KR20080002642A - 밀도 및 스텝 커버리지가 개선된 비정질 탄소막 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

기판상에 비정질 탄소층을 증착하는 방법은 챔버내에 기판을 위치시키는 단계, 기판 처리 챔버 내부로 탄화수소원을 도입하는 단계, 기판 처리 챔버 내부로 무거운 희가스를 도입하는 단계, 및 기판 처리 챔버내에서 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다. 무거운 희가스는 아르곤, 크립톤, 제논, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 희가스의 몰유량은 탄화수소원의 몰유량보다 더 크다. 증착후 종료 단계가 포함될 수도 있으며, 이 단계에서 탄화수소원 및 희가스의 유동은 정지되며, 플라즈마는 기판 처리 챔버로부터 입자를 제거하는 시간동안 기판 처리 챔버 내에서 지속된다.

Description

밀도 및 스텝 커버리지가 개선된 비정질 탄소막 증착 방법{METHOD FOR DEPOSITING AN AMORPHOUS CARBON FILM WITH IMPROVED DENSITY AND STEP COVERAGE}
도 1a 내지 도 1e(종래 기술)는 하드마스크로서 비정질 탄소층을 일체화하는 집적회로 제조 순서의 상이한 단계에 있는 기판의 개략적 횡단면도.
도 2(종래 기술)는 내부에 비등각 비정질 탄소층 및 피쳐가 형성된 기판의 개략적 횡단면도.
도 3은 비정질 탄소막의 막 밀도 및 식각 선택성 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 비정질 탄소층 증착을 실시하는데 사용될 수 있는 기판 처리 시스템의 개략도.
도 4는 비정질 탄소막 밀도에 대한 아르곤 희석 가스의 영향을 나타내는 그래프.
도 5는 최종 막 밀도에 대한 희석 가스의 영향을 도시하는 도면.
도 6은 막 밀도에 대한 탄화수소 유량의 영향을 도시하는 도면.
도 7은 막 밀도에 대한 챔버 압력의 영향을 도시하는 도면.
도 8은 비정질 탄소막을 증착하는 동안 고유량 희석제로서 무거운 희가스를 도입함으로써 증착률의 개선을 도시하는 도면.
도 9는 비정질 탄소층 및 피쳐가 내부에 형성되는 기판의 개략적 횡단면도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
100: 기판 102: 재료층
104: 비정질 탄소층 108: 에너지 민감성 레지스트 재료
110: 마스크 150: 기판 구조물
201: 피쳐 202: 비등각 탄소층
900: 기판 901: 피쳐
902: 비정질 탄소층 903: 바닥
1002: 진공 펌프 1006: 전원
1010: 제어 유닛 1020: 샤워헤드
1025: 프로세스 챔버 1030: 가스 패널
1050: 기판 지지대 1060: 샤프트
1070: 매립형 히터 요소 1072: 온도 센서
1090: 반도체 기판 1092: 플라즈마
본 발명의 실시예는 대체로 집적회로의 제조, 보다 상세하게는 반도체 기판상에 비정질 탄소층을 증착하는 것에 관한 것이다.
집적 회로는 단일칩 상에 수백만 개의 트랜지스터(transistors), 커패시 터(capacitors) 및 레지스터(resistors)를 포함할 수 있는 복잡한 디바이스로 발전되어 왔다. 칩 설계의 발전은 고속의 회로소자 및 더 큰 회로 밀도를 계속적으로 요구한다. 더 큰 회로 밀도를 갖는 고속의 회로에 대한 요구는 이러한 집적 회로를 제조하는데 사용되는 재료에 상응하는 요구를 한다. 특히, 집적 회로 소자의 크기가 초미세한 크기로 감소됨에 따라, 디바이스의 전기 성능을 개선할 수 있도록 구리와 같이 저항률이 낮은 전도성 재료뿐만 아니라, 종종 저유전율 재료(low-k materials)로 지칭되는 유전율이 낮은 절연재를 사용할 필요가 있다. 일반적으로 저유전율 재료는 4.0 미만의 유전율을 갖는다.
표면 결함 또는 피쳐 변형이 거의 없거나 전혀 없는 저유전율 재료를 갖는 디바이스를 생산하는 것이 문제이다. 저유전율 유전체는 종종 다공성이며, 후속 프로세스 단계중에 스크래칭되거나 손상되기 쉬워서, 기판 표면상에 결함이 형성되는 가능성을 증가시킨다. 저유전율 재료는 종종 취성이며, 화학적 기계적 연마(CMP)와 같은 통상적인 연마 프로세스하에서 변형될 수 있다. 저유전율 재료의 변형 및 표면 결함을 제한하거나 감소시키는 한가지 방법은 패터닝 및 식각 이전에 노출된 저유전율 재료상에 하드마스크(hardmask)를 증착시키는 것이다. 하드마스크는 민감한 저유전율 재료의 손상 및 변형을 방지한다. 또한, 하드마스크 층은 식각중에 저유전율 재료의 제거를 방지하도록 통상적인 리소그래피 기술과 관련하여 식각 마스크로서 작용할 수 있다.
통상적으로, 하드마스크는 예를 들면 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 중간 산화물층이다. 그러나, 일부 디바이스 구조물은 예를 들면 다마신 구조 물(damascene structures)과 같은 실리콘 산화물 층 및 실리콘 질화물 층 중 하나 이상을 이미 포함한다. 따라서, 이러한 디바이스 구조물은, 하드마스크와 그 밑의 재료 사이의 식각 선택성이 거의 없거나 전혀 없을 것이기 때문에, 즉, 하드마스크의 제거가 기저층에 허용할 수 없는 손상을 입힐 것이기 때문에, 식각 마스크로서 산화 규소 또는 실리콘 질화물을 이용하여 패터닝될 수 없다. 이산화 규소 또는 실리콘 질화물과 같은 산화물 층에 대한 식각 마스크로서 작용할 수 있도록, 재료는 이들 산화물 층에 비해 우수한 식각 선택성을 가져야 한다. 이산화 규소 또는 실리콘 질화물 재료용 하드마스크로서 사용되는 재료는 수소화된 비정질 탄소(amorphous hydrogenated carbon)이다.
a-C:H로 표기되며 비정질 탄소로 지칭되는 수소화된 비정질 탄소는 필수적으로 긴 범위의 결정성 정렬을 갖지 않으며, 예를 들면 약 10 내지 45 원자%에 속하는 실질적인 수소 용량을 함유할 수 있다. a-C:H는 화학적 안정성, 광학적 투명성, 및 우수한 기계적 특성으로 인해 반도체 응용분야에서 하드마스크 재료로 사용된다. 여러 가지 기술에 의해 a-C:H 막이 증착될 수 있지만, 비용 효율성 및 막 특성 조정 가능성으로 인해 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)이 널리 사용된다. 통상적인 PECVD 프로세스에서, 캐리어 가스(carrier gas) 내에 비말 동반된 액상 탄화수소로 이루어진 가스상 탄화수소 또는 증기와 같은 탄화수소원이 PECVD 챔버 내부로 도입된다. 또한, 통상적으로 헬륨인 플라즈마-개시 가스가 챔버 내부로 도입된다. 그 후, 플라즈마는 챔버 내에 전해져서 여기된 CH-라디칼을 생성한다. 여기된 CH-라디칼은 챔버내에 위치되는 기판의 표면에 화학적으로 구속되어 기판의 표면상에 희망 a-C:H 막을 형성한다.
도 1a 내지 도 1e는 하드마스크로서 a-C:H를 일체화하는 집적회로 제조 순서의 상이한 단계에 있는 기판(100)의 개략적 횡단면도이다. 기판 구조물(150)은 기판(100)과 함께 기판(100)상에 형성된 다른 재료층을 나타낸다. 도 1a는 기판 구조물상에 통상적으로 형성된 재료층(102)을 갖는 기판 구조물(150)의 단면도를 도시한다. 재료층(102)은 저유전율 재료 및 예를 들면 SiO2와 같은 산화물 중 하나 이상일 수 있다.
