KR20050018641A - 아미노실란 및 오존을 이용한 저온 유전체 증착 - Google Patents
아미노실란 및 오존을 이용한 저온 유전체 증착Info
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Abstract
본 발명은 오존을 포함하는 산화제와 함께 실리콘 전구체로서 아미노실란 또는 실리콘 알킬아미드 화합물을 사용하여 CVD 처리에 의해 낮은 온도(20 ∼ 400℃)에서 우수한 스텝 커버리지 및 높은 종횡비의 소자 구조를 채우는 능력을 갖는 유전층 또는 막을 증착하는 방법을 개시한다. 본 발명은 또한 오존을 포함하는 산화제 및 암모니아(NH3)와 함께 실리콘 전구체로서 아미노실란 또는 실리콘 알킬아미드 화합물을 사용하여 저온에서 실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy)를 증착하는 방법을 제공한다.
Description
본 출원은 2002년 7월 19일자 제출된 아미노실란 및 오존을 이용한 저온 유전체 증착이라는 명칭의 미국 임시 특허 출원 제 60/396,746 호에 관한 것으로, 이에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 발명의 참조문헌이 된다.
본 발명은 일반적으로 반도체 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 반도체 소자 및 웨이퍼 상의 화학 증착에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에서, 저압 열 화학 증착(CVD)은 우수한 스텝 커버리지 특성 및 만족스러운 갭필(gapfill) 종횡비를 갖는 프리메탈(premetal) 유전막을 생성한다. 비스(제 3 부틸아미노)실란(BTDAS) 및 Et2SiH2 등의 일부 전구체들은 화학 증착(CVD)에 의해 약 400℃의 온도에서 O2와 반응할 경우 SiO2를 생성한다. 그러나, 차세대 집적회로는 프리메탈 유전체(PMD) 및 스페이서 어플리케이션에 대해 저온 처리를 필요로 한다. 처리 온도를 낮추는 한 가지 대안은 고밀도 플라즈마(HDP) 화학 증착(HDPCVD) 처리를 이용하는 것이다. 이 HDPCVD 처리에 의해 300∼550℃의 온도 범위에서 인 도핑 유리(PSG) 또는 비도핑 규산염 유리(NSG)가 증착된다. 그러나, HDP 화학 증착은 그 유용성을 제한하는 약점을 갖고 있다. HDPCVD 처리는 갭필 능력을 약 3:1의 종횡비로 제한하는 한편, 고온 열 CVD 처리는 6:1 또는 보다 높은 종횡비의 보다 바람직한 갭필을 달성한다. 따라서, 업계에서는 우수한 스텝 커버리지를 유지하는 동시에 보다 낮은 온도에서 프리메탈 유전체에 대해 화학 증착을 행하는 방법을 필요로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 처리에 적합한 CVD 장치를 나타낸다.
본 발명은 우수한 스텝 커버리지 및 갭필 능력을 유지하면서 약 400℃ 이하의 저온에서 SiO2 및 다른 산화물을 실리콘 기판 상에 증착하는 방법을 제공한다.
본 발명의 이러한 방법은 도핑 및 비도핑 SiO2 증착에 모두 이용될 수 있다. IC 제조에 있어서 이러한 처리의 전형적인 응용은 프리메탈 유전체(PMD), 얕은 트렌치 절연(STI), 트렌치 라이너 및 스페이서 유전체이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 증착 처리는 또한 반응 가스로서 O3 및 NH3의 혼합물을 사용하여 실리콘 옥시나이트라이드에 대해 행해질 수 있다. 본 발명의 부가적인 형태는 SiC, SOI, 평판 패널, 텅스텐 또는 알루미늄 등의 실리콘 이외의 기판 사용을 포함한다.
본 발명의 한 특징으로, 처리 챔버에서 기판 표면 상에 유전층을 증착하는 방법이 제공되며, 이는 산화제 가스 및 실리콘 전구체를 포함하는 반응 가스에 기판을 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 산화제 가스는 오존을 포함하고, 실리콘 전구체는 실리콘 알킬아미드 및 아미노실란 중 적어도 하나를 포함한다. 이 방법은 약 20℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 실행된다.
