KR20070041650A - 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치를 이용한 갭필 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 챔버; 상기 챔버의 내부에 위치하는 기판안치대; 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하는 가스분사수단; 상기 챔버의 외부에 위치하는 소스RF전원; 상기 소스RF전원이 연결되는 안테나; 상기 기판안치대에 연결되는 바이어스RF전원을 포함하는 HDPCVD장치를 이용하여 소자의 트렌치 또는 콘택홀을 갭필하는 방법에 있어서, 상기 소스RF전원은 5MHz 내지 300MHz의 주파수범위를 가지는 갭필 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 저압분위기에서 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있으므로 갭필 성능을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

갭필, HDPCVD,

Description

고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치를 이용한 갭필 방법{Gap-fill method using high density plasma chemical vapor deposition apparatus}

도 1은 일반적인 갭필공정을 나타낸 도면

도 2는 일반적인 ICP장치의 구성도

도 3은 종래 안테나의 구성도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 HDPCVD장치의 개략 구성도

도 5는 병렬공명안테나의 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : HDPCVD장치 110 : 챔버

120 : 서셉터 130 : 인젝터

140 : 절연플레이트 151 : 소스 RF전원

152 : 바이어스 RF전원 161 : 제1 매처

162 : 제2 매처 170 : 안테나

180 : 배기구

본 발명은 고밀도 플라즈마 화학기상증착 장치를 이용하여 반도체소자제조공정에서 갭필성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 금속배선의 선폭과 간격이 점차 미세해지고 있으며, 소자분리막의 형성도 종래의 LOCOS(LOCal Oxidation Silicon)공정 대신에 소자 사이에 좁고 깊은 트렌치를 형성한 후 이를 절연물질로 갭필(gap fill)하는 STI(Shallow Trench Isolation) 기술이 주로 사용되고 있는 추세이다.

STI공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)에 예를 들어 산화막(12a) 및 질화막(12b)을 순차적으로 형성하고, 소자분리용 마스크를 이용한 식각공정을 통해 트렌치(11)를 형성한 다음, 절연물(13)을 이용하여 트렌치(11)의 내부를 갭필하는 순서로 진행된다.

갭필공정에서는 트렌치(11)의 바닥면에서부터 순차적으로 절연물(13)이 증착되어야 하지만, 트렌치(11)의 바닥면 뿐만 아니라 입구나 측벽에도 동시에 증착이 일어남으로써 발생하는 오버행 현상 때문에 절연물(13)의 내부에는 보이드(14)가 생기는 경우가 빈번하며, 이러한 보이드(14)는 소자특성을 저하시키는 원인이 된다.

트렌치의 종횡비가 커질수록 보이드의 발생확률이 높아지기 때문에 갭필 공정에서는 보이드(14)의 발생을 억제하는 것이 중요한 공정목표 중의 하나라고 할 수 있다.

갭필공정은 일종의 증착공정이기 때문에 화학기상증착장치를 이용하여야 하는데, 반도체소자의 집적도가 높아지고 트렌치의 종횡비가 커짐에 따라 일반적인 화학기상증착장치를 이용하여 갭필하는 데는 한계가 있다.

따라서 최근에는 갭필공정을 위해 고밀도 플라즈마 화학기상증착(HDPCVD: High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) 장치를 사용하는 추세이며, 특히 저압분위기에서 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 것이 STI 갭필공정의 핵심 요소로 알려져 있다.

일반적으로 고밀도 플라즈마 소스에는 유도결합형 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma), 마이크로파를 이용하는 전자 사이클로트론 공진(ECR: Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마, 헬리콘(Helicon) 파를 이용하는 헬리콘 플라즈마 등이 있으나, 넓은 면적에서 안정하고 균일한 플라즈마를 생성할 수 있고 그 구조가 비교적 간단하다는 점에서 ICP가 많이 사용되고 있다.

도 2는 ICP방식의 HDPCVD장치(20)를 예시한 것으로서, 이를 살펴보면, 반응영역을 형성하는 챔버(21)의 내부에 기판(s)을 안치하는 기판안치대(22)가 위치하며, 챔버(21)의 측벽에는 상기 기판안치대(22)의 상부로 소스물질을 분사하는 인젝터(23)가 설치된다.

