KR20010083234A - 반도체 웨이퍼의 고온고압 처리방법 및 당해 방법에사용되는 산화방지체 - Google Patents

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Abstract

반도체 웨이퍼가 고온고압의 가스분위기하에서의 처리를 수행하도록 압력용기내에 장입되는 반도체 웨이퍼의 고온고압 처리방법에 있어서, 고온고압처리는 산소가 내부로 확산하기 쉬운 특성을 갖는 재료로 형성된 산화방지체(산소 게터 부재)가 압력용기내에 배열되어 있는 상태로 수행됨으로써, 산화방지체는 압력용기내의 산소를 흡수하여, 압력용기내의 산소가 고온고압처리에서 반도체 웨이퍼의 표면을 산화시켜 감소되는 것을 방지한다.

Description

반도체 웨이퍼의 고온고압 처리방법 및 당해 방법에 사용되는 산화방지체{HIGH-TEMPERATURE HIGH-PRESSURE PROCESSING METHOD FOR SEMICONDUCTOR WAFERS, AND AN ANTI-OXIDIZING BODY USED FOR THE METHOD}
본 발명은 반도체 웨이퍼의 고온고압 처리방법, 및 당해 방법에 사용되는 산화방지체에 관한 것이다.
최근, 구리(Cu)는 반도체 디바이스의 배선(wiring) 재료로서 가장 주목받고 있으며, 전해도금은 구리막을 형성하는 방법으로서 주류를 점하고 있다.
반면, 미세한 배선은 꾸준히 진보되고 있으며, 즉, 0.18μ의 레벨이 실용화되었고, 추가로 0.15μ, 0.13μ및 보다 미세한 레벨이 시도되고 있다.
그러나, 이러한 미세화로 인하여, 재료를 배선막의 홀내에 깊이 명확하게 매립하는 것이 어렵다. 가끔, 크고 작은 보이드와 같은 결함이 배선내에 발생한다. 현재, 보이드없이 건전한 배선막을 형성하는 방법으로서 고압의 이용이 주목받고 있다.
고압의 이용은 예를 들면, T.Fujigawa 등의 "ULSI제조에의 HIP의 적용(A Challenge to Sub-Quarter Micron World)"(1999), Proc.Int.Conf On HIP Beijing Chinese MRS p276-281에 상세히 기술되어 있다.
상기 프로세스에 있어서, 아르곤 가스는 압력 매체로서 통상적으로 사용되고, 예를 들면, 전해도금에 의해 형성된 Cu 막의 건전성을 위해서는 350℃ 이상의 온도 및 120MPa 이상의 압력이 필요하다.
통상적으로 사용되는 99.998%의 아르곤 가스는 약 0.2ppm의 산소 및 약 2ppm의 수분을 함유한다.
예를 들면, 압력이 120MPa일 때, 산소의 양은 약 0.02%의 산소가 대기압의 아르곤 가스에 함유된 것에 해당한다.
따라서, 상기와 같이 이러한 고압력 분위기에서 350℃로 가열될 때 Cu 막의 표면이 아르곤 가스내의 산소 및 수분의 존재에 의해 산업상 해로운 수준으로 산화됨이 발견된다.
때때로, 반도체 웨이퍼가 고온 고압하에 처리된 후, 반도체 웨이퍼의 표면은 광택을 잃어버리고 흑자색으로 변색된다. 본 발명자 등은 상기 표면의 성분을 분석하여, 많은 양의 산소가 검출됨을 발견하였다. 따라서, 변색의 원인이 산화에 의한 것임을 발견하였다. Cu 배선막은 보이드가 관찰되지 않을 정도의 안정도가 있음이반도체 웨이퍼의 깨진 표면의 SEM 관찰에 의해 발견된다.
반도체 웨이퍼의 표면이 산화되면, CMP(표면을 평탄화하기 위한 화학기계적 연마(polishing))인 사후단계에서 막두께의 변화로 인하여, 경도가 변한다. 이것은 고가의 반도체 칩의 생산수율에 큰 영향을 준다. 산화 오염이 큰 곳은 전기적으로 특정한 특성자체에 악영향을 준다. 따라서, 고온 고압 처리에서 반도체 웨이퍼의 표면이 산화되지 않는 것이 매우 중요하다.
또한, 고압고압처리에서 웨이퍼의 표면이 산화되는 것을 방지하기 위하여, 예를 들면, 99.9999%의 초고순도 아르곤가스가 사용되는 것이 고려되고 있다.
