KR20010039634A - 탄소 함유층의 접착 향상 및 산화 감소 플라즈마 처리 - Google Patents
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-
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Abstract
본 발명은 추가의 증착층을 필요하지 않은 탄소 함유층의 접착성 및 내산화성을 개선하는 것이다. 한 특징에서, 본 발명은 탄화실리콘과 같은 탄소 함유층의 노출면을 헬륨(He), 아르콘(Ar)과 같은 불활성 가스 플라즈마 또는 다른 불활성 가스 플라즈마 또는 산화질소(N2O) 플라즈마와 같은 산소 함유 플라즈마로 처리한다. 다른 탄소 함유 재료는 유기 폴리머 재료, 무정질 탄소, 무정질 탄화불소, 탄소 함유 산화물 및 기타 탄소 함유 재료를 포함한다. 플라즈마 처리는 적합하게 처리되어질 층의 증착과 인시튜 상태에서 이루어진다. 인시튜 증착 및 플라즈마 처리가 일어나는 프로세싱 챔버는 탄소 함유층에 대한 것과 동일 또는 유사한 선구물질을 전달하도록 형상되어 있다. 그러나, 층은 여러 선구물질로 증착될 수 있다. 본 발명은 또한 처리 플라즈마를 발생하는 프로세싱 통제변수와 처리 플라즈마를 사용하는 시스템을 제공한다. 탄소 함유 재료는 배리어 층, 에칭 스톱, ARC, 보호층 및 절연층과 같은 다양한 층에 사용될 수 있다.
Description
서브-쿼터 마이크론 멀티-레벨 금속화(Sub-quarter micron multi-level mentalization)는 초대형 집접회로(ULSI)의 다음 세대에 대한 중요한 기술중 하나이다. 멀티레벨 상호접속 피쳐의 신뢰성 있는 포맷은 ULSI의 성공과 개별 기판 및 다이상에 회로 밀도와 품질을 증가시키는 계속적인 노력에 매우 중요하다. 회로 밀도가 증가하면, 재료와 구조적 변화는 기판의 스택내에서 일어난다. 결국, 층 접착 및 내산화성과 같은 약간의 기초적인 성질은 재고려할 필요가 있다.
층들이 연속적으로 증착되면, 층사이의 접착은 구조적 일체성을 유지하고 형성되어지는 소자의 성능 요구사항과 일치하는데 중요하게 된다. 배리어 층, 에칭 스톱, 안티-반사 코팅(ARC), 보호층 및 기타 층으로서 유용한 새로운 저 k 재료를 사용할려면 일체화되어질 양호한 접착제를 제작 과정에 제공해야 한다. 예로서, ULSI용 약간의 새로운 재료는 층의 k값을 나추면서, 강도와 같은 바람직한 물리적 성질을 유지하도록, 불소와 같은 할로겐 도핑을 사용한다. 그러나, 약간의 도핑된 재료는 프로세싱중 빠져나갈 수 있다. 그러므로, 인접층들이 증착되고 최후로 어닐링되면, 층은 서로 적절히 접착되지 않고, 그 결과로 층들은 갈라진다.
추가로, 새로운 재료는 특히 산화 플라즈마에 노출된 층에 대해, 개선된 내산화성을 줄 필요가 있다. 한 예로서, 층들이 패턴화 에칭을 필요로 하면 층들은 포토레지스트 재료(통상적으로 유기 폴리머)의 층이 층상에 증착되어 에칭 패턴을 형성하는 포토리쏘그래피 프로세스를 받는다. 에칭 후, 포토레지스트 층은 포토레지스트 층을 활성 산소 플라즈마에 노출함으로써 제거되며, 이런 프로세스를 통상적으로 "애싱(ashing)"으로 언급된다. 애싱 프로세스의 정밀한 플라즈마-향상 산화 동안, 플라즈마의 충전된 입자는 기판과 충돌하여 필름 손실을 야기하고 /또는 기판의 결정 격자를 비틀게 함으로써, 기판상에 형성된 소자의 일체성을 손상한다.
부식 또는 필름 손실은 콘택츠, 바이어스, 라인 및 트렌치와 같은 소형 치수 피쳐 사이에 단락을 야기할 수 있다. 애싱으로부터의 산화는 특히 SiC와 같은 탄소 함유 재료에 영향을 주는 것으로 나타나 있으며, 그러므로, 이런 재료는 일반적으로 또한 향상된 접착성과 상승된 내산화성을 가져야 만 이익을 얻을 수 있다. 그러므로, 이런 엄격한 환경에서는 향상된 내산화성 및 내필름 손실이 소형 치수 피쳐의 회로 일체성을 유지하는데 필요하다.
그러므로, 탄소 함유 재료의 내산화성 및 접착성을 증가하는 향상된 프로세싱이 필요하다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 프로세스가 수행될 수 있는 상업적으로 이용가능한 CVD 플라즈마 프로세스 챔버의 단면도.
도 2는 특정 결합 구조를 표시하는 본 발명의 SiC의 푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR) 챠트.
도 3은 본 발명을 이용하는 이중 물결 무늬 구조의 양호한 실시예를 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 도전성 재료 20a : 바이어/콘택트
20b : 라인/트렌치
60 : 기판 62 : 피쳐
64 : 배리어 층 66 : 절연층
68 : 에칭스톱 70 : 절연층
72 : ARC 75 : 배리어 층
본 발명은 추가의 증착층을 필요하지 않은 탄소 함유층의 접착성 및 내산화성을 개선하는 것이다. 한 특징에서, 본 발명은 탄화실리콘과 같은 탄소 함유층의 노출면을 헬륨(He), 아르콘(Ar)과 같은 불활성 가스 플라즈마 또는 다른 불활성 가스 플라즈마 또는 산화질소(N2O) 플라즈마와 같은 산소 함유 플라즈마로 처리한다. 다른 탄소 함유 재료는 유기 폴리머 재료, aC, aFC, SiCO:H 및 기타 탄소 함유 재료를 포함한다. 플라즈마 처리는 적합하게 처리되어질 층의 증착과 인시튜 상태에서 이루어진다. 인시튜 증착 및 플라즈마 처리가 일어나는 프로세싱 챔버는 탄소 함유층에 대한 것과 동일 또는 유사한 선구물질을 전달하도록 형상되어 있다. 그러나, 층은 여러 선구물질로 증착될 수 있다. 본 발명은 또한 처리 플라즈마를 발생하는 프로세싱 통제변수와 처리 플라즈마를 사용하는 시스템을 제공한다. 탄소 함유 재료는 배리어 층, 에칭 스톱, ARC, 보호층 및 절연층과 같은 다양한 층에 사용될 수 있다.
