KR102114857B1 - 상압 플라즈마를 이용한 선택적 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상압 분위기를 이용한 선택적 에피층을 형성하는 박막 형성 방법을 개시한다. 박막 형성 방법은 플라즈마 분위기 가스를 반응 챔버로 투입하여 상압 분위기로 만들어 주는 제1 단계; 상기 반응 챔버로 반응 소스 가스를 공급하는 제2 단계; 플라즈마 파워를 인가하여 상기 반응 챔버내의 기판상에 박막층을 형성하는 제3단계; 및 상기 반응 챔버를 퍼징시켜 주는 제4단계를 포함한다. 상기 반응 소스 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스에 대하여 1 내지 5 %가 되도록 공급되며, 원하는 박막 두께에 도달하기까지 상기 제1 내지 제4단계가 1회 이상 반복 진행된다.

Description

상압 플라즈마를 이용한 선택적 박막 형성 방법{METHOD OF FORMING THIN FILM SELECTIVELY USING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 상압 플라즈마를 이용하여 선택적으로 원자층 에피택셜 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마-강화 화학 기상 증착 (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Depostion: PECVD)은 기체 상태 (증기)에서 기판상에 고체 상태로 박막을 증착시키는 화학 기상 증착 공정이다. 플라즈마-강화 화학 기상 증착은 다른 증착 공정과 비교하여 여러 가지 이점이 있다.
첫째, PECVD를 이용하면 저온 증착이 가능하다. 플라즈마는 원자 또는 분자가 이온화 된 임의의 기체이다. 플라즈마 상태의 전자는 매우 높은 운동에너지로 인하여 상대적으로 낮은 온도에서도 전구체 분자의 활성화를 가능하게 하고 반응성이 높은 자유 라디칼을 대량으로 생성할 수 있다. 따라서 높은 활성화 에너지를 갖는 중성라디칼에 의해 열분해에 의한 CVD에 비하여 상대적으로 저온에서도 증착이 가능하다. 특히, 반도체 제조 공정 등에서는 금속층 형성 이후의 박막 증착 공정과 같이 온도에 민감한 공정 단계의 경우에 유용하다. 둘째, PECVD는 고에너지 입자 및 반응성이 큰 라디칼에 의해 반응 속도가 빠르므로 기존의 CVD 보다 증착 속도가 빨라 생산성을 향상시키는 데 유리하다.
이러한 장점 때문에, 소형화, 집적화, 기판 대면적화가 요구되는 반도체 또는 디스플레이 소자를 제조하는데 유용하다. 이외에도, 모바일 제품, 의료 제품, 및 사물 인터넷 제품에도 플라즈마를 이용하여 박막을 형성하는 기술이 빠르게 적용되고 있다. 그러나, 저압 상태에서 진행되는 PECVD는 증착 반응을 선택적으로 조절하기 어려운 단점이 있다.
플라즈마 증착 공정은 이온, 전자, 라디칼이 혼재되어있는 상태에서 여기된 반응종이 반응하여 박막을 생성한다. 이때, 전자-이온, 전자-라디칼, 이온-이온, 이온-라디칼, 라디칼-라디칼 등 다양한 형태의 반응이 일어날 수 있다. 특히 수십 mTorr의 저압 플라즈마 공정의 경우, 입자의 평균 자유 경로(mean-free-path)가 증가함에 따라 플라즈마에 의해 여기된 입자의 에너지 분포가 넓어져 반응종의 종류가 다양해지고, 그 결과 가능한 반응의 조합은 기하급수적으로 늘어난다. 선택적으로 반응종을 조절하기 어려우므로 원하는 고품질의 박막을 얻기 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 상압 PECVD가 제안되었다. 상압 PECVD는 약 760 Torr의 상압에서 플라즈마 증착 공정을 수행함으로써 플라즈마에 의해 생기는 입자들의 에너지 분포를 좁게 제어한다. 상압 또는 고압 상태에서는 입자의 평균 자유 경로(mean-free-path)가 짧아져 플라즈마에 의해 여기된 입자간 충돌에 의해 생기는 입자 에너지의 분포가 좁고 밀도는 높아진다. 따라서, 반응종을 제어하기가 용이해지며 특정 반응에 대한 선택비를 조절하기도 용이하다.
