KR900008970B1 - 인규산 글라스(psg) 코팅 형성 공정 - Google Patents

인규산 글라스(psg) 코팅 형성 공정 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

인규산 글라스(PSG) 코팅 형성 공정
제1도는 종래의 감소된 압력 CVD 반응기의 모식적인 도.
제2도는 종래의 대기압력 CVD 반응기의 모식적인 도.
제3도는 본 발명에 따른 대기압력 CVD 반응기의 모식적인 도.
제4도는 종래와 비교하여 본 발명에 따른 PSG 코우팅의 증착율을 나타낸 그래프.
제5도는 PSG 코우팅의 증착율과 NH3/SiH4과의 관계를 도시한 그래프.
제6도는 웨이퍼 표면상에 분포된 입자 부산물의 수와 NH3/SiH4율과의 관계를 나타낸 그래프.
제7a도 및 제7b도는 본 발명에 따라 단계적 공정 범위를 종래와 비교하여 Al상에 증착된 PSG 코우팅의 횡단면도.
본 발명은 화학적 증기 증착방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 화학적 증기 증착방법(이후에는 "CVD" 또는 "CVD"방법으로 언급됨)으로 기판상에 인규산 글라스의 로우팅을 형성하는 공정에 관한 것이다. CVD에 의하여 얻어진 이 인규산 글라스(이산화 실리콘으로 도우핑된 인, -P-글라스, 또는 PSG)코우팅은 IC, LSI 및 VLSI회로와 같은 반도체 장치를 생산하는데 광범위하게 사용되었다. 이들 PSG코우팅은 예를들면, 게터링 소오스(gettering source), 주변 환경으로 부터 소자를 보호하는 패시베이션(passivation)층과 같이 소자내에 금속들 사이에 있는 전기 절연층으로서 역활을 한다.
다결정 실리콘(또는 polysilicon), 질화 실리콘, 이산화 실리콘, 이산화 실리콘으로 도우핑된 인(PSG)와 같은 다양한 증착막 또는 코우팅은 반도체 소자를 제작하는데 널리 사용되었고, 이들 코우팅중에서 PSG코우팅은 뛰어난 특성을 지녔기 때문에 더 많이 사용되었다. 일반적으로 PSG코우팅은 여러가지 CVD방법을 사용하여 기판상에 증착시키는 것이며, CVD방법 및 반응은 여러가지 다양한 조건하에서 행하여질수 있다.
CVD로 PSG코우팅을 형성함에 있어서, 모노실란(monosilane : SiH4), 인화수소(PH3) 및 산소(O2)의 혼합가스는 반응가스로서 사용되었다. 반응가스가 다음과 같은 화학반응을 일으키기 위하여 반응용기 안으로 주입되어서 PSG코우팅을 증착한다.
SiH4+O2→SiO2+2H2
4PH3+5O2→2P2O5+6H2
반응은 대기압력이나 감소된 압력에서 행할 수 있다. 이들 반응의 주요 이점은 알루미늄 금속화 전역에 증착되어지는 PSG코우팅을 허락하는 500℃이하로 증착온도가 낮다는 것이다. 절연층으로서, 또는 패시베이션 혹은 덮개층으로서 PSG코우팅이 그 위에 증착되어지기 때문에 알루미늄 소자의 혼선을 피하기 위하여 알루미늄의 용융점, 660℃이하의 온도에서 반응시킬 필요가 있다는 것을 알았을때, 이 이점이 더욱 더 좋다.
특히 지금까지는 절연층으로 PSG코우팅이 예를들면, 제1도에 도시된 바와같이 핫-웰(Hot-wall), 감소된 압력 CVD반응기를 사용하여 기판 또는 웨이퍼 표면상에 증착시켜 왔었다. 제1도의 CVD반응기는 두개의 가스주입관 2, 3 및 가스배기관 4로 이루어진 수정관을 형성하고 있는 반응용기를 갖는다. SiH4및 PH3의 혼합가스는 주입관 2를 통하여 반응용기 1안으로 주입되어지고, 산소가스는 주입관 3을 통하여 반응용기 1안으로 주입되어진다. PSG코우팅이 CVD에 의하여 증착되는 웨이퍼 5는 바스켓(basket) 6에서 수직으로, 가스흐름에 대하여 직각으로 서있다. 히이터로 반응용기 1주변을 가열하였다. 용기 1의 압력은 배기관 4에 연결된 감소된 배기 시스템(도시되어 있지않음)을 제어함으로써 감소된 압력 약 0.01Torr로 부터 대기압력으로의 범위로 유지되어지며, 용기 1은 0.2Torr로 유지된다.
