KR20020026006A - 급속 열 처리 시의 반사 기판의 온도 제어 시스템 - Google Patents

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KR20020026006A
KR20020026006A KR1020027002894A KR20027002894A KR20020026006A KR 20020026006 A KR20020026006 A KR 20020026006A KR 1020027002894 A KR1020027002894 A KR 1020027002894A KR 20027002894 A KR20027002894 A KR 20027002894A KR 20020026006 A KR20020026006 A KR 20020026006A
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싱 핀 타이
야오 치 후
랜드히르 타쿠르
아논 가트
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추후제출
스티그 알티피 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 전체 웨이퍼 상이나 패터닝된 영역 내에 고 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼를 급속 열 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 웨이퍼는 다수의 램프에 의해 열 처리 챔버 내에서 가열된다. 저 전력 세기로 고 반사 물질로 코팅된 웨이퍼의 온도를 보다 급속하게 증가시키기 위하여, 웨이퍼와 다수의 램프 사이에 차폐 부재가 배치된다. 상기 차폐 부재는 광 에너지에 노출될 때 온도가 증가하는 세라믹과 같은 고 복사율의 물질로 이루어진다. 가열된 후에, 차폐 부재는 반도체 웨이퍼를 보다 높은 균일도로 차례로 가열된다. 하나의 실시예에서, 차폐 부재는 또한 가열될 때의 웨이퍼의 온도를 결정하는데 사용될 수 있다.

Description

급속 열 처리 시의 반사 기판의 온도 제어 시스템 {SYSTEM FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF A REFLECTIVE SUBSTRATE DURING RAPID HEATING}
본 발명에서 사용되는 열 처리 챔버는 반도체 웨이퍼와 같은 대상물을 급속 가열하는 장치이다. 이러한 장치는 통상적으로 반도체 웨이퍼를 홀딩하는 기판 홀더 및 상기 웨이퍼를 가열하기 위해 광 에너지를 방출하는 광원을 포함한다. 열 처리 동안, 반도체 웨이퍼는 미리 설정된 온도 범위에 따라 제어된 조건하에서 가열된다. 열 처리 동안, 열 처리 챔버 내에서 급속 열 산화, 환원, 질화, 어닐링, 및 규화와 같은 다양한 처리 공정이 수행될 수 있다.
다수의 반도체 가열 공정에서는 웨이퍼가 고온으로 가열되는 것이 요구되며, 그 결과 웨이퍼가 소자로 제조될 때 다양한 화학적 및 물리학적 변형이 발생할 수 있다. 급속 열 처리 동안, 예를 들어 반도체 웨이퍼는 통상적으로 수 분미만의 시간 동안 광 어레이에 의해 약 400℃ 내지 약 1200℃의 온도로 가열된다. 이 공정의 주 목적은 가능한 한 균일하게 웨이퍼를 가열하는 것이다.
가열 동안 웨이퍼의 온도를 제어하고 가능한 한 웨이퍼를 균일하게 가열하기 위하여, 종래에는 가열 동안 웨이퍼의 온도가 모니터링 되고 이 정보는 바람직하게 웨이퍼를 목표된 만큼 가열하도록 열 처리 챔버 내의 가열 원을 제어하는 제어기로 전송되었다. 가열 동안, 웨이퍼의 온도를 모니터링하기 위하여, 하나 이상의 고온계(pyrometer)가 사용되었다. 고온계는 웨이퍼에 의해 방출된 열 방사량을 감지함으로서 웨이퍼의 온도를 측정한다. 특히 바람직하게는, 고온계는 웨이퍼를 접촉시키지 않고 웨이퍼의 온도를 측정할 수 있다.
그러나, 일부 응용에서, 반도체 웨이퍼를 가열하는 종래의 방법은 비효율적이다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼는 종종 구리와 같은 반사 물질로 코팅된다. 통상적으로, 반사 표면은 열 처리 챔버에 의해 방출되는 많은 열을 반사시킬 것이다. 그 결과, 열원의 세기는 반도체 웨이퍼가 원하는 레벨의 온도로 증가되는데 요구되는 에너지를 흡수할 수 있도록 크게 증가되어야 한다. 아울러, 반사 표면으로 인해 웨이퍼의 온도를 정확하게 모니터링하고 제어하는 것이 훨씬 더 어려워질 수 있다.
따라서, 반사 표면을 가지는 반도체 웨이퍼를 균일하게 가열하는 장치 및 방법이 요구된다. 또한, 반사 표면으로 코팅된 반도체 웨이퍼의 온도를 모니터링하고 제어하는 장치가 요구된다.
본 발명은 반사 표면으로 코팅된 반도체 웨이퍼를 가열하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 웨이퍼에 인접하게 세라믹 차폐막을 배치함으로써 반사 코팅막으로 코팅된 웨이퍼를 균일하게 가열하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 차폐 부재를 포함하는 열 처리 챔버의 하나의 실시예의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 차폐 부재 및 열전쌍을 포함하는 열 처리 챔버의 하나의 실시예의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 차폐 부재, 냉각판, 및 엘리베이터를 포함하는 열 처리 부재의 다른 실시예의 단면도.
도 4는 실시예의 결과를 도시한 그래프.
도 5는 실시예의 결과를 도시한 그래프.
도 6은 실시예 1의 결과를 도시한 그래프.
도 7, 8, 9 및 10은 실시예 2의 결과를 도시한 그래프.
본 발명은 전술한 단점 및 종래의 다른 구성 및 방법을 인식하고 처리한다.
따라서, 본 발명의 제 1 목적은 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼를 가열하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼를 균일하게 가열하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 열 처리 동안, 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼의 온도를 모니터링하고 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 4 목적은 웨이퍼에 인접하게 배치된 세라믹 차폐 부재를 이용하여 반사 표면을 가지는 반도체 웨이퍼를 효과적으로 가열하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들은 구리로 이루어진 반사 표면으로 코팅된 반도체 웨이퍼를 가열하는 장치를 제공함으로써 달성된다. 상기 장치는 반도체 웨이퍼를 홀딩하고 가열하도록 제공된 열 처리 챔버를 포함한다. 특히, 웨이퍼를 가열하기 위하여, 가열 장치가 열 처리 챔버와 함께 배치된다. 가열 장치는 예를 들어, 웨이퍼 상으로 열적 광 에너지를 방출하는 다수의 광 에너지 원을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 차폐 부재는 열 처리 챔버 내에 홀딩되며 가열되는 반사 표면으로 코팅된 반도체 웨이퍼에 인접하게 배치된다. 차폐 부재는 가열 장치 바로 인접하게 배치된다. 차폐 부재는 광 에너지와 접촉될 때, 온도가 증가하는 물질로 이루어진다. 예를 들어, 차폐 부재는 세라믹 물질로 이루어질 수 있다.
하나의 실시예에서, 차폐 부재는 일반적으로 반도체 웨이퍼 상에서 약 10 밀리미터 이내, 특히 상기 웨이퍼 상에서 약 3 밀리미터 내지 약 8 밀리미터 사이에배치된다. 웨이퍼에 근접하기 때문에, 차폐 부재는 가열 장치에 의해 방출되어 반도체 웨이퍼의 반사 표면에 의해 반사된 훨씬 많은 광 에너지를 흡수할 수 있다. 광 에너지를 흡수함으로써, 웨이퍼가 적절한 온도까지 가열될 때까지 차폐 부재의 온도가 증가되어 웨이퍼로 열이 전달된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼는 다른 것보다 가능한 한 급속하게 가열될 수 있다.
