KR101513423B1 - 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버 - Google Patents

플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 높은 밀도의 플라즈마 및 반응물질 라디칼을 안정적으로 공급함으로써 단차피복율(step coverage)을 개선시킬 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버에 관한 것이다.

Description

플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버{Plasma generator and reaction chamber for thin film deposition, which comprises the same}
본 발명은 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 높은 밀도의 플라즈마 및 반응물질 라디칼을 안정적으로 공급함으로써 단차피복율(step coverage)을 개선시킬 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 기판(이하, '기판'이라 한다) 상에 박막을 형성하기 위한 증착법으로 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition), 플라즈마 화학기상증착법(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition), 원자층증착법(ALD, atomic layer deposition), 플라즈마 원자층증착법(PEALD, plasma enhanced atomic layer deposition) 등의 기술이 사용되고 있다.
도 1은 기판 증착법 중 원자층증착법(ALD)에 관한 기본 개념을 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원자층증착법(ALD)은 기판상에 트리메틸알루미늄(TMA, trimethyl aluminium) 같은 원료를 포함하는 원료가스를 분사한 후 아르곤(Ar) 등의 불활성 퍼지 가스 분사 및 미반응 물질 배기를 통해 기판상에 단일 분자층을 흡착시키고, 상기 원료와 반응하는 오존(O3) 같은 반응물질을 포함하는 반응가스를 분사한 후 불활성 퍼지 가스 분사 및 미반응 물질/부산물 배기를 통해 기판상에 단일 원자층(Al-O)을 형성하게 된다.
또한, 상기 반응가스는 직류, 교류, 고주파 전압 등이 인가되는 전극, 코일 등에 의해 형성되는 전기장에서 플라즈마화되어 기판에 공급됨으로써, 효율적인 박막증착이 수행될 수 있다. 종래의 플라즈마 발생장치로는 반응가스 공급인젝터에 배치되는 한 쌍의 대향 전극 사이에서 플라즈마를 발생시켜 상기 전극에 인접한 기판에 바로 증착을 수행하는 다이렉트(direct) 플라즈마 장치 및 기판과 이격된 장치로부터 발생된 플라즈마가 기판에 공급되는 원격(remote) 플라즈마 장치가 사용되고 있다.
그러나, 상기 다이렉트 플라즈마 장치는 이온 충격(ion bombardment), 고에너지 전자(high energy electron) 등에 의한 차지 트랩(charge trap) 등이 원인이 되는 박막의 막질 저하 및 단차피복율(step coverage) 저하가 유발되는 문제가 있고, 상기 원격 플라즈마 장치는 반응물질 라디칼의 짧은 수명에 의한 반응물질 라디칼의 손실로 이의 안정적이고 균일한 공급이 곤란하여 공정의 수율 및 단차피복율(step coverage)이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 반응물질 라디칼을 안정적으로 공급할 수 있어 기판의 단차피복율(step coverage) 및 공정의 수율을 개선시키는 동시에, 이온 충격(ion bombardment) 등에 의한 박막의 막질 저하를 회피할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 반응물질의 이온화 에너지보다 낮은 에너지에서 이온화가 가능하여 높은 밀도의 플라즈마 및 반응물질 라디칼을 안정적으로 공급함으로써, 공정의 수율 및 단차피복율(step coverage)을 개선시킬 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고에너지 전자 등에 의한 차지 트랩에 의해 반응물질 라디칼이 손실되는 것을 억제함으로써, 공정의 수율 및 단차피복율(step coverage)을 개선시킬 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 생성된 플라즈마의 양이온이 기판에 충돌(ion bombardment)함으로써 기판상의 박막의 막질이 저하되는 것을 효과적으로 회피할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
플라즈마를 생성하기 위한 전기장을 형성하는 전극; 및 상기 전극에 전기 에너지를 공급하는 전원을 포함하고, 상기 전극에 의해 형성되는 전기장에 반응가스와 영족가스(noble gas)의 혼합물이 공급됨으로써 상기 반응가스의 라디칼이 생성되는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
