KR20220156019A

KR20220156019A - 저항률이 낮은 금속의 이온빔 증착

Info

Publication number: KR20220156019A
Application number: KR1020227035226A
Authority: KR
Inventors: 나라시만 스리니바산; 타니아 헨리; 프랭크 세리오; 폴 터너; 빈센트 아이피; 루트빅 메흐타
Original assignee: 비코 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-11-24
Also published as: US20240093356A1; WO2021188341A1; US20210292889A1; TW202146681A; EP4107305A1

Abstract

본 발명은 텅스텐(W) 및 루테늄(Ru) 층과 같은 저항률이 낮은 금속 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 적어도 250℃의 온도에서 프로세스 챔버에서 보조된 이온빔 증착을 통해 기판 상에 금속 재료를 증착하여 금속막을 생성하는 단계를 포함한다. 생성된 텅스텐 박막은 저항률이 10 μΩ-cm 미만이고, 두께가 300 Å 미만이며, 식별할 수 있는 β상이 없는, 크고 고도로 배향된 α(110) 결정립을 갖는다. 생성된 루테늄 박막은 저항률이 12 μΩ-cm 미만이고, 두께가 300 Å 미만이다.

Description

저항률이 낮은 금속의 이온빔 증착

교차 참조

본 출원은 2020년 3월 18일에 출원되고, 명칭이 저항률이 낮은 텅스텐의 이온빔 증착(ION BEAM DEPOSITION OF LOW RESISTIVITY TUNGSTEN)인 미국 가출원 62/991,537에 대한 우선권을 주장하며, 이는 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.

이온빔 증착(Ion beam deposition: IBD)은 금속막을 형성하는 데 적합한 많은 방법들 중 하나이며, 다른 방법에는 플라즈마 증착(plasma vapor deposition: PVD), 화학 증착(chemical vapor deposition: CVD) 및 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy: MBE)가 포함되지만, 이에 제한되지 않는다. MBE는 매우 낮은 에너지로 층을 증착하는 데 유용하며, 이는 의사 에피택셜 층(pseudo epitaxial layer)을 생성할 수 있다. PVD는 더 높은 에너지로 층을 증착하는 데 유용하며, 이는, 예를 들어, 우수한 전기 전도 능력을 갖는 층을 생성할 수 있다. IBD는 한층 더 높은 에너지와 감소된 압력에서, 증착 기하학을 제어하면서 층을 증착하는 데 유용하며, 이는 결정도가 보다 높고 미세구조가 제어된 층을 생성할 수 있다.

이들 모든 방법들로 다양한 두께의 막을 생산할 수 있다. 특정 두께 이하에서는, 금속막 두께가 감소하면, 금속의 저항률(resistivity)이 증가한다.

목적하는 것은 저항률이 낮은 금속 박막이다.

본 발명은 이온빔 증착을 통해 저항률이 낮은 텅스텐(W), 루테늄(Ru) 등의 금속 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법에는 보조 이온빔(assist ion beam) 및/또는 상승된 처리 온도를 사용하는 것이 포함되며; 구체적인 방법으로는 보조 이온빔으로 이온빔 증착하는 동안 가열된 기판을 사용하는 것이 포함된다.

본원에 기재된 방법은 저항률이 낮은 α(110) 평면으로 우선적으로 배향된 결정립(grain)을 갖는 고도로 배향된 결정립 텍스처(grain texture)를 갖는, 주로 α상 텅스텐으로 이루어진 막을 형성하는 데 사용될 수 있다. 상기 막은 또한 감소된 α(200) 텅스텐 피크와 증가된 α(110) 및 α(211) 피크를 보일 수 있다. 이 α(200) 성분 감소 및 (110) 및 α(211) 증가는, 더 큰 입자 크기와 결합된 뚜렷한 텍스처를 가진 미세구조에 해당하는 것으로, 낮은 텅스텐 저항률을 초래한다.

본 발명에서는 금속 박막을 형성하는 방법을 설명하고 있으며, 이 방법은 프로세스 챔버에서 이온빔 증착을 통해 타겟(target)으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계 - 상기 기판의 온도는 적어도 300℃, 또는 적어도 325℃, 또는 적어도 350℃임 -, 및 0.5 옹스트롬/초보다 큰 순 증착 속도(net deposition rate)를 얻도록 프로세스 챔버 내의 기판으로부터 증착된 재료의 적어도 일부에 동시에 충격을 가하는(bombarding) 단계를 포함한다. 경우에 따라, 상기 충격을 가하는 단계는 증착된 재료의 적어도 일부를 개질시키거나 에칭하기 위해 보조 이온빔을 사용하여 수행된다. 상기 충격을 가하는 단계는 적어도 350℃에서 보조 이온빔을 사용하여 수행될 수 있다.

본 발명은 또한 이온빔 증착 소스, 이온빔 증착 소스로부터의 이온빔에 대해 약 20 내지 약 40도의 각도를 갖는 타겟, 보조 이온빔 소스, 기판을 유지하기 위한 기판 어셈블리(substrate assembly), 및 적어도 300℃의 온도로 기판을 가열하도록 구성된 히터(heater)를 갖는 이온빔 증착 시스템을 설명하고 있다. 기판 어셈블리는 타겟으로부터 스퍼터 플룸(sputter plume)을 수용하고, 보조 이온빔 소스로부터 이온빔을 수용하도록 위치하며, 기판 어셈블리는 타겟 및 보조 이온빔 소스에 대해 선회할 수 있다.

본원에 기재된 방법은 약 100 내지 약 300 옹스트롬의 두께, 및 약 8 내지 약 12 μΩ-cm, 일부 구현에서 약 8 내지 약 11 μΩ-cm의 저항률을 갖는 금속막을 형성하는 데 사용될 수 있다. 상기 방법은 또한 막의 미세구조를 제어할 수 있다.

예를 들어, 본원에 기재된 방법은 약 100 내지 약 300 옹스트롬의 두께, 및 약 8 내지 약 11 μΩ-cm의 저항률을 갖는 텅스텐 막을 형성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방법으로 제조된 텅스텐 막은 대부분의 결정립(예를 들어, 결정립의 60% 초과, 70%, 80% 이상, 최대 90% 초과)이 막 성장 방향을 따라 저항률이 낮은 α(110) 평면으로 배향되는 것으로 정의되는, 지배적인 α(110) 텍스처를 갖는 고도로 배향된 미세구조를 가질 수 있다. 이러한 방법에 의해 제조된 텅스텐 막에는 β상 텅스텐이 거의 없거나 전혀 없을 수 있다. 이러한 방법에 의해 제조된 텅스텐 막은 저항률이 낮은 α(110) 섬유 조직(fiber texture)을 나타낼 수 있다. 텅스텐 막은 α(200)에 대한 α(110)에서 대해 1보다 크고, α(211)에 대한 α(110)에 대해 1보다 큰 X선 회절 피크 비율로 표시되는 α(110)의 결정 배향을 나타낼 수 있다.

