KR20070037507A - 플라즈마 강화 화학 기상 증착(ｐｅｃｖｄ) 분야를 위한가열식 가스 박스 - Google Patents

플라즈마 강화 화학 기상 증착(ｐｅｃｖｄ) 분야를 위한가열식 가스 박스 Download PDF

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Abstract

처리 영역에서 기판상에 화학 기상 증착을 수행하는 방법 및 챔버는 가스 입구측 통로를 포함하는 가열식 리드를 갖춘 가스 박스, 및 상기 가열식 가스 박스로부터 기판 처리영역으로 가스를 전달하도록 위치된 면판을 포함한다. 또한, 열을 화학 기상 증착 챔버에 제공하는 방법은 열을 가스 박스의 리드에 공급하는 단계, 및 상기 리드로부터 전달된 열에 의해 상기 가스 박스에 연결된 면판을 가열하는 단계를 포함한다.

Description

플라즈마 강화 화학 기상 증착(ＰＥＣＶＤ) 분야를 위한 가열식 가스 박스 {HEATED GAS BOX FOR PECVD APPLICATIONS}
본 발명은 일반적으로, 마이크로프로세서 프로세싱 챔버 내에서 화학 기상 증착(CVD)된 필름을 제공하고 상기 챔버에 대한 개선된 세정기구를 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
화학 기상 증착 챔버들은 집적 회로 및 반도체 소자의 제작에 사용되는 기판 상에 산화물과 같은 재료를 증착하는데 사용된다. CVD 챔버에서, 가스 분배판이 가스를 챔버 내에 균일하게 분포시키기 위해 공통으로 사용된다. 그와 같은 균일한 가스 분배는 챔버 내에 위치된 기판의 표면 상에 재료의 균일한 증착을 달성하는데 필요하다. 가스 분배판은 일반적으로 가스 분배판 위의, 가스 박스로서도 공지된 혼합 영역으로부터 증착 가스를 수용한다. 가스 박스 내측으로의 가스 입구측 통로는 대략 100 ℃ 이하의 온도로 통상적으로 수냉된다. 히터는 일반적으로, 가스 분배판 아래에 있는 기판 지지부재 내에 배열된다. 히터는 통상적으로, 대략 100 내지 600 ℃ 범위로 가열된다. 따라서, 가스 분배판의 온도는 대략 가스 입구측 통로의 온도와 히터의 온도 사이에 있게 된다. 그러나, 가스 분배판이 가스 입구측 통로에 연결되기 때문에, 가스 분배판의 온도는 일반적으로, 히터의 온도보다 가스 입구측의 온도에 가깝다.
도 1은 두 개의 원격 플라즈마 소오스(800)에 연결되는 두 개의 프로세싱 영역(618,620)의 개략도이다. 하나의 원격 플라즈마 소오스(800)는 프로세싱 영역(618)에 연결되고, 다른 하나의 원격 플라즈마 소오스(800)는 프로세싱 영역(620)에 연결된다. 히터 받침대(628)는 구동 시스템(603)에 연결되어 챔버 몸체(612)의 바닥을 통해 연장하는 스템(626)에 의해 각각의 프로세싱 영역(618,620) 내에 이동가능하게 배열된다. 각각의 프로세싱 영역(618,620)은 차단판(602)을 통해 프로세싱 영역(618,620)으로 가스를 분배시키도록 챔버 리드(604)를 통해 배열되는 가스 박스(642)를 포함하는 가스 분배 조립체를 포함한다. 각각의 프로세싱 영역의 가스 분배 조립체(608)도 가스를 가스 박스(642)의 내측으로 분배하는 가스 입구측 통로(640)를 포함한다. 냉각 채널(652)은 각각의 가스 분배 조립체(608)의 기저판(648) 내에 형성되어서 작동 중에 기저판을 냉각시킨다. 입구(655)는 냉각제 라인(657)에 의해 서로 연결되는 냉각 채널(652)의 내측으로 물과 같은 냉각 유체를 분배한다. 냉각 유체는 냉각제 출구(659)를 통해 채널을 빠져 나간다. 이와는 달리, 냉각 유체는 매니폴드를 통해 순환된다.
카본 도프된 실리콘 산화물, 산소 도프된 실리콘 탄화물, 실리콘 산화물, 비정질 카본, 및 실리콘 질화물과 같은 CVD 필름을 위해, 증착률은 온도에 반비례한다. 기판 히터의 온도에 비해서 가스 분배판의 저온의 결과로서, 필름은 프로세싱 중에 가스 분배판 상에 종종 증착되어서 챔버 세정 주기의 증가 및 세정 가스 소모의 증가를 초래한다. 가스 분배판의 저온에 따라 초래되는 다른 결과는 기판 표면 의 전체에 걸친 화학물의 불균일한 분포인데, 이는 웨이퍼 전체에 걸친 불균일한 필름 특성을 초래한다.
