KR102253808B1 - 기판 처리 장치 - Google Patents

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KR102253808B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 처리 장치는, 내부에 형성된 공정공간을 제공하는 챔버; 상부에 기판이 놓여지며, 상기 공정공간에 설치되는 서셉터; 그리고 상기 서셉터의 상부에 위치하며, 상기 챔버의 외측에 설치되어 외부로부터 공급된 소스가스로부터 플라즈마를 생성하는 안테나를 포함하되, 상기 서셉터의 상부면은, 상기 기판이 놓여지는 안착면; 그리고 상기 안착면의 둘레에 위치하여 상기 플라즈마에 노출가능하며, 상기 안착면보다 낮게 위치하는 제어면을 가진다.

Description

기판 처리 장치{APPARATUS FOR PROCESSING SUBSTRATE}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판에 대한 공정균일도를 개선할 수 있는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
얇은 SiO2 게이트 유전체는 몇 가지 문제점을 가져온다. 예를 들어, 붕소 도핑된 게이트 전국으로부터의 붕소는 얇은 SiO2 게이트 유전체를 통해 하부의 실리콘 기판으로 관통할 수 있다. 또한, 통상적으로 얇은 유전체들에서는 게이트에 의해 소모되는 전력량을 증가시키는 게이트 누출, 즉 터널링이 증가된다.
이를 해결할 수 있는 한가지 방법은 SiOxNy 게이트 유전체를 형성하도록 질소를 SiO2 층에 포함시키는 것이다. 질소를 SiO2 층에 포함시키면 하부의 실리콘 기판으로 관통하는 붕소를 차단하고 게이트 유전체의 유전상수를 증가시킴으로써, 더 두꺼운 유전체 층을 사용할 수 있다.
암모니아(NH3)의 존재하에서 실리콘 산화물 층을 가열하는 것은 SiO2 층을 SiOxNy 층으로 변환시키는데 사용되어 왔다. 그러나, 퍼니스(furnace)에서 NH3의 존재하에 실리콘 산화물 층을 가열하는 종래의 방법들은 통상적으로 퍼니스가 개방또는 폐쇄될 때 공기 유동으로 인해 퍼니스의 상이한 부분들에서 SiO2 층에 대해 질소의 불균일한 첨가를 초래하였다. 부가적으로, SiO2 층의 산소 또는 수증기 오염물은 SiO2 층으로의 질소 첨가를 차단할 수 있다.
또한, 플라즈마 질화처리(DPN, 디커플링된 플라즈마 질화처리)가 SiO2 층을 SiOxNy 층으로 변환시키는데 사용되어 왔다.
한국공개특허공보 2006-0130089호(2006.12.18.)
본 발명의 목적은 기판의 표면 전체에 대한 공정균일도를 개선할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판의 에지 표면에 대한 공정율을 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 처리 장치는, 내부에 형성된 공정공간을 제공하는 챔버; 상부에 기판이 놓여지며, 상기 공정공간에 설치되는 서셉터; 그리고 상기 서셉터의 상부에 위치하며, 상기 챔버의 외측에 설치되어 외부로부터 공급된 소스가스로부터 플라즈마를 생성하는 안테나를 포함하되, 상기 서셉터의 상부면은, 상기 기판이 놓여지는 안착면; 그리고 상기 안착면의 둘레에 위치하고 상기 공정공간과 대향되어 공정 중 상기 플라즈마에 노출가능하며, 상기 안착면보다 낮게 위치하는 제어면을 가진다.
상기 안착면은 상기 기판과 대응되는 형상이며, 상기 제어면은 링 형상일 수 있다.
상기 제어면의 폭은 20 내지 30mm일 수 있다.
상기 안착면과 상기 제어면의 높이차는 4.35 내지 6.35mm일 수 있다.
상기 안테나의 하단과 상기 안착면과의 거리는 93 내지 113mm일 수 있다.
상기 안테나는 상기 챔버의 외측 둘레에 상하방향을 따라 나선형태로 설치될 수 있다.
상기 챔버는, 상기 서셉터가 내부에 설치되며, 상부가 개방되고 측벽에 상기 기판이 출입하는 통로가 형성되는 하부챔버; 그리고 상기 하부챔버의 개방된 상부에 연결되며, 상기 안테나가 외측 둘레에 설치되는 상부챔버를 구비하되, 상기 상부챔버의 내부 직경은 상기 서셉터의 외부 직경과 대응되고, 상기 상부챔버의 단면적은 상기 하부챔버의 단면적보다 작을 수 있다.
