KR100589046B1 - 박막 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
양질의 박막을 균일하게 형성할 수 있는 박막 형성 방법에 있어서, 프로세스 챔버 내측면을 따라서 제1 및 제2 가스 공급 라인들이 교호적으로 그리고 등간격으로 배치된다. 제1 및 제2 가스 공급 라인들은 동일한 규격을 가지며, 전단면에 분사구가 형성된다. 제1 및 제2 가스 공급 라인들은 반도체 기판보다 큰 직경의 원주선 상을 따라 배치된다. 제1 가스 공급 라인은 제1 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스를 공급하고, 제2 가스 공급 라인은 제2 소스 가스를 공급한다. 이 경우, 보조 가스는 제1 소스 가스를 반도체 기판의 중심부로 유도하여 프로세스 챔버 내부의 가스 분포도를 향상시킨다. 이로써, 파티클이 반도체 기판으로 낙하되는 것을 방지할 수 있고, 정비 공정의 효율을 증대시킬 수 있으며, 재 세팅 시 소요 시간을 크게 단축할 수 있고, 반도체 기판 상에 양질의 박막을 균일하게 형성할 수 있다.
Description
도 1은 종래에 개시된 고밀도 플라스마 화학 기상 증착 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 가스 공급 부재를 설명하기 위한 부분 확대 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 형성 장치의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 가스 공급 부재의 부분 확대 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 형성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110：프로세스 챔버 120：지지 부재
122：홀더 124：정전 척
150：가스 공급 부재 151：제1 분사구
152：제1 가스 공급 라인 153：제2 분사구
154：제2 가스 공급 라인 158：세정 가스 공급 라인
170：진공 펌프 180：하우징
182：고주파 코일 W：반도체 기판
본 발명은 반도체 기판 상에 양질의 박막을 균일하게 형성할 수 있는 박막 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반응 가스를 플라스마 상태로 여기시켜 반도체 기판 상에 소정의 막을 형성하기 위한 박막 형성 방법에 관한 것이다.
현재의 반도체 장치에 관한 연구는 보다 많은 데이터를 단시간 내에 처리하기 위하여 고집적 및 고성능을 추구하는 방향으로 진행되고 있다. 반도체 장치의 고집적화 및 고성능화를 달성하기 위해서는 반도체 기판 상에 양질의 박막을 균일하게 형성하는 것이 무엇보다 중요하다.
일반적으로 반도체 기판 상에 막을 형성하는 기술은 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 방법과 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법으로 구분된다.
물리 기상 증착 방법에 따르면, 이온화된 가스를 이용하여 타겟(target)으로부터 금속 입자를 분리시킨다. 상기 분리된 금속 입자는 반도체 기판 상면에 낙하되어 금속 박막으로 형성된다. 그러나 이와 같은 물리 기상 증착 방법은 막질이 상대적으로 불균일해진다는 단점 때문에 현재는 극히 제한된 공정에만 이용되고 있다.
화학 기상 증착 방법에 따르면, 소스 물질의 화학 반응을 이용하여 반도체 기판 표면에 아몰퍼스 실리콘 막, 실리콘 산화물 막, 실리콘 질화물 막, 실리콘 산질화물 막 등과 같은 다양한 박막을 증착한다.
화학 기상 증착 방법은 챔버 내부의 압력에 따라 저압 화학 기상 증착 방법(LPCVD), 상압 화학 기상 증착 방법(APCVD), 플라스마 증대 화학 기상 증착 방법(PECVD) 및 고압 화학 기상 증착 방법(HPCVD) 등으로 구분된다. 이중에서, 플라스마 증대 화학 기상 증착 방법에 따르면, 높은 에너지를 얻은 전자가 중성 상태의 가스 분자와 충돌하여 가스 분자를 분해한다. 분해된 가스 원자는 반도체 기판에 증착되어 소정의 박막이 형성된다. 플라스마 증대 화학 기상 증착 방법은 저온의 분위기에서 높은 증착 속도로 박막을 형성하기 위하여 이용된다. 그러나 플라스마 증대 화학 기상 증착 방법은, 박막의 단차 도포성(step coverage)이 조금만 불량하여도 박막 내에 보이드(void)가 형성될 가능성이 매우 높다는 단점이 있다. 또한, 보이드는 패턴과 패턴 사이의 간격이 좁아질수록 현저하게 나타난다. 보이드는 박막 내에 형성되는 보이드는 막질의 특성을 저하시키고, 후속공정의 불량률을 높이는 등 많은 문제점을 야기한다.
