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KR100355913B1 - 박막제조방법및장치 - Google Patents

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KR100355913B1
KR100355913B1 KR1019960706960A KR19960706960A KR100355913B1 KR 100355913 B1 KR100355913 B1 KR 100355913B1 KR 1019960706960 A KR1019960706960 A KR 1019960706960A KR 19960706960 A KR19960706960 A KR 19960706960A KR 100355913 B1 KR100355913 B1 KR 100355913B1
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조셉 티 힐만
리네 이 레브랑
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도쿄 엘렉트론 가부시키가이샤
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Abstract

종래의 열 CVD 온도보다 충분히 낮은 온도에서 플라즈마 보강 화학증착에 의해 기판(22) 상에 막을 증착시키기 위해, 기판이 반응 챔버(12) 내에 배치되고 제 1 가스는 기판의 상류에서 여기되어 제 1 가스의 활성 라디컬을 발생시킨다. 제 2 가스는 기판에 인접하게 제공되어 제 1 가스의 활성 라디컬과 혼합되고 그 혼합물은 기판에 표면 반응을 생성하여 막을 증착시킨다. 기판의 회전은 가스 혼합물을 층류(29)에서 기판 표면으로 끌어당겨서 재순환과 라디컬 재결합을 감소시킨다. 다른 증착 방법은 활성 라디컬 및 이온을 집중된 플라즈마에서 기판 표면에 인접하게 발생시키는 전극을 형성하기 위해 RF 에너지로 바이어스되는 가스 분산용 샤워 헤드(298)를 사용한다.

Description

박막 제조 방법 및 장치{Method and apparatus for producing thin films}
집적 회로를 형성하는 데 있어서, 금속 및 비금속 요소를 함유하는 박막은 종종 반도체 웨이퍼와 같은 기판의 표면 위에 증착된다. 박막은 다양한 장치의 IC사이와 회로에 전도성 오옴(ohmic) 접촉부를 제공하기 위하여 증착된다. 예를 들면, 바람직한 박막은 접촉부의 노출된 표면에 적용되거나, 반도체 웨이퍼 위의 바이어 구멍(via hole)에 적용되어서 절연층을 가로질러 상호 연결부를 만들기 위하여 전도성 재료의 플러그를 제공하도록, 박막이 상기 웨이퍼 위의 절연층을 통과한다.
금속 박막을 증착하는 공지된 종래 기술 중 하나로서는, 기판의 표면에 다양한 증착물 또는 반응 가스에서 화학적인 반응을 사용하여 박막이 증착되는 화학 증기 증착(CVD)이 있다. CVD에서, 반응 가스는 반응 챔버 내부의 기판에 근접된 부분안으로 펌프되고, 상기 가스는 기판 표면에서 연속적으로 반응하여 기판 표면 위에 막을 형성하는 하나 이상의 반응 생성물을 발생시킨다. 증착 후에 남아 있는 어떠한 생성물도 챔버로부터 제거된다. CVD는 막을 증착시키기 위한 유용한 기술이고, 통상의 많은 CVD 방법은 기본적으로 열처리 방법이며 필요한 반응을 얻기 위해서는 1000℃ 이상의 온도를 요구하게 된다. 이와 같은 증착 온도는 종종 너무 높아서 IC를 구성하는 전기 장치의 층과 다른 다양한 특징부에 미치는 영향으로 인하여 IC 제조에 실질적으로 유용하지 못하다.
특히, IC 구성품의 몇몇 특징부는 일반적으로 통상적인 열 CVD 방법에 관련된 고온에 노출됨으로써 품질이 저하된다. 예를 들면, IC 수준의 장치에서, IC 내의 전기 장치의 접합부를 형성하는 반도체 불순물이 얕게 확산된다. 이 불순물이 초기 확산 단계시 열을 사용하여 확산되므로, IC가 CVD시 고온에 노출될 때 불순물은 계속 확산된다. 상기와 같은 부가 확산은 상기 장치의 접합부를 변동시킴으로써 IC의 전기적인 특성을 변화시키기 때문에 바람직하지 못하다. 그러므로, IC 장치를 위해서는 약 800℃의 처리 온도에 기판을 노출시키는 것은 피하고, 상부 온도 한계는 온도에 민감한 다른 장치를 위해서 650℃ 이하가 될 수 있어야 한다.
또한, 금속적인 상호 연결 또는 결선이 IC에 적용된 다음 열 CVD를 실행한다면 상기와 같은 온도 제한은 보다 엄격해 질 수 있다. 예를 들면, 많은 IC는 상호연결 금속으로써 알루미늄을 사용한다. 그러나 고온의 처리 온도에 노출될 때 바람직하지 못한 다양한 기공(void)과 돌출부가 발생된다. 그러므로, 상호 연결 알루미늄이 IC 위에 증착된다면, 노출될 수 있는 최대 온도는 약 500℃이며, 양호한 상부온도의 한계는 400℃이다. 그러므로 CVD 공정 동안 가능하면 낮은 증착 온도를 유지하는 것이 바람직하다는 사실을 알 수 있다.
또한, 기판이 필연적으로 노출되는 상부 온도 한계로 인해, IC 제조에 매우 유용할 수 있는 종래의 몇몇 CVD 방법을 사용할 수 없다. 한 유용한 방법의 양호한 예는 티타늄의 화학 증착이다. 통상적으로 티타늄은 IC 장치의 실리콘 접촉부와 금속 상호 연결부 사이에서 오옴 접촉부를 제공하기 위하여 사용된다. 티타늄은 단일 분자 열분해(unimolecular pyrolysis) 또는 수소 감소와 같은 CVD 방법을 사용함으로써 TiBr4, TiCl4또는 Til4로부터 증착될 수 있다. 그러나, 상기 열 방법에 필요한 온도는 1000℃ 이상이고, 이와 같은 증착 온도는 IC 제조에 실질적으로 사용하기에 너무 높다. 그러므로, 티타늄 및 티타늄 함유막의 증착은 집적 회로형성에 문제를 발생시킨다.
당기술 분야에는 온도에 민감한 기판 위에 티타늄을 증착시키기에 유용한 저온의 물리적인 기술이 있다. 스퍼터링은 이러한 기술의 한 방법이고, 이것은 층재료의 타겟과 이온화된 플라즈마를 사용하는 과정을 포함한다. 증착막을 스퍼터링하기 위하여, 상기 타겟은 전기적으로 바이어스되고 플라즈마로부터의 이온은 타겟을 이온 등으로 충격을 주고 타겟 재료의 입자를 제거하기 위하여 타겟으로 유인된다. 입자는 그 다음 기판 위에 입자 그 자체가 막으로써 적층되게 증착된다. 다양한 접촉부 또는 바이어 구멍(via opening)이 기판 레벨로 절단된 다음 티타늄이 예를 들면 실리콘 기판 위에 스퍼터링된다. 그때, 기판은 약 800℃으로 가열되어 실리콘과티타늄이 합금되어서 티타늄 규화물(TiSi2) 층을 형성될 수 있게 한다. 티타늄층의 증착 이후에, 초과된 티타늄은 각각의 접촉부 또는 바이어의 저부에서 TiSi2를 남기는 기판의 상부면으로부터 에칭 제거된다. 그 다음 금속 상호 연결부는 TiSi2위에 직접 증착된다.
물리적인 스퍼터링은 저온에서 티타늄막의 증착을 제공하지만, 스퍼터링 방법은 여러가지 결점을 가진다. 일반적으로 스퍼터링은 매우 나쁜 단계 적용 범위(step coverage)를 나타낸다. 단계 적용 범위는 기판의 상부면 또는 접촉부 측부의 막 두께에 대한 기판 웨이퍼 위의 접촉부 저부의 막 두께 비율로써 규정된다. 결과적으로, 접촉부 또는 바이어의 저부에서 소정 양의 티타늄을 스퍼터링 증착시키기 위하여, 보다 많은 양의 스퍼터링된 티타늄은 기판의 상부면 또는 접촉부의 측부 위에 증착되어야만 한다. 예를 들면, 스퍼터링을 사용하여 접촉부 저부에서 200Å막을 증착시키기 위해서는, 600Å 내지 1000Å의 막층이 기판의 상부면 또는 접촉부의 측부 위에 증착될 수 있다. 초과된 티타늄은 에칭으로 제거되어아만 되기 때문에, 스퍼터링은 티타늄을 함유한 증착을 실행할 때, 과다한 낭비 및 비용을 필요로 한다.
또한, 스퍼터링 기술을 가진 접촉부의 단계 적용 범위는 접촉부 또는 바이어의 애스펙트 비(aspect ratio)가 증가될 때 감소된다. 접촉부의 애스펙트 비는 접촉부의 폭에 대한 접촉부 깊이의 비율로씨 규정된다. 그러므로, 보다 두껍게 스퍼터링된 막은 얕고 넓은 접촉부(낮은 애스펙트 비)가 필요한 것보다 접촉부의 저부에서 특정 막 두께를 얻기 위하여 좁고 깊은(높은 애스펙트 비) 접촉부의 상부 또는 측부 위에 증착되어야만 한다. 다시 말하면, IC에서 보다 작은 크기의 장치를 위하여, 높은 애스펙트 비의 접촉부와 바이어에 대응하는 스퍼터링은 효율이 떨어지고 낭비가 심하게 된다. 보다 작은 장치에서 스퍼터링 증착시 감소된 단계 적용범위는 증착되어야만 하는 티타늄의 양을 증가시키므로, 적용되어 에칭 제거되는 티타늄의 양을 증가시키고 티타늄 증착 시간을 증가시키며 과잉 티타늄을 제거하는데 필요한 에칭 시간을 증가시킨다. 따라서, IC 장치의 형태가 계속하여 축소되고 애스펙트 비가 증가될 때, 스퍼터링에 의한 티타늄 함유층의 증착은 매우 작은 비용을 요하게 된다.
한편, 티타늄 함유층을 증착하기 위하여 CVD 방법을 사용하는 것은 거의 100%의 단계 적용 범위로 성취될 수 있다. 즉, 접촉부의 저부에서 막 두께는 접촉부 또는 바이어의 애스펙트 비와 상관없이 상부면의 두께에 거의 동일하게 될 수 있다. 그러나 상술된 바와 같이, 상기 CVD 방법에 필요한 온도는 너무 높고 IC의 다른 애스펙트를 손상시킨다. 또한, 800℃보다 작은 온도, 양호하게는 650℃ 이하의 온도에서 티타늄 CVD를 성취하는 것이 바람직하다. 또한 IC 제조에서 막을 증착시키는 데에 사용되는 어떠한 CVD 방법의 증착 온도를 감소시키는 것이 바람직하다.
반응 온도를 낮추기 위하여 CVD 방법에 사용되는 한 접근 방안은 하나 이상의 반응 가스를 이온화시키는 것이다. 이러한 기술은 일반직으로 플라즈마 보강화학 증기 증착(PECVD)으로서 언급된다. 증착 온도를 어느 정도 감소시킬 수 있지만,이온화된 플라즈마 입자의 높은 고착 계수(sticking coefficient)는 막의 단계 적용 범위를 감소시킨다. 즉, 반응 가스의 이온은 매우 반응적이고, 기판의 바이어 또는 접촉부의 벽에 접촉하여 고착되는 경향을 가진다. 이온 입자는 코팅이 바람직한 접촉부의 저부면에 대하여 하향으로는 이동되지 않고, 접촉부의 측부를 비균일적으로 코팅한다. 이러한 점은 재료 사용과, 증착 시간 및 에칭 시간을 증가시킨다. 그러므로, 이온화된 반응 가스를 사용하는 PECVD는 통상의 높은 CVD 온도를 하강시키고 양호한 단계 적용 범위 및 막 균일성을 성취하기 위한 완전히 적절한 해결책일 수 없다.
또한, 막을 적용하기 위해 CVD 방법을 사용할 때, 막을 균일하게 증착시키는 것이 바람직하고, 이와 같이 실행하기 위해, 텅스텐(W)의 균일한 막을 적용하는 것과 같이, 예를 들어, 반응 가스는 균일하게 기판의 표면을 가로질러 공급되어야만 하고, 소비된 가스와 반응 생성물은 코팅되는 표면으로부터 제거되어야만 한다. 이러한 점에서 볼 때, 종래 기술의 CVD 방법은 제한된 결과로 다시 실행되야 한다. 특히 공지된 CVD 방법에서, 반응 가스 흐름의 난류는 코팅 방법의 효율과 균일성을 저해하고, 증착물을 악화시키며 반응 챔버 내로 오염물을 이동시킨다. 텅스텐 CVD 방법에서, 텅스텐 헥사플루오라이드(WF6)가 반응 가스로서 사용된다. 텅스텐 헥사 플루오라이드는 매우 값이 비싸므로, 반응 가스 사용 효율이 낮게 될 때, 전체 처리 가격은 매우 높게 된다. 따라서, 보다 효과적이며 균일하게 반응 가스를 공급하고 코팅되는 기판의 표면으로부터 반응 생산물을 제거하기 위하여, 가스 흐름이 향상되어 가스 흐름에서 난류가 감소되는 CVD 방법이 요구된다.
그러므로, 보다 낮은 온도에서 성취될 수 있는 CVD 방법이 바람직하다. 또한 양호한 단계 적용 범위를 제공하는 저온 증착을 하는 것이 바람직하다. 또한 균일한 막 두께를 생산하고 반응 가스를 효과적으로 사용하는 PECVD 방법을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 목적은 현재 사용되고 있는 다양한 CVD와 PECVD 방법의 문제점과 결점을 해결하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 CVD를 사용하는 티타늄과 티타늄 함유막의 증착 과정과 관련된 난점을 해소하는 것이다.
본 발명은 기판에 막 코팅을 적용시키기 위한 플라즈마 보강 화학 증기 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD)에 관한 것으로서, 특히 기판 표면에서 낮은 증착 온도에서 효과적으로 실행되는 PECVD에 관한 것이다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명은 저온 CVD를 사용하는 티타늄 함유 막의 증착에 관한 것이다.
도 1은 극초단파 에너지를 사용하는 본 발명의 방법을 실행하는데 사용된 상류부의 플라즈마 보강 증착 챔버의 한 실시예를 도시하는 부분적인 측단면도.