그러나, 99.9999%의 아르곤가스의 비용이 99.998%의 아르곤 가스의 비용보다 약 7배정도 비싸기 때문에, 고온고압처리에서 실질적으로 비용이 증가된다.
또한, 초고순도의 아르곤가스라 하더라도, 고온고압처리때마다 약간의 불순물이 아르곤 가스내에 축적되기 때문에, 아르곤 가스의 재생이용이 어려워져, 자원의 소모적 사용을 초래하고, 비용을 증가시킨다.
(발명의 개요)
본 발명의 목적은 초고순도의 가스에 의존함이 없이 반도체 웨이퍼의 표면오염을 방지할 수 있는 고온고압 처리방법, 및 당해 방법에 사용되는 산화방지체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 반도체 웨이퍼가 고온고압의 가스분위기하에서 웨이퍼를 처리하는 압력 용기내에 장입되는 고온고압 처리방법이 제공되며, 산소가 내부로확산되기 쉬운 특성을 가진 재료로 형성된 산화방지체(산소 게터 부재)는 산화방지체가 압력용기내에 배열된 상태에서 고온고압처리를 받는다. 이러한 경우에서, 산화방지체는 압력용기내에 있는 산소를 흡수하기 때문에, 고온고압 처리에서 압력용기내에 있는 산소가 반도체 웨이퍼의 표면을 산화하도록 환원되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
산화방지체의 재료로는 티타늄 또는 티타늄 합금 또는 지르코늄 또는 지르코늄 합금인 것이 바람직하다.
반도체 웨이퍼가 섞여있고 복수의 반도체 웨이퍼를 지지할 수 있는 웨이퍼 서포트상에 지지된 바와 같이 평면에서 보이는 것과 거의 동일 형상으로 플레이트형 산화방지체와 반도체 웨이퍼가 형성된 상태로 고온 고압처리가 수행되는 것이 바람직하다.
이러한 경우에 있어서, 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 서포트상에 지지될 때 반도체 웨이퍼와 함께 산화방지체는 웨이퍼 서포트상에 지지될 수 있다. 따라서, 산화방지체는 압력용기내에 쉽게 배열될 수 있다. 반도체 웨이퍼는 Cu로 형성된 막이 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 산화방지체는, 본 발명은 산소가 내부로 확산되기 쉬운 특성을 가진 재료가 평면에서 보았을 때 반도체 웨이퍼와 실질적으로 동일한 모양을 갖는 플레이트형이 되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
산화방지체는 반도체 웨이퍼와 실질적으로 동일한 모양으로 만들어짐으로써, 산화방지체가 반도체 웨이퍼와 동일하게 취급될 수 있다. 즉, 반도체 웨이퍼를 이송 및 지지하기 위한 유닛에 의하여 산화방지체를 이송 및 지지하는 것이 가능해져서, 산화방지체의 취급이 용이해진다.
산화방지체는 경면 연마 처리가 실시되는 것이 바람직하며, 플레이트의 양 표면중 한 표면의 일부 또는 전체가 코팅이 도포되는 것이 바람직하다. 산화방지체가 반도체 웨이퍼와 동일하게 다루어지는 경우, 산화방지체는 반도체 웨이퍼를 이송 및 지지하기 위한 유닛과 접촉하게 되는 것을 막을 수 없다. 이러한 경우에, 산화방지체는 상기와 같이 유닛에 접촉하게 될 때 때때로 먼지가 발생한다. 특히, 티타늄과 같은 금속으로 만들어진 산화방지체에 있어서, 반도체 웨이퍼가 금속으로 오염될 수 있다. 코팅의 도포는 접촉에 의해 생긴 먼지의 발생을 방지한다. 코팅은 세라믹 코팅과 같은 절연체의 코팅이 바람직하다.
도 1은 고온 고압 처리장치의 부분 정단면도,
도 2는 웨이퍼 서포트상의 반도체 웨이퍼 및 산화방지체의 적층상태를 도시하는 도면, 및
도 3은 산화방지체의 평면도 및 측면도.
(바람직한 실시예)
본 발명의 바람직한 실시예는 도면을 참조하여 후술될 것이다. 도 1 및 도 2는 반도체 웨이퍼의 고온고압처리 장치(1)를 도시한다. 처리장치(1)는 고온고압가스의 분위기하에서 반도체 웨이퍼(Si-웨이퍼)를 어닐링할 수 있으며, 웨이퍼가 처리장치(1)내에 수납되도록 하는 압력용기(2) 및 핸들러(4)를 포함한다.