전술한 바와 같은 플라스마 증대 화학 기상 증착 방법의 문제점들을 개선하기 위하여, 고밀도 플라스마(high density plasma; HDP)를 이용한 화학 기상 증착 방법(HDPCVD)이 개발되었다.
고밀도 플라스마 화학 기상 증착 방법에 따르면, 박막의 증착과 스퍼터링(sputtering) 식각을 동시에 수행하기 때문에 높은 종횡비를 가지는 갭(gap) 내에 도 보이드 없이 효과적으로 박막을 형성할 수 있다. 그러나 고밀도 플라스마 화학 기상 증착 방법 또한 갭의 폭이 더욱 좁아지거나 복잡한 박막 증착 공정을 수행할 경우, 스퍼터링에 의해 식각되었던 실리콘 산화물이 재증착(redeposition)되기 때문에 갭을 보이드 없이 채우기가 어렵다. 식각되었던 실리콘 산화물이 재증착될 경우, 패턴의 모서리 부분에 있는 실리콘 산화막에 오버행(overhang) 구조가 형성되어 결국 상기 플라스마 증대 화학 기상 증착 방법의 경우처럼 박막 내에 보이드가 발생하게 된다. 현재, 고밀도 플라스마 화학 기상 증착 방법의 문제점을 개선하기 위하여 소스 가스에 에칭 가스를 첨가하거나 반도체 기판의 가열 온도를 조절하는 등 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래에 개시된 고밀도 플라스마 화학 기상 증착 장치의 단면도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1에 도시한 가스 공급 부재를 설명하기 위한 부분 확대 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 고밀도 플라스마 화학 기상 증착 장치는 프로세스 챔버(10), 척(20), 홀더(30), 제1 가스 라인(42), 제2 가스 라인(44), 제3 가스 라인(46) 및 세정 가스 라인(50) 및 고주파 발생 유닛(60)을 포함한다.
프로세스 챔버(10)의 내부는 돔 형상으로 형성되며, 프로세스 챔버(10)의 외측에는 고주파 발생 유닛(60)의 코일이 설치된다. 프로세스 챔버(10)의 내부에는 홀더(30)가 설치되며, 홀더(30) 상에는 척(20)이 고정된다. 프로세스 챔버(10)의 내측 하부에는 세정 가스 라인(50)이 설치된다.
프로세스 챔버(10)의 내벽에는 복수개의 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)들이 설치된다. 보다 자세하게 설명하면, 프로세스 챔버(10)의 내벽에는 6개의 제1 가스 라인(42), 12개의 제2 가스 라인(44) 및 18개의 제3 가스 라인(46)들이 설치된다. 이 경우, 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)들은 척(20)의 중심축을 기준으로 프로세스 챔버(10) 내면에 균일한 간격으로 척(20)의 상부를 향하도록 배치된다. 제1 가스 라인(42)은 약 20.5㎝(8.1inch)의 길이를 갖고, 제2 가스 라인(44)은 약 4.5㎝(1.8inch)의 길이를 가지며, 제3 가스 라인(46)은 약 3.5㎝(1.4inch)의 길이를 갖는다. 제1 및 제3 가스 라인(42, 46)들은 프로세스 챔버(10) 내부로 실란(SiH4)과 헬륨(He) 가스를 공급하고, 제2 가스 라인(44)은 프로세스 챔버(10) 내부로 산소(O2) 가스를 공급한다. 이 경우, 제1 가스 라인들(42)에는 제1 분사구(41)가 측면에 형성되고, 제2 가스 라인들(44)에는 제2 분사구(43)가 측면에 형성되며, 제3 가스 라인들(46)에는 제3 분사구(45)가 전단면(front surface)에 형성된다.
