본 연구에서는 Cu의 방지막으로 기존의ALD법과 수소 플라즈마를 응용한 ALD법을 이용하여 우수한 도포성을 가진TaN 박막을 증착했고, 플라즈마 처리시간 및 플라즈마 파워에 대한 증착된 박막의 비저항 감소에 따른 원인에 대해 고찰한다. 기판 온도 260°C, 공정 압력 1torr 에서 TBTDET는 ...
본 연구에서는 Cu의 방지막으로 기존의ALD법과 수소 플라즈마를 응용한 ALD법을 이용하여 우수한 도포성을 가진TaN 박막을 증착했고, 플라즈마 처리시간 및 플라즈마 파워에 대한 증착된 박막의 비저항 감소에 따른 원인에 대해 고찰한다. 기판 온도 260°C, 공정 압력 1torr 에서 TBTDET는 시분할 주입, $NH_3$를 10초로 고정하여 TaN 박막을 ALD 법으로 성장을 확인했다. 한 cycle 당 증착되는 박막두께는 충분한 반응가스 주입시에 1.1Å/cycle, 0.25ML/cycle이었다. 하지만 저온 공정으로 인한 porous한 박막은 공기 중에 노출되는 즉시 산소가 바로 박막 내 침투 했으며, 높은 비저항 값을 가졌다. 박막의 밀도는 3.6g/$cm^3$ 으로 TaN bulk 의 밀도가 16.3g/$cm^3$ 과 비교해보면 훨씬 낮음을 알 수 있다. 박막 내 탄소의 함량은 10%정도였다. 따라서 저온 공정의 ALD를 보완하기 위해서 수소 플라즈마를 공정에 응용하게 되었다. 수소 플라즈마는 크게 두가지 방법으로 응용되었다. 표면에 흡착된TBTDET소스를 수소 플라즈마로 직접 분해하는 것을 반복하는 방법(PEALD)과, 표면에 흡착된 TBTDET소스를 $NH_3$로 반응시켜 TaN 박막을 만든 후 표면을 수소 플라즈마 처리를 하는 것을 반복하는 방법이다. $NH_3$ 대신 수소 플라즈마를 사용하여TaN 박막을 증착한 경우 한 cycle당 증착되는 박막의 두께는 0.76Å/cycle으로 ALD 법보다 낮은 값을 가졌다. 두께 감소 원인은 박막의 밀도 증가와 수소 플라즈마 처리 후 생성된 박막은 TBTDET vapor의 더 낮은 흡착률로 인해서로 생각된다. 박막의 밀도는 7.9g/$cm^3$으로 기존의 ALD법으로 증착된 박막보다 2배 이상의 높은 밀도를 보임을 알 수 있었고, 공기 노출 후 면저항 증가가 없음으로 aging 효과가 없음을 알 수 있었다. 0.3㎛, aspect ratio 10의 contact hole에서 step coverage특성을 관찰한 결과, 100%의 우수한 bottom 및 side-wall coverage 특성을 보여줌으로써 수소 라디칼이 bottom까지 충분히 도달함을 알 수 있었다. TBTDET pulse를 2초로 고정하고, 플라즈마 처리시간을 5초에서 30초로 변화시키면서 실험을 한 결과 기존의 ALD의 반응기체의 포화곡선과는 다른 형태를 보였다. 즉, 박막의 두께가 수소 플라즈마 처리시간이10초에서 최고치를 가지면서 포화되는 것처럼 보였지만 시간이 더 지나감에 따라서는 박막의 densification으로 보이는 두께 감소가 있었고, 5초에서는 TBTDET가 충분히 분해 되지 않음에 따라 박막의 두께감소가 있었다. 비저항은 5초일 때 1700$\mu \Omega$ cm에서 30초일 때 400$\mu \Omega$ cm으로 현저하게 감소함을 확인했다. 박막의 처리시간에 따라 박막의 치밀화와 박막 내 탄탈륨양이 많아짐에 따라 비저항 감소로 생각된다. 플라즈마 처리 시간을 10초로 고정하고, 플라즈마 파워를 50W에서 150W으로 증가시키면서 증착시킨 박막의 결정성은 75W까지 증가를 했지만 100W부터는 결정성이 오히려 감소하는 경향을 보였다. 100W 미만의 플라즈마 파워에서는 두께 감소가 보였는데 이는 10초 동안에 충분한 수의 라디칼과 이온의 공급이 되지 않으므로 인한 요인으로 보이고 10초 이후의 두께 감소는 TBTDET의 분해가 끝난 후의 densification의 영향으로 보인다. 100W파워까지는 파워가 증가함에 따라 결정성이 증가하는 것으로 보이지만, 그 이상의 파워에서는 박막 내의 결함을 유도하여 오히려 결정성이 나빠짐을 알 수 있었다. 그리고 파워에 따라서 XRD의 peak 가 낮은 각도쪽으로 이동하는 현상을 볼 수 있었다. 