KR20010051723A - 프리코트막의 형성방법, 성막장치의 아이들링 방법,재치대 구조, 성막장치 및 성막방법 - Google Patents
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Abstract
프리코트막 형성방법은 피처리체 W 를 재치하기 위한 재치대(16)를 내부에 가지는 성막장치내로 처리가스를 공급하고 재치대의 표면에 TiN 막으로 형성된 프리코트막(22)을 증착하는 증착공정과, 재치대의 온도를 증착공정에서의 온도보다 높은 온도로 유지함으로써 NH3(암모니아)함유가스내에 프리코트막을 노출 및 안정하시키는 안정화공정을 가진다. 이와 같이 함으로써, 프리코트막이 안정되고, 그에 의하여 아이들링기간 중에도, 재치대의 온도를 내릴 필요가 없으며, 수율이 향상된다. 또한, 성막공정은 고융점 금속화합물 가스 및 환원가스를 사용하여 진공흡인이 가능한 처리용기내에서 피처리체 W 의 표면에 소정의 막을 증착하기 위하여 성막공정 도중 또는 직후에 처리용기내로 산화가스를 공급한다. 이와 같이 함으로써, 시트저항치의 시간경과에 따른 변화가 대폭으로 방지된다.
Description
본 발명은 프리코트(precoat) 성막방법과, 성막장치의 아이들링 방법과, 재치대 구조 및 반도체웨이퍼등의 막을 형성하기 위한 성막장치 및 성막방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체웨이퍼 집적회로의 제조에 있어서, 성막 및 패턴 에칭은 반도체웨이퍼등의 실리콘 기판에 대해서 반복적으로 수행되고 많은 소망하는 소자들이 형성된다.
소자들 사이의 배선 및 소자들의 전기적 접속을 위하여 배선층의 하부층용으로, 또는 배선재료와 기판의 Si 사이의 상호확산을 억제할 목적으로, 또는 바탕막과의 박리를 방지할 목적으로, 배리어 금속이 사용된다. 배리어 금속용으로는, 낮은 전기적 저항을 가질 뿐 아니라 우수한 내부식성을 가지는 재료가 사용되어야만 한다. 그와 같은 용도에 만족할 수 있는 배리어 금속으로서, TiN 막이 특별히 사용되는 예가 많다.
TiN 막의 배리어금속을 형성하기 위하여는, 매우 얇은 Ti 막이 플라즈마 CVD 에 의하여 형성되고 질화처리되며, 그 후에 TiCl4및 NH3가스를 사용한 열 CVD 에 의하여 TiN 막이 형성된다.
Ti 막 형성시의 처리온도는 특히 엄격하게 제어되어야 하며, 그에 의하여 일반적인 박막의 형성과 동일한 방법으로 막특성을 고도로 유지할 수 있다.
반도체웨이퍼를 재치하기 위한 재치대의 표면상에는, 웨이퍼의 열적 면내 균일성을 유지하고 재치대내에 포함되는 금속원소에 의하여 야기되는 오염을 방지할 목적으로 미리 TiN 막으로 구성된 프리코트(precoat) 막이 일반적으로 형성된다. 이 프리코트막은 성막장치내부를 세정할 때마다 제거되어 버리며, 따라서 그것이 제거될 때마다 웨이퍼상의 막의 실제적인 형성의 전에 전처리로서 재치대의 표면상에 프리코트막이 얇게 적층된다.
그런데, 예를 들어 약 680℃정도의 높은 온도영역에서 프리코트막이 형성되고, 상술한 바와 같이 일단 형성되었을 때는 다음에 성막장치의 내부가 세정될 때까지는 장시간 동안 연속적으로 반복하여 사용된다. 이 경우에, 성막공정동안 사용되지 않는 소위 아이들링(idling) 시간이 발생할 때는, 프리코트막의 품질이 변화되지 않는 온도, 예를 들면 약 300 내지 500℃ 로 온도를 낮춘 후, 대기하도록 되어 있다.
재치대의 온도변경 작업 및 온도안정화 작업은 많은 시간을 요하며, 따라서 수율개선의 관점에서 TiN 막 형성 처리온도로 재치대의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 만약 재치대가 예를 들면 약 680℃ 정도의 높은 온도에 노출되면, 처리용기내의 미량의 외부가스 및 미량의 누설가스때문에 프리코트막이 변질되고, 복사율 및 투과율이 변화된다. 결과적으로, 온도가 동일한 방식으로 제어되더라도, 복사율 및 투과율의 변화에 따라 재치대로부터 열이 용이하게 방출된다. 그에 의하여, 전력공급량이 증가하고 웨이퍼 온도는 기대치이상으로 높아지기 쉽다.
도 5 는 이 시기의 상황을 나타내는 그래프로서 성막장치의 재치대상에 프리코트막이 부착되고, 바로 프리코트막이 약 680℃ 의 처리온도에서 형성된 때 및, 재치대가 17시간동안 680℃ 로 유지되고, 막이 형성된 때의 막 품질(비저항)의 변화를 나타낸다. 도면에 있어서, 17 시간동안 방치된 후의 TiN 막의 비저항은 그 전에 비하여 약 50 μΩ·cm 로 감소됨을 보여준다. 이는 웨이퍼 온도로 환산하면, 17시간동안의 방치후의 온도가 약 20℃ 정도 높은 것을 의미한다.
그와 같은 관점에서, 통상적으로, 상술한 바와 같은 성막장치의 아이들링 주기동안에는, 재치대의 온도가 약 300 내지 500℃ 로 낮추어지고, N2가스와 같은 불활성가스가 공급되고, 그에 의하여 웨이퍼 온도의 불안정성을 야기하는 프리코트막의 변질을 방지하고 있다.
결과적으로, 재치대의 온도변화 작업 및 온도안정화 작업은 많은 시간을 요하고, 성막공정을 다시 개시하려고 해도 신속한 공정이 수행될 수 없으며 많은 수율상의 감소가 야기된다.
