KR100965400B1 - 플라스마를 이용한 박막 증착 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마를 이용한 박막 증착 장치에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마를 이용한 박막 증착 장치는 박막 증착 공정이 진행되는 수직형 공정튜브; 상기 공정 튜브의 내부에 위치되며, 다수의 웨이퍼들이 적재되는 보우트; 상기 공정 튜브와 상기 보우트 사이에 배치되며, 웨이퍼들로 제공될 공정가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 플라즈마 발생부를 포함하되; 상기 플라즈마 발생부는 상기 공정튜브의 내측벽으로부터 이격되어 플라즈마 발생 공간을 제공하는 그리고 웨이퍼들을 향해 플라즈마 상태의 공정가스가 분사되는 관통공들이 형성된 격벽; 상기 플라즈마 발생공간에 설치되며, 상기 공정가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 플라즈마 발생부재를 포함한다. 상술한 구성을 갖는 박막 증착 장치는 플라즈마 발생부가 공정튜브의 내부 공간에 보우트와 대응되게 수직으로 설치됨으로써, 공정가스가 여기됨과 동시에 전극 표면으로부터 떨어져 나온 증착물질과 함께 보우트에 적재된 웨이퍼들 전체로 신속하게 공급될 수 있기 때문에 박막 형성이 빠르고, 근거리 공급으로 이온화 불균형을 최소화 할 수 있다.
보우트, 플라즈마, 타겟
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 박막 증착 장치의 평단면도이다.
도 3은 플라즈마 발생부의 격벽을 보여주는 도면이다.
도 4은 격벽의 변형예이다.
도 5는 플라즈마 발생부의 변형예이다.
도 6은 플라즈마 발생부재의 변형예이다.
도 7 및 도 8은 타겟으로 사용되는 전극의 다양한 형태를 보여주는 도면이다.
도 9는 2개의 독립된 공간이 마련된 플라즈마 발생부를 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 공정 튜브
200 : 보우트
300 : 플라즈마 발생부
310 : 가스 공급부재
330 : 플라즈마 발생부재
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 플라즈마를 이용한 박막 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로 웨이퍼는 사진, 확산, 식각, 화학 기상 증착 및 금속 증착 등의 반도체 제조 공정을 반복하여 수행한 후 소정의 반도체 소자로 제작된다.
상술한 반도체 제조 공정 중 웨이퍼에 박막을 증착하는 공정은 리모트 플라즈마를 이용한 방식과, 타겟을 이용하여 아르곤 플라즈마를 발생시키는 스퍼터링 방식 등이 많이 사용된다.
하지만, 리모트 플라즈마 방식은 반응실 외부에서 가스를 이온화하여 반응실까지 이송하는 거리가 길어 에너지 손실에 의해 웨이퍼에서 박막을 형성하는 이온의 양이 적어 박막 형성이 늦은 단점이 있다. 또한, 원거리 공급에 의한 이온화 불균형으로 박막의 품질이 불량하고, 리모트 플라즈마를 사용함으로써 대용량의 경우 보조 설비로 인하여 설비의 크기가 커지는 단점이 있다.
그리고 스퍼터링 방식은 플라즈마 에너지로 생성된 아르곤 이온에 의해 타겟 물질을 착탈하여 웨이퍼에 이온을 충돌시켜 충격에 의한 웨이퍼 손상이 발생한다.