파워가 50W에서 150W로 증가함에 따라 박막내 원소의 조성비를 보면 탄소의 양이 16%에서 35%까지 증가하고, 그에 따른 질소값이 줄어드는 경향을 보였고 이 탄소는 XPS로 TaC로 결합하고 있음을 확인 했다. Bulk TaC의 비저항이~30mW-cm이고, (111) 피크의 위치가 34.1°로 TaN의 ~200 $\mu \Omega$ cm, 35.8°에 비해 낮은 비저항과 낮은 2q값을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서 플라즈마 파워에 따른 TaC의 증가로 인한 비저항의 급속한 감소(4500$\mu \Omega$ cm에서 500$\mu \Omega$ cm)와 XRD peak 이동현상을 설명할 수 있을 것이다. TBTDET를 수소 플라즈마를 이용해서 직접 분해한 PEALD법으로 만든 TaN은 TaC가 포함됨을 확인하고, carbon을 줄이기 위해서 TBTDET 소스를 NH3와 반응 시킨 후 수소 플라즈마를 이용하여 남은 carbon impurity제거와 표면에 화학적 흡착되어 있는 원자들에게 mobility를 증가 시켜서 박막의 치밀화를 유도하였다. 수소 플라즈마 처리함에 따라 10%의 carbon이 2%로 줄었다. 그리고 플라즈마 파워에 따라 거의 일정한 조성비를 가지고 피크의 이동현상은 없었다. 플라즈마 처리 시간에 따라서 역시 일정한 조성비를 가지면서 결정성 증가를 보였다. 플라즈마 파워를 100W로 했을 때 TBTDET 주입시간을 2초, $NH_3$는 10초, 수소 플라즈마 처리 시간을 30s로 했을 때 4000 $\mu \Omega$ cm 의 박막을 얻었다. 수소 플라즈마를 이용한 ALD는 기존의 ALD의 특징, 우수한 step coverage (bottom and side-wall coverage), conformality, 입자발생억제, 두께의 정밀한 제어 및 균일도와 재현성의 향상, 공정온도의 저온화을 가지면서 공정온도의 저온화로 인한 porous한 박막의 물성을 향상시킬 수 있으므로 앞으로의 반도체 공정에서 적극적인 응용이 기대되는 새로운 박막 증착 방법이 될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 Cu의 방지막으로 기존의ALD법과 수소 플라즈마를 응용한 ALD법을 이용하여 우수한 도포성을 가진TaN 박막을 증착했고, 플라즈마 처리시간 및 플라즈마 파워에 대한 증착된 박막의 비저항 감소에 따른 원인에 대해 고찰한다. 기판 온도 260°C, 공정 압력 1torr 에서 TBTDET는 시분할 주입, $NH_3$를 10초로 고정하여 TaN 박막을 ALD 법으로 성장을 확인했다. 한 cycle 당 증착되는 박막두께는 충분한 반응가스 주입시에 1.1Å/cycle, 0.25ML/cycle이었다. 하지만 저온 공정으로 인한 porous한 박막은 공기 중에 노출되는 즉시 산소가 바로 박막 내 침투 했으며, 높은 비저항 값을 가졌다. 박막의 밀도는 3.6g/$cm^3$ 으로 TaN bulk 의 밀도가 16.3g/$cm^3$ 과 비교해보면 훨씬 낮음을 알 수 있다. 박막 내 탄소의 함량은 10%정도였다. 따라서 저온 공정의 ALD를 보완하기 위해서 수소 플라즈마를 공정에 응용하게 되었다. 수소 플라즈마는 크게 두가지 방법으로 응용되었다. 표면에 흡착된TBTDET소스를 수소 플라즈마로 직접 분해하는 것을 반복하는 방법(PEALD)과, 표면에 흡착된 TBTDET소스를 $NH_3$로 반응시켜 TaN 박막을 만든 후 표면을 수소 플라즈마 처리를 하는 것을 반복하는 방법이다. $NH_3$ 대신 수소 플라즈마를 사용하여TaN 박막을 증착한 경우 한 cycle당 증착되는 박막의 두께는 0.76Å/cycle으로 ALD 법보다 낮은 값을 가졌다. 두께 감소 원인은 박막의 밀도 증가와 수소 플라즈마 처리 후 생성된 박막은 TBTDET vapor의 더 낮은 흡착률로 인해서로 생각된다. 박막의 밀도는 7.9g/$cm^3$으로 기존의 ALD법으로 증착된 박막보다 2배 이상의 높은 밀도를 보임을 알 수 있었고, 공기 노출 후 면저항 증가가 없음으로 aging 효과가 없음을 알 수 있었다. 0.3㎛, aspect ratio 10의 contact hole에서 step coverage특성을 관찰한 결과, 100%의 우수한 bottom 및 side-wall coverage 특성을 보여줌으로써 수소 라디칼이 bottom까지 충분히 도달함을 알 수 있었다. TBTDET pulse를 2초로 고정하고, 플라즈마 처리시간을 5초에서 30초로 변화시키면서 실험을 한 결과 기존의 ALD의 반응기체의 포화곡선과는 다른 형태를 보였다. 즉, 박막의 두께가 수소 플라즈마 처리시간이10초에서 최고치를 가지면서 포화되는 것처럼 보였지만 시간이 더 지나감에 따라서는 박막의 densification으로 보이는 두께 감소가 있었고, 5초에서는 TBTDET가 충분히 분해 되지 않음에 따라 박막의 두께감소가 있었다. 비저항은 5초일 때 1700$\mu \Omega$ cm에서 30초일 때 400$\mu \Omega$ cm으로 현저하게 감소함을 확인했다. 박막의 처리시간에 따라 박막의 치밀화와 박막 내 탄탈륨양이 많아짐에 따라 비저항 감소로 생각된다. 