KR20010110795A

KR20010110795A - 기판을 플라즈마 라디칼에 노출시키는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20010110795A
Application number: KR1020017013512A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 비. 노블; 라비 잘리팔리; 나단 다스티시; 그레이 마이너; 터것 사힌; 구앙카이 싱; 야쉬라즈 바트나가르
Original assignee: 조셉 제이. 스위니; 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2001-12-13
Also published as: WO2000065631A3; TW512458B; JP2002543584A; US6450116B1; WO2000065631A2; TW512457B; US20020073925A1; EP1196938A2

Abstract

이온 및 라디칼을 포함하는 플라즈마를 발생시키기에 적합한 제 1 반응 챔버와, 제 1 반응 챔버에 연결되어 제 2 챔버 내의 장소에 기판을 저장하기에 적합한 제 2 챔버를 포함하는, 기판을 플라즈마 라디칼에 노출시키기 위한 장치이다. 제 2 챔버는, 제 1 챔버로부터 제 2 챔버로 이동되는 플라즈마가 주어진 플라즈마 방전 속도에서의 이온 수명과 동등한 거리만큼 기판 위치로부터 떨어지게 되도록 제 1 챔버에 연결된다. 이러한 방식으로, 라디칼은 기판에 도달하여 기판 또는 기판 위의 물질과 반응하면서, 최초에 플라즈마 내에 존재하였던 이온을 중성 전하 상태로 변환시킨다.

Description

기판을 플라즈마 라디칼에 노출시키는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR EXPOSING A SUBSTRATE TO PLASMA RADICALS}

마이크로프로세서 및 메모리와 같은 현대의 집적회로 설계에 있어서, 산화 공정은 반도체 필름을 부동태 처리하거나 산화하는데 사용된다. 실리콘 표면 및 필름, 예를 들어 다결정 실리콘 게이트 전극 및 기판을 포함하는 필름을 산화시키는 흔한 방법에는 순수 산소 및 수증기 산화 공정이 포함된다. 어느 경우에나, 산소 또는 수증기는 챔버 안으로 보내져 실리콘을 함유하는 표면과 반응하여 이산화실리콘(SiO₂)을 형성한다.

초고성능 집적회로에의 적용을 위한 많은 산화 공정에서, 순수한 SiO₂필름은 최종 구조로서는 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 비록 SiO₂필름은 적절한 절연성을 제공할 수 있지만, 얇은 SiO₂필름은 도판트에 의해 투과되어 바람직하지 않은 결과를 가져올 수 있다. 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS) 회로에서, 게이트도핑이 일부 사용되어 각 트랜지스터 소자에 연계된 문턱 전압(V_T)을 낮춘다. 따라서 예를 들어 다결정 실리콘 게이트는 PMOS 소자 또는 NMOS 소자의 일부로서의 인, 비소 또는 주석의 일부로서 붕소에 의해 도핑될 것이다. 다결정 실리콘 게이트 아래의 게이트 산화물이 예를 들어 0.10-0.20 마이크론 또는 그 보다 작아짐에 따라, 게이트에 침투된 도판트, 특히 붕소는 게이트 산화물을 통해 확산 또는 이동하는데, 이는 특히 도판트를 확산 또는 접합 영역에서 활성화시키기 위해 일반적으로 수행되는 고온 어닐링 활성화 단계 동안 더하다. 게이트 내 붕소의 경우, 일부 붕소는 게이트 산화물을 통해 확산되어 게이트 산화물 아래의 채널에 증착됨으로써 채널의 전하를 추가한다. 추가의 전하는 전류를 운반하는 하전체의 산란 중심(scattering center)이 된다. 붕소가 채널 내로 확산되면, 소자의 V_T값을 예상값으로부터 수용 불가능할 정도의 값으로 변화시킨다.

도판트가 얇은 산화물을 통해 확산되는 것, 예를 들어 붕소가 게이트 산화물을 통해 확산되는 것을 방지하기 위해, 종래의 공정에서는 아산화질소(N₂O), 산화질소(NO), 암모니아(NH₃)와 같은 질소함유원을 도입시켰다. 질소함유 물질은 도판트가 산화물을 통해 확산되는 것을 방지하는 장벽층(barrier layer)으로서 작용하는 필름 또는 층(보통 질화규소(Si₃N₄) 또는 질산화실리콘(Si_xN_yO_z) 필름 또는 층)을 형성한다.

게이트 산화물의 경우, 어떤 종래기술의 방법에서는 질소 함유 재료 또는 필름을 게이트 산화물/기판 계면에 놓는다. 종래 기술의 NO 성장 및 어닐링 방법은 게이트 산화물/실리콘 기판 계면에서 예를 들어 보통 높은 질소 도입(9%까지의)으로 귀결된다. 질소는 우수한 확산 장벽으로서 작용하나, 계면에서 이렇게 높은 비율로 존재하는 질소는 채널의 운동성(mobility)을 저하시킨다. 다른 종래기술의 방법은 산화물을 오염시키거나 도판트에 대해 심각한 투과 장애물로서 제공된다. 예를 들어 암모니아 어닐링은 확산되는 도판트에 대해 우수한 장벽층을 형성하나, 수소 도입으로 인해 소자의 신뢰도는 낮아진다. 종래기술의 N₂O 성장 또는 어닐링 방법은 기판 계면에의 수소 도입이 3%보다 낮지만, 얇은 게이트 산화물에 대한 충분한 투과 장벽을 제공하지는 못한다.

장벽 물질을 산화물 위에 도입시키는 방법 및 장치로서, 열적으로 효과적인 방식으로 수행될 수 있고 소자의 성능을 저하시키지 않는 방법 및 장치가 필요하다.

본 발명은 웨이퍼 또는 기판 플라즈마 반응 분야에 관련된 것이며, 보다 구체적으로는 웨이퍼나 기판을 플라즈마 라디칼이 주성분인 플라즈마에 노출시키는 방법 및 장치에 대한 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 플라즈마 라디칼에 의한 질화 처리되는 산화물층을 가지는 반도체 기판의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산화물층의 위 또는 안에 질화물 필름을 형성하는 처리 단계 이후의 도 1의 기판을 개략적으로 나타낸다.

도 3은 제어기, 웨이퍼를 포함하는 급속 가열 장치, 플라즈마 어플리케이터 및 마이크로파원을 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 원격 플라즈마 시스템을 개략적으로 나타낸다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 플라즈마 라디칼을 반응 챔버에 공급하는데 사용되는 플라즈마 어플리케이터를 개략적으로 나타낸다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 처리 시스템을 작동시키기 위한 제어 신호 발생 로직의 계층 제어 구조의 블록선도를 개략적으로 나타낸다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 원격 플라즈마 질화 처리를 나타내는 흐름도이다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 제 1 반응 조건 세트 하에서 원격 플라즈마원에 의해 산화물의 질화로 형성된 유전체층을 포함하는 실리콘 기판의 2차 이온 질량 스펙트로스코피(SIMS) 프로필이다.

도 8은 제 1 반응 조건 세트에 따라 기판 위에 SiO₂층을 플라즈마 질화 처리함으로써 형성된 유전체층으로서, 실리콘 기판 위에 덮여 있는 유전체층을 개략적으로 나타낸다.

도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 제 2 반응 조건 세트 하에서 원격 플라즈마원에 의해 산화물의 질화로 형성된 유전체층을 포함하는 실리콘 기판의 SIMS 프로필이다.

도 10은 제 2 반응 조건 세트에 따라 기판 위에 SiO₂층을 플라즈마 질화 처리함으로써 형성된 유전체층으로서, 실리콘 기판 위에 덮여 있는 유전체층을 개략적으로 나타낸다.

기판을 플라즈마 라디칼에 노출시키기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 장치의 한 실시예에서, 제 1 반응챔버는 반응 가스로부터 플라즈마를 발생시킨다. 일반적으로, 발생된 플라즈마는 주로 하전이온, 라디칼 및 전자로 이루어진다. 제 1 반응챔버에 결합된 제 2 반응챔버는 기판을 제 2 반응챔버 내의 위치에 포함한다. 기판은 그 표면에 산화물층 또는 산화물층들과 같은 하나 이상의 물질 또는 물질들의 층을 가진다. 제 1 반응챔버는, 주어진 플라즈마 방전률에서 제 1 반응챔버로부터 제 2 반응챔버로 이동하는 플라즈마가 이온의 수명과 동등한 거리만큼 기판으로부터 떨어져 있도록 제 2 반응챔버에 결합된다. 이러한 방식으로, 라디칼은 기판에 도달하며, 플라즈마 내에 처음에는 존재하였던 이온이 중성이 될 때까지, 기판과 반응한다.

