KR20100069603A - Ｐｅｃｖｄ 유동성 유전체 갭 충전 - Google Patents

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Abstract

유전성 물질(dielectric material)로 갭(gap)을 충전하는 신규한 방법이 제공된다. 상기 방법은 갭에 유동성 중합된 막을 플라스마-보강형 화학적 기상 증착(PECVD)하고, 인-시추(in situ) 처리하여 상기 막을 유전성 물질로 변환하는 것을 포함한다. 다양한 실시예에 따르면, 인 시추 처리는 순수 열 처리 공정, 또는 플라스마 처리 공정일 수 있다. 막을 등각 공정으로 증착하는 종래의 고체 물질의 PECVD 공정과 달리, 증착이 갭의 하부-상부 충전(bottom-up fill)을 야기한다. 특정 실시예에서, 증착 - 인 시추 처리 - 증착 - 인 시추 처리 공정이 수행되어, 갭 내에 유전체 층을 형성할 수 있다. 갭의 하부-상부 충전을 위해 필요한 만큼 시퀀스가 반복된다. 또한 특정 실시예에서, 갭 충전이 완료된 후, 엑스 시추 후-처리 공정이 수행된다. (인 시추 처리와, (특정 경우) 엑스 시추 처리를 통해) 유동성 막을 증착하고 처리하는 상기 PECVD 방법은, 희망 전기적 및 기계적 속성을 갖는 막을 획득하도록 조정된다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 3.0 이하의 유전 상수를 갖는 막이 형성된다. 또한 상기 공정은 프론트엔드 갭충전 및 백엔드 갭충전에 적용가능하다.

Description

ＰＥＣＶＤ 유동성 유전체 갭 충전{PECVD FLOWABLE DIELECTRIC GAP FILL}
본 발명은 전자 소자 제조 공정에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 높은 종횡비의 좁은 폭의 오목한 특징부에 유전체 층을 형성하기 위한 화학 기상 증착 공정에 관한 것이다.
때때로 반도체 공정에서 높은 종횡비의 갭(gap)을 절연 물질로 충전하는 것이 요구된다. STI(shallow trench isolation), IMD 층(inter-metal dielectric layer), 패시베이션 층(passivation layer) 등의 경우가 그것이다. 소자의 지오메트리(geometry)가 축소되고, 열적 부담(thermal budget)이 감소됨에 따라, 기존 증착 공정의 한계 때문에, 높은 종횡비(가령, AR>8:1) 공간의 보이드(void) 없는 충전이 점점 더 어려워지고 있다.
대부분의 증착 방법은, 측벽의 하부 영역보다 상부 영역에 더 많은 물질을 증착하거나, 갭의 입구(entry)에 탑-햇(top-hat)을 형성한다. 따라서 상기 갭의 하부 부분에 보이드를 남기면서, 높은 종횡비 구조물의 상부 부분이 너무 이르게 폐쇄된다. 이 문제는 작은 특징부에서 더 악화된다. 덧붙이자면, 종횡비가 증가할 때, 갭 자체의 형태가 문제에 기여할 수 있다. 높은 종횡비의 갭은 종종 요각( 凹角) 형태 특징부(reentrant feature)를 보여주며, 이는 갭 충전을 훨씬 더 어렵게 만든다. 이러한 문제적 요각 형태 특징부는 갭의 상부에서 좁은 폭을 갖는다. 에칭된 측벽은 상기 갭의 상부 가까이서 안쪽으로 경사진다. 주어진 종횡비의 특징부에 대하여, 이는 증착 동안 전구체 종에 의해 보이는 갭 접근 면적에 대한 갭 체적의 비를 증가시킨다. 이들 조건 하에서 보이드(void)와 심(seam) 형성이 발생하기 더 쉽다. 더 많은 막이 갭 내에 증착될 수 있기 전에 상기 갭의 상부가 너무 이르게 폐쇄되는 경우, 갭을 다시 개방하기 위해 화학적 에칭이 필요하다.
갭을 충전하기 위한 한 가지 접근법은 고밀도 플라스마 화학 기상 증착(HDP CVD)법이다. HDP CVD는 높은 종횡비 갭-충전을 위해 사용되는 지향성(하부-상부) CVD 공정이다. 본 발명의 방법은 높은 종횡비의 구조물의 측벽보다 하부에 더 많은 물질을 증착한다. 이는, 대전된 유전체 전구물질 종을 갭의 하부까지 아래로 향하게 함으로써, 이뤄진다. 그럼에도 불구하고, 약간의 오버행, 또는 탑-햇 형성이, 충전될 갭의 입구 영역에 여전히 나타난다. 이는 플라스마 반응기의 중성 종의 비-지향성 증착 반응과 스퍼터링/재증착(redeposition) 공정으로부터 도출된다. 지향성 양태의 증착 공정은, 하부 충전물을 스퍼터링시켜버리는 높은 운동량의 대전된 종을 도출한다. 스퍼터링된 물질은 측벽에 재증착되는 경향이 있다. 충전될 갭의 폭이 감소하고 종횡비가 증가함에 따라, 오버행 형성으로 인한 한계가 더 심해진다.
HDP CVD 공정은 측벽 증착물과 탑-햇을 제거하기 위한 플라스마 에칭 단계에 의존한다. 통상적으로, NF3 등의 불소 종이 유전체 막 증착 단계 사이에서 막을 에칭하기 위해 사용된다. 유전체 층이 기판 상의 갭을 부분적으로 충전한 후, 불소-함유 플라스마가 층을 에칭하여, 탑-햇을 제거하고, 추가적인 증착을 위해 갭을 개방한다. 그러나 이들 에칭 단계가 일부 경우에서는 부적절할 수 있다.
소자의 지오메트리(geometry)가 축소되고, 열적 부담(thermal budget)이 감소됨에 따라, 기존 증착 공정의 한계 때문에, 높은 종횡비(가령, AR>8:1) 공간의 보이드(void) 없는 충전이 점점 더 어려워지고 있다. 대부분의 증착 방법은, 측벽의 하부 영역보다 상부 영역에 더 많은 물질을 증착하거나, 갭의 입구(entry)에 탑-햇(top-hat)을 형성한다. 따라서 상기 갭의 하부 부분에 보이드를 남기면서, 높은 종횡비 구조물의 상부 부분이 너무 이르게 폐쇄된다. 이 문제는 작은 특징부에서 더 악화된다.
유전성 물질(dielectric layer)로 갭(gap)을 충전하는 신규한 방법이 제공된다. 상기 방법은 갭에 유동성 중합된 막을 플라스마-보강형 화학적 기상 증착(PECVD)하고, 인-시추(in situ) 처리하여 상기 막을 유전성 물질로 변환하는 것을 포함한다. 다양한 실시예에 따르면, 인 시추 처리는 순수 열 처리 공정, 또는 플라스마 처리 공정일 수 있다. 막을 등각 공정으로 증착하는 종래의 고체 물질의 PECVD 공정과 달리, 증착이 갭의 하부-상부 충전(bottom-up fill)을 야기한다. 특정 실시예에서, 증착 - 인 시추 처리 - 증착 - 인 시추 처리 공정이 수행되어, 갭 내에 유전체 층을 형성할 수 있다. 갭의 하부-상부 충전을 위해 필요한 만큼 시퀀스가 반복된다. 또한 특정 실시예에서, 갭 충전이 완료된 후, 엑스 시추 후-처리 공정이 수행된다.