반응가스가 여러가지 흐름율로 반응용기안으로 주입되어진다. (SiH4+PH3)혼합가스 및 O2가스의 흐름율은 용기의 크기, 용기에 증착되어지는 웨이퍼의 수 및 그외 동등의 변수에 따른다. 300-450℃ 온도로 유지하고 있는 용기에서 반응가스는 가열이 되고 반응을 한다.
대기압력에서 CVD공정은 또한 PSG코우팅을 형성하는데 사용되어 왔었다. 대기압력 CVD공정은 예를들면, 제2도에 도시된 반응기에서 행하여질 수 있다. 반응용기 11은 웨이퍼 15밑에 위치한 서스셉터(susceptor) 9를 가지고, 부착된 히이터 10으로서 300-450℃ 정도의 온도로 가열한다. SiH4, PH3및 O2로 구성되어있는 반응가스는 가스 피이드(feed) 파이프 12 및 구멍이 있는 가스출구 8을 통하여 반응용기 11안으로 연속적으로 주입되어진다. CVD반응의 완결후에 사용된 가스는 가스배기 파이프 13 및 14를 통하여 빠져나간다.
상기 서술된 감소된 입력 및 대기압력 CVD공정은 균일하고 높은 방향성 코우팅, 좋은 전기적 성질 및 환경에 대한 뛰어난 저항력등과 같은 많은 이점을 갖는 PSG코우팅을 제공할 수 있지만, 매우 심각한 두가지 문제가 있다. 종래에서 잘 알수있는 바와같이 그중 한가지 문제는 단계적인 공정범위의 빈약이며, 다른 하나는 입자가 웨이퍼 표면에 부착되고, 웨이퍼가 그러한 용도로 받아들일 수 없기 때문에 CVD반응 동안에 입자부산물이 생산된다는 것이다.
CVD에 의한 PSG코우팅 형성에 있어서, 반응은 다음과 같이 일어난다.
SiH4+O2→SiO2+H2또는 SiO2+H2O
PH3+O2→P2O5+H2또는 P2O5+H2O
결과적으로, SiO2가 웨이퍼상에서 성장되고, PSG코우팅을 형성하기 위하여 P2O5가 성장한 SiO2층 안으로 도우핑 되어진다. 그러나 이들 반응동안에 SiO2, P2O5, H2SiO3및 유사한 생산물(이후에는 부산물로서 언급됨)이 가스주입관의 끝부분 또는 출구상에 형성 및 증착되어지며, 이들 부산물은 다음과 같은 단점이 있다.
이제 제1도에 있어서, 가스주입관 2및 3의 각각의 끝부분에서 부산물의 입자문제가 발생한다. 어쩔수 없이 이들 부산물의 몇가지는 주입관의 끝부분에서 형성 및 증착되어지고, 증착된 부산물은 때때로 이동되고 그의 입자들은 웨이퍼 표면상에 먼지로서 부착된다. 부가적으로 주입관의 출구상에서 증착된 부산물은 반응용기안으로 주입된 가스량의 변화를 일으키고, 그것에 의하여 웨이퍼상에 PSG로우팅의 균일한 성장에 악영향을 끼친다.
이와 유사한 단점이 제2도에서 설명된 CVD반응기에서도 나타난다. 반응기에서 CVD반응동안, SiO2, P2O5및 H2SiO3와 같은 부산물이 가스출구 8의 구멍 측면 표면상에 형성 및 증착되어지고, 그의 입자는 가스출구 8의 반대측 웨이퍼 15의 표면으로 때때로 이동시켜서 부착한다. 본 발명자는 직경 10㎝(4인치) 웨이퍼에 부착되어있는 직경 1㎛ 10개의 부산물 입자를 가지고서 실험하였다.