질소 플라즈마가 기판 위의 산화물에 도입되는 질화반응의 경우, 질소 플라즈마의 질소 라디칼은 산화물과 신속하게 반응하여 질소를 산화물의 노출된 표면 내로 도입한다. 게이트 산화물에의 장벽층 보호의 관점에서, 질소는 게이트 산화물/기판 계면이 아닌 산화물의 노출된 표면에 주로 도입된다. 이러한 방식으로, 기판 표면으로부터 멀리 떨어져 배치되는, 장벽층으로서 작용하는 적절한 양의 질소의 존재는 채널 운동성에 해로운 영향을 미치지 않으면서 산란 센터를 감소시킬 것인데, 이러한 질소가 없으면 산란 센터는 투과 가능한 도판트에 의해 발생될 것이다.

본 발명의 한 실시예는 제 1 챔버 내에 이온 및 라디칼을 포함하는 플라즈마를 발생시키는 단계, 기판을 제 2 챔버에 놓는 단계, 라디칼을 제 2 챔버로 이송시켜 기판과 반응시키거나 기판에 도입시키는 단계가 관련된다. 질소 플라즈마의 경우, 예를 들어 본 방법은 상술한 바와 같이 장벽층으로서 작동하기 위해 질소를 산화물 내로 도입시키는데 사용될 수 있는 질소 라디칼을 만드는데 질소 플라즈마를 사용한다. 본 방법은 질소를 게이트 산화물 내로 도입하여 투과성 게이트 도판트에 대한 장벽층을 형성하는데 유용한데, 이는 한 실시예에서 도입된 질소가 게이트 산화물/기판 계면으로 이동하지 않기 때문이다. 따라서 장벽층은 채널 운동성의저하와 같은 종래기술에 따른 게이트 성능에의 악영향이 없이 형성될 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명, 도면 및 청구범위에 의해 명백하게 될 것이다.

본 발명은 플라즈마를 기판 또는 기판 위의 물질에 원격 플라즈마원을 사용하여 도입시키는 장치 및 방법에 대한 것이다. 일반적으로, 예를 들어 플라즈마 가스 분자의 여기에 의해 발생되는 플라즈마원은 하전된 이온, 라디칼 및 전자로 이루어진다. 본 발명에서는 플라즈마의 라디칼이 이온 또는 이온과 라디칼의 혼합물에 비해 기판 또는 산화물과 같은 기판 위의 물질과 보다 바람직한 방식으로 반응한다는 것을 알아내었다. 이와 관련, 본 발명은 플라즈마원이 원격되어 있어, 바람직하게는 플라즈마의 라디칼만이 기판 또는 기판 위의 물질과 반응하도록 하기 위해 대부분의 플라즈마 이온을 제거하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 설명한다.

이하의 설명에서, 장치의 구조와 같은 다양한 구체적인 내용뿐만 아니라 시간 및 온도와 같은 구체적인 처리 내용이 설명되어 본 발명의 완전한 이해를 제공한다. 당업자라면, 본 발명에서 벗어나지 않고, 본 발명의 구체적인 내용과 관련, 다른 구조와 방법을 사용할 수 있을 것이다. 한편 본 발명의 내용을 불필요하게 흐리지 않기 위해 공지의 반도체 처리 장비 및 기술은 자세히 설명하지 않는다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 방법을 나타낸다. 도 1은 기판을 덮고 있는 예를 들어 이산화실리콘(SiO₂)과 같은 층(110)을 나타낸다. 한 실시예에서, SiO₂층(110)은 트랜지스터 게이트를 기판으로부터 절연시키기 위한 게이트로서 작용할 것이다. 기판(100)은 예를 들어 실리콘 기판(100)이다. 도 1에서, SiO₂층(110)은 플라즈마(115)에 의해 가격된다. 플라즈마(115) 중 반응성 있는 부분은 실질적으로 라디칼로 이루어진다. 본 발명에서는 플라즈마 생성시 (라디칼과 함께) 플라즈마 내에 존재하는 거의 모든 이온이 SiO₂층(110)과 접하기 전에 제거될 것으로 기대된다. 양으로 하전된 이온이 제거되는 한 가지 방법은 (역시 플라즈마 생성시 플라즈마에 존재하는) 전자와 결합되어 이온이 아닌 상태 즉 전하가 중성인 상태로 되돌아가는 것이다. 플라즈마는, 플라즈마 발생원을 기판 위치 즉 반응 장소로부터, 주어진 플라즈마 방전률에서의 이온 수명보다 긴 거리만큼 분리시킴으로써 거의 대부분의 이온이 제거될 수 있다. 이러한 방식으로 라디칼은 기판(100)으로의 이동 거리 동안 존재하나, 이온은 그렇지 않고 이온으로서의 성질을 잃어버려 전하가 중성으로 된다.

한 실시예에서, SiO₂층(110)은 게이트 산화물이며 플라즈마는 질소 플라즈마로서, 질소를 게이트 산화물 내로 도입시켜 장벽층으로서 작용하게 한다. 도 2는 플라즈마의 라디칼과 SiO₂층(110) 사이의 반응 이후의 기판(100)을 나타낸다. 도 2는 SiO₂층(110) 위에 놓인, 예를 들어 질소 함유 물질 또는 층(120)의 형성을 개략적으로 나타낸다. 질소 라티칼(N^*)의 질소 플라즈마는 주로 산화물과 반응하거나 SiO₂층(110) 위의 산소를 제거하여 유전체층(즉 SiO₂층(110)과 질소 함유 물질 즉 층(120)의 합)을 형성하는데, 이 유전체층은 층과 기판(100) 사이의 계면에 비해 층 표면에서 질소 함유 물질의 농도가 현저히 높다. 이러한 방식으로, 유전체 내의 질소 함유 물질의 존재는 붕소와 같은 도판트가 SiO₂층(110)을 통해 투과하는데 대해 효과적인 장벽층으로서 작용한다. 질소 함유 물질 또는 층(120)은 계면(105)에 상당한 양으로 존재하지 않기 때문에, 종래기술의 구조에서 나타나는 소자에 미치는 부정적인 효과는 일어나지 않는다.

본 발명은 반응 표면에 필름 또는 층을 정밀하게 위치시키는 것으로(strict placement) 귀결되는 공정에만 한정되는 것은 아니다. 즉 플라즈마 반응은 플라즈마 함유 물질과 산화물의 명백히 구별되는 층을 형성하는 방식으로 일어나는 것은 아니다. 그 대신, 이하 자세히 설명되는 바와 같이 어떤 실시예에서는 플라즈마의 라디칼이 예를 들어 산화물 내에서 라디칼이 반응 표면에 노출되는 동안 반응 및 상호 작용한다. 게이트 산화물의 질화의 경우 예를 들어 질소 함유 물질은, SiO₂층(110)을 질소 라디칼(N^*)이 주성분인 플라즈마에 노출시킴으로써,SiO₂층(110) 위 또는 안에서 효과적으로 생성된다. N^*라디칼이 SiO₂층(110) 내의 산소 원자를 제거하여 Si₃N₄또는 Si_xN_yO_z을 형성한다는 것이 한 가지 이론이다.

도 3은 라디칼이 주인 플라즈마를 SiO₂층(110)과 같은 물질 층을 포함하는 기판(100)과 같은 기판과 반응시키는 시스템 또는 장치의 한 실시예를 나타낸다. 이 장치나 시스템은 허니콤 처리된 소스(Honeycombed Source)를 구비한 어플라이드 머티어리얼즈사(Applied Materials, Inc.)의 RTP Centura^TM과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 급속 열처리(rapid thermal processing; RTP) 장치(200)를 포함한다. 다른 적절한 RTP 장치 및 그 작동 방법은 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 5,155,336호에 설명되어 있다. 다른 형태의 열 반응기 예를 들어 어플라이드 머티어리얼즈사에서 판매되며 에피택시얼 실리콘, 다결정 실리콘, 산화물 및 질화물과 같은 고온 필름을 형성하는데 사용되는 Epi 또는 Poly Centura^TM단일 웨이퍼 "콜드 월(Cold Wall)" 반응기로 대체될 수 있다. 어플라이드 머티어리얼즈사의 DielectricxZ^TM챔버도 적당하다.

RTP 장치(200)에는 플라즈마 어플리케이터(300)가 결합되어, 플라즈마 라디칼을 RTP 장치(200)에 공급한다. 플라즈마 어플리케이터(300)에는 에너지원(450)이 결합되어, 플라즈마를 발생시키기 위한 여기 에너지를 발생시킨다.

도 3에 나타난 실시예에서, RTP 장치(200)는 측벽(214)과 바닥벽(215)으로둘러싸인 처리 챔버(213)를 포함한다. 측벽(214)과 바닥벽(215)은 스테인레스강으로 만들어지는 것이 바람직하다. 챔버(213) 측벽(214)의 상부는 O링에 의해 윈도우 어셈블리(217)에 실링된다. 방사 에너지 광파이프 어셈블리(radiant energy light pipe assembly; 218)는 윈도우 어셈블리(217) 위에 위치하여 이에 결합된다. 광파이프 어셈블리(218)는 다수의 텅스텐 할로겐 램프, 예를 들어 Sylvania EYT 램프를 포함하는데, 이들 램프는 각각 광파이프(221) 내에 장착되며, 광파이프는 스테인레스강, 알루미늄, 황동 또는 다른 금속일 수 있다.

