KR101340674B1 - 갭필 애플리케이션을 위한 저저항의 텅스텐 필름 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

기판상에 갭 또는 리세스 형상물을 채우는 필링(filling) 방법이 제공된다. 다양한 실시예에 따르면, 이 방법은 형상물을 부분적으로 채우는 텅스텐 벌크 증착을 포함하며, 증착된 텅스텐의 상부 부분을 제거하는 단계가 이어진다. 특정한 실시예에서, 활성화된 플루오르 화학종에 기판을 노출함으로써 상부 부분이 제거된다. 증착된 텅스텐 그레인의 뾰족하고 돌출된 피크를 선택적으로 제거함으로써, 제거 동작은 형상물의 측벽을 따라 텅스텐을 연마한다. 다중 증착-제거 사이클이 사용되어 형상물을 폐쇄한다. 채워진 형상물이 CMP 중의 코어링(coring)일 가능성이 적다. 또한 높은 반사율, 저정한 및 작은 거칠기를 가지는 필름을 형성하도록 텅스텐 필름의 반사율을 증가시키는 탑-다운 방법이 제공된다.

Description

갭필 애플리케이션을 위한 저저항의 텅스텐 필름 증착 방법{Method for Depositing Tungsten Films Having Low Resistivity for Gapfill Applications}
본 발명은 화학적 기상 증착(CVD) 기술을 이용한 텅스텐 필름 증착에 관한 것이다.
화학적 기상 증착(CVD) 기술을 이용한 텅스텐 필름 증착은 많은 반도체 제조 공정의 주요 부분이다. 텅스텐 필름은 수평 배선, 인접한 금속 막 사이의 비아(via), 그리고 실리콘 기판상의 제 1 금속 막 및 장치 사이의 콘택트의 형태로 저저항 전기 연결 장치로 사용될 수 있다. 일반적인 텅스텐 증착 공정에서, 웨이퍼는 진공 챔버 내의 공정 온도로 가열되고, 이후에 텅스텐 필름의 매우 얇은 부분(이는 시드 또는 핵막으로 기능함)이 증착된다. 이후에, 텅스텐 필름(벌크 막)의 잔여물이 핵막(nucleation layer)상에 증착된다. 일반적으로, 텅스텐 벌크 막은 성장하는 텅스텐 막(레이어) 상에 수소(H2)를 이용하여 텅스텐 헥사플루오라이드(WF6)를 감소시킴으로써 형성된다.
본 발명의 기술적 과제는 높은 반사율, 저 저항성 및 낮은 거칠기를 가지는 필름을 형성하기 위해 텅스텐 필름의 반사율을 증가시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
기판상의 갭(gap)이나 리세스(recessed) 형상물이 제공된다. 다양한 실시예에 따르면, 본 방법 발명은 형상을 부분적으로 채우도록 텅스텐의 벌크 증착 단계를 포함하고, 증착된 텅스텐의 상부 부분을 제거하는 단계가 뒤이어 수행된다. 특정한 실시예에서, 상부 부분이 활성화된 플루오르 종(fluorine species)에 기판을 노출시킴으로써 제거된다. 증착된 텅스텐 그레인의 뾰족하고 튀어나온 피크 부분들을 선택적으로 제거함으로써, 제거 동작이 형상물의 측벽을 따라 텅스텐을 연마한다. 복수의 증착-제거 사이클이 형상물을 밀폐하는 데 사용될 수 있다. 채워진 형상물은 CMP 중에 적게 도려내 진다.
높은 반사율, 저 저항성 및 낮은 거칠기를 가지는 필름을 형성하기 위해 텅스텐 필름의 반사율을 증가시키는 탑-다운(top-down) 방법이 제공된다. 이 방법은 증측된 텅스텐의 상부 부분을 제거하는 단계가 뒤를 이어 수행되는 텅스텐의 벌크 증착 단계를 포함한다. 특정한 실시예에서, 증착된 텅스텐의 상부 부분을 제거하는 단계는 플루오르-함유 플라스마에 이를 노출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 낮은 거칠기 및 높은 반사율을 가지는 저 저항성 텅스텐 벌크 막을 형성한다. 고르고 반사율이 높은 텅스텐 막은, 일반적인 저 저항성 텅스텐 필름에 비하여 더 쉽게 광패턴(photopattern) 처리를 할 수 있다. 텅스텐 비트 라인을 형성하는 단계가 응용예로 포함된다.
소정의 실시예에서, 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition)을 포함하는 텅스텐 필름 증착 방법이 제공된다. 증착된 필름은 예를 들어 NF3 원거리 플라스마를 사용하여 에치 백(etched back) 된다. 증착된 필름 표면을 덮는 뾰족한 텅스텐 피크 및 다른 불균일 형상물을 식각함으로써 텅스텐 필름의 거칠기(roughness) 및 반사율이 향상된다. 추가로, 동일한 최종 두께의 규칙적으로 증착된 필름 전체에서 반사율이 향상된다. 거칠기를 감소시키는 (이는 반사율을 높인다) 종전의 방법과 다르게, 이하에서 설명될 방법에서는 반사율 및 거칠기가 동시에 향상된다.
위와 같은 본 발명에 따르면 증착된 표면을 덮는 뾰족한 텅스텐 피크 및 다른 불균일 형상물을 식각함으로써 텅스텐 필름의 거칠기(roughness) 및 반사율이 향상된다. 추가로, 동일한 최종 두께의 규칙적으로 증착된 필름 전체에 걸쳐 반사율이 향상된다. 거칠기를 감소시키는 (이는 반사율을 높인다) 종전의 방법과 다르게, 이하에서 설명될 방법에서는 반사율 및 거칠기가 동시에 향상된다.
본 발명이 온전히 이해되고 실질적인 효과를 내기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예(이에 제한되는 것은 아님)를 첨부된 도면을 참조하여, 이하에서 설명한다.
도 1은 다양한 실시예에 따른 방법의 관련 동작을 나타내는 프로세스(공정) 흐름도이다.
도 2는 다양한 실시예에 따라 식각(에칭) 후에 텅스텐 필름 그레인 구조물의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 일반적인 CVD 증착에 의해 형성된 필름과 비교하여, 이 명세서에 설명된 방법의 실시예에 의해 형성된 필름에 대한 필름 두께의 함수로 반사율(reflectivity)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 일반적인 CVD 증착에 의해 형성된 필름과 비교하여, 이 명세서에 설명된 방법의 실시예에 의해 형성된 필름에 대한 필름 두께의 함수로 저항률(resistivity)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 방법의 관련 동작을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 6은 단일 단계 CVD 방법 및 심(seam) 형성에 의해 발생할 수 있는 후속 CMP 코어링(coring)을 이용한 텅스텐 채움(fill)을 나타내는 도면이다.
도 7A 및 도 7B는 특정한 실시예에 따른 방법에서 다양한 스테이지에서 형상물의 채움을 나타내는 도면이다.
도 8은 다양한 실시예에 따른 방법의 관련 동작을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 9는 부분적으로 채워진 형상물의 프로파일을 특성화하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 텅스텐 증착 공정을 수행하는 적합한 프로세싱 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 텅스텐 증착 및 에치-백 공정을 수행하는 데 적합한 챔버의 구성요소를 나타내는 도면이다.
도입
다음의 상세한 설명에서, 수많은 특정 세부사항이 본 발명의 전체적인 이해를 위해 설정되며, 이는 텅스텐 박막을 형성하는 것을 포함한다. 이 명세서에 논의되고 도시된 특정한 방법 및 구조물의 변경예, 적용예 또는 변형예가 본 발명의 범위에 포함되는 것은 본 발명이 속하는 분야의 기술자에게 자명하다.
