KR20240013175A - Physical vapor deposition method for producing metal thin films - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 박막을 제조하는 물리 기상 증착 방법을 개시한다. 여기에는 단계 1: 박막을 증착할 기판을 반응 챔버의 베이스에 넣는 단계; 단계 2: 반응 챔버 내에 질소 가스 및 크립톤 가스가 포함된 제1 혼합 가스를 주입하고, 타깃에 직류 전력을 인가하고, 제1 혼합 가스가 플라즈마를 형성하도록 하고 타깃에 충격을 가하여, 기판에 금속 질화물 박막을 형성하는 단계; 및 단계 3: 반응 챔버 내에 제1 혼합 가스의 주입을 중지하고, 반응 챔버 내에 아르곤 가스와 크립톤 가스가 포함된 제2 혼합 가스를 주입하고, 타깃에 직류 전력을 인가하고, 제2 혼합 가스가 플라즈마를 형성하여, 금속 질화물 박막에 금속 박막을 형성하도록 하고, 베이스에 바이어스 RF 전력을 인가하여, 금속 박막의 표면에 충격을 가함으로써, 금속 박막의 치밀도를 향상시키도록 하는 단계가 포함된다.The present invention discloses a physical vapor deposition method for producing metal thin films. These include Step 1: placing the substrate on which the thin film is to be deposited into the base of the reaction chamber; Step 2: Inject a first mixed gas containing nitrogen gas and krypton gas into the reaction chamber, apply direct current power to the target, allow the first mixed gas to form plasma and apply shock to the target to deposit metal nitride on the substrate. forming a thin film; And step 3: stop the injection of the first mixed gas into the reaction chamber, inject a second mixed gas containing argon gas and krypton gas into the reaction chamber, apply direct current power to the target, and turn the second mixed gas into plasma. It includes forming a metal thin film on a metal nitride thin film and applying bias RF power to the base to impact the surface of the metal thin film to improve the density of the metal thin film.
Description
본 발명은 반도체 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 박막을 제조하는 물리 기상 증착 방법에 관한 것이다. The present invention relates to the field of semiconductor technology, and more specifically, to a physical vapor deposition method for manufacturing thin metal films.
최근 몇 년 동안 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory, DRAM) 및 이의 핵심 부재의 치수가 끊임없이 축소됨에 따라, 부재 사이의 금속 상호 연결 및 접촉 등 임계 치수도 감소하였다. 따라서 더 낮은 저항률의 소자 치수만이 더욱 콤팩트하고 응답이 빠른 소자 구조를 얻을 수 있다. DRAM 셀은 열(비트 라인(Bit lines))과 행(워드 라인(Word lines))의 어레이에 따라 작동한다. 비트 라인은 유도 증폭기 사이에서 전하를 전송하므로, 특정 셀의 데이터를 편집(기록)하거나 획득(판독)한다. 데이터 기록 또는 DRAM 셀에서 데이터를 판독하는 속도는 비트 라인의 저항에 따라 다르다. 저항이 작을수록 데이터 전속 송도가 빠르다. 도체의 저항은 전자가 회로를 따라 운동할 때 만나는 산란점에 따라 다르다. 박막의 불순물, 입자 경계 및 소자 표면 거칠기는 전자 운동 속도를 늦출 수 있다. 이러한 요인이 운동 속도에 영향을 미치는 정도는 박막의 두께와 관련이 있다.As the dimensions of Dynamic Random Access Memory (DRAM) and its core members have continued to shrink in recent years, critical dimensions such as metal interconnections and contacts between members have also decreased. Therefore, only lower resistivity device dimensions can achieve more compact and faster response device structures. DRAM cells operate according to an array of columns (bit lines) and rows (word lines). The bit line transfers charge between inductive amplifiers, thereby editing (recording) or acquiring (reading) data of a specific cell. The speed of writing data or reading data from a DRAM cell depends on the resistance of the bit line. The smaller the resistance, the faster the data transmission. The resistance of a conductor depends on the scattering points encountered by electrons as they move through the circuit. Thin film impurities, grain boundaries, and device surface roughness can slow down the speed of electron movement. The extent to which these factors affect the speed of movement is related to the thickness of the thin film.
집적 회로 제조에서 RC 지연(resistance-capacitance delay)는 비교적 높은 저항값으로 인한 영향을 나타내기 위해 일반적으로 사용된다. 소자 밀도는 끊임없이 증가하며, 금속화 상호 연결로 인한 RC 지연은 다양한 방식으로 소자 성능에 영향을 미친다. 이는 초고밀도 집적 회로의 성능과 속도를 저해하는 핵심 요인이 되었다. RC 지연은 DRAM 구조의 비트 라인이 데이터를 판독하거나 기록하는 속도를 감소시킨다. 따라서 RC 상호 연결 지연을 줄이는 것이 최근 몇 년 동안 반도체 산업의 주요 공략 방향이 되었다. 반도체 기술이 진보함에 따라, 소자 임계 치수가 끊임없이 소형화되는 추세를 보이고 있다. 특히 1xnm 기술 노드의 DRAM 메모리 제조에서는 DRAM 크기 축소로 인해 직면한 비트 라인 저항 문제를 효과적으로 해결하기 위해 더 순수하고 매끄럽고 응력 제어가 가능한 고밀도 금속 박막의 제조가 요구된다.In integrated circuit manufacturing, resistance-capacitance delay (RC delay) is commonly used to describe the effect of relatively high resistance values. Device densities are constantly increasing, and RC delays due to metallization interconnects affect device performance in a variety of ways. This has become a key factor hindering the performance and speed of ultra-high-density integrated circuits. RC delay reduces the speed at which bit lines in a DRAM structure read or write data. Therefore, reducing RC interconnection delay has become a key focus of the semiconductor industry in recent years. As semiconductor technology advances, device critical dimensions are constantly trending toward miniaturization. In particular, DRAM memory manufacturing at the 1xnm technology node requires the fabrication of purer, smoother, stress-controllable, and denser metal thin films to effectively solve the bit line resistance problems faced by shrinking DRAM sizes.
업계에서는 통상적으로 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 방법으로 텅스텐(W) 등과 같은 금속 박막을 제조한다. 그러나 종래의 PVD 방법은 금속 박막을 제조할 때, 획득되는 금속 박막이 느슨하고 조밀하지 않으며 저항률이 높고 박막 응력이 크며 박막 베이스 결합력이 떨어진다. 따라서 선진 공정의 공정 요건을 충족시키지 못한다.In the industry, metal thin films such as tungsten (W) are typically manufactured using physical vapor deposition (PVD). However, when the conventional PVD method produces a metal thin film, the obtained metal thin film is loose and not dense, has a high resistivity, high thin film stress, and poor thin film base bonding strength. Therefore, it does not meet the process requirements of advanced processes.
본 발명의 목적은 금속 박막을 제조하는 물리 기상 증착 방법을 제공하는 데에 있다. 이는 박막 베이스 결합력을 증가시키고 금속막이 벗겨지는 것을 방지할 수 있으며, 박막 치밀도가 높고 결정화가 우수하며 저항률이 낮다.The purpose of the present invention is to provide a physical vapor deposition method for producing a metal thin film. This can increase the thin film base bonding force and prevent the metal film from peeling, and the thin film density is high, crystallization is excellent, and resistivity is low.
상술한 목적을 구현하기 위해, 본 발명은 금속 박막을 제조하는 물리 기상 증착 방법을 제공한다. 여기에는 하기 단계가 포함된다.In order to implement the above-described object, the present invention provides a physical vapor deposition method for producing a metal thin film. This includes the following steps:
단계 1: 박막을 증착할 기판을 반응 챔버의 베이스에 넣는다.Step 1: Place the substrate on which the thin film will be deposited into the base of the reaction chamber.