본 발명은 열 처리 동안 주위 가스 분위기에서 구리-코팅된 반도체 웨이퍼를 가열하기에 매우 적합하다. 예를 들어, 구리-코팅된 반도체 웨이퍼는 회로 제조를 위해 산화 및 환원 분위기에서 가열될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 웨이퍼 상에 산화 코팅을 형성하기 위하여, 구리-코팅된 반도체 웨이퍼는 우선 산소와 같은 산화 가스, 수증기, 또는 다른 산화 가스 분위기에서 본 발명에 따라 가열될 수 있다. 일반적으로, 웨이퍼는 약 100℃ 내지 약 600℃, 특히 약 200℃ 내지 약 450℃ 사이의 온도로 가열될 수 있다. 다음으로, 구리 산화-코팅된 반도체 웨이퍼는 본 발명에 따라 수소와 같은 환원 분위기에서 가열된다. 상기 환원 분위기는 구리 산화 코팅을 구리로 재 변환시킨다. 이러한 변형 동안, 구리 리플로우(reflow)로 인해 평탄하고 균일한 구리 표면이 형성된다.
열 처리 동안 차폐 부재의 온도를 모니터링하기 위해 차폐 부재와 함께 온도 감지 장치가 배치될 수 있다. 본 발명에 따르면, 열 처리 동안 차폐 부재의 온도를 모니터링함으로써, 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼의 온도가 얻어질 수 있다. 특히, 차폐 부재의 온도와 반도체 웨이퍼의 온도 사이의 관계를 정하기 위하여 캘리브레이션(calibration)이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 하나의 실시예에서, 차폐 부재의 온도는 하나 이상의 열전쌍(thermocouple)을 사용하여 모니터링될 수 있다. 이 방식으로, 웨이퍼를 실제로 접촉시킬 필요 없이 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼의 온도를 모니터링하는데 열전쌍이 사용될 수 있다. 그러나, 차폐 부재의 온도를 모니터링하는데 열전쌍 이외에, 다른 온도 감지 장치가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 상기 온도를 모니터링하는데 고온계도 사용될 수 있다.
본 발명의 장치는 또한, 온도 감지 장치 및 가열 장치와 함께 배치될 수 있는 마이크로프로세스와 같은 제어기를 포함할 수 있다. 온도 감지 장치로부터 얻어진 온도에 기초하여, 제어기는 미리 설정된 온도 범위에 따라 웨이퍼를 가열하는 가열 장치에 의해 방출된 열 에너지 량을 제어하도록 프로그램될 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 견지는 이하에서 상세히 설명된다.
본 발명의 명세서 및 도면에서 사용되는 도면 부호의 반복은 본 발명의 동일하거나 유사한 피처 또는 엘리먼트를 나타낸다.
본 발명의 실시예는 예시적인 것이지, 예시적인 구성으로 구체화되는 본 발명의 광범위한 측면을 제한하지는 않는다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다.
일반적으로, 본 발명은 반사 재료로 코팅된 대상물을 급속 가열시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열 처리 챔버 내에 반사 표면을 가지는 반도체 웨이퍼를 효과적으로 가열시킬 수 있는 급속 열 처리 장치에 관한 것이다. 열 처리 동안, 본 발명의 장치는 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼를 균일하게 가열하여 상기 웨이퍼의 온도를 효과적으로 제어할 수도 있다.
본 발명에 따른 반사 표면을 가지는 반도체 웨이퍼에 효율적이고 제어된 가열을 제공하기 위하여, 세라믹 재료 또는 다른 적합한 물질로 이루어진 차폐 부재는 웨이퍼에 인접하게 배치된다. 차폐 부재는 가열 동안 반도체 웨이퍼로의 열 전달을 개선시킨다.
특히, 차폐 부재는 열 처리 챔버와 관련된 다수의 램프에 의해 방출된 에너지를 흡수하며 이 에너지를 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼로 전달한다. 상기 차폐 부재가 없으면, 반사 표면에 의해 반사된 열은 주위 가스 및 챔버 벽으로 전달되어, 웨이퍼에 의해 실제로 흡수되기 까지는 장 시간이 요구된다. 그러나, 상기 열의 급속한 흡수 및 전달에 의해, 본 발명의 차폐 부재는 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼의 가열 속도를 크게 증가시킬 수 있다. 상기 증가된 가열 속도로 인한 본 발명의 하나의 이점은 필수적인 웨이퍼 온도가 낮은 램프 세기에 도달할 수 있기 때문에 가열원의 효율이 보다 높아지게 된다. 아울러, 낮은 램프 세기가 요구되기 때문에, 램프의 핀-밀봉의 평균 수명은 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 이점은 웨이퍼가 균일하게 가열될 수 있다는 것이다. 종래에는, 반사 표면으로 코팅된 반도체 웨이퍼가 상당히 불균일하게 가열 되었다. 특히, 표면에 의해 반사된 열로 인해 웨이퍼 에지는 웨이퍼 중심 보다 상당히 뜨거워진다. 그러나, 종래의 구성과는 반대로, 본 발명의 장치는 반도체 웨이퍼로부터 반사된 열을 균일하게 흡수하고 방향을 재설정할 수 있는 차폐 부재를 사용함으로써 균일한 가열을 제공한다.
본 발명의 또 다른 이점은 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼의 온도가 적절하게 모니터링되고 제어될 수 있다는 것이다. 종래에는, 반도체 웨이퍼의 온도는 일반적으로 처리 동안 사용된 웨이퍼 표면의 반사율 및 가스의 도전율에 의존하였다. 종래의 구성과는 반대로, 본 발명의 장치는 코팅된 표면 또는 사용된 가스와는 무관하게 웨이퍼 온도의 지속적인 제어를 가능하게 한다.
도 1에서는 구리 막과 같은 반사 표면을 가지는 반도체 웨이퍼를 열 처리하기 위해 본 발명에 따라 구현된 장치(10)의 하나의 실시예가 도시된다. 도시된 바와 같이, 장치(10)는 구리 코팅된 웨이퍼(14)를 포함한다. 구리 코팅된웨이퍼(14)는 일반적으로 2개의 층, 특히 실리콘 기판 상에 코팅된 반사 구리 막으로 구성된다.
일반적으로, 반사 표면은 종종 집적 회로의 제조 동안 회로 배선을 위해 웨이퍼 상에 사용된다. 예를 들어, 구리는 저 저항성 및 고 신뢰성의 배선 재료로서 개선된 금속화 구조에 제공될 수 있다.