도 1A는 극초단파 에너지를 사용하는 상류부의 플라즈마 보강 증착 챔버의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 RF 샤워 헤드/전극을 사용하는 본 발명의 방법을 실행하기 위하여 시용된 증착 챔버의 한 실시예의 부분적인 측단면도.
도 2A는 도 2의 형상을 보다 상세하게 도시하는 도면.
도 2B는 도 2의 형상의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 RF 에너지를 사용하는 상류부의 플라즈마 보강 증착 챔버의 제 2 실시예의 부분적인 측단면도.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 상류부의 활성 라디컬 없이 증착하기 위해 필요한 활성 에너지와 활성 라디컬로 증착하는데 필요한 활성 에너지의 아르헤니우스(Arrhenius function) 함수 그래프.
도 5는 상류부의 활성 라디컬이 있는 것과 없는 것 각각에 따라서 증가되는 회전 속도 함수로써 증가되는 증착비의 그래프.
도 6은 실리콘 기판을 중첩시키는 산화규소층에서 패턴화된 바이어 위에 티타늄막을 선택적으로 증착시키는 것을 도시하는 현미경 사진.
본 발명의 CVD 장치와 방법에 의하면 현재 사용되고 있는 많은 열 CVD와 PECVD 장치 및 방법과 관련되는 고온 및 가스 흐름의 결점을 극복할 수 있다. 특히, 본 발명은 종래의 열 CVD 방법과 비교하여 보다 낮은 온도에서 티타늄 함유막을 증착한다. 또한, 그와 같이 실시함에 있어서, 본 발명은 발생된 막 층의 균일성을 손상시키지 않으며, 기판 표면에서 가스 난류를 감소시키면서 활성 반응 가스를 효과적으로 사용한다.
본 발명의 저온 증착은 2개의 다른 방법으로 성취된다. 제 1 방법은 플라즈마 상류부의 원격 발생법이다. 상기 플라즈마는 회전 서셉터(susceptor)에 의하여 기판으로 펌프되고 기판으로 이동할 때 소멸되므로, 우세한 활성 가스 라디컬(gas radicals)이 제공된다. 이 가스 라디컬은 CVD 기술에 의하여 기판 위에 막 층을 증착시키기 위하여 여기되지 않은 반응 가스와 혼합한다. 회전 서셉터의 핌프 작용은 유용한 퍼센트의 라디컬을 발생시키기 위하여 가스 입자의 재순환과 충돌을 최소화시킨다.
제 2 방법은 기판 표면에 매우 근접되고 집적된 플라즈마를 발생시키는 RF 샤워 헤드 디자인(shower head design)을 사용하는 것이다. 모든 가스, 플라즈마 및 반응 가스는 상기 RF 샤워 헤드 전극을 통과하여 여기된다. 상기 서셉터가 다른 전극으로서 작용하기 때문에, RF 샤워 헤드와 서셉터는 평행한 판형 전극 형상을 형성한다. 상기 RF 전극 방법으로서, 상기 플라즈마 가스는 표면 반응에 에너지를 부여하는 이온과 라디컬의 혼합물을 수용하는 기판에서 화학 증기 증착에서 사용된다.
보다 상세히 설명하면, 본 발명의 한 CVD 방법은 기판 웨이퍼의 상류부에서, 가스의 다양하게 여기된 입자를 수용하고, 자유 전자는 물론, 충전된 이온 및 여기된 중성 전하 라디컬(charge-neutral radicals)을 포함하는 가스 플라즈마를 발생시키기 위하여 플라즈마 소스를 사용한다. 플라즈마 가스의 여기된 입자와, 널리 여기된 라디컬 입자는 이들이 중성 분자를 형성하기 위하여 결합되는 기회를 갖기 전에 표면으로 이동한다. 상기 여기된 라디컬은 기판 위에 박막을 형성하기 위하여 하나 이상의 반응 가스와 화학적으로 반응한다. 이 여기된 라디컬이 표면 반응에 에너지를 공급함으로써, CVD는 통상적인 CVD 방법에서 요구되는 것보다 더 낮은 온도에서 본 발명의 원리에 따라 사용될 수 있다.
이온화된 입자를 사용하는 종래의 PECVD와 관련하여 층의 균일성이 감소되는 것과 입자가 고착되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명은 균일한 막을 발생시키는 기판 표면에서 중성 전하의 활성 라디컬을 사용한다. 그러나, 활성 가스 라디컬의수명은 이들이 낮은 에너지의 안정된 분자 구조로 재결합될 때 짧아진다. 상술된 바와 같이, 본 발명은 유효수의 활성 라디컬이 원래의 안정된 가스 분자를 형성하기 위하여 재결합 될 수 있기 전에 상기 라디컬을 기판 표면에 가져옴으로써 활성화된 가스 라디컬을 효과적으로 사용하도록 한다. 상기 라디컬의 효과적인 분산을 위하여, 본 발명은 기판을 지지하고 회전시키는 회전 서셉터를 사용하고, 기판의 방향에서 펌프 작용을 하향으로 발생시킨다. 상기 회전 서셉터는 기판 표면에 라디컬을 펌프한다.
반응 가스 또는 가스는 활성 가스 라디컬과 혼합하기 위하여 기판 표면 위의 증착 영역으로 도입된다. 회전 서셉터의 하향 펌프 작용 작동은 라디컬과 반응 가스의 혼합물을 기판 표면을 향하여 동시에 끌어당긴다. 기판 표면에서, 라디컬과 반응 가스의 혼합물은 거의 균일한 층류 패턴에서 기판의 중심으로부터 반경방향의 외향으로 흐르고, 여기된 라디컬은 기판 표면 위에 증착되는 막층을 발생시키는 표면 반응에서 반응 가스 입자와 반응한다.
활성 라디컬은 표면 반응에 에너지를 공급하므로, 기판 표면에서 발생되는 화학 반응에 필요한 열에너지와 같은 필요한 에너지를 감소시킨다. 그러므로, 증착 과정은 통상의 CVD 방법에 의해 요구되는 온도보다 더 낮은 온도에서 발생된다. 예를 들면, 본 발명을 사용하는 티타늄 함유층의 증착 과정은 통상의 열 CVD 방법을 위한 1000℃ 미만 또는 600℃의 온도에서 성취될 수 있다.
회전 서셉터에 의하여 발생되는 펌프 작용과 가스의 층류는 기판 표면에서 라디컬의 유용 밀도를 보장한다. 예를 들면, 500 내지 50,000sccm(분당 표준의 세제곱 센티미터) 사이의 가스 흐름과, 0 내지 1000rpm의 서셉터 회전 속도, 67 내지 1300 Pa의 반응 챔버 압력 및, 1 내지 20sccm의 반응 가스 흐름속도를 사용함으로써, 본 발명은 650℃ 이하의 온도에서 CVD 기술로부터 박막을 생산한다. 상기 상류부의 플라즈마는 RF 신호 또는 극초단파 신호를 사용하여 여기될 수 있다. 따라서, 본 발명은 플라즈마가 2.54GHz보다 높고 13.56KHz보다 낮은 주파수에서 여기될 때 바람직한 결과를 얻는 것으로 확인되었다.
회전 서셉터에 의하여 발생되는 층류 패턴은 기판 표면에서 가스 입자 재순환과 차후의 라디컬 재결합을 최소로 감소시키므로, 저온 CVD 방법을 위해 기판 표면에서 사용할 수 있는 활성 라디컬은 더욱 증가된다. 따라서, 본 발명의 방법에서, 서셉터의 회전 속도를 증가시키면, 기판 표면에서 증착비가 증가한다. 회전 서셉터의 펌프 작용에 의하여 발생되는 층류와 활성 라디컬의 독특한 결합으로 인하여, 본 발명의 증착비는 증가된 펌프 작용으로부터 발생되는 기판 표면에서 분자반응이 증가하기 때문에 성취될 수 있는 것 이상으로 증가된다. 즉, 서셉터의 회전 속도의 증가는 보다 높은 비에서 반응 가스를 기판을 향하여 끌어당기는 것 이상 성취하고; 이것은 라디컬의 재결합을 부가로 축소시켜 보다 많은 라디컬을 제공한다. 상기 기판에 대한 라디컬 분배의 향상은 PECVD 방법에서 중요한 요인이 된다. 그것은 많은 양의 라디컬 재결합 손실이 없이 표면 증착에서 라디컬이 발생되도록, 상류부 또는 기판으로부터 이격되게 형성된 대부분의 라디컬이 기판 표면으로 운반될 수 있게 한다. 이러한 발전과 그 결과 표면 반응에서 에너지가 증가하므로 보다 낮은 증착 온도에서도 반응이 일어날 수 있게 한다.
본 발명의 RF 전극 플라즈마 발생 방법에서, 상기 플라즈마 가스는 전극으로서 작용하기 위하여 RF 에너지로 바이어스되는 가스-분산 샤워 헤드를 사용하는 기판 표면 근처로 운반된다. 기판을 지지하는 서셉터는 다른 평행한 전극으로써 작용된다. 상기 RF 샤워 헤드/전극은 기판의 표면에 매우 근접된 집적 플라즈마를 발생시키고, 상기 샤워 헤드에 부착된 가스 분산 실린더는 가스가 플라즈마로 일정하게 흐르도록 보장한다. 기판에 인접한 플라즈마는 표면 작용을 위해 큰 밀도의 활성 라디컬과 이온을 보장한다. 즉, 가스 라디컬과 가스 이온의 결합은 RF 샤워 헤드/전극 방법에서 사용된다. 샤워 헤드/전극을 사용함에 있어서, 발생된 플라즈마와 기판 사이에서의 2.54cm(1 inch) 이하의 공간에서 바람직한 CVD막을 제조할 수 있다. 또한, 상기 RF 샤워 헤드/전극 방법을 샤워 헤드 아래에 플라즈마를 집적시키도록 하고, 효과적인 증착을 위하여 기판에 근접되도록 한다. 상기 RF 샤워 헤드는 13.56MHz 내지 450KHz 이하의 RF 주파수에서 사용된다.
본 발명은 다수의 다른 플라즈마 가스와 반응 가스를 사용할 수 있지만, 본 발명은 수소와 질소의 라디컬과 이온 또는 분해된 4염화 티타늄(TiCl4) 및 암모니아(NH3)를 함유하는 플라즈마를 사용하여 순수 티타늄(Ti), 티타늄 질소화물(TiN) 및/또는 티타늄 규화물(TiSi2)막과 같은 티타늄 함유막을 기판에 증착시키는 데에 특히 유용하다. 아르곤과 같은 희석제가 플라즈마 가스와 혼합될 수 있다. 또한, H2, N2및 NH3이외의 다른 플라즈마 가스가 본 발명에 따른 표면 반응에 라디컬 및 이온을 공급하기 위하여 본 발명의 원리에 따라 사용될 수 있다.
특정 실시예에서, 본 발명은 기판 위의 알루미늄층에 대해 티타늄막을 증착시키는 데애 유용한 것으로 확인되었다. 본 발명에 따른 증착 온도는 알루미늄층이 증착하는 동안 재유동에 의하여 손상되지 않을 만큼 충분히 낮게 된다.
다른 특정 실시예에서, 본 발명은 하부 실리콘층 안에서 바이어(via)로 패턴화된 필드 산화물(산화규소)층을 가진 기판 위에 티타늄을 선택적으로 증착하는데 유용한 것으로 확인되었다. 어떤 상태에서는, 티타늄이 필드 산화물 위에 증착되는 일 없이 바이어 내에 실리콘층만을 증착하는 것으로 확인되었다.
본 발명의 다양한 하드웨어 실시예에 따라, 플라즈마는 극초단파와 라디오 주파수(RF) 소스를 포함하는 다양한 에너지 소스로부터 에너지를 사용하여 발생될 수 있다. 한 하드웨어 실시예는 플라즈마를 발생하기 위하여 RF 에너지로 바이어스되는 샤워 헤드/전극을 사용한다. 하나의 가능성 있는 상류부 플라즈마 실시예는 플라즈마 영역을 둘러싸고 있는 RF 코일을 갖는 통상의 이용 가능한 플라즈마를 사용한다. 다른 실시예는 극초단파 에너지로써 플라즈마를 원격으로 여기시키는 상류부 극초단파 플라즈마 소스를 사용한다. 원격의 플라즈마는 그때 관을 따라 펌프됨으로써 활성 라디컬이 형성된다. 관을 여기시키고 증착 챔버로 들어간 다음, 라디컬은 반응 가스와 혼합되어 회전 서셉터에 의하여 기판 표면으로 당겨진다.
본 발명과 본 발명의 특별한 장점 및 특징은 첨부 도면을 참고로 하여 하기에 보다 상세히 설명될 것이다.
본 발명은 활성 가스 라디컬 및/또는 활성 가스 라디컬 및 이온을 사용하는 저온의 CVD를 성취하기 위한 방법 및 장치를 포함한다. 활성 이온과 라디컬 및, 그에 따른 저온 CVD 방법을 적절하게 사용하려면 기판 표면에서 라디컬 및/또는 이온의 유용한 밀도를 필요로 한다. 본 발명에 따라 사용되는 회전 서셉터는 증착 챔버 내부에서 기판을 회전시키고 기판 표면에 대하여 하향으로 활성 가스 라디컬을 끌어당긴다. 라디컬과 반응 가스는 막을 증착시키기 위하여 기판 위의 표면 반응에 부가된다. 상기 활성 중성 전하 라디컬과 충전된 이온은 표면 반응에 에너지를 부여하므로, 상기 막은 열 CVD 기술로써 가능한 온도 보다 낮은 저온에서 화학증착 기술로 기판 표면에 증착된다. 또한, 이온과 라디컬이 플라즈마에 의하여 활성화되기 때문에, 표면 반응을 완성하기 위하여 보다 낮은 열 에너지가 요구된다.
