KR101040939B1

KR101040939B1 - 균일한 박막 형성을 위한 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비

Info

Publication number: KR101040939B1
Application number: KR1020030083905A
Authority: KR
Inventors: 강대봉; 이정범; 김철식
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2011-06-16
Also published as: KR20050050209A

Abstract

본 발명은 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 위치하며, 기판이 안치되는 서셉터와; 상기 기판의 가장자리 부근에서 공정가스를 분사하는 제1 가스분사수단과; 상기 서셉터의 상부에서 공정가스를 분사하며, 상기 챔버의 측벽을 관통하는 다수의 인젝터로 구성되는 제2 가스분사수단을 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

본 발명에 따르면 챔버내부로 공정가스를 분사하는 가스분사수단을, 기판의 가장자리 부근에서 공정가스를 분사하는 제1 가스분사수단과, 서셉터의 상부에서 공정가스를 분사하는 제2 가스분사수단으로 이원화하여 챔버 내부에 플라즈마가 균일하게 생성될 수 있도록 함으로써 기판에 형성되는 박막의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

고밀도 플라즈마 화학기상증착, 가스 분사장치, 인젝터

Description

균일한 박막 형성을 위한 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비{High density plasma chemical vapor deposition apparatus for generating uniform thin film}

도 1은 종래 HDPCVD장비의 구성도.

도 2는 종래 HDPCVD장비의 구성도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 HDPCVD장비의 구성도.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 HDPCVD장비의 평면도

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 HDPCVD장비의 인젝터 배치도

도 6은 도 5의 A-A 선에 따른 단면도

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 HDPCVD장비의 다른 구성도.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 HDPCVD장비의 구성도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : HDPCVD 장비 110 : 챔버

120 : 서셉터 130, 230 : 가스유입경로

132, 232 : 가스분사구 140 : 기판

150, 250 : 제1 인젝터 152, 252 : 제2 인젝터

154 : 노즐 160 : RF 전원

170 : 플라즈마안테나

본 발명은 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비(high density plasma chemical vapor deposition 또는 HDPCVD)에 관한 것으로서, 특히 박막의 균일도를 향상시킬 수 있는 가스분사수단을 구비한 HDPCVD장비에 관한 것이다.

반도체 소자의 고 집적화가 진행됨에 따라 높은 어스펙트비(aspect ratio)를 가지는 금속라인 사이의 갭을 공극 없이 절연막으로 증착시키기 위해 최근에는 금속라인이 형성된 결과물에 이온들을 수직으로 충돌시켜 돌출부 모서리의 절연막을 식각함과 동시에 증착하는 고밀도 플라즈마를 이용하는 방식을 많이 채택되고 있다.

도 1은 종래의 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비(10)의 구성을 도시한 것으로서, 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(11)와, 상기 챔버(11)의 내부에 위치하며 상면에 기판(13)이 안치되는 서셉터(12)와, 상기 서셉터(12)의 상부에 위치하며 챔버(11) 내부로 공정가스를 분사하는 샤워헤드(14)와, 샤워헤드(14)에 공정가스를 유입하는 가스유입관(17)과, 챔버 내부로 분사된 공정가스를 플라즈마로 여기시키기 위해 RF전원(15)이 인가되는 플라즈마 안테나(16)와, 잔류가스를 배출하 는 배기구(18)를 포함하여 구성된다.

상기 샤워헤드(14)는 하부의 기판(13)을 커버할 수 있어야 하므로, 통상 기판(13)이 원형인 경우에는 샤워헤드(14)도 원형으로 형성된다.

도 2는 다른 방식의 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비(20)의 구성을 도시한 것으로서, 도 1과는 가스분사수단에서 차이가 있다. 즉 가스분사수단이 샤워헤드 방식이 아니라 챔버(21) 측벽에 설치되는 인젝터(24)를 이용하여 서셉터(22)에 안치된 기판(23)에 공정가스를 분사하도록 구성되며, 이때 인젝터(24)는 챔버(21)의 저면을 관통하여 설치될 수도 있다. 그 밖에 RF전원(25), 플라즈마 안테나(26), 배기구(27)는 샤워헤드 방식과 동일하다.

