KR20010031044A - 금속에의 유전체 접합을 개선시키기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비정질 탄화불소 필름을, 필름이 증착될 기판에 인가하는 고바이어스 전력(high bias power)을 사용하여 증착하는 방법을 제공한다. 본 발명은 필름의 프레그먼티드 불소(fragmented fluorine)를 결합시키기 위해, 탄소원의 분자비가 동일하도록 일정한 속도와 전력레벨로 탄소 선구체(precursor)를 유동시킴으로써, 갭필능력(gap fill performance)을 개선하면서 필름의 질을 높이는 것을 의도한다. 또 본 발명은 첫 번째로 금속 또는 TiN 접착층을 금속 표면에 증착하고, 이어서 증착된 접착층의 표면에 질소를 스터핑(stuffing)함으로써, 금속 표면에의 비정질 불소 필름 접착을 개선시키는 방법을 제공한다. 접착은 챔버 벽을 질화실리콘 또는 질산화실리콘으로 코팅함으로써 더욱 개선된다.

Description

금속에의 유전체 접합을 개선시키기 위한 방법{METHOD TO IMPROVE ADHESION OF DIELECTRIC ON METAL}
지난 10년 동안 집적회로 설계 및 조립에 있어서 일관적이고도 상당히 예측 가능한 개선이 이루어져 왔다. 그러나 동작 주파수(operation frequencies)가 1GHz에 이르며 인터커넥트 사이즈(interconnect size)가 0.25㎛ 이하인 새로운 초고집적(ultra large scale integration; ULSI) 제품에 대해서는, 인터커넥트 저항-커패시턴스(RC) 딜레이(interconnect resistance-capacitance(RC) delay)가 집적회로 클록 타임 중 상당히 큰 부분을 차지할 것이므로, 요구되는 성능을 달성하기 위해서는 아주 새롭고 다른 제조 방식이 요구될 것이다. RC 딜레이는 인터커넥트 저항 및 유전용량(dielectric capacitance)에 직접 관련되어 있으므로, 당업계에서는 유전상수(dielectric constants)와 비저항(resistivity)이 매우 낮은 새로운 재료의 개발에 집중하고 있다.
유전체 분야에서, 현재 표준인 이산화규소(SiO2)를 대체할 다양한 종류의 재료가 연구되고 있다. 유전상수(K)가 ∼4인 SiO2가 K값이 ∼2.5인 다른 재료로 대체된다면 RC 딜레이 및 크로스 토크(cross talk)가 상당히 감소되어 전체 회로 성능이 현저히 개선될 것이다. 원하는 성능을 만족시키기 위한 0.18㎛ 소자 제조(device generation)를 위해서는 유전상수가 3.0 미만이어야 함이 잘 알려져 있다.
SiO2를 대체할 수 있는 재료로서 유전상수가 낮은 다양한 종류의 재료가 연구되고 있다. 그러나 유전상수는 만족되어야 할 여러 가지 중요한 조건 중 하나에 불과함을 명심하여야 할 것이다. 현재 및 미래 조립 공정에의 연계(integration) 용이성과 경제적 요소(예를 들어 비용)에 의해, 차세대 인터메탈 유전체(intermetal dielectric; IMD)로서 사용되기 위한 재료로서의 가능성이 결정될 것이다. 연계 능력은 접착(adhesion), 열적 안정성, 열전도도, 기계적 강도 및 갭필능력 등과 같은 중요한 성질에 의해 결정될 것이다. 비용은 재료비, 폐기물 처리비(스핀온(spin-on) 기술의 경우 특히 높은 것으로 알려져 있다), 제조장비의 자본 비용뿐만 아니라 필요한 연계 단계의 수에 의해 결정될 것이다. 이상적으로 유전상수가 낮은 재료는 현재의 프로세스 흐름(existing process flow)에 쉽게 연계되며 기존 장비를 사용함으로써 현재의 공정보다 비용이 더 들지 않는다.
유전상수가 낮은 재료를 얻기 위한 가장 유망한 접근은 CVD-증착된 재료이다. 플라즈마 증착(plasma assisted depositions) 메커니즘에 의하면 다른 증착 기술보다 밀도와 기계적 강도가 매우 높은 재료가 얻어진다. 게다가 스핀온(spin-on) 방법과 같은 습식법에 비하여 CVD 필름의 연계가 상당히 단순하며 특성이 좋다. 기존의 플라즈마 CVD 장비 및 단순한 제조방법의 사용 가능성에 따라, CVD 재료는 연계 및 경제성 양자의 관점에서 매력적으로 되고 있다.
CVD 증착된 재료 중에서 높은 열적 안정성, 낮은 유전상수값(2.3 정도의 낮은), SiO2와 비슷한 열전도율, 및 양호한 기계적 강도 때문에 비정질 탄화불소(α-FC)가 유망하다. 최근 Matsubara 등의 "Low-k Fluorinated Amorphous Carbon Interlayer Technology for Quarter Micron Devices", IEDM, p 369-372(1996)에는 3레벨 금속화 구조(three-level metalization structure)에서 인터메탈 유전체로서 α-FC의 성공적인 사용 및 연계가 설명되어 있다. 이 유전체를 사용하여 라인 커패시턴스(line capacitance)를 50% 감소시켰음이 보고되어 있다.
그러나 크기가 작아짐에 따라 갭필능력이 중요한 문제가 된다. 갭필능력이란 일반적으로, 트렌치(trenches)로 알려진 금속선 사이의 영역을 채우는 프로세스의 능력을 말한다. 갭필 결과를 향상시키기 위해 제자리 스퍼터 에칭 및 증착(in situ sputter etch and deposition)의 장점을 이용하고자 고밀도 플라즈마 처리를 연계된 시퀀스(integrated sequence)에 결합하는 것이 최근의 경향이다. HDP-CVD에서, 증착시 기판 부위에 스퍼터링되는 이온을 끌어들이기 위해 바이어스 전력이 기판에 결합됨으로써, 트렌치가 증착 재료로 완전히 채워지기 전에 증착 재료가 트렌치 너머로 수렴되는(converges), 이른바 크라우닝(crowning)으로 알려진 현상이 방지된다. 기판 부위(즉 트렌치 사이의 영역)에서 증착속도를 조절함으로써 0.25㎛ 이하 구조(features)의 개선된 갭필능력이 얻어질 수 있다.
α-FC 필름의 한 가지 문제는 고바이어스전력 인가에 따라 불소의 프레그멘테이션(fragmentation)이 촉진되고 이 불소가 이후 느슨하게 결합된 F 또는 CFx(x = 1∼4)로서 결과물 필름에 결합된다는 점이다. 글로우 방전 조건에서 유기 탄화불소 분자가 F-와 같은 에칭종(etching species)을 형성하거나 폴리머로 될 것이라는 점이 잘 알려져 있다. 에칭이나 폴리머 반응이 지배적으로 될지 여부는 플라즈마 에너지, 하전된 이온종의 강도, 반응물 비율(reactant ratio) 및 표면 온도에 의존한다. EP 특허출원 5114253.8은 α-FC 필름의 증착에서 고바이어스전력에 따른 문제를 논의하고, 고바이어스 전력을 사용하지 않음으로써 이 문제를 해결하고자 하였다.