본 발명의 실시예는 저 저항 및 작은 거칠기를 가지는 텅스텐 막을 증착하는 단계를 포함한다. 이전 공정에서, 텅스텐 필름의 저항 및 거칠기가 서로 역의 관계를 가졌다. 즉 저항을 낮추면 반대로 거칠기가 증가하였다. 결과적으로, 필름 두께에 대한 거칠기의 퍼센트 제곱 평균(percentage RMS)이 500 옹스트롬 또는 그 이상의 저 저항성 텅스텐 필름에 대해 10%를 초과할 수 있다. 필름의 거칠기(roughness)를 낮추는 것은 패턴닝을 포함하는 후속 동작을 더 쉽게 만든다.
*소정의 실시예에서, 기술된 방법은 또한 반사율이 높은 필름을 제공한다. 벌크 텅스텐 막을 증착하는 통상적인 프로세스(공정)는 화학적 기상 증착(CVD) 공정에서 텅스텐-함유 프리커서(선구 물질)의 수소 제거와 관련된다. 통상적인 수소 제거 CVD에 의해 성장된 1000 옹스트롬 필름의 반사율은 110%이거나 실리콘 표면의 반사율에 비해 작다. 그러나 소정의 응용예에서, 훨씬 큰 반사율을 가지는 텅스텐 필름이 필요하다. 예를 들어, 낮은 반사율 및 큰 거칠기를 가지는 텅스텐 필름은, 예를 들어 비트 라인 또는 다른 구조물을 형성하기 위한 텅스텐의 광 패턴닝(photopatterning)을 더 어렵게 한다. 교번 수소 가스 펄스(alternating nitrogen gas pulse)의 존재하의 텅스텐의 CVD 증착을 포함하는 저 저항의 반사형 텅스텐 필름의 증착 방법이 미국 특허 출원 제12/202,126호(제목 "Method For Reducing Tungsten Roughness And Improving Reflectivity," 2008. 8. 29 출원)에 게시된다. 이는 이 명세서에 참조문헌으로 포함된다. 거칠기를 감소시키고, 반사율을 향상하거나, 저항을 감소시키기 위한 다른 종래 기술은 공정 화학(process chemistry)의 변경과 관련된다. 그러나 소정의 응용예에서, 질소의 부가 또는 그 외의 공정 화학에 대한 변경이 바람직할 수 있다.
소정의 실시예에서, 이 명세서에 제공된 방법은 기판상에, 화학적 기상 증착을 통해 텅스텐 막을 벌크 증착하는 단계를 포함하며, 증착된 벌크 막의 상부 부분에 에치-백(etch-back) 공정이 이어진다. 최종 텅스텐 필름은 통상적인 대형 그레인(grain) 텅스텐 CVD 공정에 의해 증착된 필름에 비하여 저항을 가지나, 훨씬 큰 반사율와 작은 거칠기를 가진다.
도 1은 본 발명의 소정의 실시예에 따른 프로세스(공정)를 나타낸다. 이 공정은 기판상에 텅스텐 핵막(nucleation layer)을 증착함으로써 시작된다.(블록 101) 일반적으로, 핵막은 그 상부에 벌크 물질을 형성하는 후속 공정을 용이하게 하는 얇고 균일한 막이다. 소정의 실시예에서, 핵막은 PNL(pulsed nulceation layer) 기술을 사용하여 증착된다. PNL 기술에서, 환원제(reducting agent), 퍼지 가스 및 텅스텐-함유 선구 물질(precursor)의 펄스가 연속적으로 반응 챔버로/부터 주입 및 제거된다. 원하는 두께가 얻어질 때까지 공정이 주기적인 방식으로 반복된다. PNL은 반도체 기판상의 반응을 위해 반응물질을 연속적으로 부가하는 주기적 공정을 광범위하게 구현한다.
PNL 기술은 특히 작은 형상물 내의 저저항 필름의 증착을 위해 사용될 수 있다. 형상물이 작아질 수록, 텅스텐(W) 콘택트 또는 라인 저항이 더 얇은 W 필름 내의 스캐터링 효과에 의해 증가한다. 유효한 텅스텐 증착 공정은 텅스텐 핵막을 요하나, 이러한 막은 일반적으로 벌크 텅스텐 막보다 더 높은 전기 저항을 가진다. 저 저항 텅스텐 필름은 집적 회로 디자인의 전력 손실과 과열을 최소화한다.
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Figure 112012076361842-pat00002
bulk이므로, 핵막의 두께는 전체 저항을 가능한 작게 유지하기 위해 최소화되어야 한다. 텅스텐 핵막은 또한 고품질 벌크 증착을 지원하기 위해 하부 기판을 완전히 덮을 만큼 충분히 두꺼워야 한다.
저 저항을 가지며, 저 저항 텅스텐 벌크 막의 증착을 지원하는 텅스텐 핵막을 증착하기 위한 PNL 기술은 미국 특허 출원 제12/030,645호, 제11/951,236호, 및 제061,078호에 게시되며, 이 명세서에 참조문헌으로 포함된다. PNL 타입 공정에 관한 추가적인 내용은 미국 특허, 제6,635,965호, 제6,844,258호, 제7,005,372호 및 제7,141,494호 및 미국 특허 출원 제11/265,531호에서 찾아볼 수 있으며, 이 역시 본 명세서에 참조문헌으로 포함된다. 특정한 실시예에서, 저 저항 처리 동작은 텅스텐 핵막 증착 중에 또는 그 후에 수행된다. 이 명세서에 설명된 방법은 텅스텐 핵막 증착에 관한 특정한 방법에 제한되는 것은 아니나, PNL, ALD(atomic layer deposition), CVD 및 그 외의 방법을 포함하는 방법에 의해 형성된 텅스텐 핵막상의 벌크 텅스텐 필름 증착을 포함한다.
도 1을 참조하면, 텅스텐 핵막이 증착된 후에, 다른 바람직한 처리가 수행되고, T1 두께의 벌크 텅스텐 막이 핵막 상에 증착된다. (블록 103). 에치(식각) 동작 중에 제거될 막의 일부 차지하도록 T1 두께는 전형적으로 바람직한 전체 두께 Td보다 크다. 소정의 실시예에서, 벌크 증착은 텅스텐을 증착하기 위해 텅스텐-함유 선구 물질이 수소에 의해 제거되는 CVD(chemical vapor depisition, 화학적 기상 증착)을 포함한다. 텅스텐 헥사플루오라이드(WF6)가 종종 사용되나, 공정이 WC16을 포함하는 다른 텅스텐 선구 물질을 이용하여 수행될 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 수소가 벌크 텅스텐 막의 CVD 증착시 환원제로 사용되는 것이 일반적이나, 실란(silane)을 포함하는 다른 환원제가 수소에 더하여 또는 이를 대신하여 사용될 수 있으며 이는 본 발명의 범위를 벗어나는 것이 아니다. 다른 실시예에서, W(CO)6는 환원제를 이용하여 또는 환원제 없이도 사용될 수 있다. 위에 설명된 PNL 공정와 다르게, CVD 기술에서, WF6 및 H2 또는 다른 반응물이 반응 챔버에 동시에 삽입된다. 이는 기판 표면상에 텅스텐 필름을 연속하여 형성하는 혼합 반응물 가스의 연속적인 화학 반응을 생성한다.
T1 두께를 가지는 막이 일단 증착되면, 벌크 증착 공정이 중단된다.(블록 105) 이하에서 추가로 설명하는 바와 같이, T1은 원하는 최종 두께(Td)보다 크다. 막의 상부 부분이 제거되거나 에치-백 된다. (블록 107) 일부 실시예에서, 식각 공정은 플라스마 에치를 포함한다. 이는 원거리 플라스마 발생기로부터의 활성화된 화학종(라디칼, 이온 및/또는 고 에너지 분자)을 삽입하는 것을 포함한다. 소정의 실시예에서, 제거 동작은 플루오르-기반 플라스마 에치(예를 들면 원거리 NF3 플라스마 에치)를 포함한다. 소정의 실시예에서 동작(103)에서 증착된 막의 약 10%가 제거되나, 에치-백의 범위는 이하에서 추가로 설명된다.