본 발명의 목적은 증착 시간을 단축할 수 있는 플라즈마를 이용한 박막 증착 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 다수의 웨이퍼들에 박막을 증착할 수 있는 플라즈마를 이용한 박막 증착 방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마를 이용한 박막 증착 장치는 박막 증착 공정이 진행되는 수직형 공정튜브; 상기 공정 튜브의 내부에 위치되며, 다수의 웨이퍼들이 적재되는 보우트; 상기 공정튜브와 상기 보우트 사이에 위치되며, 외부로부터 제공받은 공정가스를 웨이퍼들로 제공하기 위한 가스 공급부재; 및 상기 가스 공급부 내부에 설치되며, 상기 공정가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 플라즈마 발생부재를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가스 공급부는 상기 공정튜브의 내측벽으로부터 이격되어 플라즈마 발생 공간을 제공하고 상기 플라즈마 발생부재에 의해 플라즈마화된 공정가스가 웨이퍼들로 제공되도록 상기 보우트와 마주하는 일면에 다수의 관통공들이 형성된 격벽을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생부재는 상기 격벽에 의해 제공되는 상기 플라즈마 발생 공간에 설치되고 웨이퍼들에 증착된 박막의 소스가 되는 금속으로 이루어지는 타겟; 및 상기 타겟에 플라즈마 발생에 필요한 파워를 인가하는 전원을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생부재는 상기 격벽에 의해 제 공되는 상기 플라즈마 발생 공간에 설치되는 전극; 및 상기 전극으로 플라즈마 발생에 필요한 파워를 인가하는 전원을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극은 웨이퍼들에 증착된 박막의 소스가 되는 금속으로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생부재는 상기 플라즈마 발생 공간에 설치되고 웨이퍼들에 증착되는 박막의 소스가 되는 금속으로 이루어지는 타겟을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극은 판, 원기둥 그리고 코일 형상중 어느 하나로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 박막 증착 장치는 상기 가스 공급부의 플라즈마 발생공간으로 공정가스를 공급하는 가스공급부를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가스 공급부는 상기 보우트와 대응되게 수직하게 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 공정튜브는 박막증착 공정을 위한 밀폐된 공간을 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 플라즈마를 이용한 박막 증착 장치는 박막 증착 공정이 진행되는 수직형 공정튜브; 상기 공정 튜브의 내부에 위치되며, 다수의 웨이퍼들이 적재되는 보우트; 상기 공정 튜브와 상기 보우트 사이에 배치되며, 웨이퍼들로 제공될 공정가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 플라즈마 발생부를 포함하되; 상기 플라즈마 발생부는 상기 공정튜브의 내측벽으로부터 이격되어 플라즈마 발생 공간을 제공하는 그리고 웨이퍼들을 향해 플라즈마 상태의 공정가스가 분사되는 관통공들이 형성된 격벽; 상기 플라즈마 발생공간에 설치되며, 상기 공정가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 플라즈마 발생부재를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생부재는 상기 플라즈마 발생 공간에 설치되는 전극; 상기 전극으로 플라즈마 발생에 필요한 파워를 인가하는 전원; 및 웨이퍼들에 증착된 박막의 소스가 되는 금속으로 이루어지는 타겟을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생부재는 상기 플라즈마 발생 공간에 설치되는 전극; 및 상기 전극으로 플라즈마 발생에 필요한 파워를 인가하는 전원을 포함하되; 상기 전극은 웨이퍼들에 증착된 박막의 소스가 되는 금속으로 이루어진다.
예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 9에 의거하여 상세히 설명한다. 또, 상기 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 보여주 는 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 박막 증착 장치의 평단면도이다. 도 3은 플라즈마 발생부의 격벽을 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼 표면에 박막을 형성하기 위한 박막 증착 장치(10)는 공정 튜브(100), 보우트(200) 및 플라즈마 발생부(300)를 포함한다.
-공정 튜브-
공정 튜브(100)는 돔 형상의 원통관 형상으로 이루어진다. 공정 튜브(100)는 웨이퍼(w)가 적재된 웨이퍼 보우트(200)가 로딩되어 웨이퍼들 상에 화학 기상 증착(박막 증착 공정, 확산 공정 등)이 진행되는 내부 공간을 제공한다.
공정 튜브(100)는 높은 온도에서 견딜 수 있는 재질, 예컨대 석영으로 제작될 수 있다. 공정 튜브(100)는 하단부 일측에 공정 튜브(100) 내부에 제공되는 플라즈마 발생 공간으로 공정 가스를 공급하기 위한 공급 포트(110)와, 공정 튜브(100) 내부를 감압시키기 위해 내부 공기를 강제 흡입하여 배기하기 위한 배기 포트(120)가 마련된다. 공정 가스는 아르곤등의 스퍼터 가스나 반응성 스퍼터링 시에 이용하는 산소 등의 반응 가스로써, 공급 포트(110)를 통해 플라즈마 발생부로 제공된다.
배기 포트(120)는 공정시 공정 튜브(100) 내 공기를 외부로 배출시키기 위해 제공된다. 배기 포트(120)는 배기 라인과 연결되며, 배기 포트(120)를 통해 공정 튜브(100)로 공급되는 공정 가스의 배기 및 내부 감압이 이루어진다.
