KR100340716B1 - 실리콘 질화막 형성방법 - Google Patents

Abstract

NH₃처리를 고압 벨브가 구비된 LP CVD 챔버 내에서 고압·저온의 공정 조건하에서 실시해 주므로써, 질화화 효과의 저하없이도 NH₃처리시 요구되던 공정 시간을 줄일 수 있도록 하여 실리콘 질화막 형성시 야기되던 공정 시간 로스를 막고, 생산성 향상을 이룰 수 있도록 한 실리콘 질화막 형성방법이 개시된다. 이를 구현하기 위하여 본 발명에서는, 산화막 재질의 막질이 형성되어 있는 웨이퍼를 고압 벨브가 구비된 LP CVD 챔버 내에 넣고, 고압(예컨대, 5~300Torr)·저온(예컨대, 670±50℃)의 조건하에서 NH₃처리를 실시하는 단계 및, 상기 NH₃처리시 이용되는 온도와 동일 온도에서 실리콘 질화막을 형성하는 단계로 이루어진 실리콘 질화막 형성방법이 제공된다.

Description

실리콘 질화막 형성방법{method for forming silicion nitride}

본 발명은 고압 벨브가 구비된 LP CVD(low pressure chemical vapor deposition) 챔버를 이용한 절연 박막 형성방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 질화막을 형성하기 전에 전처리 작업으로서 실시되는 NH₃처리를 고압·저온의 조건하에서 진행해 주므로써, 실리콘 질화막 형성시 야기되는 공정 시간 로스(loss)를 막을 수 있도록 한 질화막 형성방법에 관한 것이다.

실리콘 질화막은 높은 유전률(high dielectric strength)과 불순물 확산에 대한 우수한 베리어 특성(barrier properties) 및 우수한 화학적 안정도(good chemical stability)를 가지므로, 집적회로 제조시 게이트 유전막(gate dielectrics)이나 디퓨젼 마스크(diffusion masks) 및 보호막으로서 널리 사용되고 있다.

상기 실리콘 질화막 형성시에는 통상, 인큐베이션 시간(incubation time)을 줄이기 위하여 상기 막질 증착전에 웨이퍼 상에 성장된 자연 산화막(SiO₂)을 질화막(Si₃N₄)화하기 위한 전처리 단계로서 NH₃처리 공정을 거치게 된다. 상기 NH₃처리는 일반적으로 고온(예컨대, 780℃)·저압(예컨대, 0.03Torr)의 공정 조건하에서 진행되고 있는데, 이는 이보다 낮은 온도하에서 전처리 작업을 진행할 경우, 하부막(예컨대, 자연 산화막)의 질화화(nitridation) 효과가 떨어지게 되어 실리콘 질화막 형성시 막질 증착이 제대로 이루어지지 않기 때문이다.

도 1의 (a) 및 (b)에는 상기 NH₃처리 공정을 포함하는 종래의 실리콘 질화막 형성시의 공정 조건 변화를 도시한 특성도가 제시되어 있다. 여기서, 도 1의 (a)는 시간대별 챔버 내의 온도 변화를 도시한 특성도를 나타내고, 도 1의(b)는 시간대별 챔버 내의 압력 변화를 도시한 특성도를 나타낸다. 이를 참조하여 종래의 실리콘 질화막 형성방법을 제 4 단계로 구분하여 살펴보면 다음과 같다.

제 1 단계(Ⅰ)로서, 웨이퍼를 보트에 탑재시킨 후 상기 보트를 스탠바이(stand by) 온도(예컨대, 550℃) 상태인 LP CVD 챔버 내에 넣는다. 이때, 상기 챔버 내부의 압력은 760Torr을 유지하도록 세팅되어 있으며, 상기 챔버로는 ~ 2.25Torr 이내의 범위 내에서 압력 제어가 가능하도록 설계된 것이 이용된다. 여기서, 제 1 단계(Ⅰ)에 소요되는 시간은 약 70분이다.

제 2 단계(Ⅱ)로서, 상기 챔버 내를 고진공으로 만들기 위하여 챔버 내부를 저압으로 펌핑(pumping)함과 동시에 그 내부 온도를 780℃까지 올린다. 챔버 내의 온도가 780℃까지 올라간 상태에서 내부 압력이 0.0Torr까지 낮아지게 되면, 챔버 내의 잔류가스(예컨대, 수증기)를 외부로 빼내고, NH₃처리에 필요한 압력을 맞추기 위하여 챔버 내 압력을 다시 0.3Torr까지 올린다. 이 상태(780℃의 고온 및 0.3Torr의 저압 상태)에서 NH₃처리를 실시한다. NH₃처리가 완료되면 압력을 다시 0.0Torr까지 낮추어 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼냄과 동시에 실리콘 질화막 형성에 필요한 온도를 맞추기 위하여 챔버 내의 온도를 서서히 내린다. 여기서, 제 1 단계에 소요되는 시간은 약 125분이다.

