KR20070117817A - 갭 필 능력을 향상시킨 절연막 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

갭 필(gap fill) 능력이 향상된 절연막 증착 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 절연막 증착 방법에서는, 플라즈마를 이용하여 원료 가스를 활성화시켜 절연막을 증착하는 데 있어서 플라즈마의 밀도를 변경시키도록 한다. 증착 초기에는 낮은 플라즈마 밀도로 증착시켜 낮은 증착 속도를 가지는 반면 갭 필 능력을 증가시켜 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에서의 트렌치와 같은 골을 보이드(void)없이 채울 수 있도록 한다. 골이 어느 정도 채워지면 연속적으로 플라즈마 밀도를 증가시켜 증착 속도를 확보한다.

Description

갭 필 능력을 향상시킨 절연막 증착 방법 {Method of depositing dielectric layer with increased gap-fill ability}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연막 증착 방법을 수행하기 위한 박막 증착 장치의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법에서 플라즈마 밀도 변화를 보여주는 그래프들이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법에서 원료 가스인 소스 가스와 반응 가스의 공급을 보여주는 그래프들이다.
도 4는 도 1의 장치에서 샤워헤드의 세부 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연막 증착 방법을 수행하기 위한 박막 증착 장치의 개략도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법이 적용될 수 있는 STI 공정을 순차적으로 보여주는 단면도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법이 적용될 수 있는 금속 배선을 형성하기 전의 절연막(pre-metal layer) 공정을 순차적으로 보여주는 단면도들이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법이 적용될 수 있는 금 속간 절연막(Inter Metal Dielectric : IMD) 공정을 순차적으로 보여주는 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 1'...박막 증착 장치 10...반응기
11, 11'...샤워헤드 12...웨이퍼 블록
22, 22a, 22b...가스 라인 24...바이패스 라인
30...RF 전원 50...제1 플레이트
55...라디칼 분사관 60...플라즈마 발생홀
65...제2 플레이트 70...관통홀
75...소스 가스 분사홀 120...실리콘 산화막
120a...STI 275...프리 메탈 레이어
290, 310, 330...금속 배선 320...IMD막
본 발명은 절연막 증착 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 갭 필(gap fill) 능력이 향상된 절연막 증착 방법에 관한 것이다.
DRAM과 같은 반도체 소자의 집적도가 급속도로 증가되면서 반도체 소자의 동작 속도 증가가 요구되고 있으며, 현 반도체 소자의 상업적 측면에서 저전력 특성 역시 크게 증가하고 있다. 이러한 요구에 대응하기 위해서 반도체 소자의 크기는 지속적으로 감소되어야 한다.
반도체 소자의 크기 감소에 따라 소자 특성 역시 향상되어야 하지만, 물리적인 공정 한계로 인해 많은 문제점을 유발하고 있다. 특히 현 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에서는 소자 크기의 감소에 따라 트렌치의 종횡비(aspect ratio)가 증가하면서 이에 따른 절연막의 갭 필 능력, 다른 말로 골 채움 능력 감소 문제가 대두되고 있으며, 갭 필 마진(margin) 부족에 의한 보이드(void)가 증가하고 있다. 이러한 보이드는 게이트 브릿지(bridge)를 유발시켜 문제가 된다. 이러한 갭 필 능력 감소는 STI 공정 이외에 금속 배선 사이의 골을 채워야 되는 금속간 절연막(Inter Metal Dielectric : IMD) 공정 등에서도 문제가 된다.
종래 높은 종횡비를 갖는 트렌치나 골을 보이드없이 채우는 방법으로는 HDP(High Density Plasma) CVD와 SA(Sub-Atmospheric) CVD 방식이 있다. 미국 특허 제6,905,940호는 SACVD 방식의 갭 필 방법을 소개하고 있는데, 반응기에 연속적으로 Si 소스가 공급되지만 Si 소스량을 점차적으로 변화(증가)시켜서 갭 필 능력을 증가시킨다. 초기의 공정은 비교적 적은 양의 Si 소스를 반응기에 보낸다. Si 소스량이 적어 증착 속도는 느리지만 실리콘 산화막이 골에 균일하게 증착된다. 이후에는 Si 소스량을 점진적으로 증가시키어 증착 속도를 높인다.