상기 챔버(21)의 상면은 세라믹 재질의 절연플레이트(24)로 이루어지며, 절연플레이트(25)의 상부에는 안테나(25)가 설치되고, 안테나(25)에는 소스RF전원 (26)이 연결된다. 소스RF전원(26)과 안테나(25)의 사이에는 임피던스를 정합시키는 제1 매처(27)가 설치된다. 안테나(25)는 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 코일이 나선형으로 감긴 형태가 주로 사용된다.

기판안치대(22)에는 이온에너지를 제어하기 위한 바이어스RF전원(28)이 연결되며, 바이어스RF전원(28)과 기판안치대(22)의 사이에도 임피던스 정합을 위해 제2 매처(29)가 설치된다.

이와 같은 HDPCVD장치(20)에서 인젝터(23)를 통해 예를 들어 SiH₄, O₂ 등의 소스물질을 챔버 내부로 분사하고 소스RF전원(26)을 인가하면, 안테나(25)에 의하여 챔버 내부에 발생된 유도전기장이 전자를 가속시키고, 가속된 전자가 중성기체와 충돌함으로써 이온, 활성종 및 전자의 혼합체인 플라즈마가 발생한다. 이렇게 생성된 이온 및 활성종이 트렌치 내부로 입사하여 갭필이 이루어진다.

소스RF전원(26)에는 주로 2MHz의 주파수가 이용되고, 바이어스 RF전원(26)에는 13.56MHz의 주파수가 주로 이용된다. 소스 RF전원(26)은 플라즈마를 발생 및 유지시키는 역할을 하고 바이어스 RF전원(26)은 기판(s)으로 입사하는 이온의 에너지를 제어하는 역할을 한다.

HDPCVD장치(20)에서 이와 같이 바이어스 RF전원(26)에 상대적으로 높은 주파수의 전원이 이용되는 것은 이온 에너지를 보다 정밀하게 제어하기 위한 것이다.

그런데 트렌치의 종횡비가 커지면 원활한 갭필을 위해서 이온의 평균자유행 로(mean free path)를 길게 하는 것이 바람직하기 때문에 최근에는 공정압력을 더욱 낮추는 추세에 있고, 특히 수 mTorr의 낮은 공정압력이 요구되기도 한다.

그러나 이러한 저압영역에서 2MHz의 소스RF전원(26)을 이용하면 임피던스 매칭이 안정적으로 이루어지지 않기 때문에 플라즈마의 안정도가 크게 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 소스물질의 평균자유행로에 상대적으로 영향을 덜 미치는 He, H₂ 등의 가스를 소스물질과 함께 주입하여 공정압력을 높이는 방법이 이용되고 있으나, 이 방법도 갭필 성능을 향상시킬 수 있는 근본적인 방법이 아니기 때문에 최근 디자인 룰이 60nm이하까지 도달하면서는 한계에 부딪힌 상황이다.

본 발명은 기존의 HDPCVD장치가 직면한 갭필 성능의 한계를 극복하여 종횡비가 큰 트렌치를 원활하게 갭필할 수 있는 방안을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 챔버; 상기 챔버의 내부에 위치하는 기판안치대; 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하는 가스분사수단; 상기 챔버의 외부에 위치하는 소스RF전원; 상기 소스RF전원이 연결되는 안테나; 상기 기판 안치대에 연결되는 바이어스RF전원을 포함하는 HDPCVD장치를 이용하여 소자의 트렌치 또는 콘택홀을 갭필하는 방법에 있어서, 상기 소스RF전원은 5MHz 내지 300MHz의 주파수범위를 가지는 갭필 방법을 제공한다.

상기 바이어스 RF전원은 13.56MHz 내지 100MHz의 주파수범위를 가지는 것이 바람직하다.

상기 안테나는 서로 다른 직경을 가지고 동일 평면상에 동심원으로 배치되며, 상기 소스 RF전원에 대하여 병렬로 연결되는 다수의 코일을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 소스RF전원은 500W 내지 10KW의 전력을 제공하고, 바이어스RF전원은 500W 내지 5KW의 전력을 제공하는 것이 바람직하다.