양호하게는, 상류부의 플라즈마 발생에서, 널리 퍼진 라디컬이 저온의 표면반응에 작용하기 위하여 기판 표면에 제공된다. 서셉터에 의하여 발생된 가스 층류는 충돌 과정이 감소되고 그 결과, 안정된 분자로 활성 라디컬이 연속적으로 재결합하는 것을 감소시키므로, 라디컬의 유용한 밀도는 표면 반응과 그에 따른 막형성에 작용하기 위하여 기판 표면으로 운반된다. 상기 RF 샤워 헤드/전극 방법에서, 플라즈마는 이후에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 기판에 매우 근접되도록 발생될 수 있고, 그에 따라 활성 이온과 라디컬의 효과적인 사용이 강화된다. 본 발명은 통상의 열 CVD 기술과 비교하여 매우 저온에서 성취될 수 있는 CVD 기술을 제공하므로, 낮은 증착온도를 필요로 하는 집적 회로를 제조하는데 실용적이다. 또한, 본 발명의 방법은 스퍼터링 증착 기술과 다른 CVD 기술에 비하여 단계 적용범위와 막의 균일성이 개선된다. 본 발명은 저온의 CVD에 의하여 다양하게 서로 다른 막을 증착시키기 위하여 사용될 수 있지만; 저온에서 티타늄 질화물(TiN)과 같은, 티타늄 함유 막과, 특히 순수 티타늄 금속을 증착시키는데 유용하다.
도 1은 본 발명의 상류 플라즈마 보강 CVD를 실행하기 위하여 회전 서셉터를 가진 상류 플라즈마 소스의 한 실시예를 도시한다. 도 1의 실시예는 활성 라디컬이 그 플라즈마 소스로부터 당겨지는 상류부 반응 가스 플라즈마를 발생하기 위한 극초단파 플라즈마 소스를 사용한다. 반응기(5)는 반응 공간(12)을 둘러싸는 챔버하우징(10)을 포함한다. 이 하우징(10)은 본 발명을 실행하기 위하여 바람직한 내부 증착 압력으로 제어 가능하게 진공으로 될 수 있다. 예를 들면, 수소가스(H2), 질소가스(N2) 및/또는, 암모니아(NH3)와 같은 여기되는 플라즈마 가스가 석영 튜브(14)를 통하여 공간(12) 내로 도입된다. 플라즈마 튜브(14)는 L자 형상이고, 90°의 벤드(bend; 15)에 도달할 때까지 수평으로 연장되는 긴 부분(16)을 가진다. 상기 90° 의 벤드(15) 후에, 작은 직선 섹션(18)은 하향의 수직으로 연장되고 공간(12) 내로 개방되는 출구 단부(19)를 가진다. 또한, 하우징(10)은 모터(도시 생략)에 연결된 축(21) 위에 회전되는 회전 서셉터(20)를 포함함으로써, 회전 속도를 조정할 수 있다. 서셉터(20)는 반응 공간(10)에서 기판(22)을 지지한다. 온도 제어 장치(도시생략)는 바람직한 온도로 기판(22)을 가열하기 위하여 사용되는 서셉터(20)에 연결된다. 본 발명의 방법을 실행하기 위하여 회전 서셉터를 포함하는 적절한 반응기의 예로서는 아리조나 피닉스에 소재하는 머티리얼 리서치 코포레이션(MRC) 제품인 회전 디스크 반응기를 들 수 있다.
극초단파 에너지 소스(24)는 극초단파 도파관(26)을 통하여 플라즈마 튜브(14)에 연결된다. 상기 도파관(26)은 튜브(14) 내에서 여기 영역(28)을 형성하기 위하여 소스(24)로부터 튜브(14)로 극초단파 에너지(27)를 진달한다. 플라즈마 가스는 단부(13)에서 튜브(14) 내로 도입되고, 영역(28)을 통과하는 튜브(14)의 길이를 따라 이동되며, 상기 영역에서 상기 극초단파 에너지(22)는 가스를 여기시켜서 플라즈마를 형성하기 위하여 가스에 의해 흡수된다. 상기 튜브(14)에 발생되는 플라즈마는 이온과 활성 중성 전하 라디컬을 포함하는 다양한 활성 입자를 포함한다. 예를 들면, 수소 가스(H2)가 튜브(14) 내로 도입된다면, 자유전자(e-), 수소이온(H+) 및, 중성 전하의 활성 수소 라디컬(H*)을 함유하는 수소 플라즈마가 생산되며, 질소 가스(N2)는 전자, 질소 이온(N-) 및 활성 라디컬(N*)을 생산한다. 암모니아 가스(NH3)는 수소(H+) 및 질소(N*)의 라디컬을 생산하기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 아래에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, NH3는 (TiCl4)와 같은 반응 가스와 반응하여 바람직하지 못한 부가물(adduct)을 형성한다. 그러므로, 양호하게는 순수한 H2또는 N2가 여기되어 저온 CVD를 성취하기 위하여 사용된다.
플라즈마 가스와 같은 수소(H2)를 사용함에 있어서, 플라즈마의 발생은 이온화는 물론 다음과 같이 라디컬(H*)을 발생시킨다.
[화학식 1]
H2→ 2H++ 2e-(이온화)
여기된 가스 플라즈마가 튜브(34)의 수평면을 따라 이동될 때, 재결합은 화학식 2 에 따라 플라즈마가 소화될 때 발생하고, 첨가적인 수소 라디컬(H*)은 수소 이온과 자유전자의 결합을 통해서 생성된다.
[화학식 2]
H++ e- → H*(재결합)
시간이 경과됨에 따라, 제 2 재결합이 화학식 3에 따라 발생할 수 있다. 제 2 재결합은 반응에너지를 표면에너지에 제공하지 않는 비활성의 안정한 수소 가스분자들을 생성한다. 그러므로, 재결합하기 전에 기판(22)의 표면(23)에 활성 라디컬을 운반하는 것이 중요하다.
[화학식 3]
H*+ H*→ H2
플라즈마의 수소 라디컬(H*) 및 다른 잔여 가스 입자들은 튜브(14)의 약 90° 벤드(15) 주위로 이동되고 수직면(18)을 따라 아랫쪽으로 내려와서 서셉터(20)의 회전에 의해 출구(19)를 통해 반응공간(12) 속으로 들어간다. 회진 서셉터(20)는 기판(22) 방향 아랫쪽으로 펌프작용을 발생시킨다. 펌프작용은 화살표(29)로 표시된 바와 같이 웨이퍼 표면(23) 위에 가스의 층류를 형성시킨다.
바람직하게는, 서셉터(20)가 적합한 가스 흐름 조건을 성취하기 위해 작동된다. 적합한 가스 흐름에서, Q-1에 의해 나타난 아래방향의 가스 흐름의 속도는 Q-2에 나타낸 수평방향의 가스 흐름의 속도와 같다. 두 가스흐름의 속도가 같을 때, 적합한 흐름이 발생한다. 적합한 흐름에 대한 부가 설명은 "저온의 티타늄-질소 막의 화학 증기 증착법(CVD)" 이라는 명칭의 1993년 10월 5일에 출원되고 본원에서 참고로 합체된 제 08/131,900호 에 기재되어 있다.
본 발명의 원리에 따른 효율적인 CVD 반응을 위해서, 기판(22)에 도달하는 플라즈마 가스가 높은 비율(%)의 라디컬을, 특히 조성의 80% 이상의 활성 라디컬을 함유하는 것이 바람직하다. 이러한 높은 라디컬 조성은 플라즈마 가스가 기판(22)으로 최소 재결합으로 당겨지는 것을 필요로 한다. 라디컬을 최대로 사용하는 깃은 회전 서셉터(20)에 의해 발생된 층류에 의해 달성된다. 서셉터(20)의 층류 패턴은 가스 반응물의 재순환을 최소화하고 특히 기판 표면(23)에 활성화된 가스 라디컬의 재순환을 최소화한다는 사실이 실험을 통해 확인되었다. 다음에 최소의 재순환은 활성 라디컬의 가스 상태 충돌을 최소화 하며, 따라서 안정한 분자를 형성하기 위해 라디컬이 재결합하는 속도를 줄여준다. 즉, 상기 화학식 3에 따른 H*의 H2로의 재결합 양이 감소된다. 그 결과로서, 화학 표면 반응에 에너지를 공급하고 막의 화학 증기 증착에 필요한 에너지를 감소시키기 위해 기판표면(23)에 사용할 수 있는 유용한 활성 라디컬의 밀도가 커진다. 따라서, 본 발명은 증착 온도를 효과적으로 감소시켜준다.
가스 라디컬이 공간(12) 속으로 도입될 때, 반응 가스들은 도 1에 도시된 수직 조정 샤워 헤드(30)를 통해 도입된다. 예를 들면, 티타늄-함유 막을 증착하기위하여, 4염화티타늄(TiCl4), 4브롬화티나늄(TiBr4), 또는 4요오드화티타늄(Til4)과 같은 4할로겐화 티타늄가스, 바람직하게는 4염화티타늄(TiCl4)이 도입된다. 순수한 티타늄층을 위해, H2는 플라즈마로 여기될 수 있고, TiCl4는 반응 공간(12) 내로 도입될 수 있다. 그리고 나서, H*와 TiCl4의 혼합물은 통상적으로 서셉터(20)와 기판(22) 위의 공간(12) 내에 발생할 수 있다. 서셉터(20)의 펌프작용은 그 혼합물을 층류로 기판표면(23)에 내려오게 하고 활성화된 H*와 TiCl4는 표면(23)에서 반응하여 기판(22) 상에 박막을 증착한다. 수소 라디컬(H*)은 화학식 4에 따른 표면 반응에 에너지를 공급한다.
[화학식 4]
4H*+ TiCl4→ Ti + 4HCl
이 반응은 기판 표면(23) 상에 티타늄(Ti)의 막과 적당한 배기 포트(32)를 통해 제거될 수 있는 염산(HCl)막을 형성한다. 활성 라디컬에 의해 화학식 4의 반응에 제공된 에너지는 감소된 증착 온도에서 CVD막을 형성해야 한다.
상기 기술된 본 발명의 실시예는 기판(22) 상에 순수한 티타늄 층을 생산하지만, 티타늄 또는 기타 소정의 요소를 함유하는 여러 다른 재료의 층이 본 발명의 원리에 따라 증착될 수 있다. 예를 들면, 질화티타늄(TiN)은 수소(H2) 및 질소(N2)를 플라즈마 발생 튜브(14) 내로 도입하여 H*와 N*라디컬을 생성함으로써 증착될 수 있다. 또한, 암모니아 가스(NH3)가 여기될 수 있고 H*와 N*라디컬을 함유하는 플라즈마로 분해된다. 수소 가스 플라즈마 입자의 재결합과 마찬가지로, 만약 기판(23)의 표면에 신속하게 떨어지지 않는다면, 결국 N*라디컬은 질소분자(N2)로 결합할 것이다. 또 다른 예로서, 또한 규화티타늄(TiSi2)이 본 발명의 원리에 따라 증착될 수 있다. 이러한 경우에, 실란 가스(Silane gas)(SiH4)는 반응공간(12) 내로 티타늄-함유 가스(예, TiCl4)와 함께 도입될 수 있다. 부가적으로, 텅스텐(W)은 도 1 의 장치 및 상기 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 질화티타늄 및 규화티타늄을 형성하기 위한 화학반응의 실시예는 각각 아래 화학식 5와 6에 주어진 것과 같다.
[화학식 5]
TiCl4+ N*+ 4H*→ TiN + 4HCl
[화학식 6]
TiCl4+ 2SiH4+ 4H*→ TiSi2+ 4HCl + 4H2
도 1 의 극초단파 플라즈마 증착 장치는 텅스텐층을 증착하기 위해 사용되었고 본 발명의 가능성을 결정하기 위해 여러가지 시험들이 수행되었다. 수소는 석영 튜브(14)를 통과한다. 여기된 플라즈마는 영역(28) 근처에서 점화되어반응공간(12) 내로 튜브(14)를 통해서 하류로 이동한다. 플라즈마가 석영 튜브(14)를 따라 이동할 때, 여기된 플라즈마 입자가 재결합하는 것을 표시하는 극초단파 여기 영역(28)의 하류를 단절시켜 상기 화학식 2에 따라 부가적으로 수소 라디컬을 생성하게 된다. 이어서, 수소 라디컬은 회전 서셉터(20)에 의해 기판표면(23)으로 떨어지게 된다. 동시에, 텅스텐 헥사플루오라이드(WF6)는 가스 포트(29)를 통해 도입된다. 아래 화학식 7에 따라 발생된 증착 반응에 의해 기판(22) 상에 텅스텐층이 증착된다.
[화학식 7]
WF6+ 6H*→ W +6HF
수소 라디컬이 실제로 기판표면(23)에 도달하여 CVD 공정에 제공되는지 확인하기 위해, 활성에너지를 비교했다. 특별히, 텅스덴 증착 속도는 기판 온도의 함수로서 측정됐다. 측정은 극초단파 전원을 끄고 플라즈마 없이 행해지고 플라즈마 및 수소 라디컬을 발생하기 위해 극초단파 전원을 켜서 측정하는 것 양쪽 모두를 수행했다. 측정된 데이터는 도4A 및 4B에서 자연 대수 아레니우스 함수, 즉 In(k)대 1/T로 도표화 되고, 여기서, k는 반응속도 상수이고 T는 절대온도이다. 도 4A와 4B에 도시된 비플라즈마 및 플라즈마 증착 모두에 대한 아래와 같은 조건의 공정 및 증착 변수는 다음과 같다.
H2속도 = 2,000 sccm
WF6속도 = 225 sccm
압력 = 533 Pa
서셉터의 회전속도 = 30RPM
극초단파 전원 = 900 Watt
실험 및 아레니우스 함수로부터 활성화 에너지, Ea가 계산되었다. 도 4A 는 플라즈마 없이 텅스텐을 증착하기 위한 활성화 에너지의 도표이고, 도 4B 는 극초단파 플라즈마로 텅스텐을 증착하기 위한 도표이다. 열 공정에 대해서 즉, 열공정에 대해 극초단파 전원이 꺼졌을 때, Ea= 67.1 kJ/mole·K ° 이다. 그러나, 극초단파 전원을 켜서 플라즈마를 생성할 때, 증착공정에 필요한 활성화 에너지는 단지 Ea= 63.2 kJ/mole·°K 이다. 플라즈마 및 비플라즈마 공정 사이의 활성화 에너지 Ea의 감소는 활성 수소 라디컬이 기판표면에 도달하고 본 발명의 원리에 따라 표면반응에 참여하는 것을 의미한다. 활성 라디컬을 사용할 때 필요한 감소된 활성화에너지는 CVD 공정에 필요한 증착온도가 감소되는 원인이 된다. 상기한 바와 같이, 보다 낮은 온도의 증착온도는 650℃ 이하의 증착온도를 필요로 하는 온도에 민감한 회로의 집적회로 제조에 바람직하다.