여기서, 상기 반응가스는 질소(N2), 산화질소(N2O), 암모니아(NH3), 산소(O2) 및 수소(H2)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 반응가스이고, 상기 영족가스(noble gas)는 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 헬륨(He)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 영족가스(noble gas)인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
또한, 상기 반응가스와 상기 영족가스의 혼합비가 1:1 내지 2:1인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
한편, 상기 전극은 서로 다른 극성의 상부전극 및 하부전극을 포함하고, 상기 상부전극 및 상기 하부전극 사이에 절연체가 배치되며, 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 상기 절연체에 의해 상기 반응가스의 라디칼이 생성되는 캐비티(cavity) 공간이 형성되고, 상기 캐비티(cavity) 공간의 내부 표면적과 상기 캐비티 공간의 라디칼을 배출하는 상기 하부전극의 분사홀의 내부 표면적의 비가 2 내지 30인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
또한, 상기 전원이 27 내지 60 MHz의 고주파(VHF) 전원인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
그리고, 상기 전극은 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 한 쌍의 전극 중 하나의 전극에 전원이 인가되고 다른 하나의 전극이 플로팅(floating)되거나 접지된(grounded) 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
한편, 내부에 기판의 증착공정이 수행되는 공간이 형성된 챔버본체; 상기 챔버본체의 내부를 외부와 격리시키는 챔버리드; 상기 챔버본체 내부에서 기판이 안착되는 기판지지부; 및 상기 플라즈마 발생장치를 포함하고, 상기 기판지지부에 안착되는 기판에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 공급하는 가스공급부를 포함하는, 박막증착용 반응챔버를 제공한다.
여기서, 상기 가스공급부는 상기 기판지지부에 안착되는 기판에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 분사하고 가스 분사구 및 기판상의 잔여 가스를 배기하는 가스 배기구를 포함하는 가스 분사 모듈 및 상기 가스 분사 모듈로의 가스의 입출을 수행하는 가스 입출 모듈을 포함하고, 상기 가스 분사 모듈은 상기 기판의 이송방향에 따라 상기 기판의 대향면에 기판상의 이물질을 배기하여 제거하는 제1 펌핑 분사구, 상기 기판에 원료가스를 분사하여 원료물질 단분자층을 형성하는 원료가스 분사구, 잔여 원료물질을 상기 원료물질 단분자층으로부터 분리하는 퍼지가스 분사구, 상기 잔여 원료물질을 배기하여 제거하는 제2 펌핑 분사구 및 상기 원료물질 단분자층에 상기 플라즈마 발생장치에 의해 생성된 반응가스 라디칼을 분사하는 반응가스 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버를 제공한다.
또한, 상기 반응가스 분사구는 복수의 샤워헤드형 또는 노즐형 반응가스 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버를 제공한다.
그리고, 상기 반응가스 분사구로의 상기 반응가스 및 영족가스(noble gas)의 공급방향과 상기 반응가스 분사구로부터의 상기 반응가스 라디칼의 분사방향이 동일한 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버를 제공한다.
나아가, 세미뱃치(semi-batch) 타입 또는 트랙(track) 타입의 박막증착용 반응챔버를 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버는 영족가스와 반응물질 가스의 혼합물인 페닝 혼합물(penning mixture)을 플라즈마화 하는 페닝 효과(penning effect)에 의해 높은 밀도의 플라즈마 및 반응물질 라디칼을 안정적으로 공급함으로써, 공정의 수율 및 단차피복율(step coverage)을 개선하는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착용 반응챔버는 특정 주파수대의 고주파 전압 및/또는 특정 구조의 가스공급 인젝터를 적용함으로써, 공정의 수율 및 단차피복율(step coverage)을 개선하는 동시에, 플라즈마 내의 양이온이 기판에 충돌하는 것을 억제하거나 상기 양이온의 감속에 의해 기판상의 박막의 막질이 저하를 회피하거나 최소화할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 원자층증착법(ALD)에 관한 기본 개념을 도시하는 개략도이다.