이러한 SACVD에 의한 갭 필 방법에서는 보이드가 없고 막질의 특성을 좋게 하기 위하여 500℃ 이상의 높은 온도와 600 torr 이상의 높은 압력 조건을 사용한다. 이 때문에 증착 속도는 현저히 떨어지며, 반응기 내부에 부산물이 증가하고 반응기 내부의 부품 수명이 단축되는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 갭 필 능력이 향상된 절연막 증착 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 절연막 증착 방법은, 소스 가스와 반응 가스를 반응기 내로 공급하고 플라즈마를 이용하여 상기 반응기 내에 안착된 웨이퍼 상에 절연막을 증착하는 방법에 있어서, 상기 플라즈마의 밀도를 변화시키면서 상기 절연막을 증착하는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 절연막을 증착시키는 데 있어서, 플라즈마의 밀도를 연속적으로 변경시키도록 한다. 플라즈마를 이용하면 원료 가스를 활성화시켜 저온에서도 박막을 증착시킬 수 있다. 증착 초기에는 낮은 플라즈마 밀도로 증착시켜 낮은 증착 속도를 가지는 반면 갭 필 능력을 증가시킨다. 이 때 가스를 싸이클 방식으로 주입시켜 갭 필 능력을 향상시키고, 웨이퍼가 안착되는 부분에 바이어스를 인가하여 그 능력을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 바이어스 파워를 연속적으로 변화시킬 수도 있다.
웨이퍼 상에는 이미 여러 공정들이 진행되어 골이나 트렌치가 형성되어 있을 수 있다. 낮은 플라즈마 밀도 하에서의 절연막 증착으로 이러한 골이나 트렌치가 어느 정도 채워지면, 연속적으로 플라즈마 밀도를 증가시켜 증착 속도를 증가시킨다.
플라즈마의 밀도는 인가되는 RF 전원의 파워를 변형시키거나, 가스량을 변화 시키거나, 또는 반응기 내부의 압력을 변화시킴으로도 가능하다. 상기 RF 전원의 파워는 계단식(stepwise) 또는 선형식(linear)으로 변화시킬 수가 있다. 플라즈마는 라디칼(radical) 형성이 쉽고 플라즈마에 의한 반응기 및 웨이퍼의 손상을 없앨 수 있도록 샤워헤드 내부에 형성시키는 것이 바람직하다. 플라즈마를 반응기 내에서 직접 형성할 경우에는 플라즈마 발생 초기의 아크(arc) 발생과 이온충돌(ion bombarding) 및 이온주입(ion implantation)에 의한 웨이퍼 및, 웨이퍼에 형성된 회로소자에 손상을 초래하여 수율을 저하시킬 염려가 있기 때문이다. 그러나, 이러한 염려가 없는 경우 또는 저감시킬 수 있는 경우라면, 물론 플라즈마를 반응기 내부에서 발생시킬 수도 있다.
상기 절연막은 실리콘 산화막이고 소스 가스는 Si를 포함하는 가스, 반응 가스는 산화 가스이며, 상기 Si를 포함하는 가스는 TEOS(tetra ethyl ortho silicate)이고 상기 산화 가스는 산소 또는 N2O일 수 있다. 대신에, 상기 Si를 포함하는 가스는 실란, 트리메틸실란, 테트라메틸실란, 디메틸실란, 테트라메틸싸이클로테트라실록산 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 산화 가스는 오존, 산소, 스팀, 이산화질소 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 소스 가스의 흐름이 안정되도록, 상기 소스 가스가 상기 반응기에 들어오기 전 일정 시간 바이패스(bypass)시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 플라즈마를 샤워헤드 내부에 발생케 하고, 소스 가스와 반응 가스를 상기 샤워헤드에서는 분리하여 반응기 내부에서 비로 소 만나도록 한다. 반응 가스는 샤워헤드 내부에 인가되는 RF 전원의 파워로 플라즈마를 형성하여 라디칼 형태로 반응기 내로 분사되며, 소스 가스는 반응 가스와 분리되어 플라즈마 생성없이 반응기로 분사된다. 반응 속도를 조정할 수 있도록 샤워헤드에 인가되는 RF 전원의 파워를 시간이 지남에 따라 변화시킨다.
샤워헤드와 웨이퍼가 놓이는 부분의 간격은 공정 중 변화시켜 증착 속도 및 갭 필 능력을 변화시킬 수 있다. 샤워헤드와 웨이퍼가 놓이는 부분의 간격이 멀면 증착 속도는 감소되나 갭 필 능력이 증가된다. 따라서, 증착 초기에는 갭 필을 우선적으로 진행하기 위하여 샤워헤드와 웨이퍼가 놓이는 부분의 간격을 멀게 하고 어느 정도 갭 필이 이루어지면 그 간격을 좁게 하여 증착 속도를 확보한다.