한편, 반도체웨이퍼의 성막방법에 관하여 이하의 문제점이 있었다.
즉, 적층막의 전기적 특성을 유지하기 위하여, 반도체 웨이퍼의 표면상에 막이 적층될 때는 막을 항상 동일한 조건에서 매일 같이 재현성을 높게 유지할 필요가 있다. 성막장치로 대표되는 반도체 웨이퍼 제조장치에 있어서는, 동일한 공정조건이 설정되어도, 제조장치의 작업조건 자체가 다양한 요건에 따라 민감하게 변화될 수 있으며, 따라서 정기적으로 또는 비정기적으로, 예를 들어 매일 아침 테스트 반도체웨이퍼상에 막이 적층되어 시트저항치가 측정되고, 그 때의 제조장치의 작업조건이 측정된다.
또한, 반도체 집적회로의 전기적 특성을 설계된 바와 같이 유지하기 위하여는, 적층막이 원하는 값으로 시트저항을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
비록 적층막의 막저항이 항상 이상적으로 일정한 것이 바람직하지만, 실제적으로는 성막시의 처리온도 및 성막후로부터 시트저항치의 측정시까지의 방치시간에 따라서는 시트저항치 자체가 크게 변화하고 그 시간에 따른 변화가 크다. 이 이유는 적층막이 대기중의 H2O 또는 O2에 의하여 산화되기 때문인 것으로 보인다.
결과적으로, 성막장치의 동작상태를 확인하기 위하여 테스트웨이퍼의 적층막의 시트저항치가 측정되더라도, 예를 들어 성막후로부터 측정까지의 시간이 하루중에도 변하고, 경우에 따라서는 동일한 조건하에서 성막장치가 운전되는 경우라도, 시트저항치가 크게 변하게 되기도 하며, 결과적으로 성막장치가 불필요하게 조정되거나 그 반대의 경우가 발생하는 문제가 있었다.
상술한 바와 같이 적층막 자체의 시트저항치가 변화될 때는, 반도체 집적회로를 설계된대로 제조하는 것이 어렵다.
이를 도 6 및 도 7 을 참조하여 설명한다. 도 6 은 TiN 막 성막시의 처리온도와 성막후의 대기내에서 3일간 방치한 후 막내의 산소(O) 농도사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7 은 TiN 막 형성시의 처리온도와 막형성후 대기내에서 3일간 방치한 후 막저항의 변화율을 나타낸다. 도 6 은 처리온도가 약 530℃ 일 때, 3일후의 산소농도가 4 atm% 로 상당히 높아지고, 처리온도가 약 700℃ 인 때는 3일후의 산소농도가 1.5 atm% 로 상당히 낮음을 나타낸다.
도 7 은 막형성 직후의 시트저항치와 대기중에서 3일간 방치된 후의 시트저항치의 비율을 나타내며, 처리온도가 약 530℃ 인 때는 3일 후의 시트저항치가 약 2배 (100%)로 증가되고, 처리온도가 약 700℃ 인 때는, 3일후의 시트저항치가 약 1.1배(10%)정도 감소되었으며, 양 경우에 변화율이 목표치인 5% 보다는 높으며, 이 변화율을 조기에 적게 억제하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 감안하여 이를 유효하게 해결하기 위하여 개발된 것이다. 본 발명의 목적은 프리코트막을 안정시킴으로써 아이들링 주기동안이라도 재치대의 온도를 낮출 필요가 없고, 그에 의하여 수율을 향상시킬 수 있는 프리코트막 형성방법, 재치대구조 및 성막장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 프리코트막을 안정시키지 않고 아이들링 주기동안 소정의 가스를 공급하여 아이들링 주기동안이라도 재치대의 온도를 내릴 필요가 없고, 그에 의하여 수율을 향상시킬 수 있는 아이들링 방법 및 성막장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시트저항치의 시간에 따른 변화를 크게 억제하기 위한 성막방법을 제공함에 있다.
도 1 은 본 발명의 재치대 구조 및 성막방법이 적용되는 성막장치를 나타내는 개략도이다.
도 2A, 2B 및 2C 는 NH3가스를 사용하여 재치대상에 프리코트막을 형성하는 공정을 나타내는 도면으로서, 각각 프리코트막이 형성되기 전의 상태와, 프리코트막이 형성될 때의 상태 및 안정화단계를 나타낸다.
도 3 은 O2가스를 사용한 재치대상에서의 프리코트막 안정화 공정을 나타낸다.
도 4 는 안정화어닐처리시간에 대한 TiN 막의 비저항의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 프리코트막이 성막장치에 부착되고 즉시 TiN 막이 형성된 때와, 그 후에 재치대가 17 시간동안 방치되고 막이 형성되었을 때의 막품질(비저항)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6 은 TiN 막을 형성할 때의 처리온도와, 막형성후 3일 동안 대기중에서의 콘디셔닝후 막내의 산소(O) 농도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 TiN 막을 형성할 때의 처리온도와, 막형성후 3 일 동안 대기중에서의 콘디셔닝후 비저항의 변화율을 나타내는 그래프이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
2 : 성막장치 4 : 처리용기
6 : 바닥 8 : 배기구
10 : 진공흡인 펌프 12 : 배기계
14 : 지지부 16 : 재치대
16A : 하부대 16B : 상부대
18 : 재치대 구조 20 : 저항발열 히터
22 : 프리코트막 24 : 샤워헤드
26 : 천정부 30 : 분사공
32 : 확산공 34 : 확산판
36 : 가스도입구 38 : 공급통로
40 : 분기관 42 : TiCl4가스원
44 : NH3가스원 46 : N2가스원
48 : O2가스원 50 : 매스플로우 콘트롤러
52 : 온도제어 재킷 54 : 게이트 밸브
74 : 로드록 실 76 : 다관절 아암
본 발명자등은 프리코트 TiN 막의 변질이, 분자크기 수준으로 불안정한 사이트가 있고, 이 사이트가 장시간동안 점차적으로 다른 원자에 반응하기 때문이라는 지견에 근거하여 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 재치대 구조의 프리코트막의 형성방법에 있어서, 피처리체를 재치하기 위한 재치대를 내부에 가지는 성막장치내로 처리가스를 공급하여, 재치대의 표면에 프리코트 TiN 막을 증착하는 증착공정 및, 상기 재치대를 증착공정에서의 온도보다 높은 온도로 유지함으로써 프리코트막을 환원 및 안정화하는 안정화 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 성막방법이 제공된다.
