KR100514670B1 - 플라즈마 ｃｖｄ 장치 및 반도체 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 웨이퍼에서의 성막 시의 수소 환원 열화를 억제하기 위한 것으로, 반도체 웨이퍼(19)에 박막을 성막하기 위한 반응 용기(10)와, 반도체 웨이퍼(19)에 대하여, 스퍼터링용 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스 전극(17)과, 적어도 수소를 포함하는 SiH4 가스를 반응 용기(10) 내에 공급하는 노즐(13)과, 고주파 바이어스의 온/오프를 스위칭 소자(102)를 거쳐서 제어하고, 또한, 고주파 바이어스의 제어 논리와 반대의 제어 논리로 유량 제어기(101)를 거쳐서 SiH4 가스의 공급의 온/오프를 제어하는 제어 회로(103)를 구비하고 있다.
Description
본 발명은 비정질 실리콘 태양 전지, 박막 트랜지스터, 광 센서 등의 각종 반도체 장치의 막 형성에 이용되는 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치에 관한 것으로, 성막 시의 수소 환원 열화를 억제할 수 있는 플라즈마 CVD 장치에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 장치의 제조 공정에서는, 플라즈마 기상 여기(氣相勵起)를 이용하여 반도체 웨이퍼에 절연막 등의 박막을 형성하기 위한 플라즈마 CVD 장치가 이용되고 있다. 이 플라즈마 CVD 장치는 박막을 구성하는 원소로 이루어지는 원료 가스를 반도체 웨이퍼 상에 공급하여, 기상 또는 반도체 웨이퍼 표면에서의 화학 반응에 의해 소망하는 박막을 형성시키는 장치이다. 가스 분자를 여기시키기 위해서는 플라즈마 방전이 이용된다.
도 4는 종래의 플라즈마 CVD 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에서, 반응 용기(10)는 내부를 진공 상태로 하여, 12인치 직경의 반도체 웨이퍼(19)에 절연막을 성막하기 위한 용기이다. 반응 용기(10)의 내측면에는, Ar 가스를 방출하기 위한 노즐(11), O2 가스를 방출하기 위한 노즐(12), 상술한 원료 가스로서의 SiH4 가스를 방출하기 위한 노즐(13)이 각각 마련되어 있다.
RF 전극(14)은 반응 용기(10)의 상부에 마련되어 있고, 고주파 전원(15)에 접속되어 있다. 이 RF 전극(14)은 SiOx를 반도체 웨이퍼(19)에 증착시키기 위한 고주파 전계를 발생시키기 위한 것이다. 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 상기 증착 시에는, 반도체 웨이퍼(19)에 형성된 배선(19a)을 덮도록 절연막(19b)이 성막된다. 단, 이 시점에서는 배선(19a)의 극간에는 절연막(19b)이 완전히 도달하지 않는다. 도 5(a)에서, RF 입력은 RF 전극(14)에 의한 고주파 입력이다. 또한, RF 전극(14)의 RF 파워는, 예컨대, 3kW로 되어 있다.
지지대(16)는 반응 용기(10)의 내부에 배치되어 있고, 정전기력에 의해 반도체 웨이퍼(19)를 지지하는 것이다. 바이어스 전극(17)은 RF 전극(14)과 대향하도록 지지대(16)에 매설되어 있고, 고주파 전원(18)에 접속되어 있다.
상기 바이어스 전극(17)은 이온화된 Ar+를 반도체 웨이퍼(19)에 끌어들이기 위한 바이어스를 인가하는 것이다. 상기 이온화된 Ar+는 배선(19a)의 상부 코너부에 퇴적한 절연막(19b)을 에칭한다. 따라서, 이 경우에는, 항상 배선(19a)의 극간 상부가 개구되기 때문에, 배선(19a) 사이의 극간으로의 절연막(19b)의 증착이 극간없이 가능하게 되고 있다. 도 5(b)에서, LF 입력은 바이어스 전극(17)에 의한 바이어스 입력이다. 바이어스 전극(17)의 바이어스 파워는, 예컨대, 1kW이다.
상기 구성에 있어서, 도 6에 나타낸 「B」, 「C」 및 「E」로부터 알 수 있듯이, 노즐(11), 노즐(12) 및 노즐(13)로부터는 항상 Ar 가스, O2 가스 및 SiH4 가스가 반응 용기(10) 내에 방출되고 있다. 마찬가지로 해서, RF 전극(14) 및 바이어스 전극(17)에는 고주파 전원(15) 및 고주파 전원(18)이 항상 접속되어 있다. 즉, 도 6에 나타낸 「A」 및 「D」로부터 알 수 있듯이, RF 입력(고주파 입력) 및 LF 입력(바이어스 입력)의 상태로 되어 있다. 따라서, 반응 용기(10) 내에서는 RF 입력에 의한 증착과, LF 입력에 의한 스퍼터링이 동시에 행해지고 있다.
