KR100702760B1 - 금속 증착 장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 증착 장비에 관한 것으로, 화학기상증착(CVD) 장비의 내부에 흡입기 및 분자체를 설치하여 소오스 가스의 반응 과정에서 생성된 반응 부산물이 장비 외부로 배출되도록 하므로써 증착된 금속의 막질 향상과 자체 저항의 감소를 이룰 수 있도록 한 금속 증착 장비에 관해 개시된다.

소오스 가스, 반응 부산물, 흡입기, 분자체

Description

금속 증착 장비{Apparatus for metal deposition}

도 1은 염소 화합물이 함유된 티타늄 나이트라이드 박막의 비저항을 측정한 그래프도.

도 2은 본 발명에 따른 금속 증착 장비를 설명하기 위한 구성도.

도 3는 도 1에 도시된 흡입기를 설명하기 위한 평면도.

도 4은 도 1에 도시된 분자체를 설명하기 위한 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 챔버 2: 가스 주입구

3: 샤워헤드 4: 진공 흡입기

5: 분자체 6: 웨이퍼

7: 히터블록 8: 구멍

9: 포어 10: 가스 배기구

14: 흡입구

본 발명은 금속 증착 장비에 관한 것으로, 특히, 화학기상증착(CVD) 장비를 이용한 금속 증착시 소오스 가스의 반응에 의해 생성되는 반응 부산물이 장비 외부로 배출될 수 있도록 한 금속 증착 장비에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조 과정에서 금속배선은 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등과 같은 금속으로 형성되며, 이러한 금속은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition), 물리기상증착(Physical Vapor Deposition) 등과 같은 방법에 의해 증착된다.

화학기상증착은 소오스 가스의 화학적 반응을 이용하여 금속이 증착되도록 하는 방법이며, 물리기상증착은 물리적 기구에 의해 금속이 증착되도록 하는 방법이다. 이러한 방법은 금속의 종류 및 공정의 조건에 따라 선택적으로 이용되며, 각기 다른 장치가 구비된 증착 장비를 필요로 한다.

종래의 화학기상증착 공정에 이용되는 금속 증착 장비의 내부에는 웨이퍼가 놓일 수 있으며 웨이퍼의 온도를 조절할 수 있도록 구성된 히터블록(Heater Block)과, 상기 웨이퍼 방향으로 소오스 가스를 분사할 수 있도록 구성된 가스 주입구 및 샤워헤드(Shower Head)가 각각 설치된다. 그리고 상기 히터블록에 웨이퍼가 장착되면 가스 주입구 및 샤워헤드를 통해 증착 장비의 내부로 소오스 가스가 주입되고, 주입된 가스의 화학적 반응에 의해 상기 웨이퍼상에 금속이 증착된다.

그러면 일반적인 베리어 금속(Barrier Metal)으로 사용되는 티타늄 나이트라이드(TiN)의 증착 과정을 예를들어 설명하기로 한다.

먼저, 티타늄 나이트라이드를 증착하기 위해서는 무기계의 TiCl₄ 또는 금속-유기계의 TDMAT, TDEAT 등이 소오스 가스로 이용된다.

티타늄 나이트라이드를 증착하기 위하여 TiCl₄ 및 NH₃를 증착 장비 내부로 공급하면 상기 샤워헤드 및 웨이퍼의 사이에서 하기의 화학식 1 및 2와 같은 반응이 일어난다.

화학식 1에서와 같이 상기 소오스 가스의 반응에 의해 유색(노랑색)의 고체 형태를 갖는 TiCl₄-NH₃가 상기 웨이퍼의 표면에 부착되고, 계속적인 반응에 의해 상기 TiCl₄-NH₃에서 HCl이 기체 형태로 제거되면 웨이퍼상에 티타늄 나이트라이드(6TiN)가 침전된다. 그런데 이러한 반응 과정에서 24HCl 및 N₂와 같은 반응 부산물이 생성되며, 생성된 24HCl은 액체 상태로 티타늄 나이트라이드의 표면에 잔류되거나, 반응물인 NH₃를 소모시켜 침전되는 티타늄 나이트라이드의 량이 감소되도록 한다. 또한, 이와 동시에 화학식 2와 같은 반응에 의해 높은 온도에서 생성된 NH₄Cl도 침전되는 티타늄 나이트라이드에 부착되어 불순물로 작용하게 된다.

