KR102102320B1 - 기판 처리 장치 및 그것을 이용한 박막 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

기판 처리 장치 및 그것을 이용한 박막 증착 장치에 관한 것이다. 본 실시예의 기판 처리 장치는 밀폐된 공정 영역을 갖는 챔버, 상기 챔버 하부에 위치되며, 상면에 웨이퍼가 안착되도록 구성되며, 내부에 가스 유로를 통해 측면 둘레로 증착 방지 가스를 배출하도록 구성된 기판 지지대, 상기 챔버의 상부에 위치되어 상기 기판 지지대 상에 소스 가스 및 반응 가스를 제공하도록 구성된 샤워 헤드, 및 상기 기판 지지대의 가장자리에 위치되어 상기 기판 지지대 내부로부터 유입되는 증착 방지 가스를 상기 웨이퍼 상면 가장자리로 공급하도록 구성된 퍼지링 구조체를 포함한다. 상기 퍼지링 구조체는, 상기 기판 지지대 둘레에 장착되어 웨이퍼 가장자리를 둘러싸도록 형성되는 퍼지링과, 상기 퍼지링의 내측면으로부터 상기 웨이퍼 가장자리 방향으로 돌출 형성되는 복수의 돌기부를 포함하며, 상기 돌기부에 의해 상기 퍼지링의 내측면과 상기 웨이퍼 가장자리 사이에 발생되는 간극부를 통해 상기 증착 방지 가스가 상기 웨이퍼 상면측으로 공급되도록 구성된다.

Description

기판 처리 장치 및 그것을 이용한 박막 증착 방법{Wafer Processing Apparatus And Method of depositing Thin film Using The Same}
본 발명은 기판 처리 장치 및 그것을 이용한 박막 증착 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원자층 증착 장치 및 그것을 이용한 박막 증착 방법에 관한 기술이다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼 또는 유리 기판상에 소정 두께의 박막을 증착하기 위하여, 물리 기상 증착 방식(physical vapor deposition, PVD) 또는 화학 기상 증착 방식(chemical vapor deposition, CVD) 등이 이용되고 있다.
일반적인 CVD 장치는 기판 지지대를 포함하며, 기판 지지대의 가장자리 영역에 에지링(edge ring) 및 퍼지링(purge ring)을 포함할 수 있다. 에지링 및 퍼지링은 각각 퍼지 가스 분사구를 포함하는 링 구조체로서, 웨이퍼 상면 가장자리 및 후면 가장자리에 막 증착을 방지하기 위한 구조체이다. 에지링은 웨이퍼 상면 가장자리에 퍼지 가스가 공급되도록 설계되고, 퍼지링은 웨이퍼 후면 가장자리에 퍼지 가스가 공급되도록 설계될 수 있다.
현재, 반도체 소자의 집적 밀도가 증대됨에 따라, 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐으로써, 박막의 미세 패턴에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구의 일환으로, 원자층 단위로 박막을 증착하는 원자층 증착 방식(atomic layer deposition, 이하, ALD)의 사용이 증대되고 있다. 나아가, 수율 개선을 위해, 웨이퍼 가장자리 영역 역시, 소자 영역으로 이용하고자 하는 시도가 계속되고 있다. 하지만, 상기 에지링은 웨이퍼 상면 가장자리에 퍼지 가스를 분사하기 위하여 설계되기 때문에, 웨이퍼 상면 가장자리를 일부 점유할 수 있다. 이와 같은 에지링으로 인해, 웨이퍼 수율을 증대시키는 데 어려움이 있다.
본 발명은 웨이퍼 수율 개선은 물론, 웨이퍼 가장자리의 증착 균일도를 개선하면서, 웨이퍼 후면 증착을 방지할 수 있는 기판 처리 장치 및 그것을 이용한 박막 증착 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는 밀폐된 공정 영역을 갖는 챔버, 상기 챔버 하부에 위치되며, 상면에 웨이퍼가 안착되도록 구성되며 내부에 가스 유로를 통해 측면 둘레로 증착 방지 가스를 배출하도록 구성된 기판 지지대, 상기 챔버의 상부에 위치되어 상기 기판 지지대 상에 소스 가스 및 반응 가스를 제공하도록 구성된 샤워 헤드 구조체, 및 상기 기판 지지대의 가장자리에 위치되어 상기 기판 지지대 내부로부터 유입되는 증착 방지 가스를 상기 웨이퍼 상면 가장자리로 공급하도록 구성된 퍼지링 구조체를 포함한다. 상기 퍼지링 구조체는, 상기 기판 지지대 둘레에 장착되어, 웨이퍼 가장자리를 둘러싸도록 형성되는 퍼지링과, 상기 퍼지링의 내측면으로부터 상기 웨이퍼 가장자리 방향으로 돌출 형성되는 복수의 돌기부를 포함하며 상기 돌기부에 의해 상기 퍼지링의 내측면과 상기 웨이퍼 가장자리 사이에 발생되는 간극부를 통해 상기 증착 방지 가스가 상기 웨이퍼 상면측으로 공급되도록 구성된다.