본 발명에 따른 절연막 증착 공정은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 사용되는 절연막, 금속 배선을 형성하기 전의 절연막(pre-metal layer), 또는 금속간 절연막(Inter Metal Dielectric, IMD 막) 증착에 적용될 수 있다.
이와 같이, 플라즈마 밀도 변경에 따른 방법으로 제조되는 절연막은 여러 가지 장점을 가지게 되는데, 플라즈마가 샤워헤드에서 발생하여 라디칼 형태로 반응기에 입력되어 웨이퍼나 반응기에 플라즈마에 의한 손상을 막을 수 있고, 파티클의 성장을 억제할 수 있다. 높은 갭 필 능력과 함께 높은 증착 속도를 가지며, 안정된 절연막을 증착할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하는 도면에 있어서, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 방법을 수행하기 위한 박막 증착 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 박막 증착 장치(1)는 내부공간을 가지는 반응기(10)와, 상기 반응기(10)의 내부공간에 승강 가능하게 설치되며 웨이퍼(W)가 배치되는 웨이퍼 블럭(12)과, 상기 웨이퍼 블럭(12)에 배치된 웨이퍼(W)에 박막이 형성되도록 원료 가스인 소스 가스와 반응 가스를 반응기(10) 내부로 분사하는 샤워헤드(11)를 구비한다.
박막 증착 장치(1)는 반도체용 실리콘 웨이퍼, 또는 LCD용 유리 기판 등과 같은 웨이퍼(W) 상에 절연막을 증착하기 위한 것으로, 가스 라인(22a, 22b)을 통해 반응기(10)로 소스 가스와 반응 가스를 공급하는 가스 공급 장치(20)도 포함한다. 본 실시예에서는 소스 가스와 반응 가스의 분리를 위해 가스 라인도 두 개로 분리하여 구성한 예를 든다. 샤워헤드(11)에는 RF 전원(30)이 연결되어 있어 샤워헤드(11) 내부에서 플라즈마가 형성되도록 한다. 참조부호 "24"는 바이패스(bypass) 라인으로서, 반응기(10) 내부를 비우는 펌프(P)에 연결되도록 구성한다.
이러한 박막 증착 장치(1)를 이용하여 본 발명에 따른 절연막을 증착하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 박막 증착 장치(1)의 웨이퍼 블록(12) 상에 웨이퍼(W)를 로딩한 다음, 소스 가스와 반응 가스를 공급하여 웨이퍼(W) 상에 절연막을 증착한다. 이 때, 소스 가스는 Si를 포함하는 가스를 이용하고 반응 가스는 산화 가스를 이용하여 절연막으로서 실리콘 산화막을 증착할 수가 있다. 소스 가스와 반응 가스는 Ar과 같은 캐리어 가스와 함께 공급될 수 있다. 캐리어 가스는 Ar 이외에 N2나 He, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수도 있다. 소스 가스의 흐름이 안정되도록, 소스 가스가 반응기(10)에 들어오기 전 일정 시간 바이패스 라인(24)을 통해 바이패스시킬 수 있다.
소스 가스로써 Si를 포함하는 가스는 TEOS(tetra ethyl ortho silicate)를 이용할 수 있고, 반응 가스로써 산화 가스는 산소(O2) 또는 N2O를 이용할 수 있다. 대신에, Si를 포함하는 가스로 실란, 트리메틸실란, 테트라메틸실란, 디메틸실란, 테트라메틸싸이클로테트라실록산 또는 그 조합을 이용할 수도 있는데, 이 때의 산화 가스로는 오존(O3), 산소, 스팀(steam, H2O), 이산화질소(NO2) 또는 그 조합을 이용할 수 있다. 필요에 따라서는 다른 종류의 소스 가소도 더 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 절연막 증착 방법에서는, 샤워헤드(11) 내부에 발생되는 플라즈마의 밀도를 변화시키면서 절연막을 증착하는 것이 큰 특징이다. 바람직하게는, 초기에는 플라즈마의 밀도를 낮추어 절연막의 갭 필 능력을 증가시켜 증착시키다가, 구조물과 구조물 사이의 골, 또는 인위적으로 형성한 트렌치가 어느 정도 채워지면 플라즈마의 밀도를 높여서 증착 속도를 확보한다.