본 발명의 다른 특징으로, 챔버에서 기판 상에 실리콘 옥시나이트라이드 층을 증착하는 방법이 제공되며, 이는 산화제 가스, 암모니아 및 실리콘 전구체를 포함하는 반응 가스에 기판을 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 산화제는 오존을 포함하고, 실리콘 전구체는 실리콘 알킬아미드 및 아미노실란 중 적어도 하나를 포함하며, 이 방법은 약 20℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 실행된다.
본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
본 발명은 화학 증착(CVD)에 의해 약 400℃ 이하의 온도에서 반도체 기판 상에 유전층 또는 막을 증착하는 새로운 낮은 열 소모 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서, CVD 반응은 다음 식으로 요약된다:
Si(NR1R2)4 산화제 가스 →SiO2 (1)
여기서, 실리콘 전구체는 Si(NR1R2)4이고, R1 또는 R2
= H, C1-C6 알킬, 싸이클릭 알킬, F 치환 알킬,
또는 Si(NR1R2)4-xLx (X=1, 2 또는 3), 여기서 L = H 또는 Cl이다.
식(1)에서, 아미노실란 및 실리콘 알킬아미드 화합물(실리콘 전구체라 함)에서의 Si-N 결합은 화학 변화를 일으키기 쉽고 다른 Si 함유 전구체들보다 낮은 온도에서 산화제 가스와 반응한다. 이러한 부류의 화합물로부터의 바람직한 실리콘 전구체들은 메틸에틸아미드 등의 보다 작은 R 그룹을 갖고 있다. 기판이 있는 반도체 또는 챔버 내에서 반응이 실행된다. 산화제 가스의 성분으로서 오존의 사용과 관련하여, SiO2 CVD 처리 온도는 저압 열 CVD 처리의 우수한 스텝 커버리지 특성 및 갭필 능력을 유지하면서 400℃ 미만으로 감소될 수 있다. 오존 가스는 물이나 O2 등의 다른 산화제로 달성될 수 있는 것보다 낮은 온도에서 산소 원자를 제공한다. 이러한 반응에서 실리콘 전구체의 산화는 약 200℃ 이하의 온도에서 우수한 결과를 제공하며, 20℃ 내지 300℃의 온도 범위가 바람직한 범위이다. 처리 가스 유량은 전구체 가스 유동에 대해 약 1 sccm 내지 1000 sccm 범위, 바람직하게는 약 10 내지 500 sccm 범위이다. 산화제 가스 유량은 약 10 내지 2000 sccm 범위, 바람직하게는 약 100∼2000 sccm 범위이다.
어떤 경우에는 균일성을 개선하는데 희석제 가스 유동이 사용될 수도 있지만 필수적인 것은 아니다. 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크세논 및 이들의 화합물 등의 불활성 가스가 희석제 가스로서 사용될 수 있다. 비용의 이유로 희석제 가스로는 질소 및 아르곤이 바람직하다. 희석제 가스 유량은 약 1 sccm 내지 1000 sccm의 범위이다. 압력이 필요한 범위 내에 있어야 하므로, 모든 경우에 가스 유량은 챔버 사이즈 및 펌핑 능력에 좌우되며, 이러한 변수들은 당업자들에 의해 일상적인 실험으로 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 형태로, 실리콘 옥시나이트라이드의 형성이 제공된다. 챔버 내에 배치된 기판이 다음의 반응물에 노출되고, CVD 반응은 다음 식으로 요약된다:
Si(NR1R2)4 + NH3 + O3 →SiOxNy (2)
여기서, 실리콘 전구체는 Si(NR1R2)4이고, R1 또는 R2
= H, C1-C6 알킬, 싸이클릭 알킬, F 치환 알킬,
또는 Si(NR1R2)4-xLx (X=1, 2 또는 3), 여기서 L = H 또는 Cl이다.
