KR102610458B1 - 증착 장치를 포함하는 반도체 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

안정적인 증착 공정을 수행할 수 있는 공정 창(process window)이 확대되어 보다 유연한 공정 운영을 가능케 하는 반도체 제조 장치가 개시된다. 반도체 제조 장치는, 제1 전극으로서 작용하며, 복수의 분사 홀들을 포함하는 기체 공급 장치, 기체 공급 장치와 연결된 반응기 벽, 제2 전극으로서 작용하며, 반응기 벽과 면 실링하도록 구성된 기판 수용 장치를 포함하고, 기체 공급 장치로부터 기판 수용 장치를 향하여 공급되는 반응 기체는, 기체 공급 장치와 반응기 벽 사이의 기체 배출 통로를 통해 외부로 배출되며, 제1 전극은 기체 공급 장치의 가장자리(edge)에 형성된 돌출 전극을 포함할 수 있다.

Description

증착 장치를 포함하는 반도체 제조 장치{Semiconductor Manufacturing System Including Deposition Apparatus}
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 박막 형성에 이용되는 증착 장치와 같은 반도체 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 감소함에 따라 반도체 기판상에 증착되는 막의 두께 역시 감소되고 있고 박막간의 물리적, 화학적 영향을 줄이기 위해 기존 고온 공정 대신 저온 공정을 진행하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 플라즈마를 이용한 박막 증착은 기판을 장착하고 있는 열원(heater)의 온도를 높이지 않고도 반응 물질간의 화학반응을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 고온으로 인한 반응기의 수명 저하를 방지할 수 있다는 장점이 있다. 특히 점점 복잡해지는 반도체 소자에 증착되는 얇은 박막의 두께 제어를 보다 원활히 할 수 있는 원자층 증착방법(ALD; atomic layer deposition)이 많이 응용되고 있고 열공정(thermal process) 하에서 화학반응이 일어나지 않는 반응기체의 경우, 반응기체 공급과 동기되어 플라즈마를 공급함으로써 박막을 증착할 수 있는 플라즈마 원자층 증착방법(PEALD; plasma enhanced atomic layer deposition)의 공업적 응용이 활발해지고 있다.
본 발명은 CCP 방식의 플라즈마 공정 반응기에서 전극간의 거리와 전극과 반응기 벽간의 거리의 상대적 비(relative ratio)에 관계없이 전극 사이에서 발생한 플라즈마의 일부가 반응기 벽으로 소실되는 것을 방지할 수 있고 공정 범위(process windows)를 확장할 수 있는 새로운 반응기 구조를 갖는 증착 장치를 제안하고자 한다.
본 발명에 따른 반응기는 예를 들어 반응기 벽; 상부 전극; 하부 전극; 및 상기 상부 전극의 상부에 탑재되며 기체 공급 통로를 포함하는 기체흐름 제어장치;를 포함할 수 있다.
상기 상부 전극과 기체흐름 제어장치는 분리형 내지는 일체형으로 구성될 수 있다. 또한 상기 반응기 벽과 상기 기체 흐름 제어 장치 사이에 기체 배출 통로가 형성될 수 있다. 상기 기체흐름 제어 장치와 접하는 반응기 벽 상부에는 외부 배기 펌프와 연결되는 기체 유출구가 형성되어 있어 상단 배기가 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 상부 전극은 외부의 RF 전력(RF power) 생성기와 연결될 수 있고, 그에 따라 RF 전력이 반응공간으로 공급될 수 있다. 기체 공급수단(예를 들어, showerhead)은 상부 전극으로 사용될 수 있다. 상기 하부 전극은 상기 상부 전극과 마주보며, 기판을 탑재하는 수단(예를 들어, 기판 수용 장치)이 하부 전극으로 사용될 수 있다.