플라즈마의 밀도는 샤워헤드(11)에 연결된 RF 전원(30)의 파워를 변화시키거나, 소스 가스와 반응 가스량을 변화시키거나, 반응기(10) 내부의 압력을 변화시키거나, 혹은 이들의 조합을 변화시킴으로써 변화시킬 수가 있다.
예를 들어, RF 전원(30)의 파워를 계단식으로 증가시켜 플라즈마의 밀도를 도 2a에 도시한 바와 같이 계단식으로 변화시킬 수 있다. 그리고, RF 전원(30)의 파워를 선형식으로 증가시켜 플라즈마의 밀도를 도 2b에 도시한 바와 같이 선형식으로 변화시킬 수 있다. 그러나, RF 전원(30)의 증가 방식이 반드시 이러한 계단식과 선형식에 한정되는 것은 아니고, 임의의 형식으로 증가시켜 도 2c에 도시한 바와 같은 플라즈마 밀도를 얻을 수도 있다.
절연막 증착을 위한 소스 가스와 반응 가스는 도 3a에 도시한 바와 같이 연속적으로 반응기(10)로 공급할 수 있다. 여기서 "온"은 가스 라인(22a, 22b)의 밸브 개방 상태를 의미한다.
그러나, 초기의 갭 필 능력을 더욱 향상시키기 위해, 플라즈마의 밀도를 낮추어 증착시키는 동안에는 소스 가스와 반응 가스를 도 3b에 도시한 바와 같은 싸이클 방식으로 공급할 수가 있다. 여기서 "오프"는 가스 라인(22a, 22b)의 밸브 폐쇄 상태를 가리킨다. 예를 들어, 소스 가스를 먼저 소정 시간 공급(소스 가스 온)가스의 공급을 중단(소스 가스 오프)한다. 다음으로 반응 가스를 소정 시간 공급(반응 가스 온)한 다음 반응 가스의 공급을 중단(반응 가스 오프)한다. 이러한 싸이클을 1 회 이상 반복한다. 또한, 도 3c에 도시한 바와 같이, 소스 가스는 지속적으로 공급하면서 반응 가스만 펄스(pulse) 형식(온과 오프의 반복)으로 공급할 수도 있다.
초기의 갭 필 능력을 더욱 향상시키기 위해, 플라즈마의 밀도를 낮추어 증착시키는 동안에는 웨이퍼(W)가 안착되는 부분, 즉 웨이퍼 블록(12)에 바이어스를 인가할 수 있으며, 바이어스의 파워를 연속적으로 변화시킬 수 있다.
또한, 샤워헤드(11)와 웨이퍼 블록(12) 사이의 간격을 변화시키며 절연막을 증착할 수도 있는데, 초기에는 간격을 멀게 하여 절연막의 갭 필 능력을 증가시켜 증착시키고, 일정 시간이 지나면 간격을 좁혀서 증착 속도를 확보한다.
앞에서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서 플라즈마는 소스 가스와 반응 가스를 반응기(10) 내부로 분사시키는 샤워헤드(11) 내부에서 형성한다. 더욱 바람직하게, 소스 가스와 반응 가스를 샤워헤드(11)에서는 분리하고 반응기(10) 내부에서 만나도록 한다. 더욱 바람직하게, 반응 가스는 샤워헤드(11) 내부에서 플라즈마가 형성되어 라디칼 형태로 반응기(10) 내로 분사하며, 소스 가스는 반응 가스와 분리시켜 플라즈마 생성없이 반응기(10) 내로 분사한다.
도 4는 이를 위한 샤워헤드(11)의 세부 구조를 도시한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 샤워헤드(11)의 외부에 RF 전원(30)이 설치되고, RF 전원(30)은 샤워헤드(11) 내의 제1 플레이트(50)에 연결된다. 이러한 제1 플레이트(50)에 의해 샤워헤드(11)의 내부에서 플라즈마가 발생된다. 제1 플레이트(50)에는 가스 라인(도 1의 22b)을 통해 공급되는 반응 가스의 라디칼을 고르게 분사하기 위한 다수의 라디칼 분사관(55)이 형성되어 있다. 제1 플레이트(50)에는 다수의 라디칼 분사관(55)에 대응하는 다수의 플라즈마 발생홀(60)도 설치되어 있 다. 플라즈마 발생홀(60)에서 발생된 플라즈마는 일정 길이를 갖는 라디칼 분사관(55)을 따라 반응기(도 1의 10) 내로 공급된다.
