KR100522899B1 - 배리어층,배리어층을포함하는구조체및구조체제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 워엄 알루미늄(warm aluminum)을 고 어스팩트비 비아(via)로 채워질 수 있으면서, 높은 {111} 결정 방위 알루미늄을 나타내는 알루미늄 충진재를 제공하는 특정 (Ti or TiNx)/TiN/TiNx 배리어/ 습성 층구조에 관한 것이다. IMP 기술을 사용해서 증착한 (Ti 또는 /TiNx)/TiN/TiNx 배리어층의 개선이 100 Å 내지 500 Å(특정 기하학 형상은 상부 두께 제한값을 제어함) 보다 큰 범위로 제 1 층의 Ti의 두께를 증가하고; 약 100 Å보다는 크고 800 Å보다는 적은(양호하게는 600 Å보다 적은) 범위로 제 2 층의 TiN의 두께를 감소하고; 약 50 원자% 티타늄(화학량론적으로)으로부터 약 100 원자% 티타늄 범위로 Ti 함량을 제공하도록 제 3 층의 TiNx의 적용을 제어함으로서 성취될 수 있음을 발견했다. Ti/TiN/TiNx 배리어층의 개선으로 알루미늄이 높은 {111} 결정학적 함량을 나타내는 워엄 알루미늄 상호접속 또는 알루미늄 비아 충진재의 증착을 할 수 있다. 더욱이, 얻어진 알루미늄층은 436nm에서 150퍼센트 이상의 반사율을 나타낸다. 이런 구조를 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층이 특정 요소를 라인하는데 사용되면, 스퍼터링된 알루미늄으로 특정요소를 완전히 충진할 수 있다. 여기서, 비아, 또는 구멍의 특정 요소의 크기는 약 0.25 마이크론보다 적고 어스팩트비는 약 5 : 1에서부터 약 6 : 1 만큼 높다.
Description
본 발명은 높은 {111} 결정 방위 알루미늄을 나타내는 알루미늄 충진을 제공하면서도 높은 종횡비(aspect ratio) 비아(via)를 워엄 알루미늄(warm aluminum) 충진할 수 있게 하는 (Ti or TiNx)/TiN/TiNx 배리어/웨팅(wetting) 층구조에 관한 것이다.
질화 티타늄 층은 예를 들어 알루미늄과 실리콘과 같은 인접층의 재료의 상호확산을 방지하기 위한 배리어층으로서 반도체 장치 구조에 사용되어 왔다. 그러나, 질화 티타늄 배리어층의 표면에 증착된 알루미늄의 결정 방위는 통상적으로 다결정이고, 다결정성 알루미늄은 불량한 전자이동 저항성(poor electromigration resistance)을 가진다.
Ti/TiN/TiNx 스택(stack)과 같은 집적 회로 상호접속 구조체의 형성에서, 알루미늄층내의 알루미늄 원자의 전자이동은 알루미늄층이 높은 {111}결정 방위로 형성되지 않은 경우에 문제가 된다. 알루미늄 원자의 전자이동은 집적 회로구조체내의 개방회로를 야기할 수 있으며, 그러므로 이런 전자이동은 금지 또는 제거되어야 한다. 알루미늄 원자의 전자이동은 충진된 비아(via)내에서 일어날 수 있으며, 또한 접점의 전도성을 손상시킨다.
1990년 7월 31일자로 특허된 루(Lu)등의 미국 특허 제 4,944,961 호에는 반도체 웨이퍼와 같은 기판상에 금속 또는 금속 합금을 부분 이온화된 빔 증착하는 공정이 개시되어 있다. 도가니로부터 기체화된 금속은 도가니 출구에서 부분적으로 이온화되고, 이온화된 기체는 부과된 바이어스(bias)에 의해 기판으로 이끌려진다. 기판 온도의 제어는 트렌치 또는 비아(trenchs or vias)와 같은 단차진 표면의 비등각 커버리지(non-conformal coverage)를 허용하는 것을 말한다. 보다 높은 온도를 사용하면, 단차진 표면은 평탄해진다. 알루미늄 증착의 경우를 예로 들었으며, 이 때 비등각 증착이 약 150℃ 와 200℃ 사이의 기판 온도에서 실행되는 경우, 평탄화 증착은 약 250℃ 와 350℃ 사이의 기판온도에서 실행된다.
에스. 엠 로스나겔과 제이. 호프우드는 " J. Vac. Sci. Technol. B. Vol. 12, No. 1, Jan/Feb 1994에 기재된 이들의 1993년 논문 “이온화된 마그네트론 스퍼터링 배출로부터의 금속 이온 증착(Metal ion deposition from ionized magnetron sputtering discharge)"에서, 스퍼터링 음극과 기판사이의 영역내에서 높은 밀도의 유도 결합 RF플라스마와 종래의 마그네트론 스퍼터링을 결합하는 기술을 설명하였다. 여기에서 주어진 한 예는 반응 스퍼터링을 사용해서 질화 티타늄 막 증착을 하는 것이며, 여기서 티타늄 음극은 아르곤과 질소 가스의 조합으로부터 형성된 플라즈마와 조합해서 사용된다.
1993년 11월 16일자 특허된 조(cho)등의 미국 특허 제 5,262,361 호에는 실리콘(111)과 같은 기판의 표면상에 단결정 알루미늄막을 형성하기 위한 방법이 개시되어 있다. 그 목적은 알루미늄(111)결정 방위의 량을 증가시켜, 알루미늄의 전자이동 저항성을 개선하는 것이다. 전기적 중성의 알루미늄이 약 300℃ 와 400℃사이의 온도 범위에서 실리콘 웨이퍼 표면상에 진공 증발기술에 의해 증착된다.
1996년 8월 6일자 특허된 야마다(Yamada)등의 미국 특허 제 5,543,357 호는 반도체 장치의 제조 공정을 개시하는데, 여기서 알루미늄 합금막의 장치 특성이 열화(劣化)되지 못하도록 알루미늄 합금막의 기초막으로서 티타늄막이 사용된다. 티타늄막의 두께는 알루미늄 합금막의 두께의 10% 이하로 그리고 기껏해야 25nm로 설정되어 있다. 실리콘을 포함하고 있지 않은 알루미늄 합금막의 경우에, 티타늄막은 알루미늄 합금막의 두께의 5% 이하로 설정된다. 알루미늄막은 스퍼터링 공정에 의해 200℃ 이하의 기판 온도에서 형성되고, 알루미늄막 또는 알루미늄 합금막이 비아 홀(via hole)을 충진할 때, 기판을 가열하여 알루미늄을 유체화한다. 알루미늄막 형성 동안과 유체화 동안의 압력은 10-7토르 이하이다. 질화 티타늄 배리어층을 중간층 절연막상에(또는 절연막에 인가된 티타늄 막에 걸쳐) 인가하고, 다음에 질화 티타늄막에 걸쳐 티타늄막을 형성하고, 최종적으로 티타늄막 상에 알루미늄막을 형성할 수 있다. 질화 티타늄 배어리층을 형성한 후, 할로겐 램프를 사용해서 배리어층을 질소 분위기내에서 약 600℃ 내지 700℃의 온도로 가열하여 질화되지 않은 모든 티타늄을 질화시킨다. 비질화 티타늄이 층내에 존재한다면 질화 티타늄 배리어층은 열성 배리어층(poor barrier layer)이 된다.