반도체 기판(W)이 척(20) 상에 배치되면, 프로세스 챔버(10) 내부에는 진공 분위기가 조성된다. 제1 및 제3 가스 라인(42, 46)들은 프로세스 챔버(10) 내부로 제1 소스 가스 및 반응 가스를 공급하고, 제2 가스 라인(44)은 프로세스 챔버(10) 내부로 제2 소스 가스를 공급한다. 반응 가스는 고전위차에 노출되어 플라스마 상태로 여기되고, 상기 여기된 플라스마 입자가 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 반응을 유도한다. 이 결과, 반도체 기판(W) 상에는 소정의 박막이 증착된다.
전술한 바와 같은 증착 공정을 수행 시, 반도체 기판(W) 뿐만 아니라 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)에도 소정의 금속 입자들이 증착된다. 상기 금속 입자들은 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)의 외벽뿐만 아니라 분사구(41, 43, 45)를 통하여 라인 내부에까지 유입되어 고착된다. 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)의 내외벽에 고착된 금속 입자들은 반도체 기판(W)으로 낙하되어 반도체 장치의 손상이나 불량을 야기한다. 따라서 정기적인 정비 공정이 필요하다. 하지만, 실제 라인에서는 생산성의 문제로 인하여 권장되는 주기별로 정비 공정을 수행하지 못하고 있으며, 정비 공정 후 증착 설비를 다시 세팅(setting) 시에도 상당한 시간적 경제적 손실이 발생한다. 보다 자세하게 설명하면, 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)들의 길이가 각기 다르고, 분사(41, 43, 45)구의 형성위치도 다르기 때문에 수차례에 걸친 실험 및 오차(try and error)를 통하여 세팅 결과를 확인해야 한다. 심지어, 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)들의 분사구(41, 43, 45)들에 각기 오리피스(도시되지않음)가 내장된 경우도 있기 때문에 재 세팅 시 상당한 시간적 경제적 손실이 발생한다.
전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해서는, 제1, 제2 및 제3 가스 라인(42, 44, 46)들의 길이를 줄이고 규격을 일치시키는 것이 바람직하지만, 이 경우, 소스 가스 및 반응 가스가 불균일하게 분포되는 문제점이 발생한다. 그 결과 반도체 기판(W) 상에 불량한 막질이 형성될 것임은 너무나 자명하다. 따라서 양질의 막을 형성할 수 있으면서도 정비 주기도 늘릴 수 있는 증착 방법 및 증착 장치의 개발이 무엇보다도 필요하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 정비 주기를 늘릴 수 있고, 정비 공정을 효과적으로 수행할 수 있으면서도 양질의 박막을 균일하게 형성할 수 있는 박막 형성 방법을 제공하는 것이다.
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상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 반도체 기판의 중심축선을 기준으로 동일한 원주선 상에서 반도체 기판 상에 박막을 형성하기 위한 공정 가스 및 공정 가스를 반도체 기판의 중심부로 유도하기 위한 보조 가스를 공급한 다음, 공정 가스를 플라스마 상태로 여기시켜 반도체 기판 상에 박막을 형성한다. 이 경우, 상기 원주선의 직경은 반도체 기판의 직경보다 크다.
본 발명에 따르면, 반도체 기판의 주변부로부터 이격된 지점에서 공정 가스 및 보조 가스를 공급함으로써, 반도체 기판 상에 양질의 박막을 균일하게 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 가스 공급 라인들을 전단면에 가스 분사구를 형성하고 서로 동일한 규격으로 형성함으로써 박막 형성 장치의 정비 공정을 간단 및 신속하게 수행할 수 있다.
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이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 박막 형성 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 형성 장치의 단면도를 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 도시한 가스 공급 부재의 부분 확대 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 박막 형성 장치(100)는 프로세스 챔버(110), 지지 부재(120) 및 가스 공급 부재(150)를 포함한다.
