KR101234706B1 - 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 처리 방법에 관한 것으로, 반응 공간이 마련된 반응 챔버와, 반응 챔버 내에 마련되어 기판을 지지하는 기판 지지대와, 기판 지지대와 대향되어 마련되며 제 1 공정 가스의 플라즈마를 발생시키는 제 1 플라즈마 발생부와, 기판 지지대와 대향되고 제 1 플라즈마 발생부와 분리되어 제 2 공정 가스의 플라즈마를 발생시키는 제 2 플라즈마 발생부를 포함하고, 제 2 플라즈마 발생부는 제 1 플라즈마 발생부보다 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 처리 방법이 제시된다.

Description

기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 처리 방법{Substrate processing apparatus and substrate processing method using the same}
본 발명은 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 처리 방법에 관한 것으로, 특히 하나의 장치를 이용하여 식각 및 증착 공정이 가능한 기판 처리 장치 및 이를 용한 기판 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 DRAM, 플래쉬 메모리 등의 반도체 소자는 복수의 반도체 공정에 의해 제조된다. 예를 들어 박막 증착, 식각 및 세정을 반복함으로써 소정 패턴의 층을 형성하고, 이러한 공정을 복수 반복함으로써 복수의 층이 적층된 반도체 소자가 제조된다.
그런데, 전자 기기 등의 사이즈 축소에 따라 반도체 소자의 집적도가 증가하게 된다. 즉, 반도체 소자의 사이즈는 축소되지만 용량은 더 증가하게 된다. 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 하부 구조물과 상부 구조물의 연결하기 위한 콘택 플러그 공정이 증가하게 된다. 즉, 반도체 소자는 복수의 도전층이 적층 형성되며, 각 도전층 사이에는 이들을 절연하기 위한 절연층이 형성되고, 하층의 도전층과 상층의 도전층을 연결하기 위해 절연막에 콘택홀을 형성하고 이를 도전 물질로 매립하여 콘택 플러그를 형성하게 된다.
콘택홀을 형성하기 위해 플라즈마 식각을 이용하게 되며, 콘택홀 형성 후에는 콘택홀 내에 폴리머가 존재하게 된다. 또한, 폴리머를 제거하기 위해 산소를 이용한 식각 공정을 실시한다. 그런데, 산소에 의해 하부 도전층 상에 자연 산화막이 성장하고, 식각 시 발생되는 부산물(byproduct)에 의한 오염 물질이 하부 도전층 표면에 부착된다. 이러한 자연 산화막 및 식각 부산물은 콘택 저항을 증가시키며, 이를 제거하기 위해 플라즈마 세정 및 습식 세정을 진행하게 된다.
플라즈마 세정 및 습식 세정 후에도 콘택홀 내에 도전 물질을 매립하기 위해 기판이 다른 챔버로 이동하게 되는데, 이때 기판이 대기중에 노출되므로 대기 중의 산소에 의해 하부 도전층 상에 자연 산화막이 재성장될 수도 있다. 따라서, 자연 산화막이 재성장되지 못하도록 공정 대기 시간을 30분 내지 1시간 이내로 관리해야 하며, 공정 대기 시간이 그 이상일 경우 플라즈마 세정 및 습식 세정을 다시 진행한다. 따라서, 공정 관리가 어려운 문제가 있다.
본 발명은 공정 대기 시간을 줄여 공정 관리를 용이하게 할 수 있는 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 처리 방법을 제공한다.
본 발명은 식각 공정과 박막 증착 공정을 동일 챔버에서 연속적으로 실시할 수 있는 기판 처리 장치 및 이를 이용한 기판 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 기판 처리 장치는 반응 공간이 마련된 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 마련되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 상기 기판 지지대와 대향되어 마련되며 제 1 공정 가스의 플라즈마를 발생시키는 제 1 플라즈마 발생부; 및 상기 기판 지지대와 대향되고, 상기 제 1 플라즈마 발생부와 분리되어 제 2 공정 가스의 플라즈마를 발생시키는 제 2 플라즈마 발생부를 포함하고, 상기 제 2 플라즈마 발생부는 상기 제 1 플라즈마 발생부보다 고밀도의 플라즈마를 발생시킨다.
상기 기판 지지대에 인가되는 바이어스 전원을 더 포함한다.
상기 제 1 플라즈마 발생부는, 상기 제 1 공정 가스를 분사하기 위한 샤워헤드; 상기 샤워헤드에 제 1 고주파 전원을 인가하기 위한 제 1 전원부; 및 상기 샤워헤드와 소정 간격 이격되어 마련된 접지 플레이트를 포함한다.
상기 샤워헤드 내에 마련되어 상기 제 1 공정 가스를 고르게 분포시키기 위한 분배판을 더 포함한다.