프리코트 TiN 막은 환원가스내에 노출 및 어닐링함으로써 안정화될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 성막장치를 아이들링할 때에, 재치대의 온도를 낮출 필요가 없으며, 따라서 피처리체상에 성막을 시작할 때 온도를 증가하는데 시간이 필요치 않으며, 그에 따라 수율이 증가될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 안정화 공정에서의 환원반응은 NH3(암모니아)를 포함하는 가스내에 프리코트막을 노출함으로써 수행된다.
본 발명의 제 3 실시형태는, 안정화 공정에서의 재치대의 온도가 상술한 피처리체에 대하여 성막공정이 성막장치내에서 수행될 때의 처리온도와 거의 동일한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 함으로써, 프리코트막의 안정화 후에, 재치대의 온도를 변화시키지 않고 피처리체의 성막공정으로 작업이 즉시 이행될 수 있으며, 따라서 수율이 더욱 증가된다.
본 발명의 제 4 실시형태는, 성막장치에 있어서, Ti 막 또는 Ti 를 포함하는 막이 피처리체에 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 5 실시형태는, 재치대 구조의 프리코트막의 형성방법에 있어서, 피처리체를 재치하기 위한 재치대를 내부에 가지는 성막장치내로 처리가스를 공급하여, 재치대의 표면에 프리코트 TiN 막을 증착하는 증착공정 및, 상기 재치대를 증착공정에서의 온도보다 높은 온도로 유지함으로써 프리코트막을 산화 및 안정화하는 안정화 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 성막방법이 제공된다.
프리코트 TiN 막은 산화가스내에 노출 및 어닐링함으로써 안정화될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 성막장치를 아이들링할 때에, 재치대의 온도를 낮출 필요가 없으며, 따라서 피처리체상에 성막을 시작할 때 온도를 증가하는데 시간이 필요치 않으며, 그에 따라 수율이 증가될 수 있다.
본 발명의 제 6 실시형태에 따르면, 안정화 공정에서의 산화반응은 O2(산소)를 포함하는 가스 또는 H2O (수분)를 포함하는 가스내에 프리코트막을 노출함으로써 수행된다.
본 발명의 제 7 실시형태는, 안정화 공정에서의 재치대의 온도가 상술한 피처리체에 대하여 성막공정이 성막장치내에서 수행될 때의 처리온도와 거의 동일한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 함으로써, 프리코트막의 안정화 후에, 재치대의 온도를 변화시키지 않고 피처리체의 성막공정으로 작업이 즉시 이행될 수 있으며, 따라서 수율이 더욱 증가된다.
본 발명의 제 8 실시형태는, 성막장치에 있어서, Ti 막 또는 Ti 를 포함하는 막이 피처리체에 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 9 실시형태는, 피처리체상에 Ti 막 또는 TiN 막을 형성하기 위하여 진공흡인가능한 처리용기내에서 표면상에 프리코트 TiN 막이 형성된 재치대를 가지는 성막장치의 아이들링 방법에 있어서, NH3를 포함하는 가스가 처리용기내로 공급되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 함으로써, 프리코트 TiN 막을 안정화할 필요가 없으며 아이들링 기간동안 NH3를 포함하는 가스만을 공급함으로써, 예를 들면 재치대가 성막공정온도로 유지되더라도 프리코트막이 변질되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 피처리체상에 성막개시할 때의 온도를 올리는데 필요한 시간이 필요치 않으며, 그에 따라 수율이 향상될 수 있다.
본 발명의 제 10 실시형태에 따른 발명은, 재치대의 온도가 처리용기내에서 수행되는 성막공정시의 온도와 거의 동일한 온도로 유지됨을 특징으로 한다.
본 발명의 제 11 실시형태에 따른 발명은, 피처리체상에 Ti 막 또는 Ti 를 포함하는 막을 증착하기 위한 성막공정을 수행하기 위한 성막장치내에, 상기 피처리체를 재치하기 위하여 설치된 재치대를 가지는 재치대 구조에 있어서, 상기 재치대의 표면에, 안정화 처리가 실시된 프리코트 TiN 막을 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 12 실시형태에 따른 발명은, 피처리체상에 Ti 막 또는 Ti 를 포함하는 막을 형성하기 위한 성막장치에 있어서, 진공흡인가능한 처리용기와, 필요한 처리가스를 처리용기내로 공급하기 위한 가스공급수단과, 피처리체를 재치하기 위하여, 표면에 안정화 처리가 된 프리코트 TiN 막 을 형성한 재치대를 가지는 재치대 구조 및, 피처리체를 가열하기 위한 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 13 실시형태에 따르면, 진공흡인가능한 처리용기내에서 고융점의 금속화합물 가스 및 환원가스를 사용하여 피처리체의 표면상에 소정의 막을 증착하는 성막공정과, 성막공정동안 또는 성막공정의 직후에 처리용기내로 산화가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 성막방법이 제공된다.
이와 같이 성막공정의 도중 또는 직후에 처리용기내로 산화가스를 공급함으로써, 산소는 증착막에 유효하게 수용되거나 또는 산소가 증착막의 표면에 유효하게 수용되므로, 증착막은 화학적 조성이 안정화되고, 결과적으로 시간에 따른 시트저항치의 변화가 억제될 수 있다.
