KR20040100319A - 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐 막 증착장비 - Google Patents

적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐 막 증착장비 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 히팅 구역(Heating Zone)을 갖는 텅스텐 막(W Film) 증착장비를 제공한다. 상기 장비는 텅스텐 막을 증착하는 텅스텐막 증착용 챔버를 포함하며, 상기 장비는 별도로 반도체 기판에 열(Heat)을 가할 수 있는 스테이지(Stage)가 구비된 전용 가스제거 챔버(Chamber) 및 웨이퍼 이송 모듈을 더 포함한다. 상기 장비는 반도체 기판이 웨이퍼 이송 모듈, 전용 가스제거 챔버 및 텅스텐막 증착용 챔버를 순서적으로 거치도록 하거나 또는 반도체 기판이 웨이퍼 이송 모듈 및 텅스텐막 증착용 챔버를 순서적으로 거치도록 하여 텅스텐 막을 반도체 기판 상에 증착시킨다. 상기 반도체 기판 상에는 타이타늄 막(Ti Film) 및 타이타늄 질화막(TiN Film)이 차례로 증착되어 있으며, 상기 스테이지는 타이타늄 질화막 내의 불순물 가스들을 열로써 액티베이션(Activation)시키는 역할을 한다. 이때에, 상기 장비는 텅스텐 증착 공정의 효율을 고려하여 상기 웨이퍼 이송 모듈 및 상기 전용 가스제거 챔버 내에서 동시에 타이타늄 질화막 내의 불순물 가스들을 제거할 수 있다. 이로써, 상기 장비는 타이타늄 막 및 타이타늄 질화막을 갖는 반도체 기판 상에 균일한 두께의 텅스텐 막을 형성하며, 이를 통하여 상기 반도체 장치는 반도체 제조 수율 및 반도체 제조 원가를 감소시킬수 있다.

Description

적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐 막 증착장비 { A Tungsten Film Deposition Apparatus Having At Least One Heating Zone }
본 발명은 반도체 제조 장비중의 텅스텐막 증착 장비에 관한 것으로서, 상세하게는 반도체 기판의 히팅을 위해서 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비에 관한 것이다.
최근까지, 반도체 기판 상에 얇은 금속막(Thin Metal Film)을 형성하는 방법은 증착 장비 내에서 금속 타켓(Metal Target)을 이용한 스퍼터 증착 방식(Sputter Deposition Method)이 사용되어져 왔다. 상기 스터퍼 증착 방식은 하부 구조가 플랫한 반도체 기판 상 또는, 상기 증착 장비가 커버할 수 있는 종/ 횡비의 콘택들을 갖는 반도체 기판 상에 얇은 금속막을 양호하게 증착할 수 있다. 그러나, 반도체 장치의 디자인 룰이 점점 축소되어 짐에 따라서, 상기 장비는 종/ 횡비가 큰 콘택 내에 금속막을 증착하는데 기술적인 한계에 부딪친다. 이때에, 제기된 방법이 콘택의 종/ 횡비에 덜 구애받는 엠.오.시브이디(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 증착 방식이 제기되었다. 상기 엠.오.시브이디 방식은 커패시터(Cap acitor) 유전막 및 트랜지스터(Transistor) 구조를 고려하여 500℃ 이하에서 금속막을 증착하는 것이 더 선호되어 진다. 이하, 종래 기술을 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2 는 각각이 종래 기술에 따른 패턴을 갖지 않는 반도체 기판 상에 텅스텐 막이 덮인 상태를 보여주는 단면도들이다.