상기 챔버의 내부압력을 0.2 내지 2mTorr 의 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 가스분사수단을 통해서 챔버 내부로SiH₄ 및 O₂를 공급하는 경우에 있어서, SiH₄은 5 내지 100sccm의 유량으로 공급하고, O₂는 10 내지 200sccm 의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 HDPCVD장치(100)의 개략적인 구성을 도시한 것으로서, 밀폐된 반응영역을 형성하는 챔버(110)의 내부에 기판안치대(120)가 위치하고, 챔버(110)의 측벽에는 상기 기판안치대(120)의 상부로 소스물질을 공급하는 인젝터(130)가 설치된다.

인젝터(130)는 소스물질을 균일하게 공급하기 위하여 다수 개가 대칭적으로 설치되며, 기판안치대(120)를 관통하는 가스유로(미도시)를 통해 기판안치대(120)의 주변부에서 기판(s)의 상부방향으로 소스물질을 공급하는 가스분사수단을 추가로 설치할 수도 한다.

이러한 형태의 인젝터(130) 대신에 다수의 분사홀을 가지는 가스링을 설치할 수도 있고, 다수의 분사홀을 가지는 평판형상의 가스분배판을 기판안치대(120)의 상부에 설치할 수도 있다.

한편, 챔버(110)의 상면은 RF자기장이 챔버 내부로 효과적으로 전달될 수 있도록 절연물질로 이루어지는데, 도 4에 도시된 바와 같이 세라믹 재질의 절연플레이트(140)가 설치될 수도 있고, 절연재질의 돔(dome)이 설치될 수도 있다.

절연플레이트(140)의 상부에는 안테나(170)가 설치되며, 안테나(170)에는 소스RF전원(151)이 연결되고, 소스RF전원(151)과 안테나(170)의 사이에는 임피던스를 정합시키는 제1 매처(161)가 설치된다.

기판안치대(120)에는 이온에너지를 제어하기 위한 바이어스RF전원(152)이 연결될 수 있으며, 이때에는 바이어스RF전원(152)과 기판안치대(120)의 사이에도 임피던스 정합을 위해 제2 매처(162)가 설치된다. 챔버 하부에는 잔류물질을 배기하는 배기구(180)가 형성된다.

본 발명의 실시예에 따른 HDPCVD장치(100)의 특징은 5MHz 내지 300MHz, 보다 바람직하게는13.56MHz 내지 100MHz 정도의 높은 주파수를 가지는 소스RF전원(151)을 안테나(170)에 연결한다는 점이다.

소스 RF전원(151)은 플라즈마를 발생 및 유지시키는 역할을 하는데, 일반적으로 주파수가 높을수록 전자온도(Te)가 낮아지기 때문에 플라즈마 충격(damage)이 감소되어 갭필 성능을 향상시킬 수 있다.

그런데 이 정도의 높은 주파수를 인가할 경우에는 안테나(170)의 형태를 종래와 달리할 필요가 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같은 코일형 안테나는 낮은 주파수 범위에서는 큰 문제가 없지만 본 발명과 같이 고주파 전원이 인가되는 경우에는 긴 코일길이 때문에 전력손실이 커지고 임피던스 매칭이 불안정해진다는 문제점을 가진다.

따라서 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같은 병렬공명안테나(170)를 이용한다. 즉, 상기 병렬공명 안테나(170)는 각각 다른 직경을 가지며 평면 동심원상에 배치되는 원형의 제1,2,3 코일(171,172,173)을 소스RF전원(151)에 대하여 병렬로 연결하는 한편, 각 코일의 급전단과 매처(161) 사이에 제1,2,3 가변커패시터(C1,C2,C3)를 설치한다. 이때 각 가변커패시터는 어느 하나만 설치할 수도 있다.

이와 같이 병렬 연결된 다수의 코일을 이용하면 개별 코일의 길이가 짧아지는 효과가 있기 때문에 5MHz 내지 300MHz 의 높은 주파수 범위에서도 임피던스 매칭을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 가변커패시터를 적절히 조절함으로써 내외측 코일에 흐르는 전류를 조절하여 플라즈마 균일도를 향상시킬 수도 있다.