이와 같은 구성을 가지는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비에서 공정이 진행되는 순서를 도 2를 참고로 하여 살펴보면, 먼저 기판(23)을 서셉터(22)에 안치하고, 공정분위기를 조성한 다음, 챔버(21) 측벽에 설치되는 인젝터(24)를 통해 공정가스를 분사하고, 플라즈마 안테나(26)에 RF전원(25)을 인가하면, 챔버(21) 내부로 분사된 공정가스는 강력한 산화력을 가지는 플라즈마 상태로 여기되며, 플라즈마 중의 양이온들이 기판(23)의 표면에 입사, 충돌함으로써 기판(23)에 대한 박막 공정이 수행되게 된다.

그런데 고밀도 플라즈마를 이용하여 기판의 박막 공정을 수행할 때, 도 1이나 도 2와 같은 방식의 가스분사수단을 이용하는 경우 공정기체를 챔버 내부로 균일하게 분사하는데는 한계가 있어서, 플라즈마의 분포가 불균일하게 되고 이는 곧 박막균일도의 저하를 가져오게 된다.

즉 샤워헤드방식의 경우에는 기판(13) 중심부분에서의 박막 두께가 가장자리 부분보다 두꺼워지는 현상이 나타나고, 챔버 측벽에서 공정가스를 분사하는 인젝터 방식의 경우에는 기판(23)의 가장자리에서 박막 두께가 더 두꺼워지는 현상이 나타난다. 이는 공정가스가 플라즈마에 노출되면 곧바로 이온화되어 증착이 일어나므로, 기판(13, 23) 중에서 가스분사구에 가까운 부분에 증착이 많이 일어나기 때문이다.

특히 이와 같이 플라즈마 균일도에 한계가 있는데다, 챔버 내부에서 서셉터(12, 22)가 승하강 하는 경우에는, 기판(13, 23)이 불균일한 플라즈마의 영향을 더욱 심하게 받게 되므로 박막 균일도를 개선하기 위한 대책의 마련이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 챔버 내부에서 공정가스가 균일하게 분사될 수 있도록 함으로써, 플라즈마의 균일도를 높이고 나아가 기판에 증착되는 박막의 균일도를 향상시키는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 상하 운동하는 서셉터가 어느 위치에 있더라도, 생성되는 플라즈마의 밀도를 균일하게 조정할 수 있는 가스분사장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 위치하며, 기판이 안치되는 서셉터와; 상기 기판의 가장자리 부근에서 공정가스를 분사하는 제1 가스분사수단과; 상기 서셉터의 상부에서 공정가스를 분사하며, 상기 챔버의 측벽을 관통하는 다수의 인젝터로 구성되는 제2 가스분사수단을 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 제1 가스분사수단은 서셉터의 내부에 형성되는 가스유동경로와, 상기 가스유동경로와 연결되고 상기 서셉터의 상면에 형성되는 가스분사구를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 가스분사구는 상기 서셉터의 기판안치부 주위의 경사부에 형성되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 제1 가스분사수단은 서셉터의 외주에 인접하여 형성되는 가스유동경로와, 상기 가스유동경로와 연결되고 상기 서셉터의 상면 가장자리에 형성되는 가스분사구를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 다수의 인젝터는 상기 서셉터를 중심으로 대칭적으로 배치되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 다수의 인젝터는 길이가 짧은 하나 이상의 제1 인젝터와, 길이가 긴 하나 이상의 제2 인젝터를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 다수의 인젝터는 챔버의 측벽을 경사지게 관통하는 고밀도 플라즈마 화 학기상증착장비를 제공한다.

상기 인젝터가 챔버의 측벽을 관통하는 각도는, 길이가 긴 제2 인젝터와 길이가 짧은 제1 인젝터가 서로 다르도록 설치되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 다수의 인젝터는 챔버의 측벽을 수평으로 관통하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 인젝터는 상기 챔버 내부에서 일부분이 상부로 절곡되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 상부로 절곡되는 각도는, 길이가 짧은 제1 인젝터와 길이가 긴 제2 인젝터가 서로 다른 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

상기 다수의 인젝터의 각 끝단에는 분사방향이 상기 서셉터의 상면과 직각을 이루도록 노즐이 형성되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비를 제공한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

1. 제1 실시예

본 발명의 제1 실시예는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비(100)의 가스분사수단을 기판의 가장자리 부근에서 공정가스를 분사하는 제1 가스분사수단과, 서셉터의 상부에서 공정가스를 분사하는 제2 가스분사수단으로 이원화하는데 그 특징이 있다.