웨이퍼 또는 기판(100)은 보통 탄화실리콘으로 만들어지는 지지 링(262)에 의해 챔버(213) 내의 에지 위에 지지된다. 지지 링(262)은 회전 가능한 석영 실린더(263) 위에 장착된다. 석영 실린더(263)를 회전시킴으로써, 지지 링(262) 및 웨이퍼 또는 기판(100)은 회전한다. 추가의 탄화실리콘 어댑터 링이 사용되어, 지름이 다른 웨이퍼나 기판이 (예를 들어 20mm 뿐만 아니라 150mm도) 처리될 수도 있게 된다. 지지 링(262)의 외측 에지는 웨이퍼나 기판(100)의 바깥 지름으로부터 2인치 미만으로 연장되는 것이 바람직하다. 챔버(213)의 부피는 약 2리터이다.

RTP 장치(200)의 바닥벽(215)은, 에너지를 기판 또는 웨이퍼(100)의 뒤쪽으로 반사시키기 위해 금이 코팅된 상부면(211)을 포함한다. 추가로 RTP 장치(200)는, 그 바닥벽을 통해 위치하여 그 바닥면에 걸쳐 다수의 위치에서 웨이퍼 또는 기판(100)의 온도를 검출하는 다수의 광화이버 탐침(270)을 포함한다.

RTP 장치(200)는 처리 가스 또는 플라즈마의 라디칼을 챔버(213) 내로 분사하기 위하여 측벽(214)을 통해 형성된 가스 유입구(269)를 포함하여, 챔버(213) 내에서 다양한 처리 단계가 이루어질 수 있게 한다. 가스 유입구(269)에는 어플리케이터원(300)이 결합되어, 플라즈마의 라디칼을 챔버(213) 내로 분사한다. 측벽(214) 내 가스 유입구(269)의 반대쪽에는 가스 유출구(270)가 위치하고 있다. 가스 유출구(270)는 펌프와 같은 진공원에 결합되어 있어, 처리 가스를 챔버(213)로부터 배기시켜서 챔버(213) 내의 압력을 감소시킨다. 진공원은, 처리 과정에서 플라즈마 라디칼을 포함하는 처리가스가 챔버(213) 내로 연속적으로 공급되는 동안, 필요한 압력을 유지한다.

광파이프 어셈블리(218)는 육각형 배열 즉 "벌집"형으로 위치하는 램프(219)를 포함하는 것이 바람직하다. 램프(219)는 웨이퍼 또는 기판(100) 전체 표면을 적절하게 덮고 링(262)을 지지하도록 위치된다. 램프(219)는 독립적으로 제어될 수 있는 구역으로 분류되어, 웨이퍼 또는 기판(100)을 극히 균일하게 가열한다. 광파이프(221)는 물과 같은 냉각제를 다양한 열 파이프 사이에서 유동시킴으로써 냉각될 수 있다.

윈도우 조립체(217)는 다수의 짧은 광파이프(241)를 포함하는데, 이들 파이프(241)는 바깥쪽 에지가 외측 벽(244)에 실링된 상부/하부 플랜지 플레이트에 납땜된다. 물과 같은 냉각제는 광파이프(241) 사이의 공간 내로 분사되어 광파이프(241) 및 플랜지를 냉각하는데 기여한다. 광파이프(241)는 조명기(illuminator)의 광파이프(221)와 정확히 대응되도록 되어 있다. 램프 하우징과 정확히 대응되도록 맞춰진 광파이프 패턴이 구비된 수냉 플랜지는 2개의 석영판(247, 248) 사이에 끼워져 있다. 이들 판은 플랜지 둘레의 O링에 의해 플랜지에실링되어 있다. 석영판(247, 248)은 다수의 광파이프(241) 사이를 연통시키는 홈을 포함한다. 다수의 광파이프(241) 내에는 이들 광파이프 중 하나에 연결된 튜브(253)를 펌핑함으로써 진공이 형성될 수 있으며, 상기 광파이프 중 하나는 플랜지 전면의 매우 작은 리세스 또는 홈에 의해 나머지 광파이프에 연결된다. 따라서 샌드위치식으로 끼워진 구조가 챔버(213) 내에 놓일 때, (보통 스테인레스강이며 기계적 강도가 우수한) 금속 플랜지는 적절한 구조적 지지를 제공한다. 사실상 챔버(213)를 실링하는 하부 석영판(248)은, 양쪽면 각각의 진공이 매우 희박하게 될 수 있기 때문에 압력차를 경험하지 않거나 매우 적은 압력차만을 경험하게 된다. 윈도우(217)의 어댑터 판 개념에 의해, 석영판은 세척 또는 분석을 위한 교체가 쉽게 된다. 더욱이 윈도우 조립체(217)의 석영판(247, 248) 사이의 진공에 의해, 반응 챔버를 떠나는 독성 가스에 대한 추가적인 수준의 보호가 제공된다.

RTP 장치(200)는 웨이퍼 또는 기판(100)의 온도를 25-100℃/초의 속도로 단계적으로 상승시킬 수 있는 단일 웨이퍼 반응 챔버이다. RTP 챔버(200)는 "차가운 벽(cold wall)" 챔버로 불리는데, 이는 예를 들어 산화 공정 동안 웨이퍼 또는 기판(100)의 온도가 챔버 측벽(214)의 온도보다 적어도 400℃ 높기 때문이다. 가열/냉각 유체는 측벽(214) 및/또는 바닥 벽(215)을 통해 순환되어 이들 벽을 원하는 온도에 유지할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 플라즈마 어플리케이터(300)는 RTP 장치(200)에 결합되어 이 장치에 대해 플라즈마의 라디칼 공급원이 된다. 한 실시예에서, 플라즈마 어플리케이터(300)는 유입 파이프(360)에 의해 RTP 장치(200)에 연결된다.또 플라즈마 어플리케이터(300)는 소스 가스 유입구(310)도 포함한다. 소스 가스 유입구(310)에는 예를 들어 N₂그러나 이에 한정되지는 않는 질소 함유 가스의 탱크와 같은 소스 가스가 연결된다. 플라즈마 어플리케이터(300)는 웨이브 가이드를 통해 에너지원(450)에의 결합을 위한 튜브(320)도 포함한다.

도 3은 플라즈마 어플리케이터(300)가 RTP 장치로부터 원격되어 있어, 플라즈마가 RTP 장치(200)의 챔버(213) 외부에서 발생되는 실시예를 나타낸다. 플라즈마 어플리케이터(300)를 RTP 장치(200)의 챔버(213)로부터 떨어지게 하여 위치시킴으로써 플라즈마원이 선택적으로 생성되어, 웨이퍼 또는 기판(100)에 노출된 플라즈마의 조성을 주로 라디칼로 제한할 수 있다. 따라서, 이온, 라디칼 및 전자의 플라즈마가 플라즈마 어플리케이터(300) 내에서 발생된다. 그러나 플라즈마 어플리케이터(300)의 크기 또는 플라즈마 어플리케이터(300)와 유입 파이프(360)가 결합된 크기(예를 들어 길이 및 부피) 때문에, 처리 가스의 여기에 의해 플라즈마에 발생된 이온의 대부분 또는 전부는 이온 수명보다 길게 존재하며 전기적으로 중성이 된다. 따라서 RTP 장치(200)의 가스 유입구(269)에 공급되는 플라즈마의 조성은 주로 라디칼이다.

질소 소스 가스의 경우, 예를 들어 마이크로파 조사에 의한 여기는 N^*라디칼, N⁺및 N²⁺와 같이 양으로 하전된 이온 및 전자를 발생시킨다. N^*라디칼은 고에너지 상태를 점유하고 있는 중성 원자인 것으로 믿어진다. 본 발명의 장치는 양으로 하전된 이온(예를 들어 N+ 및 N2+ 이온)이 플라즈마 어플리케이터(300) 내에서또는 유입구 파이프(360) 내에서 중성 전하로 되어, 일반적으로 RTP 장치(200)의 챔버(213)에 도달하지 않도록 구성된다. 양으로 하전된 질소 이온은 가용 전자와 결합하여 이온 상태를 상실함으로써 중성이 된다. 이러한 방식으로, 주로 N^*라디칼과 중성 질소는 챔버(213)에 도달하며 웨이퍼 또는 기판(100) 또는 그 위의 물질(예를 들어 산화물 층)에 노출된다. 양으로 하전된 질소 이온과 결합함으로써, 플라즈마 내에서 생성된 전자는, 일반적으로 챔버(213) 내의 기판(100)에 노출되지 않는다. 따라서 플라즈마의 하전 입자는 기판(100) 또는 그 위의 산화물 층(110)을 스퍼터링하는데 사용될 수 없다. 이러한 방식으로, N^*라디칼의 질소 플라즈마 반응은 상대적으로 손상이 적은 유전체층으로 귀결된다.