증착 공정 또한, 통상적으로 증착 챔버의 구성 부품 및 벽 상에 일부 재료의 증착을 초래한다. 재료가 프로세싱 중에 가스 분배판을 통해 분배되기 때문에, 종종 가스 분배판 상의 증착을 초래하여 가스 분배판 상의 구멍을 막게 되거나 증착된 재료의 박리로 인해 미립자들이 기판 상에 떨어지게 된다. 이는 기판 상의 증착 균일도를 감소시키고 기판을 오염시킨다. 따라서, 증착 챔버의 내측을 규칙적으로 세정시킬 필요가 있다.
가스 분배판을 포함한 증착 챔버 구성부품들을 세정하는 여러 방법들이 발전되어 왔다. 예를 들어, 원격 플라즈마 세정 공정이 사용될 수 있다. 초단파 플라즈마 시스템, 토로이달(Toroidal) 플라즈마 발생기, 또는 이와 유사한 장치들이 원격 플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있다. 원격 플라즈마로부터 용해된 물질의 종(species)들은 증착 챔버로 이송되어서 이들 종들이 하부 증착물과 반응하여 이들 증착물을 에칭시킨다. 또한, 인 시츄(in situ) 챔버 세정 작업으로 챔버 벽의 내측 상에 있는 증착물들을 제거하는 것도 일반적이다. 일반적인 챔버 세정 기술들은 챔버의 벽과 다른 영역들로부터 증착된 재료들을 제거하기 위해서 불소 또는 산소와 같은 에칭 가스의 사용을 포함한다. 이들 에칭 가스는 챔버의 내측으로 도입되고 플라즈마가 형성되어 이들 에칭 가스가 증착된 재료와 반응하여 챔버 벽으로부터 이들 증착된 재료들을 제거한다. 또한, 기판 지지대 내에 매설된 열교환 유체나 가열 소자에 의해 챔버 내부로 열이 공급될 수 있는데, 이는 세정 공정이나 다른 챔버 공정들을 촉진시킨다.
그러나, 종래의 챔버 세정 방법들은 여전히 상당량의 시간을 필요로 한다. 챔버를 세정하는데 오랜 시간이 걸리면 걸릴수록, 주어진 시간 내에 처리될 수 있는 기판의 수가 더 적어지며 챔버를 세정하는데 소모되는 가스의 양이 더 많아지게 된다.
그러므로, 증착 챔버의 프로세싱 영역 내측으로 가스를 분배하고 가열하며 증착 챔버를 세정하기 위한 개선된 방법의 필요성이 존재하고 있다.
본 발명은 일반적으로, 가스 입구측 통로를 갖춘 가열식 가스 박스 및 상기 가열식 가스 박스로부터 기판 처리영역으로 가스를 유도하도록 위치된 면판(face plate)을 포함하는, 처리 영역에서 기판 상에 화학 기상 증착을 수행하는 챔버를 제공한다. 본 발명은 또한, 기판 지지대로, 그리고 가스 입구측 통로를 갖춘 가스 박스로 열을 공급하는 단계를 포함하는, 화학 기상 증착 챔버로 열을 제공하는 방법을 제공한다. 면판 대신에 가스 박스를 가열하는 것은 가스 박스 내의 증착을 감소시키며 그에 따라 챔버의 세정 시간을 감소시킨다. 본 발명은 카본 도프된 실리콘 산화물, 산소 도프된 실리콘 탄화물, 실리콘 산화물, 도프된 비정질 탄소, 및 실리콘 질화물의 증착 공정과 같은, 증착률이 온도에 반비례하는 CVD 공정을 위한 세정 시간을 감소시킨다.
본 발명의 전술한 특징들이 더욱 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 첨부도면에 일부가 도시되어 있는 실시예들을 참조하여 위에서 간단히 요약한 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 첨부 도면은 본 발명의 전형적인 실시예만을 도시한 것이므로, 본 발명의 범주의 제한하는 것이라 이해하면 않 되며 다른 동등한 유효한 실시예들이 본 발명에 포함된다고 이해해야 한다.