상기 챔버는 상기 공정공간을 배기하는 배기포트가 측벽에 형성되며, 상기 기판 처리 장치는, 상기 공정공간에 설치되어 상기 서셉터의 상부면보다 낮도록 상기 서셉터의 둘레에 위치하며, 상기 서셉터의 상부면과 나란하게 배치되어 복수의 배기홀들을 가지는 하나 이상의 배기플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 서셉터는, 외부로부터 공급된 전원을 통해 가열가능한 히터; 상기 히터의 상부를 덮으며, 상기 안착면 및 상기 제어면을 가지는 상부커버; 그리고 상기 상부커버와 연결되어 상기 히터의 측부를 덮는 측부커버를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 기판의 표면 전체에 대한 공정균일도를 개선할 수 있다. 특히, 기판의 에지 표면에 대한 공정율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 기판의 에지 부분에서 질소 농도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 서셉터를 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정균일도를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 6을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기판 처리 장치는 챔버와 서셉터를 포함한다. 챔버는 내부에 형성된 공정공간을 제공하며, 공정공간 내에서 기판에 대한 플라즈마 공정이 이루어진다.
챔버는 하부챔버와 상부챔버를 구비하며, 하부챔버는 일측벽에 형성된 통로와 타측벽에 형성된 배기포트를 가지고 상부가 개방된 형상이다. 기판은 통로를 통해 공정공간으로 진입하거나 공정공간으로부터 인출될 수 있으며, 공정공간 내의 가스는 배기포트를 통해 배출될 수 있다.
상부챔버는 하부챔버의 개방된 상부에 연결되며, 돔(dome) 형상을 가진다. 상부챔버는 천정에 설치된 가스공급포트를 가지며, 소스가스 등은 가스공급포트를 통해 공정공간 내에 공급될 수 있다. 상부챔버 및 하부챔버의 단면은 기판의 형상(예를 들어, 원형)과 대응되는 형상을 가지며, 상부챔버의 단면적은 하부챔버의 단면적보다 클 수 있다. 상부챔버와 하부챔버의 중심은 후술하는 서셉터의 중심과 대체로 일치하도록 설치되며, 상부챔버의 내부직경은 서셉터의 외부 직경과 대체로 일치할 수 있다.
안테나는 상부챔버의 외측 둘레에 상하방향을 따라 나선형태로 설치되며(ICP 타입), 외부로부터 공급된 소스가스로부터 플라즈마를 생성할 수 있다. 안테나는 후술하는 서셉터의 상부에 위치한 상부챔버에 설치되며, 플라즈마는 상부챔버의 내부에서 생성되어 하부챔버로 이동한 후 기판과 반응할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 서셉터를 나타내는 도면이다. 서셉터는 하부챔버의 내부에 설치되며, 기판이 상부면에 놓여진 상태에서 공정이 진행된다. 서셉터는 히터와 히터커버를 구비하며, 히터커버는 히터의 상부 및 측부를 감싸도록 설치된다.
구체적으로, 히터는 외부로부터 공급된 전원을 통해 가열되어 기판 등을 공정가능한 온도로 가열할 수 있으며, 원형 디스크 형상이고 중앙에 연결된 지지축을 통해 지지된 상태로 하부챔버의 내부에 배치된다. 본 실시예와 달리, 히터는 냉매 등을 통해 냉각가능한 냉각플레이트로 대체될 수 있다. 히터커버는 히터의 상부를 덮는 원판 형상인 상부커버와 히터의 측부를 덮는 측부커버를 구비하며, 상부커버와 측부커버는 서로 연결된다.
상부커버의 상부면은 안착면과 제어면을 구비한다. 기판은 안착면에 놓여진 상태에서 플라즈마에 노출되어 공정이 이루어지며, 안착면은 기판보다 큰 직경을 가진다. 예를 들어, 기판의 직경이 300mm인 경우, 안착면의 직경(L)은 305~310mm일 수 있다. 안착면은 대체로 수평 상태로 배치된다. 제어면은 안착면보다 낮게 위치하여 안착면의 외측 및 제어면의 상부에 링 형상의 유동공간(도 2에 녹색점선으로 표시)이 형성되며, 안착면의 둘레에 배치된 링 형상이고 폭(W)은 20 내지 30mm 이다. 제어면은 공정공간과 직접 대향되어 기판에 대한 공정진행시 플라즈마에 노출되며, 안착면과 나란할 수 있다. 그러나, 본 실시예와 달리, 내외측으로 경사질 수 있다.