플라즈마 처리 시간을 10초로 고정하고, 플라즈마 파워를 50W에서 150W으로 증가시키면서 증착시킨 박막의 결정성은 75W까지 증가를 했지만 100W부터는 결정성이 오히려 감소하는 경향을 보였다. 100W 미만의 플라즈마 파워에서는 두께 감소가 보였는데 이는 10초 동안에 충분한 수의 라디칼과 이온의 공급이 되지 않으므로 인한 요인으로 보이고 10초 이후의 두께 감소는 TBTDET의 분해가 끝난 후의 densification의 영향으로 보인다. 100W파워까지는 파워가 증가함에 따라 결정성이 증가하는 것으로 보이지만, 그 이상의 파워에서는 박막 내의 결함을 유도하여 오히려 결정성이 나빠짐을 알 수 있었다. 그리고 파워에 따라서 XRD의 peak 가 낮은 각도쪽으로 이동하는 현상을 볼 수 있었다. 파워가 50W에서 150W로 증가함에 따라 박막내 원소의 조성비를 보면 탄소의 양이 16%에서 35%까지 증가하고, 그에 따른 질소값이 줄어드는 경향을 보였고 이 탄소는 XPS로 TaC로 결합하고 있음을 확인 했다. Bulk TaC의 비저항이~30mW-cm이고, (111) 피크의 위치가 34.1°로 TaN의 ~200 $\mu \Omega$ cm, 35.8°에 비해 낮은 비저항과 낮은 2q값을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서 플라즈마 파워에 따른 TaC의 증가로 인한 비저항의 급속한 감소(4500$\mu \Omega$ cm에서 500$\mu \Omega$ cm)와 XRD peak 이동현상을 설명할 수 있을 것이다. TBTDET를 수소 플라즈마를 이용해서 직접 분해한 PEALD법으로 만든 TaN은 TaC가 포함됨을 확인하고, carbon을 줄이기 위해서 TBTDET 소스를 NH3와 반응 시킨 후 수소 플라즈마를 이용하여 남은 carbon impurity제거와 표면에 화학적 흡착되어 있는 원자들에게 mobility를 증가 시켜서 박막의 치밀화를 유도하였다. 수소 플라즈마 처리함에 따라 10%의 carbon이 2%로 줄었다. 그리고 플라즈마 파워에 따라 거의 일정한 조성비를 가지고 피크의 이동현상은 없었다. 플라즈마 처리 시간에 따라서 역시 일정한 조성비를 가지면서 결정성 증가를 보였다. 플라즈마 파워를 100W로 했을 때 TBTDET 주입시간을 2초, $NH_3$는 10초, 수소 플라즈마 처리 시간을 30s로 했을 때 4000 $\mu \Omega$ cm 의 박막을 얻었다. 수소 플라즈마를 이용한 ALD는 기존의 ALD의 특징, 우수한 step coverage (bottom and side-wall coverage), conformality, 입자발생억제, 두께의 정밀한 제어 및 균일도와 재현성의 향상, 공정온도의 저온화을 가지면서 공정온도의 저온화로 인한 porous한 박막의 물성을 향상시킬 수 있으므로 앞으로의 반도체 공정에서 적극적인 응용이 기대되는 새로운 박막 증착 방법이 될 수 있을 것이다.
Atomic layer deposition (ALD) has received considerable interest in depositing thin films because of its digital controllability for film thickness. Moreover, the films grown by ALD have shown superb step coverage due to the surface limited reaction. However, in spite of its outstanding benefits, du...
Atomic layer deposition (ALD) has received considerable interest in depositing thin films because of its digital controllability for film thickness. Moreover, the films grown by ALD have shown superb step coverage due to the surface limited reaction. However, in spite of its outstanding benefits, due to lower deposition temperatures of ALD, the refractory metal nitrides formed by ALD using metal organic precursors are usually sparse and have amorphous structures which induce the poor qualities of thin films. In this work, the