KR100528030B1

KR100528030B1 - 박막 증착 방법

Info

Publication number: KR100528030B1
Application number: KR10-2003-0100110A
Authority: KR
Inventors: 박영훈; 이상규; 서태욱; 장호승
Original assignee: 주식회사 아이피에스
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2005-11-15
Also published as: KR20050068555A

Abstract

본 발명은 저온에서 증착 가능하면서도 W막의 응력에 의한 스트레스가 높지 않고 막내 불소 불순물이 최소화 될 수 있는 박막 증착 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 박막 증착 방법은 진공으로 유지되는 반응공간을 제공하는 챔버, 챔버의 밀봉을 유지하는 탑리드 및 탑리드에 부착된 샤워헤드, 적어도 하나이상의 기판이 안착되는 웨이퍼 블록과 반응가스 제어 및 이송장치를 연결하여 주는 적어도 하나 이상의 반응가스 이송라인들과 반응가스의 온도를 높이는 고온 가열 유로 구간을 포함하는 박막 증착 장치의 박막 증착 방법에 있어서, (a)상기 웨이퍼 블록 상에 기판을 로딩 하는 단계; (b)상기 기판 로딩 후 상기 기판 상에 텅스텐(W)원소를 포함한 제1 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제1 유량의 제2 반응가스를 상기 기판 상에 분사하는 단계; (c)상기 텅스텐(W)의 핵 형성단계 이후 상기 기판 상에 텅스텐(W) 원소를 포함한 제2 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제2 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하는 단계; 및 (d)상기 (c)단계 이후 H 원소를 포함한 열처리 가스를 흘려 박막 내에 포함된 불순물의 함유량을 줄이는 후처리 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

박막 증착 방법{A method of plating a thin film}

본 발명은 화학반응에 기초한 박막 증착 방법에 관한 것으로, 특히 텅스텐(W) 및 텅스텐 나이트라이드(W×N) 박막 증착 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적으로 사용되고 있는 박막증착방법이 구현되는 박막증착장치의 실시예를 도시한 것이다.

기존의 박막 증착 장치에서 고온 가열유로 구간(20)이 제2 반응가스 이송라인이 장착되어 있는 형태이며 그 목적은 기판온도를 더 높이지 않고도 박막내 불순물 농도를 낮추거나 더 나아가 충분한 마진을 가지고 기판온도를 낮출 수 있게 하기 위해서다.

일반적으로 CVD나 ALD기법에서 박막내 불순물 순도를 낮추는 데 용이한 방법은 웨이퍼 블록, 즉 스테이지 히터의 온도를 높이는 것이다.

그러나 이 방법은 반도체 소자업계에서 추진하고 있는 회로선폭의 초미세화 추세에 비추어 바람직한 방향이 아니다.

따라서 반도체 업계에서 이를 보안하기 위하여 텅스텐(W)을 이용하여 왔다. 텅스텐(W)은 우수한 도전성으로 인하여 주로 집적회로 형성시 콘택 공정에 있어서 텅스텐(W) 플러그(Plug)로 사용되거나 트랜지스터의 게이트 전극으로 사용된다.

한편, W×N박막은 우수한 도전체이면서도 확산베리어 능력이 뛰어나기 때문에 W게이트 전극 하부에 증착되어 W의 확산 베리어나 Cu의 배리어 층으로 사용될 수 있다. 예를 들어 W×N배리어 층은 하부의 실리콘이 텅스텐 내부로 확산하여 원치 않는 WSix(텅스텐 실리사이드)의 형성을 막는 역할을 한다.

통상업계에서 알려진 바로는 반응가스로 사용되는 WF6를 사용하여 W를 포함하는 금속박막을 증착할 경우 박막 증착 완료 후 상기 기판 상에 H2를 분사하여 막내의 F원소의 함량을 줄이게 된다. 이때 기판을 고온으로 하거나 기판상에 플라즈마를 형성시킴과 동시에 상기 후처리 과정이 진행되면 더욱 효과적이다.