도 1b는 도 1a의 기판 구조물(150)상에 증착되는 비정질 탄소층(104)을 도시한다. 비정질 탄소층(104)은 PECVD에 의해서와 같은 통상적인 수단에 의해 기판 구조물(150)상에 형성된다. 비정질 탄소층(104)의 두께는 처리의 특정 단계에 따라 가변적이다. 통상적으로, 비정질 탄소층(104)은 약 500Å 내지 약 10000Å 범위의 두께를 갖는다. 제조 순서에 사용되는 에너지 민감성 레지스트 재료(108)의 식각 화학작용에 따라, 에너지 민감성 레지스트 재료(108)의 형성전에 비정질 탄소층(104) 상에 임의의 캡핑 층(capping layer, 미도시)이 형성될 수 있다. 임의의 캡핑 층은 내부에 패턴이 전사되어 에너지 민감성 레지스트 재료(108)로부터 비정질 탄소층(104)을 보호할 때, 비정질 탄소층(104)에 대한 마스크로서 작용한다.
도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 에너지 민감성 레지스트 재료(108)는 비정질 탄소층(104) 상에 형성된다. 에너지 민감성 레지스트 재료(108)의 층은 약 2000Å 내지 약 6000Å의 범위내의 두께로 기판상에 회전 코팅(spin-coated)될 수 있다. 대부분의 에너지 민감성 레지스트 재료는 약 450 nm 미만의 파장, 일부 응용분야에서는 245 nm 또는 193 nm의 파장을 갖는 자외선(UV) 복사에 민감하다.
마스크(110)와 같은 패터닝 디바이스를 통과하여 에너지 민감성 레지스트 재료(108)를 UV 복사(130)에 노출시킨 후, 적합한 현상장치에서 에너지 민감성 레지스트 재료(108)를 현상함으로써, 에너지 민감성 레지스트 재료(108)의 층 내부에 패턴이 도입된다. 에너지 민감성 레지스트 재료(108)가 현상된 후, 도 1c에 도시되어 있는 바와 같이, 틈(140)으로 이루어지는 희망 패턴이 에너지 민감성 레지스트 재료(108)에 나타난다.
그 후, 도 1d를 참조하면, 에너지 민감성 레지스트 재료(108)에 형성된 패턴은 마스크로서 에너지 민감성 레지스트 재료(108)를 사용하는 비정질 탄소층(104)을 통과하여 전사된다. 적합한 화학 부식제는 에너지 민감성 레지스트 재료(108)를 지나 비정질 탄소층(104) 및 재료층(102)을 선택적으로 식각하는데 사용되어 재료층(102)의 표면으로 틈(140)을 연장한다. 적합한 화학 부식제는 오존, 산소 또는 암모니아 플라즈마를 포함한다.
도 1e를 참조하면, 그 후 패턴은 하드마스크로서 비정질 탄소층(104)을 사용하는 재료층(102)을 통과하여 전사된다. 이러한 프로세스 단계에서, 부식제는 건식 식각, 즉, 비반응성 플라즈마 식각과 같이, 비정질 탄소층(104)을 지나 재료층(102)을 선택적으로 제거하는데 사용된다. 재료층(102)이 패터닝된 후에, 비정질 탄소층(104)은 기판(100)으로부터 선택적으로 벗겨질 수 있다. 제조 순서의 특정 예시에서, a-C:H 하드마스크에 형성되는 패턴은 다마신 구조물과 같은 집적 회 로의 구조물에 반영된다. 통상적으로 다마신 구조물은 집적 회로상에 금속 배선(metal interconnects)을 형성하는데 사용된다.
a-C:H 하드마스크 층을 사용하는 디바이스 제조자는: (1) 기저 재료의 건식 식각중에 하드마스크의 매우 높은 선택성, 및 (2) 리소그래피 기록 정확성(lithographic registration accuracy)을 위한 가시 스펙트럼에서의 높은 광학적 투명성이 충족되도록 하는 2가지 임계 필요 조건을 요구한다. 일반적으로 용어 "건식 식각"은 재료가 화학 용액에 침전시킴으로서 용해되지 않고 반응성 이온 식각, 스퍼터 식각, 및 기상 식각과 같은 방법을 포함하는 식각 프로세스를 지칭한다. 또한, 하드마스크 층이 지형 피쳐(topographic features)를 갖는 기판상에 증착되는 경우에 있어서, a-C:H 하드마스크에 대한 추가의 필요 조건은 하드마스크 층이 상기 지형 피쳐의 모든 표면에 등각으로 덮이는 것이다.
다시 도 1a 내지 도 1e를 참조하면, 건식 식각중에 비정질 탄소층(104)이 재료층(102)을 적합하게 보호하도록 보장하기 위해, 비정질 탄소층(104)은 재료층(102)에 대한 비교적 높은 식각 선택성, 또는 제거율 비를 갖는 것이 중요하다. 일반적으로, 식각 선택성은 비정질 탄소층(104)과 재료층(102) 사이에서 건식 식각 프로세스중에 약 10:1 이상, 즉, 재료층(102)이 비정질 탄소층(104)보다 10배 더 빨리 식각되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 비정질 탄소층(104)에 의해 형성되는 하드마스크 층은 건식 식각 프로세스에 의해 내부에 틈(140)이 형성되는 동안 식각되거나 손상되지 않아야 하는 재료층(102)의 영역을 보호한다.
또한, 광학적 복사, 즉, 약 400 nm와 약 700 nm 사이의 광파장에 매우 투명 한 하드마스크는 도 1b에 도시되어 있는 리소그래피 처리 단계와 같은 일부 적용예에서 바람직하다. 특정한 빛의 파장에 대한 투명성은 보다 정확한 리소그래피 기록성을 허용하여, 기판(100)상의 특정 위치에 대하여 마스크(110)의 매우 정확한 정렬을 또한 허용한다. 일반적으로 주어진 빛의 주파수에 대한 재료의 투명성은, 흡광 계수(extinction coefficient)로도 지칭되는 재료의 흡수 계수로 정량화된다. 예를 들면, 두께가 약 6000Å 내지 7000Å인 a-C:H 층에 대해서, a-C:H 층은 예를 들면 630 nm와 같이, 리소그래피 기록에 대해 사용되는 빛의 주파수에서 0.12 이하의 흡수 계수를 가져야 하며, 그렇지 않으면 마스크(110)는 정확하게 정렬되지 않을 수 있다. 0.12 이하의 흡수 계수를 갖는 층은 기판 온도 또는 플라즈마 이온 에너지와 같은 증착 변수를 조정함으로써 생산될 수 있다.
그러나, 통상적으로 높은 투명성을 갖는 a-C:H 막을 생성하는 것과 높은 식각 선택성을 갖는 것 사이에는 균형이 이루어진다. 일반적으로 보다 우수한 식각 선택성을 갖는 비정질 탄소층은 보다 열악한 투명성을 가질 것이다. 예를 들면, 증착 온도가 조절 인자로서 사용되는 경우, 비교적 높은, 즉, 500℃를 넘는 온도에서 증착되는 a-C:H 막은 통상적으로 우수한 식각 선택성을 갖지만 낮은 투명성을 갖는다. 증착 온도를 특히 400℃ 이하로 낮추면, a-C:H 막의 투명성이 개선되지만 막의 식각 속도를 더 빠르게 하여 식각 선택성을 더 낮춘다.
주지된 바와 같이, 일부 적용예에서, 하드마스크 층은 예를 들면 패터닝 프로세스를 정렬하는데 사용되는 정렬 키(alignment key)와 같은 기저 지형을 갖는 기판상에 증착될 수 있다. 이들 적용예에서, 기저 지형에 대해 매우 등각인 a-C:H 층이 또한 바람직하다. 도 2는 내부에 비등각 비정질 탄소층(202) 및 피쳐(201)가 형성된 기판(200)의 개략적 횡단면도를 도시한다. 비등각 비정질 탄소층(202)은 피쳐(201)의 측벽(204)을 완전히 덮지 않기 때문에, 후속 식각 프로세스가 측벽(204)의 바람직하지 못한 부식을 초래할 수 있다. 또한, 비등각 비정질 탄소층(202)에 의해 측벽(204)이 완전히 덮이지 않으므로, 비등각 탄소층(202) 아래의 포토레지스트 중독의 원인이 될 수 있으며, 이러한 포토레지스트 중독은 전자 디바이스에 손상을 입히는 것으로 알려져 있다. 통상적으로 층의 등각성은 피쳐의 측벽상에 증착된 층의 평균 두께 대 기판의 전계 또는 상부 표면상에 증착된 동일한 층의 평균 두께의 비율에 의해 정량화된다.