그러나, 상압 PECVD를 박막 형성 공정에 적용할 경우에도 몇 가지 문제점이 있다. 첫째, 증착 반응이 진행되는 동안 상압 상태를 유지하기 위해 다량의 플라즈마 분위기 가스가 사용되므로 공정비용이 상승된다. 예를 들어, 1 Torr의 저압에서 진행되는 PECVD와 비교할 때, 동일 두께의 박막을 형성하기 위해 760 Torr에서 진행되는 상압 PECVD에서 소모되는 플라즈마 분위기 가스의 유량은 sccm 단위에서 slm 단위로, 즉 약 100~1000배 증가한다. 플라즈마 분위기 가스는 실제로 박막 형성 반응에는 참여하지 않아야 하므로 불활성 기체인 Ar 또는 He을 고순도 가스로 사용하여야 하며, 이로 인한 공정 비용의 증가는 상당하다. 둘째, 증착 반응이 진행되는 동안에 외부에서 대량으로 공급되는 플라즈마 분위기 가스는 챔버 내부의 가스 유속을 지속적으로 변화시키므로, 증착 반응을 안정적으로 제어하기 어렵다. 그 결과, 형성된 박막의 막질이 저하된다. 이러한 방법으로는 특히, 고품질의 박막, 예를 들어, 고품질의 에피택셜 박막을 얻기 어렵다.
본 발명은 상압 플라즈마를 이용하여 원자층 에피텍셜 박막을 선택적으로 형성하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 상압 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 비율을 조정하여 경제적으로 고품질의 박막을 선택적으로 형성하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 박막 형성 방법은 플라즈마 분위기 가스를 반응 챔버로 투입하여 상압 분위기로 만들어 주는 제1 단계; 상기 반응 챔버로 반응 소스 가스를 공급하는 제2 단계; 가스공급을 중단하고 플라즈마 파워를 인가하여 상기 반응 챔버내의 기판상에 박막층을 형성하는 제3단계; 및 상기 반응 챔버를 퍼징시켜 주는 제4단계를 포함한다. 상기 반응 소스 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 양이 1 내지 5 %가 되도록 공급되며, 원하는 두께의 박막을 증착하기 위하여 상기 제1 내지 제 4단계가 1회 이상 반복하여 진행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상압 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양이 1 내지 5 %가 되도록 반응 소스 가스를 반응 챔버로 투입하여 기판상에 박막층, 예를 들어 선택적 원자층 에피층을 형성하여 줄 수 있으므로, 상압 플라즈마 분위기하에서 적은 양의 반응 소스 가스로 양질의 박막을 용이하게 형성할 수 있으며, 원하는 특정 영역에 박막을 형성할 때 자기정렬에 의하여 선택적 박막 영역이 형성되므로 패터닝 공정을 감소시켜 소자 제조시 제조 단가를 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 패터닝 정렬 불량에 의한 소자 불량을 감소시킬 수 있다.
또한, 상압 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양의 조절을 통해, 저온에서의 에피층의 형성이 가능하며, 이에 따라 하부의 금속층의 열적 특성 (thermal range)에 대해 자유로울 수 있다. 특히 도펀트가 첨가된 n형 또는 p형의 에피 박막을 형성할 수 있으므로 기존의 전기적 활성화를 위한 고온의 소결 공정을 생략할 수 있으므로 소자 제조시 제조 단가를 추가로 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 증착 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 증착 공정의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 증착 공정을 통해 형성된 박막의 일 예를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 공정을 통해 얻어진 선택적 실리콘 에피막의 투과 전자 현미경 (TEM)사진을 도시한 것이다.
도 4b는 에피 형성 부분인 도 4a의 표시 영역의 X선 회절 패턴으로 에피 박막이 단결정으로 형성됨을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마를 이용한 박막 형성방법에 사용되는 증착 장치의 일 예를 도시한 것이다.
상기 증착 장치는 CCP (capacitively coupled plasma) 타입의 플라즈마 증착 장치로서, 기판상에 박막을 형성하는 데 적용된다. 특히, 증착 장치는 상압 플라즈마를 이용하여 박막, 예를 들어, 선택적으로 원자층 에피 박막을 형성하는 데 적용 가능하다.