현재 회로선폭의 초미세화 추세와 더불어 박막 증착 온도는 더욱 저온이 요구되는 반면에 통상 W막은 400도 이상의 고온에서 행하여져 왔다. 그 이유는 저온에서 증착된 W 박막은 응력이 높아져 막의 스트레스가 높고 웨이퍼 휨 현상에 기인하여 후속 공정 중에서 포토 공정 등에 좋지 않은 영향을 줄 수 있기 때문이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저온에서 증착하면서도 텅스텐(W)막의 응력에 의한 스트레스가 높지 않고 막내 불소 불순물이 최소화 될 수 있는 박막증착방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 박막 증착 방법은 진공으로 유지되는 반응공간을 제공하는 챔버, 챔버의 밀봉을 유지하는 탑리드 및 탑리드에 부착된 샤워헤드, 적어도 하나이상의 기판이 안착되는 웨이퍼 블록과 반응가스 제어 및 이송장치를 연결하여 주는 적어도 하나 이상의 반응가스 이송라인들과 반응가스의 온도를 높이는 고온 가열 유로 구간을 포함하는 박막 증착 장치의 박막 증착 방법에 있어서, (a)상기 웨이퍼 블록 상에 기판을 로딩 하는 단계; (b)상기 기판 로딩 후 상기 기판 상에 텅스텐(W)원소를 포함한 제1 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제1 유량의 제2 반응가스를 상기 기판 상에 분사하는 단계; (c)상기 텅스텐(W)의 핵 형성단계 이후 상기 기판 상에 텅스텐(W) 원소를 포함한 제2 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제2 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하는 단계; 및 (d)상기 (c)단계 이후 H 원소를 포함한 열처리 가스를 흘려 박막 내에 포함된 불순물의 함유량을 줄이는 후처리 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 박막 증착 방법은 진공으로 유지되는 반응공간을 제공하는 챔버, 챔버의 밀봉을 유지하는 탑리드 및 탑리드에 부착된 샤워헤드, 적어도 하나이상의 기판이 안착되는 웨이퍼 블록과 반응가스 제어 및 이송장치를 연결하여 주는 적어도 하나 이상의 반응가스 이송라인들과 반응가스의 온도를 높이는 고온 가열 유로 구간을 포함하는 박막 증착 장치의 박막 증착 방법에 있어서, (a)상기 웨이퍼 블록 상에 기판을 로딩 하는 단계; (b)상기 기판 로딩 후 상기 기판 상에 텅스텐(W)원소를 포함한 제1 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제1 유량의 제2 반응가스를 상기 기판 상에 분사하는 단계; (c)상기 기판 상에 텅스텐(W) 원소를 포함한 제2 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스와 질소원소를 포함한 가스와의 혼합가스인 제2 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하여 텅스텐 나이트라이드(W×N)를 증착하는 단계; 및 (d)상기 (c)단계 이후 H 원소 및 N원소를 포함한 열처리 가스를 흘려 박막 내에 포함된 불순물의 함유량을 줄이고, 상기 박막의 질화작업을 수행하는 후처리 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 박막증착방법에 대한 상세한 설명은 진공으로 유지되는 반응공간을 제공하는 공정챔버(30), 상기 공정챔버(30)의 밀봉을 유지하는 탑리드 및 탑리드에 부착된 샤워헤드, 적어도 하나이상의 기판이 안착되는 웨이퍼 블록과 반응가스 제어 및 이송장치(10)를 연결하여 주는 적어도 하나 이상의 반응가스 이송라인들과 반응가스의 온도를 높이는 고온 가열 유로 구간(20)을 포함하는 도 1의 박막 증착 장치를 통해 이루어진다.

도 2는 본 발명에 의한 박막증착방법의 일실시예를 순서도로 도시한 것이다.

