The resistivity of plasma enhanced chemical vapor deposited tungsten thin films (PECVD-W) which has been known to be 50 ~ 100 μΩ-cm can be reduced to 10 ~ 11 μΩ-cm.
The theoretical and experimental comparisons of deposition kinetics between LPCVD-W and PECVD-W are studied. The deposition rates of LPCVD-W calculated by the rate equation $(R = 4.08 \times 10^7exp(-0.73/kT)[H_2]^{1/2}$[nm/Torr.minl]) and obtained by experiment are both proportional to square root of $H_2$ partial pressure, while the deposition rate of PECVD-W shows no distinguishable relation with the $H_2$ partial pressure.
The difference between the hot plate temperature and the wafer temperature leads quite erroneous result to the control of real deposition temperature, because the wafer temperature is lower than the hot plate temperature at the low pressure of sub-Torr. Therefore, in this work, the deposition temperature is determined by the thermocouple inserted into a cavity formed in the monitoring Si wafer. The optimum deposition temperature for producing the low resisitive PECVD-W films is 300~400℃.
The fragmentation process of $WF_6-H_2$ reactant system is explained by using the optical emission actinometry, and it is found that the relative concentration of F atoms is increased when the $H_2/WF_6$ partial pressure ratio is decreased. Corresponding the results of x-ray diffraction, TEM, and AES measurements with the deposition parameters, it can be concluded that the low resistivity of PECVD-W films is attributed to the growth of not porous but dense grains, and (110) and (200) preferentially oriented bcc structure grains when F atoms are effectively removed by the increase of the $H_2/WF_6$ partial pressure ratio or by the addition of $SiH_4$ at the deposition temperatures of 300~400℃. However, when the $H_2/WF_6$ is lower than 10, or the deposition temperature is higher than 450℃, the resistivity of PECVD-W is increased due to β-phase W grains produced by the incorporation of silicon or oxygen with W film, because the F atoms might severely react with Si substrate and native oxide.
A new method is suggested to improve the encroachment, $SiO_2$-etching, and poor adhesion which have been known as the main disadvantages of W thin films. It is clearly demonstrated that the nitrogen atoms (atomic % of N/W is 0.56~0.57) in the PECVD-W suppress the encroachment, $SiO_2$-etching and enhance the adhesion strength from 1~3 N to 12~14 N when the LPCVD and PECVD-W films are deposited after the pre-deposition of $W_2N$ thin films.
The effects of $SiH_4$ addition to the $H_2/WF_6$ partial pressure ratio of 25 are studied. When the $SiH_4/WF_6$ partial pressure ratios are varied from 0.5 to 1.5, and the deposition temperature is 300~350℃, pure W films can be obtained and the resistivity is about 10~12 μΩ-cm. However, when the $SiH_4/WF_6$ partial pressure ratio is 2.0, and the deposition temperature is higher than 450℃, the resistivity of PECVD-W is abruptly increased because tungsten silicide is formed due to the incorporation of Si.
50~100 μΩ-cm의 높은 비저항을 갖는 것으로 알려져 있는 플라즈마 화학증착된 텅스텐박막의 비저항을 10~11 μΩ-cm으로 낮추 수 있었다.
저저항 텅스텐박막을 얻을 수 있는 플라즈마 화학증착법 과 종래의 저압 화학증착법에 대하여 증착반응기구에 관한 이론 및 실험적인 비교연구를 수행하였다. 저압화학증착된 텅스텐 박막의 성장에 따른 활성화 에너지는 0.73 eV이며 증착수율은 수소분압의 제곱근에 비례하여 증가하는 관계식을 얻을 수 있었다. 플라즈마 화학증착된 텅스텐박막의 활성화 에너지는 0.34 eV이며 증착수율은 저압화학 증착법에 의한 텅스텐박막의 증착수율에 비해 약 2-3배 이상 높았으나 수소분압에 대한 일정한 관계식을 발견할 수 없었다. 그 이유는 플라즈마 화학증착법의 경우 반응기체가 기상상태에서 분해되어 증착 반응에 기여함으로써 저압화학 증착법에서와 같이 표면 열분해 반응에 의한 반응기구 제어식을 성립시킬 수 없기 때문이다.
증착압력이 낮아질 수록 실제 실리콘기판에서의 온도는 가열판의 온도보다 훨씬 낮아지므로 열전대를 실리콘기판에 직접 접촉시켜 실제 실리콘기판 상의 증착온도를 제어하는 방법을 사용하여 텅스텐박막을 증착시켰다. 그 결과, 최적 증착온도, 300~400℃에서 10~11 μΩ-cm의 매우 낮은 비저항을 얻을 수 있었다.
플라즈마 분광분석실험으로 $WF_6-H_2$ 반응계의 기체방전 과정을 해석하였으며, $H_2/WF_6$분압비가 10이하로 감소함에 따라 F 원자의 농도가 상대적으로 증가하는 것을 발견하였다. X선 회절, 투과전자 현미경 및 Auger 전자분광 분석실험등을 통하여 플라즈마 화학증착된 텅스텐박막의 특성을 조사하였다. 그 결과, 최적증착온도 범위에서 $H_2/WF_6$ 분압비가 15이상으로 증가할 경우 체심 입방정계의 구조를 가진 기공이 적은 결정립 성장이 가능해지며 낮은 비저항을 가질 수 있음을 규명하였다. 그러나 $H_2/WF_6$의 분압비가 10이하 이거나 450℃ 이상의 증착온도에서는 F원자들이 실리콘기판 혹은 산화막과 반응하여 실리콘이나 산소 등의 불순물이 텅스텐박막속에 게재됨으로써 β-phase의 텅스텐 결정이 형성되고, 따라서 텅스텐박막의 비저항이 증가되었다.
텅스텐박막의 가장 큰단점인 실리콘 및 산화막 침식문제와 접착강도의 불량을 개선 하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 질소원자(질소/텅스텐 원자분율비: 0.56~0.57)를 함유한 플라즈마 화학증착된 텅스텐박막을 먼저 증착시킨 후 저압 혹은 플라즈마화학증착 텅스텐박막을 증착시킬 때 실리콘 및 산화막 침식문제를 해결할 수 있으며, 접착강도는 1~3 N에서 12~14 N로 현격히 개선되었다.
텅스텐박막을 증착시킬때 $SiH_4$을 $WF_6/H_2$반응계에 첨가시킨 효과를 조사하였다. $SiH_4/WF_6$ 분압비가 0.5~1.5이고 증착온도가 300~350℃일 때 순수한 텅스텐박막을 얻을 수 있었고 비저항은 10~12 μΩ-cm이었다. 그러나 $SiH_4/WF_6$분압비가 2.0이상이거나 증착온도가 450℃이상일 경우 Si불순물의 생성에 따라 비저항이 급속히 증가하였다.
