KR100532949B1 - 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착(Plasma assistive batch type atomic Layer Deposition) 장치를 개시한다. 개시된 본 발명의 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치는, 수 개의 웨이퍼 놓여지는 회전 가능한 로테이팅 디스크와, 상기 로테이팅 디스크 하부에 배치되어 웨이퍼의 온도를 조절하는 아크 램프와, 상기 로테이팅 디스크의 상부에 배치되어 챔버 내에 소오스 가스 및 반응 가스와 퍼지 가스를 공급하는 샤워 헤드와, 상기 로테이팅 디스크의 가장자리 하측에 배치되어 가스가 펌핑되는 방지재(baffle)를 포함하며, 상기 사워 헤드는 원형 플레이트 중앙에 제1홀이 형성되고, 상기 제1홀의 주위에는 4개의 제2홀들이 형성되며, 상기 제2홀들의 바깥쪽으로 다수개의 제3홀들이 방사형으로 형성된 구조인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 샤워 헤드의 구조를 변경함과 동시에 상기 샤워 헤드의 주변에 RF 코일 장치를 추가 설치해 줌으로써 막 내의 Cl양을 줄이면서도 반응성이 강한 래디컬을 챔버 내에 공급할 수 있어서 원자층증착 공정 반응을 400℃ 이하의 저온에서도 이루어지도록 할 수 있고, 이에 따라, 금속막의 멜팅 및 유전체막의 퇴화를 억제시킬 수 있다.

Description

플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치{Plasma assistive batch type atomic layer deposition apparatus}

본 발명은 반도체 제조용 장치에 관한 것으로, 특히, 열에 의한 공정 제한을 완화시킬 수 있는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치에 관한 것이다.

반도체 소자를 제조함에 있어서, 금속 및 산소의 확산을 방지하기 위해 확산방지막을 형성해주고 있다. 이러한 확산방지막은 주로 금속배선 공정에서 형성해 주었으나, 최근에는 금속 게이트 및 금속 전극을 적용한 캐패시터 형성 공정에서도 형성해주고 있다. 상기 확산방지막으로서 TiN이 주로 이용되고 있으며, 이와 같은 TiN은 현재 원자층증착(Atomic Layer Deposition) 공정을 통해 형성하고 있다.

여기서, 원자층증착을 위해 종래에는 도 1에 도시된 바와 같은 트레블링 웨이브(Travelling Wave) 원리를 이용한 싱글 웨이퍼 리엑터(single wafer reactor : 10)를 이용하고 있다. 도 1에서, 도면부호 1은 가스 공급관이고, 2는 가스 배기구를 각각 나타낸다.

이와 같은 싱글 웨이퍼 리엑터를 이용한 원자층증착 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 소오스 가스를 웨이퍼 표면에 노출시켜 한 층의 원자층을 화학적으로 흡착(Chemisotption)시킨 후, 물리적으로 흡착(Physisorption)된 가스 및 잔존하는 소오스 가스를 불활성 가스로 퍼지시키고, 이어서, 반응 가스를 다시 웨이퍼 표면에 노출시켜 표면 화학 반응을 통해 원하는 박막을 형성한 후, 여분의 반응 가스 및 부산물을 불활성 가스로 다시 퍼지시키는 과정을 한 주기(cycle)로 하여 원하는 두께를 얻을 수 있는 만큼의 주기를 반복하는 방식으로 진행된다. 이때, 원하는 증착 두께는 주기 수로 결정될 수 있다.

이와 같은 자기-제한 표면 반응 메카니즘(Self-Limited Surface Reaction mechanism)을 이용한 원자층증착 방법은 컨포멀(conformal)한 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 균일한 박막을 얻을 수 있다.

또한, 상기 원자층증착 방법은 소오스 가스와 반응 가스를 불활성 가스로 서로 분리하여 리엑터 내에 공급하기 때문에 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 비해 가스 상 반응(gas phase reaction)에 의한 파티클 생성을 억제할 수 있으며, 그리고, 증착 온도를 낮출 수 있어서 막질(film quality)에서 우수한 특성을 확보할 수 있다.