도 1은 냉각 채널을 특징으로 하는 가스 박스를 갖춘 종래의 증착 챔버에 대한 개략도이며,
도 2는 가열 인서트(heated insert)를 갖춘 가스 분배 조립체의 실시예를 도시하는 개략도이며,
도 3은 매설된 가열 소자를 갖춘 가스 분배 조립체의 다른 실시예를 도시하는 개략도이며,
도 4는 가스 입구측 통로의 상부에 놓이는 가열 소자를 갖춘 가스 분배 조립체의 또 다른 실시예를 도시하는 개략도이며,
도 5는 가스 입구측 통로의 측면을 따라 놓이는 가열 소자를 갖춘 가스 분배 조립체의 또 다른 실시예를 도시하는 개략도이다.
본 발명은 기판 처리 챔버 내에서 필름을 화학 기상 증착하고 상기 챔버의 개선된 세정을 위한 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 설명된 장치 및 방법으로부터 유익할 수 있는 증착 챔버에는 카본 도프된 실리콘 산화물과 같은 산화물, 실리콘 함유 필름, 및 진보된 패턴 필름(APF)을 포함하는 다른 유전체 재료를 증착하는데 사용될 수 있는 챔버가 포함된다. 증착 챔버의 예로는 미국 캘리포니아 산 타클라라 소재의 어플라이드 머티리얼스 인코포레이티드로부터 이용가능한 프로듀서(등록 상표) 챔버가 있다. 프로듀서 챔버는 카본 도프된 실리콘 산화물 및 기타 재료를 증착하는데 사용될 수 있는 두 개의 격리된 프로세싱 영역을 갖는 CVD 챔버이다. 두 개의 격리된 프로세싱 영역을 갖는 챔버는 본 발명에 참조된 미국 특허 제 5,855,681호에 설명되어 있다. 프로듀서 챔버는 원격 플라즈마가 공급될 수 있는 포트를 가진다. 미국 콜로라도 포트 콜린스 소재의 어드밴스트 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드로부터 이용가능한 원격 플라즈마 소오스를 갖춘 프로듀서 챔버, 모델 번호 5707024-F는 본 발명에 설명된 방법 실시예에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 원격 플라즈마 소오스가 프로듀서 챔버로 공급될 수 있는데, 여기서 하나의 원격 플라즈마 소오스는 프로듀서 챔버의 두 개의 격리된 프로세싱 영역에 연결된다. 그러나, 후술하는 프로세스에서는 예를 들어, 티(tee) 라인에 의해 프로듀서 챔버의 각각의 프로세싱 영역에 연결되는 두 개의 원격 플라즈마 소오스를 사용하여 유동률을 조정함으로써 수행될 수 있다. 후술되는 가스 유동률은 격리된 각각의 프로세싱 영역에서 수행되는 유동률을 의미한다. 전체적으로 프로듀서 챔버에 의해 수행되는 가스 유동률, 즉 두 개의 격리된 프로세싱 영역의 조합 유동률은 각각의 격리된 프로세싱 영역에 의해 수행된 가스 유동률의 대략 두 배이다. 몇몇의 실시예가 두 개의 프로세싱 영역을 갖는 프로듀서 챔버의 단일 프로세싱 영역의 세정으로서 설명되어 있지만, 본 발명에서 설명된 방법은 하나 이상의 프로세싱 영역을 갖는 챔버의 프로세싱 영역을 세정하는데 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예의 단면도이다. 챔버(200)는 가스 입구측 통로(640) 및 가스 박스(642)를 포함하며, 상기 가스 박스는 가스 박스(642)의 상부를 따라, 그리고 면판(203)의 상부면을 따라 환형 인서트(201) 내에 매설된 가열 소자에 의해 가열된다. 가열 소자 인서트(201)는 클램핑 판(202)에 의해 정위치에 안정화된다. 절연 부재(205)는 클램핑 판의 상부면을 절연시킨다. 가열 소자 인서트(201)는 미국 미주리 세인트 루이스 소재의 와트로우 코포레이션으로부터 이용가능한 부품 번호 168168500인 왈트로우 히터와 같은 실리콘 고무 히터일 수 있다. 인서트(201)는 또한 외측 표면 주위에 와이어 권선을 가질 수 있다. 열전쌍이 상부면을 따라 삽입되고 인서트(201)의 중심 내측으로 매설될 수 있다. 클램핑 판(202)이 절연체로서 작용할 수 있다. 클램핑 판(202)은 알루미늄과 스테인레스 합금 또는 혼합물로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 절연부재가 인서트(201)의 상부면 또는 클램핑 판(202)의 상부면을 따라 제공될 수 있다.