제 3 단계(Ⅲ)로서, 챔버 내의 온도가 670℃까지 내려가면 실리콘 질화막 형성에 필요한 압력을 맞추기 위하여 챔버 내 압력을 0.18Torr까지 올린다. 이 상태(670℃의 저온 및 0.18Torr의 저압 상태)에서 실리콘 질화막을 형성한다. 여기서, 제 3단계에 소요되는 시간은 약 108분이다.제 4 단계(Ⅳ)로서, 실리콘 질화막 형성이 완료되면 챔버 내의 압력을 0.0Torr까지 낮추어서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼낸 다음, 챔버 내의 온도는 초기 세팅된 550℃까지 낮추고 내부 압력은 760Torr까지 올려주므로써, 질화막 형성 공정을 완료한다. 여기서, 제 4 단계에 소요되는 시간은 약 118분이다.

그러나, 상기에 언급된 공정 조건하에서 실리콘 질화막을 형성할 경우에는 막질 증착시 다음과 같은 문제가 발생된다.

실리콘 질화막 형성시에는 통상, 하부막(예컨대, 웨이퍼 상에 형성된 자연 산화막)의 질화화(nitridation)를 이루기 위하여 전처리 단계로서, NH₃처리 공정이 진행되고 있는데, 상기 전처리 단계를 실리콘 질화막이 형성되는 온도(예컨대, 670℃)에서 진행할 경우에는 하부막의 질화화를 원하는 수준으로 이룰 수 없어 질화막 형성시 막질 증착이 제대로 이루어지지 않게 되므로, 현재는 질화화 효과를 높이기 위하여 NH₃처리를 780℃ 정도의 고온에서 진행하고 있다.

하지만, NH₃처리를 780℃의 고온에서 진행할 경우에는 챔버 내의 온도를 스탠바이 온도인 550℃에서 780℃까지 높이는 과정에서 챔버 내에 잔류되어 있던 개스 분자들이 활성화되므로, NH₃처리 전에 챔버 내부를 베이직 진공인 0.0Torr까지 낮추는데 걸리는 펌핑(pumping) 시간이 길어지게 될 뿐 아니라 NH₃처리시의 온도(예컨대, 780℃)가 실리콘 질화막 형성시의 온도(예컨대, 670℃)보다 높아 챔버 내의 온도를 780℃에서 670℃로 다운시키는데에도 충분히 긴 시간이 요구되므로, 실리콘 질화막 형성시 총(total) 공정 진행 시간이 길어지는 문제가 발생된다.

이러한 문제가 발생될 경우, 공정 시간 로스에 의한 생산성 저하가 초래되므로 이에 대한 개선책이 시급하게 요구되고 있다.

이에 본 발명의 목적은, NH₃처리를 고압 벨브가 구비된 LP CVD 챔버 내에서 고압·저온의 공정 조건하에서 실시해 주므로써, 질화화 효과의 저하(down)없이도 NH₃처리시 요구되던 공정 시간을 줄일 수 있도록 하여 실리콘 질화막 형성시 야기되던 공정 시간 로스를 막고, 생산성 향상을 이룰 수 있도록 한 실리콘 질화막 형성방법을 제공함에 있다.

도 1의(a) 및 (b)는 종래의 NH₃처리를 적용한 실리콘 질화막 형성시의 공정 조건 변화를 도시한 특성도로서,

도 1의 (a)는 시간대별 챔버 내의 온도 변화를 도시한 특성도이며,

도 1의 (b)는 시간대별 챔버 내의 압력 변화를 도시한 특성도이고,

도 2 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 NH₃처리를 적용한 실리콘 질화막 형성시의 공정 조건 변화를 도시한 특성도로서,