또한, 상술한 기판 처리 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 챔버 내부의 상기 기판 지지대 상부에 상기 웨이퍼를 로딩한다. 이어서, 상기 기판 지지대를 상기 챔버 내부의 상기 공정 영역으로 상승 이동시킨다. 이후, 상기 공정 영역에서 상기 웨이퍼상에 박막을 증착하고, 상기 박막이 증착된 웨이퍼를 언로딩하기 위하여 상기 기판 지지대를 하강 이동시킨다. 다음, 상기 웨이퍼를 언로딩하는 단계를 포함한다.
상기 박막 증착 단계는, 상기 웨이퍼 상에 소스 가스를 공급하는 단계; 및상기 웨이퍼 상에 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하며, 상기 증착 방지 가스는 상기 소스 가스 공급 단계 및 상기 반응 가스 공급 단계 동안 상기 간극부를 통해 상기 웨이퍼 상면의 가장자리에 제공한다.
본 발명에 따르면, 웨이퍼 상측 가장자리를 점유하던 에지링을 제거하는 대신, 기판 지지대 둘레에 설치되는 퍼지링의 내측벽에 복수 개의 돌기부를 구비한 퍼지링 구조체를 설치한다. 본 실시예의 퍼지링 구조체를 이용함에 따라, 웨이퍼 후면 가장자리에 증착 방지 가스를 제공하고, 돌기부에 의해 상기 퍼지링과 웨이퍼 가장자리 사이에 간극부가 한정된다. 이와 같은 간극부를 통해, 증착 방지 가스 및 추가 반응 가스를 웨이퍼 상면에 선택적으로 제공할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼 가장자리에 증착되는 물질막의 증착 균일도를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지링 구조체를 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지링 구조체의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지링 구조체의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 방식에 따른 증착방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CVD 방식에 따른 증착방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
본 실시예의 ALD 장치(100)는 공정 영역(110a)을 정의하는 진공 챔버(110)를 포함한다. 진공 챔버(110) 내부에 기판 지지대(120)가 설치된다.
공정 영역(110a)의 천정부에, 원료가스와 반응가스로 이루어진 처리 가스를 공정 영역(110a)에 공급하는 사워 헤드 구조체(130)가 설치될 수 있다. 샤워 헤드 구조체(130)는 상기 웨이퍼(W)를 향해 처리 가스를 분사하기 위한 복수의 분사공(H)을 포함할 수 있다.
기판 지지대(120)는 웨이퍼(W)가 안착되는 스테이지(121) 및 공정 영역(110a)의 바닥에 설치되어 상기 스테이지(121)를 지지하는 중공의 지지부(122)를 포함할 수 있다.
기판 지지대(120) 내부에 메인 가스 통로(140a)가 구비될 수 있다. 메인 가스 통로(140a)는 증착 방지 가스 소스(도시되지 않음)와 연결되어, 증착 방지 가스를 전달할 수 있다.
기판 지지대(120)의 상부 가장자리에 퍼지링 구조체(150)가 위치되어, 서브 가스 통로(140b)를 한정할 수 있다. 서브 가스 통로(140b)는 메인 가스 통로(140a)과 연통되어, 서브 가스 통로(140b)로부터 제공되는 증착 방지 가스를 웨이퍼(W) 후면에 전달할 수 있다. 상기 퍼지링 구조체(150)는 상기 웨이퍼(W) 후면 가장 자리에 증착 방지 가스를 제공할 수 있도록, 기판 지지대(120)의 가장자리에 위치될 수 있다.
본 실시예의 퍼지링 구조체(150)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 환형의 퍼지링(152) 및 퍼지링(152)의 내측벽에 위치된 복수 개, 예컨대, 적어도 3개의 돌기부(155)를 포함할 수 있다.
퍼지링(152)은 기판 지지대(120)의 스테이지(121)의 둘레에 장착되어, 상기 웨이퍼 가장자리를 둘러싸도록 구성된다.