도 3은 도 2의 챔버에 대한 다른 대체 실시예의 단면도이다. 챔버(300)는 가스 입구측 통로(640)의 주변부에 결합되고 매설, 주조 또는 인서트되는 가열 소자(도시 않음)을 위한 채널(301)을 포함하는 면판(203)의 벽(302)을 가진다. 가스 분배 조립체(608)는 열을 면판(203)으로 전달할 수 있는 알루미늄과 같은 재료로 구성된다.
도 4는 도 2의 챔버에 대한 또 다른 대체 실시예의 단면도이다. 본 실시예의 챔버(400)는 가스 입구측 통로(640)의 상부를 따라 인서트(401)를 갖는 가스 입구측 통로(640)를 가진다. 인서트(401)는 매설된 가열 소자를 갖는 고체 금속인 링형 히터이다. 인서트(401)는 면판(402)의 상부에 클램프 고정된다. 인서트(401)는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 차단 판(402)도 면판(203)으로의 열전달을 촉진시키도록 알루미늄과 같은 전도성 재료로 제조될 수 있다. 면판(203)도 알루미늄으로 제조될 수 있다.
도 5는 도 2의 챔버에 대한 또 다른 대체 실시예의 단면도이다. 본 실시예의 챔버(500)는 면판(203)용 지지대(502)의 상부 에지 및 차단 판(602)의 바닥 에지의 원주변을 따라 인서트(501)를 갖는 가스 입구측 통로(640)를 가진다. 가스 입구측 통로(640)의 직경은 인서트(501)를 수용하도록 감소될 수 있다. 인서트(501)는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 인서트(501)는 매설된 가열 소자를 가지거나 가열 소자가 인서트(501)의 중앙에 있는 홈 내에 위치될 수 있다.
작동시, 프로세스 가스 및 캐리어 가스는 가스 입구측 통로(640)로 진입하기 이전에 예열될 수 있다. 또한, 가스가 가스 박스로 진입할 때 도 2 내지 도 5에 도시한 다양한 가열 소자에 의해 추가로 가열될 수 있다. 그 후 가스는 면판을 통해 유동되어 챔버의 프로세싱 영역으로 진입한다. 면판은 가스 입구측 통로를 이탈할 때 가스에 의해 직접적으로 가열되며 가스 박스로 공급되는 열에 의해 간접적으로 가열된다.
가스 박스를 가열하는 것은 면판을 간접적으로 가열하여 에칭 종의 재결합을 감소시킬 수 있다. 이는 또한, 가스 박스 내의 증착을 감소시켜 세정 시간을 감소시킨다. 증착률이 온도에 반비례하는 CVD 프로세스에 대한 이러한 세정 시간의 감소는 탄소 도프된 실리콘 산화물, 산소 도프된 실리콘 탄화물, 실리콘 산화물, 비 정질 탄소, 및 실리콘 질화물과 같은 필름에 바람직할 수 있다.
가스 입구측 통로의 설정 온도가 75℃로부터 200℃로 증가할 때, 면판 에지의 온도는 약 100℃로부터 약 175℃로 증가된다. 면판 에지의 온도가 설정 온도의 함수로서 나타내질 때, 그 그래프의 경사도는 곡선이다. 가스 입구의 설정 온도가 75℃로부터 125℃로 증가될 때, 면판 에지의 온도는 약 100℃로부터 약110℃로 증가한다. 가스 입구의 설정 온도가 125℃로부터 200℃로 증가할 때, 면판 에지의 온도는 약 110℃로부터 약 175℃로 증가한다.
예열된 헬륨이 6 Torr에서 9000sccm으로 기판과 면판 사이에 200mm의 간격을 갖는 챔버의 프로세싱 영역과 예열된 가스 입구측 통로로 도입될 때, 상기 에지와 면판 중앙의 온도는 가스 입구측 통로의 설정 온도의 함수로서 나타내진다. 면판 중앙 및 면판 에지에서 두 온도에 대한 곡선 경사도는 유사하다. 면판 중앙의 온도는 면판 에지보다 약 80℃ 더 높았다.
예열된 가스가 카본 도프된 실리콘 산화물 필름 증착에 어떤 영향을 주는지를 설명하기 위해, 헬륨을 함유한 산소 중에 트리메틸실란이 챔버로 도입되었다. 가스 박스 및 기판 지지대는 120, 150, 175, 및 200℃로 가열되었다. 온도가 증가함에 따라, 필름 두께와 필름 증착률이 기판 표면에 걸쳐서 증가되었으며 면판과 같은 다른 챔버 표면에 따라 형성되는 바람직하지 않은 증착물이 감소되었다.
