KR20030093790A - 반도체 장치 제조를 위한 메탈 공정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 장치 제조를 위한 메탈 공정 시스템으로서, 웨이퍼에 알루미늄을 증착하는 알루미늄증착챔버, 증착된 알루미늄을 리플로우시키는 알루미늄 평탄화 챔버, 그리고 알루미늄이 리플로우된 고온의 웨이퍼가 이송되는 트랜스퍼 챔버를 구비한다. 본 발명에서 트랜스퍼 챔버는 소정의 온도를 유지하도록 가열되므로 리플로우 챔버에서 공정이 완료된 웨이퍼가 트랜스퍼챔버로 이송될 때, 고온의 웨이퍼와 트랜스퍼 챔버간의 온도차를 줄일 수 있다. 따라서 리플로우된 알루미늄 막질이 트랜스퍼 챔버와의 큰 온도차에 의해 순간적으로 표면냉각됨으로써 발생되는 알루미늄 그루빙 불량을 줄일 수 있다.

Description

반도체 장치 제조를 위한 메탈 공정 시스템{Metal process system for manufacturing semiconductor device}
본 발명은 반도체 제조 장치로서, 보다 상세하게는 메탈 공정 시스템에 관한 것이다.
통상적으로 반도체장치 제조를 위한 공정 중에는 게이트나 비트라인 형성을 위하여 형성된 콘택 상에 메탈막을 증착하는 공정이 포함되어 있다.
콘택이 형성된 웨이퍼는 프리클리닝(Precleaning) 공정을 거치고 배리어 메탈로서 티타늄(Ti), 티타늄/질화티타늄(Ti/TiN) 또는 질화티타늄(TiN)이 증착된다. 그리고, 증착된 배리어 메탈은 배리어 특성 향상을 위하여 어닐링 된다. 어닐링은 질소분위기에서 약 450℃ 내지 480℃ 정도의 온도상태에서 수행되며, 어닐링 후 알루미늄 막질이 배리어 메탈 상부에 증착된다. 그리고 알루미늄 막질이 증착된 상기 웨이퍼터는 고온에서 리플로우 된다.
이러한 메탈 공정을 위하여 메탈 설비, 어닐링 설비, 그리고 알루미늄 증착 설비 등이 단위 공정별로 별도의 독립된 공정 환경으로 구성되어, 각각 공정별로 수행되었다. 이것은 메탈 막질 증착을 위한 공정이 복수 개의 독립된 설비에서 수행시 각 공정별 소요시간과 대기 시간 및 이송 시간등으로 인하여 전체 공정 기간이 지연되는 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위해 로딩 챔버, 메탈막증착챔버들, 어닐링 챔버, 알루미늄 평탄화 챔버, 트랜스퍼 챔버를 구비한 자동화된 메탈공정시스템이 사용되고 있다.
그러나 종래의 이러한 메탈공정 시스템에서 리플로우된 웨이퍼는 300°C이상의 온도를 가지는 데 반하여, 트랜스퍼 챔버는 낮은 온도(보통 18°C)로 유지되어,웨이퍼와 트랜스퍼 챔버사이에는 큰 온도차를 가지고 있다. 따라서 알루미늄 막질이 리플로우된 웨이퍼가 트랜스퍼챔버로 이송되면, 리플로우된 알루미늄 막질이 순간적으로 표면 냉각됨으로써 알루미늄 그루빙이 제대로 형성되지 않게 된다. 이러한 알루미늄 그루빙 불량은 후속공정에서 금속배선 라인 간의 불필요한 브리지를만들게 되어 라인 쇼트(line short)를 유발시키는 원인이 된다.