(인 시추 처리와, (특정 경우) 엑스 시추 처리를 통해) 유동성 막을 증착하고 처리하는 상기 PECVD 방법은, 희망 전기적 및 기계적 속성을 갖는 막을 획득하도록 조정된다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 3.0 이하의 유전 상수를 갖는 막이 형성된다. 또한 상기 공정은 프론트엔드 갭충전 및 백엔드 갭충전에 적용가능하다.
소개
본 발명은 높은 종횡비의 좁은 폭의 갭의 완전한 충전을 제공하는 증착 공정에 관한 것이다. 다양한 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은, 더 낮은 열적 부담에서조차, 15:1 이상의 종횡비를 갖는 갭을 충전하기 위해 사용될 수 있다.
대부분의 증착 방법은 측벽의 하부 영역보다 상부 영역 상에 더 많은 물질을 증착하거나, 갭의 입구에 (탑-햇이라고도 일컬어지는) 커스프(cusp)를 형성한다. 측벽과 탑-햇 증착물을 제거하고, 추가적인 증착을 위해 갭을 개방된 채로 유지하기 위해, 종래의 HDP CVP 공정이 다중-사이클 증착 공정-에칭 공정을 사용하는 것이 통상적이다. 각각이 사이클은 증착 단계와 이에 뒤따르는 에칭 단계를 포함한다. 에칭 단계에서 불소 종이 사용되는 것이 통상적이다. 이들 불소 에칭 단계는, 다수의 반응기를 필요로 하는 일부 경우에서 비용이 높고, 시간 소모적이다.
도 1은 종래의 HDP CVD 방법에 의해 부분적으로 충전된 트렌치의 대략적인 도시를 나타낸다. 도면부호(101)는 트렌치의 하부로부터 스퍼터링되고 트렌치의 측벽 상에 재-증착되는 막으로부터 측벽이 형성된 곳을 가리킨다. 이들 측벽은 핀치 오프(pinch off)되어, 추가적인 증착이 방해된다. 유전체 막이 트렌치 내부에 증착될 수 있기 전에, 상기 트렌치를 다시 개방하기 위해 화학적 에칭이 필요하다. 높은 종횡비의 트렌치, 또는 그 밖의 다른 특징부를 충전하기 위해, 다수의 증착 - 에칭 - 증착 사이클이 필요하다. 도면부호(103)는 취약 스팟(weak spot)을 가리킨다. 종래의 갭 충진 방법은 종종, 유전체 막의 취약 스팟의 형성을 초래한다. 취약 스팟은, 갭이 폐쇄됨에 따른 증가된 갭 접근 면적에 대한 갭 체적의 결과로서 형성될 수 있으며, 갭에서 보이드(void), 또는 심(seam)을 초래할 수 있고, 궁극적으로는 소자의 오류를 초래할 수 있다. 그 밖의 다른 알려진 갭-충전 방법은 다중 사이클의 증착 - 에칭 단계에 의존하며, 갭의 상부의 핀치-오프(pinch off), 갭 내 보이드 및 심 형성에 영향받기 쉽다.
이러한, 또는 그 밖의 다른 이유 때문에, 로직 및 메모리 적용예에서의 STI(shallow trench isolation), PMD(pre-metal dielectric) 및 층간 유전체(ILD)를 위한 갭 충진 기법은, 축소되는 특징부 크기 때문에, 계속하여 도전과제가 된다. HDP, 또는 SACVD(sub-atmospheric chemical vapor deposition)는 산업에서 원하는 종횡비를 획득할 수 없다. 이러한 이유로, 스핀-온(spin-on)뿐 아니라, 증착, 에칭-백(etch-back) 및 재-증착을 포함하는 복합적인 방식이 조사된다. 상기 복합적인 방식은 비용이 많이 들고, 복잡하다. 이는 물론 바람직하지 않다. 현재 스핀-온 방법은, 질소 함유량을 제거하기 위한 긴 고온 어닐링과 연결되는 폴리실리젠(polysilizane) 등의 화학물질에 의존한다. 이 공정에서 요구되는 큰 열적 부담은 특정 경우에서 바람직하지 않을 수 있다.
본원에서 기재된 방법은 높은 종횡비 특징부의 하부-상부 갭 충전을 제공한다. 상기 방법은 바람직한 전기적 특성(가령, 2.7 이하의 유전 상수)을 갖는 막을 증착하도록, 또는 기계적 속성을 증가하도록 조정될 수 있다. 또한 상기 방법은, 낮은, 또는 높은 열적 부담의 경우에서 사용될 수 있다는 점에서, 유연하다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 방법은, 높은 종횡비의 구조물을 충전할 수 있는 PECVD를 이용하여 유동성 SiO2를 생성하기 위한 다중 단계 공정을 포함한다. PECVD 증착 동안, 웨이퍼 상에 증착된 물질은 유동성을 가지며, 높은 종횡비의 특징부를 충전할 것이다. 증착 후에, 열 처리, 플라스마 처리, 자외선 열 공정(UVTP) 처리, 또는 그 밖의 다른 공정이 막에 적용되어, 탄소를 제거하고, 기계적 속성을 강화할 수 있다. 이하에서 기재될 바와 같이, 막의 열적 부담 및 희망 속성에 대해 경화 공정(curing process)이 맞춰질 수 있다.
공정
도 2는 본 발명의 일실시예에 따르는 방법을 도시한 공정 흐름도이다. 나타나다시피, 증착 공정은 단계(201)에서 시작하며, 상기 단계(201)에서, 갭을 포함하는 기판이 반응 챔버(reaction chamber)로 제공된다. 반응기에 기판을 제공하는 것 은 기판을 챔버 내 페데스탈(pedestal), 또는 그 밖의 다른 지지대에 클램핑-고정하는 것을 포함한다. 이러한 목적을 위해, 정전 척(electrostatic chuck), 또는 기계적 척이 사용될 수 있다.
기판이 반응 챔버에 제공된 후, 단계(203)에서 공정 기체가 도입된다. 상기 공정 기체는 실리콘-함유 화합물 및 산화제를 포함한다. 또한 기체는 하나 이상의 도펀트 전구체를 포함할 수 있다. 종종, 필수는 아닐지라도, 비활성 운반기체가 존재한다. 특정 실시예에서, 기체는 액체 주입 시스템(liquid injection system)을 이용하여 도입된다. 실리콘 함유 화합물 및 산화제는, 서로 동일한, 또는 개별적인 입구를 통해 도입된다. 단계(205)에서, 병렬 플레이트 RF 플라스마 발생기를 이용하여, 용량성-결합된 플라스마가 점화(strike)된다. 그 후, 단계(207)에서 유동성 폴리머 막이 갭 내부에 증착되어, 갭을 부분적으로 충전할 수 있다. 반응기 내부의 조건은, 실리콘-함유 화합물 및 산화제가 반응하고, 기판 상에서 응축(condense)되도록 정해진다. (상기 방법은 특정 반응 메커니즘에 국한되지 않는다. 예를 들어, 반응 메커니즘으로는, 응축 반응, 또는 응축되는 증기 상태 산물을 생성하는 증기 상태 반응, 또는 반응 전 반응제 중 하나 이상의 응축, 또는 이들의 조합이 있다) 증착 공정은 안정된 충전을 제공하는 바람직한 유동 특성을 갖는 점성의 비정질 폴리머 막을 형성한다.