도 2는 박막증착장치의 기본 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 포함하는 가스공급부의 구조에 관한 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3 중 파선으로 구획된 플라즈마 발생부에 관한 다양한 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 페닝 효과가 플라즈마 밀도에 미치는 영향에 관한 실험데이터를 도식화한 것이다.
도 6은 플라즈마 발생장치를 구성하는 전극에 인가되는 전원의 주파수 대역에 따른 기판의 단차피복율(step coverage)에 관한 실험데이터 그래프를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 포함할 수 있는 세미뱃치(semi-batch) 타입의 박막증착용 반응챔버에 관한 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 포함할 수 있는 트랙(track) 타입의 박막증착용 반응챔버에 관한 실시예를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 박막증착장치의 기본 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 박막증착장치는 크게 반응챔버(100), 가스공급부(200) 및 기판지지부(300)를 포함한다. 여기서, 반응챔버(100)는 기판(W)의 증착공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버본체(110)와 상기 챔버본체(110)를 외부와 격리시키는 챔버리드(120)를 포함한다. 또한, 가스공급부(200)는 기판에 원료가스, 반응가스, 퍼지가스 등을 공급하는 하나 이상의 가스 분사 모듈(210) 및 상기 가스 분사 모듈(210)로의 가스의 입출을 수행하는 가스 입출 모듈(220)을 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 포함하는 가스공급부(200)의 구조에 관한 실시예를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가스공급부(200)는 기판에 원료가스(SG), 퍼지가스(PG) 및 반응가스(RG)를 각각 공급하는 가스 분사 모듈(210) 및 상기 가스 분사 모듈(210)로의 가스의 입출을 수행하는 가스 입출 모듈(220)을 포함한다.
구체적으로, 상기 가스 분사 모듈(210)은 기판(W)의 이송방향에 따라 제1 펌핑 배기구(211), 원료가스(SG) 분사구(212), 제1 퍼지가스(PG) 분사구(213), 제2 펌핑 배기구(214) 및 반응가스(RG) 분사구(215)가 순서대로 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 펌핑 배기구(211) 및 상기 제2 펌핑 배기구(214)는 각각 원료가스 분사구(212)와 반응가스 분사구(215)의 둘레에 배치될 수 있고, 상기 반응가스 분사구(215) 다음에는 제2 퍼지가스 분사구(미도시)가 추가로 배치될 수 있다. 상기 가스 분사/배기구들의 형상은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 슬롯(slot)형, 슬릿(slit)형, 샤워헤드(shower-head)형, 노즐(nozle)형 가스 분사/배기구 등일 수 있다.
다만, 상기 가스 분사 모듈(210)은 기판의 대면적화 측면에서 기판에 원료가스, 반응가스 등을 균일하게 공급할 수 있는 복수의 샤워헤드형 또는 노즐형 가스 분사구를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응가스 분사구(215)로부터 기판에 분사되는 반응물질 라디칼의 직진성이 좋을수록 반응물질 라디칼이 기판에 도달할 확률이 높아지고 따라서 단차피복율(step coverage)이 개선되고, 상기 반응물질 라디칼의 직진성은 상기 반응가스 분사구(215)로의 반응가스 및 영족가스의 흐름에 영향을 받으므로, 상기 반응가스 분사방향과 상기 반응가스 분사구(215)로의 반응가스 및 영족가스 공급방향이 일치하는 것이 바람직하다.
