KR100769138B1 - 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마산화막 형성장치 및 형성방법 - Google Patents

고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마산화막 형성장치 및 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 갭-필의 능력을 향상시킬 수 있도록 한 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치는 바이어스(Bias) 주파수에 의해 플라즈마화되는 반응가스를 이용하여 소정 깊이의 트렌치를 포함한 반도체 기판의 전면에 플라즈마 산화막을 형성하는 장치에 있어서, 챔버 내부에 설치되어 상기 반도체 기판을 흡착하는 정전척과, 상기 챔버 내부에 전기장을 유도하는 상부 및 측부 유도코일과, 상기 챔버의 내부에 상기 반응가스를 공급하는 복수의 가스 노즐과, 상기 반응가스가 플라즈마화되도록 상기 정전척에 0.1 ~ 100㎑의 바이어스 주파수를 공급하는 바이어스 주파수 발생부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하여 본 발명은 플라즈마 산화막의 갭-필시 보이드 발생을 억제하여 높은 종횡비를 가지도록 갭-필 특성을 향상시킬 수 있으며, 플라즈마 또는 금속 및 실리콘의 손상을 방지할 수 있다.
플라즈마 산화막, 갭-필, 보이드, 트렌치, KHz

Description

고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING OF PLASMA OXIDE LAYER USING THE HIGH DENSITY PLASMA CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
도 1은 종래의 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법에 의해 형성된 플라즈마 산화막을 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1, 120 : 반도체 기판 2, 122 : 플라즈마 산화막
4 : 보이드 102 : 챔버
110 : 정전척 130 : 상부 유도코일
132 : 제 1 고주파 발생부 140 : 측부 유도코일
142 : 제 2 고주파 발생부 152 : 바이어스 주파수 발생부
160 : 노즐 170 : 펌프
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 갭-필의 능력을 향상시킬 수 있도록 한 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 기술이 점차 고집적화 되고 있으며, 또한 빠른 처리속도가 요구됨에 따라 다층 금속배선 구조가 필수적으로 사용되고 있다. 이와 같은 다층 금속배선 구조에서 각 층간의 층간절연막을 형성하기 위하여 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방식이 주로 사용되고 있다. 상기 화학기상증착 방식은 화학소스(Chemical source)를 가스 상태로 장치 내에 공급하여 웨이퍼 표면상에서 확산을 일으킴으로써 층간절연막 등을 웨이퍼 표면에 증착시키는 기술이다.
또한, 반도체 소자의 고집적화에 따라 트랜치 소자분리 공정 및 층간절연막(ILD: Inter layer Dielectric) 구조에서 점점 더 정교한 임계치수(Critical Domension) 및 높은 종횡비(Aspect ratio)가 요구됨에 따라 금속 배선들간의 간격이 점차 미세화됨에 따라 상술한 플라즈마 화학기상증착 방법으로 금속 배선들 사이의 갭(Gap)을 완전히 채우는데 한계에 도달하였다.
이에 따라 금속 배선들 사이의 갭을 채우는 능력을 극대화시킬 수 있는 고밀도 플라즈마 화학기상증착(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) 방법이 개발되었다.
고밀도 플라즈마 화학기상증착 방식은 종래의 플라즈마 화학기상증착 방식보다 이온화 효율을 향상시키기 위하여 훨씬 낮은 압력, 예컨대 수 mtorr에서 공정이 진행되고, 플라즈마 챔버 내에 전기장과 함께 자기장이 인가된다. 따라서 고밀도 플라즈마 화학기상증착 방식의 경우, 종래의 플라즈마 화학기상증착 방식보다 많은 가속 에너지를 얻을 수 있으며, 높은 이온화 밀도에 기인하여 더 많은 반응 라디칼이 생성된다. 이러한 고밀도 플라즈마 화학기상증착 방식은 침적과 불활성 가스를 이용한 에치백(etch back)을 동시에 실시하여, 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 공간을 보다 효과적으로 채울 수 있도록 고안된 방식이다.
이러한, 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치는 플라즈마를 발생시키는 고주파 전원(Ratio Frequency Power) 및 활성화된 종(Species)을 금속 배선들 사이의 갭으로 끌어들이는 바이어스(Bias) 주파수를 이용한다. 이때, 바이어스 주파수는 MHz대의 영역을 이용한다.
이러한 종래의 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치를 이용한 반도체 소자의 갭필 방법은 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 기판(1)에 소정 깊이로 형성된 트렌치(Trench)에 USG(Undoped Silicate Glass)(2)를 갭-필할 경우, 반도체 기판(1)에 증착된 입자들이 다시 스퍼터링 식각되며, 특히 모서리 부분(3)은 전기장이 집중되므로 반도체 기판(1)의 상부면 및 벽면보다 상대적으로 많은 식각이 일어나게 된다. 이와 같이, 식각된 산화 실리콘(또는 USG)입자는 바이어스 주파수가 MHz대이기 때문에 높은 운동 에너지를 가지고 빠른 속도로 운동하는 증착입자와 충돌하여 운동에너지를 잃어버림으로써, 충분히 이동할만한 시간을 확보하지 못한 상태에서 반도체 기판에 증착된다.
