KR100541398B1 - 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼의 온도 분포를 고르게 하여 금속 배선의 손상을 방지하기 위한 공정 조건을 갖춘 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 웨이퍼의 온도 분포를 고르게 하기 위해서 웨이퍼를 냉각시키는 수단과 인가하는 바이어스 전력의 최적 조건을 설정하는데 있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 직경 20cm의 웨이퍼에 대해서, 진공 반응실의 웨이퍼 고정척 상부면에 위치하는 안쪽 냉각관과 바깥쪽 냉각관에 냉매를 공급하여 웨이퍼를 냉각하는 단계로서, 안쪽 냉각관은 웨이퍼 고정척과 중심이 일치하는 직경 약 16.5cm인 원주상에 위치하고, 바깥쪽 냉각관은 웨이퍼 고정척과 중심이 일치하는 직경 약 19cm인 원주상에 위치하며, 안쪽 냉각관에는 헬륨 가스를 약 8mmHg, 바깥쪽 냉각관에는 헬륨 가스를 약 10mmHg의 압력으로 공급하는 냉각 단계와, 플라즈마를 이용하여 에치 백을 진행하기 위해서 고주파 바이어스 전력을 인가하는 단계로서, 고주파 바이어스 전력은 약 2500W인 인가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정을 제공한다.

Description

고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정{High density plasma chemical vapor deposition process}
본 발명은 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 웨이퍼의 온도 분포를 고르게 하여 금속 배선의 손상을 방지하기 위한 공정 조건을 갖춘 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정에 관한 것이다.
반도체 소자가 점차 고집적화 되고 빠른 속도가 요구됨에 따라 종래의 단층 금속 배선(Single Metal Layer) 또는 2층 금속 배선(Double Metal Layer) 구조에서 다층 금속 배선(Multilevel Metal Layer) 구조로 반도체 소자의 구조가 바뀌고 있다. 이러한 다층 금속 배선의 층간 절연막을 구성하기 위한 공정으로 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition) 방식이 널리 사용되고 있다. 화학 기상 증착에 의해서 절연막을 증착하는 경우 증착률이 빠르고, 막 두께의 조절이 용이하다는 장점이 있다.
그러나, 화학 기상 증착에 의한 절연막은 강도면에서 취약하여 금속 배선 위에 증착할 때 하부 금속 배선의 조건 및 배열 형상에 따라 취약한 지점에 균열이 발생하는 경우가 생긴다. 이러한 균열은 금속과 절연막의 열팽창 계수 차이에 의한 응력(Stress) 발생에 기인한다. 이러한 균열을 방지하고, 보다 효과적으로 금속 배선 사이의 간격에 절연막을 증착하기 위해서 사용하는 방법 중의 하나가 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition, 이하 'HDP CVD'라 한다)이다.
HDP CVD는 증착 공정과 아르곤 이온을 이용한 에치 백(Etch Back) 공정을 동시에 실시하여, 보다 효과적으로 높은 종횡비(Aspect Ratio)를 갖는 틈 사이를 증착하는 공정이다. 따라서, HDP CVD에 의하면 종래의 화학 기상 증착으로는 증착하기 어려운 높은 종횡비의 간격에 증착을 할 수 있고, 층간 절연막의 균열을 방지하고, 화학 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 사용할 때 평탄도를 개선할 수 있는 장점이 있다.
그러나, HDP CVD를 사용할 때에는 여러 가지 불량이 발생되고 있다. 그 중 하나가 선폭이 좁은 금속 배선에서 발생하는 웨지(Wedge) 현상이다. HDP CVD에서 는 높은 주파수의 고주파(Radio Frequency)를 사용하므로 웨이퍼의 표면 온도가 상승한다. 특히, 아르곤(Ar)을 이용하여 에치 백 공정을 진행하기 위해서 고주파 발생기에서 공급하는 바이어스 전력(Bias Power)은 웨이퍼의 표면 온도와 밀접한 관계가 있다.