상기 제 1 공정 가스의 플라즈마는 상기 샤워헤드와 상기 접지 플레이트 사이의 공간에서 발생된다.
상기 접지 플레이트는 복수의 관통홀이 형성된다.
상기 제 1 플라즈마 발생부와 상기 반응 챔버 사이에 마련된 절연체를 더 포함한다.
상기 제 2 플라즈마 발생부는, 상기 제 2 공정 가스를 공급받는 적어도 하나의 반응관; 상기 반응관을 감싸도록 마련된 안테나; 및 상기 안테나에 제 2 고주파 전원을 인가하기 위한 제 2 전원부를 포함한다.
상기 반응관은 상기 반응 챔버의 상측으로부터 상기 제 1 플라즈마 발생부를 관통하여 마련된다.
상기 제 2 공정 가스의 플라즈마는 상기 반응관 내에서 발생한다.
상기 반응관 주변에 마련된 자계 생성용 코일을 더 포함한다.
상기 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부와 상기 기판 지지대 사이에 마련되어 상기 제 1 및 제 2 공정 가스의 플라즈마의 일부를 차단하는 필터부를 더 포함한다.
상기 제 1 공정 가스는 식각 가스이고, 상기 제 2 공정 가스는 증착 가스이다.
본 발명의 다른 양태에 따른 기판 처리 방법은 기판 상에 형성된 절연막의 소정 영역을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계; 제 1 공정 가스의 플라즈마를 이용하여 상기 콘택홀 내의 자연 산화막을 제거하는 단계; 및 제 2 공정 가스의 플라즈마를 이용하여 상기 콘택홀을 매립하는 콘택 플러그를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 공정 가스의 플라즈마는 상기 제 1 공정 가스의 플라즈마보다 고밀도이다.
상기 자연 산화막 제거 및 콘택 플러그 형성은 동일 반응 챔버에서 연속적으로 실시된다.
상기 제 1 공정 가스는 NH3, NF3의 적어도 어느 하나와 H2, Ar을 포함한다.
상기 제 2 공정 가스는 SiH4, H2, PH3, Ar을 포함한다.
본 발명의 실시 예들의 기판 처리 장치는 반응 챔버 내에 서로 다른 밀도의 플라즈마를 발생시키는 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부를 마련한다. 제 1 플라즈마 발생부를 이용하여 제 1 공정 가스, 예를 들어 식각 가스를 상대적으로 저밀도의 플라즈마 상태로 여기시키고, 제 2 플라즈마 발생부를 이용하여 제 2 공정 가스, 예를 들어 증착 가스를 상대적으로 고밀도의 플라즈마 상태로 여기시킨다.
따라서, 동일 챔버에서 서로 다른 플라즈마 발생부를 이용하여 식각 및 증착 공정을 실시할 수 있어 식각 후 증착까지의 공정 대시 시간을 관리할 필요가 없으며, 그에 따라 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 단면도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 순서적으로 설명하기 위한 소자의 단면도.
이하, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 개략 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 소정의 반응 공간이 마련된 반응 챔버(100)와, 반응 챔버(100) 내의 하부에 마련되어 기판(10)을 지지하는 기판 지지부(200)와, 반응 챔버(100) 내에 마련되어 제 1 플라즈마를 발생시키기 위한 제 1 플라즈마 발생부(300)와, 반응 챔버(100) 내에 마련되어 제 2 플라즈마를 발생시키기 위한 제 2 플라즈마 발생부(400)와, 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부(500)를 포함한다. 여기서, 제 2 플라즈마 발생부(400)는 제 1 플라즈마 발생부(300)보다 높은 밀도의 플라즈마를 발생시킨다.
반응 챔버(100)는 소정의 반응 영역을 마련하고, 이를 기밀하게 유지시킨다. 반응 챔버(100)는 대략 원형의 평면부 및 평면부로부터 상향 연장된 측벽부를 포함하여 소정의 공간을 가지는 반응부(100a)와, 대략 원형으로 반응부(100a) 상에 위치하여 반응 챔버(100)를 기밀하게 유지하는 덮개(100b)를 포함할 수 있다. 물론, 반응부(100a) 및 덮개(100b)는 원형 이외에 다양한 형상으로 제작될 수 있는데, 예를 들어 기판(10) 형상에 대응하는 형상으로 제작될 수 있다. 반응 챔버(100)의 측면 하부, 예를 들어 기판 지지대(200)보다 하측에는 배기관(110)이 연결되고, 배기관(110)에는 배기 장치(미도시)가 연결된다. 이때, 배기 장치는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프가 사용될 수 있으며, 이에 따라 반응 챔버(100) 내부를 소정의 감압 분위기, 예를 들어 0.1mTorr 이하의 소정의 압력까지 진공 흡입할 수 있도록 구성된다. 배기관(110)은 측면 뿐만 아니라, 반응 챔버(100) 하부에 설치될 수 있다. 또한, 배기되는 시간을 줄이기 위해 다수개의 배기관(110) 및 그에 따른 배기 장치가 더 설치될 수도 있다. 또한, 반응 챔버(100) 측부 외부에는 전자석(120)이 마련될 수 있다.