다른 문제는 불소 함유 유전체 증착시 발생되는 불소가 챔버 벽과 챔버 구성부품에 의해 흡수되고, 이후의 증착 단계에서 가스화되어 나오는 점이다. 불소는 기판의 금속 표면을 부식시켜 양호한 접착을 방해한다. 질화티타늄은 종종 유전체층과 금속층 사이의 배리어층(barrier layer)으로서 사용되며 반응 기체의 확산을 어느 정도 막는다. 그러나 질화티타늄이 금속표면과 불소 함유 유전체의 접착을 현저하게 개선하는 것은 아니다.
따라서 유전상수가 매우 낮은 α-FC 필름의 증착을 위해서는 HDP-CVD 기술의 적용을 개선할 필요가 있다. 단일 포스트 증착 어닐(single post deposition anneal)에 안정적이며, 0.25㎛ 구조 또는 그 이하에서 우수한 갭필능력을 나타내며, 고밀도 플라즈마 증착을 사용하여 증착될 수 있으며, 유전상수(k)가 2.8 또는 이보다 작은 α-FC 필름을 제공하는 것이 유리하다.
본 발명은 넓게는 고밀도 플라즈마 화학기상증착(HDP-CVD) 기술을 이용한 비정질 탄화불소(fluorocarbon)의 증착에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 갭필능력(gap fill performance)을 높이기 위해 고바이어스 전력(high bias power)을 이용하여 비정질 탄화불소 필름을 증착하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 기판 위에 형성된 금속 표면에의, 불소 함유 유전체(fluorine containing dielectric material) 접착의 개선에 관련된 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상증착 시스템의 한 실시예를 단순화시켜 나타내는 도면이다;
도 1b는 도 1a의 예시적인 CVD 프로세싱 챔버와 함께 사용될 수 있는 가스링(gas ring)을 단순화시켜 나타내는 단면도이다;
도 1c는 도 1a의 예시적인 CVD 프로세싱 챔버와 함께 사용될 수 있는 모니터와 라이트펜(light pen)을 단순화시켜 나타내는 도면이다;
도 1d는 도 1a의 예시적인 CVD 프로세싱 챔버를 제어하기 위해 사용되는 프로세스 제어 컴퓨터 프로그램의 한 예의 플로우챠트이다;
도 2a 및 2b는 각각 높고 낮은 바이어스 전력에서 증착된 필름 2개의 현미경 사진 비교를 나타낸다;
도 3은 바이어스 전력과 필름 수축(film shrinkage)의 관계를 나타내는 그래프이다;
도 4는 C4F8:CH4비와, 필름 수축 및 증착속도 양자와의 관계를 나타내는 그래프이다;
도 5는 어닐링 시간과 유전상수의 관계를 나타내는 그래프이다;
도 6a는 종래 방법으로 증착된 알루미늄 라인을 포함하는 기판의 개략적인 부분 단면도이다;
도 6b는 도 4의 기판의 개략적인 부분 단면도로서, 본 발명에 의해 기판에 증착되어 질소에 노출된 질화티타늄층을 나타낸다;
도 6c는 도 5의 기판의 개략적인 부분 단면도로서, 기판에 증착된 불소 함유 유전체를 나타낸다.
본 발명은 열적으로 안정적이며 유전상수가 낮은 비정질 탄화불소필름을 형성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 기판을 프로세스 챔버에 도입하고 바이어스 전원에 연결된 지지부재(support member)에 위치시키는 단계, 탄소원 가스(carbon source gas)와 불소원 가스(fluorine source gas)를 프로세스 챔버 내로 도입하는 단계, 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키기에 충분한 전원(source power)을 챔버 내로 공급하는 단계, 기판 위의 제자리 스퍼터 증착을 얻기에 충분한 전력 레벨로 지지부재에 바이어스 전력을 인가하는 단계들을 포함한다. 탄소가스원과 불소가스원은 F:C의 원자비율을 2보다 작게 유지하기에 충분한 양으로 도입하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 의하면 챔버 표면으로부터 불소 또는 불소 화합물이 가스화되어 나오는 것을 방지하기 위해, 기판 처리 전에 증착 챔버 내벽 표면에 질화실리콘 또는 질산화실리콘(silicon oxynitride)의 시즌 코팅(season coating)이 제공된다. 한 실시예에서 질화실리콘 또는 질산화실리콘은 챔버 내벽 표면으로부터 불소의 가스화를 막기에 충분한 양으로 증착 챔버 내벽 표면에 증착된다. 결과물인 불소 함유 필름 내로 원하지 않는 자유 불소가 도입되지 않도록, 가스화되어 나오는 불소의 양이 제어될 수 있다. 불소에 의한 금속 표면 부식을 방지하기 위해 본 발명의 이러한 특징은 금속 표면에 형성된 접착층 예를 들어 질소처리된 Ti 또는 TiN의 사용과 결합될 수 있다.
본 발명은 또 기판 위에 형성된 금속 표면에 불소 함유 유전체의 접착을 향상시키기 위한 방법으로서, 금속 표면을 포함하는 기판 위에 티타늄(Ti)이나 질화티타늄(TiN) 같은 접착 금속층을 증착하는 단계, 접착 금속층을 질소에 노출시킴으로써 접착 금속층 표면에 금속/N2면을 형성하는 단계, 접착 금속층의 금속/N2표면에 불소 함유 유전체를 증착하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 증착된 금속층은 에너지를 용량적으로(capacitively) 또는 유도적으로(inductively) 결합시킴으로써 제공되는 질소 플라즈마에 노출되는 것이 바람직하다.
본 발명은 고밀도 플라즈마 화학증착 기술을 사용하여 기판 또는 다른 작업대상물에 비정질 탄화불소(α-FC) 필름을 증착하는 방법의 개선에 대한 것이다. 일반적으로 필름의 질과 갭필능력은, 기판에 고바이어스전력(∼100W 또는 더 높은)을 인가하는 한편 가스 농도를 제어함으로써 향상시킬 수 있음이 알려져 있다. 구체적으로 α-FC 필름에 있어서, 스퍼터링 바이어스 전력을 기판에 인가하면서 불소원과 탄소원의 상대적인 농도를 제어함으로써 갭필능력이 우수하고 금속에의 접착성이 향상되며, 열적 안정성과 낮은 유전상수가 얻어질 수 있다. 한 실시예에서 비정질 탄화불소 필름은 HDP-CVD 반응기를 사용하여 메탄(CH4) 및 옥타플루오르시클로부탄(C4F8)으로부터 증착된다. 결과물 필름은 450℃까지에서 유전상수값이 2.8보다 작아 열적으로 안정적이다. 결과물 필름은 공지의 α-FC 필름에 비해 분자량 및 가교결합(cross linking)이 증가되고, 스트레스가 개선된 것으로 믿어진다.
