KR100483719B1 - ＴａＮ 박막형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 TaN 박막형성방법은, Ta함유기체와 NH3기체를 공정챔버 내로 교번하여 공급하여 상기 공정챔버 내에 미리 장입되어 있는 기판 표면에 TaN박막을 ALD 법으로 형성하는 TaN 박막형성방법이며, 상기 NH3 기체는 상기 공정챔버 내로 공급되기 전에 미리 700℃ 내지 900℃로 가열되어 상기 공정챔버 내로 공급되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, NH3 기체를 미리 700~900℃로 예비가열하여 공급하므로서 200~300℃의 온도에서 ALD 법으로 TaN 박막을 형성하는 경우에 나타나는 단점인 막질 저하 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 균일도(uniformity), 단차도포성(step coverage), 및 막질이 좋은 TaN 박막을 낮은 온도에서 얻을 수 있다.

Description

ＴａＮ 박막형성방법{TaN thin film forming method}

본 발명은 TaN 박막형성방법에 관한 것으로서, 특히 CVD법보다 낮은 온도에서 Ta 박막증착 공정이 진행되는 ALD 공정에서 나타나는 막질의 불량을 극복할 수 있는 TaN 박막형성방법에 관한 것이다.

반도체소자 제조에 있어서 확산방지막이 많은 부분에 필요하다. 확산 방지막은 전도성도 갖고 있어야 하며 대표적인 것들로는 TiN, WN, 또는 TaN막 등이 있다.

반도체소자의 배선으로는 알루미늄이 압도적으로 사용되는데, 차세대 반도체소자의 배선으로는 한계가 있어 구리를 사용하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 구리는 낮은 비저항과 높은 융점을 제외하면, 종래의 알루미늄이 가지고 있는 다른 우수한 물성들은 가지고 있지 않다.

예를 들어, 구리는 Al2O3과 같은 치밀한 보호피막이 없으며, 이산화규소(SiO2)에 대한 접착력이 나쁘고, 건식 식각이 어렵다. 또한, 구리는 실리콘 내에서 확산계수가 알루미늄보다 대략 106 배정도 크며, 실리콘 내부로 확산한 구리는 밴드 갭(Band Gap)사이에 깊은 에너지 준위(Deep Level)를 형성하는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 구리는 SiO2 내에서 확산계수도 큰 것으로 알려져 있는데, 이는 구리 배선 사이의 절연 특성을 감소시키게 된다. 결국 실리콘이나 SiO2 내에서구리가 가지는 큰 확산계수는 소자의 신뢰성을 크게 저하시키게 된다. 따라서, 구리 배선 공정에서 소자의 신뢰성을 확보하기 위해서는, 구리의 실리콘 및 SiO2로의 빠른 확산을 방지할 수 있는 확산 방지막(Diffusion Barrier)을 개발하는 것이 필수적이다.

이와 같이 확산방지막은 배선에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 따라서, 치밀한 확산방지막을 형성할 수 있는 기술을 확보하는 것이 매우 중요하다. 특히, TaN막은 구리와 열역학적으로 안정하기 때문에, 이를 구리 배선 공정에서의 확산 방지막으로 사용하기 위한 연구들이 많은 관심 속에 진행되고 있다.

TaN박막은 통상의 CVD법이나 최근 많은 연구가 되고 있는 ALD법으로 형성시킬 수 있는데, CVD법인 경우에는 약 500℃ 정도에서 TaN박막을 얻을 수 있는 반면, ALD법인 경우에는 약 250℃정도의 낮은 온도에서도 TaN박막을 얻을 수 있다. 그러나, ALD법으로 형성할 경우에는 균일도(uniformity) 및 단차도포성(step coverage)이 좋으나, 치밀도(density)가 낮고 불순물을 많이 함유하여 막질이 나쁘다는 단점이 있다. 반면, CVD법으로 형성할 경우에는 위와는 반대의 장단점을 갖는다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, CVD법보다 낮은 온도에서 TaN박막을 얻을 수 있는 ALD법으로 TaN박막을 형성하되 CVD법으로 형성시키는 경우에 비할 정도로 양질의 막을 얻을 수 있는 TaN 박막형성방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 TaN 박막형성방법은, Ta함유기체와 NH3기체를 공정챔버 내로 교번하여 공급하여 상기 공정챔버 내에 미리 장입되어 있는 기판 표면에 TaN박막을 ALD 법으로 형성하는 TaN 박막형성방법이며, 상기 NH3 기체는 상기 공정챔버 내로 공급되기 전에 미리 700℃ 내지 900℃로 가열되어 상기 공정챔버 내로 공급되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 기판의 온도는 200 ~ 300 인 것이 바람직하며, 상기 NH3 기체를 미리 가열하는 것은 상기 NH3 기체를 공급하는 NH3 기체 공급관에 설치된 인-라인 히터를 통하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 Ta함유기체와 상기 NH3기체의 공급 사이에 퍼지용 비활성 기체를 공급하는 것이 좋다.

상기 Ta함유기체와 상기 NH3기체의 공급 사이에 H2 플라즈마 또는 N2 플라즈마로 상기 기판 표면을 처리하는 단계를 포함할 수도 있다. 이 때, 상기 H2 플라즈마 또는 N2 플라즈마는 상기 공정챔버가 아닌 별도로 마련된 플라즈마 발생장치에서 발생하여 상기 공정챔버 내로 유입되는 것이 좋다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 적합한 도 1의 장치를 참고하여 본 발명에 따른 TaN 박막형성방법을 설명한다. 공정챔버(30)로의 Ta함유기체 공급여부는 Ta 공급밸브(3)의 개폐에 의해 결정되고, NH3 기체의 공급여부는 NH3 공급밸브(10)의 개폐에 의해 결정된다. Ta함유기체는 TBTDET(TertButylimidoTrisDiEthylamidoTantalum) 전구체를 솔벤트에 용해시켰다가 기화기(미도시)로 이를 기화시킴으로써 얻을 수 있다.

