KR20040105296A - ＣＶＤ ＴｉＮ 장치의 온도 보정 방법 - Google Patents

Abstract

산화막, 티타늄 금속막, 알루미늄 금속막이 순차 형성된 온도 보정용 웨이퍼의 초기 저항을 측정하는 단계; 온도를 알고 있는 장치에서 온도 보정용 웨이퍼를 380 내지 450℃ 범위에서 시험 열처리하는 단계; 시험 열처리에 의해 저항이 변한 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 측정한 후 시험 열처리 온도와 변화 저항의 함수 관계에 의한 온도 보정식을 계산하는 단계; 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에 초기 저항이 측정된 산화막, 티타늄 금속막, 알루미늄 금속막이 순차 형성된 온도보정용 웨이퍼를 장착하는 단계; 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에서 온도 보정용 웨이퍼를 380 내지 450℃ 범위에서 보정 열처리하는 단계; 보정 열처리에 의해 저항이 변한 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 측정하는 단계; 온도 보정식에 의해 보정 열처리에 의해 변화된 저항에 따른 실제 온도를 계산한 후 실제 온도를 이용하여 온도 보정이 필요한 장치의 온도를 보정하는 단계를 포함하는 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법.

Description

ＣＶＤ ＴｉＮ 장치의 온도 보정 방법{Temperature correction method of CVD TiN apparatus}

본 발명은 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자를 제조하는 거의 모든 공정에 히터(Heater)가 사용되며, 반도체 제조 공정 중 웨이퍼의 온도는 가장 중요한 공정 변수 중 하나이다. 특히, 박막을 증착(deposition)하는 공정에서 히터의 온도는 정확하고 균일해야 한다. 예컨대 CVD TiN 증착은 웨이퍼의 온도에 따라 증착률이 변하고 증착되는 박막의 질도 변한다.

종래의 웨이퍼의 온도 측정은 히터 블록(Heater block)에 열전대 측정기(Thermocouple gauge)를 넣고 한 지점이나 두 지점의 온도를 읽어서 공정 온도를 조절하고 있으며, 공정 중 정확한 웨이퍼의 온도를 측정하는 것은 불가능하다. 열전대 웨이퍼(Thermocouple wafer, TC)를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 사용하기도 하지만, 일부 장치에만 국한되어 사용 가능하다. 특히 CVD 공정, 즉, 진공을 사용하는 공정은 TC 웨이퍼를 이용한 온도 측정이 불가능하다. 또한, 공정이 진행 중인 실제 웨이퍼의 온도를 측정하고자 하는 것인데, 히터 블록의 온도만 측정 가능하다는 문제점이 있다.

그리고, 히터 블록의 한 지점이나 두 지점의 온도만 알 수 있으며 웨이퍼 전체의 온도 및 온도의 균일성 등을 측정할 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 표준화된 온도 보정 장치 및 방법이 없기 때문에 장치간의 차이를 알 수 없으며, 장치간의 온도 차이에 의한 공정 실행 시의 차이를 판단할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 온도 보정용 웨이퍼를 이용하여 CVD TiN 장치의 온도를 보정하여 온도를 정확히 측정하는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법의 순서도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법에 사용되는 온도 보정용 웨이퍼의 단면도이고,

도 3은 도 2의 온도 보정용 웨이퍼에 열처리에 의해 TiAl₃가 형성되는 것을 도시한 도면이고,

도 4는 400 내지 450°범위에서 열처리 온도와 저항 변화값의 그래프를 도시한 도면이다.