또한 반응 공간 내에서 플라즈마의 균일한 분포를 유도하기 위해 상기 상부 전극 하부 표면의 일부는 오목한(concave) 구조로 형성될 수 있고, 구체적으로는 상기 상부 전극 하부 표면의 중심부로부터 일정거리의 원주 방향으로 돌출부와 그 주변의 오목한 부분으로 이루어질 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 상부 전극 하부 표면의 가장자리를 따라 형성된 돌출부와 안쪽의 오목한 영역을 갖는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체 제조 장치는, 제1 전극으로서 작용하며, 복수의 분사 홀들을 포함하는 기체 공급 장치; 상기 기체 공급 장치와 연결된 반응기 벽; 제2 전극으로서 작용하며, 상기 반응기 벽과 면 실링(face sealing)하도록 구성된 기판 수용 장치를 포함하고, 상기 기체 공급 장치로부터 상기 기판 수용 장치를 향하여 공급되는 반응 기체는, 상기 기체 공급 장치와 상기 반응기 벽 사이의 기체 배출 통로를 통해 외부로 배출되며, 상기 제1 전극은 상기 기체 공급 장치의 가장자리(edge)에 형성된 돌출 전극을 포함할 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 일 예에 따르면, 상기 기체 공급 장치의 중심부와 상기 기판 수용 장치 사이의 제1 거리는 상기 기체 공급 장치의 측면과 상기 반응기 벽 사이의 제2 거리보다 크며, 상기 기체 공급 장치의 상기 돌출 전극과 상기 기판 수용 장치 사이의 제3 거리는 상기 제2 거리보다 작을 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 생성되는 플라즈마는, 상기 제1 거리에서는 방사성(radiality)으로 인해 상기 반응기 벽으로 향하고, 상기 제3 거리에서는 직진성(linearity)으로 인해 상기 기판 수용 장치로 향할 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 플라즈마는, 상기 반응 기체의 유량이 증가할수록, 상기 플라즈마의 전력이 증가할수록, 또는 상기 반응 기체의 유량이 증가하고 상기 플라즈마의 전력이 증가할수록, 더욱 큰 방사성을 가질 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 돌출 전극은 소정의 곡률을 갖도록 형성될 수 있다. 선택적으로 상기 기판 수용 장치는 상기 돌출 전극이 형성된 위치에 상응하는 위치에 형성된 홈을 포함할 수 있다. 또한, 선택적으로, 상기 돌출 전극의 곡률과 상기 홈의 곡률은 서로 동일할 수도 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 기체 공급 장치에는 상기 돌출 전극으로부터 파여진 오목 공간(concave space)이 형성될 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 반도체 제조 장치는 상기 기체 공급 장치 상부에 배치된 기체 유출구를 더 포함할 수 있다. 그 결과 상기 반응 기체는 상기 기체 배출 통로 및 상기 기체 유출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.
선택적으로, 상기 반도체 제조 장치는 상기 기체 공급 장치와 상기 기체 유출구 사이에 배치된 기체 흐름 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 그에 따라 상기 반응 기체는 상기 기체 배출 통로, 상기 기체 흐름 제어 장치, 및 상기 기체 유출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 기체 흐름 제어 장치는 플레이트 및 상기 플레이트로부터 돌출된 측벽을 포함할 수 있고, 상기 측벽은 상기 측벽을 관통하는 복수의 홀들을 포함할 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 기판 수용 장치는 기판 수용을 위한 리세스 영역; 및 상기 리세스 영역의 주위를 둘러싸며 상기 면 실링을 수행하는 접촉 영역을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 리세스 영역은 상기 돌출 전극이 형성된 위치에 상응하는 위치까지 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 제조 장치는, 반응기 벽; 상기 반응기 벽에 연결된 기체 흐름 제어 장치; 상기 기체 흐름 제어 장치와 연결된 기체 공급 장치; 및 상기 기체 공급 장치와 마주보며, 상기 반응기 벽의 하부면과 접하면서 반응공간을 형성하는 하부 전극을 포함하며, 상기 기체 흐름 장치는 상기 기체 공급 장치 상에 적층되며, 상기 반응기 벽 상부, 상기 기체 흐름 제어 장치, 및 상기 기체 공급 장치를 관통하여 기체 유입구가 형성되고, 상기 기체 유입구를 통해 상기 기체 공급 장치에 기체가 공급되며, 상기 기체 공급 장치의 중심부와 상기 하부 전극 사이의 제1 거리는 상기 기체 공급 장치의 가장자리와 상기 반응기 벽 사이의 제2 거리보다 크며, 상기 기체 공급 장치의 가장자리와 상기 하부 전극의 가장자리 사이의 제3 거리는 상기 제2 거리보다 작을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반도체 제조 장치는, 복수의 분사 홀들을 포함하는 제1 전극; 상기 제1 전극 상부의 기체 흐름 제어 장치; 상기 제1 전극 및 상기 기체 흐름 제어 장치와 연결된 반응기 벽; 상기 반응기 벽과 면 실링을 위해 접촉하도록 구성된 제2 전극을 포함하고, 상기 복수의 분사홀들을 통해 상기 제2 전극을 향하여 공급되는 반응 기체는, 상기 기체 공급 장치와 상기 반응기 벽 사이의 기체 배출 통로 및 상기 기체 흐름 제어 장치를 통해 외부로 배출되며, 상기 제1 전극의 상기 제2 전극을 바라보는 표면은 오목한 형상을 가질 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 일 예에 따르면, 상기 기체 흐름 제어 장치 상부에 배치된 기체 유출구를 더 포함하고, 상기 반응 기체는 상기 기체 배출 통로, 상기 기체 흐름 제어 장치, 및 상기 기체 유출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 기체 흐름 제어 장치는 플레이트 및 상기 플레이트로부터 돌출된 측벽을 포함하며, 상기 측벽은 상기 측벽을 관통하는 복수의 홀들을 포함할 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제1 전극의 중심부와 상기 제2 전극 사이의 제1 거리는 상기 제1 전극의 측면과 상기 반응기 벽 사이의 제2 거리보다 크며, 상기 제1 전극의 가장자리와 상기 제2 전극의 가장자리 사이의 제3 거리는 상기 제2 거리보다 작을 수 있다.
