KR100716477B1 - 기판 프로세스 시스템에서의 프로세스 및 정화 물질의향상된 제어를 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
증착 시스템에서 선구물질 및 정화 첨가물들의 제어를 위한 방법과 장치는 선구물질 이송 시스템 및 상기 선구물질 이송 시스템의 구성요소들에 또는 사이에 연결된 복수의 정화 첨가물 전송 라인들을 포함한다. 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중 하나는 앰풀과 액체 매스 흐름 제어기 사이에 연결되고, 다른 하나는 액체 매스 흐름 제어기와 기화기 사이에 연결되며, 또다른 하나는 기화기에 연결된다. 상기 장치는 선구물질 이송 시스템에 연결되고 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중 하나가 연결되는 서셉터를 구비하는 프로세스 체임버를 더 포함한다. 상기 장치 및 이에 따르는 방법으로, 미립자 오염물질들의 형성은 크게 줄어든다. 증착 시스템내에서 전략적인 위치에 제공된 정화 첨가물은 전송 라인들에 남아있는 임의의 선구물질에 안정화 효과를 제공하고 배제 영역에서의 CVD 반응을 제어하는 것을 돕는다.
Description
도 1 은 본 발명의 CVD 구리 증착의 제 1 의 실시예의 개략도.
도 2 는 본 발명의 선구물질 이송 시스템부의 확대 및 상세 개략도.
도 3 은 본 발명의 증착 시스템의 부가적인 실시예의 개략도.
도 4a 는 본 발명의 방법 단계들의 실시예를 보여주는 흐름도.
도 4b 는 본 발명의 방법의 대체적인 방법의 실시예를 보여주는 흐름도.
도 5 는 본 발명의 프로세스 제어 시스템의 블록도.
도 6 은 본 발명의 정화 첨가물 이송 시스템의 개략도.
이해를 쉽게하기 위하여, 가능하면 동일한 참조 번호들이 도면들에서 공통되는 동일한 구성요소들을 가리키기 위하여 사용되었다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 증착 프로세스 시스템 102 : 프로세스 제어 시스템
104 : 압력 제어 유닛 106 : 반도체 웨이퍼
108 : 액체 선구물질 이송 시스템 110 : 격리기
112 : 혼합기 블록 114 : 벽
116 : 서셉터 118 : 전송 라인
120 : 밸브 121 : 앞라인
122 : 샤워 헤드 123 : 밸브
124 : 증착 체임버 125 : 선구물질
126 : 앰풀 128 : 가압 소스
130 : 밸브 132 : 선구물질 입구
133 : 헤드 영역 134 : 선구물질 출구
136 : 선구물질 셧오프 밸브 138 : 액체 매스 흐름 제어기
140 : 기화기 142 : 선구물질 전송 라인
144 : 제 2 의 가압 소스 146 : 증착 첨가물 이송 시스템
본 발명은 집적 회로들을 제조하는 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 증착 프로세스 시스템에서 프로세스 및 정화 (purge) 물질을 제어하기 위한 향상된 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재, 알루미늄이 플러그나 비아(via)들과 같은 연결부로서 집적회로들에 널리 사용되고 있다. 그러나, 더 높은 장치 밀도들, 더 빠른 동작 주파수들 및 더 큰 다이 (die) 크기들은 연결 구조들에 사용되기 위한 알루미늄보다 더 작은 저항성을 가진 금속을 필요로하게끔 하였다. 구리의 더 작은 저항성은 알루미늄을 대체하기 위한 유력한 것이 된다.
화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition; 이하, "CVD"라 함), 물리 기상 증착 (Physical Vapor Deposition; 이하, "PVD"라 함) 및 전극 증착을 포함하는 구리를 증착하기 위한 기술들이 수립되어 있는 약간의 공지 기술이 있다. 하나의 공지 기술로서, 구리의 화학 기상 증착이 분자식 Cu(hfac)L을 갖는, Cupraselect
로서 알려진 선구 (precursor) 물질을 사용함으로써 성취된다. Cupraselect
는 캘리포니아의 Carlsbad 의 Schumacher 의 등록 상표이다. Cupraselect
는 (hfac) 와 같은 증착 제어 합성물 및 열 안정화 합성물 (L) 에 결합된 구리 (Cu) 로써 구성된다. 상기 (hfac) 는 hexafluoroacetylacetonato 를 나타내고, (L) 은 trimethylvinylsilane (이하, "TMVS"라 함) 와 같은 리간드 베이스 합성물을 나타낸다. 상기 선구물질은 기화되고 웨이퍼를 수용한 증착 체임버로 흘러들어간다. 체임버내에서, 기화된 선구물질은 웨이퍼의 표면에서 가열된다. 바람직한 온도에서, 다음의 반응 결과가 나타난다.
2 Cu(hfac)L 
Cu ＋ Cu(hfac)2 ＋ 2L (식 1)
결과물인 구리 (Cu) 는 웨이퍼의 표면에 증착한다. 반응의 부산물 (예를 들어 Cu(hfac)2 및 2L) 은 웨이퍼 프로세스 기간 동안 진공을 유지하는 체임버로부터 제거된다.