바이어스 RF전원(152)은 이온에너지를 정밀하게 제어하기 위하여 13.56MHz 내지 100MHz의 비교적 높은 주파수를 제공하는 것이 바람직하다. 또한 소스RF전원(151)은 500W 내지 10KW의 전력을 제공하고, 바이어스RF전원(152)은 500W 내지 5KW의 전력을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 HDPCVD장치(100)의 또 다른 특징은 0.2 내지 2mTorr의 초진공 상태에서 갭필 공정을 진행한다는 점이다.

그런데 이 정도 범위의 압력에서는 전술한 바와 같은 2MHz 정도의 소스RF전원으로는 매칭 불안정으로 인해 플라즈마의 안정도가 크게 떨어지는 문제점이 있다.

그러나 본 발명에서는 5MHz 내지 300MHz, 보다 바람직하게는 13.56MHz 내지 100MHz 의 높은 주파수를 제공하는 소스RF전원(151)을 이용하기 때문에 이러한 문제점을 해결할 수 있다.

소스 RF전원(151)의 주파수가 높아질수록 이온 밀도가 다소 낮아지는 단점은 있으나, 갭필 성능면에서는 압력을 낮추는 것이 이온밀도를 높이는 것보다는 더 큰 영향을 미치기 때문에 종래 보다 높은 주파수의 소스 RF전원(151)을 이용함으로써 저압분위기에서 플라즈마를 안정적으로 유지하여 갭필 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 소스 RF전원(151)과 바이어스 RF전원(152)이 모두 높은 주파수의 RF전력을 제공하면, 바이어스 RF전원(152)도 플라즈마 발생에 어느 정도 기여를 하기 때문에 플라즈마의 밀도를 높여 갭필 성능을 보다 향상시키는 효과도 있다.

가스분사수단(140)을 통해 공급되는 소스물질의 유량은, 예를 들어 SiH₄은 5 내지 100sccm인 것이 바람직하고 O₂는 10 내지 200sccm 인 것이 바람직하다. 또한 공정마진을 넓히거나 공정압력을 높여 플라즈마의 안정성을 향상시키기 위해서는He, H₂, Ar 등의 불활성기체를 함께 공급할 수도 있다.

또한 이와 같이 높은 주파수의 RF전원을 이용하여 초진공 분위기에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키면 이온의 평균자유행로가 길어지므로 트렌치의 바닥에서부터 순차적으로 갭필이 진행될 수 있기 때문에 보이드의 발생가능성을 크게 줄일 수 있다. 구체적으로 원활한 갭필을 위해서는 소스물질이 증착되는 두께와 스퍼터링되는 두께의 비를 나타내는 SDR(Sputter Deposition Ratio)이 0.02 내지 0.5 의 범위를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 저압분위기에서 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있으므로 갭필 성능을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 챔버; 상기 챔버의 내부에 위치하는 기판안치대; 상기 기판안치대의 상부로 가스를 분사하는 가스분사수단; 상기 챔버의 외부에 위치하는 소스RF전원; 상기 소스RF전원이 연결되는 안테나; 상기 기판안치대에 연결되는 바이어스RF전원을 포함하는 HDPCVD장치를 이용하여 소자의 트렌치 또는 콘택홀을 갭필하는 방법에 있어서,

   상기 소스RF전원은 5MHz 내지 300MHz의 주파수범위를 가지는 갭필 방법
2. 제1항에 있어서,

   상기 바이어스 RF전원은 13.56MHz 내지 100MHz의 주파수범위를 가지는 갭필 방법
3. 제1항에 있어서,

   상기 안테나는 서로 다른 직경을 가지고 동일 평면상에 동심원으로 배치되며, 상기 소스 RF전원에 대하여 병렬로 연결되는 다수의 코일을 포함하는 갭필 방법
4. 제1항에 있어서,

   상기 소스RF전원은 500W 내지 10KW의 전력을 제공하고, 바이어스RF전원은 500W 내지 5KW의 전력을 제공하는 갭필 방법
5. 제1항에 있어서,

   상기 챔버의 내부압력을 0.2 내지 2mTorr 의 범위로 유지하는 갭필 방법
6. 제1항에 있어서,

   상기 가스분사수단을 통해서 챔버 내부로SiH₄ 및 O₂를 공급하는 경우에 있어서, SiH₄은 5 내지 100sccm의 유량으로 공급하고, O₂는 10 내지 200sccm 의 유량으로 공급하는 갭필 방법

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