상기 반도체 제조 장치의 다른 예에 따르면, 상기 제1 전극은 가장자리(edge)에 형성된 돌출 전극을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 제2 전극은 기판 수용을 위한 리세스 영역을 포함하고, 상기 리세스 영역은 상기 돌출 전극이 형성된 위치에 상응하는 위치까지 연장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 제조 장치의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 제조 장치 에서의 반응 기체(및 잔류 기체)의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 제조 장치의 다른 단면에서 바라본 단면도이다.
도 4 및 도 5는 기존 반도체 제조 장치와 본 발명에 따른 반도체 제조 장치의 구조를 각각 나타낸다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 나타내는 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치 내 상부 전극의 변형예들을 나타내는 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예들에 따른 반도체 제조 장치를 나타내는 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 플라즈마 커플링 신뢰성(plasma coupling reliability)을 나타내는 도면들이다.
도 13 및 도 14는 기존 반응기와 본 발명에 따른 반응기에서 PEALD 방법으로 SiO2 박막을 증착할 때 (a) 플라즈마 전력(plasma power) 및 (b) 산소 유량에 따른 박막 균일도 변화를 나타낸다.
도 15는 본 발명에 따른 반응 챔버의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 “포함한다(comprise)” 및/또는 “포함하는(comprising)”은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 “및/또는”은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열의 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
먼저, 도 1을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 반도체 제조 장치(100)의 단면을 나타내는 도면이다. 도 1의 반도체 제조 장치(100)에서, 반응기 벽(101)은 기판 수용 장치(103)와 접할 수 있다. 보다 구체적으로 반응기 벽(101)의 하부면은 하부 전극으로 작용하는 기판 수용 장치(103)와 접하면서 반응 공간이 형성될 수 있다.
다시 말해, 기판 수용 장치(103)는 반응기 벽(101)과 면 실링(face sealing)하도록 구성될 수 있고, 상기 면 실링에 의해 반응기 벽(101)과 기판 수용 장치(103) 사이에 반응 공간(125)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 면 실링에 의해 기체 흐름 제어 장치(105) 및 기체 공급 장치(109)와 반응기 벽 사이에 기체 배출 통로(117)가 형성될 수 있다.
반응기 벽(101)과 기판 수용 장치(103) 사이에는 기체 흐름 제어 장치(105) 및 기체 공급 장치(109)가 배치될 수 있다. 기체 흐름 제어 장치(105)와 기체 공급 장치(109)는 일체형으로 구성될 수도 있고 기체 분사 홀들(133)이 있는 부분이 분리된 분리형으로 구성될 수도 있다. 분리형 구조에서, 상기 기체 흐름 제어 장치(105)는 기체 공급 장치(109) 위에 적층될 수 있다. 선택적으로, 기체 공급 장치(109)도 분리형으로 구성될 수 있으며, 이 경우 기체 공급 장치(109)는 복수의 가스 분사 홀들(133)을 갖는 기체 분사 장치 및 기체 분사 장치 상부에 적층된 기체 채널을 포함할 수 있다(도 3 참조).
기체 흐름 제어 장치(105)는 플레이트 및 플레이트로부터 돌출된 측벽(123)을 포함할 수 있다. 측벽(123)에는 측벽(123)을 관통하는 복수의 홀들(111)이 형성될 수 있다.
반응기 벽(101)과 기체 흐름 제어 장치(105) 사이 및 기체 흐름 제어 장치(105)와 기체 공급 장치(109) 사이에는 오링(O-ring)과 같은 밀폐부재를 수용할 수 있는 홈(127, 129, 131; groove)들이 형성될 수 있다. 상기 밀폐부재에 의해, 외부기체의 유입이 반응 공간(125) 내로 유입되는 것이 방지될 수 있다. 또한 상기 밀폐부재에 의해 반응 공간(125) 내의 반응 기체가 규정된 경로(다시 말해, 기체 배출 통로(117) 및 기체 유출구(115), 도 2 참조)를 따라 배출될 수 있다. 따라서 상기 반응 기체가 상기 규정된 경로 이외의 영역으로 유출되는 것이 방지될 수 있다.
