KR930006305B1

KR930006305B1 - 텅스텐 박막 제조용 플라즈마 화학증착 온도 측정장치

Info

Publication number: KR930006305B1
Application number: KR1019910011617A
Authority: KR
Inventors: 민석기; 김용태
Original assignee: 한국과학기술연구원; 박원희
Priority date: 1991-07-09
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1993-07-12
Also published as: KR930002808A; US5232509A; JPH0533144A

Abstract

내용 없음.

Description

텅스텐 박막 제조용 플라즈마 화학증착 온도 측정장치

제1도는 종래의 플라즈마 화학증착장치의 개략적인 구조도.

제2도는 본 발명장치의 일예를 보인 개략적인 구조도.

제3도는 증착압력과 증착온도간의 관계를 나타낸 그래프.

제4도는 증착시 실리콘기판의 온도와 비저항의 관계를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반응기 2 : 확산전극

3 : 열선 4 : 열판

5 : 실리콘웨이퍼 5,5' : 측정용 실리콘웨이퍼

6,6' : 보호용관 7,7' : 열전대

본 발명은 플라즈마 화학증착법으로 저저항의 텅스텐 박막을 증착시키는 기술에 관한 것으로, 특히 저저항의 텅스텐 박막의 성장에 중요한 인자로 작용하는 실리콘 기판의 표면온도를 정확하게 측정하여 반응기 내에서의 증착반응이 최적의 증착온도에서 수행되도록 한 텅스텐 박막 제조용 플라즈마 화학증착 온도 측정장치에 관한 것이다.

현재 일반적으로 행해지고 있는 텅스텐 박막의 증착방법은 크게 물리적 증착방법과 화학증착방법의 두가지 형태로 대별되는데 그 중 전자의 물리적 증착방법의 예로는 고순도의 텅스텐 타겟(Target)을 이용한 스퍼터링이나 전자빔증착(electron beam depositon)을 들 수 있으며, 후자의 화학증착방법으로는 WF₆-H₂가 스등을 열분해시켜 실리콘기판의 증착을 행하는 저압화학증착법(LPCVD : Low Pressure Chemical Vapor Deposition)이 사용되고 있다.

그런데, 물리적 증착방법의 경우에는 복사손실(radiation damage)에 의하여 박막의 결함발생이 높을 뿐만아니라, 스텝커버리지(step coverage)면에서도 불리하고 이에 더하여 비저항값이 50μΩ-㎝이상으로 높다는 단점이 있다.

이에 반하여, 저압화학증착법은 위에서 열거한 물리적 증착방법에서 나타나는 대부분의 단점을 보완한 점에 있어 일응 특징적인 면이 있긴 하나 실리콘에만 국한하여 증착이 이루어질 뿐 절연층이나 화합물 반도체등의 기판에서는 증착이 이루어지지 않는 등의 기판의 특성에 따라 텅스텐 박막의 증착이 용이하지 않아서 물리적 증착방법에서와 같이 어떠한 기판에 대해서도 금속박막을 증착시킬 수 있는 필요성을 충족시킬 수 없는 문제점을 지니고 있다[참조 : W.T.Stacy, E.K.Broadbent, M.H.Norcott, J.Electrochem. Soc., vol. 132, p444, 1985].

한편, 화학증착법의 새로운 형태로서의 플라즈마 화학증착법(PECVD : Plasma Enanced Chemical Vapor Deposition)을 사용하여 텅스텐 박막을 증착시키는 경우에는 상기의 저압화학증착법에서 지니고 있는 문제점의 해결이 가능할 뿐만아니라 스텝커버리지면에서도 저압화학증착법에 비해 우수한 것으로 알려지고 있다[참조 : A.Sherman, Thin Solid Films, vol.113, p.135, 1984].

그러나, 현재까지 보고된 바의 플라즈마 화학증착법에 의하여 형성된 텅스텐 박막의 비저항값은 저압화학증착법에 의하여 얻어진 박막의 비저항값인 10μΩ-㎝정도에 비해 훨씬 높은 값을 나타냄에 따라 플라즈마 화학증착법을 실제 적용하기에는 어려움이 있다[참조 : C.C.Tang, D.W. Hess, Appl. Phys Lett., vol.45, p.633, 1984].

플라즈마 화학증착법을 이용하여 텅스텐 박막을 성장시킬 때 성장된 텅스텐 박막의 특성에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 증착온도인 까닭에 결정성장시 증착온도를 정확하게 제어하여야 만이 낮은 비저항값을 갖는 우수한 텅스텐 박막의 성장이 가능하게 된다.

