펄스 알에프 전력을 이용한 갭필 방법 및 이를 위한 갭필장치 document_id A220623017048

본 발명은 반도체소자의 제조공정 중 갭필(gap-fill) 공정에 관한 것으로서, 특히 갭필 성능을 향상시키기 위해 갭필장치의 기판안치대에 바이어스 RF전력을 펄스로 인가하는 방법에 관한 것이다. 최근 반도체소자의 집적도가 증가하여 금속배선의 선폭이나 소자간 간격이 감소함에 따라 소자간 분리막, 금속간 절연막(Inter Metal Dielectric: IMD), 층간 절연막(Inter Layer Dielectric: ILD) 등을 형성할 때 메워야 하는 트렌치나 홀(이하 ''갭''이라 함)의 폭이 갈수록 감소하고 있으며, 따라서 갭필공정에 있어서도 갈수록 우수한 공정특성이 요구되고 있다. 갭필은 여러 가지 방법을 통해서 이루어질 수 있으나, 갭의 종횡비(aspect ratio)가 높아짐에 따라 최근에는 고밀도의 플라즈마를 발생시켜 우수한 갭필특성을 구현하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착(HDP CVD)법이 주로 이용된다. 도 1은 일반적인 HDP CVD 장치(10)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. HDP CVD 장치(10)는 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(11), 상기 챔버(11)의 내부에 설치되며 기판(w)이 놓여지는 기판안치대(12), 기판안치대(12)의 주변에 대칭적으로 설치되어 공정가스를 분사하는 가스인젝터(13)를 포함한다. 챔버(11)는 챔버몸체의 상단에 챔버 내부와 외부를 서로 격리하는 절연체가 결합하여 이루어지며, 챔버(11)의 상부에는 플라즈마 발생원의 역할을 하는 RF안테나(14)가 설치된다. RF안테나(14)는 플라즈마를 형성하는 방식에 따라서 용량결합형 전극 또는 유도결합형 전극이 설치될 수 있다. 용량결합형 전극은 전극이 기판안치대(12)를 대향전극으로 설치되고, 유도결합형 전극은 챔버(11)의 외부에 설치되고, 챔버(11)의 내부공간과는 유전체이 개재된다. 상기 RF안테나(14)는 소스RF전원(15)에 연결된다. 한편 기판안치대(12)에는 기판(w)으로 입사하는 이온의 에너지를 제어하는 바이어스RF전원(17)이 연결된다. 통상적으로 소스RF전원(15)에는 400KHz, 2MHz, 13.56MHz또는27.12MHz 이상의 주파수가 이용되고, 바이어스RF전원(17)에는 13.56MHz 또는 2MHz이하의 주파수가 이용된다. 소스RF전원(15)과 바이어스RF전원(17)의 선단에는 임피던스를 정합시키기 위한 소스용 매칭회로(16)와 바이어스용 매칭회로(18)가 각각 설치된다. 한편, 정전기력을 이용하여 기판(w)을 기판안치대(12)에 밀착시키기 위해 기판안치대(12)의 내부에는 텅스텐 등 금속재질의 DC전극(19)이 설치되며, 상기 DC전극(19)은 별도의 DC전원(20)에 연결된다. 저온 공정에서 기판(w)에 처리하는 경우, 기판안치대(12)에 냉매가 흐르도록 냉각유로(도시하지 않음)을 형성하여 기판(w)의 온도를 저온으로 유지할 수 있다. 기판(w)과 기판안치대(12)의 효율적인 열전달이 되도록 기판(w)의 후면과 기판안치대(12)의 표면에 헬륨(He)가스 등을 공급한다. 이러한 HDP CVD장치(10)에서 갭필이 진행되는 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저 갭필공정을 수행할 기판(w)을 기판안치대(12)에 안치시키고 챔버(11) 내부로 비반응가스를 분사하는 한편 RF안테나(14)에 소스RF전원(15)을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이때 플라즈마가 안정화되면 가스인젝터(13)를 통해 SiH4, O2 등과 같은 공정가스를 기판안치대(12)의 상부로 분사하는 한편 바이어스RF전원(17)을 온(ON) 시킨다. 플라즈마가 형성되면 플라즈마와 기판(w)사이에 전위차가 발생하며, 이를 플라즈마의 쉬스(Sheath)영역이라고 한다. 쉬스영역의 전위차에 의해서 전자와의 충돌로 인해 이온 또는 활성종으로 변환된 공정가스가 기판(w)을 향해서 가속되고, 기판안치대(12)에 바이어스RF전원(17)이 인가되면 전위차는 더욱 커지고, 가속된 이온 또는 활성종이 기판(w)에 입사하여 이미 기판(w)에 안착되어 있는 이온 또는 활성종들을 기판(w)으로부터 이탈시킨다. 전체적으로는 식각속도보다 증착속도가 빠르기 때문에 증착이 진행된다. 이때 증착은 주로 활성종에 의하여 이루어지고 식각은 바이어스RF전원(17)에 의하여 가속된 이온이나 전자에 의하여 주로 이루어진다. 종래의 갭필 공정에서 이와 같이 증착과 식각을 동시에 진행하는 이유는 증착공정 만을 수행하게 되면 갭 내부에 보이드(void)가 빈번하게 발생하기 때문이다. 보이드는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 갭의 개구부 주변에 증착된 박막이 갭의 입구를 점차 막아버리는 오버행(overhang) 현상으로 인해 미처 갭의 내부가 완전히 메워지기 전에 입구가 막혀버리는 경우에 발생한다. 따라서 증착을 수행함과 동시에 이온을 가속시켜 개구부 근방에 증착된 박막을 적절히 식각해 내면 개구부 부근의 증착속도를 낮출수 있기 때문에 보이드 없이 갭필을 완료할 수 있다. 그러나 이러한 방법도 최근 소자의 선폭(Critical Dimension)이 점점 더 줄어들면서부터는 기존의 갭필공정으로는 보이드 없이 갭필하는 데에 한계를 보이고 있다. 이것은 갭의 폭이 줄어듦에 따라 갭의 개구부 부근에서 발생한 식각부산물이 미처 외부로 배출되지 못하고 개구부 부근에 재증착되는 비율이 높아졌기 때문이다. 이와 같이 개구부 부근에서 재증착 비율이 높아지는 것은 기판으로 입사하는 이온 및 전자때문에 갭 개구부 부근의 압력이 갭 내부의 압력보다 높아지고 이로 인하여 부산물이 외부로 빠져나오기 어렵기 때문인 것으로 분석된다. 이러한 이유 때문에 소자의 종횡비(Aspect Ratio)가 증가되는 경우, 증착과 식각을 동시에 수행하여도 갭필할 때 공극이 빈번하게 발생하게 된다.