기체 공급 장치(109)는 축전용량결합(CCP; capacitively coupled plasma) 방식과 같은 플라즈마 공정에서 전극(electrode)으로 사용될 수 있다. 이 경우 기체 공급 장치(109)는 알루미늄(Al)과 같은 금속 물질을 포함할 수 있다. 상기 축전용량결합 방식에서, 기판 수용 장치(103)도 전극으로 사용될 수 있고, 그 결과 제1 전극으로서 작용하는 기체 공급 장치(109) 및 제2 전극으로서 작용하는 기판 수용 장치(103)에 의해 용량 결합이 달성될 수 있다.
보다 구체적으로, 외부 플라즈마 생성기(미도시)에서 생성된 플라즈마는 RF 로드(RF rod, 도 3의 313)에 의해 기체 공급 장치(109)에 전달될 수 있다. 상기 RF 로드는 상기 반응기 벽(101) 상부와 기체 흐름 제어 장치(105)를 관통하는 RF rod 홀(도 3의 303)을 통해 기체 공급 장치(109)와 기계적으로 연결될 수 있다.
선택적으로, 기체 공급 장치(109)는 도체로 형성되는 반면에, 기체 흐름 제어 장치(105)는 세라믹과 같은 절연물질로 이루어짐으로써, 플라즈마 전극으로 사용되는 기체 공급 장치(109)가 반응기 벽(101)과 절연될 수 있다.
기체 공급 장치(109)의 가장자리에는 돌출 전극(P)이 형성될 수 있다. 상기 돌출 전극(P)은 플라즈마의 반응기 벽(101)으로의 소실을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 돌출 전극(P)에 대해서는 추후 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 반응기 벽(101) 상부에는 반응기 벽(101)을 관통하고 기체 흐름 제어 장치(105)의 중심부를 관통하는 기체 유입구(113)가 형성된다. 또한, 기체 공급 장치(109) 내부에는 기체 흐름 통로(119)가 추가로 형성되어 있어 외부의 기체 공급부(미도시)에서 기체 유입구(113)를 통해 공급된 반응 기체가 기체 공급 장치(109)의 각 기체 분사 홀(133)들로 균일하게 공급될 수 있다.
또한, 도 1에 나타난 바와 같이, 반응기 벽(101)의 상단에는 기체 유출구(115)가 배치되어 있으며 기체 유입구(113)에 대해 비대칭으로 배치되어 있다. 비록 도면에 도시되지는 않았지만, 기체 유출구(115)는 기체 유입구(113)에 대해 대칭으로 배치될 수도 있다. 또한 반응기 벽(101)과 기체 흐름 제어 장치(105)의 측벽(및 기체 공급 장치(109)의 측벽)이 이격되어, 공정 진행 후 반응 기체의 잔류 기체가 배기되는 기체 배출 통로(117)가 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 제조 장치 에서의 반응 기체(및 잔류 기체)의 흐름을 보여주는 도면이다. 화살표는 기체 흐름의 방향을 보여 주는데, 외부의 기체 공급부(미도시)에서 기체 유입구(113)로 공급된 반응 기체는 기체 흐름 통로(119)를 통해 샤워헤드 내부에 형성된 기체 분사 홀(133)들로 균일하게 공급될 수 있다.
상기 반응 기체의 반응 공간(125) 내에서 혹은 기판(110) 상에서 화학반응이 수행되어 기판(110) 상에 박막이 형성된다. 박막 형성 후의 잔류 기체는 반응기 벽(101)과 기체 공급 장치(109)의 측벽 사이에 형성된 기체 배출 통로(117)를 거쳐 기체 흐름 제어 장치(105)의 측벽(123)에 형성된 관통홀(111)들을 통해 기체 흐름 제어 장치(105)의 내부 공간으로 유입되고 이후 기체 유출구(115)를 통해 외부로 배기될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 제조 장치를 다른 단면에서 바라본 단면도이다. 도 3을 참조하면, 기체 흐름 제어 장치(105)는 측벽(123), 기체 유입구(113), 측벽(123)으로 둘러싸인 플레이트(301), RF rod 홀(303), 스크류홀(305), 관통홀(111) 및 O-ring등의 밀폐부재를 수용하는 홈(127)으로 이루어져 있다.