따라서, 식각된 입자, 특히 트렌치 내부에서 식각된 입자는 충분히 이동하여 반도체 기판에 증착되지 못하고, 전기장이 집중되는 소자 분리막(Shallow Trench Isolation)의 모서리 또는 금속배선 상부에 많은 양이 증착되어져서 보이드(Void)(4)를 유발하여 갭-필(Gap-Fill) 능력이 감소하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 반도체 소자의 갭-필의 능력을 향상시킬 수 있도록 한 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치는 바이어스(Bias) 주파수에 의해 플라즈마화되는 반응가스를 이용하여 소정 깊이의 트렌치를 포함한 반도체 기판의 전면에 플라즈마 산화막을 형성하는 장치에 있어서, 챔버 내부에 설치되어 상기 반도체 기판을 흡착하는 정전척과, 상기 챔버 내부에 전기장을 유도하 는 상부 및 측부 유도코일과, 상기 챔버의 내부에 상기 반응가스를 공급하는 복수의 가스 노즐과, 상기 반응가스가 플라즈마화되도록 상기 정전척에 0.1 ~ 100㎑의 바이어스 주파수를 공급하는 바이어스 주파수 발생부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 바이어스 주파수에서 펄스의 듀티 비가 1:100~99:100인 것을 특징으로 한다.
상기 바이어스 주파수 발생부는 500 ~ 4000W의 바이어스 전원을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 및 측부 유도코일 각각에는 500 ~ 4000W의 바이어스 전원을 사용하는 주파수 발생부로부터 동일하거나 다른 MHz대의 고주파가 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 산화막은 산화 실리콘 또는 USG(Undoped Silicate Glass)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성방법은 바이어스(Bias) 주파수에 의해 플라즈마화되는 반응가스를 이용하여 소정 깊이의 트렌치를 포함한 반도체 기판의 전면에 플라즈마 산화막을 형성하는 방법에 있어서, 챔버 내부에 설치된 정전척에 상기 반도체 기판을 흡착하는 단계와, 상부 및 측부 유도코일에 고주파를 인가하여 상기 챔버 내부에 전기장을 유도하는 단계와, 상기 챔버의 내부에 상기 반응가스를 공급하는 단계와, 상기 반응가스가 플라즈마화되도록 상기 정전척에 0.1 ~ 100㎑의 바이어스 주파수 를 공급하여 상기 트렌치를 포함한 반도체 기판의 전면에 플라즈마 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치는 소정 깊이를 갖는 트렌치(Trench)가 형성된 반도체 기판(120)과, 챔버(102) 내부에 설치되어 반도체 기판(120)을 흡착하는 정전척(110)과, 챔버(102)의 상부에 설치된 상부 유도코일(130)과, 챔버(102)의 측면에 설치된 측부 유도코일(140)과, 챔버(102)의 내부에 설치되어 챔버(102) 내부로 반응가스들을 주입하기 위한 복수의 가스 노즐(60)과, 상부 유도코일(130)에 MHz대의 제 1 고주파를 공급하는 제 1 고주파 발생부(132)와, 측부 유도코일(140)에 MHz대의 제 2 고주파를 공급하는 제 2 고주파 발생부(142)와, 정전척(110)에 0.1 ~ 100㎑의 바이어스(Bias) 주파수를 공급하는 바이어스 주파수 발생부(152)와, 챔버(102)의 하부에 설치되어 챔버(102)의 내부를 진공 또는 배기시키는 펌프(170)를 구비한다.
상부 유도코일(130)은 1000 ~ 5000W의 고주파 전원을 사용하는 제 1 고주파 발생부(132)로부터 MHz대의 제 1 고주파를 공급받는다.
측부 유도코일(140)은 1000 ~ 5000W의 고주파 전원을 사용하는 제 2 고주파 발생부(142)로부터 MHz대의 제 2 고주파를 공급받는다. 이때, 제 2 고주파는 제 1 고주파와 동일하거나 다를 수 있다.
바이어스 주파수 발생부(152)는 0.1 ~ 100㎑의 바이어스(Bias) 주파수를 발생하여 정전척(110)에 공급한다. 이때, 바이어스 주파수에서 펄스의 듀비 비가 1:100~99:100로 설정된다. 그리고, 바이어스 주파수 발생부(152)는 500 ~ 4000W의 고주파 전원을 사용한다.
정전척(110)은 바이어스 주파수 발생부(152)로부터 공급되는 0.1 ~ 100㎑의 바이어스(Bias) 주파수에 따라 반도체 기판(120)을 흡착한다.
복수의 가스 노즐(160)은 도시하지 않은 탱크로부터 반도체 기판(120)에 형성된 트렌치에 고밀도 플라즈마 산화막(122)을 형성하기 위한 반응가스들인 실레인(SiH4), 산소(O2) 및 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스가 공급되게 된다. 이때, 고밀도 플라즈마 산화막(122)은 산화 실리콘(SiO2) 또는 USG(Undoped Silicate Glass)이 될 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법은 정전척(110)에 0.1 ~ 100㎑의 바이어스(Bias) 주파수를 인가하여 챔버(102)로 공급된 반도체 기판(120)을 흡착한 상태에서 상부 유도코일(130) 및 측부 유도코일(140) 각각에 1000 ~ 5000W의 고주파 전원을 인가하여 챔버(102) 내부에 전기장을 유도한다. 이와 동시에 복수의 노즐(160)을 통해 플라즈마 산화막(122)을 반도체 기판(120)에 증착하기 위한 반응가 스를 챔버(102)의 내부로 공급한다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법은 챔버(102) 내부로 공급된 반응가스들은 챔버(102) 내부에 유도되는 전기장에 의해 플라즈마화되고, 플라즈마화된 반응가스들은 반도체 기판(120)의 표면에서 반응하여 증착됨으로써 트렌치를 포함하는 반도체 기판(120)의 전면에 플라즈마 산화막(122)을 형성한다.
여기서, 트렌치를 포함하는 반도체 기판(120)의 전면에 플라즈마 산화막(122)을 형성시 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈마에 의해 식각된 산화 실리콘(또는 USG) 입자가 다시 표면으로 흡착되었을때 트렌치의 홈 방향으로 이동함으로써 보이드(Void) 없이 트렌치에 플라즈마 산화막(122)을 갭-필할 수 있다. 이는 바이어스 주파수가 KHz 또는 펄스이기 때문에 플라즈마에 의해 식각된 입자가 다른 입자와 충돌하는데 걸리는 시간이 1,000 ~ 10,000ms 정도 길기 때문에 훨씬 많은 거리를 이동할 수 있어 캡-필시 보이드의 발생을 억제할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치 및 형성방법은 반응가스를 플라 즈마화시키기 위한 바이어스 주파수를 KHz의 낮은 주파수 또는 펄스 형태로 공급함으로써 플라즈마 산화막의 갭-필시 보이드 발생을 억제하여 높은 종횡비를 가지도록 갭-필 특성을 향상시킬 수 있으며, 플라즈마 또는 금속 및 실리콘의 손상을 방지할 수 있다.