1996년 11월 5일 특허된 첸(chen)등의 미국 특허 제 5,571,752 호는 집적 회로의 미크론이하(submicro) 반도체층을 패턴화하기 위한 방법을 공지한다. 한 실시예에서, 약 300 내지 2000Å의 두께를 가지는 티타늄 또는 질화 티타늄은 접점 개구의 바닥에 도달하도록 스퍼터 증착에 의해 형성된다. 배리어층을 어닐링하여 개구의 바닥내에 규화물을 형성할 수 있다. 화학 증착(CVD)을 사용해서 내화 금속 또는 내화 규화물 금속의 등각 도전층을 티타늄 또는 질화 티타늄에 형성한다. 최종적으로, 제 2 도전층, 통상적으로 알루미늄이 등각 도전층의 표면에 인가된다. 알루미늄은 적합하게 100℃ 와 400℃사이의 온도 범위에서 스퍼터링된다. 이 방법은 알루미늄막내의 상당히 큰 입자 크기의 형성을 피함으로써 소형 장치의 기하학 디자인 요건을 가지는 접점 개구의 충진을 가능하게 만들 수 있는 방법이라 할 수 있다.
본 출원인에게 양도되고 여기서 참고로 사용된, 1995년 8월 7일 출원한 수(Xu)등의 미국 특허 출원 제 08/511,825 호는 캐리어층으로서 작용하는 배리어층을 포함하는 질화 티타늄을 형성하는 방법을 공지한다. 캐리어층은, 종래방법에 비해 감소된 온도에서, 캐리어층에 증착된 도전성 막의 평탄화 및 높은 종횡비의 비아, 홀 또는 트렌치와 같은 구멍을 충진할 수 있다.
1996년 11월 21일에 출원된 난(Ngan)등의 미국 특허출원 제 08/753,251 호는 접점 비아의 표면에 배리어층을 포함하는 질화 티타늄을 제조하기 위한 방법을 공지한다. 특정의 접점 기하학적 형상의 경우에, 배리어층을 포함하는 질화 티타늄의 형성동안 반응기 압력이 감소되면, 비아의 측벽상의 배리어층의 두께는 증가한다. 이것은 알루미늄 충진재가 비아의 측벽을 따라서 보다 쉽게 이동할 수 있게 하여, 결국 비아를 보다 양호하게 충진한다. 특히, 배리어층이 알루미늄과 약간 반응하여, 비아의 측벽을 따라서 알루미늄을 끌어들이도록, 배리어층을 포함하는 질화 티타늄의 두께를 최소화하고 티타늄 함량을 최소화할 필요가 있다.
1997년 3월 27출원된 난등의 미국특허 출원 제08/825,216호(미국 특허 제 5,925,225)(본 출원인의 Docket No. 1819)는 질화 티타늄 배리어층을 증착할 때 질화 티타늄 배리어층의 결정 방위를 제어하는데 사용될 수 있는 다양한 공정 기술을 공지한다. 더욱이, 질화 티타늄 배리어층의 {200} 결정 방위를 증가시킴으로써, 이 층의 저항력이 감소된다.
“통상적으로 스퍼터링된” 질화 티타늄 포함 막 또는 층은 질소가스와 조합한 아르곤 가스와 같은 불활성 가스로부터 만들어진 플라즈마에 티타늄 타깃을 접촉시킴으로써 기판상에 증착된다. 타깃으로부터 스퍼터링된 티타늄의 일부분은 플라즈마에 의해 활성화된 질소 가스와 반응하여 질화 티타늄을 만들고, 가스 상 혼합물(gas phase mixture)은 기판과 접촉하여 기판상에 층을 형성한다. 이와 같은 통상적으로 스퍼터링된 질화 티타늄 포함 층은 접점 비아의 고온 알루미늄 충진을 위한 웨팅(wetting) 층으로서 작용한다. 일반적으로, 비아의 양호한 충진은 약 500℃ 보다 낮은 기판 표면 온도에서는 성취되지 않는다.
저온에서의 알루미늄 충진을 제공하기 위해서, 수(Xu) 등(상술한 미국 특허 출원 제 08/511,825 호)은 매끄러운 캐리어층으로서 작용할 수 있는 질화 티타늄 포함 배리어층을 만들고, 알루미늄을 저온(예를 들어 350℃ 보다 낮은 온도)에서 배리어층 표면위로 유동할 수 있게 하는 기술을 개발했다. 수 등에 의해 기술된 통상적인 배리어층은 비아의 표면에 증착된 제 1 의 티타늄(Ti)층과, 제 1 의 티타늄층의 표면에 증착된 제 2 의 질화 티타늄(TiN)층과, 최종적으로 제 2 의 질화 티타늄층에 증착된 TiNx 층을 포함하는 3개 층의 조합이다. 3개 층은 후술하는 이온 금속 플라즈마(IMP) 기술을 사용해서 증착된다. 통상적으로, 제 1 층의 티타늄은 약 100 Å 내지 200 Å 두께이고, 제 2 층의 TiN은 약 800 Å 두께이고, 제 3 층의TiNx 은 약 60 Å이다. 약 5의 종횡비를 가지는 홀(hole)을 통해서 0.25μ을 가지는 접점 비아를 양호하게 충진할 수 있지만, 알루미늄의 결정방위는 {111}함량에서 낮고, 결과적으로 알루미늄 상호접속부에 대해 낮은 전자이동(EM)성능을 나타낸다. 더욱이, Si를 기준으로하여 나노스코프로 측정된 알루미늄의 반사율은 약 50%보다 적으므로, 후속 리소그래피 인덱싱(lithography indexing)은 더욱 어렵다. 따라서, EM 성능을 개선하고 이어지는 리소그래픽 공정단계에 도움을 주기위해서는 알루미늄 {111} 함량을 증가하는 것이 바람직하다.
IMP 기술을 사용해서 증착되고 개선된 (Ti 또는 TiNx)/TiN/TiNx 배리어층은, 제 1 층의 Ti 또는 TiNx의 두께를 100 Å 내지 500 Å(특정의 기하학적 형상은 상한 두께 값을 제어함)로 증가시키고; 제 2 층의 TiN의 두께를 약 100 Å 내지 800 Å으로(양호하게는 600 Å보다 적은) 감소시키고; 약 50 원자% 티타늄(화학량론적으로)으로부터 약 100 원자% 티타늄 범위의 Ti 함량을 제공하도록 제 3 층의 TiNx의 인가를 제어함으로서; 성취될 수 있음을 발견했다. 제 1 층이 TiNx이면, Ti의 원자%는 적어도 40 원자% 이다. 적합하게는, 제 1 층은 100 원자% Ti이다. 추가로, 제 3 층의 TiNx 이 제 2 층의 TiN의 증착의 말기에 형성되고 화학양론적인 Ti함량에서 시작하고 약 100 원자%의 Ti 함량에서 종료하는 Ti 함량 기울기를 나타내는 것이 바람직하다. 제 3 층의 TiNx 의 두께는 적합하게 약 15 Å 내지 약 500 Å범위이고, 100 원자% Ti 성분의 두께는약 15 Å 내지 약 300 Å범위이다. 개선된(Ti 또는 TiNx)/TiN/TiNx 배리어층은, 알루미늄이 높은 {111} 결정방위를 나타내는 알루미늄 상호접속부의 증착 또는 알루미늄 비아 충진을 가능하게 한다. 더욱이, 얻어진 알루미늄층은 436nm에서 150퍼센트 이상의 반사율을 나타낸다. 피쳐(feature)를 형성하는데 사용되는 (Ti 또는 TiNx)/TiN/TiNx 배리어층은 스퍼터링된 알루미늄으로 피쳐를 완전히 충진할 수 있게 하며, 여기서, 피쳐의 크기는 약 0.25 마이크론이고 종횡비는 약 6 : 1 만큼 높다.
제 3 층의 TiNx 은 약 50℃ 내지 500℃ 범위, 적합하게는 약 200℃의 기판 온도에서 증착된다. 장치 구조체가 상호 접속부이면, 제 3 층의 TiNx 은 약 5mT 내지 약 40mT 범위, 적합하게는 약 25 mT의 압력에서 증착될 수 있다. 장치 피쳐가 비아이면, 제 3 층의 TiNx 은 약 5mT 내지 약 10mT 범위, 적합하게는 약 10 mT의 압력에서 증착되어야 한다. 그리고 나서 알루미늄 충진재는 약 350℃ 내지 약 500℃, 적합하게는 약 400℃의 기판 온도에서 증착된다. 알루미늄은 약 1mT 내지 약 4mT 범위, 적합하게는 약 2mT의 감소 압력에서 증착된다.