도 4는 본 발명의 원격 플라즈마 발생 장치에 유용한 플라즈마 어플리케이터(300)의 실시예를 나타낸다. 플라즈마 어플리케이터(300)는 도 1 및 도 2와 그에 관련된 기재 내용에 의해 설명된 질화반응에 따른 질소 플라즈마를 발생시키는데 특히 유용하다. 플라즈마 어플리케이터(300)는 예를 들어 알루미늄 또는 스테인레스강으로 만들어진 바디(305)를 포함한다. 바디(305)는 튜브(320)를 둘러싼다. 튜브(320)는 예를 들어 석영 또는 사파이어이다. 튜브(320)에는 임의의 하전 입자, 예를 들어 이온을 끌어당길 수 있는 전기적 바이어스가 존재하지 않는 것이 바람직하다. 소스 가스 유입구(310)에는 예를 들어 질소 가스, 그러나 이에 한정되지 않는 질소 함유 가스의 탱크와 같은 소스 가스(313)가 결합된다. 질량 유동 제어기와 같은 유동 제어기(426)가 소스 가스(313)와 가스 유입구(310) 사이에 결합되어, 플라즈마 어플리케이터(300)로의 가스 유동을 조절한다. 한 실시예에서 유동 제어기(426)는 시스템 제어기(260)로부터 (예를 들어 0과 5V 사이의 신호와 같은) 아날로그 신호를 받으며, 시스템 제어기는 밸브를 작동시켜 소스 가스(313)로부터 가스 유입구(310) 내로 보내지는 가스의 유속 또는 양을 제어한다. 이 실시예에서는 유동 제어기(426) 사이에 변환판(conversion board; 272)이 놓여, 시스템 제어기(260)와 유동 제어기(426) 사이에서 예를 들어 신호의 스케일이 다른 경우 신호를 조절한다. 가스 유입구(310) 개구의 지름은, 튜브(320) 내로의 원하는 소스 가스 유속을 얻을 수 있도록 선택된다.

가스 유입구(310)의 반대쪽에는 라디칼 출구(375)가 위치한다. 한 실시예에서 라디칼 출구(375)는 입구 파이프(360)에 결합되어 플라즈마의 라디칼을 RTP 장치(200)의 챔버(213)에 공급한다. 라디칼 출구(375)는 보통 지름이 가스 유입구(310)보다 좁아, 여기된 라디칼이 원하는 유속으로 효과적으로 방전되어 라디칼과 튜브(320) 사이의 접촉이 최소로 된다. 플라즈마 어플리케이터(300)에 의해 생성되어 방전되는 라디칼의 유속은 주로 소스 가스 유입구 유동, 튜브(320)의 크기 및 라디칼 유출구(375), 그리고 플라즈마 어플리케이터(300) 내의 압력에 의해 정해진다.

바디(305)의 라디칼 유출구(375)와 소스 가스 유입구(310) 사이의 위치에는 에너지원 유입구(380)가 있다. 에너지원 유입구(380)는 마이크로파 주파수를 가지는 에너지와 같은 여기 에너지가 에너지원(450)으로부터 튜브(320) 내로 도입되게 한다. 마이크로파 주파수의 경우, 여기 에너지는 튜브(320)를 통해 플라즈마 어플리케이터(300)의 바디(305) 내로 이동하여, 에너지 소스 유입구(380)에 수직인 방향으로 플라즈마 내로 이동하는 가스 소스를 여기시킨다. 여기 에너지는, 여기 에너지가 없으면 안정적이었을 일부 가스 분자의 구조를 라디칼 또는 이온과 같은 여기 상태 또는 보다 높은 에너지 상태로 교란시킴으로써 여기 작용을 한다. 예를 들어 N₂의 경우 플라즈마 어플리케이터(300) 내의 마이크로파 여기는 N* 라디칼, N⁺및 N²⁺와 같이 양으로 하전된 이온 및 전자를 발생시킨다.

본 발명의 시스템 및 방법의 한 가지 목적은 플라즈마의 이온(예를 들어 N⁺및 N²⁺)과 기판(100) 또는 기판 표면의 산화물과의 반응을 방지하는 것이다. 따라서 한 실시예에서 플라즈마 어플리케이터(300)의 튜브는, 주어진 처리된 가스의 유속(예를 들어, 주어진 플라즈마 발생 속도)에 대해 에너지원의 여기에 의해 생성된 거의 모든 이온이 없어지거나 전자 또는 다른 하전 입자와 반응하여 튜브(320)를 떠나기 전에 그 여기 상태를 잃어버리는 길이로 이루어진다. 한 실시예에서, 주로 라디칼이 플라즈마가 챔버(213) 내의 기판(100)으로 공급된다. 어떤 경우에는, 플라즈마 중 소량의 이온이, 라디칼과 기판 또는 라디칼과 기판 위 물질 사이의 반응에 큰 영향을 미치지 않고 기판 위치로 공급될 수 있다. 본 발명에서는 이온 또는 이온과 라디칼의 혼합물에 비해 라디칼이 더욱 바람직한 방식으로 반응하는 점에 알아내었다. 따라서 본 발명의 한 특징은 기판 또는 기판 위의 물질이 이온에 노출되는 것을 최소로 하는 것이다.

주어진 소스 가스 유동 속도에서 플라즈마 중의 거의 모든 이온을 제거하는데 필요한 튜브(320)의 길이는 실험적으로 결정되거나 이온 수명의 계산에 의해 계산될 수 있다. 한 실시예에서, 튜브(320)의 길이는 12인치이고 안지름은 1인치이며, 지름 1인치의 라디칼 유출구(375)를 포함하여, 라디칼 유출구(375)에서 분당 300sccm의 소스 가스 유동 속도로 주로 N^*라디칼과 불활성 질소를 발생시킨다. 다른 실시예에서는, 플라즈마 어플리케이터(300) 내에서뿐만 아니라 플라즈마 어플리케이터(300)를 RTP 장치(200)에 연결하는 유입구 파이프(360) 내에 대해서도 이온의 여기 수명이 고려된다.

한 실시예에서, 에너지원(450)은 마그네트론(420)과 더미 로드(dummy load; 425)로 이루어진다. 마그네트론(420)은 예를 들어 전자기 주파수 또는 유도 결합된 주파수와 같은 여기 에너지를 발생시킨다. 여기 에너지는 더미 로드(425)를 통해 웨이브 가이드와 튜브(320)를 향한다. 더미 로드(425)는 어떤 의미에서는 체크밸브와 같이 작용하여 에너지 유동이 플라즈마 어플리케이터(300)를 향하고 마그네트론(420)을 향하지 않게 한다. 에너지원(450)의 튜브(320)와 플라즈마 어플리케이터(300) 사이에는 튜너(400)가 있어, 플라즈마 어플리케이터(300)로부터 반사된 방사를 플라즈마 어플리케이터(300)로 다시 향하게 하여 플라즈마 어플리케이터(300)에 공급되는 에너지를 증가시킨다.

도 3에서 제어 신호 발생 로직(252)은, 예를 들어 시스템 제어기(260) 내의 메모리(238)와 같이 컴퓨터로 판독할 수 있는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램인 소프트웨어 명령 로직(software instruction logic)의 형태로 시스템 제어기(260)에 공급된다. 컴퓨터 프로그램은 타이밍, 가스 유속 챔버 압력, 챔버 온도, RF 전력 레벨, 에너지원 조절 및 특정 공정의 다른 변수를 조정하는 명령 세트를 포함한다. 플로피 디스크와 같은, 그러나 이에 한정되지는 않는 다른 저장 장치에 저장된 것과 같은 다른 컴퓨터 프로그램도 시스템 제어기(260)를 작동시키는데 사용될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 프로세서(250) 내의 시스템 제어기(260)에 의해 처리된다. 사용자와 시스템 제어기(260) 사이의 인터페이스는 예를 들어 음극선관(CRT) 모니터 또는 모니터를 통해, 키보드, 마우스, 라이트펜 센터 또는 터치 스크린 모니터와 같은 인터페이스 수단에 의해 수행되는 명령에 의해 수행된다.