본 발명의 상술한 특징, 장점 및 목적은 첨부의 도면에서 도시한 실시예를 참고하면 보다 상세히 이해될 수 있을 것이다.
그러나, 첨부의 도면과 아래에 설명한 실시예는 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니며 따라서 다른 동등한 효과의 실시예들도 본 발명으로 인정되어야 한다.
본 발명은 추가의 증착층을 필요하지 않고 탄소 함유층을 불활성 가스 플라즈마 또는 산소 함유 플라즈마에 노출함으로써 탄소 함유층의 접착성 및 내산화성을 개선하는 것이다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 처리를 수행할 수 있는 미국 캘리포니아 산타 클라라소재의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드로부터 이용가능한 상표명 CENTRA DxZTMCVD 챔버와 같은, 화학 기상 증착(CVD) 챔버의 단면도이다. 본 발명은 램프 가열식 프로세스 챔버를 포함하는 여러 프로세스 챔버내에서 실행될 수 있다. 프로세스 챔버(10)는 가스 분배 매니폴드(11)를 포함하며, 가스 분배 매니폴드는 통상적으로 "샤워헤드"로 불리며, 프로세스 가스를 매니폴드내의 천공 홀(도시 생략)을 통해서 기판 지지부(12)상에 놓여있는 기판(16)으로 분산한다. 기판 지지부(12)는 저항 가열되며 지지 시스템(13)상에 장착되어 있으므로, 기판 지지부와 기판 지지부의 상부면상에 지지된 기판은 매니폴드(11)에 인접한 상부 프로세싱 위치와 하부 로딩/오프-로딩 위치 사이로 리프트 모터(14)에 의해 제어가능하게 이동될 수 있다. 처리 동안, 매니폴드(11)로부터 나온 가스는 기판 표면에 거쳐서 방사방향으로 균일하게 분배된다. 가스는 진공 펌프 시스템(32)에 의해 포트(24)를 통해서 배기된다. 제어된 플라즈마는 RF 전원(25)으로부터 분배 매니폴드(11)에 RF에너지를 가하므로써 기판에 인접해서 형성된다. 기판 지지부(12)와 챔버 벽은 통상적으로 접지되어 있다. RF 전원(25)은 싱글이든지 또는 혼합된 주파수 RF 파워를 매니폴드(11)에 공급할 수 있으므로 챔버(10)로 도입된 어떠한 가스의 분해도 향상할 수 있다. 제어기(34)는 전원, 리프트 모터, 가스 분사용 매스 제어기, 진공 펌프의 기능 및 다른 관련된 챔버 및/또는 프로세싱 기능을 제어한다. 제어기는 메모리(38), 양호한 실시예에서 하드 디스크 드라이브내에 저장된 시스템 제어 소프트웨어를 실행하고 아날로그 및 디지털 입력/출력 보드, 인터페이스 보드 및 스텝퍼 모터 제어기 보드를 포함할 수 있다. 광학 및/또는 자기 센서는 일반적으로 가동가능한 기계 어셈블리의 위치를 이동하고 결정하는데 사용된다. 이런 CVD 프로세스 챔버의 예는 본 발명의 출원인인 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드에 양도된 왕(Wang) 등의 미국 특허 제 5,000,113 호에 기술되어 있으며, 이는 여기서 참고로 사용되며, 발명의 명칭이 "열 CVD/PECVD 반응기 및 이산화 실리콘의 열 화학 증착 및 인시튜 멀티 스텝 평탄화 프로세스의 용도(Thermal CVD/PECVD Reactor and Use for Thermal Chemical Vapor Deposition of Silicon Dioxide and in-situ Multi-step Planarized Process)"이다.
상기 CVD 시스템 설명은 주로 설명 목적으로 사용되며, 전극 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 CVD 장치, 유도 결합 RF 고밀도 플라즈마 CVD 장치 등도 사용될 수 있다. 추가로, 상술한 시스템의 변화는, 기판 지지부 디자인, 가열기 디자인, RF 전력 연결부의 위치, 전극 형태 및 다른 특성들의 변화처럼, 가능하다. 예들 들어, 기판은 저항 가열된 기판 지지부에 의해 지지되고 가열될 수 있다.
He 플라즈마를 사용한 프로세스 통제변수는 표 1에 제공되어 있고, N2O를 사용한 프로세스 통제변수는 표 2에 제공되어 있다. 이들 가스들은 대표적인 가스이며 다른 불활성 가스 또는 다른 산소 함유 가스와 같은 여러 가스들도 사용될 수 있다.