집적 회로 제조시, 일반적으로는 금속 코팅은 가능한 한 균일한 평판 형태가 되어 특정 물질의 신뢰성이 최소로 손실되면서 코팅막 상에 적층될 수 있는 것이 바람직하다. 표면 균일도를 증가시키기 위하여, 특정 금속 표면이 종종 산화 및 환원된다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼의 반사 금속 표면은 산소 또는 수증기와 같은 산화 분위기에 의해 부분적으로 산화될 수 있다. 산화 온도는 일반적으로 약 100℃ 내지 약 600℃의 범위일 수 있다. 특히, 본 발명의 하나의 실시예는 약 200℃ 내지 약 450℃의 온도의 수증기 분위기에 의해 산화된 구리 막을 포함한다. 산화 후에, 수소 또는 형성 가스(forming gas)와 같은 환원 분위기가 사용되어 산화된 금속 표면을 초기의 두께 및 구성요소로 환원시킬 수 있다. 금속 산화층의 환원은 온도의 국부적 상승을 제공하고, 이로 인해 웨이퍼 기판 자체의 특성에 악영향을 주지 않으면서 금속이 웨이퍼의 빈 트렌치로 이동될 수 있다.
하나의 실시예에서, 수소 가스 분위기가 사용되어 구리 막의 산화층을 환원시킬 수 있다. 이러한 산화 및 환원의 결과로 일반적으로 집적 회로의 제조를 위해 공극 및 경계(seam) 없이, 보다 균일하고 평탄한 금속 코팅층이 얻어진다.
본 발명에 따르면, 산화 및 환원과 같은 급속 열 처리 동안 구리-코팅 웨이퍼(14)를 효과적으로 가열할 수 있는 장치(10)가 제공된다. 본 발명에서 기술된 실시예들은 산화 및/또는 환원 동안의 가열에 관한 것이지만, 본 발명은 또한 다른 모든 급속 열 처리 동안 가열을 예상하고 커버하는 것이 이해되어야 한다.
도시된 바와 같이, 장치(10)는 다양한 열 처리를 수행하기 위하여 구리-코팅 웨이퍼(14)와 같은 기판을 홀딩하도록 제공된 처리 챔버(12)를 포함한다. 도 1의 실시예가 구리 표면으로 코팅된 웨이퍼를 포함하지만, 본 발명의 웨이퍼는 다른 금속 막과 같은 다양한 다른 반사 물질로 코팅될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 구리-코팅 웨이퍼(14)는 석영과 같은 열 절연 물질로 구성된 기판 홀더(15) 상에 배치된다. 챔버(12)는 매우 빠른 속도로 그리고 주의 깊게 제어된 조건하에서 구리-코팅 웨이퍼(14)를 가열하도록 설계된다. 챔버(12)는 금속 및 세라믹을 포함한 다양한 물질로 구성될 수 있다. 아울러, 챔버(12)는 스텐레스 강 또는 석영으로 구성될 수 있다.
챔버(12)가 열 전도성 물질로 구성될 때, 챔버는 바람직하게는 냉각 장치를 포함한다. 예를 들어, 도 1에서 도시된 바와 같이, 챔버(12)는 챔버의 주위를 둘러싸는 냉각 장치(16)를 포함한다. 도파관(16)은 물과 같은 냉각 액체를 순환시키기 위해 제공되며, 상기 냉각 액체는 챔버(12) 벽을 일정한 온도로 유지시키기 위해 사용된다.
챔버(12)는 또한 챔버 내부로 가스가 유입되고 및/또는 미리 설정된 압력 이내로 챔버를 유지하기 위한 가스 흡입구(18) 및 가스 배출구(20)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 구리-코팅 웨이퍼(14)와 반응하도록 가스 흡입구(18)를 통해 챔버(12) 내부로 가스가 유입될 수 있다. 처리 후, 가스 배출구(20)를 통해 가스가 챔버로부터 배출될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 구리-코팅 웨이퍼(14) 상으로 코팅된 금속 막과 반응하도록 분위기 가스가 가스 흡입구(18)를 통해 챔버(12)로 공급될 수 있다. 분위기 가스의 실시예는 산소 또는 수증기와 같은 산화 가스, 및 수소 또는 형성 가스와 같은 환원 가스를 포함할 수 있다.
챔버(12) 내에서 원하지 않거나 바람직하지 않은 부 반응(side reaction)이 발생하는 것을 방지하기 위하여 분위기 가스 이외에, 불활성 가스가 가스 흡입구(18)를 통해 챔버(12)로 유입될 수 있다. 추가의 실시예에서, 가스 흡입구(18) 및 가스 배출구(20)는 챔버(12)의 압력을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 가스 배출구(20) 및 구리-코팅 웨이퍼(14)의 하부에 배치된 부가의 큰 배출구를 이용할 때 챔버(12) 내에 진공이 형성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 처리 동안, 기판 홀더(15)는 웨이퍼 회전형 메카니즘(21)을 이용하여 구리-코팅 웨이퍼(14)를 회전시키도록 제공될 수 있다. 웨이퍼를 회전시키면 웨이퍼 표면 상의 온도의 균일도가 보다 높아지고 구리-코팅 웨이퍼(14)와 챔버에 도입된 모든 가스 사이의 접촉이 증가된다. 그러나, 광학 소자, 막, 섬유, 리본 및 모든 특정 형태의 다른 기판을 처리하기 위해 웨이퍼를 제외하고, 챔버(12)도 제공된다는 것이 이해되어야 한다.
열원 또는 가열 장치(22)는 일반적으로 처리 동안 구리-코팅 웨이퍼(14)를 가열하기 위해 챔버(12)와 함께 포함된다. 가열 장치(22)는 텅스텐-할로겐램프(14)와 같은 다수의 램프(24)를 포함한다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 램프(24)는 구리-코팅 웨이퍼(14) 상에 배치된다. 그러나, 어느 위치에나 램프(24)가 배치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 바람직하게는 장치(10) 내에 추가 램프가 포함될 수 있다.
일반적으로 열원으로서 램프(24)를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 램프는 전기 엘리먼트 또는 통상적인 노(furnace)와 같은 다른 가열 장치보다 훨씬 높은 가열 및 냉각 속도를 가진다. 램프(24)는 순간 에너지를 제공하고, 통상적으로 매우 짧고 양호하게 제어된 시작 주기를 필요로 하는 급속 등온(isothermal) 처리 장치를 형성한다. 램프(24)로부터의 에너지의 흐름은 또한 항상 갑자기 정지될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 램프(24)는 램프에 의해 방출된 열 에너지를 증가시키거나 감소시키는데 사용될 수 있는 단계적인 파워 제어기(25)에 장착된다.
도 1의 실시예에서, 장치(10)는 또한 램프(24) 및 열 처리 챔버(12) 사이에 배치된 창(32)을 포함한다. 창(32)은 램프(24)를 웨이퍼(14)로부터 절연시키고 챔버의 오염을 방지한다.
본 발명에 따르면, 구리-코팅 웨이퍼(14)의 가열 속도를 증가시키기 위하여, 열 처리 챔버(12)는 본 실시예의 구리-코팅 웨이퍼(14) 상에 배치된 차폐 부재(26)를 포함한다. 일반적으로, 차폐 부재(26)는 램프(24)와 웨이퍼(14) 사이에 배치되고 일반적으로 구리-코팅 웨이퍼(14)에서 멀리 배치될 수 있다. 그러나, 구리-코팅 웨이퍼(14)의 가열 속도를 더욱 증가시키기 위하여, 차폐 부재(26)는 바람직하게는 구리-코팅 웨이퍼(14)로부터 약 10mm 미만의 간격으로 배치된다. 보다 바람직하게는 차폐 부재(26)는 구리-코팅 웨이퍼(14)로부터 약 3mm 내지 약 8mm 사이의 간격으로 배치된다.