단계 2: 상기 반응 챔버 내에 질소 가스 및 크립톤 가스가 포함된 제1 혼합 가스를 주입한다. 타깃에 직류 전력을 인가하고, 상기 제1 혼합 가스가 플라즈마를 형성하도록 하고 상기 타깃에 충격을 가한다. 이를 통해 상기 기판에 금속 질화물 박막을 형성한다.Step 2: Inject a first mixed gas containing nitrogen gas and krypton gas into the reaction chamber. Direct current power is applied to the target, the first mixed gas is allowed to form plasma, and the target is shocked. Through this, a metal nitride thin film is formed on the substrate.
단계 3: 상기 반응 챔버 내에 상기 제1 혼합 가스의 주입을 중지하고, 상기 반응 챔버 내에 아르곤 가스와 크립톤 가스가 포함된 제2 혼합 가스를 주입한다. 상기 타깃에 직류 전력을 인가하고, 상기 베이스에 바이어스 RF 전력을 인가한다. 상기 직류 전력을 인가하여 상기 제2 혼합 가스가 플라즈마를 형성하고 상기 타깃에 충격을 가하여, 상기 금속 질화물 박막에 금속 박막을 형성하도록 할 수 있다. 상기 RF 전력을 인가하여 상기 플라즈마가 상기 금속 박막의 표면에 충격을 가하여, 상기 금속 박막의 치밀도를 향상시키도록 할 수 있다.Step 3: Stop the injection of the first mixed gas into the reaction chamber, and inject a second mixed gas containing argon gas and krypton gas into the reaction chamber. Direct current power is applied to the target, and bias RF power is applied to the base. By applying the direct current power, the second mixed gas forms plasma and impacts the target, thereby forming a metal thin film on the metal nitride thin film. By applying the RF power, the plasma may impact the surface of the metal thin film, thereby improving the density of the metal thin film.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 2는 상기 베이스에 제1 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하고, 제1 소정 시간 동안 유지하여, 상기 기판 표면에 에칭 전처리를 수행하는 단계를 더 포함한다.In an optional method, step 2 further includes applying a bias RF power in a first predetermined range to the base and maintaining it for a first predetermined time to perform an etching pretreatment on the substrate surface.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 2는 하기 단계를 포함한다.In an alternative method, step 2 includes the following steps:
상기 반응 챔버 내에 상기 제1 혼합 가스를 주입한다. 상기 타깃에 제1 소정값보다 작은 직류 전력을 인가하여, 상기 제1 혼합 가스가 글로우되어 플라즈마를 생성하도록 한다. 또한 상기 베이스에 상기 제1 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하고 상기 제1 소정 시간 동안 유지하여, 상기 베이스 표면에 에칭 전처리를 수행한다.The first mixed gas is injected into the reaction chamber. Direct current power smaller than a first predetermined value is applied to the target so that the first mixed gas glows to generate plasma. Additionally, bias RF power in the first predetermined range is applied to the base and maintained for the first predetermined time to perform etching pretreatment on the base surface.
상기 기판 표면에 에칭 전처리를 수행한다. 그 후 상기 타깃에 인가하는 직류 전력을 증가시켜, 상기 플라즈마가 상기 타깃에 충격을 가하도록 한다. 이를 통해 에칭 전처리된 상기 기판에 상기 금속 질화물 박막을 형성한다.Etching pretreatment is performed on the substrate surface. Thereafter, the direct current power applied to the target is increased to cause the plasma to impact the target. Through this, the metal nitride thin film is formed on the etched pre-treated substrate.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 3은 하기 단계를 포함한다.In an alternative method, step 3 includes the following steps:
상기 타깃에 제2 소정값보다 작은 직류 전력을 인가하여, 상기 제2 혼합 가스를 글로우시켜 플라즈마를 형성한다.Direct current power smaller than a second predetermined value is applied to the target to glow the second mixed gas to form plasma.
상기 베이스에 제3 소정값보다 작은 RF 전력을 인가하고 제2 소정 시간을 유지하여, 상기 금속 질화물 박막에 에칭 처리를 수행한다. 상기 제2 소정 시간 후, 타깃에 인가하는 직류 전력을 증가시켜, 상기 플라즈마가 상기 타깃에 충격을 가하도록 하여, 상기 금속 질화물 박막에 상기 금속 박막을 형성한다. 동시에 상기 베이스에 제2 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하여, 상기 금속 박막을 형성한다. 이와 동시에 상기 금속 박막을 에칭하여, 상기 금속 박막의 치밀도를 향상시킨다.An RF power smaller than a third predetermined value is applied to the base and maintained for a second predetermined time to perform an etching process on the metal nitride thin film. After the second predetermined time, the direct current power applied to the target is increased to cause the plasma to impact the target, thereby forming the metal thin film on the metal nitride thin film. At the same time, bias RF power in a second predetermined range is applied to the base to form the metal thin film. At the same time, the metal thin film is etched to improve the density of the metal thin film.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 3에서, 상기 아르곤 가스의 유량은 100sccm 이하이고, 상기 크립톤 가스의 유량은 50sccm 이하이다.In an alternative method, in step 3, the flow rate of the argon gas is 100 sccm or less, and the flow rate of the krypton gas is 50 sccm or less.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 3에서, 상기 아르곤 가스와 상기 크립톤 가스의 유량 비율은 0.45 이하이다.In an alternative method, in step 3, the flow rate ratio of the argon gas and the krypton gas is less than 0.45.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 2에서, 상기 크립톤 가스와 상기 질소 가스의 유량 비율은 0.15 이상이다.In an alternative method, in step 2, the flow rate ratio of the krypton gas and the nitrogen gas is greater than 0.15.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 2에서, 상기 크립톤 가스의 유량은 50sccm 이하이고, 상기 질소 가스의 유량은 200sccm 이하이다.In an alternative method, in step 2, the flow rate of the krypton gas is 50 sccm or less, and the flow rate of the nitrogen gas is 200 sccm or less.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 2 및/또는 상기 단계 3에서, 상기 타깃에 인가된 직류 전력은 20000W 이하이다.In an alternative method, in step 2 and/or step 3, the direct current power applied to the target is 20000 W or less.
선택적 방안에 있어서, 상기 단계 1에서의 공정 조건은, 상기 반응 챔버의 진공도는 5Х10-6Torr보다 작고, 상기 베이스의 온도는 250℃이상, 350℃이하이다.In an optional method, the process conditions in Step 1 are such that the vacuum degree of the reaction chamber is less than 5Х10 -6 Torr and the temperature of the base is 250°C or higher and 350°C or lower.
본 발명의 유익한 효과는 하기와 같다.The beneficial effects of the present invention are as follows.