변수He(sccm) | 범위100 - 40000 | 양호하게500 - 2500 | 가장 양호하게750 - 2000 |
압력(토르) | 1 - 12 | 2 - 10 | 4 - 9 |
RF 전력(W) | 50 - 800 | 100 - 500 | 100 - 400 |
RF 전력 밀도(W/in2) | 0.7 - 11 | 1.4 - 7.2 | 1.4 - 5.7 |
온도(℃) | 0 - 500 | 50 - 450 | 100 - 400 |
이격 거리(밀스) | 200 -700 | 300 - 600 | 300 - 500 |
변수He(sccm) | 범위100 - 40000 | 양호하게500 - 2500 | 가장 양호하게750 - 2000 |
압력(토르) | 1 - 12 | 2 - 10 | 4 - 9 |
RF 전력(W) | 50 - 800 | 100 - 500 | 100 - 400 |
RF 전력 밀도(W/in2) | 0.7 - 11 | 1.4 - 7.2 | 1.4 - 5.7 |
온도(℃) | 0 - 500 | 50 - 450 | 100 - 400 |
이격 거리(밀스) | 200 -700 | 300 - 600 | 300 - 500 |
상기 프로세스 통제변수는 상술한 상표명 CENTRA DxZTMCVD 챔버내에, 본 발명에 따라서, SiC와 같은 탄소 함유층의 노출 표면을 He 또는 N2O 플라즈마 또는 다른 불활성 또는 산화 가스로 처리하는데 사용될 수 있다. 표 1 또는 표 2의 매개변수를 사용하여, He 또는 N2O 가스 각각은 약 100 내지 약 4000 표준 큐빅 센티메터(sccm), 가장 양호하게 약 750 내지 2000 sccm의 유량으로 챔버로 흐른다. 챔버 압력은 약 1내지 약 12 토르, 가장 양호하게 약 4 내지 약 9 토르에서 유지된다. 싱글 13.56 MHz RF 전원은 약 50 내지 약 800 와트(W), 가장 양호하게 약 100 내지 400 W를 챔버에 전달한다. 약 0.108 내지 1.705W/cm2( 0.7 내지 11 W/in2), 가장 양호하게 약 0.217 내지 약 0.88W/cm2(약 1.4 내지 5.7 W/in2)의 전력 밀도가 사용된다. RF 전원은 혼합 주파수 RF 전원일 수 있다. 기판 표면 온도는 약 0 내지 500℃, 가장 양호하게 약 100 내지 400℃로 유지된다. 기판은 가스 판으로부터 약 200 내지 약 700밀스, 가장 양호하게 약 300 내지 500 밀스 떨어져 배치되어 있다.
기판은 양호하게 약 10 내지 약 40 초로 노출된다. 대부분의 경우에, 한 처리 사이클의 마지막 20초는 접착성 증가 및/또는 산화에 대한 민감성 감소를 위해 층을 효과적으로 처리한다. 매개변수는 접착성을 개선하는데 도움을 주는 다른 챔버, 기판층 및 다른 가스에 대해서, 특히 추가의 증착층을 요하지 않고 접착성을 개선하는 이들 프로세스에 대해서 조정될 수 있다.
본 발명은 다양한 재료를 처리하는데 유익하다. 예를 들어, 이들 재료는 유기 폴리머 재료, aC, aFC, SiCO:H와 같은 주로 탄소 함유층 및 다른 탄소 함유 재료를 포함할 수 있다.
여러 용도에 우수하게 사용될 수 있는 한 재료는 1998년 10월 1일자 출원된 발명의 명칭이 "배리어 층 및 에칭 스톱으로 사용하기 위한 실리콘 카바이드 증착(A Silicon Carbide Deposition For Use As A Barrier Layer And An Etch Stop)"인 계류중인 미국 특허 출원 제 09/165,248 호와 1998년 12월 23일자 출원된 발명의 명칭이 "저 절연 상수 ARC로서 사용하기 위한 실리콘 카바이드 증착(A Silicon Carbide Deposition For Use As a Low Dielectric Constant Anti-Reflective Coating)"인 일부 연속 출원의 미국 특허 출원 제 09/219,945 호내에 기술된 저 k SiC이다. 이들 양 특허 출원은 본 발명의 출원인인, 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 소유이며, 여기서 참고로 사용되고 있다. 이 특정 SiC는 배리어층, 에칭 스톱, ARC 및/또는 보호층으로 기능하고 뿐만 아니라 저 k값을 가질 수 있는 장점을 제공하고 접착성 향상 및 내산화성 증가의 이익을 얻을 수 있다.
상기 프로세스 통제변수는 7보다 작은, 적합하게 약 5이하, 가장 양호하게 약 4.2 이하의 절연 상수를 가지는 SiC 재료를 생산한다. 이런 SiC 층을 200mm 웨이퍼상에 증착하도록, 트리메틸실란(trimethylsilane)과 같은 반응성 가스 소오스는, 반응 영역으로 도입된 산소의 실질적인 소오스 없이, 상술한 상표명 CENTRA DxZTMCVD 챔버와 같은 반응 챔버로 흐르며, 상기 트리메틸실란은 약 50 내지 약 200 sccm의 양호한 유량으로 흐른다. 적합하게, 헬륨 또는 아르곤과 같은, 희가스는 또한 약 200 내지 1000 sccm의 유량으로 챔버로 흐른다. 챔버 압력은 약 6내지 약 10 토르에서 유지된다. 싱글 13.56 MHz RF 전원은 적합하게 약 400 내지 약 600 W, 전력 밀도는 양호하게 약 0.88 내지 약 1.33W/cm2(약 5.7 내지 약 8.6 W/in2)이다. 기판 표면 온도는 SiC의 증착 동안 적합하게 약 300℃ 내지 400℃로 유지되며 기판은 적합하게 가스 샤워헤드로부터 약 300 내지 약 500밀스(mils) 떨어져 배치되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 He 및 N2O로 처리된 SiC의 샘플의 푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR) 분석도이며, 각 처리된 SiC층의 결합 구조를 도시하고 있다. 상부선(A)은 증착한 그 상태의 SiC층의 결합 구조를 도시한다. Si(CH3)n및 SiC 결합을 포함하는, 본 발명에 적용가능한 다른 결합 구조에 대응하는 분석의 부분도 확인되어져 있다. 선(A)상에 He 플라즈마 처리후 시편의 결합 구조가 오버레이되어 있다. 도시한 바와 같이, He 플라즈마 노출은 최소이고 조성물상에 영향을 주지 않고 시편의 결합 구조를 검출한다. 또한, 선(A)상에 O2플라즈마 노출 후 시편의 결합 구조가 오버레이되어 있다. O2플라즈마로 약 10 내지 약 30분 동안 기판을 처리하기전 기판을 He 플라즈마로 조절함으로써, 기판은 O2플라즈마 노출로부터 평가할 수 있을 정도의 효과를 나타내고 있지 않는다.