이러한 방법에 의해 제조된 텅스텐 막에는 사용된 방법에 의해 조정 가능한 결정립 크기 및 성장 습성(growth habit)을 갖는 고도로 제어된 미세구조가 있을 수 있으며, 결과적으로 결정립이 특정 평면 및 방향을 따라 성장하는 미세구조를 생성할 수 있다. 막은 고도로 텍스처링된 막일 수 있다. 또한, 이러한 방법에 의해 제조된 텅스텐 막은 100 nm 등가 원형 직경(equivalent circular diameter)보다 큰 결정립 크기를 가질 수 있으며, 경우에 따라, 150 nm 등가 원형 직경보다 크고, 심지어 200 nm 등가 원형 직경보다 큰 결정립 크기를 가질 수 있다.

미세구조, 결정립 크기 및 결정립 배향을 제어하여 저항률을 낮추기 위해 보조 이온빔과 함께 이온빔 증착을 사용하는 본원의 방법은 주기율표의 다른 금속 원소, 예를 들어, 비제한적으로, Mo, Ru, Co, Cu, Rh 등과 같은 6족 내지 11족 금속 원소에 적용될 수 있다. 예로서, 본 발명은 또한 약 100 내지 약 300 옹스트롬의 두께 및 약 8 내지 약 12 μΩ-cm의 저항률을 갖는 루테늄(Ru) 막을 제공한다.

또한, 본 발명은 원격 이온 보조 에칭 소스(remote ion assist etch source), 열 및 오프 수직각 증착(off normal angle deposition) 및 에칭을 조합하여 또는 개별적으로 사용하여 금속막의 미세구조, 텍스처 및 결정립 배향을 제어하는 방법을 설명한다. 본 발명은 또한 텅스텐 막의 미세구조, 결정립 크기 및 결정립 크기 분포를 제어하는 방법을 설명한다. 예를 들어, α(110) 텅스텐 피크, α(200) 텅스텐 피크 및 α(211) 텅스텐 피크 비율을 제어하는 방법이 설명되어 있다.

하나의 특정 구현에서, 본 발명은 금속 박막을 형성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 프로세스 챔버에서 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계 - 상기 기판의 온도는 적어도 250℃임 -, 및 프로세스 챔버 내의 기판으로부터 증착된 물질의 적어도 일부에, 적어도 0.5 옹스트롬/초의 순 증착 속도에서 보조 이온빔과 같은 것으로 동시에 충격을 가하여 금속막을 생성하는 단계를 포함한다. 텅스텐 막을 형성하기 위해, 타겟은 소정량의 텅스텐을 포함하고; 유사하게, 루테늄 막을 형성하기 위해, 타겟은 소정량의 루테늄을 포함한다.

또 다른 특정 구현에서, 본 발명은 금속 박막을 형성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 프로세스 챔버에서 기판에 대해 수직이 아닌 각도로 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계 - 상기 기판의 온도는 적어도 250℃임 -, 및 프로세스 챔버 내의 기판으로부터 증착된 재료의 적어도 일부에 동시에 충격을 가하여 금속막을 생성하는 단계를 포함한다. 텅스텐 막을 형성하기 위해, 타겟은 소정량의 텅스텐을 포함하고; 유사하게, 루테늄 막을 형성하기 위해, 타겟은 소정량의 루테늄을 포함한다.

이들 방법들 중 하나, 및 다른 방법에 대해, 금속 재료를 증착하기 위한 증착 각도는 기판에 대한 법선에서 약 40 내지 45도일 수 있으며, 증착된 재료를 에칭하기 위한 보조 빔 각도는 기판에 대한 법선에서 약 20 내지 25도일 수 있다. 증착 각도 및 보조 빔 각도(에칭 각도) 중 하나 또는 둘 모두는 상기 방법 동안 조정될 수 있다. 금속 재료는 1000V 미만 또는 1500V 초과의 전압을 갖는 이온빔을 사용하는 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 증착될 수 있다. 금속 재료는 기판에 대해 수직이거나 수직이 아닌 각도로 증착될 수 있다. 이온빔 에칭은 적어도 100V 또는 1000V 이하의 전압을 갖는 보조 이온빔을 사용할 수 있다. 증착된 재료의 적어도 일부를 이온빔 에칭하는 것은 기판에 대해 수직이거나 수직이 아닌 각도에서 일어날 수 있다.

또 다른 특정 구현에서, 본 발명은 1차 이온빔 증착 소스, 1차 이온빔 소스로부터 이온빔을 수용하도록 위치한 금속 타겟, 보조 이온빔 소스; 기판을 유지하기 위한 선회할 수 있는 기판 어셈블리로서, 금속 타겟으로부터 스퍼터 플룸을 수용하고, 보조 이온빔 소스로부터 이온빔을 수용하도록 위치하며, 금속 타겟 및 보조 이온빔 소스에 대해 선회할 수 있는, 기판 어셈블리, 및 적어도 250℃, 일부 구현에서는 적어도 300℃, 심지어는 적어도 350℃의 온도로 기판을 가열하도록 구성된 적어도 하나의 복사 히터(radiative heater)를 포함하는 이온빔 증착 시스템을 제공한다. 기판 어셈블리는 금속 타겟에 대해 수직에서 수직이 아닌 각도로 선회할 수 있고, 보조 이온빔 소스에 대해 수직에서 수직이 아닌 각도로 선회할 수 있다.

또 다른 특정 구현에서, 본 발명은 α(110), α(200) 및 α(211)를 포함하는 결정 구조를 갖고, 식별할 수 있는 β상이 없는 금속 텅스텐 박막을 제공한다. Ru, Mo, Co, Cu, Rh 등과 같은 다른 금속막에 대해서도 유사한 결정 구조를 얻을 수 있다.

이러한 요약은 단순화된 형태로 선택된 개념을 소개하기 위해 제공된 것으로, 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되어 있다. 이러한 요약은 청구된 주제의 핵심 또는 필수 특징을 식별하기 위한 것이 아니며, 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용되지도 않는다. 이들 및 다른 다양한 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명을 읽으면 명백해질 것이다.