도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 제어 신호 발생 로직(252)의 계층 제어 구조를 나타내는 블록선도이다. 다수의 처리 챔버 환경에서, 예를 들어 사용자는 CRT 모니터에 표시되는 스크린 또는 메뉴에 응답하여 처리 세트 번호 및 처리 챔버 번호를 프로세스 실렉터 서브루틴(process selector subroutine; 473)에 기입한다. 프로세스 세트는 특정 공정을 수행하는데 필요한 미리 설정된 처리 변수의 세트로서, 미리 정해진 세트 번호로 구분된다. 프로세스 실렉터 서브루틴(473)은 (i)필요한 처리 챔버, (ii)필요한 처리를 수행하기 위해 처리 챔버를 작동시키기 위한 처리 변수의 세트를 구분한다. 특정 처리를 수행하기 위한 처리 변수는 처리 조건, 예를 들어 처리 가스 유속, 온도, 반응 압력, 냉각 가스 압력, 챔버 벽 온도 등에 의존하며, 레시피(recipe)의 형태로 사용자에게 제공된다. 프로세스 레시피에 의해 구체화된 변수는 CRT 모니터 인터페이스를 사용하여 입력된다. 공정을 모니터하기 위한 신호는 시스템 제어기(260)에 대한 아날로그 입력 및 디지털 입력에 의해 제공되며, 공정을 제어하기 위한 신호는 시스템 제어기(460)의 아날로그 출력 및 디지털 출력 보드로 출력된다.

도 9에 나타난 프로세스 시퀀서 서브루틴(process sequencer subroutine; 475)은, 한 실시예에서, 식별된 처리 챔버 및 처리 변수 세트를 프로세스 실렉터 서브루틴으로부터 받아들여 처리 챔버의 작동을 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 여러 명의 사용자가 처리 세트 번호 및 처리 챔버 번호를 입력할 수도 있고, 한 명의 사용자가 다수의 처리 세트 번호 및 다수의 처리 챔버 번호를 입력하여, 프로세스 시퀀서 서브루틴(475)이 원하는 일련의 작업에서 선택되는 공정을 계획할 수 있도록 작동한다. 프로세스 시퀀서 서브루틴(475)은 (i)챔버가 사용되고 있는지를 측정하기 위해 처리 챔버의 작동을 모니터하는 단계, (ii)사용되는 챔버에서 어떤 공정이 수행되고 있는지 측정하는 단계 및 (iii)수행될 처리의 형태 및 처리 챔버의 가용성에 따라 원하는 처리 공간을 수행하는 단계를 포함한다. 처리 챔버를 모니터하는 종래의 방법 예를 들어 풀링(pooling)이 사용될 수 있다. 어떤 처리가 수행될지를 계획할 때, 프로세스 시퀀서 서브루틴(475)은 사용되고 있는 처리 챔버의 조건을 선택된 처리에 대해 원하는 처리 조건과의 비교, 각각의 특정한 사용자 입력 요구의 "진행상태(age)" 또는 시스템 프로그래머가 우선 순위를 정하여 계획하기 위해 포함시키고 싶어하는 임의의 다른 관련 요소를 고려하도록 설계될 수 있다.

일단 어떤 처리 챔버와 처리 세트의 조합이 다음으로 실행될지를 결정하면,프로세스 시퀀서 서브루틴(475)은 특정 처리 변수 세트를 챔버 매니저 서브루틴(477a-c)으로 전달함으로써 처리 세트가 수행되도록 하며, 챔버 매니저 서브루틴(477a-c)은 프로세스 시퀀서 서브루틴(475)에 의해 정해진 처리 세트에 따라 처리 챔버 내의 다양한 처리를 제어한다. 예를 들어 챔버 매니저 서브루틴(477a)은 처리 가스/플라즈마가 (플라즈마 어플리케이터(300)를 통해) 처리 챔버(213) 내로 가는 유속을 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 챔버 매니저 서브루틴(477a)은 또 선택된 처리 세트를 수행하는데 필요한 챔버 구성요소의 작동을 제어하는 다양한 챔버 구성요소 서브루틴(chamber component subroutines)의 실행도 제어한다. 챔버 구성요소 서브루틴의 예로는, 처리 가스 제어 서브루틴(483), 압력 제어 서브루틴(485), 및 히터 제어 서브루틴(487)이 있다. 처리의 요구에 따라 다른 챔버 제어 서브루틴이 포함될 수 있다.

작동시, 도 5에 나타난 챔버 매니저 서브루틴(477a)은 실행되고 있는 특정 처리에 따라 처리 구성요소 서브루틴을 호출하거나 계획한다. 챔버 매니저 서브루틴(477a)은 프로세스 시퀀서 서브루틴(475)이 어떤 처리 챔버 및 처리 세트가 다음으로 실행될지를 정하는 것과 유사한 방식으로 처리 구성요소 서브루틴을 계획한다. 보통 챔버 매니저 서브루틴(477a)은 다양한 챔버 구성요소를 모니터하는 단계, 실행될 처리 세트에 대한 처리 변수에 기초하여 어느 구성요소가 작동되어야 할지를 결정하는 단계, 및 상기 모니터링 단계 및 결정 단계에 대한 응답으로서 챔버 구성요소 서브루틴이 실행되게 하는 단계를 포함한다.

처리 가스 제어 서브루틴(483)은 처리 가스 조성 및 유속을 제어하기 위한프로그램 코드를 가지고 있다. 처리 가스 제어 서브루틴(483)은 안전 차단 밸브(safety shut-off valve)의 개폐 위치를 제어하고, 또 유동 제어기가 원하는 가스 유속을 얻도록 유속을 증가/감소시킨다. 전술한 바와 같이, 처리 가스의 플라즈마 어플리케이터(300)로의 유속은 챔버(213) 내에서 기판(100)에 공급되는 플라즈마의 라디칼 유속을 일부 결정한다. 따라서 처리 가스 제어 서브루틴에서 고려되는 변수에는, 튜브(320)의 부피 및 튜브(320) 내의 플라즈마 발생 지점과 기판(100) 사이의 거리 등이 포함되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 처리 가스 제어 서브루틴(483)은 다른 모든 챔버 구성요소 서브루틴과 마찬가지로 챔버 매니저 서브루틴(477a)에 의해 호출되며, 원하는 가스 유속과 관련된 처리 변수를 챔버 매니저 서브루틴(477a)으로부터 수신한다. 보통 처리 가스 제어 서브루틴(483)은 플라즈마 어플리케이터 내로의 가스 유동을 시작하기 위해 (유동 제어기(426)를 활성화시켜) 가스 공급 라인을 개방하고, 반복적으로 (i)필요한 유동 제어기를 판독하고, (ii)판독한 내용을 챔버 매니저 서브루틴(477a)으로부터 수신한 원하는 유속과 비교하고, (iii)필요에 따라 가스공급원(313)의 유속을 조정함으로써 작동한다. 더욱이 처리 가스 제어 서브루틴(483)은 가스 유속이 불안정한지 모니터링하고 불안정한 조건이 검출되면 안전 차단 밸브를 활성화시키는 단계를 포함한다.

도 9에 나타난 압력 제어 서브루틴(485)은 챔버(213) 배기 시스템 내의 스로틀 밸브의 개방 크기를 조절함으로써, 챔버(213) 압력을 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 스로틀 밸브의 개방 크기는 챔버 압력을 전체 처리 가스 유동, 처리 챔버의 크기 및 배기 시스템에 대한 펌핑 시작 압력(pumping set pointpressure) 등과 관련하여 원하는 레벨로 제어하도록 설정된다. 압력 제어 서브루틴(485)이 호출될 때, 원하는 목표 압력 레벨은 챔버 매니저 서브루틴(477a)으로부터의 변수로서 수신된다. 압력 제어 서브루틴(485)은 챔버에 연결된 하나 이상의 압력계를 판독함으로써 챔버(213) 내의 압력을 측정하고, 이 측정값을 목표 압력과 비교하여, 타겟 압력에 대응되는 저장된 압력표로부터 PID(비례, 적분 및 미분; proportional, integral, and differential) 값을 구하고, 압력표로부터 구해진 PID 값에 따라 스로틀 밸브를 조정하도록 작동한다. 이와 달리, 압력 제어 서브루틴(485)은 스로틀 밸브를 특정한 개방 사이즈로 개방 또는 폐쇄하여 챔버(213)를 원하는 압력으로 조절하도록 정해질 수 있다.

히터 제어 서브루틴(487)은 기판(100)과 챔버(213)를 가열하는데 사용되는 광파이프 어셈블리(218)에의 전류를 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 또 히터 제어 서브루틴(487)은 챔버 매니저 서브루틴(477a)에 의해서도 호출되어 목표로 하는 목표 온도 변수를 받아들인다. 히터 제어 서브루틴(487)은 광화이버 탐침(270)으로부터 공급되는 온도 신호에 의해 온도를 측정하고, 측정된 온도 신호를 목표 온도와 비교하여, 광파이프 어셈블리(218)에 인가되는 전류를 감소 또는 증가시킴으로써 목표 온도를 얻는다. 온도는 저장된 변환 테이블 내의 대응 온도를 찾아보거나 4차 다항식을 이용하여 계산함으로써 얻어진다.