그러나, 전술한 싱글 웨이퍼 리엑터를 이용한 원자층증착 방법은 소오스 가스를 효과적으로 사용할 수 있고, 그리고, 자체적으로 주기 시간을 줄일 수 있으나, 생산성 측면을 고려할 때, TiN막의 경우에 시간당 3∼장 정도의 웨이퍼에 대해서만 수행 가능하므로, 양산 적용시 많은 장비와 공간 및 유지 비용이 필요하다는 단점이 있다.

한편, 이와 같은 단점을 개선하기 위해 배치 타입 원자층증착 장치가 개발되었고, 현재 적용되고 있다.

도 3은 종래의 배치 타입 원자층증착 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같은 배치 타입 원자층증착 장치(30)는 한 배치당 4장의 웨이퍼를 장착시킬 수 있으므로 싱글 웨이퍼 타입 장치에 비해 생산성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 배치 타입 원자층증착 장치(30)에 따르면, 소오스 가스(TiCl4) 및 반응 가스(NH3)는 홀 타입 샤워 헤드(36)을 통해 챔버(32) 중앙으로부터 공급되어 로테이팅 디스크(rotating disk : 33)의 외측(outside)으로 트레블링 웨이퍼 타입의 플로우(flow)를 형성하며 디스크(33) 외측의 방지재(baffle : 34)를 통해 외부로 펌핑(pumping)된다. 웨이퍼(31)의 온도는 3개의 히팅 구역(heating zone)으로 구동되는 아크 램프(Arc lamp : 35)로 조정되며, 디스크(33)는 증착 균일도 확보 및 웨이퍼(31)의 로딩을 위해 로테이팅될 수 있도록 구비된다. 아울러, 디스크 바텀 부분에의 증착을 방지하기 위해 후면 Ar을 3000sccm 이상 플로우시킴과 동시에 디스크(33)를 5rpm 이상의 속도로 회전시킨다.

하기의 표는 상기 배치 타입 원자층증착 장치를 이용한 TiN막 증착시의 공정 조건들을 나타낸 것이다.

항 목
웨이퍼 온도	480 ℃
압력	3 Torr
NH3	50 sccm
Ar 퍼지	1200 sccm
바텀 Ar	800 sccm
증착 주기 시간	3000 sccm
하드 웨어 조건	TiCl4 1.2초, Ar퍼지 1.2초, NH3 1.2초, 디스크 로테이팅 속도 5rpm
Arc 램프 파워 비율	구역3 85%, 구역2 65%, 구역1 62%, 설정 온도 480℃

이러한 배치 타입 원자층증착 장치는 공정 주기 시간을 감소시킬 경우, 싱글 웨이퍼 타입 장치와 비교해서 TiN막의 경우에 한 챔버에서 시간당 12장의 웨이퍼에 대해 원자층증착을 수행할 수 있으므로 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

한편, 상기한 배치 타입 원자층증착 장치를 이용한 TiN막의 증착에 있어서, TiN의 증착을 진행한 후에는 Cl2 가스를 TiCl4 가스 라인을 통해 반응기 내부 표면의 클리닝을 수행한다. 상기 원자층증착 TiN 장치에서의 인-시튜 클리닝은 웨이퍼 후면 TiN 증착을 제어해주고, 로테이팅 디스크의 웨이퍼 써셉터(suceptor) 내에 파티클 발생을 방지하는 것이 양산용 배치 타입 원자층증착 장치에서 반듯이 필요하다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 배치 타입 원자층증착 장치는 싱글 웨이퍼 타입 장치에 비해 생산성을 향상시킬 수 있다는 잇점을 갖기는 하지만, 이를 이용한 TiN의 증착시, 그 공정 온도가 높기 때문에 Cu/Al 및 저유전율막 상의 확산 베리어 금속막 증착 공정에는 적용하기 어렵다. 이것은 480℃의 온도에서는 Cu/Al의 멜팅(melting) 및 저유전율막의 특성저하(degradation)가 일어나기 때문이다.