도 1은 보조 이온빔과 함께 이온빔 증착 도구의 개략적인 측면도이다.
도 2는 PVD 및 IBD 막을 비교하는 경사 입사각(glancing angle) X선 θ-2θ 스캔을 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 90%(110) 텍스처를 나타내는 보조된 IBD에 의한 텅스텐 막의 X선 카이 스캔을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4a는 PVD에 의해 제조된 텅스텐 막의 전자 현미경 사진(하단), 및 결정립 크기 히스토그램 및 박스 플롯(box plot)(중앙)이다. 결정립 배향 키(grain orientation key)(상단)는 텍스처의 역극도 맵(inverse pole figure map)이다.
도 4b는 보조 없이 IBD에 의해 제조된 텅스텐 막의 전자 현미경 사진(하단), 및 결정립 크기 히스토그램 및 박스 플롯(중앙)이다.
도 4c는 보조 이온빔으로 가열된 IBD에 의해 제조된 텅스텐 막의 전자 현미경 사진(좌측 하단), 결정립 크기 히스토그램 및 박스 플롯(좌측 상단), 및 (110) 배향된 결정립의 결정립 크기 히스토그램 및 박스 플롯(우측 상단)이다. 결정립 배향 키는 텍스처의 역극도 맵이다(우측 하단).
도 4d는 보조 이온빔으로 가열된 IBD에 의해 제조된 텅스텐 막의 전자 현미경 사진(중앙), (110) 배향된 결정립의 결정립 크기 히스토그램 및 박스 플롯(좌측)이다. 결정립 배향 키는 텍스처의 역극도 맵이다(오른쪽).
도 5는 보조된 IBD에 의해 제조된 텅스텐 막의 두께 대 저항률을 그래프로 나타낸 것이다.
도 6은 보조된 IBD에 의해 제조된 루테늄 막의 두께 대 저항률을 그래프로 나타낸 것이다.
도 7a는 250 옹스트롬 두께의 텅스텐 막에 대한 TEM 현미경 이미지이다.
도 7b는 250 옹스트롬 두께의 텅스텐 막의 AFM 이미지이다.

본 발명은 이온빔 증착에 의한 저항률이 낮은 박막 금속(예를 들어, 텅스텐, 루테늄)의 증착에 관한 것이다. 보조 이온빔의 추가 및/또는 상기 프로세스의 가열은 저항률을 더욱 낮춘다. 스퍼터 증착 및 이온빔 증착(IBD)은 기판 상에 박막 재료를 증착하는 공지된 방법이다. 기판은 증착된 막의 특성을 최적화하기 위해 다른 각도로 기울어질 수 있고, 기울어짐에 의해 도입된 불균일성(non-uniformity)을 평균화하기 위해 회전될 수 있다.

전자 장치의 크기가 축소됨에 따라, 회로 및 링크를 형성하는 데 사용되는 전도성 금속 라인의 치수도 폭과 길이 및 또한 두께에서 축소된다. 금속막의 저항률은 전자 평균 자유 경로(electron mean free path: EMFP) 차수의 치수, 예를 들어, 9 내지 300 nm 범위에 접근함에 따라 막의 두께에 크게 의존한다. 이 치수에서 저항률은 두께가 감소함에 따라 증가한다. 증가된 저항률과 결합된 금속 라인 치수의 감소는 마이크로전자 집적 회로의 속도를 방해하는 RC 지연(저항-용량 지연)에 부정적인 결과를 가져온다.

텅스텐은 현재 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory: DRAM) 및 기타 반도체 구조체의 비트 라인 배선(bit line wiring) 재료로 사용되며, 이러한 저항률 크기 효과에 민감하다. 따라서, 막 두께가 감소함에도 불구하고 저항률이 낮은 텅스텐 막 및 기타 금속막을 증착할 수 있기를 바라는 욕구가 있다.

텅스텐은 매우 얇은 두께에서 쉽게 형성되지만, 저항률이 더 높은 텅스텐의 β상과 달리, 저항률이 낮은 상인 주로 α상에서 박막을 증착하는 것이 어렵기 때문에 특별히 도전적이다. 텅스텐의 초기 성장과 후속 성장 메커니즘을 제어함으로써, β상의 성장이 억제될 수 있으며, 그 결과 α상의 비율이 증가한다. 일부 구현에서는, X선 회절에서 베타 상 피크가 없는 것으로 정의되는, 본질적으로 식별할 수 있는 β상이 존재하지 않는다.

또한, 텅스텐, 루테늄 및 기타 금속, 예를 들어, Mo, Co, Cu, Rh 등은 크기에 좌우되는 이방성 전기 저항률을 나타내며, 이때 일반적으로 등방성 저항률은, 막 두께와 결정립 크기가 100 nm 미만으로 감소함에 따라 결정립 텍스처, 배향 및 에피택시에 의존성을 나타내며, 50 nm 미만에서는 강한 이방성 의존성을 나타낸다. 각각 α(200), α(110) 및 α(211) 결정 배향을 갖는 금속막, 예를 들어, 텅스텐은 동일한 결정립 크기 및 두께에 대해 서로 다른 저항률을 가지므로 결과적으로, 저항률이 낮은 막을 얻기 위해서는 막 텍스처 및 결정립 배향을 제어해야 한다.

본원에 기재된 방법으로 결정 배향을 제어할 수 있으며, 특히 α(211) 및 α(200)에 비해 α(110)의 상대량을 증가시키면, 저항률에 영향을 미치고, 또한 금속막의 텍스처가 증가하고, 섬유 조직이 형성된다. 결과적으로, 임의의 배향을 갖는 결정립은 감소하고, α(110)를 갖는 결정립은 증가한다.

본원에 기재된 방법의 결과로서, 금속 박막에서 α(110) 결정립의 양 및 비율은 높아지며, α(110) 결정립 비율은 일부 구현에서는 60% 초과, 일부 구현에서는 70% 초과, 일부 구현에서는 80% 초과, 일부 구현에서는 90% 초과이고; 이는 특히 텅스텐에 적용될 수 있다.

경사 입사각 θ-2θ X선 회절의 피크로 표시되는, α(200) 대 α(211)의 양의 비율은 일부 구현에서는 적어도 1:5, 일부 구현에서는 적어도 1:7, 일부 구현에서는 적어도 1:10, 일부 구현에서는 적어도 1:12, 심지어는 적어도 1:15이며, 더 많은 양의 α(211)가 요구된다. 즉, 일부 구현에서, α(211)의 양은 α(200)의 양보다 적어도 15배 더 많다.

일부 구현에서, 경사 입사각 θ-2θ X선 회절의 피크로 표시되는, 금속 박막에서 α(110) 대 α(211)의 양의 비율은 일부 구현에서는 적어도 1:0.2(또는 5:1), 일부 구현에서는 적어도 1:0.25(또는 4:1), 일부 구현에서는 적어도 1:0.3(또는 약 3:1), 일부 구현에서는 적어도 1:0.4(또는 약 2.5:1), 및 심지어 적어도 1:0.5(또는 2:1)이며, 더 많은 양의 α(211)가 요구된다.

본원에 기재된 방법은 저항률이 낮은 금속 박막을 제공한다.

예를 들어, 본 방법은, 예를 들어, 저항률이 11 μΩ-cm 이하, 일부 구현에서는 10.5 μΩ-cm 이하, 일부 구현에서는 10.2 μΩ-cm 이하, 심지어는 10 μΩ-cm 이하(즉, 10 μΩ-cm 및 그 미만)인 텅스텐 박막을 제공한다. 본원에 기재된 방법은 100 내지 325 옹스트롬의 두께 범위와 8 μΩ-cm 내지 11 μΩ-cm의 저항률을 갖는 텅스텐 막을 제공한다. 일부 텅스텐 막의 저항률 범위는 8 μΩ-cm 내지 10 μΩ-cm이고, 다른 막의 저항률 범위는 8 μΩ-cm 내지 9 μΩ-cm이다. 본원에 기재된 방법은 또한 저항률 범위가 8 μΩ-cm 내지 9 μΩ-cm인, 200 내지 250 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 텅스텐 막을 제공할 뿐만 아니라 저항률이 8 μΩ-cm 내지 8.5 μΩ-cm인, 250 내지 300 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 텅스텐 막을 제공할 수 있다.

