KR980011954A - 반도체 웨이퍼상에 필름을 구성하기 위한 챔버 - Google Patents

Abstract

가공 챔버 내에 배치되는 웨이퍼 상에 필름을 형성하는 것은 다음 단계를 통하여 수행될 수 있다. 재료층은 웨이퍼 위에 증착된다. 다음에, 상기 재료층은 어닐링된다. 상기 어닐링이 완료되자마자, 상기 재료는 산화될 수 있다. 증착, 어닐링 및 산화 또는 실리콘 가스 노출은 상기 3개의 모든 단계가 완료될 때까지 챔버로부터 웨이퍼를 배출시키지 않고도 동일한 챔버에서 수행될 수 있다. 상기와 같은 원위치 형성(하나의 위치에서 제품을 형성)을 수행하는 반도체 웨이퍼 가공 챔퍼는 가공 챔버, 샤웨헤드, 웨이퍼 지지대 및 rf신호 수단을 포함할 수 있다. 상기 샤워헤드는 가공 챔버에 가스를 공급하며, 상기 웨이퍼 지지대는 가공 챔버에 웨이퍼를 지지한다. rf신호 수단은 샤워헤드 및 웨이퍼 지지대에 연결되어 샤워헤드에는 제1 rf신호를 웨이퍼 지지대에는 제2 rf신호를 제공한다.

Description

반도체 웨이퍼상에 필름을 구성하기 위한 챔버

본 발명은 집적 회로를 제조하기 위한 분야에 관한 것이다.

집적 회로를 제조할 때, 증착 처리는 절연 재료의 얇은 층 및 전도 재료를 웨이퍼에 증착하기 위하여 사용된다. 증착은 화학 기상 증착 (″CVD″)및 물리 기상 증착 (″PVD″또는 ″스퍼터링″)같은 잘 공지된 방식으로 수행된다.

CVD 처리에서, 웨이퍼는 화학 기상 챔버에 로딩된다. 종래 CVD처리는 열 유도 화학 반응이 처리될 웨이퍼의 표면상에 박막층을 형성하기 위하여 발생하는 경우 웨이퍼 표면에 반응 가스를 공급한다. CVD응용의 하나의 특징예는 금속 유기 화합물을 포함하는 처리 가스로부터 웨이퍼상에 티타늄 질화물같은 티타늄 함유 화합물의 증착이다. 상기 하나의 화합물은 다음 구조식을 가지는 테트라키스(디알킬아미도) 티타늄(TI(NR₂)₄)이다.

여기에서 각각의 R은 예를들어 1-5 탄소 원자의 알킬 그룹이다. 예를들어, 화학식 Ti(N(CH₃)₂)₄를 가지는 테트라키스(디메틸아미도)티타늄(TDMAT)를 사용하는 것이 일반적이다.

헬륨, 아르곤, 질소, 또는 수소같은 캐리어 가스는 에너지로 주입될수 있도록 챔버에 화합물을 가져온다. 에너지는 열적 CVD, 또는 무선 주파수(″rf″)신호 소스, 플라즈마 향상 CVD의 경우에 열소스를 통하여 생성될 수 있다. 에너지화된 화학 증기는 웨이퍼상에 박막 재료층을 형성하기 위하여 웨이퍼 표면과 반응이다. TDMAT화학 증기가 사용될 때, 티타늄 질화물 필름은 웨이퍼 표면에 증착된다. 스퍼터링 처리시, 웨이퍼는 물리 기상증착 (″PVD″)챔버에 배치되고, 상기 챔버는 아르곤같은 가스로 채워진다. 양으로 충전된 이온을 포함하는 플라즈마는 챔버에 전기장을 형성함으로써 생성된다. 양으로 충전된 이온은 가속화되고 침버에 설치된 목표 재료에 충돌한다. 목표 재료의 원자는 그것에 의해 목표물로부터 분리되고 웨이퍼의 표면상에 한층의 목표 재료를 형성하기 위하여 웨이퍼상에 증착된다.

종래 스퍼터링 처리에서, 양으로 충전된 이온에 의한 목표 재료의 범버딩(bombardment)은 음의 바이어스를 목표 재료에 제공함으로써 향상된다. 이것은 목표 재료를 유지하는 전극에 무선 주파수 신호를 제공함으로써 달성된다.

분리된 rf 신호는 고밀도 플라즈마 PVD 챔버에서 양으로 충전된 이온을 생성하기 위하여 챔버에 유도적으로 결합될 수 있다. 고밀도 플라즈마 PVD 챔버는 목표 재료로부터 웨이퍼로 인력을 개선하기 위하여 웨이퍼 지지대에 결합된 다른 rf신호를 포함할 수 있다.

CVD 챔버 또는 PVD 챔버같은 증착 챔버는 집적 회로에서 확산 장벽을 증착하기 위하여 사용될 수 있다. 확산 장벽은 알루미늄 및 구리같은 접촉 금속을 실리콘 기판에 만들어진 반도체 웨이퍼 소자의 능동 지역에 확산하는 것을 막는다. 이것은 기판에 접촉 금속의 내부 확산을 막는다. 재료의 절연층과는 달리, 확산 장벽은 전류가 흐를 수 있는 전도 경로를 형성한다. 예를 들어, 확산 장벽은 접촉 홀의 베이스에서 실리콘 기판위에 놓이도록 사용된다.

접촉 금속 및 실리콘 기판 사이의 심한 내부 확산은 집적 회로가 450℃ 초과 온도로 가열될 때 발생하기 시작한다. 만약 내부 확산 발생이 허용되면, 접촉 금속은 실리콘 기판을 관통한다. 이것은 집적 회로의 개방 접촉을 유발하고 집적 회로를 손상시킨다.

집적 회로의 제조시, 450℃를 초과할때의 고온에서 동작하는 알루미늄 및 구리 금속화 처리의 증가된 사용이 존재한다. 그러므로, 알루미늄 및 구리같은 접촉 금속의 확산을 방지하기 위한 보다 큰 능력을 가지는 확산 장벽을 가지는 것이 목표된다.

종래에, 확산 장벽은 상기 설계를 수용하기 위하여 보다 두껍게 만들어졌다. 그러나, 보다 작은 크기는 집적 회로의 제조시 사용된다. 보다 작은 구조는 접촉 홀의 크기를 감소시키고, 그것에 의해 확산 장벽이 보다 얇고 보다 합치된다. 접촉 홀(103)은 기판(101)위에 놓여있는 실리콘 이산화물같은 재료(104)의 절연 층에 형성된다. 확산 장벽(100)은 보다 얇고 접촉 홀(103)의 표면 윤곽에 일치하도록 이상적으로 형성된다.

만약 확산 장벽(100)이 얇고 보다 보다 일치하면, 접촉 금속(102)은 실리콘 기판 전도 지역(105)과 충분히 전도 저항 접촉을 형성할 수 있다. 만약 확산 장벽(100)이 도 2에 도시된 바와 같이 너무 얇거나 적게 형성되면, 접촉 금속(102)은 기판지역(105)과 충분히 전도성 저항 접촉을 형성하지 않는다.

도 2에서, 적게 형성된 확산 장벽(100)은 접촉 홀(103)의 개구부를 심하게 좁게한다. 좁은 개구부는 접촉 홀(103)의 베이스에 다달하지 못하도록 접촉 금속(102)이 형성된다. 결과적으로 보이드(106)가 형성된다.

접촉 금속(102)및 기판 지역(105) 사이에 우수한 저항 접촉을 보장하기 위하여, 확산 장벽(100)의 저항이 최소화되는 것이 목표된다. 통상적으로, 100 - ㎝ 또는 그 이하의 저항값은 허용된다. 확산 장벽으로서 성공적으로 사용된 하나의 재료는 티타늄 질화물(TiN)이다.

그러나, TDMAT같은 몇몇 증착 처리는 높은 저항을 가지는 안정되지 않은 장벽층을 제공한다. TDMAT의 경우, 이것은 탄소(탄화수소, 카바이드 등)로 구성된 증착 장벽 재료의 심한 마찰로 인해 부분적으로 나타난다. 게다가, 티타늄, 화학 반응 금속은 필름에서 완전하게 반응하지 않는다. 선증착 처리로 하나의 장벽 재료층을 처리하는 것이 목표되어, 그것의 저항이 감소되고 안정화된다.

집적 회로의 제조시, 동일 챔버(″같은 자리″)에서 증착 및 선증착 처리같은 제조 처리의 연속적인 단계를 수행하는 것이 목표된다. 같은 자리에서의 동작은 여러번 웨이퍼가 제조 장치의 다른 부분 사이에 전달되는 것이 요구되는 것을 감소시킴으로써 웨이퍼가 노출되는 오염량을 감소시킨다. 같은 자리에서의 동작은 집적 회로 제조기가 획득하고 유지하는 다수의 비싼 제조 장치의 감소를 유발한다.

따라서, 본 발명의 목적은 알루미늄 또는 구리같은 접촉 재료의 확산을 방지하기 위한 증가된 능력을 가지는 정각의 얇은 확산 장벽을 구성하는 것이다. 게다가, 확산 장벽이 전류 흐름에 대한 우수한 경로를 형성하기 위한 저항을 가지도록 상기 확산 장벽을 설계하는 것이다.

제1도는 확산 장벽을 포함하는 집적 회로에서 접촉 플러그를 도시한 도.

제2도는 확산 장벽에 의해 차단된 집적 회로의 접촉 홀을 도시한 도.

제3(a)도는 화학 기상 증착 챔버를 도시한 도.

제3(b)도는 제3(a)도에 도시된 챔버에 대한 웨이퍼 지지대 및 지지 아암을 도시한 도.

제4도는 다중챔버 처리 장치를 도시한 도.

제5도는 본 발명에 따른 웨이퍼 처리 챔버의 제1실시예.

제6도는 제5도에 도시된 웨이퍼 지지대 및 지지 아암을 통한 길이방향 단면도.

제7도는 지지 아암이 웨이퍼 지지대를 지지하는 지점에서 제6에 도시된 지지 아암의 확대 단면도.

제8도는 제7도에서 라인 6-6을 따른 부분 단면도.

제9(a)도는 제6도에 도시된 지지 아암의 평면도

제9(b)도는 제9(a)도에서 라인7-7을 따른 길이방향 단면도.

제10(a)도는 제6도에 도시된 지지 아암의 열전쌍 절연체의 평면도.

제10(b)도는 제10(a)도에서 라인 8-8을 다른 길이방향 단면도.

제11(a)도는 제6도에 도시된 지지 아암에서 rf 전력 스트립 절연체의 평면도.

제11(b)도는 제11(a)도에 도시된 절연체의 부분 정면도.

제12도는 제6도에 도시된 지지 아암의 하부 유지, 플레이트의 평면도.

제13도는은 제6도에 도시된 지지 아암의 고정 단부를 상세히 도시한 단면도.

제14도는 제6도에 도시된 지지 아암에 배치된 rf전력 스트립의 접속기를 도시한 도.

제15(a)-15(c)도는 제5도에 도시된 매칭 네트워크의 실시예.

제16도는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 처리 챔버의 변형예를 도시한 도.

제17도는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 처리 챔버의 변형예를 도시한 도.

제18도는 종래 증착 처리를 사용하여 증착된 티타늄 질화물 필름에 대한 시트 저항 대 시간의 그래프.

제19도는 종래 증착 처리를 사용하여 실리콘 웨이퍼상에 증착된 티타늄 질화물 필름의 러더포드 후방산란 스펙트럼을 도시한 도.

제20도는 테이블 Ⅰ을 도시한 도.

제21도는 테이블 Ⅱ를 도시한 도.

제22도는 테이블 Ⅲ을 도시한 도.

제23도는 NF₃가스 흐름으로 인한 화학 기상 증착을 사용하여 증착된 티타늄 질화물 필름의 러더포드 후방산란 스펙트럼을 도시한 도.

제24도는 본 발명에 따른 티타늄 질화물 필름의 오거 스퍼터 분석 그래프.

제25도는 테이블 Ⅳ를 도시한 도.

제26도는 본 발명에 따른 다른 티타늄 질화물 필름의 오거 표면 스펙트럼을 도시한 도.

제17도는 제26도의 티타늄 질화물 필름에서 다양한 엘리먼트의 원자 농도 그래프.

재28도는 제어 티타늄 질화물 필름 엘리먼트의 오거 표면 스펙트럼을 도시한 도.

제29도는 제28도의 제어 티타늄 질화물 필름에서 다양한 엘리먼트의 원자 농도 그래프.

제30도는 본 발명에 따른 다른 티타늄 질화물 필름 엘리먼트의 오거 표면 스펙트럼을 도시한 도.

제31도는 제30도의 티타늄 질화물 필름에서 다양한 엘리먼트의 원자 농도 그래프.

제32도는 테이블 Ⅴ를 도시한 도.

제33도는 본 발명에 따라 생성된 필름에 의한 산소 흡수를 도시한 도.

제34(a)-34(c)도는 본 발명에 따라 생성된 필름의 유기 탄소 함량의 감소를 도시한 도.

제35(a)-35(b)도는 본 발명에 따라 형성된 바이어스 및 샐리사이드 접촉시 개선된 필름 저항을 도시한 도.

제36도는 다른 수의 증착 및 플라즈마 처리 사이클을 사용하여 생성된 필름 저항을 도시한 도.

제37도는 플라즈마 처리 압력의 함수로서 필름 저항 및 바이어스 전압을 도시한 도.

제38도는 어닐링 기간 및 필름 저항 주파수의 효과를 도시한 도.

제38(b)도는 필름 저항에 대하여 어닐링 기간 효과의 다른 예를 도시한 도.

제39(a)-39(b)도는 티타늄 질화물의 층을 연속적으로 증착 및 어닐링함으로써 형성된 티타늄 질화물 필름에 대한 오거 전자 분광 깊이 프로파일을 도시한 도.

제40도는 종래 화학 기상 증착을 사용하여 실리콘 웨이퍼상에 증착된 1000A 티타늄 질화물 층의 x레이 회절 휘광 각 조사를 도시한 도.

제41도는 본 발명에 따라 실리콘 웨이퍼상에 증착되고 어닐링된 1000A 티타늄 질화물층의 x레이 회절 휘광 각 조사를 도시한 도.

제42도는 테이블 Ⅵ을 도시한 도.

제43(a)-43(b)도는 본 발명의 일실시예에 따라 각각 형성된 비산화 및 산화된 확산 장벽의 화학 구조를 도시한 도.

제44도는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 확산 장벽을 저항 특성을 도시한 도.

제45도는 본 발명에 따라 채워진 실리콘을 사용하여 형성된 필름의 오거 깊이 프로파일을 도시한 도.

제46도는 본 발명에 따라 실리콘을 함유한 재료를 증착함으로써 형성된 필름의 오거 깊이 프로파일을 도시한 도.

제47도는 제45도 및 제46도에 도시된 필름의 저항 및 구조를 비교한 도.

제48도는 본 발명에 따라 기판상에 필름을 구성하기 위하여 사용된 챔버를 제어하기 위한 제어 유니트를 도시한 도.

제49도는 본 발명의 일실시예에서 제48의 제어 유니트에 의해 수행된 일련의 시퀀스를 도시한 도.

제50도는 본 발명의 여러 실시예에서 제48의 제어 유니트에 의해 수행된 일련의 동작을 도시한 도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 확산 장벽 101 : 기판

103 : 접촉 홀 105 : 실리콘 기판 전도 지역

114 : 웨이퍼 116 : 웨이퍼 지지대

118 : 지지 플레이트 120 : 자유 단부

122 : 지지 아암 126 : 수직 이동 스템

128 : 이동 메카니즘 136 : 샤워헤드

142 : rf소스 152: 열전쌍

160 : 절연체

그것은 같은 장소에서 상기 확산 장벽을 구성하도록 하여 달성된다.

본 발명에 따른 장치 및 방법은 개선된 저항을 가지는 정각 확산 장벽의 같은 자리에서의 구성을 제공한다. 본 발명의 실질적인 측면에 의해, 알루미늄 또는 구리같은 접촉 금속의 확산을 방해하기 위한 확산 장벽 능력이 향상될 수 있다. 확산 장벽의 상기 향상은 허용 범위 이상의 두께 또는 저항을 상당히 확대시키지 않는다.

본 발명은 실제적인 실시예를 실행할 수 있는 반도체 처리 장치는 처리 챔버, 샤워헤드, 웨이퍼 지지대, 및 rf 신호 수단을 포함한다. 본 발명의 일례에서, 반도체 웨이퍼 처리 장치는 화학 기상 증착을 수행할 수 있다.

샤워헤드는 처리 챔버에 가스를 공급하기 위하여 적용된다. 웨이퍼 지지대는 처리 챔버에서 웨이퍼를 지지하기 위하여 제공한다. rf신호 수단은 제1 rf 신호를 샤워헤드 제 2 rf 신호를 웨이퍼 지지대에 제공하기 위하여 샤워헤드 및 웨이퍼 지지대 양쪽에 결합된다. 선택적으로, rf 신호는 rf 신호를 웨이퍼 지지대에 제공하기 위하여만 결합될 수 있다.

웨이퍼 지지대는 지지 아암에 의해 처리 챔버에서 지지된다. 지지 아암은 rf 신호 수단을 웨이퍼 지지대에 결합한다. 지지 아암은 웨이퍼 지지대의 온도를 측정하기 위하여 온도 결정 장치에 웨이퍼 지지대에 하우징된 열전쌍을 결합한다. 열전쌍 rf 신호 수단으로부터 전기적으로 절연된다.