기판 지지대(200)는 반응 챔버(100)의 하부에 마련되며, 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부(300, 400)와 대향하는 위치에 설치된다. 기판 지지대(200)는 반응 챔버(100) 내로 유입된 기판(10)이 안착될 수 있도록 예를 들어 정전척 등이 마련될 수 있다. 기판(10)은 정전력에 의해 정전척에 흡착 유지된다. 이때, 정전력 외에 진공 흡착이나 기계적 힘에 의해 기판(10)을 유지할 수도 있다. 또한, 기판 지지대(200)는 대략 원형으로 마련될 수 있으나, 기판(10) 형상과 대응되는 형상으로 마련될 수 있으며, 기판(10)보다 크게 제작될 수 있다. 기판 지지대(200) 하부에는 기판 지지대(200)를 승하강 이동시키는 기판 승강기(210)가 마련된다. 기판 승강기(210)는 기판 지지대(200) 상에 기판(10)이 안착되면 기판 지지대(200)를 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부(300, 400)와 근접하도록 이동시킨다. 또한, 기판 지지대(200) 내부에는 히터(미도시)가 장착될 수 있다. 히터는 소정 온도로 발열하여 기판(10)을 가열함으로써 박막 증착 공정 등이 기판(10) 상에 용이하게 실시되도록 한다. 히터는 할로겐 램프를 이용할 수 있으며, 기판 지지대(200)를 중심으로 기판 지지대(200)의 둘레 방향에 설치될 수 있다. 이때, 발생되는 에너지는 복사 에너지로 기판 지지대(200)를 가열하여 기판(10)의 온도를 상승시키게 된다. 한편, 기판 지지대(200) 내부에는 히터 이외에 냉각관(미도시)이 더 마련될 수 있다. 냉각관은 기판 지지대(200) 내부에 냉매가 순환되도록 함으로써 냉열이 기판 지지대(200)를 통해 기판(10)에 전달되어 기판(10)의 온도를 원하는 온도로 제어할 수 있다. 물론, 히터 및 냉각관은 기판 지지대(200)에 마련되지 않고 반응 챔버(100) 외측에 마련될 수도 있다. 이렇게 기판 지지대(200) 내부 또는 반응 챔버(100) 외부에 마련되는 히터에 의해 기판(10)이 가열될 수 있으며, 히터의 장착 개수를 조절하여 50℃∼800℃로 가열할 수 있다. 한편, 기판 지지대(200)에는 바이어스 전원(220)이 접속되며, 바이어스 전원(220)에 의해 기판(10)에 입사되는 이온의 에너지를 제어할 수 있다.
제 1 플라즈마 발생부(300)는 반응 챔버(100) 내에 제 1 공정 가스를 공급하고 이를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 즉, 제 1 플라즈마 발생부(300)는 반응 챔버(100) 내의 제 1 반응 공간(S1)에 식각 가스를 공급하고, 제 1 반응 공간(S1)에서 식각 가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 이러한 제 1 플라즈마 발생부(300)는 반응 챔버(100) 내에 식각 가스 등의 제 1 공정 가스를 분사하는 샤워헤드(310)와, 샤워헤드(310)에 제 1 고주파 전원을 인가하는 제 1 전원 공급부(320)와, 샤워헤드(310)와 소정 간격 이격된 접지 플레이트(330)를 포함한다. 샤워헤드(310)는 반응 챔버(100) 내의 상부에 기판 지지대(200)와 대향하는 위치에 설치되며, 제 1 공정 가스를 반응 챔버(100)의 하측으로 분사한다. 샤워헤드(310)는 내부에 소정의 공간이 마련되며, 상측은 공정 가스 공급부(500)와 연결되고, 하측에는 기판(10)에 공정 가스를 분사하기 위한 복수의 분사홀(312)이 형성된다. 샤워헤드(310)는 기판(10) 형상에 대응되는 형상으로 제작되는데, 대략 원형으로 제작될 수 있다. 또한, 샤워헤드(310) 내부에는 가스 공급부(500)로부터 공급되는 공정 가스를 고르게 분포시키기 위한 분배판(314)이 더 마련될 수 있다. 