아래선(B)은 N2O 플라즈마 처리후 SiC 시편의 결합 구조를 도시한다. N2O 플라즈마 처리는 상부 선(A)에 도시한 비처리된 시편으로부터 결합 구조를 변경한다. 이 변화는 N2O 플라즈마 처리된 시편의 Si-O 결합 구조내에서 크게 나타난다. 아래선(B)에는 N2O 플라즈마에 의해 처리되어지고 그 다음, 약 10 내지 약 30분 동안 애싱과 같은 O2플라즈마 노출을 받게 한 시편의 결합 구조를 도시한다. 여기서는 N2O로 플라즈마 처리 후의 시편과 연속적인 O2플라즈마 노출 후의 시편의 결합 구조의 실질적인 차이는 나타나 있지 않다.
ESCA/XPS 및 FTIR 분석에 의해 검출하면 SiC층의 조성물에 He플라즈마가 크게 영향을 주지 못하는 결과를 확인할 수 있다. He 처리는 N2O 플라즈마 처리보다 화학 조성물에 보다 덜한 변화를 야기한다. 확실하게, 이 변화는 He 플라즈마 노출의 결과로서 Si 불포화 결합(dangling bond)에, 우선 표면층 결합 구조의 물리적 변화를 야기한다. He 플라즈마 처리에 의한 표면 변화는 약 5Å 내지 10Å 깊이 이하에서 있을 수 있다. 예들 들어, SiC의 N2O 플라즈마에 대해서, 확실하게 N2O 가스부터의 산소는 SiC 표면에서 반응하여 Si-O결합 및/또는 C-O 결합을 형성하며, 따라서, Si 불포화 결합을 감소하고 접착성 및 내산화성을 개선한다.
예 1
표 3 및 표 4는 절연층에 증착되고 He 또는 N2O 플라즈마와 같은, 처리 플라즈마에 노출된 SiC 층의 화학 조성물 변화와 결합 구조 변화에 대한 전자분광 화학 분석법/ X-선 광전자 분광법(ESCA/ XPS) 분석 리포트의 데이터를 도시한다.
일련의 SiC 층은 표 1 및 표 2에 도시한 프로세스 통제변수에 따라서 플라즈마 처리에 노출된다. He 또는 N2O 가스는 약 1500 sccm의 유량으로 챔버로 흐르고, 챔버 압력은 약 8.5 토르이고, 싱글 13.56 MHz RF 전원은 약 250W를 200mm 웨이퍼용 챔버에 전달한다. 기판 표면 온도는 약 250 내지 400℃로 유지되며 기판은 가스 판으로부터 약 400 밀스 떨어져 배치되어 있다. 기판은 양호하게 약 20 초 동안 노출된다.
샘플 | C | O | Si | N | F | Cl |
베이스 비처리 | 56 | 8 | 36 | -- | -- | 0.5 |
He 플라즈마 | 56 | 8 | 34 | 1 | 0.5 | -- |
N2O 플라즈마표면 | 5 | 67 | 28 | -- | -- | -- |
N2O 플라즈마벌크 | 35 | 24 | 36 | 4 | -- | -- |
비처리된 SiC 샘플은 약 56% C, 8% O, 36% Si, 및 무시할 수 있는 N, F 및 Cl 량을 포함한다. He 플라즈마에 의해 처리된 SiC 층은 비처리된 SiC 와 유사한 조성물을 포함한다. He 플라즈마는 산소, 수소 및/또는 질소를 포함하는 다른 가스의 실질적인 존재없이 사용된다. 약간의 산소, 수소 및/또는 질소가 He 가스 플라즈마내에 존재한다는 점에서, 이런 가스의 존재는 무시가능하다.
표면에서 또는 표면 가까이 에서 측정한 N2O 처리된 샘플은 SiC층의 조성물을 약 5% C, 67% O, 28% Si로 변하며, SiC층의 표면의 추가의 산화를 반영한다. N2O 플라즈마 노출에 의한 표면 조성물의 변화에 의해서, SiC층은 또한 약 3000Å의 두께를 가지는 층 단면의 벌크(bulk)를 통해서 분석된다. 분석은 약 35% C, 24% O, 36% Si 및 3% N까지의 조성물의 변화를 보여준다.
표 4는 ESCA/XPS분석 레포트의 데이터를 도시하며, 표 3의 샘플의 탄소와 관련된 탄소 함량과 화학 결합 구조를 상세히 나타낸다.
샘플 | Si-C | C-C, C-H | C-O | C=C-O |
베이스 | 69 | 30 | 1 | -- |
He 플라즈마 | 68 | 29 | 3 | -- |
N2O 플라즈마표면 | -- | 78 | 20 | 2 |
N2O 플라즈마벌크 | 84 | 16 | -- | -- |
결과는 결합 구조가 He 플라즈마 처리로 상당히 일정하게 유지하는 것으로 나타난다. SiC 표면 조성물은 N2O 플라즈마 처리로 변경되어 보다 많은 C-C 및 C-H 결합을 포함하며, 확실하게 Si-O 및/또는 C-O결합을 형성하고 그렇지 않으면 Si 불포화 결합 또는 다른 불포화 결합을 보호한다. 표면에서의 결합 변화는 다음층에 접착성을 증가한다. 추가로, N2O는 제어된 N2O 노출에 의해 층의 얇은 부분을 산화하여, 비처리된 층과 비교해서 추가 및 더 깊은 산화에 저항하는 표면을 만든다.
예 2
표 5는 애싱 호환성 연구에서 SiC의 플라즈마 처리의 결과를 나타낸다. SiC를 가진 일련의 시편은 표 1 및 표 2에 도시한 양호한 프로세스 변수를 사용해서, 본 발명에 따른 He 또는 N2O 플라즈마로 처리된다. SiC 층의 시편은 비교 시편으로써 비처리된 상태로 남고 다른 시편은 다른 비교 시편으로써 SiC 층상에 언도핑 실리콘 산화층(USG)을 증착하고 있다.