어떤 때에는, Cupraselect
혼합물이 선구물질로써 사용된다. Cupraselect
혼합물은 부가적인 안정성을 위하여 혼합되는 여분의 (hfac) 를 갖는 Cu(hfac)L 이다. CVD 를 위한 혼합 Cupraselect
의 사용과 관련된 하나의 문제점은 액체 저장 앰풀 (ampoule) 로부터 CVD 가 일어나는 프로세스 체임버로의 물질의 이송이다. 전형적으로, 액체 Cupraselect
(또는 혼합물) 는 벌크로 저장되고 직접 액체 주입 (Direct Liquid Injection; 이하, "DLI"라 함) 시스템을 경유하여 프로세스 체임버를 지나간다. 상기 DLI 시스템은 웨이퍼에 매우 근접하여 상기 선구물질을 기화시킨다. 이러한 시스템은 Schmitt 등에 의해 1998년 7월 21일에 출원된 "Method and Apparatus for Improved Control of Process and Purge Material in a Substrate Processing System" 라 명칭되는 양수된 특허 출원에 기재되어 있다. 기화 후에, 상기 Cupraselect 는 아르곤, 헬륨 또는 다른 비활성 기체들과 같은 운반 기체를 통하여 프로세스 체임버로 주입된다. 상기 주입 동작은 Cupraselect 혼합물이 자신보다 더 불안정한 구리 및 hfac로 남게됨으로써 TMVS 의 높은 농축을 가져오는 경향이 있다.
이러한 조건들에서, 증착은 바람직하지 못한 위치들에서 발생하기 쉽다. 예를 들어, 증착이 기화기, 밸브들, 프로세스 체임버 샤워헤드 등등 근처에서 일어날 수 있다. 증착은 체임버 및 웨이퍼상의 결과적인 증착 층의 성능을 저하시키는 이러한 임계 시스템 구성요소들의 치수를 변화시킨다. 그외에도, 원하지 않는 증착이 증착 프로세스 동안에 플레이크 오프 (flake off) 되어 프로세스된 웨이퍼를 결함을 갖거나 사용불가능하게 할 수 있다. 그러면, 유지 사이클이 프로세스 체임버상에서 운영되어 시스템 생산성을 감소시키는 체임버를 대체 또는 정화시켜야한다.
유사한 문제점들이 CVD 시스템의 다른 순간들에서 존재한다. 예를 들어, 선구물질 앰풀이 거의 비워져 대체되어야할 때, 앰풀과 프로세스 체임버 사이의 전송 라인들은 펌프-아웃 (pumped-out) 되어야 한다. 프로세스 펌핑과 유사하게, 전송 라인 정화 펌핑은, 여분의 Cupraselect
혼합물이 전송 라인들에 유지되어, 미립자들 (증착) 이 앰풀을 받아들이는 전송 라인 또는 밸브 안에서 형성되게하여 보다 덜 안정한 Cu 및 (hfac) 를 만들게하는 것에 기인하여, TMVS의 보다 큰 농축을 가져온다. 새로운 앰풀 (압력하에서) 이 설치될때, 고압력 액체 Cupraselect
의 흐름은 쉽사리 라인들 및 밸브들에서 형성되는 미립자들을 제거하고 그러한 미립자들을 다른 이송 장치 또는 프로세스 체임버로 이동 시킬 수 있다.
부가적으로, 증착 프로세스 동안, 엣지 (edge) 정화 기체가 웨이퍼에 공급되어 구리가 웨이퍼의 엣지 (배제 영역) 및 후면에 증착되는 것을 방지시킨다. 상기 엣지 기체 (전형적으로 아르곤 같은 비활성 기체) 는 웨이퍼의 엣지에 확산되어 기화된 Cupraselect 와 같은 임의의 프로세스 기체들의 흐름을 웨이퍼의 엣지로부터 방향을 바꾸게 한다. 전형적으로, 웨이퍼는 실리콘 또는 실리콘 이산화물 기판이다. 그러한 기판들에서, 구리는 쉽사리 웨이퍼로 확산할 수 있고, 그에 의해서 부가적인 도전성 미립자들을 가져온다. 그러한 오염은 웨이퍼상에 제조된 장치들 (예를 들어 게이트 구조들) 의 수명을 단축시킨다. 프로세스 기체상에서 정화 기체의 물리적인 상호작용이 배제 영역 및 웨이퍼 후면에서의 확산을 줄인다. 부가적으로, 구리의 금속 에칭은 쉽게 이루어지지 않고; 화학 기계적 정련 (Chemical Mechanical Polishing; 이하, "CMP"라 함) 과 같은 다른 프로세스들이 대신 사용된다. 불행히도, CMP는 연속적인 체임버들로 전송될 수 있는 웨이퍼의 엣지에서 또한 미립자들을 만들어낼 수 있다.
따라서, 기판 프로세스 시스템에서 선구물질 및 정화 첨가물들의 향상된 제어 및 조절을 위한 장치와 방법을 제공함으로써, 엣지 정화 기체 능력을 개선시킴은 물론 시스템내에서의 증착 및 미립자 형성의 가능성을 줄이는 것이 바람직하다.
종래 기술과 관련된 문제점들이, 증착 프로세스 시스템에 연결되는 증기상 (vapor-phase) 정화 첨가물 이송 시스템을 포함하는 증착 프로세스 시스템에서의 선구물질 및 정화 첨가물의 제어 장치라는 본 발명에 의하여 극복된다. 또한, 복수의 정화 첨가물 전송 라인들이 상기 증착 프로세스 시스템과 상기 정화 첨가물 이송 시스템 사이를 연결한다. 상기 정화 첨가물은 기체 상 (phase) 또는 증기 상태의 안정화 (stabilizer) 액체 (TMVS) 의 증기이다. 선구물질 이송 시스템은 앰풀, 상기 앰풀에 연결되는 액체 매스 흐름 제어기 및 상기 액체 매스 흐름 제어기에 연결되는 기화기를 더 포함한다. 상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중 하나는 상기 앰풀과 상기 액체 매스 흐름 제어기 사이에서 연결되고, 다른 하나는 상기 액체 매스 플로우 제어기와 상기 기화기 사이에서 연결되며, 또다른 하나는 상기 기화기에 연결된다. 상기 장치는 선구물질 이송 시스템에 연결되는 프로세스 체임버를 더 포함하고, 서셉터(susceptor)를 가지며, 상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중 하나는 상기 서셉터에 연결된다.