돌기부(155)는 퍼지링(152)의 내측면으로부터 상기 웨이퍼(W)의 가장자리 방향으로 돌출 형성되어, 상기 웨이퍼(W)와 퍼지링(152)간의 간격을 조절할 수 있다. 상기 돌기부(155)에 의해 퍼지링(152)의 내측면과 상기 웨이퍼(W) 가장자리 사이에 간극부(160)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 서브 가스 통로(140b)로부터 전달되는 증착 방지 가스 및 추가의 반응 가스는 상기 간극부(160)를 통해, 상기 웨이퍼 가장자리 상면에 균일하게 공급이 이루어질 수 있다. 또한, 웨이퍼(W) 가장자리 영역에 고르게 가스가 전달될 수 있도록, 상기 돌기부(155)는 복수 개, 예를 들어, 적어도 3개 이상이 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 상기 돌기부(155)는 상기 퍼지링 중심부를 향해 0.1 내지 1.5mm 폭을 갖도록 돌출될 수 있다. 즉, 상기 돌기부(155)는 상기 웨이퍼(W) 가장자리와 상기 퍼지링(152) 내측면을 부분적으로 비접촉시키므로써, 간극부(160)를 한정한다.
한편, 퍼지링(152)의 상면과 상기 돌기부(155)의 상면 사이, 예컨대, 퍼지링(152)의 내측 상부 표면에 경사부(157)가 형성되어 있다. 경사부(157)는 웨이퍼(W) 안착시, 웨이퍼 센터링(centering)을 맞춰주기 위하여 제공될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 퍼지링 구조체(150)에 의해, 증착 방지 가스 및 추가 반응 가스가 웨이퍼 후면 및 상면 가장자리에 고르게 분사되기 때문에, 웨이퍼(W) 가장자리에 불균일하게 증착되었던 물질막, 예컨대, 금속막의 증착 균일도를 조절할 수 있다. 다만, 웨이퍼(W) 가장자리에 증착되는 물질막의 두께 균일도를 고려하여 가급적 간극부(160)의 크기가 균일한 것이 바람직하다.
본 실시예의 기판 처리 장치는 웨이퍼 가장자리를 점유하던 기존의 에지링을 생략하는 대신, 웨이퍼 후면에 가스를 공급하면서, 퍼지링과 웨이퍼 사이의 간극부를 통해 증착 방지 가스 및 추가 반응 가스를 제공하도록 구성된 퍼지링 구조체를 설치한다. 이에 따라, 웨이퍼 가장자리가 장비에 의해 점유되지 않고, 웨이퍼 후면 및 상면에 적절히 가스들이 제공됨으로써, 웨이퍼 가장자리에 위치된 다이를 이용할 수 있고, 웨이퍼 가장자리에 형성되는 물질막의 증착 균일도 역시 개선할 수 있으므로, 수율을 크게 개선할 수 있다.
이와 같은 기판 처리 장치는 다음과 같이 구동될 수 있다.
먼저, 웨이퍼(W)는 챔버(100)의 입구부(D1)을 통해 장입되어, 상기 기판 지지대(120)의 스테이지(121) 상부에 안착된다. 본 실시예의 경우, 에지링 자체가 구비되어 있지 않고, 퍼지링 구조체(150)이 기판 지지대(120)에 장착된 구조이기 때문에, 웨이퍼(W)가 안착되면, 바로 챔버내 공정 영역으로 상승 이동시킬 수 있다.
그후, 샤워 헤드 구조체(130)를 통해 소스 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 분사하고, 상기 퍼지링 구조체(150)를 통해 증착 방지 가스 및 추가 반응 가스를 공급하여, 웨이퍼 상부에 균일한 두께를 갖는 박막을 증착한다.
박막 증착 공정이 완료되면, 상기 기판 지지대는 웨이퍼(W)가 출구(D2)를 통해 언로딩될 수 있도록 하강 이동시킨다. 다음, 웨이퍼(W)는 상기 챔버(W)의 출구(D2)를 통해 언로딩된다.
예를 들어, ALD 방식에 의해 물질막 증착 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 소스 가스를 주입하는 단계, 퍼지 가스를 주입하는 단계, 반응 가스를 주입하는 단계, 상기 퍼지 가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 소스 가스 및 반응 가스는 증착되는 물질에 따라 가변될 수 있다. 물질막 증착 공정시, 웨이퍼(W) 후면에 물질막의 증착 반응이 억제되도록 상기 서브 가스 통로(140b)를 통해 지속적으로 증착 방지 가스, 예컨대, Ar, He, Ne, Kr, Xe 및 Rn과 같은 비활성 가스를 주입할 수 있다. 또한, 상기 반응 가스 공급시, 추가 반응 가스로서 H2 가스를 상기 반응 가스의 주입과 동시에 주입할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼(W) 가장자리에 증착되는 물질막의 반응을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 퍼지링 구조체(150)가 CVD 장비에 장착되는 경우, 물질막 증착 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 소스 가스, 반응 가스, 증착 방지 가스, 및 추가 반응 가스가 일괄 제공될 수 있다.