본원에 기재된 방법은 또한 두께가 100 내지 325 옹스트롬 범위이고, 저항률이 8 μΩ-cm 내지 12 μΩ-cm인 루테늄 박막을 제공한다. 일부 루테늄 막에서, 저항률 범위는 8 μΩ-cm 내지 10 μΩ-cm이며, 더 나아가 8 μΩ-cm 내지 9 μΩ-cm이다. 본원에 기재된 방법은 또한, 저항률 범위가 9 μΩ-cm 내지 11 μΩ-cm인, 180 내지 250 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 루테늄 막을 제공할 뿐만 아니라 저항률이 8 μΩ-cm 내지 9 μΩ-cm인, 250 내지 300 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 루테늄 막을 제공할 수 있다.

다음의 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고 적어도 하나의 특정 구현을 예시로 나타내는 첨부된 도면을 참조한다. 다음의 설명은 추가적인 특정 구현을 제공한다. 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않으면서 다른 구현이 고려되고, 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 된다. 본 발명이 이와 같이 제한되지는 않지만, 아래에 제공된 예시에 대한 논의를 통해 본 발명의 다양한 측면들에 대한 이해를 얻을 것이다. 경우에 따라, 참조 번호에는 여러 유사한 구성요소들 중 하나를 나타내는 소문자로 이루어진 관련 하위 표시가 있을 수 있다. 하위 표시가 지정되지 않은 참조 번호를 참조하는 경우, 참조는 이러한 다수의 유사한 구성요소들을 모두 지칭하는 것으로 의도된다.

도 1은 이온빔 증착(IBD) 시스템 및 보조 이온 또는 이온빔 시스템을 포함하는 본 발명에 따른 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 이온 소스(104), 타겟 서브-어셈블리(106), 및 기판(118)을 지지하기 위한 기판 어셈블리(108)를 내부에 갖는 챔버(102)와 같이, 통상적인 IBD 시스템으로부터의 다양한 요소들을 포함한다.

이온빔 소스(104)는 이온빔(110)을 생성하며, 이온빔(110)은 타겟 어셈블리(106)를 표적으로 하거나 겨냥하는 다수의 이온빔렛(ion beamlet)들을 포함할 수 있으며, 타겟 어셈블리(106)는 적어도 하나의 타겟(116), 이 예시된 시스템에서는 제1 타겟(116a) 및 제2 타겟(116b)을 포함하되, 이들 둘 다 텅스텐이 증착될 금속인 경우 텅스텐(W)일 수 있으며; 대안적으로 타겟(116)은 원소 주기율표의 6족 내지 11족 금속, 예를 들어, 비제한적으로, Mo, Ru, Co, Cu, Rh를 포함한다. 예를 들어, 루테늄(Ru)이 증착될 경우, 타겟(116)은 소정량의 루테늄을 포함한다.

이온 소스(104)에서 사용되는 소스 가스는 통상적으로 헬륨, 크세논, 아르곤, 또는 크립톤과 같은 희가스(noble gas)이다. 시스템(100)은 이온빔 소스(104)로부터 타겟(116)으로 이온빔(110)을 유도하기 위해 이온빔 소스(104)에 근접한 하나 이상의 그리드(114)들을 포함할 수 있다.

또한, 시스템(100)에는 챔버(102) 내에 존재하는 가열 요소(들)와 같은 열원이 존재한다(미도시). 가열 요소(들)는, 예를 들어, 챔버 벽 상에 위치한 가열 요소(들), 챔버 내에 위치한 가열 요소(들), 또는 기판 어셈블리(108)의 일부로서 또는 기판 어셈블리에 연결된 가열 요소(들)일 수 있다. 가열 요소(들)는, 예를 들어, 전도성 코일(conductive coil), 다른 전도성 열원, 복사 가열원(예를 들어, 램프), 또는 유도 열원(inductive heat source)일 수 있다. 가열 요소(들)는 기판(118)을 직접적으로 또는 간접적으로(예를 들어, 챔버(102) 내의 분위기를 가열함으로써) 가열할 수 있다. 가열 요소(들)는 기판(118)을 적어도 200℃의 온도로 가열하도록 구성된다. 일부 양태에서, 가열 요소(들)는 기판(118)을 적어도 250℃의 온도로 가열하도록 구성되고; 일부 추가 양태에서, 가열 요소(들)는 기판(118)을 적어도 300℃, 적어도 325℃, 또는 적어도 350℃의 온도로 가열하도록 구성된다. 어셈블리(108)에 의해 기판(118)을 직접 가열하는 경우, 이러한 가열은 또한 열을 효과적으로 전달하기 위해 기판 뒤에 가스, 예를 들어, He, Ar 등을 흐르게 하는 것을 포함할 수 있다.

이온빔(110)은, 타겟(116)들 중 하나를 타격할 때, 타겟(116)으로부터 재료의 스퍼터 플룸(112)을 생성한다. 이온빔(110)은 타겟(116)으로부터 생성된 스퍼터 플룸(112)이 기판 어셈블리(108)를 향해 이동하도록 하는 각도로 타겟(116)을 타격한다. 스퍼터 플룸(112)은 기판 어셈블리(108)의 기판(118) 상에 생성된 재료의 증착이 기판(118)의 특정 영역에 걸쳐 보다 효과적으로 분포되도록 다소 집중되게 만들어질 수 있다.

타겟 어셈블리(106)는 스퍼터 플룸(112)이 또한 원하는 각도로 타겟(116)을 타격하도록 위치된다. 하나의 예시적인 구현에서, 타겟 어셈블리(106)는, 축(126)에 대한 전체 타겟 어셈블리(106)의 회전 또는 축(126)에 대한 타겟(106)의 각도를 변경하기 위한 타겟(116) 또는 타겟 어셈블리(106)의 선회를 포함하여, 타겟(116)을 원하는 방식으로 회전하거나 이동할 수 있도록 하는 고정 장치(fixture)(칭해지지 않음)에 부착된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 기판 어셈블리(108)는 타겟(116) 및 보조 이온빔 소스(130)에 대해, 예를 들어, 수직에서 수직이 아닌 각도로 선회할 수 있다.

시스템(100), 특히 시스템(100)의 IBD 부분은 500V 내지 2000V 범위, 또는 1000V 내지 2000V 범위의 전압을 갖는 고에너지 이온빔을 사용할 수 있다. 일부 구현에서, 이온빔은 1000V 미만의 전압을 갖는 반면, 다른 구현에서 이온빔은 1500V보다 큰 전압을 갖는다.