도 1 및 도 2 를 참조하면, 패턴이 없는 반도체 기판(10) 상에 산화막(30)을덮고, 상기 산화막(30) 상에 엠.오.시브이디 방식(MOCVD; Metal Organic Chemical Va por Deposition)을 이용하여 타이타늄 질화막(50, TiN Film) 및 텅스텐 막(60, W Film)을 순차적으로 덮는다. 상기 타이타늄 질화막(50) 및 텅스텐 막(60)은 약400℃ 온도에서 증착된다. 또한, 상기 타이타늄 질화막(50)은 소정 두께 및 상기 텅스텐 막(60)은 2000Å 타겟으로 증착된다. 상기 텅스텐 막(60)을 덮기 전에, 타이타늄 질화막(50) 상에는 플라즈마 처리(Plasma Treat ment)를 하지 않는다. 상기 플라즈마 처리에는 NH₃또는, N₂및 H₂가스들이 이용된다. 이때에, 상기 타이타늄 질화막(50)을 갖는 반도체 기판이 텅스텐막 증착 챔버(도면에 미 도시) 내에 안착된 후에 , 상기 증착 챔버 내에 텅스텐막 증착용 공정가스들(WF6, SiH₄, H₂)이 투입되는 시간을 달리하여 반도체 기판(10) 상에 텅스텐 막(60)을 증착한다. 즉, 도 1 에서는 텅스텐막 증착용 공정가스들이 투입되는 시간을 5 초 이후로 하여 나타낸 도이고, 도 2 에서는 45 초 이후로 하여 나타낸 도이다. 도 1 및 도 2 에는 각각이 양산 라인 내의 버티칼( Vertical) 사진으로 볼 수 있는 실제에 가까운 텅스텐 막(60)을 도시화 했다.
그러나, 상기 타이타늄 질화막(50)은 엠.오.시브이디 증착 방식으로 증착된 막질 특성때문에 하이드로 카본(Hydro-Carbon) 등의 불순물 가스들을 내재하고 있다. 상기 불순물 가스들은 타이타늄 질화막(50) 상에 텅스텐 막(60)이 자라는 것을 방해하는 것으로 이미 공지되어 있다. 이에대한 확인으로, 도 1 및 도 2 에서 텅스텐 막(60)들은 증착 챔버 내에 텅스텐 막 증착용 공정가스들이 투입되는 시간들의 차이에 따라서 다른 두께들(T1, T2)을 갖는다. 왜냐하면, 상기 불순물 가스들은 텅스텐 막 증착용 공정가스들과 반응하여 타이타늄 질화막(50) 상에 텅스텐 막(60)이 형성되는 것을 방해하기 때문이다.
도 3 은 종래 기술에 따라서 패턴을 갖는 반도체 기판 상에 텅스텐 막이 덮인 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3 을 참조하면, 적어도 하나의 콘택 홀(20)을 갖는 반도체 기판 상에 타이타늄 막(40, Ti Film)/ 타이타늄 질화막(50, TiN Film)/ 텅스텐 막(60, W Film)이 차례로 증착된다. 이때에, 상기 타이타늄 막(40)은 스터퍼 증착 방식, 상기 타이타늄 질화막(50) 및 텅스텐 막(60)은 엠.오.시브이디 증착 방식으로 증착된다. 이때에도, 상기 타이타늄 질화막(50) 상에 도 1 및 도 2 와 같이 플라즈마 처리를 하지 않는다. 이때에, 상기 콘택 홀(20)의 내부의 3D(Three Dimension) 구조 및 반도체 기판(10) 전면 상의 2D(Two Dimension) 구조로 인해서, 상기 타이타늄 질화막( 50) 내의 불순물 가스들은 증착 챔버 내 진행된 아웃 개싱(Outgassing) 작업을 통해서 반도체 기판(10)의 전면 상 및 콘택 홀(20) 내에서 일정하지 않게 제거된다. 즉, 상기 콘택 홀(20) 내에서 발생되는 불순물 가스들이 상기 반도체 기판(10) 상에서 발생되는 불순물 가스들보다 제거되는 율(Rate)이 작다. 따라서, 상기 타이타늄 질화막(50) 상에 자라는 텅스텐 막(60)은 불순물 가스들이 제거되는 율의 차이로 반도체 기판(10)의 전면 상 및 콘택 홀(20) 내에서 다른 두께들(T3, T4)을 갖는다. 또한, 상기 텅스텐 막(60)은 콘택 홀(20)내에 커다란 심(70, Seam)을 만들기에 후속 공정에서 상기 심(70)을 통한 금속 배선(도면에 미 도시)들 사이에 브리지(B ridge) 및 배선 단락의 원인이 된다.