본 발명은 Ti/TiN/TiNx 배리어층 구조체와 이 구조체를 만드는 방법에 관한 것이다. Ti/TiN/TiNx 배리어층 구조체 상에는 높은 {111} 결정학적 함량과 약 150% 이상의 반사율을 가지는 알루미늄층을 증착할 수 있게 한다. 더욱이, 배리어층 구조체를 사용해서 0.25 미크론 이하의 개구를 가지고 약 5 : 1 보다 큰 종횡비를 가지는 비아를 “워엄 알루미늄(warm aluminum)” 충진할 수 있다.
I 정의
구체적인 설명의 전제로서, 상세한 설명과 청구범위에 기재된 바와 같이, 특별한 언급이 없으면 대상물이 단수형태로 기재되더라도 그 대상물은 다수의 대상물을 포함한다. 예를 들어, “반도체”는 반도체의 거동 특성을 가지는 종래에 알려진 다양한 재료를 포함하며, “플라즈마”는 RF 그로우 방전(RF glow discharge)에 의해 활성화된 가스 또는 가스 반응제를 포함하며, “접점 재료”는 알루미늄, 알루미늄 합금 및, 여기서 기술한 온도 범위에서 스퍼터링될 수 있는 용융점을 가지는 다른 도전성 재료를 포함한다.
본 발명의 설명에 특히 중요한 용어는 아래에 정의되어 있다.
용어 “AFM(Atomic Force Microscope)"는 필름 표면 조도를 측정하는데 흔히 사용되는 기술이며, 여기서 필름 표면과 접촉하는 마이크로프로브(microprobe)는 필름을 가로질러 끌어 당겨지고 마이크로프로브의 기계적 이동은 디지털 신호로 바뀌어서 점으로 표시된다. 이렇게 얻어진 점들은 컴파일(compile)되고 표면 조도가 이 컴파일로부터 계산된다.
용어 “알루미늄”은 반도체 산업에서 통상적으로 사용되는 종류의 알루미늄 합금을 포함한다. 이런 합금은 예를 들어 알루미늄-구리 합금, 알루미늄- 구리-실리콘 합금을 포함한다. 여기서 기술한 양호한 실시예는 약 0.5% 구리를 포함하는 알루미늄이다.
용어 “종횡비”는 전기 접점이 놓여지는 특정 개구의 높이 치수 대 폭 치수의 비이다. 예를 들어, 다수의 층을 관통해 관형상으로 연장하는 비아 개구는 높이와 직경을 가지며, 종횡비는 관형상의 높이를 직경으로 나눈 비이다. 트렌치의 종횡비는 트렌치의 높이를 트렌치 바닥의 있는 최소 이동 폭으로 나눈 비이다.
용어 “피쳐”는 접점, 비아, 트렌치 및, 기판 표면의 형태를 구성하는 기타 구조체를 가르킨다.
용어 “이온 증착 스퍼터링”과 용어 “이온 금속 플라즈마(IMP)”는 스퍼터 증착을 가르키고, 적합하게는 마그네트론 스퍼터 증착(자석이 타깃뒤에 위치되어 있음)을 가르킨다. 고 밀도의 유도 결합 RF 플라즈마는 스퍼터링 음극과 기판지지 전극 사이에 위치되며, 그에 따라 스퍼터링된 방출의 적어도 일부분은 기판에 도달할 때 이온 형태이다.
용어 “반응성 이온 증착” 또는 ”반응성 이온 금속 플라즈마(IMP)“는 반응성 가스가 스퍼터링 동안 공급되어 스퍼터링되는 이온화된 물질과 반응하여 반응 가스 요소를 포함하는 이온 증착 스퍼터링된 화합물을 생성하는 이온 증착 스퍼터링을 가르킨다.
용어“ 반사율”은 Si를 기준으로 나노스코프에 의해 측정한 반사율을 가르킨다.
용어“SEM"은 주사 전자 현미경을 가르킨다.
용어 “통상적인 스퍼터링”은 기판상에 필름층을 형성하는 방법을 가르키는 것으로, 여기서 타깃은 스퍼터링되고 타깃으로부터 스퍼터링된 재료는 타깃과 기판사이를 통과해서 기판상에 필름층을 형성하고, 타깃으로부터 나온 스퍼터링된 타깃 재료의 대부분을 기판에 도달하기 전에 이온화하는 아무런 수단도 제공되지 않는다. 통상적인 스퍼터링을 제공하기 위해 형상된 하나의 장치는 미국 특허 제 5,320,728 호에 기재되어 있으며, 이것을 본원 발명에 참조로 사용한다. 이런 통상적인 스퍼터링 구성에 있어서, 이온화되는 타깃 재료의 퍼센테이지는 타깃으로부터 스퍼터링된 것의 10% 이하, 보다 통상적으로는 1% 이하이다.
용어“ 워엄 알루미늄”은 통상적인 스퍼터링 기술을 사용해서 인가된 알루미늄을 가르키며, 여기서 알루미늄의 인가 중의 기판온도는 약 350℃와 약 450℃ 사이의 범위이다.
용어“XPS "는 X-레이 포토일렉트론 스펙트로스코피(ESCA(Electon Spectroscopy for Chemical Analysis)로도 공지되어 있다) 분석기술을 가르키며, 여기서 X-레이 빔이 샘플에 조사된다. 포토일렉트론, 샘플 요소 조성물의 특성 및 각 요소의 대응 결합 에너지가 방출되고 일렉트론 에너지 분석기에 의해 검출된다. 감도 인자(sensitivity factor)는 포토일렉트론의 측정된 운동 에너지를 샘플내의 여러 요소의 원자% 조성물로 변환하는데 사용된다. 샘플 표면에 있는 원자% 조성물을 검출하는 것 외에도, 샘플의 두께에 걸쳐 있는 조성물에 대한 정보는 깊이 프로파일링에 의해 얻어질 수 있다. 이 경우에, 샘플 재료는 아르곤 이온과 같은 불활성 이온을 사용해서 점진적으로 스퍼터링된다. 각 증분에서, XPS분석이 실행된다.
용어“XRD"(X-ray Diffraction)은 결정 방위를 측정하는데 흔히 사용되는 기술을 가르키며, 여기서, 특정 파장의 방사선이 특징지워질 재료를 통과하고, 통과 재료에 의해 발생되는 방사선의 회절이 측정된다. 회절 패턴을 나타내는 맵이 만들어지고, 이 맵을 근거로 결정 방위는 계산된다.
II. 본 발명을 실행하기 위한 장치
본 발명의 방법을 수행할 수 있는 처리 시스템은 어플라이드 머티어리얼스사(캘리포니아 산타 클라라 소재) 상표명 엔듀라(Endura ) 통합식 처리 시스템(Integrated Processing System)이다. 이 공정 시스템은 도면에 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 도 1에 도시한 처리 요소는 이와 같은 통합식 처리 시스템(Integrated Processing System)내에 포함된 저압 처리챔버중 하나내에서 작동될 수 있다. 이 시스템은 미국 특허 제 5,186,718 호와 제 5,236,868 호에 도시하고 기술되어 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 본원 발명의 참조로 사용된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 매끄러운 표면의 저 저항성의 질화 티타늄 배리어층을 형성하기 위한 하나의 저압 공정 챔버는 표준 스퍼터 자석(110)(스퍼터링 플라즈마를 한정하고, 스퍼터링 속도를 증가시킬 수 있음)과 약 24kW까지의 전압에서 작동하는 스퍼터링 타깃 음극(112)을 사용한다.