한편, 상기의 문제를 고려하여 공정 온도를 400℃ 이하로 낮추어 진행하면, TiN막 내의 잔존 Cl양이 480℃로 진행한 경우 보다 많아지기 때문에 Al/Cu의 부식을 유발할 수 있으며, 이에 따라, 소자 신뢰성 저하를 유발할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 400℃ 이하의 저온에서도 막질이 우수한 TiN을 형성할 수 있도록 한 원자층증착 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 수 개의 웨이퍼 놓여지는 회전 가능한 로테이팅 디스크와, 상기 로테이팅 디스크 하부에 배치되어 웨이퍼의 온도를 조절하는 아크 램프와, 상기 로테이팅 디스크의 상부에 배치되어 챔버 내에 소오스 가스 및 반응 가스와 퍼지 가스를 공급하는 샤워 헤드와, 상기 로테이팅 디스크의 가장자리 하측에 배치되어 가스가 펌핑되는 방지재(baffle)를 포함하며, 상기 사워 헤드는 원형 플레이트 중앙에 제1홀이 형성되고, 상기 제1홀의 주위에는 4개의 제2홀들이 형성되며, 상기 제2홀들의 바깥쪽으로 다수개의 제3홀들이 방사형으로 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치를 제공한다.

상기 중앙의 제1홀은 하나 또는 수 개가 형성되며, 반응 래디컬의 분자량에 따라 그 수 및 크기가 조절되고, 세라믹 튜브로 실링되며, 그 주변에 RF 코일이 3∼4회 감겨진다. 이때, 상기 RF 코일은 쿨링 자켓으로 감싸진다.

상기 4개의 제2홀은 90°각도로 이루어 형성되고, 제3홀은 상기 제2홀의 바깥에 방사형으로 형성된다.

상기 샤워 헤드의 제1홀은 반응 가스가 공급되고, 제2홀은 퍼지 가스가 공급되며, 제3홀은 소오스 가스가 공급된다.

본 발명에 따르면, 샤워 헤드의 구조를 변경함과 동시에 상기 샤워 헤드의 주변에 RF 코일 장치를 추가 설치해 줌으로써 막 내의 Cl양을 줄이면서도 반응성이 강한 래디컬을 챔버 내에 공급할 수 있어서 원자층증착 공정 반응을 400℃ 이하의 저온에서도 이루어지도록 할 수 있고, 이에 따라, 금속막의 멜팅 및 유전체막의 퇴화를 억제시킬 수 있다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

원자층증착 공정의 반응 온도를 낮추기 위해서는 반응을 촉진시키기 위한 에너지원이 필요하며, 플라즈마를 이용할 경우에는 반응성이 강한 래디컬(radical)을 공급할 수 있어 표면 반응 제한 특성을 갖는 원자층증착 공정 반응을 저온으로도 수행할 수 있을 것으로 예상된다.

예컨데, 원자층증착을 이용한 실리콘 나이트라이드(Si3N4)의 증착시, 소오스 가스로서 SiH4 가스를 이용하면서 반응 래디컬로서 NH3*를 이용하는 경우에는 증착온도를 700℃에서 450∼500℃로 낮출 수 있음이 보고되고 있다. 물론, 이것은 싱글 웨이퍼 타입의 장치를 이용한 경우이다.