이를 통해서, 상기 콘택 홀(20) 내에 매립된 타이타늄 막(40), 타이타늄 질화막(50) 및 텅스텐 막(60)을 갖는 반도체 장치는 콘택 홀(20) 내에 불균일하게 형성된 텅스텐 막(60)으로 퍼포먼스가 저하된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 기판 상에 증착된 금속막 내의 불순물 가스들을 제거하는데 적합한 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비를 제공하는 것이다.
도 1 및 도 2 는 각각이 종래 기술에 따른 패턴을 갖지 않는 반도체 기판 상에 텅스텐 막이 덮인 상태를 보여주는 단면도들.
도 3 은 종래 기술에 따라서 패턴을 갖는 반도체 기판 상에 텅스텐 막이 덮인 상태를 보여주는 단면도.
도 4 는 본 발명에 따른 텅스텐막 증착 장비의 평면도.
도 5 는 본 발명에 따른 전용 가스제거 챔버 내의 스테이지 상에 패턴을 갖는 반도체 기판이 안착된 상태를 보여주는 단면도.
도 6 은 도 5 의 반도체 기판에 배치된 콘택을 확대해서 보여주는 단면도.
도 7 은 도 5 의 가스 성분에 대한 분석 그래프.
도 8 은 도 6 의 반도체 기판 상에 텅스텐 막이 덮인 상태를 보여주는 단면도.
상기 기술적 과제를 이루기 위해서, 본 발명은 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비를 제공한다.
상기 장비는 전용 가스제거 챔버 및 웨이퍼 이송 모듈을 포함한다. 상기 전용 가스제거 챔버는 상기 장비 내에서 반도체 제조 공정으로 반도체 기판 상에 증착된 금속막 내의 불순물 가스들을 제거하는 반도체 공정 챔버이다. 그리고, 상기 웨이퍼 이송 모듈은 반도체 기판이 상기 전용 가스제거 챔버 내에 투입되기 전에 대기하는 영역이다. 이때에, 상기 웨이퍼 이송 모듈도 반도체 기판 상에 증착된 금속막 내의 불순물 가스들을 제거할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4 는 본 발명에 따른 텅스텐막 증착 장비의 평면도이다.
도 4 를 참조하면, 상기 증착 장비(150)는 로드락 챔버들(100, 110), 웨이퍼 이송 모듈(120), 전용 가스제거 챔버(130) 및 텅스텐막 증착용 챔버(140)를 구비한다. 상기 로드락 챔버들(100, 110)은 각각 웨이퍼 카세트들(103, 113; Wafer Cassettes)이 안착되는 영역들(Regions)이다. 상기 웨이퍼 카세트들(103, 113)에는반도체 기판들(106, 116)이 장착되어 있다. 즉, 상기 증착 장비(150)에 투입되는 웨이퍼 카세트들(103, 113)에는 이전 반도체 제조 공정을 통해서 증착된 타이타늄 막 및 타이타늄 질화막을 갖는 반도체 기판들(106, 116)이 장착되어 있다. 상기 타이타늄 질화막 및 텅스텐 막은 약 400℃ 온도에서 증착된다. 상기 증착 장비(150)는 반도체 기판들(106, 116)이 웨이퍼 이송 모듈(120), 전용 가스제거 챔버(130) 및 텅스텐막 증착용 챔버(140)를 순서적으로 거치도록 하거나 또는 반도체 기판들(106, 116)이 웨이퍼 이송 모듈(120) 및 텅스텐막 증착용 챔버(140)를 순서적으로 거치도록 하여 텅스텐 막을 반도체 기판들(106, 116) 상에 증착시킨다.
이때에, 상기 웨이퍼 이송 모듈(120)은 전용 가스제거 챔버(130) 및 텅스텐막 증착용 챔버(140) 내에 반도체 기판들(106, 116)이 투입되기 전에 반도체 기판들(106, 116)이 대기하는 영역이다. 상기 웨이퍼 이송 모듈(120)은 로보트 아암(123, Robot Arm)을 사용하여 웨이퍼 카세트들(103, 113)로부터 반도체 기판들(106, 116) 중에 하나(106)를 선택해서 안착시킬 수 있는 스테이지(126, Stage)를 갖는다. 상기 스테이지(126)는 램프 방식(Lamp Method)으로 반도체 기판(106)에 열(Heat)을 가할 수 있는 장치가 되어있다. 이를 통해서, 상기 웨이퍼 이송 모듈(120)은 타이타늄 질화막 내의 불순물 가스들을 제거한다.