본 발명은 웨이퍼상의 리플로우된 알루미늄 막질이 트랜스퍼챔버로 이송될 때에 급속한 표면 냉각으로 인한 알루미늄 그루빙 불량 발생을 최소화하는 메탈공정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈 공정 시스템을 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
12 : 로딩 챔버14 : 언로딩 챔버
20 : 프리 클리닝 챔버30 : 배리어 막질 증착 챔버
40 : 알루미늄 증착 챔버50 : 어닐링 챔버
60 : 알루미늄 평탄화 챔버70 : 트랜스퍼 챔버
80 : 유체 통로
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 메탈 공정 시스템은 웨이퍼에 증착된 상기 메탈을 리플로우시키는 평탄화 챔버, 상기 평탄화 챔버로부터 리플로우된 상기 웨이퍼가 이송되는 트랜스퍼 챔버, 그리고 상기 평탄화 챔버로부터 상기 트랜스퍼 챔버로 이송된 상기 웨이퍼의 급격한 온도변화를 줄이기 위한 가열수단을 포함한다.
바람직하게는 상기 메탈 공정 시스템은 상기 가열수단으로서 상기 트랜스퍼 챔버의 둘레에 소정의 온도로 가열된 유체가 흐르는 통로를 가진다.
또한, 본 발명인 메탈 공정 시스템은 로딩 챔버, 복수 개의 메탈막 증착 챔버, 어닐링 챔버, 평탄화 챔버, 그리고 트랜스퍼 챔버를 구비하며, 상기 복수 개의 메탈막 증착 챔버는 알루미늄 증착 챔버를 포함하고, 메탈 증착을 위한 일련의 공정을 수행하기 위한 상기 각 챔버간의 웨이퍼 이송은 상기 트랜스퍼 챔버를 통해 이송로봇에 의해서 수행되며, 상기 평탄화 챔버로부터 상기 트랜스퍼 챔버로 이송된 상기 웨이퍼의 급격한 온도변화를 줄이기 위한 가열수단을 더 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1을 참조하면서 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명인 메탈 공정 시스템(Metal process system)을 보여준다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 메탈 공정 시스템(1)은 웨이퍼를 로딩 및 언로딩시키는 로딩 챔버(12)와 언로딩 챔버(14), 상기 웨이퍼 표면의 가스를 제거하는 프리클리닝 챔버(20), 질화티타늄을 증착시키는 질화티타늄 증착챔버(30), 상기 증착막을 어닐링(annealing)시키는 어닐링 챔버(40), 어닐링된 질화티타늄 막질상부에 알루미늄 막질을 증착시키기 위한 알루미늄 증착챔버(50), 증착된 알루미늄 막질을 리플로우(reflow)시키는 알루미늄 평탄화 챔버(60), 그리고 상기 웨이퍼를 이송하는 트랜스퍼 챔버(70)로 이루어진다.
일반적으로, 알루미늄 증착 시간은 증착된 알루미늄을 평탄화시키는 시간에 비해 많이 소요되므로, 상기 메탈 공정 시스템(1)은 상기 알루미늄 평탄화 챔버(60)보다 많은 수의 알루미늄 증착챔버(50)를 가지는 것이 좋다.
상기 메탈공정 시스템(1)은 상기 웨이퍼를 각 챔버간에 이송시기키 위한 통상의 이송로봇(도시되지 않음)을 구비하고 있으며, 상기 이송로봇에 의한 웨이퍼 로딩과 각 챔버들의 공정은 제어부(도시되지 않음)에 의하여 제어된다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예로서 웨이퍼의 콘택홀 형성 후 메탈공정을 위한 일련의 공정들이 한 설비내에서 이송로봇에 의한 이송에 의해 연속적으로 수행된다.
상기 트랜스퍼 챔버(70)는 그 주변에 유체가 흐르는 통로(80)가 형성되어 있다. 약 25°C 내지 125°C로 가열된 유체가 상기 통로(80)로 흐르며, 상기 트랜스퍼 챔버(70)는 상기 통로(80)를 흐르는 상기 유체와의 열전달에 의해 이와 상응되는 온도를 유지하게 된다.
상기 트랜스퍼 챔버(70)가 가열되어 소정의 온도를 유지하도록 하는 것은 상기 알루미늄 평탄화 챔버(60)에서 상기 트랜스퍼 챔버(70)로 이송된 상기 웨이퍼와 상기 트랜스퍼 챔버(70)의 온도차를 줄이기 위해서이다. 알루미늄 막질이 리플로우된 상기 웨이퍼가 표면냉각이 급속이 이루어지면 알루미늄 그루빙이 제대로 형성되지 않고, 이것은 후속공정에서 금속배선 라인간의 브리지가 발생되기 때문이다.