분배판(314)은 공정 가스 공급부(500)와 연결되어 공정 가스가 유입되는 가스 유입부에 인접하게 마련되고, 소정의 판 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 분배판(314)는 샤워헤드(310)의 상측면과 소정 간격 이격되어 마련될 수 있다. 또한, 분배판(314)은 판 상에 복수의 관통홀이 형성될 수도 있다. 이렇게 분배판(314)이 마련됨으로써 공정 가스 공급부(500)로부터 공급되는 공정 가스는 샤워헤드(310) 내부에 고르게 분포될 수 있고, 그에 따라 샤워헤드(310)의 분사홀(312)을 통해 하측으로 고르게 분사될 수 있다. 또한, 샤워헤드(310)는 알루미늄 등의 도전 물질을 이용하여 제작될 수 있고, 반응 챔버(100)의 측면 및 덮개(100b)와 소정 간격 이격되어 마련될 수 있다. 샤워헤드(310)와 반응 챔버(100)의 측면 및 덮개(100b) 사이에는 절연체(340)가 마련되어 샤워헤드(310)와 반응 챔버(100)를 절연시킨다. 샤워헤드(310)가 도전 물질로 제작됨으로써 샤워헤드(310)는 제 2 전원 공급부(320)로부터 고주파 전원을 공급받아 제 1 플라즈마 발생부(300)의 상부 전극으로 이용될 수 있다. 제 1 전원 공급부(320)는 반응 챔버(100)의 측면 및 절연체(340)를 관통하여 샤워헤드(310)와 연결되고, 샤워헤드(310)에 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 전원을 공급한다. 이러한 전원 공급부(320)는 고주파 전원(미도시) 및 정합기(미도시)를 포함할 수 있다. 고주파 전원은 예를 들어 13.56㎒의 고주파 전원을 생성하고, 정합기는 반응 챔버(100)의 임피던스를 검출하여 임피던스의 허수 성분과 반대 위상의 임피던스 허수 성분을 생성함으로써 임피던스가 실수 성분인 순수 저항과 동일하도록 반응 챔버(100) 내에 최대 전력을 공급하고, 그에 따라 최적의 플라즈마를 발생시키도록 한다. 접지 플레이트(330)는 샤워헤드(310)와 소정 간격 이격되어 마련되고, 반응 챔버(100)의 측면과 연결될 수 있다. 반응 챔버(100)가 접지 단자와 연결되고, 그에 따라 접지 플레이트(330) 또한 접지 전위를 유지하게 된다. 한편, 샤워헤드(310)와 접지 플레이트(330) 사이의 공간은 샤워헤드(310)를 통해 분사되는 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위한 제 1 반응 공간(S1)이 된다. 즉, 샤워헤드(310)를 통해 공정 가스가 분사되고 샤워헤드(310)에 고주파 전원이 인가되면 접지 플레이트(330)가 접지 상태를 유지하므로 이들 사이에 전위차가 발생되고, 그에 따라 제 1 반응 공간(S1)에서 공정 가스가 플라즈마 상태로 여기된다. 이때, 샤워헤드(310)와 접지 플레이트(330) 사이의 간격, 즉 제 1 반응 공간(S1)의 상하 간격은 플라즈마가 여기될 수 있는 최소한의 간격 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어 3㎜ 이상의 간격을 유지할 수 있다. 이렇게 제 1 반응 공간(S1)에서 여기된 공정 가스는 기판(10) 상으로 분사되어야 하는데, 이를 위해 접지 플레이트(330)는 상하를 관통하는 복수의 홀(332)이 형성된 소정의 판 형상으로 마련된다. 이렇게 접지 플레이트(330)가 마련됨으로써 제 1 반응 공간(S1)에서 발생된 플라즈마가 기판(10) 상에 직접 닿는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 기판(10)의 플라즈마 데미지를 감소시킬 수 있다. 또한, 접지 플레이트(330)는 제 1 반응 공간(S1)에 플라즈마를 가두어 전자 온도를 낮추는 역할을 한다.