챔버 매니저 서브루틴(477a)과 같은 특정한 챔버 매니저 서브루틴에 전보를 전달하는데 더하여, 프로세서 시퀀서 서브루틴(475)은 특정 처리 변수 세트를 에너지원 매니저 서브루틴(478a-c)으로 전달함으로써 처리 변수를 실행시키는데, 에너지원 매니저 서브루틴(478a-c)은 프로세스 시퀀서 서브루틴(475)에 의해 결정되는 에너지원(450)에 연계된 다수의 처리 단계를 제어한다. 예를 들어, 에너지원 매니저 서브루틴(478a)은 여기 에너지 생성을 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 에너지원 매니저 서브루틴(478a)은 더미 로드(425) 및 튜너(400)도 모니터하여, 임의의 반사된 에너지가 플라즈마 어플리케이터(300)로 다시 향하여 플라즈마 어플리케이터(300)의 에너지를 증가시키는지 검사한다. 챔버(213)로의 처리 가스 유동을 제어하기 위한 공정은 시스템 제어기(260)에 의해 수행되는 컴퓨터 프로그램 제품을 이용하여 이루어질 수 있다. 컴퓨터 코드는 68000 어셈블리어, C, C++, 파스칼, 포트란 등의 컴퓨터로 판독할 수 있는 프로그래밍 언어로 쓰여질 수 있다. 적절한 프로그램 코드는 텍스트 에디터를 사용하여 하나의 파일 또는 다수의 파일로 입력되고, 메모리와 같이 컴퓨터가 사용할 수 있는 매체에 저장된다. 입력된 코드 텍스트는 고차원언어로 되어 있으므로, 코드는 컴파일되고 그 결과 나온 컴파일러 코드는 이후 미리 컴파일된 목적 코드의 목적 코드에 연결되고, 시스템은 목적 코드를 호출하여, 컴퓨터 시스템이 코드를 메모리에 실을 수 있게 하며, 이로부터 중앙처리장치(CPU)는 프로그램에 의해 식별된 임무를 수행하기 위한 코드를 읽고 실행한다.

본 발명의 실시예에 따라 반응 챔버 내에서 라디칼의 플라즈마를 생성하는 방법이 도 10의 흐름도(500)에 나타나 있다. 이 실시예의 방법이, 도 3 및 도 4에 나타난 원격 플라즈마 시스템을 사용하는 질소 플라즈마 반응 공정에 대해 설명될 것이다. 추가로, 본 발명의 원격 플라즈마 생성 공정이, 도 1 및 도 2에 나타난것과 같이, 질소 라디칼과 실리콘 웨이퍼 또는 기판(100) 위의 게이트 산화물과 같은 SiO₂층과의 반응에 관련되어 설명될 것이다. 이러한 공정은 예를 들어 고성능 트랜지스터 소자를 위한 적절한 도판트 장벽층을 가지는 게이트 유전체를 생산하기 위해 사용될 수 있다.

SiO₂층의 형성은 본 발명의 플라즈마 질화반응과 동일한 반응 챔버 내에서 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 첫 번째 단계는 블록 502로 나타난 바와 같이, 웨이퍼 또는 기판(100)을 챔버(213) 내로 이동시키는 것이다. 현대의 클러스터 장비에서 웨이퍼 또는 기판(100)은 도 3에 나타난 바와 같이, 로봇 아암에 의해 로드록으로부터 이송 챔버를 거쳐 챔버(213)에 위치한 지지 링(262) 위에 놓일 것이다. 보통 웨이퍼 또는 기판(100)은 이송 압력이 약 20Torr인 불활성 N₂대기를 가지는 챔버(213) 내로 이송될 것이다. 이후 챔버(213)는 실링된다. 다음으로, 챔버(213) 내의 압력은 N₂를 가스 유출구(270)를 통해 배기시킴으로써 더욱 감소된다. 챔버(213)는 N₂를 제거하기에 충분한 압력으로 배기된다.

본 발명의 본 실시예에 따라, 실리콘 웨이퍼 또는 기판(100)은 몇 가지 잘 알려진 공정에 의해 산화되어 SiO₂층을 형성한다. 예를 들어, 산화는 1050℃의 100% 산소 또는 건조한 O₂환경에서 50초 동안 이루어져 두께 약 50Å의 산화물층을 형성한다. 이와 달리, 처리 가스는 2가지 반응 가스를 포함하는 반응제 가스 혼합물을 포함할 수 있다. 2가지 반응 가스는 수소를 함유하는 가스와 산소를 함유하는 가스로서 이들은 서로 반응하여 약 400-1250℃에서 스팀 또는 수증기를 형성한다. 수소 함유 가스는 수소(H₂)인 것이 바람직하며, 또는 NH₃, 중수소 및 메탄과 같은 탄화수소와 같은 다른 수소 함유 가스일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 산소 함유 가스는 O₂인 것이 바람직하고, N₂O와 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 다른 형태의 산소 함유 가스일 수도 있다.

수소를 함유하는 가스를 산소를 함유하는 가스에 첨가하면 기판 위에서의 산화 속도가 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서 증가된 속도는 수소 함유 가스와 산소 함유 가스의 챔버(213) 내 반응 즉 "인시츄(in situ)" 방식의 반응에 의해 이루어지는 것으로 나타난다. 가스는 웨이퍼 또는 기판(100)에 의해 발생된 열에 의해 기판 위에서 또는 기판 부근에서 반응한다. 따라서 산소 함유 가스 및 수소 함유 가스는 챔버(213) 내에서 혼합되어 반응 가스 혼합물을 형성하는 것이 바람직하며, 이 혼합물의 부분 압력(즉 수소 함유 가스의 부분 압력과 산소 함유 가스의 부분 압력의 합)은 안전한 반응 조건을 위해 제어된다. 이러한 안전한 반응 조건은 처리 가스로 챔버(213)를 다시 충전하여, 반응 가스 혼합물의 부분 압력이, 원하는 농도비의 반응 가스 부피 전체가 자발적 연소되어 미리 설정된 양의 폭파 압력 파(detonation pressure wave)를 만들지 않는 부분 압력보다 작도록 유지된다. 미리 설정된 양이란, 챔버가 고장나지 않고 안정적으로 취급할 수 있는 압력량이다. 1%의 수소 가스와 99%의 산소 가스를 10초 동안 사용하는, 설명된 것과 같은 인시츄 방법은 950℃에서 실리콘 웨이퍼 또는 기판(100) 위에 두께 30Å의 산화물을 생산할 것이다.

상술한 인시츄 공정 외에, 게이트 산화물에 특히 유용한 산화 공정은 N₂O 산소 함유 가스에 의한 웨이퍼 또는 기판(100)의 산화이다. N₂O는 1050℃에서 (예를 들어 60초 동안 40Å의) 수용 가능한 산화물을 형성한다. N₂O 산소 함유 가스를 사용하는 한 가지 이점은, N₂O 산화가 약 0.5%의 질소 함유 물질을 SiO₂층(110)과 실리콘 기판(100)의 계면에서 이루어지는 점이다. 유전체층/실리콘 계면에서 약 0.5% 범위 내의 질소가 존재하면 고온 채널 캐리어, 즉 게이트 유전체를 투과할 수 있는 트랜지스터 채널을 통해 이동하는 캐리어를 억제할 수 있는 것으로 측정되었다. 따라서 계면에 질소가 약 0.5%의 양으로 존재하면 산화물의 순수성과 신뢰도를 높일 수 있다.

일단 원하는 SiO₂층(110)이 형성되면, RTP 장치(200)의 챔버(213)는 냉각 및 퍼징되어 질화반응을 위해 준비된다.

다음으로, 도 10에 블록 504로 나타난 바와 같이 에너지원(450)에 전력이 설정되고 적절한 주파수, 예를 들어 2.5MHz의 마이크로파와 같은 주파수가 설정된다. 이후 여기 에너지가 플라즈마 어플리케이터(300) 내의 에너지원 유입구(380)를 통해 플라즈마 어플리케이터(300)로 공급된다. 다음 블록 506으로 나타난 바와 같이, 질소 소스 가스가 원하는 유속으로 플라즈마 어플리케이터(200) 내로 도입된다. 질소 처리 가스는 튜브(320)를 통해 에너지원 유입구(380)를 지나 이동한다.처리 가스는 유입구 파이프(360)를 통해 챔버(213) 내로 들어간다. 질소 소스 가스가 에너지원 유입구(380)를 통과함에 따라, 에너지원(450)을 통해 공급되는 여기 에너지는 질소 소스 가스를 플라즈마 어플리케이터(300)의 튜브(320) 내의 질소 플라즈마로 변환시킨다. 질소 플라즈마는 주로 N^*라디칼, 양으로 하전된 이온, 및 전자이다. 일반적으로, 양으로 하전된 이온은 하전되지 않은 N^*라디칼보다 수명이 짧다. 양으로 하전된 이온은 신속하게 플라즈마 내의 전자를 찾아내어 튜브(320) 내에서 전자와 결합하여 그 전하가 중성으로 된다.

