KR970007219B1 - 반도체장치의 금속 리플로우 장치 - Google Patents

반도체장치의 금속 리플로우 장치 Download PDF

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Abstract

내용없음

Description

반도체장치의 금속 리플로우 장치
제1도는 종래의 금속 리플로우 장치를 도시한 도면.
제2도는 본 발명에 의한 금속 리플로우 장치를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 20 : 반응챔버 11, 25 : 웨이퍼
11-1 : 콘택홀 12, 23 : 웨이퍼직
13, 26 : 펌프 14 : 콜리메이터
14-1 : 홀 21 : 석영유리창
22 : 가열램프부 22-l : 램프
23-1 : 냉각관 24 : 고주파발생기
24-l : 고주파방전기
본 발명은 반도체 장치의 금속 리플로우(reflow)장치에 관한 것으로서, 특히 웨이퍼 표면에 형성된 콘택홀의 내부표면에 증착시킨 금속박막의 스텝 커버리지(step coverage)특성을 개선하기 위해 재실시하는 금속 리플로우 공정에 적당하도록 한 반도체 장치의 금속 리플로우 장치에 관한 것이다.
반도체 제조의 금속 증착공정에서는 웨이퍼 표면에 형성시킨 소자의 집적도가 증가함에 따라 소자간에 형성된 콘택홀의 사이즈(size)가 0.5㎛이하로 축소 되었으며, 이로인해 콘택홀의 내부표면에는 금속박막이 불균일하게 증착상태를 갖게 되어 웨이퍼의 스텝커버리 특성이 악화되었다.
스텝 커버리지 특성은 웨이퍼 표면에 증착시킨 박막의 연속성과 균일성을 설명한 것이다.
이를 보안하기 위해 실시되는 반도체 제조공정의 금속 리폴로우공정은 1차적으로 광화학기상증착(PVD; Photo chemical Vapor Deposition)장치를 통하여 금속박막을 증착시킨 웨이퍼 표면에 있어서, 웨이퍼의 스텝 커버리지 특성을 개선하기 위해 실시되는 2차적인 금속 증착공정이다.
제1도는 종래의 금속 리플로우 장치를 개략적으로 도시한 도면으로, 제1도의 (a)는 금속 리플로우공정을 수행하는 리플로우 장치의 반응챔버의 단면을 도시한 도면이고, 제1도의 (b)는 1차적으로 웨이퍼 상에 금속증착을 실시하는 반응챔버내에 부착시킨 콜리메이터(collimator)의 부분상 제도를 도시한 도면으로, 도면을 참고로 종래의 금속 리플로우공정을 설명하면 다음과 같다.
제1도의 (a)도면에 도시된 바와 같이, 금속 리플로우공정을 진행시키는 종래의 금속 리플로우 장치는 반응챔버(chamber)(10)와, 반응챔버 내부에서 웨이퍼(11)를 안착시키고 가열시키는 웨이퍼척(chuck)(12)과, 챔버와 연결된 펌프(pump)(13)로 구성된다.
종래의 금속 리플로우용장치에서는 반응챔버(10)내부를 펌프(13)를 이용하여 고진공 상태로 유지 시키면서 웨이퍼(11)를 웨이퍼척(12)상면에 수평상태로 고정시키고, 웨이퍼척을 가열함으로써 웨이퍼를 가열하여 웨이퍼표면에 증착된 금속박막의 융해온도까지 가열하여 진행된다.
즉, 펌프에 의해 고진공상태로 된 챔버내에서 고온으로 가열된 웨이퍼척에 의해 웨이퍼가 가열되면, 웨이퍼표면에 1착적으로 증착시켜 형성된 금속박막이 융해되고, 융해된 금속박막은 웨이퍼표면에 형성된 콘택홀의 입구에서 바닥면까지 스며들게 되므로 콘택홀의 내부표면에서 금속박막은 연속적이고 균일한 증착상태를 갖게 되어 웨이퍼의 스텝 커버리지 특성도 개선된다.