또한, 하드마스크 층의 형성은 다른 방식으로 반도체 기판에 해로운 영향을 미치지 않는 점에서 중요하다. 예를 들면, 하드마스크를 형성하는 중에, 기판을 오염시킬 수 있는 다수의 입자가 발생되거나 기판상에 형성된 디바이스가 과도하게 가열되는 경우, 그로 인한 문제점은 임의의 이득보다 확실히 더 클 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하고 산화물을 이용하여 우수한 식각 선택성을 갖고, 가시 스펙트럼내에서 높은 광학적 투명성을 가지며, 지형 피쳐를 갖는 기판상에 등각으로 증착될 수 있고, 비교적 낮은 온도에서 다수의 입자들을 발생시키지 않은 상태로 생산될 수 있는 집적 회로 제조에 유용한 재료층을 증착하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예는 기판상에 비정질 탄소층을 증착하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 이 방법은 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계, 상기 처리 챔버 내부로 탄화수소원을 도입하는 단계, 상기 처리 챔버 내부로 무거운 희가스(noble gas)를 도입하는 단계, 및 상기 처리 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다. 무거운 희가스는 아르곤, 크립톤, 제논, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 희가스의 몰유량은 탄화수소원의 몰유량보다 더 크다. 증착후 종료(post-deposition termination) 단계가 포함될 수 있으며, 이 단계에서, 탄화수소원과 희가스의 유동은 정지되며, 플라즈마는 챔버로부터 입자를 제거하는 기간동안 챔버내에 지속된다. 또한, 수소는 증착후 종료 단계동안 챔버 내부로 도입될 수 있다.
제 2 실시예에 따른 방법은 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계, 처리 챔버 내부로 탄화수소원을 도입하는 단계, 처리 챔버 내부로 탄화수소원의 희석 가스를 도입하는 단계, 및 처리 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다. 처리 챔버 내부에서 희석 가스의 몰유량은 탄화수소원의 몰유량의 약 2배 내지 약 40배이다. 또한, 제 1 실시예의 증착후 종료 단계와 유사한 증착후 종료 단계가 이 방법에 포함될 수도 있다.
제 3 실시예에 따른 방법은 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계, 처리 챔버 내부로 탄화수소원을 도입하는 단계, 처리 챔버 내부로 탄화수소원의 희석 가스를 도입하는 단계, 처리 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 단계, 및 처리 챔버 내부에서 플라즈마를 생성시킨 후에 처리 챔버내에서 약 2 Torr 내지 8 Torr의 압력을 유지하는 단계를 포함한다. 비정질 탄소층은 약 1.2 g/cc 내지 1.8 g/cc의 밀도를 가지며, 비정질 탄소층의 흡수 계수는 가시 스펙트림에서 약 0.10보다 작을 수 있다.
본 발명의 전술한 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 상기에 간단히 요약된 본 발명의 보다 상세한 설명은 첨부 도면에 일부가 도시되어 있는 실시예를 참조로 나타내어질 수 있다. 그러나, 첨부 도면은 본 발명의 통상적인 실시예만을 도시한 것이므로 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되지 않으며, 본 발명에 대한 다른 동등한 효과의 실시예에 인정될 수 있다.
명확성을 위해, 적용 가능한 경우, 도면들 사이에서 공통적인 동일한 요소를 지시하기 위해 동일한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명의 발명자는 a-C:H 막을 증착하는데 사용되는 탄화수소원에 관계없이 a-C:H 막 밀도와 식각 선택성 사이에 높은 상호 의존성이 있음을 알게 되었다. 도 3은 상이한 기판상에 증착된 4개의 상이한 a-C:H 막(301A 내지 301D)의 복수의 표본의 막 밀도와 식각 선택성 사이의 관계를 도시한 그래프이다. 식각 선택성은 기저 물질이 주어진 a-C:H 막에 비하여 식각되는 계수이다. 즉, 10의 식각 선택성은 기저 물질이 a-C:H 막보다 10배 빨리 제거됨을 나타낸다. 각각의 막(301A 내지 301D)는 상이한 전구체 및 처리 조건으로부터 형성되었다. 데이터는 전구체에 관계없이 각각의 막의 밀도와 식각 선택성 사이에서 실질적으로 선형인 상호관계를 나타낸다. 이들 결과는 처리 온도 및 전구체가 실질적으로 상이하더라도, 막 밀도를 증가시킴으로써 a-C:H 막에 대한 희망 식각 선택성을 얻을 수 있음을 나타낸다. 따라서, a-C:H 막의 고밀도화는 식각 선택성을 개선하는 한가지 방법일 수 있다.
본 발명의 양태는 결과적인 막 밀도 (및 그에 따른 식각 선택성), 막의 증착률, 및 기판의 표면상의 피쳐에 대한 막의 등각성을 증가시키기 위해, a-C:H 막 증착중에 희석 가스로서 비교적 큰 유량의 아르곤, 또는 크립톤 또는 제논과 같은 다른 무거운 희가스를 사용하려 한다. 또한, 큰 유량의 희석 가스로서 무거운 희가스를 적용하는 것은 증착 프로세스 중에 탄화수소 전구체 이용의 효율을 개선하여 증착 챔버의 내부 표면상의 바람직하지 않은 증착을 최소화한다. a-C:H 막 증착을 위해 PECVD 챔버에서 작동 가스의 주요 비반응성 성분으로 헬륨이 사용되었는데, 그 이유는 헬륨이 용이하게 이온화되므로 낮은 아킹(arcing) 위험성을 가진 상태로 챔버내에서 플라즈마를 생성시키는데 유리하기 때문이다. 때때로 PECVD 처리 챔버내로 액상 전구체를 도입하는 캐리어 가스로서 아르곤이 사용되지만, 아르곤은 본 발명의 양태에 의해 의도되는 바와 같이 상당히 많은 양으로는 사용되어 오지 않았었고 그로 인해 캐리어 가스로서 사용될 때 이점을 제공하지 못한다.
예시적인 장치
도 3a는 기판 처리 시스템, 본 발명의 실시예에 따른 비정질 탄소층을 실시하는데 사용될 수 있는 시스템(1000)의 개략적 개략도이다. 적합한 시스템의 예시는 캘리포니아 산타클라라에 소재한 어플라이드 머티어리얼스에서 시판중인 DxZ™ 처리 챔버를 사용할 수 있는 CENTURA® 시스템, PRECISION 5000® 시스템, PRODUCER™ 시스템, 및 PRODUCER SE™ 처리 챔버를 포함한다.
시스템(1000)은 프로세스 챔버(1025), 가스 패널(1030), 제어 유닛(1010), 및 전원 및 진공 펌프와 같은 다른 하드웨어 구성요소를 포함한다. 본 발명에 사용된 시스템의 일 실시예에 대한 세부사항은 본 명세서에 참조되며, 본 출원인에게 양도되고, 제목이 "고온 화학 기상 증착 챔버"이며, 2002년 4월 2일자로 허여된 미합중국 특허번호 제6,364,954호에 개시되어 있다.
일반적으로 프로세스 챔버(1025)는 반도체 기판(1090)과 같은 기판을 지지하는데 사용되는 기판 지지대(1050)를 포함한다. 이 기판 지지대(1050)는 샤프트(1060)에 연결된 변위 기구(미도시)를 사용하는 프로세스 챔버(1025) 내부에서 수직 방향으로 이동한다. 프로세스에 따라, 반도체 기판(1090)은 처리 전에 희망 온도로 가열될 수 있다. 기판 지지대(1050)는 매립형 히터 요소(1070)에 의해 가열된다. 예를 들면, 기판 지지대(1050)는 전원(1006)으로부터 히터 요소(1070)까지 전류를 인가함으로써 저항적으로 가열될 수 있다. 또한, 반도체 기판(1090)은 기판 지지대(1050)에 의해 가열된다. 또한, 기판 지지대(1050)의 온도를 감시하기 위해 열전쌍과 같은 온도 센서(1072)가 기판 지지대(1050) 내에 매립된다. 측정된 온도는 히터 요소(1070)를 위한 전원(1006)을 제어할 수 있도록 피드백 루프에서 사용된다. 기판의 온도는 특정한 프로세스 적용을 위해 선택되는 온도에서 유지 또는 제어될 수 있다.