-히터-
히터(140)는 공정 튜브(100) 외부에서 공정 튜브(100)에 소정의 열을 제공하여, 공정에 요구되는 공정 튜브(100) 내부 온도를 유지시킨다. 이를 위해 히터(140)는 설비(10) 외부에는 제어부(미도시됨)가 구비되며, 제어부는 공정 튜브(100)의 온도를 감지한 후 공정 튜브(100)의 온도가 공정상 요구되는 온도 밑으로 내려가면 히터(140)가 공정 튜브(100)를 가열하도록 제어한다.
-웨이퍼 보우트-
웨이퍼 보우트(200)는 50장(또는 그 이상)의 웨이퍼들이 삽입되는 슬롯들을 구비한다. 웨이퍼 보우트(200)는 시일캡(210) 상에 장착되며, 시일 캡(210)은 엘리베이터 장치인 구동부(230)에 의해 공정 튜브(100) 안으로 로딩되거나 또는 공정 튜브(100) 밖으로 언로딩된다. 웨이퍼 보우트(200)가 공정 튜브(100)에 로딩되면, 시일캡(210)은 공정 튜브(100)의 플랜지(130)와 결합된다. 한편, 공정 튜브(100)의 플랜지(130)와 시일 캡(210)이 접촉하는 부분에는 실링(sealing)을 위한 오-링(O-ring)과 같은 밀폐부재가 제공되어 공정가스가 공정 튜브(100)와 시일 캡(210) 사이에서 새어나가지 않도록 한다.
-플라즈마 발생부-
플라즈마 발생부(300)는 공정튜브(100)와 보우트(200) 사이의 일측에 배치되 며, 공급포트(110)를 통해 유입된 공정가스를 플라즈마(활성화) 상태로 만들어 보우트(200)에 놓여진 기판(W)들로 공급하기 위한 것이다. 플라즈마 공급부(300)는 가스 공급부재(310)와 플라즈마 발생부재(330)를 포함한다.
가스 공급부재(310)는 공급포트(110)로부터 제공받은 공정가스를 웨이퍼(w)들로 제공하기 위한 것이다. 가스 공급부재(310)는 보우트(200)와 마주하는 일면에 다수의 관통공(312a)들이 형성된 가스 분배 플레이트(Gas Distribution Plate)의 역할을 갖는 격벽으로써, 이 격벽(312)은 공정튜브(100)의 내측벽으로부터 이격되어 플라즈마 발생 공간(a)을 제공한다. 이 플라즈마 발생 공간(a)은 격벽(312)에 의해 보우트가 위치되고 공정이 진행되는 처리 공간과는 구분된다.
플라즈마 발생 공간(a)으로 유입되는 공정 가스는 플라즈마 발생 부재(330)에 의해 플라즈마화(활성화) 되어 보우트(200)와 마주하는 일면에 형성된 관통공(312a)들을 통해 보우트(200)에 적재된 웨이퍼(w)들로 제공된다.
관통공(312a)들은 공정시 보우트(200)에 적재된 웨이퍼(w)들로 공정가스가 공급되는 개구이다. 각각의 관통공(312a)은 슬릿 형상으로 이루어진다. 도 3을 참조하면, 관통공(312a)들은 서로 동일한 형상을 가지며, 일정간격으로 상하로 격벽(312)에 형성되도록 제공된다. 또는, 본 발명의 변형된 예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 관통공(312a)들은 분사되는 가스의 양을 달리하기 위하여 공급포트(110)에 가까운 관통공(312a)부터 순차적으로 폭이 넓어지는 슬릿 형상으로 이루어진다. 이것은 공급포트(110)와 가까운 관통공(312a)에서 빠져나가는 가스의 압력이 상대적으로 멀리 떨어진 관통공(312a)으로부터 빠져나가는 압력보다 높기 때문 에 직경을 달리하여서 형성하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 보우트(200)의 상부와 하부로 분사되는 공정 가스의 양이 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 플라즈마 발생부(300)가 공정 튜브(100) 내의 보우트(200)와 마주하는 일측에 배치됨으로써, 근접한 위치에서 웨이퍼들에 플라즈마된 공정 가스를 분사할 수 있다. 예컨대, 격벽(312)에 형성되는 관통공(312a)들은 슬롯 형태로 형성되는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 다양한 형태(원형, 사각형)로 변경될 수 있다.