제 2 플라즈마 발생부(400)는 제 1 플라즈마 발생부(300)보다 높은 밀도의 플라즈마를 발생시킨다. 이러한 제 2 플라즈마 발생부(400)는 적어도 하나의 방전관(410)과, 방전관(410)을 감싸도록 마련된 안테나(420)와, 방전관(410) 주위에 마련된 자계 발생용 코일(430)과, 안테나(420)와 접속된 제 2 고주파 전원(440)을 포함한다. 방전관(410)은 사파이어, 퀄츠, 세라믹 등의 재질로 제작될 수 있으며, 소정의 통 향상으로 마련된다. 이러한 방전관(410)은 반응 챔버(100)의 상측 외부로부터 반응 챔버(100)의 덮개(100b), 제 1 플라즈마 발생부(300)의 샤워헤드(310) 및 접지 플레이트(340)를 관통하여 마련된다. 즉, 방전관(410)은 상측이 공정 가스 공급부(500)와 연결되고 하측이 제 1 플라즈마 발생부(300)의 접지 플레이트(330)와 기판 지지대(200) 사이의 공간, 즉 제 2 반응 공간(S2)으로 마련된다. 또한, 방전관(410)은 공정 가스 공급부(500)로부터 제 2 공정 가스, 예를 들어 박막 증착 가스를 공급받고, 그 내부에서 제 2 공정 가스가 플라즈마 상태로 여기된다. 안테나(420)는 반응 챔버(100)의 상측 외부에서 방전관(410)을 감싸도록 마련되며, 제 2 고주파 전원(440)으로부터 제 2 고주파 전원을 공급받아 방전관(410) 내에서 제 2 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 안테나(420)는 소정의 관 형상으로 마련되고 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 하여 제 2 고주파 전원 인가 시 온도 상승을 방지할 수 있다. 또한, 자계 발생용 코일(430)은 방전관(410)에서 플라즈마에 의해 생성된 라디칼들이 기판(10)까지 원활하게 도달되도록 하기 위해 방전관(410) 주위에 마련된다. 이러한 제 2 플라즈마 발생부(400)는 공정 가스 공급부(500)로부터 제 2 공정 가스가 도입되고 배기에 의해 방전관(410) 내부를 적당한 압력으로 유지하면서 제 2 고주파 전원(440)에 의해 안테나(420)에 제 2 고주파 전원을 인가하면 방전관(410)에 플라즈마가 발생된다. 또한, 자계 생성용 코일(430)에는 서로 반대 방향으로 전류를 흐르게 하여 방전관(410) 근처 공간에 자계를 가두어둘 수 있다. 예를 들어, 방전관(410) 안쪽의 코일(430)에는 기판(10)으로 향하는 자계가 발생하도록 전류를 흘리고, 바깥쪽의 코일(430)에는 기판(10)과 반대 방향으로 향하는 자계가 발생하도록 전류를 흘리게 되면, 자계를 방전관(410)의 근처 공간에서 가둘 수 있다. 따라서, 방전관(410)과 기판(10)과의 거리가 짧아도 기판(10) 근처에는 자계가 비교적 작아지고, 그에 따라 비교적 고진공에서 고밀도 플라즈마를 발생할 수 있고, 낮은 손상으로 기판(10)을 처리할 수 있다.
공정 가스 공급부(500)는 복수의 공정 가스를 각각 공급하는 공정 가스 공급원(미도시)과, 공정 가스 공급원으로부터 공정 가스를 샤워헤드(310) 및 방전관(410)에 각각 공급하는 공정 가스 공급관을 포함한다. 공정 가스는 예를 들어 식각 가스와 박막 증착 가스 등을 포함할 수 있으며, 식각 가스는 NH3, NF3 등의 자연 산화막 식각 가스를 포함할 수 있고, 박막 증착 가스는 SiH4, PH3 등을 실리콘 증착 가스를 포함할 수 있다. 또한, 식각 가스와 박막 증착 가스와 더불어 H2, Ar 등의 불활성 가스가 공급될 수 있다. 여기서, 식각 가스는 제 1 플라즈마 발생부(300)로 공급되고, 박막 증착 가스는 제 2 플라즈마 발생부(400)로 공급된다. 또한, 공정 가스 공급원과 공정 가스 공급관 사이에는 공정 가스의 공급을 제어하는 밸브 및 질량 흐름기 등이 마련될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 제조 장치는 제 1 플라즈마 발생부(300)를 이용하여 제 1 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시키고, 제 2 플라즈마 발생부(400)를 이용하여 제 2 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시킨다. 제 1 공정 가스는 식각 가스, 예를 들어 자연 산화막을 식각하기 위한 식각 가스일 수 있으며, 제 2 공정 가스는 증착 가스, 예를 들어 실리콘막을 증착하기 위한 증착 가스일 수 있다. 따라서, 제 1 플라즈마 발생부(300)를 이용하여 식각 가스를 여기시켜 자연 산화막을 식각하고, 제 2 플라즈마 발생부(400)를 이용하여 증착 가스를 여기시켜 실리콘막을 증착할 수 있다. 이때, 제 2 플라즈마 발생부(400)는 제 1 플라즈마 발생부(300)보다 높은 밀도의 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 식각보다 증착 시에 플라즈마를 높은 밀도로 발생시킴으로써 증착 막의 막질을 향상시킬 수 있다. 따라서, 동일 챔버에서 자연 산화막 식각 및 박막 증착 공정을 실시함으로써 습식 식각으로 자연 산화막을 제거한 후 박막 증착까지의 공정 대시 시간을 관리할 필요가 없으며, 그에 따라 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 소정의 반응 공간이 마련된 반응 챔버(100)와, 반응 챔버(100) 내의 하부에 마련되어 기판(10)을 지지하는 기판 지지부(200)와, 반응 챔버(100) 내에 마련되어 제 1 플라즈마를 발생시키기 위한 제 1 플라즈마 발생부(300)와, 반응 챔버(100) 내에 마련되어 제 2 플라즈마를 발생시키기 위한 제 2 플라즈마 발생부(400)와, 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부(500)와, 기판 지지부(200)와 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부(300, 400) 사이에 마련된 필터부(600)를 포함한다.