종래의 리플로우용 공정장치에서 펌프(13)는 확산펌프를 사용하며, 확산펌프는 챔버의 내부에서 물리적으로 기체를 제거하여 챔버 내부의 압력이 약 10-7내지 10-8torr정도의 고진공 상태를 유지시키기 위해 챔버하단에 연결되었고, 챔버 내부의 바닥에 형성되어 웨이퍼를 수평상태로 안착시키는 웨이퍼척(12)은 소정의 외부장치로 약 700℃이상의 온도까지 가열이 가능하도록 설계되어 있다.
그리고 웨이퍼의 스텝 커버리지 특성을 개선하기 위한 다른 방법은 금속증착을 위한 금속 증착장치의 반응챔버 내의 한쪽에 웨이퍼의 지름보다 약간 큰 원판으로 그 표면에 다수개의 홀(hole)이 형성된 콜리메이터(collimator)을 장착하는 것이다.(도면에 도시 안됨)
웨이퍼표면에 금속을 증착시키는 금속 증착장치의 반응챔버내에서 콜리메이터(15)는 금속 증착공정이 실시될때에 웨이퍼(11)의 상단으로 이동하게 되고(도면에 도시안됨), 제1도의 (b)도면에 도시된 바와같이, 웨이퍼표면에 증착될 반응챔버내의 금속원자는 콜리메이터(14)의 홀(14-1)을 통과하여 웨이퍼표면에 증착되도록 하는 것이다.
즉, 챔버내에서 웨이퍼(11) 표면에 증착되기 위해 웨이퍼 표면으로 스퍼터(sputter)되는 알루미늄 원자는 컬리메이터(15)에 형성된 홀(15-1)을 통과하면서 방향성을 갖게 되어 웨이퍼 표면 및 콘택홀(11-1)에 부딪히기 때문에 알루미늄 원자는 연속적이고 균일하게 웨이퍼 표면 및 콘택홀에 증착되어 박막을 형성하게 된다.
그러나, 고온과 고진공상태의 반응챔버내에서 수행되는 종래의 금속리플로우 장치에서는 여러 주변장치를 부착하여 반응챔버를 고온 및 고진공으로 유지시켜주어야 함으로 주변장치의 신뢰도가 금슥 리플로우공정에 많은 영향을 끼치는 문제가 발생하였고, 또한 확산펌프를 이용하여 반응챔버내부를 고진공으로 하기 위해서는 많은 시간이 요구되었다.
또한 금속 증착공정시에 웨이퍼의 스텝 커버리지를 개선시키기 위해 컬리메이터를 설치하여 금속 증착공정을 진행시킬때에는 챔버의 오픈타임(open Time)이 증가하여 반도체 제조공정의 진행시간이 증가되었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 반도체 제조를 위한 금속 리플로우 장치에 있어서 가스분위기로 소정의 진공도를 유지할수 있도록 구비된 반응챔버와, 반응챔버 상부를 석영유리창으로 구성하고 석영유리창위에 설치된 가열램프부와, 반응챔버 내부의 하단에 설치되어 냉각유체를 그 내부로 주입시키기 위한 냉각관이 형성된 웨이퍼척과, 반응챔버 내부에 고주파전력을 가하여 내부기체를 플라스마상태로 만드는 고주파방전기를 포함하여 이루어지는 반도체 제조를 위한 금속 리플로우 장치를 이용하여, 반도체 제조의 공정시간을 단축하고 웨이퍼의 스텝 커버리지 특성을 개선하였다.
제2도는 본 발명에 의해 구성된 금속 리플로우 장치를 도시한 도면으로, 본 장치는 소정의 가스분위기로 소정의 진공도를 유지할 수 있도록 구비된 반응챔버(20)와, 반응챔버 상부를 석영유리창(21)으로 구성하고 석영유리창위에 설치된 가열램프부(22)와, 반응챔버 내부의 하단에 설치되어 냉각유체를 그 내부로 주입시키기 위한 냉각관(23-1)이 형성된 웨이퍼척(23)과, 반응챔버 내부에 고주파전력을 가하여 내부기체를 플라스마상태로 만드는 고주파방전기(24-1)를 포함하여 이루어진다.