상기 가스 분사 모듈(210)의 가스 분사면을 대향하면서 상대적으로 이송되는 기판(W)은, 제1 펌핑 배기구(211)에 의해 기판(W)상에 잔존하는 불순물 등을 배기/제거하는 단계; 기판(W)상에 원료가스 분사구(212)로부터 공급되는 트리알루미늄메틸(Al(CH3)3), 실란(SiH4), 이산화하프늄(HfO2) 등의 원료가스를 분사함으로써 단분자층을 형성하는 단계; 기판(W)상에 제1 퍼지가스 분사구(213)로부터 공급되는 아르곤(Ar), 질소(N2) 등의 불활성 가스를 분사한 후 제2 펌핑 배기구(214)에 의한 배기를 수행함으로써 상기 단분자층 위에 잔존하는 원료가스를 배출/제거하는 단계; 반응가스 분사구(215)로부터 공급되고 플라즈마화된 질소, 산소, 수소 등의 반응가스 라디칼을 상기 단분자층 위에 분사함으로써 상기 단분자층을 형성하는 원료 화합물과 반응가스 라디칼의 반응에 의해 단원자층을 형성하는 단계; 및 제2 퍼지가스 분사구(217)로부터 공급되는 불활성 가스에 의해 상기 단원자층 위에 잔존하는 반응물질 라디칼/부산물 등을 제거하는 단계를 포함하는 원자층증착방법에 의해 박막이 형성될 수 있다.
또한, 상기 가스 입출 모듈(220)은 상기 가스 분사 모듈(210)의 원료가스 분사구, 반응가스 분사구 및 퍼지가스 분사구에 각각 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 공급하는 가스 공급 탱크와 가스 공급로를 포함할 수 있고, 상기 가스 분사 모듈(210)의 제1 및 2 펌핑 배기구로부터 가스 잔여물/부산물을 배기하여 제거하기 위한 펌프 및 배기 유로를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반응가스 분사구(215) 및/또는 이에 반응가스(RG)를 공급하는 유로에는 반응가스의 라디칼을 생성하기 위한 플라즈마 발생장치가 배치된다. 상기 플라즈마 발생장치는 반응가스의 라디칼을 생성하기 위한 전기장을 형성하는 전극(216) 및 상기 전극(216)에 전기 에너지를 공급하는 전원(미도시)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전극(216)은 대향하는 한 쌍의 전극(216a,216b)일 수 있다. 이러한 경우, 대향하는 한 쌍의 전극(216a,216b) 각각은 서로 다른 극성을 갖고, 예를 들어 전극(216a)는 캐소드(cathode)이고 전극(216b)는 애노드(anode)일 수 있으며, 그 반대일 수도 있다.
상기 대향하는 한 쌍의 전극(216a,216b) 중 하나의 전극에 전기 에너지를 공급하는 전원(미도시)이 인가되고, 다른 하나의 전극은 플로팅(floating) 또는 접지된(grounded) 상태일 수 있다. 상기 하나의 전극이 플로팅된 경우 전위를 조절하여 플라즈마 생성반응을 조절할 수 있다. 상기 전원은 직류 전원, 교류 전원, 고주파 전원 등일 수 있다.
도 4는 도 3 중 파선으로 구획된 부분으로서 반응가스의 라디칼을 생성하기 위한 전기장을 형성하는 전극(216)을 포함하는 플라즈마 발생부에 관한 다양한 실시예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 전극(216)은 하나의 전극(216c)으로 이루어지고 상기 가스 분사 모듈(210)의 본체가 접지 전극으로 기능하도록 마련될 수 있다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 전극(216)은 상기 반응가스 분사구(215) 내벽면과 이격된 상태로 배치되는 하나의 전극(216d)으로 이루어지고 상기 가스 분사 모듈(210)의 본체가 접지 전극으로 기능하도록 마련될 수 있다.
그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 전극(216)은 상부 전극(216e) 및 하부 전극(216f)을 포함하고, 상기 상부 전극(216e)과 상기 하부 전극(216f) 사이에는 절연층(218)이 배치됨으로써, 상기 상부 전극(216e), 상기 하부 전극(216f) 및 상기 절연층(218)에 의해 반응가스의 라디칼이 생성되는 캐비티(cavity) 공간이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 하부 전극(216f)은 플로팅될 수 있다. 나아가, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(218)은 상기 하부 전극(216f)에 있어서 상기 하부 전극(216f)과 상기 상부 전극(216e)의 대향면을 최소화하도록 연장되어 배치될 수 있다. 특히, 상기 캐비티(cavity) 공간의 내부 표면적과 상기 하부 전극(216f)에 있어서 반응물질 라디칼을 포함하는 플라즈마를 배출하는 분사홀의 내부 표면적의 비가 2 내지 30일 수 있다. 이로써, 낮은 압력, 낮은 전압에서도 플라즈마의 발생이 용이하다.