반응기에서의 공정 조건은, 반응 산물이 표면 상에서 응축되도록 정해지며, 이는 이하에서 기재되는 바와 같이 0 내지 100℃의 페데스탈 온도를 포함한다. 특정 실시예에서, 증착만 이뤄진 상태의(as-deposited) 막은 Si-O, Si-OH, Si-CH3 및 Si-CHx 결합을 포함하며, Si-H 결합은 거의, 또는 실질적으로 전혀, 없다.
유동성 막이 갭 내부에 증착된 후, 증착만 이뤄진 상태의 유동성 막이 인 시추(in situ) 단계(209)에서 고체 실리콘 옥사이드 유전체 막으로 변환된다. 이러한 적용예의 목적을 위해, 인 시추(in situ)는 증착 반응과 동일한 반응 챔버에서 수행되는 것을 일컫는다. 즉, 증착과 인 시추 처리 사이에 어떠한 공기 침입도 없음을 의미한다. 상기 인 시추 처리는 플라스마-기반 처리이거나, 순수하게 열 공정일 수 있다. 그 밖의 다른 타입의 경화 공정, 예를 들어, 빠른 열 공정(rapid thermal processing), 자외선 섬광 경화(ultra-violet flash cure) 등도 사용될 수 있다. 다수의 실시예에서, 공정이 인 시추 공정이기 때문에, 처리는 플라스마-기방 처리이거나, 열 어닐링이며, 이 둘 모두 PECVD 증착 장치에서 수행되기에 적합하다. 비활성, 또는 산화 분위기에서 처리가 이뤄질 수 있다. 특정 처리가 이하에서 추가로 논의된다. 처리에 따라서, 다양한 탄소 양이 막에 남아있을 수 있다.
그 후, 갭을 충전하기 위해 필요한 만큼 유동성 막의 증착 및 처리 공정이 반복된다. 블록(211)을 참조하라. 특정 실시예에서, 증착 전에 플라스마를 점화하는 것이 또한 필수적일 수 있다. 그 밖의 다른 실시예에서, 처리와 증착 간의 전환과 그 반대의 전환은 실리콘-함유 전구 유동체(그리고 필요한 경우 산화제 유동체)를 바꾸는 것을 포함할 수 있다. 그러나 그 밖의 다른 경우는 플라스마를 유지한다. 도 3은 2번의 증착/처리 사이클 후의 높은 종횡비 특징부(300)를 대략적 으로 도시한다. 층(303)은 두 번째 증착/처리 사이클에서 형성된 고체 유전체 물질을 나타낸다. 층들 사이에 경계부(307)가 나타난다. 후-처리 공정에 따라서, 상기 경계부에서 검출가능한 화학적 서명이 존재할 수 있다. 기재된 바와 같이, (단일 증착 단계보다는) 다중-사이클 공정으로 막을 증착함으로써, 뒤 따르는 처리 공정이 증착만 이뤄진 막을 균일하게 치밀화(densify)할 수 있다. 이는 높은 종횡비에서, 단일 사이클 증착을 이용하여 이뤄지기는 어려울 수 있다. 밀도-변화(density-gradient) 없는 막을 증착하는 다중-사이클 공정의 추가적인 세부사항은 US 특허 출원 제11/834,581호에서 발견될 수 있으며, 상기 특허 출원은 본원에서 참조로서 인용된다. 도 2가 특정 실시예에서 다중-사이클 증착 공정을 도시하지만, 막은 하나의 단일 증착 작업으로 증착되고, 하나 이상의 뒤 따르는 처리 작업에서 고형 물질로 변형될 수 있다. 예를 들어, 긴 및/또는 높은 열적 부담 경화 공정을 가능하게 하는 낮은 종횡비의 막, 또는 공정에 대하여, 단일 사이클이 사용될 수 있다.
갭을 완전히 충전하기 위해, 또는 갭을 희망 종점까지 부분적으로 충전하기 위해 필요한 만큼 증착 및 처리 작업이 반복된다. 공정에 의해, 증착된 막의 두께에 대한 미세 제어가 가능하기 때문에, 특징부가 부분적으로 충전될 수 있다. 예를 들면, 깊이의 절반까지 충전될 수 있다. 이로써, 요구되는 경우에 특징부의 나머지 부분은 종래의 HDP-기반 갭 충전을 이용하여 충전될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판은 서로 다른 종횡비의 특징부를 갖는다. 그 후 증착 사이클 시간은 가장 높은 종횡비 특징부 및 상기 특징부에 대한 희망 사이클 횟수를 기초로 한다.
도 2에서 기재된 공정의 하부-상부(bottom-up) 속성 때문에, 부분적으로 충전된 특징부의 종횡비가 미충전 특징부보다 작으며, 이로 인해서, 높은 종횡비의 특징부를 충전하기에 적합하지 않는 다른 등각 기법(conformal technique)이 사용될 수 있다. (이는 종횡비가 고르게 유지되거나 증가할 수 있는 등각 공정과 다르다.) 특정 실시예에서, 갭의 나머지 부분은 종래의 PECVD를 이용하여 충전되며, 상기 종래의 PECVD는 고체이며 대체로 등각인 막을 갭 내부에 증착한다.
갭이 유전체 물질로 충전된 후, 특정 실시예에서, 단계(213)에서 기판이 엑스 시추(ex situ) 경화 챔버로 이동된다. 본원에서 사용될 때, 용어 엑스 시추(ex situ)는 증착 챔버의 외부를 일컫는다. 단계(215)에서 그 곳에서 엑스 시추 처리 공정이 수행된다. 이 단계는 막의 추가적인 치밀화, 탄소 제거, 기계적 강도 증가 및 유전 상수 낮추기 중 임의의 것을 수행하기 위한 것일 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, UV-보조형 열 공정, 고온 열 어닐링, 빠른 열 공정, 또는 그 밖의 다른 섬광 경화가 사용된다.
특정 실시예에서, 표면이 유동성 막을 더 끌어당기도록 만드는 에이전트를 이용하여 표면이 전처리(pre-treat)될 수 있다. 이는 증착 챔버에서 발생하거나(즉, 도 2의 흐름도의 단계(201)와 단계(203) 사이에서 발생), 증착 챔버에 위치하기 전에 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 전처리는 기판을 플라스마 처리 공정, 가령, H2, NH3, 또는 O2 플라스마 처리에 노출시키는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 기판을 HMDS 등의 실라잔(silazane) 증기에 노출시키는 등의 화학적 전 처리가 수행될 수 있다.
