KR100528451B1 - 리플로우 장치 및 이 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법 - Google Patents

리플로우 장치 및 이 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 리플로우 장치는 프로세스 킷과 가스 공급 수단 그리고 티탄 타겟을 갖는다. 이 티탄 타겟은 물리적 증착에 사용된다. 이 물리적 증착으로 티탄 타겟의 티탄 원자는 프로세스 킷의 표면에 코팅된다. 이 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법은 물리적 증착으로 프로세스 킷의 표면에 티탄을 코팅하여 프로세스 킷으로부터 불순물들의 발생을 차단하는 단계를 포함한다. 이 단계가 끝나면, 챔버 내부는 고진공(3.0E-8 ∼ 5.0E-8) 상태가 된다. 반도체 웨이퍼의 리플로우는 이 고진공 상태에서 수행된다.

Description

리플로우 장치 및 이 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법{REFLOW SYSTEM AND METHOD OF HEAT TREATMENT FOR SEMICONDUCTOR WAFER USING THE SYSTEM}
본 발명은 리플로우(RE FLOW) 장치 및 이 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 반도체 웨이퍼에 형성된 콘택홀에 금속이 균일하게 매몰되도록 열처리하는 리플로우 장치 및 이 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 구조는 여러 가지 층을 필요로 한다. 특히, 반도체 웨이퍼에 증착되는 금속은 소자들간의 상호 배선 재료로서 중요한 역할을 한다. 이러한 금속을 증착하는 방법에는 CVD(화학적 증착)법, PVD(물리적 증착)법 등이 있다. 물리적 증착법은 생성하려는 금속과 동일한 재료를 진공중에 증발시켜, 마주보는 반도체 웨이퍼 위에 증착시키는 기술이다. 상기 물리적 증착법은 기본적으로 진공증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅으로 구별된다.
금속은 상술한 여러 가지 방법으로 반도체 웨이퍼에 증착되며, 이때의 비균일성은 3-10% 수준에 달한다. 이를 해결하기 위해 금속이 증착된 반도체 웨이퍼는 리플로우 장치에서 열처리된다. 이 리플로우 장치는 진공상태에서 금속이 반도체 웨이퍼의 콘택홀내에 균일하게 매몰되도록 열처리 하는 장치이다.
도 1은 일반적인 종래 리플로우 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 리플로우 장치(10)는 챔버(12), 진공 펌프(일반적으로 '크라이오 펌프'라 불림;14), 웨이퍼 홀더(18), 히터(16) 그리고 램프(22)로 이루어진다. 상기 웨이퍼 홀더에는 반도체 웨이퍼(100)가 놓여진다. 이 웨이퍼 홀더(18) 위에는 프로세스 킷(process kit; 20 즉, shield and clamp-ring)이 설치되어 있다.
상술한 구성을 갖는 종래 리플로우 장치(10)에서의 리플로우는 다음과 같은 과정에 따라 수행된다. 먼저, 상기 진공 펌프(14)가 가동되어 상기 챔버(12) 내부는 고진공(5.0E-8 ∼ 7.0E-8토르) 상태가 된다. 이 고진공 상태에서 반도체 웨이퍼(100)는 웨이퍼 홀더(18)에 로딩된다. 웨이퍼 홀더(18)에 로딩된 반도체 웨이퍼(100)는 상기 히터(16)에 의해서 가열된다. 이로써 가열된 반도체 웨이퍼(100) 상에 증착된 금속이 용융된다. 이 금속은 콘택홀에 매몰된다. 금속이 콘택홀에 균일하게 매몰되기 위해서는 상기 챔버 내부가 고진공상태로 유지되어야 한다.
이와 같은 리플로우 장치에서 상기 프로세스 킷(20)은 일반적으로 티탄이나 스테인레스 재질로 이루어진다. 티탄 재질의 프로세스 킷은 고진공에 적합하다. 그 이유는 티탄이 챔버(12)내부에 존재하는 수분과 산소를 흡수하기 때문이다. 그러나, 티탄은 가격이 비싸고, 재활용이 어려워 반도체 웨이퍼의 생산단가를 높이는 요인이 된다.