본 발명은 일측면을 실행할 때, 필름은 웨이퍼상에 구성된다. 첫째, 재료의 층이 웨이퍼상에 증착된다. 상기 재료는 이중 금속 질화물(M_xN_y)또는 3중 금속 실리콘 질화물 (M_xSi_yN_z)이다 (여기서 M은 티타늄, Ti, 지르코늄 Zr, 하프튬 Hf, 탄탈륨 Ta, 몰리브덴 MO, 텅스텐 W, 및 다른 금속이다). 재료의 증착은 화학 기상 증착 및 물리 기상 증착같은 다양한 수단에 의해 수행된다.

재료가 증착된 후, 금속은 재료층의 저항을 감소시키기 위하여 플라즈마 어닐링된다. 플라즈마 어닐링은 이온을 함유하고 이온이 재료에 충격을 주도록 재료층을 전기적으로 바이어스하는 환경에 재료를 노출하는 것을 포함한다.

선택적으로, 어닐링은 다른 가스로 추후에 수행되는 다수의 어닐링 단계로 구성된다. 예를 들어, 첫째 어닐링 단계는 질소 및 수소의 혼합물을 사용하고, 한편 다음 어닐링 단계가 질소 및 헬륨의 혼합물을 사용한다. 추후 어닐링 단계는 저항을 감소시키기 위하여 금속으로부터 수소 분자를 제거한다.

일단 어닐링이 완료되면, 재료의 층은 산화된다. 산화는 알루미늄같은 접촉 금속을 확산을 방지하기 위한 재료 능력을 향상시킨다. 선택적으로, 재료의 어닐링층은 구리같은 접촉 금속의 확산을 막기 위하여 재료 능력을 향상시키도록 시레인 가스에 노출된다.

본 발명에 따라, 증착, 어닐링 및 산화 또는 시레인 노출이 모두 3개의 동작이 완료되기 전에 챔버로부터 웨이퍼를 제거하지 않고 단일 챔버에서 수행된다. 따라서, 증착 어닐링 및 재료의 산화나 시레인 노출은 제자리에서 수행된다.

본 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.

2. 제자리에서 동작하기 우한 챔버

도 5는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)를 도시한다. 웨이퍼 처리 챔버(110A)는 반도체 웨이퍼(114)상에 일련의 제자리 증착 및 후 증착 처리 단계를 수행하기 위하여 제공한다. 본 발명에 따라, 도 5에 묘사된 챔버(110A)는 미합중국특허출원 제 08/567,461 호 및 제 08/677,185 호에 상세히 기술된 바와 같이 화학기상 증착 챔버이다.

웨이퍼 처리 챔버(110A)는 본 발명에 따라 재료를 증착 및 처리하기 위하여 다중 챔버를 사용할 필요를 제거한다. 예를들어, 웨이퍼 처리 챔버(110A)는 웨이퍼상에 재료를 증착하고 그것의 저항을 안정 및 줄이기 위하여 증착된 재료를 어닐링함으로써 웨이퍼상에 필름을 형성하도록 사용될 수 있다. 결과적으로 웨이퍼는 필름의 형성동안 챔버(110A)의 바깥측에 있는 불순물에 손상을 입도록 노출되지 않는다.

도 5에 도시된 바와같이, 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)는 접지에 결합된 처리 챔버(112)를 포함한다. 반도체 웨이퍼(114)는 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 웨이퍼와 같이, 웨이퍼 지지대(116)상의 처리 챔버(112)내에서 지지된다. 웨이퍼 지지대(116)는 서셉터, 받침대, 저항 가열기, 또는 웨이퍼(114)를 지지하기 위한 다른 적당한 수단이다.

도 5에서, 웨이퍼 지지대(116)는 램프가 웨이퍼 지지대(116)를 조사하기 위하여 사용될 때 종종 사용될 수 있는 웨이퍼 지지대 형태의 서셉터이다. 서셉터는 양극화된 알루미늄으로 만들어지고 도 3b 에서 지지 플레이트(18)와 유사한 종래 알루미나 세라믹 지지 플레이트 (118)에 의해 지지된다.

지지 플레이트(118),웨이퍼 지지대(116) 및 웨이퍼(114)의 결합은 외팔보 알루미나 지지 아암(122)의 자유 단부(120)상에 지지된다. 지지 아암(122)의 고정 단부(124)는 절연체(160)에 의해 처리 챔버로부터 전기적으로 절연된 수직 이동 가능 스템(126)에 설치된다. 수직 이동 가능 스템(126)은 이동 메카니즘(128)의 동작하에서 수직으로 이동할 수 있다.

처리 챔버(112) 및 그것의 내용물은 종래 석영 윈도우(132)를 통하여 웨이퍼 지지대(116)를 조사하는 종래 램프(130)에 의해 가열된다. 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)는 온도 결정 장치(140)를 더 포함한다. 온도 결정 장치(140)는 웨이퍼 지지대(116)의 온도를 감지하기 위하여 웨이퍼 지지대(116)에 결합된다. 진공 펌프, 압력 게이지 및 압력 조절기 밸브는 압력 제어 유니트(157)에 모두 포함된다. 압력 제어 유니트(157)는 처리 챔버(112)의 압력을 조절하고 처리 챔버(112)로부터 캐리어 가스 및 반응 부산물을 배출한다.

샤워헤드(136)는 처리 챔버(112)내의 웨이퍼 지지대(116)상에 배치되고 절연체(159)에 의해 챔버(112)로부터 전기적으로 절연된다. 샤워헤드(136)는 가스 패널(52)로부터 처리 가스가 공급된다. 가스 패널(52)은 컴퓨터 형태의 가스 패널 제어기(50)에 의해 제어된다.

후 증착 어닐링을 수행하기 위하여, 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)는 rf소스(142)를 포함한다. rf소스(142)는 제 1 전극으로서 동작하는 샤워헤드(136), 및 제 2 전극으로서 동작하는 웨이퍼 지지대(116)에 rf 전력을 인가한다. 상기 rf 소스(142)는 1㎒ 이하의 주파수, 및 바람직하게 350kHz의 주파수를 가지는 신호를 제공한다. rf 신호를 두 개의 전극 (136 및 116)에 제공하는 것은 PVD 챔버같은 다른 종래 반도체 웨이퍼 처리 챔버의 두개의 전극에 rf 신호를 제공하는데 나타나지 않는 문제를 극복한다.

본 발명의 실시예에서, 과도한 음의 바이어스를 샤워헤드(136)에 인가하는 것을 방지하는 것이 가능한다. 샤워헤드(136)상에 과도한 음의 바이어스는 오염 입자의 생성으로 인해 발생하는 샤워헤드(136)의 이온 범버딩 증가를 유발한다.

종래 PVD 챔버에서 목표 전극의 이온 범버딩을 크게 다루는 것은 바람직하다. 종래 PVD 챔버에서, 목표 전극은 증착될 목표 재료를 지지한다. 목표 전극은 이온이 목표 재료 증착을 위하여 목표 재료와 쉽게 충돌하도록 많은 음의 바이어스가 주어진다.

게다가, 웨이퍼 지지대의 음의 바이어스 및 종래 스퍼터링 처리시 웨이퍼 온도의 제어는 중요하지 않다. 이것은 본 발명의 실시예에서는 진실이 아니다. 웨이퍼 지지대(116)상에 음의 바이어스를 제어하는 것은 웨이퍼(114)쪽으로 이온 플럭스의 최적 레벨을 만들기 위한 것이다. 웨이퍼(114)온도를 정확하게 세팅하는 것은 증착 및 증착된 재료의 후 증착 처리 양쪽을 수행하는데 필요하다.

따라서, 웨이퍼 지지대(116)는 rf 소스(142)에 결합되고 열전쌍 온도 감지 메카니즘(도시되지 않음) 하우징하는 두 개의 기능을 제공한다. rf 소스(142)는 웨이퍼 지지대(116)의 음의 바이어싱을 제어하기 위한 것이고 열전쌍은 웨이퍼(114)의 온도를 감시하기 위한 것이다.

웨이퍼 지지대(116)및 지지 아암(122)은 정확한 웨이퍼 온도 판독이 이루어지도록 열전쌍 신호로부터 rf 소스 신호를 절연하도록 설계된다. 이런 절연은 양쪽 rf 소스 신호 및 열전쌍 신호가 챔버(110A)내에 정확하게 전달되도록 하여, 웨이퍼(114)는 적당하게 바이어스 및 가열된다. 웨이퍼 지지 아암(122)의 상세한 설명은 도6-14를 참조하여 아래에 설명된다.

3. 웨이퍼 지지 아암

도 6-9(b)를 참조하여, 웨이퍼(114)는 종래 ″스위치 치즈″알루미나 세라믹 지지 플레이트(118)에 의해 지지된 웨이퍼 지지대(116)상에 지지된다. 얇은 석영 플레이트(119)는 지지 플레이트(118) 및 웨이퍼 지지대(116) 사이에 배치된다. 석영은 지지 플레이트(116) 및 웨이퍼 처리 챔버(110A)의 다른 구성요소 사이의 아킹을 제거한다. 석영 플레이트(119)는 램프(130)에 의해 제공된 에너지를 조사하기 위하여 투명하다. 이것은 램프가 웨이퍼 지지대(116)를 빠르게 가열하도록 한다.

웨이퍼 지지대(116)는 석영 실드(150)에 의해 둘러싸인다. 석영 실드(150)는 웨이퍼 지지대(116)상으로 연장하고 웨이퍼 지지대(116) 및 웨이퍼(114) 양쪽이 놓여있는 웨이퍼 수용 포켓을 형성하기 위하여 알루미나 지지 플레이트(118)(도 7에 부분적으로)상에 놓여있는다. 석영 필드(150)는 웨이퍼(114)가 웨이퍼 지지대(116)에 및부터 전달될 때 보다 쉽게 웨이퍼(114)를 수신하기 위하여 바깥쪽으로 모서리가 잘라진 상부 가장 자리를 가진다. 석영 실드(150)는 우선적으로 아크 인력으로부터 웨이퍼 지지대(116)의 가장 자리를 보호하기 위한 기능을 한다.

처리시, 웨이퍼 지지대(116)의 온도는 웨이퍼 지지대(116)에 설치된 열전쌍(152)에 의해 측정된다. 열전쌍(152) 및 웨이퍼 지지대(1160의 몸체 사이에 전기 절연을 제공한다. 비록 외장(154)이 전기적으로 우수한 저항이지만, 열의 우수한 전도체가 남는다. 외장(154)은 낮은 열 매스를 가져서 열전쌍(152)으로 사용하기에 적당한 낮은 열 전달성을 가진다. 게다가, 외장(154)은 처리 챔버(112)의 처리 환경내에서 화학적으로 안정하다.

열전쌍(152)은 전기 전도 케이블(156)에 의해 온도 결정 장치(140)에 접속된다. 하기될 바와같이, 케이블(156)은 지지 아암(122)의 중앙 부분을 따라 통과하고 처리 챔버(112)내의 어떤 무선 주파수 에너지로부터 전기적으로 절연된다.

열전쌍(152)은 전도 케이블(156)상에 고정된 작은 니켈 구에 의해 배치시 고정된다. 구(158)는 키 세라믹 유지 엘리먼트(162)에 형성된 슬롯(160)에 유지된다. 키 유지 엘리먼트(162)는 웨이퍼 지지대(116)의 하부측상에 중앙으로 돌출하는 스터브(166)(stub)로 형성된 홈(144)에 키잉한다. 이런 장치는 일단 웨이퍼 지지대(116)가 지지 아암(122)으로부터 분리되면 열전쌍(152)이 상대적으로 쉽게 이동되고 대치될 수 있는 것을 보장한다. 상기된 장치는 웨이퍼 지지대(116) 및 열전쌍(152) 사이에 전기 절연을 유지하는 동안 열전쌍(152)이 웨이퍼 지지대(116)의 몸체내의 적소에 굳게 고정되는 것을 보장한다.

웨이퍼 지지대(116)는 중앙 스터브(166)에 고정하는 한쌍의 볼트(168)에 의해 지지 아암(122)에 고정된다. 도 8은 지지 아암(120)이 우선적으로 인버트된 ∪ 모양 세라믹 섹션(170)에 의해 우선적으로 구성된다. 볼트(168)는 ∪ 모양 섹션(170)의 수평 부분을 통하여 통과하는 각각의 홀(172)을 통해 통과한다. ∪ 모양 섹션(170)의 수평부분에 볼트(168)의 과도한 베어링을 방지하기 위하여, 각각의 헤드는 벨버저(Belvedere) 스프링 와셔(174)에 의해 수평 부분으로부터 간격진다. 세라믹 ∪ 모양 섹션(170)에 볼트(168) 헤드의 과도한 베어링을 막는 것은 세라믹, 특히 얇은 섹션 세라믹이 상대적으로 부서지기 쉽게 때문에 중요한다. 과도한 베어링 힘은 ∪ 모양 섹션(170)이 부서지게 한다.

rf 전도 스트립(180)은 지지 아암(122)을 따라 통과한다. 스트립(180)은 스터브(166)에서 웨이퍼 지지대(116)의 아래측에 전기적으로 접속된다. rf 스트립(180)은 상표 피랄린의 듀폰사 제품인 폴리이미드같은 높은 열 탄성 유전체 재료로 코팅된다.

이런 폴리이미드 코팅은 rf 전도 스트립(180)에 대한 전기 절연을 제공한다. 게다가, rf 전도 스트립(180)이 세라믹 절연체(182)에 의해 전도 케이블(156)로부터 전기적으로 절연된다. 세라믹 절연체의 상세한 설명은 도 10(a) 및 10(b)를 참조하여 아래에 논의된다. 게다가, rf 전도 스트립(180)은 ∪ 모양 섹션(170)의 ″다리″및 절연체(184)에 의해 처리 챔버(112)의 내부로부터 절연된다. 절연체(184)의 상세한 설명은 도 11(a) 및 11(b)를 참조하여 하기된다.

어셈블리동안, 열전쌍(152) 및 그것의 관련 외장(154)은 웨이퍼 지지대(116)에 삽입된다. 열전쌍 리드 케이블 (156)은 ∪ 모양 섹션(170)에 공급된다. 웨이퍼 지지대(116)는 볼트(168)에 의해 ∪ 모양 섹션(170)에 고정된다. 절연체(182)는 rf 스트립(180)으로부터 전도 케이블(156)을 절연하기 위하여 전도 케이블(156)상에 배치된다. rf 전도 스트립(180)은 절연체(182)에 놓여지고, 절연체(184)는 rf 전도 스트립(180)상에 배치된다.

그후, 편평한 세라믹 유지기(186)는 ∪모양 섹션(170)의 ″다리″의 자유 단부에 밀접하게 형성된 홈(188)에 슬롯된다. 유지기(186)는 ∪모양 섹션(170)의 몸체내에 배치된 다양한 피스 모두에 대해 유지기로서 동작한다. 유지기(186)의 상세한 설명은 도 12에 도시된다.

도 9(a) 및 9(b)에 도시된 바와같이, 지지 아암(122)은 각각 자유 및 고정된 단부(120 및 124)에서 확장된 부분과 상대적으로 얇은 중앙 부분에 의해 구성된다. 지지 아암(122)의 자유 단부(120)는 자유 단부(120)의 상부표면에 형성된 슬롯(190)의 어느 한측면상에 각각 형성된 2개의 볼트 홀(172)을 가진다. 이 슬롯(190)은 웨이퍼 지지대(116)의 하부에 스터브(166)로부터 아래쪽으로 연장하는 키 형태(192)를 수용한다. 이런 키 형태(192)는 슬롯(190)과 짝이고 지지 아암(122)에 배치될 때 웨이퍼 지지대(116)를 추가로 안정시킨다. 키 형태(192)의 상세한 설명은 도 8 및 14에 도시된다. 지지 아암(122)의 고정 단부(124)는 수직으로 이동가능한 스템(194)에 고정되고, 그것의 상세한 설명은 도 13을 참조하여 기술된다.

도 10(a) 및 10(b)로부터, 전도 케이블(156)이 놓여있는 ∪모양 채널의 형태에 절연체(182)가 존재하는 것이 도시된다. ∪모양 채녈은 하나의 단부에 형성된 확장된 부분(196)을 가진다. 확장된 부분(196)은 지지 아암(122)의 고정 단부(124)에서 rf 전도 스트립(180)을 커버한다.

도 11(a) 및 11(b)에 도시된 바와같이, 절연체(184)는 지지 아암(122)의 자유 단부(120)내에 비교적 안정하게 고정되기 위한 크기인 확장된 부분(198)을 가진다. 확장된 부분(198)은 형성된 채널(200)을 가진다. 장치가 어셈블리될때, rf 전도 스트립(180)은 절연체(184)의 상부 표면(202)상에 놓여있는다. 이런 장치는 도7에 도시되고 접속 볼트(168)로부터 rf 전도 스트립(180)을 분리하기 위하여 제공한다. 도 7에 도시된 바와같이, 적당한 스페이서 엘리먼트(204)는 채널(200)에 고정하기 위하여 제공되고 rf 전도 스트립(180) 및 볼트 (168) 사이에 절연을 제공한다.

유지기(186)의 상세한 설명은 도12에 도시된다. 유지기(186)는 지지 아암(122)의 자유 아암(122)의 자유 단부에 형성된 홈내에 수용될 크기인 확장 부분(206)을 가지는 일반적으로 스푼 모양이다. 어셈블리동안, 유지기(186)는 지지 아암(122)의 자유 단부(120)로부터 슬롯(188)으로 삽입된다.