프로세스 챔버(110)의 내부에는 돔(dome) 형상의 하우징(180)이 형성된다. 하우징(180)의 외측에는 고주파(RF) 코일(182)이 배치된다. 고주파 코일(182)은 하 우징(180) 하부로 고주파 파워를 인가한다. 이 경우, 고주파 코일(RF)은 약 13.56MHz 정도의 주파수를 갖는 고주파 파워를 인가하는 것이 바람직하다.
하우징(180) 하부에는 지지 부재(120)가 설치된다.
지지 부재(120)는 홀더(122) 및 정전 척(124)을 포함한다. 홀더(122)는 프로세스 챔버(110) 내측 하부에 설치되고, 홀더(122) 상에는 정전 척(124)이 설치된다. 이 경우, 홀더(140)에는 고주파(RF) 코일(182)로부터 공급되는 전압과 실질적으로 동일한 주파수의 바이어스 전압이 공급된다.
프로세스 챔버(110)의 일측에는 프로세스 챔버(110) 내부에 소정의 압력을 조성하기 위한 진공 펌프(170)가 배치된다. 이 경우, 진공 펌프(170)의 용량은 프로세스 챔버(110) 내에서 수행되는 공정에 따라 선택적될 수 있다.
가스 공급 부재(150)는 제1 가스 공급 라인(152), 제2 가스 공급 라인(154) 및 세정 가스 공급 라인(158)을 포함한다.
제1 가스 공급 라인(152) 및 제2 가스 공급 라인(154)은 실질적으로 동일한 형상을 갖는 것이 바람직하다. 제1 가스 공급 라인들(152)의 전단면(front end surface)에는 제1 분사구(151)가 형성되고, 제2 가스 공급 라인들(154)의 전단면에는 제2 분사구(153)가 형성된다. 이후 설명하겠지만, 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)의 전단면에 분사구들(151, 153)을 형성할 경우, 정비 공정을 단시간 내에 효과적으로 수행할 수 있다.
제1 분사구(151) 및 제2 분사구(153)는 해당 분사구를 통한 단위시간당 가스 분사량에 따라 그 형상 및 규격이 조절될 수 있다. 즉, 제1 가스 공급 라인들(152) 또는 제2 가스 공급 라인들(154) 각각의 단위 시간당 가스 분사량을 다르게 조절할 수도 있다. 보다 발전적으로는, 단위 시간당 가스 분사량을 효과적으로 조절하기 위하여 제1 및 제2 분사구(151, 153)의 내부에 각기 오리피스(orifice, 도시되지 않음)를 내장한다.
제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)은 약 2 내지 10㎝의 길이를 갖는다. 바람직하게는, 약 3 내지 5㎝의 길이를 갖는다. 보다 바람직하게는 약 3.5㎝의 길이를 갖는다. 하지만, 이것이 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)의 길이는 조절 가능하다. 보다 자세하게 설명하면, 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)의 길이는 분사구들(151, 153)이 반도체 기판(W)의 주변부 상에 위치하지 않는 범위 내에서 조절가능하다. 즉, 분사구들(151, 153)과 만나는 수직축선이 반도체 기판(W)을 간섭하지 않는 범위 내에서 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)의 길이는 조절가능하다. 이후 설명하겠지만, 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)을 반도체 기판(W)의 주변부로부터 이격시킴으로써 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)의 단부에 고착된 불순물이 반도체 기판(W)으로 낙하되는 것을 방지할 수 있다.
제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)은 프로세스 챔버(110) 내측면을 따라서 동일 수평면 상에 설치된다. 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)은 각기 18개씩 프로세스 챔버(110) 내측에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)은 교호적 그리고 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)은 프로세스 챔버(110) 내부로 연장된다. 또한, 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)들은 반도체 기판(W)의 상부를 향하도록 기울어지게 배치된다. 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)은 상방으로 약 45도 기울어지게 배치되는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154)의 기울기 또한 가변될 수 있다.