시스템(100)은 또한, 기판(118) 상의 재료가 제거 또는 개질되도록 기판(118)에 충격을 가하는 이온 소스를 제공하는 보조 이온빔 시스템(130)을 포함한다. 보조 이온빔 시스템(130)은 이온빔 에칭 시스템 등으로 지칭될 수 있다. 보조 이온빔 시스템(130)은 기판 어셈블리(108), 특히 기판(118)을 표적으로 하거나 겨냥하는 다수의 이온빔렛들을 포함할 수 있는 보조 이온빔(134)을 생성하는 이온빔 소스(132)를 포함한다. 보조 이온빔(134)은 스퍼터 플룸(112)에 의해 기판(118) 상에 증착되는 재료의 순량(net amount)을 제어한다. 일부 구현에서, 보조 이온빔(134)은 스퍼터 플룸(112)에 의해 증착되는 재료를 개질시킨다.

보조 이온빔 시스템(130)은, 예를 들어, 저에너지 전자를 생성하기 위한 플라즈마 브리지 중화기(plasma bridge neutralizer: PBN)를 갖는 넓은 이온빔 시스템일 수 있다. 보조 이온빔 에너지의 전압 범위는 적어도 100V에서 2000V이지만, 일부 구현에서는 1000V 이하이다. 이온빔 소스(132) 및 플라즈마 브리지 중화기(존재하는 경우)는 모두 시스템(100)의 IBD 이온 소스(104)와 동일한 가스를 사용할 수 있다.

시스템(100)은 통상적으로 10^-3 torr미만, 예를 들어, 1x10^-4 내지 5x10^-4 torr의 프로세스(챔버) 압력에서 작동한다.

IBD 시스템 및 보조 이온빔을 갖는 이러한 시스템(100)은 보조된 이온빔 증착 시스템으로 지칭될 수 있다. 보조 이온빔과 함께 이온빔 증착을 갖는 시스템(100)은 증착, 증착 및 개질, 및/또는 증착 및 에칭을 위해 동시에 또는 순차적으로 또는 상호의존적으로(interpedently) 사용될 수 있다. 일 양태에서, 시스템(100)은 기판(118) 상의 타겟 재료(예를 들어, 텅스텐, 루테늄)의 순 증착 속도의 제어를 허용한다. 시스템(100)을 사용하는 또 다른 양태에서, 기판(118) 상에 증착된 타겟 재료(예를 들어, 텅스텐, 루테늄)의 미세구조는 원하는 대로, 예를 들어, β상보다는 α상을 얻고/얻거나 일부 경우에, 낮은 저항률(110)과 같은 특정 평면을 따라 섬유 조직이 있는 고도로 배향된 텍스처링된 막을 형성하기 위해 성장 습성을 제어함으로써 결정립의 원하는 배향을 얻도록 개질될 수 있다.

도 1로 돌아가면, 방향(128)은 기판(118)에 수직이다. 도 1에 도시된 양태에서, 이 방향(128)은 스퍼터 플룸(112)을 향해 기울어져 있다. 일반적으로, 기판(118)의 표면이 스퍼터 플룸(112)과 이루는 각도를 증착 각도라 하고, 기판(118)의 표면이 이온 보조 빔(134)과 이루는 각도를 에칭 각도라고 한다. 상기 각도는 기판(118)의 표면에 수직인 방향(128)을 참조하여 측정된다. 도 1에 도시된 시스템(100)을 참조하여 설명된 양태에서, 이러한 에칭 각도는 기판 각도로도 공지되어 있다. 기판(118)을 유지하는 기판 어셈블리(108)를 기울여 방향(128)을 기울임으로써, 증착 각도와 에칭 각도를 동시에 조정할 수 있다. 상기 각도는 시스템 작동 중에 주기적으로, 점진적으로 또는 지속적으로 조정될 수 있다.

이온빔 증착 및 이온빔 에칭 중 하나 또는 둘 모두는 기판(118)에 대해 수직이 아닌 각도에서 발생할 수 있다. 증착 각도는 -10도에서 +70도 범위일 수 있고, 에칭 각도는 -10도에서 +70도 범위일 수 있다. 특정 배향에서, 증착 각도는 +10도에서 -70도 범위일 수 있고, 에칭 각도도 +10도에서 -70도 범위일 수 있다. 도 1에 도시된 시스템(100)의 일 양태에서, 에칭 각도는 0도와 -67도 사이이고, 에칭 프로세스 동안 변경(조정)될 수 있다. 시스템(100)의 일 양태에서, 이러한 0도의 에칭 각도는 +67도의 증착 각도를 의미하고, -67도의 에칭 각도는 0도의 증착 각도에 상응한다. 시스템(100)의 또 다른 양태에서, 에칭 각도는 ±15 내지 ±50도, 또는 ±20 내지 ±25도이다.

당업자는, 스퍼터 플룸(112) 및 보조 이온빔(134)의 상대 위치가, 증착 각도 및 에칭 각도가 요구되거나 목적하는 막 특성에 따라 다양한 각도에 걸쳐 조정될 수 있도록 위치할 수 있음을 이해할 것이다. 또 다른 양태에서, 타겟(106)은 이온빔 증착 소스(104)로부터의 이온빔에 대해 20도 내지 40도의 각도를 나타낼 수 있다. 추가적으로, 숙련가는, 시스템(100)의 일 양태에서, 기판(118)을 포함하는 기판 어셈블리(108)를 기울여 방향(128)을 기울임으로써, 스퍼터 플룸(112)과 보조 빔(134) 모두가 기판에 도달하도록 기판(118)을 위치시킬 수 있다는 것을 이해할 것이다.

기판(118) 상의 재료의 순 증착 속도를 조정함으로써(예를 들어, IBD에 의한 증착 속도 및 보조 이온빔에 의한 개질 속도를 조정함으로써), 증착된 재료의 두께뿐만 아니라 미세구조 및 결정립 성장을 포함하여 증착된 재료의 물리적 특성도 제어될 수 있다. 순 증착 속도는 0.5 옹스트롬/초보다 크고, 일부 구현에서는 1 옹스트롬/초보다 크거나, 심지어 5 또는 10 옹스트롬/초보다 크다. 일부 구현에서, 순 증착 속도는 250 옹스트롬/초 이하, 종종 200 옹스트롬/초 이하이다. 순 증착 속도에 대한 적절한 범위의 예시는 50 내지 75 옹스트롬/초이고, 또 다른 예시는 100 내지 150 옹스트롬/초이다.

순 증착 속도는 빔(112, 134)의 각도를 포함하여, 스퍼터 플룸(112) 및 이온 보조 빔(134)에 의해 영향을 받는다. 일 예로, -20 내지 -25도 범위의 보조 빔 또는 에칭 각도와 함께 +40 내지 +50도 범위의 증착 각도는 저항률이 낮은 금속 박막을 생성하기에 적합한 순 증착 속도를 제공한다.