도 3을 참조하여 자세한 구성을 살펴보면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비(100)는, 내부에 반응공간을 형성하는 챔버(110)와, 상면에 기판(140)이 안치되는 서셉터(120)와, 상기 서셉터(120)의 내부에 형성되는 가스유입경로(130)와, 상기 서셉터(120)의 상면에 형성되어 기판의 가장자리에서 중심부를 향하여 공정가스를 분사하는 가스분사구(132)와, 챔버(110)의 측벽을 관통하는 다수의 인젝터(150,152)와, RF전원(160)과, 챔버(110)의 상부에 설치되는 플라즈마안테나(170)를 포함한다.

상기 서셉터에 형성되는 가스유입경로(130)는 챔버 외부의 가스저장탱크에 연결되며, 서셉터 내부에 환형의 공간으로 형성되거나, 방사형으로 분기된 가스매니폴더로 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비(100)의 평면도로서, 서셉터(120)의 상면에 환형으로 가스분사구(132)가 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 3 에서는 서셉터(120)에서 기판(140)이 안치되는 기판안치부 주위에 경사면을 형성하여 상기 경사면에 가스분사구(132)를 형성하여, 가스가 기판(140)의 중심을 향하여 경사지게 분사되도록 하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니므로, 가스분사방향을 수평으로 할 수도 있다. 또한 기판안치부 주위의 경사면 대신에 직각의 단차부를 형성하여, 상기 단차부의 측면에 가스분사구를 형성하는 것도 예상할 수 있다.

한편 기판(140)의 상부에서 공정가스를 분사하는 제2 가스분사수단은 다수의 인젝터(150, 152)를 포함하는데, 상기 인젝터(150, 152)는 길이가 짧은 제1 인젝터(150)와 길이가 긴 제2 인젝터(152)로 구성되며, 각 인젝터는 끝단이 챔버(110)의 상부로 향하도록 챔버 측벽을 비스듬히 관통하여 설치한다.

특히 공정가스를 균일하게 분사하기 위해서는 인젝터를 균일하게 배치하는 것이 바람직한데, 도 5는 이와 같이 인젝터를 배치한 예를 도시한 것으로서 챔버(110)의 중심을 기준으로 각 인젝터(150, 152)가 대칭적으로 배치되어 있음을 알 수 있다. 도면에는 제1 인젝터(150)와 제2 인젝터(152)를 교대로 배치하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

특히 제1 인젝터(150)와 제2 인젝터(152)는 설치되는 각도를 달리하는데, 도 3에서는 길이가 짧은 제1 인젝터(150)보다 길이가 긴 제2 인젝터(152)의 설치각도를 더 크게 하여, 제2 인젝터(152)의 끝단이 제1 인젝터(150)보다 상부에 위치하도록 하였으나, 반대의 경우도 가능함은 물론이다.

이와 같이 인젝터 끝단의 높이를 다르게 설치하는 것은, 챔버 내부에 분사되는 공정가스의 밀도가 서셉터(120)의 상부에서 균일하도록 하여, 플라즈마를 균일하게 여기할 수 있도록 하기 위함이다.

도 6은 도 5의 A-A선에 따라 인젝터를 절단한 단면도로서, 인젝터가 수평면과 소정의 각(B)을 이루도록 경사지게 설치되었음을 알 수 있다. 인젝터의 끝단에는 하부방향으로 노즐(154)이 형성되는데, 이때 노즐(154)은 하부의 서셉터(120)를 향하도록 형성하는 것이 바람직하다.

이상에서는 제1 가스분사수단인 인젝터가 챔버(110)의 측벽을 비스듬히 관통하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니므로, 서로 길이가 다른 다수 의 인젝터가 수평으로 챔버(110)를 관통하여 서셉터(120)의 상부에서 공정가스를 분사하도록 할 수 있으며, 도 7과 같이 각 인젝터(250, 252)가 챔버(110) 측벽을 수평으로 관통한 후, 챔버(110) 내부에서 끝부분이 상부를 향하도록 절곡할 수도 있다. 이때에도 공정가스의 분사균일도를 개선하기 위해 긴 인젝터(252)를 짧은 인젝터(250)보다 상부로 더 절곡시키거나, 반대로 짧은 인젝터(250)를 상부로 더 절곡시켜, 서로 다른 높이에서 공정가스가 분사되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 가스분사수단을 이원적으로 구성하게 되면, 서셉터의 승하강으로 인하여 기판의 위치가 변화하더라도, 각 가스분사수단에서의 분사비율을 조절함으로써 공정가스의 균일도를 용이하게 개선 내지 유지할 수 있게 된다.