먼저, 박막을 증착하고자하는 기판을 공정챔버(30)의 웨이퍼블록에 로딩한다(S210).

이때, 상기 공정챔버(30)는 박막의 주성분이 증착하고자 하는 원소를 포함한 원료 캐니스터로부터 증기 상태로 유량 제어된 후 제1 반응가스 이송라인을 경유하여 공정챔버(30)로 유입된다. 물론 공정 종류에 따라 차이가 있지만 원료 캐니스터 이후부터는 그 유로를 히팅하고 제1 반응가스 이송라인도 가열 해주어야 한다.

본 발명의 공정에서 기판의 온도는 300도에서 650도 사이로 유지한 채로 이루어지며, 고온가열유로구간(20)에 설정되는 첫 번째 온도는 300도 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 기판 로딩 후 상기 기판 상에 W(텅스텐)원소를 포함한 첫 번째 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 첫 번째 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하여 텅스텐(W)의 핵을 형성한다(S220).

상기 열적 활성화된 제2 반응가스는 해당 반응가스 이송라인에 연결된 고온 가열 유로 구간을 경유하여 반응챔버로 유입되며, 제2 반응가스는 고온 가열 유로 구간으로 유입 전 제1 온도상태에서 첫 번째 온도로 설정되는 고온 가열 유로구간을 경유한 후 제2 온도 상태로 가열되는 것이다.

여기서, 상기 제1 반응가스와 제2 반응가스는 상기 샤워헤드로 연결된 제1 및 제2 반응가스 이송라인을 통하여 샤워헤드로 유입된 후 샤워헤드 내부에서 서로 연동되지 않으며 기판 상으로 오픈된 제1 반응가스 홀들과 제2 반응가스 홀들을 통하여 기판 상으로 분사된다.

상기 제1 반응가스는 소정 흐름 량의 불활성 가스와 혼합된 WF6 또는 WH2이고, 첫 번째 유량의 제2 반응가스는 소정 흐름량의 불활성 가스와 SiH4, H2, B2H6로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스들과의 혼합가스이다.

상기 W의 핵 형성단계이후 상기 기판상에 W원소를 포함한 두 번째 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 두 번째 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하여 블랭킷 텅스텐(W)을 증착한다(S230).

본 발명에서 W의 핵 형성과 블랭킷 W 증착은 CVD 또는 ALD방법을 이용하여 증착한다. 그리고, W의 핵 형성과 블랭킷 W 증착시 공정챔버의 내부공정압력은 1-100 Torr를 유지한다.

상기 증착 단계 이후 H원소를 포함한 열처리 가스를 흘려 박막 내에 포함된 불순물의 함유량을 줄인다(S240).

상기 H 원소를 포함한 열처리 가스는 고온 가열 유로구간으로 유입 전 제1 온도상태에서 상기 첫 번째 온도보다 같거나 더 높은 두 번째 온도로 설정되는 고온 가열 유로구간을 경유한 후 제3 온도 상태로 가열된다.

여기서, H 원소를 포함한 열처리 가스는 He, Ar, Ze로 이루어진 군에서 선택한 불활성 가스의 소정 흐름량과 혼합된 H2이다.

도 3은 본 발명에 의한 박막증착방법의 다른 일실시예를 순서도로 도시한 것이다.

먼저, 박막을 증착하고자하는 기판을 공정챔버(30)의 웨이퍼블록에 로딩한다(S310).

상기 기판 로딩 후 상기 기판 상에 W(텅스텐)원소를 포함한 첫 번째 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 첫 번째 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하여 텅스텐(W)의 핵을 형성한다(S320).

여기서, 상기 제1 반응가스와 제2 반응가스는 상기 샤워헤드로 연결된 제1 및 제2 반응가스 이송라인을 통하여 샤워헤드로 유입된 후 샤워헤드 내부에서 서로 연통 되지 않으며 기판 상으로 오픈된 제1 반응가스 홀들과 제2 반응가스 홀들을 통하여 기판 상으로 분사된다.