본 발명의 제 14 실시형태에 따르면 상술한 고융점 금속화합물은 TiCl4가스이며, 상술한 환원가스는 NH3가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 15 실시형태는, 상술한 산화가스가 O2가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 16 실시형태는, 상술한 산화가스가 H2O 가스인 것을 특징으로 한다.
(실시예)
이하, 도 1 내지 도 4 를 참조하여 본 발명의 실시예들을 상술한다.
먼저, 도 1 내지 도 4 를 참조하여 프리코트 성막방법, 성막장치의 아이들링 방법, 재치대 구조 및 성막장치를 이하에서 설명한다.
도 1 은 본 발명의 재치대 구조를 가지는 성막장치를 나타내는 개략도이며, 도 2A 내지 2C 는 NH3가스를 사용하여 재치대상에 프리코트막을 형성하고 안정화하는 공정을 나타내는 공정도이며, 도 3 은 O2가스를 사용하여 재치대상에 프리코트막을 안정화시키는 공정을 나타내는 공정도이다.
본 실시예에 있어서는, TiN 막이 성막장치에 의하여 형성되는 경우를 예를 들어 설명한다.
도면에서 나타낸 바와 같이, 성막장치(2)는 예를 들어 스테인레스 스틸을 사용하여 원통형상으로 형성된 처리용기(4)를 가진다. 처리용기(4)의 바닥(6)에는 용기내의 분위기를 배출하기 위한 배기구(8)가 형성되며, 진공흡인펌프(10)가 설치된 배기계(12)가 배기구(8)에 접속되며, 처리용기(4)는 바닥의 둘레부로부터 균일하게 내부로부터 진공흡인되도록 되어 있다.
처리용기(4)내에서, 재치대 구조(18)는 지지부(14)를 가지며 그에 지지된 원판형상의 재치대(16)가 설치된다. 원판형상 재치대(16)상에는, 예를 들면 반도체 웨이퍼 W 가 피처리체로서 재치된다. 상세하게는, 재치대(16)는 지지부(14)에 의하여 직접 지지되며 예를 들면 AlN 과 같은 세라믹으로 만들어진 하부대(16A)와, 그의 윗부분에 연결되는 AlN 으로 만들어진 상부대(16B)를 가진다. 이들의 접합면의 사이에는, 가열수단으로서 저항발열히터(20)가 고정된다. 하부대(16A)와 상부대(16B)는 예를 들면 접착에 의하여 접합면상에서 연결된다. 재치대(16)의 면위, 즉 하부대(16A)의 측면 및 상부대(16B)의 측면과 상부면상에는, 본 발명의 특징부인 TiN 막으로 구성된 안정화된 프리코트막(22)이 전면적으로 형성된다. 프리코트막(22)의 두께는, 예를 들면 약 1㎛ 이며 이 막형성 및 안정화 처리에 대하여는 후술한다.
한편, 처리용기(4)의 천정부에는, 필요한 처리가스를 공급하기 위한 가스공급수단으로서의 샤워헤드(24)가 일체적으로 설치되는 천정부(26)가 용기의 측벽에 대하여 기밀하게 부착된다. 샤워헤드(24)는 재치대(16)와 대향하도록 설치되어 그의 상부 거의 전부를 덮도록 되어 있으며, 샤워헤드(24) 및 재치대(16) 사이에는 처리공간 S 이 형성된다. 샤워헤드(24)는 처리공간 S 으로 각종 가스들을 샤워상태로 도입한다. 샤워헤드(24)의 바닥부의 분사면(28)에는 가스를 분사하기 위한 많은 분사공(30)이 형성된다. 샤워헤드(24)의 내부에는, 많은 확산공(32)을 가지는 확산판(34)이 설치되어, 가스가 확산될 수 있다.
샤워헤드(24)의 상부에는, 헤드로 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(36)가 설치된다. 가스 도입구(36)에는 가스가 유통하도록 하는 공급통로(38)가 접속된다. 이 공급통로(38)에는 복수의 분기관(40)이 접속되며, 각 분기관(40)에는, 성막용의 가스로서, 예를 들면 TiCl4가스를 저류하는 TiCl4가스원(42), NH3가스를 저류하는 NH3가스원(44), 불활성 가스로서 예를 들면 N2가스를 저류하는 N2가스원 (46), O2가스를 저류하는 O2가스원(48)이 각각 접속되어 있다. 그리고, 각 가스의 유량은, 각각의 분기관에 끼워 설치된 유량제어기, 예를 들면 매스플로우 콘트롤러 (50)에 의하여 제어된다. 또한, 여기서는, 성막시의 각 가스를 하나의 공급통로 (38)내를 혼합상태로 공급하는 경우를 나타내고 있으나, 이것에 한정되지 않고, 일부의 가스 또는 모든 가스를 개별적으로 다른 통로내로 공급하고, 샤워헤드 (24)내, 또는 처리공간 S 에서 혼합시키는 소위 포스트 믹스(post mix)의 가스반송형태를 사용하여도 좋다. 이와 같이 함으로써, TiCl4및 O2의 반응생성물이 공급통로내에 부착되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 처리용기(4)의 측벽 및 샤워헤드(24)의 측벽에는, 이 벽면의 온도조절을 행하기 위하여, 필요에 따라서 예를 들면 냉각된, 혹은 가열된 열매체를 선택적으로 흘리기 위한 온도제어재킷(52)이 설치되어 있다. 또한, 이 용기의 다른 측벽에는, 웨이퍼의 반입 또는 반출시에 기밀하게 개폐가능하게 된 게이트 밸브(54)가 설치된다. 또한, 도시되지는 않았으나, 웨이퍼의 반입, 반출시에 이들 집어올리거나, 집어내리는 웨이퍼 리프터 핀이 재치대에 설치되어 있는 것은 물론이다. 처리용기(4)의 측벽에는, 진공흡인가능한 로드록 실(74)이 게이트밸브(54)를 통하여 사이에 접속된다. 로드록 실(74)의 내에는, 웨이퍼 W 를 반송하기 위한 다관절 아암 (76)이 회동, 연장 및 신축이 자유롭게 설치된다. 또한 로드록실(74)에는 필요에 따라 N2가스가 공급될 수 있다. 로드록 실(74) 대신에 반송실이 설치될 수 있으나, 이는 특별한 목적이 있는 것은 아니다. 로드록실(74)에는 도시하지 않은 카세트실이 접속된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 장치를 이용하여 행해지는 본 발명의 프리코트막의 형성방법에 대하여 도 2A, 2B, 2C 및 도 3 을 참조하여 설명한다.