본원에서 기재된 실시예 중 다수에서, 순환적 증착(증착 - 처리 - 증착 - 처리 등) 공정이 기재된다. 도 3의 설명에서 나타나는 바와 같이, 각각의 사이클에서 증착되는 막 사이의 경계부가 도출된다. 고품질 막을 얻기 위해, 특정 실시예에서 다수의 층을 갖는 것이 발견되었다. 특정 실시예에서, 충전된 특징부는 둘 이상의 이러한 경계부, 또는 셋 이상의 이러한 경계부, 또는 넷 이상의 이러한 경계부를 포함한다. 각각의 층은 전체 갭 모두를 한 번에 변환/치밀화하지 않고, 다음 층이 증착되기 전에, 낮은 습식 에칭 속도로, 증착만 이뤄진 상태의 폴리머에서 꽤 높은 품질의 옥사이드로 변환될 수 있다. 갭 내부의 물질은 후처리(post treatment) 전에 변환되기 때문에, 후처리가 특징부의 상부 근방의 기계적 및 화학적 속성을 추가로 강화한다. 또한 특정 실시예에서, 플라스마 증착 공정은 펄스형 RF 플라스마를 이용한다. 이는 경계부의 개수와 막의 품질을 증가시키는 효과를 갖는다.
공정 매개변수
공정 기체
공정 기체는 실리콘-함유 화합물과 산화제를 포함한다. 적합한 실리콘-함유 화합물은 플라스마 중합 반응이 가능한 화합물이고, 유기 실란 및 유기 실록산을 포함한다. 특정 실시예에서, 실리콘-함유 화합물은 일반적으로 이용 가능한 액상 실리콘 공급원이다. 예를 들자면, TOMCTS, OMCTS, TEOS, 트리-에톡시 실란(TES), TMS, MTEOS, TMOS, MTMOS, DMDMOS 디에톡시 실란(DES), 트리페닐에톡시실란, 1-(트 리에톡시실릴), 2-(디에톡시메틸실릴)에탄, 트리-티-부톡실실라놀(tri-t-butoxylsilanol), 테트라메톡시 실란이 있다. 특정 예로는 테트라메틸실란(4MS), 테트라에톡시실란(TEOS) 및 옥타메틸테트라실록산(OMCTS)이 있다. 적합한 산화제의 예로는, 오존, 하이드로젠 페록사이드, 산소, 물 및 알코올(가령, 메탄올, 에탄올, 이소프로포날)이 있다.
일부 실시예에서, 실리콘-함유 화합물 및 산화제는 챔버로의 유입을 위해 액체를 기화시키는 액체 주입 시스템을 통해 반응 챔버로 전달된다. 통상적으로, 반응제는 챔버에 따로 따로 전달된다. 액체 주입 시스템으로 유입되는 액체의 통상적인 유량은 반응제 당 0.1 내지 5.0㎖/min이다. 물론, 해당 업계 종사자라면 최적 유량이 특정 반응제, 희망 증착 속도, 반응 속도 및 그 밖의 다른 공정 조건에 따라 달라짐을 이해할 것이다. 허용가능한 산화제:실리콘 함유 화합물의 비는 2:1 내지 1:3이다.
증착 반응 조건
반응 조건은, 실리콘-함유 화합물 및 산화제가 기판 표면 상에 응축되어 유동성 막을 형성할 수 있는 응축 반응을 겪도록 정해진다. 앞서 언급된 바와 같이, 상기 방법은 특정 반응 수단으로 국한되지 않는다. 온도는 통상의 PECVD 반응보다 낮다.
기판 온도는 약 0 내지 100℃인 것이 통상적이다. 유동성 막을 증착하기 위해 요구되는 기판 온도는 사용되는 전구체에 따라 일부 좌우된다. 온도가 낮을수록 더 액체 상태에 가까운 막이 도출된다. 종횡비가 증가할수록, 특징부를 충전하기 위해 필수적인 유동성을 획득하기 위해, 온도가 더 낮다. 챔버 압력은 약 0.5 내지 10Torr일 수 있으며, 특정 실시예에서, 0.5 내지 5Torr이다. 특정 실시예에서, 챔버 압력은 약 1Torr이다.
이하에서 더 설명될 바와 같이, 출원인은 특정 전구체를 이용한 증착 동안 플라스마를 사용함으로써, 기대치 않게도, 열 CVD의 경우에서 가능한 것보다 더 고온에서 증착이 수행될 수 있음을 발견했다. 특정 실시예에서, 온도는 약 60 내지 100℃, 가령 90℃이다. TEOS에 대하여, 예를 들어, 열-전용(thermal-only) CVD를 이용하여 유동성 막이 증착될 수 있는 최대 온도는 실온 근처(20-25℃)이다. 테트라메틸실란(4MS), 트리에틸실란(3MS), HMDSO, SiH4 등의 그 밖의 다른 전구체가 열 CVD를 이용하지만 실온보다 훨씬 더 낮은 온도에서 유동성 막을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우, 보통, 유동성 막을 증착하기 위해 a<0 ℃ 페데스탈이 필요하다. 그러나 더 높은 온도에서, 가령, 75℃에서, 플라스마를 이용하여, 유동성 막이 증착된다.
플라스마에 의해 제공되는 증가되는 에너지 때문에, 플라스마-보강형 공정은 열 전용 공정보다 더 낮은 온도 체제에서 동작하는 것이 통상적이기 때문에, 플라스마-보강형 CVD를 이용하여 더 높은 온도 체제에 접근하는 것은 예상하지 못한 것이다. 덧붙이자면, 특정 실시예에서, 본원에서 기재된 방법은 폴리머 구조를 갖는 유동성 막을 생산한다. 이는, 막이 중합되지 않는 저온 열 CVD 공정에 의해 증착되 는 유동성 막과 다르다.
특정 실시예에서, 전구체 선택, 온도 범위 및 플라스마의 사용이 비정질 폴리머 겔을 표면 상에 증착하는 중합 반응을 야기한다. 저온 열 전용 공정을 이용하는 이전 공정은 중합 반응을 제공하지 않는다. 특정 실시예에서, 본원에서 기재된 플라스마-보강형 증착 막의 폴리머 구조에 의해 희망 기계적 및 전기적 속성을 획득하기 위해 요구되는 바대로, 증착 후에 막을 수정하기 위한 더 높은 기회가 제공된다. 이는 인 시추 및 엑스 시추 처리 공정에 의해 폴리머 막이 가교결합될 수 있기 때문이다.
앞서 나타난 바와 같이, 다크 조건(dark condition)에서 PECVD 공정은 CVD 공정보다 훨씬 더 높은 온도에서의 증착이 가능하게 한다. 이는 이전 공정을 이용하여 획득될 수 없는 다양한 이점을 제공한다. 반응기에서 존재하는 입자는 가장 차가운 표면에 고착될 것이다. 전면과 후면 오염이 이러한 저온 공정(cold process)에서 상당한 문제가 될 수 있다. 이러한 저온 페데스탈 반응기를 세정하는 것도 매우 어려울 수 있다. 이러한 어려움은 본원에서 기재된 플라스마-보강형 공정에 의해 경감되거나 회피된다.