다시 도 1을 살펴보면, 복수의 배기플레이트가 서셉터의 둘레에 상하로 배치되며, 서셉터의 상부면 보다 낮은 높이로 설치된다. 배기플레이트는 복수의 배기홀들을 가지며, 대체로 수평배치된다. 배기플레이트는 별도의 지지기구를 통해 지지될 수 있다. 예를 들어, 배기펌프가 배기포트를 통해 강제배기를 시작하면, 배기압력은 배기플레이트를 통해 공정공간 내에 대체로 균일하게 분포되며(배기포트의 위치에 관계없이), 플라즈마의 흐름을 균일하게 형성할 뿐만 아니라 플라즈마 공정을 통한 반응부산물 등을 균일하게 배기할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정균일도를 나타내는 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이, 기판에 SiO2 층이 약 20~30Å 증착된 이후, 기판이 플라즈마에 노출됨으로써 SiOxNy 게이트 유전체를 형성할 수 있다(플라즈마 질화처리(PN)). 질소 소스는 질소(N2), NH3, 또는 이들의 조합물일 수 있으며, 플라즈마는 헬륨, 아르곤, 또는 이들의 조합물과 같은 불활성 가스를 더 포함할 수 있다. 기판이 플라즈마에 노출되는 동안(50~100초, 바람직하게는 약 50초) 압력은 약 15mTorr 이고 온도는 약 150℃일 수 있다(압력은 15 내지 200mTorr, 온도는 상온에서 150℃ 이내에서 조절될 수 있다). 선택적으로, 기판은 플라즈마 노출 이후 O2가 공급되는 상태에서 어닐링되며, 약 800℃의 온도에서 약 15초 동안 어닐링될 수 있다.
한편, SiOxNy 게이트 유전체를 형성하도록 플라즈마 질화처리(DPN, 디커플링된 플라즈마 질화처리)를 사용하여 왔으나, 질화처리 후 기판의 표면에 질소 농도가 불균일하게 분포되었으며, 특히 기판의 가장자리(에지) 부분에서 질소 농도가 상당히 저하되었다.
이를 개선하기 위한 방안으로, 서셉터의 안착면과 안테나 하단의 이격거리(도 1의 D)를 조절하였으나 그 효과가 제한적이었다. 도 1을 살펴보면, 서셉터는 지지축에 의해 지지되며, 지지축은 별도의 승강기구를 통해 승강가능하므로, 서셉터와 안테나의 거리는 승강기구를 통한 서셉터의 이동에 의해 조절될 수 있다.
서셉터의 이동거리(Chuck[mm])를 20~50mm로 조절한 결과, 서셉터와 안테나의 거리(D)는 아래 표 1과 같으며, 도 3에 도시한 바와 같이, 공정균일도가 1.30~1.90까지 변화함을 알 수 있으며, 최저값이 1.30이었다(Ref. HPC에 해당).
Chuck[mm] D[mm]
0 133
10 123
20 113
30 103
40 93
50 83
따라서, 이를 더욱 개선하기 위한 추가적인 방안을 모색하였으며, 서셉터(또는 히터커버)의 상부면에 안착면보다 낮은 제어면을 설치하였다(제어면과 안착면의 높이차는 6.35mm). 그 결과, 도 3에 도시한 바와 같이, 공정균일도가 0.96~2.20까지 변화함을 알 수 있으며, 최저값이 0.96이었다(Edge Low HPC에 해당). 특히, 서셉터의 안착면과 안테나 하단의 이격거리가 103mm인 경우, 개선 전후 공정균일도가 1.69에서 0.96으로 대폭 개선됨을 확인할 수 있었다.