가스 공급 부재(150)는 프로세스 챔버(110) 내부로 공정 가스를 공급한다. 이 경우, 공정 가스는 제1 소스 가스, 제2 소스 가스 및 반응 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 공정 가스는 반도체 기판(W) 상에 형성하고자 하는 박막에 따라서 선택될 수 있다.
제1 가스 공급 라인들(152)은 프로세스 챔버(110) 내부로 제1 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스를 공급한다. 제1 소스 가스는 반도체 기판(W) 상에 형성하고자 하는 박막에 따라서 선택된다. 예를 들어, 반도체 기판(W) 상에 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하고자 할 경우에는 실리콘을 함유하는 가스들 중에서 선택하고, 질화막을 형성하고자 할 경우에는 질소를 함유하는 가스들 중에서 선택한다.
반응 가스는 헬륨(He) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 선택하는 것이 바람직하다. 반응 가스는 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 플라스마 상태로 여기시켜 이온과 라디칼 형성한다. 상기 라디칼이 반도체 기판(W) 표면에 흡착되고, 상기 표면에 붙은 원자의 재 분포의 화학적, 물리적 반응을 일으켜 소정의 박막이 형성된다.
보조 가스는 프로세스 챔버(110) 내부에서의 제1 소스 가스 확산을 돕는다. 제1 가스 공급 라인들(152)의 길이가 상대적으로 짧으며 동일한 관계로, 제1 소스 가스가 골고루 확산되지 않을 수 있지만, 이는 보조 가스에 의하여 보완된다. 보조 가스로서는 수소(H2) 가스와 같이 분자량이 적은 가스를 선택하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 제1 소스 가스로서 실란(SiH4) 가스, 반응 가스로서 헬륨(He) 가스, 그리고 보조 가스로서 수소(H2) 가스를 선택하였지만, 이들은 당업자가 용이하게 변경할 수 있을 것이다.
제2 가스 공급 라인들(154)은 프로세스 챔버(110) 내부로 제2 소스 가스를 공급한다. 제2 소스 가스는 반도체 기판(W) 상에 형성하고자 하는 박막에 따라서 그리고 제1 소스 가스에 따라서 선택된다. 예를 들어, 반도체 기판(W) 상에 산화막을 형성하고자 할 경우에는 산소(O2)를 함유하는 가스를 선택하고, 질화막을 형성하고자 할 경우에는 삼불화질소(NF3)를 함유하는 가스를 선택한다.
보다 발전적으로 제2 소스 가스는 불순물 입자를 식각도 동시에 수행할 수 있는 가스를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 불순물 또는 파티클을 제거하기 위해서는 불소를 함유하는 가스를 더 포함할 수 있다. 만약, 제2 소스 가스가 불소를 함유할 경우, 수소(H2)를 함유하는 보조 가스는 상기 불소에 의한 막질 저하를 방지하는 기능도 동시에 수행할 수 있다.
세정 가스 공급 라인(158)은 진공 펌프(170)에 인접하게 프로세스 챔버(110) 내측면에 설치된다. 세정 가스 공급 라인(158)은 제1 및 제2 가스 공급 라인들(152, 154) 하부에 위치한다. 또한, 세정 가스 공급 라인(158)의 분사구는 하우징(180)을 향하도록 배치된다.
세정 가스 공급 라인(160)은 프로세스 챔버(110) 내부로 세정 가스를 공급한다. 세정 가스로서는 PFC계 가스를 이용할 수 있다. 보다 발전적으로 세정 가스 공급 라인(160)을 통하여 퍼지(purge) 가스를 공급할 수도 있다.