먼저, 처리용기(4)내의 재치대(16)상에는, 반도체 웨이퍼 W 를 재치하고 있지 않은 상태로 하여, 처리용기(4)내를 밀폐한다. 이 처리용기(4)내는, 예를 들면 전공정에 있어서, 세정처리되어 불필요한 막이 전부 제거되어 있고, 따라서, 도 2A에 나타낸 바와 같이 재치대(16)의 표면에는 아무런 프리코트막이 붙어있지 않고, 재치대(16)의 소재가 노출된 상태로 되어 있다.
그리고, 처리용기(4)내를 밀폐하면, 성막용 가스로서 TiCl4가스와 NH3가스, 캐리어가스로서 N2가스를 각각 샤워헤드(24)로부터 소정의 유량으로 처리용기 (4)내로 도입하고, 또한 진공흡인 펌프(10)에 의하여 처리용기(4)내를 진공흡인하여, 소정의 압력으로 유지한다.
이 때의 재치대(16)의 온도는, 재치대(16)에 매립된 저항발열 히터(20)에 의하여 소정의 온도로 가열유지한다. 이 열CVD 조작에 의하여, 재치대(16)의 표면에는, 도 2B에 나타낸 바와 같이, TiN 막이 증착되어 얇은 프리코트막(22)이 형성된다.
이 때의 처리조건은, 재치대(16)의 크기가 8인치 웨이퍼 사이즈인 때에는 TiCl4가스의 유량이 30 내지 50 sccm 정도, NH3가스의 유량이 400 sccm 정도, N2가스의 유량이 500 sccm 정도이며, 처리압력은 40 Pa (≒ 300 mTorr)정도, 처리온도는 680℃ 정도이다. 이 처리온도는, 이것에 한정하지 않고, TiN 막이 열CVD에 의하여 성막될 수 있는 온도, 예를 들면 400℃ 이상이라면 어떠한 온도라도 좋다.
이와 같이, 두께가 예를 들면 1 ㎛ 정도인 프리코트막(22)을 형성하여 증착공정이 종료하면, 다음에 상기 프리코트막(22)을 안정화시키는 안정화 공정으로 이행한다. 이 안정화 공정에서는, 도 2C 에 나타낸 바와 같은 어닐링에 의하여 불완전한 반응상태의 TiN 프리코트막(22)의 표면을 안정화시키기 위하여, TiN 의 성막시의 처리온도보다 예를 들면 50℃ 정도 높은 온도, 대략 730℃ 까지 재치대(16)의 온도를 올린다. 온도의 상승은 50℃에 한정되는 것은 아니며, TiN 의 성막온도보다 높으면 몇도라도 좋으며, 온도가 높을 수록, 안정화처리를 신속하게 행할 수 있다.
또한, 이 때의 어닐용의 가스로서는 NH3가스를 사용하고, 희석가스로서 N2가스도 사용한다. 이 때의 처리조건은 NH3가스는 1000 sccm 정도, N2가스의 유량은 500 sccm 정도이며, 처리압력은 40 Pa (≒ 300 mTorr) 내지 1333 Pa (≒ 10 Torr)정도이다. 이 안정화처리를, 소정의 시간, 예를 들면 2분 정도 행함으로써, 프리코트막(22)의 표면의 불안정한 원자(사이트)는, NH3가스와 반응하여 TiN 으로 완전하게 변화하고, 안정된 상태로 된다. 이것에 의하여, 프리코트막의 안정화 공정이 종료하게 된다.
이후에, 이 처리용기(4)내로 반도체웨이퍼를 반입하고, 통상의 성막처리, 예를 들면 TiCl4가스와 NH3가스를 이용하여 예를 들면 처리온도 680℃ 에서 열 CVD 에 의하여 TiN 막을 연속적으로 성막하면 좋다. 또한, 처리해야할 반도체웨이퍼 W 가 없을 때에는, 상술한 바와 같이 프리코트막(22)은 화학적으로 안정하고 있으므로, 재치대(16)의 온도를 종래와 같이 내릴 필요는 없고, 이 온도를 처리온도, 즉 여기에서는 680℃ 정도로 유지한 상태에서, 다음에 처리해야할 반도체웨이퍼가 발생하기 까지 아이들링을 행하면 좋다. 따라서, 다음에 처리해야할 반도체웨이퍼가 발생한 경우에는, 재치대(16)의 온도는 아이들링 기간을 통하여, 처리온도로 유지하고 있으므로, 바로 성막처리로 들어갈 수 있다. 따라서, 재치대(16)를 처리온도까지 승온하기 위한 시간이 절약되고, 그 만큼 수율을 향상할 수 있다.
상기와 같은 프리코트막(22)의 성막 및 안정화 처리는, 상술한 바와 같이 일반적으로는 처리용기(4)내를 세정할 때마다 행하는 것으로 된다.
