KR20050094183A - 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 산화막 형성 방법 - Google Patents

화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 산화막 형성 방법 Download PDF

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Abstract

화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 산화막 형성 방법을 제공한다. 본 발명은 증착 챔버에 오존을 공급할 수 있는 오존 공급관과, TEOS를 공급할 수 있는 TEOS 공급관과, 증기를 공급할 수 있는 증기 발생 유니트와, 플라즈마 가스를 공급할 수 있는 원격 플라즈마 소스 유니트를 모두 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 일정한 공정 온도와 공정 압력으로 유지된 증착 챔버에 TEOS 및 증기와, 오존 또는 산소 라디칼을 공급하여 산화막을 형성한다. 이렇게 형성되는 산화막은 반도체 소자 제조를 위한 갭필 공정시 트랜치 사이나 층간 절연막 사이의 콘택홀을 씸 발생 없이 잘 매몰할 수 있다.

Description

화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 산화막 형성 방법{Chemical vapor deposition apparatus and method of forming an oxide layer using the same}
본 발명은 반도체 소자의 제조에 이용되는 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 산화막 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 얇은 트랜치(shallow trench)나 층간 절연막 사이의 콘택홀의 종횡비(aspect Ratio)가 증가하고 있다. 이에 따라, 상기 얇은 트랜치나 층간 절연막 사이의 콘택홀을 메우는 공정, 즉 갭필(gap fill process)이 어려워지고 있다. 그 일 예로, 얇은 트랜치를 메우는 갭필 공정을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 의한 얇은 트랜치를 메우는 갭필 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
구체적으로, 얇은 트랜치(12) 및 임의의 물질막 패턴들(14)이 형성된 실리콘 기판(10)의 전면에 갭필 공정에 의하여 상기 얇은 트랜치(12) 사이에 산화막(16)을 매몰한다. 상기 임의의 물질막 패턴들(14)은 게이트 산화막(14a) 및 게이트 전극(14b)일 수 있다. 상기 갭필 공정은 고압의 증착 챔버(미도시)에 TEOS(tetraethyl orthosilicate, Si(OC2H5)4)와 오존(O3)을 주입하여 TEOS와 오존의 열적 반응에 의해 얇은 트랜치(12) 내에 산화막을 형성함으로써 얇은 트랜치(12)를 매몰한다.
그런데, 종래 기술에 의한 갭필 공정의 갭필 특성은 우수하여 얇은 트랜치(12)에 산화막이 잘 매몰되나, 도 1에 도시한 바와 같이 얇은 트랜치(12) 내에 씸(18, seam)이 발생하는 문제점이 발생한다. 상기 씸(18)은 후속되는 습식 용액(wet chemical) 처리 과정에서 빠르게 함몰될 수 있다. 또한, 반도체 소자가 고집적화될 때 상기 씸(18)은 벌어지면서 인접한 도전 패턴들 사이가 서로 붙은 브릿지(bridge)의 가능성을 증가시킨다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 소자의 제조시 갭필 공정시에 씸 발생을 방지할 수 있는 화학 기상 증착 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 화학 기상 증착 장치를 이용한 산화막 형성 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 화학 기상 증착 장치는 증착 챔버와, 상기 증착 챔버 내에 위치하고 실리콘 기판이 재치되는 척과, 상기 증착 챔버 내의 척에 재치된 실리콘 기판에 대향하여 위치하고 가스를 분사시킬 수 있는 샤워 헤드를 포함한다.
더하여, 본 발명의 화학 기상 증착 장치는 상기 샤워 헤드에 연결되어 오존을 공급할 수 있는 오존 공급관과, 상기 샤워 헤드에 연결되어 TEOS를 공급할 수 있는 TEOS 공급관과, 상기 샤워 헤드에 연결되어 증기를 공급할 수 있는 증기 발생 유니트와, 상기 샤워 헤드에 연결되어 플라즈마 가스를 공급할 수 있는 원격 플라즈마 소스 유니트를 포함하여 이루어진다.