도 5는 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치인 TCVN02 및 TCVN03의 각각의 챔버 2 및 3을 온도 보정용 웨이퍼의 여러 지점에서 저항 변화값을 측정한 결과를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 ; 웨이퍼 20 ; 산화막

30 ; 티타늄 금속막 40 ; 알루미늄 금속막

50 ; TiAl₃

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법은 산화막, 티타늄 금속막, 알루미늄 금속막이 순차 형성된 온도 보정용 웨이퍼의 초기 저항을 측정하는 단계; 온도를 알고 있는 장치에서 상기 온도 보정용 웨이퍼를 380 내지 450℃ 범위에서 시험 열처리하는 단계; 상기 시험 열처리에 의해 저항이 변한 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 측정한 후 시험 열처리 온도와 변화 저항의 함수 관계에 의한 온도 보정식을 계산하는 단계; 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에 초기 저항이 측정된 산화막, 티타늄 금속막, 알루미늄 금속막이 순차 형성된 온도보정용 웨이퍼를 장착하는 단계; 상기 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에서 온도 보정용 웨이퍼를 380 내지 450℃ 범위에서 보정 열처리하는 단계; 상기 보정 열처리에 의해 저항이 변한 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 측정하는 단계; 상기 온도 보정식에 의해 상기 보정 열처리에 의해 변화된 저항에 따른 실제 온도를 계산한 후 실제 온도를 이용하여 상기 온도 보정이 필요한 장치의 온도를 보정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 산화막은 500 내지 1000Å 두께의 열 산화막 또는 TEOS 산화막 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 상기 티타늄 금속막의 두께는 100 내지 1000Å이며, 상기 알루미늄 금속막의 두께는 200 내지 6000Å인 것이 바람직하다.

또한, 상기 온도 보정용 웨이퍼의 저항은 4단자 방법으로 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 온도 보정용 웨이퍼를 시험 열처리하는 단계는 온도를 알고 있는 장치에서 온도의 변화에 따라 상기 온도 보정용 웨이퍼에 TiAl₃를 형성하도록 하여 상기 온도 보정용 웨이퍼의 초기 저항을 변화시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 온도 보정식은 여러 온도에 따른 상기 변화 저항과 상기 초기 저항과의 차이값인 저항 변화값을 피팅하여 온도와 상기 저항 변화값 사이의 함수 관계로 표현되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법의 순서도가 도시되어 있다.

도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법을 상세히 설명한다.

우선, 온도 보정용 웨이퍼를 제작한다.(S100)

도 2에는 온도 보정용 웨이퍼의 단면도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 온도 보정용 웨이퍼는 웨이퍼(10)에 산화막(SiO₂)(20)이 형성되어 있고, 이러한 산화막(20) 위에 티타늄 금속막(30)이 증착되어 있다. 그리고, 티타늄 금속막(30) 위에 알루미늄 금속막(40)이 증착되어 있다.

웨이퍼(10)란 반도체 집적 회로 장치의 제조에 사용하는 단결정 실리콘 기판(일반적으로 거의 원반형), SOS(Silicon On Sappahire) 기판, 유리 기판 그 밖의 절연, 반절연 또는 반도체 기판 등 또는 이들을 복합한 기판을 말한다.

그리고, 산화막(20)은 열 산화막 또는 TEOS 산화막 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 열 산화막의 두께는 500 내지 1000Å 인 것이 바람직하고, TEOS 산화막의 두께는 5000 내지 15000Å 인 것이 바람직하다. TEOS(Tetraethoxysilane) 산화막이란 산화 실리콘막으로서, 패시베이션(passivation)막으로 형성되는 보호막에 포함되어 절연재료로 사용되는 것을 말한다. 일반적으로, TEOS 산화막의 유전율(ε)이 약 4.1∼4.2 이하인 것을 저유전율의 절연막이라 한다. 본 발명의 일 실시예로는 열 산화막의 두께는 1,000Å이고, TEOS 산화막의 두께는 10,000Å이 되도록 형성한다.

티타늄 금속막(30)의 두께는 100 내지 1000Å인 것이 바람직하고, 알루미늄 금속막(40)의 두께는 200 내지 6000Å인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예로는 티타늄 금속막의 두께는 500Å이 되도록 DC 2kW를 사용하여 스퍼터링 방법으로 증착한다. 알루미늄 금속막의 두께는 500Å이 되도록 DC 5kW 사용하여 스퍼터링 방법으로 증착한다.