이러한 기재(hardware)적 이점에 추가로, 특정 실시예에서 본 발명의 공정은 더 바람직한 막 균일성을 제공한다. 챔버 내 대량 수송 및 열 경계 조건이, 열 CVD와 PECVD 공정 모두에 대해 증착된 막의 균일성을 판단하는 중요한 인자이다. 그러나 PECVD에서는 플라스마의 균일성이 막 균일성에 강하게 영향을 미친다. 상기 플라스마는 플라스마가 대량 수송, 또는 열 구배(thermal gradient)에서 결함을 매끄 럽게 할 수 있기 때문에, 웨이퍼간 균일성(cross-wafer uniformity)을 개선시킬 수 있다. 따라서 기재는 약간 더 관대해진다.
특히, 약 60 내지 100℃에서의 산소와의 플라스마-보강된 CVD 반응에서, TEOS, OMCTS 및 TOMCTS를 이용하는 실시예는 중합 반응을 야기한다. OMCTS가 전구체인 특정 실시예에서 발생한 중합 반응의 간단한 예로는
[SiO(CH3)2]4 + O2 + RF 에너지 -> -[SiO(CH3)2]- N가 있으며, 이때, N은 중합도이다. 이는 발생할 수 있는 반응의 하나의 예에 불과하다. 이하에서 더 설명되겠지만, 겔은 많은 실시예에서 다수의 서로 다른 길이의 폴리머를 갖는다. 상기 폴리머는 브랜치 폴리머이거나 선형 폴리머일 수 있다. 폴리머 체인의 길이는 실질적으로, 모노머 세그먼트로 구성된 다수의 브랜치에 따라, 또는 플라스마에서 생성된 더 작은 단편(fragment)에 따라 달라질 수 있다. 유사한 방식으로, TOMCTS 및 TEOS를 포함하는 또 다른 전구체가 중합되어, -[SiOR]- N(이때, R은 하나 이상의 알킬 그룹)을 포함하는 브랜치 폴리머, 또는 선형 폴리머 체인을 형성할 수 있다.
증착만 이뤄진 상태의(as-deposited) 막 조성물이 이하에서 추가로 설명된다.
노출 시간은 반응 조건뿐 아니라 희망 막 두께에 따라 달라진다. 증착 속도는 약 100옹스트롬/분(min) 내지 1㎜/분(min)인 것이 통상적이다. 앞서 설명된 바와 같이, 다수의 실시예에서, 증착 사이클 동안 갭은 부분적으로만 충전된다. 노출 시간에 추가로, 온도를 이용하여 사이클 동안 증착되는 막의 크기가 조정될 수 있다.
RF 파워는 앞서 기재된 조건 하에서 플라스마를 점화하기에 충분해야 한다. 고주파수 RF(2-60㎒, 예를 들면 약 13.56㎒) 공급원이 사용된다. 유동성 물질의 증착 동안 저주파수 RF는 사용되지 않아야 한다. 이는 과도한 이온 충돌이, 증착 동안 물질이 표면에 순응하는 방식을 크게 변경하기 때문이다. (증착 상태가 완료된 후, 이온 충돌이 허용되며, 증착만 이뤄진 상태의 폴리머의 밀도를 강화하기 위해 바람직할 수 있다. 저주파수 공급원(약 100㎑ 내지 1㎒, 가령, 400㎑)이 사용되어, 총 파워의 10 내지 20%를 공급할 수 있다.)
증착만 이뤄진 상태의 막 조성물( as - deposited film composition )
도 4는 앞서 기재된 PECVD 공정을 통해 증착만 이뤄진 상태의 유동성 막의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다. Si-CHx 피크(peak)는, x=2 또는 3에 대한 CH2 및 CH3 그룹에서, 3100㎝-1 내지 2800㎝-1의 영역의 클러스터이다. Si-O 피크는 1250㎝-1 내지 950㎝-1의 클러스터이다. (3개의 주요한 피크가 있다: 약 1135㎝-1에서의 피크(cage), 약 1063㎝-1에서의 피크(network), 약 1023㎝-1에서의 피크(sub-oxide)). Si-O 영역은 이들 모두가 조합된 것이다. Si-O 피크에 대한 Si-CHx 피크의 비는 약 4%이다. Si-O 피크에 대한 1273㎝-1에서의 Si-CH3 피크의 비 는 약 7%이다.
증착만 이뤄진 상태의 막은, 용융 전이를 갖는(그러나 어떠한 투명 유리 전이는 없음) 겔 형태의 비정질 폴리머로서 특징지워질 수 있다. 증착만 이뤄진 상태의 막의 기계적 속성은 꽤 약한데, 예를 들어, 도 4에서 나타난 스펙트럼에 의해 특징지워진 막에 대해, 경도와 모듈러스는 각각 0.09Gpa와 1.79GPa였다.
도 5A 및 5B는 각각, 증착만 이뤄진 상태의 막의 열 중량측정치와 디지털 스캐닝 열량측정치 분석값을 나타낸다. 이들은 막이 다중상태(multiphase)(다중 체인 길이) 비정질 폴리머로서 특징지워질 수 있음을 나타낸다. 어떠한 결정화도 관찰되지 않고, 용융점 온도의 범위는 폴리머 체인의 체인 길이가 가변적임을 나타낸다.
인 시추 처리( in situ treatment )
기판 상에 유동성 막이 증착된 후, 이를 처리함으로써, 고형화되고 수축된다. 앞서 설명된 바와 같이, 다수의 실시예에서, 이는 증착 공정과 동일한 챔버에서 이뤄진다. (또한 다중-스테이션 챔버의 경우 증착 공정과 동일한 스테이션에서 이뤄질 수 있다.) 증착과 처리 단계를 동일한 챔버에서 수행함으로써, 앞서 기재된 다중-사이클 증착/처리가 촉진된다.
다양한 실시예에 따라, 순수 열 어닐, 또는 플라스마에의 노출에 의해, 막이 고체 옥사이드 막으로 변환될 수 있다. 열 어닐 온도는 (열적 부담에 따라) 300℃이상일 수 있다. 어닐은 비활성 분위기(Ar, He 등)에서, 또는 잠재적 반응성 분위 기에서 수행될 수 있다. (O2, N2O, O3, H2O, H2O2 등을 이용하는) 산화 분위기가 사용될 수 있지만, 특정 상황에서 막에 질소가 포함되는 것을 방지하기 위해 질소-함유 화합물이 피해질 것이다.
특정 실시예에서, 막은 플라스마에 노출됨으로써 처리된다. 이로 인해서, 유동성 막의 고체 막으로의 탑-다운 변형(top-down conversion)이 야기된다. 상기 플라스마는 비활성이거나 반응성일 수 있다. 헬륨 및 아르곤 플라스마가 비활성 플라스마의 예이며, 산소 및 수증기 플라스마가 (예를 들어, 요구될 때 탄소를 제거하기 위해 사용되는) 산화 플라스마의 예이다. 최종 유전체 막에 질소가 포함되는 것이 바람직하지 않는 경우, 질소-함유 플라스마는 피해져야 한다. 플라스마 노출 동안 온도는 약 200℃ 이상인 것이 통상적이다. 특정 실시예에서, 산소, 또는 산소-함유 플라스마가 사용되어 탄소를 제거할 수 있다.