지지 아암(122)의 고정 단부(124)는 도 13에 도시된 바와 같이 스템(194)에 접속된다. 스템(194)은 지지 아암(122)의 고정 단부(124)가 볼트(212)에 의해 고정되는 플랜지(210)를 형성하기 위하여 상부 단부에 플레어되는 공동이다. 볼트(212) 및 세라믹 고정 단부(124) 사이에 과도한 베어링 힘을 방지하기 위하여, 벨리빌리 스프링 와셔(214)는 각각의 볼트(212)및 지지 아암(122)의 고정 단부(124) 사이에 제공된다.

스테인레스 스틸 벨로우즈(216)는 플랜지(210) 및 처리 챔버(112)의 하부 벽 사이에 배치된다. 벨로우즈(216)는 처리 챔버(112)의 벽(218)을 통하여 통과할 때 스템 (194) 주위에 밀봉을 동시에 제공하는 동안 지지 아암(122)이 수직으로 상하로 이동되게 한다.

이미 표시된 바와 같이, 상기 스템(194)은 공동 관의 행태이다. 전기적 비전도 관(220)은 상기 스템(194)을 형성하는 관의 내부에 배치된다. 상기 비전도 관(220)은 전형적으로 폴리이미드 재료로 제조되고 처리 챔버(112)와 공동 rf 전도관(222) 사이에 전기적 절연을 제공한다. 상기 rf 전도 관(222)은 상기 rf 소스(142)와 rf 전도 스트립 (180)에 접속된다. 상기 열전쌍(152)과 온도 결정 장치 (140)를 연결하는 상기 전도 케이블(156)은 상기 rf 전도관(222)내에 형성된 중앙 구멍을 통과한다.

도 13으로 해석할 때 도 14는 접속이 rf 전도 스트립 (180)과 rf 전도관(222)사이에 형성되는 방법을 설명한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 rf 전도관 (222)은 환형 플랜지(224)를 한정하기 위해 그것의 상단부에서 플레어(flared)된다. 도 14에 도시된 바와 같이 상기 rf 전도 스트립(180)은 환형 전도 후프(226)로 종결한다. 상기 지지용 아암(122)이 조립될 때, 상기 후프(226)는 상기 rf 전도관 (222)의 환형 플랜지(224)상에 배치된다.

이것은 웨이퍼 전도 스트립(116)에 결합되는 rf 전도 스트립(180)에 rf 전도 접속을 제공한다. 이런 접속은 상기 지지용 아암(122)의 조립과 분해를 용이하게 한다. 상기 접속은 또한 상기 지지용 아암(122)의 고정된 단부(124)가 상기 축(194)의 플랜지(210)상에 배치되어 있을 때 소정 양의 회전 자유(축(194)의 횡적 접근 이상의)를 허용한다.

4. 매칭 네트워크

본 발명에 따르면, 상기 rf 소스(142)는 매칭 네트워크(145)를 통해 웨이퍼 지지대(116)와 샤워헤드(136) 둘다에 결합된다. 상기 매칭 네트워크(145)는 저항/인덕터/캐피시터 네트워크이다. 상기 매칭 네트워크(145)는 소정 주파수에서 소스에 의해 인도된 전력을 최대화하기 위해 상기 부하 임피던스를 상기 소스 임피던스에 매칭한다. 또한 상기 매칭 네트워크(145)는 상기 웨이퍼 지지대(116)와 상기 샤워헤드(136)사이의 rf 전력을 분할하고 상기 웨이퍼 지지대(116)와 상기 샤워헤드(136)에 제공하는 rf 신호의 위상 시프트를 설정한다.

본 발명의 일실시예에 사용된 매칭 네트워크(145)는 도 15a에 도시되어 있다. 상기 매칭 네트워크(145)는 부하 매칭 변압기(70), 2개 인덕터(80과 82) 및 2개 캐패시터 (72와 74)를 포함한다. 상기 부하 매칭 변압기(70)는 한 단부에서 상기 rf 소스(142)와 접지에 결합되고 다른 단부에서 상기 인덕터(80과 82)에 결합된다. 상기 인덕터(80과 82)는 캐패시터(72와 74)를 통해 상기 웨이퍼 지지대(116)와 상기 샤워헤드(136)에 각각 결합된다.

상기 부하 매칭 변압기(70)는 1:1 내지 1:4, 전형적인 1:1.22의 1차 대 2차 권선비를 가질 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 부하 매칭 변압기(70)의 1차 코일은 18 권선을 가질 것이고, 상기 부하 매칭 변압기(70)의 2 차 코일은 47 권선을 가질 것이다. 상기 인덕터(80과 82)는 각각 50H의 인덕턴스를 가지며, 상기 캐패시터(72와 74)는 각각 0.01㎌의 캐패시턴스를 가진다.

상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)에서의 rf 신호사이의 상기 전력 분할과 위상 시프트는 상기 부하매칭 변압기(70)의 군선비를 변경함으로써 개선될 수 있다. 선택적으로, 도 15b에 도시된 바와 같이 부하 매칭 변압기(70)는 선택가능 접지 탭(78)을 가질 수 있다. 상기 선택가능 접지 탭(78)은 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)에서의 rf 신호사이의 전력 분할과 위상 시프트를 변경하기 위해 가변 접지 탭 위치의 선택을 허용한다.

상기 매칭 네트워크(145)의 다른 실시예는 도 15c에 도시되어 있다. 캐패시터(72)와 상기 샤워헤드(136)는 둘다 유도적 초크(83)를 통해 접지에 결합된다. 유도적 초크(83과 84)는 각각 500H의 값을 가질수 있다. 이런 실시예가 사용될 때, 상기 샤워헤드(136)와 상기 웨이퍼 지지대(116)는 DC 바이어싱되지 않는다.

상기 매칭 네트워크(145)를 통한 rf 소스(142)에 대한 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)의 결합은 상기 처리 챔버(110)가 플라즈마 어닐링 및/또는 산화를 위해 사용될 때 유리하다. 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)에서의 상기 rf 신호의 위상 시프트는 나중의 증착 공정 동안 발생된 플라즈마의 균일도 향상을 제공하도록 설정될 수 있다. 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)사이의 위상 어긋남 관계는 플라즈마의 이온이 접지된 처리 챔버(112)보다 웨이퍼 지지대(116)에 더 유인되도록 한다. 또한 위상 어긋남 관계는 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼(114) 사이의 전압 전위를 증가시킨다. 그결과 상기 웨이퍼(114)를 향하는 이온 자속의 균일도를 증진시킨다.

상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)에서의 신호의 전력 분할 조절은 상기 웨이퍼(114)와 상기 샤워헤드(136)에 대한 이온 충격의 세기가 제어될 수 있도록 한다. 플라즈마 발생 동안 상기 웨이퍼 지지대(116)의 음의 바이어싱은 일반적으로 이온이 웨이퍼(114)를 향하는 가속화를 증가시킬 수 있다. 상기 웨이퍼 지지대(116)의 과도 음의 바이어싱은 이온이 웨이퍼(114)가 손상되는 에너지로 웨이퍼(114)를 충격하도록 한다. 플라즈마 발생동안 상기 샤워헤드(136)의 과도 음의 바이어싱은 일반적으로 이온이 샤워헤드(136)를 충격하도록 하여 오염 미립자를 형성한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 rf 소스(145) 신호의 전력 분할은 챔버(110A) 조작자에 의해 선택될 수 있다. 상기 전력 분할은 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)의 음의 바이어스가 전술된 오염과 웨이퍼 손상 이온 충격에 대한 전위를 최소화하도록 설정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 매칭 네트워크(145)는 동일 전력과 주파수를 가지고 180도 위상이 어긋나는 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)에 대해 rf 신호를 공급하도록 구성될 수 있다. 이것은 처리 챔버(112)내의 가스를 플라즈마로 변환하기 위한 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)에 rf 전력을 효과적으로 결합한다.

rf 분할 전력 구성의 실시예는 ″챔버내의 전극에서 실제 RF 전력 검출과 조정의 플라즈마 처리 장치 케이블″로 명명된 미국 특허 제 5,314,603호 또는 ″플라즈마 에칭 시스템용 분할 위상 구동기″로 명명된 미국 특허 제4,871,421호의 문헌에서 볼 수 있다.

5. 챔버 동작

증착 처리 동안, 상기 가스 패널 제어기(50)는 상기 가스 패널(52)이 CVD처리 가스, 이를테면 TDMAT를 상기 샤워헤드(136)에 공급하도록 한다. 상기 샤워헤드(136)를 통해, 상기 처리 가스는 처리 챔버(112)내로 유입되어 상기 가열된 웨이퍼(114)에 이송된다. TDMAT가 사용될 때, 형성되는 재료의 박막은 질화 티타늄(TiN)이다.

반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)에서 수행되는 나중 증착 처리동안, 실리콘에 대한 어닐링, 산화 또는 노출이 수행된다. 플라즈마 어닐링 처리동안, 플라즈마, 이를테면 질소, 수소, 아르곤 또는 이들의 조합물은 상기 가스 패널 제어기(50)의 제어하에 상기 가스 패널(52)에 의해 상기 샤워헤드(136)에 공급된다. 나중 증착 산화 공정동안, 산소 기본 가스, 이를테면 O₂또는 N₂/O₂혼합물은 상기 가스 패널 제어기(50)의 제어하에 상기 가스 패널(52)에 의해 상기 샤워헤드(136)에 공급된다. 실리콘 노출 처리 동안, 실리콘 기본 가스, 이를테면 실란(SiH₄)은 상기 가스 패널 제어기(50)의 제어하에 상기 가스 패널(52)에 의해 상기 샤워헤드(136)에 공급된다.

플라즈마 어닐링 처리와 산화 처리 둘다에서, 상기 샤워헤드(136)에 의해 공급된 가스는 상기 웨이퍼(114)와 반응하는 포지티브 차아징된 이온을 포함하는 플라즈마로 변환된다. 실리콘 노출 처리에서, 상기 가스는 상기 웨이퍼(114)와 상기 웨이퍼 지지대(116)의 가열을 통한 에너지로 고취된다. 증착 또는 나중 증착 처리 동안 사용되는 임의 캐리어 가스와 증착 또는 나중 증착 처리로부터의 임의 부산물은 압력 제어 유니트 (157)에 의해 상기 처리 챔버(112)로부터 배기된다.

6. 다른 챔버 구성

도 16은 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위한 본 발명의 다른 실시예를 통합하는 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110B)를 도시한다. 도 16에 도시된 상기 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110B)는 상기 샤워헤드(136)가 rf소스에 결합되지 않는다는 점만 제외하면 도5에 도시된 챔버(110A)와 동일한다. rf 소스(62)는 매칭 네트워크(63)를 통해 상기 웨이퍼 지지대(116)에 결합되고 상기 샤워헤드(136)는 접지된다.

상기 매칭 네트워크(63)는 상기 rf 소스(62)의 임피던스에 상기 웨이퍼 지지대(116)의 부하 임피던스를 매칭하기 위한 일반적 수단을 사용한다. 상기 매칭은 소정주파수로 상기 rf 소스(62)에 의해 인도된 전력을 최대화한다. 본 발명에 따르면, 상기 매칭 네트워크(63)와 rf 소스(62)는 상기 웨이퍼 지지대(116)에 rf 신호를 공급하도록 구성되어 충분한 rf에너지는 상기 웨이퍼의 과도한 음의 바이어싱없이 플라즈마 어닐링을 제공한다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예를 통합하고 본 발명에 따른 처리를 수행할 수 있는 반도체 웨이퍼 처리챔버(110C)를 도시한다. 도 17에 도시된 상기 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)는 상기 샤워헤드(136)과 웨이퍼 지지대(116)가 각각 서로 다른 rf 소스(143과 144)에 결합된다는 점만 제외하면 도5에 도시된 챔버(110A)와 동일하다. rf 소스(143)는 매칭 네트워크(146)를 통해 상기 샤워헤드(136)에 결합되고, rf 소스(144)는 매칭 네트워크(147)를 통해 상기 웨이퍼 지지대(116)에 결합된다.

상기 매칭 네트워크 (146과 147)는 각각 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)의 부하 임피던스를 소스 임피던스에 매칭하기 위한 일반적 수단을 사용한다. 상기 매칭은 소정 주파수에 각각의 소스에 의해 인도된 전력을 최대화한다. 바람직하게, 상기 rf 소스(143과 144)는 상기 샤워헤드(136)와 웨이퍼 지지대(116)에 공급되는 rf 신호 사이의 위상 시프트와 전력 분할의 제어를 제공하도록 서로 결합된다(도시 안됨). 본 발명에 따르면 상기 매칭 네트워크(146과 147)와 rf 소스(143과 144)는 웨이퍼 지지대(116)와 샤워헤드(136)에 동일한 전력과 주파수를 가지지만 위상이 180도 어긋난 rf 신호를 공급하도록 구성될 수 있다.

본 발명은 또다른 실시예에서, 도5, 16 또는 17 중 어느 하나에서 상기 웨이퍼 지지대(116)는 저항성 가열기가 될 수 있다. 상기 저항성 가열기는 상기 웨이퍼(114)를 지지하고 상기 웨이퍼(114)를 가열하기 위한 저항성 코일을 통합한다.

도 5,16 및 17에 도시된 반도체 웨이퍼 처리 챔버는 다수의 처리를 수행하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 추가 특징에서, 처리는 확산 장벽 형성을 위해 제공된다. 본 발명의 처리는 전술된 장치에서 유리하게 수행될 수 있다고 인식될 것이다. 그러나 개시된 방법은 임의 수의 적당한 챔버에서 수행될 수 있다고 추가로 인식해야 할 것이다.

B. 막 구성

1. 개요

본 발명의 실시예는 집적 회로의 개선된 저항성 값을 가진 막의 구성을 위해 공급된다. 구성될 수 있는 하나의 막은 확산 장벽이다. 그러나, 또한 콘택트 금속, 이를테면 알루미늄과 구리의 확산을 방해하려는 다른 막이 본 발명의 실시예를 사용하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 재료의 층은 기판, 이를테면 반도체 웨이퍼 상에 증착된다. 다음에 상기 재료는 증착된 재료의 저항성을 감소하기 위해 플라즈마 어닐링된다. 순차적으로, 새로운 재료의 층은 상기 미리 증차된 재료상에 증착된다. 상기 재료가 다시한번 상기 재료의 저항성을 감소하기 위해 어닐링된다. 상기 재료의 증착과 어닐링은 웨이퍼의 상부 표면상에 잔류하는 막을 형성하기 위해 여러번 반복될 수 있다.

본 발명의 또다른 특징은 분자로 채워질 수 있는 웨이퍼상에 어닐링된 재료를 제공한다. 상기 채움(stuffing)은 콘택트 금속, 이를테면 알루미늄 또는 구리의 확산을 방지하는 재료의 능력을 증진시킨다. 알루미늄에 대한 장벽으로서의 막의 작용을 증진하기 위해, 상기 채움은 어닐링된 재료의 산화를 통해 달성될 수 있다. 구리에 대한 장벽으로서의 막의 작용을 증진하기 위해, 상기 채움은 실란(SiH₄)에 상기 어닐링된 재료를 노출함으로써 달성된다. 선택적으로, 구리의 감소된 확산은 3원 금속 질화 실리콘의 재료를 증착함으로써 획득될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 인-시튜 수행될 수 있게 상기 웨이퍼상의 재료의 증착, 어닐링 및 채움을 제공한다.

2. 더 낮은 막 저항성의 어닐링

본 발명에 따르면, 막은 그것의 저항성을 감소하기 위해 웨이퍼상에 재료의 층을 증착하고 재료의 막을 플라즈마 어닐링함으로써 웨이퍼상에 형성될 수 있다.

상기 재료의 층은 전통적 화학 기상 증착을 수행할 수 있는 챔버, 이르테면 도 3(a)의 챔버(10), 도5의 챔버(110A), 도 16의 챔버(110B) 또는 도 17의 챔버(110C)에서 웨이퍼 상에 증착된다. 질화 티타늄 재료의 증착은 금속 유기적 티타늄 화합물, 바람직하게 테트라키스 (디알킬아미노) 티타늄(Ti(NR₂)₄)의 사용을 통해 달성될 수 있다.

캐리어 가스, 이를테면 헬륨, 아르곤, 질소 또는 수소는 챔버내로 티타늄 화합물을 가져온다. 챔버에서 상기 티타늄 화합물을 원격으로 발생된 반응 종류, 이를테면 할로겐, 아암모늄 또는 수소 라디컬과 반응된다. 상기 질화 티타늄의 증착을 용이하게 하기 위해, 상기 웨이퍼 온도는 약 200-600℃가 되도록 설정되며, 상기 처리 챔버 압력은 약 0.1-100 Torr가 되도록 설정한다.

상기 증착된 질화 티타늄은 상당량의 탄소를 포함하여 상기 얻어지는 질화 티타늄 막이 화학적으로 반응적이 될 수 있도록 한다. 결론적으로, 상기 막이 공기또는 다른 산소 함유 가스에 노출될 때 산소는 상기 막에 흡수된다. 상기 산소 흡수가 제어되지 않기 때문에, 상기 막의 안정성은 감소되고 상기 막의 저항성은 거꾸로 증가된다. 이것은 웨이퍼상에 형성된 소자의 빈약한 신뢰성을 초래한다.