후지쓰 가부시끼가이샤로 양도된, 1986년 12월 2일자에 제출된 미국특허번호 4,625,678에서 Shioya와 그의 사람들은 본체상에 실리사이드 또는 금속막과 같은 증착된 막을 형성하는 플라즈마 CVD장치를 가르치고, 플라즈마 CVD장치는 가스 피이딩(feeding) 파이프 및, 반응용기내에 가스 피이딩 파이프의 적어도 일부분을 가열할 수 있는 가열장치를 포함하며, 그것에 의하여 가스를 응축 또는 응고로 부터 방지할 수 있다. Shioya와 그외 사람들에게 배웠던 대로 가스 피이딩 파이프의 가열은 만족할만한 결과를 제공할 수 있고, 응고 또는 이들 CVD방법의 입자증착 메카니즘에서 기본적인 차이가 있기 때문에 상기 논의했던 종래의 CVD방법에서도 유사한 결과를 얻을 수 없다. 미국 특허에서 논의했던 종래의 CVD방법에서는 갑작스런 온도하강으로 인하여 반응용기안으로 들어온후에 고온으로 유지하고 있던 반응가스가 즉시 응고 및 응축되어 진다는 문제가 있다.
상기 논의했던 부산물 입자가 형성되는 문제가 일어나지 않고, 만족할만한 단계적인 공정범위를 얻는 CVD방법을 사용하여 PSG코우팅을 형성하는 개선된 공정을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 따르면 모노실란(SiH4), 인화수소(PH3) 및 산소(O2)로 이루어진 반응가스가 암모니아(NH3) 가스와 혼합되어서 반응용기안으로 주입되는 CVD방법에 의하여 기판상에 PSG코우팅을 형성하는 공정을 제공하는 것이다.
실제로 본 발명에서는 반응가스의 성분으로 사용된 세가지 형태의 가스가 따로따로 또는 조합하여 반응용기 안으로 주입되어질지 모르며, 모든 가스 또는 일부가스의 흐름이 NH3가스를 포함시킬런지 모른다.
반응가스에서 NH3가스대 SiH4가스에 대한 체적비가 요구된 결과에 따라서 광범위하게 변할 수 있다. 그러나 가장 좋은 결과를 얻기 위하여 좋게는 NH3/SiH4비율이 0.1-100 영역내에 있다. 또한 본 발명의 CVD반응은 300-450℃ 온도에서 행하여지는 것이 좋다. 본 발명에 따른 공정은 IC, LSI 및 VLSI회로와 같은 반도체 소자를 생산하는데 사용될 수 있으며, PSG코우팅 결과는 전기절연층, 패시베이션층, 게터링 소오스 및 그와 유사한 것이 효과적이다.
제3도는 본 발명의 과정을 수행하는데 적합한 대기압력 CVD반응기를 나타낸 것이며, 제3도에서 11은 반응용기, 8은 구멍이 있는 가스출구, 15는 웨이퍼, 9는 서스셉터, 10은 히이터, 21a 내지 21f는 밸브, 16은 진공 게이지(gauge), 19는 메커니칼 펌프, 20은 회전펌프이다. CVD반응기는 저온 CVD방법에 의하여, 그리고 반응가스(SiH4+PH3+O2)를 사용하여 웨이퍼상에 PSG코우팅을 증착시키게 한다.
제3도의 CVD반응기의 동작은 다음과 같다. SiH4가스, PH3가스 및 N2가스가 밸브 21b, 21c 및 21d, 질량흐름 제어기 22b, 22c 및 22d 그리고 밸브 23b, 23c 및 23d를 통하여 각각 주입되어진다. N2가스의 첨가가 본 발명의 공정에서는 필수적인 것은 아니지만, 설명했던 CVD방법에서 N2가스가 반응공정을 제어하기 위하여 반응용기안으로 주입되어졌다. 이들 가스의 흐름은 이때에 혼합되고, 밸브 21a, 질량흐름 제어기 22a 그리고 밸브 23a를 통하여 공급 되어지는 NH3가스와 밸브 21e, 질량흐름 제어기 22e, 그리고 밸브 23e를 통하여 공급되어지는 O2가스는 혼합된 가스흐름에 첨가되어진다. 이렇게 얻어진 혼합 반응가스는 피이드 파이프 12를 통하여 가스출구 8로 간다. 출구 8은 웨이퍼 15를 가열하기 위한 히이터 10으로 부터 멀리 떨어져 있어 온도로 유지되어진다.
CVD반응은 반응용기 11에서 행하여진다. 반응하는 동안, 용기 11은 직렬 연결된 메커니칼 펌프 19 및 회전펌프 20에 의하여 배기된다. 반응용기 11의 배기부 13 및 14는 배기파이프에 연결되어 있으며, 배기 파이프 17은 펌프 19에 연결되어있다. 배기부 14는 용기 11에서의 압력 및 그의 변화를 관찰하는데 사용되는 진공게이지 16을 구비하고 있다. N2가스는 용기 11에서의 압력을 제어하기 위하여 진공게이지 16과 펌프 19사이에 위치한 피드 파이프 18로 부터 배기 파이프 17에 공급되어진다. 즉, 용기내에 압력은 시스템의 배기 압력변화에 의하여 파이프 18로 부터 공급되는 N2가스의 흐름율을 제어함으로써 제어되어질 수 있다.