본 금속 리플로우 장치의 반응챔버(20)는 반응챔버 내부의 진공도를 유지시키기 위한 소정의 펌프(26)와, 본 장치에 있어서 웨이퍼상에 금속증착을 촉진시키기 위해 고주파 전력을 챔버 내부로 인가시키기 위한 고주파발 생기(24)가 설치되어 있다.
또한, 본 장치의 웨이퍼척(23)은 반응챔버 외부의 소정 냉각장치에 의해 냉각된 유체가 주입되도록 냉각관(23-1)이 소정의 냉각장치에서 웨이퍼척의 내부로 형성되어 있으며, 반응챔버(20)의 석영유리창(21)위에 형성된 가열램프부(22)는 다수의 램프(22-1)로 구성되어 있으며, 이때 램프는 할로겐족 램프를 사용하고 램프에서 발생되는 복사열은 최대 1000℃정도의 온도까지 상승가능한 것이다.
그리고 반응챔버(20)의 외부에 설치되어 반응챔버 내부로 고주파전력을 인가하는 고주파발생기(24)의 방전주파수는 상업용인 l3.56 메가헤르츠(MHz) 내기 수백 킬로헤르츠(kHz)를 쓰며, 고주파 전력은 수백 와트(W)에서 수백킬로와트(KW)의 범위이다.
이렇게 구성된 본 금속 리플로우 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
반도체 제조시 금속 증착장치의 반응챔버에서 1차적으로 알루미늄을 웨이퍼표면 증착시킨 후에, 웨이퍼(25)를 금속 리플로우 장치의 반응챔버(20)로 이송하여, 반응챔버 내부의 하단에 장착된 웨이퍼척(23)에 안착시킨다.
그리고 냉각된 유체를 웨이퍼척 내부에 형성된 냉각관(23-1)에 주입시켜 웨이퍼척과 웨이퍼척의 상면과 접촉하는 웨이퍼(5)의 뒷면이 약 15℃정도로 유지되도록 하며,반응챔버(20) 내부는 반응챔버에 부착된 펌프(26)을 동작시켜 약 10-2내지 10-4torr정도의 진공도가 유지되도록 한 후에 불활성 기체인 아르곤 가스를 주입한다.
이어서, 웨이퍼척(23)과 고주파방전기(24-1)를 연결시키는 고주파발생기(24)에서는 고주파방전기로 챔버내부의 아르곤 가스를 방전시켜 플라즈마 상태로 전환시켜서 금속원자가 다시 스퍼터링되도록 하거나, 금속원자간 결합을 활성화시켜서 금속 표면의 모빌러티(mobiluty)를 증가시킨다.
즉, 반용챔버 내부에서는 석영유리창(21)을 통해서 유입되는 복사열에너지와 플라즈마 상태로 전환시킨 아르곤 이온의 스퍼터링에 의한 에너지를 동시에 사용함으로써 금속원자간 결합을 활성화시켜서 금속 표면의 모빌러티가 현저히 향상되도록 하여 웨이퍼 상의 콘택홀을 메워주도록 유도한 것이다.
이때, 아르곤 가스를 플라즈마 상태로 전환시키는 고주파방전기의 방전주파수는 상업용인 13.56 메가헤르츠(MHz) 내지 수백 킬로헤르츠(kHz)를 쓰며, 반응챔버 내부에 인가되는 고주파 전력을 수백 와트(W)에서 수백킬로와트(KW)의 번위이다.
그리고 반응챔버(20)내에 최대치의 고주파 전력을 인가시킨 후에는 가열램프부(22)의 램프(22-1)에서 생성되고 석영유리창(21)을 통과하여 복사되는 복사열에 의해 웨이퍼(25)표면이 300℃에서 600℃까지의 범위로 가열되도록 하고, 웨이퍼표면에 증착시킨 알루미늄의 표면 모빌러티릍 증가시켜서 알루미늄이 웨이퍼표면에 형성된 콘택홀을 매꿔주도록 한다.