상기 증기 발생 유니트는 상기 샤워 헤드에 연결된 증기 공급관과, 상기 증기 공급관에 연결되고 수소 및 산소 반응에 의하여 증기를 발생시킬 수 있는 증기 발생기와, 상기 증기 발생기에 연결된 산소 및 수소 공급관을 포함하여 이루어진다.
상기 원격 플라즈마 소스 유니트는 상기 샤워 헤드에 연결된 원격 플라즈마 가스 공급관과, 상기 원격 플라즈마 가스 공급관에 연결되고 플라즈마를 발생시킬 수 있는 원격 플라즈마 소스와, 상기 원격 플라즈마 소스에 가스를 공급할 수 있는 가스 공급관을 포함하여 이루어진다. 상기 원격 플라즈마 소스에 연결된 가스 공급관은 산소 가스 공급관이고, 상기 원격 플라즈마 소스에서는 산소 라디칼을 발생시킬 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 증착 챔버의 척 상에 실리콘 기판을 로딩한 후, 상기 증착 챔버에 TEOS 및 증기와, 오존과 산소 라디칼중 적어도 어느 하나를 공급하여 상기 실리콘 기판 상에서 TEOS 및 증기와, 오존과 산소 라디칼중 적어도 어느 하나와의 반응에 의하여 산화막을 형성한다.
상기 증기는 수소 및 산소 반응에 의하여 증기를 발생시킬 수 있는 증기 발생기를 이용하여 공급하는 것이 바람직하다. 상기 산소 라디칼은 원격 플라즈마 소스에 의하여 공급하는 것이 바람직하다. 상기 산화막의 형성은 증착 챔버의 온도를 상온 내지 550℃로 하고, 상기 증착 챔버의 압력을 1 Torr 내지 760 Torr에서 수행하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명은 일정한 공정 온도와 공정 압력으로 유지된 증착 챔버에 TEOS 및 증기와, 오존 및/또는 산소 라디칼을 공급하여 산화막을 형성함으로써 반도체 소자 제조를 위한 갭필 공정시 트랜치 사이나 층간 절연막 사이의 콘택홀을 씸 발생 없이 잘 매몰할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
구체적으로, 본 발명에 의한 화학 기상 증착 장치는 증착 챔버(100)를 포함한다. 상기 증착 챔버(100) 내에는 실리콘 기판(102, 웨이퍼)이 재치되는(놓여지는) 척(104)이 위치한다. 상기 척(104)은 척 지지부(106)에 의하여 지지된다. 상기 증착 챔버(100) 내의 척(104)에 재치된 실리콘 기판(102)에 대향하여 상기 증착 챔버(100)의 상측에 가스를 분사시킬 수 있는 샤워 헤드(108, shower head)가 위치한다. 상기 증착 챔버(100)의 외측에는 상기 증착 챔버(100)를 가열할 수 있는 히터(110)가 위치한다. 그리고, 상기 증착 챔버(100)의 하부에는 상기 증착 챔버(100) 내의 압력을 낮출 수 있는 진공 배관(112) 및 진공 펌프(114)가 연결되어 있다.
상기 증착 챔버(100)의 상부에 위치하는 샤워 헤드(108)에는 오존을 공급할 수 있는 오존 공급관(116)이 연결되어 있다. 상기 오존 공급관(116)을 통하여 상기 증착 챔버(100)에 오존이 공급된다. 상기 샤워 헤드(108)에는 TEOS를 공급할 수 있는 TEOS 공급관(118)이 연결되어 있다. 상기 TEOS 공급관(118)을 통하여 상기 증착 챔버(100)에 TEOS가 공급된다.
상기 샤워 헤드(108)에는 증기(water vapor)를 공급할 수 있는 증기 공급관(120)이 연결되어 있다. 상기 증기 공급관(120)에는 수소 및 산소 반응에 의하여 증기를 발생시킬 수 있는 증기 발생기(122, water vapor generator)가 연결되어 있고, 상기 증기 발생기(122)에는 산소 공급관(124) 및 수소 공급관(126)이 연결되어 있다.