실험예 1
상기 실시예 1에서 설명한 박막 형성 장치를 이용하여 25매의 반도체 기판에 대하여 6500Å을 타깃(target)으로 실리콘 산화막 증착 공정을 수행하였다. 이 경우, 제1 소스 가스 실란 80sccm(standard cubic centimeter per minute), 제2 소스 가스로서 산소 160sccm, 반응 가스로서 헬륨 200sccm, 보조 가스로서 수소 400sccm를 약 164초 동안 공급하였다. 또한, 프로세스 챔버 내부에 6000 내지 6500와트의 고주파 파워를 공급하였다. 실험예 1의 결과는 하기 표 1과 같다.
| 반도체 기판 | 평균두께 | 최저두께 | 최고두께 | 오차 | 비고 |
| 1 | 6488 | 6271 | 6649 | 378 | |
| 2 | 6550 | 6354 | 6713 | 359 | |
| 3 | 불량 | ||||
| 4 | 6584 | 6370 | 6747 | 377 | |
| 5 | 6579 | 6377 | 6759 | 382 | |
| 6 | 6574 | 6372 | 6750 | 378 | |
| 7 | 6581 | 6381 | 6761 | 379 | |
| 8 | 6583 | 6382 | 6759 | 377 | |
| 9 | 6578 | 6375 | 6757 | 382 | |
| 10 | 6586 | 6383 | 6760 | 377 | |
| 11 | 6586 | 6379 | 6763 | 384 | |
| 12 | 6587 | 6384 | 6758 | 374 | |
| 13 | 6587 | 6383 | 6758 | 375 | |
| 14 | 6495 | 6164 | 6696 | 531 | |
| 15 | 6552 | 6260 | 6747 | 487 | |
| 16 | 불량 | ||||
| 17 | 6580 | 6307 | 6768 | 461 | |
| 18 | 6581 | 6315 | 6784 | 468 | |
| 19 | 6576 | 6315 | 6784 | 469 | |
| 20 | 6583 | 6326 | 6782 | 455 | |
| 21 | 불량 | ||||
| 22 | 6584 | 6345 | 6771 | 426 | |
| 23 | 6587 | 6343 | 6778 | 435 | |
| 24 | 6661 | 6312 | 6839 | 427 | |
| 25 | 불량 |
상기 표 1에 도시한 바와 같이, 25매의 반도체 기판 상에 형성된 실리콘 산화막의 평균 두께는 최소 6488Å이고, 최대 6661Å로서 오차는 약 173Å이다. 각 반도체 기판 상에서의 실리콘 산화막의 두께 오차는 최소 359Å이고, 최대 531Å이다. 일반적인 권장 스펙 오차 범위가 700Å인 점을 감안할 때, 상기 오차는 매우 바람직하다.
상기 표 1로부터, 실험예 1의 결과 실시예 1에 따른 박막 형성 장치를 이용할 경우, 권장 스펙 오차 범위보다 낮은 오차 범위로 박막을 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
비교 실험예 1
전술한 종래 기술분야에서 설명한 박막 형성 장치를 이용하여 제1 반도체 기판에 대하여 1900Å을 타깃(target)으로 실리콘 산화막 증착 공정을 수행하였고, 상기 실시예 1에서 설명한 박막 형성 장치를 이용하여 제2 내지 제6 반도체 기판에 대하여 1900Å을 타깃(target)으로 실리콘 산화막 증착 공정을 수행하였다. 이 경우, 제1 소스 가스 실란 80sccm, 제2 소스 가스로서 산소 160sccm, 반응 가스로서 헬륨 200sccm, 보조 가스로서 수소 400sccm를 약 48초 동안 공급하였다. 또한, 프로세스 챔버 내부에 6000 내지 6500와트의 고주파 파워를 공급하였다.