본 발명의 실시예에 따른 금속 박막을 제조하는 물리 기상 증착 방법은, 단계 2를 통해 먼저 기판 표면에 금속 질화물 박막을 형성한다. 상기 금속 질화물 박막은 후속적으로 증착되는 금속 박막과 기판의 박막 베이스 결합력을 증가시킬 수 있다. 이를 통해 기판에 금속 박막을 직접 증착함에 따른 격자 불일치로 인해 금속 박막이 벗겨지는 것을 방지할 수 있다. 또한 후속적으로 형성되는 금속 박막이 [110] 결정 방향을 따라 우선적으로 성장하도록 할 수 있고, 소자의 후방 구간 고온 열처리 공정에서, 금속 박막과 기판의 상호 확산 현상을 억제할 수 있다. 따라서 차단층 작용을 하여, 금속 박막의 저저항 특성을 보장하고, 소자 성능의 안정성을 유지하고 수율을 보장할 수 있다. 또한 상기 단계 2는 질소 가스와 크립톤 가스(Kr)의 제1 혼합 가스를 채택하여 플라즈마를 형성한다. 종래 기술에서 Ar 가스에 비해, Kr 이온은 질량이 비교적 크며, 질량이 클수록 운동에너지가 크다. 이는 타깃이 Kr 이온에 의해 충격을 받은 후 스퍼터링되며 기판에 증착되는 원자 에너지가 커지도록 만든다. 따라서 기판 표면에서 저에너지 원자의 무질서 상태 배열을 바꾸고, 박막 표면에서 원자의 이동 운동 및 확산 능력을 향상시킬 수 있다. 나아가 박막 치밀도, 결정화 품질이 향상될 수 있다. 또한 원자 에너지를 증가시켜 결정을 계속해서 성장시키고, 전자가 결정계를 관통할 때 받는 전위 장벽 작용을 낮출 수 있다. 따라서 박막의 저항률을 유의하게 낮추고 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 그 외, 질소 가스와 크립톤 가스를 혼합시킴으로써, 이들 둘의 비율을 조절하여 박막 저항률을 낮추어 공정 안정성과 유연성을 향상시킬 수 있다. 또한 사용 비용을 절감할 수 있다. 또한 단계 3에서 베이스에 바이어스 RF 전력을 인가함으로써, 플라즈마가 금속 박막의 표면에 충격을 가하도록 한다. 이를 통해 금속 박막의 치밀도를 향상시키고, 고품질, 저저항률의 금속 박막의 증착을 촉진한다.In the physical vapor deposition method for manufacturing a metal thin film according to an embodiment of the present invention, a metal nitride thin film is first formed on the surface of the substrate through step 2. The metal nitride thin film can increase the bonding force between the subsequently deposited metal thin film and the thin film base of the substrate. Through this, it is possible to prevent the metal thin film from peeling off due to lattice mismatch caused by directly depositing the metal thin film on the substrate. In addition, the subsequently formed metal thin film can be allowed to grow preferentially along the [110] crystal direction, and the mutual diffusion phenomenon between the metal thin film and the substrate can be suppressed during the high-temperature heat treatment process in the rear section of the device. Therefore, by acting as a blocking layer, the low resistance characteristics of the metal thin film can be guaranteed, the stability of device performance can be maintained, and the yield can be guaranteed. Additionally, in step 2, a first mixed gas of nitrogen gas and krypton gas (Kr) is used to form plasma. Compared to Ar gas in the prior art, Kr ions have a relatively large mass, and the greater the mass, the greater the kinetic energy. This causes the target to sputter after being bombarded by Kr ions, increasing the atomic energy deposited on the substrate. Therefore, it is possible to change the disordered state arrangement of low-energy atoms on the substrate surface and improve the movement and diffusion capabilities of atoms on the thin film surface. Furthermore, thin film density and crystallization quality can be improved. Additionally, by increasing the atomic energy, the crystal can continue to grow and the potential barrier effect that electrons receive when penetrating the crystal system can be lowered. Therefore, the resistivity of the thin film can be significantly lowered and electrical conductivity can be improved. In addition, by mixing nitrogen gas and krypton gas, the ratio of the two can be adjusted to lower the thin film resistivity, thereby improving process stability and flexibility. Additionally, usage costs can be reduced. Additionally, in step 3, bias RF power is applied to the base to cause plasma to impact the surface of the metal thin film. This improves the density of metal thin films and promotes the deposition of high-quality, low-resistivity metal thin films.
본 발명은 다른 특징과 장점도 갖고 있다. 이러한 특징과 장점은 본원의 첨부 도면 및 후속적인 구체적인 실시방식을 통해 명확하게 이해할 수 있거나, 본원의 첨부 도면 및 후속적인 구체적인 실시방식을 통해 상세하게 설명된다. 이러한 첨부 도면 및 구체적인 실시방식은 함께 본 발명의 특정한 원리를 해석하는 데 사용된다.The present invention also has other features and advantages. These features and advantages can be clearly understood through the accompanying drawings and subsequent specific embodiments of the present application, or are explained in detail through the accompanying drawings and subsequent specific embodiments of the present application. These accompanying drawings and specific embodiments are used together to interpret the specific principles of the present invention.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시적 실시예를 보다 상세하게 설명하며, 본 발명의 상기 내용 및 기타 목적, 특징과 장점은 이를 통해 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 기상 증착으로 금속 박막을 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 2는 종래 기술의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 형성된 금속 박막 저항률의 비교이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막의 시트 저항 및 그 균일성 분포도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막의 결정 XRD 패턴이다.Exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, through which the above contents and other objects, features and advantages of the present invention will become clearer.
1 is a flowchart of a method for manufacturing a metal thin film by physical vapor deposition according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a comparison of the resistivity of a metal thin film formed by a method of the prior art and a method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a distribution diagram of sheet resistance and uniformity of a metal thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a crystal XRD pattern of a metal thin film according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에서 바람직한 실시예를 제공하였으나, 다양한 형태로 본 발명을 구현할 수 있으며 본원에 설명된 실시예로 제한되지 않음에 유의한다. 반대로 이러한 실시예는 본 발명을 보다 명확하고 완전하게 설명하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위가 충분히 전달될 수 있도록 제공하는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. Although the present invention has provided preferred embodiments, it should be noted that the present invention can be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein. On the contrary, these embodiments are provided to more clearly and completely explain the present invention and to enable the scope of the present invention to be sufficiently conveyed to those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains.
본 발명의 설명에서 용어 "중심", "상", "하", "좌", "우", "수직", "수평", "안", "밖" 등이 가리키는 방향 또는 위치 관계는 첨부 도면에 도시된 방향 또는 위치 관계를 기반으로 한다. 이는 본 발명을 간략하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 가리키는 장치 또는 요소가 반드시 특정한 방향을 갖거나 특정한 방향으로 구성 및 조작되어야 함을 지시하거나 암시하지 않는다. 따라서 이는 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다.In the description of the present invention, the directions or positional relationships indicated by the terms "center", "top", "bottom", "left", "right", "vertical", "horizontal", "inside", "outside", etc. are attached. It is based on the direction or positional relationship shown in the drawing. This is only for briefly explaining the present invention, and does not indicate or imply that the indicated device or element must necessarily have a specific orientation or be constructed and operated in a specific direction. Accordingly, this should not be construed as limiting the present invention.
본 발명의 설명에 있어서, 별도로 명시하거나 한정하지 않는 한, 용어 "장착", "상호 연결", "연결"은 넓은 의미로 해석되어야 한다. 예를 들어, 이는 고정 연결, 분리 가능한 연결 또는 일체형 연결일 수 있다. 또한 기계적 연결일 수 있고, 직접적인 연결일 수 있으며, 중간 매개체를 통한 간접적인 연결일 수도 있다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 기술자는 구체적인 상황에 따라 본 발명에서 상술한 용어의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.In the description of the present invention, unless otherwise specified or limited, the terms “mounting”, “interconnection”, and “connection” should be interpreted in a broad sense. For example, this may be a fixed connection, a detachable connection or an integral connection. It may also be a mechanical connection, a direct connection, or an indirect connection through an intermediary. A person skilled in the art to which the present invention pertains can understand the specific meaning of the terms described above in the present invention depending on the specific situation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 기상 증착을 제조하는 물리 기상 증착 방법의 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다.1 is a flowchart of a physical vapor deposition method for manufacturing physical vapor deposition according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, the method includes the following steps.
단계 1: 박막을 증착할 기판을 반응 챔버의 베이스에 넣는다.Step 1: Place the substrate on which the thin film will be deposited into the base of the reaction chamber.
단계 2: 반응 챔버 내에 질소 가스 및 크립톤 가스가 포함된 제1 혼합 가스를 주입한다. 타깃에 직류 전력을 인가하고, 제1 혼합 가스가 플라즈마를 형성하도록 하고 타깃에 충격을 가한다. 이를 통해 기판에 금속 질화물 박막을 형성한다.Step 2: Inject a first mixed gas containing nitrogen gas and krypton gas into the reaction chamber. Direct current power is applied to the target, the first mixed gas is allowed to form plasma, and the target is shocked. Through this, a metal nitride thin film is formed on the substrate.