또한, 증착 시스템에서 오염 미립자 산출을 제어하는 방법은 증착 체임버의 서셉터 상에서 기판을 가열하는 단계, 선구물질 이송 시스템으로부터 선구 및 운반 물질들을 도입하여 CVD 를 시작하는 단계, 정화 첨가물을 체임버로 도입하는 단계 및 정화 첨가물을 상기 선구물질 이송 시스템으로 도입하여 그 안의 증착을 감소시키는 단계를 포함한다. 정화 첨가물을 체임버로 도입하는 단계는 정화 첨가물을 상기 웨이퍼의 엣지로 제공하는 단계를 더 포함하고, 정화 첨가물을 상기 증착 시스템에 제공하는 단계는 정화 첨가물을 기화기 및 액체 매스 제어기와 기화기 사이의 연결부로 도입하는 단계를 더 포함한다.
상기 장치 및 이에 수반되는 방법에 의해서, 미립자 오염물질들은 크게 감소된다. 증착 시스템내에서 효과적인 위치들로 제공되는 상기 정화 첨가물은 상기 전송 라인들에 남아있는 임의의 선구물질에 안정화 효과를 제공한다. 여분 (L) 의 존재는 고체 Cu 를 생산하는 반응을 크게 감소시킨다. 그로서, 상기 선구물질은 브레이크 다운되는 것 및 프로세스되는 기판상 외의 장소에 미립자들 (예를들어 구리) 을 형성하는 것을 덜 하게 된다. 부가적으로, 서셉터에서 상기 정화 첨가물을 제공하는 것은 배제 영역에서 CVD 반응을 제어하는 것을 도와준다.
본 발명의 신규성있는 면들은 제어되는 형태로서의 프로세스 시스템에 정화 첨가물 (예를 들어 증기 또는 기체) 의 이송을 제공한다. 시스템내의 중요한 위치에서의 정화 첨가물의 존재는 선구 전송 라인들 및 체임버의 내부에서의 미립자들의 형성을 억제한다. 상기 향상된 이송 시스템은, 선구물질의 이송이 각 증착을 위하여 정밀하게 반복되게 하기 위하여, 정화 첨가물이 전송 라인들로부터 선구물질을 제거하거나 정화하는데 사용될 수 있게끔 정렬된다. 게다가, 정화 첨가물은 엣지 정화 물질에 합체되어, 프로세스되는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 주위의 엣지에 바람직하지 못하게 발생하는 프로세스 반응들을 억제하게 할 수 있다. 비록 본 발명은 CVD 에 의해 성장된 구리의 얇은 막들로서 설명되어지지만, 당업자는 본 발명이 중요한 위치들에 정화 첨가물들을 제공하여 결과적인 막을 개선시키고 시스템의 오염 수준을 감소시키기에 바람직한 어떠한 얇은 막 증착 프로세스에도 적용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 발명에 따르는 장치의 제 1 의 실시예가 도 1 에 개략적으로 도시된다. 증착 프로세스 시스템 (100) 안에서, Cupraselect
혼합물 같은 액체 선구물질 (125) 이 선구물질 이송 시스템 (108) 으로부터 하나 이상의 선구물질 전송 라인들 (142) 을 경유하여 증착 체임버 (124) 로 이송된다. 구체적으로, 액체 선구물질 (125) 은 기화되어 증착 체임버 (124) 내의 샤워헤드 (122) 로 이송된다. 사용될 수 있는 증착 체임버의 하나의 예가 Applied Materials, Inc. of Santa Clara, California 에서 제조된 모델 WxZ 이고, 이는 본 발명에 따르는 구리 증착을 수행하도록 변경된다. 증착 체임버 (124) 는, 구리로 증착되는 것이 바람직스러운 반도체 웨이퍼 (106) 와 같은 기판을 갖기 위하여, 가열된 서셉터 (116) 를 포함한다. 구리는 기화된 선구물질이 가열된 기판에 접촉할때 CVD 에 의해서 기판 (106) 상에 증착된다. 구리의 증착을 보다 향상시키기 위하여, 증착 첨가물 (예를 들어 수증기) 시스템 (146) 이 증착 시스템 (100) 에 선택적으로 부가될 수 있다. 상기 증착 첨가물 이송 시스템은 전송 라인 (118) 을 경유하여 프로세스 체임버 (124) 에 연결된다. 적합한 증착 첨가물 이송 시스템 (146) 의 완 전한 설명은, 1998년 6월 13일에 출원되었고 "Controlled Addition of Water During Chemical Vapor Deposition of Copper to Improve Adhesion" 이라 명칭되는 미국 특허 출원 제 09/096,996 호에 포함되어 있다. (이하에 보다 상세히 기재되는) 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 이 미립자 오염물질들을 줄이기 위하여 증착 프로세스 시스템 (100) 에 연결된다. 체임버 (124), 선구물질 이송 시스템 (108), 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 및 선택적인 증착 첨가물 이송 시스템 (146) 은 프로세스 제어 시스템 (102) 에 의해 제어된다.
프로세스 체임버 (124) 는 격리기 (110) 들에 의해 서셉터 (116) 및 샤워헤드 (122) 로부터 전기적, 열적으로 격리되는 벽 (wall) (114) 들의 세트로 정의된다. 저항성 코일 같은 가열 소자 (148) 로부터의 열 에너지는, 프로세스 제어 시스템 (102) 에 의해 보내어진 제어 신호들에 부합하여 서셉터 (116) 의 윗면을 가열한다.
압력 제어 유닛 (104) (예를 들어 진공 펌프) 이 프로세스 제어 시스템 (102) 에 의해 보내진 제어 신호들에 따라 프로세스 체임버 (124) 에서의 압력을 설정하기 위하여 결합된다. 압력 제어 유닛 (104) 은 또한 프로세스 체임버 (124) 로부터의 정화 반응 부산물들을 제공한다. 압력 제어 유닛 (104) 은 또한 다양한 전송 라인들 (118, 142) 의 정화 (purging) 을 제공하기 위하여 앞라인 (121) 에 결합될 수도 있다.