플라즈마 발생부재(330)는 격벽(312)에 의해 웨이퍼들이 위치되어 공정이 진행되는 공간과는 구분된 플라즈마 발생 공간(a)에 설치되는 전극(332)과, 플라즈마 발생에 필요한 파워를 전극으로 인가하는 전원(334)을 포함한다. 여기서 중요한 것은 전극(332)이 웨이퍼들에 증착된 박막의 소스가 되는 금속으로 이루어진다는데 있다. 즉, 본 실시예에서는 전극(332)이 웨이퍼상에 증착하고자 하는 물질로 이루어지는 타겟으로 사용된다. 따라서, 전극만 교체하면 원하는 금속 박막을 얻을 수 있다.
본 발명에서의 박막 증착 과정을 간략하게 살펴보면, 웨이퍼들이 적재된 보우트(200)가 공정튜브(100) 내로 로딩되고, 공정 튜브(100)의 내부 공간을 밀폐한 상태에서 내부 감압을 실시한다. 공정튜브(100)의 내부 감압이 완료되면 플라즈마 발생부(300)의 플라즈마 발생 공간(a)으로 공정가스(스퍼터링 기체인 불활성 가스 또는 할로겐 가스)를 흘려주면서 전극(332)에 전원을 인가하면, 플라즈마 발생 공간(a)에 플라즈마가 발생한다. 예컨대, 공정가스로는 불소(F) 가스 및 염소(Cl) 가 스 등이 사용될 수 있다. 이러한 플라즈마내에는 전압에 의해 공정 가스가 이온화된다. 이러한 발생된 이온은 소스 물질(웨이퍼에 증착될 금속)로 이루어져 있는 전극(332)(타겟 표면이라고 보면 된다)표면으로 가속하여 충돌하게 되는데, 이온의 충격으로 떨어져 나온 소스 물질은 격벽(312)의 관통공(312a)들을 통해 보우트(200)에 놓여진 웨이퍼(w)들로 날아가 증착이 되는 것이다. 전극(332)의 재질은 구리(Cu), 티타늄(Ti), 그리고 탄탈륨(ta) 등을 포함할 수 있다.
도 5는 플라즈마 발생부의 변형예로써, 가스 공급부재(310) 및 플라즈마 발생부재(330)는 복수개가 구비될 수 있다. 가스 공급부재(310) 및 플라즈마 발생부재(330)는 공정튜브(100)의 중심을 기준으로 균등한 각도로 배치될 수 있다. 즉, 각각의 플라즈마 발생부(300)는 보우트(200)를 기준으로 서로 마주보도록 배치된다. 따라서, 가스 공급부재(310)는 다양한 방향에서 보우트(200)에 놓여진 웨이퍼(w)들을 향해 공정가스를 공급할 수 있다.
도 6은 플라즈마 발생부재의 변형예로써, 플라즈마 발생부재(330)는 전극(332)과 타겟(336)으로 구분하되, 웨이퍼상에 증착하고자 하는 물질로 이루어지는 타겟(336)이 전극(332)을 감싸도록 형성된 일체형으로 이루어질 수 있다. 타겟(336)은 박막 형성 속도를 증가시키기 위해 복수개가 배치될 수 있다. 도시하지 않았지만, 플라즈마 발생부재는 전극과 타겟이 개별적으로 배치될 수 있으며, 이때 타겟에는 플라즈마 발생 공간에서 공정 가스공정가스가 타겟에 충돌되도록 전원이 인가될 수 도 있다.