Ta 공급밸브(3) 및 NH3 공급밸브(10)의 개폐를 통해서 Ta함유기체와 NH3기체를 공정챔버(30) 내로 교번하여 공급하여 공정챔버(30) 내에 미리 장입되어 있는 기판 표면에 ALD법으로 TaN박막을 형성한다. Ta함유기체와 NH3기체의 공급 사이에는 퍼지기체 공급밸브(4, 5)의 개폐를 통하여 퍼지용 비활성 기체를 주기적으로 공급하여 기판 위에 반응하지 않고 잔류하는 소스원료를 제거한다.

상기와 같은 ALD법은 CVD법으로 TaN박막을 형성시키는 경우보다 낮은 200~300℃ 정도의 온도에서 진행되는데, 이러한 온도범위에서 ALD 공정을 진행하면 막질이 좋지 않게 된다. 따라서, 막질이 향상되도록 NH3 기체 공급관에 인-라인 히터(in-line heater, 9)를 설치하여 여기서 NH3 기체를 미리 700℃ 내지 900℃로 가열하여 공정챔버(30)로 공급한다. NH3기체를 이러한 온도범위로 미리 예비가열하여 공급하면 NH3 기체가 라디칼(radical) 상태 또는 적어도 활성화된 상태이기 때문에 Ta 리간드와 빠르고 치밀하게 반응할 수 있다.

퍼지용 비활성 기체, Ta함유기체, 및 NH3 기체의 유속 안정화를 위해서 진공펌프(20)를 통한 배기를 결정하는 배기밸브(1, 2, 8, 6)가 설치된다. NH3 기체를 활성화시키기 위하여 인-라인 히터(9) 대신에 NH3 기체를 플라즈마로 만들어서 공정챔버(30)로 공급하는 방식을 사용할 수도 있지만, 이 경우에는 플라즈마를 만드는 곳에 플라즈마 전력을 온/오프 시켜야 하는 등 사이클 시간(cycle time)이 늘어나는 문제를 야기시키므로 바람직하지 않다.

인-라인 히터의 일 예가 도시된 도 2를 참조하면, 인-라인 히터는 히터(152)와 몸체(154)로 구성된다. 몸체(154) 내부에는 서로 연결되는 복수개의 미세공극이 형성되어 있다. 몸체(154)로는 예컨대 세라믹 재질의 미세볼을 충진하여 만들어진 것을 사용할 수 있다. 히터(152)는 저항열에 의하여 발열하는 것을 사용한다. NH3 기체 공급관을 통하여 공급되는 NH3 기체는 몸체(154)의 미세공극을 통과하면서 히터(152)에서 발생하는 열에 의하여 700~900℃로 예비가열되어 공정챔버(30)로 공급된다.

별도의 플라즈마 발생장치(12)가 공정챔버(30)에 연결되도록 설치될 수 있는데, N2 공급밸브(13) 또는 H2 공급밸브(140)의 개폐를 통하여 플라즈마 발생장치(12)에 N2 또는 H2 기체를 공급하고 여기에서 미리 N2 플라즈마 또는 H2 플라즈마를 형성시켜 플라즈마 공급밸브(11)를 열어 공정챔버(30)로 리모트 플라즈마를 유입시킨다. 리모트 플라즈마는 Ta함유기체와 NH3기체의 공급 사이에 제공되는 데, 이는 기판 혹시나 기판 표면에 잔류하는 부산물(by-product)을 제거하기 위한 것이다. 리모트 플라즈마 처리는 TaN의 시효(aging)를 방지하는 역할도 한다. 리모트 플라즈마는 Ta함유기체와 NH3 기체 공급의 1 사이클 마다 한번씩 흘려보낼 수도 있지만, 여러 사이클에 한번씩 흘려보낼 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, NH3 기체를 미리 700~900℃로 예비가열하여 공급하므로서 200~300℃의 온도에서 ALD 법으로 TaN 박막을 형성하는 경우에 나타나는 단점인 막질 저하 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 균일도(uniformity), 단차도포성(step coverage), 및 막질이 좋은 TaN 박막을 낮은 온도에서 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

도 1은 본 발명에 따른 TaN 박막형성방법에 적합한 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (6)

1. Ta함유기체와 NH3기체를 공정챔버 내로 교번하여 공급하여 상기 공정챔버 내에 미리 장입되어 있는 기판 표면에 TaN박막을 ALD 법으로 형성하는 TaN 박막형성방법에 있어서,

   상기 NH3 기체는 상기 공정챔버 내로 공급되기 전에 미리 700℃ 내지 900℃로 가열되어 상기 공정챔버 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 TaN 박막형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 온도가 200 ~ 300 인 것을 특징으로 하는 TaN 박막형성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 NH3 기체를 미리 가열하는 것은 상기 NH3 기체를 공급하는 NH3 기체 공급관에 설치된 인-라인 히터를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 TaN 박막형성방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 Ta함유기체와 상기 NH3기체의 공급 사이에 퍼지용 비활성 기체를 공급하는 것을 특징으로 하는 TaN 박막형성방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 Ta함유기체와 상기 NH3기체의 공급 사이에 H2 플라즈마 또는 N2 플라즈마로 상기 기판 표면을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TaN 박막형성방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 H2 플라즈마 또는 N2 플라즈마는 상기 공정챔버가 아닌 별도로 마련된 플라즈마 발생장치에서 발생하여 상기 공정챔버 내로 유입되는 것을 특징으로 하는 TaN 박막형성방법.