이러한 온도 보정용 웨이퍼를 제조하는 방법은 우선, 웨이퍼(10)에 산화막(20)을 형성한다. 그리고, 산화막(20) 위에 티타늄 금속막(30)을 증착하고, 티타늄 금속막(30) 위에 알루미늄 금속막(40)을 증착한다. 티타늄 금속막(30)은 스퍼터링이나 CVD 방법 중 어느 하나로 증착하는 것이 바람직하며, 알루미늄 금속막(40)은 스퍼터링 방법으로 증착하는 것이 바람직하다.

그리고, 이러한 티타늄 금속막(30)을 증착하는 단계와 알루미늄 금속막(40)을 증착하는 단계 사이에 진공을 유지하는 것이 바람직하다. 티타늄 금속막(30)과 알루미늄 금속막(40)의 계면에 대기압에서 형성되는 자연 산화막이 존재할 경우, 이러한 자연 산화막이 확산 장벽막으로 작용하여 후술할 TiAl₃가 제대로 형성되지 못하고, 따라서, 저항의 변화도 정확하게 온도를 나타내지 못하기 때문이다.

티타늄 금속막(30) 및 알루미늄 금속막(40)을 증착하는 단계의 압력은 10E-7 Torr 이하인 것이 바람직하다.

그리고, 온도 보정용 웨이퍼를 제조한 다음에는 온도 보정용 웨이퍼의 초기 저항을 측정한다.(S200)

4단자 방법을 이용하여 온도 보정용 웨이퍼의 면저항(Sheet Resistance,Rs)을 측정한다. 온도 보정용 웨이퍼의 많은 지점을 측정할수록 온도 균일성을 체크하는 데 유리하다. 본 발명의 일 실시예에서는 49 개의 지점을 측정하였다. 이렇게 측정된 저항을 초기 저항이라 정의한다.

다음으로, 온도를 알고 있는 CVD TiN 장치에서 온도 보정용 웨이퍼를 시험 열처리한다.(S300)

CVD TiN 증착 공정은 380 내지 450℃ 범위에서 공정이 진행된다. 따라서 온도를 잘 알고 있는 CVD TiN 장치에서 380 내지 450℃ 범위 내에서 시험 열처리 공정을 진행하여 온도 보정식을 만든다.

즉, 온도를 정확하게 알고 있는 CVD TiN 장치를 이용하여 온도 보정용 웨이퍼들을 400, 410, 420, 430, 440, 450℃의 온도에서 시험 열처리 공정을 진행하여 도 3에 도시된 바와 같이, 티타늄 금속막(30)과 알루미늄 금속막(40) 계면에서 TiAl₃(50)가 형성되도록 한다. 즉, 온도를 잘 알고 있는 CVD TiN 장치를 이용하여 온도를 변화시켜 가면서 공정 레서피(Recipe)를 사용하여 온도 보정용 웨이퍼에 TiAl₃(50)를 형성하여 저항을 변화시킨다. 티타늄 금속막(30)과 알루미늄 금속막(40)이 열에너지를 받으면 그 계면에서 확산에 의해 TiAl₃(50)가 형성된다. TiAl₃(50)의 비저항은 티타늄 금속막(30) 및 알루미늄 금속막(40)의 이중층보다 크기 때문에 열에너지를 받기 전보다 온도 보정용 웨이퍼의 저항은 증가한다.

시험 열처리에 의해 형성되는 TiAl₃(50)의 두께는 티타늄 금속막 두께, 알루미늄 금속막 두께, 시험 열처리 온도, 시험 열처리 시간에 의해 결정된다. 따라서,티타늄 금속막 두께, 알루미늄 금속막 두께, 시험 열처리 시간을 고정시키고 여러 온도에서 각각의 온도 보정용 웨이퍼를 시험 열처리한다. 따라서, 저항의 변화량으로 시험 열처리된 온도를 정확하게 알아낼 수 있다. 그리고, 이 경우 온도 보정용 웨이퍼에서 TiAl₃형성에 의한 저항 변화는 높은 재현성을 가지고 있다. 이 때, 공정 조건은 실제 공정 조건과 동일하게 하지만, 온도 보정용 웨이퍼에 다른 박막이 증착되지 않도록 한다. 이는 후술할 변화 저항 측정 시 이 박막의 저항까지 측정된다면 저항 변화가 온도 변화를 대변하지 못하기 때문이다.