상기 트랜스퍼 챔버(70)는 25°C 내지 125°C를 정도를 유지하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 상기 트랜스퍼 챔버(70)의 가열수단으로 소정의 온도를 가진 유체가 상기 트랜스퍼 챔버(70) 주변의 통로(80)를 흐르는 것을 예로 들었으나, 전열선등을 이용하여 직접 가열하는 등의 방법을 사용할 수 있음은 당연하다.
이하, 도 2를 참조하여 상기 메탈공정 시스템(1)을 이용하여 콘택이 형성된 상기 웨이퍼에 각종 금속막을 증착시키는 과정을 설명한다.
먼저, 제어부에 프로그래밍된 공정 순서 및 공정 조건에 따라 상기 이송로봇에 의해 상기 로딩 챔버(12)에서 경로 a, b를 따라 상기 트랜스퍼 챔버(70)를 거쳐 상기 프리클리닝 챔버(20)로 이동된다. 상기 웨이퍼 표면에 묻은 가스들은 배리어 메탈을 증착하기 전에 상기 프리클리닝 챔버(20)에서 제거된다. 다음에 상기 웨이퍼가 경로 c, d를 따라 상기 트랜스퍼 챔버(70)을 거쳐 상기 질화 티타늄 증착챔버(30)로 이송된다. 상기 질화 티타늄 증착챔버(30)는 상기 제어부의 제어에 따라 배리어 메탈로서 소정 두께의 질화티타늄 막질을 상기 웨이퍼 상에 증착한다. 상기 질화 티타늄 증착챔버(30)의 온도는 약 0°C를 유지한다.
그리고, 배리어 메탈의 증착이 완료된 상기 웨이퍼는 경로 e, f, g를 따라 상기 트랜스퍼 챔버를 거쳐 상기 어닐링 챔버(40)로 이송된다. 이는 증착된 배리어 특성을 강화시키는 것으로, 어닐링 공정조건은 300°C 내지 600°C정도의 온도와 수 내지 수십 미리토르(mTorr) 이하의 압력과 수백 내지 수천 와트 레벨의 고주파 전력으로 제작자의 의도 및 공정 상황에 적정하게 조절되면서 수행된다. 여기에 아르곤과 산소가 혼합된 가스가 공급되며, 이러한 공정조건에서 질화티타늄 막질은 화학적, 물리적 반응에 대한 양호한 배리어 특성을 가지게 된다.
어닐닝된 상기 웨이퍼는 경로 h, i를 따라 상기 트랜스퍼 챔버(70)을 거쳐 상기 알루미늄 증착챔버(50)로 이송되며, 상기 알루미늄 증착 챔버(50)는 이송된 상기 웨이퍼 상에 설정된 공정조건에 따라 0°C 정도의 온도에서 알루미늄 막질을 증착시킨다.
알루미늄 막질의 증착이 완료되면, 상기 웨이퍼는 상기 제어부의 제어에 따라 이송로봇에 의해 경로 j, k를 따라 상기 알루미늄 평탄화 챔버(60)로 이송된다. 증착된 알루미늄막은 상기 알루미늄 평탄화 챔버에서 설정된 공정조건에 따라 520°C 정도에서 리플로우된다.