프로세스 챔버(1025)를 배기하고 프로세스 챔버(1025) 내부에 적절한 가스 유동 및 압력을 유지하도록 진공 펌프(1002)가 사용된다. 프로세스 챔버(1025) 내부로 프로세스 가스가 도입되는 샤워헤드(1020)가 기판 지지대(1050) 상부에 위치 되어 프로세스 챔버(1025) 내부로 프로세스 가스를 균일하게 분배한다. 샤워헤드(1020)는 가스 패널(1030)에 연결되며, 가스 패널(1030)은 프로세스 순서의 상이한 단계에서 사용되는 다양한 프로세스 가스를 제어 및 공급한다. 프로세스 가스는 탄화수소원 및 플라즈마-개시 가스(plasma-initiating gas)를 포함할 수 있으며, 예시적인 아르곤 희석 증착 프로세스(argon-diluted deposition process)의 설명에 관하여 하기에 보다 상세히 설명된다.
또한, 가스 패널(1030)은 여러 가지 증발 액체 전구체를 제어 및 공급하는데 사용될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 액체 전구체 공급원으로부터의 액체 전구체는 예를 들면 액체 분사 증발기에 의해 증발될 수 있으며, 캐리어 가스가 존재할 때 프로세스 챔버(1025)로 전달될 수 있다. 통상적으로 캐리어 가스는 질소와 같은 비활성 가스(inert gas), 또는 아르곤 또는 헬륨과 같은 희가스이다. 대안적으로, 액체 전구체는 열에 의한 앰플(ampule) 및 진공 강화 증발 프로세스 중 하나 이상으로부터 증발될 수 있다.
또한, 샤워헤드(1020) 및 기판 지지대(1050)는 이격된 한 쌍의 전극들로부터 형성될 수 있다. 이들 전극들 사이에서 전계가 발생될 때, 챔버(1025) 내부로 도입되는 프로세스 가스는 플라즈마(1092)로 점화된다. 통상적으로, 전계는 정합 네트워크(matching network, 미도시)를 통하여 단일 주파수 또는 이중 주파수의 무선 주파수(RF) 전원(미도시)에 기판 지지대(1050)를 연결함으로써 발생된다. 대안적으로, RF 전원 및 정합 네트워크는 샤워헤드(1020)에 연결되거나 샤워헤드(1020) 및 기판 지지대(1050) 모두에 연결될 수 있다.
PECVD 기술은 기판 표면에 가까운 반응 영역에 전계를 가함으로써 반응 가스의 여기 및 해리(disassociation) 중 하나 이상을 촉진하여 반응종(reactive species)의 플라즈마를 생성한다. 플라즈마에서의 종의 반응성은 화학 반응을 발생시키는데 필요한 에너지를 감소시켜, 사실상 이러한 PECVD 프로세스에 요구되는 온도를 낮춘다.
가스 패널(1030)을 통과하는 가스 및 액체의 유동의 적절한 제어 및 조절은 질량 유동 제어기(미도시) 및 컴퓨터와 같은 제어 유닛(1010)에 의해 실행된다. 샤워헤드(1020)는 가스 패널(1030)로부터의 프로세스 가스가 프로세스 챔버(1025) 내부로 균일하게 분배 및 도입되도록 한다. 예시적으로, 제어 유닛(1010)은 중앙 처리 유닛(CPU)(1012), 지지 회로(1014), 및 메모리 포함 관련 제어 소프트(1016)를 포함한다. 이러한 제어 유닛(1010)은 기판 이송, 가스 유동 제어, 액체 유동 제어, 온도 제어, 챔버 배기 등과 같은 기판 처리에 요구되는 다수의 단계들을 자동으로 제어하는 것을 담당한다. 프로세스 가스 혼합물이 샤워헤드(1020)를 빠져나갈 때, 반도체 기판(1090)의 표면(1091)에서 탄화수소 화합물의 플라즈마 강화 열 증착이 일어나서, 반도체 기판(1090)상에 비정질 탄소층을 증착한다.
증착 프로세스
본 발명의 양태는 탄화수소원, 플라즈마-개시 가스, 및 희석 가스를 도 3a와 관련하여 전술한 프로세스 챔버(1025)와 같은 처리 챔버 내부로 도입하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 a-C:H 층을 증착하고자 한다. 탄화수소원은 하나 이상 의 탄화수소 화합물의 혼합물이다. 탄화수소원은 가스상 탄화수소 화합물, 바람직하게는 C3H6, 및 액상 탄화수소 화합물과 캐리어 가스의 증기를 포함하는 가스 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게 플라즈마-개시 가스는 헬륨인데, 이는 헬륨이 용이하게 이온화되기 때문이다. 그러나 아르곤과 같은 다른 가스가 사용될 수도 있다. 희석 가스는 용이하게 이온화되고 비교적 무거우며 화학적으로 비활성인 가스이다. 바람직한 희석 가스는 아르곤, 크립톤, 및 크세논을 포함한다. 아르곤보다 덜 무거운 가스는, 도 4 내지 도 9와 관련하여 하기에 설명되는 막 밀도, 처리량, 및 등각성에서 유리한 향상을 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다.
그 외에, 탄화수소 화합물의 부분적으로 또는 전체적으로 도핑된 유도체를 이용하여 형성된 비정질 탄소층이 본 발명의 방법으로부터 또한 이득을 얻을 수 있다. 유도체는 질소-, 플로오르-, 산소-, 수산기- 및 보론- 함유한 탄화수소 화합물의 유도체와 이들의 플루오르화 유도체를 포함한다. 탄화수소 화합물은 질소를 함유하거나, 암모니아와 같은 질소 함유 가스로 증착될 수 있거나 플루오르 및 산소와 같은 치환기를 가질 수도 있다. 임의의 이들 프로세스는 본 발명의 발명에 따라 증착된, 도핑되지 않은 a-C:H 막에 대해 설명되는 밀도, 증착률, 및 등각성 향상으로부터 이득을 얻을 수 있다. 본 발명의 양태로부터 이득을 얻는 프로세스에 사용될 수 있는 탄화수소 화합물의 도핑된 유도체 및 이들의 결합에 대한 보다 상세한 설명은 청구된 본 발명과 일치하지 않는 범위에서, 전체로서 본 명세서에 참조되며, 2005년 2월 24일자로 출원되고, 제목이 "비정질 탄소막의 CVD 증착을 위한 액체 전구체"이며, 본 발명의 출원인에게 양도된 미합중국 공개번호 제2005/0287771호에서 찾을 수 있다.
일반적으로, 탄화수소원에 포함될 수 있는 탄화수소 화합물 또는 탄화수소 화합물의 유도체는 식 CAHBOCFD에 의해 설명될 수 있으며, 여기서 A는 1 내지 24의 범위이고, B는 0 내지 50의 범위이며, C는 0 내지 10의 범위이고, D는 0 내지 50의 범위이며, B와 D의 합은 2 이상이다. 적합한 탄화수소 화합물의 특정한 예시는 포화되거나 불포화된 지방족, 포화되거나 불포화된 지방족 탄화수소, 및 방향족 탄화수소를 포함한다.
지방족 탄화수소는 예를 들면 메탄(methane), 에탄(ethane), 프로판(propane), 부탄(butane), 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 옥탄(octane), 노난(nonane), 데칸(decane), 등과 같은 알칸(alkanes); 에틸렌(ethylene), 프로필렌(propylene), 부틸렌(butylene), 펜텐(pentene) 등과 같은 알켄(alkenes); 부타디엔(butadiene), 이소프렌(isoprene), 펜타디엔(pentadiene), 헥사디엔(hexadiene), 등과 같은 디엔(dienes); 아세틸렌(acetylene), 비닐아세틸렌(vinylacetylene), 등과 같은 알킨(alkynes)을 포함한다. 지방족 탄화수소는 예를 들면 사이클로프로판(cyclopropane), 사이클로부탄(cyclobutane), 사이클로펜탄(cyclopentane), 사이클로펜타디엔(cyclopentadiene), 톨루엔(toluene), 등을 포함한다. 방향족 탄화수소는 예를 들면 벤젠(benzene), 스티렌(styrene), 톨루 엔(toluene), 크실렌(xylene), 피리딘(pyridine), 에틸벤젠(ethylbenzene), 아세토페논(acetophenone), 메틸 벤조에이트(methyl benzoate), 페닐 아세테이트(phenyl acetate), 페놀(phenol), 크레솔(cresol), 푸란(furan), 등을 포함한다. 추가로, 알파-터피넨(alpha-terpinene), 시멘(cymene), 1,1,3,3,-테트라메틸부틸벤젠(1,1,3,3,-tetramethylbutylbenzene), 티-부틸에테르(t-butylether), 티-부틸에틸렌(t-butylethylene), 메틸-메타크릴레이트(methyl-methacrylate), 및 티-부틸푸르푸릴에테르(t-butylfurfurylether)가 선택될 수 있다.