즉, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 SiH4로 이루어지는 절연막(19b)이 반도체 웨이퍼(19)의 표면에 증착되고, 또한, 반도체 웨이퍼(19)측에 Ar+를 끌어들이는 스퍼터링이 행해지고 있다. 이 스퍼터링에 의해 여분의 절연막(19b)이 깎이고, 또한, 배선(19a)의 극간에 절연막(19b)이 널리 퍼진다.
그런데, 상술한 바와 같이, 종래의 플라즈마 CVD 장치에는, 도 4에 나타낸 바이어스 전극(17)의 바이어스 인가에 의해 Ar+를 반도체 웨이퍼(19)에 끌어들이고 있다. 그러나, 바이어스 인가 시에는, 반응 용기(10) 내에 존재하는 수소도 반도체 웨이퍼(19)에 끌어들여 버린다. 도 7(a)는 바이어스 오프일 때의 원소 질량수와 전류값(끌어들이는 양)의 관계를 나타내는 도면이며, 도 7(b)는 바이어스 온일 때의 원소 질량수와 전류값(끌어들이는 양)의 관계를 나타내는 도면이다. 원소 질량수=2는 수소 분자(H2)에 대응하고 있다.
이들 도면으로부터 알 수 있듯이, 바이어스 오프일 때와 바이어스 온일 때에는 반도체 웨이퍼(19)에 끌어들이는 수소량이 급증한다. 이 경우, 반도체 웨이퍼(19)에서는 수소 환원 열화가 발생하여 장치 특성에 악영향이 미친다. 특히, 반도체 웨이퍼(19)가 강 유전체 재료인 경우에는, 도 8에 나타낸 바와 같이 반도체 웨이퍼(19)(반도체 장치)에서의 P(분극)-V(인가 전압) 특성이 악화된다. 즉, 성막 전에는 정상적인 성막 전 히스테리시스 루프(30)를 그리는 데 비하여, 성막 후에는 흐트러진 성막 후 히스테리시스 루프(31)를 그린다.
본 발명은 상기에 감안하여 이루어진 것으로, 반도체 웨이퍼에서의 성막 시의 수소 환원 열화를 억제할 수 있는 플라즈마 CVD 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1에 따른 발명은 반도체 웨이퍼에 박막을 성막하기 위한 반응 용기와, 상기 반도체 웨이퍼에 대하여 스퍼터링용 고주파 바이어스를 인가하는 고주파 바이어스 수단과, 상기 고주파 바이어스의 온/오프를 제어하는 고주파 바이어스 제어 수단과, 상기 적어도 수소를 포함하는 가스를 상기 반응 용기 내로 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 고주파 바이어스 제어 수단의 제어 논리와 반대의 제어 논리로 상기 가스의 공급의 온/오프를 제어하는 가스 공급 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수소를 포함하는 가스의 공급이 정지되어 있는 동안에 고주파 바이어스에 의한 스퍼터링이 행해지기 때문에, 본래 불필요한 수소를 반도체 웨이퍼에 끌어들이는 비율이 격감하여 반도체 웨이퍼에서의 성막 시의 수소 환원 열화를 억제할 수 있다.
또한, 청구항 2에 따른 발명은, 청구항 1에 기재된 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 고주파 바이어스 제어 수단은 소정 시간 간격을 두고 온 상태와 오프 상태가 반복되는 고주파 바이어스 제어 신호에 근거하여 제어하고, 상기 가스 공급 제어 수단은 상기 고주파 바이어스 제어 신호에 대하여 반전 관계에 있는 가스 공급 제어 신호에 근거하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수소를 포함하는 가스의 공급이 정지되어 있는 동안에 고주파 바이어스에 의한 스퍼터링이 행해지기 때문에, 본래 불필요한 수소를 반도체 웨이퍼에 끌어들이는 비율이 격감하여 반도체 웨이퍼에서의 성막 시의 수소 환원 열화를 억제할 수 있다.
또한, 청구항 3에 따른 발명은 청구항 2에 기재된 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 고주파 바이어스 제어 신호 및 상기 가스 공급 제어 신호의 스위칭 주기, 듀티비를 조정하는 조정 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 고주파 바이어스 제어 신호 및 가스 공급 제어 신호의 스위칭 주기, 듀티비를 조정하도록 했기 때문에, 반도체 웨이퍼의 상태에 따라서 증착 시간, 스퍼터링 시간을 섬세하고 치밀하게 제어할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 CVD 장치의 일 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에서, 도 4의 각부에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙인다. 도 1에서는 유량 제어기(100), 유량 제어기(101), 스위칭 소자(102), 제어 회로(103)가 새롭게 마련되어 있다.