이후에 플루오르 활성화 화학종(또는 제거 화학(removal chemistry)에 따른 다른 화학종)의 흐름이 차단된다. 전형적으로, 에치-백 후의 증착 두께가 원하는 두께인 경우에, 공정이 이 시점에서 완료된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 증착-제거 사이클이 수행되어 텅스텐 막을 증착한다.
위에 설명된 방법은 동일한 두께를 가지는 일반적인 방법에 의해 증착된 필름보다 높은 반사율 및 낮은 거칠기를 가지는 필름을 생성한다. 예를 들어, 실험에서, 증착된 바와 같은 1940 옹스트롬의 필름의 반사율(가공되지 않은 실리콘 웨이퍼에 비해)가 103%였다. 200 옹스트롬을 제거하기 위해 원거리 NF3 플라스마에 노출된 후에, 반사율은 115%였다. 대조적으로, 에치 백 없이 CVD에 의해 증착된 1720 옹스트롬의 필름은 106%의 반사율을 가진다. 추가로, 에치 텅스텐 필름의 반사율은 동일한 두께의 통상적인 방법으로 증착된 필름보다 낮다(소정의 예에서, 약 20% 더 낮음). 이는 반사율의 증가가 통상적인 방법에서 저항의 증가를 수반하기 때문에 더 현저하다.
전형적으로, 저 저항은 큰 그레인 성장에 의해 달성되나, 균일성(smoothness) 및 고 반사율은 작은 그레인 증착을 이용하여 얻어진다. 텅스텐 그레인 성장은 수평 및 수직 방향으로 이루어진다. 소정의 실시예에서, 이 명세서에 설명된 방법은 벌크 증착 공정에서 대형 그레인 텅스텐을 성장시키는 것을 포함한다. 증착 후에, 수직 방향의 그레인 성장부가 선택적으로 식각(에치)된다. 식각 후에는 큰 수형 방향의 성장부만이 남으며, 이는 저 저항을 제공하나, 반사율이 증가하고 거칠기가 현저히 감소한다. 이는 도 2에 도시되며, 플루오르-기반 원거리 식각 전에(201) 그리고 후에(203) 텅스텐 막을 모습을 나타낸다. 식별기호(203)에 도시된 막은 식별기호(201)에 도시된 막의 약 90%이다. 식각 전에, 피크(205)와 같은 뾰족한 피크가 존재한다. 이러한 피크는 후속 리소그래피 패턴화 공정에서 문제를 일으킨다. 그러나 식각 후에 그레인 프로파일이 더 평평해지고 이는 표면의 반사성을 증가시킨다.
이러한 식각 공정은 도 2에 도시된 바와 같은 식각되지 않은 막(201)에 비하여 표면의 반사성이 더 좋을 뿐 아니라, 저항 및 거칠기도 비교가능한 두께를 가진 막에 비해 향상된다. 도 3은 통상적인 방법(표시된 두께로의 CVD 증착)에 의해 증착된 바와 같은 다양한 두께의 필름 및 본 발명(1940 옹스트롬의 CVD 증착 + 표시된 두께로의 에치 백)의 실시예에 의해 증착된 필름에 대한 반사율(reflectivity)를 나타내는 그래프이다. 대략적인 추세선(rough trendline)(301, 303)은 통상적인 증착, 및 증착 + 에치-백 각각에 대한 두께의 함수로 반사율을 나타낸다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 조금 식각된 부분(305)에서 약 200 옹스트롬 식각된 부분으로 갈수록 통상적인 막에 비하여, 반사율이 빠르게 증가한다. 반사율의 증가는 필름이 더 식각될 수록 균일해진다. 최대 영향 구간(307)은 반사율의 최대 향상을 나타내는 식각 동작에서 제거된 두께의 범위를 나타낸다. 이는 증착된 필름 두께의 약 10%에 대응한다. 따라서, 소정의 실시예에서, 최종 필름 두께는 약 75-95% 사이이고, 더 구체적으로는 증착된 필름 두께의 80-95%이다. 구체적인 이론에 의해 뒷받침된 것은 아니라, 최대 영향 구간의 에치-백은 제거될 증착된 필름의 피크에 대응한다. 탑-다운(top-down) 식각 동작은 선택적으로 피크를 제거한다. 왜냐하면 증착된 필름의 피크와 인접한 표면 영역이 더 많이 존재하기 때문이다. 하부 영역이 식각되기 전에 식각 공정을 멈춤으로써, 피크만 제거되고, 이는 그레인의 수평 방향 성장이 변하지 않도록 한다. 그러나, 설명한 바와 같이, 저항은 식각 전에 동일한 막과 비교할 때 식각 공정 뒤에 예기치 않게 더 낮아짐을 알 수 있다. 특정한 이론에 의해 뒷받침되지는 않았으나, 이러한 예기치 않은 효과는 식각 동작 후에 덜 형성된 그레인 바운더리에 의한 것일 수 있다. 이하에서 추가로 설명하는 바와 같이, 소정의 실시예에서, 소정의 식각 동작 공정 조건을 이용하여 저항을 더 향상시킬 수(낮출 수) 있다.
제거 동작은 증착된 필름의 상부 부분을 제거하는 데 사용할 수 있는 물리적 또는 화학적 제거 동작일 수 있다. 사용될 수 있는 식각 화합물은 크세논 디플루오라이드, 분자 플루오르 및 니트로겐 트리플루오라이드를 사용하는 것을 포함하는 플루오르-함유 식각 화합물을 포함한다. 브롬 및 염소 함유 화합물은 니트로겐 트리클로라이드, 분자 염소, 및 분자 브롬을 포함한다. 소정의 실시예에서, 식각(에치)은 플라스마 식각일 수 있다. 플라스마는 챔버내에서 또는 챔버와 떨어진 곳에서 발생할 수 있다. 특정한 실시예에서, NF3는 원거리 플라스마 발생기로 입력된다. 활성화된 화학종(원자 플루오르 포함)이 원거리 플라스마 발생기 내에서 발생되고 화학적 식각을 위해 챔버로 흘러들어간다.
식각 압력은 필름 저항에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌으며, 압력이 높을 수록 저항이 낮아진다. 이러한 효과는 도 4에 도시되며, 다양한 두께의 저항을 나타내는 그래프를 표현한다. 필름이 통상적인 직접 CVD 증착을 이용하여 증착되고(사각형), 필름이 1940 옹스트롬으로 증착되며 표시된 두께로 식각되었다(다이몬드). 그래프는 증착 및 식각에 의해 형성된 다양한 두께의 필름에 대해 원거리 플라스마 발생기로 삽입되는 NF3의 부분압력을 나타낸다. 곡선(401)은 낮은 NF3 부분압력(0.17 및 0.24 토르(Torr))을 이용하여 증착된 필름에 대한 두께의 함수로 저항을 나타내는 대략적인 추세선이고, 곡선(403)은 높은 NF3 부분 압력(1 토르)을 이용하여 증착된 필름에 대한 두께의 함수로 저항을 나타내는 대략적인 추세선(trendline)이다. 높은 부분 압력은 필름의 저항을 더 낮추는 결과를 초래한다. 저항의 개선은 또한 포인트(405)와 포인트(407)의 비교로 알 수 있으며, 통상적으로 증착된 필름 및 고압 NF3 식각 필름 각각의 반사율(reflectivity)를 나타내며, 이들 양쪽의 필름의 두께는 약 930 옹스트롬이다. 통상적으로 증착된 필름은 거의 19 마이크로-옴-센티미터의 저항을 가지나, 고압 NF3 필름은 16 마이크로-옴-센티미터 이하의 저항을 가진다(20% 이상의 개선).