본 발명에 있어서, 상기 반응가스 분사구(215)에는 질소(N2), 산화질소(N2O), 암모니아(NH3), 산소(O2), 수소(H2) 가스 등의 반응가스와 아르곤(Ar), 네온(Ne), 헬륨(He) 같은 영족가스(noble gas)의 혼합물이 공급되고, 페닝 효과(penning effect)에 의해 반응가스의 라디칼이 생성된다. 상기 페닝 효과(penning effect)란 반응가스와 영족가스의 혼합물인 페닝 혼합물(penning mixture)에 전기장을 인가하는 경우 반응가스의 이온화 에너지보다 낮은 에너지에서 반응가스의 라디칼이 형성되는 효과를 의미한다.
예를 들어, 영족가스로서 아르곤(Ar)과 반응가스로서 산소(O2)의 페닝 혼합물에 전기장을 인가하는 경우, 아래 반응식 1에 나타난 바와 같이, 전기장에 의해 가속되는 전자(e)가 아르곤(Ar)에 충돌함으로써 상기 아르곤(Ar)은 준여기상태로 되고, 아래 반응식 2에 나타난 바와 같이, 준여기상태의 아르곤(Ar*)이 다시 산소(O2)와 충돌함으로써 산소 라디칼(O·)이 생성되게 된다.
[반응식 1]
Ar + e → Ar*(준여기상태) + e
[반응식 2]
Ar* + O2 → Ar + O· + O·
이러한 페닝 효과에 의한 반응물질 라디칼의 밀도는 반응가스와 영족가스의 혼합비에 따라 상이할 수 있다. 상기 반응물질 라디칼의 밀도를 최대로 하기 위한 반응가스와 영족가스의 혼합비는 상기 반응가스 및 상기 영족가스의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 일반적으로 반응가스와 영족가스의 배합비는 1:1 내지 2:1, 바람직하게는 1:1이다.
이로써, 반응가스인 산소(O2)의 이온화 에너지보다 낮은 에너지에 의해 산소 라디칼을 생성할 수 있다. 또한, 페닝 효과를 이용한 플라즈마 생성은 종래 전기장의 전자 또는 전기장에서 불활성가스의 플라즈마화를 통해 발생한 전자와 반응가스의 충돌에 의한 플라즈마 생성과 달리 고에너지 전자의 차지 트랩(charge trap)에 의한 반응물질 라디칼 손실을 최소화하거나 억제할 수 있는 등 반응물질 라디칼의 수명을 연장시킬 수 있으므로, 높은 밀도의 플라즈마 및 반응물질 라디칼을 안정적으로 발생시킬 수 있고, 기판의 단차피복율(step coverage)를 개선할 수 있다.
도 5는 페닝 효과가 플라즈마 밀도에 미치는 영향에 관한 실험데이터를 도식화한 것이다. 도 5a에 나타난 바와 같이, 반응가스로서 순수한 산소(O2)를 플라즈마화하는 경우보다 페닝 효과를 이용하여 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 페닝 혼합물을 플라즈마화하는 경우 산소 라디칼(O·)의 밀도가 높게 나타났고, 특히 이들의 배합비가 1:1일 때 산소 라디칼(O·)의 밀도가 최대로 나타났다. 또한, 도 5b에 나타난 바와 같이, 헬륨(He)과 산소(O2)의 페닝 혼합물을 플라즈마화하는 경우 이들의 배합비가 1:1일 때 산소 라디칼(O·)의 밀도가 최대로 나타났다.
본 발명에 있어서, 상기 전극(216)에 인가되는 전원은 고주파(VHF) 전원, 바람직하게는 주파수 약 27 내지 60 MHz의 고주파(VHF) 전원일 수 있다. 고주파(VHF) 전원은 일반 알에프(FR) 전원에 비해 가스 분자와 전자(e)의 충돌(collision)을 증가시켜 플라즈마 내의 반응물질 라디칼의 밀도를 증가시킬 수 있다. 다만, 인가되는 전원의 주파수가 60 MHz를 초과하는 경우 페닝 효과에 의한 플라즈마 생성 반응이 저하되고 종래의 음전성(electronegative) 플라즈마 생성 반응 및 이로 인한 문제점으로서 고에너지 전자의 차지 트랩(charge trap)에 의한 반응물질 라디칼 손실이 발생할 수 있다.