필터부(600)는 제 1 플라즈마 발생부(300)의 접지 플레이트(330)와 기판 지지대(200) 사이에 마련되며, 측면이 반응 챔버(100)의 측벽과 연결된다. 따라서, 필터부(600)는 접지 전위를 유지할 수 있다. 이러한 필터부(600)는 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부(300, 400)로부터 발생된 플라즈마의 이온, 전자 및 빛을 필터링한다. 즉, 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부(300, 400)에 의해 발생된 플라즈마가 필터부(600)를 거치게 되면 이온, 전자 및 빛이 차단되어 반응종만이 기판(10)과 반응되도록 한다. 이러한 필터부(600)는 플라즈마가 적어도 한번은 필터부(600)에 부딪힌 다음 기판(10)에 인가되도록 한다. 이를 통해 플라즈마가 접지 전위의 필터부(600)에 부딪힐 경우, 에너지가 큰 이온 및 전자가 흡수될 수 있다. 또한, 플라즈마의 빛은 필터부(600)에 부딪히게 되어 투과하지 못하게 된다. 이러한 필터부(600)는 다양한 형상으로 마련될 수 있는데, 예를 들어 복수의 홀(610)가 형성된 단일 판으로 형성하거나, 홀(610)이 형성된 판을 다층으로 배치시키고 각 판을 다층으로 배치시키고 각 판의 홀(610)이 서로 어긋나게 형성하거나, 다수의 홀(610)이 소정의 굴절된 경로를 갖는 판 형상으로 형성할 수도 있다.
한편, 상기 실시 예들은 적어도 하나의 방전관(410)과 이를 감싸는 안테나(420)를 포함하는 제 2 플라즈마 발생부(400)를 예로들어 설명하였으나, 제 2 플라즈마 발생부(400)는 이에 한정되지 않고 제 1 플라즈마 발생부(300)보다 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 다양한 방식의 플라즈마 발생부를 이용할 수 있다. 예를 들어 반응 챔버(100) 외부에서 플라즈마를 발생시켜 반응 챔버(100) 내부로 공급하는 리모트 플라즈마를 이용할 수 있고, 반응 챔버(100) 상측에 안테나가 마련되어 반응 가스를 여기시키는 플라즈마 발생부를 이용할 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예들에 따른 기판 처리 장치는 하나의 반응 챔버 내에서 식각 및 증착을 동시에 실시하여 기판을 처리할 수 있다. 예를 들어 기판 상에 성장된 자연 산화막을 식각하고, 실리콘막 등의 박막을 기판 상에 형성할 수 있다. 이러한 본 발명의 실시 예들에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 처리 방법을 콘택홀 형성 후 성장된 자연 산화막을 제거하고 콘택홀에 실리콘막을 매립하여 콘택 플러그를 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 설명하기 위해 도시한 소자의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 소정의 구조가 형성된 기판(10) 상에 절연막(20)을 형성하고, 절연막(20)의 소정 영역을 식각하여 기판(10)의 소정 영역을 노출시키는 콘택홀(30)을 형성한다. 기판(10)은 예를 들어 실리콘 기판 등의 반도체 기판을 이용할 수 있으며, 기판(10) 상부 및 기판(10) 내의 소정 영역에 소정의 구조가 형성된다. 예를 들어, 기판(10) 상부에 게이트 절연막(미도시) 및 게이트 전극(미도시)이 형성되고, 게이트 전극 양측의 기판(10) 내에 소정 깊이로 불순물을 이온 주입하여 접합부(미도시)된다. 또한, 기판(10) 상에 형성된 절연막(20)의 소정 영역을 식각하여 기판(10) 상의 소정 영역, 예를 들어 접합부의 소정 영역을 노출시키는 콘택홀(30)을 형성한다. 이때, 콘택홀(30)에 의해 노출된 기판(10) 상에는 자연 산화막(40)이 성장된다. 자연 산화막(40)은 콘택홀(30) 형성 후 콘택홀(30) 내에 존재하는 폴리머를 제거하기 위한 식각 공정에서 성장될 수 있고, 콘택홀(30) 형성 후 본 발명의 실시 예들에 다른 기판 처리 장치로 로딩하기 이전에 기판(10)이 대기중에 노출되어 성장될 수도 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 콘택홀(30)이 형성된 기판(10)을 본 발명의 실시 예들에 따른 기판 처리 장치에 로딩한다. 