선구물질 이송 시스템의 하나의 예로서, 가압된 소스 (128) 로부터의 헬륨이나 아르곤 같은 비활성 기체가 밸브 (130) 를 통하여 이송된다. 상기 기체는 진행하여 선구물질 앰풀 (126) 내의 선구물질 (125) 의 수위보다 위에 위치한 입구 (132) 로 흘러들어가서, 선구물질 (125) 위의 헤드 영역 (133) 에 압력을 가한다. 헤드 영역 (133) 에서의 상기 압력은, 선구물질 앰풀 (126) 내의 선구물질 (125) 의 수위보다 밑에 위치한 선구물질 출구 (134) 를 통하여 선구물질 (125) 에 힘을 가한다. 선구물질 (125) 은 선구물질 셧오프 밸브 (136) 및 액체 매스 흐름 제어기 (Liquid Mass Flow Controller; 이하 "LMFC"라 함) (138) 를 통해 선구물질 기화기 (140) 로 흐른다. 아르곤, 크립톤, 제논, 헬륨, 니트로젠 또는 네온과 같은 제 2 의 비활성 운반 기체가 제 2 의 가압 소스 (144) 에 의해 제공되고, 기화기 (140) 에서 선구물질 (125) 과 혼합된다. 대체적으로, 선구물질의 기화는 액체 선구물질을 통하여 니트로젠, 헬륨 또는 수소와 같은 운반 기체를 "버블링(bubbling)" 함에 의해 성취될 수 있다. 그러면 기화된 선구물질 및 비활성 기체는 선구물질 전송 라인 (142) 을 통해 샤워헤드 (122) 위에 위치한 (선택적인) 혼합기 블록 (112) 으로 흐른다. 기화된 선구물질 및 비활성 기체는 샤워헤드 (122) 를 통하여 증착 체임버로 이송된다. 다양한 밸브들 (예를 들어 밸브들 130 및 136), 제어기 (예를 들어 LMFC 138) 및 모든 다른 유사한 흐름 전송 및 제어 장치들이 프로세스 제어 시스템 (102) 로부터의 제어 신호들에 따라 동작된다.
도 2 는 본 발명에 따르는 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 과 협조하는 선구물질 이송 시스템 (108) 의 확대 및 상세 개략도이다. 구체적으로, 정화 첨가물 이송 시스템은 (다른 구성요소들 중에서) 선구물질 이송 시스템 (108) 의 중요한 위치들에 제공되는 복수의 정화 첨가물 전송 라인들을 포함하여, 체임버 (124) 는 물론 상기 라인들 내에서의 증착의 가능성을 줄인다. 제 1 의 정화 첨가물 전송 라인 (202) 이 밸브 (204) 와 함께 더 제공되어 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 으로부터의 정화 첨가물의 흐름을 조절한다. 제 2 의 정화 첨가물 전송라인 (206) 은 액체 매스 흐름 제어기 (138) 과 기화기 (140) 사이에 제공된다. 제 2 의 정화 첨가물 전송 라인 (206) 은 밸브 (208) 와 함께 더 제공되어 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 으로부터의 정화 첨가물의 흐름을 조절한다. 제 3 의 정화 첨가물 전송 라인 (210) 은 기화기 (140) 에 제공된다. 제 3 의 정화 첨가물 전송 라인 (210) 은 밸브 (212) 와 함께 더 제공되어 선구물질 첨가물 소스로부터의 선구물질 첨가물의 흐름을 조절한다. 각 경우에서, 각 전송 라인 (202, 206 및 210) 은 분리된 정화 첨가물 이송 시스템에 연결될 수 있다.
선구물질 이송 시스템 (108) 은 시스템을 통한 물질의 제어 및 이동을 쉽게 하기 위하여 부가적인 배관과 하드웨어를 갖는다. 구체적으로, 선구물질 출구 (134) 는 제어 밸브 (214) 와 함께 제공되어 선구물질 앰풀 (126) 을 시스템 (108) 의 나머지 부분과 격리시킨다. 핏팅 (fitting) (222) 은 선구물질 출구 (134) 를 선구물질 셧오프 밸브 (136) 및 제 1 의 정화 첨가물 전송 라인 (202) 에 결합시킨다. 상기 핏팅은 또한 선구물질 출구 (134) 를 정화 밸브 (218) 에 결합시킨다. 정화 밸브 (218) 는 또한 정화 라인 (220) 과 연결된다. 정화 라인 (220) 은 나아가, 열리고 닫히는 밸브 위치에 의존하는 연결된 라인들 및 밸브들로부터의 여분의 물질 (예를 들어 잉여의 선구물질 첨가물 또는 선구물질) 을 빼내기 위하여 압력 제어 유닛 (예를 들어 압력 제어 유닛 (104) 또는 그와 유사한 것) 에 연결된다.