상대적으로 스테인레스 재질의 실드는 가격이 싸고 재활용이 가능한 장점이 있다. 그러나 스테인레스 재질의 프로세스 킷은 티탄 재질의 프로세스 킷을 사용할 경우보다 더 많은 아웃 가싱이 발생된다.(아웃 가싱이란 물체의 온도가 올라감에 따라 물체에서 수분(H2O), 산소(O2) 등의 불순물들이 발생되는 것을 말한다.) 따라서, 상기 챔버(12) 내부의 진공도는 스테인레스 재질의 실드에서 발생되는 수분과 산소로 인해 낮아지게 된다. 상기 챔버(12) 내부의 진공도가 낮아지면 콘택홀로 매몰되는 금속에 상기 실드에서 발생된 불순물(수분, 산소)이 접촉되어 보이드(void)가 발생된다. 이 보이드를 줄이기 위해서는 챔버(12) 내부가 고진공으로 도달하기 위한 진공 회복 시간(vacuum recovery time)이 길어지게 되고, 필연적으로 공정 시간이 늘어나게 된다. 따라서, 반도체 웨이퍼의 품질 및 생산성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 챔버 내부에 잔존하는 수분과 산소를 제거하고, 프로세스 킷에서 발생되는 불순물을 차단하여 챔버의 진공도를 효과적으로 향상시킬 수 있도록 한 리플로우 장치 및 그 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 진공상태에서 반도체 웨이퍼의 리플로우를 수행하는 리플로우 장치에 있어서, 웨이퍼 홀더가 설치되어 있는 챔버와; 상기 웨이퍼 홀더의 상단에 설치되는 프로세스 킷과; 상기 챔버로 소정 가스를 주입하기 위한 가스 공급 수단 및; 상기 챔버 내부에 설치되고, 물리적 증착(physical vapor deposition)으로 상기 프로세스 킷의 표면을 코팅하기 위한 타겟(target)을 포함한다.
이와 같은 본 발명에서 상기 프로세스 킷은 스테인레스 재질로 이루어진다.
이와 같은 본 발명에서 상기 타겟은 티탄 재질로 이루어진다.
이와 같은 본 발명에서 상기 소정 가스는 아르곤 가스이다.
본 발명의 다른 특징은 리플로우 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 있어서, 상기 챔버를 가열하여 챔버에 설치되어 있는 프로세스 킷으로부터 불순물들을 제거하는 단계; 물리적 증착으로 상기 프로세스 킷의 표면에 금속을 코팅하여 프로세스 킷으로부터 불순물들이 발생되는 것을 차단하는 단계와; 상기 챔버에 반도체 웨이퍼를 로딩하여 리플로우하기 위한 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에서 상기 금속은 티탄이다. 상기 웨이퍼가 로딩되어 열처리되는 챔버 내부의 압력은 3.0E-8 ∼ 5.0E-8 토르(torr) 범위로 이루어진다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면 도 2 및 도 3에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리플로우 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 리플로우 장치는 챔버(42), 히터(46), 진공 펌프(44),램프(52), 타겟(target;60), 가스 공급 수단(70) 등으로 구성된다. 상기 챔버(42)에는 프로세스 킷(process kit; 50 즉, shield and clamp-ring)과 웨이퍼 홀더(48)가 설치되어 있다. 상기 웨이퍼 홀더(48)에는 반도체 웨이퍼(100)가 로딩된다. 상기 프로세스 킷(50)의 재질은 스테인레스로 이루어진다. 상기 타겟(60)은 챔버(42)의 상부에 설치된다. 이 타겟(60)은 물리적인 증착(PVD; Physical Vapor Deposition)에 사용된다. 이 타겟(60)은 스퍼터링 될 금속 또는 다른 재료의 단일조각으로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기에서는 티탄 재질의 타겟(60)을 일 예로서 본 발명을 설명한다. 상기 챔버(42)에는 크라이오 펌프(cryo pump;44a)와 메카니컬 펌프(mechanical pump;44b)가 설치되어 있다. 이 크라이오 펌프(44a)와 메카니컬 펌프(44b)는 상기 챔버(42)를 고진공으로 만들기 위한 진공 펌프(44)이다. 상기 가스 공급 수단(70)은 상기 챔버(42)로 아르곤 가스를 공급한다. 이 가스는 금속 증착을 위한 가스이다.