추가적으로 또는 대안적으로, 시스템의 온도, 예를 들어, 기판(118)의 표면 온도는 저항률이 낮은 금속 박막을 얻는 데 있어 하나의 요인이다. 기판(118)을 적어도 200℃, 일부 구현에서 적어도 250℃, 다른 구현에서는 적어도 300℃, 다른 구현에서는 적어도 350℃, 다른 구현에서는 적어도 400℃의 온도로 유지함으로써, 저항률이 낮은 텅스텐 막을 얻을 수 있으며; 통상적으로 기판 온도는 500℃ 이하이다. 증가된 온도는 생성된 증착 재료(예를 들어, 텅스텐)의 위상 및 결정 배향 및 결정립 크기에 영향을 준다.

또 다른 양태에서, 텅스텐과 같은 저항률이 낮은 금속막은 재료의 순 증착 속도가 서로 다른 단일 또는 다중 단계를 사용하여 기판(118) 상에 증착될 수 있으며; 순 증착 속도는 기판(118)을 가열하거나 가열하지 않고, IBD에 의한 증착 속도 및 보조 이온빔(134)에 의한 개질 속도 중 하나 또는 둘 다를 조정함으로써 조정될 수 있다. 증착 이온빔(110)으로부터의 IBD 증착 속도, 및 보조 이온빔(134) 개질 또는 에칭 속도의 서로 다른 조합은 증착 이온빔 에너지를, 예를 들어, 500V 내지 2000V의 범위 내로 조정하고, 보조 이온빔 에너지, 예를 들어, 100V 내지 2000V의 범위 내로 조정함으로써 선택될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 증착 이온빔(110)의 이온빔 플럭스와 보조 이온빔(134)의 플럭스는 이온빔의 에너지를 조정하기 위해, 예를 들어, 동시에 조정될 수 있다.

IBD 증착 속도(즉, 이온빔(110)) 및 보조 이온빔 속도의 특정 조합은 α(110) 결정립의 비율이 높은 텅스텐 α상과 같은, 원하는 결정립 배향 및 박막 텍스처를 갖는 금속 박막을 선택적으로 성장시키도록 선택될 수 있다. 유사한 방식으로, IBD 증착 속도와 보조 이온빔 개질 속도의 특정 조합은, 다른 양태에서, 입방정계의 경우 (110), (100), (111), 및 육방정계의 경우 (0001) 및 (1120)과 같으나 이에 제한되지 않는 원하는 배향의 결정립의 원하는 비율을 갖는, Mo, Ru, Co, Cu, Rh 등과 같으나 이에 제한되지 않는 저항률이 낮은 금속의 박막을 선택적으로 성장시키도록 선택될 수 있다. 다른 양태에서, IBD 증착 속도와 보조 이온빔 개질 속도의 특정 조합은 결정립의 성장에 선택적으로 영향을 미치고, 큰 결정립 크기, 예를 들어, 100 nm 이상의 평균 결정립 크기, 심지어 150 nm 이상의 평균 결정립 크기, 및 더 큰 평균 결정립 크기를 갖는 저항률이 낮은 금속 박막을 증착하도록 선택된다. 따라서, IBD 증착 속도와 보조 이온빔 개질 속도의 상이한 조합을 사용하여, 단일 또는 다중(상이한) 단계에서 저항률이 낮은 금속 박막을 증착할 수 있다. IBD 증착 속도(들) 및 보조 이온빔 개질 속도(들)의 특정 조합을 사용하여, (110) 결정립을 갖는 텅스텐 α상과 같은 원하는 텍스처가 증착될 수 있다. (110) 결정립의 성장은 IBD 증착 속도(들) 및 보조 이온빔 개질 속도(들)의 동일하거나 상이한 조합을 사용하여 영향을 받을 수 있다.

높은 평활도(예를 들어, 10 옹스트롬 미만 또는 5 옹스트롬 미만의 표면 거칠기(surface roughness)로 측정됨)를 갖는 저항률이 낮은 금속막은 또한 시스템(100) 및 본원에 설명된 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 표면 거칠기는 박막의 표면 평면의 표면 불규칙성(irregularity) 또는 불균일성(unevenness)을 측정한 것이다. 금속 박막의 경우, 표면 거칠기는, 거친 표면이 표면 상태, 트랩 및 전하 캐리어의 산란 사이트를 형성할 수 있고, 모두 막의 저항률에 영향을 줄 수 있기 때문에 저항률에서 중요한 역할을 한다. 또한, 거친 박막 표면은 금속 박막의 집적 및 추가 가공에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로 매끄러운 박막을 증착하거나 박막의 거칠기를 줄이는 데 큰 관심이 있다.

박막의 거칠기를 측정하는 두 가지 주요 방법이 있는데, 하나는 평균 거칠기이고, 다른 하나는 평균 제곱근 편차(root mean square deviation: rms) 거칠기이다. 평균 거칠기는 단순히 기준 평면에서 박막 표면의 평균 편차인 반면, rms 거칠기는 기준 평면에서 박막 표면의 평균 제곱근 편차이다. 금속 박막의 표면 거칠기는 투과전자현미경(transmission electron microscopy: TEM)과 원자력현미경(atomic force microscopy: AFM)을 사용하여 측정될 수 있다. 여기서 지칭하는 표면 거칠기는 금속 박막의 rms 거칠기이다.

기판(118)을 가열하거나 가열하지 않고, IBD에 의한 증착 속도와 보조 이온빔에 의한 개질 속도의 조합을 조정함으로써 재료의 순 증착 속도(들)가 서로 다른 단일 또는 다중 단계를 사용하여 기판(118)에 매끄러운 텅스텐 막을 형성할 수 있다. IBD 증착 속도와 보조 이온빔 개질 속도의 특정 조합은 평균에서 결정립 크기 분포의 낮은 표준 편차로 대표되거나 또는 대안적으로 평균 주위에 좁은 범위의 결정립 크기 분포로 측정되는 바와 같이 균일한 크기 분포를 갖는 금속(예를 들어, 텅스텐) 박막을 선택적으로 성장시키도록 선택될 수 있다. 제어된 균일한 결정립 성장 및 균일한 결정립 크기 분포, 및 박막 증착 동안 원하는 결정립 크기 배향은 가열하거나 가열하지 않고, 적절한 IBD 증착 속도(들)와 보조 이온빔 개질 속도(들)를 조합하여 증착될 때 금속 박막의 매끄럽고 낮은 저항률을 허용한다.

도 2는 PVD에 의해 증착된 텅스텐 막을, 보조 이온빔과 함께 IBD에 의해 증착된 텅스텐 막과 비교하는 경사 입사각 X선 θ-2θ 스캔의 그래프(200)이다. 그래프(200)는 두 가지 공정 방법에 의해 형성된 막에서 미세구조, 특히 막에서 α(211)의 양의 차이를 보여준다.

도 3은 보조 이온 빔과 함께 IBD에 의해 증착된 저항률이 낮은 텅스텐 막의 α(110) 피크의 X선 카이 스캔의 그래프(300)이다. 그래프는 90%가 넘는 결정립이 α(110)를 따라 배향되어 있음을 보여준다.