결과적으로, 상기 증착 챔버(100)에는 샤워 헤드(108)를 통하여 상기 증기 공급관(120), 증기 발생기(122), 산소 공급관(124) 및 수소 공급관(126)으로 이루어진 증기 발생 유니트를 이용하여 증기를 공급한다. 상기 증기 발생 유니트에 관하여는 도 3에서 자세히 설명한다.
그리고, 상기 샤워 헤드(108)에는 플라즈마 가스를 공급할 수 있는 원격 플라즈마 가스 공급관(128)이 연결되어 있다. 상기 원격 플라즈마 가스 공급관(128)에는 플라즈마를 발생시킬 수 있는 원격 플라즈마 소스(130)가 연결되어 있다. 상기 원격 플라즈마 소스(130)에에는 가스를 공급할 수 있는 가스 공급관(132)이 연결되어 있다.
결과적으로, 상기 증착 챔버(100)에는 샤워 헤드(108)를 통하여, 상기 원격 플라즈마 가스 공급관(128), 원격 플라즈마 소스(130) 및 가스 공급관(132)으로 이루어진 원격 플라즈마 소스 유니트를 이용하여 플라즈마 가스를 공급한다. 본 실시예에서는, 상기 가스 공급관(132)으로 산소 가스 공급관으로 구성하여 상기 산소 가스 공급관을 통하여 산소 가스를 공급함으로써 상기 샤워 헤드(108)에는 산소 라디칼이 공급되고, 이에 따라 상기 증착 챔버(100)에 산소 라디칼이 공급된다.
도 3은 도 2의 증기 발생 유니트를 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 2의 증기 발생 유니트는 증기 발생기(122)를 포함한다. 상기 증기 발생기(122) 내에는 리액터(203, reactor)가 포함되어 있고, 수소/산소 가스 공급원(201)에서 리액터(203, reactor)로 수소 가스 및 산소 가스를 공급하여 반응시킴으로써 증기를 발생시킨다.
이와 관련하여, 상기 증기 발생기 유니트에 포함된 증기 발생기는 산소 및 수소를 이용한 가스 소스를 이용하여 증기를 발생시킨다. 따라서, 본 발명의 증기 발생기는 일반적으로 이용되는 액체 소스를 이용하여 증기를 발생시키는 것보다 많은 양의 증기를 공급할 수 있고, 안정적으로 증기를 공급할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 이용된 증기 발생기는 가스 소스를 사용하기 때문에 반도체 소자를 제조하는 제조 공장에서도 유지 관리가 용이한 장점이 있다.
상기 리액터(203)의 후단에는 필요에 따라 희석 산소 가스 공급관(209)이 연결된다. 상기 희석 산소 가스 공급관도 상기 수소/산소 가스 공급원(201)에서 희석 산소 가스를 공급한다. 결과적으로, 상기 증기 발생기(122)에서 발생된 증기(및 산소 가스)는 증착 챔버(100) 내로 공급된다. 증기 발생기(122) 내의 참조번호 205는 필터를 나타내고, 참조번호 207은 가스 센서를 나타낸다.
도 4는 도 2의 원격 플라즈마 소스 유니트를 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 상기 원격 플라즈마 소스 유니트는 원격 플라즈마 소스(130)를 포함한다. 상기 원격 플라즈마 소스(130)는 플라즈마 가스가 발생되는 챔버(130a)와 상기 챔버(130a)에 전기적으로 연결되어 플라즈마 가스를 발생시킬 수 있는 RF 발생기(130b, RF generator)로 이루어진다. 상기 챔버(130a)에 가스 공급관(132)을 통하여 산소 가스를 공급하면 상기 원격 플라즈마 소스(130)에서 산소 라디칼이 발생되어, 원격 플라즈마 가스 공급관(128)을 통하여 증착 챔버로 공급된다.
