KR100786366B1 - 막 증착시 금속 두께의 자동 제어 - Google Patents

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Abstract

증착 챔버 내에서 금속 막을 증착하는 동안 금속 막의 두께를 자동으로 제어하는 새로운 방법이 개시된다. 이 방법은 증착 챔버 내의 웨이퍼에 증착되는 금속 막에 가해지는 X-레이 빔을 발생시키는 단계 및 금속 막의 X-레이 형광성을 검출하는 단계를 포함한다. X-레이 형광성에 기초하여 결정되는 금속 막의 두께는 미리 정해진 값과 비교되며, 결정된 두께가 미리 정해진 값과 다르면, 증착을 계속한다. 결정된 두께가 미리 정해진 값에 도달하면, 증착은 중지된다.
금속 막, 스퍼터링, 스퍼터 증착, X-레이, 형광성, 두께 제어, 비교

Description

막 증착시 금속 두께의 자동 제어{AUTOMATED CONTROL OF METAL THICKNESS DURING FILM DEPOSITION}
본 발명은 반도체 디바이스의 제조에 관한 것으로서, 특히 X-레이 형광성(XRF) 검출을 이용하여 막을 증착하는 동안 금속의 두께를 자동으로 제어하는 것에 관한 것이다.
US-A-4 169 228호는 실리콘 기판 위의 얕은 표면층들의 깊이를 분석 그리고/또는 결정하는 데에 X-레이 형광성을 이용하는 것을 개시한다. 이 기술은 실리콘 기판 위의 층을 이룬 구조에 X-레이 빔을 가하는 단계 및 광각 빔 검출기를 이용하여 형광성을 검출하는 단계를 포함한다. 결과적으로 생성되는 스펙트럼 사진을 분석하여 층들의 깊이를 결정한다.
2000년 4월 10일, 연구 발표 데이터베이스 제432122호(인터내셔날 비즈니스 머신즈 코포레이션)는 웨이퍼 위의 합금 막의 조성을 제어하는 방법을 개시한다. 합금 막의 조성은 웨이퍼의 중심에서부터 에지까지 달라진다. 예를 들어, PtMn 막에 있어서, Mn의 조성은 70o의 스테이지 각을 갖는 웨이퍼 에지에서 보다 높다. 이 방법은, 증착되는 합금층의 조성 균일성을 달성하기 위해, 막을 증착하는 동안 웨이퍼를 지탱하고 있는 스테이지를 기울이는 단계를 포함한다.
US-A-5 657 363호는 X-레이 광자들의 특징적인 에너지 레벨들을 분석함으로써 반도체 기판 위에 형성된 다중층 구조들의 조성 및 두께를 결정하는 방법을 개시한다.
US-A-5 113 421호는 금속 기판 위의 코팅의 두께 및 조성을 동시에 측정하는 방법을 개시한다. 이 방법은 코팅의 표면에 서로 다른 각도에서 제 1, 2 X-레이 빔들을 가하는 단계 및 서로 다른 에너지 레벨들을 갖는 광자들의 세기를 검출하는 단계를 포함한다.
반도체 디바이스를 제조하는 동안, 얇은 금속층들이 반도체 웨이퍼들에 증착되어, 비아들과, 라인들과, 그리고 확산 장벽들, 부착 또는 씨드층들, 주요 전도체들, 반사 방지 코팅들 및 식각 중지층들 등의 많은 층들을 형성한다. 예를 들어, 물리 기상 증착(PVD)이라고도 알려져있는 스퍼터 증착은 반도체 웨이퍼들에 금속 박막 구조들을 제조하는 데에 널리 이용된다. 스퍼터링은 고체 물질로부터 원자들을 제거한 다음, 결과로서 생기는 증기(vapor)를 가까운 기판에 증착하는 것을 포함한다.