높은 바이어스 전력에 의한 증착으로 웨이퍼 표면의 온도가 상승하고, 이에 의해서 팽창한 금속과 절연막의 열팽창률 차이에 의해서 발생한 응력으로 인해서 전기적 이동(Electromigration)이 진행되어 금속 배선 내에 빈 공간(Void)이 생기는 웨지 현상이 발생한다. 또한, 웨이퍼에 인가되는 바이어스 전력이 고르게 분포되지 않아서 국부적으로 온도가 높아지는 부분에서는 이러한 웨지 현상이 더욱 심하게 발생한다. 특히, 웨이퍼 중심 부분은 주변에 비해서 냉각이 덜 되므로 웨지 형상이 많이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 웨이퍼의 온도 분포를 고르게 하기 위해서 웨이퍼를 냉각시키는 수단과 인가하는 바이어스 전력의 최적 조건을 설정하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 직경 20cm의 웨이퍼에 대해서, 진공 반응실의 웨이퍼 고정척 상부면에 위치하는 안쪽 냉각관과 바깥쪽 냉각관에 냉매를 공급하여 웨이퍼를 냉각하는 단계로서, 안쪽 냉각관은 웨이퍼 고정척과 중심이 일치하는 직경 약 16.5cm인 원주상에 위치하고, 바깥쪽 냉각관은 웨이퍼 고정척과 중심이 일치하는 직경 약 19cm인 원주상에 위치하며, 안쪽 냉각관에는 헬륨 가스를 약 8mmHg, 바깥쪽 냉각관에는 헬륨 가스를 약 10mmHg의 압력으로 공급하는 냉각 단계와, 플라즈마를 이용하여 에치 백을 진행하기 위해서 고주파 바이어스 전력을 인가하는 단계로서, 고주파 바이어스 전력은 약 2500W인 인가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정을 나타내는 공정 순서도이고, 도 2는 웨이퍼 고정척을 나타내는 평면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정(이하, '증착 공정'이라 한다)(10)은 직경 20cm, 즉 8인치의 웨이퍼를 사용하는 경우에 대한 것이다.
금속 배선이 형성된 웨이퍼에 절연막 등을 증착하기 위해서, 증착 공정(10)이 진행될 진공 반응실(도시되지 않음)의 웨이퍼 고정척(Chuck)(20)에 웨이퍼를 정렬한다. 웨이퍼 고정척(20)은 웨이퍼와 같은 직경(a)을 가지고 있고, 웨이퍼 고정척(20)의 상부면에는 냉매가 흐르는 냉각관(22, 24)이 위치한다. 냉각관(22, 24)은 증착 공정(10)이 진행되는 동안에 고온으로 가열되는 웨이퍼의 온도를 낮추는 역할을 한다.
웨이퍼 고정척(20) 상부면에 웨이퍼 고정척(20)과 중심이 일치하는 직경 16.5cm(6.5인치)(c)의 원주상에 안쪽 냉각관(22)이 있고, 직경 19cm(7.5인치)(b)의 원주상에는 바깥쪽 냉각관(24)이 위치한다. 냉각관(22, 24)에는 냉매로 사용되는 헬륨 가스가 흐르므로 대응하는 위치의 웨이퍼 뒷면을 냉각함으로써 증착 공정(10) 중에 가열되는 웨이퍼의 온도를 낮추게 된다.
진공 반응실에 웨이퍼가 준비되면 진공 반응실의 압력을 낮추고, 고주파(Radio Frequency)를 인가하여 플라즈마를 형성한다. 플라즈마는 일반적으로 아르곤 가스를 이용한다. 증착되는 막은 반응 가스로부터 얻어지는데, 보통 실란(SiH4)을 사용한다. 증착 공정(10)을 진행하기 위한 진공 반응실의 조건이 형성되면, 바이어스 전력을 인가하여 아르곤 플라즈마에 의한 에치 백 공정과 함께 절연막을 증착하는 공정이 진행된다.