이 예에서, He 또는 N2O 가스는 약 1500 sccm의 유량으로 챔버로 흐르고, 챔버 압력은 약 8.5 토르이고, 싱글 13.56 MHz RF 전원은 약 250W를 200mm 웨이퍼용 챔버에 전달한다. 기판 표면 온도는 약 350 내지 450℃로 유지되며 기판은 가스 판으로부터 약 400 밀스 떨어져 배치되어 있다. 기판은 약 20 초 동안 플라즈마에 노출된다. 두께 측정은 포토레지스트 층을 제거하도록 산소 플라즈마에 사용된 애싱 프로세스 전 및 후에 실시된다. 도시한 바와 같이, 결과는 He 및 N2O 플라즈마 처리가 공기 또는 애싱과 같은 다른 산화 환경에서 추가의 산화를 감소하거나 방지하는 것으로 나타난다.
샘플SiC | 애싱 전 두께 Å | 애싱 후 두께 Å | ||||
산화층 | SiC 층 | 전체 | 산화층 | SiC 층 | 전체 | |
베이스 비처리된 층 | 40 | 2895 | 2935 | 191 | 2874 | 3065 |
He 플라즈마 | 0 | 3108 | 3108 | 60 | 3008 | 3068 |
N2O 플라즈마 | 210 | 2821 | 3031 | 255 | 2673 | 2928 |
USG 층이 증착된 베이스 | 242 | 2978 | 3220 | 256 | 3064 | 3320 |
비처리된 SiC와 플라즈마 처리된 SiC사이의 구별은 표 5에 도시한 약 산화층 두께의 차이를 비교함으로써 알 수 있다. 산화물로부터 층 두께의 큰 증가는, 절연 상수를 증가하거나 금속 확산을 방지하도록 배리어 층의 능력을 감소함으로써, 전체 층의 특성에 영향을 줄 수 있다. 그러므로, 산화된 층 두께의 증가를 줄이는 것이 바람직하다. 비처리된 SiC층의 산화층 두께는 애싱 전 약 40Å이고 애싱후 약 191Å이므로, 증가 분은 약 150Å이다. 이와 대조적으로, He 플라즈마로 처리된 SiC층의 산화층 두께는 애싱 전 약 0Å이고 애싱후 약 60Å이므로, 증가 분은 약 60Å이다. N2O로 처리된 SiC는 약 210Å의 초기 산화층 두께를 가지고 애싱 프로세스 후 약 225Å의 산화층 두께를 만드므로, 증가 분은 약 45Å이다. 플라즈마 처리된 SiC층과 비교해서, USG의 약 240Å는 SiC층위에 증착되고 그리고 나서 애싱 프로세스에 노출된다. 애싱 전의 두께는 약 242Å이고 애싱후는 약 256Å이므로, 증가 분은 약 14Å이다.
테스트 결과는 처리된 SiC층이 비처리된 SiC층 보다 약 300% 애싱으로부터 산화에 강한 것을 나타낸다. 결과는 또한 처리된 SiC층이 USP층이 증착된 아래의 SiC층 보다 단지 약 30Å 내지 약 45Å 산화를 야기하는 것을 나타낸다.
예 3
일련의 SiC 층은 표 2에 설명한 프로세스 통제변수에 따라서 N2O 플라즈마 처리에 노출되어 있다. 특히, 이 예에서, N2O 가스의 약 1500 sccm은 챔버로 흐르고, 챔버 압력은 약 8.5 토르이고, 약 250W의 RF 전원은 챔버에 전달되고, 기판 표면 온도는 약 350 내지 400℃로 유지되며 기판과 가스 판과의 이격거리는 약 400 밀스이다. 이 테스트에서, 기판은 USG의 5000-20000Å 두께 층, SiC의 200-1000Å 두께 층, 그 다음에 여기에 증착되고 그 다음에 질화재료의 500Å 층으로 캡핑된(capped) 다른 USG 산화층을 포함한다. SiC층은 USG층의 증착 전에 본 발명의 플라즈마로 처리된다. 테스트의 한 세트에서, SiC층을 가진 시편은 약 20초 동안 N2O 플라즈마로 처리된다. 시편의 한 세트상에, USG 재료의 7000Å층이 여기에 증착되고 다른 세트상에, USG 재료의 10000Å층이 여기에 증착되며, 각 두께는 상업적 실시예들의 통상적인 증착 두께를 나타낸다. 유사한 시편이 준비되고 여기에 유사한 USG 두께가 증착되고 SiC층이 20초 대신에 약 30초 처리된다. 각 세트는 약 1시간, 2시간, 3시간 및 4시간 어닐링 후 광학 현미경하에서 박리 실험된다. 심지어 450℃의 어닐링 온도에서, 시편은 박리를 나타내지 않고 있다.
유사한 일련의 테스트는 처리의 유사한 주기 동안 여기에 증착된 USG 층으로 유사한 SiC층상에서 이루어지지만, 표 1의 변수에 따른 He 플라즈마 처리 프로세스를 사용한다. 특히, 이 예에서, He 가스의 약 1500 sccm은 챔버로 흐르고, 챔버 압력은 약 8.5 토르이고, 약 250W의 RF 전원은 챔버에 전달되고, 기판 표면 온도는 약 350 내지 400℃로 유지되며 기판과 가스 판과의 이격거리는 약 400 밀스이다. He 플라즈마 처리는 N2O 플라즈마 처리와 유사한 결과를 초래한다.
예 4
일련의 SiC 층은 본 발명의 플라즈마 처리에 노출되고 층 접착 특성은 테스트된다. 사용된 처리 변수는 표 2의 양호한 범위내에 있다. 특히, 이 예에서, N2O 가스의 약 1500 sccm은 챔버로 흐르고, 챔버 압력은 약 8.5 토르이고, 약 250W의 RF 전원은 챔버에 전달되고, 기판 표면 온도는 약 350 내지 400℃로 유지되며 기판과 가스 판과의 이격거리는 약 400 밀스이다. 기판 층은 USG의 5000Å 두께 층, SiC의 500Å 두께 층을 포함하며, SiC 층은 약 20초 동안 플라즈마 처리에 의해 처리된다. 약 10000Å의 다른 USG 산화층은 여기에 증착되고 그 다음에 질화재료의 500Å 층으로 캡핑된다. 각 기판 스택은 박리를 야기하는 수소 및 다른 가스의 확산을 촉진하도록 450℃에서 약 30분 동안 4 내지 8사이클 동안, 전체적으로 약 2내지 4시간 어닐링된다.