압력용기(2)는 상부 및 하부 개구부를 갖는 통형상 본체(6), 상부 개구부를 덮기 위한 상부 덮개(lid)(7), 및 하부 개구부를 덮기 위한 하부덮개(8)를 가지고 있다. 도시되지는 않았지만, 상부 및 하부덮개(7,8)상에 작용하는 축 로드를 지지하기 위한 프레스 프레임이 제공된다.
열절연 구조체(10)는 상부 덮개(7)로부터 현수되어 있다. 열절연 구조체(10)는 금속으로 만들어져 있고 서로간에 클리어런스를 가지고 하나가 다른 하나 위에 놓인 엎어놓은 사발모양의 복수의 부재를 갖는다.
상부덮개(7)는 상부덮개(7)와 독립적으로 제공되는 고압력 가스 도입홀(34) 및 고압력 배출홀(35)이 제공된다. 압력용기(2)내에 도입된 가스는 가스도입홀(34)을 통과하는 가스 압축기(도시생략)에서 공급된다. 압력용기(2)내의 가스는 가스 배출홀(35)을 통과하여 배출된다.
압력매체로서 사용된 가스는 일반적으로 아르곤 가스이지만, 질소가스 또는 이외의 불활성 가스가 온도 및 압력 조건에 의존하여 사용될 수 있다.
열절연 구조체(10)는 가스 도입홀(34)의 용기의 내측으로 측개구 내부로 죔으로써 잠겨지고, 도입홀(34)로부터 공급된 고압력 가스는 열절연 구조체(10)를 통하여 뻗는 홀을 통하여 열절연 구조체의 내부 스페이스(프로세싱 챔버)에 도입된다.
하부덮개(8)는 하부덮개 엘리베이팅 액추에이터(41)에 의해 위아래로 이동할 수 있고, 하부덮개(8)가 위로 이동될 때, 압력용기(2)의 하부 개구부가 폐쇄될 수 있는 반면, 하부덮개(8)가 아래로 이동될 때, 압력용기(2)의 하부 개구부가 개방될 수 있다.
두개의 내부 및 외부 구역(히터 엘리먼트(13a,13b))으로 나누어진 히터(13)는 차폐블록(11)내에 수납된 가열 히터(13)의 전극 등을 갖는, 금속으로 된 차폐 블록(11)을 통하여 하부덮개(8)상에 설치된다.
반도체 웨이퍼(15)를 지지하기 위한 웨이퍼 서포트(보트;39)가 하부덮개(8)상에 제공된다. 서포트(39)는 석영으로 만들어지며, 수직으로 이격된 소정의 관계에 있는 복수의 웨이퍼(15)를 지지할 수 있다. 서포트(39)는 웨이퍼의 하부면(배면)으로부터 복수의 웨이퍼(15)의 주변에지를 지지하기 위한 복수의 수직 돌출부 (39a)가 제공되고, 웨이퍼는 웨이퍼(15)를 지지할 수 있는 돌출부(39a)상에 배치된다.
웨이퍼(15)를 배치하거나 서포트(39)로부터 언로딩하기 위한 작업은 웨이퍼 핸들러(이송수단;4)에 의해서 수행된다. 웨이퍼 핸들러(4)는 수직면의 방향으로 회전 및 확장하고 수직이동이 가능한 암(30), 및 암(30)의 최단부에 제공된 핸드(26)를 포함한다. 웨이퍼 핸들러(4)는 웨이퍼(15)가 핸드(26)에 의해 퍼올려지도록 들어올려지는 방식으로 웨이퍼(15)를 이송한다.
상기 장치(1)를 사용하여 고온고압 처리를 수행하기 위하여, 배선막(Cu 배선막)이 형성된 반도체 웨이퍼(15), 및 산소가 내부로 확산하기 쉽고 산소의 활동성이 높은 재료로 형성된 산화방지체(16)가 먼저 준비된다. 산화방지체(게터 플레이트;16)는 서포트(39)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(15)의 지름과 동일한 지름을 가지도록 형성된 원형 플레이트이다. 웨이퍼(15) 및 산화방지체(16)는 평면에서 보았을 때 동일한 모양을 갖는다. 산화방지체(16)의 재료로서, 순수 티타늄이 여기에 사용된다. 산화방지체(16)는 파티클의 발생을 방지하는 경면 연마 처리가 실시된다.