스퍼터 증착은 대개 마그네트론으로 알려져있는 다이오드 플라즈마 시스템 내에서 수행되는바, 여기에서 캐소드는 이온 충격에 의해 스퍼터링되어 원자들을 방출하며, 이들은 박막의 형태로 웨이퍼에 증착된다. 리소그래피 방식에 따라, 이러한 막들은 이후 반응성 이온 식각(RIE)에 의해 식각되거나, 또는 회로 배선폭(circuit feature)들의 윤곽을 나타내는데 도움이 되도록 화학 기계적인 연마(CMP)에 의해 연마된다.
금속들, 합금들 및 화합물의 고속 증착에 일반적으로 이용되는 주요 시스템 타입은 마그네트론 캐소드 시스템으로 알려져 있다. 이러한 타입의 툴은 플라즈마 내에서의 전자들의 자기적 제한(magnetic confinement)을 이용하는바, 이러한 툴은 무선 주파수(rf) 또는 직류(dc) 다이오드 시스템들 보다 플라즈마 밀도를 더 높게 할 수 있다. 플라즈마 밀도가 보다 높게 되면 방전 임피던스를 줄여, 전류를 훨씬 더 증가시키고, 전압 방전을 보다 낮게 한다. 개략적인 예로서, 2kW에서 동작하는 rf 다이오드 툴은 2000V 이상의 피크간 rf 전압을 가질 것이다. 2kW에서 동작하는 전형적인 마그네트론 시스템은 400V의 dc 방전 전압을 가질 것이며, 캐소드에서 5A의 이온 전류를 가질 것이다.
제조에 이용되는 현재의 마그네트론 시스템들은 스테인레스 강철로 제조된다. 이들은 전형적으로, 큰 직경의 밸브들에 의해 증착 챔버들에 바로 연결되는 저온 펌프(cryopump)들로 구성되며, 결과적인 기초 압력은 일반적으로 대부분의 캐소드들에 대해서는 낮은 10-8 Torr 범위이고, Ti에 대해서는 10-9 Torr이며, 증착된 막들의 화학적인 활성 특성은 시스템의 순수 펌핑 속도에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
스퍼터링 동안의 작동 압력은 전형적으로 0.5 내지 30 mTorr인바, 이는 수십 sccm의 가스 흐름을 필요로 한다. 기초 압력에 관한 사항들을 고려함으로써, 제조 수준의(manufacturing-level) 시스템들은 문제를 겪지 않게 되며, 이에 따라 증착시 챔버의 정확한 기초 압력을 대략 유지한다. 대규모 반도체 응용들에 이용되는 마그네트론 챔버들은 집적 공정 로드 락 툴(integrated-process load-locked tool)에 포트로서 구성되며, 웨이퍼들은 로드 락에 의해 증착 챔버로 유입된다.
스퍼터 증착은 증착 시간에 의해 조정된다. 시간에 대해 속도를 교정(calibration)한 다음, 고정된 시간 주기 동안 막들이 증착된다. 그러나, 공정 편차로 인해, 특정한 웨이퍼들 또는 로트(lot)들에 대해 증착되는 막들의 두께는 막을 증착하는 동안에는 제어하기가 어렵다. 전형적으로, 금속 막의 두께는 일부 샘플링된 웨이퍼들에 증착 후 측정된다.
그러나, 제조된 반도체 디바이스들의 기계적 및 전기적인 특성들은 금속 막의 두께에 상당히 의존한다. 두께의 변화는 디바이스의 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서, 막을 증착하는 동안 모든 웨이퍼에 대해 금속 막의 두께를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명은 반도체 디바이스를 제조하는 동안 웨이퍼에 증착되는 금속 막의 파라미터를 모니터하는 새로운 방법을 제공한다. 이 방법은 증착 챔버 내의 웨이퍼에 금속 막을 증착하는 동안 금속 막에 가해지는 X-레이 빔을 발생시키는 단계와, 그리고 막의 요구되는 파라미터를 결정하기 위해 금속 막의 X-레이 형광성(X-ray fluorescence)을 검출하는 단계를 포함한다.
결정된 파라미터는 미리 정해진 값과 비교되며, 결정된 파라미터가 미리 정해진 값과 다르면, 금속 막의 증착은 계속된다. 결정된 파라미터가 미리 정해진 값과 일치하면, 금속 막의 증착은 중지된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 웨이퍼에 증착되는 금속 막의 두께는, 금속 막에 가해지는 X-레이 빔을 발생시킨 다음 막의 X-레이 형광성을 검출함으로써, 막을 증착하는 동안 자동으로 제어된다.