비교 실험예 1에 따라 각 반도체 기판 상에 13지점들을 선택하여 두께를 측정한 결과는 하기 표 2와 같다.
| 반도체기판 측정점 | 종래기술 | 실시예 1 | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 1 | 2167 | 2045 | 2050 | 2080 | 2088 | 2055 |
| 2 | 2107 | 2030 | 2031 | 2060 | 2069 | 2037 |
| 3 | 2107 | 1992 | 1997 | 2017 | 2027 | 2004 |
| 4 | 2124 | 2071 | 2077 | 2074 | 2084 | 2084 |
| 5 | 2100 | 2053 | 2057 | 2026 | 2035 | 2063 |
| 6 | 2050 | 2062 | 2063 | 2036 | 2042 | 2066 |
| 7 | 1957 | 2026 | 2027 | 2069 | 2076 | 2030 |
| 8 | 1942 | 2068 | 2073 | 2066 | 2073 | 2076 |
| 9 | 2124 | 2077 | 2081 | 2065 | 2074 | 2085 |
| 10 | 2044 | 2037 | 2039 | 2032 | 2037 | 2041 |
| 11 | 2024 | 2020 | 2020 | 2030 | 2036 | 2020 |
| 12 | 2105 | 2040 | 2044 | 2056 | 2062 | 2046 |
| 13 | 1934 | 2042 | 2044 | 2035 | 2042 | 2045 |
| 평균두께 | 2061 | 2043 | 2046 | 2050 | 2057 | 2050 |
| 오차 | 233 | 84 | 83 | 63 | 61 | 80 |
표 2를 참조하면, 제1 반도체 기판 상의 13지점들에서의 측정한 실리콘 산화막의 평균 두께는 약 2061Å이고 오차는 233Å이다. 이에 비하여, 제2 내지 6 반도체 기판 상의 13지들에서 측정한 실리콘 산화막의 평균 두께는 최저 2043Å 이고, 최대 2057Å이다. 또한, 오차는 최저 61Å이고 최대 84Å이다.
표 2로부터, 실시예 1에 따른 박막 형성 장치를 이용하는 경우가 종래 기술에 따른 박막 형성 장치를 이용하는 경우에 비하여, 실리콘 산화막의 평균 두께 및 오차가 개선되었음을 확인할 수 있었다.
실시예 2
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 형성 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 플라스마 반응 공정을 수행하기 위한 공간이 마련된 박막 형성 장치를 제공한다(S110). 이 경우, 박막 형성 장치에는 상기 공간에 고주파 파워를 인가하기 위한 고주파 발생 장치가 설치된다.
이어서, 박막 형성 장치의 프로세스 챔버 내부로 반도체 기판을 로딩한다(S120). 반도체 기판의 중심축선을 기준으로 동일한 원주선 상에서 공정 가스 및 보조 가스를 공급한다(S130). 이 경우, 공정 가스는 제1 소스 가스, 제2 소스 가스 및 반응 가스를 포함한다.
상기 원주선의 직경은 반도체 기판의 직경보다 크다. 즉, 제1 소스 가스, 제2 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스들을 반도체 기판의 주변부로부터 이격된 지점에서 공급한다.
제1 소스 가스 및 제2 소스 가스는 반도체 기판(W) 상에 형성하고자 하는 박 막에 따라서 선택한다. 예를 들어, 반도체 기판(W) 상에 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하고자 할 경우에는 제1 소스 가스로서 실리콘을 함유하는 가스를 선택하고, 제2 소스 가스로서는 산소를 함유하는 가스를 선택한다.
반응 가스는 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 플라스마 상태로 여기시켜 이온과 라디칼 형성하기 위하여 이용한다. 반응 가스로서는 헬륨(He) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 선택하는 것이 바람직하다.
보조 가스는 제1 소스 가스 또는 제2 소스 가스의 분포도를 향상시키기 위하여 이용한다. 즉, 제1 및 제2 소스 가스들의 분포도를 향상시켜 균일한 두께의 박막을 형성하기 위하여 이용한다. 보조 가스로서는 수소(H2) 가스와 같이 분자량이 적은 가스를 선택하는 것이 바람직하다.
보조 가스는 제1 소스 가스 또는 제2 소스 가스와 함께 공급하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스들은 동일한 공급 라인을 통하여 공급하고, 제2 소스 가스는 독립된 공급 라인을 통하여 공급할 수 있다. 다르게는, 제1 소스 가스 및 반응 가스를 동일한 공급 라인을 통하여 공급하고, 제2 소스 가스 및 보조 가스를 다른 공급 라인을 통하여 공급할 수 있다. 또 다르게는 제1 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스를 동일한 공급 라인을 통하여 공급하고, 제2 소스 가스 및 보조 가스를 다른 공급 라인을 통하여 공급할 수 있다.