여기서는, 안정화공정으로서, NH3를 포함하는 가스를 사용하였으나, 이것에 대신하여 O2가스를 포함하는 가스 또는 H2O 를 포함하는 가스를 이용하여도 좋다. 도 3 은 O2를 포함하는 가스로서 O2가스와 N2가스를 이용하여 안정화 공정을 행한 때의 상태를 나타내는 도면이다. 또한 증착공정은, 도 2B에서 설명한 바와 같이 행한다. 이 도 3 에 나타낸 안정화 공정에서는, 앞의 도 2C에 나타낸 NH3가스에 대신하여 O2가스를 흘렸다. 또한 캐리어가스로서의 N2가스의 대신에 다른 불활성가스, 예를 들면 He, Ne 또는 Ar 등을 공급하여도 좋다.
이 때의 처리조건은, O2가스의 유량은 200 sccm 정도, N2가스의 유량은 100 sccm 정도, 처리온도는 680℃ 정도, 처리압력은 133 Pa (≒ 1 Torr)정도이다.
이 경우는, 산소는 활성이 풍부하므로, 안정화공정의 처리온도는 TiN 막의 프리코트막(22)의 성막온도와 같은 680℃ 에서 행하는 것이 가능하며, 따라서, 프리코트막 안정화를 위하여 재치대(16)의 온도를 올리고 내릴 필요가 없으며, 이 프리코트막의 안정화 처리의 후에 바로 반도체웨이퍼에 대한 성막처리를 행하는 것이 가능하며, 그 만큼 한층 수율을 향상할 수 있다.
또한, 상기 안정화 처리에 의하여, 프리코트막(22)의 표면의 불안정한 원자나 분자(사이트)는, O2가스와 반응하여 TiO 또는 TiON 으로 완전히 변화하며, 안정한 상태로 된다. 안정화를 위하여는, O2가스농도에도 따르지만, 프리코트막(22)의 두께가 1 ㎛ 정도인 때는, 예를 들면 적어도 2분 정도의 어닐시간을 행하면 좋다.
또한, O2가스를 이용한 안정화처리의 처리온도는, 상술한 바와 같이 O2가스가 반응성이 풍부하므로, TiN 프리코트막(22)의 성막온도보다 낮은 온도라도 좋으며, 예를 들면 400℃ 정도에서 TiN 프리코트막(22)을 안정화시키는 것이 가능하다.
여기에서 실제로 상기 처리조건하에서, O2가스와 N2가스를 이용하여 TiN 프리코트막의 안정화처리를 행한 때의 평가를 행하였으므로, 그 평가결과에 대하여 도 4 를 참조하여 설명한다.
도 4 는 안정화 어닐처리에 대한 TiN 막의 비저항의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서는, 프리코트막을 어닐할 때에, 안정화 어닐처리시간을 0분, 2분, 4분, 6분, 8분으로 각각 변화시키고, 이와 같이 어닐처리한 프리코트막이 부착된 재치대를 이용하여 웨이퍼상에 TiN 막을 실제로 증착시켜, 이 웨이퍼상의 TiN 막의 비저항을 측정하였다. 이 그래프로부터 분명한 바와 같이, O2어닐처리하지 않은 경우에는 비저항이 450μΩ·cm 이었으나, O2어닐처리를 2분 이상 행하면, 비저항은 약 400μΩ·cm 으로 안정하고 있음이 판명되었다. 따라서, 2분이상 O2어닐처리를 행하면 TiN 프리코트막(22)이 화학적으로 안정하는 것이 판명되었다.
또한, 상기 각 실시예에서는, TiN 프리코트막(22)을 미리 화학적으로 안정시키는 안정화처리를 행함으로써, 성막장치의 아이들링시에 이 프리코트막(22)이 변질하는 것을 방지하도록 하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니고, 상술한 바와 같은 안정화처리를 실시하지 않고도, 성막장치의 아이들링시에, 이 처리용기(4)내로 NH3를 포함하는 가스(순수 NH3가스를 포함함)를 흘림으로써, 상기한 것과 동일한 작용효과를 발휘하는 것이 가능하다.
즉, 이 경우에는, 도 2C 혹은 도 3 에 나타낸 바와 같은 프리코트막의 안정화처리를 행하지 않고, 장치의 아이들링시에는, NH3가스와 N2가스를 처리용기(4)내로 흘리고, 이것에 의하여, TiN 프리코트막(22)이 변질하는 것을 방지한다. 이 때의 가스유량은, 예를 들면 NH3가스가 500 sccm 정도, N2가스가 500 sccm 정도이다. 이것에 의하면, 프리코트막(22)의 표면의 불안정한 부분이 TiN 의 성막을 행할 때의 처리온도와 같은 온도, 예를 들면 680℃ 로 유지하여 놓으면, 웨이퍼에 TiN 의 성막을 행할 필요가 생길 때에는 재치대(16)의 온도를 올리거나 내리는 조작을 행할 필요없이 바로 성막처리로 이행하는 것이 가능하므로, 수율을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 이상의 각 실시예에서는, 성막장치로서 반도체웨이퍼 표면에 TiN 막을 열 CVD 에 의하여 성막하는 장치를 예로 들어 설명하였으나, 이것에 한정되는 것이 아니며, Ti 막 또는 TiN 막과 같이 Ti 를 함유하는 막을 형성하는 것이라면 모든 성막장치에 적용이 가능하다. 예를 들면 TiCl4가스와 H2가스를 이용하여, 플라즈마 CVD 에 의하여 Ti 막을 성막하는 것과 같은 플라즈마 CVD 성막장치에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 가열수단으로서, 저항발열 히터에 한하지 않고, 램프가열을 이용한 장치에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 피처리체로서는, 반도체웨이퍼에 한정하지 않고, 글래스기판, LCD 기판등에도 적용할 수 있다.
다음에, 본 발명에 관한 성막방법의 실시예를 설명한다.
먼저, 로드록실(74)내를 진공흡인하여 미리 진공상태로 되어 있는 처리용기 (4)내와 대략 동일한 압력으로 되어 있으면, 게이트 밸브(72)를 열어서 양쪽 방 (74)와 (4)를 연이어 통하게 한다. 그리고, 다관절 아암(76)을 구동하여 로드록실 (74)내의 미처리된 반도체웨이퍼 W 를 처리용기(4)내로 로딩하여 반입하고, 이것을 재치대(16)상에 재치한다.