characteristics of TaN films deposited by conventional atomic layer deposition (ALD) and its application using hydrogen plasma have been examined. TaN films were deposited on $SiO_2$ at 260°C and the pressure of 1torr. In the case of conventional ALD, TaN films were deposited by alternate supply of TBTDET and NH3 as reactant gases. The deposition thickness per cycle of the films saturated at around 1.1Å/cycle with sufficient pulse times of reactant gases. The films contained rather high amount of carbon impurity of above 10 at. % and their resistivity was very high. Accordingly, the new ALD technique by using plasma was developed. TaN films were deposited by plasma enhanced atomic layer deposition using hydrogen radicals as a reducing agent instead of $NH_3$. The deposition thickness per cycle of the films saturated at around 0.78Å/cycle with sufficient pulse times of reactant gases. The TaN films have an excellent resistivity with about 400$\mu \Omega$ cm, the lower resistivity than ever reported that in TaN CVD. In addition, they show no aging effect after a long period of exposure to air and perfect film step coverage on holes with an aspect ratio of 10:1. As the plasma pulse time increases, the crystallinity of the films increases, the carbon contents decreases. However, carbon content in the films increases from 16% to 35% with the increases of the plasma power from 50W to 100W. Carbon atoms exist as the constituent of TaC. In order to decrease high carbon content, TaN films were deposited by plasma treatment after respective cycles of ALD. TaN films which were deposited with sufficient plasma power and pulse times of all reactant gases, have also much lower resistivity of about 4000$\mu \Omega$ cm than those in case of ALD. Carbon content was revealed much lower value of below 2~3 at% than above 10 at. % in case of ALD. Hydrogen plasma removed the residue of carbon, which was left on surface after the reaction of TBTDET vapor gases and $NH_3$ gases. This newly developed ALD technology using plasma expands the potential usefulness of ALD, which has been very limited in microelectronic applications, in spite of its outstanding benefits in atomic-level thickness control and inherent capability of conformal deposition on severe surface topographies.