Claims (10)

  1. 바이어스(Bias) 주파수에 의해 플라즈마화되는 반응가스를 이용하여 소정 깊이의 트렌치를 포함한 반도체 기판의 전면에 플라즈마 산화막을 형성하는 장치에 있어서,
    챔버 내부에 설치되어 상기 반도체 기판을 흡착하는 정전척과,
    상기 챔버 내부에 전기장을 유도하는 상부 및 측부 유도코일과,
    상기 챔버의 내부에 상기 반응가스를 공급하는 복수의 가스 노즐과,
    상기 반응가스가 플라즈마화되도록 상기 정전척에 0.1 ~ 100㎑의 바이어스 주파수를 공급하는 바이어스 주파수 발생부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어스 주파수에서 펄스의 듀티 비가 1:100~99:100인 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어스 주파수 발생부는 500 ~ 4000W의 바이어스 전원을 사용하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 및 측부 유도코일 각각에는 500 ~ 4000W의 바이어스 전원을 사용하는 주파수 발생부로부터 동일하거나 다른 MHz대의 고주파가 인가되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 산화막은 산화 실리콘 또는 USG(Undoped Silicate Glass)인 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성장치.
  6. 바이어스(Bias) 주파수에 의해 플라즈마화되는 반응가스를 이용하여 소정 깊이의 트렌치를 포함한 반도체 기판의 전면에 플라즈마 산화막을 형성하는 방법에 있어서,
    챔버 내부에 설치된 정전척에 상기 반도체 기판을 흡착하는 단계와,
    상부 및 측부 유도코일에 고주파를 인가하여 상기 챔버 내부에 전기장을 유도하는 단계와,
    상기 챔버의 내부에 상기 반응가스를 공급하는 단계와,
    상기 반응가스가 플라즈마화되도록 상기 정전척에 0.1 ~ 100㎑의 바이어스 주파수를 공급하여 상기 트렌치를 포함한 반도체 기판의 전면에 플라즈마 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이어스 주파수에서 펄스의 듀티 비가 1:100~99:100인 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 정전척에는 500 ~ 4000W의 바이어스 전원을 사용하는 바이어스 주파수 발생부로부터 상기 0.1 ~ 100㎑의 바이어스 주파수가 공급되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 및 측부 유도코일 각각에는 500 ~ 4000W의 바이어스 전원을 사용하는 주파수 발생부로부터 동일하거나 다른 MHz대의 고주파가 인가되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 산화막은 산화 실리콘 또는 USG(Undoped Silicate Glass)인 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 화학기상 증착 방법을 이용한 플라즈마 산화막 형성방법.
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