검출된 X-레이 형광성에 기초하여 결정된 금속 막의 두께는 미리 정해진 값과 비교되며, 결정된 두께가 미리 정해진 값 보다 작다면 증착은 계속된다. 결정된 두께가 미리 정해진 값에 이르면, 증착은 중지된다.
본 발명의 다른 양상들 및 장점들은, 본 발명을 실행하는 최상의 방법으로 고려되는 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하는 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확해질 것이다. 본 발명의 다른 실시예들이 가능하며, 이들의 여러 세부 사항들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 많은 명백한 관점들에서 변형될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 도면들 및 상세한 설명은 한정적인 것이 아닌 예시적인 것으로서 간주되어야 한다.
도 1은 본 발명을 실시하는 예시적인 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 금속 두께를 자동으로 제어하는 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 일반적으로 CVD, PVD, PECVD 등의 많은 증착 공정들 동안 금속의 두께를 제어하는 데에 적용되지만, 본 발명의 바람직한 실시예는 금속 막들의 스퍼터 증착을 예시적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 금속의 두께를 제어하기 위한 예시적인 자동화 시스템(10)을 개략적으로 도시한다. 이 시스템(10)은 증착 챔버 내에 위치된 웨이퍼 위에서의 Ni, Co, Al, Ti, TiN, W 및 Cu 등의 금속들의 증착을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 웨이퍼에 증착되는 금속 막의 두께는 X-레이 형광성(XRF)을 이용하여 제어된다. XRF 결과는 필터링되지 않은 X-레이 빔을 샘플에 조사하는 것에 기초한다. 충분히 짧은 파장의 X-방사빔이 이용된다면, 여기된 샘플로부터 특징적인 X-스펙트럼들이 관찰될 수 있다. X-레이 형광성은 전자들이 X-방사를 흡수하여 자신들을 보다 높은 궤도로 올릴 때에 발생하며, 에너지를 얻은 전자들은 이후 일련의 단계들을 통해 보다 낮은 에너지 상태들로 떨어진다. 이러한 과정의 결과로서, 보다 낮은 에너지 상태들에서 광자들이 방출된다. 형광성 X-레이들의 결과적인 세기들은, 전자들의 빔에 의한 직접 여기로부터 얻어지는 X-레이 빔의 세기들 보다 거의 1000배의 계수 만큼 작다.
시스템(10)은 XRF 검출에 적절한 X-레이빔을 방출하는 X-레이 소스(12)를 포함한다. X-레이 튜브가 X-레이 소스(12)로서 이용될 수 있다. 전형적인 X-레이 튜브는, X-방사를 제한하는 중금속 헤드, 얇은 베릴륨 창 및 진공을 유지하는 오목한 유리 엔벨로프(reentrant glass envelope)로 이루어진다. 상기 헤드는 텅스텐 필라멘트를 포함하는바, 이는 전류에 의해 백열로 가열되어 전자들을 방출하며, 방출된 전자들은 오목한 포커싱 전극 상에 포커싱된 후, 높은 양(positive) 전위에서 동작하는 애노드쪽으로 가속된다. 애노드는 중 구리 블럭에 끼워지는(imbeded) 얇은 금속판으로 이루어지는바, 이는 열을 초점으로부터 멀리 전도한다. 이 초점에는 필라멘트 전자들이 충격(bombardment)되며, X-레이들의 소스가 된다. X-레이들은 모든 방향들로 방출되지만, 베릴륨 창을 통해 금속 헤드로부터 나온다.