단계 3: 반응 챔버 내에 제1 혼합 가스의 주입을 중지하고, 반응 챔버 내에 아르곤 가스와 크립톤 가스가 포함된 제2 혼합 가스를 주입한다. 타깃에 직류 전력을 인가하고, 베이스에 바이어스 RF 전력을 인가한다. 직류 전력을 인가하여 제2 혼합 가스가 플라즈마를 형성하고 타깃에 충격을 가하여, 금속 질화물 박막에 금속 박막을 형성하도록 할 수 있다. 상기 RF 전력을 인가하여 플라즈마가 금속 박막의 표면에 충격을 가하여, 금속 박막의 치밀도를 향상시키도록 할 수 있다.Step 3: Stop the injection of the first mixed gas into the reaction chamber, and inject the second mixed gas containing argon gas and krypton gas into the reaction chamber. Direct current power is applied to the target, and bias RF power is applied to the base. By applying direct current power, the second mixed gas forms plasma and impacts the target, thereby forming a metal thin film on the metal nitride thin film. By applying the RF power, plasma can impact the surface of the metal thin film, thereby improving the density of the metal thin film.
구체적으로, 본 기술방안에 대한 이해를 돕기 위해, 먼저 박막 제조용 디바이스에 대해 간략히 소개한다. 박막의 제조는 반도체 디바이스의 반응 챔버에서 수행된다. 반응 챔버에는 박막을 증착할 기판을 운반하기 위한 베이스가 설치된다. 베이스에는 가열 또는 냉각 기능이 구비될 수 있다. 반응 챔버에는 진공 시스템이 연결된다. 진공 시스템은 반응 챔버에 대해 가스 펌핑을 수행하여, 반응 챔버를 비교적 높은 진공도에 도달시켜 공정에 필요한 진공 조건을 충족시킬 수 있다. 공정에 필요한 가스는 유량계를 통해 반응 챔버에 연결된다. 반응에 필요한 타깃은 반응 챔버의 상방 영역에 밀봉된다. 금속 박막을 증착하는 타깃 재료는 순수 금속일 수 있으며, 금속 화합물일 수도 있다. 박막 증착을 수행할 때, 전원을 여기시켜 여기 전력(예를 들어 직류 전력, RF 전력 또는 이들 둘의 조합)을 타깃에 인가한다. 이를 접지된 반응 챔버에 대해 네거티브 바이어스 전압으로 하고, 챔버 내의 고압을 결합하고 가스를 이온화 방전하여 양전하를 띠는 플라즈마를 생성한다. 양전하를 띠는 플라즈마는 타깃에 의해 흡입되며 타깃에 충격을 가한다. 플라즈마의 에너지가 충분히 높으면, 타깃 표면의 원자를 탈출시켜 기판에 증착시킴으로써, 기판 표면에 박막을 증착할 수 있다.Specifically, to aid understanding of this technical solution, we will first briefly introduce the device for thin film manufacturing. Fabrication of thin films is performed in the reaction chamber of the semiconductor device. A base is installed in the reaction chamber to transport the substrate on which the thin film will be deposited. The base may be equipped with heating or cooling functions. A vacuum system is connected to the reaction chamber. The vacuum system can perform gas pumping into the reaction chamber, thereby bringing the reaction chamber to a relatively high vacuum degree to meet the vacuum conditions required for the process. The gas required for the process is connected to the reaction chamber through a flow meter. The target required for the reaction is sealed in the upper area of the reaction chamber. The target material for depositing a metal thin film may be a pure metal or a metal compound. When performing thin film deposition, a power source is excited to apply excitation power (for example, direct current power, RF power, or a combination of the two) to the target. This is used as a negative bias voltage for the grounded reaction chamber, and the high pressure within the chamber is combined to ionize and discharge the gas to generate a positively charged plasma. The positively charged plasma is sucked in by the target and impacts the target. If the energy of the plasma is sufficiently high, a thin film can be deposited on the surface of the substrate by escaping atoms from the target surface and depositing them on the substrate.
본 실시예는 기판 표면에 몰리브덴(Mo) 박막을 증착하는 경우를 예로 들어, 본 발명의 실시예에 따른 금속 박막을 제조하는 물리 기상 증착 방법을 상세히 설명한다.This embodiment describes in detail a physical vapor deposition method for producing a metal thin film according to an embodiment of the present invention, taking the case of depositing a molybdenum (Mo) thin film on the surface of a substrate as an example.
구체적으로, 단계 1을 실행한다. 증착하는 박막에 따라, 반응 챔버에 적합한 공정 조건을 설정한다. 박막을 증착할 기판을 반응 챔버의 베이스에 넣고, 베이스 온도를 공정에 필요한 온도로 조절한다. 본 실시예에 있어서, 선택적으로, 기판은 실리콘 산화물이며 몰리브덴 박막을 증착하는 데 사용된다. 설정된 공정 조건은 다음과 같다. 즉, 반응 챔버의 진공도는 5Х10-6Torr 미만이다. 베이스의 온도는 250℃이상, 350℃이하이다. 바람직하게는, 베이스의 온도는 300℃이다.Specifically, execute step 1. Depending on the thin film being deposited, appropriate process conditions are set in the reaction chamber. The substrate on which the thin film will be deposited is placed in the base of the reaction chamber, and the base temperature is adjusted to the temperature required for the process. In this embodiment, optionally, the substrate is silicon oxide and is used to deposit the molybdenum thin film. The set process conditions are as follows. That is, the vacuum degree of the reaction chamber is less than 5Х10 -6 Torr. The temperature of the base is above 250℃ and below 350℃. Preferably, the temperature of the base is 300°C.
선택적으로, 저항률이 더 낮은 몰리브덴 박막을 형성할 수 있도록, 순도가 ≥99.999wt%인 금속 Mo 타깃을 사용할 수 있다. 상기 금속 Mo 타깃의 불순물 산소(O) 함량은 ≤100wt ppm이다.Optionally, a metal Mo target with a purity of ≥99.999 wt% can be used to form a molybdenum thin film with lower resistivity. The impurity oxygen (O) content of the metal Mo target is ≤100wt ppm.
단계 2를 실행한다. 반응 챔버 내에 질소 가스 및 크립톤 가스가 포함된 제1 혼합 가스를 주입한다. 타깃(Mo)에 직류 전력을 인가하고, 제1 혼합 가스가 플라즈마를 형성하도록 하고 타깃에 충격을 가한다. 이를 통해 기판에 몰리브덴 질화물 박막을 형성한다.Execute step 2. A first mixed gas containing nitrogen gas and krypton gas is injected into the reaction chamber. Direct current power is applied to the target (Mo), the first mixed gas is allowed to form plasma, and the target is shocked. Through this, a molybdenum nitride thin film is formed on the substrate.