본 발명의 실시 예들에 따른 기판 처리 장치에 로딩된 기판(10)의 자연 산화막(40)을 제거하기 위해 제 1 플라즈마 발생부(300)를 이용하여 제 1 공정 가스의 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 공정 가스 공급부(500)로부터 예를 들어 NH3, NF3 등의 식각 가스와 H2, Ar 등의 불활성 가스가 샤워헤드(310)에 공급되고, 샤워헤드(310)에 고주파 전원을 공급하면 샤워헤드(310)와 접지 플레이트(330) 사이의 제 1 반응 공간(S1)에서 식각 가스의 플라즈마가 생성된다. 예를 들어, NHxFy(x>0, y>0)(A)가 생성되어 공급됨으로써 기판(10)의 자연 산화막(40)을 도 5에 도시된 바와 같이 (NH4)2SiF6(B)로 치환하고 예를 들어 100℃∼350℃로 가열되는 기판(10)에 의해 (NH4)2SiF6(B)는 휘발되어 배기된다. 즉, H2은 플라즈마에 의해 여기되어 수소기가 되며 동일 플라즈마에 의해 여기되는 NH3와 NF3와 결합하여 NHxFy를 형성하고, 여기된 수소기는 NHxFy에 의해 (NH4)2SiF6로 치환된 후 남은 O기와 반응하여 H2O를 만들어 O기에 의해 자연 산화막이 재형성되는 것을 방지할 수 있다. (NH4)2SiF6, H2O의 반응물은 가열되는 기판(10)의 온도에 의해 기화되어 배기된다. 제 1 플라즈마를 발생시키기 위한 조건으로는 13.56MHz의 주파수로 1000W∼5000W의 고주파 전원을 인가하며, 압력은 1Torr 이하로 조절된다.
도 6를 참조하면, 제 1 공정 가스의 플라즈마를 이용하여 자연 산화막(40)을 제거한 후 제 2 플라즈마 발생부(400)를 이용하여 제 2 공정 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 콘택홀(30)을 매립하는 콘택 플러그(50)를 형성한다. 이때, 콘택 플러그(50)는 수소화 비정질 실리콘막(a-Si:H)를 이용하여 형성할 수 있다. 이를 위해 공정 가스 공급부(500)로부터 제 2 공정 가스를 방전관(410)에 공급한다. 제 2 공정 가스는 예를 들어 SiH4 등의 실리콘 함유 가스, H2 등의 수소 함유 가스를 포함할 수 있다. 또한, PH3 등의 불순물 가스, Ar 등의 불활성 가스를 더 공급할 수 있다. 이렇게 제 2 공정 가스가 방전관(410)에 공급되고 방전관(410)에 제 2 고주파 전원을 인가하면 SiH2 +, SiH3 +, Si+, SiH+ 이온들이 발생하게 되고, SiH*, Si*, H* 라디칼 등이 발생하게 된다. 이러한 이온과 라디칼 등은 수소화 비정질 실리콘막 형성의 주 대상이 되면, PH3 가스는 플라즈마 방전에 의해 수소화 비정질 실리콘막 내의 불순물로 존재하여 박막의 도전율을 낮추는 역할을 한다. 이때, H2의 유량에 의해 수소화 비정질 실리콘막의 H 함량이 조절되며, H의 함량이 높아질수록 결정질 박막이 형성된다. 따라서, SiH4와 H2의 유량의 비는 예를 들어 1:9sccm을 유지할 있다. 또한, 기판(10)의 온도는 100℃∼350℃로 조절하며, 방전관(410)과 기판 지지대(200) 사이의 거리는 약 3∼10㎝를 유지한다. 그리고, 반응 챔버(100)의 압력은 1Torr 이하로 조절하고, 불순물인 PH3는 0∼20sccm으로 조절하며, 플라즈마 발생을 위한 고주파 파워는 10W∼2500W를 이용할 수 있다. 수소화 비정질 실리콘막의 증착 두께는 조건에 따라 40Å∼220Å/min일 수 있으며, 사용하고자 하는 막의 목적에 따라 두께 조절 및 전도율을 조절할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 반응 챔버 200 : 기판 지지대
300 : 제 1 플라즈마 발생부 400 : 제 2 플라즈마 발생부
500 : 공정 가스 공급부

Claims (17)

  1. 반응 공간이 마련된 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내에 마련되어 기판을 지지하는 기판 지지대;
    상기 기판 지지대와 대향되어 마련되며 제 1 공정 가스의 플라즈마를 발생시키는 제 1 플라즈마 발생부;
    상기 기판 지지대와 대향되고, 상기 제 1 플라즈마 발생부와 분리되어 제 2 공정 가스의 플라즈마를 발생시키는 제 2 플라즈마 발생부; 및
    상기 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부와 상기 기판 지지대 사이에 마련되고 복수의 홀이 형성되어 상기 제 1 및 제 2 공정 가스의 플라즈마의 일부를 차단하는 필터부를 포함하고,
    상기 제 2 플라즈마 발생부는 상기 반응 챔버의 상측 외부로부터 상기 반응 챔버 내부로 관통 형성된 반응관과, 상기 반응 챔버 외부의 상기 반응관을 감싸도록 마련된 안테나를 포함하여 상기 반응관 내에서 플라즈마가 발생되며,