따라서, 전원의 주파수를 약 27 내지 60 MHz로 조절함으로써 페닝 효과에 의한 플라즈마 생성 반응을 최대한 유지하면서 종래의 음전성(electronegative) 플라즈마 생성 반응이 부수적으로 함께 일어나도록 하여 플라즈마 내의 반응물질 라디칼의 밀도를 극대화할 수 있다.
상기 고주파(VHF) 전원에 의해 생성되는 플라즈마의 전자에너지 분포함수(Electron Energy Distribution Function; EEDF)에는 일반 알에프(RF) 전원에 의해 생성되는 플라즈마에서는 관찰되지 않는 핫테일(Hot tail)이 나타나는데, 이는 상기 고주파(VHF) 플라즈마에 고에너지 전자가 존재함을 의미하고, 상기 고에너지 전자는 일반 음전성(electronegative) 플라즈마 생성 반응에 의한 반응물질 라디칼의 밀도 증가와 수명 연장에 기여하여 기판의 단차피복율(step coverage)을 개선하는 효과를 나타낸다.
이와 관련하여, 도 6은 플라즈마 발생장치를 구성하는 전극에 인가되는 전원의 주파수 대역에 따른 기판의 단차피복율(step coverage)에 관한 실험데이터 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생장치를 구성하는 전극에 인가된 전원의 주파수가 약 27 내지 60 MHZ인 경우 페닝 효과에 의한 플라즈마 생성 반응을 최대한 유지하면서 종래의 음전성(electronegative) 플라즈미 생성 반응이 부수적으로 함께 일어나도록 하여 플라즈마 및 반응물질 라디칼의 밀도가 극대화되어 기판의 단차피복율(step coverage)이 크게 개선된 것이 실험적으로 확인되었다.
또한, 본 발명에 있어서, 도 4d에 도시된 바와 같은 전극(216e,216f)과 구조로 이루어진 플라즈마 발생부에 고주파(VHF) 전원을 인가하는 경우, 플라즈마 및 반응물질 라디칼의 밀도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 플라즈마 내의 양이온이 기판에 충돌(ion bombardment)함으로써 기판의 박막이 손상되는 것을 효과적으로 회피할 수 있다. 도 4d에 도시된 바와 같은 플라즈마 발생부는 이의 구조로 인해 하부전극(216f)에서 반응가스가 분사되는 부근에 쉬스(sheath), 즉 양이온 또는 음이온만으로 이루어진 영역이 발생하고, 상기 쉬스(sheath)로 인해 플라즈마 내의 양이온이 기판으로 가속되어 기판의 박막이 손상될 수 있으나, 고주파(VHF) 플라즈마의 경우 일반 알에프(RF) 플라즈마에 비해 상기 쉬스(sheath)가 얇게 형성되므로 상기 기판의 박막 손상을 회피하거나 최소화할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 포함할 수 있는 세미뱃치(semi-batch) 타입의 박막증착용 반응챔버에 관한 실시예를 도시한 것이다.
상기 세미뱃치 타입의 박막증착장치는 일반적으로 반응챔버(400) 내부에 복수의 기판이 안착되고 이러한 복수의 기판 각각에 원료가스, 반응가스 등의 공정가스를 순차적으로 또는 동시에 공급함으로써 증착을 수행하는 방식의 증착장치이다.
구체적으로, 도 7a는 세비뱃치 타입의 박막증착용 반응챔버(400)의 전체 구성을 도시한 사시도이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 반응챔버(400)는 내부에 기판의 증착공정을 수행할 공간을 형성하는 챔버본체(410)와 상기 챔버본체(410)를 외부와 격리시키는 챔버리드(420)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 챔버리드(420)에는 상기 챔버본체(410) 내부에 안착되는 기판에 원료가스, 반응가스 등의 공정가스를 공급하는 가스공급부(200)가 결합될 수 있다.