이때 가열램프부(22)의 램프(22-1)는 할로겐족 램프를 사용하며 램프에서 발생되는 열의 온도가 최대 1000℃정도까지가 가능한 것이고, 웨이퍼(25)뒷면은 냉각된 공기가 냉각관(23-1)에 주입된 웨이피척(23)에 의해 약 l5℃이하로 냉각되어 유지되고 있으므로 콘택홀의 바닥면의 알루미늄 모빌러티는 증가되지 않게 된다.
즉, 웨이퍼 표면과 웨이퍼 표면에 형성된 콘택홀의 입구 모서리 부위의 알루미늄 모빌러티가 콘택홀의 바닥면에 중착시킨 알루미늄 모빌러티보다 현저히 크므로 웨이퍼 표면과 웨이퍼 표면에 형성된 콘택홀의 입구 모서리 부위에 증착된 알루미늄이 바닥면으로 흘러 내리게 되어 콘택홀을 매꿔주는 것이다.
본 발명에 의한 리플로우 공정장치에서는 반도체 제조 공정에서, 웨이퍼표면에 형성시킨 소자의 집적도가 증가함에 따라 크기가 크게 축소되어 구성된 콘택홀이 형성된 웨이퍼 표면에 금속공정을 진행시킬 때에, 웨이퍼 표면의 스텝 커버리지 특성을 개선하기 위하여, 웨이퍼 표면과 뒷면에 온도차이를 두어서 웨이퍼 표면과 웨이퍼 표면에 형성된 콘택홀의 입구 모서리 부위의 알루미늄 모빌러티와 콘택홀의 바닥면에 증착시킨 알루미늄 모빌러티의 차이를 이용함으로서, 간단하고 경제적으로 웨이퍼 표면의 각 소자들의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 반도체상에 금속 배선을 형성시키는 방법에 있어서, 1)반도체 제조시 금속 증착장치의 챔버에서 1차적으로 알루미늄을 웨이퍼 표면에 증착시킨 후에, 웨이퍼를 리플로우 챔버로 이송하여, 챔버 내부의 하단에 장착된 웨이퍼척에 안착시키는 단계와, 2)펌프를 동작시켜 리플로우 챔버 내부를 소정 범위의 진공도로 유지시키면서, 불활성 기체를 주입시키는 단계와, 3)소정의 냉가기체를 웨이퍼척 내부에 형성된 냉각관에 주입시켜 웨이퍼척과 웨이퍼척의 상면과 접촉하는 웨이퍼의 뒷면을 소정 온도 이하로 냉각시키는 단계와, 4)고주파발생기로 고주파전력을 챔버내로 공급하여 리플로우 챔버에 주입시킨 불활성 기체를 플라즈마 상태로 전환시켜 웨이퍼표면의 불활성 기체이온이 스퍼터 되도록 하는 단계와, 5)챔버에 설치된 램프에서 복사되는 복사열에 의해 웨이퍼표면이 소정범위의 고온으로 가열되도록 하는 단계을 포함하여 구성된 금속배선 형성의 리플로우 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2)단계에서 리플로우 챔버내부는 10-2내지 10-4torr의 범위로 진공도를 유지시키면서, 불활성 기체로서 아르곤 기체를 주입시키고, 상기 3)단계에서 웨이퍼척은 약 15℃이하로 냉각시켜 유지시키는 것이 특징인 금속배선형성의 리플로우 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 5)단계에서 램프에서 복사되는 복사열에 의해 웨이퍼표면을 300℃에서 600℃까지의 범위로 가열시키는 것이 특징인 금속배선 형성의 리플로우 방법.
  4. 반도체 제조를 위한 금속 리플로우 장치에 있어서, 소정의 개스분위기로 소정의 진공도를 유지할 수 있도록 구비된 반응챔버와, 상기 반응챔버 상부를 석영유리창으로 구성하고 석영유리창위에 설치된 가열램프부와, 상기 반응챔버 내부의 하단에 설치되어 냉각유체를 그 내부를 주입시키기 위한 냉각관이 형성된 웨이퍼척과, 상기 챔버 내부에 고주파전력을 인가하여 내부기체를 플라스마상태로 만드는 고주파방전기를 포함하여 이루어지는 반도체 제조를 위한 금속 리플로우 장치.
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