예 1
본 발명의 Ti/TiN/TiNx 배리어층 구조를 형성하기 위해서, 약 3.55cm(14인치)의 티타늄 타깃 음극이 사용되고, 약 4kW 내지 8kW의 DC 전압이 상기 음극에 인가된다. 20.3cm(8인치) 직경의 실리콘 웨이퍼를 포함하는 기판(118)은 타깃 음극(112)으로부터 약 14 cm(5.5인치) 떨어져 위치되어 있다. 약 0.5kW 내지 약 6kW의 범위(적합하게는 약 1.5kW 내지 약 4kW의 범위)의 와트량에서, 약 100kHz 내지 약 60 MHz(적합하게는 약 2 MHz)의 RF 전력(116)을, 적어도 1 회전수부터 약 10회전수(적합하게는 약 1 내지 3 회전수)까지 가지는 코일(114)에 가함으로써, 높은 밀도의 유도 결합 RF 플라즈마가 타깃 음극(112)과 기판(118)사이의 영역내에서 발생된다. 통상적으로, 코일은 수냉을 허용하고 약 0.32cm(0.125 인치)의 직경을 가지는 금속관으로부터 제작된다. 그러나, 코일은 시트 또는 리본, 또는 원하는 기능을 제공하는 다른 형태로 제작될 수 있다. 코일(114)은 타깃(112)과 기판(118) 사이의 플라즈마 영역을 둘러싼다. 통상적으로, 0 내지 약 -300 V DC, 적합하게는 약 100 W의 기판 바이어스 전압이 기판(118) 또는 지지부재(120)에 가해져서 플라즈마로부터 기판까지 이온을 당기는 D.C. 자체 바이어스를 만든다.
질화 티타늄 배리어층을 형성하기 위한 양호한 장치가 플라즈마를 유도 결합하고 스퍼터링된 재료를 이온화시키기 위해 코일을 사용하지만, 티타늄을 이온화하기 위한 다른 수단도 생각할 수 있다. 예를 들어, 여기서 참조로 사용한 미국 특허 제 4,911,814 호에 도시되고 기술된 바와 같은 ECR소오스, 또는 여기서 참조로 사용한 미국 특허 제 4,990,229 호에 도시한 바와 같은 헬리콘형 결합 장치(helicon type coupling device)도 또한 생각할 수 있다. 마찬가지로, 10 내지 100%의 이온화 퍼센테이지를 가지는 증착 입자의 이온화 스트림을 공급하는 다른 장치가 본 발명을 실행하는데 사용될 수 있음을 알 수 있다. 이온화되며 이온화된 질소와 반응하여 질화 티타늄을 형성하는 티타늄 원자를 형성하기 위한 양호한 장치는 적합하게 스퍼터링 기술에 의해 형성되며, 티타늄 원자를 생성하기 위한 다른 수단도 생각할 수 있다. 예들 들어, 여기서 참조로 사용한, 도가니내에서 금속 또는 금속 합금을 증발시키기 위한 미국 특허 제 4,944,961 호에 기술된 기술과 같은 티타늄 증발 기술도 특별히 생각할 수 있다.
III. (Ti 또는 TiN
x
)/TiN/TiN
x
배리어층의 구조
약 0.25 미크론 만큼 작은 피쳐 크기와 약 5 : 1 보다 큰 종횡비를 가지는 집적회로의 비아, 관통홀 및 트렌치내에 전기 접점을 제공할 수 있는 매끄러운 질화 티타늄 포함 배리어층을 만들 수 있다. 높은 종횡비의 도전성 접점을 형성할 수 있는 것외에, 본 발명의 매끄러운 배리어층은 확산 배리어를 제공하여 알루미늄과 같은 전기 접점 재료와 실리콘과 같은 기초 반도체 기판 재료사이의 상호 확산을 방지한다.
매끄러운 배리어층 구조는 3개의 층의 스택을 포함한다. 보다 양호한 실시예에서, 제 1 층( 실리콘 또는 산화 실리콘과 같은 하부 기판위에 직접 인가됨)은 이온 증착 티타늄(Ti)이다. 제 1 층에 인가된 제 2 층은 이온 증착 질화 티타늄(TiN)이다. 제 2 층에 가해진 제 3 층은 이온 증착층인 TiNx이며, 여기서 그 층의 조성은 약 50 원자% 티타늄으로부터 약 100 원자% 티타늄까지 변한다. 적합하게 티타늄 농도는 필수적으로 화학량론적 TiN에서 시작하고 순수 Ti를 향해 진행하는 기울기를 가진다. 계속적으로 증착되는 워엄 알루미늄과 TiNx표면의 반응에 대한 포텐셜(potential)을 줄이기 위해서, 층의 표면에서 Ti 함량을 제어하는 것이 필요하다. TiNx 층의 최상의 Ti 함량은 수평의 도전성 상호접속부에 대한 것인지 또는 높은 종횡비 비아를 충진하는 것에 대한 것이지에 따라 달라진다. 높은 종횡비 비아는 알루미늄 충진재의 비아내로의 열역학적 인력을 제공하도록 TiNx 층내에서 보다 높은 Ti함량을 요구한다. 그러나, 너무 높은 Ti 함량은 장치 성능에 부정적인 영향을 미치는 TiAl3의 생성을 야기한다. 높은 종횡비 비아 분야에 알맞은 경우, TiNx 층 티타늄 함량이 약 50%의 원자 농도로부터 약 100% Ti의 원자 농도를 향하는 기울기를 가지는 높은 종횡비 비아 도포의 경우에, 약 15 Å이하의 Ti 상부 표면 두께는 비아의 완전한 충진을 제공하는 방식으로 워엄 알루미늄을 비아내로 끌어당기는데 불충분하며, 반면에 약 300 Å이상의 순수 Ti 상부 표면 두께는 해로운 량의 TiAl3 형성을 야기한다.
전기 접점 또는 도전층이 매끄러운 배리어층 구조체상에 인가된다. 여기서 기술한 접점 또는 도전층이 약 0.5 중량% 구리를 포함하는 알루미늄이지만, 여기에 기술한 매끄러운 배리어층의 사용으로부터 다른 도전성 재료도 이익을 얻는다. 연속적으로 인가된 도전성 재료의 {111} 결정학적 함량과 이것의 반사율은 상술한 개념을 사용해서 조정될 수 있다. 워엄 알루미늄과 관련하여, 본 상세한 설명의 양호한 실시예에서, 알루미늄은 예를 들어 증발과 같은 스퍼터링외의 방법을 사용해서 인가될 수 있다. 알루미늄의 IMP 인가는 비아 측벽상에 특정 등각성(conformality)을 제공함에 따라, 비아 충진에 약간의 장점을 제공하지만; 통상적으로 스퍼터링된 알루미늄이 바람직하다. 왜냐하면, 이것이 보다 저렴한 알루미늄 인가 방법이기 때문이다. 워엄 알루미늄(약 350℃ 내지 약 450℃의 온도 범위)으로서 인가되고, 통상적으로 스퍼터링된 알루미늄과 관련하여, 양호하게 알루미늄은 약 0.5 mT 내지 약 50 mT까지, 적합하게는 약 1 mT 와 30 mT 사이, 아주 적합하게는 약 1 mT와 4 mT 사이의 감소된 압력에서 인가된다. 알루미늄 두께는 용도에 따라 다르다.