공기에 노출된 후, 상기 증착된 질화 티타늄 막의 면저항은 약 10,000 -㎝/평방 내지 10,000 -㎝의 값까지 증가할 수 있다. 이것은 상기 증착된 질화 티타늄이 전도 톤택트와 비아를 위한 장벽 층으로서 작용할 때 상당히 바람직하지 않다. 장벽 층에 대해, 1,000 ■-㎝ 미만의 등급상의 저항성이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 증착된 질화 티타늄 막은 고에너지 이온을 포함하는 불활성 플라즈마를 사용하여 플라즈마 어닐링된다. 상기 이온은 웨이퍼에 DC 바이어스 전압을 제공함으로써 달성된다. 상기 DC 바이어스 전압은 상기 웨이퍼 지지대(116)에 결합된 저전력 rf 소스에 의해 상기 웨이퍼에 인가될 수 있고 선구물질 가스로부터 플라즈마를 형성하기 위해 충분한 전력을 제공한다. 상기 웨이퍼에 대한 약 100 내지 1,000 볼트의 전압의 적용이 충분하다. 예를 들면, 단지 rf 전력의 100 와트를 가지는 400 볼트는 플라즈마를 형성하기 위해 인가될 수 있다. 이것은 질화 티타늄 막이 오래동안 안정화 되도록 고에너지 이온을 형성하고 질화 티타늄막을 불활성화하여 밀도를 높이도록 하는데 충분하다.

본 발명에 따라 어닐링되는 질화 티타늄 막이 공기, 산소 또는 수증기에 노출될 때, 상기 산소는 바이어스 전압이 웨이퍼에 인가될 때보다 훨씬 더 작은 범위로 흡수되지 않거나 흡수된다. 본 발명에 따라 증착되고 어닐링되는 질화 티타늄 막은 더욱 결정적이고, 더 많은 질소를 포함하며, 금속-유기적 티타늄 화합물의 일반적인 열적 CVD에 의해 형성되는 질화 티타늄 막에 비교되는 감소된 산소와 탄소 함유량을 가진다. 또한 본 발명에 따라 어닐링되는 상기 증착된 질화 티타늄 막은 낮고 안정적인 면저항을 가진다.

본 발명의 정확한 매커니즘은 공지되어 있다. 그러나, 바이어싱된 기판상의 상기 증착된 재료의 고에너지 이온 충격은 상기 막의 밀도를 높인다고 믿어진다.

a. 질소 플라즈마

본 발명의 실시예에서, 증착된 질화 티타늄의 어닐링을 위해 상기 플라즈마를 형성하는데 사용된 가스는 임의 가스가 될 수 있지만, 바람직하게 비-산소와 탄소 함유 가스, 이를테면 질소, 알루미나 또는 아르곤이 된다. 질소는 질화 티타늄 재료의 불활성화에 가장 효과적이다. 선택적으로, 상기 증착된 재료는 비가스성 종류로 부터 발생된 이온, 이를테면 이온 소스로 충격이 가해진다. 상기 증착된 질화 티타늄의 플라즈마 처리는 상기 증착된 재료의 미립자 실행, 스텝 커버리지, 증착 속도 또는 장벽 실행에 악영향을 끼치지 않는다.

질화 티타늄은 일반적 화학 기상 증착 챔버(10)에서 다음의 조건하에서 실리콘 웨이퍼 상에 증착되었다. 상기 처리 챔버(12)내의 압력은 0.45 Torr이고 상기 웨이퍼 지지대(16)는 420℃의 온도로 설정된다. 400 sccm의 헬륨 흐름은 Ti(NR₂)₄를 포함하는 버블러를 통해 사용되며, 질소 희박물의 흐름은 100sccm으로 설정된다. 아르곤 퍼지 가스는 질화 티타늄의 증착에 수반하여 처리 챔버내에서 200sccm으로 흐른다. 질화 티타늄을 증착 하기 위한 일반적 CVD처리는 미국 특허 제 5,246,881호에 개시되어 있다.

결과로서, 질화 티타늄은 분당 약 425 Å의 증착 속도로 증착된다. 상기 얻어진 질화 티타늄 막은 단지 3.03%의 4 웨이퍼 두께 변화를 가지는 매우 균일한 두께이다. 그러나, 면저항(4 웨이퍼의 평균)은 11,360 μ- cm/평방으로 높다. 또한 저항성은 불안정하다.

도 18은/평방 대 시간 단위의 증착된 질화 티타늄의 면저항의 그래프이다.에 의해 표시된 상기 측정은 요구된 막 두께가 달성된후 증착 챔버로부터 꺼낸 막으로부터 취해진다.에 의해 표시된 측정은 증착 챔버로부터 제거하기 이전에 150℃의 온도로 냉각된 막으로부터 취해진다. 상기막의 면저항이막의 이것보다 더 낮지만, 둘다의 막은 불안정하고, 면저항은 시간에 비례하고 증가한다. 이런 특성은 확산 장벽에 대한 바람직하지 않는다.

러더퍼스 후면 스캐터링 측정은 상기 증착된 질화 티타늄 막상에서 이루어진다. 상기 얻어지는 스펙트럼은 도 19에 주어진다. 탄소(C), 질소(N), 및 산소(O)에 대한 피크는 스페트럼, 현상 대로 실리콘 인터페이스 상에 표시된다. 상기 질화 티타늄의 여러 가지 재료 함량은 다음과 같다. 즉, 탄소 함량은 약 30%, 질소 함량은 약24%, 산소 함량은 25% 및 티타늄 함량은 약 23%이다. 이것은 증착된 질화 티타늄 재료가 비교적 높은 레벨의 탄소와 산소 불순물을 포함한다는 것을 나타낸다.

상기 질화 티타늄의 면저항을 효과적으로 감소시키기 위해, 질화 티타늄의 증착 방법은 증착 처리 동안 여러가지 가스의 부가에 의해 변경된다. 상기 결과는 도 20에 나타나는 테이블 Ⅰ 에 주어진다. 테이블 Ⅰ에 도시된 티타늄 층의 제어는 이미 언급된 방법을 사용하여 증착된다. 가장 성공적인 질화 티타늄의 면저항 감소 실행은 증착 동안 NF₃(78 sccm)의 흐름을 포함한다. 이것은 2,200 μ- cm까지 면저항을 감소시킨다. 그러나, NF₃처리된 재료의 러더퍼드 후면 스캐터링 스펙트럼(도 23 참조)은 플루오르가 상기 막의 불순물로서 통합되는 것을 보여준다. 상기 플루오르의 통합은 바람직하지 않다.

다음에 가스와 플라즈마 처리의 나중 증착 흐름은 처리가 증착된 질화 티타늄의 면저항에 영향을 끼치는지의 여부를 결정하기 위해 사용된다. 2가지 경우에, 플라즈마는 질화 티타늄의 화학 기상 증착 이전과 이후에 시작된다. 상기 플라즈마는 질화 티타늄 증착을 수용하는 기판 실리콘을 바이어싱하지 않고 100 와트의 저전력을 사용하여 발생된다. 상기 결과는 도 21에 나타난 테이블 Ⅱ로 요약된다. 전증착과 후증착 처리 중 어느 것도 증착된 질화 티타늄의 면저항에 많은 영향을 끼치지 않는다. 그러므로, 플라즈마내의 웨이퍼에 바이어스 전압의 적용이 면저항을 감소시키고 그것이 안정되게 유지된다는 것은 상당히 예기치 않은 것이었다.

본 발명은 특징은 다음과 같은 실시예에 의해 추가 개시되지만 본 발명은 개시된 상세에 제한되지 않는다. 400 볼트의 바이어스 전압이 질화 티타늄층을 가지는 실리콘 웨이퍼에 인가되는 일련의 검사가 수행된다. 상기 질화 티타늄의 도 16의 챔버(110B)와 같은 챔버에서 웨이퍼 상에 증착되고 약 100 와트의 인가된 rf 전력의 플라즈마를 사용하여 어닐링된다. 증착과 바이어싱은 순차적으로 순환된다. 상기 2 단계는 5번까지 순환된다. 증착 두께의 요약, 순환의 수 및 시간상에 걸쳐 달성된 저항성은 도 22에 나타낸 테이블 Ⅲ에 주어진다. 상기 제어는 5 연속적 단계로 증착되지만, 증착 사이에 플라즈마로 어닐링되지 않는다.

상기 테이블 Ⅲ의 데이터는 질화 티타늄 저항성이 두드러지게 감소될 수 있고 질화 티타늄의 후증착 어닐링에 의해 안정성이 극적으로 개선될 수 있다는 것을 보여준다. 테이블 Ⅲ의 각각의 실시예에서, 저항성과 시간에 걸친 저항성의 변화는 상기 제어 경우 이상으로 개선된다. 상기 어닐링된 질화 티타늄의 초기 저항성은 더 낮고, 상기 저항성은 시간에 걸쳐 덜 증가한다.

도 24는 실시예 1의 질화 티타늄막의 오거(Auger) 분석의 그래프이다. 상기 그래프는 상기 막의 원소에 대한 원자 농도 대 옹스트롬의 막의 스퍼터링 에지 깊이를 표시한다. 상기 질화 티타늄은 30초동안 2번 바이어싱된다(상기 테이블 Ⅲ 참조). 도 24에 도시된 바와 같이, 상기 티타늄 농도는 안정되게 유지되지만, 상기 그래프는 상기 막 표면 질소 농도가 높은 반면 탄소와 산소 농도는 낮다는 것을 분명히 보여준다. 이런 탄소와 산소 불순물 레벨의 감소는 약 100Å 의 깊이에 대해 계속된다. 400Å 깊이에서, 상기 막이 고에너지 질소 이온으로 먼저 어닐링될 때 상기 질소 농도는 증가하는 반면 상기 탄소와 산소 농도는 감소한다. 또한 도 24의 그래프는 본 발명에 따른 어닐링후 상기 막의 성분적 구성의 변화를 도시한다. 원소 분석의 변화는 도 25에 나타낸 테이블 Ⅳ에 도시된다.

질화 티타늄의 100Å 두께층이 장벽층을 위해 적당하기 때문에, 본 후증착 어닐링은 질화 티타늄 장벽층의 안정성을 개선하고 감소하는데 이상적이다. 실시예 7의 후증착 어닐링된 질화 티타늄상에 제공된 표면 원소를 도시하는 오거 스펙트럼은 도 26에 도시되어 있다. 이런 스펙트럼은 증착된 재료의 벌크가 약간의 티타늄을 가진 질화 티타늄이라는 것을 도시한다.

그러나, 도 27에 도시된 바와 같은 실시예 7막의 오거 스펙트럼 분석은 산소 농도가 막의 벌크에서 저레벨까지 두드러지게 저하된다는 것을 나타낸다. 탄소는 산소를 제외한 오직 다른 주요 불순물이지만, 그것은 본 어닐링 방법에 의해 변화되지 않는다. 200Å의 두께에서, 막의 여러 가지 원소의 원자 페센트 농도는 산소, 28%; 탄소, 20.9%; 티타늄 38.8%; 및 질소, 37.5%이다. 실리콘은 존재하지 않는다.

비교로서, 상기 제어 막의 표면 오거 분석은 도 28에 도시되어 있고 상기 제어막의 스퍼터링 오거 분석은 도 29에 도시되어 있다. 상기 제어 막의 산소 함량은 상당히 더 높다. 200Å깊이에서 상기 제어막의 원소의 원자 퍼센트 농도는 산소, 10.8%; 탄소, 20.7%; 티타늄, 41.0%; 및 질소, 27.5%이다. 실리콘은 존재하지 않는다.

실시예 8의 상기 질화 티타늄 막의 표면 오거 분석은 도 30에 도시되어 있고, 스퍼터링 오거 분석 대 옹스트롬의 깊이는 도 31에 도시되어 있다. 43Å 깊이에서, 원소의 원자 퍼센트 농도는 산소, 3.1%; 탄소, 13.7%; 티타늄,40.0%; 및 질소, 43.2% 이다. 실리콘은 존재하지 않는다.

러더퍼드 후면 스캐터링은 제어 및 실시예 질화 티타늄 증착된 막의 원자/㎤의 밀도를 결정하는데 사용된다. 상기 데이터는 도 32에 나타낸 테이블 Ⅴ로 요약된다. 테이블 Ⅴ의 테이터로부터 알수 있는 바와 같이, 고에너지 이온을 사용한 증착된 질화 티타늄의 충격을 포함하는 플라즈마 어닐링은 상기 제어 막에 비교할 때 질화 티타늄 막의 밀도를 증가시킨다.

본 발명은 질화 티타늄 장벽층에 제한되지 않는다. 또한 본 발명은 다른 재료, 이를테면 알루미늄, 구리, 탄탈, 탄탈 오산화물, 실리사이드, 다른 질화물 특성과 화학적 구성을 개선할 수 있다. 예를 들면, 2원 금속 질화물(M_xN_y)과 3원 금속 실리콘 질화물(M_xSi_yN_z)(여기에서 M은 Ti, Zr, Hf, Ta, Mo, W 및 다른 금속이 될 수 있다) 재료의 특성과 화학적 구성은 본 발명의 특징을 실행함으로써, 개선될 수 있다. 실리콘 웨이퍼외에 기판은 스테인레스 강, 금속, 산화물, 유리 및 실리사이드 등이 사용될 수 있다.

상기 증착과 플라즈마 어닐링은 선구물질 가스와 플라즈마 능력을 가진 단일 CVD 챔버, 이를테면 챔버 (110A, 110B 및 110C)에서 수행될 수 있다. 챔버((110A, 110B 또는 110C)를 사용할 때, 질화 티타늄의 막은 동일한 챔버에서 증착되고 곧바로 어닐링될 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 챔버는 도 3(a)에 도시된 바와 같은 장치가 사용될 때 사용될 것이다. 하나 이상의 챔버가 사용될 때 진공은 바람직하게 CVD 챔버(10)로부터 어닐링 챔버로의 기판 이송동안 유지된다.

다음의 절차는 증착된 질화 티타늄의 플라즈마 어닐링이 챔버(110B)에서 수행될 때 수반된다. 상기 웨이퍼(114)는 웨이퍼 지지대(116)상에 잔류하고 샤워헤드(136)로부터 약 0.3 내지 0.8인치, 바람직하게 0.6 내지 0.7인치에 배치된다. 에너지화 이온은 약 350㎑와 100 내지 500 와트의 전력의 rf 신호 소스로부터 기판에 rf 에너지를 인가함으로써 달성된다. 이것은 상기 웨이퍼(114)의 표면 영역의 평방 센티미터(㎠)당 약 0.3 내지 1.6와트의 전력으로 변형한다.

음의 전력이 인가된 웨이퍼 지지대(116)와 샤워헤드(136)와 챔버 벽이 접지되어, 50 내지 1,000 볼트 사이의 자기 바이어스 전압이 유도된다. 바람직하게, 상기 DC 자기 바이어스 전압은 웨이퍼(114)와 접지 사이에 200 내지 800 볼트사이이다. 이것은 고에너지로 웨이퍼(114) 표면에 충돌하는 이온을 유인하기에 충분하다. 결과적으로, 상기 증착된 질화 티타늄은 그것이 시간상에 걸쳐 안정되게 진류하도록 불활성화 또는 치밀하게 된다.

도 33은 본 발명에 따라 형성된 질화 티타늄의 2개 서로 다른 층에 대한 원자 산소 농도 대 공기 노출 시간의 그래프이다. 질화 티타늄 막은 동일한 챔버내에서 증착되고 플라즈마 어닐링된다. 상기 챔버는 이미 기술된 챔버(110B)와 유사하다.

각각의 막을 위해, 200Å 두께 질화 티타늄 막이 증착과 어닐링의 순환에 의해 형성된다. 이것을 수행하기 위해, 100Å 층이 증착된후 어닐링되는데, 제 2 100 Å 층의 증착과 어닐리에 의해 수반된다. 어닐링은 N₂플라즈마를 사용하여 달성된다. 원자 산소 농도의 비율은 반복적으로 시간상의 주기에 걸쳐 2개 막에 대해 측정되고 플롯(312)에 의해 반영된다.

플롯(312)으로부터 알수 있는 바와 같이, 상기 산소의 농도는 초기에 약 2%이다. 24시간후 상기 함량은 2.5% 미만인데, 증착된 막이 매우 안정되다는 것을 나타낸다. 비교에 의해, 플롯(314)은 어닐링없는 일반적 CVD을 사용하여 증착된 질화 티타늄막상에서 취해지는 산소 농도 측정을 도시한다. 이런 막은 더 높은(15%)초기 산소 농도를 가지고, 또한 더높은 속도로 산소를 흡수한다. 또한 상기 일반적으로 형성된 막은 시간상의 저항성의 증가를 나타내어 덜 안정적이다. 비교를 위해, 도 34의 점(316)은 물리 기상 증착에 의해 증착된 질화 티타늄의 전형적 산소 농도(약 1%)를 나타낸다.

도 34(a) - (c)는 서로 다른 막의 XPS 스펙트럼의 도시적 표현이다. 도 34(a)는 200Å 비어닐링된 막의 스펙트럼을 표현하고 316에서 유기적 결합된 탄소 레벨이 상당히 높다는 것을 도시한다. 비교에 의해, 도 34(b)와 (c)를 형성하기 위해 사용된 200Å 막상의 측정은 317과 318에서 각각 감소된 유기적 결합된 탄소 함량을 도시한다. 도 34(b)를 위해 사용되는 막은 질화 티타늄의 100 Å 층을 증착하고, 본 발명에 따라 플라즈마 어닐링하며, 그후에 질화 티타늄의 제 2 100 Å 층을 증착하고 어닐링함으로써 형성된다는 것에 유의하라. 도 34(c)는 질화 티타늄의 4개 50Å 두께층을 연속적으로 증착하고 어닐링함으로써 형성된다.