전술한 모든 경우, 제1 소스 가스, 제2 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스들은 동일한 형상을 갖는 공급 라인들을 통하여 공급되는 것이 바람직하다. 공급 라인들의 규격을 일치시킬 경우, 정비 공정 후 박막 형성 장치를 재 세팅 시 비교적 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 공급 라인들의 분사구는 전면부에 형성하는 것이 바람직하다. 공급 라인들의 전면부에 분사구를 형성할 경우, 공급 라인들 내부를 용이하게 세정 및 정비할 수 있다.
목표하는 막의 종류에 따라 선택되는 가스들의 종류는 매우 다양하다. 따라서 제1 소스 가스, 제2 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스를 한정하는 것은 매우 어렵다. 하지만, 이들에 대한 기술은 이미 많은 공개 공보에 개시되어 있는바 당업자라면 용이하게 선택할 수 있을 것이다.
이어서, 고주파 파워를 인가하여 제1 소스 가스, 제2 소스 가스 및 반응 가스들을 플라스마 상태로 여기시킨다(S140). 이 경우, 약 13.56MHz 정도의 주파수를 갖는 고주파 파워를 인가하는 것이 바람직하다. 보다 발전적으로는 반도체 기판에도 13.56MHz 정도의 주파수를 갖는 바이어스 파워를 공급하는 것이 바람직하다. 이 결과 반도체 기판 상에 소정의 박막이 형성된다.
본 실시예에 따르면, 반도체 기판의 직경보다 큰 원주선 상에서 제1 소스 가스, 제2 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스들을 공급함으로써, 상기 가스들이 공급되는 공급 라인으로부터 반도체 기판으로 불순물이 낙하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 동일 원주선 상에서 제1 소스 가스, 제2 소스 가스 및 반응 가스를 공급할 경우, 제1 또는 제2 소스 가스들의 분포도가 불량해질 수 있다. 본 실시예에서는 보조 가스를 이용하여 프로세스 챔버 내부에서의 제1 또는 제2 소스 가스를 균일하게 확산시킬 수 있다. 결과적으로는 반도체 기판 상에 양질의 박막을 균일하게 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 공급 라인들의 길이를 줄이고 규격을 일치시키고, 전단면에 분사구를 형성함으로써 첫째, 파티클이 반도체 기판으로 낙하되는 것을 방지할 수 있고, 둘째, 정비 공정의 효율을 증대할 수 있으며, 셋째, 박막 형성 장치를 재 세팅 시 소요 시간을 크게 단축할 수 있고, 넷째 정비 공정의 주기도 늘릴 수 있다. 또한, 보조 가스를 이용함으로써 반도체 기판 상에 양질의 박막을 균일하게 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (16)
- 반도체 기판의 중심축선을 기준으로 동일한 원주선 상에서 상기 반도체 기판 상에 박막을 형성하기 위한 공정 가스 및 상기 공정 가스를 상기 반도체 기판의 중심부로 유도하기 위한 보조 가스를 공급하는 단계; 그리고상기 공정 가스를 플라스마 상태로 여기시켜 상기 반도체 기판 상에 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공급하는 단계는 상기 반도체 기판보다 큰 직경의 원주선 상에서 상기 공정 가스 및 보조 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보조 가스는 수소를 함유하는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공정 가스는 제1 소스 가스, 제2 소스 가스 및 반응 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제1 소스 가스는 실리콘을 함유하는 가스 또는 질소를 함유하는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제2 소스 가스는 산소를 함유하는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 반응 가스는 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서, 제1 소스 가스, 반응 가스 및 보조 가스를 동일한 공급 라인을 통하여 공급하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 박막을 형성하는 단계는 상기 반도체 기판 상에 산화막 또는 질화막을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
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