도시된 정화 첨가물 전송 라인들의 구성에서, 다양한 국면에서 및 다양한 이유에서의 증착 시스템 (100) 의 정화 (purging) 는 쉽게 성취된다. 상술한 바와 같이, 선구물질 (예를 들어 Cupraselect) 혼합물의 일부는 먼저 빠지는 경향이 있어서, 상기 전송 라인들 (예를 들어 도 1 의 142) 에서 고체 Cu 를 반응시키고 형성시키는 선구물질의 가능성을 증가시킨다. 제 1 의 정화 첨가물 전송 라인 (202) 은 앰풀의 대체가 필요해질때 선구물질 앰풀 (126) 의 정화를 가능케 한다. 구체적으로, 정화 첨가물의 주입은 선구물질 셧오프 밸브 (136) 및 선구물질 출구 (134) 에 선구물질이 응축 또는 증착되는 것을 방지한다. 제 2 의 정화 첨가물 전송 라인 (206) 은 LMFC (138) 와 기화기 (206) 사이에서 전송 라인의 볼륨(volume)을 정화하는데 유용하다. 비록 상기 볼륨이 최소화되어 어느 한 순간에 존재하는 액체 선구물질의 양을 줄이지만, 이 위치에서의 정화 첨가물의 존재 및 유효성은 상기 볼륨을 정화하여 증착, 연속되는 미립자 형성, 및 선구물질의 기화기 (140) 으로의 이송의 저하를 줄인다. 제 3 의 정화 첨가물 전송 라인 (210) 은 기화기 (140) 에서의 퍼징을 제공한다. 이는 기화기 (140) 가, 적절히 액체 선구물질에 공기를 통하게 하여 기화된 선구물질을 형성하게 설계된 하나 이상의 노즐들을 포함하기 때문에 중요하다. 만약 증착이 기화기 (140) 및 특히 노즐 팁들에서 발생한다면, 노즐 설계는 변경되고 바람직한 증기는 형성되지 않는다. 이러한 조건은 증기가 샤워헤드 (122) 로 이송될때 CVD 프로세스를 저하시킬 수 있다.
도 3 은 나아가 증착 시스템 (100) 에 협조하는 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 의 제 4 의 정화 첨가물 전송 라인 (302) 의 합체의 개략도이다. 구체적으로, 제 4 의 정화 첨가물 전송 라인 (302) 은 서셉터 (116) 에 연결되어 정화 첨가물을, 체임버 (124) 내에서의 프로세스동안 서셉터 (116) 에 유지되는 웨이퍼 (106) 의 엣지 (edge) (312) (또는 배제 영역) 로 제공한다. 도시된 실시예에서, (도 6 및 이하에 기재되는) 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 은 제 4 의 첨가물 전송 라인 (302) 에 연결된다. 그러면 제 4 의 첨가물 전송 라인 (302) 은 밸브 (304) 를 경유하여 서셉터 (116) 에 연결된다. 그로서, 정화 첨가물의 흐름 (306) 은 웨이퍼 (106) 의 엣지 (312) 로 제공된다. 상기 흐름 (306) 은 또한 아르곤, 헬륨 따위와 같은 하나 이상의 엣지 정화 기체들을 포함한다. 엣지 정화 기체 및 정화 첨가물은 배제 영역 (312) 에서의 원하지 않는 증착의 가능성을 줄이는 조건을 창출한다. 구체적으로, 엣지 정화 기체는 물리적인 방식으로 작용하여 (Cupraselect 와 같은) 증기화 선구물질을 배제 영역으로부터 밀어낸다. 부가적으로, 정화 첨가물은 화학적인 방식으로 작용하여, 웨이퍼 (106) 에서의 선구물질의 화학 반응의 가능성을 줄이기 위해 배제 영역 인근에서 선구물질을 안정시킨다. 어떻게 증착 층 두께가 본 발명에 의해 영향받고 제어되는지의 도식적인 표현이 도 3 의 상부에 도시된다. y-축 (x=0) 이 배제 영역 (312) 이 시작되는 웨이퍼 (106) 상의 점과 일치되는 좌표축이 도시된다. y-축의 좌측 (x＜0) 에서, 정화 첨가물의 존재는 선구물질의 임의의 포텐셜 반응을 안정화시키고; 따라서, 어떠한 증착 층도 형성되지 않는다. y-축의 우측 (x
0) 에서, 정화 첨가 물/엣지 정화의 영향은 그다지 크지 않고 증착이 시작된다. x＞0 인 점에서, 증착 층 형성은 소망의 두께 (y1) 에서 발생한다.
상기에 기재된 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 이 도 6 에 도시된다. 정화 첨가물 이송 시스템은, 후에 증기 상 또는 기체 상태로 증착 시스템 (100) 에서의 중요한 위치들로 운반되는 정화 첨가물을 "통기(aerating)" 시키는 능력을 갖춘 "버블러(bubbler)" 형이다. 구체적으로, 비활성 운반 기체 소스 (예를들어 128, 144 따위) 는 비활성 운반 기체를 버블러 입구 라인 (604) 및 밸브 (606) 를 경유하여 버블러 (602) 로 제공한다. 운반 기체는 버블러 (602) 내에서 액체 정화 첨가물 (608) 의 수위보다 낮은 입구 라인 (604) 을 통하여 흐른다. 운반 기체의 액체 정화 첨가물 (608) 및 버블들 (610) 을 통한 운반 기체 버블들은 액체 정화 첨가물 (608) 을 통하여 상승한다. 버블들 (610) 은 액체 정화 첨가물 (608) 의 표면에서 상승하고 터지기 때문에, 액체 정화 첨가물의 적은 양들이 운반 기체에서 용해된다. 상기 운반 기체 및 용해된 정화 첨가물은, 액체 정화 첨가물의 수위보다 높이 위치된 출구 라인 (612) 및 밸브 (614) 를 통하여 버블러 (602) 를 떠난다. 출구 라인 (612) 은 상기한 바와 같이 번갈아 정화 첨가물 전송 라인들 (202, 206, 210, 및 302) 에 연결되고 요구되는 정화 첨가물을 이송한다. 선택적으로, 정화 첨가물 이송 시스템 (600) 은 만약 정화 첨가물의 흐름을 상기 전송 라인들 (202, 206, 210, 및 302) 로 제거할 필요가 있다면 바이패스 라인 (618) 및 밸브 (616) 를 가질 수도 있다.