그리고, 온도 보정용 웨이퍼를 시험 열처리한 후에는 시험 열처리에 의해 저항이 변한 각각의 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 측정한다.(S400)

각각의 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 4단자 용법으로 측정한다. 이 때 정확한 저항 변화를 알기 위해서 초기 저항을 측정했던 온도 보정용 웨이퍼의 지점에서 변화 저항을 측정해야 한다.

여러 온도에 따른 변화 저항과 초기 저항과의 차이값인 저항 변화값을 피팅하여 온도와 저항 변화값 사이의 함수 관계로 온도 보정식을 표현한다.

즉, 변화 저항과 초기 저항과의 차이값이 저항 변화값은 수학식 1과 같이 정의한다.

저항 변화값 = (변화 저항 - 초기 저항) * 100 / 초기 저항

그리고, 온도와 저항 변화값 사이의 대응 관계를 그래프로 그린다. 이 경우X축에 열처리 온도를, Y축에 저항 변화값을 나타내도록 하여 그래프로 그린다. 도 4에는 400 내지 450°범위에서 열처리 온도와 저항 변화값의 그래프가 도시되어 있다.

그리고, 이러한 그래프의 피팅(Fitting)을 통하여 온도와 저항 변화값 사이의 함수 관계인 온도 보정식을 만들어 낸다. 이러한 피팅은 선형, 2차, 3차, Gaussian, Exponential, Sigmoidal 또는 Lorentzian 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

도 4에서 A는 선형 근사를 적용한 피팅선이고 이 피팅선의 방정식, 즉 온도 보정식은 y = 0.343x - 126.5 이다. 여기서, x는 열처리 온도이고, y는 저항 변화값이다.

따라서, CVD TiN 장치의 히터의 온도는 수학식 2와 같다.

CVD TiN 장치의 히터의 온도 = (저항 변화값 + 126.5) / 0.343 [℃]

다음으로, 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에 초기 저항이 측정된 온도보정용 웨이퍼를 장착한다.(S500)

그리고, 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에서 온도 보정용 웨이퍼를 보정 열처리한다.(S600)

즉, 보정이 필요한 온도 범위 내 정해진 온도에서 보정 열처리 공정을 진행한다. 이때 공정 조건은 실제 공정 조건과 같게 하지만, 박막이 증착되지 않도록한다. 예컨대, CVD TiN 장치의 경우 공정 레서피를 사용하여 TiAl₃를 형성할 때 실제 박막은 증착되지 않도록 변형된 레서피를 사용하여 공정을 진행한다. 즉, CVD TiN 공정 레서피를 사용하여 TiAl₃를 형성할 때 실제 박막은 증착되지 않도록 TDMAT를 잠그고, RF Power를 Off하고, 1x100의 변형된 레서피를 사용한다. 예컨데, 공정 진행을 모두 450℃로 세팅된 레서피(Recipe)에서 진행하는 경우, 히터 블록의 열전대 측정기(Thermocouple Gauge)가 450℃를 읽고 있는 상태에서 공정을 진행한다.

다음으로, 보정 열처리에 의해 저항이 변한 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 4단자 용법으로 측정한다.(S700)

그리고, 시험 열처리에 의해 온도와 저항간의 함수관계로 표현된 온도 보정식을 이용하여 보정 열처리에 의해 변화된 저항에서 계산된 실제 온도를 이용하여 온도 보정이 필요한 장치의 온도를 보정한다.(S800)

즉, 수학식 2에 보정 열처리에 의한 저항 변화값을 대입하여 CVD TiN 장치의 히터의 실제 온도를 계산한다. 그리고, 이러한 실제 온도로 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치의 히터의 온도를 보정해준다. 다시 설명하면, 계산된 실제 온도와 온도 보정용 웨이퍼의 저항을 변화시킨 정해진 레서피 온도의 차이를 비교 분석하여 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치의 온도를 보정한다.