도 7b는 상기 챔버리드(420)의 하부면, 즉 상기 챔버본체(410) 내부에 안착되는 기판의 대향면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 챔버리드(420)의 하부면에는 상기 가스공급부(200)를 구성하는 가스 분사 모듈(210)이 배치되고, 상기 가스 분사 모듈(210)은 기판의 증착 전 이물질을 제거하기 위한 제1 펌핑 배기구(211), 기판상에 원료가스를 공급하여 원료물질의 단분자층을 형성하는 원료가스 분사구(212), 형성된 단분자층에 불활성 가스 등의 퍼지가스를 공급함으로써 물리흡착된 미반응 원료물질을 상기 단분자층으로부터 분리하는 제1 퍼지가스 분사구(213), 상기 분리된 미반응 원료물질을 배기하는 제2 펌핑 배기구(214), 및 상기 원료물질의 단분자층 위에 반응가스를 공급함으로서 원료물질과 반응물질의 단원자층을 형성하는 반응가스 분사구(215)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 펌핑 배기구(211) 및 상기 제2 펌핑 배기구(214)는 각각 상기 원료가스 분사구(212) 및 상기 반응가스 분사구(215)의 둘레에 배치될 수 있다. 상기 한 세트의 가스 분사/배기구를 포함하는 가스 분사 모듈(210)은 복수개 배치될 수 있고, 공정의 수율 측면에서 4개 이상 배치되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 반응가스 분사구(215) 및/또는 이에 반응가스를 공급하는 통로에 반응가스로부터 반응물질 라디칼을 생성하기 위한 전극(216)이 배치된다.
도 7c는 상기 챔버리드(420)를 제거한 상태의 상기 챔버본체(410) 내부를 개략적으로 도시한 것이다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 챔버본체(410) 내부에는 증착공정이 수행될 기판이 기판지지부(500) 위에 안착된다. 상기 기판지지부(500)에는 복수의 기판이 안착될 수 있고, 공정의 수율 측면에서 4 내지 6개의 기판이 안착되는 것이 바람직하다. 상기 기판지지부(500)는 증착공정의 원활한 수행을 위한 방열부재(미도시)를 이의 하부에 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판지지부(500)는 이에 안착된 기판을 상기 가스 분사 모듈(210)의 가스분사면을 대향하면서 이송할 수 있는 회전축(미도시)을 하부에 포함할 수 있다. 여기서, 상기 기판이 상기 가스 분사 모듈(210)의 가스분사면을 대향하면서 상대적으로 이동하도록 상기 가스 분사 모듈(210)이 회전하는 것도 가능하다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 포함할 수 있는 트랙(track) 타입의 박막장치용 반응챔버(600)의 실시예를 도시한 것이다. 트랙 타입의 박막증착장치는 넓은 의미의 세미뱃치 타입의 박막증착장치에 속하나, 기판이 벨트, 체인 등의 동력전달부재, 가이드 레일 등으로 이루어진 트랙에 의해 이송된다는 특징이 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 트랙 타입의 박막증착용 반응챔버(600)는 내부에 기판의 증착공정이 수행되는 공간을 형성하는 챔버본체(610) 및 상기 챔버본체(610)의 내부 공간을 외부와 격리시키는 챔버리드(620)를 포함할 수 있다. 상기 챔버리드(620)에는 상기 챔버본체(610) 내부에 안착되어 증착공정이 수행될 기판에 원료가스, 반응가스 등의 공정가스를 공급하는 가스공급부(200)가 복수개 결합될 수 있다. 상기 가스공급부(200)의 개략적인 단면 구조는 도 3에 도시된 바와 같다.