예를 들면, 10개의 반도체 웨이퍼(15)가 준비되고, 하나의 산화방지체(16)가준비된다. 이들 반도체 웨이퍼(15) 및 산화방지체(16)는 핸들러(4)에 의해 서포트(39)상에 배치된다.
먼저, 산화방지체(16)가 서포트(39)의 최상단 스테이지상에 배치된 후, 10개의 반도체 웨이퍼가 산화방지체(16)아래에 순서대로 배치된다.
그 후, 하부덮개(8)는 서포트(39)를 프로세싱 챔버에 장입할때까지 상향이동된다. 압력 용기(2)는 10Pa 레벨까지의 진공상태가 된다. 그 후, 99.998%의 아르곤 가스가 프로세싱 챔버에 1MPa까지 채워진 후, 채워진 아르곤 가스를 대기로 방출하는 아르곤 정화(purging)를 두번 반복한다.
이들 단계에 의해서, 프로세싱 챔버내에 있는 공기 잔류가 약 1/1,000,000으로 감소된다. 산소의 양은 약 0.2ppm이다.
그 후, 최대 120MPa로 가압되도록 공급 및 가압 공정이 수행되고, 350℃까지 가열효과를 얻도록 히터(13)에 전력을 공급하고, 이러한 상태가 350℃ x 120MPa의 조건하에서 15분동안 유지되어, 고온 고압처리가 수행된다.
이때, 프로세싱 챔버내의 산소는 산화방지체(16)에 고용되어, 웨이퍼(15)가 산화되는 것을 방지하도록 감소된다. 따라서, 처리후의 반도체 웨이퍼(15)의 표면은 색이 변하지 않으며 처리전의 광택과 동일한 광택을 갖는다. 산화방지체(16)가 서포트(39)의 최상단 스테이지상에 설치되는 것은 단지 이 부분이 온도가 가장 높아서 산화방지체(16)가 산소를 효과적으로 흡수할 수 있기 때문이다.
고온고압 후, 히터(13)로의 전력 공급은 온도를 낮추기 위해 중지되며, 아르곤 가스가 배출되어 온도가 감소되고, 프로세싱 챔버의 내부가 대기압으로 되돌려진다. 그후, 하부 덮개(8)가 아래로 이동하고, 웨이퍼(15)가 압력 용기(2)로부터 이동되고, 핸들러(4)에 의해 서포트(39)로부터 이동된다. 산화방지체(16)는 반복해서 사용될 수 있으며, 재사용시, 서포트(39)로부터 이동됨이 없이 서포트(39)에 남겨진 상태로 있을 수 있다.
산화방지체(16)는 반복 사용으로 인하여 점차적으로 산소의 흡수체(게터)로서의 능력이 (산화되는 것) 저하되기 때문에, 소정의 처리시간이 경과될 때, 산화방지체(16)를 교체해야할 필요가 있다. 이러한 교체는 또한 웨이퍼(15)의 이송과 동일하게 웨이퍼 핸들러(4)에 의해서 행해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 산화방지체(16)가 고압고압처리를 수행하도록 배열되기 때문에, 반도체 웨이퍼(15)가 산화되는 것이 방지된다. 산화방지체(16)는 처리되는 반도체 웨이퍼(15)의 치수와 실질적으로 동일한 치수이기 때문에, 산화방지체는 반도체 웨이퍼(15)를 처리하기 위한 웨이퍼 핸들러(4;로보트)와 동일하게 다루어질 수 있다.
반도체 웨이퍼(15)의 크기는 6인치, 현재 주류가 되는 8인치(200mm), 및 미래에 주류가 될 12 인치(300mm) 등이다. 처리되는 반도체 웨이퍼(15)가 예를 들면, 8인치라면, 사용된 산화방지체(16)는 또한 8인치의 지름을 갖는 회로 플레이트가 된다.
산화방지체(16)의 두께가 또한 웨이퍼(15)와 대략 동일한 것이 바람직하지만, 산화방지체(16)가 핸들러(4)에 의해 다루어지고 서포트(39)에 의해 지지될 수 있다면, 웨이퍼(15)와 상이할 수도 있다. 산화방지체(16)가 웨이퍼(15)보다 얇다면, 특별한 문제는 발생하지 않는다. 여기서는, 웨이퍼(15)의 두께가 0.75mm이며, 산화방지체(16)의 두께는 0.5mm이다.