또한, 텅스텐의 증착 속도는 서셉터 회전속도 또는 기판 회전속도의 함수로서 도표화된다. 도 5 는 열공정에 대한 증착 속도가 예상했던 대로 회전속도가 증가함에 따라 증가되는 것을 나타낸다. 이것은 분자 반응물이 보다 빠른 속도로 회전하는 기판표면에 펌프되는 것에 기인한다. 그러나, 본 발명의 상류 라디컬-보조 공정에서 증착 속도는 회전속도가 증가됨에 따라 급격하게 증가된다. 즉, 증착속도를 증가시키는 회전하는 기판에 의한 반응물의 기본 펌프 작용에 효과가 있다. 본 발명의 상류 플라즈마 방법에 의하면, 회전 서셉터에 의해 제공되는 층류 가스흐름 패턴이 가스상태 충돌을 최소화하며, 따라서, 필요한 활성 수소 라디컬(H*)이 재결합하여 수소분자(H2)를 형성하는 속도를 감소시킨다. 본 발명의 상류 방법에서 기판표면에 라디컬을 효율적으로 운반하는 것은 플라즈마 보강 CVD의 향상에 중요하다. 대부분의 활성 라디컬은 기판표면으로 운반되어 표면 증착 반응에 사용된다. 그러므로, 활성 라디컬은 에너지 및 저온 증착 온도를 제공할 뿐만 아니라, 또한 서셉터(20)의 가스 층류에 의해 기판에 운반되는 고밀도의 라디컬이 증착온도를 열 CVD 기술의 비현실적으로 높은 온도 미만으로 감소시킨다.
도 1A는 상류 극초단파 소스를 사용하여 활성화된 가스 라디컬을 발생하는 다른 형태의 CVD 구조를 도시한 것이다. 반응기(100)는 반응공간(104)을 포위하는 챔버 하우징(102)을 포함한다. 도 1 의 반응기(5)와 같이, 하우징은 원하는 내부 증착 압력까지 진공으로 조절할 수도 있다. 플라즈마 가스들은 수직 석영 튜브(106) 내로 도입된다. 극초단파 도파된 구조체(108)는 석영 튜브(106)에 결합된다. 도파관 구조체(108)는 극초단파 소스(112)를 포함하는 수평면(110)을 포함한다. 각진 도파관부(114)는 수평부(110)를 수직 도파관부(116)에 연결한다. 석영튜브(106)는 각진 부분(114)의 개구(도시되지 않음)를 통해 연장되고 부분(114) 및수직면(116)을 통해 연장되고 그후 하우징(102)의 수직의 상부 커버 플레이트(15)를 통해 연장된다. 석영튜브(106)는 플레이트(118)를 통해 연장되고 가스 분산용 샤워 헤드(122) 위의 출구단부(120)에서 종결된다. 샤워 헤드(122)는 반응기 하우징(102)의 커버(115)에 샤워 헤드(122)를 연결하는 석영 절연체 링(124)에 부착된다. 또한, 반응가스 헤일로(halo) 또는 분산 반응가스를 위한 다수의 개구를 갖는 분산링(128)은 샤워 헤드(122)위에 배치되고 석영 튜브(106)의 출구단부(120)에 인접한다. 소스 라인(130)은 TiCl4와 같은 반응가스를 링(128)에 운반하기 위해 링(128)에 연결된다.
도파관부(110) 내의 극초단파 소스(112)는 극초단파 주파수에서 에너지를 발생시키는 마그네트론 또는 기타 다른 적당한 소스가 될 수 있다. 예를 들면, 동축도파관 어댑터(도시되지 않음)는 필요한 극초단파 에너지를 발생하기 위해 수평 도파관부(110)의 한쪽 단부에 부착될 수도 있다.
도 1A 의 상류 극초단파 플라즈마 소스 및 반응기(100)는 도 1의 반응기(5)와 다소 유사하게 작동한다. 즉, 수소, 질소 및/또는 암모니아와 같은 플라즈마 가스는 석영 튜브(106) 내로 도입되어서 가스들이 튜브(106)의 구간 또는 구역 내의 플라즈마 내로 여기되도록 석영 튜브(106)를 따라 극초단파 도파관 구조(108)를 통해 이동한다. 회전 서셉터(132)는 샤워 헤드(122)와 헤일로우(128) 아래에서 기판(134)을 지지한다. 도 1의 회전 서셉터와 유사하게, 서셉터(132)는 기판(134)을 원하는 온도까지 가열하는 온도조절장치(도시되지 않음)에 결합된다. 부가로,서셉터(132)는 서셉터의 회전(132)이 원하는 대로 설정될 수 있도록 샤프트(134)에 의해서 모터(도시되지 않음)에 연결된다. 회전 서셉터는 석영 튜브(106)의 단부(120) 및 링(128)으로부터 반응 가스로부터의 활성 라디컬을 샤워 헤드(122)를 통해서 펌프하여 기판(134) 상에 막층을 반응하여 증착한다. 바람직하게는 기판(134)에 도달하는 대부분의 활성화된 플라즈마 입자들은 저온 CVD를 실현하기 위해 표면반응에 에너지를 공급하는 활성 라디컬이다. 사용되지 않은 잔여 가스들은 배기 포트(138)를 통해 배기된다.
상류 플라즈마 소스와 결합된 회전 서셉터의 가스 층류가 원하는 라디컬 밀도를 생성하는 동안, 티타늄의 저온 CVD 방법은 이온과 라디컬 모두가 저온 표면 반응에 기여하도록 기판에 인접한 라디컬과 이온 플라즈마를 발생하기 위하여 RF 전극으로 편심된 가스 분산용 샤워 헤드를 사용하여 실현된다. 따라서, 도 2는 본 발명의 원리에 따라 활성 라디컬 및 이온을 사용하여 저온 증착을 성취하기 위한 CVD 반응기의 바람직한 실시예를 도시한다. 도 2를 참고하면, 반응기(40)는 증착 챔버 하우징(42) 및 반응공간(44)을 규정하는 하우징 커버(43)를 포함한다. 또한, 하우징(42)은 공간(44)에서 기판(48)을 지지하는 회전 서셉터(46)를 포위한다. 도 1의 반응기와 유사하게, 반응기(40)는 선택적으로 여러 내부 압력으로 감압될 수 있고, 반면 서셉터(46)는 각각 다양한 온도 및 속도에서 기판(48)을 회전 및 가열하기 위하여 적합한 열 및 회전 조절기에 연결된다.
샤워 헤드(52)에 부착된 실린더 어셈블리(50)는 하우징(42)의 상부로부터 하방으로 연장된다. 샤워 헤드(52)는 기판(48) 위에 매달린다. 플라즈마로 여기되는가스들은 가스 주입 링(54), 다수의 링 구멍(56)을 통해 실린더 어셈블리(50)로 도입된다. 링(54)은 라인(55)에 의해 플라즈마 가스 공급부에 연결된다. 샤워 헤드(52)는 실린더 어셈블리(50)를 통해 샤워 헤드(52)로 연장되는 피드라인 어셈블리(58)에 의해 RF 전원(57)에 연결된다. 실린더 어셈블리는 실린더(51)를 포함하고, 절연체 링(60)은 다음과 같은 이유로 인해 실린더(51) 및 샤워 헤드(52)를 분리시킨다. 반응기(40)의 한 실시예에서, 실린더(51)는 전기적으로 접지되어 있다. RF 에너지는 샤워 헤드/전극(52)을 바이어스시켜서 전극으로 작용하게 하고 관련 RF장(field)을 갖는다. 바람직하게는, 샤워 헤드/전극(52)은 대략 6.4 mm 두께이고 대략 300 내지 600 분산용 구멍(62)을 포함한다. 플라즈마 가스 주입링(54)을 통해 도입된 가스들은 실린더(51)에 하방으로 흐른다. 바이어스된 샤워 헤드/전극(52)에 의해 발생된 RF장은 가스들을 여기하여 플라즈마가 샤워 헤드/전극(52)의 하면(53) 밑에서 발생한다. 바람직하게는, 샤워 헤드 분산용 구멍(62)은 구멍 내에 증착되어 기판(48) 충격의 원인이 되는 구멍(62)에서 플라즈마의 발생을 방지하기 위해 종래의 가스 샤워 헤드의 가스 분산용 구멍보다 다소 작은 크기로 설정된다. 더욱이, 샤워 헤드(52)의 보다 작은 구멍(62)은 실린더(51)의 내의 샤워 헤드(52) 위에서 플라즈마의 형성을 방지하여 샤워 헤드/전극(52) 아래의 기판(48)에 가까운 곳에 플라즈마를 집중한다. 바람직한 실시예에 있어서 샤워 헤드 구멍(62)은 대략 0.8 mm 폭으로 된다. 바람직하게도, 실린더(51)는 플라즈마 및 반응 가스들을 샤워 헤드(52) 전체로 분산하기 위해 샤워 헤드/전극(52)과 같은 직경을 갖는다.
TiCl4와 같은 반응가스들은 통상적으로 링(54)과 중심이 같고 라인(64)에 의해 반응가스 소스에 연결된 링(65)을 통해 도입된다. 주입기 링(54, 66)으로부터 가스흐름은 가스들이 샤워 헤드/전극(52)으로 이동할 때, 실린더(51)의 길이 범위내에서 전개된다. 회전 서셉터(46), 실린더(51), 및 샤워 헤드/전극(52)를 사용하면, 회전기판(48)에 도달하기 전에 완전히 전개되어 샤워 헤드(52)를 통해 들어오는 플라즈마 가스들의 속도 프로파일에 대해 유용하다. 샤워 헤드/전극(52)은 플라즈마가 기판(48)에 인접하도록 보장하기 위해 기판(48)으로부터 6.3 내지 10 mm 떨어져 있다. 바람직하게는, 그 공간은 25 mm 이하, 더욱 바람직하게는 대략 20mm이다. 가스들이 샤워 헤드/전극(52)을 통과함에 따라, 샤워 헤드/전극(52) 내의 압력강하가 가스들의 속도 프로파일을 평탄하게 한다. 즉, 이 가스는 샤워 헤드/전극(52)의 중심에서의 속도가 그 바깥둘레와 동일하게 하는 경향이 있다. 이것은 기판표면(49) 상에 막을 균일하게 증착하기 위해 바람직하다. 플라즈마 가스들은 샤워 헤드/전극(52)을 통과하고 샤워 헤드/전극(52)의 바닥측면(53)에 근접하여 플라즈마로 연기된다. 상기한 바와 같이, RF 플라즈마는 450kHz보다 낮고 13.56MHz보다 높은 RF 에너지로 여기될 수 있으며, 본 발명은 특별히 주파수에 민감하지 않다.
만약, 서셉터(46)가 도 의 증착구조로 회전한다면, 회전 서셉터(46)의 핌프효과는 샤워 헤드/전극(52) 아래에서 발생한다. 도2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서, 기판(48)에 매우 인접한 샤워 헤드/전극(52)의 독특한 사용으로 인해, 기판표면(49)에 인접하여 큰 밀도의 유용한 가스 라디컬 및 이온을 가진 농축된 플라즈마를 생성한다. 도 2의 RF 샤워 헤드/전극(52)으로는, 대략 100rpm 보다 휠씬 빠른 서셉터(46)를 얻을 수 없는 것처럼 보인다. 그러나, 비록 극적으로 증착 속도에 영향을 주지는 않지만 0 rpm의 회전속도는 반응물의 균일성 및 플라즈마 가스의 흐름을 저감시키고 그 결과 증착을 감소시킨다. 통상, 0 내지 2,000 rpm사이의 기판 회전속도는 RF 샤워 헤드/전극을 사용한 증착 구조로 사용될 수 있다.
또한 하기 기술한 바와 같이, 대략 100 rpm의 서셉터 회전속도가 증착에 충분한 것으로 입증되었다. 상류 플라즈마 발생법에서 라디컬만 사용하는 것은 바람직하지만, RF 샤워 헤드/전극(52)를 사용함으로써 증착하는 동안, 라디컬과 이온 모두가 제공된다. 즉, 이온과 라디컬 모두가 표면 반응에 에너지를 공급한다. 통상, 이온만 사용하는 것은 기판(48)의 표면과 접촉하거나 및 표면을 통하여 고착하는 성질 때문에 비등각 막을 형성하게 되어 바람직하지 않은 반면에, 기판(48)에 대한 약간의 이온 충격은 기판(48)의 표면(49) 상에 막층을 성장시키는 추가 에너지를 공급하기 때문에 유익하다. 그러나, 기판(48)에 대한 너무 큰 이온충격은 기판(48)의 집적회로 장치에 손상을 줄 수 있으므로 불량한 등각도의 막을 형성하게 한다. 그러므로, 증착 인자 및 샤워 헤드 공간은 라디컬과 이온의 유용한 혼합물을 얻기 위해 본원에 기재한 대로 선택되어야 한다. 상기한 바와 같이, 도 2의 구조에서 공간은 25 mm 이하, 바람직하게는 대략 20mm 이다.
TiCl4와 같은 반응가스들은 또 다른 가스링(66)을 통해 실린더(51) 내로 도입된다. 반응가스들은 실린더(51)의 길이를 따라 이동하고 또한 샤워 헤드(52)의 개구(62)를 통과할 때, 샤워 헤드/전극(52)에 의해 발생된 RF장에 의해 여기된다. 반응가스는 여기된 플라즈마의 라디컬 및 이온과 함께 기판(48) 표면으로 이동한다. 라디컬, 이온 및 여기된 반응가스입자들은 기판(48) 표면에서 반응하여 기판(48) 위에 티타늄-함유 막과 같은 막을 증착하게 된다.
실린더(51)와 결합된 기판(48)으로부터 샤워 헤드/전극(52)의 근접한 공간 때문에, 샤워 헤드(52)로부터 방사되는 가스 혼합물 흐름(65)은 기판(48)에 근접하여 효과적으로 증착하고 기판(48)을 바이패스하는 가스 혼합물의 양을 저감시킨다. 즉, 서셉터(46)에 대해 정체 또는 이동하지 않는 가스 흐름(65) 아래의 공간 또는 체적으로서 규정되는 가스층의 범위는 매우 작다. 그러므로, 큰 퍼센트의 라디컬, 이온 및 반응가스 입자들은 표면 반응에 사용되고, 따라서 CVD 공정의 효율 및 증착이 증대된다.