도 7 및 도 8은 타겟으로 사용되는 전극의 다양한 형태를 보여주는 도면으로 써, 전극(332)이 판형태 또는 코일형태 등과 같이 다양한 형상으로 제작이 가능하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생부(300)는 플라즈마 발생공간(a)과 그 옆에 또 다른 독립된 공간(b)이 마련될 수 있다. 이 독립된 공간(b)에는 플라즈마 발생공간(a)로 공급되는 가스와는 다른 공정가스가 제공되며, 독립된 공간(b)으로 제공되는 공정가스는 제2공급포트(112)를 통해 제공받는다. 이렇게 독립된 공간(b)으로 제공된 공정 가스는 격벽(312)에 형성된 또 다른 제2관통공(312b)를 통해 보우트(200)에 적재된 웨이퍼들로 제공될 수 있다. 즉, 플라즈마 발생부(300)는 서로 다른 공정 가스가 각각 공급되어 질 수 있도록 플라즈마 발생부재의 전극(332)이 설치된 플라즈마 발생공간(a)과, 독립된 공간(b)으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 플라즈마 발생부가 2개의 공간(a,b)으로 나누어지는 형태는 화학기상증착 장치의 하나인 원자층 박막 증착 장치에 바람직한 형태라 할 수 있다. 즉, 웨이퍼 상에 원하는 2종의 박막을 순차적으로 증착시키는 원자층 박막 증착 방식으로, 먼저, 플라즈마 발생공간(a)로 제1공정가스를 공급하여 공정을 진행하고, 그런 다음 독립된 공간(b)으로부터 또 다른 공정 가스를 제공하여 웨이퍼상으로 분사한다. 이러한 2개의 공간을 가짐으로써, 공정 가스의 혼합없이 공정을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같은 박막 증착 장치(10)는 플라즈마 발생부(300)가 공정튜브의 내부 공간에 보우트(200)와 대응되게 수직으로 설치된다. 그리고 플라즈마 발생부재(300)에는 전원이 인가되고, 공급 포트(110)를 통하여 플라즈마 발생 공간(a)으로 공급된 공정 가스는 플라즈마 발생부재(330)에 의해 여기되며, 여기된 공정 가 스는 전극(타겟) 표면에 충돌하고, 전극 표면으로부터 떨어져 나온 물질은 격벽에 형성된 관통공(312a)들을 통해 보우트(200)에 적재된 웨이퍼들로 분사된다. 그리고 공정이 완료된 공정 가스는 공급 포트와 반대쪽에 설치된 배기 포트(120)를 통하여 배기된다.
상기와 같이, 본 발명은 플라즈마 발생부(300)를 보우트(200)와 가깝도록 공정 튜브(100)의 내부에 설치함으로써, 공정가스가 여기됨과 동시에 전극 표면으로부터 떨어져 나온 증착물질과 함께 보우트(200)에 적재된 웨이퍼들 전체로 신속하게 공급될 수 있기 때문에 박막 형성이 빠르고, 근거리 공급으로 이온화 불균형을 최소화 할 수 있다.
이상으로 본 발명에 따른 박막 증착 장치를 설명하였지만, 상술한 실시예로 인해서 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상은 박막 증착 공정을 수행하는 설비에 있어서, 반응 튜브 내부에 타겟으로 사용되는 전극이 플라즈마 발생 공간에 설치된다는데 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 공정 챔버 내에 플라즈마 발생부를 구비함으로써, 여기된 공정 가스가 웨이퍼에 도달되기 전에 재결합되지 않는다. 이로 인해, 증착 시간을 단축할 수 있고, 증착에 따른 위이퍼 표면의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈마 발생부의 내부에 타겟 역할을 전극을 설치함으로써 스퍼터링 효과를 이용한 박막 증착을 배치식 수직 반응로에 적용할 수 있어 생산성을 향상시 킬 수 있다.
Claims (19)
- 플라즈마와 열에너지를 이용한 박막 증착 방법에 있어서:웨이퍼들이 적재된 보우트가 공정튜브 내로 로딩되는 단계;상기 공정 튜브의 내부 공간을 밀폐한 상태에서 감압하고, 상기 공정 튜브 외부에 설치된 히터에 의해 열에너지를 제공하는 단계;상기 공정 튜브와 상기 보우트 사이의 일측에 가스 분배 플레이트의 역할을 갖는 격벽에 의해 공정이 진행되는 처리공간과는 구분되는 플라즈마 발생부의 플라즈마 발생공간으로 공정가스를 공급하면서 상기 플라즈마 발생공간에 설치된 웨이퍼상에 증착하고자 하는 소스물질로 이루어지는 전극에 전원을 인가시키는 단계;상기 전극에 전원이 인가되면서 발생되는 플라즈마에 의해 여기된 공정가스가 상기 전극 표면과 충돌하고, 그로 인해 상기 전극 표면에서 떨어져나온 소스물질이 상기 플라즈마 발생부에 형성된 관통공들을 통해 상기 보우트에 놓여진 웨이퍼들로 날아가 증착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마와 열에너지를 이용한 박막 증착 방법.
- 제1항에 있어서,상기 공정가스는 염소(Cl2) 가스 및 불소(F) 가스 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마와 열에너지를 이용한 박막 증착 방법.
- 제2항에 있어서,상기 전극 재질은 구리(Cu), 티타늄(Ti) 그리고 탄탈륨(Ta)으로 이루어지는 그룹 중에서 선택적으로 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마와 열에너지를 이용한 박막 증착 방법.
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