종래 기술에 있어서, 스퍼터링 가스는 아르곤 가스(Ar)이다. 타깃에 직류 전력을 인가한 후 타깃에 음 전압을 형성하고, 이온화된 Ar 이온이 타깃에 충격을 가하도록 촉진시킨다. Mo 원자는 플라즈마 영역에서 Ar 이온과의 충돌, 산란을 거치며, 부분적으로 빠져나가 기판 표면에 도달한다. 이 때 기판 표면에 Mo 박막이 증착 형성된다. 그러나 Ar 이온이 타깃에 충격을 가하여 스퍼터링되며 기판에 증착되는 Mo 원자 에너지가 너무 낮고 무질서 상태 배열을 나타낸다. 이로 인해 박막 이 느슨하고 충분히 조밀하지 않으며, 전자가 결정계를 관통할 때 받는 전위 장벽 작용이 비교적 강하다. 따라서 Mo 박막 저항률이 높아, 선진 공정의 공정 요건을 충족시킬 수 없다. 또한 종래 기술은 기판에 Mo 박막을 직접 스퍼터링한다. 이는 Mo 박막 응력이 크고 박막 베이스 결합력이 떨어지게 만들어 벗겨지기 쉽다.In the prior art, the sputtering gas is argon gas (Ar). After applying direct current power to the target, a negative voltage is formed on the target and the ionized Ar ions are promoted to impact the target. Mo atoms undergo collision and scattering with Ar ions in the plasma region, and partially escape to reach the substrate surface. At this time, a Mo thin film is deposited and formed on the surface of the substrate. However, Ar ions impact the target and sputter, and the energy of the Mo atoms deposited on the substrate is too low and shows a disordered state arrangement. Because of this, the thin film is loose and not dense enough, and the potential barrier effect that electrons experience when penetrating the crystal system is relatively strong. Therefore, the Mo thin film resistivity is high and cannot meet the process requirements of advanced processes. Additionally, the prior art sputters a Mo thin film directly on the substrate. This causes the Mo thin film stress to be large and the bonding strength of the thin film base to be low, making it prone to peeling.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에서는 Mo 박막을 형성하기 전에 먼저 기판 표면에 몰리브덴 질화물 박막을 형성한다. 상기 몰리브덴 질화물 박막은 후속적으로 증착되는 Mo 박막과 기판의 박막 베이스 결합력을 증가시킬 수 있다. 이를 통해 기판에 Mo 박막을 직접 증착함에 따른 격자 불일치로 인해 Mo 박막이 벗겨지는 것을 방지할 수 있다. 또한 후속적으로 형성되는 Mo 박막이 [110] 결정 방향을 따라 우선적으로 성장하도록 할 수 있고, 소자의 후방 구간 고온 열처리 공정에서, Mo 박막과 기판의 상호 확산 현상을 억제할 수 있다. 따라서 차단층 작용을 하여, MO 박막의 저저항 특성을 보장하고, 소자 성능의 안정성을 유지하고 수율을 보장할 수 있다.In order to solve the above-mentioned problem, in this embodiment, a molybdenum nitride thin film is first formed on the surface of the substrate before forming the Mo thin film. The molybdenum nitride thin film can increase the bonding force between the subsequently deposited Mo thin film and the thin film base of the substrate. Through this, it is possible to prevent the Mo thin film from peeling off due to lattice mismatch caused by directly depositing the Mo thin film on the substrate. In addition, the subsequently formed Mo thin film can be allowed to grow preferentially along the [110] crystal direction, and the mutual diffusion phenomenon between the Mo thin film and the substrate can be suppressed during the high-temperature heat treatment process in the rear section of the device. Therefore, by acting as a blocking layer, the low resistance characteristics of the MO thin film can be guaranteed, the stability of device performance can be maintained, and the yield can be guaranteed.
또한 상기 몰리브덴 질화물 박막의 제조는 질소 가스와 크립톤 가스(Kr)의 제1 혼합 가스를 채택하여 플라즈마를 형성한다. 종래 기술에서 Ar 가스에 비해, Kr 이온은 질량이 비교적 크며, 질량이 클수록 운동에너지가 크다. 이는 타깃이 Kr 이온에 의해 충격을 받은 후 스퍼터링되며 기판에 증착되는 Mo 원자 에너지가 커지도록 만든다. 따라서 기판 표면에서 저에너지 Mo 원자의 무질서 상태 배열을 바꾸고, 박막 표면에서 Mo 원자의 이동 운동 및 확산 능력을 향상시킬 수 있다. 나아가 박막 치밀도, 결정화 품질이 향상될 수 있다. 또한 Mo 원자 에너지를 증가시켜 결정을 계속해서 성장시키고, 전자가 결정계를 관통할 때 받는 전위 장벽 작용을 낮출 수 있다. 따라서 박막의 저항률을 유의하게 낮추고 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.Additionally, in manufacturing the molybdenum nitride thin film, plasma is formed by using a first mixed gas of nitrogen gas and krypton gas (Kr). Compared to Ar gas in the prior art, Kr ions have a relatively large mass, and the greater the mass, the greater the kinetic energy. This causes the target to be sputtered after being bombarded by Kr ions and the energy of the Mo atoms deposited on the substrate increases. Therefore, it is possible to change the disordered state arrangement of low-energy Mo atoms on the substrate surface and improve the movement and diffusion ability of Mo atoms on the thin film surface. Furthermore, thin film density and crystallization quality can be improved. Additionally, by increasing the Mo atom energy, the crystal can continue to grow and the potential barrier effect that electrons receive when penetrating the crystal system can be lowered. Therefore, the resistivity of the thin film can be significantly lowered and electrical conductivity can be improved.
그 외, 질소 가스와 크립톤 가스를 혼합시킴으로써, 이들 둘의 비율(저항률 수요에 따라 유연하게 설정할 수 있음)을 조절하여 박막 저항률을 낮추어 공정 안정성과 유연성을 향상시킬 수 있다. 또한 크립톤 가스 사용량을 절약하고 사용 비용을 절감할 수 있다.In addition, by mixing nitrogen gas and krypton gas, the ratio of the two (which can be flexibly set according to resistivity demand) can be adjusted to lower the thin film resistivity, thereby improving process stability and flexibility. It can also save krypton gas usage and reduce usage costs.
단계 3을 실행한다. 반응 챔버 내에 제1 혼합 가스의 주입을 중지하고, 반응 챔버 내에 아르곤 가스와 크립톤 가스가 포함된 제2 혼합 가스를 주입한다. 타깃에 직류 전력을 인가하고, 베이스에 바이어스 RF 전력을 인가한다. 직류 전력을 인가하여 제2 혼합 가스가 플라즈마를 형성하고 타깃에 충격을 가하여, 몰리브덴 질화물 박막에 Mo 박막을 형성하도록 할 수 있다. RF 전력을 인가하여 플라즈마가 Mo 박막의 표면에 충격을 가하여, Mo 박막의 치밀도를 향상시키도록 할 수 있다.Execute step 3. The injection of the first mixed gas into the reaction chamber is stopped, and the second mixed gas containing argon gas and krypton gas is injected into the reaction chamber. Direct current power is applied to the target, and bias RF power is applied to the base. By applying direct current power, the second mixed gas forms plasma and impacts the target, thereby forming a Mo thin film on the molybdenum nitride thin film. By applying RF power, plasma can impact the surface of the Mo thin film, thereby improving the density of the Mo thin film.
단계 2와 유사하게, 상기 Mo 박막의 제조는 아르곤 가스와 크립톤 가스(Kr)의 제2 혼합 가스를 채택하여 플라즈마를 형성한다. 이는 마찬가지로 박막 치밀도, 결정화 품질을 향상시킬 수 있다. 또한 박막의 저항률을 유의하게 낮추고 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 단계 2에서, 베이스에 바이어스 RF 전력을 인가함으로써, 형성된 몰리브덴 질화물 박막 및 형성된 Mo 박막 표면에 일정한 충격 에칭(에칭 속도가 증착 속도 미만)을 수행할 수 있다. 상기 에칭 작용은 박멱 표면 결함을 줄이는 동시에 박막 표면 거칠기를 낮출 수 있다. 이를 통해 금속 박막의 치밀도를 향상시키고, 고품질, 고치밀도의 저저항률 Mo 박막 증착을 촉진시킬 수 있다. 그 외, 아르곤 가스와 크립톤 가스를 혼합시킴으로써, 이들 둘의 비율(저항률 수요에 따라 유연하게 설정할 수 있음)을 조절하여 박막 저항률을 낮추어 공정 안정성과 유연성을 향상시킬 수 있다. 또한 크립톤 가스 사용량을 절약하고 사용 비용을 절감할 수 있다.Similar to step 2, the production of the Mo thin film adopts a second mixed gas of argon gas and krypton gas (Kr) to form plasma. This can similarly improve thin film density and crystallization quality. Additionally, the resistivity of the thin film can be significantly lowered and electrical conductivity can be improved. In step 2, constant impact etching (etching rate is less than deposition rate) can be performed on the surface of the formed molybdenum nitride thin film and the formed Mo thin film by applying bias RF power to the base. The etching action can reduce thin film surface defects and at the same time lower the thin film surface roughness. Through this, the density of the metal thin film can be improved and the deposition of high-quality, high-density, low-resistivity Mo thin films can be promoted. In addition, by mixing argon gas and krypton gas, the ratio of the two (which can be flexibly set according to resistivity demand) can be adjusted to lower the thin film resistivity, thereby improving process stability and flexibility. It can also save krypton gas usage and reduce usage costs.