본 발명에 따르면, 플라즈마가 플라즈마 어플리케이터(300)로부터 RTP 장치(200)의 챔버(213)로 그리고 기판 표면으로 이송될 때, 플라즈마는 주로 중성 전하 및 플라즈마 라디칼로 이루어진다. 플라즈마 라디칼은 주로 도 6의 웨이퍼 또는 기판(100) 위의 SiO₂층(110)과 반응 또는 상호 작용한다(단계 512). RTP 장치(200)의 챔버(213)에 존재하는 임의의 전기 바이어스는, 임의의 전기 바이어스가 양으로 하전된 질소 이온을 챔버(213) 내로 끌어당길 수 있음에 따라 불연속적으로 된다. 일단 바이어스가 제거되고 안정화 온도 및 사전 반응 압력이 도달되면, 챔버(213)는 처리 가스의 원하는 혼합물 즉 라디칼로 다시 충전된다(backfilled). 질소 플라즈마의 경우, SiO₂층(110)과의 반응에 유용한 플라즈마 내의 질소는 N^*라디칼이다.

다음, 질화반응의 반응 온도는 도 6의 블록 516으로 나타난 것과 같이 설정된다. 램프(219)로의 전력은 웨이퍼 또는 기판(100)의 온도를 처리 온도에까지 증가시키도록 증가된다. 웨이퍼 또는 기판(100)은 10-100℃/초의 온도 사이의 속도로 안정화 온도로부터 처리 온도까지 상승되는 것이 바람직하다. 산화물 질화에 바람직한 처리 온도는 600℃이다. 그러나 질화는 실온을 포함하는 다양한 온도에서 이루어질 수 있다. 600℃ 및 실온(25℃)에서의 질화반응의 비교는 아래와 같다.

블록 518로 나타난 바와 같이, 일단 반응 온도에 도달하면, 질화반응은 적절한 반응 시간 동안, 이 경우 충분한 질소를 게이트 산화물 내에 도입시켜 게이트 도판트에 대한 장벽층으로서 작용시키는데 적절한 시간 동안 유지된다. 처리시간 및 처리온도는 보통 게이트 산화물 내에 도입될 필요가 있는 질소의 양, 열수지, 질화의 목적 및 처리 가스의 유속량에 의해 지배된다.

다음, 블록 520으로 나타난 바와 같이, 램프(219)로의 전력은 만일 온(on)이면 감소되거나 꺼져서 웨이퍼 또는 기판(100)의 온도를 감소시킨다. 웨이퍼 또는 기판(100)의 온도는 가능한 한도(약 50℃/초) 내에서 빨리 감소된다. 동시에, N₂퍼지 가스가 챔버 내로 공급된다. 일반적으로, 질화반응은 플라즈마의 라디칼이 더 이상 존재하지 않을 때 멈춘다. 따라서 질화반응은 N₂퍼지 가스의 존재 하에서 상당히 계속되지 않는다. 이후 챔버는 약 20Torr의 원하는 이송 압력까지 N₂가스에 의해 다시 충전되며, 웨이퍼 또는 기판(100)은 챔버(213)로부터 이송되어 처리가 종료된다(블록 522). 이때 새로운 웨이퍼 또는 기판(100)이 챔버(213) 내로 이송되고 흐름도(500)에 나타난 공정이 반복된다.

도 11은 도 1-10 및 그에 따른 설명에 의한 산화물 필름의 질화에 의해 형성된 산화물층을 포함하는 실리콘 기판의 SIMS 프로필을 나타낸다. 도 11의 SIMS 프로필은 유전체층 및 실리콘 기판의 표면(0 깊이)으로부터 계면으로의 유전체의 원자 프로필을 나타낸다. 따라서 깊이는 유전체층 내로의 깊이를 나타낸다.

도 11은 제 1 반응 조건 세트에 따라 실리콘 웨이퍼 또는 기판 위에 형성된 유전체 물질을 함유하는 질소의 프로필을 나타낸다. 이 경우 질화는 SiO₂층을 가지는 웨이퍼 위에서 수행된다. 본 발명에 따른 플라즈마 질화는 1Torr의 처리 압력과 600℃에서 60초간 수행된다. 질소 플라즈마는 플라즈마 어플리케이터(300)에 N₂가스를 초당 300cm³으로 공급함으로써 생성된다. 플라즈마 어플리케이터(300)는 길이 12인치 지름 1인치의 석영 튜브(320)를 포함한다. N^*라디칼은 약 1200와트의 전력으로 발생된 마이크로파 주파수(2.45GHz)의 여기 에너지를 접함으로써 발생된다. 처리 가스 유속 및 플라즈마 어플리케이터는 각각 플라즈마에 의해 발생된 거의 모든 양으로 하전된 이온이 플라즈마 어플리케이터 내에서 중성이 되는 크기로 정해진다.

도 11은 유전체층 내에 존재하며 (질소 플라즈마 반응의 원인이 되는) 대부분의 질소 함유 물질이 유전체 표면(즉 유전체층 표면으로부터 5-10Å 내)을 향하며 유전체층/실리콘 기판 계면에 있지 않은 것을 나타낸다. 도 12는 제 1 반응 조건 세트에 따른 플라즈마 질화 처리를 활용하여 기판 또는 웨이퍼(600) 위에 형성된 유전체층(620)의 측면도를 개략적으로 나타낸다. 도 12는 전체 두께가 약 46Å이며, 층 표면으로부터 10Å 내에서 질소 농도가 가장 높은 유전체층(620)을 나타낸다.

유전체층(620)을 통해 광선의 속도를 측정하는 것이 유전체층(620)의 두께를 측정하는 흔한 방법이다. SiO₂유전체 물질은 굴절지수가 알려져 있기 때문에(약 1.46), SiO₂유전체층을 통한 광선의 속도 변화에 의해 유전체층의 두께가 측정된다.

본 발명의 질화반응의 한 이온은 N^*라디칼이 산소 원자를 변위시켜 Si₃N₄및 Si_xN_yO_z분자를 형성한다는 것이다. Si₃N₄및 Si_xN_yO_z는 굴절지수가 SiO₂보다 크다. 따라서 본 발명의 제 1 반응 조건 세트에 따른 질화반응의 효과는 유전체층(620)의 겉보기 두께(apparent thickness)를 변화시킬 것이다. 이 변화는 "겉보기(apparent)" 변화라고 불리는데, 이는 비록 산소 원자의 교체로 귀결되는 질화 전후에 실제 두께는 유사할 수 있지만, 굴절 지수의 변화가 있을 것이며, 이러한 굴절 지수의 변화는 두께 측정에 영향을 미칠 것이기 때문이다. 따라서 제 1 세트의 반응 조건하에서, 유전체층에는 4.24Å의 두께 차이가 관찰된다.

유전체층(620) 표면 내의 질소 함유 물질의 영역 밀도(areal density) 측정에 의해, 질소의 영역 밀도는 4.0E14/cm²인 것으로 나타났다. 영역 밀도 측정은 유전체층(620)이 표면 내에 존재하는 질소량을 측정한다.

도 13은 제 2 반응 조건 세트 하에서 SiO₂의 질화에 의해 실리콘 기판 또는 웨이퍼 위에 형성된 질소 함유 유전체층의 SIMS 프로필을 나타낸다. 도 13의 플라즈마 질화는 실온(25℃)에서 약 60초 동안 1Torr의 처리 압력에서 일어난다. 질소 플라즈마는 초당 300cm³의 N₂처리 가스를 (길이 12인치 지름 1인치의) 플라즈마 어플리케이터(300)를 통해 유동시키고, N₂가스를 마이크로파 주파수(2.45GHz)를 가지는 여기 에너지에 약 1200와트의 전력에서 노출시킴으로써 형성된다. 처리 가스 유동 속도 및 플라즈마 어플리케이터(300)는 각각, 플라즈마에 의해 발생된 양으로 하전된 질소 이온의 실질적으로 전부가 플라즈마 어플리케이터(300) 내에서 전하가 중성이 되는 크기로 결정된다. SiO₂층과의 질화반응은 이 예에서는 60초 동안 계속된다. 도 13은 플라즈마 질화에 의해, 유전체층/실리콘 웨이퍼 계면이 아니라 유전체층 표면(즉 약 46Å 두께의 유전체층의 깊이 중 10Å 내)에 대부분의 질소 함유 물질이 생김을 나타낸다.

도 14는 제 2 반응 조건 세트에 따른 플라즈마 질화 공정을 활용하여 웨이퍼(700) 위에 형성된 유전체층(720)의 측면도를 개략적으로 나타낸다. 46Å 두께의 유전체층(720)은 (Si₃N₄및 Si_xN_yO_z형태로 존재할 것으로 추측되는) 질소 농도가 유전체층(720) 표면의 10Å 내에서 가장 높다. 굴절 지수 광 변화 두께 측정(refractive index light change thickness measurement)은 유전체층(720) 두께가 SiO₂유전체층 두께로부터 3.44Å만큼 바뀜을 보여준다. 유전체층 표면 내에서 질소의 영역 밀도 측정값은 4.0E14/cm²이다.