선택적 실시예에서, 도 1에서 도시된 단일 차폐 부재(26)를 사용하지 않고, 다수의 차폐 부재가 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 제 1 차폐 부재는 웨이퍼(14) 상에 배치되는 반면, 제 2 차폐 부재는 웨이퍼 하부에 배치될 수 있다. 이 실시예는 특히 웨이퍼 상에 배치된 광 에너지 원 및 웨이퍼 하부에 배치된 광 에너지 원을 포함하는 열 처리 장치에서 사용되기에 적합하다. 이 방식으로, 차폐 부재는 웨이퍼에 효과적으로 에너지를 전달하기 위해 이중 가열 리액터를 형성한다.
또한, 하나의 측면으로부터 웨이퍼를 가열만하는 장치에서 2개의 차폐 부재를 사용함으로써 다양한 이점이 얻어진다. 예를 들어, 하나의 측면 가열 장치에서의 제 2 차폐 부재는 웨이퍼에 의해 방사되는 에너지를 흡수하여 웨이퍼로 되돌린다.
하나 이상의 차폐 부재를 포함하는 장치를 이용할 때, 차폐 부재는 동일한 물질로 구성되거나 상이한 물질로 구성될 수 있다. 실제로, 열 사이클 동안 열 전달을 극대화하기 위해서는 상이한 물질이 바람직할 수도 있다.
차폐 부재(26)의 크기 또한 다양하다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 하나의 실시예에서, 차폐 부재(26)는 웨이퍼(14)와 대략 동일한 크기를 가질 수 있다. 그러나, 선택적 실시예에서, 차폐 부재는 웨이퍼의 크기보다 클 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재는 웨이퍼의 직경보다 약 10% 이상 큰 직경을 가질 수 있다. 특히,차폐 부재(26)는 램프로부터의 직선 광이 웨이퍼에 전혀 도달되지 않도록 하는 크기를 가진다. 선택적으로, 차폐 부재는 챔버의 반사도에 따라, 램프를 완전하게 커버할 수 있다.
본 발명에 따르면, 차폐 부재(26)는 웨이퍼가 가열될 때 온도가 증가되는 재료로 구성된다. 특히, 차폐 부재(26)는 구리-코팅 웨이퍼(14)의 기판과 다소 유사한 가열 특성을 가지는 물질로 구성된다. 예를 들어, 차폐 부재(26)는 세라믹 물질로 구성될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 일부 세라믹 물질은 고온으로 프레싱된 실리콘 카바이드 또는 화학 기상 증착, 다결정 실리콘, 또는 실리콘 카바이드로 코팅된 기판에 의해 형성된 실리콘 카바이드를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
또한, 바람직하게는, 차폐 부재(26)는 특정 응용에 따라 다양한 물질로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 차폐 부재의 각각의 표면은 상이한 반사도를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼와 면하는 표면은 높은 반사도를 가지는 물질로 구성될 수 있지만, 램프에 면하는 표면은 바람직하게는 낮은 반사도를 가지는 물질로 구성된다.
이러한 코팅은 특히 2개의 차폐 부재를 포함한 장치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 가열되는 웨이퍼는 통상적으로 최상부에 높은 반사도의 표면을 가지지만, 기저부에 낮은 반사도의 표면을 가질 수도 있다. 결과적으로, 장치에 사용된 각각의 차폐 부재는 대향하는 표면을 어느 것이나 가열시키도록 설계될 수 있다. 2개의 차폐 부재는 또한 공정 동안 발생되는 변화를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 최상부의 차폐 부재는 높은 반사도의 표면을 가열시키기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 처리 동안, 소자의 패턴 구조로 인해 또는 막 두께의 변화로 인해 최상부 표면의 반사도는 변할 수 있다. 이러한 변화는 하나의 공정 사이클 동안 클 수 있다. 결과적으로, 기저부의 차폐 부재는 공정 동안 반사도의 변화를 보상하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 차폐 부재는 전술한 모든 실시예에 제공될 수 있거나 전술한 상기 모든 부품을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 모든 특정 응용에서, 부품의 조합은 공정을 최적화하는데 사용될 수 있다.
차폐 부재(26)는 장치(10)가 가능하게는 다른 것보다 빠르게 구리-코팅 웨이퍼(14)를 가열할 수 있게 한다. 예를 들어, 차폐 부재(26)가 없으면, 램프(24) 에너지의 약 99%는 구리 표면에 의해 반사되어 주위 가스에 전달될 것이다.
그러나, 차폐 부재(26)는 열적으로 교류하는 열의 100%를 흡수할 수 있기 때문에, 상기 부재는 램프에 의해 방출될 열 에너지 및 기본적으로는 구리 표면에 의해 반사된 모든 열을 흡수하여, 상기 열이 주위 가스를 벗어나는 것을 방지한다. 다음으로, 차폐 부재(26)에 의해 구리-코팅 웨이퍼(14)에 흡수된 에너지의 전달은 차폐 부재(26)가 구리-코팅 웨이퍼(14)에 대해 근접하게 배치되기 때문에 상대적으로 빠르게 발생할 수 있다. 본 발명의 장치가 낮은 램프 세기 및 낮은 램프 핀치 밀봉 온도로 높은 웨이퍼 온도를 달성하기 위해 높은 온도 램프 속도를 제공하여, 램프의 수명을 증가시킬 수 있다는 것이 설명되었다.
차폐 부재(26)로부터 구리-코팅 웨이퍼(14)로의 에너지 전달은 일반적으로복사 및/또는 대류에 의해 발생될 수 있다. 이러한 열 전달의 메카니즘은 다음과 같은 수학식으로 기술된다:
복사에 의해 열 전달:
여기서, ε1및 ε2는 차폐 부재이고 Cu 표면 방출량, T1및 T2는 차폐 및 Cu 표면의 절대 온도이며, α는 스테판-볼쯔만 상수이며, 대류에 의한 열 전달:
여기서, h는 가스 전도도 및 다른 특성에 의존하는 복사 열 전달 계수이고, T1-T2는 차폐 부재 및 Cu 표면의 절대 온도이다.
온도가 높을 때, QR은 일반적으로 QC보다 높으며 복사는 열 전달의 제 1 모드이다. 그러나, 온도가 낮을 때(약 500℃ 미만), QC는 일반적으로 QR보다 높으며 대류는 열 전달의 제 1 모드이다.
증가된 가열 속도 이외에, 차폐 부재(26)는 또한 구리-코팅 웨이퍼(14) 전체에 걸쳐 온도 균일도를 증가시킨다. 예를 들어, 열 처리 동안, 차폐 부재(26)는 온도가 증가된다. 가열되면, 차폐 부재(26)는 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 증가시키는 방식으로 웨이퍼(14)에 의해 흡수된 열 복사선을 방출한다.