그리고 나서, 층 접착성은 "스터드 풀 데스트(stud pull test)"에 의해 테스트되며, 스터드는 통상적으로 에폭시 접착제에 의해 스택에 부착되고, 그 다음에 인장 방향으로 당겨지고 스터드 또는 에폭시 접착제가 기판으로부터 떨어지거나 또는 층이 나머지 기판 층으로부터 분리될 때까지 인장력을 측정한다. 심지어 몇 사이클 동안의 450℃의 어닐링 온도에서, 시편은 스터드가 기판으로부터 분리되기전 박리하지 않는다. 20초 동안 SiC의 N2O 플라즈마 처리하면, SiC로부터 다음 층을 상승 또는 분리하는데 약 11000 psi(pounds per square inch)보다 큰 힘이 필요하며, 여기서 스터드는 층의 어떠한 박리도 없이 약 11000psi에서 에폭시로부터 느슨해진다.
테스트의 유사한 세트는 표 1의 He 플라즈마 처리 변수를 사용해서 SiC 시편에서 이루어진다. 특히, 이 예에서, He 가스의 약 1500 sccm은 챔버로 흐르고, 챔버 압력은 약 8.5 토르이고, 약 250W의 RF 전원은 챔버에 전달되고, 기판 표면 온도는 약 350 내지 400℃로 유지되며 기판과 가스 판과의 이격거리는 약 400 밀스이다. 상술한 N2O 플라즈마 처리와 같은 유사한 층 두께와 유사한 노출 시간이 He 플라즈마 처리에 사용된다.
He 플라즈마 처리하면, SiC로부터 다음 층을 상승 또는 분리하는데 약 7900 psi보다 큰 힘이 필요하며, 여기서 스터드는 층의 어떠한 박리도 없이 약 7800psi에서 에폭시로부터 느슨해진다. 상업상으로, 약 4000psi의 값이 수용가능하다. 비교에 의해, 유사한 스택은 본 발명의 처리 없이 통상적으로 약 1000psi에서 일반적으로 스터드 풀 테스트를 실패하며 박리한다. He 플라즈마는 특히 SiC 증착과 He 플라즈마 처리사이의 화학적 유사성 때문에, 양호하며 기판의 가장 상업적인 프로세싱에 대해서 충분하다.
본 발명은 물결무늬 구조를 포함하는, 다양한 구조에 사용될 수 있고 이런 구조내의 다양한 층에 사용될 수 있다. 도 3은 한 예의 물결무늬 구조의 개략도를 도시하며, 양호한 실시예는 배리어 층, 에칭 스톱, ARC 과 같은 몇 몇 층 및/또는 다른 층을 포함하며, 각 층은 본 발명의 플라즈마 처리에 노출될 수 있다. 더욱이, 구조는 적합하게 스택내의 두 이상의 다양한 층의 인시튜 증착을 포함한다. 절연층은 SiC와 동일하거나 유사한 선구물질로 증착되거나 다른 선구물질로 증착될 수 있다. 피쳐내에 증착된 구리와 같은 금속 층에 대해서, 실시예는 또한 암모니아와 같은 환원제를 포함하는 플라즈마를 적합하게 이용하여, 금속 표면상에서 일어날 수 있는 어떠한 산화물도 감소할 수 있다.
적어도 두 개의 계획은 이중 물결무늬 구조를 개발하는데 사용될 수 있으며, 여기서, 라인/트렌치는 바이어스/콘택츠와 동시에 충전된다. "카운터보어(counterbore)" 계획에서, 집적 회로는 통상적으로 배리어 층, 제 1절연 층, 에칭 스톱, 제 2절연 층, ARC 및 그 다음에 기판이 에칭되는 포토레지스트를 증착함으로써 형성된다. 도 3에서, 집적회로(10)는 하층의 기판(60)을 포함하며, 여기에 증착된 일련의 층을 포함할 수 있으며, 기판에 피쳐(62)가 형성된다. 구리와 같은, 도체가 피쳐(62)위에 증착되면, 도체는 산화할 수 있다. 다양한 층의 증착과 인시튜 상태에서, 도체상의 산화물은 암모니아와 같은, 질소 및 수소로된 환원제를 포함하는 플라즈마에 노출시켜 산화물을 감소할 수 있다. 한 실시예는 여기서 참고로 사용하고 있는 계류중인 미국 특허 출원 제 09/193,920 호에 기술되어 있으며, 여기서 약 1000 sccm의 암모니아 유량, 약 1 내지 9 토르의 챔버 압력은 이고, 200mm 웨이퍼에 대해 약 100 내지 약 1000W의 RF 전력, 약 200 내지 600 밀스의 기판과 가스판의 이격 거리를 사용해서 플라즈마 프로세스 변수를 기술한다.