X-레이 소스(12)는 웨이퍼(16)에 금속 막을 증착하는 데에 이용되는 스퍼터 챔버(14) 가까이 또는 그 내에 배치된다. 예를 들어, PVD 증착이 이용될 수 있다. 스퍼터 챔버(14) 내에 배치된 스퍼터 타겟(18)에는 아르곤 이온들이 충격되며, 이 아르곤 이온들은 타겟(18)의 고체 물질로부터 원자들을 제거한다. 결과적인 증기가 웨이퍼(16)에 증착된다. 타겟 물질 외에, 타겟(18)은 구리 뒷받침판(backing plate)을 포함할 수 있다. 강한 영구 자석들의 어레이로 이루어지는 마그네트론 캐소드가 타겟(18) 뒤에 배치될 수 있다. 자석들은 타겟의 표면에 걸쳐 자기장을 생성하여 전자들을 트랩한다.
타겟 부식을 책임지는 아르곤 이온들이 글로 방전 플라즈마 발생기(glow-discharge plasma generator)에 의해 생성될 수 있는바, 이는 캐소드로서 상기 타겟을 이용하고, 애노드로서 스퍼터 챔버 벽 또는 다른 어떠한 전극을 이용한다. 이러한 전극들간에 전압이 인가되어 자유 전자들을 가속시키는바, 이 자유 전자들은 가스 분자들에 충격을 주어 여기 상태의 이온들, 보다 많은 자유 전자들, 자유기(free radical)들 및 분자들을 생성한다. 이러한 것들은 자발적으로 그들의 기저 상태들로 되어 광자들을 발생시킨다. 일단 광자들이 생성되면, 이러한 입자들은 플라즈마로부터 타겟쪽으로 확산된다.
X-레이 소스(12)는 증착되는 금속 막쪽으로 X-레이 빔을 가하도록 설치된다. X-레이 빔에 의해 금속 막은 특징적인 형광성 라인들을 방출한다. XRF 검출기(20)는 스퍼터 챔버(14) 내에 또는 그 근처에 배치되어, X-레이 형광성을 검출한다. 시준기들이(collimators), 발산하는 X-레이들을 가로채어 평행빔을 검출기의 창으로 향하도록 하는 데에 이용될 수 있다. X-레이 소스(12) 및 XRF 검출기(20)가 스퍼터 챔버(14)의 바깥쪽에 설치된다면, X-레이 소스(12)에 의해 생성된 X-레이 빔이 금속 막으로 전달될 수 있도록, 그리고 금속 막에 의해 방출되는 X-레이 형광성이 XRF 검출기(20)로 전달될 수 있도록, 스퍼터 챔버(14) 내에 X-레이 투명 창이 만들어질 수 있다.
예를 들어, 고상(solid-state) 반도체 XRF 검출기가, 웨이퍼에 증착되는 금속 막에 의해 방출된 X-레이 형광성을 검출하는 데에 이용될 수 있다. 고상 XRF 검출기(20)는, 리튬을 p형 실리콘 또는 게르마늄 내에 확산시킴으로써 형성된 영역을 갖는 실리콘 단결정 반도체로 이루어진 리튬 드리프트 XRF 검출기(lithium drifted XRF detector)가 될 수 있다. 이 영역은 p형 및 n형 영역들 사이에 끼워진다. 이 리튬 드리프트 XRF 검출기는 리튬의 매우 높은 확산 속도때문에 액체 질소 온도로 유지될 필요가 있다.
반도체 내의 다수의 전자-정공쌍들은 X-레이 광자가 흡수될 때 마다 발생된다. 저잡음, 고이득의 전치 증폭기가, 검출기에 의해 발생된 검출 신호를 증폭시키는 데에 이용될 수 있다. 당업자라면 가스 충전 XRF 검출기 또는 광전자 XRF 검출기 또한 XRF 검출기(20)로서 이용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
금속 막의 X-레이 형광성은 막 두께를 포함하는 금속 막의 많은 파라미터들을 나타낸다. XRF 검출기(20)는 금속 막의 X-레이 형광성을 나타내는 출력 신호를 발생시킨다. 예를 들어, XRF 검출기(20)는 증착되는 특정한 금속들에 대한 막 두께 의 미리 정해진 값들에 응답하여 소정의 출력값들을 발생시키도록 미리 교정될 수 있다. XRF 검출기(20)의 출력 신호는 금속 박막의 스퍼터 증착을 제어하는 공정 제어기(22)에 공급된다. 공정 제어기(22)는 하기 설명되는 기능들을 수행하는 논리 회로들 및 다른 구성 요소들을 갖는 특별 설계된 칩으로서 실시될 수 있다. 대안적으로, 공정 제어기(22)는 범용 디지털 신호 처리기 및 적절한 프로그래밍을 이용하여 실시될 수 있다.