이와 같이, 웨이퍼 W 의 로딩을 행하면, 성막처리를 개시한다. 여기에서는, 예를 들면 TiCl4가스와 NH3가스를 이용하여 예를 들면 처리온도 680℃ 에서 열 CVD 에 의하여 TiN 막을 성막한다.
이 경우, 캐리어가스로서 N2가스를 이용하여도 좋다. 또한, 이 성막처리중에는, 산화가스로서, 예를 들면 O2가스나 H2O 가스(수증기)를 과도하지 않은 범위에서 소정량만큼 처리용기(4)내로 동시에 공급하고, 부착막을 부분적으로 산화하면서 성막을 행한다. 여기서는 산화가스로서 O2가스를 이용한 것으로 한다.
이 때의 처리조건은, 8인치 웨이퍼 크기의 경우에는 예를 들면 처리압력이 40 Pa (≒ 300 mTorr)정도, 처리온도가 680℃ 정도, TiCl4가스의 유량이 30 sccm 정도, NH3가스의 유량이 400 sccm 정도, N2가스의 유량이 50 sccm 정도, 그리고, O2가스의 유량이 5 sccm 정도이다.
이와 같이 하여, O2가스에 의하여 부분적으로 산화됨으로써, TiON 분자가 함유된 TiN 막을 20 nm (성막시간은 약 50초)의 두께로 성막하였다.
이 TiON 분자가 함유하는 TiN 막의 시트저항치를, 성막직후와 성막후 3일 경과한 때에, 각각 측정한 바, 시트저항치의 증가율(변화율)은, 단지 약 수% 정도로서, 목표로 하는 5% 이내로 억제하는 것이 가능하며, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
다음에, O2가스의 공급량을 여러가지 변경하여 마찬가지로 성막처리를 행하여 시트저항치를 측정한 바, 원료가스인 TiCl4가스의 유량의 대략 7 내지 67% (2 내지 20 sccm)의 범위내, 보다 바람직하게는 대략 17 내지 33% (5 내지 10 sccm)의 범위내로 O2가스의 공급량을 설정하는 것이 양호하였다.
상기 실시예에서는, TiN 막의 성막중에, 원료가스와 함께 O2가스를 처리용기(4)내로 도입하도록 하였으나, 이것에 한정되지 않고, TiN 막의 성막후에, 웨이퍼존재하에서 후처리로서 처리용기(4)내로 산화가스를 소정의 시간만큼 흘리도록 하여도 좋다. 먼저, 종래의 통상의 성막방법으로 TiN 막을 열CVD 로 증착한다. 그리고, 소정의 막두께의 TiN 막을 형성하고, 웨이퍼를 언로딩하지 않고 그대로인 상태로 하여 놓고, TiCl4가스나 NH3가스의 공급을 정지하고, 이것과 동시에 산화가스로서 예를 들면 O2가스를 소정의 시간만큼 처리용기(4)내로 공급하여 흘리고, TiN 막의 표면을 산화하여 부분적으로 TiON 막을 형성한다.
이 경우의 처리조건은, 상술한 바와 같이 TiN 막의 성막중에 O2가스를 흘릴 때와 같으며, 처리압력 및 처리온도는 각각 40 Pa 및 680℃ 를 유지하고, O2가스의 유량은 2 내지 20 sccm 의 범위내, 바람직하게는 5 내지 10 sccm 의 범위내로 설정하면 좋다. 또한, 이 후처리공정의 시간은, 예를 들면 5 내지 30 초 정도의 범위내이면 좋고, 과도하게 긴 후처리공정을 행하면, TiN 막의 산화가 지나치게 진행되어 바람직하지 않다.
이와 같이, TiN 막의 성막후에, 후처리공정으로서 O2가스를 흘린 경우에도, TiN 막의 시트저항치가 시간경과에 따라 변화하는 것을 대폭으로 억제하는 것이 가능하게 되고, 이 시트저항치의 변화를 5% 이내로 억제하는 것이 가능하였다.
상기 각 실시예에서는 산화가스로서 O2가스를 이용한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이것에 한하는 것은 아니며, 다른 산화가스, 예를 들면 H2O (수증기)등을 이용하여도 좋다.
또한 여기에서는 고융점금속을 포함하는 막으로서 TiN 막을 증착시키는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 WN (텅스텐나이트라이드)막을 증착시키는 경우에도 본 발명방법을 적용할 수 있음은 물론이다.
또한, 여기서는 피처리체로서 반도체웨이퍼를 예로 들어 설명하였으나, 이것에 한하지 않고, LCD 기판, 글래스기판등에도 본 발명방법을 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 프리코트막의 형성방법, 성막장치의 아이들링 방법, 재치대구조 및 성막장치에 의하면, 다음과 같은 우수한 작용효과를 발휘할 수 있다.
청구항 1 및 2에 규정된 발명에 의하면, TiN 막으로 된 프리코트막을, NH3포함 가스중에 노출시켜 어닐링함으로써 안정화할 수 있다. 이것에 의하여, 성막장치의 아이들링 시기에 재치대의 온도를 내릴 필요가 없게 되고, 따라서, 피처리체로의 성막개시시에 온도를 올리는데 필요한 시간도 불필요하게 되므로, 그 만큼 수율을 향상시킬 수 있다.
청구항 5 및 6에 규정된 발명에 의하면, TiN 막으로 이루어지는 프리코트막을, O2함유가스, 또는 H2O 함유가스중에 노출시켜 어닐함으로써 안정화할 수 있다. 이것에 의하여, 성막장치의 아이들링 시간에 재치대의 온도를 내릴 필요도 없게 되며, 따라서, 피처리체로의 성막개시시에 온도를 올리는데 요하는 시간도 불필요하게 되므로, 그 만큼 수율을 향상시킬 수 있다.