소정의 실시예에서, 원거리 플라스마 발생기로 삽입된 식각제(etchant)의 부분 압력이 0.5 토르 이상이며, 80 토르만큼 높다. 특정한 실시예에서, 식각액의 부분 압력은 원거리 플라스마 발생기 또는 증착 챔버로 흘러들어가는 때에 약 1 토르이다.
통상적으로 증착된 필름의 저항을 비교 가능한 두께의 식각된 필름의 저항과 (예, 약 400 옹스트롬 및 약 900 옹스트롬) 비교하면, 식각된 필름의 저항은 통상적으로 증착된 필름의 저항보다 작다. 통상적으로 증착된 필름에 대한 고유량(high flow)(높은 부분 압력) 식각제와 저유량(낮은 부분 압력) 식각제 모두에 대해 저항이 개선된다. 이는 다음의 테이블에 도시된다.
공정 증착된 그대로의 두께(옹스트롬) 최종 두께(옹스트롬) 증착된 그대로의 저항(마이크로-옴-센티미터) 최종 저항(마이크로-옴-센티미터)
통상적인 방법 1720 1720 15.5 15.5
Dep-Low NF3 식각 1940 1740 15 15
통상적인 방법(추세선으로부터 예측됨) 1350 1350 17 17
Dep-High NF3 식각 1940 1350 15 14.3
통상적인 증착에서, 저항과 두께 사이의 역 관계가 존재한다. 저항은 두께 증가에 따라 감소한다. 그러나, 이 명세서에 게시된 방법을 이용하여, 저 저항 박막을 얻는 것이 가능하다. 이러한 공정은 다양한 실시예에 따라 범위가 정해지는, 100옹스트롬에서 1000옹스트롬까지의 최종 박막 두께를 가진, 저저항의 박막을 증착하는데 사용할 수 있다. 박막에 대하여, 최종 필름 두께는 증착된 필름(증착된 그대로의 필름)의 10%-90% 사이이며, 증착된 필름의 90%가 제거되어 저저항 박막을 형성할 수 있다.
화학적 식각에 더하여, 스퍼터렁(예, 아르곤을 이용)에 의해 또는 터치 CMP와 같은 매우 부드러운 화학적 기계적 연마(CMP:chemical mechanical planarization) 방법에 의해 상부 부분이 제거될 수 있다.
다른 실시예에서, 식각 공정이 이루어지는 동안 챔버가 동시에 세정된다. 플루오르-기반 식각제를 챔버로 삽입함으로써, 증착된 텅스텐 막이 식각되는 중에, 챔버의 내부 부분에 증착된 텅스텐이 제거될 수 있다. 식각 중에 동시에 챔버를 세정함으로써, 독립 챔버 세정 동작의 필요성이 줄어들거나 없어진다.
이 명세서에 게시된 프로세스(공정)의 응용예는 비트라인 구조물, 트렌치 라인 및 비아 구조물을 형성하는 단계를 포함한다. 다양한 실시예에 따르면, 증착물이 블랭킷(blanket) 또는 패턴닝 된 웨어퍼 상에 존재할 수 있다. 예를 들어, 비트 라인 공정은 전형적으로 텅스텐으로 이루어진 평평한 필름의 증착을 포함하나, 트렌치 라인 및 비아 응용예는 패턴닝 된 웨이퍼 상의 텅스텐 증착을 포함한다. 도 5는 다중 증착 사이클 및 다중 증착-식각 사이클을 사용하는 이 명세서에 기술된 공정의 실시예의 동작을 나타내는 공정 흐름도이다. 핵막은 도 1에 관하여 위에 섦령한 바와 같이 증착될 수 있다. (블록 501) 트렌치와 같은 리세스 형상물에서, PNL 또는 그 외의 기술이 핵막을 콘포말하게 증착하는데 사용된다. 핵막 상의 텅스텐의 벌크 증착이 이후에 수행되어 형상물을 채운다. (블록 503) 벌크 증착은 두께(T1)에서 정지된다.(블록 505) T1은 막의 바람직한 두께보다 작다. 이 공정에서, T1은 형상물이 부분적으로만 채워지는 두께이다. 예를 들어, 1 마이크론 형상물(폭)에 대해, T1은 0.5 마이크론보다 작고, 대략 0.5 마이크론이 형상물을 채우는데 필요한 증착 두께이다. 형상물을 부분적으로 채우기 위한 벌크 증착 후에, 증착된 막의 상부 부분이 제거된다. (블록 507). 여기서, 돌출된 피크를 가지는 그레인은 측벽에 수직으로 배열된 것이며, 도 2에 관하여 위에서 설명한 바와 같이 선택적으로 제거될 수 있다. 증착에서, 필름 제거는 형상물 전체에서 보통 균일하다. 즉, 대략 동일한 두께의 텅스텐이 형상물 내에서 깊이 제거됨에 따라, 형상물의 상부에 위치한 측벽으로부터 제거된다. 증착 및 제거 동작은 이후에 선택적으로 한번 이상 반복되어 형상물을 추가로 채운다. 블록(509) 일부 실시예에서, 증착 및 제거 동작을 반복하는 것은 에치-백 텅스텐 상에 바로, 예를 들면 CVD에 의해 벌크 증착하는 것을 포함한다. 선택적으로, 다른 텅스텐 핵막 또는 그 외의 처리 동작이, 벌크 증착 전에 제거 동작 후에 수행될 수 있다. 하나 이상의 증착-제거 사이클이 완료되면, 형상물 채우기가 CVD 동작과 같은 증착 동작에 의해 완료된다(블록 511).
소정의 실시예에서, 트렌치 라인이 이 명세서에 기술된 공정에 의해 채워진다. 다른 폭넓은 형상물(가령, 마이크론 또는 서브-마이크론 단위의)과 마찬가지로 트렌치가 포스트-CMP 코어링(post-CMP coring)이기 쉽다. 도 6은 단일 증착(핵막 및 벌크 증착)에 의해 채워진 트렌치 라인(601)을 나타낸다. 트렌치 라인(601)은 웨이퍼(가령, 옥사이드 막(602)) 내에 패턴닝된다. 하나 이상의 필름(605, 607)이 트렌치의 측벽 및/또는 바닥 상에 형성될 수 있다. 이러한 필름은 접착 막, 배리어 막 등 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 박막 물질의 예로는 티타늄, 티타늄 나이트라이드, 탄탈룸, 탄탈룸 나이트라이드, 텅스텐, 텅스텐 나이트라이드, 또는 이들의 조합이 포함된다. 텅스텐 핵막(도시되지 않음)은 트렌치의 측벽 및 바닥 상에 콘포말하게 증착되어 벌크 텅스텐의 형성을 용이하게 할 수 있다. 분명한 것은, 도면은 표현을 위한 것이며 계측을 위한 것이 아니다. 예를 들어, 트렌치 폭은 약 수 마이크론 또는 수십 마이크론일 수 있으며, 핵막은 약 수십 옹스트롬이다.
CVD 공정에 의해 증착된 텅스텐 그레인(603)이 크고 불균일하다. 위에 설명한 바와 같이, 큰 그레인이 형성된 텅스텐 필름은 텅스텐 필름 저항을 감소시킨다. 텅스텐 필 스텝 커버리지(fill step coverage)가 뛰어나나, 코어(coreing)과 같은 포스트-CMP 이슈가 발생할 수 있다. 텅스텐 그레인은 불균일하고 뾰족한 모양으로 성장할 수 있다. 이의 예는 식별기호(609)에 도시되며, 심(seam, 611)과 같은 심의 형성으로 이어진다. CMP 후에 채워진 트렌치가 식별기호(603)에 도시된다. 형상물의 코어 또는 센터가 심(607)에 의해 표현된 구조물 약화에 의해 홈이 파인다(613).