도 1을 참조하면, 반응 챔버(10) 및 상기 반응 챔버(10) 내에 서로 대향하도록 배열된 기판부 전극(20) 및 플라즈마 전극(30)을 구비한다. 상기 플라즈마 전극(30)과 기판부 전극(20)은 일정 거리(d) 만큼, 예를 들어 1 mm 이하로 이격 배열될 수 있다. 상기 플라즈마 전극(30)은 상기 기판부 전극(20) 상부에 배열되고, 상기 플라즈마 전극(30)과 상기 기판부 전극(20)사이, 예를 들어, 상기 기판부 전극(20)상에는 박막이 형성될 기판(70)이 놓여질 수 있다.
상기 증착 장치는 상기 반응 챔버(10)를 플라즈마 분위기로 만들어주기 위한 플라즈마 분위기 가스를 공급하기 위한 제1가스 공급부(40)와 상기 반응 챔버(10)로 반응 소스 가스를 공급하기 위한 제2가스 공급부(50)를 더 구비한다. 상기 제1 및 제2가스 공급부(40, 50)는, 예를 들어, 상기 반응 챔버(10)의 상단에 배열되어 상기 기판부 전극(20)에 대향하도록 위치한다. 제1 및 제2 가스인 플라즈마 분위기 가스와 반응 소스 가스가 상기 제1 및 제2가스 공급부(40, 50)를 통해 반응 챔버(10)로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양이 1 내지 5 % 의 범위가 되도록, 상기 플라즈마 분위기 가스와 반응 소스 가스가 상기 제1가스 공급부(40) 및 제2가스 공급부(50)를 통해 각각 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 반응 챔버(10) 내부를 플라즈마 분위기로 만들어 주기 위한 제1가스로서, 예를 들어 He, Ne, Ar, Kr, Xe 등과 같은 불활성 기체를 사용할 수 있다. 상기 플라즈마 분위기 형성용 불활성 기체로, 바람직하게는 He, Ar 을 사용할 수 있다.
또한, 기판(70)상에 형성되는 박막으로 에피층을 형성하는 경우, 반응 소스 가스인 제2가스로는 실란(SiH4)과 수소(H2)를 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 플라즈마 분위기 가스, 예를 들어, He 가스에 대한 반응 소스 가스인 SiH4+H2 의 양이 1 내지 5 % 의 범위일 수 있다.
상기 증착 장치는 상기 반응 챔버(10) 하단에 설치된 배기펌프(60)를 더 포함할 수 있다. 상기 배기 펌프(60)는 증착 공정후 퍼징 공정시 반응 챔버(10)내에 잔존하는 가스를 외부로 배출시켜 줄 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 공정, 예를 들어 박막 증착 공정을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 공정을 통해 기판상에 형성된 박막을 보여주는 단면도이다. 도 3에서는, 마스크 패턴(71)이 형성된 기판(70)상에 선택적으로 에피층 박막을 형성한 예를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 방법은 제1단계 공정으로서 반응 챔버(10)를 상압 분위기로 만들어 주기 위한 상압 분위기 형성 공정(210)을 포함한다. 먼저, 플라즈마 분위기 가스 공급부(40)가 개방 (턴 온)되고, 플라즈마 분위기 가스, 예를 들어 He 가스를 플라즈마 분위기 가스 공급부(40)를 통해 상기 반응 챔버(10) 내로 공급하여 상기 반응 챔버의 내부를 상압 분위기로 만들어 준다. 상기 플라즈마 분위기 가스로서 불활성 기체인 헬륨(He) 가스를 사용하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반응 챔버(10)의 내부 압력은 예를 들어, 650 내지 750 Torr, 바람직하게는 700~740 Torr, 보다 바람직하게는 700 Torr 로 설정될 수 있다. 그러나, 상기 반응 챔버(10)의 내부 압력은 이에 한정되지 않으며, 증착막의 종류, 원하는 증착막의 두께, 기판의 사이즈, 챔버의 구조 등에 따라 적절하게 조절할 수 있다. 이때, 상기 반응 소스 가스 공급부(50)와 상기 플라즈마 전극(30)은 오프 상태로 유지된다.