도 2의 (a)는 시간대별 챔버 내의 온도 변화를 도시한 특성도이며,

도 2의 (b)는 시간대별 챔버 내의 압력 변화를 도시한 특성도이고,

도 3은 도 1의 (a) 및 (b) 조건하에서 실리콘 질화막을 형성한 경우와 도 2의 (a) 및 (b) 조건하에서 실리콘 질화막을 형성한 경우에 있어서의 실리콘 질화막의 증착율 정도를 비교 도시한 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 산화막 재질의 막질이 형성되어 있는 웨이퍼를 약 550℃의 스탠바이 온도 및 약 760Torr의 압력으로 세팅된 LP CVD 챔버 내에 넣는 제1단계와; 상기 챔버 내부의 온도를 약 670℃까지 올리고 압력을 약 0.0Torr까지 낮춘 상태에서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼낸 후, NH₃처리시 필요한 압력을 맞추기 위하여 챔버내 압력을 다시 약 5.0Torr까지 올린 상태에서 약 670℃의 저온 및 약 5.0Torr의 고압 상태에서 NH₃처리를 실시하고, NH₃처리의 완료후 챔버 내의 온도는 그대로 유지한 채 압력만을 다시 약 0.0Torr까지 낮추어서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼내는 제2단계와; 상기 챔버 내의 온도는 약 670℃로 유지한 채 실리콘 질화막 형성시 요구되는 압력을 맞추기 위하여 압력을 약 0.18Torr까지 올려 약 670℃의 저온 및 약 0.18Torr의 저압 상태에서 실리콘 질화막을 형성하는 제3단계와; 상기 실리콘 질화막 형성후에 챔버 내의 압력을 약 0.0Torr까지 다시 낮추어서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼낸 다음, 챔버 내의 온도는 초기 세팅된 약 550℃까지 낮추고 압력은 약 760Torr까지 올려주고 나서 질화막 형성 공정을 종료하는 제4단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

이때, 상기 저온은 670±50℃ 범위 내의 온도를 나타내며, 상기 고압은 5~300Torr 범위 내의 압력을 나타낸다.

상기 공정 조건하에서 실리콘 질화막을 형성할 경우, NH₃처리 공정이 고압·저온(예컨대, 5~300Torr의 압력 및 670±50℃의 온도)의 조건하에서 진행되므로, NH₃처리 전에 챔버 내부를 베이직 진공인 0.0Torr까지 낮추는데 걸리는 펌핑 시간을 기존보다 줄일 수 있게 되고, NH₃처리시의 온도와 실리콘 질화막 형성시의 온도가 동일하므로, NH₃처리후 챔버 내의 온도를 다운시킬 필요가 없어 실리콘 질화막 형성시 야기되던 공정 시간 로스를 막을 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명에서 제안된 NH₃처리 공정을 포함하는 실리콘 질화막 형성시의 공정 조건 변화를 도시한 특성도를 보인 것으로, 도 2의 (a)는 시간대별 챔버 내의 온도 변화를 도시한 특성도를 나타내고, 도 2의 (b)는 시간대별 챔버 내의 압력 변화를 도시한 특성도를 나타낸다. 이를 참조하여 본 발명에서 제안된 실리콘 질화막 형성방법을 제 4 단계로 구분하여 살펴보면 다음과 같다.

제 1 단계(Ⅰ)로서, 웨이퍼를 보트에 탑재시킨 후 상기 보트를 스탠바이 온도(예컨대, 550℃) 상태인 LP CVD 챔버 내에 넣는다. 이때, 상기 챔버 내부의 압력은 760Torr을 유지하도록 세팅되어 있으며, 상기 챔버로는~ 1000Torr 이내의 넓은 범위내에서 압력 제어가 가능하도록 설계된 고압 벨브를 갖는 LP CVD 챔버가 사용된다. 고압 벨브가 구비된 LP CVD 챔버는 막질 증착시 널리 사용되어 왔던 챔버이므로 여기서는 구체적인 설명을 피한다. 여기서 상기 제 1단계에 소요되는 시간은 종래와 같이 약 70분이다.

제 2 단계(Ⅱ)로서, 상기 챔버 내를 고진공으로 만들기 위하여 챔버 내부를 저압으로 펌핑함과 동시에 그 내부 온도를 670℃까지 올린다. 여기서는 일 예로서, 챔버 내의 온도를 670℃에 한하여 도시하였으나 상기 온도는 670±50℃의 범위 내에서 가변 가능하다. 챔버 내의 온도가 670℃까지 올라간 상태에서 내부 압력이 0.0Torr까지 낮아지게 되면, 챔버 내의 잔류가스(예컨대, 수증기)를 외부로 빼내고, NH₃처리시 필요한 압력을 맞추기 위하여 챔버 내 압력을 다시 5.0Torr까지 올린다. 이 경우 역시, 챔버 내의 압력이 5.0Torr인 경우에 한하여 도시되어 있으나 5.0~300Torr 범위 내의 압력은 모두 적용 가능하다. 이 상태(670℃의 저온 및 5.0Torr의 고압 상태)에서 NH₃처리를 실시한다. NH₃처리가 완료되면 챔버 내의 온도를 670℃로 유지한 채 압력만을 다시 0.0Torr까지 낮추어서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼낸다. 여기서, 제2 단계에 소요되는 시간은 약 88분으로서 이는 종래에 비해 37분이 단축된 시간이다.