본 실시예에 있어서, 단계 2에서, 선택적으로, 반응 챔버의 공정 압력은 10mTorr 이상, 25mTorr 이하의 범위 내로 유지된다. 크립톤 가스(Kr)의 유량 범위는 50sccm 이하이며, 바람직하게는 10sccm 이하이다. 질소 가스의 유량 범위는 200sccm 이하이며, 바람직하게는 10sccm 이상, 80sccm 이하이다.In this embodiment, in step 2, optionally, the process pressure in the reaction chamber is maintained within the range of 10 mTorr or more and 25 mTorr or less. The flow rate range of krypton gas (Kr) is 50 sccm or less, preferably 10 sccm or less. The flow rate range of nitrogen gas is 200 sccm or less, preferably 10 sccm or more and 80 sccm or less.
선택적 방안에 있어서, 질소 가스 비율이 너무 낮으면 준안정 상태 MoN 박막이 형성되기 쉬우며, 공정 안정성을 유지하기가 비교적 어렵다. 크립톤 가스와 질소 가스의 비율이 0.15 이상이면 상기 문제를 방지할 수 있다.In an optional method, if the nitrogen gas ratio is too low, a metastable MoN thin film is likely to be formed, and it is relatively difficult to maintain process stability. The above problem can be prevented if the ratio of krypton gas and nitrogen gas is 0.15 or more.
본 실시예에 있어서, 생성된 몰리브덴 질화물 박막의 두께는 20Å이상, 60Å 이하이다. 몰리브덴 질화물 박막의 두께를 상기 범위 내로 제어함으로써, 기판 표면 결함과 거칠기를 감소시킬 수 있다. 또한 증착 과정에서 표면이 주요한 역할을 수행하도록 할 수 있으며, Mo 박막의 기둥형 대형 결정립의 핵 성장 및 성장을 촉진시킬 수 있다. 이는 Mo 박막을 [110] 결정 방향을 따라 우선적으로 보다 잘 성장시키는 데 도움이 된다.In this example, the thickness of the produced molybdenum nitride thin film is 20 Å or more and 60 Å or less. By controlling the thickness of the molybdenum nitride thin film within the above range, substrate surface defects and roughness can be reduced. In addition, the surface can play a major role in the deposition process and promote the nucleation and growth of large columnar grains in the Mo thin film. This helps to better grow Mo thin films preferentially along the [110] crystal direction.
본 실시예에 있어서, 단계 2는 하기 단계를 포함한다.In this example, step 2 includes the following steps.
반응 챔버 내에 제1 혼합 가스를 주입한다. 타깃에 제1 소정값보다 작은 직류 전력을 인가하여, 제1 혼합 가스가 글로우되어 플라즈마를 생성하도록 한다. 또한 베이스에 제1 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하고 제1 소정 시간 동안 유지하여, 베이스 표면에 에칭 전처리를 수행한다.A first mixed gas is injected into the reaction chamber. Direct current power smaller than the first predetermined value is applied to the target so that the first mixed gas glows to generate plasma. Additionally, bias RF power in a first predetermined range is applied to the base and maintained for a first predetermined time to perform etching pretreatment on the base surface.
기판 표면에 에칭 전처리를 수행한다. 그 후 타깃에 인가하는 직류 전력을 증가시켜, 플라즈마가 타깃에 충격을 가하도록 한다. 이를 통해 에칭 전처리된 기판에 금속 질화물 박막(예를 들어 MoN 박막)을 형성한다.Etching pretreatment is performed on the substrate surface. Afterwards, the direct current power applied to the target is increased to cause the plasma to impact the target. Through this, a metal nitride thin film (for example, MoN thin film) is formed on the etched pre-treated substrate.
선택적으로, 직류 전력의 상기 제1 소정값의 범위는 800W 미만으로, 예를 들어 500W이다. 상기 직류 전력은 제1 혼합 가스를 글로우시켜 이온화시킴으로써 플라즈마를 생성하는 데 사용된다.Optionally, the range of said first predetermined value of direct current power is less than 800 W, for example 500 W. The direct current power is used to generate plasma by glowing and ionizing the first mixed gas.
상기 단계 2에서, 베이스에 제1 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가한다. 이를 통해 하전 입자를 통해 기판 표면 물질에 충격을 가하여, 기판 표면에 에칭 전처리를 수행할 수 있다. 상기 에칭 전처리는 기판 표면의 불순물을 제거하는 동시에 원자 표면 이동도를 강화할 수 있다. 따라서 기판 표면의 평탄도를 향상시키고 박막 기반 결합력을 증가시키며 접촉 저항 및 응력을 감소시키고 박막이 벗겨지는 현상을 방지할 수 있다. 선택적으로, 상기 제1 소정 범위는 500W 이상, 2500W 이하이다. 제1 소정 시간은 예를 들어 3초이다.In step 2, bias RF power in a first predetermined range is applied to the base. Through this, it is possible to perform etching pretreatment on the substrate surface by impacting the substrate surface material through charged particles. The etching pretreatment can remove impurities from the substrate surface and simultaneously enhance atomic surface mobility. Therefore, it can improve the flatness of the substrate surface, increase the thin film-based bonding force, reduce contact resistance and stress, and prevent the thin film from peeling off. Optionally, the first predetermined range is 500W or more and 2500W or less. The first predetermined time is, for example, 3 seconds.
기판 표면에 상기 전처리를 수행한 후(즉, 제1 소정 시간을 거침), 베이스에 바이어스 직류 전력 인가를 정지한다. 또한 타깃에 인가하는 직류 전력을 증가시킨다. 예를 들어 3000W까지 증가시킨다. 상기 직류 전력은 타깃에 음 전압을 형성할 수 있다. 이는 이온화된 제1 혼합 가스가 타깃에 충격을 가하는 것을 촉진시켜, 에칭 전처리를 거친 기판에 MoN 박막의 증착을 수행한다.After performing the above pretreatment on the substrate surface (i.e., passing through a first predetermined period of time), application of bias direct current power to the base is stopped. It also increases the direct current power applied to the target. For example, increase it to 3000W. The direct current power can form a negative voltage at the target. This promotes the impact of the ionized first mixed gas on the target, thereby performing deposition of the MoN thin film on the substrate that has undergone etching pretreatment.
일 실시예에 있어서, 상기 단계 3에서, 아르곤 가스의 유량 범위는 100sccm 이하, 바람직하게는 10sccm 이하이다. 크립톤 가스의 유량 범위는 50 sccm 크립톤 가스 이하, 바람직하게는 5sccm 이상, 30sccm 이하이다. 실제 적용에서, 아르곤 가스와 크립톤 가스 각각의 가스 경로에 대응하는 가스 유량계를 조절함으로써, 이들 둘의 유량을 각각 조절하여 아르곤 가스와 크립톤 가스 배합비를 합리적으로 설정할 수 있다. 본 실시예에서 아르곤 가스와 크립톤 가스 유량의 비율은 0.45 이하이다. 아르곤 가스와 크립톤 가스는 가스 혼합실에서 균일하게 충분히 혼합된 후 반응 챔버로 주입된다. 또한 반응 챔버의 공정 압력을 10mTorr 이상, 25mTorr 이하의 범위 내로 유지한다.In one embodiment, in step 3, the flow rate range of argon gas is 100 sccm or less, preferably 10 sccm or less. The flow rate range of the krypton gas is 50 sccm or less, preferably 5 sccm or more and 30 sccm or less. In actual application, by adjusting the gas flow meter corresponding to the gas path of each of the argon gas and the krypton gas, the flow rates of the two can be adjusted respectively to reasonably set the mixing ratio of the argon gas and the krypton gas. In this embodiment, the ratio of argon gas and krypton gas flow rates is 0.45 or less. Argon gas and krypton gas are sufficiently and uniformly mixed in the gas mixing chamber and then injected into the reaction chamber. Additionally, the process pressure of the reaction chamber is maintained within the range of 10 mTorr or more and 25 mTorr or less.