도 7A 및 7B는 소정의 실시예에 따른 채우기(fill) 공정의 다양한 단계 중의 형상물을 나타내는 도면이다. 먼저, 도 7A에서, 채워지지 않은 형상물이 식별기호(701)에 도시된다. 리세스(recessed) 형상물은 전형적으로 패턴화된 웨이퍼 상의 많은 리세스 형상물 중 하나의 전형적인 예이며, 제조 공정 중에 형성된 절연 물질이나 다른 막에 형성될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 형상물이 비아, 트렌치 또는 다른 리세스 형상물일 수 있다. 위에 표시한 바와 같이, 다양한 필름(도시되지 않음)이 형상물(배리어 막, 접착 막 등 포함)의 측벽 및/또는 바닥을 덮는다. 이전 처리에 따라, 리세스 형상물의 노출된 측벽 및 바닥이 매끄럽고 균일하거나, 불규칙한 것을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에서, 측벽의 표면은 형상물의 바닥의 표면과 다르다. 다양한 실시예에 따르면, 형상물 폭은 10 옹스트롬에서 10 마이크론에 이르고, 구체적으로는 10나노미터에서 1 마이크론에 이를 수 있다. 예시적인 종횡비(aspect ratio)는 2:1 - 30:1, 2:1 - 10:1, 또는 5:1 - 10:1이다.
벌크 증착 공정은 형상물을 부분적으로 덮는데 사용된다. 부분적으로 채워진 형상물이 식별기호(703)에 도시된다. 이러한 공정(프로세스)은 일반적으로 위에 설명한 바와 같이 화학적 기상 증착(CVD:chemical vapor deposition)에 의해 수행된다. 소정의 실시예에서, 핵막이 펄스 핵막(PNL:pulsed nucleation layer), 원자 막 증착(ALD:atomic layer depostion) 방법 또는 다른 적합한 방법에 의해 먼저 증착된다. 위에 표시한 바와 같이, 이 막은 T1의 두께로 증착되며, 이는 막(최종적으로 채워진 형상물의 서브-막)의 바람직한 전체 두께보다 크고, 형상물을 채우는데 필요한 두께보다 작다. 소정의 실시예에서, 두께 T1은 형상물을 차단하는 중심 인터페이스에 불균일한 그레인이 보이지 않을 정도로 작아야한다. 이러한 바람직하지 않은 효과의 예는 도 6의 식별기호(609)에 도시된다. 채워진 형상물(703) 내의 증착된 그레인은 상대적으로 크나 불균일한 높이를 가진다.
이어서, 위에 설명한 바와 같이 막의 상부 부분(top portion)이 제거된다. 도 1에 관하여 설명한 바와 같이, 소정의 실시예에서, 화학적 식각이 수행된다. 또한 위에 설명한 것처럼, 원거리 플라스마 발생기로부터의 활성화된 플루오르 화학종이 사용될 수 있다. 전형적으로, 제거 공정은 순수하게 화학적이다. 즉, 이온 폭격 또는 스퍼터링 효과가 존재하지 않는다. 원거리 플라스마 발생은 이점에 있어서 유용한데 왜냐하면 플라스마 발생기 내에 형성된 이온이 재결합할 수 있기 때문이다. 텅스텐과 플루오르(예, WF6)를 포함하는 휘발성 화합물이 형성되어 뿜어진다.
제거 동작은 형상물 측벽을 따라 텅스텐을 연마하고, 이는 뾰족하고 돌출된 텅스텐 피크를 제거한다. 제거 후의 결과물은 식별기호(705)에 도시된 바와 같이 부드러운 프로파일을 가지는 텅스텐 막이다. 그레인의 높이가 제거 공정에 의해 감소되나, 그레인 사이즈는 동일하므로 텅스텐 저항이 증가하지 않는다.
다른 벌크 막이 이후에 증착된다. 형상의 사이즈 및 원하는 그레인 사이즈에 따라, 형상물이 이 시점에 완전히 채워질 수 있으며 CMP를 위해 준비된다. 도 7A 및7B에 나타낸 공정에서, 다중 증착-제거 사이클이 사용된다. 따라서 형상물은 다음의 벌크 증착에 의해 부분적으로만 채워진다. 도 7B의 식별기호(707)에 도시된다. 벌크 막이 증착된 두께(T2)는 T1과 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 이전에 증착된 서브-막에 의해 갭(gap)이 더 좁게 성장하기 때문에, 증착된 (그대로의) 벌크 막의 두께가 감소할 수 있다. 위에 설명한 바와 같이, 두께는 형상물이 개방된 상태를 유지하도록 해야한다.
방금 증착된 막의 상부 부분이 제거된다(709). 이는 막을 연막하고 다음 증착을 위해 부드러운 표면을 제공한다. 다중 증착-제거 사이클이 이 시점에서 적합한 경우에 수행될 수 있다. 나타낸 공정에서, 채움 동작(fill)이 최종 벌크 증착에 의해 완료된다. 증착된 막의 양이 상대적으로 작기 때문에, 이러한 벌크 막의 그레인 높이는, 도 6에 도시된 바와 같은 단일 동작에서 증착이 수행되는 경우보다 더 균일하다. 채워진 형상물이 식별기호(711)에 도시된다. 각 측벽으로부터의 그레인 성장이 고르고 심(seam)이 없는 고른 인터페이스를 형성한다. CMP 공정은 이후에 형상물 상부에 증착된 텅스텐을 제거하는 단계를 수행할 수 있으나, 형상물이 완전히 채워진 상태로 남는다. 다양한 실시예에 따라, 각 제거 동작에서 제거된 물질의 양이 텅스텐 필름의 전체 두께의 약 5%에서 50% 이상에 이르거나, 소정의 경우에는 두께의 80%이다.
각 공정에 의해 그레인 높이가 감소되나, 그레인 사이즈는 동일하게 유지되므로 텅스텐 저항이 증가하지 않는다. 소정의 경우에,전자 운송에 기여하는 텅스텐으로 공극(void) 및 심(seam)을 대체함으로써 형상물의 텅스텐 저항이 감소한다. 저항은 또한 전자 운송의 방향으로 더 큰 사이즈로 텅스텐 그레인을 형성함으로써 낮아질 수 있다. 또한, 소정의 실시예에서, 더 콤팩트한 텅스텐 필름이 얻어지며, 이로써 텅스텐 필름 밀도를 변경하고 CMP 레이트(rate)를 변경할 수 있다.
위에 설명한 바와 같이, 제거 공정 중의 소정의 실시예에서, 텅스텐이 형상물 전체적으로 균일하게 식각된다. 이를 수행하기 위해, 부분 채움 중에 증착이 제한되어 형상물이 미리 큰 그레인에 의해 닫히거나 차단되지 않도록 한다. 추가로, 제거 공정 조건은 제거 동작이 매체 수송(mass-transport) 제한 보다는 반응 제한된 형식으로 수행되도록 한다. 이는 형상물 치수(dimension) 및 공정 설비에 따라 달라지나, 낮은 온도 및 높은 유량(flow rate)이 사용된다. 섭씨 250도에서 450도 사이의 웨이퍼 온도 및 약 750 내지 4000 sccm 사이의 NF3 유량(원거리 플라스마 발생기로)이 사용될 수 있다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 확산에 의해 반응이 제한되지 않는 조건을 획득하기 위해 이러한 범위를 변경하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 추가로, 화학적 식각 동작(스퍼터링 또는 폭격(bomardment)을 포함하지 않음)은 불균일한 제거(ununiform removal)를 고려한다.