본 발명은 또 반응기 벽으로부터 불소 및 다른 오염물질의 가스화 가능성을 감소시키기 위하여, 시즈닝 필름 및, 형성된 불소 함유 필름의 안정성과 접착을 더욱 개선시키는 다른 성분을 반응기의 내부 표면에 증착하는 방법을 제공한다. 한 실시예에서 질화실리콘 또는 질산화실리콘이 약 100Å의 두께로 챔버 내부 표면에 증착된다.
본 발명은 또 기판에 접착층을 증착시키기 위한 방법으로서, Ti나 TiN과 같은 접착 금속층을 기판 위에 증착하는 단계와, 접착 금속층을 질소에 노출시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 기판은 프로세스 존(process zone)에 인접하여 위치하는 것이 바람직한데, 이 영역에서는 질소 플라즈마가 발생되어, 증착된 접착 금속층을 질소에 노출시켜("stuffed with"(스터핑하여)) 그 구조를 바꾼다. 이렇게 변화된 표면은 이러한 처리를 하지 않은 Ti/TiN 층에 대해, 불소 함유 유전체의 접착이 개선되는 것으로 믿어진다.
본 발명의 방법은 캘리포니아 산타클라라에 위치한 Applied Materials, Inc.에서 입수 가능한 Ultima HDP-CVD™ Centura(등록상표) System에 의해 실시하는 것이 바람직하다. 이하 이 시스템의 특징을 전반적으로 설명한다. 이하 설명하는 HDP-CVD 시스템이 발명자들이 알고 있는 최선의 시스템이지만, 다른 시스템 역시 본 발명의 방법을 수행하기 위해 사용 또는 사용 가능하게 변형될 수 있다.
도 1a는 본 발명에 의한 유전체층을 증착할 수 있는 HDP-CVD 시스템(10)을 나타낸다. 시스템(10)은 챔버(13), 진공 시스템(70), 플라즈마원 시스템(source plasma system; 80A), 바이어스 플라즈마 시스템(80B), 가스 공급 시스템(33), 원격 플라즈마 세정 시스템(remote plasma cleaning system; 50)을 포함한다.
챔버(13)의 상부에는 알루미나 또는 질화알루미늄과 같은 유전체로 만들어진 돔(dome; 14)이 포함된다. 돔(14)은 플라즈마 처리 영역(16)의 상부 경계를 규정한다. 플라즈마 처리 영역(16)은 기판의 윗면(17)과 기판 지지부재(18)에 의해 하부가 구속된다.
가열판(heater plate; 23) 및 그 위에 놓인 냉판(cold plate; 24)은 돔(14)에 열적으로 결합된다. 가열판(23)과 냉판(24)은 약 100℃ 내지 200℃ 정도의 영역에 대해 약 ±10℃ 정도 내로 돔의 온도를 조절할 수 있게 한다.
챔버(13)의 하부에는 챔버를 스로틀 밸브(26)를 가지는 진공 시스템(70)에 연결하는 몸체부재(22)가 포함된다. 기판지지부재(18)의 저부(21)는 몸체부재(22)에 장착되어 이 몸체부재(22)와 연속적인 내면을 형성한다. 기판은 상부 장착위치(57)에서 챔버(13) 안으로 그리고 챔버로부터 밖으로 이송되며, 하부 프로세싱 위치(56)로 이동되어, 여기서 기판이 기판 지지부재(18)의 기판 수용부(19)에 위치된다. 기판수용부(19)는 기판이 프로세싱되는 동안 기판을 기판 지지부재(18)에 고정시키는 정전척(20)을 포함한다.
소스 플라즈마 시스템(80A)은 돔(14)에 장착되는 탑코일(29) 및 사이드코일(30)을 포함한다. 대칭 그라운드쉴드(symmetrical ground shield)(도시되지 않음)는 코일 사이의 전기적 결합(coupling)을 감소시킨다. 탑코일(29)은 탑소스RF(SRF) 발생기(31A)로부터 전력을 공급받으며, 사이드코일(30)은 사이드SRF 발생기(31B)로부터 전력을 받음으로써, 각 코일에 대해 서로 다른 전력 레벨과 작동주파수가 가능하다. 이러한 이중코일 시스템에 따라 챔버(13)의 반경방향 이온 밀도를 제어할 수 있어, 플라즈마의 균일성이 개선된다. 사이드코일(30)과 탑코일(29)은 유도적으로(inductively) 구동되는 것이 전형적이며 보조전극이 필요 없다. 구체적인 실시예에서 탑소스 RF 발생기(31A)는 공칭 주파수 2MHz에서 2,500와트의 RF 전력을 제공하며, 사이드소스 RF 발생기(31B)는 공칭 주파수 2MHz에서 5,000와트까지의 RF전력을 공급한다. 탑 RF 발생기와 사이드 RF 발생기의 작동주파수는 플라즈마 발생 효율을 높이기 위해 공칭 작동주파수에서 벗어날 수 있다(예를 들어 각각 1.7∼1.9MHz, 1.9∼2.1MHz).
바이어스 플라즈마 시스템(80B)은 바이어스 RF(BRF) 발생기(31C)와 바이어스 매칭 네트워크(bias matching network; 32C)를 포함한다. 바이어스 플라즈마 시스템(80B)은 보조전극의 역할을 하는 몸체부재(22)에 기판부(17)를 용량적으로 결합시킨다. 바이어스 플라즈마 시스템(80B)은 소스플라즈마 시스템(80A)에 의해 발생된 플라즈마종(즉 이온)의 기판 표면에의 전달을 향상시키는 작용을 한다. 특정 실시예에서 바이어스 RF 발생기는 13.56MHz에서 5,000와트에 달하는 RF 전력을 공급한다.
매칭 네트워크(32A, 32B)는 발생기(31A, 31B)의 출력 임피던스를 그들 각각의 코일(29, 30)과 같게 한다. RF 제어 회로는, 로드(load)가 변화함에 따라 발생기를 로드에 매칭시키기 위하여, 매칭 네트워크 내 축전기의 값을 바꿈으로써 양 매칭 네트워크를 동조시킬 수 있다. RF 제어회로는 로드로부터 발생기로 리플렉션된(reflected) 전력이 어떤 한계를 초과할 때 양 매칭 네트워크를 동조할 수 있다. 공동 매치(co match)를 제공하고, RF 제어회로가 매칭 네트워크를 동조시키는 것을 효과적으로 방지하는 한 가지 방법은 리플렉션된 전력의 한계값을 리플렉션된 전력의 임의의 기대값보다 높게 설정하는 것이다. 이에 따라 매칭 네트워크를 가장 최근의 조건으로 일정하게 유지함으로써 어떤 조건하의 플라즈마를 안정시키는데 도움이 될 수 있다.
가스 공급 시스템(33)은 기판을 처리하기 위해 가스 공급라인(38)(일부만이 도시됨)을 통해 다수 개의 소스로부터 챔버로 가스를 공급한다. 가스는 가스링(37)과 톱노즐(45)을 통하여 챔버(13) 내로 도입된다. 도 1b는 가스링(37)의 세부사항을 추가적으로 나타내는 챔버(13)의 부분단면도이다.