열 처리 동안 구리-코팅 웨이퍼(14)의 온도를 모니터링하기 위하여, 본 발명의 장치는 온도를 감지하기 위한 다양한 메카니즘을 포함한다. 차폐 부재(26)는일반적으로 구리-코팅 웨이퍼(14)가 가열되는 온도로 증가되는 물질로 구성되기 때문에, 캘리브레이션 곡선은 차폐 부재(26)와 구리-코팅 웨이퍼(14) 사이의 상호 온도에 대한 테스트 및 캘리브레이션을 통해 구현될 수 있다. 특히, 본 발명에 따라 구현된 캘리브레이션 곡선은 열 처리 동안 차폐 부재(26)의 온도를 알림으로써 구리-코팅 웨이퍼(14)의 온도를 나타낸다.
차폐 부재(26)는 다수의 방법으로 온도를 정확하게 판독하도록 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(26)는 반도체 웨이퍼와 함께 가열될 수 있다. 특히, 가열된 웨이퍼는 열전쌍에 직접 접속될 수 있다. 가열 동안, 웨이퍼의 온도는 모니터링되지만, 차폐 부재의 온도를 동시에 모니터링할 수도 있다. 차폐 부재의 온도는 고온계와 같은 열전쌍 또는 복사-감지 장치에 의해 일반적으로 모니터링될 수 있다. 이러한 데이터로부터, 캘리브레이션 곡선이 구현될 수 있다.
도 2에서는 장치(10)를 캘리브레이션하기 위한 하나의 실시예가 도시된다. 도시된 바와 같이, 열전쌍(46)은 접착제를 사용하여 웨이퍼(14)의 구리-코팅 표면에 고정된다. 아울러, 열전쌍(36)은 차폐 부재(26)와 유사하게 고정된다. 일반적으로, 적절한 모든 열전쌍은 본 발명의 공정에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 열전쌍(36 및 46)은 R형 열전쌍, S형 열전쌍, 또는 박막 열전쌍일 수 있다. 아울러, 하나 이상의 열전쌍은 캘리브레이션 동안 여러 위치에서 온도를 모니터링하기 위해 차폐 부재(26) 및 구리-코팅 웨이퍼(14)와 함께 배치될 수 있다.
캘리브레이션되면, 구리-코팅 웨이퍼(14)의 온도는 차폐 부재(26)의 온도를 모니터링하고 캘리브레이션 곡선을 사용하여 웨이퍼 온도를 계산함으로써 정해질수 있다. 차폐 부재(26)의 온도는 도 2에 도시된 바와 같이, 열전쌍을 사용하거나, 고온계와 같은 하나 이상의 복사 감지 장치를 사용하여 처리하는 동안 모니터링될 수 있다.
선택적 실시예에서, 웨이퍼(14)의 온도는 고온계를 이용하여 직접 정해질 수 있다. 이 실시에에서, 차폐 부재는 예를 들어, 미국 특허 5,874,711에 개시된 방법 및 장치와 유사한 웨이퍼에 의해 방출된 복사선을 반사함으로써 독립된 방사를 달성하는데 사용되며, 상기 미국 특허는 본 발명 전체에서 참조로 사용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 장치(10)는 예를 들어, 마이크로프로세서일 수 있는 장치 제어기(50)를 추가로 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제어기(50)는 열전쌍(50)과 함께 배치된다. 특히, 제어기(50)는 차폐 부재(26)의 온도를 나타내는 열전쌍(36)으로부터 전압 신호를 수신하도록 구성된다. 수신된 상기 신호에 기초하여, 제어기(50)는 구리-코팅 웨이퍼(14)의 온도를 계산하도록 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 장치 제어기(50)는 램프 파워 제어기(50)와 연결될 수 있다. 이 장치에서, 제어기(50)는 구리-코팅 웨이퍼(14)의 온도를 결정할 수 있으며, 이 정보에 기초하여, 램프(24)에 의해 방출된 열 에너지 량을 제어할 수 있다. 이 방식으로, 주의 깊게 제어된 범위 내에서 구리-코팅 웨이퍼(14)를 처리하기 위한 리액터(12) 내의 조건과 관련하여 순시 조절이 이루어질 수 있다.
하나의 실시예에서, 제어기(50)는 또한 장치 내의 다른 엘리먼트를 자동으로 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기(50)는 가스 흡입구(18)를 통해 챔버(12)로 유입되는 가스의 흐름 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제어기(50)는 또한 구리-코팅 웨이퍼(14)가 챔버 내에서 회전하는 속도를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 3에서, 본 발명에 따라 구현된 장치(10)의 하나의 실시예가 도시된다. 도 3의 실시예는 기본적으로 도 1의 장치와 동일하다. 그러나, 도 1의 실시예는 상부 또는 하부 방향으로 구리-코팅 웨이퍼(14)를 조종할 수 있는 엘리베이터(80)를 추가로 포함한다. 특히, 엘리베이터(80)는 처리 동안 구리-코팅 웨이퍼(14)를 램프(24)를 향해 상부 방향으로 이동시킬 수 있다. 마찬가지로, 처리 후에 웨이퍼를 급속하게 냉각시키는 것이 바람직할 때, 엘리베이터(80)는 하부 방향으로 구리-코팅 웨이퍼(14)를 이동시킬 수 있으며, 여기서 웨이퍼는 냉각을 위해 냉각판(90)과 접촉될 수 있다.
본 발명은 다음의 실시예를 참조로 보다 용이하게 이해될 수 있다.
실시예 1
다음의 3개의 실시예는 열 처리 챔버 내에서 반사 표면으로 코팅된 반도체 웨이퍼를 가열함에 있어서의 본 발명의 장치의 효율성을 설명하기 위해 수행된다.
제 1 실시예에서, 구리막으로 코팅된 실리콘 웨이퍼는 열 처리 챔버 내에 배치되며 열전쌍에 부착된다. 그 후에, 웨이퍼가 가열된다. 가열 및 냉각의 일련의 처리 후에, 본 발명에 따라 구성된 차폐 부재는 웨이퍼의 3mm 위에 배치된다. 다시, 웨이퍼가 가열되며 그 후에 냉각된다. 그 후에, 차폐 부재는 웨이퍼 상의 8mm 위치로 이동된 후에, 다시 가열된다. 웨이퍼의 온도는 시간 함수로서 각각의 테스트를 위해 결정된다.
그 결과는 도 4 및 도 5에 도시되며, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 차폐 부재를 사용함으로써, 웨이퍼의 가열 속도는 낮은 램프 파워가 요구되도록 크게 증가된다. 아울러, 도 5에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 차폐 부재가 가열될 때, 구리-코팅 웨이퍼는 에지로부터 중심까지 균일한 온도 분포를 달성할 수 있다. 또한, 낮은 램프 핀치(pinch) 밀봉 온도는 본 발명의 장치로 달성될 수 있다. 따라서, 램프의 전체 수명은 증가될 수 있다.
상기 결과가 얻어지면, 유사한 제 2 실시예가 수행되고, 이것은 본 발명의 장치가 광범위한 공정에 응용될 수 있다는 것을 나타낸다. 특히, 제 2 실시예는 장치가 처리 가스 분위기에 무관하게 동작된다는 것을 나타낸다. 우선, 웨이퍼는 질소 분위기에서 가열된다. 가열 및 냉각 후에, 웨이퍼는 헬륨 분위기에서 다시 가열된다. 그 후에, 상기 단계는 본 발명에 따라 구성된 차폐 부재가 구리-코팅 웨이퍼 8mm 상에 배치되는 것을 제외하고, 반복된다. 웨이퍼의 온도는 시간 함수로서 각각의 테스트를 위해 정해진다.