가열된 가스 박스가 다른 카본 도프된 실리콘 산화물 필름 증착에 어떤 영향을 끼치는지를 설명하기 위해, 옥타메틸시클로테트라실록산 및 산소가 챔버 내측으로 도입되었다. 가스 입구측 통로 및 기판 지지대는 120, 150, 175, 및 200℃로 가열되었다. 온도가 증가하면서, 필름 두께는 약 60초간 시험 중에 약 7800Å으로부터 약 9600Å으로 증가되었다. 필름 증착률은 60초간 시험 중에 분당 약 7800Å으로부터 약 9600Å으로 증가되었다.
도프되지 않은 실리콘 글라스 위의 트리에틸옥시실란 필름이 다른 온도에서 에칭되었다. 기판 지지대와 가스 입구측 통로 온도 설정의 함수로서의 에칭 기울기는 기판 지지대와 가스 입구측 통로의 온도가 증가될 때, 필름 에칭률도 증가한다는 것을 보여준다. 200℃의 가스 입구측 통로의 온도를 갖는 시스템의 에칭률은 종래 시스템의 에칭률의 두 배보다 크지 않았다.
기판 표면 전체에 걸친 에칭률은 기판의 중심부, 에지, 및 기판의 에지와 중심부의 중간부에서 측정되었다. 트리메틸실란 필름이 쿠폰(coupon) 상에 증착되었다. 에칭은 200℃의 가스 입구측 통로및 350℃의 기판 지지대에서 15초간 수행되었다. NF3가 9000sccm에서 헬륨과 함께 2500sccm으로 시스템으로 공급되었다. 압력은 6 Torr였다. 필름은 200 mm 층으로 증착되었다. 1번의 측정이 중심부에서 이루어졌고 4번의 측정이 기판의 중간부와 에지에서 이루어졌다. 에지에 따른 평균 에칭률은 약 115 KÅ/분이었다. 기판의 중간부에 따른 평균 에칭률은 약 134 KÅ/분이었다. 중심부의 에칭률은 약 120 KÅ/분이었다.
챔버 마운드의 광학적 종점 검출은 가스 입구측 통로가 6 Torr에서 1500sccm의 NF3 및 1000sccm의 He 유동률을 가지며 200℃로 설정되었을 때 측정되었다. 플라즈마는 350W였다. 필름 두께는 450nm였다. 전압은 시간의 함수로서 측정되었 다. 1 nm의 카본 도프된 실리콘 산화물의 종점은 약 70초였다.
종래 시스템보다 짧은 세정 시간으로의 신뢰성 있는 시험으로 미립자 스파이크(particle spike)를 갖지 않는 기판이 생산되었다. 또한, 챔버는 반복 시험 후의 검사로도 깨끗했다.
이제까지의 설명은 본 발명의 실시예에 관한 것이었지만, 본 발명의 기본 범주를 이탈함이 없는 본 발명의 다른 및 추가의 실시예들이 있을 수 있으며 이러한 본 발명의 범주는 이후의 청구의 범위에 의해 정의된다.

Claims (9)

  1. 가스 입구측 통로를 포함하는 가열식 리드를 갖춘 가스 박스, 및
    상기 가열식 가스 박스로부터 기판 처리영역으로 가스를 전달하도록 위치된 면판을 포함하는,
    처리 영역에서 기판상에 화학 기상 증착을 수행하는 챔버.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열식 리드와 면판과 접촉하는 인서트 내부에는 가열 소자가 매설되어 있는,
    처리 영역에서 기판상에 화학 기상 증착을 수행하는 챔버.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열식 리드의 상면을 따라 위치되는 인서트의 내부에는 가열소자가 매설되어 있는,
    처리 영역에서 기판상에 화학 기상 증착을 수행하는 챔버.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 인서트는 실리콘 고무 인서트인,
    처리 영역에서 기판상에 화학 기상 증착을 수행하는 챔버.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘 고무 인서트는 와이어 권선인,
    처리 영역에서 기판상에 화학 기상 증착을 수행하는 챔버.
  6. 열을 가스 박스의 리드에 공급하는 단계, 및
    상기 리드로부터 전달된 열에 의해 상기 가스 박스에 연결된 면판을 가열하는 단계를 포함하는,
    열을 화학 기상 증착 챔버에 제공하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 리드와 면판 사이에 위치되는 인서트 내부에는 가열 소자가 매설되어 있는,
    열을 화학 기상 증착 챔버에 제공하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열 소자는 실리콘 고무 인서트 내에 매설되는,
    열을 화학 기상 증착 챔버에 제공하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 실리콘 고무 인서트는 와이어 권선인,
    열을 화학 기상 증착 챔버에 제공하는 방법.
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