많은 실시예에서, 형상물의 프로파일이 텅스텐 증착 전에 및/또는 텅스텐 증착 후에 균일하므로, 형상물 입구에 현저한 오버행(overhang)이 존재하지 않는다. 소정의 실시예에서, 형상물 전체의 평균 두께가 30% 정도만 변한다. 또는 소정의 실시예에서 25%나 10% 변한다. 이는 형상물 내의 평균 두께를 형상물의 상부에서의 평균 두께와 비교함으로써 특성화될 수 있다. 형상물의 상부에서의 평균 두께의 의해 표준화된 형상물의 평균 두께가 소정의 실시예에서, 80% - 120% 또는 구체적으로 90% - 110%, 또는 95% - 105%의 범위에 있다. 소정의 경우에, 소정의 파라미터(예, 두께)의 값이 이러한 위치/영역에서 구체화될 때, 이러한 값은 이러한 위치/영역에서 측정된 여러 값의 평균을 나타낸다. 측정 포인트의 예는 도 8에 도시되며, 이는 기판(803) 내 형상물(801)을 나타내고, 텅스텐 막(805)의 두께의 측정 포인트의 위치가 "포인트 1(Point 1)", "포인트 2(Point 2)", 등으로 표시된다. 두께 값은 필드 영역(포인트 1 및 16)에서의 값 또는 이들의 평균값으로 표준화될 수 있다. 포인트 2-15 또는 이의 하위 세트(subset)가 형상물 내의 두께를 알아니도록 평균화될 수 있다.
소정의 실시예에서, 기판이 형상물의 상부에 위치한 오버행 또는 오목한(re-entrant) 프로파일을 가지는 경우에, 오목한 프로파일은 벌트 증착 동작 후에도 남아있을 것이다. 이러한 경우에, 형상물의 상부에서 텅스텐을 제거하기 위한 초기 제거 동작이, 이 명세서에 설명된 바와 같은 연속적인 증착-식각 사이클 이전에 수행될 수 있다. 형상물의 상부에 증착된 텅스텐의 선택적 제거에 관해 미국 특허 출원 제 12/535,464호(대리인 번호 NOVLP315/NVLS-3464)에 게시되며, 이는 이 명세서에 참조문헌으로 포함된다.
소정의 실시예에서, 여기에 설명된 제거 동작이 그레인 높이의 균일성을 증진하고 부분적으로 채워진 형상물의 거칠기를 감소시키면서 동시에 이전에 채워진 형상물을 손상하지 않게 하기 위해 사용될 수 있다. 도 9는 서로 다른 사이즈의 형상물이 채워지는 다른 실시예에 따른 동작을 나타내는 공정 흐름도이다. 서로 다른 치수의 제 1 및 제 2 형상물을 가지는 패턴화된 제 1 웨이퍼가 제공된다(블록 901). 하나 이상의 증착 동작이 수행되어 제 1 (보통 더 작음) 형상물을 완전히 채우고 제 2 (보통 더 큼) 형상물을 부분적으로 채운다(블록 903). 다양한 실시예에 따르면, 하나 이상의 증착 동작이 중간에 삽입된 식각 동작을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 제 1 형상물이 채워진 후에, 하나 이상의 제거 동작이 수행되어 제 2 형상물(예를 들면, 도 7A 및 7B에 관하여 위에 설명한 바와 같음)에서 그레인 높이 균일성을 향상시키도록 수행된다(블록 905). 증착-제거 사이클에서의 증착 동작은 필요한 만큼 수행된다. 제 1 형상물이 채워진 채로 유지된다. 즉 제거 동작이 형상물을 다시 개방시키지 않는다. 최종 증착 동작은 이후에 도 7B에 관하여 위에 설명한 바와 같이 수행되어 제 2 형상물을 채우는 동작을 완료한다(블록 907). 따라서, 이 방법은 더 작은 형상물들이 폐쇄된 후에 더 큰 형상물에서만 측벽의 텅스텐이 바람직하게 식각된다. 이는 이중 다마신 공정에서 더 유용하다.
실험
WF6 CVD 공정의 통상적인 수소 제거를 이용하여 텅스텐 필름이 반도체 웨이퍼 상의 텅스텐 핵막에 증착된다. 389 옹스트롬, 937 옹스트롬, 1739 옹스트롬 및 1942 옹스트롬 (중심 두께)의 필름이 증착되었다. 반사율 및 저항이 모든 필름에 대해 측정되었다.
텅스텐 필름은 도 1에 도시된 내용에 따른 증착-식각 공정을 사용하여 텅스텐 핵막에 증착된다. WF6 CVD 공정의 수소 제거는 필름을 증착하는 데 사용되었다. 증착 조건은 통상적으로 증착된 필름에 대한 조건과 동일하다. 모든 필름에 대한 증착된 상태의 두께가 약 1940 옹스트롬( 1935 옹스트롬에서 1947 옹스트롬 범위)이었다. 원거리 NF3 플라스마가 1 옹스트롬에서 1787 옹스트롬 범위의 식각량(etch amounts)으로 필름을 식각하는데 사용되었으며, 최종 두께는 151 옹스트롬 에서 1941 옹스트롬이다. NF3 부분 압력은 다음의 레벨, 즉 0.02 토르(Torr), 0.17 토르, 0.24 토르 또는 1 토르 중 하나로 설정되었다. 반사율 및 저항이 식각 후에 모든 필름에 대해 측정되었다.
반사율(reflectivity)는 식각 후에 비교 두께를 가진 통상적으로 증착된 필름에 비해 약 10% 정도 개선된다. 반사율 측정의 결과가 도 3에 도시되며 이하에서 설명된다.
저항 측정의 결과가 도 4에 도시되며 이하에서 설명된다.
또한 거칠기가 통상적으로 증착된 필름에 비해 개선된다. 예를 들어, 증착된 1940 옹스트롬 필름의 AFM 거칠기가 9.7nm 였다. 1740 옹스트롬의 필름에 대해 약 20nm의 NF3 식각 후에, 거칠기가 2.5nm에서 9.2nm만큼 줄어들었다. 통상적으로 증착된 1720 옹스트롬 필름의 거칠기가 9nm이다. 거칠기는 통상적으로 증착된 필름에 비해 약 20% 개선되었다.
다른 예에서, 약 800 옹스트롬(목표)의 텅스텐이 CVD 공정에 의해 0.25 마이크로미터(㎛) 트렌치 라인(6:1 AR)을 부분적으로 채우도록 증착되었다. 다음의 공정 조건을 이용하여 형상물로부터 증착된 텅스텐을 식각하는데 원거리에 활성화된 플루오르 화학종(NF3 플로우(flow)로부터)가 사용되었다.
공정(Process) 온도(C) NF3 플로우(sccm) 압력(Torr) 식각 시간(secs) 제거된 두께의 근사값
1 250 750 8 15 100
2 250 750 8 30 200
3 300 1375 6 7 200
4 300 1375 6 15 450
5 350 2000 8 4 250
증착된 막의 상부 부분의 약 10%에서 50% 이상이 식각 공정에서 제거되었다. 그레인 높이 불-균일성이 식각 공정 4의 전 후에 트렌치 라인(trenchline)에 대해 측정되었다. 그레인 높이 불-균일성은 13.5% 내지 6.3% 식각 동작으로 감소하였다. 재-증착 후에, 그레인 높이 불-균일성이 균일한 상태로 유지됨을 알 수 있다(제 1 재-증착 후에 7.2%, 제 2 재-증착 후에 5.7%). 추가적인 식각 동작이 수행되지 않았다. 즉, 재-증착 및 제 2 재-증착 사이의 식각 없이, 단 한 번의 식각 동작이 수행되었다.
장치
도 10은 본 발명에 따른 텅스텐 증착 공정을 수행하는 데 적합한 공정 시스템을 나타내는 블록도이다. 시스템(1000)은 전송 모듈(1003)을 포함한다. 전송 모듈(1003)은, 다양한 반응기 모듈 사이에서 이동될 때, 처리될 기판의 오염 위험을 최소화하기 위해 깨끗하고 기압이 일정하게 유지되는 환경을 제공한다. 전송 모듈(1003)에 장착되는 것은 본 발명의 실시예에 따른 PNL 증착 및 CVD를 수행할 수 있는 다중-스테이션 반응기(1009)이다. 챔버(1009)는 이러한 동작을 연속하여 수행할 수 있는 다중 스테이션(1011, 1013, 1015 및 1017)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 챔버(1009)는 스테이션(1011)이 PNL 증착을 수행하도록, 스테이션(1013)은 핵막 처리를 수행하도록 그리고 스테이션(1013, 1015)이 CVD 및 식각 동작을 수행다도록 구성될 수 있다. 선택적으로 식각 동작에서, 증착 및 식각 동작이 별개의 도구로 수행될 수 있다.