도 35(a)와 (b)는 본 발명의 진보를 추가로 설명한다. 도 35(a)는 N₂플라즈마로 증착되고 플라즈마 어닐링되는 CVD질화 티타늄 막을 사용하는 비아의 저항을 도시한다. 상기 비아는 우선 CVD 질화 티타늄 접착 증으로 라이닝되고 다음에 CVD텅스텐 플러그로 채워진다. 도 35(a)는 비아 저항 대 막 증착 두께의 그래프를 제공한다. 상기 그래프는 대략 2.5의 종횡비를 가진 0.5㎛ 비아에 대해 준비된다. 도시된 바와 같이 상기 비아 저항은 실질적으로 비어닐링된 일반적으로 증착된 막(플롯 322)보다 플라즈마 어닐링된 막(플롯 320)이 적다. 비교를 위해, PVD 증착된 질화 티타늄 막의 비아 저항은 화살표(324)에 의해 설명된다.

유사한 진보는 살리사이드 콘택트 저항 대 질화 티타늄 두께의 표현인 도 35(b)의 그래프에 의해 설명된다. 상기 그래프는 대략 2.5의 종횡비를 가진 0.5㎛ 콘택트에 대해 플롯팅된다. 플롯 (330)은 본 발명에 따른 N₂플라즈마 처리에 의해 준비된 콘택트의 저항을 도시한다. 플롯(330)은 일반적 종래 CVD 증착으로부터 초래하는 콘택트 저항을 표현하는 플롯(332)에 의해 표현된 저항보다 실질적으로 더작은 저항을 표현한다. 비교를 위해, PVD질화 티타늄 제어 콘택트 저항은 화살표 (334)에 의해 주어진다.

도 36은 요구된 두께의 단일막을 형성하는데 사용되는 증착돠 어닐링의 순환의 수의 효과를 설명한다. 도 36에서, 200Å의 전체 두께를 가지는 질화 티타늄 막은 화학 기상 증착에 의해 증착되고, N₂플라즈마로 어닐링된다. 플롯(340)에 의해 도시된 제 1 경우에, 상기 처리는 50Å 의 두께로 증착되고 순차적 층의 증착 이전에 플라즈마 어닐링되는 4개 층의 각각으로 네 번 순환된다. 플롯 (342)에 의해 도시된 제 2 경우에, 각각 100 Å의 2개 층이 증착되고 개별적으로 어닐링된다.

플롯(340)에 의해 표현된 경우는 곡선(342)에 의해 도시된 경우(700 내지 800 μ- cm)보다 더 낮은 저항 (500 내지 μ- cm)을 도시한다. 그러나, 플롯(340과 342)에 의해 도시된 막의 저항성은 1000 μ- cm 의 상한 이하이다. 또한, 8일 주기 이상의 각각의 경우의 증가된 저항성은 5% 미만의 경우에 대해 거의 동일하다.

추가 검사는 막 저항성과 DC 바이어스 전압상의 플라즈마 처리 절차의 효과를 결정하기 위해 수행된다. 이런 검사의 결과는 도 37에 도시된다. 도 37은 인간된 전력이 대략 20와트가 되는 플라즈마에서 60초동안 처리 되는 200 Å 질화 티타늄 증착을 위해 준비된다.

플롯(350)에 의해 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 형성된 막에 의해 표시된 상기 개선된 저항은 일반적으로 처리 절차에 의존하지 않는다. 그러나, 낮은 저항성은 처리 압력이 약 200 mTorr 보다 더 낮을 때 달성되지 않는다.

플롯(352)에 의해 도시된 바와 같이, 플라즈마에 걸쳐 유도된 상기 DC바이어스는 처리 압력이 약 200 내지 1000 mTorr로 증가될 때 실질적으로 공정하게 감소된다. 그후에, 그것은 약 150 볼트로 상당히 일정하게 유지된다.

도 38(a)은 막 저항성의 처리 지속과 주파수의 효과를 도시한다. 각각 200 Å의 전체 두께를 가지는 4개 서로 다른 막은 비교된다. 플롯(360)에 의해 도시된 하나의 막은 50Å층을 처음에 증착하고 어닐링한 후에 6개 25Å 층을 증착하고 어닐링함으로써 형성된다. 각각의 층은 순차적 층의 증착이전에 증착된후 어닐링된다. 플롯(362)에 의해 도시된 제 2 막은 4개 50Å층을 개별적으로 증착한후 어닐링함으로써 형성된다. 플롯(364)에 의해 도시된 제 3막은 2개 100 Å층을 개별적으로 증착하고 어닐링함으로써 형성된다. 플롯(366)에 의해 도시된 최종 막은 이후에 본 발명에 따라 어닐링되는 단일 200 Å 층을 증착함으로써 형성된다. 도 38(a)의 플롯으로부터, 다수의 관찰이 형성될 수 있다. 낮은 저항성은 더 큰 수의 개별 층이 최종 층을 형성할 때 달성된다는 것을 나타낸다. 또한, 더 얇고 저항성을 가지는 개별층은 플라즈마 처리의 시간에 덜 영향을 끼친다. 도 38(b)은 막 저항성의 플라즈마 처리 시간 효과의 다른 실시예를 도시한다.

막의 저항의 증가와 안정성의 증가에 부가적으로, 아마 다른 목적을 위해 본 발명의 방법을 사용하게 될 수 있다. N2 플라즈마를 사용하여 어닐링된 막의 분석은 상기 막의 표면에 근접한 질소의 양의 증가를 보여주고 있다. 다소의 질소 이온은 상기 막내에 매립되어 상기 막과 반응되는 듯 하다. 그러므로, 플라즈마로부터의 이온/분자를 가진 막을 풍부하게 하도록 이런 어닐링 처리를 사용하는 것이 가능하게 될 수 있다. 더욱이, 이런 처리는 원치않는 분자/이온을 축출 또는 대체하는데 사용될 수 있다. 도 34(b)-(c)는 상기 막에 충돌하는 이온이 탄소 원자를 축출하는 것을 도시한다.

b.질소/수소 플라즈마

제 1단계에서처럼, 질화티타늄은 종래 열 CVD공정을 사용하여 웨이퍼(114)상에 증착된다. 그 다음에, 증착된 재료는 질소 및 수소 혼합물을 가진 가스로부터 발생되는 플라즈마를 사용하여 열처리된다.

만일 챔버(110A, 110B 또는 110C) 중 임의의 하나가 이들 단계에서 실행될 때 사용된다면, CVD공정 및 열처리 공정은 동일한 챔버내에서 달성될 수 있다. 선택적으로, 질화티타늄은 하나의 챔버내에서 웨이퍼(114)상에 증착될 수 있으며, 웨이퍼(114)는 포스트-증착 플라즈마 열처리 공정용 챔버내로 전달될 수 있다.

챔버(110A)를 사용할 때, 웨이퍼(114)는 웨이퍼 지지대(116)상에 배치될 수있으며 샤워헤드(136)로부터 약 0.3인치 내지 0.8, 바람직하게 0.5 내지 0.7 인치 이격될 수 있다. 전술한 것처럼, 질화티타늄층은 웨이퍼(114)상에 증착될 수 있다. 초기에 증착된 질화티타늄층은 50 내지 200Å두께일 수 있다.

증착이 완료된후에, 증착된 재료에 대한 플라즈마 열처리가 개시된다. 질소 및 수소의 3:1혼합물로 이루어진 가스는 샤워헤드(136)를 통해 처리챔버(112)내로 유입된다. 질소 및 수소 혼합물은 약 300sccm의 질소 유동비로 유입된다. 그때, rf 소오스(14)는 웨이퍼 지지대(116) 및 샤워헤드(136)에 rf 신호를 발생시키기 위해서 매칭 네트워크(145)를 통해 350 와트의 rf 전력을 350㎑로 공급한다. 바람직하게, 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지대(116)에서의 rf신호는 180도의 위상각을 가진다.

비록 전술한 가스 혼합물이 3:1의 질소 대 가스비를 가질지라도, 3:1 및 1:2 사이의 임의의 가스비가 사용될 수 있다. 바람직하게, 혼합물에서 가장 높은 수소 부분은 가장 긴 안정성을가진 막을 야기할 수 있다. 그러나, 플라즈마에서 수소가 너무 높으면 중합체를 형성하기 위해 막에서 수소 및 탄소사이에 결합을 야기하여, 막의 저항성을 증가시킨다.

양으로 충전된 질소 및 수소 이온을 포함하는 플라즈마는 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지대(116)에 공급된 rf 전력의 영향하에서 형성한다. 플라즈마는 전형적으로 10-30초동안 유지된다. 샤워헤드(136)에는 -100 내지 -150볼트사이, 전형적으로 -200볼트의 음의 바이어스가 가해진다. 웨이퍼(114)는 -100 내지 -400볼트사이, 전형적으로 -300볼트 사이의 음의 바이어스를 얻기 위해 자체 바이어스된다. 이 음의 바이어스 전압은 충격주기동안 대략 일정하게 유지된다.

충격주기동안, 플라즈마로부터의 양으로 충전된 이온은 전압의 증감에 의해 웨이퍼(114)의 표면내로 가속된다. 플라즈마로부터의 활동적인 중성 원자입자는 웨이퍼(114)에 충돌될 수 있다.

이온 충격의 결과로써, 증착된 재료의 압착이 발생하며, 이 압착두께는 20 내지 50%만큼 감소될 수 있다. 이감소는 웨이퍼의 온도와 플라즈마 처리 시간 및 에너지에 따른다. 질화티타늄층은 원하는 것처럼 연속적으로 증착되고 열처리된다. 바람직하게, 각각의 추가 층은 50 내지 100Å의 두께를 가진다.

열처리 공정이 완료된 다음, 결과적인 열처리된 질화티타늄 막은 많은 개선된 특성을 나타낸다. 산호 함유량은 20 내지 25%로 감소되어, 증착 및 열처리된 재료에 1% 이하의 산소가 포함된다. 막의 밀도는 입방 센티미터(g＼㎤)내지 약 3.9g ＼㎤당 3.1 그램이하로부터 증가한다. 증착막내로 통합되는 탄소의 분류는 25% 이상만큼 감소하여, 탄소는 증착된 막의 3%을 포함한다. 막의 구조는 변화하며, 막의 저항성은 대략 10,000 μ-cm 내지 150 μ-cm의 처리레벨로 감소한다. 열처리된 막이 산소에 노출될때, 산소는 증착된 막이 열처리되지 않은 경우 보다 훨씬 적은 함유량으로 흡수된다. 플라즈마 열처리에 의해, 탄소 및 질소가 증착된 막에서 플라즈마로부터의 질소로 교체된다.

플라즈마 형성 가스에 수소를 가하면, 이온 충돌에 의해 막으로부터 배출될 때 처리 챔버(112)의 내측을 코팅하는 탄소의 양이 감소된다. 처리챔버(112)의 탄소코팅이 감소하면, 탄소코팅이 챔버의 임피던스를 변화시키며 플라즈마를 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 유리하다. 탄소의 코팅이 감소하면, 처리챔버(112)가 세척공정전에 여러번 사용될 수 있다.

도 39(A)는 이산화실리콘 층상에 질화티타늄층의 100 Å두께를 연속적으로 증착한 다음 열처리함으로써 형성된 질화티타늄 막에 대한 전자 분광기 깊이 프로파일을 도시한다. 도 39(A)에 도시된 것처럼, 탄소 및 산소 함유량은 막의 전반에 걸처 균일하며, 탄소는 9원자 퍼센트를 유지하며 산소는 2원자 퍼센트를 유지한다. 열처리된 질화티타늄 막의 저항은 약 250 μ-cm 이다.

도 39(b)는 질화티타늄의 50Å층을 증착 및 열처리함으로써 얻어지는 장점을 도시한다. 도 39(b)는 이산화실리콘의 상부에 50Å 두께의 질화티타늄 층을 연속적으로 증착한 다음 열처리함으로써 형성된 질화티타늄 막에 대한 나사 송곳 전자 분광깊이 프로파일을 도시한다. 다시 한번, 탄소 및 산소 함유량은 막의 전반에 걸쳐 균일하며, 탄소는 3원자 퍼센트를 유지하며 산소는 1원자 퍼센트를 유지한다. 티타늄 및 질소 부분은 100Å 공정에서 보다 높다. 이 막의 저항성은 단지 180μ-cm 이다.

c.질소/수소/회가스 플라즈마

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 열처리 플라즈마를 형성하기 위해 사용된 질소 및 수소 가스 혼합물은 아르곤, 헬륨 및 아암모니아와 같은 다른 가스를 포함할 수 있다. 추가 희가스를 포함하면, 이온충격 처리를 개선할 수 있다. 아르곤 원자가 헬륨 원자보다 무겁기 때문에, 아르곤 원자는 우수한 충격 능력을 제공한다.

더욱이, 질화티타늄과 다른 재료로 이루어진 막의 혼합물은 본 발명을 사용하여 유사한 방법으로 변경될 수 있다. 다른 가스는 막내로 혼합되거나 또는 불순물과 반응함으로써, 막의 화학 혼합물을 변경시키기 위해서 플라즈마에 더해질 수 있다. 예를 들어, NH₃및 CH₄가 사용될 수 있다. 산소 기초 플라즈마 가스는 TA₂O₅와 같은 산화막을 처리하기 위해 더 적절할 수 있다.

본 발명이 플라즈마 충격 CVD 증착막과 관련하여 기술될지라도, 본 발명은 PVD 증착막에 응용할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 이원 질화금속 M_xN_y및 3원 금속 질화실리콘 M_xSi_yN_z의 처리에 특히 응용할 수 있다.

본 발명은 막의 형태를 유리한 방식으로 수정할 수 있다. 얇은 장벽재료는 그들의 그레인 방향의 균일성을 보강하기 위해서 본 발명의 고밀도 이온충격에 영향을 받을 수 있다. 하부층의 그레인 방향이 순차적으로 증착된층의 구조에 영향을 미치기 때문에, 본 발명은 결정 구조 및/또는 하부층의 성장방향을 수정함으로써 순차적으로 증착된 층의 형태를 수정 및 개선하기 위한 능력을 제공한다.

50Å 이하의 두께를 가진 얇은 핵 인터페이스층을 증착한다음, 고밀도 이온충격에 의해 상기 인터페이스층을 수정하며, 벌크를 증착하거나 표준 기술에 의해 막을 유지함으로써 다중층의 형태를 제어하는 것이 가능하다. 상부층의 구조는 이전에 수정된 하부층이 구조에 의해 결정된다.

이것은 도 40를 참조로하여 기술될 수 있다. 질화티타늄막에서, 바람직한 결정방향은 ＜200＞이다. 플라즈마에 수소를 가하면, 막을 결정체로 제조함으로써 막이 개선된다. 도 40은 실리콘 웨이퍼상에 증착된 1000Å 두께의 종래 CVD 질화티타늄층의 X레이 회절 반사각 주사를 도시한다. 방향＜200＞으로 지향된 그레인의 수를 지시하는 곡산상의 점은 라벨(300)에 의해 표시된다. 그레인으로부터 알 수 있는 것처럼, TiN ＜200＞피크가 존재하지 않는다. 이것은 종래 CVD공정을 사용하여 형성된 막에서 약한 결정체 TiN＜200＞으로 표시된다.

도 41은 본 발명에 따라 실리콘 웨이퍼상에 증착된 다음 열처리된 1000Å 두께의 CVD 질화티타늄층의 x 레이 회절 반사각 주사를 도시한다. 회절 패턴은 막이 라벨 350에 의해 지시된 것처럼 바람직한 결정방향＜200＞을 가진 마이크로-결정체인 것을 나타낸다. 40 내지 45 각사이의 간격에서 결정방향 ＜200＞으로 지향된 그레인이 존재한다. 더욱이, 도 40에 도시된 피크(310)는 도 41에서 보다 낮다.

3. 순차적인 열처리

증착된 막의 저항성을 더 감소시키기 위해서, 플라즈마 열처리 공정은 두개의 순차적인 플라즈마 열처리 단계를 포함하기 위해 본 발명에 따라 변경될 수 있다. 제1열처리 단계는 전술한 것처럼 질소 및 수소를 포함하는 가스 혼합물로부터 발생되는 플라즈마로 수행된다. 제2플라즈마 열처리 단계는 산소에 대한 수소 친화력이 증가된 저항성을 야기하기 때문에 열처리된 재료로부터 수소를 제거하기 위해 수행된다.

제 2플라즈마에 형성된 이온은 증착된후 열처리된 재료와 충돌하여, 재료의 표면에 존재하는 수소는 소모 부산물로써 막으로부터 제거된다. 수소가 감소하면, 막이 저저항성과 개선된 안정성을 가지도록 하는 산소에 대한 재료의 친화력이 감소한다.

제 2순차적인 열처리 단계에서 플라즈마를 형성하기 위해 사용된 가스는 헬륨, 아르곤 또는 네온중 하나와 질소의 혼합물 또는 질소로 이루어질 수 있다. 헬륨은 그것이 질소분자의 이온화를 강화하며 N⁺, N⁺ ₂,N⁺ ₃, 및 N⁺ ₄이온의 재결합 확률을 감소시키기 때문에 바람직하다. 질소 및 헬륨의 혼합물은 헬륨 기초 플라즈마 이온이 이온화 효율을 강화할 수 있기 때문에 질소만을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 따라 이온 반응성을 촉진하며 가장 깊은 침투깊이를 달성한다. 가장 깊은 침투깊이는 대량의 수소의 위치를 위해 제공하여, 증착된 재료에 대한 저항성의 감소가 최소가 된다. 더욱이, 헬륨의 작은 질량은 질소 이온에 의해 충전되기에 너무 작은 수소 원자를 제거함으로써 증착된 재료에 남아있는 공간을 충전시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 웨이퍼(114)는 챔버(110A)와 같은 챔버내에 배치되며, 재료층은 전술한 것처럼 웨이퍼상에 증착된다. 증착된 재료는 확산장벽으로써 사용하기 위한 질화티타늄일 수있다.