    상기 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부는 순차적으로 구동되며, 상기 제 2 플라즈마 발생부가 상기 제 1 플라즈마 발생부보다 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 기판 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 지지대에 인가되는 바이어스 전원을 더 포함하는 기판 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플라즈마 발생부는,
    상기 제 1 공정 가스를 분사하기 위한 샤워헤드;
    상기 샤워헤드에 제 1 고주파 전원을 인가하기 위한 제 1 전원부; 및
    상기 샤워헤드와 소정 간격 이격되어 마련된 접지 플레이트를 포함하는 기판 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 샤워헤드 내에 마련되어 상기 제 1 공정 가스를 고르게 분포시키기 위한 분배판을 더 포함하는 기판 처리 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 공정 가스의 플라즈마는 상기 샤워헤드와 상기 접지 플레이트 사이의 공간에서 발생되는 기판 처리 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 접지 플레이트는 복수의 관통홀이 형성된 기판 처리 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 플라즈마 발생부와 상기 반응 챔버 사이에 마련된 절연체를 더 포함하는 기판 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 플라즈마 발생부는,
    상기 안테나에 제 2 고주파 전원을 인가하기 위한 제 2 전원부를 더 포함하는 기판 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 반응관은 상기 반응 챔버의 상측으로부터 상기 제 1 플라즈마 발생부를 관통하여 마련된 기판 처리 장치.
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 반응관 주변에 마련된 자계 생성용 코일을 더 포함하는 기판 처리 장치.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 공정 가스는 식각 가스이고, 상기 제 2 공정 가스는 증착 가스인 기판 처리 장치.
  14. 반응 공간이 마련된 반응 챔버 내에 마련되어 기판을 지지하는 기판 지지대; 상기 기판 지지대와 대향되어 마련되며 서로 분리되어 제 1 및 제 2 공정 가스의 플라즈마를 각각 발생시키는 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부; 및 상기 제 1 및 제 2 플라즈마 발생부와 상기 기판 지지대 사이에 마련되고 복수의 홀이 형성되어 상기 제 1 및 제 2 공정 가스의 플라즈마의 일부를 차단하는 필터부를 포함하고, 상기 제 2 플라즈마 발생부는 반응 챔버의 상측 외부로부터 상기 반응 챔버 내부로 관통 형성된 반응관과, 상기 반응 챔버 외부의 상기 반응관을 감싸도록 마련된 안테나를 포함하여 상기 반응관 내에서 플라즈마가 발생되는 기판 처리 장치를 이용하고,
    상기 기판 상에 형성된 절연막의 소정 영역을 식각하여 콘택홀을 형성하는 단계;
    상기 제 1 플라즈마 발생부에 의해 발생된 제 1 공정 가스의 플라즈마를 이용하여 상기 콘택홀 내의 자연 산화막을 제거하는 단계; 및
    상기 제 2 플라즈마 발생부에 의해 발생된 제 2 공정 가스의 플라즈마를 이용하여 상기 콘택홀을 매립하는 콘택 플러그를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 공정 가스의 플라즈마는 상기 제 1 공정 가스의 플라즈마보다 고밀도인 기판 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 자연 산화막 제거 및 콘택 플러그 형성은 동일 반응 챔버에서 연속적으로 실시되는 기판 처리 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 공정 가스는 NH3, NF3의 적어도 어느 하나와 H2, Ar을 포함하는 기판 처리 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 공정 가스는 SiH4, H2, PH3, Ar을 포함하는 기판 처리 방법.
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