제1 플레이트(50)의 하부에는 소정의 간격을 두고 제2 플레이트(65)가 설치되어 있다. 제2 플레이트(65)에는 제1 플레이트(50)에 형성된 다수의 라디칼 분사관(55)이 관통하는 다수의 관통홀(70)이 형성되어 있을 뿐만 아니라, 가스 라인(도 1의 22a)을 통해 공급되는 소스 가스를 고르게 분사하기 위한 다수의 소스 가스 분사홀(75)도 형성되어 있다.
이렇게 샤워헤드(11)를 구성하면, 가스 라인(22b)을 통해 공급된 반응 가스는 샤워헤드(11) 내부에서 플라즈마가 형성되어 라디칼 형태로 라디칼 분사관(55)을 거쳐 반응기(10) 내로 분사할 수 있으며, 가스 라인(22a)을 통해 공급되는 소스 가스는 반응 가스와 분리되어 플라즈마 생성없이 소스 가스 분사홀(75)을 통해 반응기(10) 내로 분사할 수 있다. 이러한 샤워헤드(11)의 구성은 한국 공개 특허 제2005-0087405호에 개시되어 있으며, 본 명세서에 참조로써 원용되어 통합된다.
이렇게 플라즈마를 샤워헤드(11) 내부에서 형성하면 라디칼 형성이 쉽고 플라즈마에 의한 반응기(10) 및 웨이퍼(W)의 손상을 없앨 수 있다. 또한, 소스 가스와 반응 가스를 샤워헤드(11) 내에서는 분리하고 비로소 반응기(10) 안에서 만나도록 함으로써, 샤워헤드(11) 안에서 가스들이 섞여 파티클을 발생시키는 문제를 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 방법으로, 초기에는 플라즈마의 밀도를 낮추어 절연막을 증착하고, 어느 정도 시간이 지난 후에는 플라즈마의 밀도를 증가시켜 절연막 을 증착하면, 초기에는 갭 필 능력을 향상시킬 수 있고 나중에는 증착 속도를 확보할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 높은 갭 필 능력과 함께 높은 증착 속도를 가지며 안정된 절연막을 증착할 수 있다.
제2 실시예
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 증착 방법을 수행하기 위한 박막 증착 장치의 개략도이다. 도 5에서 도 1과 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 설명은 생략한다.
본 실시예는 플라즈마가 샤워헤드(11') 내부가 아닌, 반응기(10) 내부에서 형성된다는 점을 제외하고는 제1 실시예와 동일하다.
도 5를 참조하면, 박막 증착 장치(1')는 내부공간을 가지는 반응기(10)와, 상기 반응기(10)의 내부공간에 승강 가능하게 설치되며 웨이퍼(W)가 배치되는 웨이퍼 블럭(12)과, 상기 웨이퍼 블럭(12)에 배치된 웨이퍼(W)에 박막이 형성되도록 소스 가스와 반응 가스를 반응기(10) 내부로 분사하는 샤워헤드(11')를 구비한다. 박막 증착 장치(1')는 가스 라인(22)을 통해 반응기(10)로 소스 가스와 반응 가스를 공급하는 가스 공급 장치(20)도 포함한다. 샤워헤드(11')에는 RF 전원(30)이 연결되어 있어 웨이퍼 블록(12)과의 사이에서 플라즈마가 형성되도록 한다. 참조부호 "24"는 바이패스 라인으로서, 반응기(10) 내부를 비우는 펌프(P)에 연결된다.
이러한 박막 증착 장치(1')를 이용하여 절연막을 증착하는 방법도 플라즈마를 샤워헤드(11') 내부가 아닌, 반응기(10) 내부에서 형성하여 증착한다는 점을 제외하고는 제1 실시예와 동일하다.
플라즈마를 반응기(10) 내부에서 형성할 경우에는 반응기(10) 및 웨이퍼(W)의 손상이 염려가 될 수 있으나, 이러한 염려가 없는 경우, 또는 저감시킬 수 있는 경우라면 본 실시예에서와 같이 플라즈마를 반응기(10) 내부에서 발생시켜도 된다.
그밖에, 본 실시예에서 언급하지 않은 나머지 사항은 앞의 제1 실시예의 것을 그대로 원용할 수 있다.
제3 실시예
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법이 적용될 수 있는 STI 공정을 보여준다.
먼저 도 6a를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(100) 상에 열산화막(104)과 질화막(108)을 순차적으로 형성하여 패드 절연막(110)을 형성한다. 이어서 패드 절연막(110) 상에 포토레지스트(112)를 도포한다. 반사방지를 위하여, 패드 절연막(110) 상에 포토레지스트(112)를 도포하기 전에 유기 ARC(Anti Reflection Coating)(미도시)를 더 도포할 수도 있다.
