KR20010078196A - 로우 케이 막 형성을 위한 ｕｖ 경화법 및 기구 - Google Patents

로우 케이 막 형성을 위한 ｕｖ 경화법 및 기구 Download PDF

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아자크마리진이.
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비센트 비.인그라시아, 알크 엠 아헨
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Abstract

반도체 제조 방법에서 낮은 유전막을 형성하는 방법 및 시스템이 개시되어 있다. 먼저, 카본-도핑된 실리콘 산화물 막이 반도체 웨이퍼상에 침착된다. 다음에, 자외선(UV) 에너지와 같은 광 에너지가 막을 경화하기 위하여 상기 침착된 막에 인가된다. 일 실시예에서, 광 에너지의 적어도 30%는 가시광선의 진동수보다 큰 진동수를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 광 에너지를 웨이퍼에 인가해도 웨이퍼를 크게 가열시키지는 않는다. 본 발명은 또한 유전막을 형성하여 경화하는데 적합한 클러스터 도구 또는 시스템을 제공한다. 상기 클러스터 도구는 유기실란 소스에 결합된 제 1 챔버, 광 에너지를 제 2 챔버에 수용된 얻은 웨이퍼에 인가시키도록 구성된 제 2 챔버, 제 1 챔버와 제 2 챔버사이에서의 웨이퍼들의 이동을 제어하기에 적합한 로봇부(a robotic section)를 포함한다.

Description

로우 케이 막 형성을 위한 ＵＶ 경화법 및 기구{UV cure process and tool for low k film formation}
발명의 분야
본 발명은 반도체 공정 분야에 관한 것으로, 특히, 감소된 열 비용(thermal budget)으로 경화법(cure process)을 이용하여 로우 케이를 갖는 유전막 제조에 관한 것이다.
발명의 배경
반도체 제조의 분야에 있어서, 일반적인 캐패시턴스 누설(capacitance crosstalk)를 감소시키기 위해 후부(포스트트랜지스터) 모듈에서 낮은 유전 상수들(로우 케이 막들)을 갖는 막들이 사용된다. 통상적으로, 로우 케이 유전막들은 스핀 온(spin-on)법 또는 화학 기상 성장(CVD; chemical vapor deposition)법을 이용하여 침착되거나 형성된다. 로우 케이 막의 제조 후, 화학적 접착들(chemical bonds)의 형성을 완성하고, 잔존 성분들의 기체를 제거하고, 막의 유전 상수를 감소시키기 위해 경화법이 일반적으로 행해진다. 이 경화법은 일반적으로 배치 모드(batch mode)를 이용하는 노(furnace)내에서 또는 단일 웨이퍼 모드를 이용하는 전열기(hotplate) 상에서 실행된다. 어느 한 경우에 있어서, 종래의 경화법은 바람직하지 않게도 웨이퍼를 장시간동안 높은 온도(예를 들어, 약 300。 C를 초과하는 온도에서 약 1시간 이상)에 있게 한다.
특별한 방법을 위해 할당된 열 비용의 상당한 부분을 소비하는 것 외에도, 종래의 경화법은 시간이 걸리는 제조 단계를 필요로 하여 제조업자에게 추가적인 공정 장비를 부담지울 수 있다. 그러므로, 막에 요구되는 유전 특성들을 얻기 위하여 저온에서 단시간동안 자외선(UV) 노출 처리를 하여 로우 케이 유전체 경화를 실히하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터 기구(cluster tool)를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼의 UV 조사를 도시하는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 시스템 104 : 버퍼 챔버
106 : 쿨 다운 영역 202 : 웨이퍼
204 : 척(chuck) 208 : UV 에너지원
본 발명은 실례에 의해 설명되고, 첨부된 도면에 제한하지 않으며, 동일한 참조 번호들은 유사한 구성 요소들을 나타낸다.
숙련된 기술자들은 도면들 안의 구성 요소들이 간단하고 명료하게 설명하기 위햐여 예시된 것이고, 반드시 비례대로 그려진 것이 아니라는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면들 안의 구성 요소들의 어떤 치수들이 본 발명의 실시예들에 대한 이해를 돕기 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수도 있다.