상기 결과는 도 6에 도시된다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 차폐 부재를 사용함으로써, 웨이퍼의 가열 속도는 크게 증가된다. 아울러, 상기 결과는 또한 본 발명의 장치가 보다 양호한 웨이퍼 온도 제어를 제공할 수 있다는 것을 나타내는데, 이는 웨이퍼 온도가 처리 동안 사용된 특정 가스에 직접적으로 의존하지 않기 때문이다.
제 3 실시예 또한 본 발명의 장치의 전체적인 효율성을 설명하기 위해 수행된다.
구리-코팅 웨이퍼는 우선 5개의 상이한 램프 세기로 가열된다. 다음으로, 차폐 부재(CS)는 구리-코팅 웨이퍼 8mm 상에 배치된다. 차폐 부재 및 웨이퍼는 모두 사전에 테스트된 5개의 동일한 램프 세기로 다시 가열된다. 이 경우에, 구리-코팅 웨이퍼의 온도, 차폐 부재의 온도, 및 램프 핀치 밀봉 온도가 결정된다.
다음의 결과가 얻어진다.
램프 세기 CS를 포함하지 않은 구리-코팅 웨이퍼의 온도(℃) CS 를 포함한 구리-코팅 웨이퍼의 온도(℃) CS 온도(℃) 램프 핀치밀봉 온도(℃)
15% 470 749 173
25% >480 >900 250
30% 360 351
35% 466 384
40% 548 >400
전술한 바와 같이, 본 발명의 장치는 낮은 램프 세기로 높은 웨이퍼 온도를 달성하며, 이에 의해 낮은 램프 핀치 밀봉 온도는 램프의 수명을 증가시킨다.
실시예 2
구리 산화는 차폐 부재를 포함하는 본 발명에 따라 구성된 장치에서 수행된다.
Cu 산화 실험은 10 내지 718 초의 산화 시간 동안 100℃ 내지 600℃의 온도에서 건식 및 습식 산소에서 수행된다. 처리된 물질의 화학 조성을 분석하고 막의 산화/환원 운동 에너지를 결정하기 위하여 전자 주사 현미경(SEM), 러더포드(Rutherford) 후방 산란 분광법(spectrometry)(RBS), 분광 타원편광법 (spectroscopic ellipsometry)(SE) 및 반사 측정법(reflectometry)(SR), 및 제 2 이온 질량 분광법(SIMS)이 사용된다.
표본 준비를 위하여, 단결정 실리콘 기판에는 약 30nm의 Ta 장벽이 하나의 측면 상에 코팅된다. 다음으로, 구리 박막(약 1.0-1.8mm)이 전기화학 증착에 의해 증착된다. 텐코(Tencor) UV-1250SE 박막 측정 장치 산화막의 SE 및 SR을 측정하고 산화물의 광학 특성 및 두께를 계산하기 위해 사용된다. RBS는 구리 산화물의 위상 조성 분석을 위해 사용된다. SEM은 입자 구조의 단면도를 얻기 위해 사용되며 두께 측정은 광학 기술로 측정된다.
Cu 산화물의 환원 운동 에너지의 연구는 여러 번에 걸쳐 230 및 400℃의 온도로 환원 분위기(형성 가스 : Ar에서의 10%의 H2)에서 수행된다. 환원된 Cu 산화물 표본의 시트 저항을 측정하기 위하여 4개의 포인트 프로브(probe)가 사용된다. 환원된 표본의 단면 형상은 SIMS를 이용하여 분석된다. 응용 표본으로서, 패턴화된 Cu-코팅 웨이퍼의 흐름은 산화-환원 방식을 이용하여 수행된다.
제 1 구리 산화물, Cu2O(적색) 및 구리 산화물, CuO(흑색)과 같은 2개의 조성물이 형성되는 구리 산화가 널리 공지되어 있다. 본 발명의 데이터는 저온에서 주류를 이루는 산화물이 Cu2O이고, 고온(즉, >500℃)에서 주류를 이루는 산화물은 CuO이라는 것을 나타낸다. 일반적으로, 산화물의 두께는 유효한 물리적 모델에 의해 SE 또는 SR 데이터로부터 결정될 수 있다. 그러나, 산화물이 매우 두꺼우면, 반사 측정은 파장에서 최대의 간섭으로부터 층 두께를 결정하도록 이루어진다. 상기 두께는
L = i/[2(n0/λ0-ni/λi)]
에 의해 얻어지며, L은 산화층 두께, i는 λo내지 λi의 완전한 사이클, i 사이클의 대괄호를 나타내는 2개의 파장의 피크의 수이며(예를 들어 : 2개의 인접한 최대수 i=1), n0및 n1은 각각 λ0내지 λi의 파장에서 Cu 산화막의 굴절 지수 값이다. 상기 두께를 계산하기 위해서는 Cu 산화물의 굴절 지수의 인지가 필수적이다. 굴절 지수의 실험 값은 60초 동안 200℃에서 건식 O2에서 산화된 Cu 산화물의 분광 타원편광 측정법으로 계산된다. 그 결과는 Cu2O의 위상임을 나타낸다. 여러 가지 최대 반사도로부터의 두께 계산 결과는 도 7 및 도 8에서 도시된다.
특히, 도 7 및 도 8은 건식 및 습식 산화(O2에서의 15%의 H2O)에 대한 Cu 산화 두께의 자승 및 건식 산소 분위기에서 300℃ 및 400℃로 산화된 Cu 막의 산화 시간의 함수로서 Cu 산화 두께의 자승의 카베라-모트(Cabera-Mott) 이론에 의한 Cu 산화물 데이터 분석도이다.
Cu 산화 운동 에너지에 대한 습식 산소 분위기의 효과가 연구되었다. 이 실험에서, 대기압에서 O2에서 고정된 농도의 15%의 H2O가 사용된다. 도 7은 또한 동일한 온도에서 건식 O2의 두께보다 두꺼운 습식 산화물 두께를 나타낸다. 예를 들어, 300℃ 및 60초의 동일한 산화 조건하에서, 516nm 및 795nm의 두께는 건식 및 습식 산소 분위기에서 각각 성장된다.
벌크 구리의 산화에 대한 광범위한 연구가 수행되었지만, Cu 박막의 산화에 대한 정보는 부족하다. 구리 이온은 구리 상의 Cu2O의 형성 동안 주류를 이루는 이동 종으로 일반적으로 공지되어 있다. 이 경우에, 카브레라 및 모트(C-M)에 의한 금속 산화 이론이 사용된다. C-M 이론에 따르면, 성장 속도의 법칙이 상호관계에 의해 얻어진다.