유량 제어기(100)는 제어 회로(103)로부터의 O2 가스 유량 제어 신호 S1(도 2(b) 참조)에 근거하여, 노즐(12)로부터 방출되는 O2 가스의 유량을 온/오프시키는 것이다. 도 2(b)에 나타낸 O2 가스 유량 제어 신호 S1은 소정 시간을 두고 온/오프가 반복되는 신호이다.
유량 제어기(101)는 제어 회로(103)로부터의 SiH4 가스 유량 제어 신호 S2(도 2(c) 참조)에 근거하여, 노즐(13)로부터 방출되는 SiH4 가스의 유량을 온/오프시키는 것이다. 도 2(c)에 나타낸 SiH4 가스 유량 제어 신호 S2는 O2 가스 유량 제어 신호 S1에 동기하고 있고, 소정 시간을 두고 온/오프가 반복되는 신호이다.
스위칭 소자(102)는 바이어스 전극(17)과 고주파 전원(18) 사이에 개재되어 있고, 제어 회로(103)로부터의 바이어스 제어 신호 S3(도 2(d) 참조)에 근거하여, 온/오프 제어된다. 도 2(d)에 나타낸 바이어스 제어 신호 S3은 O2 가스 유량 제어 신호 S1(도 2(b) 참조) 및 SiH4 가스 유량 제어 신호 S2(도 2(c) 참조)에 대하여 반전 관계에 있는 신호이다. 제어 회로(103)는 상술한 O2 가스 유량 제어 신호 S1, SiH4 가스 유량 제어 신호 S2 및 바이어스 제어 신호 S3을 출력하여 유량 제어 및 바이어스 제어를 행한다.
상기 구성에 있어서, 도 2(a)에 나타낸 「B」로부터 알 수 있듯이, 노즐(11)로부터는 항상 Ar 가스가 반응 용기(10) 내에 방출되어 있다. 마찬가지로 해서, RF 전극(14)에는 도 2(a)에 나타낸 「A」로부터 알 수 있듯이 고주파 전원(15)이 항상 접속되어 있다.
도 2(b)∼도 2(c)에 나타낸 시각 t0∼t1(예컨대, 20sec)까지의 사이에는 O2 가스 유량 제어 신호 S1 및 SiH4 가스 유량 제어 신호 S2가 온 상태로 된다. 따라서, 이 경우에는, 노즐(12) 및 노즐(13)로부터는 O2 가스 및 SiH4 가스가 반응 용기(10) 내에 방출된다. 이것에 의해, SiH4로 이루어지는 절연막이 반도체 웨이퍼(19)의 표면에 증착된다.
한편, 도 2(d)에 나타낸 시각 t0∼t1까지의 사이에는, 바이어스 제어 신호 S3이 오프 상태로 된다. 따라서, 이 경우에, 바이어스 전극(17)에 의한 바이어스가 오프 상태로 되기 때문에 스퍼터링이 행해지지 않는다.
다음의 시각 t1∼t2까지의 사이에는 O2 가스 유량 제어 신호 S1 및 SiH4 가스 유량 제어 신호 S2가 온에서 오프 상태로 되기 때문에, 노즐(12) 및 노즐(13)로부터의 O2 가스 및 SiH4 가스의 방출이 정지된다. 따라서, 이 경우에는, 반도체 웨이퍼(19)에는 절연막이 증착되지 않는다.
한편, 시각 t1∼t2까지의 사이에는, 바이어스 제어 신호 S3이 오프 상태에서 온 상태로 된다. 따라서, 이 경우에, 바이어스 전극(17)에 의한 바이어스가 온 상태로 되기 때문에, Ar+를 반도체 웨이퍼(19)에 끌어들이는 스퍼터링이 행해진다. 또, 이 경우에는, 수소를 포함하는 SiH4 등이 반응 용기(10)에 공급되지 않기 때문에 반도체 웨이퍼(19)에 불필요한 수소의 끌어들임이 억제된다. 이후, 상술한 증착과 스퍼터링이 소정 시간 간격을 두고 교대로 반복된다.
도 3은 일 실시예에서의 반도체 웨이퍼(19)의 P-V 특성을 도시하는 도면이다. 이 도면으로부터 알 수 있듯이, 성막 전과 성막 후에는 모두 정상적인 성막 전 히스테리시스 루프(200) 및 성막 후 히스테리시스 루프(201)를 그린다. 이것은 일 실시예에서 반도체 웨이퍼(19)에 끌어들이는 수소량이 격감하고 있는 것을 나타내고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 일 실시예에 의하면, 수소를 포함하는 SiH4 가스의 공급이 정지되어 있는 동안에 바이어스에 의한 스퍼터링이 행해지기 때문에, 본래 불필요한 수소를 반도체 웨이퍼(19)에 끌어들이는 비율이 격감하여 반도체 웨이퍼(19)에서의 성막 시의 수소 환원 열화를 억제할 수 있다.