Atomic layer deposition (ALD) has received considerable interest in depositing thin films because of its digital controllability for film thickness. Moreover, the films grown by ALD have shown superb step coverage due to the surface limited reaction. However, in spite of its outstanding benefits, due to lower deposition temperatures of ALD, the refractory metal nitrides formed by ALD using metal organic precursors are usually sparse and have amorphous structures which induce the poor qualities of thin films. In this work, the characteristics of TaN films deposited by conventional atomic layer deposition (ALD) and its application using hydrogen plasma have been examined. TaN films were deposited on $SiO_2$ at 260°C and the pressure of 1torr. In the case of conventional ALD, TaN films were deposited by alternate supply of TBTDET and NH3 as reactant gases. The deposition thickness per cycle of the films saturated at around 1.1Å/cycle with sufficient pulse times of reactant gases. The films contained rather high amount of carbon impurity of above 10 at. % and their resistivity was very high. Accordingly, the new ALD technique by using plasma was developed. TaN films were deposited by plasma enhanced atomic layer deposition using hydrogen radicals as a reducing agent instead of $NH_3$. The deposition thickness per cycle of the films saturated at around 0.78Å/cycle with sufficient pulse times of reactant gases. The TaN films have an excellent resistivity with about 400$\mu \Omega$ cm, the lower resistivity than ever reported that in TaN CVD. In addition, they show no aging effect after a long period of exposure to air and perfect film step coverage on holes with an aspect ratio of 10:1. As the plasma pulse time increases, the crystallinity of the films increases, the carbon contents decreases. However, carbon content in the films increases from 16% to 35% with the increases of the plasma power from 50W to 100W. Carbon atoms exist as the constituent of TaC. In order to decrease high carbon content, TaN films were deposited by plasma treatment after respective cycles of ALD. TaN films which were deposited with sufficient plasma power and pulse times of all reactant gases, have also much lower resistivity of about 4000$\mu \Omega$ cm than those in case of ALD. Carbon content was revealed much lower value of below 2~3 at% than above 10 at. % in case of ALD. Hydrogen plasma removed the residue of carbon, which was left on surface after the reaction of TBTDET vapor gases and $NH_3$ gases. This newly developed ALD technology using plasma expands the potential usefulness of ALD, which has been very limited in microelectronic applications, in spite of its outstanding benefits in atomic-level thickness control and inherent capability of conformal deposition on severe surface topographies.
주제어
#TaN Atomic layer deposited Hydrogen plasma plasma power plasma pulse time 탄탈륨 나이트라이드 원자층 단위 증착 수소 플라즈마 플라즈마 파워 플라즈마 처리 시간
학위논문 정보
저자
Lee, Min-Jung
학위수여기관
한국과학기술원
학위구분
국내석사
학과
재료공학과
지도교수
강상원,Kang, Sang-Won
발행연도
2001
총페이지
ix, 89 p.
키워드
TaN Atomic layer deposited Hydrogen plasma plasma power plasma pulse time 탄탈륨 나이트라이드 원자층 단위 증착 수소 플라즈마 플라즈마 파워 플라즈마 처리 시간
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