플레이트(301)는 돌출된 측벽(123)으로 둘러싸여 내부가 오목한 형태를 가질 수 있다. 기체 흐름 제어 장치(105)의 일부에는 외부 반응기체가 유입되는 통로인 기체 유입구(113)가 배치된다. 기체 유입구(113) 주위에는 적어도 2개의 스크류홀(305)이 제공되며, 기체 흐름 제어 장치(105)와 기체 공급 장치(109)를 연결해 주는 기계적 연결부재인 스크류는 상기 스크류홀(305)을 관통한다. 기체흐름 제어 장치(105)의 다른 부분에는 RF rod 홀(303)이 제공되어, 외부의 플라즈마 공급부(미도시)와 연결된 RF 로드(RF rod, 313)가 기체 흐름 제어 장치(105)의 하부에 위치한 기체 공급 장치(109)와 연결되도록 한다.
RF 로드(313)와 연결된 기체 공급 장치(109)는 축전용량결합(CCP; capacitively coupled plasma)방식의 플라즈마 공정에서 전극으로 작용할 수 있다. 이 경우, 기체 공급 장치(109)의 가장자리에는 돌출 전극(P)이 형성될 수 있다.
상기 돌출 전극(P)에 의해, 기체 공급 장치(109)의 하부 표면(즉, 기판 수용 장치(103)를 바라보는 표면)에는 돌출 전극(P)으로부터 파여진 오목 공간(concave space)이 형성될 수 있다.
플라즈마 공정에서는 반응이 일어나는 반응공간의 구조적 영향성이 중요하다. 예를 들어, 상부 및 하부 전극 사이에서 RF power에 의해 플라즈마를 발생시키는 축전용량결합(CCP; capacitively coupled plasma)방식의 플라즈마 공정에 있어서, RF power의 전극이 되는 상부 전극(예를 들어, 샤워헤드와 같은 기체 공급 장치)이 편평한 경우, 반응 공간(예를 들어, 도 1의 125)의 중심부에서의 플라즈마 밀도는는 반응 공간의 가장자리에서의 플라즈마 밀도보다 높다. 상부 전극과 하부 전극 사이의 거리가 작을 때는 큰 문제가 되지 않지만 거리가 클 경우에는 플라즈마가 갖는 방사성(radiality)으로 인해 가장자리에 형성된 플라즈마가 반응기 벽으로 소실될 수 있다. 그 결과 기판 상에 증착되는 막의 중심부와 가장자리부분의 막질(예를 들어, 박막 두께 균일도, 후속 식각 공정에서의 식각율(WER; wet etch rate))이 차이가 커지게 되고 따라서 전체적으로 균일한 막을 증착하는 것이 어렵게 된다.
보다 구체적으로, 상부 전극과 하부 전극간의 거리와, 상부 전극과 전극을 둘러싸는 반응기 벽간의 거리(즉, 기체 배출 통로(117)의 폭)의 상대적 비율이 중요하다. 두 전극 사이의 거리가 전극과 반응기 사이의 거리보다 클 경우, 플라즈마의 일부, 특히 RF 전력을 공급하는 상부 전극 가장자리 부분에서 발생하는 플라즈마는 하부 전극을 향하는 대신, 반응기 벽으로 향하게 된다. 결과적으로 플라즈마 전력 결합 신뢰성(plasma power coupling reliability)이 감소하게 되고 기판 가장자리 부분에서의 박막 균일도등의 박막 특성이 저하되게 된다. 반응기체 유량이 많아지거나 플라즈마 파워가 커질 경우(또는 이들 양자의 경우)에는 플라즈마의 방사성이 증가하여 이러한 현상이 두드러진다(도 13 및 도 14 참조). 따라서 기존의 통상적인 CCP 방식의 플라즈마 반응기의 경우 이러한 문제로 인해 공정 범위(process windows)가 제한 받게 된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 제조 장치의 경우, 기체 공급 장치(109)의 가장자리에 돌출 전극(P)을 도입한다. 그 결과 반응 공간(125) 내에서의 플라즈마 전력 결합 신뢰성이 향상되고, 증착되는 박막에서의 두께 저하 현상을 방지할 수 있다. 또한 안정적인 증착 공정을 수행할 수 있는 공정 창(process window)이 확대되어 보다 유연한 공정 운영이 가능하다.
상기 돌출 전극(P)은 소정의 곡률을 갖도록 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 곡률은 공정 조건에 따라 조절될 수 있으며, 예를 들어 상기 돌출 전극(P)은 R3.0 (3.0mm)로 구성될 수 있다.