제1도의 반응기를 사용하여 본 발명자는 반응가스(SiH4+PH3+O2)안으로 NH3가스의 첨가로 SiO2, P2O5및 H2SiO3와 같은 입자부산물 형성, 웨이퍼상에 입자부착 뿐만 아니라, 부산물의 형성으로 인하여 PSG코우팅의 비균일 증착을 효과적으로 방지했고, 단계적인 공정범위를 현저하게 개선시켰다는 것을 여러 실험을 통하여 보였다. 마찬가지로, 감소된 압력반응기 또는 그와 유사한 것과 같은 CVD반응기의 다른 형태들이 제1도의 반응기 대신에 사용될때 만족한 결과를 얻을 수 있다.
본 발명자들은 입자부산물의 형성을 막는 정확한 메카니즘에 대한 상세한 것과 단계적인 공정 범위의 개선을 확인할 수는 없었지만, 그 영역이 상대적으로 저온이기 때문에 즉 히이터로 부터 멀리 떨어져 있기때문에, 그리고 반응가스가 불활성 NH3가스의 적당량을 포함하고 있기 때문에 반응가스의 출구 8근처에서 CVD반응이 효과적으로 배제되므로 요구하지 않은 입자부산물의 형성을 피할 수 있다. 반응가스가 열이 가해진 웨이퍼 가까이 도달하였을때, 그 영역이 고온이기 때문에 활성 CVD반응이 일어나고, 이제 CVD반응에서 NH3가스의 효과를 무시할 수 있다. 부가적으로 미리 정해진 NH3/SiH4비율에서 NH3가스만을 사용하여도 놀랍고 뛰어난 효과를 얻을 수 있지만, CO2, Ar 및 NH3와 같은 다른 가스들을 NH3가스대신에 반응에 첨가시키는 경우, 좋은 결과를 얻을 수 있다.
요구하지 않은 입자 부산물의 반응가스의 출구 근처에서 생산되어지지 않으므로 반응가스느 웨이퍼 표면으로 균일하게 안내되어서 거기에 쉽게 CVD반응 되어진다. 따라서 결함이 없는 균일한 PSG코우팅을 웨이퍼 표면상에 증착 되어졌다. PSG코팅의 증착율은 안정하였고, (예를들면, 제2도의 반응기에서 CVD반응에 의하여 1000Å/min) NH3가스가 반응가스 안으로 주입되지 않았던 종래의 CVD반응의 증착율보다 더 높다.
제4도는 반응용기에서 압력(선형대수)과 웨이퍼 표면상의 PSG코우팅의 증착율과의 관계를 도시한 그래프이다. 실선 A는 본 발명의 공정에 대한 비율을 나타내고, 본 발명에서 2의 NH3/SiH4비율에서 NH3가스는 반응가스(SiH4+PH3)안으로 주입되었으며, 점선 B는 NH3 가스가 반응가스에 첨가되지 않았던 종래의 공정에 대한 비율을 나타낸 것이다. 이 그래프로 부터, NH3가스가 반응용기안으로 주입되어지는 반응가스에 첨가되지 않았을때, SiO2, P2O5및 H2SiO3와 같은 입자 부산물이 다음 반응으로 부터 반응가스의 출구부상에서 형성 및 증착 되어지는것을 알수있다.
SiH4+O2→SiO2+H2O 또는 H2
PH3+O2→P2O5+H2O 또는 H2
이들 입자들은 웨이퍼로 공급되어지는 반응가스의 양에 악 영향을 끼치고, 그것에 의하여 PSG코우팅의 증착율의 감소를 일으킨다. 이 경우에서의 PSG코우팅의 증착율은 NH3가스가 첨가된 곳보다 느리다. 부가적으로 PSG코우팅의 증착율은 반응용기에서 압력에 반비례한다.
반대로, 반응용기 안으로 동시에 주입되기전에 또는 주입되고 있는 동안에 HN3가스가 반응가스에 첨가되었을때, 이들 부산물이 반응가스의 출구부에서 형성되어지지 않기 때문에 반응가스가 상기 서술된 입자부산물로 부터 악 영향을 받지 않고 용기안에서 안정하게 공급된다. 결과적으로, 웨이퍼 표면상에 PSG코우팅의 안정한 증착을 행할 수 있다.