일 실시예에 있어서, 상기 단계 3은 하기 단계를 포함한다.In one embodiment, step 3 includes the following steps.
타깃에 제2 소정값보다 작은 직류 전력을 인가하여, 제2 혼합 가스를 글로우시켜 플라즈마를 형성한다.Direct current power smaller than the second predetermined value is applied to the target to glow the second mixed gas to form plasma.
베이스에 제3 소정값보다 작은 RF 전력을 인가하고 제2 소정 시간을 유지하여, MoN 박막에 에칭 처리를 수행한다. 제2 소정 시간 후, 타깃에 인가하는 직류 전력을 증가시켜, 플라즈마가 상기 타깃에 충격을 가하도록 하여, 금속 질화물 박막에 Mo 박막을 형성한다. 동시에 베이스에 제2 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하여, Mo 박막을 형성한다. 이와 동시에 Mo 박막을 에칭하여, Mo 박막의 치밀도를 향상시킨다.An RF power smaller than a third predetermined value is applied to the base and maintained for a second predetermined time to perform an etching process on the MoN thin film. After a second predetermined time, the direct current power applied to the target is increased to cause plasma to impact the target, thereby forming a Mo thin film on the metal nitride thin film. At the same time, bias RF power in a second predetermined range is applied to the base to form a Mo thin film. At the same time, the Mo thin film is etched to improve the density of the Mo thin film.
선택적으로, 상기 단계 3에서, 상기 제2 소정값은 800W일 수 있으며, 직류 전력은 예를 들어 500W이다.Alternatively, in step 3, the second predetermined value may be 800W, and the direct current power may be 500W, for example.
선택적으로, 상기 제3 소정값은 1200W이고, RF 전력은 예를 들어 850W이고, 상기 제2 소정 시간은 예를 들어 5초이다.Optionally, the third predetermined value is 1200 W, the RF power is eg 850 W, and the second predetermined time is eg 5 seconds.
MoN 박막을 에칭 처리하면, MoN 박막과 Mo 박막의 옴 접촉을 낮추고 계면 에너지를 낮춰 비교적 작은 추가 임피던스를 형성하는 데 도움이 된다. 따라서 저저항률 Mo 박막의 형성에 유리하다.Etching the MoN thin film helps to lower the ohmic contact between the MoN and Mo films and lower the interfacial energy, creating a relatively small additional impedance. Therefore, it is advantageous for the formation of a low resistivity Mo thin film.
선택적으로, 상기 단계 3에서, 상기 제2 소정 범위는 100W 이상, 500W 이하이며, 예를 들어 240W이다.Optionally, in step 3, the second predetermined range is 100W or more and 500W or less, for example, 240W.
선택적으로, 상기 단계 3에서, 타깃에 인가되는 직류 전력을 증가시키며, 예를 들어 1000W까지 증가시킨다.Optionally, in step 3 above, the direct current power applied to the target is increased, for example up to 1000W.
제2 소정 시간 이후, 타깃에 인가되는 직류 전력을 증가시키는 동시에 베이스에 제2 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가한다. 이를 통해 증착된 Mo 박막 표면에 일정한 충격을 가하여 Mo 박막 치밀도를 강화하고 고품질을 촉진하며 저저항률의 Mo 박막 증착을 구현할 수 있다. 여기에서 Mo 박막 에칭 속도는 Mo 박막 증착 속도보다 낮다.After a second predetermined time, the direct current power applied to the target is increased and bias RF power in a second predetermined range is applied to the base. Through this, by applying a certain impact to the surface of the deposited Mo thin film, it is possible to strengthen the density of the Mo thin film, promote high quality, and realize low resistivity Mo thin film deposition. Here, the Mo thin film etching rate is lower than the Mo thin film deposition rate.
선택적으로, Mo 박막의 두께는 150Å이상, 350Å이하이다. 박막 두께를 상기 범위 내로 제어함으로써, 더욱 조밀하고 더욱 순수한 저저항률의 Mo 박막을 획득하기가 용이하다.Optionally, the thickness of the Mo thin film is 150 Å or more and 350 Å or less. By controlling the thin film thickness within the above range, it is easy to obtain a denser and purer Mo thin film with low resistivity.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 실시예에서 획득한 Mo 박막 저항률과 종래 기술에서 획득한 Mo 박막 저항률의 비교도이다. 여기에서 Thickness는 Mo 박막의 두께이며, 단위는 Å이다. Resistivity는 Mo 박막의 저항률이며, 단위는 uΩ·cm이다. Mo 박막의 두께(Thickness)가 300Å인 조건 하에서, 종래 기술에서 획득된 Mo 박막 저항률은 13.2uΩ·cm이고, 본 실시예에서 획득된 Mo 박막 저항률은 10.1uΩ·cm이다. 본 실시예에서 획득된 Mo 박막 저항률은 종래 기술보다 15 내지 25% 낮다. 본 실시예에서 제공하는 금속 박막 제조 방법으로 수득한 Mo 박막은 DRAM 비트 라인에서의 응용 범위가 1xnm 기술 노드까지 확장될 것으로 기대된다. 17nm 노드 및 이하의 DRAM 분야에서, 본 실시예에서 제공하는 금속 박막 제조 방법으로 수득된 금속 박막은 비트 라인 및 게이트층의 금속 박막에 대한 저저항률 요건을 충족시킨다. 박막 성능의 안정성은 소자 수율을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 종래 기술에서의 어려움을 해결하는 데 여러 옵션을 제공할 수 있다.Referring to FIG. 2, FIG. 2 is a comparative diagram of the Mo thin film resistivity obtained in this example and the Mo thin film resistivity obtained in the prior art. Here, Thickness is the thickness of the Mo thin film, and the unit is Å. Resistivity is the resistivity of the Mo thin film, and the unit is uΩ·cm. Under the condition that the thickness of the Mo thin film is 300Å, the resistivity of the Mo thin film obtained in the prior art is 13.2uΩ·cm, and the resistivity of the Mo thin film obtained in this example is 10.1uΩ·cm. The resistivity of the Mo thin film obtained in this example is 15 to 25% lower than that of the prior art. The Mo thin film obtained by the metal thin film manufacturing method provided in this example is expected to have an application range in DRAM bit lines expanded to the 1xnm technology node. In the field of DRAM at the 17nm node and below, the metal thin film obtained by the metal thin film manufacturing method provided in this embodiment satisfies the low resistivity requirement for metal thin films of bit lines and gate layers. The stability of thin film performance can further improve device yield, providing several options for solving difficulties in the prior art.
도 3을 참조하면, 도 3은 본 실시예에 따른 저저항률 Mo 박막의 시트 저항 및 그 균일성의 개략도이다. 도시된 것은 12인치 기판의 시트 저항 49점의 측정 분포 결과이다. 도시된 시트 저항값(Rs)은 3.35Ω/sq이고, 시트 저항 균일성(1sigma;%)은 1.869%이다. 여기에서 알 수 있듯이, 본 실시예에서 제공하는 금속 박막 제조 방법으로 수득된 Mo 박막을 통해, 반도체 제조 공정에서 비트 라인 및 게이트 공정 균일성에 대한 요건을 충족시킬 수 있다.Referring to FIG. 3, FIG. 3 is a schematic diagram of the sheet resistance and uniformity of a low resistivity Mo thin film according to this embodiment. Shown is the measurement distribution result of 49 sheet resistance points of a 12-inch board. The shown sheet resistance value (Rs) is 3.35 Ω/sq, and the sheet resistance uniformity (1sigma;%) is 1.869%. As can be seen here, the requirements for bit line and gate process uniformity in the semiconductor manufacturing process can be met through the Mo thin film obtained by the metal thin film manufacturing method provided in this example.