도 4a, 4b, 4c 및 4d는 PVD, IBD, 및 보조 이온빔과 함께 IBD로 증착된 텅스텐 막의 전자 후방 산란 회절(Electron Backscattered Diffraction: EBSD)을 나타낸 것으로, 텅스텐 막의 미세구조, 결정립 크기, 및 결정립 크기 분포의 차이를 강조한다. 도 4a의 경우, 텅스텐 막은 PVD에 의해 증착되었고; 도 4b의 경우, 텅스텐 막은 IBD에 의해 증착되었고; 도 4c의 경우, 텅스텐 막은 보조 이온빔과 함께 가열된 IBD에 의해 증착되었고; 도 4d의 경우, 텅스텐 막은 IBD 증착 속도와 보조 이온빔 개질 속도의 다양한 조합을 사용하여 보조 이온빔과 함께 가열된 IBD에 의해 증착되었다. 이러한 이미지들에서 각 색상/음영은 역극 분석(inverse pole analysis)에 의해 결정된 결정 방향(crystal direction)을 나타낸다. 역극도를 사용하여 결정 방향에 대한 결정립 배향 키가 도면에 나와 있다.

도 4a 및 4b에서는, 하단 전자 현미경 사진에서, PVD 및 IBD에 의해 증착된 텅스텐 막이 텍스처가 거의 또는 전혀 없이 무작위로 배향된 결정립을 가지므로 저항률이 더 높아진다는 것을 보여준다. 도 4a의 경우, 평균 결정립 크기는 120 nm이고, 도 4b의 경우, 평균 결정립 크기는 56 nm에서 더 작다.

도 4c, 좌측 상단 그래프는 보조 이온빔과 함께 가열된 IBD에 의해 증착된 텅스텐 막이 PVD(도 4a의 것)보다 평균 결정립 크기가 약 20% 증가한 것을 보여주며, 평균 결정립 크기는 145 nm로, 여기에는 145-150 nm, 및 심지어 150 nm 이상의 결정립이 포함된다. 도 4c의 좌측 하단에 있는 현미경 사진은 이온빔 보조와 함께 가열된 IBD를 사용하여 생성된 텅스텐 막의 고도로 배향되고 텍스처링된 특성을 보여준다. 현미경 사진은 주로 α(110)를 갖는 결정립을 보여주며, 이 경우에는 α(110) 평면으로 배향된 결정립의 비율이 90% 이상인 섬유 조직을 나타낸다. 또한, α(110) 텍스처링된 결정립은 비-α(110)의 결정립보다 우선적으로 그리고 실질적으로 더 크므로 증착된 막의 평균 결정립 크기보다 크며, 우측 상단 그래프에 나타난 바와 같이, 평균 결정립 크기는 170 nm이다. 따라서, 이온빔 보조와 함께 가열된 IBD를 사용하여 제조되는 경우 텅스텐 막의 원하는 텍스처링 특성이 크게 증가된다. 상기 막의 저항률은 8.7 μΩ-cm였다.

도 4d, 중앙 현미경 사진은, IBD 증착 속도와 보조 이온빔 개질 속도의 다양한 조합을 사용하여 보조 이온빔과 함께 가열된 IBD에 의해 증착된 텅스텐 막이 (110) 결정립만을 갖는 큰 텅스텐 α상의 결정립을 갖는다는 것을 보여준다. 도 4d는 또한 텅스텐 막의 고도로 배향되고 텍스처링된 특성을 보여준다. 현미경 사진은 α(110)만을 갖는 결정립을 보여주며, 이 경우 α(110) 평면으로 배향된 결정립의 비율이 거의 100%인 섬유 조직으로 이루어진다. 또한, α(110) 텍스처링된 결정립은 우선적으로 그리고 실질적으로 크며, 도 4d의 좌측 그래프에 나타난 바와 같이, 평균 결정립 크기가 180 nm이다.

도 4a, 4b, 4c 및 4d의 4개의 도면으로부터, 텅스텐 막에서 원하는 큰 결정립 크기는, 도 4d에 도시된 바와 같이, IBD 증착 속도 및 보조 이온 빔 개질 속도의 다양한 조합을 갖는 단계들을 사용하여 보조 이온 빔과 함께 가열된 IBD를 사용하여 막이 형성될 때 얻어진다는 것을 알 수 있다.

따라서, 보조 이온빔과 함께 IBD를 사용하여 금속막의 미세구조, 결정립 크기 및 결정립 배향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 보조 이온빔과 함께 IBD를 사용하여 텅스텐 막의 미세구조, 결정립 크기 및 결정립 배향을 제어함으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 다양한 두께에 걸쳐 낮은 저항률을 얻을 수 있다. 도 5는 텅스텐 막의 저항률이 두께가 감소함에 따라 거의 선형적으로 증가한다는 것을 보여주는 그래프(400)를 도시한다. 유사하게, 보조 이온빔과 함께 IBD에 의해 증착된 루테늄 막의 미세구조, 결정립 크기 및 결정립 배향을 제어한 결과, 다양한 두께에 걸쳐 저항률이 낮은 막을 얻을 수 있다. 도 6은 루테늄 막의 저항률이 두께가 감소함에 따라 증가하는 것을 보여주는 그래프(500)를 도시한다.

위에서 논의된 바와 같이, 거칠기가 감소하면 저항률의 일관성이 증가하므로 매끄러운 박막을 증착하거나 박막의 거칠기를 줄이는 데 큰 관심이 있다. 도 7a는 TEM 현미경 사진이고, 도 7b는 기판의 가열과 함께, 보조 이온빔 에칭을 사용하여 IBD에 의해 형성된 250 옹스트롬 두께의 텅스텐 막의 AFM 이미지이며; 이 도면에서는 형성된 매끄러운 박막을 명확하게 보여준다.

위의 명세서 및 예시는 본 발명의 예시적인 구현의 프로세스 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공한다. 위의 설명은 특정 구현을 제공한다. 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않으면서 다른 구현이 고려되고, 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 위의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 된다. 하나의 구현 또는 양태의 특징들 및 요소들은 다른 구현 또는 양태에 쉽게 적용될 수 있다. 본 발명이 이와 같이 제한되지는 않지만, 제공된 예시에 대한 논의를 통해 본 발명의 다양한 측면들에 대한 이해를 얻을 것이다.

달리 지시되지 않는 한, 피처 크기(feature size), 양, 및 물리적 특성을 나타내는 모든 숫자는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 지시되지 않는 한, 기재된 수치 파라미터는 본원에 개시된 교시를 활용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.

본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an", 및 "the"는, 내용에 달리 명시되지 않는 한, 복수의 지시 대상을 갖는 구현을 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 용어 "또는"은 내용에 달리 명시되지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 일반적으로 사용된다.