기판 수용 장치(103)는 기판 수용을 위한 리세스 영역(R) 및 리세스 영역(R)의 주위를 둘러싸는 접촉 영역(S)을 포함할 수 있다. 리세스 영역(R)에는 기판이 안착되고, 접촉 영역(S)에는 반응기 벽이 면 실링될 수 있다. 상기 리세스 영역(R)은 상기 돌출 전극(P)이 형성된 위치에 상응하는 위치까지 연장될 수 있으며, 이에 대해서는 추후 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5는 기존 반도체 장치와 본 발명에 따른 반도체 제조 장치의 구조를 각각 나타낸다.
도 4의 기존 반도체 제조 장치의 구조에서는 상부 전극(1)과 하부 전극(2)사이의 거리(B)에 의해 반응공간이 정의된다. 상부 전극(1)에 공급된 RF 전력에 의해 상기 반응공간에서 플라즈마가 발생한다. 그러나 기체 분사 홀을 포함하는 샤워헤드와 같은 기체 공급 장치를 상부 전극으로 사용할 경우, 기판에 샤워헤드 홀 형상이 그대로 전사되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 전극 간 거리(B)를 증가시키게 된다. 반면에 전극 간 거리(B)가 상부 전극(1)과 반응기 벽(3)간 거리(A)보다 큰 경우는 반응공간 가장자리 부분에 형성된 플라즈마가 하부 전극(2)로 향하지 않고 반응기 벽(3)으로 향하게 될 수 있다. 그 결과 플라즈마 전력 결합 신뢰성(plasma power coupling reliability)이 저하되는 또 다른 문제가 발생하게 되고, 그에 따라 기판에 증착된 박막의 가장자리의 박막 균일도는 중심부에 비해 낮아지게 된다.
도 5에서는 도 4에서처럼 전극 간 거리(B)를 상부 전극(1)과 반응기 벽(3) 사이의 거리(A)보다 크게 유지하고, 추가로 상부 전극(1) 가장자리 부분에 돌출 전극(P)을 형성한다. 그 결과 상부 전극(1)의 가장자리 부분과 하부 전극(2)사이의 거리(C)는 상부 전극(1)과 반응기 벽(3)간 거리(A)보다 작게 형성된다. 다시 말해, B > A > C의 관계가 성립될 수 있다.
돌출 전극(P)을 도입함으로써, 전극간 거리(B)가 상부 전극(1)과 반응기 벽(3)간 거리(A)보다 큰 경우에도, 반응기 벽(3)으로의 플라즈마 파워의 손실 없이 반응공간 내에서의 플라즈마의 균일성이 유지될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상부 전극(1)과 하부 전극(2)에 의해 생성되는 플라즈마는, 거리(B)에서는 방사성이 강하기 때문에, 생성된 플라즈마가 더 짧은 거리(A)에 위치하는 반응기 벽(3)으로 향할 수 있지만, 그러한 반응기 벽(3)으로의 플라즈마 소실은 돌출 전극(P)에 의해 방지될 수 있다. 또한, 돌출 전극(P)과 하부 전극(2)에 의해 생성되는 플라즈마는, 거리(C)에서는 직진성이 강하기 때문에, 생성된 플라즈마가 더 긴 거리(A)에 위치하는 반응기 벽(3)으로 향하지 않고 하부 전극(2)으로서 작용하는 기판 수용 장치로 향하게 된다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 하부 전극(2)으로서 작용하는 기판 수용 장치의 리세스 영역(R)은 돌출 전극(P)이 형성된 위치에 상응하는 위치까지 연장될 수 있다. 여기서 "돌출 전극이 형성된 위치에 상응하는 위치까지 연장된다"는 것의 의미는, 돌출 전극(P)의 돌출이 시작되는 지점(J1), 중심점(J2), 또는 돌출이 끝나는 지점(J3) 중 어느 하나로부터 하부 전극(2)에 수직한 방향으로 연장되는 가상선(K1, K2, K3) 중 어느 하나까지(또는 이들 사이의 임의의 선)까지 리세스 영역(R)이 연장됨을 의미하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 하부 전극(2)으로서 작용하는 기판 수용 장치의 리세스 영역(R)이 상부 전극(즉, 기체 공급 장치)의 가장자리에 상응하는 지점까지 연장되면서도 플라즈마의 반응기 벽으로의 소실 없이 증착 공정이 수행될 수 있다. 따라서 증착된 박막의 품질을 유지하면서도 대형 기판 증착에 요구되는 공간 효율성이 달성될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 반도체 제조 장치내 상부 전극의 변형예들을 나타내는 단면도들이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 기체 공급 장치의 전극의 표면은 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기체 공급 장치의 전극의 표면(즉, 기판 수용 장치를 향하는 표면)은 도 7a에 나타난 바와 같이 원추 형상(즉, 삼각형 형태의 단면을 갖는 형상)을 가질 수도 있고, 도 7b에 나타난 바와 같이 오목한 형상(예를 들어, 돔 형상)을 가질 수 있다. 비록 도면에 도시되지는 않았지만, 기체 공급 장치는 단차 형태의 돌출 전극이 형성된 형상을 가질 수도 있다. 다시 말해, 본원 발명의 기술적 사상의 범위는 상부 전극의 중심부와 하부 전극 사이의 거리가 상기 상부 전극의 가장자리와 상기 하부 전극 사이의 거리보다 큰 임의의 형상으로 확장될 수 있다.