도 4를 참조하면, 도 4는 본 실시예에서 제공하는 금속 박막 제조 방법으로 수득된 Mo 박막의 결정 XRD 패턴이다. XRD 결정 방향 피크는 2θ 
본 발명에서 제공하는 금속 박막 제조 방법은 몰리브덴(Mo) 박막의 제조 공정에 적합하다. 뿐만 아니라, PVD 마그네트론 스퍼터링 기술을 채택하여 금속 루테늄(Ru) 등의 선진 메모리 분야의 대체적 재료와 같은 저저항률의 금속 박막을 획득하는 데에도 적합하다.The metal thin film manufacturing method provided by the present invention is suitable for the manufacturing process of molybdenum (Mo) thin film. In addition, by adopting PVD magnetron sputtering technology, it is suitable for obtaining metal thin films with low resistivity, such as alternative materials in the advanced memory field such as metal ruthenium (Ru).
상기에서 본 발명의 다양한 실시예를 설명하였으며, 전술한 설명은 예시적인 것으로 한정적인 것이 아니며 개시된 각 실시예를 제한하지 않는다. 본 기술 분야의 당업자는 설명된 각 실시예의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 많은 수정 및 변형을 수행할 수 있음을 이해할 수 있다.Various embodiments of the present invention have been described above, and the foregoing description is illustrative and not limiting, and does not limit each disclosed embodiment. Those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations can be made without departing from the scope and spirit of each described embodiment.
Claims (10)
단계 1: 박막을 증착할 기판을 반응 챔버의 베이스에 넣는 단계;
단계 2: 상기 반응 챔버 내에 질소 가스 및 크립톤 가스가 포함된 제1 혼합 가스를 주입하고, 타깃에 직류 전력을 인가하고, 상기 제1 혼합 가스가 플라즈마를 형성하도록 하고 상기 타깃에 충격을 가하여, 상기 기판에 금속 질화물 박막을 형성하는 단계; 및
단계 3: 상기 반응 챔버 내에 상기 제1 혼합 가스의 주입을 중지하고, 상기 반응 챔버 내에 아르곤 가스와 크립톤 가스가 포함된 제2 혼합 가스를 주입하고, 상기 타깃에 직류 전력을 인가하고, 상기 베이스에 바이어스 RF 전력을 인가하며, 상기 직류 전력을 인가하여 상기 제2 혼합 가스가 플라즈마를 형성하고 상기 타깃에 충격을 가하여, 상기 금속 질화물 박막에 금속 박막을 형성하도록 할 수 있고, 상기 RF 전력을 인가하여 상기 플라즈마가 상기 금속 박막의 표면에 충격을 가하여, 상기 금속 박막의 치밀도를 향상시키도록 할 수 있는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.In a physical vapor deposition method for producing a metal thin film,
Step 1: Putting a substrate on which to deposit a thin film into the base of the reaction chamber;
Step 2: Injecting a first mixed gas containing nitrogen gas and krypton gas into the reaction chamber, applying direct current power to the target, causing the first mixed gas to form plasma and applying shock to the target, Forming a metal nitride thin film on a substrate; and
Step 3: Stop the injection of the first mixed gas into the reaction chamber, inject a second mixed gas containing argon gas and krypton gas into the reaction chamber, apply direct current power to the target, and apply direct current power to the base. Bias RF power may be applied, and the direct current power may be applied to cause the second mixed gas to form plasma and impact the target to form a metal thin film on the metal nitride thin film. By applying the RF power, Characterized in that it includes the step of allowing the plasma to impact the surface of the metal thin film to improve the density of the metal thin film.
상기 단계 2는 상기 베이스에 제1 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하고, 제1 소정 시간 동안 유지하여, 상기 기판의 표면에 에칭 전처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
The step 2 further includes applying bias RF power in a first predetermined range to the base and maintaining it for a first predetermined time to perform etching pretreatment on the surface of the substrate.
상기 단계 2는,
상기 반응 챔버 내에 상기 제1 혼합 가스를 주입하고, 상기 타깃에 제1 소정값보다 작은 직류 전력을 인가하여, 상기 제1 혼합 가스가 글로우되어 플라즈마를 생성하도록 하고, 상기 베이스에 상기 제1 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하고 상기 제1 소정 시간 동안 유지하여, 상기 베이스의 표면에 에칭 전처리를 수행하는 단계; 및
상기 기판의 표면에 에칭 전처리를 수행한 후, 상기 타깃에 인가하는 직류 전력을 증가시켜, 상기 플라즈마가 상기 타깃에 충격을 가하도록 하여, 에칭 전처리된 상기 기판에 상기 금속 질화물 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 2,
In step 2,
The first mixed gas is injected into the reaction chamber, a direct current power smaller than a first predetermined value is applied to the target, so that the first mixed gas glows to generate plasma, and the base is placed within the first predetermined range. performing etching pretreatment on the surface of the base by applying bias RF power and maintaining it for the first predetermined time; and
After performing an etching pretreatment on the surface of the substrate, increasing the direct current power applied to the target to cause the plasma to impact the target, thereby forming the metal nitride thin film on the etching pretreated substrate. A method comprising:
상기 단계 3은,
상기 타깃에 제2 소정값보다 작은 직류 전력을 인가하여, 상기 제2 혼합 가스를 글로우시켜 플라즈마를 형성하는 단계; 및
상기 베이스에 제3 소정값보다 작은 RF 전력을 인가하고 제2 소정 시간을 유지하여, 상기 금속 질화물 박막에 에칭 처리를 수행하고, 상기 제2 소정 시간 후, 타깃에 인가하는 직류 전력을 증가시켜, 상기 플라즈마가 상기 타깃에 충격을 가하도록 하여, 상기 금속 질화물 박막에 상기 금속 박막을 형성하며, 동시에 상기 베이스에 제2 소정 범위의 바이어스 RF 전력을 인가하여, 상기 금속 박막을 형성하는 동시에 상기 금속 박막을 에칭하여, 상기 금속 박막의 치밀도를 향상시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
Step 3 is:
applying direct current power smaller than a second predetermined value to the target to glow the second mixed gas to form plasma; and
RF power smaller than a third predetermined value is applied to the base and maintained for a second predetermined time to perform an etching process on the metal nitride thin film, and after the second predetermined time, the direct current power applied to the target is increased, The plasma impacts the target to form the metal thin film on the metal nitride thin film, and at the same time, a bias RF power in a second predetermined range is applied to the base to form the metal thin film. A method comprising the step of improving the density of the metal thin film by etching.
상기 단계 3에서, 상기 아르곤 가스의 유량은 100sccm 이하이고, 상기 크립톤 가스의 유량은 50sccm 이하인 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
In step 3, the flow rate of the argon gas is 100 sccm or less, and the flow rate of the krypton gas is 50 sccm or less.
상기 단계 3에서, 상기 아르곤 가스와 상기 크립톤의 가스의 유량 비율이 0.45 이하인 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
In step 3, the flow rate ratio of the argon gas and the krypton gas is 0.45 or less.
상기 단계 2에서, 상기 크립톤 가스와 상기 질소 가스의 유량 비율이 0.15 이상인 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
In step 2, the flow rate ratio of the krypton gas and the nitrogen gas is 0.15 or more.
상기 단계 2에서, 상기 크립톤 가스의 유량은 50sccm 이하이고, 상기 아르곤 가스의 유량은 200sccm 이하인 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
In step 2, the flow rate of the krypton gas is 50 sccm or less, and the flow rate of the argon gas is 200 sccm or less.
상기 단계 2 및/또는 상기 단계 3에 있어서, 상기 타깃에 인가된 직류 전력이 20000W 이하인 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
In step 2 and/or step 3, the method is characterized in that the direct current power applied to the target is 20000 W or less.
상기 단계 1의 공정 조건은, 상기 반응 챔버의 진공도가 5Х10-6Torr 미만이고, 상기 베이스의 온도가 250℃이상, 350℃이하인 것을 특징으로 하는, 방법.According to paragraph 1,
The process conditions of step 1 are characterized in that the vacuum degree of the reaction chamber is less than 5Х10 -6 Torr and the temperature of the base is 250°C or more and 350°C or less.
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