그리고, 상기 전용 가스제거 챔버(130)는 상기 텅스텐막 증착용 챔버(140) 내에 반도체 기판(106)을 투입하기 전에 상기 타이타늄 질화막(TiN Film) 내의 불순물 가스들을 제거하는 영역이다. 상기 전용 가스제거 챔버(130)에도 상기 웨이퍼 이송 모듈(120)과 같이 반도체 기판(106)에 열(Heat)을 가할 수 있는스테이지(135)가 구비되어 있다. 상기 스테이지(135)에는 알.티.피(RTP; Rapid Thermal Processing) 방식 또는 일정 온도를 유지하는 히터(Heater) 방식으로 반도체 기판(106)에 열을 가할 수 있는 장치가 되어 있다.
상기 반도체 기판(106)으로부터 불순물 가스들의 제거가 완료되면, 상기 반도체 기판(106)은 텅스텐막 증착용 챔버(140) 내에 투입된다. 이때에, 상기 텅스텐막 증착용 챔버(140)는 타이타늄 막 및 타이타늄 질화막을 갖는 반도체 기판(106) 상에 텅스텐 막을 증착하는 영역이다.
이로써, 상기 증착 장비(150)는 웨이퍼 이송 모듈(120) 및 상기 전용 가스제거 챔버(130)를 별도로 설치하여 반도체 기판(106) 상에 형성된 타이타늄 질화막내의 불순물 가스들을 인 시튜(In-Situ)로 제거할 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 전용 가스제거 챔버 내의 스테이지 상에 패턴을 갖는 반도체 기판이 안착된 상태를 보여주는 단면도이고, 도 6 은 도 5 의 반도체 기판에 배치된 콘택을 확대해서 보여주는 단면도이다. 그리고, 도 7 은 도 5 의 가스 성분에 대한 분석 그래프이며, 도 8 은 도 6 의 반도체 기판 상에 텅스텐 막이 덮인 상태를 보여주는 단면도이다.
도 5 내지 도 8 을 참조하면, 상기 전용 가스제거 챔버(130) 내에는 도 4 에서 언급되었던 스테이지(135, Stage)가 설치되어 있다. 상기 스테이지(135) 상에는 타이타늄 막(170, Ti Film) 및 타이타늄 질화막(180, TiN Film)을 갖는 반도체 기판(106)을 안착시킨다. 상기 반도체 기판은 도 6 과 같이 하나 이상의 콘택홀(160)이 배치된다. 그리고, 상기 스테이지(135)는 알.티.피(RTP; Rapid ThermalProcessing) 방식 또는 일정 온도로 유지되는 히터(Heater) 방식으로 반도체 기판(106)에 열(Heat)을 가한다. 이때에, 어떤 방식으로 반도체 기판(106)에 열을 가하든 간에, 상기 스테이지(135)는 최종적으로 400℃ 이상의 선택된 온도로 유지된다. 상기 선택된 온도가 반도체 기판(106)에 가해지면, 상기 반도체 기판(106) 상에 형성된 타이타늄 질화막(180) 내의 불순물 가스(190)들은 액티베이션(Activation)되어서 도 5 와 같이 반도체 기판(106) 상으로부터 상기 전용 가스제거 챔버(130) 내부로 빠져 나간다. 다음으로, 상기 반도체 기판(106) 상으로부터 빠져 나간 불순물 가스(190)들은 아웃 개싱(Outgassing) 작업을 통해서 상기 전용 가스제거 챔버(130) 밖으로 배출된다. 즉, 도 6 과 같이 상기 반도체 기판(106)에 하나 이상의 콘택 홀(160)이 형성되어도, 상기 타이타늄 질화막(180) 내의 불순물 가스(190)들은 스테이지(135)의 열에 의해서 활성화되어 반도체 기판(106) 상으로부터 거의 모두 빠져 나간다. 또한, 상기 반도체 기판(106)에 열을 가하는 것은 도 4 의 램프 방식을 이용한 스테이지(126)를 갖는 웨이퍼 이송 모듈에서도 진행할 수 있다. 이때에도, 상기 스테이지(126)는 최종적으로 400℃ 이상의 선택된 온도로 유지된다.