제 3 단계(Ⅲ)로서, 챔버 내의 온도를 670℃로 유지한 채 실리콘 질화막 형성시 요구되는 압력을 맞추기 위하여 챔버 내 압력을 0.18Torr까지 올린다. 이 상태(670℃의 저온 및 0.18Torr의 저압 상태)에서 실리콘 질화막을 형성한다. 여기서, 상기 제3 단계에 소요되는 시간은 약 73분으로서 이는 종래에 비해 35분이 단축된 시간이다.

제 4 단계(Ⅳ)로서, 실리콘 질화막 형성이 완료되면 챔버 내의 압력을 0.0Torr까지 낮추어서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼낸 다음, 챔버 내의 온도는 초기 세팅된 550℃까지 낮추고 압력은 760Torr까지 올려주므로써, 질화막 형성 공정을 완료한다. 여기서, 상기 제4 단계에 소요되는 시간은 약 118분으로 종래와 동일하다.

이와 같이 실리콘 질화막을 형성할 경우, NH₃처리가 저압·고온(예컨대, 0.3Torr의 압력 및 780℃)의 조건이 아닌 고압·저온(예컨대, 5~300Torr의 압력 및 670±50℃의 온도)의 조건하에서 진행되므로, NH₃처리 전에 챔버 내부를 베이직 진공인 0.0Torr까지 낮추는데 걸리는 펌핑 시간을 기존보다 줄일 수 있게 된다. 이는, NH₃처리시 요구되는 온도가 780℃에서 670±50℃까지 다운된 관계로 인해 저압·고온의 공정 조건하에서 NH₃처리를 실시한 경우에 비해 챔버 내 잔류 개스 분자들의 활성화를 억제할 수 있기 때문이다. 그리고, NH₃처리시 요구되는 온도 조건과 실리콘 질화막 형성시 요구되는 온도 조건이 동일하여 NH₃처리후 챔버 내의 온도를 다운시킬 필요가 없게 되므로, 이 과정에서 야기되던 공정 시간 로스(loss) 또한 막을 수 있게 된다. 그 결과, 실리콘 질화막 형성시 요구되던 총 공정 진행 시간을 기존보다 현격하게 줄일 수 있게 되므로 생산성 향상을 이룰 수 있게 된다.

상기 각 단계들의 일 실험 결과로서, 상기에 언급된 공정 조건하에서 실리콘 질화막을 형성하였을 경우 종래의 조건하에서 질화막 형성 공정을 진행한 경우에 비해 제2, 3단계에 의해 약 72 분 가량의 시간 절감이 이루어짐을 확인할 수 있었다.

뿐만 아니라, 상기 공정 조건하에서 NH₃처리를 실시할 경우에는 780℃의 고온에서 전처리를 실시한 경우와 동일하거나 혹은 압력에 따라서는 이보다 높은 질화화 효과를 얻을 수 있다는 것이 확인되었는데, 도 3에는 이를 입증하기 위한 일실험 결과가 제시되어 있다.

도 3은 도 1의 (a) 및 (b)에서 제안된 공정 조건하에서 실리콘 질화막을 형성한 경우와 도 2의 (a) 및 (b)에서 제안된 공정 조건하에서 실리콘 질화막을 형성한 경우에 있어서의 실리콘 질화막의 증착율 정도를 비교 도시한 그래프를 나타낸 것으로, 통상 질화화 정도는 실리콘 질화막의 증착율에 비례하기 때문에 여기서는 일 예로서, NH₃처리시의 챔버 내 압력 변화에 따른 실리콘 질화막의 증착율 정도를 비교 평가하였다.

상기 그래프에서, REF.로 표시된 부분은 0.3Torr의 저압 및 780℃의 고온 조건하에서 NH₃처리가 진행된 경우(도 1에 제시된 종래의 경우)에 있어서의 실리콘 질화막의 증착 정도를 보인 것이고, 나머지는 2.5Torr 이상의 고압 및 670℃의 저온 조건하에서 NH₃처리가 진행된 경우(도 2에 제시된 본 발명의 경우)에 있어서의 실리콘 질화막의 증착 정도를 보인 것이다.