재료층이 일단 증착되면, 그것은 이온 충돌의 제1열처리 공정을 격는다. 웨이퍼 지지대(116)상에 남아있는 동안, 웨이퍼(114)는 샤워헤드(136)로부터 약 0.3 내지 0.8인치 이격될 수 있다. 바람직하게, 웨이퍼(114)는 샤워헤드(136)로부터 0.6 내지 0.7인치사이에 있다.

이온충돌은 샤워헤드(136)를 통해 처리챔버(112)내로 가스를 우선 전달함으로써 수행된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 가스는 2:3의 질소 대 수소비를 가지며 대략 600sccm의 질소 유동비를 가진 처리챔버(112)내로 유입되는 질소 및 수소 혼합물이다. 처리챔버(112)내의 압력은 대략 1.0torr로 설정되며, 웨이퍼 온도는 350 내지 450℃사이로 설정된다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 있어서, 가스는 3:1 및 1:2 사이의 질소 대 수소비를 가진 혼합물로 이루어질 수 있다.

제 1 열처리 공정다음에, rf 소오스(142)는 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지대(116)에 rf신호를 공급한다. 이것은 가스가 양으로 충전된 이온을 포함하는 플라즈마를 형성할 수 있게 한다. rf 소오스(142)는 180도의 위상각을 가지고 배치된 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지대(116)에 rf 신호를 발생시키기 위해 매칭 네트워크(145)를 통해 350 와트의 rf 전력을 350㎑로 공급할 수 있다. 전형적으로, 플라즈마는 20초동안 유지된다. rf 소오즈(142)는 1MHZ 이하의 주파수에서 350 와트의 rf 전력을 선택적으로 공급할 수 있다.

rf 소오즈(12)로부터의 전력의 반복된 사이클링은 웨이퍼(114)에 음의 바이어스를 발생시키는 웨이퍼(114)근처의 전자 공급원을 야기한다. 웨이퍼 지지대(116)는 -100내지 -400볼트사이, 전형적으로 -300의 음의 바이어스가 유지될 수 있으며, 샤워헤드(136)는 -100 내지 -400볼트사이, 전형적으로 -200볼트의 음의 바이어스가 유지될 수 있다. 처리 챔버(114)는 접지되며, 웨이퍼(114)의 음의 바이어스는 -100 내지 -400볼트 사이, 전형적으로 -300 볼트이며, 이는 이온충돌주기동안 대략 일정하게 유지된다.

이온충돌동안, 플라즈마로부터의 양으로 충전된 이온은 전압증감에 의해 웨이퍼(114)의 표면내로 가속되며 100 내지 110A사이의 깊이로 웨이퍼 표면을 침투한다. 플라즈마로부터의 활동적인 중성 원자분자는 웨이퍼(114)에 충돌 될 수 있다. 일단 20초 동안의 제1열처리 공정이 완료되면, 처리챔버(112)는 세척된다. 다음에, 제2열처리 공정이 시작된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 플라즈마 발생 가스는 단지 절소이다. 가스는 대략 500-1000sccm의 질소 유동비를 가지고 처리 챔버(112)내로 유입된다. 처리챔버(112)의 압력은 대략 1.0Torr로 설정되며, 웨이퍼 온도는 350~450℃ 사이로 설정된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 가스는 0.2 내지 1.0 사이의 질소 대 헬륨비를 가진 질소 및 헬륨의 혼합물일 수 있다. 아르곤, 네온, 헬륨 또는 이들의 혼합물과 질소의 다른 혼합물을 포함하는 가스는 사용될 수 있다.

제 2열처리 공정다음에, rf 소오스(142)는 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지대(116)에 rf 신호를 공급한다. 이것은 가스가 양으로 충전된 가스를 포함하는 플라즈마를 형성할 수있게 한다. rf 소오스(142) 는 180도의 위상각을 가지고 배치된 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지대(116)에 rf 신호를 발생시키기 위해 매칭 네트워크(145)를 통해 300-1,500와트의 rf 전력을 300-400㎑로 공급할 수 있다. 전형적으로, 플라즈마는 15초동안 유지된다. rf 소오스(142)는 13.56MHZ이항의 다른 주파수에서 300-1,500와트의 rf 전력을 선택적으로 공급한다. 소오스의 전력은 다른 크기의 웨이퍼를 처리하기 위한 필요성에 기초한다.

제 1열 처리 공정에서처럼, rf 소오스(142)로부터의 전력의 반복된 사이클링은 웨이퍼(114)에 음의 바이어스를 발생시키는 웨이퍼(114) 근처의 과잉전자를 야기한다. 웨이퍼 지지대(116)는 -100 내지 -400볼트사이, 전형적으로 -300볼트의 음의 바이어스가 유지될 수 있으며, 샤워헤드(136)는 -100 내지 -400볼트 사이, 전형적으로 -200볼트의 음의 바이어스가 유지될 수있다. 처리챔버(112)는 접지되며, 웨이퍼(114)의 음의 바이어스는 -100 내지 -400볼트사이, 전형적으로 -300볼트이며, 이는 이온충돌주기동안 대략 일정하게 유지된다.

제 2이온충돌동안, 플라즈마로부터의 양으로 충전된 이온은 전압증감에 의해 웨이퍼(114)의 표면내로 가속된다. 이온은 증착후 열처리된 재료에 수소분자를 배치하기 위해 웨이퍼(114)의 표면을 침투한다. 플라즈마로부터의 활동적인 중성 원자분자는 웨이퍼(114)에 충돌될 수 있다. 일단 15초동안의 제 2 열처리공정이 완료되면, 처리챔버는 세척된다.

질소가스가 사용될때, 이온은 70 내지 80Å 사이의 깊이로 침투된다. 가스가 질소 및 헬륨의 혼합물일때, 이온은 100 내지 125Å사이의 깊이로 침투된다. 따라서, 질소 및 헬륨의 혼합물을 사용한 열처리 공정은 질소만을 사용하는 열처리 공정보다 수소 분자의 배치를 위해 제공된다.

150 내지 300Å사이와 같은 바람직한 두께를 가진 확장 장벽을 형성하기 위해서, 전술한 CVD 증착 및 순차적인 열처리 공정이 반복된다. 50 내지 100Å사이의 장벽재료층은 적정 막 두께가 달성될때까지 연속적으로 증착된 다음 순차적으로 열처리된다.

순차적인 열처리 공정이 챔버(110a), 챔버(110b) 또는 챔버(110c)중 하나에서 수행될때, 증착공정, 제1열처리 공정 및 제2열처리 공정은 모두 동일한 챔버에서 수행될 수 있다. 그러나, 증착 및 순차적인 열처리 공정 단계는 인-시튜로 수행되기 위해 요구되지 않으며, 다른 챔버가 사용될 수 있다.

도 42에 도시된 표 Ⅵ는 단일 열처리 공정과 순차적인 열처리 공정을 비교하여 얻어지는 실험결과를 반영한다. 표 Ⅵ의 데이터를 수집하기 위해서, 한세트의 웨이퍼는 본 발명의 다른 실시예에 따라 각각 처리된다. 200 Å두께의 질화티타늄층은 본 발명에 따라 각각의 웨이퍼상에 형성된다.

제 1웨이퍼는 열처리 플라즈마를 발생시키기 위해서 질소 및 수소 가스를 사용하여 전술한 단일 열처리공정에 따라 처리된다. 제 2웨이퍼는 단지 질소만을 포함하는 플라즈마 가스에 의한 순차적인 열처리공정을 사용하여 처리된다. 제 3웨이퍼는 질소 및 헬륨을 포함하는 플라즈마 가스에 의한 순차적인 열처리 공정을 사용하여 처리된다. 제 4웨이퍼는 15초동안의 질소-수소 플라즈마 열처리 공정, 15초동안의 질소 플라즈마 열처리공정 및 5초동안의 질소-수소 플라즈마 열처리 공정을 가진 3단계의 순차적인 열처리 공정을 사용하여 처리된다.

질소 가스에 의한 순차적인 열처리 공정을 사용한 제 2웨이퍼는 단일 열처리 공정에 의해서만 수행된 제1웨이퍼보다 적은 저항성을 가지는 것으로 도시된다. 제 2웨이퍼의 저항성은 450~500 μΩ-cm 사이에 있으며, 제1 웨이퍼 저항성은 570~630 μΩ-cm 사이에 있다. 더욱이, 50시간후 증가한 제 2웨이퍼의 저항성은 단지 7-8%이며, 증가한 제 1웨이퍼의 저항성은 11-12% 사이에 있다.

보다 양호한 결과는 제 2플라즈마 열처리공정에서 질소 및 헬륨의 혼합물을 사용한 제 3웨이퍼에서 나타난다. 제 3웨이퍼는 50시간 주기이상 3-7%만큼만 증가한 400~480μΩ-cm사이의 저항성을 가진다. 제 3웨이퍼는 또한 저농도의 산소를 가진다. 제 2웨이퍼와 비교하여 제 3웨이퍼의 저산소농도는 질화티타늄층으로부터 수소를 제거하기 위한 질소-헬륨 혼합물을 강화한다.

질소 및 수소의 혼합물을 사용하는 제 3열처리공정에 의해 처리된 제 4웨이퍼는 제 1웨이퍼의 저항성과 근접한 저항성을 가진다.

4. 확산도를 감소시키기 위한 산화

개선된 저항도로 웨이퍼상에 필름을 제공하는 것에 더하여, 다음 공정은 필름이 필름 아래에 놓인 기판내로 접촉 금속이 확산되는 것을 방지하도록 하는 것이다. 특히, 필름은 알루미늄의 확산을 방지하도록 처리된다.

먼저, 재료층이 웨이퍼(114)의 상부면상에 그대로(즉, 층의 형성동안 언제든지 웨이퍼가 처리 챔버(112)로부터 제거되지 않고) 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 필름을 형성하기 위하여 재료의 증착 및 연속적인 플라즈마 어닐링이 챔버(110A)이 수행된다. 재료층은 열 CVD 처리를 이용하여 웨이퍼(114)의 상부면상에 증착될수 있으며, 그로인해 재료는 웨이퍼(114)의 상부면과 일치하게 된다. 증착동안, 압력 제어 유니트(157)는 0.6 내지 1.2 Toor사이로 처리 챔버내의 압력이 설정될 수 있으며, 램프(130)는 웨이퍼(114)의 온도를 360 내지 380℃ 사이로 설정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 증착된 재료는 질화티타늄(TiN)등의 2 성분 금속 질화물과 같은 장벽 재료일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 3성분 금속 실리콘 질화물은 2성분 금속 질화물 대신에 장벽재료로서 사용될수 있다. 증착된 재료는 50 내지 300 Å, 바람직하게는 50 내지 100Å사이의 두께를 가질 수 있다.

장벽 재료층은 증착된 후 이온 충돌의 처리를 통해 어닐링된다. 웨이퍼 지지부(116)상에 놓여있는 동안, 웨이퍼(116)는 샤워헤드(116)로부터 약 0.3 내지 0.8인치일 수 있다.

이온 충돌은 샤워헤드(136)를 통하여 가스를 처리 챔버(112)내로 먼저 전달함으로써 달성된다. 본 발명의 일실시예에서, 가스는 2:3질소 대 수소 비율을 갖는 질소 및 수소의 혼합물이며 약 400 sccm의 질소 흐름 속도로 처리챔버(112)내로 유입된다. 처리챔버(112)내의 압력은 약 1.0 Torr로 설정되며, 웨이퍼 온도는 300 내지 400℃, 바람직하게는 360℃로 설정된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 가스는 3:1 내지 1:2 사이의 질소 대 수소 비율을 갖는 가스로 이루어진다. 아르곤, 헬륨 또는 아암모니아와, 질소 및 수소와의 다른 조합을 함유하는 가스가 사용될 수도 있다.

어닐링 처리 이후, rf 소스(142)는 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지부(116)로 rf 신호를 공급하며, 그로인해 가스(206)는 포지티브하게 충전된 이온을 포함하는 플라즈마(207)를 형성하게 된다. rf 소스(142)는 위상이 180도 차이가 나는 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지부(116)에 rf 신호를 생성하기 위하여, 매칭 네트워크(145)를 통하여 350㎑로 350와트의 rf 전력을 공급할 수 있다. 전형적으로, 플라즈마는 10 내지 30초동안 유지된다. rf 소스(142)는 1㎒ 이하의 다른 주파수에서 350 와트의 rf 전력을 택일적으로 공급한다.

음의 바이어스는 웨이퍼(114)에서 생성된다. 웨이퍼 지지부(116)는 -100 내지 -400 볼트사이, 일반적으로 -300 볼트의 음의 바이어스를 필요로 하는 반면, 샤워헤드(136)는 -100 내지 -400사이, 일반적으로는 -200볼트의 음의 바이어스를 필요로 한다. 처리 챔버(112)는 접지되고, 웨이퍼(114)의 음의 바이어스는 -100 내지 -400, 일반적으로 -300볼트이며, 이온 충돌 기간동안 거의 일정하게 남아있는다.

이온 충돌동안, 플라즈마로부터 포지티브하게 충전된 이온은 웨이퍼(114)에서 생성된다. 웨이퍼 지지부(116)는 -100 내지 -400 볼트 사이, 일반적으로 -300볼트의 음의 바이어스를 필요로 하는 반면, 샤워헤드(136)는 -100 내지 -400 사이, 일반적으로는 -200볼트의 음의 바이어스를 필요로 한다. 처리 챔버(112)는 접지되고, 웨이퍼(114)의 음의 바이어스는 -100 내지 -400, 일반적으로 -300볼트이며, 이온 충돌 기간동안 거의 일정하게 남아있는다.

이온 충돌동안, 플라즈마로부터 포지티브하게 충전된 이온은 웨이퍼(114)의 표면으로 기울어진 전압에 의해 가속화되고 50 내지 200Å 사이의 깊이로 웨이퍼의 표면을 관통한다. 플라즈마(207)로부터 통전된 중성 원자입자는 웨이퍼(114)에 충격을 가할 수 있다.

이온 충돌은 장벽재료의 증착된 층의 두께를 기판의 온도와 플라즈마 처리 시간 및 에너지에 따라서 20% 내지 50%정도 감소시킨다. 상기한 바와 같이, CVD 증착 및 어닐링 처리는 적정한 두께로 재료층을 형성하기 위하여 50 내지 100Å 두께의 장벽 재료층을 이용하여 반복될 수 있다. 미합중국 특허 제08/339,521(CVD에 의해 증착된 개선된 티타늄 질화물층 및 그 제조방법), 미합중국 특허 제 08/498,990호(박막의 바이어스된 플라즈마 어닐링),미합중국 특허 제08/567,461호(박막의 플라즈마 어닐링), 및 미합중국 특허 제 08/680,913호(박막의 플라즈마 충격)에는 CVD처리 및 플라즈마 어닐링의 사용에 의해 웨이퍼의 상부면상에 장벽재료층을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 상기 특허출원들의 각각은 본 명세서에 참조되었다. 이들 출원에 의해 개시된 각각의 방법들은 웨이퍼상에 재료층을 형성하기 위하여 본 발명의 실시예에 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 웨이퍼는 화학 진공 증착을 수행할 수 있는 장치내에 높여지고, 재료층은 종래의 스퍼터링 공정에 의해 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 웨이퍼는 화학 진공 증착을 수행할 수 있는 챔버내에 놓이고, 재료층은 부가적인 플라즈마 어닐링 없이 CVD 처리를 통해 형성된다.

집적회로의 제조시에, 알루미늄은 접촉 금속으로서 자주 사용될 수 있다. 알루미늄은 산소에 친화성을 가지기때문에, 알루미늄의 확산도는 산소 부유 물질에서 감소될 수 있다. 그러므로 웨이퍼(114)상에 형성된 재료층은 재료에 산소를 주입하여 알루미늄 접촉 금속에 대하여 향상된 확산 장벽으로서 작용하도록 처리될 수 있다.

재료에 산소를 주입하기 위하여, 웨이퍼(114)상의 재료는 그대로(즉, 산화가 완료될 때 까지 재료층이 형성된후에 처리챔버(112)로부터 제고되지 않게)산화된다. 그러므로, 재료층을 형성하고 재료층을 산화하는 전체 공정은 단일 챔버에서 그대로 수행될수 있다. 산화는 재료의 그레인 경계가 산화되도록 수행되는 반면, 재료의 그레인은 스스로 아주 작은 산화를 하게 된다.

재료의 그레인 경계의 산화는 도5에서 도시된 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)의 사용에 의해 그대로 달성될 수 있다. 재료층이 웨이퍼(114)상에 형성(증착 및 어닐링)되면, 웨이퍼(114)는 처리 챔버(112)내에 남게된다. 압력 제어 유니트(157)는 0.5 내지 1.0 Torr의 압력으로 처리 챔버(112)내에 설정된다. 웨이퍼(114) 온도는 300 내지 400℃, 바람직하게는 360℃로 설정된다.