2. 제2 실시예

본 발명의 제2 실시예는, 기판의 가장자리에서 공정가스를 분사하는 제1 가스분사수단을 서셉터(120)에 형성하지 않고 서셉터(120)의 외곽에 형성하는 것이다. 즉 도 8과 같이 서셉터(120)의 외주부에 가스유동경로(230)를 형성하고 상기 가스유동경로(230)의 출구인 가스분사구(232)를 서셉터(120)의 상면 가장자리에 형성하여, 공정가스가 기판(140)의 가장자리로부터 중심부를 향하여 분사되도록 한다.

도 8은 서셉터(120)의 외주부를 환형의 가스링으로 둘러싸고, 상기 서셉터(120)의 외주부와 상기 가스링 사이에 형성되는 공간을 가스유동경로(230)로 이용하고 있으나, 이에 한하는 것은 아니므로, 서셉터(120)의 외주부에 반경이 다 른 2개의 가스링을 설치하여 상기 2개의 가스링 사이의 공간을 가스유동경로(230)로 이용하는 경우도 예상할 수 있다.

서셉터(120)의 상부에 위치하는 제2 가스분사수단은 제1 실시예와 마찬가지로 길이가 짧은 다수의 제1 인젝터(150)와 길이가 긴 다수의 제2 인젝터(152)로 구성되며, 각 인젝터(150,152)의 끝단에 형성되는 노즐도 상술한 바와 같이 서셉터(120)를 향하도록 한다. 마찬가지로 각 인젝터(150, 152)는 챔버(110)를 경사지게 관통하거나, 수평으로 관통한 다음 챔버(110) 내부에서 상부로 절곡할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 당업자에 의해 다양하게 변경 또는 수정이 가능한 바, 이러한 변경 또는 수정이 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

또한, 본 발명은 제1, 2 가스분사수단에서 분사되는 공정가스의 양을 공정과정 중에 조절할 수 있도록 함으로서 서셉터의 상하 운동에 따른 기판의 박막 불 균일성을 최소화할 수 있게 해준다.

Claims

내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버와;

상기 챔버 내부에 위치하며, 기판이 안치되는 서셉터와;

상기 챔버 내부에 균일한 플라즈마가 형성되기 위하여, 상기 기판의 가장자리 부근에서 공정가스를 분사하는 제1 가스분사수단과 상기 서셉터를 향하여 상기 공정가스를 분사하며, 상기 챔버의 측벽을 관통하고, 서로 높이가 다른 다수의 제 1 및 제 2 인젝터로 구성되는 제2 가스분사수단으로 구성되는 가스분사수단

을 포함하고,

상기 다수의 제 1 및 제 2 인젝터의 각 끝단에는 분사방향이 상기 서셉터의 상면과 직각을 이루도록 노즐이 형성되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제1항에 있어서,

상기 제1 가스분사수단은 서셉터의 내부에 형성되는 가스유동경로와, 상기 가스유동경로와 연결되고 상기 서셉터의 상면에 형성되는 가스분사구를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제2항에 있어서,

상기 가스분사구는 상기 서셉터의 기판안치부 주위의 경사부에 형성되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제1항에 있어서,

상기 제1 가스분사수단은 서셉터의 외주에 인접하여 형성되는 가스유동경로와, 상기 가스유동경로와 연결되고 상기 서셉터의 상면 가장자리에 형성되는 가스분사구를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제1항에 있어서,

상기 다수의 제 1 및 제 2 인젝터는 상기 서셉터를 중심으로 대칭적으로 배치되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 제 2 가스분사수단은 길이가 짧은 하나 상기 다수의 제1 인젝터와, 길이가 긴 하나 상기 다수의 제2 인젝터를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제6항에 있어서,

상기 다수의 제 1 및 제 2 인젝터는 상기 챔버의 측벽을 경사지게 관통하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제7항에 있어서,

상기 다수의 제 1 및 제 2 인젝터가 상기 챔버의 측벽을 관통하는 각도는 서로 다르도록 설치되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제6항에 있어서,

상기 다수의 제 1 및 제 2 인젝터는 상기 챔버의 측벽을 수평으로 관통하는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제9항에 있어서,

상기 다수의 제 1 및 제 2 인젝터는 상기 챔버 내부에서 일부분이 상부로 절곡되는 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
제10항에 있어서,

상기 상부로 절곡되는 각도는, 상기 다수의 제 1 및 제 2 인젝터가 서로 다른 고밀도 플라즈마 화학기상증착장비.
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