L은 산화물 두께이고, Ea는 산화 동안의 활성화 에너지이고, t는 산화 시간이고, T는 절대 온도이고, C1및 C2는 상수이며, K는 볼쯔만 상수이다. 이 이론에 대한 본 발명의 결과를 비교하기 위하여, 산화물 두께의 자승의 아레니우스의 구성도가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 데이터의 선형성은 구리의 각각의 건식 및 습식 산화(O2에서의 15%) 동안 0.68eV 및 0.43eV의 명확한 활성화 에너지(Ea)를 초래한다. Cu 막 산화의 운동 에너지를 조사하기 위하여, 각각 400℃ 및 230℃의 산화 온도로 여러 산화 시간 동안 일련의 실험이 수행된다. 10 내지 718초의 시간 범위 동안 성장 데이터에서의 포물선 형태가 도 8에서 도시된 바와 같이, 확인된다.
C-M 방정식의 파라미터는 전술한 분석, 즉 건식 산화 동안 C1=3.5×109nm2/sec, C2_0 및 Ea=0.68eV으로부터 얻어진다. Cu 산화 계산을 위한 공식은 전술한 파라미터를 이용하여 다음과 같이 얻어진다.
L은 Cu 산화물 두께(nm)이고 t는 산화 시간(s)이다. 도 9에서, 300℃ 및400℃로 산화된 Cu 막에 대한 SEM의 결과를 포함하는 계산되고 실험된 결과가 비교된다. 특히, 도 9는 이론적 계산, 즉 SR 및 SEM 측정에 의해 얻어진 구리 산화물의 두께를 비교한다. 중공 원(hollow circle) 및 다크 원(dark circle)은 건식 산소에서 300℃에서의 SR 및 SEM의 각각의 결과이다. 중공 정사각형은 건식 산소에서 400℃의 결과이지만, 입체 정사각형은 스팀 분위기(N2에서의 50%의 H2O)에서 400℃의 SEM 결과이다. 상기 값들 사이의 양호한 일치가 관찰된다.
2개의 화학양론적 구리 산화물: 제 1 구리 산화물, Cu2O(적색) 및 구리 산화물, CuO(흑색),이 존재한다. RBS는 산화 조성물 및 두께에 대한 중요한 세부 내용을 제공한다. 3개의 Cu 박막 표본은 RBS 분석을 위해 제공된다. 표본 #1 및 #2는 각각 400℃ 및 500℃에서 60초 동안 건식 O2에서 산화된다. 표본 #3은 60초 동안 350℃로 습식 O2(O2에서 15%의 H2O)에서 산화된다. 표 1의 결과는 350℃의 습식 산소에서 Cu2O 상 만이 형성된다는 것을 나타낸다. 400℃에서의 건식 산화 동안, Cu 산화물 상의 벌크는 주로 Cu2O이다. 500℃의 높은 산화 온도를 위해, Cu 산화물의 화학양론은 최상부 층에서의 CuO와 최하부 층에서의 Cu2O으로 분류된다. 산소 농도는 최상부 내지 최하부에서 감소한다.
산화 조건 깊이 원자 농도
O Cu Ta Si
습식 산화350℃60초 <1360 33.0% 67.0% - -
1360-1790 - 100% - -
1790-1820 - - 100% -
>1820 - - - 100%
건식 산화400℃60초 <1250 34.0% 66.0% - -
1250-1684 11.0% 89.0% - -
1684-1734 - - 100% -
>1734 - - - 100%
건식 산화500℃60초 <165 48.0% 52.0% - -
165-247.5 45.0% 55.0% - -
247.5-330 43.0% 57.0% - -
330-380 35% 65% - -
380-1830 30% 70% - -
1830-1860 - - 100% -
>1860 - - - 100%
분광 반사를 이용하여 측정된 두께를 확인하기 위하여, Cu 박막 표본은 SEM 단면 분석을 위해 준비된다. 상기 표본은 건식 산소 분위기에서 각각 29, 115, 460 및 718초 동안 300℃에서 산화된다. 산화 후에, Cu 산화막은 분광 편광법 및 SEM 모두에 의해 분석된다.
도 9에서, 분광 반사 및 SEM으로부터 얻어진 두께가 비교된다. 상기 값들 사이에는 양호한 일치가 관찰된다.
스팀 산화된 구리 막의 일련의 다른 샘플은 SEM 분석을 위해 제공된다. ECD 증착된 Cu 막 두께는 약 1900nm이다. 상기 표본은 스팀 분위기(N2에서 50%의 H2O)에서 각각 60, 150 및 300초 동안 400℃에서 산화된다.
SEM 단면의 측정 결과는 또한 도 9에서 도시된다. Cu 산화물의 두께는 각각 60, 150 및 300의 산화 시간 동안 1540, 2390 및 2660이다. SEM 결과와 비교하면,Cu 산화물의 두께는 400℃의 산화 온도에서 건식 O2의 분위기, 또는 O2에서의 15%의 H2O, 또는 N2에서의 50%의 H2O와 유사하다.
구리 산화막의 환원 운동 에너지는 3 내지 180초의 환원 시간 동안 100 내지 400℃의 온도로 Ar/10%의 H2의 환원 분위기에서 연구되었다. 환원된 구리 산화막의 시트 저항은 4개의 포인트 프로브를 이용하여 측정된다. SEM 및 SIMS는 감소된 Cu 산화물의 단면 형상을 조사하기 위해 사용된다.
400℃에서의 구리 산화물의 환원에 대한 화학 방정식은
Cu2O(s)+H2=2Cu(s)+H2O(g)(76.97kJ/몰)
CuO(s)+H2=2Cu(s)+H2O(g)(89.43kJ/몰)
에 의해 얻어진다.
Cu 산화물의 환원 동안 다량의 에너지가 발열 반응으로부터 방출된다는 것이 상기 방정식으로부터 명확하다. 본 연구에서 사용된 Cu 산화물의 두께는 약 1.5㎛이다. Tencor R75S 4개의 포인트 프로브는 환원된 막의 시트 저항을 측정하기 위해 사용된다. 산화막의 시트 저항은 너무 높아서 4개의 포인트 프로브에 의해 측정될 수 없다. 육안 검사는 환원 후의 웨이퍼 표면이 높은 반사도를 가지며, 산화물의 완전한 환원을 가리킨다는 것을 나타낸다.
도 10에서는 환원된 Cu 막의 시트 저항이 도시된다. 약 1.5 미크론의 Cu 산화막은 400℃에서 3초 동안만 환원된다. 230℃의 저온에서는 오랜 시간(50초)이소요된다. 대략적인 환원 속도가 계산될 수 있으며, 이는 각각 400 및 230℃의 환원 온도 동안 500nm/s 및 37nm/s이다.
환원 동안 Cu 산화막으로부터 Cu 막의 형성 동안 메카니즘을 조사하기 이하여 SIMS 분석이 사용된다. 10, 45 및 90초 동안 230℃에서 환원된 Cu2O 막의 SIMS 결과는 환원이 주로 산화-구리 경계면으로부터 진행되며, 소량의 환원은 산화물 표면에서 발생되는 것을 나타낸다.
실시예는 PVD Cu 막의 리플로우를 달성하기 위하여 이러한 산화-환원 방법을 이용하여 최근의 공정 응용을 위해 본 발명에서 얻어진다. 적절한 량의 구리는 바이어스 및 트렌치의 완전한 충진을 가능하게 하는데 요구된다. 그러나, 초과 증착은 또한 브리징(금속화에서 공극을 잔류시키는 가능성 있는 결함 모드)을 방지하기 위해 피해진다. 이것은 증착을 수반하는 어닐링 단계를 필요로 하는데, 이는 표면 상의 날카로운 피처로의 금속의 확산을 허용한다. 리플로우 공정의 개선점은 동시에 또는 순차적으로 도입된 산화제(산소 또는 수증기와 같은) 및 수소를 이용함으로써 가능하다.