또, 일 실시예에서는, 제어 회로(103)에 의해 O2 가스 유량 제어 신호 S1, SiH4 가스 유량 제어 신호 S2 및 바이어스 제어 신호 S3의 스위칭 주파수, 듀티비를 조정할 수 있도록 해도 무방하다. 이 경우에는, 반도체 웨이퍼의 상태에 따라서 증착 시간, 스퍼터링 시간을 섬세하고 치밀하게 제어할 수 있다. 또한, 일 실시예에서는, O2 가스의 방출을 온/오프 제어하는 예에 대하여 설명했지만, 이상적으로는 O2 가스 자체에 수소가 포함되어 있지 않기 때문에 연속적으로 방출하도록 해도 무방하다.
이상 설명한 바와 같이, 청구항 1, 2에 따른 발명에 의하면, 수소를 포함하는 가스의 공급이 정지되어 있는 동안에, 고주파 바이어스에 의한 스퍼터링이 행해지기 때문에, 본래 불필요한 수소를 반도체 웨이퍼에 끌어들이는 비율이 격감하여, 반도체 웨이퍼에서의 성막 시의 수소 환원 열화를 억제할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 청구항 3에 따른 발명에 의하면, 고주파 바이어스 제어 신호 및 가스 공급 제어 신호의 스위칭 주기, 듀티비를 조정하도록 했기 때문에 반도체 웨이퍼의 상태에 따라서 증착 시간, 스퍼터링 시간을 섬세하고 치밀하게 제어할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 도시하는 도면,
도 2는 동일 실시예에서의 각종 가스 출력, RF 입력, LF 입력을 설명하는 타이밍도,
도 3은 동일 실시예에서의 P-V 특성을 도시하는 도면,
도 4는 종래의 플라즈마 CVD 장치의 구성을 도시하는 도면,
도 5는 종래의 플라즈마 CVD 장치에서의 성막을 설명하는 도면,
도 6은 종래의 플라즈마 CVD 장치에서의 각종 가스 출력, RF 입력, LF 입력을 설명하는 타이밍도,
도 7은 종래의 플라즈마 CVD 장치에서의 문제점을 설명하는 도면,
도 8은 종래의 플라즈마 CVD 장치에서의 P-V 특성을 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
17 : 바이어스 전극 18 : 고주파 전원
19 : 반도체 웨이퍼 100 : 유량 제어기
101 : 유량 제어기 102 : 스위칭 소자
103 : 제어 회로
Claims (6)
- 반도체 웨이퍼에 박막을 성막하기 위한 반응 용기와,상기 반도체 웨이퍼에 대하여, 스퍼터링용 고주파 바이어스를 인가하는 고주파 바이어스 수단과,상기 고주파 바이어스의 온/오프를 반복 제어하는 고주파 바이어스 제어 수단과,적어도 수소를 포함하는 가스를 상기 반응 용기 내로 공급하는 가스 공급 수단과,상기 고주파 바이어스 제어 수단의 제어 논리와 반대의 제어 논리로 상기 가스 공급의 온/오프를 반복 제어하는 가스 공급 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 CVD 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 고주파 바이어스 제어 수단은 소정 시간 간격을 두고 온 상태와 오프 상태가 반복되는 고주파 바이어스 제어 신호에 근거하여 제어를 행하고, 상기 가스 공급 제어 수단은 상기 고주파 바이어스 제어 신호에 대하여 반전 관계에 있는 가스 공급 제어 신호에 근거하여 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 CVD 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 고주파 바이어스 제어 신호 및 상기 가스 공급 제어 신호의 스위칭 주기, 듀티비를 조정하는 조정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 CVD 장치.
- 반응 용기 내의 반도체 웨이퍼에 대해서, 스퍼터링용의 고주파 바이어스를 인가하는 고주파 바이어스 공정과,상기 고주파 바이어스의 온/오프를 반복 제어하는 고주파 바이어스 제어 공정과,적어도 수소를 포함하는 가스를 상기 반응 용기 내로 공급하는 가스 공급 공정과,상기 고주파 바이어스 제어 공정의 제어 논리와 반대의 제어 논리로 상기 가스 공급의 온/오프를 반복 제어하는 가스 공급 제어 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 고주파 바이어스 제어 공정은 소정 시간 간격을 두고 온 상태와 오프 상태가 반복되는 고주파 바이어스 제어 신호에 근거하여 제어를 행하고, 상기 가스 공급 제어 공정은 상기 고주파 바이어스 제어 신호에 대하여 반전 관계에 있는 가스 공급 제어 신호에 근거하여 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 고주파 바이어스 제어 신호 및 상기 가스 공급 제어 신호의 스위칭 주기, 듀티비를 조정하는 조정 공정을 포함한 것을 특징으로 하는 반도체 제조 방법.
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