SiC는 배리어층, 에칭 스톱, ARC 및/또는 보호층으로서 절연층과 인시튜 상태에서 증착될 수 있다. 각 SiC층에 대해서, 본 발명의 플라즈마 처리는 사용될 수 있다. 예를 들어, 적합하게 약 500Å 두께의 SiC 배리어층(64)은 기판 및 피쳐위에 증착된다. 적합하게, 절연층(66)은 저 k특성을 가진 산화물계 절연 재료이다. 절연층은 비도핑된 실리콘 유리(USG)로써 또한 알려진 비도핑된 이산화실리콘, 플루오르-도핑된 실리콘 유리(FSG), 또는 다른 실리콘-탄소-산소계 재료일 수 있으며, 이들 재료중 약간은 저 k 재료로 일 수 있다. 본 발명에 따른 SiC 재료의 저 k 에칭 스톱(68)은 절연층(66)상에 약 200Å 내지 1000Å, 적합하게 500Å 두께까지 인시튜 증착된다. 에칭 스톱 재료는 통상적으로 에칭되어진 절연층에 비해서 낮은 에칭 속도를 가지며 에칭 프로세스내의 약간의 유연성이 예정된 깊이에 도달하게 보장하도록 허용하는 재료이다. 약간의 특색 있는 에칭 프로세스에서, 에칭 스톱은 불필요할 수 있다. 다른 절연층(70)은 약 5,000Å 내지 10,000Å, 적합하게 약 7,000Å의 두께를 가진, 에칭 스톱(68)위에 증착되어 있다. 절연층(70)은 절연층(66)과 동일한 재료일 수 있다. 유사하게, 절연층(70)은 배리어층(64), 절연층(66) 및 에칭 스톱(68)과 인시튜 상태에서 증착될 수 있다. SiC 재료로 되고 적합하게 약 600Å 두께의 ARC(72)는 아래에 놓인 에칭 스톱 및 배리어층과 동일한 또는 유사한 화학품을 사용해서, 절연층(70)상에 증착된다. ARC 증착 후, 포토레지스트 층(도시 생략)은 ARC(72)상에 증착된다. 포토레지스터의 증착 및 노출과 에칭은 정상적으로 다른 챔버내에서 이루어져 왔다. 포토레지스트는 종래의 포토리쏘그래피를 사용해서, 바이어/콘택트(20a)용 패턴을 형성하도록 노출된다. 그리고 나서 층은 통상적으로 플루오르, 탄소 및 산소 이온을 사용하는, 종래의 애칭 프로세스를 사용해서 에칭되어 바이어/콘택트(20a)를 형성한다. 계속해서 포토레지스트 층은 제거된다. 다른 포토레지스트 층은 라인/트렌치(20b)와 같은 피쳐를 패턴화하도록 증착 및 노출되며, 에칭되어 라인/트렌치(20b)를 형성한다. 계속해서 포토레지스트 층은 제거된다. 라이너(22)는 피쳐 위에 또는 피쳐사이의 필드상에 필요하게 될 것이며, 이것은 통상적으로 Ta, TaN, Ti, TiN 및 다른 재료이다. 그리고 나서, 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 재료(20)는 바이어/콘택트(20a) 및 라인/트렌치(20b) 양자내에 동시에 증착된다. 도전성 재료(20)가 피쳐위에 한번 증착되면, 암모니아와 같은 환원제를 함유하는 플라즈마에 또한 노출될 수 있어 약간의 산화물을 감소한다. 다른 SiC 배리어층(75)은 도전성 재료(20)위에 증착되어 연속적인 층을 통해서 도체의 확산을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
이중 물결무늬 구조를 만들기 위한 다른 계획은 "self-aligning contact(SAC)"로서 알려져 있다. SAC 계획은 포토레지스터 층이 에칭 스톱위에 증착되며, 에칭 스톱이 에칭되며 포토레지스터가 제거되는 것 외에, 카운터보어 계획과 유사하다. 그 다음에, 다른 절연 층과 같은 연속 층은 패턴화된 에칭 스톱위에 증착되며, ARC는 절연층 위에 증착되고, 제 2 포토레지스터 층은 ARC위에 증착되며, 여기서 스택은 다시 에칭된다. 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 포토레지스터 층(도시 생략)은 에칭 스톱(68)위에 통상적으로 에칭 스톱 증착과 분리된 챔버내에서 증착된다. 에칭 스톱(68)은 바이어/콘택트(20a)용 패턴을 형성하도록 에칭된다. 포토레지스터는 제거된다. 그 다음에 절연층(70)과 ARC(72)는 에칭 스톱이 증착되어진 챔버와 동일한 챔버내에서 인시튜 증착될 수 있다. 다른 포토레지스터 층은 ARC(72)상에 증착된다. 그리고 나서 포토레지스터는 라인/트렌치(20b)용 패턴을 형성하도록 노출된다. 라인/트렌치(20b)와 바이어/콘택트(20a)는 그 다음에 동시에 에칭된다. 포토레지스터 층은 연속적으로 제거된다. 도전성 재료(20)와, 필요하다면 다른 배리어 층(75)은 기판위에 증착된다.
인시튜 프로세싱은, 여러 재료 및 통제변수의 수를 감소하고, 특히 SiC가 배리어 층, 에칭 스톱, ARC 층 및 심지어 보호층 및 습기 배리어로서 사용될 수 있기 때문에 향상된다. 인시튜 프로세싱은 더욱이 절연층을 증착하는데 동일하거나 유사한 선구물질을 사용함으로써 양호한 실시예에서 향상된다. 층 증착과 챔버 클리닝 사이의 프로세싱 챔버로부터 기판을 제거할 필요성을 줄이거나 제거하며 유사하게 생산량을 개선하고, 휴지 시간을 줄이고 오염의 위험을 줄인다.
약간의 예에서, 에칭은 프로세스 상태를 조정함으로써 동일한 챔버내에서 수행될 수 있다. 그러나, 많은 경우에, 기판은 에칭 챔버로 이동될 수 있다. 이런 경우에, 프로세싱은 증착 챔버와 에칭 챔버 양자를 가지는 클루스터 툴(cluster tool) 내에서 수행될 수 있으며, 이와 같은 클루스터 툴은 본 발명의 출원인에게 양도되고 여기서 참고로 사용되고 있는 미국 특허 제 4,951,601 호에 도시되어 있다. 밀봉가능한 클루스터 툴은 클루스터 툴내의 프로세싱을 주의 조건에 불필요한 노출없이 할 수 있게 한다. 그러나, 가능하게, 양호한 장치는 보다 큰 생산을 위해서, 동일한 챔버내의 프로세싱으로 챔버사이의 이동 시간을 줄일 수 있다.