산화제는 Cu2O를 형성하며 수소-함유 가스를 이용한 환원은 충분한 공극 충진을 초래하는 구리의 표면 확산을 증가시키기에 충분한 에너지를 방출한다. 이러한 효과를 조사하기 위하여, 표본은 PVD를 이용하여 패턴화된 웨이퍼 상에 약 500nm 두께의 구리를 증착함으로써 준비된다. 상기 표본은 30초 동안 230℃에서 건식 또는 습식 O2분위기에서 산화된다. 초기의 데이터에 기초하여, 35nm Cu 산화물 층은 이 산화 단계에서 성장될 것으로 예상된다.
다음으로, 3초 및 180초 동안 400℃의 형성 가스에서 Cu 산화물의 인-시츄 환원이 수행된다. 리플로우(a) 레벨은 a=1-hf/hi으로서 양적으로 정의될 수 있으며, hf및 hi는 리플로우 전/후의 단계의 높이이다. 이상적으로, hf는 (a)가 1이 되도록 0이어야 한다. 이러한 정의를 이용하여, 리플로우 레벨은 상이한 처리 사이클, 즉 건식 산화 및 3초의 환원 동안의 a=0.29 및 건식 산화 및 180초 환원 동안의 a=0.53, 및 습식 산화 및 180초 환원 동안의 a=0.53을 나타낸다.
본 발명의 상기 및 다른 수정 및 변형은 본 발명의 청구범위의 기술적 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고, 당업자에 의해 실시될 수 있으며, 이는 특히 첨부된 청구항에서 설명된다. 또한, 여러 실시예의 견지는 전체 또는 일부 모두에서 상호 교환될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 아울러, 전술한 내용은 예시적인 것이지, 제한적이지 않다는 것이 당업자에게 인식될 것이다.

Claims (34)

  1. 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼 가열 장치로서,
    반도체 웨이퍼를 홀딩하도록 제공된 열 처리 챔버;
    고 반사 물질로 코팅된, 상기 열 처리 챔버 내에 홀딩된 반도체 웨이퍼;
    상기 열 처리 챔버 내에 홀딩된 상기 반도체 웨이퍼를 가열하는 상기 열 처리 챔버와 연결된, 광 에너지를 방출하는 가열 장치;
    상기 가열 장치 및 상기 반도체 웨이퍼 사이에 배치되고, 상기 웨이퍼가 가열됨에 따라 온도가 증가하는 물질로 구성되고, 상기 가열 장치에 의해 방출되고 상기 반도체 웨이퍼에 의해 반사되는 열을 흡수할 수 있고, 처리 동안 상기 반도체 웨이퍼를 가열하도록 구성되는 차폐 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고 반사 물질은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 열 처리 동안 상기 차폐 부재의 온도를 모니터링하도록 상기 차폐 부재와 함께 배치된 온도 감지 장치를 더 포함하며, 상기 반도체 웨이퍼의 온도는 상기 차폐 부재의 온도에 기초하여 열 처리 동안 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 온도 감지 장치는 하나의 열전쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 온도 감지 장치는 다수의 열전쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 온도 감지 장치 및 상기 가열 장치와 함께 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 온도 감지 장치로부터 수신된 온도 정보에 응답하여 상기 가열 장치에 의해 방출된 열 에너지 량을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼의 온도를 정하기 위해 상기 온도 감지 장치 이외에 고온계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 차폐 부재는 세라믹 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 웨이퍼를 각각 가열 및 냉각시키기 위해 상기 반도체 웨이퍼를 상기 차폐 부재를 향하도록 및 상기 차폐 부재로부터 떨어지도록 상기 반도체 웨이퍼를 조종할 수 있는 엘리베이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 차폐 부재는 상기 반도체 웨이퍼로부터 약 10mm 이내에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 차폐 부재는 상기 반도체 웨이퍼로부터 약 3밀리미터 내지 약 8밀리미터 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 가열 장치는 다수의 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 상기 고 반사 물질로 완전히 코팅된 최상부 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 고 반사 물질은 하나의 패턴으로 상기 웨이퍼 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 차폐 부재는 고 방출도를 가지는 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 고 반사 물질로 코팅된 반도체 웨이퍼 가열 방법으로서,
    열 처리 챔버 내에 상기 코팅된 웨이퍼를 제공하는 단계;
    상기 열 처리 챔버 내의 가열 장치 및 상기 반도체 웨이퍼 사이에 차폐 부재를 배치하는 단계를 포함하며, 상기 차폐 부재는 상기 반도체 웨이퍼가 가열됨에 따라 온도가 증가하는 물질로 구성되고, 가열시 상기 가열 장치에 의해 방출되고 상기 반도체 웨이퍼의 반사 물질에 의해 반사되는 열을 흡수할 수 있고, 처리 동안 상기 반도체 웨이퍼를 가열하도록 구성되며; 및
    상기 열 처리 챔버 내의 상기 웨이퍼 및 상기 차폐 부재를 가열하는 상기 가열 장치에 의해 상기 반도체 웨이퍼 및 상기 차폐 부재를 방출된 광 에너지에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼가 가열되는 동안 상기 차폐 부재의 온도를 모니터링하는 단계;
    상기 차폐 부재의 온도에 기초하여 상기 반도체 웨이퍼의 온도를 결정하는 단계; 및
    상기 반도체 웨이퍼의 결정된 온도에 기초한 열 처리 동안 상기 열 처리 챔버에 도달하는 광 에너지 량을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 산화 가스의 존재하에서 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 차폐 부재는 상기 반도체 웨이퍼로부터 약 10밀리미터 미만에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 환원 가스의 존재하에서 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 16항에 있어서, 상기 반사 물질은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 16항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 수증기의 존재하에서 상기 광 에너지에 노출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 16항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 산소의 존재하에서 상기 광 에너지에 노출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 16항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 약 600℃ 미만의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 16항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 수소의 존재하에서 상기 광 에너지에 노출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 17항에 있어서, 상기 차폐 부재의 온도는 열전쌍을 이용하여 모니터링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 17항에 있어서, 상기 차폐 부재의 온도는 적어도 하나의 고온계를 이용하여 모니터링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 16항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 상기 고 반사 물질에 의해 완전하게 커버되는 최상부 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 16항에 있어서, 상기 고 반사 물질은 하나의 패턴으로 상기 반도체 웨이퍼 상으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 16항에 있어서, 상기 차폐 부재는 고 방출도를 가지는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 16항에 있어서, 상기 차폐 부재는 실리콘 함유 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 16항에 있어서, 상기 차폐 부재는 실리콘 카바이드 함유 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 20항에 있어서, 상기 반사 물질은 구리를 포함하고 상기 반도체 웨이퍼는 약 400℃ 미만의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 18항에 있어서, 상기 반사 물질은 구리를 포함하고 상기 산화 가스는 스팀을 포함하고 상기 반도체 웨이퍼는 약 600℃ 미만의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
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