상기 챔버본체(610) 내부에는 증착공정이 수행될 기판이 안착되는 서셉터(710), 상기 서셉터(710)를 이송하는 이송벨트(720), 상기 이송벨트(720)가 감겨있고 외부의 동력전달부재(미도시)로부터 동력을 전달받아 회전함으로써 상기 이송벨트(720)를 회전시키는 한 쌍의 풀리(731,732), 상기 이송벨트(720) 및 상기 풀리(731,732)에 의해 이송되는 서셉터(710)의 이동을 가이드하는 레일(740), 상기 서셉터(710) 하부에 배치되고 상기 서셉터(710)에 안착된 기판의 증착공정을 원활하게 수행하기 위한 방열부재(750) 등을 포함하는 기판이송부가 배치되어 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100,400,600 : 반응챔버 200 : 가스공급부
210 : 가스 분사 모듈 220 : 가스 입출 모듈
300,500 : 기판지지부

Claims (11)

  1. 내부에 기판의 증착공정이 수행되는 공간이 형성된 챔버본체;
    상기 챔버본체의 내부를 외부와 격리시키는 챔버리드;
    상기 챔버본체 내부에서 기판이 안착되는 기판지지부; 및
    플라즈마 발생장치를 포함하고, 상기 기판지지부에 안착되는 기판에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 공급하는 가스공급부를 포함하고,
    상기 플라즈마 발생장치는 플라즈마를 생성하기 위한 전기장을 형성하는 전극과 상기 전극에 전기 에너지를 공급하는 전원을 포함하고, 상기 전극에 의해 형성되는 전기장에 반응가스와 영족가스(noble gas)의 혼합물이 공급됨으로써 상기 반응가스의 라디칼이 생성되고,
    상기 가스공급부는 상기 기판지지부에 안착되는 기판에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 분사하고 가스 분사구 및 기판상의 잔여 가스를 배기하는 가스 배기구를 포함하는 가스 분사 모듈 및 상기 가스 분사 모듈로의 가스의 입출을 수행하는 가스 입출 모듈을 포함하고,
    상기 가스 분사 모듈은 상기 기판의 이송방향에 따라 상기 기판의 대향면에 기판상의 이물질을 배기하여 제거하는 제1 펌핑 분사구, 상기 기판에 원료가스를 분사하여 원료물질 단분자층을 형성하는 원료가스 분사구, 잔여 원료물질을 상기 원료물질 단분자층으로부터 분리하는 퍼지가스 분사구, 상기 잔여 원료물질을 배기하여 제거하는 제2 펌핑 분사구 및 상기 원료물질 단분자층에 상기 플라즈마 발생장치에 의해 생성된 반응가스 라디칼을 분사하는 반응가스 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스는 질소(N2), 산화질소(N2O), 암모니아(NH3), 산소(O2) 및 수소(H2)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 반응가스이고, 상기 영족가스(noble gas)는 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 헬륨(He)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 영족가스(noble gas)인 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응가스와 상기 영족가스의 혼합비가 1:1 내지 2:1인 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 서로 다른 극성의 상부전극 및 하부전극을 포함하고, 상기 상부전극 및 상기 하부전극 사이에 절연체가 배치되며, 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 상기 절연체에 의해 상기 반응가스의 라디칼이 생성되는 캐비티(cavity) 공간이 형성되고, 상기 캐비티(cavity) 공간의 내부 표면적과 상기 캐비티 공간의 라디칼을 배출하는 상기 하부전극의 분사홀의 내부 표면적의 비가 2 내지 30인 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원이 27 내지 60 MHz의 고주파(VHF) 전원인 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극을 포함하고,
    상기 한 쌍의 전극 중 하나의 전극에 전원이 인가되고 다른 하나의 전극이 플로팅(floating)되거나 접지된(grounded) 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응가스 분사구는 복수의 샤워헤드형 또는 노즐형 반응가스 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응가스 분사구로의 상기 반응가스 및 영족가스(noble gas)의 공급방향과 상기 반응가스 분사구로부터의 상기 반응가스 라디칼의 분사방향이 동일한 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응챔버는 세미뱃치(semi-batch) 타입 또는 트랙(track) 타입인 것을 특징으로 하는, 박막증착용 반응챔버.
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