그런데, 플라즈마 상태에서는 증착압력 및 열판(hot plate)의 온도에 따라서 증착반응이 일어나는 웨이퍼 표면의 온도가 매우 크게 변화함에 따라 종래의 플라즈마 화학장치를 이용하여 증착을 수행하는 경우 웨이퍼 표면의 온도를 직접 측정하는 방식이 아닌 제1도에 도시된 바와 같이 실리콘기판과는 일정거리를 유지하고 있는 열판의 온도를 측정하여 이를 실리콘기판의 온도로 취급하는 방식을 취함에 따라 실리콘기판의 표면온도에 대한 실제값과는 상당한 차이를 보이고 있다.

다시말하면, 제1도에 도시된 바와 같이 종래의 플라즈마 화학장치에서 증착온도를 측정하는 방법은 대개 반응기(1)의 상부에 확산전극(2)이 형성되고 하부에는 열선(3)으로 가열되는 열판(4)상에 실리콘웨이퍼(5)를 올려놓은 상태에서 열전대(T)를 이용하여 열판(4)의 온도를 측정하는 형태로서 실제로 텅스텐 박막의 증착이 일어나는 실리콘웨이퍼의 표면온도와 열판의 온도사이에는 상당한 차이가 존재하게 된다.

이와 달리 실리콘웨이퍼의 표면온도를 직접 측정하는 방식으로서 고온계(optical pyrometer)를 이용하는 형태가 알려지고 있으나, 이 방법 역시 플라즈마에 의한 방출(emission)과 텅스턴 박막의 성장이 진행됨에 따라 방사율(emissivity)이 변화함으로써 정확한 온도를 측정할 수 없다는 문제점이 있다[참조 : J.E.J.Schmitz, J.L.G. Suijker, M.J. Buiting, Tungsten and Other Refractory Metals for VLSI Application Ⅳ, eds. R.S. Blewer and C.M. McConica, Materials Research Soc., Pittsburg, p.211, 1989].

한편, 열전대를 실리콘웨이퍼의 표면에 위치시켜 직접 실리콘 웨이퍼의 표면온도를 측정하는 방식이 고려되고 있긴 하나, 이와 같은 경우에는 실제에 있어서 고주파전자기장이 열전대에 유기됨으로써 정확한 온도측정이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 플라즈마 화학증착법에 의한 텅스텐 박막의 증착시 종래의 증착온도 측정방식이 지니고 있는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 증착장치내부에 실제로 증착이 행해지는 실리콘웨이퍼와 동일한 측정용 실리콘웨이퍼를 위치시킨 상태에서 측정용 실리콘웨이퍼에 홈을 형성하여 이 홈에 고주파전자기장을 차단시킨 열전대를 삽입하여 실리콘웨이퍼의 정확한 표면온도를 측정하고 제어하는 텅스텐 박막 제조용 플라즈마 화학증착 온도 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.

특히, 본 발명은 측정용 실리콘웨이퍼의 표면에 직접 삽입된 열전대의 주위를 금속제 보호용관으로 둘러싸서 고주파전자기장을 차단시킴으로써 실리콘웨이퍼 표면에 대한 정확한 온도측정 및 제어가 가능하여 10μΩ-㎝정도의 낮은 비저항값을 갖는 실리콘 박막을 증착할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해서 그 개략적인 구조의 일예를 보인 제2도에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이 본 발명의 방법에 사용되는 플라즈마 화학증착장치의 구조는 스테인레스강으로 이루어진 원통형의 반응기(1)내에 확산전극(2)과 열선(3)에 의해 가열되는 열판(4)이 상·하부에 설치되어 확산전극(2)을 통해 반응기체를 유입시켜 열판(4) 위에 놓여진 실리콘에이퍼(5)상에 텅스텐 박막의 증착을 행하는 장치에 있어서, 직경이 약 0.5㎜인 홈(5a')(5a")을 갖는 측정용 실리콘웨이퍼(5')(5") 두장을 열판(4) 위에 위치시킨 상태에서 그 각 홈(5a')(5a") 내부에 고주파전자기장 차단을 위한 보호용관(6)(6')으로 둘러싸인 열전대(7)(7')를 삽입하여 열전대(7)(7')와 홈(5a')(5a")내면을 세라믹 본드로 접합시키고, 보호용관(6)(6')을 반응기(1)의 외측으로 연장시켜 반응기(1)의 하단전극인 열판(4) 및 반응기(1)와 함께 공통 접지시키는 한편 열전대(7)(7')는 각기 온도제어기(미도시) 및 디지탈전압계(미도시)에 연결시켜 실리콘웨이퍼의 표면 온도를 측정하도록 구성되어 있다.