도 5는 본 발명의 화학 기상 증착 장치를 이용하여 산화막을 형성하는 방법을 도시한 흐름도이다. 도 2 내지 도 4와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 증착 챔버(100) 내의 척(104) 상에 실리콘 기판(102)을 로딩한다(스텝 S1). 이어서, 상기 증착 챔버의 온도 및 압력을 진공 펌프(114) 및 히터(110)를 이용하여 공정 온도 및 공정 압력으로 유지한다. 본 실시예에서, 상기 증착 챔버(100)의 공정 온도는 상온 내지 550℃로 하고, 상기 증착 챔버(100)의 공정 압력은 1 Torr 내지 760Torr로 유지한다(스텝 S2).
다음에, 상기 공정 온도와 공정 압력으로 유지된 증착 챔버(100)에 TEOS 및 증기와, 산화제로서 오존 및/또는 산소 라디칼을 공급하여 상기 실리콘 기판(102) 상에서 TEOS 및 증기와, 오존 및/또는 산소 라디칼과의 반응에 의하여 산화막을 형성한다. 상기 오존과 산소 라디칼은 모두 공급할 수도 있고 어느 하나만을 공급할 수도 있다. 본 실시예에서, 상기 증기는 5cc∼50liter/분(min)의 범위로 공급한다(스텝 S3).
상기 증기 공급은 앞서 설명한 바와 같이 수소 및 산소 반응에 의하여 증기를 발생시킬 수 있는 증기 발생기(122)를 이용하여 공급한다. 상기 오존 공급은 오존 공급관(116)을 이용하여 공급하고, 상기 산소 라디칼은 원격 플라즈마 소스(130)를 이용하여 공급한다.
이하에서는, 상기 산화막의 형성 단계에 대하여 좀더 자세하게 설명한다.
상기 산화막은 TEOS와 증기를 반응시켜 Si(OH)4를 만들고 Si(OH)4가 H2O를 함유한 상태로 증착되면서 유동(flowable) 특성을 갖기 때문에 갭필 특성이 우수하여 씸의 발생을 방지하게 된다. 이와 아울러, 상기 산화막은 TEOS와 증기와의 수산화 반응(hydrolysis reaction)도 가능하여 유동 특성 향상과 아울러 씸의 발생을 방지하게 된다. 결과적으로, 상기 TEOS 및 증기를 반응시켜 산화막을 형성하는 이유는 갭필 공정시 씸의 발생을 방지함과 아울러 산화막의 유동 특성을 향상시키기 위함이다.
그런데, 상기 TEOS와 증기는 반응성이 낮으므로 여기에 촉매제로 오존 및/또는 산소 라디칼을 첨가하여 반응이 용이하게 일어나도록 한다. 상기 산소 라디칼은 앞서 설명한 바와 같이 원격 플라즈마 소스를 이용하여 공급한다. 상기 오존과 산소 라디칼은 함께 공급할 수도 있고 선택적으로 하나만 공급할 수도 있다.
도 6은 본 발명에 의한 얇은 트랜치를 메우는 갭필 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
구체적으로, 얇은 트랜치(302) 및 임의의 물질막 패턴들(304)이 형성된 실리콘 기판(300)의 전면에 갭필 공정에 의하여 상기 얇은 트랜치(302) 사이에 산화막(306)을 매몰한다. 상기 임의의 물질막 패턴들(304)은 게이트 산화막(304a) 및 게이트 전극(304b)일 수 있다. 상기 갭필 공정은 도 5에 설명한 바와 같은 방법으로 산화막(306)을 매몰한다. 즉, 공정 온도와 공정 압력으로 유지된 증착 챔버(도 2의 100)에 TEOS 및 증기와, 오존 또는 산소 라디칼을 공급하여 TEOS 및 증기와, 오존 또는 산소 라디칼과의 반응에 의하여 얇은 트랜치 사이에 산화막(306)을 매몰한다.