재료층은 N₂/O₂혼합물이나 O₂와 같은 산소 함유 가스에 노출된다. 가스는 100-1000 sccm 사이의 흐름 속도로 샤워헤드(136)를 통해 처리 챔버(112)내로 전달된다. 가스(208)는 질소와 산소를 포함하며 4:1 의 질소 대 산소 혼합비를 갖는다. 다음, rf 소스(142)는 포지티브하게 충전된 이온을 함유하는 플라즈마로 가스를 전환시키기 위하여 웨이퍼 지지부(116)와 샤워헤드(136)로 매칭 네트워크(145)를 통하여 신호를 공급한다.

rf 소스(142)는 위상이 180도 차이가 나는 샤워헤드(136) 및 웨이퍼 지지부(116)에서 rf 신호를 생성하기 위하여 약 20초동안 매칭 네트워크(145)를 통하여 350㎑로 350와트의 rf 전력을 공급한다. 샤워헤드(136),웨이퍼 지지부(116) 및 웨이퍼(114)는 각각 어닐링 공정에 대하여 상기한 바와 같이 음의 바이어스를 얻는다. 그 결과, 포지티브하게 충전된 산소 이온은 웨이퍼(114)쪽으로 가속화되고 재료층의 표면을 관통하여 재료의 그레인 경계에 부착된다.

이 산화가 본 발명의 일 실시예에서 완료되면, 재료의 산화된 층은 산화된 티타늄 질화물이다. 산화된 티타늄질화물은 알루미늄과 같은 산소에 친화성을 갖는 접촉 금속에 향상된 확산 장벽으로서 동작할 수 있다. 선택적으로, 향상된 확산 장벽은 재료층이 다른 2성분 금속 질화물 M_xN_y이나 또는 3성분 금속 실리콘 질화물 M_xSi_yN_z( 여기서 M은 Ti,zr,Hf,Ta,Mo,W, 및 다른 금속)인 경우 본 발명에 따라서 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 동일한 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)는 재료의 열 산화를 수행하기 위하여 이용된다. 산소, 오존, 공기 또는 물과 같은 산소 함유 가스는 100 내지 1000sccm사이의 흐름속도로 샤워헤드(136)를 통하여 처리챔버(112)내로 전달된다. 이어서 램프(130)는 300 내지 400℃ 사이의 온도로 웨이퍼(114)를 가열하며, 처리 챔버내의 압력은 0.5내지 1000 Torr, 바람직하게는 1.0 Torr로 설정된다.

그 결과, 산소 함유 가스에 있어서 산소는 장벽재료층의 표면을 관통하여 장벽재료의 그레인 경계에 부착된다. 장벽 재료의 그레인 경계를 산화하기 위한 한가지 방법이 미합중국 특허 제 5,378,660호(장벽층 및 알루미늄 접촉)에 개시되어 있다. 재료층(200)이 형성 및 산화되면, 웨이퍼(114)는 처리 챔버(112)로부터 제거된다.

웨이퍼(114)상에 재료층의 형성 및 산화가 도5에서 반도체 웨이퍼 처리 챔버(110A)내에서 수행되는 것이 개시되었지만, 처리는 챔버(110A)내에서 수행되는 것에 한정되지 않는다. 처리는 도 16 및 17에 각각 도시된 챔버(110B) 및 (110C)와 같은 본 발명에 따른 그대로 형성 및 산화 처리를 수행하는 것을 제공하는 어떤 반도체 웨이퍼 처리 챔버에서 수행될 수도 있다.

일반적으로, 확산 장벽은 접촉 금속의 확산에 대항하여 더 큰 보호를 제공하기 위하여 더 두껍게 만들어진다. 본 발명의 실시의 결과, 확산 장벽은 접촉 금속의 확산을 방지하기 위하여 더 두껍게 만들어지지 않았다. 본 발명의 실시예에서, 장벽 재료의 산화는 알루미늄과 같은 산소 친화성을 가진 접촉 금속의 확산도를 감소시킨다. 이와같은 접촉 금속이 티타늄 질화물과 같은 장벽 재료의 산화된 층으로 확산되면, 접촉 금속은 장벽 재료의 그레인 경계에 부착되는 산소 이온과 결합한다. 그 결과, 접촉 금속은 확산 장벽의 아래에 놓인 영역에 이를 수 없다.

도 43(a)도의 차트는 장벽재료층이 증착되고 플라즈마가 본 발명에 따라서 어닐링되고 산화되지 않는 후에, 웨이퍼의 다른 깊이로 화학 구성을 나타낸다. 도 43(b)는 장벽재료층이 증착되고 플라즈마 어닐링되고 본 발명에 따라서 산화된 후에, 웨이퍼의 다른 깊이로 화학 구성을 나타내는 차트를 포함한다.

각각의 차트들은 티타늄 질화물의 장벽층에 의해 중첩된 실리콘 기판을 갖는 웨이퍼로부터 취해진 데이터를 나타낸다. 웨이퍼는 오거 일렉트론 스펙트로스코프로 프로우브된다. 각 차트는 웨이퍼의 다른 깊이로 웨이퍼에서 다른 화학의 원자 농도를 나타낸다. 두 차트를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 장벽재료를 이루는 웨이퍼의 상부 부분의 산소 레벨은 비산화된 장벽 재료(도 43(a))에서 보다 산화된 장벽 재료에서 상당히 더 높다.

장벽 재료에서의 산소의 존재는 알루미늄과 같은 접촉 금속이 장벽재료에서 산소이온과 결합함으로써 확산도를 크게 증가시킨다. 따라서, 산화된 장벽 재료(도43(a))는 알루미늄과 같은 접촉 금속과 하부 실리콘 기판 사이의 확산 장벽이 비산화된 장벽 재료(도 43(a))보다 더 양호함을 제공한다.

부가적으로, 본 발명의 실시예에 의해 형성된 확산 장벽의 시트 저항은 산화 처리에 의해 수용불가능하게 된다. 도 44는 이 사실을 설명하는 표를 나타낸다. 표에서 도시된 바와 같이, 증착되고 본 발명에 따라 플라즈마 어닐링되는 티타늄 질화물 장벽재료의 200Å은 410Ω/sq의 시트 저항과 3.7%의 시트 저항 균일 표준 편차를 가질 수 있다. 이러한 장벽재료층의 저항은 1260 마이크로오옴-cm 이다.

도 44의 표는 300Å의 티타늄 질화물 장벽재료층에 대한 시트 저항을 나타낸다. 본 발명에 따라서 증착되고 플라즈마 어닐링된 후에, 300Å의 티타늄 질화물 장벽재료층은 235 /sq의 시트 저항과 2.0%의 시트 저항 균일 표준 편차를 가질 수 있다. 본 발명에 따라서 증착되고 플라즈마 어닐링되고 20초동안 산화된 후에, 300Å의 티타늄 질화물 장벽재료층은 250 Ω/sq의 시트 저항과 2.7%의 시트 저항 균일 표준 편차를 가질 수 있다. 따라서, 300Å의 비산화된 장벽재료층은 705 마이크로오옴 -cm의 저항을 가지며, 300Å의 산화된 장벽재료층은 750 마이크로오옴-cm의 저항을 가질 수 있다.

도 44에서의 표에서 나타나는 산화 및 비산화된 티타늄 질화물 장벽재료층의 상대 저항은 다음과 같이 평가되었다. 1,000Å의 알루미늄층은 산화되거나 산화되지 않은 티타늄 질화물 장벽층으로 이루어진 상부 표면을 갖는 웨이퍼상에 증착된다. 웨이퍼상에 증착된 후에, 알루미늄은 550℃에서 한 시간동안 로에서 어닐링된다. 산화 되지않은 200Å 및 300Å의 티타늄 질화물 장벽재료층을 갖는 웨이퍼는 웨이퍼의 기판내로 알루미늄의 확산으로부터 심한 결함을 갖게 된다. 증착되고 플라즈마 어닐링되고 본 발명에 따라서 산화된 200Å 및 300Å의 티타늄 질화물 장벽재료층을 갖는 웨이퍼는 각각 아루미늄의 확산으로부터 결함이 없거나 미미한 결함을 갖는다.

도 43(a), 43(b)및 44에서의 데이터는 본 발명의 실시예로부터 달성될 수 있는 하나의 가능한 세트이다. 도면에서 설정된 결과는 동일하거나 동일한 결과를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예를 제한하기 위한 아무런 방법도 없다.

5. 확산도를 감소시키기 위한 실리콘 풍부

본 발명의 다른 실시예에서, 산화 단계는 실리콘 충진 과정에 의해 대체된다. 실리콘 충진 과정은 기판 위에 놓인 티타늄 질화물과 같은 재료층에서 동과 같은 접촉 금속의 확산도를 감소시킨다. 증착된 질화물의 그레인 경계를 충진하기 위하여 질소와 결합하는 실리콘 능력은 티타늄 질화물의 장벽 성질의 향상을 촉진시키는 메카니즘이다.

본 발명에 따르면, 웨이퍼상에 티타늄 질화물과 같은 증착 및 어닐링은 산화 단계를 포함하는 처리에 대하여 상기한 바와 같이 동일한 방법으로 수행된다. 바람직하게는, 100Å의 티타늄 질화물층은 증착된다. 질소 및 수소의 혼합물을 포함하는 플라즈마로 재료를 어닐링한 후에, 티타늄 질화물층의 두께는 대략 50Å이다.

티타늄 질화물의 증착 및 어닐링은 챔버(110A),(110B)또는 (110C)중 어느 하나에서 수행될 수 있다. 택일적으로, 증착 및 어닐링 단계를 수행할 수 있는 챔버나 챔버 세트가 사용될 수 있다. 챔버(110A),(110B) 또는(110C)중 하나가 사용될 경우, 실리콘 충진은 증착 및 어닐링과 동일한 챔버에서 수행된다. 그 결과, 전체 실리콘 충진 처리는 그대로 수행될 수 있다.

증착 및 어닐링 후에, 실리콘 충진은 실란(SiH₄)에 어닐링된 티타늄 질화물을 노출시킴으로써 수행된다. 실란은 약 30초 동안 30 sccm의 속도로 처리 챔버(110A)로 흘러 들어간다. 실란 노출동안, 챔버 압력은 1.2 Torr로 설정되고, 웨이퍼 지지부(116)는 420℃의 온도로 가열되며, 질소는 140 sccm의 속도로 챔버(110A)내로 흘러 들어간다. 200sccm의 아르곤 퍼지 흐름이 사용된다. 실란에 대한 노출은 챔버(110A)및 전달 라인으로부터 잔여물 SiH₄를 스위핑하기 위하여 배출 퍼지에 의해 일어난다.

노출 동안, 실리콘은 증착된 재료에서 그레인 경계를 충진시키기 위하여 티타늄 질화물과 결합한다. 충진된 실리콘은 동과 같은 증착된 접촉 금속의 추후 확산을 방지한다.

증착, 어닐링, 및 티타늄 질화물 재료를 실리콘 충진하는 단계는 구성될 필름이 적정 두께를 가질 때 까지 연속적으로 반복된다. 200Å 필름을 구성함에 있어서, 어닐링, 및 티타늄 질화물의 노출은 전체 3번 수행되며, 100Å의 티타늄 질화물층은 각각 증착된다. 그 결과, 150Å의 두께를 갖는 실리콘 충진된 티타늄 질화물이 형성된다. 200Å의 적정 두께를 이르기 위하여, 100Å의 티타늄 질화물 캡 층은 50Å의 두께로 증착되고 어닐링된다. 티타늄 질화물의 캡층은 상기한 바와 같이 질소와 수소를 포함하는 플라즈마를 이용하여 어닐링된다. 최종 증착되고 어닐링된 재료의 캡층은 실란에 노출되지 않는다.

증착되고 어닐링된 재료의 최종 색션은 실란의 산소 친화성 때문에 실란에 노출되지 않는다. 실리콘이 실란에 대한 노출을 통해 티타늄 질화물 필름의 최종 표면 캡으로 유입될 경우, 필름의 저항은 높게 수용되지 않을 것이다. 티타늄 질화물의 어닐링된 층으로 필름을 캐핑한 후에, 필름의 저항은 약 520 마이크로오옴-cm이다. 티타늄 질화물의 상부 층이 실란에 노출될 경우, 필름의 저항은 더 높게 될 수 있다.

러더포드 백스캐터링 스펙트라스카피는 본 발명에 따라 실리콘으로 충전된 필름이 다음과 같은 프로필, 즉 5원자 퍼센트의 Si 함유량, 35.2 원자 퍼센트의 Ti 함유량, 52.8 원자 퍼센트의 N 함유량 및 7 원자 퍼센트의 H함유량을 갖는 것을 나타낸다. 본 발명에 따라 형성된 필름의 오거 깊이 프로필은 도 45에 도시된다. 오거 깊이 프로필은 티타늄 질화물에 의해 캐핑된 150Å의 실리콘 함유 재료와 일치하는 발진 실리콘 함유량을 갖는 균일하 질소 및 티타늄 함유량을 도시한다.

상기 측정 및 과정은 실리콘 충전이 본 발명에 따라 어떻게 수행되는지를 한정하지 않은 예로서 제공된다는 것을 주지해야 한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 기판상에 증착된 재료층을 어닐링하고 재료를 실란에 노출시키는 단계는 서로 교환될 수 있다. 그 결과, 티타늄 질화물과 같은 증착된 재료는 실리콘 충전을 위하여 먼저 실란에 노출되고 재료의 저항을 감소시키기 위하여 플라즈마를 이용하여 어닐링된다. 부가적으로, 스퍼터링과 같은 화학 진공 증착과는 다른 증착 처리가 사용될 수도 있다.

실리콘 충전에 택일적으로, 티타니아 실리카 카보 니트라이드(TiSiCN)와 같은 3성분 금속 실리콘 질화물 재료는 티타늄 질화물 재료 대신에 증착될 수 있다. 증착된 실리콘 부유 물질은 저항을 감소시키기 위하여 어닐링된다. 상기한 처리에서와 같이, 증착 및 어닐링은 적정 두께를 갖는 필름을 형성하기 위하여 반복적으로 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라서, 웨이퍼는 증착 처리를 수행할 수 있는 챔버에 놓여진다. 챔버는 실리콘 부유 필름이 그대로 구성될 수 있게 하는 챔버(110A),(110B),또는(110C)중 하나일 수 있다. 택일적으로, 다른 챔버나 챔버 세트는 실리콘 부유 필름의 다음 단계를 수행하기 위하여 사용될 수 있다,

웨이퍼가 챔버내에 놓이면, 티타니아 실리카 카보 니트라이드(TiSiCN) 재료는 웨이퍼상에 증착된다. 증착은 TDMAT를 이용하는 종래의 열 CVD를 사용하여 수행될 수 있다. 실리콘을 유입하기 위하여, 실란의 부피는 챔버내로 흘러 들어간다. 질소 딜런트(dilutant)의 동일한 부피는 TDMAT로 CVD를 이용하여 티타늄 질화물을 증착할 때 사용된 부피와 비교하여 억제된다.

증착을 수행함에 있어서, 챔버 압력은 1.2 Torr로 설정되며, 웨이퍼 지지부 온도는 420℃로 설정되며, 실란, He/TDMAT, 및 질소 딜런트는 각각 10 sccm, 70 sccm, 및 90 sccm의 흐름 속도로 챔버내로 흘러 들어간다. 아르곤 퍼지는 200 sccm의 흐름 속도로 수행된다. 증착은 두께가 100Å인 재료층을 형성하기 위하여 32초 동안 수행될 수 있다. 티타늄 질화물의 화학 진공 증착을 위하여, 실란이 사용되지 않으며 질소 흐름 속도는 100 sccm이다.

증착은 산소 충전을 포함하는 처리를 위하여 상기한 바와 같이, 질소 및 수소의 플라즈마로 TiSiCN의 어닐링에 의해 이루어진다. 어닐링은 증착된 재료가 100Å의 초기 두께를 가지고 50Å 두께의 재료층이 적정한 경우 20초 동안 발생하는 이온 충돌을 포함한다. 증착 및 어닐링은 적정 두께를 갖는 필름을 구성하기 위하여 연속적으로 반복될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 200Å의 필름이 적정하다. 100Å의 TiSiCN은 증착되고 어닐링되어 50Å의 재료층이 된다. TiSiCN의 100Å 증착 및 어닐링은 적정한 200Å 필름을 얻기 위하여 전체 4번 수행된다.

일 예로서, 러더포드 백스캐터링 스펙트라스카피는 15원자 퍼센트 Si, 25.3원자 퍼센트 Ti, 49.7원자 퍼센트 N, 및 10원자 퍼센트 H를 함유하는 200Å 필름이 되는 것을 도시한다. 필름의 오거 깊이 프로필은 도 46에 도시되어 있다. 오거 깊이 프로필은 5원자 퍼센트의 낮은 탄소 함유량과 1원자 퍼센트의 산소 함유량을 갖는 균일한 조성을 나타낸다. 필름의 저항은 2,400 마이크로오옴-cm 이다. 도 47은 실리콘 충전을 이용하여 형성되는 200Å 필름과 티타니아 실리카 카보 니트라이드를 증착시킴으로써 형성되는 200Å 필름의 조성과 저항의 비교를 도시한다.

고저항은 확산 장벽으로서 동작하기 위하여 아주 실리콘 부유 필름을 얻기 위하여 초래되는 트레이드-오프이다. 1,000 마이크로오옴-cm의 저항은 확산 장벽에 대해 수용가능하다. 증착단계에서 사용된 실란의 양은 필름의 저항을 낮게 하기 위하여 감소될 수 있다. 최상의 저항은 상기한 바와 같이 증착 및 어닐링 후에, 실리콘을 재료층내로 충전시킴으로써 달성된다. 그러나, 실리콘 충전된 확산 장벽은 실리콘 함유 재료를 증착시킴으로써 구성되는 필름과 같이 강하게 동의 확산에 대한 억제제를 제공하지 않는다. 예를 들면, 티타늄 질화물과 같은 실리콘 충전된 2성분 금속 재료는 TiSiCN 과 같은 3성분 금속 질화물을 증착시킴으로써 구성된 필름뿐만 아니라 동의 확산을 방지한다. 집적 회로 제조는 필름 구성시에 제조업자의 필요성을 최상으로 충족시키는 실리콘 부유의 방법을 선택할 수 있다.