여기서, 상기 반응 가스와 상기 추가 반응 가스는 동일한 물질일 수 있다.
본 발명에 따르면, 웨이퍼 상측 가장자리를 점유하던 에지링을 제거하는 대신, 기판 지지대 둘레에 설치되는 퍼지링의 내측벽에 복수 개의 돌기부를 구비한 퍼지링 구조체를 설치한다. 본 실시예의 퍼지링 구조체를 이용함에 따라, 웨이퍼 후면 가장자리에 증착 방지 가스를 제공하고, 돌기부에 의해 상기 퍼지링과 웨이퍼 가장자리 사이에 간극부가 한정된다. 이와 같은 간극부를 통해, 증착 방지 가스 및 추가 반응 가스를 웨이퍼 상면에 선택적으로 제공할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼 가장자리에 증착되는 물질막의 증착 균일도를 개선할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
150 : 퍼지링 구조체 152 : 퍼지링
155 : 돌기부 160 : 간극부

Claims (9)

  1. 밀폐된 공정 영역을 갖는 챔버;
    상기 챔버 하부에 위치되며, 상면에 웨이퍼가 안착되도록 구성되며, 내부에 가스 유로를 통해 측면 둘레로 증착 방지 가스를 배출하도록 구성된 기판 지지대;
    상기 챔버의 상부에 위치되어 상기 기판 지지대 상에 소스 가스 및 반응 가스를 제공하도록 구성된 샤워 헤드; 및
    상기 기판 지지대의 가장자리에 위치되어, 상기 기판 지지대 내부로부터 유입되는 증착 방지 가스를 상기 웨이퍼 상면 가장자리로 공급하도록 구성된 퍼지링 구조체를 포함하되,
    상기 퍼지링 구조체는,
    상기 기판 지지대 둘레에 장착되어, 웨이퍼 가장자리를 둘러싸도록 형성되는 퍼지링과,
    상기 퍼지링의 내측면으로부터 상기 웨이퍼 가장자리 방향으로 돌출되어 상기 웨이퍼 가장자리와 상기 퍼지링의 내측면 사이에 간극부를 한정하는 복수의 돌기부를 포함하며,
    상기 돌기부에 의해 상기 퍼지링의 내측면과 상기 웨이퍼 가장자리 사이에 발생되는 상기 간극부를 통해 상기 증착 방지 가스가 상기 웨이퍼 상면측으로 공급되도록 구성되는 기판 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 퍼지링 중심부를 향해 0.1 내지 1.5mm 폭을 갖도록 돌출 형성되는 기판 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 웨이퍼 가장자리와 상기 퍼지링 내측면이 부분적으로 비접촉될 수 있도록 적어도 3개 이상 구비되는 기판 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼지링 내측 상면과 상기 돌기부의 상면에는 상기 웨이퍼의 센터링(centering)을 위한 경사부가 더 형성되는 기판 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 방지 가스는 Ar 가스를 포함하는 기판 처리 장치.
  6. 청구항 1항 기재의 기판 처리 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로서,
    상기 챔버 내부의 상기 기판 지지대 상부에 상기 웨이퍼를 로딩하는 단계;
    상기 기판 지지대를 상기 챔버 내부의 상기 공정 영역으로 상승 이동시키는 단계;
    상기 공정 영역에서 상기 웨이퍼상에 박막을 증착하는 단계;
    상기 박막이 증착된 웨이퍼를 언로딩하기 위하여, 상기 기판 지지대를 하강 이동시키는 단계; 및
    상기 웨이퍼를 언로딩하는 단계를 포함하되,
    상기 박막 증착 단계는,
    상기 웨이퍼 상에 소스 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 웨이퍼 상에 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 증착 방지 가스는 상기 소스 가스 공급 단계 및 상기 반응 가스 공급 단계 동안 상기 간극부를 통해 상기 웨이퍼 상면의 가장자리에 제공하는 박막 증착 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 간극부를 통해, 상기 웨이퍼 가장자리에 추가 반응 가스를 더 제공하는 박막 증착 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 추가 반응 가스는 상기 반응 가스와 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착 방지 가스는 Ar 가스를 포함하는 박막 증착 방법.
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