도 2는 본 발명의 매끄러운 배리어층 구조체(200)를 포함하는 트렌치 또는 비아(213)의 개략도이다. 구조체(200)는 상부 이산화 실리콘층(211)을 가지는 실리콘 베이스(210)를 포함하는 반도체 기판상에 형성된다. 비아 또는 트렌치(213)는 이산화 실리콘층(211)을 통해서 실리콘 베이스(210)까지 드라이 에칭함으로서 만들어진다. 구조체(200)는 3개의 층: Ti/TiN/TiNx를 포함한다. 제 1 층의 티타늄(212)은 이산화 실리콘층(211)과 실리콘 베이스(210) 양자의 표면상에 이온 증착 스퍼터링되며; 반응성 이온 증착 스퍼터링된 질화 티타늄층(214)의 제 2 층은 제 1 티타늄층(212) 상부에 증착되며; 이온 증착 스퍼터링 질화 티타늄층(216)의 제 3 층은 질화 티타늄층(214) 상부에 증착된다. (티타늄층(212)의 이온 스퍼터링시, 규화 티타늄의 얇은 층(224)은 통상적으로 고온 어닐링시 비아(213)의 바닥에 형성됨). 그리고 나서 구조체(200)는 도전층(219)으로 채워진다. 비아 또는 트렌치(213)의 종횡비는 치수(222) 대 치수(220)의 비에 의해 설명된 바와 같고, 약 20 : 1 이며, 치수(220)는 약 0.25미크론이다.
통상적으로, 알루미늄은 약 500℃의 기판 온도에서 구조체(200)상에서 스퍼터링된다. 몇몇 경우에, 냉각 알루미늄 핵생성 층은 500℃에서 나머지 알루미늄이 증착되기전에 약 50℃의 기판 온도에서 증착된다. IMP을 사용해서 얻은 배리어층 구조체(200)의 측벽상의 개선된 표면에 의해서, 냉간 알루미늄 핵생성 층을 사용할 필요성을 제거하는 것이 가능하므로, 단지 하나의 알루미늄 증착 챔버만이 필요하다. 더욱이, 약 350℃ 내지 약 450℃의 온도 범위에서 워엄 알루미늄 증착이 실행될 수 있다. 본 발명의 특정 배리어층 구조체(200)가 사용되면, 높은 {111} 결정학적 방위 알루미늄의 추가의 이익이 얻어진다. 추가로, 특히 높은 종횡비 비아가 채워질 수 있다.
예 2
결정학적 {111} 함량이 전자이동을 방지할 만큼 충분히 높은 비아의 알루미늄 충진을 얻기 위해서, Ti/TiN/TiNx 배리어층(200)의 구조체는 다음과 같이 조정된다.
이온 증착 스퍼터링된 Ti의 제 1 층(212)의 두께는 약 300 Å이고; 반응성 이온 증착 스퍼터링된 TiN의 제 2 층(214)의 두께는 약 250 Å이고; 반응성 이온 증착 스퍼터링된 TiNx의 제 3 층(216)의 두께는 약 250 Å이다. TiNx 층(216)의 조성은 층(216)의 표면을 향해 초기에 50원자% Ti에서부터 약 100 원자% Ti의 범위로 변한다.
통상적인 스퍼터링을 사용해서, 약 400℃의 온도와 약 2 mT의 압력에서 비아(213)의 표면에 알루미늄이 스퍼터링된다.
알루미늄 충진재의 {111} 결정학적 함량은 약 100%이다( 200은 XRD 곡선상에서 관찰되지 않음). 더욱이, 알루미늄 표면의 반사율은 약 199% 이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 이들 도면은 편평한 산화 실리콘 표면 상부의 Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면에 인가된 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선을 도시한다.
도 3a는 상술한 기술을 사용해서 제작한 Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면에 인가된 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선(310)을 도시하며, 여기서, 제 1 층의 Ti은 약 100 Å 두께이고; 제 2 층의 TiN은 약 800 Å 두께이고, 제 3 층의 TiNx는 약 150 Å 두께이다. 배리어층의 제조중에 사용된 공정 조건은, 각층의 인가 동안 약 200℃의 기판(웨이퍼) 온도; 약 3.3의 DC/RF 전력비(이 전력 비는 이하에서 상세히 설명하겠다); 약 100 W의 기판에 대한 바이어스; 각 층의 인가동안 약 30 mT의 처리 챔버 압력을 포함한다. 워엄 알루미늄은 약 400℃의 기판 온도와 약 2 mT의 압력에서 통상적인 스퍼터링을 사용해서, Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면위에 스퍼터링된다. 위에서 언급한 전력비는 스퍼터링 타깃에 가해진 DC 전압을 이온화 장치(코일)에 대한 RF 전압으로 나눈 것을 가르키며; 예를 들어 RF 코일에 2kW가 가해지고 타깃에 7kW가 가해지는 경우에 전압비는 3.5이다.
“y"축상에서 ”312“로 표시된 임의 유닛의 회절의 세기 및 ”x"축상에 “314”로 표시된 2θ(입사각의 두배)를 가지는 XRD 곡선(310)에 의해 지적된 바와 같이, 알루미늄의 결정 방위 함량은 원하는 {111}방위(316)와 원치않는 {200} 방위(319)(318에서 확대 도시함) 모두를 포함한다. 약 3,000의 피크 높이를 만드는 {111} 방위의 약한 신호는 워엄 증착된 알루미늄의 보다 다결정적인 성질을 추가적으로 나타낸다. 원치않는 {200} 방위 알루미늄의 존재는 800 Å인 TiN층의 두께에 기여한다.
도 3b는 상술한 기술을 사용해서 제조한 Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면에 인가된 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선(320)을 도시하며, 여기서, 제 1 층의 Ti은 약 100 Å 두께이고; 제 2 층의 TiN은 약 250 Å 두께이고, 제 3 층의 TiNx는 약 150 Å 두께이다. 배리어층의 제조중에 사용된 공정 조건은 각층의 적용 동안 약 200℃의 기판(웨이퍼) 온도; 약 3.3의 DC/RF 전력비(이 전력 비는 이하에서 상세히 설명하겠다); 약 100 W의 기판에 대한 바이어스; 각 층의 인가중에 약 30 mT의 처리 챔버 압력을 포함한다. 워엄 알루미늄은 약 400℃의 기판 온도와 약 2 mT의 압력에서 통상적인 스퍼터링을 사용해서, Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면위에 스퍼터링된다.
“y"축상에서 ”322“로 표시된 회절 세기 및 ”x"축상에 “324”로 표시된 2θ를 가지는 XRD 곡선(320)에 의해 지적된 바와 같이, 알루미늄의 결정 방위는 원하는 {111}방위에 제한되며, 원치 않은 {200} 방위(확대부(328)에 나타날 수도 있다)는 없다. 약 14,000 의 피크 높이를 만드는 {111} 방위의 보다 강한 신호는 워엄 증착된 알루미늄내의 보다 높은 {111} 함량을 추가적으로 나타낸다. 도 3b에 도시한 XRD 곡선을 가지는 알루미늄 증착을 가능하게 하는 배리어층 구조는 본 발명의 보다 바람직한 실시예중 하나이다.
도 3c는 상술한 기술을 사용해서 제작한 Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면에 인가된 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선(330)을 도시하며, 여기서, 제 1 층의 Ti은 약 100 Å 두께이고; 제 2 층의 TiN은 약 250 Å 두께이고, 제 3 층의 TiNx는 약 150 Å 두께이다. 배리어층의 제조중에 사용된 공정 조건은, 각층의 인가 동안 약 400℃의 기판(웨이퍼) 온도; 약 3.3의 DC/RF 전력비(이 전력 비는 이하에서 상세히 설명하겠다); 약 100 W의 기판에 대한 바이어스; 각 층의 인가중에 약 30 mT의 처리 챔버 압력을 포함한다. 워엄 알루미늄은 약 400℃의 기판 온도와 약 2 mT의 압력에서 통상적인 스퍼터링을 사용해서, Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면위에 스퍼터링된다.