본 실시예에 있어서, 반도체 웨이퍼(15) 및 산화방지체(16)는 단일 웨이퍼 핸들러(4)에 의해 다루어지고, 단일 서포트(39;보트)상에 배치된다. 금속오염은 반도체 디바이스에 악영향을 준다. 따라서, 웨이퍼 핸들러(4)의 핸드(26) 및 돌출부(슬롯 부분;39a)가 산화방지체(16)와 접촉하는 것을 피해야 한다는 점에서, 산화방지체(16)의 전체 뒷면(하부면;16a)이 세라믹 코팅 처리된다. 또한 뒷면(16a)은 부분적으로 코팅될 수 있다. 부분코팅은 핸드(26), 핸드(26) 또는 돌출부(슬롯부분;39a), 접촉부(산화방지체의 외주변 에지부중의 부분), 및 이들의 인접부(도 3 참조)에 행해질 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 실시예에서, 산화방지체(16)가 서포트(39)의 최상단부상에 배열되어 있지만, 반도체 웨이퍼(15)의 수직 중심위치에 배치될 수 있다. 필요하다면, 이들은 두개의 상부 및 하부 부분에 배치될 수 있거나, 경우에 따라서는 반도체 웨이퍼(15) 및 산화방지체(16)가 수직으로 교대로 배치될 수 있다. 즉, 산화방지체(16)는 반도체 웨이퍼(15)내에 섞일 수 있다. 임의의 배치는 핸들러(4)에 의해 쉽게 수행될 수 있다.
본 발명에서 사용된 산화방지체(16)에 있어서, 산화방지체의 모양은 제한이 없다. 특히, 산화방지체(16)가 서포트(39) 이외의 위치에 배열될 경우, 다른 모양이 채택될 수 있다. 산화방지체(16)의 모양 및 배열이 상이한 경우에도, 산화방지효과가 실시예의 효과와 유사하다.
본 발명에 의하면, 산화방지체가 압력용기내의 산소를 흡수하기 때문에 압력용기내의 산소가 감소되어, 고온고압 처리시에 반도체 웨이퍼의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 산화방지체는 처리될 반도체 웨이퍼와 동일한 모양으로 되어 있기 때문에 반도체 웨이퍼와 동일하게 다루어질 수 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 웨이퍼가 압력용기내에 장입되고 고온고압처리가 고온고압의 가스분위기하에서 수행되는 반도체 웨이퍼의 고온고압 처리방법에 있어서,
    산소가 내부로 확산하기 쉬운 특성을 갖는 재료로 형성된 산화방지체를 상기 압력용기내에 배열하는 단계; 및
    고온고압처리를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 고온고압처리는 평면에서 보았을 때 반도체 웨이퍼와 실질적으로 동일한 모양으로 형성된 플레이트형 산화방지체와 반도체 웨이퍼가 복수의 반도체 웨이퍼를 지지할 수 있는 웨이퍼 서포트에 섞여 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 구리로 형성된 막이 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 구리로 형성된 막이 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 반도체 웨이퍼의 고온고압 처리방법에 사용되는 산화방지체에 있어서,
    산소가 내부로 확산하기 쉬운 특성을 갖는 재료가 평면에서 보았을 때 반도체 웨이퍼와 실질적으로 동일한 모양으로 플레이트로 형성된 것을 특징으로 하는 산화방지체.
  6. 제 5 항에 있어서, 경면 연마 처리가 상기 산화방지체에 실시되는 것을 특징으로 하는 산화방지체.
  7. 제 5 항에 있어서, 코팅이 플레이트의 양 표면중 한 표면의 일부분 또는 전체에 도포되는 것을 특징으로 하는 산화방지체.
  8. 제 6 항에 있어서, 코팅이 플레이트의 양 표면중 한 표면의 일부분 또는 전체에 도포되는 것을 특징으로 하는 산화방지체.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 산화방지체는 티타늄 또는 티타늄 합금, 또는 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 산화방지체.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 산화방지체는 티타늄 또는 티타늄 합금, 또는 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 산화방지체.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 산화방지체는 티타늄 또는 티타늄 합금, 또는 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 산화방지체.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 산화방지체는 티타늄 또는 티타늄 합금, 또는 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 산화방지체.
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