여기서, 참조부호 T는 LP CVD 챔버 내의 탑부(top part)에서의 실리콘 질화막 증착 두께를 나타내고, C는 상기 챔버 내의 센터부(center part)에서의 실리콘 질화막 증착 두께를 나타내며, B는 상기 챔버 내의 바텀부(bottom part)에서의 실리콘 질화막 증착 두께를 나타낸다. 그리고, T(D/R)은 챔버 내 탑부에서의 분당 실리콘 질화막 증착율(Å/min)을, C(D/R)은 챔버 내 센터부에서의 분당 실리콘 질화막 증착 두께를, B(D/R)은 챔버 내 바텀부에서의 분당 실리콘 질화막 증착 두께를 각각 나타낸다.

상기 그래프에 의하면, 저압·고온(780℃, 0.3Torr)의 조건하에서는 실리콘 질화막의 증착율이 존(ZONE)별(예컨대, LP CVD 챔버의 탑부와 센터부 및 바텀부별)로 (1.7, 1.3, 1.10)으로 측정되었으나 온도를 670℃로 하고 압력을 5Torr 이상으로 높여주면 REF. 대비 실리콘 질화막의 증착율이 모두 이보다 높아짐을 확인할 수 있다. 즉, 온도가 670℃로 동일하다는 조건하에서 챔버 내 압력이 5Torr일 경우에는 실리콘 질화막의 존별 증착율이 (1.8, 1.4, 1.16)으로 관측되었으며, 10Torr일 경우에는 (1.8, 1.4, 1.20)으로 관측되었다.

이로 보아, 도 2의 (a) 및 (b)의 공정 조건하에서 실리콘 질화막을 증착한 경우가 도 1의 (a) 및 (b)의 조건하에서 실리콘 질화막을 증착한 경우보다 질화화 효과가 큼을 알 수 있다.

실리콘 질화막을 형성할 때 질화화 효과가 커지면, 반도체 소자(특히, 커패시터) 제조시 기존보다 우수한 유전막 특성을 확보할 수 있게 되므로, 유전막의 박막화가 가능하게 될 뿐 아니라 커패시터의 B·V(breakdown voltage) 특성을 개선시킬 수 있다는 부가적인 효과 또한 얻을 수 있게 된다.

이상, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야의 통상의 지식으로 그 변형이나 개량이 가능함은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 실리콘 질화막 형성시 NH₃처리를 고압 벨브가 구비된 LP CVD 챔버 내에서 고압·저온의 공정 조건하에서 실시해 주므로써, 질화화 효과 저하없이도 실리콘 질화막 형성시 요구되던 총 공정 진행 시간을 기존보다 현격하게 줄일 수 있게 되므로 공정 시간 로스를 막을 수 있게 되어 생산성 향상을 이룰 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 산화막 재질의 막질이 형성되어 있는 웨이퍼를 약 550℃의 스탠바이 온도 및 약 760Torr의 압력으로 세팅된 LP CVD 챔버 내에 넣는 제1단계와;

   상기 챔버 내부의 온도를 약 670℃까지 올리고 압력을 약 0.0Torr까지 낮춘 상태에서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼낸 후, NH₃처리시 필요한 압력을 맞추기 위하여 챔버내 압력을 다시 약 5.0Torr까지 올린 상태에서 약 670℃의 저온 및 약 5.0Torr의 고압 상태에서 NH₃처리를 실시하고, NH₃처리의 완료후 챔버 내의 온도는 그대로 유지한 채 압력만을 다시 약 0.0Torr까지 낮추어서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼내는 제2단계와;

   상기 챔버 내의 온도는 약 670℃로 유지한 채 실리콘 질화막 형성시 요구되는 압력을 맞추기 위하여 압력을 약 0.18Torr까지 올려 약 670℃의 저온 및 약 0.18Torr의 저압 상태에서 실리콘 질화막을 형성하는 제3단계와;

   상기 실리콘 질화막 형성후에 챔버 내의 압력을 약 0.0Torr까지 다시 낮추어서 챔버 내의 잔류가스를 외부로 빼낸 다음, 챔버 내의 온도는 초기 세팅된 약 550℃까지 낮추고 압력은 약 760Torr까지 올려주고 나서 질화막 형성 공정을 종료하는 제4단계로 이루어짐을 특징으로 하는 실리콘 질화막 형성방법.
2. (삭제)
3. (삭제)
4. 제 1항에 있어서, 상기 산화막 재질의 막질은 자연 산화막인 것을 특징으로 하는 실리콘 질화막 형성방법.