“y"축상에서 ”332“로 표시된 회절 세기 및 ”x"축상에 “334”로 표시된 2θ를 가지는 XRD 곡선(330)에 의해 지적된 바와 같이, 알루미늄의 결정 방위 함량은 원하는 {111}방위(336)와 원치 않은 {200} 방위(339)(338에서 확대 도시함) 모두를 포함한다. 약 34의 피크 높이를 만드는 {111} 방위의 매우 약한 신호는 알루미늄의 다결정성 정도가 도 3a에 도시한 알루미늄층의 것보다 상당히 크다는 것을 나타낸다. 이것은 알루미늄의 {200} 결정 방위 분율(fraction)에 대한 증가된 피크 높이에 의해서 더욱 지지된다. 원치 않은 {200} 방위 알루미늄의 존재는 3개의 배리어층 각각에 사용된 400℃ 증착 온도에 기인한다.
도 3D는 상술한 기술을 사용해서 제조한 Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면에 가해진 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선(340)을 도시하며, 여기서, 제 1 층의 Ti은 약 300 Å 두께이고; 제 2 층의 TiN은 약 250 Å 두께이고, 제 3 층의 TiNx는 약 150 Å 두께이다. 배리어층의 제조중에 사용된 공정 조건은, 각층의 인가중에 약 200℃의 기판(웨이퍼) 온도; 약 3.3의 DC/RF 전력비; 약 100 W의 기판에 대한 바이어스; 각 층의 적용동안 약 30 mT의 처리 챔버 압력을 포함한다. 여기서 처리 챔버 압력은 TiNx층의 적용동안 약 10 mT로 감소된다. 워엄 알루미늄은 약 400℃의 기판 온도와 약 2 mT의 압력에서 통상적인 스퍼터링을 사용해서, Ti/TiN/TiNx배리어층의 표면위에 스퍼터링된다.
“y"축상에서 ”342“로 표시된 회절 세기 및 ”x"축상에 “344”로 표시된 2θ를 가지는 XRD 곡선(340)에 의해 지적된 바와 같이, 알루미늄의 결정 방위 함량은 어느 {200} 방위의 존재없이(확대부(348)에서 나타날 수도 있다) 원하는 {111}방위(346)로 제한된다. 약 27,000의 피크 높이를 만드는 {111} 방위의 매우 강한 신호는 워엄 증착된 알루미늄의 보다 많은 {111} 함량을 추가적으로 나타낸다. (TiNx층이 30mT에서 증착된 도 3b에 도시된 본 발명의 다른 양호한 실시예에서 얻어진 것보다 상당히 높다). 도 3d에 도시한 XRD 곡선을 가지는 알루미늄 증착을 가능하게 하는 배리어층 구조는 본 발명의 보다 양호한 실시예중 하나이다.
도 4는 상술한 4개의 알루미늄 Ti/TiN/TiNx구조체 중 3개에 대한 그리고 다른 하나의 구조체에 대한 반사율을 도시한다. 특히, 막대 그래프(400)는 “y" 축선상에 ”410“으로 표시된 퍼센트 반사율(Si 기준)을 나타낸다. ”x" 축선상의 각 막대는 서로 상이한 알루미늄 Ti/TiN/TiNx 구조체를 나타낸다.
막대(412)는 도 3b에 도시한 XRD곡선내에 도시한 알루미늄/Ti/TiN/TiNx 구조체에 대한 알루미늄층이 반사율을 도시한다. 막대(414)는, 전체 알루미늄/Ti/TiN/TiNx 구조체를 만드는데 사용된 방법이 전체 도 3b 구조체를 만드는데 사용된 방법과 동일하지만, Ti층의 두께가 300Å인 Ti/TiN/TiNx 구조체위에 증착된 알루미늄층의 반사율을 도시한다. 막대(416)는 도 3a XRD곡선내에 도시한 알루미늄/Ti/TiN/TiNx 구조체에 대한 알루미늄층이 반사율을 도시한다. 바(418)는 도 3c XRD곡선내에 도시한 알루미늄/Ti/TiN/TiNx 구조체에 대한 알루미늄층의 반사율을 도시한다.
대체적으로, 도 4는 보다 높은 알루미늄{111}결정 방위가 증가된 알루미늄 반사율과 직접적으로 관련이 있다는 것을 보여준다.
반사율의 추가적인 개선( 알루미늄층의 표면 조도의 감소를 동반함)은 제 3 층의 TiNx의 조성 기울기를 변경함으로써 얻을 수 있다. TiNx 증착 단계의 말기에 증착되는 순수 Ti의 두께를 증가시킴으로써, 반사율의 개선과 보다 매끄러운 표면 알루미늄을 얻을 수 있다는 것을 발견했다. 특히, 반사율은 약 210% 으로부터 약 220%로 증가되고 표면 조도(AFM을 사용해서 결정)는 78Å 로부터 47Å으로 감소되었다.
도 5a와 도 5b는 TiNx 증착 단계의 말기에 상이한 Ti 두께를 가지도록 제조된 Ti/TiN/TiNx 배리어층의 표면에 인가된 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선을 나타낸다. 배리어층 구조체는 상술한 기술을 사용해서 제조된다. 특히, 각경우에, 제 1 층의 Ti의 두께는 300Å이고, 제 2 층의 TiN의 두께는 250Å이다. 모든 배리어층은 약 200℃의 기판 온도와 10mT의 처리 챔버 압력에서 증착된다.
도 5a는 Ti/TiN/TiNx 배리어층의 표면에 인가된 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선을 나타내며, 이 때 TiNx증착 시간은 약 15초이고, TiNx층의 두께는 결국 약 180 Å이다. 회절 세기는 “y"축선상에 ”512“로 도시되고, 2θ는 ”x"축선에 “514”로 표시된다. 곡선 510은 약 28,000 세기의 강한{111} 알루미늄 결정 방위 피크(516)를 나타내고, 검출가능한 {200} 결정 방위는 없다.
도 5b는 Ti/TiN/TiNx 배리어층의 표면에 인가된 워엄 알루미늄에 대한 XRD곡선을 나타내며, 이 때 TiNx증착 시간은 약 30초이고, TiNx층의 두께는 결국 약 360 Å이다. 회절 세기는 “y"축선상에 ”522“로 도시되며, 2θ는 ”x"축선에 “524”로 표시된다. 곡선 520은 약 39,000 세기의 강한{111} 알루미늄 결정 방위 피크(526)를 나타내고, 검출가능한 {200} 결정 방위는 없다. 알루미늄 표면에 대한 반사율은 약 220% 이고 AFM 표면 조도는 약 47Å이다.
IV. 배리어층과 알루미늄의 인가 방법
여기에 기술된 양호한 실시예의 장치는 전술한 상표명 엔듀라 통합식 처리 시스템(Endura Integrated Processing System)으로 제작되고, 도 1에 도시한 요소는 통합식 처리 시스템(Integrated Processing System)내에 포함된 저압 처리 챔버중 하나내에 존재된다.
예 3
아래의 설명은 약 5 : 1의 종횡비를 가지는 0.25μ피쳐 크기 비아의 표면에 Ti/TiN/TiNx 배리어층을 제조하는 것에 관한 것이다.
도 2를 참조하면, 비아는 이산화 실리콘층(211)을 통해 실리콘 베이스(210)까지 드라이 에칭함으로서 만들어진다. 구조체(200)는 3개의 층: Ti/TiN/TiNx를 포함한다. 제 1 층의 티타늄은 이산화 실리콘층(211)과 실리콘 베이스(210)의 표면상에 이온 증착 스퍼터링(IMP 스퍼터링)되며; 반응성 이온 증착 스퍼터링(반응성 IMP 스퍼터링)된 질화 티타늄층(214)의 제 2 층은 제 1 티타늄층(212) 상부에 증착되며; 제 3 의 이온 증착 스퍼터링된 TiNx(216)층은 질화 티타늄층(214) 상부에 증착된다. (티타늄층(212)의 이온 스퍼터링시, 규화 티타늄의 얇은 층(224)은 통상적으로 고온 어닐링시 비아(213)의 바닥에 형성됨). 그리고 나서 구조체(200)는 도전층(219)으로 채워진다.