본 발명에 의해 갭필 공정을 수행할 경우, 도 6에 도시한 바와 같이 갭필 특성이 우수하여 얇은 트랜치(302)에 산화막이 잘 매몰됨과 아울러 종래 기술에서 문제가 되었던 얇은 트랜치(302) 내의 씸(seam) 발생이 방지된다. 이렇게 씸이 발생하지 않으면 후속의 습식 용액(wet chemical) 처리 과정에서 산화막의 함몰 현상을 개선할 수 있고, 반도체 소자가 고집적화될 때 상기 씸이 벌어지면서 인접한 도전 패턴들 사이의 브릿지(bridge)의 가능성을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 화학 기상 증착 장치는 증착 챔버에 오존을 공급할 수 있는 오존 공급관과, TEOS를 공급할 수 있는 TEOS 공급관과, 증기를 공급할 수 있는 증기 발생 유니트와, 플라즈마 가스를 공급할 수 있는 원격 플라즈마 소스 유니트를 모두 포함한다.
이에 따라, 본 발명은 일정한 공정 온도와 공정 압력으로 유지된 증착 챔버에 TEOS 및 증기와, 오존 또는 산소 라디칼을 공급하여 실리콘 기판 상에서 TEOS 및 증기와, 오존 및/또는 산소 라디칼과의 반응에 의하여 산화막을 형성할 수 있다. 이렇게 형성되는 산화막은 반도체 소자 제조를 위한 갭필 공정시 트랜치 사이나 층간 절연막 사이의 콘택홀을 씸 발생 없이 잘 매몰할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 얇은 트랜치를 메우는 갭필 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 도 2의 증기 발생 유니트를 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2의 원격 플라즈마 소스 유니트를 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 화학 기상 증착 장치를 이용하여 산화막을 형성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 의한 얇은 트랜치를 메우는 갭필 공정을 설명하기 위한 단면도이다.

Claims (8)

  1. 증착 챔버;
    상기 증착 챔버 내에 위치하고 실리콘 기판이 재치되는 척;
    상기 증착 챔버 내의 척에 재치된 실리콘 기판에 대향하여 위치하고 가스를 분사시킬 수 있는 샤워 헤드;
    상기 샤워 헤드에 연결되어 오존을 공급할 수 있는 오존 공급관;
    상기 샤워 헤드에 연결되어 TEOS를 공급할 수 있는 TEOS 공급관;
    상기 샤워 헤드에 연결되어 증기를 공급할 수 있는 증기 발생 유니트; 및
    상기 샤워 헤드에 연결되어 플라즈마 가스를 공급할 수 있는 원격 플라즈마 소스 유니트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증기 발생 유니트는 상기 샤워 헤드에 연결된 증기 공급관과, 상기 증기 공급관에 연결되고 수소 및 산소 반응에 의하여 증기를 발생시킬 수 있는 증기 발생기와, 상기 증기 발생기에 연결된 산소 및 수소 공급관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 원격 플라즈마 소스 유니트는 상기 샤워 헤드에 연결된 원격 플라즈마 가스 공급관과, 상기 원격 플라즈마 가스 공급관에 연결되고 플라즈마를 발생시킬 수 있는 원격 플라즈마 소스와, 상기 원격 플라즈마 소스에 가스를 공급할 수 있는 가스 공급관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 원격 플라즈마 소스에 연결된 가스 공급관은 산소 가스 공급관이고, 상기 원격 플라즈마 소스에서는 산소 라디칼을 발생시키는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  5. 증착 챔버의 척 상에 실리콘 기판을 로딩하는 단계;
    상기 증착 챔버에 TEOS 및 증기와, 오존과 산소 라디칼중 적어도 어느 하나를 공급하여 상기 실리콘 기판 상에서 TEOS 및 증기와, 오존과 산소 라디칼중 적어도 어느 하나와의 반응에 의하여 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화막 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 증기는 수소 및 산소 반응에 의하여 증기를 발생시킬 수 있는 증기 발생기를 이용하여 공급하는 것을 특징으로 하는 산화막 형성 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 산소 라디칼은 원격 플라즈마 소스에 의하여 공급하는 것을 특징으로 하는 산화막 형성 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 산화막의 형성은 증착 챔버의 온도를 상온 내지 550℃로 하고, 상기 증착 챔버의 압력을 1 Torr 내지 760 Torr에서 수행하는 것을 특징으로 하는 산화막 형성 방법.
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