또한 전송 모듈(1003)에 증착되는 것은 하나 이상의 단일 또는 다중-스테이션 모듈(1007)일 수 있다. 이는 플라스마 또는 화학적(비-플라스마) 사전-세정(pre-clean)을 수행할 수 있다. 모듈은 또한 예를 들면 후속 라이너 텅스텐 나이트라이드 처리(post liner tungsten nitride treatment)와 같은 다양한 다른 처리를 위해 사용될 수 있다. 시스템(1000)은 또한 하나 이상의(이 경우에는 두 개) 웨이퍼 소스 모듈(1001)을 포함하며, 여기에 웨이퍼가 프로세싱 전 및 후에 저장된다. 대기 전송 챔버(1019) 내의 대기 로봇(도시되지 않음)이 소스 모듈(1001)로부터 로드락(1021, loadlock)으로 웨이퍼를 먼저 이동시킨다. 전송 모듈(1003)의 웨이퍼 전송 장치(일반적으로 로봇 암 유닛)가 로드락(1021)으로부터 전송 모듈(1003)에 장착된 모듈로 이동한다.
도 11은 식각 동작에서 사용될 수 있는 챔버 또는 스테이션을 나타내는 도면이다. 본 발명의 방법은 식각제(에, 플루오르-기반 식각제)를 반응기 또는 챔버(1100)로 삽입하는 단계를 포함하며, 반응기 또는 챔버는 텅스텐이 증착되는 웨이퍼를 지지하는 받침대(1108)를 가진다. 원자 플루오르가 원거리 플라스마 발생기(1130)에서 발생된다. 동작시, 플루오르-함유 가스(예, NF3)가 밸브(1132)를 거쳐 원거리 플라스마 발생기(1130)로 삽입된다. 원자 플루오르가 그 내부에서 발생된다. 밸브(1134)는 샤워 헤드(1102)를 거쳐 챔버로 원자 화학종(atomic species)이 들어가도록 개방된다. 도 11은 원거리 플라스마 발생기의 일 예만을 나타내며, 다른 장치 및 구성이 사용될 수 있다. 원자 화학종이 챔버로 들어가서 위에 설명한 바와 같이 웨이퍼에 증착된 텅스텐 필름(도시되지 않음)을 식각한다. (본 발명이 속하는 분야의 기술자라면 샤워 헤드에서 나와 반응기로 들어가는 플라스마 또는 가스 형태로 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 샤워 헤드로부터 증착 챔버로 들어가는 화학종은 NF3 및 NFx와 원자 플루오르를 포함할 수 있다.) 압력을 적절히 조절하여, 샤워 헤드가 바람직한 원자 및/또는 분자 플루오르 식각제의 조정가능한 소스로 작용한다. 식각 공정에 앞서, 증착 전구물질이 샤워 헤드로 들어가 웨이퍼 상에 텅스텐 필름을 증착할 수 있다는 것에 주의한다.
센서(1126)는 반응기 조건에 대한 정보를 제공하는 사용될 수 있는 가스 센서, 압력 센서 등을 나타낸다. 세정 중에 모니터링 될 수 있는 챔버 센서의 예로는 매체 흐름 컨트롤러, 압력 센서(예, 나노미터), 받침대에 위치한 열전지(thermocouple)와 같은 압력 센서, 챔버 내의 가스의 존재를 모니터하는 적외선 검출기를 포함한다.
텅스텐이 챔버로부터 제거되기 때문에, 텅스텐 헥사플루오라이드(tunsten hexafluoride)가 생성된다. 텅스텐 헥사플루오라이드는 센서(1126)에 의해 감지될 수 있으며, 식각의 진행을 나타낸다. 텅스텐 헥사플루오라이드는 반응기로부터 출구(outlet, 도시되지 않음)를 거쳐 제거되어, 세정이 완료되면, 센서가 텅스텐 헥사플루오라이드가 없다는 것을 감지할 것이다. 센서(1126)는 챔버 압력 기록(readings)을 제공하도록 압력 센서를 포함할 수도 있다.
분자 플루오르는 위에 설명한 바와 같이 원자 플루오르를 발생하도록 원거리 플라스마 발생기를 사용하는 것 및 원자 플루오르가 분자 플루오르로 결합하도록 압력을 조절하는 것 이외의 방법으로 챔버에 공급될 수 있다. 예를 들어, 플루오르 가스가 플루오르 가스 공급원으로부터 챔버로 공급될 수 있다. 그러나, 위에 설명한 바와 같이 원자 및 분자 플루오르를 모두 사용하는 실시예에서, 원거리 플라스마 발생기의 사용은 스테이지(stage) 간의 전환을 위한 간단한 방법을 제공한다. 나아가, 원거리 플라스마 발생기는 NF3의 사용을 가능하게 하며, 이는 시스템의 주입 가스로서, 분자 플루오르보다 취급하기가 더 쉽다. 소정의 실시예는 원자 플루오르의 발생을 위해 직접 (동시에) 플라스마를 사용할 수 있다.
소정의 실시예에서, 시스템 컨트롤러(1124)가 증착 및 제거 동작 중에 공정 조건을 제어하기 위해 이용된다. 컨트롤러는 일반적으로 하나 이상의 메모리 장치와 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 프로세서는 CPU 또는 컴퓨터, 아날로그 및/또는 디지털 입/출력 연결 장치, 스테퍼 모터 컨트롤러 보드 등을 포함할 수 있다.
컨트롤러는 증착 장비의 모든 동작을 제어할 수 있다. 시스템 컨트롤러는 타이밍, 가스 혼합, 챔버 압력, 챔버 온도, 웨이퍼 온도, RF 파워 레벨, 웨이퍼 척 또는 받침대 위치, 및 그외의 특정 공정의 파라미터를 제어하기 위한 명령 세트를 포함하는 시스템 제어 소프트웨어를 실행한다. 컨트롤러와 관련된 메모리 장치에 저장된 다른 컴퓨터 프로그램이 일부 실시예에서 사용될 수 있다.
일반적으로, 컨트롤러와 연결된 사용자 인터페이스가 존재할 것이다. 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치 및/또는 공정 조건의 그래픽 소프트웨어 디스플레이, 및 포인팅 장치, 키보드, 터치 스크린, 마이크로 폰 등과 같은 사용자 입력 장치를 포함한다.
공정 시퀀스에서 증착 및 제거 공정을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드가 통상적인 컴퓨터 판독가능한 프로그램 언어로 기록될 수 있다. 예를 들어, 프로그램 언어는 어셈블리 언어, C, C++, 파스칼, 포트란 등을 포함한다. 컴파일된 객체 코드 또는 스크립트가 프로세서에 의해 수행되어 프로그램에서 식별된 태스크를 수행한다.
컨트롤러 파라미터는 예를 들어 공정 가스 조성물 및 유량(flow rate), 온도, 압력, RF 파워 레벨과 저주파 RF 주파수와 같은 원거리 플라스마 조건, 식각제 유량 또는 부분 압력, 냉각 가스 압력 및 챔버 벽 온도와 같은 공정 조건에 관계된다. 이러한 파라미터는 레서피의 형식으로 사용자에게 제공되고, 사용자 인터페이스를 이용하여 입력될 수 있다.
공정을 모니터링하는 신호가 시스템 컨트롤러의 아날로그 및/또는 디지털 입력 연결 장치에 의해 제공될 수 있다. 프로세서를 제어하기 위한 신호가 증착 설비의 아날로그 및 디지털 출력 연결장치에서 출력된다.