20.3 cm(8인치) 직경 기판의 표면상에 분당 약 700Å의 Ti 이온 증착 스퍼터링 속도를 얻기 위해서, 2 MHz( = 2.5 kW)의 RF 전력이 코일(114)에 가해지고, 반면 4 kW의 DC전력이 티타늄 타깃 음극(112)에 가해지고, 약 100 와트의 DC 바이어스가 기판 전극(120)에 인가된다. Ti증착은 약 30 mT에서 수행된다. 이 압력은 약 65 sccm의 아르곤 공급속도에 대응된다. 기판 표면상의 온도는 약 200℃이다.
제 1 층의 Ti 표면위에서 분당 약 250Å의 TiN 반응성 이온 증착 스퍼터링 속도를 얻기 위해서, 2 MHz( = 2.5 kW)의 RF 전력이 코일(114)에 가해지고, 반면 5 kW의 DC전력이 티타늄 음극(112)에 가해지고, 약 100 와트의 DC 바이어스가 기판 전극(120)에 인가된다. TiN 증착은 약 30 mT에서 수행된다. 이 압력은 상표명 어플라이드 매터리얼스 엔두라 집적 처리 시스템내에 약 10 sccm의 아르곤 공급속도와 약 70 sccm의 질소 공급속도에 대응된다. 기판 표면상의 온도는 약 200℃이다.
제 2 층의 TiN 표면에서 분당 약 600Å의 TiNx에 대한 반응성 이온 증착 스퍼터링 속도를 얻기 위해서, 처리 조건은 제 2 층의 TiN에 대해 특정된 조건으로 설정되지만; TiNx층의 스퍼터링 초기에, 처리 챔버로의 질소 가스의 흐름이 중단된다. 티타늄 타깃은 TiN 증착동안 질화되고, 질소 가스 흐름이 중단된 후 제한된 시간 동안 TiN은 계속해서 생성된다. 통상적으로, TiN증착을 기준으로 정해진 작업 조건하에서, 그러나 챔버로의 질소 가스의 흐름을 중단시킨 상태에서, 타깃의 질화된 부분은 5 내지 10 초 동안 스퍼터링된다. 제 2 층의 TiN이 보다 두꺼우면 두꺼울수록, 타깃의 질화된 부분이 스퍼터링되기전 까지의 시간 주기가 길어진다. 특정예에서, TiNx층 증착은 처리 챔버로의 질소의 흐름을 불연속한 후 약 15초 주기동안 실행된다.
계속해서, 약 6,000 Å 두께의 알루미늄층이 통상적인 스퍼터링 기술을 사용해서, 약 400℃의 기판 온도와 약 2 mT의 압력에서 비아 표면상에 스퍼터링된다. 전술한 바와 같이 제조된 Ti/TiN/TiNx 배리어/웨팅 층을 사용해서 접점 비아에 대한 완전한 비아 충진( 포토마이크로그래피내에 입증된 보이드(void)는 반드시 없음)을 달성하였다.
V. 배리어층 구조체내의 개별층의 조성
도 6a 내지 도 6c는 상단으로부터, 제 3 층의 TiNx , 그리고 제 2 층의 TiN과 그리고 나서 산화 실리콘에 놓여 있는 제 1 층의 Ti을 분석한 바에 따른 3개의 배리어층의 원자 조성을 도시한다.
도 6a에 도시한 그래프 610은 XPS 분석 공정동안 층이 스퍼터링되는 것에 따른 특정 배리어층의 조성을 도시한다. 아르곤 이온을 사용해서 스퍼터링되는 재료의 원자 조성은 "y" 축선상에 “612”로 나타나고, 그 것은 원자 퍼센트를 가르킨다. 분석 공정의 시간은 “x" 축선상에 “614”로 나타나고, 그 것은 초를 가르킨다. 곡선 616은 분석되는 층의 Ti 함량을 나타내고, 곡선 618은 분석되는 층의 N 함량을 나타낸다. 곡선 620은 분석 처리 스퍼터링동안 기판의 분화구형상부로부터 나온 산물인 산소를 나타낸다. 곡선 622는 또한 분석 기술의 산물인 실리콘을 나타낸다.
그래프 610 은 약 100 Å의 Ti 두께와 약 250 Å의 TiN 두께와, 약 100 Å의TiNx 두께를 가진 배리어층을 나타내며, 여기서, TiNx 층 증착은 증착 처리 챔버로의 질소 가스 흐름의 차단후 약 8 초의 주기동안 계속된다.
도 6b에 도시한 그래프 630은 도 6a를 참고로 설명한 분석 기술을 사용해서 측정된 제 2 배리어층 구조체의 조성을 도시한다. 분석되는 층의 원자 조성은 "y" 축선상에 “632”로 나타나고, 그 것은 원자 퍼센트를 가르킨다. 분석 공정의 시간은 “x" 축선상에 “634”로 나타나고, 그 것은 초를 가르킨다. 곡선 636은 분석되는 층의 Ti 함량을 나타내고, 곡선 638은 분석되는 층의 N 함량을 나타낸다. 곡선 640은 산소 산물을 나타내고 곡선 642는 실리콘 산물을 나타낸다.
그래프 630은 약 200 Å의 Ti 두께와, 약 500 Å의 TiN 두께와, 약 100 Å의TiNx 두께를 가진 배리어층을 나타내며, 여기서, TiNx 층 증착은 증착 처리 챔버로의 질소 가스 흐름의 차단후 약 8 초의 주기동안 다시 계속된다.
도 6c에 도시한 그래프 650은 도 6a를 참고로 설명한 분석 기술을 사용해서 측정된 제 3 배리어층 구조체의 조성을 도시한다. 분석되는 층의 원자 조성은 "y" 축선상에 “652”로 나타나고, 이 것은 원자 퍼센트를 가르킨다. 분석 공정의 시간은 “x" 축선상에 “654”로 나타나고, 이 것은 초를 가르킨다. 곡선 656은 분석되는 층의 Ti 함량을 나타내고, 곡선 658은 분석되는 층의 N 함량을 나타낸다. 곡선 660은 산소 산물을 나타내고 곡선 662는 실리콘 산물을 나타낸다.
그래프 650은 약 200 Å의 Ti 두께와, 약 250 Å의 TiN 두께와, 약 250 Å의TiNx 두께를 가진 배리어층을 나타내며, 여기서, TiNx 층 증착은 증착 처리 챔버로의 질소 가스 흐름의 차단후 약 20 초의 주기동안 계속된다.
이들 구조체는, 단일 Ti 스퍼터링 타깃을 사용해서, 단일 공정 챔버내에서 얻어질 수 있고, 연속 공정으로 제조될 수 있다. 배리어층의 우수한 기능성과 함께 그러한 배리어층 구조체 제조의 단순성으로 인해 반도체 장치 제조 분야에서 매우 유용하다. 특히, 여기서 기술한 배리어층 구조체와 제조 방법은 전자이동 문제를 감소시키는 높은 알루미늄{111} 결정 방위를 가지는 알루미늄 포함 층을 형성할 수 있게 한다. 더욱이, 여기에 기술한 배리어층 구조체와 제조 방법을 사용해서, 리소그래픽 인덱싱에 유익한 높은 반사율의 알루미늄 포함 층을 형성할 수 있다.
상술한 양호한 실시예는 본 기술의 당업자가 본 상세한 설명을 보고 아래에 청구된 주 내용에 따르는 이런 실시예를 확장할 수 있는 한 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 1은 이온 금속 플라즈마(IMP)에 의해 강화되는 물리 기상 증착을 가능하게 하는 처리 챔버의 요소들을 도시하는 개략도.