따라서, 본 발명은 반응을 촉진시키기 위한 에너지원으로서 플라즈마를 적용함으로써 공정 온도를 400℃ 이하로 낮추어 Cu/Al의 멜팅 및 저유전율막의 특성저하가 방지되도록 하면서 막 내의 잔존 Cl양 또한 줄여서 소자 신뢰성의 저하 유발이 방지되도록 한 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치를 제공한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배치 타입 원자층증착 장치를 도시한 도면이고, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치에서의 샤워 헤드를 도시한 평면도 및 측면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치는 수 개의 웨이퍼(41)가 놓여지는 로테이팅 디스크(43)와, 웨이퍼(41)의 온도를 조절하도록 상기 로테이팅 디스크(43)의 하부에 배치되는 아크 램프(45)와, 상기 로테이팅 디스크(43)의 상부에 배치되어 소오스 가스 및 반응 가스와 퍼지 가스를 챔버(41) 내에 공급하게 되는 샤워 헤드(46) 및 플라즈마를 발생시키기 위해 샤워 헤드(46)의 외측면에 설치된 RF 코일 장치(47)를 포함한다.

상기 로테이팅 디스크(43)는 종래의 그것과 마찬가지로 4장의 웨이퍼(41)가 안착될 수 있도록 구비되며, 아울러, 막 균일성을 확보하면서 웨이퍼(41)의 로딩을 위해 회전 가능하도록 구비된다. 상기 아크 램프(45)는 3개의 히팅 구역으로 구동된다. 상기 샤워 헤드(46)를 통해 챔버(42) 내에 공급된 가스들은 상기 로테이팅 디스크(42) 외측의 방지재(44)를 통해 외부로 펌핑된다.

상기 샤워 헤드(46)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 원형 플레이트(50) 중앙에 단일 또는 수 개의 제1홀(51)이 형성되고, 상기 제1홀(51)의 주위에는 방사형의 가스 플로우를 형성할 수 있도록 4개의 제2홀들(52)이 90°각도로 이루어 형성되며, 그리고, 다수개의 제3홀들(53)이 4개의 제2홀(52) 주변 바깥쪽으로 원형을 이루면서 형성된 구조이다.

여기서, 플라즈마에 의해 여기된 반응 가스의 래디컬들은 중앙의 제1홀(51)을 통해 공급되며, 불활성 가스는 4개의 제2홀(52)을 통해 공급되고, 그리고, 소오스 가스는 나머지 방사형의 제3홀들(53)을 통해 공급된다. 이때, 중앙의 제1홀(51)은 세라믹 튜브(55)에 실링되고, 그리고, 그 주변에 RF 코일(56)이 3∼4회 감겨져 RF 파워를 RF 마칭 박스(marching box)를 통하여 에너지 손실을 최소화하면서 공급한다. 상기 RF 코일(56)은 쿨링 워터(cooling water)로 냉각시킬 수 있도록 되어 있다.

상기 중앙의 제1홀(51)은 반응 래디컬의 분자량에 따라, 즉, 형성된 플라즈마가 RF 파워로 유지될 동안 래디컬들만 반응 챔버(42) 내부로 이동할 수 있도록 그 크기 및 수가 조절되며, 플라즈마를 튜브 내에 감금(confine)을 해주거나 플라즈마 밀도를 강화해주기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 세라믹 튜브(55)의 주변에 자석(magnet: 58)을 설치할 수 있다.

도 4 및 도 6에서, 미설명된 도면부호 57은 쿨링 자켓(cooling jaket), 그리고, 59은 히트 익스체인지 자켓(heat exchange jaket)을 각각 나타낸다.

전술한 바와 같은 본 발명의 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치를 이용한 막 증착은 다음과 같은 순서로 진행된다.

먼저, 샤워 헤드의 방사형 제3홀들을 통해 소오스 가스를 공급하여 웨이퍼 표면에 소오스 가스를 흡착시킨다. 그런다음, 중앙 제1홀 바깥의 4개의 제2홀들을 통해 일정 시간 동안 Ar를 공급하여 퍼지한 후, 상기 공급된 Ar로 플라즈마를 턴-온(turn-on)시킨다. 이어서, 중앙의 제1홀을 통해 반응 가스를 공급하여 반응 래디컬을 웨이퍼에 일정 시간 노출시킨다. 그리고나서, 플라즈마 파워를 턴-오프(turn-off)한 후, 다시 제2홀을 통해 Ar을 공급하여 챔버 내부를 퍼지시킨다.