열산화막(104)은 웨이퍼(100)와 질화막(108) 사이의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력(stress)에 의해 결함이 발생하는 것을 방지하기 위해 형성하는 것으로, 100-300Å 정도 두께로 형성한다. 질화막(108)은 웨이퍼(100)의 필드영역을 식각할 때에 식각 마스크로 쓰이는 것으로, 추후에 행해지는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 단계의 평탄화 정지막으로 사용되기도 하며, 평탄화 공정에 의한 손상이 액티브영역에 가해지지 않도록 충분히 두꺼운 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 실리콘 질화물을 1800-2200Å 가량 두께로 증착하여 형성한다(그 러나, 유기 ARC를 형성한다면 더 낮게 증착하여도 됨). 증착방법은 통상적인 방법, 예컨대 CVD, SACVD, LPCVD(Low Pressure CVD) 또는 PECVD(Plasma Enhanced CVD)에 의할 수 있으며, 증착 소스로는 SiH2Cl2와 NH3를 이용할 수 있다.
다음에 도 6b를 참조하면, 필드영역을 정의하기 위해 노광 및 현상 공정을 수행하여 포토레지스트 패턴(112a)을 형성한다. 이후, 포토레지스트 패턴(112a)을 식각 마스크로 하여 필드영역의 웨이퍼 상부면이 노출될 때까지 건식 식각 방법으로 상기 패드 절연막(110)을 패터닝한다. 즉, 액티브영역의 질화막(108)과 열산화막(104)은 남기고 필드영역의 질화막(108)과 열산화막(104)은 식각으로 제거한다. 이로써, 패터닝된 패드 절연막(110a)은 액티브영역 위에 남겨진 질화막 패턴(108a)과 열산화막 패턴(104a)으로 이루어진다. 상기 질화막(108)을 식각할 때에는 CF4, CHF3, C2F6, C4F8, CH2F2, CH3F, CH4, C2H2, C4F6 등과 같은 가스 또는 이들의 혼합가스를 사용할 수 있다.
도 6c는 포토레지스트 패턴(112a)을 제거한 다음, 노출된 웨이퍼(100)를 건식 식각하여 액티브영역을 한정하는 트렌치(116)를 형성한 상태를 도시한다. 포토레지스트 패턴(112a)은 통상적인 방법, 예컨대 산소 플라즈마를 사용하여 에싱한 다음 유기 스트립으로 제거할 수 있다.
여기서의 트렌치(116)는 소자 축소에 따라 높은 종횡비를 가지는 것이다. 트렌치(116) 내부에 본 발명에 따른 절연막 증착 방법을 이용하여 실리콘 산화막(120)을 증착한다. 트렌치(116) 식각 계면 안정을 위하여 얇은 열산화막(미도 시)을 먼저 성장시킨 다음에 실리콘 산화막(120)을 증착하기도 한다. 증착 초기에는 플라즈마 밀도를 낮추어 갭 필 능력을 우선적으로 향상시켜 실리콘 산화막(120)을 증착한다(넓은 간격 점선 표시 참조). 그런 다음에는 플라즈마 밀도를 증가시켜 트렌치(116)를 완전히 메우기 위하여 패터닝된 패드 절연막(110a) 위에도 소정 두께로 증착되도록 실리콘 산화막(120)을 증착한다(좁은 간격 점선 표시 참조), 후속적으로 이러한 실리콘 산화막(120)은 패터닝된 패드 절연막(110a) 중 질화막 패턴(108a)의 상부표면과 실질적으로 동일한 레벨로 평탄화된다(일점 쇄선 표시 참조). 예를 들어, 실리콘 산화막(120)은 CMP 또는 에치백(etch back)에 의하여 평탄화된다. 이러한 평탄화 공정에서는 질화막 패턴(108a)을 평탄화 정지막으로 사용한다. 예를 들어, CMP를 사용하여 실리콘 산화막(120)을 평탄화할 경우, 상기 질화막 패턴(108a)은 CMP 스토퍼로 기능한다. 따라서, CMP에서 사용되는 슬러리는 상기 질화막 패턴(108a)보다 실리콘 산화막(120)을 보다 빨리 식각할 수 있는 것, 예를 들어 세리아(CeO2) 계열의 연마제를 포함하는 슬러리를 선택하는 것이 양호한 결과를 가져온다.