더욱이, 인시튜 프로세싱은 증착된 층과 그 전의 층사이의 전이 속도의 정확한 제어를 제공한다. 두층사이의 전이는 화학품사이의 전이와 층을 증착하는데 사용된 관련 프로세스 변수에 의해 제어된다. 본 발명의 방법은 플라즈마, 프로세스 가스 유속 및 다른 프로세싱 변수의 제어를 통해서 전이의 정확한 제어를 할 수 있다. 전이는 플라즈마를 소멸하고 그 다음에 기판을 챔버내에 두면서 절연층 및 다양한 SiC층의 증착을 함으로써 급격하게 얻을 수 있다. 또한 점증적인 전이도 예들 들어 프로세스 가스의 유속을 변경함으로써 얻을 수 있다. FSG 절연층을 증착하는 공정에서, FSG 증착에 흔히 사용되는 실리콘 테트라플루오라이드의 유속은 절연층으로부터 SiC층까지 부드러운 전이를 만들도록 헬륨 또는 아르콘 흐름을 증가시키면 감소될 수 있다. 전이부의 유연성은 다층을 인시튜 상태에서 증착할 수 있으므로 가능하게 된다. 상술한 내용은 예시적인 과정(exemplary sequence)을 언급하고 있으며 이런 과정으로 제한하고자 하는 것은 아니며, 즉, 이런 인시튜 프로세싱은 다양한 과정에 적용될 수 있다. 또한, 이들 구조는 이중 물결무늬 구조의 예이며 이에 제한되지 않고 다른 실시예도 가능하다.
도시되고 설명되어 있는 실시예는 첨부의 청구범위에 의해 제공된 것 외에는 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 더욱이, 실시예들에서, 층의 순서는 변경될 수 있으며, 그러므로, 상세한 설명 및 청구범위에서의 용어 " 상에 증착" 등은 앞의 층위에 증착된 층을 포함하지만 앞의 층에 바로 인접해 있을 필요는 없으며 스택내에서 보다 높게될 수 있다. 예들 들어, 제한 없이, 다양한 라이너 층은 절연층, 배리어 층, 에칭 스톱, 금속 층 및 다른 층에 인접해서 배치될 수 있다.
상술한 내용은 본 발명의 양호한 실시예에 관한 것이며, 추가의 본 발명의 실시예는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 발명될 수 있으며, 본 발명의 범위는 아래의 청구 범위에 의해 결정된다.
본 발명은 추가의 증착층을 필요하지 않고 탄소 함유층을 불활성 가스 플라즈마 또는 산소 함유 플라즈마에 노출함으로써 탄소 함유층의 접착성 및 내산화성을 개선한다.
Claims (23)
- 기판상에 탄소 함유층을 사전 증착 처리하기 위한 방법에 있어서,상기 탄소 함유층을 처리 플라즈마에 노출하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 탄소 함유층은 탄화실리콘을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 불활성 플라즈마를 포함하는 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 He 플라즈마를 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 산소 함유 플라즈마를 포함하는 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 N2O 플라즈마를 포함하는 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 탄소 함유층을 처리 플라즈마에 노출하는 단계는 산소, 질소 및 수소 함유 가스의 실질적인 부재 상태에서 상기 층을 노출하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 가스를 100 내지 4000 sccm 유량으로 프로세싱 챔버로 흐려보내고, 1내지 12 토르 사이의 챔버 압력을 유지하고, 0.108 내지 1.705W/cm2( 0.7 내지 11 W/in2)의 전력 밀도를 가진 챔버에 RF전력을 적용함으써 처리 플라즈마를 발생하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 탄소 함유층을 처리 플라즈마에 노출하는 단계는 상기 탄소 함유층의 증착과 인시튜 상태에서 일어나는 방법.
- 기판상에 탄소 함유층을 처리하기 위한 시스템에 있어서,a) 상기 탄소 함유층을 처리 플라즈마에 노출하는 기판 프로세싱 챔버와,b) 상기 챔버에 연결된 가스 분배기와,c) 상기 가스 분배기에 연결된 가스의 소오스와,d) 상기 탄소 함유층을 노출하는 처리 플라즈마를 발생하도록 되어 있는 전원을 포함하는 시스템.
- 제 10항에 있어서, 상기 탄소 함유층은 탄화실리콘을 포함하는 시스템.
- 제 10항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 불활성 가스를 포함하는 시스템.
- 제 12항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 He 플라즈마를 포함하는 시스템.
- 제 10항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 산소 함유 가스를 포함하는 시스템.
- 제 14항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 N2O 플라즈마를 포함하는 시스템.
- 제 10항에 있어서, 상기 챔버는 상기 기판에 상기 탄소 함유층을, 상기 처리 플라즈마로 상기 탄소 함유층의 노출과 인시튜 상태에서 그리고 전에 증착하도록 되어 있는 시스템.
- 제 11항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 가스를 100 내지 4000 sccm 유량으로 프로세싱 챔버로 흐려보내고, 1내지 12 토르 사이의 챔버 압력을 유지하고, 0.108 내지 1.705W/cm2( 0.7 내지 11 W/in2)의 전력 밀도를 가진 챔버에 RF전력을 적용하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 발생되는 시스템.
- 처리 플라즈마에 노출된 탄소 함유층을 포함하는 기판.
- 제 18항에 있어서, 상기 탄소 함유층은 탄화실리콘을 포함하는 시스템.
- 제 18항에 있어서, 상기 처리 플라즈마로 상기 탄소 함유층의 노출은 상기 탄소 함유층의 증착과 인시튜 상태에서 일어나는 기판.
- 제 18항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 He 플라즈마를 포함하는 기판.
- 제 18항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 N2O 플라즈마를 포함하는 기판.
- 제 18항에 있어서, 상기 처리 플라즈마는 가스를 100 내지 4000 sccm 유량으로 프로세싱 챔버로 흐려보내고, 1내지 12 토르 사이의 챔버 압력을 유지하고, 0.108 내지 1.705W/cm2( 0.7 내지 11 W/in2)의 전력 밀도를 가진 챔버에 RF전력을 적용하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 발생되는 기판.
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