RF 전극으로서 샤워 헤드/전극(52)의 작용에 의해, 보다 균일한 플라즈마가 기판(48)에 발생되므로 기판(48)에 라디컬 및 이온 밀도의 균일성 및 증착 막의 균일성을 증가시킨다. 도 2, 2A 및 2B의 샤워 헤드/전극(52) 구조에서, 증착 속도는 회전속도가 들어오는 플라즈마와 반응가스 흐름과 조화될 때, 즉 적당한 가스흐름이 될 때 최대로 된다. 따라서, 서셉터(46)가 회전할 때 적당한 가스흐름을 얻는 것이 바람직하다.
도 2A는 보다 상세히 된 것을 제외하고는 도 2의 구조와 유사한 RF 샤워 헤드/전극 구조를 공개한다. 도 2 및 2A에서 유사한 참고 부호의 사용이 가능하다.도 2A의 구조는 본원에서 참고로 합체된 출원중인 미국특허 제 08/166, 745의 명세서에 기재된 구조와 유사하다.
도 2A에는, 본 발명의 저온증착온도를 실행하기 위해 사용되는 RF 샤워 헤드/전극장치(142)에 부착되는 CVD 증착 챔버 하우징(42)의 절단부분이 도시되어 있다. 당업자라면 본 발명의 모든 실시예는 아니지만 기술되는 특정 형태는 하나 이상의 실시예와 연관되는 것을 이해할 수 있다. 도 2A에서, 샤워 헤드/전극(52)은 여기에 부착되는 RF 라인 스템(stem)(144)을 포함한다. 또한, 보다 상세히 기술하겠지만, RF 라인 스템(144)은 RF 피드라인 어셈블리(58)를 구성하는 여러 부품 중하나이다. 또한, RF 피드라인 어셈블리(58)는 샤워 헤드/전극(52)으로부터 떨어져서 열을 전도하기 위해 열 파이프로서 작용하는 것을 이하에 기술하겠다. 바람직하게는, 라인 스템(144)은 RF 신호 전파 및 열전도 효율을 증가시키기 위해 샤워 헤드/전극(52)의 상부 표면(146)과 중심이 같게 가공되어서 일체가 된다. RF 라인(148)은 라인 스템(144)과 RF 라인(148)의 전체 길이를 소정 길이로 하기 위해 자체에 용접된 추가 길이의 튜빙(tubing: 150)을 포함한다. 이 용접은 부호"149"로 표시된다. 바람직하게는, RF 라인 튜빙(150)이 6061-T6 알루미늄과 같은 고 전도성 재료로 만들어지는 반면, 샤워 헤드/전극(52) 및 통합 라인 스템(144)은 니켈-200으로 제조된다. 그러나, 당업자라면 니켈 200과 같은 RF 라인(150)에 대해서 다른 재료가 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 한 실시예에서, RF 라인(148)은 본 발명의 PECVD 반응 동안에 상기 실린더 어셈블리(50)의 실린더(51) 내에 RF 플라즈마가 형성되는 것을 방지하기 위해, 니켈로 코팅된 알루미늄으로 제조된다. 바람직하게는, 샤워 헤드/전극의 두께는 대략 6.4 mm 이다.
샤워 헤드/전극(52)은 CVD 공정동안에 반응물과 플라즈마 가스를 균일하게 배치하기 위해 가스분산 구멍(62)의 패턴으로 구멍을 낸다. 도 2A에 도시한 바와 같이, 직립한 RF 라인 스템(144)은 샤워 헤드/전극(52)에 평행하게 인접한 원주 숄더(shoulder) 플랜지(152)를 구비한다. 그 플랜지(152)는 샤워 헤드/전극 상부 표면 위에서 일정 간격이 벌어져서 가스 분만 구멍 패턴이 숄더 플랜지(152) 아래로 확장하는 것을 허용함으로써, 가스 흐름 장애를 최소로 한다. 더욱이, 상기 플랜지(152)는 라인(148)을 따라 RF 에너지가 샤워 해드/전극(52)에 전도되는 것을 보조하고, 샤워 헤드/전극(52)의 냉각을 돕고 세라믹 절연 튜브(154, 156)에 대한 기계적 지지를 제공한다. 도 2B에 도시한 바와 같이, 샤워 헤드 전극구조의 다른 실시예에서는 플랜지(152)를 생략한다.
또한, 도 2A 의 RF 샤워 헤드/전극 장치(142)는 RF 라인(148)의 최소한 부분을 감싸고 중심이 같은 각각 제 1 및 제 2 세라믹 절연 튜브(154,156)를 포함한다. 도시한 바와 같이, 세라믹 절연튜브(154,156)는 원주 숄더 플랜지(152)에 의해 지지된다. 튜브(154,156)는 바람직하게는 콜로라도 골덴 소재, 쿠르즈 세라믹스(Coors Ceramics)로부터 입수할 수 있는 알루미나(99.7% Al2O3)로 제조된다. 이들 절연튜브(154,156)의 한 기능은 CVD공정시에 실린더 어셈블리(50) 내의 플라즈마와 반응가스들로부터 RF 라인(148)을 절연함으로써 RF 플라즈마가 RF 라인(148) 둘레에 형성되는 것을 방지한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 샤워 헤드/전극(52) 아래에 플라즈마를 집중하기 위해 실린더 어셈블리(50) 내에 플라즈마 형성을 방지하는 것이 바람직하다. 그러므로, 절연 튜브(154,156)는 실린더 어셈블리(50) 내부에 플라즈마가 형성되는 것을 방지하도록 작용한다. 부가적으로, 이하에 보다 상세히 기술하는 바와 같이, 절연 튜브(154,156)는 가스 분산 커버(접지 전위에 있음, 158) 및 RF 라인(148) 사이에 RF 라인이 가스 분산 커버(158)를 통과하는 위치에서 전기 단락을 방지하기 위해 제공된다. 가스 분산 커버(158)는 다수의 스크류(150)에 의해 하우징(42)에 부착된다. 도 2A에 도시한 바와 같이, 가스 주입 링(54,56) 또는 링 형상의 헤일로(halo)는 가스 분산 커버(158)의 약간 아래에 배치되어 실린더 어셈블리(50)의 내부에 CVD 반응과 플라즈마 가스를 공급한다. 가스주입 링(54,66)은 여러 반응 가스들을 도입하기 위해 2개의 동심 링 다발이 될 수 있다.
밀봉부(seal)는 RF라인(148)이 가스 분산 커버(158)를 통과하는 위치에서 진공이 새는 것을 방지하며, 이것은 샤프트 밀봉부와 플랜지 밀봉부에 의해 성취된다. 도 2A에 도시한 바와 같이, 세라믹 밀봉 플레이트(160)는 2개의 스테인레스스틸 클램프(162)에 의해 하방으로 압축된다. 클램프(162)는 적당한 밀봉을 보장하도록 밀봉 요소에 소정의 하방 힘을 얻기 위해, 그리고 밀봉 요소들의 모든 공차(tolerance stack)를 수용하고 CVD공정시 발생할 수 있는 열팽창으로 인한 크기변화를 처리하기 위해, 스프링 워셔/스크류 어셈블리(164)에 의해서 분산 커버(158)에 대해 바이어스된다. 밀봉 플레이트(160)는 스테인레스스틸 페룰(ferrule)(166)상에 하방으로 압축하고 다음에 세라믹 밀봉체(170)에 배치된하나의 O-링 상에 하방으로 압축된다. 또한, 밀봉 플레이트(160) 위의 클램프(162)에 의해 부여된 하방력은 밀봉체(170)와 가스 분산 커버(158) 사이에 배치된 O-링을 압축하는 가스분산 커버(158)에 대해 하방으로 인가된다. 밀봉체(170)는 가스 분산 커버(158)를 통과하는 그 전체 길이의 RF라인(148)을 포위하고 하방으로 연장된 환형 플랜지(174)를 구비한다. 환형 플랜지(174)의 저부 단부(176)는 세라믹 절연 튜브(154)가 만나는 곳까지 하방으로 연장된다. 도시된 바와 같이, 외부 세라믹 절연 튜브(156)는 가스 분산 커버(158)와 RF라인(148) 사이에 직선 라인이 없도록 절연 튜브(154)보다 위로 연장된다. 그로 인해, RF라인(148)이 샤워 헤드/전극(52)에 전력을 공급하기 위해 사용될 때 아크를 방지한다.
또한, RF 라인(148)은 열파이프 구조로서 작용한다. 열파이프 구조와 같은 장치는 이미 공지되어 있고, 본 발명에서 열 파이프 구조는 RF 에너지가 샤워 헤드/전극에 인가되는 것 뿐만 아니라, 가열된 서셉터(46)로부터의 방사 에너지에 의해 발생된 샤워 헤드/전극(52)으로부터 열을 빼앗기 위해 사용된다. RF 라인(148)의 중앙공간(178)은 펠트 또는 다른 적당한 모세관형(capillary) 윅킹(wicking)재료 라이너(도시않됨)를 구비한다. 공간(178)은 자체 가스압력 하에서 액체(예, 아세톤)로 밀봉되어 RF 라인(148)의 모든 내부 표면을 젖게하는 모세관형 재료의 기공으로 들어간다. RF라인의 길이를 따라 어떤 시점에서 열을 인가함으로써, 그 시점에서 액체가 끓어 가스 상태로 들어간다. 그렇게 될 때, 윅킹 재료의 액체는 기화잠열을 취하게 되고 그후 보다 높은 압력에 있는 가스는 밀봉된 파이프 내부로 이동하여서 라이너를 응축하여 재유입하는 냉각기 위치까지 이동한다.그래서, 가스는 기화 잠열을 제공하고 열을 열 파이프 구조의 "입력" 단부로부터 "출력"단부까지 이동시킨다. 통상적으로, 열은 대략 500 mph의 속도로 열 파이프를 따라 이동하게 된다.
도 2A에 사용된 특별한 구조를 참고하면, 열 파이프 구조의 "입력"단부는 샤워 헤드/전극(52)에 부착되는 단부이다. 도 2A에 도시된 "출력" 단부는 주변이 밀봉된 액체-냉각 자켓(180)을 구비한다. 밀봉 과정은 O-링 샤프트 밀봉부(182,183)에 의해 수행된다. 바람직하게는, 냉각 자켓(180)은 중합 재료이고 테프론 튜빙(TEFLON tubing; 186)을 냉각 쟈켓(180)에 연결하는 테프론 압축 설치물(184, 185)을 구비한다. 물과 같은 적당한 냉각 액체는 RF라인(148)으로부터 열을 빼앗기 위해 튜빙(186) 및 냉각 쟈켓(180)을 통해 흐르고, 이것은 RF 라인(148)으로부터 열의 효과적인 전도를 위해 냉각 액체를 RF라인(148)에 직접 접촉하도록 허용한다. 부가적으로, 이러한 구조는 CVD 반응기 챔버가 내부 냉매의 누출 가능성에 노출될 기회가 없고, RF 운반액체에 의해 금속 튜빙에서의 어떠한 부식도 없다. 비록 다양한 액체가 라인(148)으로부터 전도되는 열에 의존하여 사용될 수 있지만, 상기한 바와 같이, 테프론 튜빙(186)을 통과하고 RF 라인(148)으로부터 열을 빼앗는 액체는 물이 될 수 있다. 또한, RF 라인(148)은 제자리에서 용접된 캡(188)을 포함하고 원하는 액체로 내부공간(178)을 채우기 위해 충전튜브(190)를 갖는다. 상업적으로 적당하게 사용할 수 있는 열 파이프는 펜실베니아, 랭카스터의 써모코어(주)로부터 구입할 수 있다.
도 2A에 도시한 바와 같이, 알루미늄 실린더(51)는 샤워 헤드/전극 기판 간격을 변화시키기 위해 사용된다. 샤워 헤드/전극(52)은 스크류(192)에 의해 실린더(51)에 고정되고, 바람직하게는 상기 스크류는 RF 플라즈마에 의해 부식되지 않는 재료를 사용한다. 이와 같은 재료로서 인디아나, 코코모의 한스 인터내셔널의 상품명 헤이스텔로이 C-22(Hastelloy C-22)이다. 이와 같은 재료로 만든 적당한 스크류는 아리조나, 템프의 피나클 제조사로부터 구입할 수 있다. 석영 링(60)은 샤워 헤드/전극(52)을 알루미늄 실린더(51)로부터 전기적으로 절연시킨다. 링(60)을 구성하는 적당한 등급의 석영은 아리조나, 템프에 있는 헤레오스 아메르실에서 구입한 석영 T08-E(Quartz T08-E)이다. 접지 전위에 있는 스크류(192)는 2개의 인터록킹 세라믹 절연체 슬리브(194, 196)에 의해 샤워 헤드/전극(52)으로부터 절연된다. 석영은 열충격에 잘 견디기 때문에 절연체 링(60)으로 사용된다. 이것은 석영링(60) 아래의 RF 샤워 헤드/전극(52)이 보다 고온으로 가열되고, 석영링(60) 위의 알루미늄 실린더(51)보다 빠르게 가열되므로 링(60)의 열충격과 응력을 야기시키기 때문에 중요할 수 있다. 스크류(192)와 같은 재료로 제조될 수 있는 스크류(198)는 알루미늄 실린더(51)를 하우징(42)에 부착하기 위해 사용된다. 상기한 바와 같이, 다양한 길이의 실린더(51)가 샤워 헤드/전극 대 기판 간격을 변화시키기 위해 사용된다. 실린더(51)의 길이는 서셉터(46)의 1인치 내에서 샤워 헤드/전극(52)을 배치하도록 선택하는 것이 바람직하다.
RF 에너지는 스템(144) 및 튜브(150)로 이루어지는 RF 피드라인 어셈블리(58)에 의해 샤워 헤드/전극(52)에 전도된다. 절연 튜브(154, 156)는 튜빙(150)과 분산 커버(158)를 포함하는 금속 하우징(42)의 부품 사이를 전기 절연시키고 그 사이의 아크를 방지하기 위해 필요하다. 더욱이, 본 장치는 도 2A에 도시하고 상기 기술된 분산 커버(158)를 통과하는 위치에서 튜빙(150) 둘레의 밀봉재를 포함한다.