한 실시예에서, 제1 가스원(34A) 및 제2 가스원(34D), 제1 가스 유동 컨트롤러(35A') 및 제 2가스 유동 컨트롤러(35D')는 가스공급라인(38)(일부만이 도시됨)을 통하여 가스링(37)의 링플레넘(ring plenum; 36)으로 가스를 공급한다. 가스링(37)은 기판에 균일한 유동의 가스를 공급하는 다수의 소스 가스 노즐(source gas nozzle; 39)(도 1b에는 하나만이 도시됨)을 가진다. 노즐길이 및 노즐각도는 각 챔버 내에서 특정 과정을 위한 가스이용 효율 및 균일한 프로파일을 만들기 위해 바뀔 수 있다. 바람직한 실시예에서 가스링(37)은 12개의 소스 가스 노즐을 가진다.
가스링(37)은 또 복수의 산화제 가스 노즐(40)(그 중 하나만이 도시됨)을 가지며, 바람직한 실시예에서 이 노즐은 소스 가스 노즐(39)과 같은 평면에 있으면서 이보다 짧으며, 한 실시예에서는 바디 플레넘(41)으로부터 가스를 받는다. 다른 실시예에서는 가스를 챔버(13) 내로 분사하기 전에 소스 가스와 산화제 가스를 섞지 않는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 바디 플레넘(41)과 가스링 플레넘(36) 사이에 구멍(aperture)(미도시)을 형성함으로써 산화제 가스와 소스 가스는 챔버(13) 내로 분사되기 전에 섞일 수 있다. 한 실시예에서 제3 가스원(34B), 제4 가스원(34C), 그리고 제3 가스 유동 컨트롤러(35B'), 제4 가스 유동 컨트롤러(35C)가 가스라인(38)을 통하여 바디 플레넘으로 가스를 공급한다.
다시 도 1a와 관련 챔버(13) 또는 탑노즐(45)과 탑벤트(top vent; 46)를 가진다. 탑노즐(45)과 탑벤트(46)는 가스의 상부 유동 및 측면 유동을 독립적으로 제어할 수 있게 하여, 필름의 균일성을 개선하고 필름의 증착을 정밀하게 조절할 수 있게 한다. 탑벤트(46)는 노즐(45) 둘레의 환상 개구(annular opening)이다. 한 실시예에서 제1 가스원(34A)은 소스 가스 노즐(39)과 탑노즐(45)에 공급되는 C4F8또는 CH4원이다. 소스 노즐 질량 유동 컨트롤러(MFC; 35A')는 소스 가스 노즐(39)로 공급되는 C4F8또는 CH4의 양을 제어하며, 탑노즐 MFC(35A)는 탑가스노즐(45)에 공급되는 C4F8또는 CH4의 양을 제어한다. 이와 유사하게 가스원(34B)과 같은 하나의 산소원으로부터, 벤트(46)와 산화제 가스 노즐(40) 양쪽으로의 산소 유동을 제어하는데 2개의 MFC(35B, 35B')가 사용된다. 탑노즐(45)과 탑벤트(46)로 공급된 가스는 챔버(13)로 흐르기 전에 분리되어 유지되거나, 챔버(13)로 흘러 들어가기 전에 섞일 수 있다. 챔버의 다양한 부위에 공급하기 위해서 동일 가스의 별도 소스가 사용될 수 있다.
시스템 컨트롤러(60)는 시스템(10)의 작동을 제어한다. 바람직한 실시예에서 컨트롤러(60)는 하드디스크 드라이브, 플로피디스크 드라이브(미도시), 카드랙(card rack)(미도시)과 같은 메모리(62)를 포함한다. 카드랙은 싱글보드컴퓨터(single board computer; SBC)(미도시), 디지털 입/출력보드(미도시), 인터페이스보드(미도시), 스테퍼 모터(stepper motor) 컨트롤러 보드(미도시)를 포함할 수 있다. 시스템 컨트롤러는 보드, 카드케이지(card cage), 커넥터 규격 및 형태를 규정하는 베사 모듈라 유러피안(Vesa Modular European; VME) 규격에 부합된다. VME 표준은 또 16비트 데이터 버스와 24비트 어드레스 버스를 가지는 버스 구조를 규정한다. 시스템 컨트롤러(60)는 하드디스크에 저장된 컴퓨터 프로그램, 또는 플로피 디스크에 저장된 것과 같은 다른 컴퓨터 프로그램의 제어 하에 작동된다. 컴퓨터 프로그램은 예를 들어 타이밍, 가스의 혼합, RF 전력레벨 및 특정 공정의 다른 변수를 규정한다. 시스템 컨트롤러(60)는 메모리(62)에 결합된 프로세서(61)를 포함한다. 메모리(62)는 하드디스크인 것이 바람직하지만 ROM, PROM 기타 다른 종류의 메모리일 수도 있음은 물론이다.
시스템 컨트롤러(60)는 컴퓨터 프로그램의 제어 하에 작동된다. 컴퓨터 프로그램은 타이밍, 가스의 혼합, RF 전력레벨 및 특정 공정의 다른 변수를 규정한다. 사용자와 시스템 컨트롤러 사이의 인터페이스는 도 1c에 나타난 것과 같이 CRT 모니터(65)와 라이트 펜(66)을 통해 이루어진다. 바람직한 실시예에서 2개의 모니터(65, 65A)가 사용되는데, 하나는 작업자를 위하여 클린룸의 벽에, 다른 하나는 서비스기술자를 위해 벽 뒤에 설치된다. 이들 양 모니터는 동시에 동일한 정보를 제공하지만 하나의 라이트 펜(예를 들어 66)만이 사용 가능하다. 특정 스크린 또는 기능을 선택하려면, 작업자는 표시 스크린의 한 영역에 펜을 접촉시키고 버튼(미도시)을 누른다. 접촉된 영역은 예를 들어 색이 바뀌거나 새로운 메뉴를 표시함으로써 라이트 펜으로 선택되었음을 확인시켜 준다.
컴퓨터 프로그램 코드는 종래의 컴퓨터 프로그래밍 언어 예를 들어 68000 어셈블리어, C, C++ 또는 파스칼 등에 의해 쓰여질 수 있다. 종래의 텍스트 에디터를 사용, 적절한 프로그램 코드가 하나의 파일 또는 여러 개의 파일로 입력되어, 컴퓨터로 사용할 수 있는 매체 예를 들어 컴퓨터의 메모리 시스템에 저장된다. 만일 입력된 코드 텍스트가 고급언어라면, 코드는 컴파일되고, 결과적인 컴파일러 코드는 미리 컴파일된(precompiled) 윈도우 라이브러리 루틴(window library routine)으로 연결된다. 연결된 컴파일드 목적 코드(linked compiled object code)를 실행하기 위해서 사용자는 목적 코드를 호출해서, 컴퓨터 시스템이 메모리에 있는 코드를 로딩하며, 이로부터 CPU는 프로그램에서 정의된 작업을 수행하기 위한 코드를 실행한다.