상기 실리콘 부유 과정에 사용된 증착 처리는 변화될 수 있다는 것을 주지해야 한다. 화학 진공 증착 대신에 스퍼터링과 같은 다른 증착 처리가 사용될 수 있다. TiSiCN과는 다른 3성분 금속 실리콘 질화물은 본 발명의 실시예에 사용될 수도 있다.

또한, 상기한 어닐링 단계는 질소 및 수소만으로 이루어지는 플라즈마를 이용하는 것에 한정되지는 않는다. 증착된 재료의 저항을 약화시키는 다른 플라즈마 조성물이 사용될 수도 있다. 이러한 플라즈마의 일 예는 질소, 수소, 및 아르곤을 함유하는 것 중 하나다. 다음 어닐링이 사용될 수도 있다.

실란에 대한 노출에 의해 실리콘 충전을 포함하는 처리에 있어서, 노출 단계는 열적으로 통전되는 것에 한정되지 않는다. 본 발명의 다른 실시예에서, 실리콘 이온을 함유하는 플라즈마는 실리콘 부유 가스를 통전시키는 rf 신호에 의해 발생될 수 있다. 실리콘 충전될 재료를 포함하는 웨이퍼는 재료내로 실리콘의 충격을 향상시키기 위해 바이어스 될 수도 있다. 플라즈마를 이용하여 실리콘 충전을 수행할 때, 실리콘 충전은 그 저항을 감소시키기 위하여 재료의 어닐링 단계 전후에 수행될 수도 있다.

C. 프로세서 제어 필름 형성

재료를 증착, 어닐링, 산화 및 실리콘 스터핑하는 전술한 공정 단계는 프로세서에 의하여 제어되는 제어 유니트에 의하여 제어되는 챔버에서 수행될 수 있다. 도 48은 상기 수행을 위하여 이용될 수 있는 제어 유니트(600)를 도시한다. 상기 제어 유니트는 프로세서 유니트(605), 메모리(610), 대용량 저장 장치(620), 입력 제어 유니트(670)및 디스플레이 유니트(650)를 포함하며, 상기 구성요소들은 모두 제어 유니트 버스(625)에 연결되어 있다.

프로세서 유니트(605)는 메모리에 저장된 명령을 수행할 수 있는 마이크로프로세서 또는 다른 엔진일 수 있다. 메모리(610)는 하드 디스크 드라이브, 랜덤 액세스 메모리(″RAM″), 판독 전용 메모리(″ROM″), RAM 및 ROM의 결합체 또는 다른 메모리로 구성될 수 있다. 메모리(610)는 프로세서 유니트(605)가 상기 공정 단계의 수행을 용이하게 하게 하기 위하여 수행하는 명령이 내장되어 있다. 메모리(610)내의 명령은 프로그램 코드 형태일 수 있다. 프로그램 코드는 여러 가지 프로그래밍 언어중 하나와 일치할 수 있다. 예를 들어, 프로그램 코드는 C+, C++,베이직, 파스칼, 또는 다수의 다른 언어로 기록될 수 있다.

대용량 저장 장치(620)는 데이터 및 명령을 저장하며, 자기 디스크 또는 자기 테이프와 같은 프로세서 판독가능 저장 매체로부터의 데이터 및 명령을 검색한다. 예를 들어, 대용량 저장 장치(620)는 하드 디스크 드라이브일 수 있다. 대용량 저장 장치(620)는 프로세서 유니트(605)로부터 수신된 지시에 따라 명령을 저장하고 검색한다. 대용량 저장 장치(620)에 의하여 저장되고 검색된 데이터 및 명려은 상기 공정 단계를 수행하는 프로세서 유니트(605)에 의하여 이용된다. 데이터 및 명령은 먼저 매체로부터 대용량 저장 장치(620)에 의하여 검색되고 다음에 프로세서 유니트(605)에 이용하기 위하여 메모리(610)로 이전될 수 있다.

디스플레이 유니트 (650)는 프로세서 유니트(605)제어 하에 챔버 조작자에게 정보를 그래픽 디스플레이 및 문자숫자 형태로 제공한다. 입력 제어 유니트(670)는 키보드, 마우스 또는 라이트 펜과 같은 데이터 입력 장치를 제어 유니트(600)에 연결하여 챔버 조작자의 입력이 수신되도록 한다.

제어 유니트 버스(625)는 제어 유니트 버스(625)에 연결된 모든 장치 사이에서 데이터 및 제어 신호를 전달한다. 제어 유니트 버스가 제어 유니트(600)에 장치들을 직접 연결하는 단일 버스로 나타나 있지만, 제어 유니트 버스(625)는 버스들의 집합체이다. 예를 들어, 디스클레이 유니트(650), 입력 제어 유니트(670) 및 대용량 저장 장치(620)는 입력-출력 주변 버스에 연결될 수 있으며, 한편 프로세서 유니트(605) 및 메모리(610)는 지역 프로세서 버스에 연결될 수 있다. 지역 프로세서 버스 및 입력-출력 주변 버스는 제어 유니트 버스를 형성하도록 서로 연결될 수 있다.

제어 유니트(600)는 기판 위에 필름을 형성하기 위하여 이용되는 챔버의 엘리먼트에 연결된다. 각각의 이들 엘리먼트는 제어 유니트 버스(625)에 연결되어 제어 유니트(600)와 엘리먼트 사이의 통신을 용이하게 할 수 있다. 이들 엘리먼트는 가스 패널(52), 램프(130)와 같은 가열 엘리먼트, 압력 제어 유니트(157), rf 소스 또는 소스들 (62,142,143,144)및 챔버의 온도 결정 장치(140)를 포함한다. 본 발명의 한 실시예에서, 제어 유니트(600)는 챔버(110A,110B,110C)에 요구되는 가스 패널 제어기(50)이다.

제어 유니트(600)는 엘리먼트에 신호를 제공하며, 상기 신호는 재료를 증착, 어닐링,산화 및 실리콘 스터핑하는 전술한 공정 단계에 대하여 설명한 동작을 엘리먼트가 수행하도록 한다. 제어 유니트(600)는 또한 이들 엘리먼트로부터 신호를 수신하여 전수한 공정 단계의 수행을 제어를 어떻게 진행할지를 결정한다. 예를 들어, 제어유니트(600)는 램프(130)가 챔버에 제공하여야 하는 열량을 결정하기 위하여 온도 결정 장치(140)로부터 신호를 수신한다.

도 49는 메모리(610)로부터 검색되는 프로그램 코드 명령에 응답하여 프로세서 유니트(605)에 의하여 수행될수 있는 공정 단계의 시퀀스를 도시한다. 기판 상에 필름을 형성하기 시작할 때, 증착 단계(700)가 수행된다. 증착 단계(700)에서, 프로세서 유니트(605)는 메모리(610)로부터 검색된 명령을 수행한다. 이들 명령의 수행은 챔버의 엘리먼트가 전술한 바와 같이 기판 위에 재료층을 증착하도록 동작하게 한다. 예를 들어, 프로세서 유니트(605)는 검색된 명령에 응답하여, 가스 패널이 챔버에 전구 가스를 제공하게 하고, 램프(130)가 챔버를 가열하게 하고 그리고 압력 제어 유니트(157)가 챔버의 압력을 설정하도록 한다.

증착 단계(700)가 완료되면, 메모리(610)로부터 검색된 명령은 챔버의 엘리먼트가 전술한 어닐링 공정중하나인 어닐링 단계(701)를 수행하도록 프로세서 유니트(605)에 지시한다. 어닐링은 질소, 질소 및 수소의 혼합물, 또는 질소, 수소 및 아르곤과 같은 다른 가스의 혼합물에 의한 플라즈마 어닐링을 포함한다. 선택적으로 어닐링 단계(701)는 전술한 바와 같이 순차적 어닐링이 수행되도록 할 수 있다.

어닐링 단계(701)가 완료된 후에, 산화 결정 단계(702)가 수행되며, 여기서 제어 유니트(600)는 산화 공정 단계가 수행되어야 하는지를 결정한다. 산화 단계가 수행되지 않으면, 실리콘 스터핑이 수행되어야 하는지를 프로세서 유니트(605)가 결정하도록 단계(703)에서 메모리(610)로부터 명령이 검색된다. 실리콘 스터핑이 수행되지 않는다면, 제어 유니트(600)는 단계(706)에서 다른 증착이 수행되어야 하는지를 결정한다. 이미 증착된 재료가 소정 필름 두께와 동일한 두께를 가질 때까지 증착이 수행된다. 적정 필름 두께에 도달하면, 기판 상의 필름 형성 공정은 완료된다. 그렇지 않으면, 새로운 증착 단계(700)가 수행된다.

산화 결정단계(702)에서 산화가 수행 되야 하는 지가 결정되면, 프로세서 유니트(605)는 산화 단계(704)를 수행한다. 산화단계(704)에서, 검색된 명령은 프로세서 유니트(605)가 챔버의 엘리먼트에 지시하여 증착된 재료를 산화시키는 전술한 공정 단계를 수행하기에 필요한 동작이 수행되도록 한다. 산화는 플라즈마를 기초로 하거나 또는 열에 의하여 발생될 수 있다. 산화 단계(704)가 완료되면, 프로세서 유니트(605)는 새로운 증착 단계(700)가 단계(706)에서 수행되어야 하는지를 결정한다.

단계(703)에서 실리콘 스터핑이 수행되어야 한다고 결정되면, 프로세서 유니트(605)는 실리콘 스터핑 단계(705)를 수행한다. 프로세서 유니트(605)는 메모리(610)에서 실리콘 스터핑 명령을 수신하고 검색한다. 이들 명령에 응답하여, 프로세서 유니트(605)는 전술한 실리콘 스터핑 단계가 수행되로록 챔버의 엘리먼트가 동작하도록 한다. 실리콘 스터핑은 에너지가 열적으로 주입된 실란 가스에 증착된 재료를 노출시킴으로써 달성될 수 있다. 선택적으로, 실리콘 스터핑은 rf 신호를 이용하여 플라즈마를 발생시킴으로써 생성된 실리콘 이온을 포함하는 환경에 증착된 재료를 노출시킴으로써 이루어질 수 있다. 실리콘 스터핑 단계(705)가 완료하면, 증착 단계 (700)가 반복된다.

도 50은 메모리(610)로부터 검색된 프로그램 코드 명령에 응답하여 프로세서 유니트(605)에 의하여 수행되는 선택적인 공정 단계의 시퀀스를 도시한다. 이들 공정 단계 시퀀스는 도 49에 도시된 것과 동일하다. 그러나, 단계의 순서는 바뀌어서 실리콘 스터핑 단계(705)는 어닐링 단계(701)전에 수행된다.

증착 단계(700)가 수행되자마자, 프로세서 유니트(605)는 단계(703)에서 실리콘 스터핑이 수행되어야 하는지를 결정하기 위한 명령을 수행한다. 실리콘 스터핑이 수행되어야 하면, 실리콘 스터핑 단계(705)가 수행되고 다음에 어닐링 단계(701)가 수행된다. 그렇지 않으면, 어닐링 단계(701)가 수행된다. 어닐링 단계(701)후에, 프로세서 유니트(605)는 단계(702)에서 산화가 수행되어야 하는지를 결정한다. 만약 산화가 수행되어야 한다면, 산화 단계(704)가 수행된다. 그렇지 않으면, 단계(706)에서, 새로운 증착이 수행되어야 하는지가 결정된다. 단계 (706)에서의 결정은 또한 산화 단계(704)가 완료되면 이루어진다. 새로운 증착이 요구되면, 증착 단계(700)가 수행된다. 그렇지 않으면, 필름 형성 공정이 완료된다.

본 발명이 특정 바람직한 실시예를 기초로 설명되었지만, 여러 가지 변형 및 변경은 첨부된 청구범위에 특정된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에게 자명하다.

본 발명에 따라 알루미늄 또는 구리같은 접촉 재료의 확산을 방지하기 위한 증가된 능력을 가지는 정각의 얇은 확산 장벽을 구성할수 있고, 확산 장벽이 전류 흐름에 대한 우수한 경로를 형성하기 위한 저항을 가지도록 상기 확산 장벽을 설계할 수 있다.

Claims (31)

1. 반도체 웨이퍼 처리 장치에 있어서, 처리 챔버; 상기 처리내에 가스를 공급하기 위한 샤워헤드; 상기 처리 챔버내에 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 지지대; 및 상기 샤워헤드 및 상기 웨이퍼 지지대 양쪽에 결합된 rf 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치
2. 제1항에 있어서, 상기 rf 소스를 상기 웨이퍼 지지대 및 상기 샤워헤드를 결합하기 위한 매칭 네트워크를 더 포함하고, 상기 매칭 네트워크는 상기 rf 소스에 의해 상기 샤워헤드 및 상기 웨이퍼 지지대에 제공된 rf 신호의 전력 분할 및 위상 이동 세트에 적용되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 상기 샤워헤드에 수신된 신호가 상기 웨이퍼 지지대에 수신된 신호가 가지는 위상의 실질적으로 180도 벗어나도록 상기 rf 신호의 상기 위상 이동을 설정하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치
4. 제2항에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 다수의 상기 위상 이동인 선택되도록 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치
5. 제2항에 있어서, 상기 매 및 네트워크는 다수의 상기 전력 분할이 선택되도록 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치
6. 제1항에 있어서, 상기 샤워헤드 및 상기 웨이퍼 지지대는 상기 처리 챔버로부터 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 처리 챔버는 접지에 결합되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼 처리 장치는 화학 기상 증착 챔버인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼 지지대는 열전쌍을 수용하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 처리 챔버내의 상기 웨이퍼 지지대를 지지하고 상기 웨이퍼 지지대의 온도를 결정 하기 위한 온도 결정 장치에 상기 열전쌍을 결합하기 위한 상기 웨이퍼 지지대에 결합된 지지대 아암을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 rf 소스는 상기 지지 아암을 통하여 상기 웨이퍼 지지대에 결합되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치
12. 제11항에 있어서, 상기 열전쌍은 상기 rf 소스로부터 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼 지지대는 서셉터인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
14. 반도체 웨이퍼 처리 장치에 있어서, 처리 챔버; 상기 처리 챔버내에 가스를 공급하기 위한 샤워헤드; 상기 처리 챔버내에의 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 지지대; 제 1rf신호를 상기 샤워헤드를 제공하기 위한 상기 샤워헤드에 결합된 제 1rf소스 ; 및 제 2rf신호를 상기 웨이퍼 지지대에 공급하기 위한 상기 웨이퍼 지지대에 결합된 제 2rf소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 제 1rf 소스를 상기 샤워헤드에 결합하는 제1매칭 네트워크; 및 상기 제2rf 소스를 상기 웨이퍼 지지대에 결합하는 제2매칭 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 제 1rf 소스는 상기 제 2rf 소스에 결합되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 제 1rf 소스는 상기 샤워헤드에 제공된 상기 제1rf 신호가 상기 웨이퍼 지지대에 제공된 상기 제2rf 신호가 가지는 위상의 실질적으로 180도 벗어나도록 상기 제2rf 소스에 결합되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
18. 제16항에 있어서, 상기 제1rf 신호 및 상기 제2rf 신호 사이의 전력 분할은 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
19. 제16항에 있어서, 상기 제1rf 신호 및 상기 제2rf 신호 사이의 위상 이동은 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
20. 제14항에 있어서, 상기 샤워헤드 및 상기 웨이퍼 지지대는 상기 처리 챔버로부터 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
21. 제14항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼 처리 장치는 화학 기상 증착 챔버인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
22. 제14항에 있어서, 상기 웨이퍼 지지대는 서셉터인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
23. 제14항에 있어서, 상기 웨이퍼 지지대는 열전쌍을 수용하고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 처리 챔버내의 상기 웨이퍼 지지대를 지지하고 상기 웨이퍼 지지대의 온도를 결정하기 위하여 온도 결정 장치에 상기 열전쌍을 결합하기 위한 상기 웨이퍼 지지대에 결합된 지지대 아암을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
25. 제24항에 있어서, 상기 제2rf 소스는 상기 지지 아암을 통하여 상기 웨이퍼에 결합되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
26. 제25항에 있어서, 상기 열전쌍은 상기 제2rf 소스로부터 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
27. 처리챔버; 상기 처리 챔버내의 제1전극; 상기 처리 챔버내의 제2전극; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 결합된 rf 신호 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
28. 제27항에 있어서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 상기 rf 신호 소스를 결합하기 위한 매칭 네트워크를 더 포함하고, 상기 매칭 네트워크는 상기 제1rf 신호가 상기 제2rf신호가 가지는 위상의 실질적으로 180도 벗어나도록 상기 제1전극에 제1rf신호를 및 상기 제2전극에 제2rf 신호를 제공하기 위하여 적용되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
29. 제27항에 있어서, 상기 제1전극은 샤워헤드인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
30. 제27항에 있어서, 상기 제2전극은 웨이퍼 지지대인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.
31. 제30항에 있어서, 상기 웨이퍼 지지대는 서셉터인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 장치.

    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임