RF 에너지는 RF 전원(57, 도 2A에는 도시 않됨)에 연결되고 한쪽 단부에 UHF커넥터(202)를 구비한 차폐된 RF 공급 케이블(200)을 통해 공급된다. 커넥터(202)는 또 다른 UHF 커넥터(204)와 결합하고 다음에 게이지 와이어(206)의 길이를 통해서 RF라인(148)의 상부 단부에 설치된 스테인레스 스틸 샤프트 칼라(208)에 결합된다. 이러한 구성에서, RF 전류의 흐름에 대한 저항이 최소로 된다. 샤프트 칼라(208) 위에서 노출되는 RF 라인(148)의 세그먼트는 중합체 캡(212)에 의해 접지된 금속 차폐물(210)로부터 격리된다. 본 장치는 450kHz 내지 13.56MHz에서 RF 전력을 250-300watt 전달할 수 있을 것으로 추론된다.
도 2B는 본 발명을 실행하기 위하여 사용되는 RF 샤워 헤드/전극 구조의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 2B의 CVD 장치(220)는 도 2 및 도 2A에 도시된 장치와 유사하게 작동된다. 즉, RF 샤워 헤드/전극(222)은 플라즈마와 반응 가스들이 실린더 어셈블리(226)를 통해 서셉터(230) 위의 기판(228)에 펌프되는 동안 RF 피드라인 어셈블리(224)에 의해 바이어스된다. 그러나, 도 2B의 실시예는 샤워 헤드(222)가 전극으로서 바이어스될 때, RF라인 근처의 실린더 어셈블리(226) 내부의 전기 아크를 방지하고 실린더 어셈블리(226) 내에서 바람직하지 않은 플라즈마의 형성을 방지하면서 도 2 및 도 2A의 금속 실린더(51)와 절연체 링(60)을 제거한다. 도 2B의 실시예는 도 2의 하우징(42)과 유사한 하우징을 사용하는 데, 이것은하우징 커버(232)를 포함하고 RF 공급 어셈블리(234), 냉각 쟈켓(237)을 구비한 열 파이프 어셈블리(236)를 포함하고 액체 공급 라인과 일반적으로 도 2의 각 부품과 유사한 밀봉 어셈블리(241)를 구비한 가스 분산 커버(239)와 결합된다. 그러나, 상기 실린더 어셈블리(226)는 도 2에 도시한 바와 같이 금속 실린더(51) 및 절연체 링(60)을 포함하지는 않는다. 오히려, 석영과 같은 절연 재료로 제조된 실린더(238)는 RF 피드라인 어셈블리(224)를 포위한다.
바람직하게도, 실린더(238)는 상기한 바와 같은 헤레오스 아메르실에서 구입할 수 있는 석영 T08-E와 같은 고급 석영으로 제조된 것이다. 석영 실린더(238)는 도 2 및 도 2A의 실시예에서 사용했던 스크류 또는 기타 고정부재를 사용하지 않고 니켈-200과 같은 전도성 재료로 제조한다. 특별히, 계단식 보어(240)는 실린더(238)의 상부 단부(242)를 접수하기 위해 하우징 커버(232) 내에 형성된다. O-링(243,244)은 계단식 보어(240)와 실린더(238) 사이의 접촉면에 배치되어, 그 접촉면에 밀봉부를 형성한다. 실린더(238)의 저부 단부(246)에서는, 환형 노치(248)가 샤워 헤드/전극(222)의 가장자리 에지(250)를 접수하기 위해 실린더(238) 내에 형성된다. 실린더(238)의 노치(248)는 샤워 헤드/전극(222)의 가장자리 에지(250) 위에 놓인다. 샤워 헤드/전극(222)은 단일 RF라인(256)을 형성하기 위해 부호 "255"에 용접에 의해 RF라인 튜빙(254)에 부착된 스템(252)을 포함한다. RF 라인(256)은 도2A의 칼라(208)와 유사한 칼라(258)애 의해 그 상부 단부에 마찰로 유지 및 지지된다. 다음에, RF 라인은 서셉터(230) 위에서 샤워 헤드/전극(222)을 지지한다. 다음에, 샤워 헤드/전극(222)은 노치(248)에서실린더(238)에 접하고 보어(240) 내에 유지함으로써 실린더 어셈블리(226) 내의 실린더(238)를 지지한다. 샤워 헤드/전극 가장자리 에지(250)와 실린더 노치(248) 사이의 접촉면은 선반(248)과 샤워 헤드/전극(222)의 가장자리 에지(250) 내에 형성된 유사한 대응 환형 노치(260) 사이에 압축되는 압축 O-링에 의해 밀봉된다. 도 2 및 2A의 실시예와 유사하게, 다수의 가스 헤일로 또는 링(262,264)은 필요한 플라즈마와 반응가스들을 실린더(238) 내로 도입한다.
도 2B의 실시예는 실린더(238)를 하우징 커버(232)에 부착하고 샤워 헤드/전극(222)을 실린더(238)에 부착하기 위해 필요한 스크류를 생략한다. 또한, 이것은 바이어스된 RF 샤워 헤드/전극(222) 근처의 감소된 금속 때문에 실린더(238) 내부에 아크가 일어날 확률을 감소시킨다. 더욱이, 샤워 헤드 에지(250)에서 세라믹 절연체 슬리브를 사용할 필요가 없다.
따라서, 또한 RF 샤워 헤드/전극(222)은 변형될 수 있다. 샤워 헤드/전극(222)은 플랜지없는 스템(252)을 포함한다. 대신, 슬라이트 리지(266)가 스템(252) 둘레에 형성되고, 도 2A에 도시된 바와 같이, 리지(266)근 도 2A에 도시된 세라믹 절연체 슬리브(154,156)와 유사한 알루미나(99.7% Al2O3)와 같은 세라믹 재료로 형성된 일반적인 원형 세라믹 트레이(268)를 지지한다. 세라믹 트레이(268)는 리지(266)에 의해 지지되고 다음에 절연체 슬리브(270,271)를 지지한다. 절연체 슬리브(270, 271)는 도 2A 의 슬리브(154, 156)에 대해 사용된 것과 비슷한 세라믹 절연체 재료로 만들어진 것이 양호하다. 상술된 본 발명을 실행하는데 사용된 실시예에서와 같이, 양호하게는 샤워 헤드/전극(222)의 구멍은 대략 0.794 mm의 크기를 가짐으로써 실린더(238)의 내부에서 플라즈마의 형성을 방지하고, 그리고 일반적으로 플라즈마를 샤워 헤드/전극(222) 아래와 서셉터(230) 위로 한정한다. 도 2B 에 도시된 실시예에서는 석영 실린더(238)를 사용함으로써, 상기 샤워 헤드/전극(222)에 인접하는 금속제의 부착 스크류를 제거하여, 실린더(238)의 내부에서 플라즈마가 형성되는 것을 방지하고, RF 라인(256)과 샤워 헤드/전극(222)과 여하의 주위 재료의 사이에서의 아킹(arcing)을 방지한다. 작동중에는 가스 분산 커버(239)가 매우 뜨겁기 때문에, 절연층(272)이 가스 분산 커버의 맨 꼭대기에 위치되어 조작자가 직접 접촉되어 화상을 입는 것을 방지한다.
본 발명의 다양한 형태를 도시하는 도 2 및 도 2A의 RF 전극/샤워 헤드의 구성을 사용하여 여러 가지의 증착이 수행된다. 특히, 질화 티타늄 층이 400 ℃ 에서 기판 웨이퍼 위에 증착된다. 이것은 열적 CVD 절차를 발생시키는데 요구되는 기판 온도, 즉 1,000 ℃를 훨씬 상회하는 온도보다는 실질적으로 낮은 온도이다. 예를 들면, 다음 목록의 파라미터와 표 1 에 제시된 결과에 따라 암모니아 가스(NH3)와 질소 가스(N2)를 사용하여 질화 티타늄 층이 증착된다. 본 발명의 구성은 500 sccm 과 5,000 sccm 사이(50 sccm 내지 500 sccm의 NH3)의 플라즈마 가스 흐름을 사용하며, TiCl4와 같은 반응 가스의 흐름은 0.5 sccm 내지 10 sccm이 요구된다. 반응공간(44)은 67 내지 1300 Pa 사이의 압력이 되도록 배출되어야 한다.
표 1 에 대한 증착 파라미터
TiCl4(sccm) 10
NH3(sccm) 500
N2(sccm) 500
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 133 (1 Torr)
서셉터(susceptor) 회전 속도(rpm) 100
기판 온도 (℃) 400
번호 1 내지 3의 웨이퍼들은 실리콘 웨이퍼이고, 번호 4 내지 번호 6의 웨이퍼는 표면에 얇은 이산화실리콘 층이 구비된 열 산화 웨이퍼이다. 이것은 본 발명에 따른 공정이 실리콘 웨이퍼와 산화 웨이퍼 모두에 대하여 넓은 범위로 CVD 응용될 수 있음을 확인하기 위한 것이다. 표 1 에서 주어진 각각의 기판 웨이퍼들에는 250 Watt 에 있는 도 2의 장치 내에서 어닐링 되는 RF 플라즈마 상태의 암모니아(NH3) 가스가 밀도 5,000 sccm으로 압력 667 Pa로 대략 120 초 동안 주어진다. 상기 어닐링 되는 동안, 서셉터의 회전 속도는 대략 100 rpm 정도이다. 이 NH3의 RF 플라즈마는, 이하 설명되는 바와 같이, 증착된 TiN 막의 막질(film quality)을 개선한다.
본 발명의 원리에 따른 상기 RF 플라즈마 진극/샤워 헤드 구성은 암모니아 가스(NH3) 대신에, 질소 가스(N2)를 모두 사용하여서 기판 위에 질화티타늄(TiN) 층을 증착시키는데 사용된다. 상기 TiN 의 저온 증착과 H2및 N2에 대한 증착 파라미터와 여러가지 막에 대한 결과가 표 2, 표 3, 표 4, 및 표 5 에서 주어지며, 이 표 2 내지 표 5 에서는 표 번호가 증가함에 따라 증착 온도가 증가된다.
표 2에 대한 증착 파라미터
TiCl4(sccm) 10
H2(sccm) 500
N2(sccm) 500
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 133 (1 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
기판 온도 (℃) 400
증착 시간 (second) 180
표 2 에서, 번호 1 및 번호 2의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 나머지 번호 3 내지 번호 10의 웨이퍼는 열산화 웨이퍼이다. 번호 6 내지 번호 10의 웨이퍼들은 서셉터 회전속도 100 rpm, 내부 압력 400 Pa (번호 6의 웨이퍼에는 667 Pa의 압력에서 수행된다), 5,000 sccm의 NH3가스 흐름 상태에서 120 초 동안 어닐링 되는 250 Watt의 RF 플라즈마를 수용한다.
표 3 에서는 증착에 사용되는 가스와 증착 파라미터들을 표 2 의 증착 과정에 사용된 것과 동일한 것으로 유지시키고, 단지 기판 온도만을 450 ℃ 로 변화시켜서 수행되는 증착 결과가 제시된다. 번호 1 및 번호 2 의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 번호 3 내지 8의 웨이퍼는 질산화 웨이퍼이다. 표 3 에서는 5,000 sccm의 가스 유량, 667 Pa의 압력, 100 rpm의 회전속도, 파워 250 Watt의 조건에서 120초동안 RF 플라즈마 암모니아 어닐링을 수용하는 번호 6 내지 8의 웨이퍼에 대한 결과가 제시된다.
온도 500 ℃의 기판온도에서 저온 TiN 증착이 반복되고, 그 결과가 다음의 표 4 에 따라 도표화되었다. 번호 1의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 번호 2 내지 번호 7의 웨이퍼는 열산화 웨이퍼이다.
표 4 에서 번호 1 내지 4의 웨이퍼는 어닐링되지 않은 것이고, 번호 5 내지 번호 7의 웨이퍼는 RF 플라즈마 NH3어닐 공정과 표 3 에 관련된 증착에서 사용된 파라미터를 사용하여 어닐링된 것이다.
마찬가지로, 600℃의 기판 온도에서, 본 발명의 CVD 공정은 표 5 에 기재된 결과로 TiN을 증착시키는데 사용되고 번호 1 및 번호 2의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 번호 3 내지 번호 8은 열산화 웨이퍼이다.
압력 667 Pa이 적용되는 것 대신에 압력이 133 Pa가 적용되는 것을 제외하고는, 표 3 및 표 4의 어닐링 단계와 유사하게 표 5의 번호 6 내지 번호 8의 웨이퍼 기판에는 RF 플라즈마 NH3어닐링이 수행된다. 따라서, 본 발명에 따른 저온 CVD 공정을 사용하는 TiN 증착은 종래의 열 CVD 에 필요한 온도보다도 낮은 여러 온도 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명에서는 질화 티타늄을 사용하여 증착시킬 수 있지만, 단순히 순수한 티타늄 층을 증착시키는 것이 바람직하다. 예를 들자면, 티타늄 규화물(TiSi2)의 박막을 형성시키기 위해, 티타늄과 반응하는 실리콘 웨이퍼에 티타늄 층이 증착될 수 있다. 이 목적을 위해, 본 발명은 티타늄 층을 증착시키는데 사용할 수 있다.
다음의 표 6 은 650 ℃ 에서 열산화 웨이퍼에 대략 84 %의 증착된 티타늄 박막을 형성하는 증착 파라미터와 그 결과를 제시한다. 이것은 저온 화학증기 증착에 대한 훌륭한 결과를 제공한다. 표 6의 증착 과정은 도 2의 RF 샤워 헤드/전극 구성과 함께 다음의 증착 파라미터에 따라 수행된다.
표 6 에 대한 증착 파라미터
TiCl4(sccm) 10
H2(sccm) 500
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 133 (1 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
증착 시간 (second) 2700
기판 온도 (℃) 565
표 6의 기판 웨이퍼는 어닐링된 것이 아니다.
추가 Ti-층 증착 과정은 다음의 표 7의 파라미터에 따라 수행되며, 표 7에서는 그에 따른 결과가 제시된다.