인 시추 공정 동안의 온도는 0 내지 550℃일 수 있으며, 온도 범위의 상한은 특정 공정 단계에서의 열적 부담에 의해 결정된다. 압력은 0.1 내지 10Torr일 수 있으며, 탄소를 제거하기 위해 고 산화제 압력이 사용된다.
막을 고형화하고 수축하기 위해, 또 다른 어닐링 공정, 예를 들어, RTP(rapid thermal processing)도 사용될 수 있다. 이하의 표 1은 압력 1.5Torr와 페데스탈 온도 200℃의 산화 분위기에서의 인 시추 플라스마 처리(13.56㎒; 1500 W HFRF 파워)의 결과를 나타낸다.
표 1 : 인 시추 플라스마 처리
경화 시간(분) 기체 기체 유량(sccm) He 유량(sccm) 수축률(%) 응력(MPa) SiCHx/SiO 제거율 (%) SiCH3/SiO 제거율(%)
1 O2 200 2000 13.5 37.4 40.1 42.9
1 O2 2000 2000 23.1 53.5 68.1 68.3
1 O2 15000 0 13.2 40.6 50.9 53.3
인 시추 산화 플라스마 처리는 FTIR에 의해 측정됐을 때, 물질 내 탄소의 양을 성공적으로 감소시켰다.
다중-사이클 단계에서 증착 단계 사이에서의 인 시추 처리가 겔을 고체로 응축하고, 최종 유전체의 희망 속성에 따라, 탄소를 제거하고 막을 치밀화할 수 있다.
엑스 시추 처리( ex situ treatment )
특정 실시예에서, 상기 막을 완전하게 치밀화하고 상기 막에서 탄소를 제거하도록, 갭이 충전된 후 엑스 시추 공정이 수행된다. 엑스 시추 처리는 증착과는 다른 툴 상에서 수행되기 때문에, 더 높은 온도와 또 다른 에너지 공급원이 사용될 수 있다. 엑스 시추 처리는 N2, O2, H2O 및 He 등의 대기에서 고온 처리 어닐(700-1000℃)을 포함한다.
특정 실시예에서, 엑스 시추 처리는, 예를 들어, 자외선 열 공정(UVTP: ultraviolet thermal processing)에서 막을 자외선 복사에 노출시키는 단계를 포함한다. 예를 들어, UV 노출과 함께, 400℃ 이상의 온도가 막을 경화시키기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 섬광 경화 공정, 예를 들어, RTP가 엑스 시추 처리를 위해서도 사용될 수 있다.
이하의 표 2는 400℃의 페데스탈 온도에서의 산소 분위기의 UVTP 공정의 결과를 나타낸다.
표 2 : 엑스 시추 UVTP 처리
경화 시간(분) 압력(Torr) 수축률(%) 응력(MPa) SiCHx/SiO 제거율(%) SiCH3/SiO 제거율(%) 경도(GPa) 탄성계수(GPa)
5 50 14.8 94.1 78.4 59.6 - -
10 50 21.5 113.2 85.0 69.3 - -
15 50 27.2 122.6 90.8 77.9 - -
5 650 24.4 110.8 89.6 76.9 1.46 11.59
10 650 29.0 104.8 100 100 1.74 20.13
15 650 33.1 94.8 100 100 1.64 20.65
고압(650Torr) 공정이 가장 높은 수준의 탄소 제거를 제공했다. 하나의 예에서, 650Torr에서의 산소 분위기의 15분 UVTP 처리가, 증착만 이뤄진 상태보다 거의 15배의 경도를 갖는 막을 생성했다. 1분 N2O 플라스마 처리가 거의 5분 UVTP 처리만큼 탄소의 양을 제거한다.
앞서 설명된 바와 같이, 본원에서 기재된 공정은 특정 희망 전기적 속성 및/또는 기계적 속성을 획득하도록 조정될 수 있다. 특정 실시예에서, 약 3.0 이하의 유전 상수가 획득된다. 상기 방법은 비-반응성 대기 기체(예를 들어, He, Ar 등)에서 수행되는 엑스 시추 UVTP 공정, 열 공정, 또는 e-빔(e-beam) 공정을 포함한다. 유동성 막으로의 서로 다른 노출 시간을 갖는 이러한 경화 공정의 결과의 예가 표 3에서 제공된다. 페데스탈 온도는 400℃였다.
표 3 : 엑스 시추 UVTP 처리 및 유전 상수
경화 시간(분) 수축률(%) 응력(MPa) SiCHx/SiO 제거율(%) SiCH3/SiO제거율(%) k 경도(GPa) 탄성계수(GPa)
5 17.58 56.40 49.82 36.72 2.72 0.53 3.70
10 24.36 67.23 61.86 48.89 2.69 0.94 6.25
15 27.75 66.33 69.36 57.28 2.75 1.16 8.33
막의 유전 상수는 2.75 수준이며, 탄성 계수 및 경도가 증착만 이뤄진 상태의 물질보다 훨씬 더 개선된다. 대량 생산에서, 관찰된 수축률 및 응력은 다른 로우-k(low-k) 공정과 유사하다. 이들 막은 현재의 HDP SiO2, 또는 SiOF 기술을 이용하여 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 낮은 전기적 속성을 갖는다. 따라서 본원에서 기재된 방법을 이용할 때, 특정 실시예에서, 3.0 이하의 유전 상수, 또는 심지어 2.8이나 2.7 이하의 유전 상수를 갖는 높은 종횡비의 특징부 내 유전체 막을 획득하는 것이 가능하다.
적용예
본원 발명의 방법은, STI(shallow trench isolation), PMD(pre-metal dielectric), ILD(inter-level dielectric) 및 IMD(inter-metal dielectric) 적용예 등의 다양한 적용예에 대한 것일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 엑스 시추 처리는 특정 적용예에 대해 맞춰진다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 본 방법이 STI 공정에서 사용된다. STI 공정에서, 기판 상의 얕은 트렌치(shallow trench)가 생성되고, 그 후, 트렌치 내부에 유동성 막이 증착되어, 트렌치를 유전성 물질로 충전할 수 있다. 통상적으로, 종래의 공정은 STI용으로 HDP-CVD를 이용한다. 종횡비는 10:1, 또는 그 이상일 수 있다. 막이 증착된 후, 특정 실시예에서, 고온 엑스 시추 처리, 가령 1000℃의 온도를 이용하는 노 어닐(furnace anneal), 또는 고속 열 공정이 수행된다.
또 하나의 실시예에서, PMD, 또는 ILD 공정에서 유동성 막 증착 공정이 사용된다. 증착 및 인 시추 처리의 필수 횟수의 사이클 후에, 막이 UVTP 공정을 통해 처리된다. 또는, 저온(400 내지 500℃) 열 어닐을 통해, 상기 막이 처리된다. 이들 공정은 요구되는 더 낮은 열적 부담에서 희망 속성을 갖는 유전성 막을 생성한다.