계속하여 도 6d를 참조하면, 패터닝된 패드 절연막(110a)까지 제거하여 웨이퍼(100) 표면과 거의 나란한 트렌치 소자분리막, 즉 STI(120a)을 형성한다. 패터닝된 패드 절연막(110a) 중 질화막 패턴(108a)은 인산 스트립을 적용하여 제거할 수 있고, 열산화막 패턴(104a)은 HF나 BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하여 제거할 수 있다.
제4 실시예
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법이 적용될 수 있는 금속 배선을 형성하기 전의 절연막(pre-metal layer, 이하, '프리 메탈 레이어'라고 함) 공정을 보여준다.
도 7a는 웨이퍼(210) 상에 OCS(one cylinder storage) 커패시터(270)가 형성된 상태를 도시한다. 도 7a를 참조하면, DRAM의 셀 영역(C)에는 인접하는 두 개의 게이트(220)에 의하여 자기 정렬되는 콘택 패드(230)가 형성되어 있다. 콘택 패드(230)의 상면에는 콘택플러그(245)가 형성되어 있다. 참조부호 "225"와 "235"는 모두 절연막이다. 그리고, 콘택플러그(245) 상면에 접하여 실린더형 하부전극(255a)이 형성되어 있다. 하부전극(255a) 상에 유전막(260)과 상부전극(265)이 순차적으로 형성되고 주변 회로 영역(P) 쪽은 패터닝으로 제거되어 커패시터(270)가 형성된다.
후속적으로 형성될 금속 배선과 커패시터(270)의 절연을 위해서는 커패시터(270) 위에 층간절연막을 형성해야 한다. 이러한 층간절연막이 프리 메탈 레이어이다.
본 발명에 따른 절연막 증착 방법은 이러한 프리 메탈 레이어의 증착에도 이용될 수가 있다. 도 7b를 참조하면, 도 7a와 같은 구조물 위에 프리 메탈 레이어(275)를 형성한다. 프리 메탈 레이어(275)는 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 증착 초기에는 플라즈마 밀도를 낮추어 갭 필 능력을 우선적으로 향상시켜 프리 메탈 레이어(275)를 증착한다. 그런 다음에는 플라즈마 밀도를 증가시켜 프리 메탈 레이어(275)를 증착한다. 주변 회로 영역(P)에 형성되는 프리 메탈 레이어(275)의 상면은 셀 영역(C)에 형성된 커패시터(270)의 상면보다 높도록 두텁게 형성할 필요가 있다. 플라즈마 밀도 증가에 따라 증착 속도가 확보되므로 오랜 시간을 소요하지 않고도 두텁게 증착할 수가 있다.
다음으로, 도 7c에 도시한 바와 같이, 프리 메탈 레이어(275)를 CMP로 평탄화시키고, 평탄화된 프리 메탈 레이어(275) 위에 금속을 도포하고 포토리소그라피 공정으로 금속 배선(290)을 형성한다.
제5 실시예
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 절연막 증착 방법이 적용될 수 있는 IMD 공정을 보여준다.
반도체 소자는 보통 6-7층 이상의 금속 배선이 들어가며, 하층의 금속 배선과 상층의 금속 배선은 IMD막으로 절연하고, 필요 부위에는 비아(via)를 형성하여 하층과 상층의 금속 배선을 연결하고 있다. 본 발명에 따른 절연막 증착 방법은 이러한 IMD막의 증착에도 이용될 수가 있다.
도 8a는 하층의 금속 배선(310)이 하부 구조물(300) 상에 형성된 것을 도시한다. 소자의 집적화에 따라 동일 레벨(level)에서 금속 배선(310) 사이의 거리도 가까워져 그 사이에 생긴 골을 보이드없이 메우기 위한 방법이 필요해진다.
이에, 증착 초기에는 플라즈마 밀도를 낮추어 갭 필 능력을 우선적으로 향상시켜 도 8b에서와 같이 IMD막(320)을 증착한다. 그런 다음에는 플라즈마 밀도를 증가시켜 증착 속도를 높여서 IMD막(320)을 더 증착한다. 여기서의 IMD막(320)은 TEOS를 소스 가스로 하는 실리콘 산화막일 수도 있고, 실란, SiF4 가스와 O2 가스를 이용해서 형성하는 SiOF막일 수도 있다. IMD막(320)은 RC 딜레이를 해소하기 위해 저유전율의 막으로 형성할 필요가 있다. 이에 따른 적절한 소스 가스와 반응 가스 선택으로 본 발명에 따른 절연막 증착 방법을 이용하면 어떠한 종류의 저유전막이라도 증착이 가능하다.