탄화수소 화합물의 적합한 유도체의 예시는 플루오르화 알칸(fluorinated alkanes), 할로겐화 알칸(halogenated alkanes), 및 할로겐화 방향족 화합물이다. 플루오르화 알칸은 예를 들면, 모노플루오로메탄(monofluoromethane), 디플루오로메탄(defluoromethane), 트리플루오로메탄(trifluoromethane), 테트라플루오로메탄(tetrafluormethane), 모노플루오로데탄(monofluoroethane), 테트라플루오로에탄(tetrafluoroethanes), 펜타플루오로에탄(pentafluoroethane), 헥사플루오로에탄(hexafluoroethane), 모노플루오로프로판(monofluoropropanes), 트리플루오로프로판(trifluoropropanes), 펜타플루오로프로판(pentafluoropropanes), 퍼플루오로프로판(perfluoropropane), 모노플루오로부탄(monofluorobutanes), 트리플루오로부탄(trifluorobutanes), 테트라플루오로부탄(tetrafluorobutanes), 옥타플루오로부탄(octafluorobutanes), 디플루오로부탄(difluorobutanes), 모노플루오로펜탄(monofluoropentanes), 펜타플루오로펜탄(pentafluoropentanes), 테트라플루오로헥산(tetrafluorohexanes), 테트라플루오로헵탄(tetrafluoroheptanes), 헥사플루오 로헵탄(hexafluoroheptanes), 디플루오로옥탄(difluorooctanes), 펜타플루오로옥탄(pentafluorooctanes), 디플루오로테트라플루오로옥탄 (difluorotetrafluorooctanes), 모노플루오로노난(monofluorononanes), 헥사플루오로노난(hexafluorononanes), 디플루오로데칸(difluorodecanes), 펜타플루오로데칸(pentafluorodecanes), 등을 포함한다. 할로겐화 알칸은 모노플루오로에틸렌(monofluoroethylene), 디플루오로에틸렌(difluoroethylenes), 트리플루오로에틸렌(trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene), 모노클로로에틸렌(monochloroethylene), 디클로로에틸렌(dichloroethylenes), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 테트라클로로에틸렌(tetrachloroethylene), 등을 포함한다. 할로겐화 방향족 화합물은 모노플루오로벤젠(monofluorobenzene), 디플루오로벤젠(difluorobenzenes), 테트라플루오로벤젠(tetrafluorobenzenes), 헥사플루오로벤젠(hexafluorobenzene) 등을 포함한다.
아르곤 희석제를 이용하는 a-C:H 증착 프로세스는 PECVD 프로세스이다. a-C:H 층은 기판 온도를 약 100℃ 내지 약 450℃, 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 450℃로 유지함으로써 처리 가스로부터 증착될 수 있다. 프로세스는 챔버 압력을 약 2 Torr 내지 약 8 Torr로 유지하는 단계를 더 포함한다. 탄화수소원, 플라즈마-개시 가스, 및 희석 가스는 챔버 내부로 도입되며, 플라즈마는 증착을 시작하도록 개시된다. 바람직하게, 플라즈마-개시 가스는 헬륨 또는 용이하게 이온화되는 다른 가스이며, 탄화수소원과 희석 가스보다 먼저 챔버 내부로 도입되며, 안정된 플 라즈마가 형성되게 하며 아킹의 가능성을 감소시킨다. 바람직한 탄화수소원은 C3H6이지만, 전술한 바와 같이, 캐리어 가스내에 비말 동반된 하나 이상의 증발된 액상 탄화수소 화합물을 포함하여, 희망하는 막에 따라 다른 탄화수소 화합물이 사용될 수 있다. 희석 가스는 적어도 아르곤만큼 무거운 임의의 희가스일 수 있으나, 경제적인 이유로 아르곤이 바람직하다. 플라즈마는 약 0.7 W/㎠ 내지 약 3 W/㎠, 바람직하게는 1.1 내지 2.3 W/㎠의 기판 표면적에 대한 출력 밀도(power density)에서 RF 전력을 인가함으로써 발생된다. 전극 간격, 즉 기판과 샤워헤드 사이의 거리는 약 200 mils 내지 약 1000 mils이다.
이중 주파수 RF 시스템이 플라즈마를 발생시키는데 사용될 수 있다. 이중 주파수는 흐름 및 이온 에너지의 독립적인 제어를 제공하는 것으로 생각되는데, 이는 막 표면에 부딪히는 이온의 에너지가 막 밀도에 영향을 미치기 때문이다. 고주파수 플라즈마는 플라즈마 밀도를 제어하고, 저주파수 플라즈마는 웨이퍼 표면에 부딪히는 이온의 운동 에너지를 제어한다. 혼합 RF 전력의 이중 주파수 공급원은 약 10 MHz 내지 약 30 MHz, 예를 들면 약 13.56 MHz 범위의 고주파수 전력, 및 약 10 KHz 내지 약 1 MHz, 예를 들면 약 350 KHz 범위의 저주파수 전력을 제공한다. 이중 주파수 RF 시스템이 사용되어 a-C:H 막을 증착하는 경우, 전체 혼합 주파수 전력에 대한 제 2 RF 전력의 비율은 바람직하게 약 0.6 내지 1.0(0.6:1) 미만이다. 인가되는 RF 전력 및 하나 이상의 주파수의 사용은 기판의 크기 및 사용된 장비를 기초로 변경될 수 있다.
아르곤 희석 증착 방법의 이득을 최대화하기 위해, 탄화수소 화합물의 양에 비해 상대적으로 다량의 희석제가 PECVD 챔버내부로 도입되는 것이 중요하다. 그러나,너무 큰 유량으로 희석제가 챔버 내부로 도입되지 않는 것도 역시 중요하다. 고밀도 a-C:H 층은 희석제 유량을 증가시키고, a-C:H 막에 대하여 더 높은 식각 선택성을 제공하여 형성될 수 있지만, 더 높은 밀도는 또한 더 높은 막 응력의 원인이 된다. a-C:H 막에서의 매우 높은 막 응력은 기판 표면에 대한 a-C:H 막의 열악한 점착 및 a-C:H 막의 균열 중 하나 이상과 같은 심각한 문제를 야기한다. 따라서, 탄화수소 화합물에 대한 특정 몰 비(molar ratio)를 넘는 아르곤 또는 다른 희석제의 첨가는 막의 특성에 해로운 영향을 미칠 것이다. 이로 인해 프로세스 윈도우가 존재하며, 바람직하게 PECVD 챔버 내부로의 탄화수소 화합물의 몰유량에 대한 아르곤 희석제의 몰유량의 비율은 증착된 막의 희망 특성에 따라 약 2:1 내지 약 40:1로 유지된다. 일부 a-C:H 막의 증착을 위한 이러한 비율의 가장 바람직한 범위는 약 10:1 내지 약 14:1이다.
300 ㎜의 원형 기판을 처리하기 위한 예시적인 증착 프로세스는 플라스마-개시 가스로서 헬륨을, 탄화수소원으로서 C3H6을, 그리고 희석 가스로서 아르곤을 채용한다. 헬륨의 유량은 약 200 sccm 내지 약 5000 sccm이고, C3H6의 유량은 약 300 sccm 내지 600 sccm이며, 아르곤의 유량은 약 4000 sccm 내지 약 10000 sccm이다. 단일 주파수 RF 전력은 약 800 W 내지 약 1600 W이다. 이러한 프로세스의 독립 변수(intensive parameters), 즉 챔버 압력, 기판 온도 등은 전술된 바와 같다. 이 들 프로세스 변수는 약 1.2 g/cc 내지 약 1.8 g/cc 범위의 밀도, 및 633 nm 복사에 대한 약 0.10의 흡수 계수를 가진 상태에서, 약 2000Å/분 내지 약 6000Å/분의 범위인 a-C:H 층에 대한 증착률을 제공한다. 당업자는 본 명세서의 해석에 근거하여 여기 논의된 것과 다른 상이한 밀도, 흡수 계수, 또는 증착률의 a-C:H 막을 생산하기 위해 적합한 프로세스 변수를 계산할 수 있다.