전술한 콘택홀 상부에 메탈공정이 완료되면, 상기 웨이퍼는 상기 제어부의제어에 따라 상기 이송로봇에 의하여 경로 l, m을 거쳐 상기 알루미늄 평탄화 챔버(60)에서 상기 트랜스퍼 챔버(70)를 거쳐 상기 언로딩 챔버(14)로 이송된다. 이 때, 상기 알루미늄 평탄화 챔버(60)를 거친 고온의 웨이퍼는 상기 트랜스퍼 챔버(70)의 온도차에 의해 냉각된다. 전술한 바와 같이 상기 트랜스퍼 챔버(70)는 그 주변의 통로에 약 25°C 내지 125°C정도의 유체가 흘러 일정한 온도를 유지한다. 따라서 고온에서 알루미늄이 증착된 상기 웨이퍼가 상기 트랜스퍼 챔버(70)로 이송되었을 때, 종래보다 더 작은 온도차를 가지므로 상기 웨이퍼 표면이 급격히 냉각되는 것을 방지함으로써 알루미늄 그루빙 불량을 억제할 수 있으며, 후속공정에서 발생되는 브리지를 감소시킬 수 있다..
또한, 상기 트랜스퍼 챔버 가열되어 종래보다 높은 온도상태를 유지하므로, 상기 이송로봇의 아암도 소정의 온도를 유지하게 된다. 이것은 상기 웨이퍼가 상기 알루미늄 평탄화 챔버(60)에서 상기 트랜스퍼 챔버(70)으로 이송시키기 위해 상기 이송로봇의 아암이 상기 웨이퍼를 잡을 때, 상기 이송로봇과 상기 웨이퍼사이의 온도차이에 의해 상기 웨이퍼가 급격하게 냉각되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는 복수개의 챔버를 가지고 자동화된 메탈 공정 시스템을 예로 들어 설명하였으나, 메탈 설비, 어닐닝 설비, 알루미늄 증착 설비, 그리고 알루미늄평탄화 챔버가 독립되어, 각각 공정별로 수행되는 경우에도 적용된다. 즉, 알루미늄 평탄화 챔버로부터 리플로우된 웨이퍼가 다른 공정으로 이동되기 전 일정 온도로 가열된 트랜스퍼 챔버에서 종래보다 적은 온도차를 가지고 쿨링될 수 있다.
본 발명인 메탈공정 시스템에 의하면, 알루미늄 평탄화 챔버에서 리플로우된 웨이퍼가 트랜스퍼챔버로 이송될 때 알루미늄 막질의 순간표면냉각으로 인해 알루미늄 그루빙이 나빠지는 것을 방지하며, 이에 의해서 후속공정에서 브리지가 발생되는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 웨이퍼에 메탈을 증착시키는 반도체 장치 제조를 위한 메탈 공정 시스템에 있어서,
    상기 웨이퍼에 증착된 상기 메탈을 리플로우시키는 평탄화 챔버와;
    상기 평탄화 챔버로부터 리플로우된 상기 웨이퍼가 이송되는 트랜스퍼 챔버와;
    상기 평탄화 챔버로부터 상기 트랜스퍼 챔버로 이송된 상기 웨이퍼의 급격한 온도변화를 줄이기 위한 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 반도체 장치 제조를 위한 메탈 공정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 메탈 공정 시스템은 상기 가열수단으로서 상기 트랜스퍼 챔버의 둘레에 소정의 온도로 가열된 유체가 흐르는 통로를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치를 위한 메탈 공정 시스템.
  3. 콘택이 형성된 웨이퍼에 메탈을 증착시키는 반도체 장치 제조를 위한 메탈 공정 시스템에 있어서,
    로딩 챔버, 복수 개의 메탈막 증착 챔버, 어닐링 챔버, 평탄화 챔버, 그리고 트랜스퍼 챔버를 구비하되,
    상기 복수 개의 메탈막 증착 챔버는 알루미늄 증착 챔버를 포함하고,
    메탈 증착을 위한 일련의 공정을 수행하기 위한 상기 각 챔버간의 웨이퍼 이송은 상기 트랜스퍼 챔버를 통해 이송로봇에 의해서 수행되며,
    상기 평탄화 챔버로부터 상기 트랜스퍼 챔버로 이송된 상기 웨이퍼의 급격한 온도변화를 줄이기 위한 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 반도체 장치 제조를 위한 메탈 공정 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 메탈 공정 시스템은 상기 가열수단으로서 상기 트랜스퍼 챔버의 둘레에 소정의 온도로 가열된 유체가 흐르는 통로를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치를 위한 메탈 공정 시스템.
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