또한, 비록 도 7a 및 도 7b에서는 기체 공급 장치의 전극의 상부 표면이 평평하도록 도시되었지만, 상기 상부 표면의 형상 역시 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 기체 공급 장치의 전극의 상부 표면은 원추 형상으로 형성될 수도 있고, 볼록한 형상으로 형성될 수도 있을 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예들에 따른 반도체 제조 장치를 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 돌출 전극(P')은 하부 전극(2)의 가장자리에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 돌출 전극(P')은 하부 전극(2)으로 작용하는 기판 수용 장치의 접촉 영역(S)에 형성될 수 있다.
이전 실시예들에서 돌출 전극은 상부 전극(1)으로서 작용하는 기체 공급 장치에 형성되었으나, 본 실시예에 따르면 돌출 전극(P')이 하부 전극(2)에 형성됨으로써, 상부 전극(1)의 중심부와 하부 전극(2) 사이의 거리가 상기 상부 전극(1)의 가장자리와 상기 하부 전극(2)의 가장자리 사이의 거리보다 크도록 구성될 수 있다. 또한 도면에 나타나지는 않았지만, 돌출 전극은 상부 전극(1) 및 하부 전극(2) 모두에 형성될 수도 있다.
도 9를 참조하면, 기판 수용 장치로서 작용하는 하부 전극(2)은, 돌출 전극(P)이 형성된 위치에 상응하는 위치에 형성된 홈(G)을 포함할 수 있다. 상기 홈(G)에 의해 반응 공간 가장자리에서 발생하는 플라즈마 및 잔류 가스의 병목현상이 개선될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 돌출 전극(P)의 곡률과 홈(G)의 곡률은 서로 동일할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 플라즈마 커플링 신뢰성(plasma coupling reliability)을 나타내는 도면들로서, 도 10 및 도 11은 기존의 반응기에서의 신뢰성을 나타내고 도 12는 본 발명에 따른 반응기에서의 신뢰성을 나타낸다.
도 10에서 전극간 거리는 3.5mm로서 상부 전극과 반응기 벽간의 거리 6mm보다 작다. 이런 경우 상부 전극을 통해 전달된 RF 전력(점선 부분)은 그대로 하부 전극으로 전달되므로, 반응공간 내 플라즈마 전력 커플링 신뢰성은 저하되지 않는다. 기판에 증착된 박막은 기판 중심부와 주변부에 걸쳐 균일하게 증착된다.
도 11에서는 전극 간의 거리를 7mm로 하여 상부 전극과 반응기 벽 간의 거리 6mm보다 크게 한다. 이 경우 RF 전력의 일부, 특히 상부 전극 주변부에 있는 플라즈마의 일부는 하부 전극으로 향하지 않고 반응기 벽으로 소실된다.
도 12의 경우, 전극 간 거리 및 상부 전극과 반응기 벽 간의 거리는 도 11에서와 동일하게 각각 7mm, 6mm로 구성하였다. 다만 도 12에서는 상부 전극 가장자리에 돌출 전극을 형성함으로써 도 11과 달리 반응기 벽으로의 플라즈마 소실을 방지할 수 있다. 상기 돌출 전극에 의해, 반응 공간의 거리가 늘어나도 반응공간 내의 플라즈마 전력 커플링 신뢰성 및 증착 박막의 균일성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 13 및 도 14는 기존 반응기와 본 발명에 따른 반도체 제조 장치에서 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 방법으로 실리콘 산화막을 증착할 때 (a) 플라즈마 전력(plasma power) 및 (b) 산소 유량에 따른 박막 균일도 변화를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 상부 전극에 공급되는 RF 전력이 증가할수록 기존 반응기에서는 기판 가장자리 부분의 두께가 저하되고 박막 균일도가 저하되는 것을 알 수 있다. 도 13에서 화살표로 지적되는 부분이 두께가 저하되는 부분이다. 반면 본 발명에 따른 반응기에서는 RF 전력이 증가해도 가장 자리 부분의 두께 저하가 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
도 14를 참조하면, 공급되는 RF 전력이 일정한 조건에서 반응공간에 공급되는 산소 유량에 따른 박막 균일도 변화가 나타난다. 도 14에서 화살표로 지적되는 부분이 두께가 저하되는 부분을 나타낸다. 도 14에서는 산소 유량이 증가할수록 기존 반응기에서는 가장자리 부분의 두께가 저하되는 것을 알 수 있으나 본 발명에 따른 반응기에서는 산소 유량에 관계없이 기판 가장 자리에서의 박막 두께 저하가 발생하지 않음을 알 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 반도체 제조 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 15에서 복수개의 반응 챔버(100)들이 탑리드(801)와 외부 챔버(803)로 이루어진 챔버 내부(805)에 설치되어 있고 각 반응 챔버(100)의 기체 흐름 제어 장치, 샤워헤드부, 기체 유입부와 기체 유출부는 탑리드(801)에 설치되어 있다. 복수개의 반응 챔버(100)들은 동일한 기체 공급부와 동일한 배기펌프를 공유하고 있어서 복수의 기판상에 동일한 공정을 동시에 처리할 수 있어 생산성 향상을 이룰 수 있다.