상기 기판 상에 텅스텐(W) 원소를 포함한 제2 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스와 질소원소를 포함한 가스와의 혼합가스인 제2 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하여 텅스텐 나이트라이드(W×N)을 증착한다(S330).

본 발명에서 W의 핵 형성과 텅스텐 나이트라이드(W×N)은 ALD방법을 이용하여 증착한다. 그리고, W의 핵 형성과 텅스텐 나이트라이드(W×N) 증착시 공정챔버의 내부공정압력은 1-10 Torr를 유지한다.

상기 텅스텐 나이트라이드(W×N)증착 단계 이후 H원소와 N원소를 포함한 열처리 가스를 흘려 박막 내에 포함된 불순물의 함유량을 줄이고, 상기 박막에 질화작업을 한다(S240).

여기서, H 원소를 포함한 열처리 가스는 He, Ar, Ze로 이루어진 군에서 선택한 불활성 가스의 소정 흐름량과 혼합된 H2이다. 상기 N원소를 포함하는 가스는 N2, NH3, NF3로 이루어진 군에서 선택된 하나의 가스이다.

이상으로, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 저온에서 증착 가능하면서도 W막의 응력에 의한 스트레스가 높지 않고 막내 불소 불순물이 최소화된다.

Claims

진공으로 유지되는 반응공간을 제공하는 챔버, 챔버의 밀봉을 유지하는 탑리드 및 탑리드에 부착된 샤워헤드, 적어도 하나이상의 기판이 안착되는 웨이퍼 블록과 반응가스 제어 및 이송장치를 연결하여 주는 적어도 하나 이상의 반응가스 이송라인들과 반응가스의 온도를 높이는 고온 가열 유로 구간을 포함하는 박막 증착 장치의 박막 증착 방법에 있어서,

(a)상기 웨이퍼 블록 상에 기판을 로딩 하는 단계;

(b)상기 기판 로딩 후 상기 기판 상에 텅스텐(W)원소를 포함한 제1 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제1 유량의 제2 반응가스를 상기 기판 상에 분사하는 단계;

(c)상기 텅스텐(W)의 핵 형성단계 이후 상기 기판 상에 텅스텐(W) 원소를 포함한 제2 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제2 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하는 단계; 및

(d)상기 (c)단계 이후 H 원소를 포함한 열처리 가스를 흘려 박막 내에 포함된 불순물의 함유량을 줄이는 후처리 단계;를 포함함을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 열적 활성화된 제2 반응가스는

해당 반응가스 이송라인에 연결된 고온 가열 유로 구간을 경유하여 반응챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제2항에 있어서, 상기 제2 반응가스는

고온 가열 유로 구간으로 유입 전 제1 온도상태에서 첫 번째 온도로 설정되는 고온 가열 유로구간을 경유한 후 제2 온도 상태로 가열되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 H 원소를 포함한 열처리 가스는

고온 가열 유로구간으로 유입 전 제1 온도상태에서 상기 첫 번째 온도보다 같거나 더 높은 두 번째 온도로 설정되는 고온 가열 유로구간을 경유한 후 제3 온도 상태로 가열되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제4항에 있어서, 상기 H원소를 포함한 열처리 가스는

소정 흐름 량의 불활성 가스와 혼합된 H2임을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응가스와 제2 반응가스는

상기 샤워헤드로 연결된 제1 및 제2 반응가스 이송라인을 통하여 샤워헤드로 유입된 후 샤워헤드 내부에서 서로 연통 되지 않으며 기판 상으로 오픈된 제1 반응가스 홀들과 제2 반응가스 홀들을 통하여 기판 상으로 분사됨을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 텅스텐 핵 형성단계와 블랭킷 텅스텐 증착단계는

CVD 또는 ALD방법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 텅스텐 핵 형성단계와 블랭킷 텅스텐 증착단계 시 챔버 내부 공정 압력은 1-100 Torr인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응가스는