그런 다음, 도 8c에서와 같이 IMD막(320)을 평탄화시키고, 필요에 따라서는 듀얼 다마신(dual damascene) 방법에 의해 배선 트렌치와 비아 트렌치를 형성하거나, 또는 싱글 다마신(single damascene) 방법에 의해 비아 트렌치를 형성한 후, 금속으로 메워 상층의 금속 배선(330)을 형성한다. 도면에서 하층의 금속 배선(310)과 상층의 금속 배선(330)은 비아(340)로 연결되어 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명을 하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명에 따르면, 증착 초기에는 플라즈마의 밀도를 낮추어 절연막을 증착하고, 어느 정도 시간이 지난 후에는 플라즈마의 밀도를 증가시켜 절연막을 증착한다. 이에 따라, 초기에는 갭 필 능력을 향상시킬 수 있고, 나중에는 증착 속도를 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 높은 갭 필 능력과 함께 높은 증착 속도를 가지며 안정된 절연막을 증착할 수 있다. 또한, 본 발명은 반도체 공정에서 다양한 절연막의 증착에 이용할 수가 있는데, 예를 들면 STI 공정, 프리 메탈 레이어 또는 IMD막이 그 예이다.

Claims (19)

  1. 소스 가스와 반응 가스를 반응기 내로 공급하고 플라즈마를 이용하여 상기 반응기 내에 안착된 웨이퍼 상에 절연막을 증착하는 방법에 있어서,
    상기 플라즈마의 밀도를 변화시키면서 상기 절연막을 증착하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소스 가스는 Si를 포함하는 가스이고 상기 반응 가스는 산화 가스이며, 상기 소스 가스와 반응 가스는 연속적으로 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소스 가스는 Si를 포함하는 가스이고 상기 반응 가스는 산화 가스이며, 상기 Si를 포함하는 가스는 TEOS(tetra ethyl ortho silicate)이고 상기 산화 가스는 산소 또는 N2O인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 소스 가스는 Si를 포함하는 가스이고 상기 반응 가스는 산화 가스이며, 상기 Si를 포함하는 가스는 실란, 트리메틸실란, 테트라메틸실란, 디메틸실란, 테트라메틸싸이클로테트라실록산 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 산화 가스는 오존, 산소, 스팀(steam), 이산화질 소 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 소스 가스의 흐름이 안정되도록, 상기 소스 가스가 상기 반응기에 들어오기 전 일정 시간 바이패스(bypass)시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마의 밀도를 낮추어 상기 절연막의 갭 필 능력을 증가시켜 증착시키다가 상기 플라즈마의 밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마의 밀도를 낮추어 증착시키는 동안, 상기 소스 가스와 반응 가스를 싸이클 방식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마의 밀도를 낮추어 증착시키는 동안, 상기 소스 가스는 지속적으로 공급하면서 상기 반응 가스를 펄스 형식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 웨이퍼가 안착되는 부분에 바이어스를 인가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 바이어스의 파워를 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마의 밀도는 인가되는 RF 전원의 파워, 상기 소스 가스와 반응 가스량, 상기 반응기 내부의 압력 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 변화시킴으로써 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 RF 전원의 파워를 계단식 또는 선형식으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 반응기 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 소스 가스와 반응 가스를 상기 반응기 내부로 분사시키는 샤워헤드 내부에서 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 소스 가스와 반응 가스를 상기 샤워헤드에서는 분리하고 상기 반응기 내부에서 만나도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반응 가스는 상기 샤워헤드 내부에서 플라즈마가 형성되어 라디칼 형태로 상기 반응기 내로 분사하며, 상기 소스 가스는 상기 반응 가스와 분리시켜 플라즈마 생성없이 상기 반응기 내로 분사하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 소스 가스와 반응 가스를 상기 반응기 내부로 분사시키는 샤워헤드와 상기 웨이퍼가 안착되는 부분의 간격을 변화시키며 상기 절연막을 증착하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 간격을 멀게 하여 상기 절연막의 갭 필 능력을 증가시켜 증착시키다가 상기 간격을 좁히는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제6항에 있어서, 상기 절연막은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 사용되는 절연막, 금속 배선을 형성하기 전의 절연막(pre-metal layer) 및 금속간 절연막(Inter Metal Dielectric : IMD) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
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