또 다른 실시예에서, 알루미늄 삭제 공정(aluminum subtractive process)을 위한 백엔드 갭충전 기술에서 상기 공정이 사용된다. 높은 종횡비의 특징부를 충전하기 위해, 알루미늄 삭제 야금은 고밀도 플라스마(HDP) SiO2, 또는 SiOF 막에 의존한다. 이들 막은 3.7의 비교적 높은 유전 상수를 갖는다. 유전 상수를 변경하는 것 외에, 막에 불소를 첨가하는 것이 많은 통합 문제, 가령 디라미네이션(delamination)을 야기할 수 있다.
장치
본 발명의 방법은 광범위한 반응 챔버 상에서 수행될 수 있다. 상기 방법은 HDP-CVD 반응기, PECVD 반응기, CVD 반응을 위해 구비된 임의의 챔버, PDL(pulsed deposition layer)용으로 사용되는 챔버 등의 유전체 막의 증착을 위해 구비된 임의의 챔버 상에서 구현될 수 있다.
이러한 반응기는 여러 다른 형태를 취할 수 있다. 일반적으로, 상기 장치는 하나 이상의 웨이퍼를 하우징하고 웨이퍼 공정에 적합한 하나 이상의 챔버, 또는 “반응기"(때로는 상기 챔버, 또는 반응기가 다수의 스테이션을 포함)를 포함할 것이다. 각각의 챔버는 공정을 위한 하나 이상의 웨이퍼를 하우징할 수 있다. 하나 이상의 챔버는 웨이퍼를 지정된 위치로 유지한다(이때 상기 위치 내에서 운동(가령, 회전, 진동, 또는 그 밖의 다른 교반)하거나, 운동하지 않음). 공정 중에, 각각의 웨이퍼는 페데스탈, 웨이퍼 척 및/또는 그 밖의 다른 웨이퍼 고정 장치에 의해, 하나의 위치로 고정된다. 웨이퍼를 가열할 특정 작업을 위해, 상기 장치는 가열기, 예를 들어 가열 플레이트(heating plate)를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 발명은 HDP CVD 반응기에서 구현될 수 있다. 적합한 반응기의 예로는 Novellus Systems사(소재지: 미국, 캘리포니아, 산 호세)의 SpeedTM 반응기가 있다. 특정 실시예에서, 본 발명은 PECVD 반응기에서 구현될 수 있다. 적합한 반응기의 예로는 Novellus Systems사(소재지: 미국, 캘리포니아, 산 호세)의 SequelTM 반응기 및 VectorTM 반응기가 있다. 특정 실시예에서, 본 발명은 금속 및/또는 유전체 증착을 위해 구비된 CVD 챔버에서 구현될 수 있다. 적합한 반응기의 예로는 Novellus Systems사(소재지: 미국, 캘리포니아, 산 호세)의 AltusTM 반응기가 있다. 특정 실시예에서, 본 발명은 원자 층 증착(ALD: atomic layer deposition), 펄스형 증착 층(PDL: pulsed deposition layer), 또는 펄스형 핵생성 층(PNL: plused nucleation layer) 반응을 위해 구비된 챔버에서 구현될 수 있다. 이러한 반응기의 예로는 Novellus Systems사(소재지: 미국, 캘리포니아, 산 호세)의 PNL 반응기를 포함하는 AltusTM이 있다.
특정 실시예에서, 동일한 반응 챔버에서 증착 및 변환 작업이 수행된다. 또 다른 실시예에서, 증착이 제 1 챔버에서 수행되고, 그 후, 열, 또는 플라스마 어닐을 위해 제 2 챔버로 이동될 수 있다. 예를 들어, 플라스마 반응을 위해 구성된 반응기가 증착과 플라스마 어닐 작업 모두를 위해 사용될 수 있다. 증착 및 열 어닐 작업을 위해 또 다른 반응기가 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 특정 실시예에 따라 사용될 수 있는 반응기의 예를 도시한다. 도 8에서 나타난 반응기는 다크 증착(dark deposition) 및 (가령, 플라스마 어닐에 의한) 고체 막으로의 변환 모두에 적합하다. 나타나다시피, 반응기(800)는 공정 챔버(824)를 포함하며, 상기 공정 챔버(824)는 반응기의 다른 구성요소를 내포하고, 접지된 가열기 블록(820)과 연계되어 작동하는 샤워헤드(814)를 포함하는 커패시터 타입 시스템에 의해 발생된 플라스마를 내포하도록 기능한다. 저주파수 RF 발생기(802) 및 고주파수 RF 발생기(804)가 샤워헤드(814)로 연결된다. 파워 및 주파수는 공정 기체로부터 플라스마를 생성하기에 충분하다. 가령, 400-700W의 총 에너지이다. 본 발명의 구현예에서, 상기 발생기는 유동성 막의 다크 증착 동안은 사용되지 않는다. 플라스마 어닐 단계 동안, 하나의 발생기, 또는 둘 모두의 발생기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 통상의 공정에서, 고주파수 RF 성분은 2 내지 60㎒인 것이 일반적이며, 바람직한 실시예에서, 상기 성분은 13.56㎒이다.
반응기 내에서, 웨이퍼 페데스탈(8181)은 기판(816)을 지지한다. 상기 페데스탈은, 증착 및/또는 플라스마 처리 반응 동안, 또는 그 사이에 기판을 고정하고 이동시키기 위한 척(chuck), 또는 포크(fork), 또는 리프트 핀(lift pin)을 포함한다. 상기 척은 산업 및/또는 연구 분야에서 사용될 수 있는 정전기 척, 또는 기계적 척, 또는 그 밖의 다른 다양한 타입의 척일 수 있다.
공정 기체는 입구(812)를 통해 유입된다. 다수의 공급원 기체 라인(810)이 다기관(808)으로 연결된다. 상기 기체는 미리 혼합될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 혼합 볼(mixing bowl)/다기관 라인의 온도는 반응 온도보다 높은 수준으로 유지되어야 한다. 보통 약 80℃ 이상의 온도와 약 20Torr 이하의 압력이 충분하다. 공정의 증착 및 플라스마 처리 단계 동안 올바른 기체가 전달됨을 보장하기 위해, 적정한 밸빙(valving) 수단 및 흐름 제어 수단이 사용된다. 전구 화학물질이 액체 형태로 전달되는 경우, 액체 흐름 제어 수단이 사용된다. 그 후, 증착 챔버에 도달하기 전, 기화점 이상으로 가열된 다기관에서의 이동 동안, 상기 액체가 기화되고, 다른 공정 기체와 혼합된다.
공정 기체가 출구(822)를 통해 챔버(800)를 빠져나간다. 진공 펌프(826)(가령, 하나 이상의 스테이지의 기계적 건식 펌프 및/또는 터보분자 펌프(turbomolecular pump))는, 폐쇄 루프에 의해 제어되는 흐름 제어 장치(가령, 스로틀 밸브, 또는 펜듈럼 밸브)에 의해, 공정 기체를 빼내고, 반응기 내부를 적합한 낮은 압력으로 유지한다.
도 8에서 도시된 장치는 본 발명을 구현하기 위해 사용될 수 있는 장치의 하나의 예에 불과하다.
실험
다음의 예시는 본 발명의 형태를 설명하는 세부사항을 제공한다. 이들 예시들은 본 발명의 이러한 형태의 예를 들고, 보다 명확한 설명을 위해 제공되는 것이지, 제한하기 위해 제공되는 것이 아니다.