상술한 구성을 갖는 리플로우 장치(40)에서 가장 중요한 것은 반도체 웨이퍼(100)를 열처리하기 전에 티탄 증착이 이루어진다는 것이다. 이 티탄 증착은 스퍼터링과 동일한 방법으로 이루어진다. 다만, 티탄이 증착되는 대상물은 반도체 웨이퍼(100)가 아니라 프로세스 킷(50)이라는 것이 다르다.
본 발명의 실시예에 따른 리프로우 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 리플로우 방법은 다음과 같은 순서로 진행된다. 그 순서는 도 3에 도시된 바와 같이, 사이클 퍼지(cycle purge) 단계(S210), 베이크 아웃(bake out) 단계(S220), 금속 증착 단계(S230), 열처리 단계(S240)로 이루어진다. 한편, 표준 펌핑(normal pumping)은 모든 단계에서 지속적으로 진행된다.
도 2를 참조하며 상기 각각의 단계들을 좀더 상세히 설명하면, 사이클 퍼지 단계(S210)에서는 챔버(42) 내부의 불순물들 및 파티클이 제거된다. 이때, 퍼지 사이클은 적어도 20회 실시된다. 이 단계가 끝나면, 베이크 아웃 단계(S220)에서는 히터(46)와 램프(52)가 가동된다. 상기 챔버(42) 내부는 이 히터(46)와 램프(52)에 의해 가열된다. 상기 챔버(42) 내부의 온도가 올라가면 프로세스 킷(50)에서 불순물(수분,산소)이 발생된다.이 불순물은 진공 펌프(44)에 의해 외부로 배기된다. 이 베이크 아웃 단계(S220)에서 아래의 조건으로 24시간이 경과되면 챔버(42) 내부 압력은 약 8.0E-8 토르(torr)까지 떨어진다.(heater temp:500도, bake out lamp:90%)
상기 챔버(42) 내부 압력이 약 8.0E-8 토르까지 떨어지면, 금속 증착 단계(S230)가 진행된다. 먼저, 램프(52)의 가동을 중단하고 가열된 챔버(42) 내부를 식힌다. 이때에도 표준 펌핑은 계속 진행된다. 아래의 조건으로 5시간이 경과되면 챔버(42) 내부 압력은 약 7.0E-8 토르까지 떨어진다.(heater temp:650도, bake out lamp:0%) 상기 챔버(42) 내부 압력이 약 7.0E-8 토르까지 떨어지면, 가스 공급 수단(70)은 상기 챔버(42)로 아르곤 가스를 주입한다. 챔버(42)에 주입된 아르곤 가스에는 고전압이 인가되고, 상기 티탄 타겟(60)에는 음의 전압이 인가된다. 그러면, 아르곤 가스는 양이온으로 대전되어 상기 티탄 타겟(60)에 충돌하게 된다. 이때, 티탄 타겟(60)로부터 이탈된 티탄 원자들은 티탄 타겟(60)과 대응되는 프로세스 킷(50)에 증착된다.
한편, 상기 티탄 원자가 상기 웨이퍼 홀더(48)에 증착되는 것을 차단하기 위해 상기 웨이퍼 홀더(48)에는 더미 웨이퍼(미도시)가 로딩된다. 이 더미 웨이퍼는 상기 티탄 증착 전에 로딩되고, 티탄 증착이 끝난 후에 웨이퍼 홀더(48)에서 언로딩 된다.
상기 프로세스 킷(50)이 티탄막으로 코팅된 후에는 상기 진공 펌프(44)에 의해 챔버(42) 내부에 남아있는 아르곤 가스가 배출된다.