도 2의 흐름도는 본 발명에 따라 금속 막의 두께를 제어하는 방법을 도시한다. 스퍼터 챔버(14) 내에 설치된 웨이퍼에 금속 막을 스퍼터 증착하는 동안(블럭 32), X-레이 소스(12)는 금속 막에 가해지는 X-레이 빔을 방출한다. XRF 검출기(20)는 X-레이 빔이 조사되는 금속 막에 의해 방출되는 X-레이 형광성을 검출한다(블럭 34). 금속 막의 두께를 나타내는 XRF 검출기(20)의 출력 신호는 공정 제어기(22)에 공급되며, 이 공정 제어기(22)는 금속 막의 두께를 결정한 다음, 검출된 두께와 미리 정해진 값을 비교한다.
공정 제어기(22)가 금속 막의 두께가 미리 정해진 값 보다 작다고 결정하면(블럭 36), 금속 막 증착을 계속하도록 스퍼터 증착 공정을 제어한다. 공정 제어기(22)가 금속 막의 두께가 미리 정해진 값에 도달했다고 결정하면, 증착 공정을 중지한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 소정 두께를 갖는 금속 막을 증착하기 위한 증착 공정동안에, 모든 웨이퍼 상에서 금속 막 두께에 대한 자동적인 인-시츄(in-situ) 제어가 가능하다.
당업자는 본 발명이 발명 개념의 정신 및 범위 내에서 많은 변형들을 허용한 다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 설명한 바와 같이, X-레이 소스(12), XRF 검출기(20) 및 공정 제어기(22)는 다수의 다른 방법으로 실시될 수 있다. 챔버(14)는 Ni, Co, Al, Ti, TiN, W 및 Cu 등의 금속들을 증착하기 위한 PVD, CVD 또는 PECVD 등의 어떠한 타입의 막 증착을 수행하는 어떠한 챔버 또는 노(furnace)가 될 수 있다.
삭제

Claims (10)

  1. 반도체 웨이퍼에 증착되는 금속 막의 파라미터를 모니터하는 방법으로서,
    증착 챔버 내의 상기 웨이퍼에 금속 막을 증착하는 동안, 상기 금속 막에 가해지는 X-레이 빔을 발생시키는 단계와;
    상기 금속 막의 파라미터를 결정하기 위해 상기 금속 막의 X-레이 형광성을 검출하는 단계와; 그리고
    상기 결정된 파라미터와 미리 정해진 값을 비교한 다음, 상기 결정된 파라미터가 상기 미리 정해진 값과 다르다면 상기 금속 막의 증착을 계속하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 막의 X-레이 형광성은 상기 웨이퍼에 증착되는 상기 금속 막의 두께를 제어하기 위해 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 막의 증착은, 상기 결정된 파라미터와 상기 미리 정해진 값이 일치하는 경우 중지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 막의 증착은 스퍼터 증착을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 반도체 웨이퍼에 증착되는 금속 막의 두께를 자동으로 제어하는 방법으로서,
    증착 챔버 내의 상기 웨이퍼에 금속 막을 증착하는 동안, 상기 금속 막에 가해지는 X-레이 빔을 발생시키는 단계와;
    검출된 상기 금속 막의 X-레이 형광성에 근거하여 상기 금속 막의 두께를 결정하는 단계와; 그리고
    상기 결정된 금속막의 두께와 미리 정해진 값을 비교하여, 상기 결정된 두께가 상기 미리 정해진 값보다 작다면 상기 금속 막의 증착을 계속하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 막의 증착은 상기 결정된 두께가 상기 미리 정해진 값에 도달하는 경우 중지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 막의 증착은 스퍼터 증착을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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