비록 단지 4개의 정화 첨가물 전송 라인들만이 도시되고 기재되었지만, 어떠한 수의 정화 첨가물 전송 라인들도 증착 시스템 (100) 내의 어떠한 위치로도 합체되어, 시스템의 부분들로부터 여분의 선구물질을 정화하는 바람직한 효과를 창출할 수 있다는 것은 본 발명의 정신과 범위내에서 가능한 것이다. 부가적으로, 선구물질 및 정화 첨가물들은 본 발명에서 단지 일반적으로만 관련되었었다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 Cu, (hfac), 및 TMVS 를 더 포함하는 Cupraselect 의 선구 혼합물의 사용을 합체시킨다. 이러한 실시예는 정화 첨가물 전송 라인들에서 TMVS 의 첨가물을 더 합체시키고 상기 Cupraselect 를 안정화시킨다. 그러나 이는 CVD 의 당업자에게 공지된 다른 선구물질들 및 첨가물들의 사용을 배제하는 것이 아니다.
본 발명의 선구물질 및 정화 첨가물들의 향상된 제어 방법이 이하에 기재된다. 상기 방법은 동시에 도 1 내지 도 4 를 참조로하여 잘 이해된다. 구체적으로, 도 4a 는 도 1 내지 도 3 에서 도시된 것과 같은 기판 증착 프로세스 시스템에서의 선구물질 및 정화 첨가물의 제어를 향상시키기 위한 일련의 단계들 (400) 을 개시한다. 상기 방법은 단계 (402) 에서 시작하고, 반도체 웨이퍼와 같은 기판이 미리 프로세스 체임버에 장착되고 서셉터 (116) 내의 가열 소자 (148) 에 의해 가열되는 단계 (404) 로 진행한다. 하나 이상의 프로세스 물질들 (예를 들어 선구물질들 및 캐리어들) (예를 들어 증기화된 Cupraselect 및 아르곤 기체) 은 웨이퍼의 CVD 를 시작하기위하여 단계 (406) 에서 체임버로 도입된다 (흘러간다). 동시에, 정화 첨가물이 웨이퍼의 배제 영역에서 도입되어 물리적 및 화학 적으로 모두 선구물질들에 작용하여 웨이퍼 엣지에서의 반응들을 안정화 및/또는 감소시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, TMVS 는 단계 (406) 에서 도입되어 배제 영역에서 반응 물질들을 안정화시키고 소거시킨다.
웨이퍼상에 증착된 물질의 바람직한 층을 갖는 단계 (408) 에서, 프로세스 물질들의 흐름은 중지되고, CVD 프로세스는 멈춰지며 웨이퍼는 체임버에서 제거된다. 단계 (410) 에서, 기화기의 정화 (purging) 가 화학적으로 안정된 정화 첨가물 (예를 들어 TMVS) 을 상기한 시스템으로 도입함에 의해 성취된다. 그와 같이, 외부로부터의 Cu 가 내부에 입혀지거나 또는 기화기 또는 샤워헤드 구멍들을 막지 않는다.
본 발명의 선구물질 및 정화 첨가물들의 개선된 제어를 위한 대체적인 방법이 이하에 상세히 기재되고 도 4b 에 개시된다. 구체적으로, 상기한 증착 시스템 (100) 과 같은 증착 시스템의 서비스 또는 유지 주기 동안 상기 물질들의 개선된 제어를 위한 일련의 단계 (420) 가 주어진다. 이러한 유지 사이클에 있어, 유지 동작이 수행되어 시스템 성능을 확장 또는 적응시키는 동안 통상적인 증착 동작들은 일시 중지된다. 예를 들어, 방법 (420) 은 하나 이상의 증착 시스템 (100) 의 부분들을 대기로 여는 것을 요하는 선구물질 소스를 변화시키는데 사용된다. 이러한 조건들은 상기 전송 라인들 또는 기화기에서의 여분의 선구물질이 입혀지거나, 막거나, 또는 응축되어서 시스템내에서 오염 미립자들을 산출 및 이러한 구성요소들의 조건과 성능을 저하시키게끔 한다. 상기 방법은 단계 (422) 에서 시작하고, 정화 첨가물이 증착 시스템 (100) 의 (142) 와 같은 하나 이상의 선구물질 전송 라인들로 도입되어, 단계 (420) 의 시작에 바로 앞서서의 마지막 증착 동작후에 라인들에 남아있는 선구물질, 프로세스 물질 따위의 상기 라인들을 정화시키는 단계 (424) 로 진행한다. 대신에, 상기 정화 첨가물은 증착 시스템 (100) 의 기화기 (140) 또는 시스템으로부터 정화되어야만 하는 선구물질과 접촉하는 임의의 구성요소와 같은 기화기로 도입된다. 일단 임의의 여분의 선구물질이 시스템으로부터 정화되거나 정화 첨가물에 의해 화학적으로 안정되면, 상기 방법은 시스템내에서의 적절한 연결들이 깨지는, 즉 시스템이 대기에 노출되고 요구되는 유지가 수행되는 단계 (426) 으로 진행한다. 예를 들어, 새로운 액체 선구물질 앰풀이 설치된다. 상기 방법은 단계 (428) 에서 종료한다.
선구 및 정화 물질을 제어하기 위한 상기 프로세스 단계들 (400 또는 420) 은 프로세스 제어 시스템 (102) 에 의해 제어되는 시스템에서 수행될 수 있다. 도 5 는 그러한 능력으로 사용될 수 있는 도 1 의 프로세스 제어 시스템 (102) 의 상세 블록도이다. 프로세스 제어 시스템 (102) 은 모두가 제어 유닛 버스 (512) 에 결합되어있는 프로세스 유닛 (502), 메모리 (504), 매스 (mass) 기억 장치 (506), 입력 제어 유닛 (508) 및 디스플레이 유닛 (510) 을 포함한다.