TiCl₄+ 8NH₃→[TiCl₄-NH₃] →6TiN

HCl + NH₃→NH₄Cl

따라서, 상기 화학식 1 및 2와 같은 반응 과정에서 생성되는 반응 부산물 즉, 염소 화합물(24HCl 및 NH₄Cl)은 증착된 티나늄 나이트라이드내에서 불순물로 작용하여 타티늄 나이트라이드의 자체 저항을 증가시키게 되는데, 현재에는 고온(220℃ 이상)의 공정 온도에 의해 염소 화합물이 자연적으로 기화되도록 할 뿐 다른 방법이 제시되지 않고 있는 실정이다.

참고적으로, 도 1은 상기와 같은 염소 화합물이 함유된 티타늄 나이트라이드 박막의 비저항을 측정한 그래프도인데, 염소 화합물의 함량이 0 에서 6 %까지 변화될 때 비저항(ρ)이 150 에서 450 μ·Ω까지 변화됨을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 증착 장비의 내부에 흡입기 및 분자체를 설치하고 증착 공정시 소오스 가스의 반응에 의해 생성된 반응 부산물이 장비 외부로 배출되도록 하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 금속 증착 장비를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속 증착 장비는 금속 증착이 이루어지는 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버 내부에 소오스 가스를 주입하기 위한 가스 주입구와, 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 가스 배기구와, 상기 챔버 저부에 설치되어 웨이퍼가 로딩되며 상기 웨이퍼의 온도를 조절할 수 있도록 구성된 히터 블록과, 상기 히터 블록 상부에 설치되며 진공펌프와 연결된 진공 흡입기를 포함하여 이루어지며, 상기 진공펌프의 동작에 의해 상기 챔버 내부에 존재하는 반응 부산물이 상기 진공 흡기를 통해 외부로 배출되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 금속 증착 장비를 설명하기 위한 구성도로서, 도 3 및 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 금속 증착 장비는 가스 주입구(2) 및 가스 배기구(10)가 형성된 챔버(1)내의 저면부에 웨이퍼(6)가 장착되며 웨이퍼의 온도를 조절할 수 있도록 구성된 히터블록(7)이 설치되고, 상기 챔버(1)내의 상부에는 샤워헤드(3)가 설치된다. 또한, 상기 샤워헤드(3)와 상기 웨이퍼(6)의 사이에는 상기 챔버(1)의 외부에 설치된 진공펌프(도시안됨)와 연결된 진공 흡입기(4)가 설치되는데, 상기 진공 흡입기(4)의 종단부에는 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 구멍(8)이 형성된 흡입구(14)가 부착된다.

상기 가스 주입구(2)를 통해 TiCl₄ 및 NH₃와 같은 소오스 가스가 공급되면 상기 화학식 1 및 2와 같은 반응이 진행된다. 이러한 반응이 진행되는 과정에서 상기 진공 펌프를 동작시키면 상기 진공 흡입기(4)를 통해 0 내지 760 mTorr의 압력 으로 상기 챔버(1) 내부의 가스가 외부로 배출되는데, 이때 상기 반응 과정에서 생성되어 웨이퍼(6)상에 존재하는 염소 화합물이 상기 흡입구(14)의 구멍(8)을 통해 챔버(1)의 외부로 배출된다.

이때, 이러한 흡입 동작이 계속적으로 실시된다면 막질이 순수한 티타늄 나이트라이드를 얻는 데는 유리하지만, 중간 생성물인 TiCl₄-NH₃가 계속적으로 외부로 배출되어 증착률이 저하되게 된다. 그러므로 본 발명에서는 반응 과정에서 수차례에 걸쳐 불연속적인 흡입이 이루어지도록 하므로써 박막내에 반응 부산물이 함유되지 않도록 하는 동시에 금속의 증착률도 저하되지 않도록 하였다. 즉, 진공의 흡입을 실시되면 HCl과 NH₄Cl이 외부로 배출된다. 이때 반응물인 TiCl₄와 NH₃도 함께 외부로 배출되지만, TiCl₄와 NH₃의 기체 운동 속도(Mobility)가 HCl에 비해 낮기 때문에 흡입에 의해 소실되는 량이 상대적으로 적다. 또한, 상기 반응물은 계속적으로 공급되기 때문에 흡입에 따른 문제점은 발생되지 않는다. 그러므로 흡입이 시작된 후에는 반응 초기와 같이 염소 화합물이 존재하지 않는 상태가 되기 때문에 반응이 시작된 후 흡입 주기를 빠르게 하면 반응 초기의 상태를 계속적으로 유지할 수 있다. 이와 같은 흡입 동작에 의해 증착된 금속의 비저항은 150 μ·Ω 정도로 매우 낮아진다.