시스템 소스트웨어는 많은 다른 방식으로 디자인 또는 구성될 수 있다. 예를 들어, 다양한 챔버 구성요소 서브루틴 또는 제어 객체가, 본 발명의 증착 공정을 수행하는데 필요한 챔버 컴포넌트의 동작을 제어하도록 기록될 수 있다. 이러한 목적을 위한 프로그램 또는 프로그램의 섹션의 예는 기판 배치 코드, 공정 가스 제어 코드, 압력 제어 코드, 히터 제어 코드 및 플라스마 제어 코드를 포함한다.
기판 배치 프로그램은, 기판을 받침대 또는 척에 장착하고 기판 및 가스 입구 및/또는 타겟과 같은 챔버의 다른 부분 사이의 공간 배치를 제어하기 위해 사용되는 챔버 구성요소를 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함할 수 있다. 공정 가스 제어 프로그램은 가스 조성 및 유량을 제어하고, 선택적으로 챔버 내의 압력을 안정화하기 위해 증착 전에 챔버로의 가스 흐름을 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다. 압력 제어 프로그램은 예를 들면 챔버의 배출 시스템 내의 스로틀(throttle) 밸브를 조절함으로써 챔버 내의 압력을 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다. 히터 제어 프로그램은 기판을 가열하는데 사용되는 가열 유닛으로의 전류를 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다. 선택적으로, 히터 제어 프로그램은 웨이퍼 척으로 헬륨과 같은 열 운송 가스의 전달을 제어할 수 있다. 식각제 제어 프로그램은 식각제 유량 및 부분 압력, 운반 가스 유량 및 부분 압력, 식각 시간 등을 제어하기 위한 코드를 포함할 수 있다.
증착 중에 모니터링 될 수 있는 챔버 센서의 예는 매체 흐름 컨트롤러, 압력계(manometer)와 같은 압력 센서, 그리고 받침대 또는 척에 위치한 열전지(thermocouples)을 포함한다. 적절히 프로그램된 피드백 및 제어 알고리즘이 이러한 센서로부터의 데이터를 이용하여 바람직한 공정 조건을 유지하는데 사용될 수 있다. 텅스텐 헥사플루오라이드 또는 그 외의 식각 부산물이 제거된 텅스텐 량을 표시하기 위해 감지(검출)될 수 있다.
앞의 설명은 단일한 또는 다중-챔버 반도 공정 도구에서 본 발명의 실시예를 구현하는 것을 기술한다.
애플리케이션(응용예)
본 발명은 많은 다른 애플리케이션을 위한 얇은, 저 저항 텅스텐 막을 증착하는 데 사용될 수 있다. 하나의 애플리케이션은 메모리 칩과 마이크로프로세서와 같은 집적 회로 내의 배선(interconnection)을 위한 것이다. 배선은 단일한 금속화 막상에서 볼 수 있는 전류 라인이며, 일반적으로 길고 가늘며 납작한 구조물이다. 이러한 배선은 텅스텐 막의 블랭킷 증착에 의해 형성될 수 있다(위에 설명한 바와 같은 공정을 이용). 이어서 전류 운반 텅스텐 라인의 위치를 정의하는 패턴닝 동작 및 텅스텐 라인 외부의 영역으로부터 텅스텐을 제거가 이루어진다.
배선 애플리케이션의 기본적인 예는 메모리 칩 내의 비트 라인이다. 물론, 본 발명이 배선 애플리케이션에 제한되는 것은 아니며 전자 장치에서 공통적으로 발견되는 비아, 콘택트 및 다른 텅스텐 구조물로 확장된다.
증착 공정이 비트 라인 애플리케이션을 위해 사용되는 소정의 실시예에서, 텅스텐 필름의 최종 두께가 500 옹스트롬 내지 2000 옹스트롬 사이이며, 증착된 그대로의 필름 두께는 500 옹스트롬 내지 2500 옹스트롬 사이이다. 공정은 또한 필요한 경우에 훨씬 더 두꺼운 필름을 증착하는 데 사용될 수 있다. 위에 설명한 바와 같이, 공정이 저저항의 얇은 필름(박막)(예, 100 옹스트롬 내지 1000 옹스트롬의 필름)을 증착하는 데 사용될 수도 있다. 일반적으로, 본 발명은 얇은, 저저항 텅스텐 막이 필요한 어떤 환경에도 응용된다.
그 외의 실시예
본 발명이 몇몇 실시예의 면에서 설명되었으나, 본 발명의 범위 내에 포함되는 변경, 수정, 교환 및 대체 등가물이 존재한다. 또한 본 발명의 방법 및 장치를 구현하는 다양한 방식이 존재함을 주의해야 한다. 예를 들어, 위에 설명은 처음 CVD 증착을 기술하였으나, 증착-식각 방법은 다른 유형의 텅스텐 증착을 이용할 수도 있다. 따라서 다음에 첨부된 청구항은 본 발명의 범위 내에 포함되는 이러한 변경, 수정, 교환 및 대체 등가물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 기판상에 Td의 두께를 가진 텅스텐 막을 증착하는 방법에 있어서, 상기 텅스텐 막 증착 방법은:
    텅스텐-함유 전구 물질 및 환원제 사이의 화학적 기상 증착 반응을 통해 상기 기판에 두께 T1을 갖는 텅스텐 막을 직접 증착하는 단계; 그리고
    Td의 두께를 가지는 텅스텐 벌크 막을 형성하도록 상기 증착된 텅스텐 막의 상부 부분을 제거하며, 이때 상기 Td는 T1보다 두께가 얇고, 상부 이외의 부분은 제거되지 않으며, 상기 상부 부분은 증착된 텅스텐 막의 두께 T1의 5% 내지 25%인 단계를 포함함을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 부분이 상기 증착된 텅스텐 막의 두께 T1의 5% 내지 15%임을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 부분이 상기 증착된 텅스텐 막의 두께 T1의 10%임을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 부분을 제거하는 것이 상기 증착된 텅스텐 막을 원자 풀루오르에 노출시킴을 포함함을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 수용하는 챔버의 업스트림에 있는 원거리 플라스마 발생기로 플루오르-함유 화합물을 삽입하는 단계, 상기 원거리 플라스마 발생기 내에서 원자 플루오르를 발생시키는 단계, 그리고 상기 증착된 텅스텐 막의 상부 부분을 제거하기 위해 상기 원거리 플라스마 발생기로부터 상기 챔버로 원자 플루오르를 흘려보는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 텅스텐 증착 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 원거리 플라스마 발생기로 삽입된 상기 플루오르-함유 화합물의 부분 압력이 0.7 토르 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 원거리 플라스마 발생기로 삽입된 상기 플루오르-함유 화합물의 부분 압력이 1 토르 이상인 것을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 플루오르-함유 화합물이 NF3임을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 Td가 500 Å 와 2000 Å사이 임을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 Td의 두께를 가진 텅스텐 벌크 막의 반사율이 가공되지 않은 실리콘 웨이퍼의 반사율보다 15% 큰 것을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 Td의 두께를 가진 텅스텐 벌크 막의 저항률이 식각 공정 이전의 화학적 증기 증착에 의해 증착된 두께 Td의 필름 저항률보다 작음을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 Td의 두께를 가진 텅스텐 벌크 막의 반사율이 식각 공정 이전의 화학적 증기 증착에 의해 증착된 두께 Td의 필름 반사율보다 큼을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 부분을 제거한 뒤, 하나 이상의 형상물(features)을 만들기 위해 상기 Td의 두께를 가진 텅스텐 벌크 막을 패턴닝(patterning)함을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 표면이 편평함을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 표면이 패턴닝됨을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착된 텅스텐 벌크 막의 저항률이 15 마이크로-오옴-cm 이하임을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 Td의 두께를 가진 텅스텐 벌크 막의 거칠기가 식각 공정 이전의 화학적 증기 증착에 의해 증착된 두께 Td의 필름의 거칠기보다 작음을 특징으로 하는 텅스텐 막 증착 방법.
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