 약 400℃ 내지 약 500℃인 것인 금속 층 형성 방법.
  27. 제1항에 있어서, 프로세스 챔버 압력은 약 0.01 Torr 내지 약 5 Torr인 것인 금속 층 형성 방법.
  28. 제1항에 있어서, 프로세스 챔버 압력은 약 0.2 Torr 미만인 것인 금속 층 형성 방법.
  29. 제1항에 있어서, 프로세스 챔버 압력은 약 0.04 Torr 인 것인 금속 층 형성 방법.
  30. 제1항에 있어서, 상기 금속 카르보닐 전구체 가스의 각 펄스 동안 형성된 금속 층은 약 5Å 내지 약 60Å의 두께를 갖는 것인 금속 층 형성 방법.
  31. 제1항에 있어서, 상기 금속 카르보닐 전구체 가스의 각 펄스 동안 형성된 금속 층은 약 5Å 내지 약 10Å의 두께를 갖는 것인 금속 층 형성 방법.
  32. 제1항에 있어서, 상기 금속 층의 소망하는 두께는 약 500Å 미만인 것인 금속 층 형성 방법.
  33. 제1항에 있어서, 상기 기판은 반도체 기판, LCD 기판, 및 유리 기판 중 하나 이상을 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  34. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 금속 핵형성 층을 증착하는 단계를 더 포함하는 금속 층 형성 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 증착 단계는 CVD, PECVD, 및 PVD 중 하나 이상으로부터 선택된 프로세스를 이용하는 단계를 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 증착 단계는 기판을 금속 카르보닐 전구체 가스에 노출시키는 단계를 포함하는 CVD 프로세스를 이용하는 것인 금속 층 형성 방법.
  37. 제34항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 0.1 Torr 내지 약 5 Torr의 프로세스 챔버 압력을 채용한 CVD 프로세스를 이용하는 것인 금속 층 형성 방법.
  38. 제34항에 있어서, 상기 증착 단계는 약 0.5 Torr의 프로세스 챔버 압력을 채용한 CVD 프로세스를 이용하는 것인 금속 층 형성 방법.
  39. 제1항에 있어서, 상기 기판은 복수 개의 미세구조체를 포함하며,
    적어도 하나의 미세구조체의 바닥에서는 제1 두께를 가지며 상기 적어도 하나의 미세구조체의 측벽에서는 제2 두께를 가지고 상기 적어도 하나의 미세구조체의 윗면에는 돌출물(overhang)을 갖는 금속 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 금속 층 형성 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세구조체의 폭은 약 0.4 미크론 미만인 것인 금속 층 형성 방법.
  41. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세구조체의 폭은 약 0.15 미크론 미만인 것인 금속 층 형성 방법.
  42. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세구조체의 폭은 약 0.1 미크론 미 만인 것인 금속 층 형성 방법.
  43. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세구조체의 깊이는 약 1 미크론보다 더 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  44. 제39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세구조체의 종횡비는 약 3:1보다 더 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  45. 제39항에 있어서, 상기 제1 두께는 약 10Å 보다 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  46. 제39항에 있어서, 상기 제1 두께는 약 50Å 보다 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  47. 제39항에 있어서, 상기 제1 두께는 약 150Å 보다 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  48. 제39항에 있어서, 상기 제2 두께는 약 10Å 보다 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  49. 제39항에 있어서, 상기 제2 두께는 약 50Å 보다 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  50. 제39항에 있어서, 상기 제2 두께는 약 150Å 보다 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  51. 제39항에 있어서, 상기 제1 두께와 상기 적어도 하나의 미세구조체에 인접한 금속 층 두께의 비율은 약 0.1보다 더 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  52. 제39항에 있어서, 상기 제2 두께와 상기 적어도 하나의 미세구조체에 인접한 금속 층 두께의 비율은 약 0.1보다 더 큰 것인 금속 층 형성 방법.
  53. 제39항에 있어서, 상기 돌출물의 두께와 상기 적어도 하나의 미세구조체에 인접한 금속 층 두께의 비율은 약 0.7 미만인 것인 금속 층 형성 방법.
  54. 제39항에 있어서, 상기 돌출물의 두께와 상기 적어도 하나의 미세구조체에 인접한 금속 층 두께의 비율은 약 0.5 미만인 것인 금속 층 형성 방법.
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