도 2는 본 명세서에서 설명되는 장치와 방법을 사용해서 높은 종횡비 비아(213)내에 형성된 전도성 접점(218)의 개략도.
도 3a는 수(Xu)등의 미국 특허출원 제 08/511,825 호에 참조로 기술된 종류의 Ti/TiN/TiNx 배리어층 상에 증착된 알루미늄막에 대한 X-레이 회절(XRD) 곡선이다(여기서 상기 알루미늄막은 원하는 것보다 낮은 {111} 결정 방위 함량을 나타내고 약 50%보다 적은 반사율( Si을 기준으로 나노스코프(nanoscope)로 측정함)을 나타낸다).
도 3b는 여기서 기술한 제 1 양호한 실시예를 사용해서 만든 Ti/TiN/TiNx 배리어층 상에 증착된 알루미늄막에 대한 XRD 곡선이다(여기서 상기 알루미늄막은 고 {111} 함량을 나타내고 약 195%의 반사율을 나타낸다).
도 3c는 배리어층의 증착동안 기판온도가 매우 높은 것을 제외하고는, 도 3B에 도시한 배리어층을 만드는데 사용된 바람직한 실시예를 사용하여 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 증착된 알루미늄막에 대한 XRD 곡선이다(여기서 상기 알루미늄막은 원하는 것보다 낮은 {111} 함량을 나타내고 약 50% 이하의 반사율을 나타낸다).
도 3d는 여기서 기술한 제 2 바람직한 실시예를 사용해서 만든 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 증착된 알루미늄막에 대한 XRD 곡선이다(여기서 상기 알루미늄막은 높은 {111} 함량을 나타내고 약 210%의 반사율을 나타낸다).
도 4는 종래 방법으로 제작되고 종래의 구조를 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 증착된 알루미늄막에 대한 반사율과 비교하여, 본 발명의 제 1, 2 의 바람직한 실시예를 이용하여 제조되고 그 실시예에 따른 구조를 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 증착된 알루미늄막에 대한 상대적인 반사율을 도시하는 막대 그래프.
도 5a는 제 3 의 바람직한 실시예의 방법을 사용해서 만들고 그 실시예의 구조를 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 증착된 알루미늄막에 대한 XRD 곡선이다(여기서 상기 알루미늄막은 약 78Å의 AFM 조도(rms)를 나타낸다).
도 5b는 제 4 의 바람직한 실시예의 방법을 사용해서 만들고 그 실시예의 구조를 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 증착된 알루미늄막에 대한 XRD 곡선이다(여기서 상기 알루미늄막은 약 47Å의 AFM 조도를 나타낸다).
도 6a는 100Å Ti/ 250ÅTiN/ 100ÅTiNx 의 단면 두께 프로파일(profile)을 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 대한 원자 조성 프로파일을 도시한 도면.
도 6b는 200Å Ti/ 500ÅTiN/ 100ÅTiNx 의 단면 두께 프로파일을 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 대한 원자 조성 프로파일을 도시한 도면.
도 6c는 200Å Ti/ 250ÅTiN/ 250ÅTiNx 의 단면 두께 프로파일을 가지는 Ti/TiN/TiNx 배리어층에 대한 원자 조성 프로파일을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
112: 타깃 음극 114: 코일
116: 전압 118: 기판
211: 실리콘층 212: 제 1 층의 티타늄
214: 제 2 층의 질화 티타늄
216: 제 3 층의 질화 티타늄
219: 도전층
Claims (21)
- 약 100 Å 내지 약 500 Å의 두께를 가지는 Ti 또는 TiNx 의 제 1 층;약 100 Å 내지 약 800 Å의 두께를 가지는 TiN 의 제 2 층; 및약 15 Å 내지 약 500 Å의 두께를 가지는 TiNx의 제 3 층을 포함하는 특정 구조체를 가지는 배리어층.
- 제 1항에 있어서, 상기 TiNx의 제 1 층의 Ti 함량은 적어도 40 원자% 이상인 특정 구조체를 가지는 배리어층.
- 제 1항에 있어서, 상기 TiN의 제 2 층의 두께가 약 100 Å에서 약 500 Å의 범위에 있는 특정 구조체를 가지는 배리어층.
- 제 1항에 있어서, 상기 TiNx의 제 3 층의 두께가 약 15Å 에서 약 400 Å 의 범위에 있는 특정 구조체를 가지는 배리어층.
- 제 1항에 있어서, 상기 TiNx의 제 3 층의 Ti 함량은 50 원자% 내지 100 원자%의 범위에 있으며, 상기 제 3 층의 제 1 부분이 50 원자%이고 상기 제 3 층의 마지막 부분이 100 원자% Ti인 기울기(gradient)를 따르는 특정 구조체를 가지는 배리어층.
- 제 5항에 있어서, 상기 100 원자% Ti성분의 두께는 약 15Å 내지 약 300 Å범위에 있는 특정 구조체를 가지는 배리어층.
- 제 1항의 배리어층을 포함하고 상기 TiNx의 제 3 층의 표면 상에 인가되는 알루미늄 포함 도전층을 가지는 구조체.
- 제 5항의 배리어층을 포함하고 상기 TiNx의 제 3 층의 표면 상에 인가되는 알루미늄 포함 도전층을 가지는 구조체.
- 제 7항에 있어서, 상기 알루미늄 포함층은 적어도 90 원자% 이상의 알루미늄을 포함하는 구조체.
- 제 8항에 있어서, 상기 알루미늄 포함층은 적어도 90 원자% 이상의 알루미늄을 포함하는 구조체.
- 제 9항에 있어서, 상기 알루미늄 포함층은 {200} 결정학적 함량(crystallographic content)을 실질적으로 나타내지 않는 구조체.
- 제 10항에 있어서, 상기 알루미늄 포함층은 {200} 결정학적 함량을 실질적으로 나타내지 않는 구조체.
- 제 11항에 있어서, 상기 알루미늄 포함층은 150%를 초과하는 반사율을 나타내는 구조체.
- 제 12항에 있어서, 상기 알루미늄 포함층은 190%를 초과하는 반사율을 나타내는 구조체.
- 알루미늄 포함층/Ti/TiN/TiNx 구조체 제조 방법으로서,상기 알루미늄 포함층의 결정 방위는 실질적으로 {111}이며, 상기 방법은a) IMP 기술을 사용해서 약 100 Å 내지 약 500 Å 범위의 두께를 가지는 Ti 또는 /TiNx의 제 1 층을 인가하는 단계;b) 반응성 IMP 기술을 사용해서 약 100 Å 내지 약 800 Å 범위의 두께를 가지는 TiN의 제 2 층을 인가하는 단계; 및c) 반응성 IMP 기술을 사용해서 약 15 Å 내지 약 500 Å 범위의 두께를 가지는 TiNx의 제 3 층을 인가하는 단계를 포함하는 구조체 제조 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 TiNx의 제 3 층의 상기 반응성 IMP 증착동안 질소 함량을 제어하여 상기 TiNx층 표면에서 100 원자% Ti성분을 형성하는 구조체 제조 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 100 원자% Ti성분의 두께는 약 15Å 내지 약 300 Å의 범위에 있는 구조체 제조 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 배리어층은 약 400 ℃ 이하의 기판 온도에서 증착되는 구조체 제조 방법.
- 제 18항에 있어서, 상기 배리어층은 약 200 ℃ 이하의 기판 온도에서 증착되는 구조체 제조 방법.
- 제 18항에 있어서, 상기 TiNx의 제 3 층은 약 5 mT 내지 약 40 mT의 처리 챔버 압력에서 도포되는 구조체 제조 방법.
- 제 20항에 있어서, 상기 압력은 약 5 mT 내지 약 10 mT의 범위에 있는 구조체 제조 방법.
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