도 1d는 컴퓨터 프로그램(300)의 계층적 제어구조를 예시적으로 나타내는 블록도이다. 사용자는 라이트펜 인터페이스를 사용하여 CRT 모니터에 표시된 스크린이나 메뉴에 대한 응답으로서 프로세스 세트 번호와 프로세스 챔버 번호를 프로세스 셀렉터 서브루틴(process selector subroutine; 310)에 입력한다. 프로세스 세트는 특정 프로세스를 수행하기 위해 필요한 미리 설정된 프로세스 변수의 세트이며 미리 설정된 세트 번호로 구별된다. 프로세스 셀렉터 서브루틴은 (ⅰ)다중 챔버 시스템(multichamber system)에서 요구되는 프로세스 챔버, (ⅱ)원하는 프로세스를 수행하기 위해 프로세스 챔버를 작동시키는데 필요한 프로세스 변수의 세트를 구별(identifying)한다. 특정 프로세스를 수행하기 위한 프로세스 변수는 예를 들어 프로세스 가스의 조성 및 유속, 온도, 압력, RF 전력 레벨과 같은 플라즈마 조건, 챔버 돔 온도와 관련되며, 레시피(recipe)의 형태로 사용자에게 제공된다. 레시피에서 특정된 변수들은 라이트펜/CRT 모니터를 사용하여 입력된다.
프로세스를 모니터하기 위한 신호는 시스템 컨트롤러의 아날로그 입력 및 디지털 입력 보드에 의해 제공되며, 프로세스를 제어하기 위한 신호는 시스템 컨트롤러(60)의 아날로그 입력 및 출력보드로 출력된다.
프로세스 시퀀서 서브루틴(process sequencer subroutine; 320)은 프로세스 셀렉터 서브루틴(310)으로부터 확인된 프로세스 챔버와 프로세스 변수의 세트를 받아들여, 다양한 프로세스 챔버의 작동을 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 여러 사용자가 프로세스 세트 넘버와 프로세스 챔버 넘버를 입력하거나, 한 사용자가 여러 프로세스 세트 넘버와 프로세스 챔버 넘버를 입력하여, 시퀀서 서브루틴(320)이 작동함으로써 선택된 프로세스가 원하는 순서대로 계획된다. 시퀀서 서브루틴(320)은 이하의 단계를 수행하기 위한 프로그램 코드를 포함하는 것이 바람직하다. (ⅰ)챔버가 사용 중인지 확인하기 위하여 프로세스 챔버의 작업을 모니터하는 단계, (ⅱ)사용 중인 챔버에 어떤 프로세스가 수행되고 있는지 확인하는 단계, (ⅲ)프로세스 챔버의 사용 가능성과 수행될 프로세스의 형태에 기초하여 원하는 프로세스를 수행하는 단계. 프로세스 챔버를 모니터하기 위해 폴링(polling)과 같은 종래의 방법이 사용될 수 있다. 어떤 프로세스를 실행할 것인지 계획할 때 시퀀서 서브루틴(320)은, 사용되고 있는 프로세스 챔버의 현재 상태를, 선택된 프로세스를 위해 요구되는 프로세스 조건, 또는 각 특정 사용자가 입력한 요구조건의 "대기시간(age)", 또는 계획의 우선 순위를 결정하기 위해 시스템 프로그래머가 포함시키고자 하는 다른 임의의 관련 요소와 비교하여 고려하도록 설계될 수 있다.
시퀀서 서브루틴(320)은 어떤 프로세서 챔버와 프로세서 세트의 조합이 다음으로 실행될 것인지 결정한 뒤, 특정 프로세스 세트 변수를 챔버 매니저 서브루틴(330a-c)으로 전달함으로써 프로세스 세트의 수행이 시작되게 하는데, 챔버 매니저 서브루틴(330a-c)은 시퀀서 서브루틴(320)에 의해 결정된 프로세스 세트에 의해 챔버(13) 및 가능한 다른 챔버(미도시)에서의 다중 프로세싱 태스크를 제어한다.
기판을 위치시키는 서브루틴(340), 프로세스 가스 제어 서브루틴(350), 압력 제어 서브루틴(360), 플라즈마 제어 서브루틴(370)이 챔버 컴포넌트 서브루틴의 예이다. 챔버(13)에서 어떤 프로세스가 요구되는가에 따라 다른 챔버 제어 서브루틴이 포함될 수 있음은 당업자에게 명백하다. 작업시 챔버 매니저 서브루틴(330a)은 실행되고 있는 특정 프로세스 세트에 따라 프로세스 컴포넌트 서브루틴을 선택적으로 계획하거나 호출한다. 어떤 프로세스 챔버와 프로세스 세트를 실행할지 계획하는데 있어, 챔버 매니저 서브루틴(330a)에 의한 계획은 시퀀서 서브루틴(320)에 의해 사용된 것과 유사한 방식으로 이루어진다. 챔버 매니저 서브루틴(330a)은 다양한 챔버 컴포넌트를 모니터링하는 단계, 실행될 프로세스 세트를 위해 어떤 컴포넌트가 실행될 필요가 있는지 프로세스 변수를 기초로 측정하는 단계, 모니터링 단계와 측정 단계에 응답하여 챔버 컴포넌트 서브루틴의 실행을 유발시키는 단계를 포함하는 것이 전형적이다.
도 1d를 참조하여 특정한 챔버 컴포넌트 서브루틴을 설명한다. 기판을 위치시키는 서브루틴(340)은 기판을 기판지지부재(18)에 장착하기 위해 사용되는 챔버 컴포넌트를 제어하는 프로그램 코드를 포함한다. 다중 챔버 시스템에서, 기판을 위치시키는 서브루틴(340)은, 다른 프로세스가 완결된 뒤, 예를 들어 PECVD 반응기 또는 다른 반응기로부터 챔버(13) 내로의 기판 이송을 제어할 수 있다.
프로세스 가스 제어 서브루틴(350)은 프로세스 가스의 조성 및 유속을 제어하기 위한 프로그램 코드를 가진다. 이 서브루틴(350)은 안전 차단밸브(safety shut-off valve)의 개방/폐쇄 위치를 제어하며, 원하는 가스 유속을 얻기 위해 질량 유동 컨트롤러를 램프 업/다운(ramp up/down)한다. 프로세스 가스 컨트롤 서브루틴(350)을 포함한 모든 챔버 컴포넌트 서브루틴은 챔버 매니저 서브루틴(330a)에 의해 호출된다. 서브루틴(350)은 원하는 가스 유속과 관련된 챔버 매니저 서브루틴(330a)으로부터 프로세스 변수를 받는다.