표 1은 각각 300㎜인 2개의 원형 기판상에 증착된 2개의 a-C:H 막의 비교를 요약한다. 막 1은 현재 반도체 산업에서 표준 프로세스로 생각되는 통상적인 헬륨 기초 증착 프로세스를 이용하여 증착되었다. 막 2는 본 발명의 일 양태를 이용하여 증착되었다.
2개의 증착 레시피 및 결과적인 막의 비교
변수 막 1 막 2
기판 온도(℃) 550 300
챔버 압력(Torr) 7 5
C3H6유량(sccm) 1800 600
헬륨 유동(sccm) 700 400
아르곤 유동(sccm) 0 8000
증착률(Å/분) 2200 4550
633 nm에서의 흡수 계수 0.40 0.09
막 밀도(g/cc) 1.40 1.42
등각성(%) 5 20 내지 30
표 1을 참조하면, 막 2는 막 1보다 실질적으로 낮은 온도에서 막 1의 탄화수소 화합물의 유량의 1/3로 증착되었다. 낮은 탄화수소 유량에도 불구하고, 막 2는 막 1의 증착률보다 2배가 넘는 증착률로 증착되었다. 또한, 막 2의 특성은 막 1의 특성보다 우수하다. 즉, 등각성이 크게 개선되고 흡수 계수가 매우 낮아졌다. 따라서, 여기 설명된 본 발명의 방법을 사용하면, 비정질 탄소층은 통상적인 a-C:H 층에 비해 우수한 막 특성을 가지며 높은 증착률로 기판 표면상에 형성될 수 있다.
막 밀도 향상
본 발명의 실시예에 따르면, 이 방법의 한가지 중요한 이점은 a-C:H 막의 밀도 및 그에 따른 건식 식각 선택성을 증가시킬 수 있는 점이다. 도 4는 a-C:H 막 밀도에 대한 아르곤 희석 가스의 영향을 나타내는 그래프이다. 3개의 300㎜ 반도체 기판(401 내지 403)에 대한 막 밀도가 도시되어 있다. 챔버 압력, 무선 주파수(RF) 플라즈마 전력, 탄화수소 전구체, 및 탄화수소 유량을 포함하는 3개의 기판 모두의 처리 조건은 증착 프로세스 중에 처리 챔버 내부로의 아르곤의 유량에 대한 것을 제외하면 동일하다. 증착 중에 기판(401)에 대한 아르곤의 유량은 7200 sccm이었고, 기판(402 및 403)에 대해서는 각각 8000 sccm 및 8500 sccm으로 증가되었다. 기판(401)에 비하여 상대적으로, 기판(402, 403)에 대한 막 밀도는 이들 기판의 처리중에 적용된 높은 아르곤 유량에 비례하여 증가된다. 이는 비정질 탄소층의 밀도가 탄화수소 전구체 유량 또는 RF 플라즈마 전력과 같은 다른 프로세스 변수를 변경하지 않고, 비교적 큰 유량의 아르곤 희석제를 첨가함으로써 증가될 수 있음을 나타낸다.
본 발명의 방법의 양태가 PECVD 챔버에서 플라즈마의 개시를 위해 필요한 것보다 실질적으로 더 높은 유량의 아르곤의 사용을 고려한 점에 주목하거나, 액상 전구체 화학물질에 대해 캐리어 가스로서 작용한다는 점이 중요하다. 예를 들면, 300㎜ PECVD 챔버 내부로의 통상적인 아르곤의 유량은 액상 전구체를 위한 캐리어 가스로서 사용될 때, 약 2000 sccm 이하 정도이다. 이러한 챔버 내부로의 헬륨의 유량은 일반적으로 훨씬 낮다. 그에 비해, 비정질 탄소층의 밀도를 증가시키기 위해 희석 가스로서 아르곤의 희망 유량은 매우 크며, 즉 약 7000 sccm보다 더 크다.
헬륨 이온보다 약 10배 정도 무거운 아르곤 이온은 막 성장중에 기판의 표면에 충격을 줄 때 훨씬 더 효과적이다. 증착중에 아르곤 이온의 보다 격렬한 충격은 더 많은 불포화 결합 및 플라즈마 내의 CH- 라디칼이 달라붙어서 밀도가 더 높은 막을 형성하는 화학 반응적인 위치를 생성할 수도 있다. 헬륨 이온과 같이 더 가벼운 이온은 낮은 질량과 관련된 운동량의 부족으로 인해 유사한 결과를 일으킬 수 없다. 도 5는 결과적인 막 밀도에 대한 희석 가스 유형의 영향을 도시한다. 두 기판(501, 502)에 대한 막 밀도가 도시되어 있다. 기판(501)의 증착을 위해, 아르곤이 희석 가스로서 사용되었다. 기판(502)의 증착을 위해, 헬륨이 사용되었다. 희석 가스 유형에 대한 것만 제외하면, 다른 모든 프로세스 조건은 일정하게 유지되었다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, a-C:H 밀도는 기판(502)보다 기판(501)에 대해서 실질적으로 더 크다.
또한, 다른 요인들은 유리하게 a-C:H 막에 대한 증착된 막 밀도를 증가시켜서 건식 식각 선택성을 증가시킬 수 있음이 판단되었다. 이들 요인은 비교적 높은 비율의 희석 가스(거의 아르곤)를 가진 상태에서 탄화수소원의 유량을 감소시키며 처리 압력을 낮추는 탄화수소원의 희석제를 포함한다.
희석 가스 이용의 증가 및 탄화수소원 유량의 감소 중 하나 이상은 a-C:H 막의 증착률을 감소시켜서, 성장하는 막을 구성할 때 CVD 플라즈마로부터의 이온 충격이보다 효과적일 수 있도록 한다. 이러한 내용은 헬륨 및 수소를 포함하는 다수의 희석 가스에 대해 사실이지만, 이들 두 가스는 도 4와 관련하여 전술된 바와 같이 아르곤 및 더 무거운 희가스에 대한 추가의 고밀도화 능력을 갖지 않는다. 막 밀도에 대한 낮은 탄화수소 유량의 효과는 도 6에 도시되어 있으며, 도 6에서 상이한 유량의 C3H6이 3개의 상이한 기판(601 내지 603) 각각에 a-C:H 막을 증착하는데 사용된다. 막 밀도는, 더 높은 증착률 및 대응하는 증착중의 필름의 치밀화의 부족으로 인해, C3H6유량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 기판(603) 상의 막은 증착중에 가장 낮은 밀도 및 가장 높은 C3H6 유량을 갖는다.
또한, 탄화수소원에 대한 희석 가스의 비율 외에도, 챔버 압력은 막 밀도에 대한 실질적인 영향력을 갖는다. 플라즈마 내에서의 이온 에너지가 시스 전압(sheath voltage)에 정비례하고, 압력이 감소하는 상태에서 기판에 걸리는 시스 전압이 증가하기 때문에, 막 밀도는 압력이 감소하는 상태에서 증가할 것으로 예상될 수 있다. 이러한 내용은 도 7에 도시되어 있으며, 도 7에서 상이한 프로세스 압력은 3개의 상이한 기판(701 내지 703) 각각에 a-C:H 막을 증착하는데 사용된다. 막 밀도는 저압 플라즈마에서 발견되는 보다 활동적인 이온으로 인해, 프로세스 압력이 증가하는 상태에서 감소하는 것으로 나타내어진다.
증착률 개선
본 발명의 방법의 다른 이점은 a-C:H 막의 증착률에 대한 상당한 개선이다. 보통, 막 밀도와 증착률 사이에는 표준, 즉, 헬륨 기초 증착 프로세스에 따라 균형이 존재하며, 증착 변수는 단지 처리량을 상당히 감소시킴으로써 밀도가 더 높은 a-C:H 막을 생산하도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 도 6에 관하여 전술된 바와 같이, 밀도가 더 높은 a-C:H 막은 탄화수소 전구체의 유량이 감소될 때 증착되지만, 증착률 또한 그에 따라 감소된다. 이와 같이 결과적인 막이 희망 밀도를 가질 수 있지만, 이러한 증착 프로세스는 기판상에 이러한 막을 증착하는데 요구되는 한정적으로 긴 프로세스 시간으로 인해 상업적이지 않을 수 있다.