상기 반응 챔버(10)가 원하는 상압 분위기로 되면, 제2단계 공정으로서 반응 소스 가스를 상기 반응 챔버(10)로 공급하는 반응 소스 가스 공급 공정(220)을 진행한다. 상기 반응 소스 가스 공급부(50)가 개방 (턴 온)되고 상기 반응 소스 가스 공급부(50)를 통해 상기 반응 챔버(10)로 박막 형성용 반응 소스 가스를 공급한다. 이때, 상기 플라즈마 분위기 가스 공급부(40)와 상기 플라즈마 전극(30)은 오프 상태로 유지된다.
이때, 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 상기 반응 소스 가스의 양이 대략 1 내지 5 %의 범위로 되도록 반응 소스 가스가 상기 반응 챔버(10)내로 공급될 수 있다.
반응 소스 가스의 종류는 상기 기판상에 형성되는 박막의 종류에 따라 달라질 수 있고, 당업자에 의해 적절히 선택되어질 수 있다. 또한, 상기 기판상에 형성되는 박막의 종류에 따라 반응 소스 가스의 양 그리고 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양 등이 결정될 수 있다.
예를 들어, 실리콘 박막(에피층)을 상기 기판(70)상에 형성하는 경우, 상기 반응 소스 가스로 실란(SiH4)과 수소(H2)가 사용될 수 있다. 실험 예로서, 플라즈마 분위기 가스로 He 가스를 3 slm 의 양으로 공급할 때, 상기 반응 챔버(10) 내에서 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 상기 반응 소스 가스의 양이 대략 1 내지 5 %의 범위로 되도록, 반응 소스 가스인 SiH4+H2 를 3 sccm+30sccm 의 양으로 상기 반응 챔버(10)내로 공급할 수 있다.
이어서, 제3단계로서 상기 기판(70)의 표면을 활성화시켜 기판(70)상에 박막층을 형성하는 박막층 형성 공정(230)을 진행한다. 상기 플라즈마 전극(30)으로 고 전압을 인가하여 상기 플라즈마 분위기 가스가 이온화되고, 활성화된 수소 라디칼은 Si 단결정 표면의 댕글링 결합(dangling bond)을 안정화시키거나 활성화된 SiH4와 반응하여 SiHx라디칼을 형성한다. SiHx라디칼은 Si 단결정 표면(70)의 sp3 혼성오비탈을 갖는 Si 원자와 Si-Si 결합을 형성하여 안정화되어 Si 에피 박막층(75a)이 형성된다. 반면 마스크층(71)의 SiO2는 부분적으로 이온결합 특성을 포함하고 있는 Si-O 결합으로 인하여 SiHx 라디칼의 반응이 느리고 반응 부산물로 생성되는 H2O는, Si 층에서 형성되는 부산물 H2보다 휘발성이 약하여 상압의 조건에서 표면에 남게 되어 후속 반응을 방해하게 되어 마스크 층에서의 Si-Si 결합 또는 Si-O결합은 거의 생성되지 않는다.
상기 박막층 형성 공정(230)은, 예를 들어 60 MHz 의 100 W의 파워를 15 내지 30 초 동안, 예를 들어, 30초동안 인가하여 수행할 수 있다. 상기 반응 소스 가스의 공급이 차단된 상태에서 플라즈마 증착 반응이 진행되므로, 챔버 내부에 존재하는 반응 소스 가스가 소진되거나 플라즈마 전원 공급이 중단되면 증착 반응은 더 이상 진행되지 않는다.
증착 반응이 완료되면, 제4단계로서 반응 챔버(10)를 퍼지시켜 주는 퍼지 공정(240)을 진행한다. 퍼지 공정(240)에서는, 상기 플라즈마 전원이 차단되고, 상기 제1가스 공급부(40)가 개방 (턴 온)상태로 되어 상기 플라즈마 분위기 가스인 비활성 가스를 일정량 반응 챔버(10)로 공급한다. 따라서, 반응 챔버(10)내에 잔존하는 가스나 분해물을 퍼징하여 배기 펌프(60)를 통해 배기시켜 준다. 이때, 반응 소스 가스를 공급하기 위한 제2가스 공급부(50)는 폐쇄 (턴 오프)상태를 유지한다.