웨이퍼상에 PSG코우팅의 안정한 증착이 NH3/(SiH4+PH3)의 비율을 2 또는 3-12 또는 13% 정도로, O2/H2비율을 1.5-10% 정도로 조절함으로써 그리고 용기내의 압력을 0.2Torr로 유지함으로써 얻어질 수 있다. 부가적으로 1㎛ 직경을 갖는 5개 이하의 입자만이 10㎝(4인치)의 크기를 갖는 웨이퍼 표면상에서 먼지로서 찾아내었다.
제5도는 PSG코우팅의 증착율이 NH3/SiH4비율에 의존한다는 것을 보인 것이다. 제5도의 그래프는 PSG의 부착율이 NH3/SiH4비율이 증가될때에 감소되고, 바람직스럽지 못하게 350℃ 및 400℃에서 곡선이 증착율의 갑작스런 감소로 부터의 임계점을 각각 보인 것이다. 본 발명에 따른 CVD방법을 수행하는 조건을 결정할 때 이들이 중요한 인자이다.
제6도는 웨이퍼 표면상에서 발견된 입자부산물(약 1㎛ 직경)의 수가 NH3/SiH4비율에 의존한다는 것을 보인 것이다. 이 그래프로 부터 웨이퍼상에 입자부산물의 부착을 방지하기 위하여 NH3가스를 반응가스에 첨가하여 NH3/SiH4비율이 0.1-100범위에 있도록 하는 것이 좋다는 것을 알 수 있다.
단계적인 공정범위의 개선은 제7a(종래의 기술)도 및 제7b(본 발명)도에서 언급함으로써, 쉽게 이해되어질 것이며, 제7a도 및 제7b도에서 30은 실리콘(Si)웨이퍼, 31은 SiO2층, 32는 Al층, 33은 PSG코우팅, 34는 플라즈마 SiNH3코우팅이다. NH3가스가 CVD공정동안에 반응가스 안으로 주입되어질 때, PSG코우팅의 단계적인 공정범위는 현저하게 개선된다 이들 드로잉(drawing)의 결과 뿐만 아니라 제4도 내지 제6도의 결과는 제3도에서 설명된 CVD반응기를 사용하여 얻어졌다.
이제까지의 상기에서 상세하게 서술했던대로, 본 발명의 공정에 따르면 종래의 PSG코우팅을 형성하는 CVD공정과 비교하여
Figure kpo00001
이하로 웨이퍼 표면상에 먼지로서 부착된 입자 부산물의 수를 감소시키는 것이 가능하다. 부가적으로 PSG코우팅의 안정한 증착을 행할수 있고, 단계적인 공정범위 또한 개선되기 때문에 본 발명의 공정은 반도체 소자의 생산량을 효과적으로 증가시킬 것이다. 더우기 본 발명의 공정이 제3도를 참고하여 일괄처리 시스템에 대하여 서술되었다. 이 시스템에서 웨이퍼의 입력 및 출력이 반복 및 연속적으로 수행되었더라도 입자 부산물이 웨이퍼 표면상에 부착되지 않았었다. 따라서 용기를 세척할 노동과 시간이 절약되어 그 시간에 다른 일을 할 수 있다.

Claims (5)

  1. 화학적 증기 증착방법으로 기판상에 인규산 글라스(PSG)코우팅을 형성하는 공정에 있어서, 모노실란, 인화수소 및 산소로 구성되어 있는 반응가스가 암모니아 가스와 혼합되어 반응용기 안으로 주입되어지는 화학적 증기 증착방법으로 기판상에 인규산 글라스 코우팅을 형성하는 공정.
  2. 청구범위 제1항에 있어서, 반응가스로 공급되는 가스들이 따로따로, 혹은 조합하여서 반응용기 안으로 주입되어지는 공정.
  3. 청구범위 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응가스에 있어서, 암모니아 가스대 모노실란 가스에 대한 체적비가 0.1-100정도 내에 있는 공정.
  4. 청구범위 제1항 내지 제3항 중의 어느 한항에 있어서, 화학적 증기 증착 반응이 300-450℃에서 행하여지는 공정.
  5. 청구범위 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 반도체 소자를 생산하는 데 사용되는 공정.
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