식(2)에서, 실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy)는 NH3 및 O3의 혼합물을 이용하여 저온에서 증착된다. 반도체 응용 외에도, SiOxNy는 SiO2에 대한 1.45와 실리콘 질화물에 대한 2.0 사이의 가변적인 굴절률로 인해 광학적 응용에 대해 중요한 재료가 된다. 식(1)의 반응에서와 같이, 아미노실란 또는 실리콘 알킬아미드 화합물에서의 Si-N 결합은 화학 변화를 일으키기가 상당히 쉽고 400℃ 미만에서 일어나는 저온 CVD 방법을 가능하게 하는 낮은 온도에서 오존과 반응한다. 본 발명의 이러한 형태에서, 암모니아(NH3)의 가스 유량은 약 10 sccm 내지 2000 sccm 범위, 바람직하게는 약 100 내지 2000 sccm 범위에 있다. 이 새로운 방법은 도핑 및 비도핑 SiO2 형성에 모두 이용될 수 있다. IC 제조에 있어서 이러한 방법의 전형적인 응용은 프리메탈 유전체(PMD), 얕은 트렌치 절연(STI), 트렌치 라이너 및 스페이서 유전체이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 형태에서, 압력이 변화되어 각각의 다른 응용에 대한 처리를 최적화한다. 식(1) 및 (2)를 참조하면, 우수한 결과를 갖는 대기압에서 반응이 행해질 수 있고, 또는 약 1 mTorr 내지 약 800 Torr까지의 범위 내의 압력에서 반응이 행해질 수도 있다. 예를 들어, 평평하지 않은 기판 상의 스텝 커버리지의 향상된 개선을 위해 감소된 압력에서 반응이 행해질 수 있다. 혹은, 보다 덜 엄격한 스텝 커버리지 요구 조건을 갖는 PMD 응용에 보다 높은 압력이 이용될 수 있다. 일반적으로, 압력이 점점 높아지면, 반응 속도 및 그에 따른 증착 속도가 보다 빨라진다.
본 발명에 사용되는 기판은 통상적으로 실리콘이다. 그러나, 실리콘 대신 SiC, SOI, 평판 패널, 텅스텐 또는 알루미늄 등의 다른 기판이 사용될 수도 있으며 이는 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다. 기판의 선택은 특정 응용에 좌우된다.
본 발명은 공통적으로 사용되는 CVD, PECVD, 분무 열분해, 아크 제트 증착 또는 ALD 시스템 등 공지된 증착 시스템에서 실행될 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 방법을 실행하는데 적합한 CVD 시스템(10)의 간소화된 단면도를 나타낸다. 실리콘 웨이퍼(100)가 증착 챔버(101)에 적재되어 웨이퍼 지지부 또는 척(102)에 의해 지지된다. 처리는 저압 또는 대기압 근처에서 행해질 수도 있다. 처리 챔버(101)에서 웨이퍼(100)는 지지부(102) 내에 바람직하게 위치하는 히터에 의해 증착 온도로 가열된다. CVD 처리를 위한 처리 압력은 주입기(110)에 의해 희석제 가스(103)를 챔버(101)에 유입시킴으로써 확립된다. 그리고, 반도체 및 박막 산업에 이용되는 종래의 가스 전달 방법을 이용하여 실리콘 전구체(104) 및 산화제(105)(및 SiOxNy가 증착된다면 NH3 또한) 가스가 챔버 내에 유입된다. 반응 가스들은 웨이퍼 가까이 전달된다. 반응 가스들은 혼합되고 반응하여 웨이퍼 표면 상에 목적하는 물질층을 형성한다. 목표 막 두께를 달성하는데 필요한 적절한 시간 후, 실리콘 전구체 및 산화제/NH3 가스 유동이 차단되고, 바람직하게는 희석제 불휘발성 가스 유동이 챔버로 전달되어 배기관(112)을 통해 챔버에서 나머지 반응물들을 제거한다. 적절한 제거 시간 후, 처리가 완료하고 웨이퍼가 처리 챔버로부터 옮겨진다.
본 발명의 실례가 되는 실시예는 CVD 증착이지만, 여기에 개시된 반응 및 방법들은 플라즈마 개선 CVD(PECVD), 분무 열분해, 아크 제트 또는 캐소드 아크 분무 증착 및 스핀 온 글라스(습식 화학) 증착을 포함하는 다른 증착 방법에 의한 유전막 증착에도 유리하다. 본 발명은 또한 원자 층 증착(ALD)에 적용될 수도 있으며, 반응물들은 독립적으로 전달될 수 있다.