본 발명은 일반적으로 로우 케이 유전막이 자외선(UV) 경화법을 이용하여 형성된 반도체 제조 방법을 고려한다. 예를 들면, 로우 케이 막은 집적 회로의 이웃하는 도전의 층들(공통적으로 금속층들이라 한다) 상호간을 절연시키기 위해 이용될 수도 있다. 먼저, 종래의 반도체 웨이퍼상에 유전막이 침착된다. 본 발명에 따라 형성된 로우 케이 유전체가 인터레벨 유전체(ILD ; interlevel direlectric)로서 이용되는 실시예에서, 웨이퍼는 절연(isolation) 구조들의 형성, 우물 구조들의 형성, 및 p형과 n형 트랜지스터들의 형성을 포함하는 수 많은 제조 공정 단계들을 통해 미리 처리되었을 수도 있다. 일 실시예에서, 유전막의 침착은 화학 기상 성장법(CVD)으로 이루어진다. 다른 실시예에서, 유전막은 스핀-온법에 의해 침착된다. 산화물들과 다른 유전 물질들을 침착시키기 위한 CVD 기구들이 엄청나 수의 반도체 제조 시설들 내에 존재하기 때문에, 본 발명의 유전막을 침착하는 CVD 실시예는 제조 시설 내에 있는 현행 설비들을 이용한다는 점에서 유리할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 침착된 유전막은 상대적으로 낮은 유전 상수(로우 케이 유전막)를 갖는다. 로우 케이 유전막은 카본-도핑된(carbon-doped) 실리콘 산화막을 포함할 수도있다. 일 실시예에서, 예를 들면, 로우 케이 유전막은 유기실란(organosilane) 가스와 N20같은 산소 함유 물질을 반도체 웨이퍼가 위치하는 CVD 반응 챔버(reactor chamber)안에 도입시킴으로써 형성된다. 카본-도핑된 실리콘 산화물을 형성하는데 적합한 유기실란들에는 예를 들어, 메틸실란(methylsilane), 디메틸실란, 트리메틸실란 및 테트라메틸실란이 있다. 유기실란과 산소 함유 물질들 외에도, 침착 단계동안, 헬륨(helium) 또는 아르곤(argon)과 같은 불활성(inert) 물질들이 또한 반응 챔버로 도입될 수도 있다.
로우 케이 유전막의 CVD 형성은 저온법 또는 고온법으로 적절하게 실행될 수도 있다. 일 실시예에서, 저온법은 웨이퍼 척(wafer chuck)를 CVD 반응 챔버에서 약 3 토리첼리(Torr)의 압력에서 약 10 내지 25℃의 범위의 온도로 유지함으로써 실행된다. 저온 침착법이 더 긴 침착 시간을 필요로 하는 반면에, 그 결과로 얻은 유전막은 더 낮은 유전 상수를 갖는다. 게다가, 저온법은 열 비용이 제한된 제조법들에 적합하다. 다른 실시예에서, 고온 침착법은 유전막의 침착동안에 웨이퍼 척를 약 350 내지 400℃의 범위의 온도로 유지함으로써 실행된다. 고온 침착법은 상대적으로 더 높은 침착율을 위해 바람직할 수 있다.
유기실란을 기초로 한 침착법들은 비결합 실라놀(unbonded silanol)에 부착된 메틸기와 CH4그룹들(x≤3)기들을 포함하는 Si-O-Si 망상 구조로 특징지워지는 유전막을 생성한다. 침착된 유전막의 유전 상수는 전형적으로 약 3.4 내지 4.0의 범위에 있다. 약 3.0 이하의 유전 상수를 갖는 유전막을 얻기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예는 경화법을 포함한다. 경화법은 침착된 막에서 응축 반응을 일으킨다. 이 응축 반응에서는 실라놀 분자들 분자들이 서로 반응하여 Si-O-Si 결합들과 물을 형성한다. 바람직한 실시예에서, 경화법은 SiOxCyHz구조를 갖는 로우 케이 막을 생성하기 위해, 예를 들어, 암모니아, Si-CH 조각들, 기타 잔존 물질들을 포함하는 기타 잔존 구성 물질들뿐만 아니라 물을 제거한다. 그 이상의 공정을 진행시키기에 앞서, 로우 케이 막을 경화하는 것은 이러한 잔존 구성물질이 뒤이어 침착되는 층들을 오염시키거나 영향을 주는 것을 방지하므로 유익하다.