본 발명의 방법으로 인해 고밀도 막 및 이러한 막의 비교적 높은 증착률이 모두 가능해진다. 표준 헬륨 기초 PECVD 프로세스에 비해, a-C:H 막의 증착률은 아르곤이 대량으로 희석 가스로서 사용되는 경우 크게 증가된다. 도 6에 관하여 전술된 바와 같이, 탄화수소원의 희석제로 인해 고밀도 막 및 낮은 증착률을 초래한다. 아르곤을 첨가하면 막 밀도를 증가시키는 것 외에도 증착률을 상당히 상승시킨다.
도 8은 a-C:H 막을 증착하는 프로세스 중에 높은 유량의 희석제로서, 예를 들면 아르곤과 같이 무거운 희가스를 도입함으로써 제공되는 증착률 개선을 도시한다. 3개의 희석 가스의 증착률은 3개의 상이한 기판(801 내지 803) 각각에 대해 비교되며, 희석 가스 유량은 3개의 기판 모두에 대해 8000sccm으로 일정하게 유지되었다. 아르곤 희석제는 기판(801)의 증착에 대하여 사용되었으며, 기판(802)에 대하여서는 헬륨이, 기판(803)에 대하여서는 수소가 사용되었다. 다른 모든 프로세스 조건은 3개의 기판 모두에서 동일하였다. 아르곤 희석제는 헬륨 또는 수소 희석제에 비해 증착률에 3배보다 많은 증가를 일으킨다. 도 4 및 도 5와 관련하여 전술된 바와 같이, 용이하게 이온화되지만 훨씬 더 무거운 아르곤 원자는 C-H 결합을 끊음으로써 a-C:H 막의 표면에 보다 반응성이 큰 위치를 생성하여 유입 라디칼이 막 표면에 달라붙을 가능성을 증가시킬 수 있다. 또한, 예를 들면 아르곤과 같이, 큰 유량의 용이하게 이온화되는 가스는 플라즈마 밀도를 상승시키며, 그에 따라 가스상 내에 더 많은 -CHX 라디칼을 생성할 수 있다. 동시에, 아르곤 희석제와 관련된 보다 반응적인 플라즈마 및 보다 반응적인 막 표면은 높은 증착률 및 높은 막 밀도의 유리한 결합을 일으킨다.
또한, 아르곤 희석제로 인한 플라즈마 내에 존재하는 더 많은 -CHX 라디칼 및 막의 표면상의 보다 반응적인 위치의 결합은 아르곤 희석 프로세스에 따라 관찰된 화학 이용의 실질적인 개선을 설명한다. PECVD 챔버의 전체 내부 표면상에 예를 들면 바람직하지 않은 탄화수소 잔류물을 증착하기보다, 탄화수소 재료의 대부분은 아르곤 희석 프로세스에서 기판 표면상에 효율적으로 증착된다. 기판상의 이러한 차별적인 증착은 주요한 생산성 증가로 바뀐다. 아르곤 희석 프로세스를 위한 챔버 세척 시간은 PECVD 챔버에서 감소된 잔류물 축적량으로 인해 헬륨- 또는 수소 희석 프로세스에 비해 훨씬 짧다. 짧아진 세척 시간은 기판 처리 사이에 챔버 세척에 더 적은 시간이 들기 때문에 PECVD 챔버의 처리량을 증가시킨다. 또한, PECVD 챔버의 내부 표면을 벗겨지게 하는 탄화수소 잔류물로부터 생기는 기판의 입자 오염은 아르곤 희석 프로세스의 화학 이용의 개선에 의해 크게 감소되며; PECVD 챔버 내의 더 적은 잔류물 축적은 내부에서 처리되는 기판의 더 적은 입자 오염과 같다.
등각성 개선
본 발명의 방법의 다른 주요한 이점은 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 다른 a-C:H 증착 프로세스에 비한 등각성의 증진이다. 도 9는 피쳐(901) 및 피쳐상에 형성된 비정질 탄소층(902)을 갖는 기판(900)의 개략적 단면도를 도시한다. 비정질 탄소층(902)은 본 발명의 방법을 이용하여 증착된 막의 통상적인 외형을 도시한다. 질적으로, 비정질 탄소층(902)은 등각성이 매우 높으며, 피쳐(901)의 바닥(903)과 측벽(904)을 완전히 덮는다. 양적으로, 비정질 탄소층(902)은 약 20 내지 30% 정도의 등각성을 가지며, 등각성은 기판(900)의 상부 표면(905) 상의 비정질 탄소층(902)의 평균 두께(T)에 대한 측벽(904)상에 증착된 비정질 탄소층(902)의 평균 두께(S)의 비율로 정의된다. 다시 도 2를 참조하면, 수소- 또는 헬륨- 희석 프로세스를 이용하여 증착된 막의 일반적인 외형을 도시하는 비등각 비정질 탄소층(202)은 통상적으로 약 5%의 등각성을 갖는다. 도 2의 비등각 비정질 탄소층(202)과 도 9의 비정질 탄소층(902)의 프로파일의 비교는 아르곤 원자의 궤도가 수소 또는 헬륨 이온만큼 지향적이지 않음을 뜻한다. 또한, 플라즈마 내에 존재하는 가스상 종(gas phase species)은 다른 희석제에 비해 아르곤 희석제와 다르다. 아르곤 희석 프로세스에 따른 기판 표면상에서 -CHX 라디칼의 부착 가능성에 관한 이들 요인들은 도 9에 도시되어 있는 등각성의 개선을 나타낸다.
저온 프로세스
아르곤 희석 프로세스의 다른 이점은 희망 밀도 및 투명성을 갖는 a-C:H 층을 생산하는데 저온 프로세스가 이용될 수 있다는 점이다. 보통, 증착중의 높은 기판 온도는 밀도가 높은 막의 형성을 돕는데 사용되는 프로세스 변수이다. 아르곤 희석 프로세스는 전술한 이유로 인해 이미 밀도를 증가시키기 때문에, 기판 온도는 증착중에, 예를 들면 약 300℃만큼 낮은 온도로 감소될 수 있으며, 또한 희망 밀도, 즉 약 1.2g/cc 내지 약 1.8g/cc의 밀도로 막을 생산할 수 있다. 따라서, 아르곤 희석 프로세스는 약 0.09만큼 낮은 흡수 계수를 갖는 비교적 높은 밀도의 막을 생산할 수 있다. 또한, 일반적으로 모든 기판에 대해 더 낮은 처리 온도가 바람직한데, 이는 더 낮은 처리 온도가 프로세스의 열부담(thermal budget)을 낮춰서 도펀트 이동으로부터 기판상에 형성된 디바이스를 보호하기 때문이다.
입자 감소를 위한 증착후 종료 프로세스
a-C:H 막의 PECVD 증착중에, -CHX 종의 가스상 중합반응으로 인해 벌크 플라즈마(bulk plasma)내에 나노 입자가 발생된다. 이들 나노 입자는 자연적으로 플라즈마 내에서 음전하를 얻어서 증착중에 플라즈마 내에 떠있는 상태로 유지된다. 그러나 RF 전력이 꺼지고 챔버 내에서 플라즈마가 꺼지는 경우, 이들 입자는 펌프가 멈춘 동안 중력 및 점성 마찰력으로 인해 기판 표면상에 떨어지기 쉽다. 펌프가 멈추는 단계 전에 이들 입자가 챔버로부터 세척되도록 보장하는 것이 매우 중요하다. 이러한 보장은 막 증착이 종료된 후, 즉, 탄화수소원의 유동이 정지된 후의 일정 시간동안 챔버내에 플라즈마를 지속시킴으로써 이루어진다. 이러한 종료 단계를 위한 시간은 증착 프로세스의 지속에 따라 변화하는데, 이는 증착 시간이 증착 프로세스 중에 발생되는 입자의 개수와 크기를 결정하기 때문이다. 일반적으로 더 긴 증착 프로세스는 벌크 플라즈마 내에 더 많고 더 큰 입자를 발생시킨다. 증착후 종료 단계의 최적 지속시간은 약 5초 내지 약 20초이다. 또한, 플라즈마 지속 가스는 샤워헤드를 스퍼터링함으로써 입자의 발생을 최소화하도록, 헬륨 또는 수소와 같이 가벼운 가스인 것이 바람직하다. 바람직하게 RF 전력은 증착후 종료 단계중에 안정된 플라즈마를 안전하게 지속하고 아킹을 방지하는데 요구되는 최소 레벨로 낮춰진다. 기판 표면의 식각 또는 샤워헤드의 스퍼터링과 같이, 기판상에 나타날 수 있는 해로운 효과로 인해 더 강력한 플라즈마는 바람직하지 않다.