도 13 및 도 14은 질소 함유 물질의 적절한 장벽층이 실온에서 이루어지는 반응에서 산화물 위에 형성될 수 있음을 나타낸다. 이러한 방식으로 본 발명에서는 열수지(thermal budget)를 추가하지 않고도, 이러한 장벽층이 집적 회로 칩 공정에 도입될 수 있을 것으로 예상된다.

상기 반응은, 주로 라디칼(예를 들어 N^*)인 플라즈마에 의해 산화물의 질화가 효과적으로 생성될 수 있음을 보여준다. 추가로, 반응은 라디칼(예를 들어 N^*)에 의한 질화에 의해 효과적인 장벽층이, 산화물과 실리콘 웨이퍼 또는 기판의 계면이 아니라 산화물 표면에 형성됨을 보여준다. 이러한 방식으로, 유전체 표면에서의 장벽층 형성으로 귀결되는 질화반응에 의해, 장벽층을 예를 들어 트랜지스터 소자의 성능을 손상시키지 않는 게이트 유전체 내로 도입시킬 수 있다. 반응은 주로 N^*라디칼과 산화물(SiO₂) 사이에서 일어나기 때문에, 질화(또는 장벽층의 형성)는 신속하게 이루어질 수 있고, 더욱이 한 실시예에서는 열을 추가하지 않고도 신속하게 이루어질 수 있다. 따라서, N^*라디칼의 플라즈마 질화는 많은 열수지가 필요하지 않은 방식으로 장벽 물질을 산화물 위에 도입하는 방법을 제공한다.

상술한 발명은 실리콘 기판 또는 웨이퍼 위의 산화물(SiO₂) 또는 다른 물질과 질소 플라즈마의 반응과 관련하여 설명되었다. 그러나 설명된 바와 같이, 본 기술은 실리콘 기판 또는 웨이퍼 위 물질의 질화에만 한정되는 것은 아니다. 그 대신, 물질을 효과적으로 도입시키고 열수지를 맞추기 위해 플라즈마 도입 공정이 실행될 때면 언제나 사용될 수 있다. 일반적으로 본 발명은 라디칼이 주인 플라즈마를 기판이나 기판 위의 물질과 반응시키는 것이 효과적임을 인식하고 있다.

이상 플라즈마를 도입시키기 위한 새로운 장치 및 방법이 설명되었다.

Claims

제 1 반응 챔버;

상기 제 1 반응 챔버에 연결되어, 처리 단계에서 기판과 반응하기에 적합한 성분을 포함하는 가스를 제 1 챔버에 공급하는 가스공급원;

상기 제 1 반응 챔버에 연결되며 상기 가스로부터 이온과 라디칼을 포함하는 플라즈마를 발생시키는 여기 에너지원; 및

기판을 제 2 반응 챔버 내의 위치에 저장하기에 적합한 제 2 반응 챔버를 포함하며,

상기 제 1 반응 챔버는, 제 2 반응 챔버에 연결되며 특정 플라즈마 생성 속도에서의 이온 수명과 동등한 거리만큼 기판 위치로부터 떨어져 있는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 여기 에너지원은 마이크로파 주파수를 가지는 에너지를 공급하여 가스로부터 플라즈마를 생성하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 제 2 반응 챔버가 전기적으로 바이어스되는 장치.
제 1항에 있어서, 제 1 반응 챔버는 질소 플라즈마를 생성시키기에 적합하며, 제 1 반응 챔버는, 플라즈마에 의해 발생된 거의 모든 이온이 제 1 반응 챔버 내에서 이온 상태로부터 전기적으로 중성인 상태로 바뀌도록 하는 규격으로 되어있는 장치.
제 1항에 있어서, 제 2 반응 챔버가 급속 열처리 챔버인 장치.
기판을 플라즈마에 노출시키기 위한 장치로서,

제 1 반응 챔버;

처리 단계에서 기판과 반응하기에 적합한 성분을 포함하는 가스를 제 1 반응 챔버에 공급하기 위한 수단;

이온과 라디칼을 포함하는 플라즈마를 제 1 반응 챔버로 공급하기 위한 수단;

기판을 저장하기 위한 수단을 가지는 제 2 반응 챔버; 및

플라즈마를 이온이 거의 없는 제 2 반응 챔버에 제공하기 위한 수단을 포함하는 장치.
제 6항에 있어서, 상기 플라즈마를 공급하기 위한 수단이, 제 1 챔버 내에서 가스를 플라즈마로 변환시키기 위한 수단을 포함하는 장치.
챔버 내에 라디칼의 플라즈마를 형성하기 위한 방법으로서,

제 1 챔버 내에 이온과 라디칼을 포함하는 플라즈마를 발생시키는 단계;

기판을 제 2 챔버 내에 놓은 단계; 및

플라즈마를 제 2 챔버 내로 이송하여 이온이 거의 없는 기판과 반응하게 하는 단계를 포함하는 방법.
제 8항에 있어서, 상기 기판이 산화물을 함유하는 표면을 가지며 상기 플라즈마는 질소 플라즈마이며,

라디칼을 산화물과 반응시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 8항에 있어서, 라디칼을 이송하는 단계 이전에, 거의 모든 이온을 이온 상태로부터 중성 상태로 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
산화물을 질화시키는 방법으로서,

이온과 라디칼을 포함하는 플라즈마를 제 1 챔버 내에서 발생시키는 단계;

표면에 산화물층을 가지는 기판을 제 2 챔버 내에 놓은 단계;

플라즈마의 라디칼을 이온이 거의 없는 제 2 챔버 내로 이송시키는 단계;

산화물층의 일부를 플라즈마의 일부와 반응시키는 단계; 및

기판 산화물층의 일부를 질화시키는 단계를 포함하는 방법.
제 11항에 있어서, 상기 산화물과 플라즈마를 반응시키는 단계가, 라디칼을 산화물과 반응시켜 질화실리콘 분자 및 질산화실리콘 분자 중 하나를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
제 11항에 있어서, 산화물층의 일부를 질화시키는 단계가 산화물층의 노출된 표면을 질화시키는 단계를 포함하는 방법.
산화물의 존재 하에서 질소 함유 물질을 형성하는 방법으로서,

이온과 라디칼을 포함하는 플라즈마를 제 1 챔버 안에 발생시키는 단계;

산화물을 가지는 실리콘 웨이퍼를 제 2 챔버 내에 놓는 단계;

거의 모든 이온을 플라즈마로부터 제거하는 단계;

플라즈마의 라디칼을 제 2 챔버 내로 이송하는 단계;

산화물의 일부와 플라즈마의 일부를 반응시키는 단계; 및

기판의 산화물층의 일부에 질소 함유 물질을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 상기 질소 함유 물질을 형성하는 단계가, 질화실리콘과 질산화실리콘 중 하나를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 상기 질소 함유 물질이 산화물층의 노출된 표면에 형성되는 방법.
플라즈마를 기판과 반응시키기 위한 시스템으로서,

제 1 챔버;

기판과 반응하기에 적합한 성분을 포함하며, 제 1 챔버에 연결되는 가스공급원;

제 1 챔버에 연결된 에너지원;

처리를 위해 기판을 저장하도록 구성되는 제 2 챔버;

가스공급원으로부터 제 1 챔버 내로의 가스 도입 및 에너지원으로부터의 에너지 도입을 제어하도록 구성되는 시스템 제어기; 및

컴퓨터로 판독할 수 있는 프로그램이 내장된 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함하여 시스템의 작동을 명령하는 제어기에 연결되는 메모리를 포함하며,

상기 컴퓨터로 판독할 수 있는 프로그램은, 가스공급원에 의해 공급되는 가스의 일부를 플라즈마 이온과 라디칼을 포함하는 플라즈마로 변환시키고 이 플라즈마를 이온이 거의 없는 제 2 챔버로 공급하여 제 2 챔버 내에서 기판과 반응시키기 위해 가스공급원과 에너지원을 제어하기 위한 명령을 포함하는 시스템.
제 17항에 있어서, 상기 제 1 챔버는, 플라즈마에 의해 발생된 거의 모든 이온이 제 1 챔버 내에서 이온 상태로부터 전기적으로 중성인 상태로 바뀔 수 있는 규격으로 되어 있는 장치.
제 18항에 있어서, 상기 가스가 질소인 장치.
실행될 때 디지털 처리 시스템이 플라즈마를 기판과 반응시키는 방법을 수행하도록 하는 실행 가능한 프로그램 명령을 포함하는 기계 판독 가능한 저장 매체로서,

제 1 챔버에 라디칼과 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키는 단계; 및

플라즈마 라디칼을 이온이 거의 없는 제 2 챔버 내로 이송시키는 단계를 포함하는 매체.