소정 흐름 량의 불활성 가스와 혼합된 WF6 또는 WH2임을 특징으로 하는 박막 증착 방법
제1항에 있어서, 상기 제2 반응가스는

소정 흐름 량의 불활성 가스와 SiH4, H2, B2H6로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스들과의 혼합가스임을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는

He, Ar, Ze로 이루어진 군에서 적어도 하나이상 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
진공으로 유지되는 반응공간을 제공하는 챔버, 챔버의 밀봉을 유지하는 탑리드 및 탑리드에 부착된 샤워헤드, 적어도 하나이상의 기판이 안착되는 웨이퍼 블록과 반응가스 제어 및 이송장치를 연결하여 주는 적어도 하나 이상의 반응가스 이송라인들과 반응가스의 온도를 높이는 고온 가열 유로 구간을 포함하는 박막 증착 장치의 박막 증착 방법에 있어서,

(a)상기 웨이퍼 블록 상에 기판을 로딩 하는 단계;

(b)상기 기판 로딩 후 상기 기판 상에 텅스텐(W)원소를 포함한 제1 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스를 포함한 제1 유량의 제2 반응가스를 상기 기판 상에 분사하는 단계;

(c)상기 기판 상에 텅스텐(W) 원소를 포함한 제2 유량의 제1 반응가스와 열적으로 활성화된 환원가스와 질소원소를 포함한 가스와의 혼합가스인 제2 유량의 제2 반응가스를 기판 상에 분사하여 텅스텐 나이트라이드(W×N)를 증착하는 단계; 및

(d)상기 (c)단계 이후 H 원소 및 N원소를 포함한 열처리 가스를 흘려 박막 내에 포함된 불순물의 함유량을 줄이고, 상기 박막의 질화작업을 수행하는 후처리 단계;를 포함함을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 열적 활성화된 제2 반응가스는

해당 반응가스 이송라인에 연결된 고온 가열 유로 구간을 경유하여 반응챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제13항에 있어서, 상기 제2 반응가스는

고온 가열 유로 구간으로 유입 전 제1 온도상태에서 첫 번째 온도로 설정되는 고온 가열 유로구간을 경유한 후 제2 온도 상태로 가열되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 H 원소를 포함한 열처리 가스는

고온 가열 유로구간으로 유입 전 제1 온도상태에서 상기 첫 번째 온도보다 같거나 더 높은 두 번째 온도로 설정되는 고온 가열 유로구간을 경유한 후 제3 온도 상태로 가열되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제15항에 있어서, 상기 H원소를 포함한 열처리 가스는

소정 흐름 량의 불활성 가스와 혼합된 H2임을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 반응가스와 제2 반응가스는

상기 샤워헤드로 연결된 제1 및 제2 반응가스 이송라인을 통하여 샤워헤드로 유입된 후 샤워헤드 내부에서 서로 연통 되지 않으며 기판 상으로 오픈된 제1 반응가스 홀들과 제2 반응가스 홀들을 통하여 기판 상으로 분사됨을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 텅스텐 핵 형성단계와 텅스텐 나이트라이드(W×N) 증착단계는

ALD방법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 텅스텐 핵 형성단계와 텅스텐 나이트라이드(W×N) 증착단계 시 챔버 내부 공정 압력은 1-10 Torr인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 반응가스는

소정 흐름 량의 불활성 가스와 혼합된 WF6 또는 WH2임을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 제2 반응가스는

소정 흐름 량의 불활성 가스와 SiH4, H2, B2H6로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스들과의 혼합가스임을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 불활성 가스는

He, Ar, Ze로 이루어진 군에서 적어도 하나이상 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제12항에 있어서, 상기 N원소를 포함하는 가스는

N2, NH3, NF3로 이루어진 군에서 선택된 하나의 가스임을 특징으로 하는 박막 증착 방법.