또한, 벌크 증착 단계 및 증착후 종료 단계 중 하나 이상의 도중에 플라즈마의 H2 도핑이 입자의 성능을 더 개선시킴을 알게 되었다. 수소 원자는 마감 결합으로서 작용할 수 있기 때문에, 플라즈마 내에 존재하는 가스상 종에 보호막을 입히고 이들 종이 서로 결합하지 않고 바람직하지 않은 나노 입자로 성장하지 않도록 방지할 수 있다. 또한, H+이온은 잔존하는 나노 입자와 화학적으로 반응시키고 후속 분열시킴으로써 잔존 나노 입자의 크기를 감소시킬 수 있다. 그렇게 함으로써, a-C:H 막 증착 후에 기판상에서 검출된 입자는 얇은 a-C:H 막에 대해 절반 이상, 예를 들면 7000Å까지 감소되었다. 예를 들면, 약 1㎛와 같이 두꺼운 a-C:H 막에 대해서, 검출된 입자의 개수는 수소 도핑으로 인해 10의 1승 만큼까지 감소되었다. 증착후 종료 단계의 바람직한 양태에서, 수소 가스의 몰유량에 대한 플라즈마-개시 가스의 몰유량의 비율은 약 1:1 내지 약 3:1이다. 이러한 프로세스 단계중에 수소의 도 높은 유량은 바람직하지 않은데, 이는 챔버내에서 수소의 더 높은 농도는 증착된 막에 불리한 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 벌크 증착 프로세스(bulk deposition process)시, 수소 가스의 몰유량에 대한 희석 가스의 몰유량의 바람직한 비율은 약 2:1 내지 4:1이다. 수소의 더 높은 농도로 인해 입자가 보다 적극적으로 감소되지만, a-C:H 막의 등각성을 떨어뜨릴 수도 있다.
일 예시에서, 증착후 종료 단계는 7000Å 두께의 a-C:H 막이 기판상에 증착될 때, 300㎜ 기판의 표면을 오염시키는 입자의 개수를 감소시키는데 사용된다. 증착 프로세스 후에, 이 예시에서는 600sccm의 C3H6인 탄화수소원의 유동이 정지된다. 그러나 RF 전력은 종료되지 않으며, 대신 챔버내에서 안정된 플라즈마를 지속하는데 요구되는 레벨로 감소된다. 이 예시에서, RF 전력은 약 1200 W으로부터 약 200 내지 500 W로 감소된다. 이 예시에서는 헬륨인 플라즈마 개시 가스의 계속되는 유동에 더하여 H2가 챔버 내부로 도입된다. 수소 가스의 유량은 약 1000 내지 2000sccm이며, 헬륨의 유량은 약 4000 내지 6000sccm이다. 평균적으로, 전술한 증착후 종료 프로세스를 이용하여 300㎜ 기판의 표면상에서 검출된 0.12㎛보다 큰 입자의 개수는 15개 미만이다. 대조적으로, 증착후 종료 단계가 사용되지 않은 경우 기판상에서 검출된 0.12㎛보다 큰 입자의 개수는 대체로 약 30개보다 많다.
전술한 내용은 본 발명의 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 여타 실시예가 본 발명의 기본 범주를 벗어나지 않고 안출될 수 있으며, 본 발명의 범주는 하기의 특허청구범위에 의해 한정된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밀도 및 스텝 커버리지가 개선된 비정질 탄소막 증착 방법은 산화물을 이용하여 우수한 식각 선택성을 갖고, 가시 스펙트럼내에서 높은 광학적 투명성을 가지며, 지형 피쳐를 갖는 기판상에 등각으로 증착될 수 있고, 비교적 낮은 온도에서 다수의 입자들을 발생시키지 않은 상태로 생산될 수 있는 집적 회로 제조에 유용한 재료층을 증착하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 기판 처리 챔버내에 기판을 위치시키는 단계;
    상기 기판 처리 챔버 내부로 탄화수소원을 도입하는 단계;
    상기 기판 처리 챔버 내부로 아르곤, 크립톤, 제논, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 희가스를 도입하는 단계;
    상기 기판 처리 챔버내에서 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    상기 기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 희가스의 몰유량이 상기 탄화수소원의 몰유량보다 큰
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 희가스의 몰유량이 상기 탄화수소원의 몰유량보다 약 2 내지 40배 더 큰
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 희가스가 아르곤인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 처리 챔버 내부로의 상기 탄화수소원의 유동을 정지시키는 단계; 및
    상기 기판 처리 챔버 내부에서 플라즈마를 지속시키도록 상기 기판 처리 챔버 내부로 플라즈마-지속 가스를 유동시키는 단계;를 더 포함하는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마-지속 가스가 헬륨이고, 상기 기판 처리 챔버 내부로 헬륨을 유동시키는 단계가 상기 기판 처리 챔버 내부로의 상기 탄화수소원의 유동을 정지시키는 단계 후에 약 5 내지 20분동안 계속되는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 처리 챔버 내부로 플라즈마-지속 가스를 유동시키는 단계가 상기 기판 처리 챔버 내부로 수소 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 가스의 몰유량에 대한 상기 플라즈마-지속 가스의 몰유량의 비율이 약 1:1 내지 3:1인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화수소원이 지방족 탄화수소, 지방족 고리탄화수소, 방향족 탄화수소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 처리 챔버가 용량성 결합 플라즈마 강화 CVD 챔버인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 프로세스중에 상기 기판 처리 챔버내의 압력이 약 2 Torr 내지 8 Torr인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 탄소층이 약 1.2g/cc 내지 1.8g/cc의 밀도 및 약 0.10보다 낮은 가시 스펙트림 내의 흡수 계수를 갖도록 형성되는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 프로세스중에 단지 약 400℃의 온도로 상기 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  13. 기판 처리 챔버내에 기판을 위치시키는 단계;
    상기 기판 처리 챔버 내부로 탄화수소원을 도입하는 단계;
    상기 기판 처리 챔버 내부로 상기 탄화수소원용 희석 가스를 도입하는 단계;
    상기 기판 처리 챔버내에서 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    상기 기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 희석 가스의 몰유량이 상기 탄화수소원의 몰유량의 약 2 내지 40배인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 희석 가스가 헬륨인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판 처리 챔버 내부로의 상기 탄화수소원의 유동을 정지시키는 단계; 및
    상기 기판 처리 챔버 내부에서 플라즈마를 지속시키도록 상기 기판 처리 챔버 내부로 플라즈마-지속 가스를 유동시키는 단계;를 더 포함하는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 기판 처리 챔버 내부로 플라즈마-지속 가스를 유동시키는 단계가 상기 기판 처리 챔버 내부로 수소 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  17. 기판 처리 챔버내에 기판을 위치시키는 단계;
    상기 기판 처리 챔버 내부로 탄화수소원을 도입하는 단계;
    상기 탄화수소원의 희석제로서 상기 기판 처리 챔버 내부로 아르곤을 도입하는 단계;
    상기 기판 처리 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 기판 처리 챔버 내에서 플라즈마를 생성시킨 후에 상기 기판 처리 챔버내에서 약 2 Torr 내지 8 Torr의 압력을 유지하는 단계; 및
    상기 기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 아르곤의 몰유량이 상기 탄화수소원의 몰유량의 약 2 내지 40배인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 기판 처리 챔버 내부로 수소 가스를 도입하는 단계를 더 포함하는
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 수소의 몰유량에 대한 상기 아르곤의 몰유량이 약 2:1 내지 4:1인
    기판상에 비정질 탄소층을 형성하는 방법.
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