도 5에는 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치인 TCVN02 및 TCVN03의 각각의 챔버 2 및 3을 온도 보정용 웨이퍼의 여러 지점에서 저항 변화값을 측정한 결과를 도시하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 수학식 2의 온도 보정식을 이용하면, 450℃로 읽고 있는 각각의 챔버의 실제 온도는 CVD TiN 장치인 TCVN02의 챔버 2는 (23.5 + 126.5) / 0.343 의 계산에 의해 437℃가 된다.

동일하게 계산하면, TCVN02의 챔버 3은 446℃이고, CVD TiN 장치인 TCVN03의 챔버 2는 439℃, TCVN03의 챔버 3은 455℃ 임을 알 수 있다.

450℃와 상기 계산된 값 사이의 차이값만큼 CVD TiN 장치의 히터 온도를 쉬프트(Shift) 시켜서 CVD TiN 장치의 히터 온도를 보정해 줄 수 있다.

또한, 어느 하나의 CVD TiN 장치에 대한 온도 보정식이 만들어지면, 같은 공정을 진행하는 기타 모든 CVD TiN 장치의 히터 온도를 보정해 줄 수 있다. 그리고, 다른 공정을 진행하는 반도체 소자 제조 장치의 경우에는 온도를 알고 있는 장치로부터 온도 보정식을 일단 구해서 유사 장치의 온도를 보정함으로써 온도의 오차를 줄일 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법은 온도 보정용 웨이퍼의 열처리 전후의 저항을 비교함으로써 CVD TiN 장치의 히터의 온도를 보정하고, 따라서, CVD TiN 장치의 히터의 온도를 정확히 측정하여 온도 오차를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 산화막, 티타늄 금속막, 알루미늄 금속막이 순차 형성된 온도 보정용 웨이퍼의 초기 저항을 측정하는 단계;

   온도를 알고 있는 장치에서 상기 온도 보정용 웨이퍼를 380 내지 450℃ 범위에서 시험 열처리하는 단계;

   상기 시험 열처리에 의해 저항이 변한 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 측정한 후 시험 열처리 온도와 변화 저항의 함수 관계에 의한 온도 보정식을 계산하는 단계;

   온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에 초기 저항이 측정된 산화막, 티타늄 금속막, 알루미늄 금속막이 순차 형성된 온도보정용 웨이퍼를 장착하는 단계;

   상기 온도 보정이 필요한 CVD TiN 장치에서 온도 보정용 웨이퍼를 380 내지 450℃ 범위에서 보정 열처리하는 단계;

   상기 보정 열처리에 의해 저항이 변한 온도 보정용 웨이퍼의 변화 저항을 측정하는 단계;

   상기 온도 보정식에 의해 상기 보정 열처리에 의해 변화된 저항에 따른 실제 온도를 계산한 후 실제 온도를 이용하여 상기 온도 보정이 필요한 장치의 온도를 보정하는 단계;

   를 포함하는 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법.
2. 제1항에서,

   상기 산화막은 500 내지 1000Å 두께의 열 산화막 또는 TEOS 산화막 중 어느 하나인 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법.
3. 제2항에서,

   상기 티타늄 금속막의 두께는 100 내지 1000Å이며, 상기 알루미늄 금속막의 두께는 200 내지 6000Å인 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 온도 보정용 웨이퍼의 저항은 4단자 방법으로 측정하는 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 온도 보정용 웨이퍼를 시험 열처리하는 단계는 온도를 알고 있는 장치에서 온도의 변화에 따라 상기 온도 보정용 웨이퍼에 TiAl₃를 형성하도록 하여 상기 온도 보정용 웨이퍼의 초기 저항을 변화시키는 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   상기 온도 보정식은 여러 온도에 따른 상기 변화 저항과 상기 초기 저항과의차이값인 저항 변화값을 피팅하여 온도와 상기 저항 변화값 사이의 함수 관계로 표현되는 CVD TiN 장치의 온도 보정 방법.