프로세스 유닛 (502) 은 본 발명의 정화 프로세스 물질 방법을 수행하기 위한 프로그램과 같은 프로그램들을 실행할때, 특별한 목적을 갖는 컴퓨터가 되는 범용의 컴퓨터이다. 비록 본 발명이 소프트웨어에 의해 수행되고 범용의 컴퓨터에 의해 실행되는 것으로 기재되었지만, 당업자라면 본 발명의 방법이 주문형 집적 회로 (ASIC) 또는 다른 하드웨어 회로와 같은 하드웨어를 사용하여 동작될 수도 있 다는 것을 알 수 있을 것이다. 그와 같이, 본 발명은 전체 또는 부분으로서 소프트웨어, 하드웨어 또는 양자에 의해 수행될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.
프로세서 유닛 (502) 은 메모리에 기억된 명령들을 실행할 수 있는 마이크로 프로세서 또는 다른 엔진이다. 메모리 (504) 는 하드 디스크 드라이브, 랜덤 접근 메모리 ("RAM"), 읽기 전용 메모리 ("ROM"), RAM 과 ROM 의 조합, 또는 또다른 프로세서 가독성 기억 미디엄으로 이루어질 수 있다. 메모리 (504) 는 프로세서 유닛 (502) 이 상기 언급한 프로세스 단계들의 수행을 쉽게하기 위해 실행하는 명령들을 포함한다. 메모리 (504) 의 명령들은 프로그램 코드의 형태이다. 상기 프로그램 코드는 어떠한 프로그램 언어로도 가능하다. 예를 들어, 상기 프로그램 코드로는 C+, C++, BASIC, Pascal 또는 많은 다른 언어들이 쓰여질 수 있다.
매스 기억 장치 (506) 는 데이터 및 명령들을 기억하고, 마그네틱 디스크 또는 마그네틱 테이프와 같은 프로세서 가독성 기억 미디엄으로부터 데이터 및 프로그램 코드들을 복구한다. 예를 들어, 매스 기억 장치 (506) 는 하드 디스크 드라이브, 플로피 디스크 드라이브, 테이프 드라이브 또는 광 디스크 드라이브일 수 있다. 매스 기억 장치 (506) 는 프로세서 유닛 (502) 으로부터 수령하는 지시들에 응답하여 명령들을 기억하고 복구한다. 매스 기억 장치 (506) 에 의해 기억되고 복구되는 데이터 및 프로그램 코드 명령들은 상기 언급한 프로세스 단계들을 수행하기 위하여 프로세서 유닛 (502) 에 의해 수행된다. 데이터 및 프로그 램 코드 명령들은 우선 매스 기억 장치 (506) 에 의해 미디엄으로부터 복구되고, 프로세스 유닛 (502) 에 의한 사용을 위해 메모리 (504) 로 전달된다.
디스플레이 유닛 (510) 은 프로세서 유닛 (502) 의 제어하에서 그래픽적인 디스플레이들 및 수문자 (alphanumeric) 의 문자들의 형태로 체임버 동작기에 정보를 제공한다. 입력 제어 유닛 (508) 은 키보드, 마우스 또는 라이트펜 (light pen) 과 같은 데이터 입력 유닛을 결합하여 체임버 동작기의 입력의 수령을 제공한다.
제어 유닛 버스 (512) 는 제어 유닛 버스 (512) 에 결합되어 있는 모든 장치들 사이의 데이터 및 제어 신호들의 전송을 제공한다. 비록 제어 유닛 버스 (512) 가 시스템 (102) 에서의 장치들을 직접 연결하는 단일의 버스로서 보이지만, 제어 유닛 버스 (512) 는 또한 버스들의 집합이다. 예를 들어, 디스플레이 유닛 (510), 입력 시스템 (508) 및 매스 기억 장치 (506) 는 입-출력 주변 버스에 연결될 수 있고, 반면에 프로세서 유닛 (502) 및 메모리 (504) 는 로컬 프로세서 버스에 결합된다. 로컬 프로세서 버스 및 칩-출력 주변 버스는 서로 결합되어 제어 유닛 버스 (512) 를 형성한다.
상술한 바와 같이, 프로세스 제어 시스템 (102) 은 증착 시스템 (100) 의 구성 요소들에 결합되고, 본 발명에 따르는 정화 프로세스 물질에 사용된다. 이들 각 구성 요소들은 제어 유닛 버스 (512) 에 결합되어 시스템 (102) 과 상기 구성 요소들간의 통신을 쉽게 한다. 이러한 구성요소들은 다음의 것들을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다: 밸브들 (514) (도 1 의 120, 123, 130, 136; 도 2 의 208, 212, 214, 218 및 도 3 의 308 과 같은 밸브들), 가열 소자 (148), 압력 제어 유닛 (104), 기화기 (140), 혼합 블록 (112), 및 흐름 제어기 (138). 제어 유닛 (102) 은 체임버 구성요소들에 신호들을 제공하여, 상기 구성요소들이 프로세스 물질에 필요한 제어 및 정화를 하는 프로세스 단계들을 위하여 상기한 동작들을 수행하게끔 한다.