냉각관(22, 24)에 의한 웨이퍼 냉각과 바이어스 전력 값의 차이에 따라 증착된 절연막에 발생하는 웨지 현상의 정도를 살펴보기 위해서 실험한 결과를 다음 표에 나타낸다. 표에서 A 실험은 종래 기술에 따른 조건하에서 실험한 것이고, 열처리는 절연막이 증착된 후에 상온에서부터 약 400℃까지 온도를 증감하는 것을 반복하여 웨지 현상이 발생하는 정도를 측정한 결과이다. '◎'는 웨지 현상이 심하게 발생한 것이고, '○'는 약간 발생한 것이고, '×'는 거의 발생하지 않은 것을 나타낸다.
냉매 공급 압력(mmHg) 바이어스 전력(W) 열처리
안쪽 냉각관 바깥쪽 냉각관 1회 5회 10회
실험 A 4 8 3500 ◎ ◎ ◎
B 8 10 3500 ○ ○ ○
C 6 8 2500 ○ ○ ○
D 8 10 2500 × × ×
A 실험에서 증착 공정(10) 중의 웨이퍼는 중심 부분이 약 450℃, 주변 부분이 약 400℃로 온도 차이가 나고, 높은 바이어스 전력에 의해서 금속 배선과 절연막 사이에서 발생하는 열응력에 의해 열처리 결과 웨지 현상이 심하게 일어난다. 특히 온도가 높은 웨이퍼 중심 부분에서 웨지 현상이 많이 발생한다. 따라서, 웨이퍼 중심 부분과 주변 부분의 온도 차이를 없애고 웨이퍼 전체의 온도를 낮추기 위해서, 냉각관(22, 24)에 공급하는 헬륨 가스를 증가시키고 바이어스 전력을 낮춘 결과 D 실험에서와 같이 웨지 현상을 현저하게 줄이게 된다.
냉각관(22, 24)에 공급하는 헬륨 가스를 증가시키면 웨이퍼의 온도가 하강하고, 특히 안쪽 냉각관(22)의 헬륨 가스를 바깥쪽 냉각관(24)에 비해서 상대적으로 많이 증가시킴으로써 웨이퍼가 전체적으로 고른 온도 분포를 가지게 된다. 또한, 바이어스 전력을 줄임으로써 웨이퍼 표면의 온도가 감소하여 금속 배선과 절연막 사이의 열응력이 감소된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 증착 공정 중의 웨이퍼에 대한 온도 분포를 고르게 하고, 웨이퍼의 온도를 낮춤으로써 웨지 현상을 방지하여 금속 배선이 단락되는 것을 막을 수 있다.
도 1은 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정을 나타내는 공정 순서도,
도 2는 웨이퍼 고정척을 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
10; 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정
20; 웨이퍼 고정척 22; 안쪽 냉각관
24; 바깥쪽 냉각관

Claims (3)

  1. 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정에 있어서,
    (1) 소정의 금속 배선이 형성된 직경 20cm의 웨이퍼를 진공 반응실에 준비하는 단계와,
    (2) 상기 진공 반응실을 낮은 압력으로 유지하는 단계와,
    (3) 상기 진공 반응실 안에 플라스마를 형성하는 단계와,
    (4) 상기 진공 반응실 안으로 반응 가스를 공급하는 단계와,
    (5) 상기 진공 반응실의 웨이퍼 고정척 상부면에 위치하는 안쪽 냉각관과 바깥쪽 냉각관에 냉매를 공급하여 상기 웨이퍼를 냉각하는 단계로서, 상기 안쪽 냉각관은 상기 웨이퍼 고정척과 중심이 일치하는 직경 16.5cm인 원주상에 위치하고, 상기 바깥쪽 냉각관은 상기 웨이퍼 고정척과 중심이 일치하는 직경 19cm인 원주상에 위치하며, 상기 안쪽 냉각관에는 헬륨 가스를 8mmHg, 상기 바깥쪽 냉각관에는 헬륨 가스를 10mmHg의 압력으로 공급하는 냉각 단계와,
    (6) 상기 플라즈마를 이용하여 에치 백을 진행하기 위해서 고주파 바이어스 전력을 인가하는 단계로서, 상기 고주파 바이어스 전력은 2500W인 인가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마는 아르곤 플라즈마인 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정은 증착 공정과 함께 플라즈마에 의한 에치 백 공정이 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 공정.
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