전형적으로, 프로세스 가스 제어 서브루틴(350)은 가스 공급 라인을 개방함으로써 작동되며, 반복적으로 (ⅰ)필요한 질량 유동 컨트롤러를 판독하고 (ⅱ)판독한 내용을 챔버 매니저 서브루틴(330a)으로부터 받은 유속과 비교하고 (ⅲ)필요에 따라 가스 공급 라인의 유속을 조절한다. 더욱이 프로세스 가스 컨트롤 서브루틴(350)은 불안정한 가스 유속에 대해 유속을 모니터링하는 단계와, 불안정한 조건이 검출될 때 안전 차단밸브를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 프로세스의 경우 아르곤과 같은 불활성 가스가 챔버(13) 내로 들어가, 반응 가스가 챔버 내로 도입되기 전에 챔버 내 압력을 안정시킨다. 이러한 프로세스를 위해, 챔버 내의 압력을 안정화시키는데 필요한 시간 동안 불활성가스를 챔버(13) 내로 유동시키는 단계를 포함하도록 프로세스 가스 제어 서브루틴(350)이 프로그램된다. 그리고 나서 상술한 단계가 수행될 수 있다.
더욱이 프로세스 가스 제어 서브루틴(350)은, 주어진 프로세스 가스 유속에 대하여 필요한 값을 포함하는 저장된 표에 억세스함(accessing)으로써, 원하는 프로세스 가스 유속을 위해 필요한 공급 가스 유속을 얻는 단계를 포함한다. 필요한 값이 얻어지면 공급 가스 유속은, 모니터링되고 상기 필요한 값과 비교되어 조절된다.
프로세스 가스 제어 서브루틴(350)은 독립적 헬륨제어(independent helium control; IHC) 서브루틴(미도시)에 의하여, 헬륨(He)과 같은 열전달 가스의 웨이퍼척 내부 및 외부 경로를 통한 흐름을 제어할 수 있다. 가스 유동에 의해 기판이 척에 열적으로 결합된다. 전형적인 프로세스에서 웨이퍼는 층을 형성하는 화학반응과 플라즈마에 의해 가열되며, 헬륨(He)은 수냉될 수 있는 척을 통하여 기판을 냉각한다. 이에 따라 기판은 기판에 이미 존재하던 구조를 손상시키는 온도보다 낮은 온도로 유지된다.
압력 제어 서브루틴(360)은 챔버의 배기부(exhaust portion)에서 스로틀 밸브가 개방되는 크기를 조절함으로써 챔버(13)의 압력을 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 스로틀 밸브로 챔버를 제어하는 적어도 2가지의 기본적인 방법이 있다. 첫 번째 방법은 전체 가스 유동, 프로세스 챔버의 크기, 펌핑 용량 등과 다른 무엇보다도 크게 관련되어 있는 챔버 압력을 특징짓는 것에 의존된다. 이 첫 번째 방법은 스로틀 밸브(26)를 고정된 위치로 세팅한다. 스로틀 밸브(26)를 고정된 위치로 세팅함으로써, 정상상태 압력(steady-state pressure)으로 될 수 있다.
이와 달리 제어 포인트가 가스 유동 및 배기 용량에 의해 설정된 경계 내에 있다는 가정 하에, 예를 들어 기압계에 의해 챔버 압력이 측정되고, 압력 조절 서브루틴(360)에 의해 스로틀 밸브(26) 위치가 조절될 수도 있다. 두 번째 방법에 결합되는 측정, 비교, 및 계산이 호출되지 않으므로, 첫 번째 방법에서의 챔버 압력 변화가 빠르게 된다. 챔버 압력을 정밀하게 제어할 필요가 없는 경우에는 첫 번째 방법이 바람직한 반면, 정확하고 반복 가능하며 안정적인 압력이 요구될 때에는 두 번째 방법이 바람직할 수 있다.
압력 제어 서브루틴(360)이 호출될 때, 챔버 매니저 서브루틴(330a)으로부터 원하는 압력 또는 목표 압력 레벨이 변수로서 받아들여진다. 압력 제어 서브루틴(360)은 챔버에 연결된 하나 또는 그 이상의 종래의 기압계를 판독함으로써 챔버(13) 내 압력을 측정하도록 작동하며, 측정값을 목표 압력과 비교하여, 저장된 압력표로부터 목표 압력에 해당되는 비례, 적분, 미분값(proportional, integral, and differential(PID) value(s))을 얻고, 압력표에서 구해진 PID 값에 따라 스로틀 밸브(26)를 조절한다. 이와 달리 압력 제어 서브루틴(360)은 챔버(13)의 압력을 원하는 압력이나 압력 범위로 조절하기 위해 스로틀 밸브(26)를 특정 크기로 열리도록 개방 또는 폐쇄할 수 있다.
플라즈마 제어 서브루틴(370)은, RF 발생기(31A, 31B)의 출력 세팅과 주파수를 제어하고 매칭 네트워크(32A, 32B)를 동조시키기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 플라즈마 제어 서브루틴(370)은 전술한 챔버 컴포넌트 서브루틴과 마찬가지로 챔버 매니저 서브루틴(330a)에 의해 호출된다.
증착 프로세스 시퀀스
0.18㎛ 기술 세대에서는 음각법(damascene) 및 종래 유전체 갭필 조립 설계 모두가 사용될 것이다. 종래 프로세스 흐름에의 응용을 위해 종횡비가 3:1인 0.18㎛ 간격의 갭필이 필요할 것이다. 본 발명자들은 HDP-CVD 증착조건에서 종래의 산화물에 필적하는 성능을 나타내는 갭필 메커니즘을 발견하였다. 본 발명은 상술한 프로세싱 시스템에 대해 실행한 바람직한 프로세스 시퀀스에 대해 설명될 것이다.
한 실시예에서 본 발명자들은 α-FC 필름의 증착시 기판에 용량적으로(capacitively) 결합된 기판지지부재에 100W보다 큰 바이어스 전력을 인가함으로써, 필름 조성이 개선되고 폭이 0.25㎛보다 좁은 양호한 갭필능력이 이루어짐을 발견하였다. 프로세싱 중 기판의 온도는 450℃ 이하에서 유지되는 것이 바람직하다. 본 발명 이전에는, 바이어스 전력을 100W 이상으로 증가시킴에 따라, 필름 내에 트래핑될 수 있는 자유 F-로 되는 불소 선구체(precursor)의 프레그멘테이션(fragmentation)이 더욱 많아지는 것으로 믿어졌다. 잉여 F-가 필름에 도입됨에 따라 α-FC 필름의 탄소-탄소 가교결합이 감소되어 필름의 열적 안정성이 낮아진다. 게다가 자유 F-는 전류 누출 및 전하의 필름 내 트래핑을 유발하는 해로운 효과가 있다. 게다가 반응재료의 혼합물에 자유 F-가 많을수록 증착된 필름의 에칭속도(etch rate)가 증가되어 증착률을 낮춘다.