동작에 있어, 프로세서 유닛 (502) 은 메모리 (504) 로부터 복구되는 프로그램 코드 명령들에 응답하여 체임버 구성요소들의 동작을 지시한다. 이러한 명령들에 응답하여, 체임버 구성요소들은 상기한 프로세스 단계들 (예를 들어, 도 4a 를 참조) 을 수행하도록 지시된다. 일단 웨이퍼가 프로세스 체임버에 놓이게되면, 단계 (404) 에서 CVD 에 적합한 온도로 가열된다. 단계 (404) 에서 가열을 수행하기 위하여, 프로세서 유닛 (502) 은 메모리 (504) 로부터 복구된 명령들을 실행시킨다. 이러한 명령들의 상기 실행은 웨이퍼를 CVD 에 적합한 온도로 가져가게 (예를 들어 가열 소자 148) 동작되는 증착 시스템의 구성 요소들의 결과를 낳는다. 단계 (406) 에서 프로세스 및 운반 물질들의 도입을 수행하기 위하여, 프로세스 유닛 (502) 은 메모리 (504) 로부터 복구된 명령들을 실행한다. 이러한 명령들의 실행은 웨이퍼상에서 CVD 를 시작하게 동작되는 증착 시스템의 구성 요소들의 결과를 낳는다. (예를 들어, 밸브들 (130, 136) 의 열림 및 CVD 에 적합한 조건들을 수립하는 기화기 (140) 및 압력 제어 유닛 (104) 의 활성화) 엣지 정화를 수행하기 위하여 프로세서 유닛 (502) 은 메모리 (504) 로부터 복구되는 명령들을 실행한다. 이러한 명령들의 실행은 정화 첨가물 및 운반 기체를 웨이퍼 의 엣지로 향하게 함으로써 동작되는 증착 시스템의 구성 요소들의 결과를 낳는다. (예를 들어, 밸브 (304) 의 활성화) 정화 단계 (410) 를 수행하기 위하여, 밸브들 (208 및/또는 212) 의 기화기 및 전송 라인 (142) 을 정화하게 하는 활성화와 같이, 프로세서 유닛 (502) 은 메모리 (504) 로부터 복구된 명령들을 실행한다. 부가적으로, 프로세서 유닛 (502) 은 메모리 (504) 로부터의 복구된 명령들을 실행하여 밸브 (204) 의 활성화에 의해 앰풀을 정화한다.
본 발명은 정화 물질의 제어된 첨가물 및 배치에 의해서, CVD 에 의해 증착되는 구리막들의 성능을 개선시키는 수단을 명백히 제공한다. 게다가, 상기 결과들은 웨이퍼에서 웨이퍼로 시종일관 반복될 수 있다. 그와 같이, 본 발명에 따라 CVD 에 의한 구리막들의 성장 동안 정화 물질의 제어된 배치 및 이송은 반도체 기판들을 제조하는데 적용될 수 있다.
비록 본 발명의 기술적 사상에 따르는 다양한 실시예들이 여기에 상세히 도시되고 기재되었지만, 당업자라면 이러한 기술적 사상에 따르는 많은 다른 변화된 실시예들을 쉽게 고안해 낼 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기판 프로세스 시스템에서 선구물질 및 정화 첨가물들의 향상된 제어 및 조절을 위한 장치와 방법을 제공함으로써, 엣지 정화 기체 능력을 개선시킴은 물론 시스템내에서의 증착 및 미립자 형성의 가능성을 줄이는 효과가 있다.
Claims (21)
- 증착 프로세스 시스템의 선구물질 및 정화 첨가물의 제어 장치에 있어서,상기 증착 프로세스 시스템에 연결되는 증기-상 정화 첨가물 이송 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 증착 프로세스 시스템과 상기 정화 첨가물 이송 시스템 사이를 연결하는 복수의 정화 첨가물 전송 라인들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 증착 프로세스 시스템은,앰풀;상기 앰풀에 연결되는 액체 매스 흐름 제어기; 및상기 액체 매스 흐름 제어기에 연결되는 기화기를 갖는 선구물질 이송 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중의 하나는 상기 앰풀과 상기 액체 매스 흐름 제어기 사이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중의 하나는 상기 액체 매스 플로우 제어기와 상기 기화기 사이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중의 하나는 상기 기화기에 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 증착 프로세스 시스템은, 서셉터를 가지며 선구물질 이송 시스템에 연결되는 프로세스 체임버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중의 하나는 상기 서셉터에 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 선구물질 및 정화 첨가물의 제어 장치에 있어서,프로세스 체임버;상기 프로세스 체임버에 연결되는 선구물질 이송 시스템; 및상기 프로세스 체임버와 상기 선구물질 이송 시스템 사이에서 연결되는 증기-상 정화 첨가물 이송 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 정화 첨가물 이송 시스템은 복수의 정화 첨가물 전송 라인들을 경유하여 상기 프로세스 체임버 및 상기 선구물질 이송 시스템에 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 선구물질 이송 시스템은,앰풀;상기 앰풀에 연결되는 액체 매스 흐름 제어기: 및상기 액체 매스 흐름 제어기에 연결되는 기화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중의 하나는 상기 앰풀과 상기 액체 매스 흐름 제어기 사이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중의 하나는 상기 액체 매스 흐름 제어기와 상기 기화기 사이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중의 하나는 상기 기화기에 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 프로세스 체임버는 서셉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 복수의 정화 첨가물 전송 라인들 중 하나는 상기 서셉터에 연결되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
- 증착 체임버와 상기 체임버에 연결되는 선구물질 이송 시스템을 포함하는 증착 시스템에서 오염 미립자 산출을 제어하는 방법으로서,상기 방법은,상기 증착 체임버에서 서셉터 위에 기판을 가열하는 단계;상기 선구물질 이송 시스템으로부터 선구물질 및 운반 물질들을 도입하여 화학 기상 증착 (CVD) 를 시작하는 단계;정화 첨가물을 상기 체임버로 도입하는 단계; 및증기 상 정화 첨가물을 상기 선구물질 이송 시스템으로 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
- 제 17 항에 있어서,상기 선구물질 및 운반 물질들을 도입하는 단계는 액체 선구물질을 기화 시키고 운반 기체와 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
- 제 18 항에 있어서,정화 첨가물을 상기 체임버로 도입하는 단계는 정화 첨가물을 웨이퍼의 엣지로 제공하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 선구물질 이송 시스템은 액체 매스 흐름 제어기 및 기화기를 더 포함하고,정화 첨가물을 상기 선구물질 이송 시스템으로 제공하는 상기 단계는,정화 첨가물을 기화기 및 액체 매스 제어기와 기화기 사이의 연결부로 이끄는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
- 제 17 항에 있어서,정화 첨가물을 상기 선구물질 이송 시스템의 앰풀로 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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