본 발명의 일 실시예에서, 침착된 유전막의 경화는 웨이퍼에 전자기 에너지(광 에너지), 바람직하게는 전자기 스펙트럼의 자외선(UV) 부분의 광 에너지(예를 들어, 약 400 nm 이하의 파장을 갖는 광 에너지)를 조사함으로써 이루어진다. 유전막의 UV 조사는 막을 수은 아크 램프(mercury arc lamp)와 같은 UV 에너지원에 노출시킴으로써 이루어질 수도 있다. 이러한 일 실시예에서, 선택된 UV 에너지원에 의해 방출된 총 스펙트럼의 조사량의 적어도 30%는 가시광선의 진동수보다 큰 진동수(예를 들어, 약 400 nm 이하의 파장을 갖음)를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 UV 경화법은 웨이퍼를 약 425℃ 이하의 온도에서 유지하면서 이루어지므로 가능한한 열 비용을 거의 소모하지 않는다. 보다 바람직하게, UV 경화는 약 10 분 이하의 시간동안, 더 보다 바람직하게는 1 분 이하 시간동안 약 200 내지 250℃ 범위의 온도에서 웨이퍼를 유지시키는 동안 이루어진다. 열 비용이 제한된 적용에서는 저온(예를 들어, 250℃ 이하) UV 경화법이 바람직할 수도 있으나, 고온 UV 법(예를 들어, 425℃이하)으로 단시간에 더 낮은유전 상수를 갖는 유전막을 만들 수도 있다. 바람직하게는, UV 에너지원 자체는 웨이퍼의 온도를 상당한 정도로 변경하지 않는다. 즉, 광 에너지는 웨이퍼상에 무시할 만한 가열 효과를 갖는다. 광 에너지가 웨이퍼 가열의 주요 메커니즘인, 신속한 열적 어닐링(annealing) 유형의 조사와는 대조적으로, 여기에서 고려하는 경화법은 단일의 또는 매우 제한된 수의 UV 복사원들을 이용하여 실행될 수도 있다. 웨이퍼들이 개별적으로 경화되는(즉, 단일 웨이터 모드) 실시예에서, 단일 UV 에너지원으로 충분할 수 있다. 다수의 웨이퍼들이 동시에 경화되는 실시예에서는, 그러나, UV 원들의 수는 각각 일괄로 처리되는 웨이퍼들의 수보다 적거나 같은것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예는, 웨이퍼가 유전체의 침착과 경화법 사이에서 대기에 영향받지 않도록 원위치에서 로우 케이 유전막을 형성하는 방법을 고려한다(즉, 침착 및 경화 단계들은 단일의 기구를 이용하여 실행된다.). 로우 케이 유전막의 이 원위치 형성을 달성하는데 적합한 클러스터 기구(시스템)(100)의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 시스템(100)은 다수의 반응 챔버들(모듈들)(102a 내지 102e)(일반적으로 또는 총괄적으로 모듈(들)(102)이라 한다)과 여러 모듈들 사이에서 웨이퍼의 이동을 제어하기 위한 로봇부(버퍼 챔버)(104)을 포함한다. 이들은 화학 기상 성장 시스템에 숙련된 사람들에게는 친숙할 것이다. 바람직하게, 버퍼 챔버(104)는 웨이퍼들을 대기에 노출하지 않고 여러 모듈들(102)사이에서 웨이퍼들을 이송하는데 적합하다. 바람직하게, 각각의 모듈들(102)은 산화물 침착 모듈, UV 경화 모듈, 또는 다른 적합한 모듈로 구성될 수도 있다. 도시된 실시예에서, 예를 들어, 모듈(102a)은 UV 모듈로 사용되고, 모듈(102b)는 CVD 로우 케이 유전체 챔버로 사용된다. 나머지 모듈들(102c, 102d, 102e)은 구현하기에 따라 침착 모듈들 또는 UV 모듈들로 구현될 수도 있다. 다수 재료의 또는 집적된 유전체 구조를 제조하는 것이 바람직한 실시예에서는, 예를 들면, 모듈(012c)을 비반사 코딩(ARC) 또는 패시베이션(passivation) 모듈로, 모듈(102d)을 TEOS 침착 모듈로, 및 모듈(102e)을 UV 모듈로 구성하는 것이 바람직할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 시스템(100)은 특별한 침착법으로 사용될 수도 있다. 이 실시예에서, 예를 들어 모듈(102a,102e)은 UV 경화 모듈들로서 사용될 수도 있는 반면, 모듈들(102b,102c,102d)은 로우 케이 유전체 침착을 위해 사용된다.