본 발명은 메탄이나 아세톤과 같은 탄소원을 챔버 내로 첨가하여 프레그멘티드 불소와 반응 결합되게 함으로써 이러한 문제를 해결한다. 일반적으로 탄소원은 원하지 않는 자유 불소 원자를 제거하기 위한 수소원으로서도 제공된다. 반응 가스에서 가용 탄소를 증가시킴으로써, 프레그멘티드 불소를 불소 제거제로서 작용하는 수소와 결합되게 한다. CxFy프레그먼트(x=1∼4; y=3∼8) 중 일부는 휘발성이며 챔버로부터 펌핑되어 나갈 수 있다. 그 결과 얻어지는 필름에는 도입되는 자유 불소 원자가 적고, 개선된 체인 브랜칭(chain branching)을 나타낸다. 체인 브랜칭의 증가는 유전상수가 낮고 열적으로 더욱 안정된 필름으로 귀결된다.
탄소원이 챔버 내로 흘러들어 선구체 가스 내의 원자비 F:C를 2 이하로 낮추는 것이 바람직하다. 유동속도와 전력레벨은 챔버 내 F:C비가 2보다 낮도록 조절된다.
200mm 기판 위에서 실시되는 한 실시예에서, 선구체 가스로서 옥타플루오르시클로부탄(C4F8)과 메탄(CH4)이 바람직한데, 이들은 원자비를 2보다 작게 유지할 수 있는 속도, 바람직하게는 약 20sccm 내지 200sccm 사이의 범위에서 챔버 내로 유입된다. 아르곤 또는 다른 불활성 가스가 약 20sccm 내지 100sccm의 속도로 챔버 내로 유입되어, 기판 위에 증착이 수행되는 상태에서, 성장하는 표면을 스퍼터링한다. 수용 가능한 증착속도로 필름 내에 바람직한(preferred) C-F 결합을 이루기 위해, 100W보다 큰 바이어스 전력 바람직하게는 약 1000W가 기판 지지부재에 인가된다. 약 1000W의 바이어스 전력이 0.25㎛ 폭에서 갭필능력을 제공하였다. 챔버 내에서 가용인 F:C의 원자비가 2보다 작게 유지될 수 있는 한 CH4, C2H4, C2H6, C2H2, C6H6, CF4, C2F6, C3F8, CHF3, C6F6과 같은 다른 탄소가스원과 CF4, C2F6, C3F8, CHF3, C6F6과 같은 다른 불소가스원이 사용될 수 있다. 추가로 이 분야에서 알려진 다른 불활성 봄바딩(bombarding) 가스가 사용될 수 있다.
실시예 1
캘리포니아 산타클라라 소재의 Applied Materials, Inc.에서 입수할 수 있는 Ultima™ HDP-CVD 반응기로 실험을 하였다. 소스 및 바이어스 발생기의 RF 주파수는 2.0 및 13.56MHz이었다. 양 발생기의 최대 출력은 5000W였다. HDP-CVD 플라즈마 조건하에서, 옥타플루오르시클로부탄(C4F8)과 메탄(CH4)의 반응에 의해 α-FC 필름이 증착되었다. 증착시의 챔버 압력은 10mTorr보다 낮았다. 갭필 증착을 위해 옥타플루오르시클로부탄(C4F8)과 메탄(CH4)은 모두 약 50sccm의 속도로 챔버 내로 유입되었다. 아르곤도 약 50sccm의 속도로 챔버 내로 도입되었다. 약 1000W의 소스 전력 및 1000W의 바이어스 전력이 소스코일과 기판 지지부재에 각각 인가되었다. 7000Å의 α-FC 필름이 기판 위에 증착되었다.
실시예 2(비교예)
비교예에서는 기판 지지부재로 공급되는 바이어스 RF 전력이 100W인 점 외에는 모든 변수가 같다.
도 2a 및 도 2b는 상술한 각 예의 결과를 비교하기 위한 주사 전사 현미경(SEM) 사진이다. 두 프로세스 사이의 유일한 차이는, 기판에 인가된 바이어스 전력의 레벨 및 충진되는 구조의 크기이다. 도 2a는 0.25㎛ 구조를, 도 2b는 0.6㎛ 구조를 나타낸다. 1000W의 높은 바이어스 전력을 사용하는 프로세스에서는 0.25㎛ 구조의 완전한 갭필이 나타난다. 양 프로세스는 모두 1000W의 소스 RF 전력을 사용하였다. 현미경 사진에 나타난 바와 같이, 낮은 바이어스 전력이 프로세스에 사용될 때, 금속라인 사이의 갭에 보이드(void)가 존재한다. 바이어스 전력이 약 1000W까지 증가될 때, 갭필능력이 개선되어 더 작은 구조가 보이드의 형성 없이 충진된다.
도 3은 열수축과 바이어스 전력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 바이어스 전력이 약 100W에서 약 1000W로 증가될 때, 결과물 필름의 열수축은 약 8% 정도로부터 1%보다 작은 값으로 감소된다. α-FC 필름의 열적 안정성은 진공상태 400℃에서 증착된 상태대로의 필름의 어닐링 전후 두께 변화에 의해 모니터된다.
도 4는 C4F8:CH4비와 양 필름의 수축 및 증착률 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 필름 수축은 필름 조성과 증착 온도에 상당히 의존하고 있음이 발견되었다. 1000W에서 C4F8:CH4= 1(F:C ≤ 2)일 때 필름 수축이 최소이다. F함량을 더욱 증가시키면 α-FC 필름의 열적 안정성은 감소된다. F함량이 높은 필름이 가교결합이 덜 되어 있고 따라서 고온에서 변형이 쉬울 것으로 추측된다. CHx그룹은 고온에서 분해되기 쉽기 때문에, 필름 내의 낮은 수소 및 산소 함량도 열적 안정성에 있어 중요한 요소이다. TDS 스펙트럼은 CH 및 CFx가 어닐링시의 주요 탈착종(desorption species)임을 확실히 나타낸다.
도 5는 어닐링 시간과 유전상수 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. α-FC 필름의 유전상수는 1MHz에서 수은 프로브에 의한 용량 측정(capacitance measurement)으로부터 계산되었다. 400℃, N2분위기에서 어닐링한 뒤의 유전상수값은 시간에 따라 변하지 않았는데, 이는 필름이 열적으로 안정적임을 나타낸다.
불소 및 다른 오염물질의 가스화를 제어하기 위한 챔버 시즈닝(seasoning) 단계
증착 챔버의 내부 표면으로부터 불소의 가스화는, 질화규소 코팅, 질산화규소 코팅, FSG 코팅 또는 이들의 결합에 의해 챔버 벽을 시즈닝(seasoning)함으로써 방지할 수 있다. 챔버 벽 코팅의 두께는 내면으로부터의 불소 가스화를 막기에 충분하며, 적어도 100Å인 것이 바람직하다. 챔버 시즈닝 프로세스는 증착 챔버 내에 기판을 위치시키기 전에 CVD에 의해 실행되는 것이 전형적이다. 질화규소 또는 질산화규소를 챔버의 내부 표면에 증착하기 위해 프로세스 가스 레시피가 사용된다. 시즈닝 필름을 증착시키기 위한 한 프로세스에서는, 약 1500-4500W 사이 범위의 소스 전력으로 질소를 실란(silane)과 반응시킨다. 질소는 약 100 내지 300 sccm, 실란은 약 50 내지 120sccm의 속도로 공급되는 것이 바람직하다. 챔버 온도는 60∼70℃ 범위이거나 이보다 높은 온도일 수 있다. 다른 적절한 증착 프로세스는 그 상세한 설명이 본 명세서에 참조되는 미국특허 5,589,233에 개시되어 있는데, 여기서 질화규소 및 질산화규소는 챔버의 내부 표면에 유지되어 있는 도판트(dopants)에 의한 오염을 막기 위해, 증착 챔버의 노출된 내부 표면 및 기판에 증착된다. 챔버 벽이 시즈닝된 뒤, 패턴화된 금속 표면(patterned metal surface)을 가지는 기판은, 챔버 내에 위치되고, 불소 함유층을 증착하기 위한 상술한 프로세스 또는 불소 함유 필름을 형성하기 위한 다른 임의의 공지 프로세스에 따라 처리된다.