표 7 에 대한 증착 파라미터
TiCl4(sccm) 10
H2(sccm) 500
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 113 (0.85 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
증착 시간 (second) 120 (번호 7의 웨이퍼는 180 sec)
기판 온도 (℃) 565
서셉터 온도 (℃) 650
표 7에서 번호 1 내지 3과 번호 7 내지 9의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 나머지는 열산화 웨이퍼이다. 표 7 에서의 모든 웨이퍼들은 NH3의 RF 플라즈마 어닐링을 받지 않는다.
티타늄-함유 박막의 화학 증기 증착에 대한 장점은 단계 적용범위와, 물리적인 증착기술에 대한 박막의 균일성을 개선하기 때문에, 본 발명에 따라 증착된 각각의 박막 층들은 균일성과 단계 적용범위를 측정하는데 시험된다. 이 균일성과 단계 적용범위에 대한 시험은 표 8의 파라미터에 따라 증착되고, 그 결과를 표 8에 제시하였다. 상기 파라미터에 따라 증착된 박막의 균일성과 박막 층의 단계 적용범위는 매우 훌륭하다.
표 8의 균일성과 단계 적용범위에 대한 증착 파라미터
TiCl (sccm) 10
H2(sccm) 500
N2(sccm) 500
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 133 (1 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
기판 온도 (℃) 450
서셉터 온도 (℃) 520
표 8에서 사용되고 단계 적용범위에 대해 시험된 웨이퍼들은 NH3의 RF 플라즈마로 어닐링되지 않는다.
앞서 설명된 바와 같이, 질화 티티늄(TiN)의 층은 암모니아 가스(NH3)를 사용하지 않고, 본 발명의 원리를 따라 증착될 수 있다. 대신에, H2및 N2의 혼합 가스가 사용한다. 반응챔버 내에서 TiCl4가 NH3와 화학적으로 반응할 때 생성되는 오염물을 감소시키기 때문에, TiCl4, N2및 H2등을 사용하는 질화 티타늄의 저온 증착을 사용하는 것이 양호하다. 더욱 상세하게도, TiCl4는 120 ℃ 이하의 온도에서 NH3와 반응하여 황색 분말의 부가 생성물을 형성하며, 상기 부가 생성물의 형성을 방지하려면, 반응 챔버의 벽을 150 ℃ 이상으로 가열시켜야 할 필요가 있다. NH3를 사용하지 않고, TiCl4, N2및 H2화학물 등을 사용하여 저온에서 질화 티타늄 층을 증착시키는 것이 가능하기 때문에, 증착된 부가 생성물을 제거시킬 필요가 없고, 또 반응 챔버를 가열시킬 필요도 없으므로, CVD 시스템의 원가를 크게 감소시킬 수 있다.
표 9의 증착 파라미터에 따라서, 가열하지 않은 반응 챔버 벽과 H2/N2의 혼합가스를 사용하여 여러개의 열산화 기판에 질화 티타늄 층이 증착된다. 박막이 증착된 후, 상기 반응 챔버를 조사해 보면, 황색의 부가 생성물이 발견되지 않았다. 표 9 에서 제시된 웨이퍼들은 모두 RF NH3어닐닝이 수행되지 않은 웨이퍼이다.
표 9의 부가 생성물에 대한 파라미터
TiCl4(sccm) 10
N2(sccm) 500
H2(sccm) 500
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 133 (1 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
기판 온도 (℃) 450
증착 시간 (sec) 95
서셉터 온도 (℃) 대략 520
반응 공간(44)의 내부 증착 압력 및 플라즈마, 반응 가스의 흐름을 적당히조절한 도 2 에 도시된 구성을 이용하여, 그 이상의 증착이 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 10 에 도시된 증착 과정은 H2가스의 높은 가스 흐름속도와, 133 Pa로부터 667 Pa로 증가된 증착 압력을 사용하여 증착한다. 더욱이, 어떤 증착은 H2가스에 아르곤이 혼합되는 경우도 있다.
표 10 에 대한 파라미터
TiCl4(sccm) 10
H2(sccm) 5000 (번호 1 내지 번호 4의 웨이퍼)
3,750 (번호 5 내지 번호 9의 웨이퍼)
아르곤 (slm) 0.5 (번호 5 내지 번호 9의 웨이퍼)
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 667 (5 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
증착 시간 (sec) 300 (번호 9 의 웨이퍼에 대해서는 600)
기판 온도 (℃) 565
서셉터 온도 (℃) 대략 650
표 10에서 번호 1 내지 번호 4의 웨이퍼에 대한 H2의 흐름은 5,000 sccm으로 증가되었고, 번호 5 내지 번호 9의 웨이퍼에 대한 H2의 흐름은 3,750 sccm으로 증가되었다. 그리고 증착 압력은 667 Pa로 증가되었다. 번호 5 내지 번호 9의 웨이퍼에서, 분당 0.5 표준 리터(standard litter per minute, slm)의 아르곤 가스의 흐름이 H2와 함께 희석제로서 사용되었다. 표 10에서, 번호 1 및 번호 2, 그리고 번호 5 및 번호 6의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 번호 3 및 번호 4, 번호 7 내지 번호 9의 웨이퍼는 열산화 웨이퍼이다.
표 11 에서는 증가된 H2의 유량과 증착 압력으로 실행시킨 추가 증착에 대한 결과가 제시되었다.
표 11 에 대한 증착 파라미터
TiCl4(sccm) 10
H2(sccm) 3,750
아르곤 (slm) 0.5
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 667 (5 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
증착 시간 (sec) 300 (번호 9 내지 12의 웨이퍼는 600)
기판 온도 (℃) 565
서셉터 온도 (℃) 650
133 Pa에서 667 Pa로 증착압력을 변화시켜서 더욱 안정되고, 대칭적인 플라즈마를 생성하였다. 추가적으로, 작은 유량의 아르곤을 첨가하고 수소 흐름을 증가시키면 플라즈마의 강도와 플라즈마 흐름의 안정성을 증가시킨다. 상기 아르곤의 유량은 0 slm 내지 10 slm 정도가 양호하다. 번호 1 및 번호 2의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 번호 3 내지 번호 10의 웨이퍼는 열산화 웨이퍼이다. 번호 11 및 번호 12의 웨이퍼는 미국 캘리포니아 프리몬트 소재의 씬 필름스 인코포레이티드(Thin Films, Inc. of Freemont, California) 사에서 입수한 붕산인-규산염 유리 웨이퍼이다. 번호 10 또는 번호 11의 웨이퍼는 NH3플라즈마 어닐로 어닐링되지 않는다.
번호 11 및 번호 12의 웨이퍼는 실리콘 접촉부[즉, 필드 산화물을 통해서 하부 실리콘 층에 이르는 바이어(via)]와 함께 패턴되는 필드 산화막(산화 실리콘)층을 갖는다. 상술한 방식으로 가공한 후에, 번호 11의 웨이퍼에서는 선택적인 증착이 고려된다. 도 6은 상기 실리콘 접촉부 바닥(바이어)에서는 증착되지만, 산화필드에서는 증착되지 않은 것을 도시한다. 선택 증착 과정이 반복되고, 동일 파라미터들을 사용하여 독립적으로 증명된다. 선택 증착 공정은 바이어를 형성하기 위해 복합적인 공정단계를 대체하여 사용될 수 있다. 또한 상기 선택 증착 공정은 실리콘 웨이퍼와 산화 실리콘 웨이퍼에 대하여 각기 다른 응집시간(nucleation time)을 갖는다. 즉, 상기 응집은 실리콘 웨이퍼 상에서 빠르게 형성되지만, 상기 산화 실리콘 웨이퍼 상에서는 약 30 초 후에 형성된다. 비록, 11번의 웨이퍼에 적용된 공정이 산화 실리콘의 평균 30 초의 응집시간보다 더 길더라도, 플라즈마의 불안정성 때문에 명백하게 산화 실리콘에 대해서는 응집되지 않는다. 선택적 효과를 유발시키기 위해서는 고압 공정이 중요시된다.
표 12 에는 서셉터 온도가 450 ℃ 인 조건에서 수행되는 추가 증착을 보여준다.
표 12 에 대한 증착 파라미터
TiCl4(sccm) 5
H2(sccm) 3,750
아르곤 (slm) 0.3
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 667 (5 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
증착 시간 (sec) 180
기판 온도 (℃) 대략 400
서셉터 온도 (℃) 450
번호 1 내지 번호 4의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고, 번호 5의 웨이퍼는 열산화 웨이퍼이며, 번호 6 및 번호 7의 웨이퍼는 알루미늄 실리콘과 구리를 함유하는 알루미늄 합금 웨이퍼이다. 표 12의 과정 6 및 과정 7은 본 발명에 사용된 알루미늄 상에 티타늄-함유의 박막을 증착하는 다양한 예를 도시하였다. 상기 표 12의 증착은 표 11의 과정 즉, TiCl4의 5 sccm양 보다 더 낮은 반응가스의 흐름을 사용한다.
알루미늄 층의 부식을 최소화함으로써, 알루미늄과 티타늄 층 사이의 훌륭한 접착을 얻을 수 있다. 부식은 대부분 알루미늄층이 증착되는 동안 4 염화 티타늄(TiCl4)으로부터 방출된 염소 이온(Cl-)에 대하여 노출되기 때문에 발생한다. 4 염화 티타늄의 흐름 속도를 감소시킴으로써, 알루미늄 층의 부식이 감소하고, 접착도가 증가한다. 또한, 4 염화 티타늄의 흐름을 감소시키면, 증착 속도가 감소되어, 해리된 티타늄 원자들로 하여금 알루미늄 층의 아래에서 안정된 위치를 차지하는데 드는 추가적인 시간을 제공한다. 이 추가 시간은 특히 낮은 열 에너지와 감소된 공정온도에서 티타늄 원자의 열 운동이 감소되므로 특히 필요하다.
표 13의 증착과정은 TiCl4의 흐름 속도를 더욱 감소시켜 실행되었다. 표 13의 웨이퍼는 모두 열산화 웨이퍼이다. 표 12 또는 표 13 에서의 웨이퍼들은 NH3RF 어닐로 어닐링되지 않았다.
표 13 에 대한 증착 파라미터
TiCl4(sccm) 4 (번호 1 및 번호 2의 웨이퍼)
3 (번호 3 및 번호 4의 웨이퍼)
2 (번호 5 및 번호 6의 웨이퍼)
1 (번호 7의 웨이퍼)
H2(sccm) 3,750
RF 파워 (watt) 250 ＠ 450 KHz
반응 챔버 압력 (Pa) 667 (5 Torr)
서셉터 회전 속도(rpm) 100
증착 시간 (sec) 300 (번호 1의 웨이퍼는 180,
번호 2의 웨이퍼는 240)
기판 온도 (℃) 대략 400
서셉터 온도 (℃) 450
증착공정 결과에 대한 토의
질량 증가 및 WDXRF(wave dispersive X-ray fluorescence)에 의해 측정된 30Å으로부터의 속도에서, 상술된 파라미터와 장치를 사용하여 티타늄 박막이 증착되었다. 이때, 증착 속도는 증착 온도와 TiCl4부분 압력에 직접 비례함이 밝혀졌다. 증착 온도가 550 ℃에서 450 ℃로 내려감에 따라 박막 저항은 120μΩ-cm에서 150μΩ-cm로 증가한다. 550 ℃ 에서 열성장 산화막 위에 증착된 티타늄 박막은 RBS(Rutherford Back Scatter spectroscopy)로써 분석하여, 원소 티타늄으로 확인되었다. 상기 RBS에 의해 검출될 수 있는 유일한 불순물은 산소이다. AES(Auger Electron Spectroscopy) 깊이 프로파일링은 저수준의 오염을 확인하기 위해 수행되었다. 상기 AES 프로파일은 0.1 %의 부피(bulk) 염화물 함량을 표시한다. 이 염화물도 WDXRF에 의해 측정되고, 그 결과 0.45 % 부피 농도가 표시되었다.
박막은 또한 550 ℃에서 광택없는 실리콘 기판 위에 증착되엇다. 이런 박막은 RBS에 의해 분석되어서, 증착공정 중에 규화물(silicide)을 형성한 것으로 알려졌다. 그 후의 증착 어닐은 수행되지 않았다. 본래 규화 티타늄에 대한 화학양론은 0.5 %의 염화물이 검출되는 것을 제외하고는 TiSi2으로 된다. AES 깊이 프로파일링은 0.5 %의 부피 함량 염소 뿐만 아니라 본래 규화물의 화학양론을 확인한다. 상기 AES 프로파일은 규화물에서 저수준의 산소를 표시하지만, 실리콘/TiSi2의 접촉면 산소 피크(peak)에 대한 근거는 없다. 이것은 본래 산화막이 CVD-Ti 공정에서 제거되었음을 표시한다.
박막의 등각성(conformality)을 관찰하기 위하여, 티타늄 박막은 550 ℃에서 패턴된 BPSG (borophospho-silicate glass) 상에서 증착된다. 모든 접촉부들은 (애스펙트 비가 1.0에서 2.9로 변화하는) 1 ㎛ 내지 0.35 ㎛ 이다. 상기 티티늄 박막은 모든 애스펙트 비에 대하여 등각을 이루는 것으로 관찰되었다. 1500 Å 까지의 박막 두께가 증착되고, 그 단면은 SEM(scanning electron microscope)을 통하여 관측된다. 개방된 접촉부에서, 돌출점을 형성한다는 증거는 없다. 돌출점 형성은 스퍼터링과 같은 증착공정의 관찰선에서 근본적인 문제이다. 이 문제는 종래의 평행하게 조준되는 스퍼터링에 대하여 잘 기록되어 있고, CVD-Ti 공정의 의 등 각성은 스퍼터링 기술의 중요한 장점을 제공한다.