따라서, 시스템(100)은 웨이퍼들을 로우 케이 침착법이 실행되는 챔버(102b)로 이송시키고, 그 후 UV 경화법을 실행하기 위해 웨이퍼들을 모듈(102a)로 이송시킴으로써 로우 케이 유전 물질을 침착하고 경화하는 데에 적합하다. UV 경화법을 침착법과 함께 같은 장치에 통합시킴으로써, 본 발명의 이 실시예는 공정 처리량을 개선하고, 공정 불량률을 감소시키는 반면, 공정 비용을 감소시키는 이점이 있는 통합 제조 공정을 고려한다. 시스템(100)이 참조 부호(106)에 의해 표시된 쿨 다운 영역(cool down zone)을 포함하는 실시예에서, 유전막의 UV 경화가 쿨 다운 영역(106)에서 실행되도록 쿨 다운 영역(106)을 UV 에너지원과 함께 형성함으로써 모듈들(102)가 보존될 수도 있다. 이 실시예에서, 쿨 다운 영역(106)은 다수 웨이퍼 UV 법을 가능하게 하도록 다수-슬롯 웨이퍼 취급 능력을 가지도록 형성될 수도있다. 도시된 실시예가 경화법을 침착법과 통합하는데 적합한 다수-챔버 기구를 도시하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예들이 침착법과 경화법을 위해 별개의 기구들을 이용할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
도시된 실시예에서, 시스템(100)의 챔버(102a)는, 본 발명의 UV 경화법이 모듈(102a)에서 실행될 수 있게 하는 UV 램프나 다른 UV 에너지원과 함께 구성된 가변 압력 챔버 이다. 일 실시예에서, 챔버(102a)에서 UV 에너지원에 의해 생성된 에너지는 주로 자외선 에너지이다. 도시된 실시예에서, 시스템(100)의 챔버(102b)는 본 발명의 유전체 침착법을 실행하는데 적합한 여러가지 가스 소스(gas source)들에 연결된다. 도시된 실시예에서, 제 2 챔버(102b)에 연결된 가스 소스들은 메틸실란과 같은 유기실란 소스, 질소 산화물(N2O)과 같은 산소 소스, 헬륨과 같은 불활성 소스를 포함한다. 따라서, 시스템(100)은 챔버(102b)의 제 1 척상에 웨이퍼가 놓여있는 어떤 공정을 실행하는데 적합하다. 그 다음, 카본-도핑된 실리콘 산화물이 챔버(102b)에서 CVD 법에 의해 웨이퍼상에 침착된다. 일 실시예에서, 제 1 척는 CVD법 동안 약 25℃ 이하의 온도에서 유지된다. 다른 실시예에서, 제 1 척은 약 17℃이하의 온도에서 유지된다. CVD 카본-도핑된 산화물을 침착시킨 후, 웨이퍼는 버퍼 챔버(104)를 경유하여 챔버(102a)의 제 2 척에 이송된다. 챔버(102a)에서, 카본-도핑된 산화물은 수은 아크 전구(mercury-arc bulb)와 같은 적합한 에너지원으로부터 얻어진 주로 UV 에너지로 바람직하게 구성된는 광 에너지에 노출된다. 제 2 척은, 바람직하게, 웨이퍼가 UV 에너지원에 노출되는 동안, 약 250 내지 425℃의 범위의 상승된 온도에서 유지되는 온도 제어된 척이다. 챔버(102a)에서의 압력은 20 토리첼리 이하의 압력으로 감소될 수도 있고, 보다 바람직하게는 약 3 내지 5 토리첼리의 범위이다. 게다가, 챔버(102a)는 UV 노출이 질소 환경에서 이루어지도록 질소 소스에 결합될 수도 있다. 