불소 함유 유전층의 금속 표면에의 접착 개선
본 발명의 또 다른 특징에서는 패턴화된 금속라인과 같이 노출된 금속 표면을 가지는 기판에의 불소 함유 유전체 접착을 개선시키기 위해, 금속층에 질소를 스터핑(stuffing)하기 위한 방법이 제공된다. 본 발명의 한 특징에서, 증착된 티타늄 또는 질화티타늄에 질소를 스터핑하여 TiN/N2표면을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 플라즈마의 질소이온은, 금속 위에의 유전체 필름 접착을 개선시키기 위해, 증착된 금속층을 가격하여 증착된 금속 필름의 구조를 변화시킨다.
특정 실시예에서 불소 함유 유전체는 각각 메탄(CH4)과 옥타플루오르시클로부탄(C4F8)과 같은 탄소원과 불소원을 포함하는 증착 프로세스 가스로부터 형성된 비정질 탄화불소 물질이다. 다른 탄소원도 사용될 수 있으나 메탄이나 아세틸렌이 바람직하다. 다른 불소원에는 헥사플루오르벤젠(C6F6)과 헥사플루오르프로판(C3F6)이 포함된다. 폴리머 필름의 불화(fluorination)를 제어하기 위해 추가의 불소 이온이 생성될 수 있다. 비정질 탄화불소는 화학적으로 불활성인 비정질 유전체이다.
질화티타늄에의 N2스터핑은 우선 두께가 500Å보다 얇은 질화티타늄 필름 또는 다른 금속 필름을 증착함으로써 이루어진다. 질화티타늄은 질소 스퍼터링 가스 내에서 티타늄 타겟을 약 5∼30초 스퍼터링함으로써 증착되는 것이 바람직하다. 이때 챔버 내로의 N2유동이 계속되고 플라즈마가 챔버 내에서 발생되어, 증착된 TiN과 N2플라즈마 사이의 반응이 촉진된다. 스터핑에는 플라즈마가 바람직한 방법이지만, N2가 TiN에 공급되고 열반응(thermal reaction)과 같은 다른 반응이 TiN과 N2사이의 반응을 촉진할 수 있다. 플라즈마가 사용되는 경우, 약 0.5 mTorr 내지 5 Torr 사이의 압력으로 챔버가 유지되면서, N2가 약 5sccm 내지 500sccm 사이의 속도로 챔버에 공급되는 것이 바람직하다. N2를 여기 뉴트럴(excited neutrals) 등으로 여기시키기 위해, 전력이 용량적 또는 유도적으로 챔버에 결합되며, 이들 여기 뉴트럴 등은 기판 위에서 TiN과 반응한다. 기판의 온도는 대략 상온으로부터 약 500℃ 정도의 범위에서 유지되는 것이 바람직하다.
도 6a는 메탈라이제이션 및 플라즈마 에칭과 같은 종래 방법에 의해 형성되는 패턴화된 금속라인(414)과, SiO2와 같은 유전체층(412)을 가지는 처리된 기판(400)의 부분단면도를 나타낸다. 처리된 기판에서 라인 또는 비아스(vias)를 만들기 위해 사용되는 전형적인 금속은 알루미늄 또는 구리이다. 패턴화된 금속라인은 유전상수가 낮은 유전체(low dielectric material)로 충진될 트렌치(416)에 의해 분리된다.
도 6b에서 TiN층(418)은 물리기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD)에 의해 도 4a의 기판(400) 위에 증착되고 질소에 노출되어 두께가 5Å보다 두꺼운 TiN/N2층을 형성한다. 금속라인(414)이 불소에 의해 부식되는 것을 방지하기 위하여 TiN/N2층은 연속적인 것이 바람직하다. 바람직한 TiN층은 어디에서나 단일층 내지 200Å까지의 PVD TiN을 포함하며, 이후 두께 5Å 내지 50Å 사이의 연속적인 TiN/N2면을 형성하기 위한 질소 스터핑이 뒤따른다.
도 6c는 도 4b의 기판(400)의 개략적인 부분단면도로서 TiN/N2층(418)에 증착된 비정질 탄화불소층(420)을 나타낸다. 비정질 탄화불소층은 상술한 바와 같은 유전상수값이 낮은 불소 함유 유전체층이다.
상술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 것인 반면, 본 발명의 기본적인 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 실시예가 안출될 수 있으며, 그 범위는 이하의 청구범위에 의해 정해진다.

Claims (9)

  1. 불소 함유 유전체(fluorine containing dielectric material)의 기판 위 금속 표면에의 접착(adhesion)을 개선하는 방법으로서,
    질화규소(silicon nitride) 또는 질산화규소(silicon oxynitride)를 증착 챔버의 내부 표면에, 이 내부 표면으로부터 불소가 가스화되어 나오는 것을 막는데 충분한 양으로 증착하는 단계;
    기판을 증착 챔버에 위치시키는 단계;
    불소가 없는 상태에서 하나 또는 그 이상의 층을 기판에 증착하는 단계; 및
    불소 함유 유전체를 기판에 증착하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기판이 패턴화된 알루미늄(patterned aluminum)을 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 불소 함유 유전체는 비정질 탄화불소(amorphous fluorocarbon) 물질인 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 TiN 접착층은 불소 함유 유전체를 증착하기 전에 증착되는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 불소 함유 유전체를 증착하기 전에 TiN 접착층을 질소에 노출시킴으로써, TiN 접착층에 TiN/N2면을 형성하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  6. 불소 함유 유전체의 기판 위 금속 표면에의 접착을 개선하는 방법으로서,
    질화규소 또는 질산화규소를 증착 챔버의 내부 표면에, 이 내부 표면으로부터 불소가 가스화되어 나오는 것을 막는데 충분한 양으로 증착하는 단계;
    금속 표면을 가지는 기판을 증착 챔버에 위치시키는 단계;
    금속 표면에 TiN 접착층을 증착하는 단계; 및
    TiN 접착층을 N2에 접촉시킴으로써 TiN/N2면을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 금속 표면이 패턴화된 알루미늄인 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 TiN/N2면에 불소 함유 유전체를 증착하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 불소 함유 유전체가 탄화불소 물질인 방법.
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