상기 불순물 가스(190)들을 성분 분석을 하여 측정되는 가스들의 밀도를 크기 순으로 그래프 상에 나열하면, 상기 불순물 가스(190)들은 도 7 과 같이 카본(200, Carbon), 수소(210, Hydrogen), 산소(220, Oxygen) 등으로 나타난다. 상기 불순물 가스(190)들은 종래 기술의 도 1 및 도 2 에서 지적됐듯이 타이타늄 질화막(50) 상에 텅스텐 막(60)이 형성되는 것을 방해함과 아울러서 원하는 텅스텐막(60)의 두께를 소정의 공정 시간에 얻을 수 없게 한다.
마지막으로, 상기 불순물 가스(190)들이 제거된 타이타늄 질화막(180)을 갖는 도 6 의 반도체 기판(106) 상 및 콘택 홀(160) 내에 텅스텐 막(230)이 증착된다. 상기 텅스텐 막(230)은 타이타늄 질화막(180) 내의 불순물 가스(190)들의 제거로 인해서 상기 반도체 기판(106)의 전면 상 및 상기 콘택 홀(160) 내에 균일한 두께(T5)로 형성된다. 이때에, 상기 텅스텐 막(230)은 콘택 홀(160) 내에 종래 기술의 도 3 과는 비교할 수 없는 얇은 심(240, Seam)을 형성한다. 계속되는 반도체 제조 공정들 후에, 상기 얇은 심(240)은 종래 기술 3 과는 다르게 금속 배선간의 브리지(Bridge)를 없애준다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 적어도 하나의 히팅 구역(Heating Zone)을 갖는 텅스텐막 증착장비는 전용 가스제거 챔버 및 웨이퍼 이송 모듈을 포함한다. 상기 전용 가스제거 챔버 및 웨이퍼 이송 모듈은 각각이 타이타늄(Ti Film)/ 타이타늄 질화막(TiN Film)이 순차적으로 증착된 반도체 기판 상으로부터 상기 타이타늄 질화막 내의 불순물 가스들을 제거하는 히팅 구역들이다. 이때에, 상기 반도체 기판에는 하나 이상의 콘택들이 형성되어 있다. 상기 히팅 구역들을 통해서, 상기 증착 장비는 타이타늄(Ti Film)/ 타이타늄 질화막(TiN Film)을 갖는 반도체 기판 상 및 콘택 홀 내에 균일한 두께의 텅스텐 막을 형성한다. 이를 통해서, 상기 반도체 장치는 콘택 홀을 통해서 반도체 기판과의 균일한 콘택 저항을 갖는 텅스텐 막들을 확보함과 아울러서 구동시에 퍼포먼스 및 반도체 제조 공정후의 수율 증가로 원가절감에 기여할 수 있다.

Claims (6)

  1. 반도체 기판 상에 텅스텐 막(W Film)을 증착하기 전에, 그 기판 상에 덮인 금속막 내의 불순물 가스들을 제거할 수 있는 전용 가스제거 챔버; 및
    상기 반도체 기판이 상기 전용 가스제거 챔버 내에 투입되기 전의 대기 상태에 있을 때에, 그 기판 상에 덮인 상기 금속막 내의 상기 불순물 가스들을 제거할 수 있는 웨이퍼 이송 모듈을 포함하는 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전용 가스제거 챔버는 소정온도를 유지하는 히터(Heater) 방식이 채택된 스테이지(Stage)가 구비된 것이 특징인 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전용 가스제거 챔버는 알.티.피(RTP; Rapid Thermal Processing) 방식이 채택된 스테이지가 구비된 것이 특징인 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 이송 모듈은 램프(Lamp) 방식이 채택된 스테이지가 구비된 것이 특징인 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막은 타이타늄 질화막(TiN Film)인 것이 특징인 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 히팅 구역에는 상기 금속막의 증착 온도보다 높은 온도로 열을 가할 수 있는 스테이지가 구비된 것이 특징인 적어도 하나의 히팅 구역을 갖는 텅스텐막 증착장비.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220082543A (ko) * 2020-12-10 2022-06-17 에이피시스템 주식회사 기판의 불순물 제거방법 및 기판처리장치

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