공정균일도가 개선된 이유를 다양하게 연구해 본 결과, 기판의 에지 부분에서 플라즈마 시스(plasma sheath) 형성을 억제함으로써 플라즈마 쉴딩(plasma shielding)을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 기판의 에지 부분에서 질소 농도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 앞서 설명한 제어면이 안착면 보다 낮은 경우, 기판의 에지 부분에서 활성종(N 라디칼과 이온)이 소모되는 것보다 플라즈마 질화에 참여하는 비율이 크나, 제어면이 안착면과 나란하거나 높을 경우, 기판의 에지 부분에서 활성종이 플라즈마 질화에 참여하는 것보다 소모되는 비율이 커지게 되므로, 제어면을 안착면보다 낮게 배치할 경우 공정균일도를 개선할 수 있다고 생각된다.
도 4를 살펴보면, 종래 서셉터에 의한 플라즈마 공정이 이루어진 경우, 기판의 에지 부분에서 질소 농도가 현격하게 저하됨을 확인할 수 있으며, 그래프가 'M'자 형태를 가진다. 반면에, 도 5를 살펴보면, 제어면을 이용한 서셉터에 의한 플라즈마 공정이 이루어진 경우, 기판의 에지 부분에서 질소 농도가 충분히 개선됨을 확인할 수 있으며, 그래프가 'V'자 형태를 가진다.
도 6은 서셉터와 안테나의 거리 및 제어면과 안착면의 높이차에 따른 공정균일도 개선정도를 나타내는 표이다. 한편, 제어면의 폭은 플라즈마 공정에 영향을 미치지 않도록 20 내지 30mm인 것이 바람직하며, 아래 내용은 25mm를 기준으로 한다.
도 6을 살펴보면, 서셉터와 안테나의 거리에 따라 최적인 제어면과 안착면의 높이차는 다르게 나타난다. 예를 들어, 이동거리가 30mm인 경우(거리D=103mm) 공정균일도가 최저인 최적의 높이차는 4.35mm(공정균일도 0.83)임을 알 수 있으며, 이동거리가 20mm인 경우(거리D=113mm) 공정균일도가 최저인 최적의 높이차는 4.35mm(공정균일도 1.14)임을 알 수 있다. 그러나, 이동거리가 40mm인 경우(거리D=93mm) 공정균일도가 최저인 최적의 높이차는 2.35mm(공정균일도 1.22)임을 알 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (9)

  1. 내부에 형성된 공정공간을 제공하는 챔버와, 상부에 기판이 놓여지며 상기 공정공간에 설치되는 서셉터와, 상기 서셉터의 상부에 위치하며 상기 챔버의 외측에 설치되어 외부로부터 상기 공정공간에 공급된 소스가스로부터 플라즈마를 생성하는 안테나를 이용하여 기판을 처리하는 방법에 있어서,
    상기 서셉터의 상부면은 공정 중 기판이 놓여지는 안착면과, 상기 안착면의 둘레에 위치하고 상기 공정공간과 대향되어 공정 중 상기 플라즈마에 노출가능하고 상기 안착면보다 낮게 위치하는 제어면을 가지며,
    상기 안착면과 상기 제어면의 높이차(X)를 제1 변수로 하고, 그리고 상기 안테나의 하단과 상기 안착면과의 거리(Y)를 제2 변수로 하며,
    상기 제1 및 제2 변수를 조합하여 상기 플라즈마를 이용한 기판 처리 공정의 균일도를 측정하고, 상기 균일도가 최저인 경우를 기준으로 상기 제1 및 제2 변수의 값을 설정하는, 기판 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안착면은 상기 기판과 대응되는 형상이며,
    상기 제어면은 링 형상인, 기판 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어면의 폭은 20 내지 30mm인, 기판 처리 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 챔버의 외측 둘레에 상하방향을 따라 나선형태로 설치되는, 기판 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상기 서셉터가 내부에 설치되며, 상부가 개방되고 측벽에 상기 기판이 출입하는 통로가 형성되는 하부챔버; 및
    상기 하부챔버의 개방된 상부에 연결되며, 상기 안테나가 외측 둘레에 설치되는 상부챔버를 구비하되,
    상기 상부챔버의 내부 직경은 상기 서셉터의 외부 직경과 대응되고, 상기 상부챔버의 단면적은 상기 하부챔버의 단면적보다 작은, 기판 처리 방법
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터는,
    외부로부터 공급된 전원을 통해 가열가능한 히터;
    상기 히터의 상부를 덮으며, 상기 안착면 및 상기 제어면을 가지는 상부커버; 및
    상기 상부커버와 연결되어 상기 히터의 측부를 덮는 측부커버를 구비하는, 기판 처리 방법.
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