OMCTS가 전구체로서, 그리고 O2가 산화제로서, 2:1의 비로 사용되었다. 이 공정에 대하여, 반응기 압력은 2T로 고정되었고, 페데스탈 온도는 <200℃였다. 플라스마를 여기시키기 위해, 13.65㎒의 무선 주파수 공급원이 사용되었다. 이 웨이퍼는 패턴처리된 TEOS SiO2 막의 상부 상에서 성장된 LPCVD SiN 막을 가졌다. (SEM에서 더 바람직한 콘트라스트를 얻기 위해, 샘플을 횡-절단(cross-sectioning)한 후 에칭을 가능하게 하기 위해 유동성 막의 물질은 PECVD SiN 막으로 캡핑(capping)되었다.) 도 6은 내부가 부분적으로 충전된 특징부의 이미지를 나타낸다. 트렌치의 하부에서 유동성 막이 선명하게 보일 수 있다. 물질은 보통 PECVD 막이 그러는 것처럼 등각 방식으로 증착되지 않았다. 대신, 유동성 충전물은 구리 전기도금 공정과 유사하게, BUF(bottom up fill)의 특성을 갖는다.
도 7은 트렌치 내부에 증착되는 유동성 막의 2개의 단면도 이미지(701 및 702)를 나타낸다. 나타나다시피, 상기 막은 보통 HDP에 의해 충전되는 높은 종횡비 특징부(가령, 이미지(702)의 특징부는 8:1의 종횡비를 갖는다)를 충전할 수 있다.
도 9는, 1) O2 플라스마를 포함하는 실리콘-함유 전구체(HF RF 파워 전용), 그 후, He 플라스마(HF 및 LF RF 파워)로서 OMCTS를 이용하는 또 다른 증착 - 인 시추 처리 - 증착 - 인 시추 처리 공정에서 증착된 유동성 막, 2) 건조 공기에서 700℃에서 30분의 엑스 시추 어닐 후의 막, 3) 실리콘 웨이퍼를 900℃에서 수증기 어닐링함으로써 생성된 기준 열 옥사이드(SiO2) 막의 FTIR 스펙트럼을 도시한다. 도면이 나타내는 바와 같이, 유동성 물질은 열 옥사이드(thermal oxide)와 거의 동일한 IR 흡수 대역을 갖는 물질로 변환되었다. 각각의 증착 후의 2 단계 인 시추 처리에 의해, 제 1 처리(O2 플라스마, HF 전용 RF)가 층의 산화를 제공하고, 제 2 처리(He 플라스마, HF 및 LF RF)가 층을 치밀화(densify)한다는 2가지 효과가 제공된다.
도 1은 공지된 방법에 의해 부분적으로 충전되는 트렌치의 대략적인 단면도이다.
도 2는 특정 실시예에 따르는 방법을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 3은 특정 실시예에 따르는 방법에 의해 부분적으로 충전된 트렌치의 단면도이다.
도 4는 특정 실시예에 따르는 PECVD를 통해 증착만 이뤄진 상태의 유동성 막의 FTIR 스펙트럼을 도시한다.
도 5A는 플라스마-보조 반응에 의해 증착된 증착만 이뤄진 상태의 유동성 막의 열 중량측정 분석값을 보여주는 도표이다.
도 5B는 플라스마-보조 반응에 의해 증착된 증착만 이뤄진 상태의 유동성 막의 디지털 스캐닝 열량측정 분석을 보여주는 도표이다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예에 따르는 방법에 의해 부분적으로 충전된 특징부의 이미지를 도시한다.
도 7은 본 발명의 특정 실시예에 따르는 방법에 의해 트렌치에 증착된 2개의 유동성 막의 이미지를 도시한다.
도 8은 본 발명의 특정 실시예에 따라 사용될 수 있는 반응기를 도시한다.
도 9는 증착 - 인 시추 처리 - 증착 - 인 시추 처리 공정에서 증착된 유동성 막의 FTIR 스펙트럼을, 증착만 이뤄진 상태와 엑스 시추 어닐 후를 기준 열 옥사이 드(SiO2) 막에 비교하여 나타내는 도표이다.

Claims (19)

  1. 기판 상의 갭(gap)을 유전성 물질로 충전하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    반응 챔버에 기판을 위치시키는 단계와,
    실리콘-함유 화합물과 산화제를 포함하는 공정 기체를 상기 반응 챔버에 유입시키는 단계와,
    용량성 결합된 플라스마 보조 반응(capacitatively-coupled plasma-assisted reaction)을 통해, 비정질 유동성 유기-실리콘 폴리머 막이 상기 갭을 부분적으로 충전하도록, 상기 기판을 상기 공정 기체에 노출시키는 단계와,
    인 시추(in situ) 처리 공정을 통해 상기 유동성 막을 유전성 물질로 변환시키는 단계와,
    노출과 변환 단계를 1회 이상 반복하여 상기 갭을 충전하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기판을 경화 챔버로 이동시켜서 엑스 시추(ex situ) 처리 공정을 수행하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 인 시추 처리 공정과 엑스 시추 처리 공정은 증착만 이뤄진 상태(as-deposited)의 유동성 유기-실리콘 막에서 탄소를 모두 제거하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 엑스 시추 공정은 400℃ 이상의 기판 온도에서의 자외선 열 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 엑스 시추 처리 공정은 700℃ 이상의 기판 온도에서의 열 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 용량성 결합된 플라스마 보조 반응(capacitatively-coupled plasma-assisted reaction)을 통해 갭을 부분적으로 충전하도록 유동성 유기-실리콘 폴리머 막이 증착되는 조건 하에서, 기판을 공정 기체에 노출시키는 단계는 상기 노출 동안 기판 온도를 0 내지 100℃의 기판 온도를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘-함유 화합물은 유기-실란, 또는 유기-실록산임을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 갭이 10:1 이상의 종횡비를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 갭이 15:1 이상의 종횡비를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인 시추 처리 공정은 막을 비활성 플라스마에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인 시추 처리 공정은 막을 산화 플라스마에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인 시추 처리 공정은 유동성 유기-실리콘 막에서 탄소 중 일부, 또는 전부를 제거하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 용량성 결합된 플라스마 보조 반응을 통해 갭을 부분적으로 충전하도록 유동성 유기-실리콘 폴리머 막이 증착되는 조건 하에서, 상기 기판을 공정 기체에 노출시키는 단계는 RF 주파수를 펄스화(pulsing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 갭 내부에 증착된 막은 상기 갭 내부에 순차적으로 증착되는 층들 사이의 경계부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 각각의 갭 내부의 막은 4개 이상의 경계부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막의 유전 상수는 2.7 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, Si-O 피크(peak)에 대한 S- CHx 피크의 비는 증착만 이뤄진 상태(as-deposited)의 유동성 유기-실리콘 폴리머의 4%인 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, Si-O 피크(peak)에 대한 S-CHx 피크의 비는 증착만 이뤄진 상태(as-deposited)의 유동성 유기-실리콘 폴리머의 7%인 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동성 막의 증착 전에 기판을 전처리(pre-treat)하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 갭을 유전성 물질로 충전하는 방법.
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