제1 내지 제4단계의 공정(210-240)을 1차로 진행하여 제1박막층(75a)을 형성한 다음, 반응 챔버(10)가 퍼지된 상태에서 2차로 제2박막층(75b)을 형성하기 위한 공정(210-240)을 다시 진행한다. 이와 같이 상기 제1 내지 제4단계의 공정(210-240)을 반복 진행하여 박막층(75a-75e)을 형성하여 줌으로써, 원하는 두께의 박막(75)을 얻을 수 있다.
상기 제1 내지 제4단계의 공정(210-240)은 도 3에서는 5회 진행하는 것을 예시하였으나, 상기 제1 내지 제4단계의 공정(210-240)은 1회 이상 반복 진행할 수 있다. 반복 횟수는 얻고자 하는 막의 종류와 두께, 기판의 크기, 반응기의 구조, 공정 조건 등에 따라 달라지며, 당업자가 적절히 선택할 수 있다.
상기 기판(70)상에 원하는 두께의 박막(75)이 형성되면, 플라즈마 전극(30)의 전원을 차단하고, 반응 소스 가스 공급부(50)와 플라즈마 분위기 가스 공급부(50)를 폐쇄(오프)하여 반응 소스 가스 및 플라즈마 분위기 가스의 공급을 중단하여 증착 공정을 완료한다.
도 4a는 단결정 실리콘 기판상에 산화막(SiO2) 패턴을 형성한 다음 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 공정을 통해 형성된 에피층의 TEM 사진을 도시한 것이며, 도 4b는 에피 형성 부분 즉, 도 4a의 표시영역의 X선 회절패턴으로 에피 박막이 단결정으로 형성되었음을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양을 1 내지 5 %의 범위내로 설정하여 박막층을 형성하여 줌으로써, 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다. 그러므로, 적은 양의 반응 소스 가스를 이용하여 양질의 박막을 용이하게 형성하여 줌으로써, 압력 조절용 밸브 및 압력 조절용 가스의 사용이 필요없으므로, 제조 단가를 감소시켜 줄 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 플라즈마 반응 챔버
20: 기판부 전극
30: 플라즈마 전극
40: 플라즈마 분위기 가스 공급부
50: 반응 소스 가스 공급부
60: 배기펌프
d: 플라즈마 전극과 기판부 전극 사이의 거리

Claims (5)

  1. 플라즈마 분위기 가스를 반응 챔버로 투입하여 상압 분위기로 만들어 주는 제1 단계;
    상기 반응 챔버로 반응 소스 가스를 공급하는 제2 단계;
    상기 반응 챔버로의 반응 소스 가스의 공급이 중단된 상태에서 플라즈마 파워를 인가하여 상기 반응 챔버내의 기판상에 박막층을 선택적으로 형성하는 제3단계; 및
    상기 반응 챔버를 퍼징시켜 주는 제4단계를 포함하되,
    상기 반응 소스 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스에 대해 일정 비율로 공급되며,
    상기 제1 내지 제4 단계가 상기 기판상에 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 일정 횟수 반복 진행되되, 상기 제1 내지 제4단계는 반응 챔버가 퍼지된 상태에서 다시 수행되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 단계에서, 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 부피 비가 1 내지 5 %가 되도록 상기 반응 소스 가스가 반응 챔버로 제공되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 단계는 1 내지 5회 반복 진행되는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 단결정 Si표면이 마스크층에 대하여 부분적으로 드러난 패터닝된 기판층이며, 상기 박막층이 선택적으로 Si표면에만 형성되는 에피층인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 박막은 에피층이며, 제2단계에서 반응 소스 가스 SiH4+H2 의 부피 비가 플라즈마 분위기 가스인 He 에 대하여 1 내지 5 % 의 범위내로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
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WO2023121228A1 (ko) * 2021-12-20 2023-06-29 주식회사 에이치피에스피 웨이퍼의 박막에 대한 탄소 도핑 방법

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KR20130056595A (ko) * 2011-11-22 2013-05-30 김일욱 반도체 소자의 표면 처리 및 박막 성장 방법, 그리고 이를 구현하는 표면 처리 및 박막 성장 장치

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