도 2을 보면, UV 복사법의 일 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 웨이퍼(202)는 척(204)상에 놓여지고, UV 에너지원(208)에 의해 생성된 참조 부호 (206)으로 표시된 UV 에너지에 노출된다. 웨이퍼(202)는 척(204)으로 이송되기 전에 유전 물질(도 2에 특별히 표시되지 않음)로 코팅되었다. 일 실시예에서, UV 램프(208)는 주로 자외선 에너지를 포함하는 에너지(206)를 생성하는 수은 아크 램프이다.
본 발명에 따라 감소된 열 비용으로 경화법을 이용하여 낮은 유전 상수를 갖는 유전막이 달성될 수 있다. 본 발명에 의한 클러스터 도구 또는 시스템은 유전막을 형성하여 경화할 수 있다.
전술한 명세서에서, 본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 설명되어 왔다. 그러나, 본 기술 분야에서 통상의 지식이 있는 이하 청구범위에서 기재된 것과 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경들이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 오히려 예시적인 의미로 보아야 하며, 그와 같은 모든 변형들은 본 발명의 범위내에 포함되도록 행석되어야 한다. 이점들, 장점들, 문제에 대한 해결책들이 특정한 실시예와 관현하여 기술되었다. 그러나 그 이점들 장점들, 문제에 대한 해결책들, 및 어떤 이점, 장점, 또는 떠오르거나 보다 명백해지는 어떤 원인이 될 수 있는 어떤 요소(들)도,어떤 또는 모든 청구범위의 중요하고, 필요한 또는 필수적인 특징으로써 또는 구성요소로서 해석되어서는 안된다.

Claims (3)

  1. 반도체 웨이퍼 상에 로우 케이 유전층을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼 상에 카본-도핑된 실리콘 산화물 막을 침착하는 단계, 및
    광 에너지를 상기 카본-도핑된 실리콘 산화물 막에 인가하는 단계를 포함하고;
    상기 광 에너지의 적어도 30%는 가시광선의 진동수보다 더 큰 진동수를 갖는, 로우 케이 유전층 형성 방법.
  2. 반도체 웨이퍼 상에 로우 케이 유전층을 형성하는 방법에 있어서,
    제 1 척 상에 상기 반도체 웨이퍼를 배치하는 단계,
    화학 기상 성장법에 의해 상기 반도체 웨이퍼 상에 카본-도핑된 실리콘 산화물 막을 침착하는 단계, 및
    수은 아크 소스로부터의 광 에너지를 상기 카본-도핑된 실리콘 산화물 막에 인가하는 단계들 포함하는 로우 케이 유전층 형성 방법.
  3. 클러스터 기구에 있어서,
    유기실란 소스에 결합된 제 1 챔버,
    반도체 웨이퍼들을 수용하고, 광 에너지를 인가하는 제 2 챔버로서, 상기 광에너지의 적어도 30%가 가시광선의 진동수보다 더 큰 진동수를 갖는, 상기 제 2 챔버, 및
    상기 제 1 챔버와 제 2 챔버사이에서의 웨이퍼들의 이동을 제어하기 위한 로봇부를 포함하는 클러스터 기구.
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