청구항 3 및 7 에 규정된 발명에 의하면, O2함유가스 또는 H2O 함유가스를 이용하여 안정화 공정을 행할 때에, 그 온도를 피처리체에 대하여 성막처리를 행할 때의 처리온도와 대략 동일하게 설정함으로써, 프리코트막의 안정화 후, 재치대의 온도를 올리거나 내리는 일이 없이 바로 피처리체의 성막처리로 이행할 수 있으므로, 수율을 한층 향상시키는 것이 가능하다.
청구항 9 및 10 에 규정한 발명에 의하면, TiN 막으로 이루어지는 프리코트막을 안정화시킬 필요가 없이, 아이들링 기간에 간단히 NH3함유가스를 흘리는 것만으로, 예를 들면 재치대를 성막처리온도로 유지하고 있어도, 프리코트막의 변질을 방지할 수 있다. 따라서, 피처리체에 대한 성막개시시에 온도를 올리는데 요하는 시간도 불필요하게 되므로, 그만큼 수율을 향상시키는 것이 가능하다.
청구항 11 및 12 에 규정하는 발명에 의하면, 재치대의 프리코트막은 안정되어 있으므로, 성막장치의 아이들링 시간에 재치대의 온도를 내릴 필요가 없게 되며, 따라서, 피처리체로의 성막개시시에 온도를 올리는데 요하는 시간도 불필요하게 되고, 그만큼 수율을 향상하는 것이 가능하다.
청구항 13 에 규정하는 발명에 의하면, 고융점 금속을 함유하는 질화막을 증착할 때에, 성막처리중에, 혹은 성막처리후에 산화가스를 흘려서 일부를 산화시켜서 안정화시키도록 하였으므로, 증착막의 시트저항치의 시간경과에 따른 변화를 대폭으로 억제하는 것이 가능하다.
Claims (16)
- 피처리체를 재치하기 위한 재치대를 내부에 가지는 성막장치의 프리코트막 형성방법으로서:상기 성막장치내로 처리가스를 공급하고, 상기 재치대의 표면에 프리코트 TiN 막을 증착하는 증착공정; 및상기 프리코트막을 상기 증착공정에서의 온도보다 높은 온도로 유지함으로써 상기 재치대상의 상기 프리코트막을 환원 및 안정화하는 안정화 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 안정화 공정에서의 상기 환원반응은 NH3(암모니아)를 함유하는 가스내에 상기 프리코트막을 노출함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 안정화 공정에서의 상기 재치대의 상기 온도는 피처리체에 대하여 상기 성막공정이 상기 성막장치내에서 수행될 때의 상기 처리온도와 대략 동일한 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 성막장치내에서, Ti 막 또는 Ti 함유막이 상기 피처리체에 증착되는 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 피처리체를 재치하기 위한 재치대를 내부에 가지는 성막장치의 프리코트막 형성방법으로서:상기 성막장치내로 처리가스를 공급하고, 상기 재치대의 표면에 프리코트 TiN 막을 증착하는 증착공정; 및상기 프리코트막을 상기 증착공정에서의 온도보다 높은 온도로 유지함으로써 상기 재치대상의 상기 프리코트막을 산화 및 안정화하는 안정화 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 안정화 공정에서의 상기 산화반응은 O2(산소)함유가스 또는 H2O (수분)함유 가스내에 상기 프리코트막을 노출함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 안정화 공정에서의 상기 재치대의 상기 온도는 상기 피처리체에 대하여 상기 성막공정이 상기 성막장치내에서 수행될 때의 처리온도와 대략 동일한 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 성막장치내에서, Ti 막 또는 Ti 함유막이 상기 피처리체상에 증착되는 것을 특징으로 하는 프리코트막의 형성방법.
- 피처리체상에 Ti 막 또는 TiN 막을 형성하기 위하여 진공흡인가능한 처리용기내에서 표면상에 프리코트 TiN 막이 형성된 재치대를 가지는 성막장치의 아이들링 방법에 있어서, NH3함유가스가 상기 처리용기내로 공급되는 것을 특징으로 하는 성막장치의 아이들링 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 재치대의 온도는 상기 처리용기내에서 수행되는 상기 성막공정시의 온도와 대략 동일한 온도로 유지됨을 특징으로 하는 성막장치의 아이들링 방법.
- 피처리체상에 Ti 막 또는 Ti 함유막을 증착하기 위한 성막공정을 수행하기 위한 성막장치의 재치대 구조에 있어서,상기 피처리체를 재치하기 위하여 설치된 재치대 및 상기 재치대의 표면에 안정화 처리가 실시된 프리코트 TiN 막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 성막장치의 재치대 구조.
- 피처리체상에 Ti 막 또는 Ti 함유막을 형성하기 위한 성막장치로서:진공흡인가능한 처리용기와,필요한 처리가스를 상기 처리용기내로 공급하기 위한 가스공급수단과,상기 피처리체를 재치하기 위한 재치대와, 상기 재치대의 표면상에 형성되며 안정화 처리가 실시된 프리코트 TiN 막을 가지는 재치대 구조; 및상기 피처리체를 가열하기 위한 가열수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 성막장치.
- 진공흡인가능한 처리용기내에서 고융점의 금속화합물 가스 및 환원가스를 사용하여 피처리체의 표면상에 소정의 막을 증착하는 성막공정을 수행하기 위한 성막방법으로서,상기 성막공정동안 또는 성막공정의 직후에 상기 처리용기내로 산화가스를 공급하는 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 성막방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 고융점 금속화합물은 TiCl4가스이며, 상기 환원가스는 NH3가스인 것을 특징으로 하는 성막방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 산화가스가 O2가스인 것을 특징으로 하는 성막방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 산화가스가 H2O 가스인 것을 특징으로 하는 성막방법.
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