CVD-Ti와 스퍼터된-Ti에서 얻어진 전기적 특성은 상기 기술한 전기 테스트구조를 사용하여 비교할 수 있다. 접촉 저항은 0.35 ㎛으로부터 0.60 ㎛까지 변화하는 접촉 크기를 갖는 켈빈(Kelvin) 구조를 사용하여 측정할 수 있다. 0.35 ㎛ 의 접촉면을 갖는 바닥에 100 Å의 티타늄을 증착시키기 위하여, 200 Å의 CVD-Ti와 비교되어 900 Å의 스퍼터된 Ti가 증착된다. 상기 CVD-Ti와 스퍼터된-Ti의 박막은 모든 접촉 크기에 대하여 동등한 접촉 저항을 제공한다. 그러나, 작은 접촉은 CVD-Ti 첩촉층을 만드는 훨씬 높은 프로브(probe)를 갖는다. CVD-Ti 접촉층에 대하여 초래되는 0.35 ㎛의 접촉은 스퍼터된-Ti 충의 접촉의 2배가 된다. 이와 같은 증가는 CVD-Ti 공정이 웨이퍼 표면에 더 균일하고 더 반복가능한 결과를 제공하며, 공정이 접촉 크리닝 공정과 접촉 에칭에 의하여 만들어지는, 작은 접촉에서 접촉변화를 극복할 수 있음을 제시하여 준다. 이것은 상술된 AES 결과로써 지지되며, 이AES 결과는 CVD-Ti 및 본래 위치에서 규산화한 후에 실리콘/TiSi2접촉면에서 잔여의 천연 산화막이 검출되지 않음을 보여준다.
2개의 접촉 층에 대한 더욱 자세한 비교는 10,000개의 접촉 체인을 사용하여 행하였다. 더 큰 접촉에 대해서도 그 결과들은 비슷하다. 그러나, 0.35 ㎛의 CVD 접촉 층은 보다 낳은 결과를 만들어낸다. 상기 CVD-Ti 접촉 층은 스퍼터된-Ti 층으로 얻어진 것보다 낮은 2차수의 접촉 체인 저항값을 제공한다. 더욱이, CVD-Ti 층에 대하여 만들어진 프로브는 스퍼터된 층에 대한 프로브보다 5배나 더 크다.
CVD-Ti와 스퍼터된-Ti에서 측정된 누수전류의 양은 비슷하다. 이것은 CVD-Ti 공정에 의해 제공된 본래 위치에서의 규산화가 접합 손상을 일으키지 않는다는 것을 의미한다. 이것은 전기 측정을 완료한 후, 샘플에 행한 SEM 단면을 통하여 확인할 수 있다. 이 단면은, 접촉의 바닥에서 CVD-Ti 공정 동안 형성되는 규화물이 균일하다는 것을 확인시켜 준다.
결론적으로, 티타늄 박막은 온도 450 ℃ 내지 550 ℃에서 화학 증기 증착에 의해 증착되었다. 실리콘 표면 상에 증착시키기 위한 증착공정 동안, 상기 티타늄은 TiSi2로 완전히 전환된다. 접촉 개방부에서 티타늄이 돌출되는 근거없이, 증착은 등각적으로 형성된다. 접촉 저항 및 접합부 누설을 측정함으로써 CVD-Ti 공정이 낮은 애스펙트 비의 형태를 위해 스퍼터된 Ti에 동일한 전기 작업을 제공한다는 사실을 나타낸다. 더 높은 애스펙트 비의 형태를 위해 CVD-Ti 공정은 우수한 접촉저항 및 수율을 제공한다. 전기 작업에서의 발전은 CVD-Ti 의 등각 성질(conformalnature)과, 접촉 저부로부터 잔여 산화물의 제거 과정 및, 접촉 저부에서 균일한 TiSi2층의 형성에 기인한다.
도 3 은 상류 RF 플라즈마 소스를 구비한 증착 챔버의 다른 실시예를 도시하고, 상류 RF 플라즈마 소스는 도 1의 구조에 의해 사용되는 상류 플라즈마 발생에 대해 상기 본원에서 토의되고 기재된 바와 같이 회전 서셉터를 사용하는 상류 플라즈마 저온 PECVD 공정에 필요한 라디컬을 발생시키 위해 사용될 수 있다. 특히, 증착 챔버(280)는 RF 플라즈마 소스(282)에 부착된다. 적당한 소스는 탬프, 아리조나의 포토테크 리서치, 인코포레이션으로부터 상업적으로 이용 가능한 RF 소스이다. RF 플라즈마 소스(282)는 그 내부에 플라즈마 발생영역(286)을 형성하는 하우징(284)을 포함한다. H2, N2, 및/또는 NH3와 같이 여기되는 플라즈마 가스는 각각 가스 입력 라인(287,288) 및 가스 링(289,290)을 통해서 유입된다. 영역(286) 내에서, 플라즈마 가스는 RF 소스(294)에 결합된 RF 코일(292)에 의해 발생된 RF 필드에 의해 여기된다. 예를 들어, 대략 13.56 MHz의 RF 에너지는 영역(286) 내의 가스로 이동하여 자유전자, 이온, 플라즈마 가스의 라디컬을 함유하는 가스 플라즈마를 생성한다. 여기된 가스가 플라즈마- 발생 영역(286)의 길이로 이끌어질 때, 가스 입자는 라디컬이 다량으로 양호하게 존재할 때까지 결합한다. 라디컬은 증착영역(296)을 통해 당겨진다. TiCl4와 같은 반응가스는 수직으로 조절 가능한 가스 샤워 헤드(298)에 의해 증착영역(296)으로 유입되고, 반응 가스 및 활성 라디컬은 회전 서셉터(302)에 의해 기판(300)으로 당겨져서 결합하여 기판(300)에 막 층을형성한다. 상기 기술된 바와 같이, 가열되고, 예를 들어, 상기 기술된 유사 압력 및 서셉터 회전 속도 및 가스 흐름 속도를 갖는 기판(300)은 도 3의 RF 플라즈마 소스와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 티타늄- 함유 막과 같은 막은 통상의 열 CVD 공정에서 얻을 수 있는 온도보다 충분히 낮은 온도에서 증착될 수 있다.
본 발명은 그 실시예의 기술로써 설명되고 그 실시예는 상세히 기술되었지만, 본 출원인의 의도는 첨부된 청구항의 범주를 상술된 상세한 설명으로 제한하지 않는다. 당기술에 숙련된 전문가에게는 부가의 장점 및 변형을 생각할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 저온 CVD 기술을 사용하여 본원의 상세한 설명에서 기재된 티타늄 함유 막 외에 다른 막을 증착시킬 수 있다. 부가로, H2, N2, 또는 NH3와 다른 가스들의 활성 라디컬을 사용하여 증착온도를 낮출 수 있다.

Claims (24)

  1. 기판을 화학 증기 증착 반응 챔버 속으로 공급하는 단계와,
    상기 기판을 가열하는 단계와,
    제 1 가스를 반응 챔버 내로 공급하는 단계와,
    제 1 가스 플라즈마를 형성하기 위해 제 1 가스를 여기시키는 단계와,
    제 2 가스를 반응 챔버 내로 공급하는 단계를 포함하는 플라즈마 화학 증기 증착으로 기판에 막을 증착하는 방법에 있어서,
    상기 제 1 가스 플라즈마는 제 1 가스의 활성 라디컬을 포함하고, 제 2 가스는 티타늄 함유 가스이고,
    상기 제 1 가스의 라디컬을 제 2 가스와 혼합하는 단계와,
    상기 라디컬과 제 2 가스의 혼합물을 기판 표면에 제공하여 표면 반응을 발생시키고 기판 표면에 티타늄 함유 막을 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가스 플라즈마를 형성하기 위해 제 1 가스를 여기시키는 단계는 라디컬 이외에 표면 반응에 에너지를 공급하는 이온도 형성하는 증착방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 샤워 헤드가 관련 RF장과 함께 전극으로 작용하도록, 챔버의 가스 분사용 샤워 헤드를 RF 에너지원으로 바이어스시킴으로써 제 1 가스 플라즈마를 형성하기 위해 제 1 가스를 여기시키는 단계와,
    기판에 인접하여 제 1 가스의 활성 라디컬을 함유하는 플라즈마를 형성하기 위해, 샤워 헤드 전극과 RF장을 통해서 제 1 가스를 안내하는 단계와,
    상기 제 1 가스 라디컬과 제 2 가스가 결합되어 기판 표면에서 표면 반응하여 기판 표면상에 티타늄 함유막을 증착하는 단계를 추가로 포함하는 증착방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 가스를 여기시키는 단계는 극초단파 에너지원으로 활성 라디컬을 발생하는 단계를 포함하는 증착방법.
  5. 제 4항에 있어서, 제 1 가스는 기판으로부터 멀리 떨어진 극초단파 에너지원으로 여기되며, 기판쪽으로 당겨질 때 추가의 라디컬을 생성하는 증착방법.
  6. 제 1항에 있어서, 기판 표면에 제공된 가스 혼합물이 제 1 가스 라디컬 및 여기된 제 2 가스를 포함하도록 제 2 가스를 여기시키는 단계를 포함하는 증착방법.
  7. 제 1항에 있어서, 제 1 가스를 여기시켜서 라디컬을 형성하기 위하여, RF 코일로서 포위되고 기판의 상류측에 위치한 RF장 영역을 통해서 제 1 가스를 안내하는 단계를 포함하는 증착방법.
  8. 제 1항에 있어서, 혼합물을 표면에 제공하여 표면 반응을 촉진시키도록, 제 1 가스 라디컬과 제 2 가스를 기판 표면으로 이끌기 위해 기판이 회전되는 증착방법.
  9. 제 3항에 있어서, 제 1 가스를 샤워 헤드로 통과시키기 전에 소정의 제 1 가스 유동을 확립해서 기판에 균일한 유동의 라디컬을 생성하기 위하여 제 1 가스를 기판 위에서 샤워 헤드에 연결된 실린더로 통과시키는 단계를 포함하는 증착방법.
  10. 제 3항에 있어서, 상기 샤워 헤드는 기판으로부터 대략 25mm 이하의 거리에 위치하는 증착방법.
  11. 제 8항에 있어서, 기판이 0 rpm과 50,000 rpm사이의 속도로 회전되는 증착방법.
  12. 제 1항 또는 8항에 있어서, 제 1 가스는 수소, 질소, 암모니아 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 증착방법.
  13. 제 1항 또는 8항에 있어서, 상기 기판은 막의 증착중에 200℃와 800℃ 사이의 온도로 가열되는 증착방법.
  14. 제 1항 또는 8항에 있어서, 반응 챔버내의 압력을 67Pa와 2000Pa (0.5와 15Torr) 사이에서 유지하는 단계를 포함하는 증착방법.
  15. 제 1항 또는 8항 있어서, 상기 제 2 가스는 50sccm과 50,000sccm 사이의 속도로 공급되는 증착방법.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 가스는 1sccm과 20sccm 사이의 속도로 공급되는 증착방법.
  17. 제 8항에 있어서, 상기 기판은 이 기판에 걸쳐 제 1 및 제 2 가스 혼합물의 층류를 생성하여 활성 라디컬의 재혼합과 가스 재순환을 감소시키기에 충분한 속도로써 회전되는 증착방법.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 반도체층 위에 놓이는 산화층을 포함하고, 상기 산화층은 상기 반도체층이 그 바이어(via)를 통해 노출되는 하나 이상의 바이어를 포함하고, 화학 증기 증착 반응 챔버는 RF장을 형성하는 RF 전극과 RF 에너지원을 포함하고,
    제 1 가스를 여기시켜서 활성 라디컬 및 그 이온을 형성하기 위해 제 1 가스가 RF장을 통과하도록 안내하고, 제 2 가스를 제 1 가스 라디컬 및 이온과 혼합시키고, 제 1 가스 라디컬 및 이온과 제 2 가스의 혼합물을 기판의 표면에 제공하는 단계를 포함하고, 제 1 가스의 라디컬 및 이온이 표면 반응에서 제 2 가스와 반응하여 하나 이상의 바이어를 통해 반도체층에 티타늄을 증착시키지만, 산화층에는 증착시키지 않는 증착방법.
  19. 기판을 수용하는 반응 챔버와;
    상기 반응 챔버에서 기판을 가열하는 가열장치와;
    제 1 가스 공급부와;
    상기 제 1 가스 공급부와 반응 챔버를 연결하며 반응 챔버에서 제 1 가스를 기판에 인접하게 안내하는 출구를 형성하고 있는 통로부와,
    통로부에서 플라즈마를 발생하기 위해 상기 통로부에 연결된 에너지원과,
    기판을 지지하기 위한 반응 챔버내의 서셉터(susceptor)와;
    반응 챔버에 연결되어 제 2 가스를 기판에 인접하도록 안내하는 제 2 가스 공급부를 포함하며, 화학 증기 증착으로 기판에 막을 증착하는 장치에 있어서,
    상기 제 2 가스는 티타늄 함유 가스이고, 에니지원은 제 1 가스의 활성 라디컬을 함유하는 플라즈마를 형성하도록 작동가능하고, 가스가 화학적으로 반응하여 티타늄 함유막을 기판표면에 증착시키도록 반응 챔버는 라디컬을 기판에 인접한 제 2 가스와 혼합하고 이 혼합물을 기판 위에 제공하도록 구성되고 작동하는 증착장치.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 통로부는 석영 튜브를 포함하고, 에너지원은 극초단파 에너지를 발생시키고 상기 석영 튜브에 연결되어 제 1 가스의 활성 라디컬을 발생하는 증착장치.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 에너지원은 RF 에너지를 발생하는 증착장치.
  22. 제 19항에 있어서, 서셉터에 대향하고 제 1 가스 공급부에 작동가능하게 연결되며 샤워 헤드를 통하여 제 1 가스를 분산시켜서 기판에 인접한 챔버내로 유입시키기 위한 복수의 구멍을 갖는 가스 분산용 샤워 헤드와,
    샤워 헤드를 전기로 바이어스시키기 위해 샤워 헤드에 전기 접속된 에너지원을 포함하고,
    상기 바이어스된 샤워 헤드는 그 주위의 관련 전기장을 갖는 전극으로 작용하도록 작동가능하며
    상기 샤워 헤드 전극은 또한 제 1 가스를 여기시켜서 제 1 가스의 활성 라디컬을 형성하도록 작동가능한 증착 장치.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 샤워 헤드 전극은 서셉터의 상부면으로부터 대략 25mm 이하로 이격되고 기판에서 표면 반응을 일으키기 위해 집중된 밀도의 제 1 가스 활성 라디컬을 기판에 제공하도록 작동가능한 증착장치.
  24. 제 22항에 있어서, 제 2 가스는 통과를 위해 샤워 헤드 전극에 작동가능하게 연결되고, 샤워 헤드 전극은 제 2 가스를 여기시키도록 작동가능한 증착장치.
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