이 금속 증착 단계(S230)가 끝난 후 30분이 경과되면 상기 챔버(42) 내부 압력은 약 3.0E-8 ∼ 5.0E-8 토르(torr)까지 떨어진다. 그 이유는 상기 금속 증착 단계(S230)에서 티탄 원자가 챔버(42) 내부에 잔존하는 불순물들(산소, 습기)을 흡착하면서 상기 프로세스 킷(50)에 증착되었기 때문이다. 또한 이 증착된 티탄막은 프로세스 킷(50)로부터 발생되는 아웃 가싱을 차단하는 역할을 한다.
상기 열처리 단계(S240)는 이 고진공(3.0E-8 ∼ 5.0E-8 토르)상태에서 진행된다. 이 열처리 단계(S240)에서는 반도체 웨이퍼(100)에 증착된 박막을 녹여 콘택홀에 매몰시킨다. 이 열처리 단계(S240)는 종래 리플로우 장치에서 반도체 웨이퍼(100)의 열처리를 수행하는 단계와 동일하기 때문에 그 상세한 설명은 생략한다. 한편, 상기 더미 웨이퍼와 반도체 웨이퍼는 상기 챔버(42)와 연결되어 있는 보조 챔버로부터 로딩/언로딩된다.
결론적으로, 상기와 같은 금속 증착 방법으로 프로세스 킷(50)의 표면에 티탄막(80)을 증착하면 짧은 시간에 챔버(42) 내부를 저진공에서 고진공(3.0E-8 ∼ 5.0E-8 토르(torr) 범위)상태로 만들 수 있다. 이러한 고진공 상태에서는 반도체 웨이퍼를 열처리할 경우 콘택홀에 금속이 균형있게 매몰된다.
이와 같은 본 발명을 적용하면, 챔버 내부가 저진공에서 고진공상태(5.0E-8 토르 이하)로 보다 빠르게 도달되므로 공정 시간이 단축된다. 또한, 고진공 상태에서 반도체 웨이퍼를 열처리하면 콘택홀에 금속매몰시 균형있는 단면이 형성되므로 균일성이 좋아진다. 따라서, 반도체 웨이퍼의 생산성 및 품질이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 종래 리플로우 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리플로우 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 열처리 방법을 나타낸 순서도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
40 : 리플로우 장치 42 : 챔버
44a : 크라이오 펌프 44b : 메카니컬 펌프
46 : 히터 48 : 웨이퍼 홀더
50 : 프로세스 킷 60 :타겟
62 : 램프 70 : 가스 공급 수단
80 : 금속막 100 : 반도체 웨이퍼

Claims (7)

  1. 진공상태에서 반도체 웨이퍼의 리플로우를 수행하는 리플로우 장치에 있어서,
    웨이퍼 홀더가 설치되어 있는 챔버와;
    상기 웨이퍼 홀더의 상단에 설치되는 프로세스 킷과;
    상기 챔버로 소정 가스를 주입하기 위한 가스 공급 수단 및;
    상기 챔버 내부에 설치되고, 물리적 증착(physical vapor deposition)으로 상기 프로세스 킷의 표면을 코팅하기 위한 타겟(target)을 포함하여,
    타겟의 원자가 물리적 증착으로 상기 프로세스 킷의 표면에 증착되어 상기 프로세스 킷으로부터 발생되는 불순물들을 차단하는 것을 특징으로 하는 리플로우(RE-FLOW) 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 킷은 스테인레스 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리플로우 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟의 재질은 티탄(Ti)인 것을 특징으로 하는 리플로우 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 가스는 아르곤 가스인 것을 특징으로 하는 리플로우 장치.
  5. 리플로우 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 있어서,
    상기 챔버를 가열하여 챔버에 설치되어 있는 프로세스 킷으로부터 불순물들을 제거하는 단계;
    물리적 증착으로 상기 프로세스 킷의 표면에 금속을 코팅하여 프로세스 킷으로부터 불순물들이 발생되는 것을 차단하는 단계와;
    상기 챔버에 반도체 웨이퍼를 로딩하여 리플로우하기 위한 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 리플로우 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속은 티탄(Ti)인 것을 특징으로 하는 리플로우 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 웨이퍼가 로딩되어 열처리되는 챔버 내부의 압력은 3.0E-8 ∼ 5.0E-8 토르(torr) 범위인 것을 특징으로 하는 리플로우 장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
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