본 발명은 특허법에서 요구하는 상세 및 특징에 따라 설명되었지만, 특허증에 의해 청구 및 보호받고자 하는 것은 첨부한 청구항에 개시된다.
Claims (17)
- 챔버 내에서 기판 상에 유전층을 증착하는 방법으로서,산화제 가스 및 실리콘 전구체를 포함하는 반응 가스에 상기 기판을 노출시키는 단계를 포함하며,상기 산화제 가스는 오존을 포함하고, 상기 실리콘 전구체는 실리콘 알킬아미드 및 아미노실란 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 챔버 내에 상기 반응 가스 세트가 존재할 때 상기 챔버는 약 20℃ 내지 400℃ 범위의 온도에 있는 유전층 증착 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 챔버 내에 상기 반응 가스 세트가 존재할 때 상기 챔버 내 압력은 1 mTorr 내지 760 Torr 범위인 것을 특징으로 하는 유전층 증착 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 챔버 내에서 상기 기판 위로 상기 반응 가스를 유동시킴으로써 상기 기판이 상기 반응 가스 세트에 노출되는 것을 특징으로 하는 유전층 증착 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 실리콘 전구체 가스에 대한 유동은 1 sccm 내지 1000 sccm이고 상기 오존 가스에 대한 유동은 10 sccm 내지 2000 sccm인 것을 특징으로 하는 유전층 증착 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 반응 가스와 함께 희석제를 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전층 증착 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응 가스는 암모니아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전층 증착 방법.
- 챔버 내에서 기판 상에 실리콘 옥시나이트라이드를 증착하는 방법으로서,산화제 가스, 암모니아 및 실리콘 전구체를 포함하는 반응 가스에 상기 기판을 노출시키는 단계를 포함하며,상기 산화제 가스는 오존을 포함하고, 상기 실리콘 전구체는 실리콘 알킬아미드 및 아미노실란 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 챔버 내에 상기 반응 가스 세트가 존재할 때 상기 챔버는 약 20℃ 내지 400℃ 범위의 온도에 있는 실리콘 옥시나이트라이드 증착 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 챔버 내에 상기 반응 가스 세트가 존재할 때 상기 챔버 내 압력은 1 mTorr 내지 760 Torr 범위인 것을 특징으로 하는 실리콘 옥시나이트라이드 증착 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 챔버 내에서 상기 기판 위로 상기 반응 가스를 유동시킴으로써 상기 기판이 상기 반응 가스 세트에 노출되는 것을 특징으로 하는 실리콘 옥시나이트라이드 증착 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 실리콘 전구체 가스에 대한 유동은 1 sccm 내지 1000 sccm이고 상기 오존 가스에 대한 유동은 10 sccm 내지 2000 sccm인 것을 특징으로 하는 실리콘 옥시나이트라이드 증착 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 반응 가스와 함께 희석제를 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 옥시나이트라이드 증착 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 희석제 가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 실리콘 옥시나이트라이드 증착 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤 또는 질소인 것을 특징으로 하는 실리콘 옥시나이트라이드 증착 방법.
- 챔버 내에서 기판 상에 실리콘 산화물을 증착하는 방법으로서,상기 챔버 내의 상기 기판에서 오존 및 실리콘 전구체를 반응시키는 단계를 포함하며, 상기 챔버는 400℃ 이하의 온도에 있으며, 상기 실리콘 전구체는 실리콘 알킬아미드 및 아미노실란 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 오존은 산화제 가스인 실리콘 산화물 증착 방법.
- 제 14 항에 있어서, 암모니아를 상기 산화제 가스 및 실리콘 전구체와 반응시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물 증착 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 챔버 내의 상기 기판에서 산화제 가스 및 실리콘 전구체를 반응시키는 상기 단계에서 상기 챔버에 희석제 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물 증착 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 온도는 20℃ 내지 400℃ 범위인 것을 특징으로 하는 실리콘 산화물 증착 방법.
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