이후, 이와 같은 원자층증착의 한 주기를 반복적으로 수행하여 원하는 두께의 막을 증착한다.

이와 같이 하면, 반응성이 강한 래디컬을 공급할 수 있어 원자층증착 공정 반응을 저온, 예컨데, 400℃에서도 수행할 수 있으며, 이에 따라, Cu/Al의 멜팅 및 저유전율막의 특성저하를 방지할 수 있다. 아울러, 400℃의 온도로 표면 반응이 일어나도록 하면서도 막 내의 Cl양의 증가를 방지할 수 있으므로 소자 신뢰성 저하 또한 방지할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 장치는 샤워 헤드의 구조를 변경함과 동시에 상기 샤워 헤드의 주변에 RF 코일 장치를 추가 설치해 줌으로써 반응성이 강한 래디컬을 챔버 내에 공급할 수 있어서 원자층증착 공정 반응을 저온에서도 이루어지도록 할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 장치는 공정 반응 온도를 낮출 수 있는 바, 금속막의 멜팅 및 유전체막의 퇴화를 억제시킬 수 있고, 아울러, 막 내의 Cl양을 줄일 수 있으므로, 소자 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 장치는 반응 가스 대신에 클리닝 가스를 공급하여 플라즈마를 이용한 인-시튜 클리닝을 행할 수 있으므로, 인-시튜 클리닝에 따른 생산성 향상 및 원가절감을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명의 장치는 플라즈마 소오스를 반응 챔버에서 분리시켜 래디컬만을 이용하기 때문에 플라즈마에 관련된 데미지를 근본적으로 제어할 수 있다.

기타, 본 발명은 그 요지가 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

도 1은 종래의 싱글 웨이퍼 리엑터를 도시한 도면.

도 2는 종래 싱글 웨이퍼 리엑터를 이용한 원자층증착 공정에서의 반응 기체의 주입순서를 도시한 도면.

도 3은 종래의 배치 타입 원자층증착 장치를 도시한 도면.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치를 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

41 : 웨이퍼 42 : 챔버

43 : 로테이팅 디스크 44 : 방지재

45 : 아크 램프 46 : 샤워 헤드

47 : RF 코일 장치 50 : 원형 플레이트

51 : 제1홀 52 : 제2홀

53 : 제3홀 55 : 세라믹 튜브

56 : RF 코일 57 : 쿨링 자켓

58 : 자석 59 : 히트 익스체인지 자켓

Claims (8)

1. 수 개의 웨이퍼 놓여지는 회전 가능한 로테이팅 디스크와, 상기 로테이팅 디스크 하부에 배치되어 웨이퍼의 온도를 조절하는 아크 램프와, 상기 로테이팅 디스크의 상부에 배치되어 챔버 내에 소오스 가스 및 반응 가스와 퍼지 가스를 공급하는 샤워 헤드와, 상기 로테이팅 디스크의 가장자리 하측에 배치되어 가스가 펌핑되는 방지재(baffle)를 포함하며,

   상기 사워 헤드는 원형 플레이트 중앙에 제1홀이 형성되고, 상기 제1홀의 주위에는 4개의 제2홀들이 형성되며, 상기 제2홀들의 바깥쪽으로 다수개의 제3홀들이 방사형으로 형성된 구조이고, 상기 중앙의 제1홀이 세라믹 튜브로 실링된 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙의 제1홀은 하나 또는 수 개가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙의 제1홀은 반응 래디컬의 분자량에 따라 그 수 및 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 4개의 제2홀은 90°각도로 이루어 형성되고, 제3홀은 상기 제2홀의 바깥에 방사형으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙의 제1홀은 그 주변에 RF 코일이 3∼4회 감겨진 구조인 것을 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 RF 코일은 쿨링 자켓으로 감싸져 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 샤워 헤드의 제1홀은 반응 가스가 공급되고, 제2홀은 퍼지 가스가 공급되며, 제3홀은 소오스 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어시스티브 배치 타입 원자층증착 장치.