"아래쪽(lower)", "위쪽(upper)", "밑에(beneath)", "아래에(below)", "위에(above)", "상단에(on top)" 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 공간적으로 관련된 용어들은, 본원에서 사용되는 경우, 요소(들)와 다른 요소의 공간적 관계를 설명하기 위한 설명의 용이성을 위해 사용된다. 이러한 공간적으로 관련된 용어들은 도면에 도시되고 본원에 설명된 특정 배향에 더하여 장치의 다른 배향을 포함한다. 예를 들어, 도면에 도시된 구조가 턴오버(turn over)되거나 플립오버(flip over)되는 경우, 이전에는 다른 요소 아래 또는 밑에 설명된 부분이 다른 요소 위에 또는 위쪽에 있을 것이다.

본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 많은 구현들이 만들어질 수 있기 때문에, 본 발명은 이하 첨부된 청구범위에 속한다. 또한, 서로 다른 구현들의 구조적 특징들은 인용된 청구범위를 벗어나지 않으면서 또 다른 구현에서 조합될 수 있다.

Claims

금속 박막(thin metal film)을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
프로세스 챔버에서 이온빔 증착을 통해 타겟(target)으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계 - 상기 기판의 온도는 적어도 250℃임 -; 및
적어도 0.5 옹스트롬/초의 순 증착 속도(net deposition rate)에서 보조 이온빔(assist ion beam)으로 상기 프로세스 챔버 내의 기판으로부터 증착된 재료의 적어도 일부에 동시에 충격을 가하는(bombarding) 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 타겟이 텅스텐을 포함하는 경우, 상기 금속 재료는 텅스텐을 포함하고, 상기 금속막은 텅스텐을 포함하고, 상기 타겟이 루테늄을 포함하는 경우, 상기 금속 재료는 루테늄을 포함하고, 상기 금속막은 루테늄을 포함하는 것인, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판의 온도는 적어도 300℃, 또는 적어도 350℃인 것인, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 이온빔의 에칭 각도(etch angle)는 약 +10도 내지 약 -70도, 또는 약 -10도 내지 약 +70도의 범위이고, 상기 이온빔 증착의 증착 각도는 약 +10도 내지 약 -70도, 또는 약 -10도 내지 약 +70도의 범위이고, 상기 에칭 각도 및 상기 증착 각도 둘 모두가 동시에 조정되는 것인, 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 이온빔 에칭은 약 15도 내지 약 50도 범위의 각도에서 수행되는 것인, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계는 1000V 미만의 전압을 갖는 이온빔을 사용하는 것인, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계는 1500V보다 큰 전압을 갖는 이온빔을 사용하는 것인, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 이온빔으로 증착된 재료의 적어도 일부에 동시에 충격을 가하는 단계는 적어도 100V 및 1000V 이하의 전압을 갖는 보조 이온빔을 사용하는 것인, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 순 증착 속도는 250 옹스트롬/초 이하, 또는 200 옹스트롬/초 이하인 것인, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 순 증착 속도는 적어도 1 옹스트롬/초, 적어도 5 옹스트롬/초, 또는 적어도 10 옹스트롬/초인 것인, 방법.
금속 박막을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
프로세스 챔버에서 기판에 대해 수직이 아닌(off-normal) 각도로 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계 - 상기 기판의 온도는 적어도 250℃임 -; 및
상기 프로세스 챔버 내의 기판으로부터 증착된 재료의 적어도 일부를 보조 이온빔으로 동시에 에칭하여 금속막을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
제11항에 있어서, 순 증착 속도가 0.5 옹스트롬/초 내지 250 옹스트롬/초인 것인, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 보조 이온빔의 에칭 각도는 약 +10도 내지 약 -70도, 또는 약 -10도 내지 약 +70도이고, 상기 이온빔 증착의 증착 각도는 약 +10도 내지 약 -70도, 또는 약 -10도 내지 약 +70도이며, 상기 에칭 각도 및 상기 증착 각도 둘 모두가 동시에 조정되는 것인, 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계는 1000V 미만의 전압을 갖는 이온빔을 사용하는 것인, 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온빔 증착을 통해 타겟으로부터 기판 상으로 금속 재료를 증착하는 단계는 1500V보다 큰 전압을 갖는 이온빔을 사용하는 것인, 방법.
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 이온빔으로 증착된 재료의 적어도 일부에 동시에 충격을 가하는 단계는 적어도 100V 및 1000V 이하의 전압을 갖는 보조 이온빔을 사용하는 것인, 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 달성하기 위한 이온빔 증착 시스템으로서, 상기 시스템은,
이온빔 증착 소스;
상기 이온빔 증착 소스로부터의 이온빔에 대해 약 20도 내지 약 40도의 각도에 위치한 금속 타겟;
보조 이온빔 소스;
기판을 유지하기 위한 기판 어셈블리(substrate assembly)로서, 상기 금속 타겟으로부터 스퍼터 플룸(sputter plume)을 수용하고, 상기 보조 이온빔 소스로부터 이온빔을 수용하도록 위치하며, 상기 타겟 및 상기 보조 이온빔 소스에 대해 선회할 수 있는, 기판 어셈블리; 및
적어도 250℃의 온도로 상기 기판을 가열하도록 구성된 적어도 하나의 히터(heater)를 포함하는, 이온빔 증착 시스템.
제17항에 있어서, 상기 기판 어셈블리는 상기 금속 타겟 및 상기 보조 이온빔 소스에 대해 수직에서 수직이 아닌 각도로 선회할 수 있는 것인, 증착 시스템.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 형성된 금속막으로서, 상기 금속막은,
약 100 내지 약 300 옹스트롬의 두께,
약 8 내지 12 μΩ-cm의 저항률(resistivity), 및
α(110), α(200), 및 α(211)를 포함하는 결정 구조(crystalline structure) - 이때 α(110) 및 α(211)가 지배적인 배향임 -를 포함하는, 금속막.
제19항에 있어서, 상기 금속막은 텅스텐이고, 상기 저항률은 약 8.5 내지 10.5 μΩ-cm인 것인, 금속막.
제19항에 있어서, 상기 금속막은 루테늄인, 금속막.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속막은 식별할 수 있는 β상을 갖지 않는, 금속막.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정 구조는 100 nm보다 큰 평균 결정립 크기(average grain size)를 갖는 고도의 α(110) 텍스처(texture)를 갖는 것인, 금속막.
제17항에 기재된 시스템에 의해 형성된 금속막으로서, 상기 금속막은,
약 100 내지 약 300 옹스트롬의 두께,
약 8 내지 12 μΩ-cm의 저항률, 및
α(110), α(200), 및 α(211)를 포함하는 결정 구조 - 이때 α(110) 및 α(211)가 지배적인 배향임 -를 포함하는, 금속막.
제24항에 있어서, 상기 금속막은 텅스텐이고, 상기 저항률은 약 8.5 내지 10.5 μΩ-cm인 것인, 금속막.
제24항에 있어서, 상기 금속막은 루테늄인, 금속막.
제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속막은 식별할 수 있는 β상을 갖지 않는, 금속막.
제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정 구조는 100 nm보다 큰 평균 결정립 크기를 갖는 고도의 α(110) 텍스처를 갖는 것인, 금속막.