또한, 본 발명은 이러한 효과를 높이기 위하여 상기 진공 흡입기(4)와 웨이퍼(6)의 사이에 분자체(Molecular Sieve; 5)를 설치하였다. 상기 분자체(5)는 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 크기 예를들어, 1.21 내지 1.30Å의 크기를 갖는 다수의 포어(Pore; 9)가 형성된 다공성의 물질로 이루어지며, 유기 화합 물질, 금속 유기 고분자 화합물, 금속 무기 고분자 화합물 중 어느 하나로 제작될 수 있다.

상기 분자체(5)는 상기 흡입기(4)로부터 0 내지 50 ㎝ 정도 이격되도록 설치되며, 상기 포어(9)보다 작은 크기를 갖는 분자는 상기와 같은 진공의 흡입 동작에 의해 상기 포어(9)를 통해 외부로 배출된다. 즉, 반응물인 TiCl₄(g)와 NH₃(g), 중간 생성물인 [TiCl₄-NH₃]는 상기 분자체(5)의 포어(9)를 통과하지 못하기 때문에 계속적으로 반응에 참여하게 되고, 상기 반응 부산물인 HCl(g)은 상기 포어(9)를 통과하여 외부로 배출된다.

상기 분자체(5)를 사용하는 경우 연속적 또는 불연속적인 흡입이 진행되도록 할 수 있다. 그러나 연속적인 흡입이 막질이 순수한 티타늄 나이트라이드를 얻는 데 유리하며, 고진공보다는 저진공(400 내지 700mTorr)의 흡입을 진행하면 반응물이 분자체(5)보다 웨이퍼(6)쪽에 가까이 존재하게 되므로 증착 속도가 빨라질 수 있다.

참고적으로, 본 발명에서는 티타늄 나이트라이드를 증착하기 위한 과정을 예를들어 설명하였으나, 티타늄(Ti)을 증착하기 위해서는 무기계의 TiCl₄를, 텅스텐(W)을 증착하기 위해서는 무기계의 WF₆를, 알루미늄(Al)을 증착하기 위해서는 금속-유기계의 TIBA, DIMA를, 구리(Cu)를 증착하기 위해서는 금속-유기계의 (hfac)Cu(VTMS), Cu(hfac)2, (hfac)Cu(COD)를 각각 소오스 가스로 이용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 증착 장비의 내부에 흡입기 및 분자체를 설치하고 증착 공정시 소오스 가스의 반응에 의해 생성된 반응 부산물이 장비 외부로 배출되도록 한다. 그러므로 반응 부산물이 함유되지 않은 순수한 막질의 금속 박막을 얻을 수 있으며, 이에 따라 금속층의 자체 저항이 효과적으로 감소되어 소자의 전기적 특성이 향상된다.

Claims (5)

1. 금속 증착이 이루어지는 공간을 제공하는 챔버와,

   상기 챔버 내부에 소오스 가스를 주입하기 위한 가스 주입구와,

   상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 가스 배기구와,

   상기 챔버 저부에 설치되어 웨이퍼가 로딩되며 상기 웨이퍼의 온도를 조절할 수 있도록 구성된 히터 블록과,

   상기 히터 블록 상부에 설치되며 진공펌프와 연결된 진공 흡입기를 포함하여 이루어지며, 상기 진공펌프의 동작에 의해 상기 챔버 내부에 존재하는 반응 부산물이 상기 진공 흡입기를 통해 외부로 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 금속 증착 장비.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 진공 흡입기의 종단에는 다수의 구멍이 형성된 흡입구가 장착된 것을 특징으로 하는 금속 증착 장비.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 진공 흡입기와 웨이퍼의 사이에 설치되며, 상기 반응 부산물이 선택적으로 통과될 수 있도록 구성된 분자체를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 증착 장비.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 분자체는 다수의 포어가 형성된 다공성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 증착 장비.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 다공성 물질은 유기 화합물, 금속 유기 고분자 화합물, 금속 무기 고분자 화합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속 증착 장비.

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