이때, 열전대(7)(7')로는 k-형 열전대를 사용하는 것이 바람직하며 열전대(7)(7')가 위치하는 보호용관(6)(6')은 진공봉합을 행하게 된다.

이와 같은 구조의 본 발명 장치를 이용하여 실리콘웨이퍼에 텅스텐 박막을 증착시키는 경우 측정용 실리콘웨이퍼상에 장착된 열전대를 통하여 측정된 온도는 성장반응이 실제로 진행되는 실리콘 웨이퍼의 표면온도 그 자체이기 때문에 이 측정된 온도를 바탕으로 하여 증착의 최적온도를 유지하도록 반응기를 제어함으로써 10μΩ-㎝내외의 비저항값을 갖는 텅스텐 박막이 얻어지게 된다.

제3도의 그래프는 상기 본 발명 장치를 이용하여 측정한 실제 실리콘웨이퍼의 표면온도를 증착온도로 볼때와 종래의 측정방식인 제2도의 점선으로 표시한 바의 열전대를 열판하부에 설치하여 열판의 온도를 측정하여 그 값을 증착온도로 볼때 반응기내의 압력변화에 따라 증착온도로 볼때 반응기내의 압력변화에 따른 증착온도의 차이를 대비하여 나타내고 있다.

제3도를 통하여 알 수 있듯이 반응기내의 전체압력이 낮을 수록 열판의 온도와 실리콘웨이퍼의 표면온도차이가 증대된다.

다시말하면 실제로 증착반응이 일어나는 실리콘 웨이퍼의 표면 온도가 257℃일때 열판의 온도는 증착압력이 낮아질수록 더 높은 온도를 유지하게 됨에 따라 열판의 온도를 증착온도로 간주한 상태에서 증착온도를 제어하는 경우 실제 실리콘웨이퍼 표면에서는 훨씬 낮은 온도를 나타낸다는 사실을 알 수 있어, 결국 텅스텐 박막의 증착시 실리콘 웨이퍼 표면의 온도를 측정하지 않는 경우 실제 텅스텐 박막의 증착온도는 70-150℃정도 낮은 온도에서 증착을 수행하는 경우가 되어 최적의 증착온도범위를 크게 벗어난 상태에서 증착이 이루어지는 결과 저저항의 텅스텐 박막제조가 불가능해지게 된다.

다음, 제4도는 본 발명의 장치를 이용하여 증착온도를 측정하고 측정된 값을 제어하면서 텅스텐 박막을 증착시켰을 때 증착온도의 변화에 따른 텅스텐 박막의 비저항값 변화를 보인 그래프로서 증착온도가 250℃이상으로 되어야만이 낮은 비저항값을 갖는 텅스텐 박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

반면에 종래의 플라즈마 화학증착장치와 같이 열판의 온도를 측정하여 제어할 경우 증착온도를 350℃라고 했을 때 실제 실리콘 웨이퍼 표면에서는 250℃이하의 온도를 유지함에 따라 제4도의 도표에서와 같이 저항값이 상당히 높게 나타나게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 플라즈마 화학증착장치의 반응기내에 위치하는 실리콘 웨이퍼 표면상에 보호용관으로 둘러싸여 고주파전자기장이 차단된 열전대를 직접 삽입하여 증착온도를 측정함으로써 정확한 증착온도의 측정이 가능함에 따라 낮은 비저항값을 갖는 텅스텐 박막을 손쉽게 성장시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

반응기(1) 내부에 확산전극(2)과 열선(3)으로 가열되는 열판(4)이 구비된 플라즈마 화학증착장치에 있어서, 증착용 실리콘웨이퍼(5)와 함께 표면에 홈(5a')(5a")이 형성된 두개의 측정용 실리콘웨이퍼(5)(5')를 열판(4)상에 위치시킨 상태에서 고주파전자기장 차단을 위한 보호용판(6)(6') 관으로 둘러싸인 열전대(7)(7')를 상기 측정용 실리콘웨이퍼(5')(5")의 홈(5a')(5a")에 직접 삽입하는 한편 반응기(1)의 외측으로 연장된 보호용관(6)(6')을 접지시켜 증착용 실리콘 웨이퍼(5)의 표면온도를 측정하도록 구성됨을 특징으로 하는 텅스텐 박막 제조용 플라즈마 화학증착 온도 측정장치.