복수의 기판 상에 동일한 공정을 동시에 처리하는 공정은 다음과 같다. 먼저 외부 챔버(803)의 측면에 있는 개폐 통로를 통해 챔버 내부(805)로 기판 이송 기구가 삽입되어 기판이 복수의 서셉터들(103) 상으로 안착된다. 이후 외부 챔버(803)의 챔버 내부(805)는 진공 상태가 되거나, 아르곤과 같은 불활성 기체로 충진된다. 이후 서셉터(103)는 상승하여 반응기 벽(101) 하부와 접촉하면서 반응 공간(125)을 형성하게 된다. 전술한 바와 같이, 챔버 내부(805)의 압력은 반응 챔버(100) 내부의 압력보다 낮게 설정될 수 있다.
선택적으로, 기체 공급부와 배기펌프를 공유하지 않고 개별적으로 연결구성을 함으로써 서로 상이한 공정들을 동시에 진행할 수도 있다. 예컨대, 반응 챔버 간에 기판을 순차적으로 이동하여 박막을 증착함으로써 대기에의 노출이나 대기 시간을 최소화 하면서 복합 박막 공정을 신속히 진행할 수 있다.
본 발명을 명확하게 이해시키기 위해 첨부한 도면의 각 부위의 형상은 예시적인 것으로 이해하여야 한다. 도시된 형상 외의 다양한 형상으로 변형될 수 있음에 주의하여야 할 것이다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 전극으로서 작용하며, 복수의 분사 홀들을 포함하는 기체 공급 장치;
    상기 기체 공급 장치와 연결된 반응기 벽;
    제2 전극으로서 작용하며, 상기 반응기 벽과 면 실링하도록 구성된 기판 수용 장치를 포함하고,
    상기 기체 공급 장치로부터 상기 기판 수용 장치를 향하여 공급되는 반응 기체는, 상기 기체 공급 장치와 상기 반응기 벽 사이의 기체 배출 통로를 통해 외부로 배출되며,
    상기 제1 전극은 상기 기체 공급 장치의 가장자리(edge)에 형성된 돌출 전극을 포함하고,
    상기 기체 공급 장치의 중심부와 상기 기판 수용 장치 사이의 제1 거리는 상기 기체 공급 장치의 가장자리와 상기 반응기 벽 사이의 제2 거리보다 크며,
    상기 기체 공급 장치의 상기 돌출 전극과 상기 기판 수용 장치 사이의 제3 거리는 상기 제2 거리보다 작은 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 의해 생성되는 플라즈마는, 상기 제1 거리에서는 방사성(radiality)으로 인해 상기 반응기 벽으로 향하고, 상기 제3 거리에서는 직진성(linearity)으로 인해 상기 기판 수용 장치로 향하는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 플라즈마는, 상기 반응 기체의 유량이 증가할수록, 상기 플라즈마의 전력이 증가할수록, 또는 상기 반응 기체의 유량이 증가하고 상기 플라즈마의 전력이 증가할수록, 더욱 큰 방사성을 갖는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출 전극은 소정의 곡률을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체 공급 장치에는 상기 돌출 전극으로부터 파여진 오목 공간(concave space)이 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체 공급 장치 상부에 배치된 기체 유출구를 더 포함하고,
    상기 반응 기체는 상기 기체 배출 통로 및 상기 기체 유출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기체 공급 장치와 상기 기체 유출구 사이에 배치된 기체 흐름 제어 장치를 더 포함하고,
    상기 반응 기체는 상기 기체 배출 통로, 상기 기체 흐름 제어 장치, 및 상기 기체 유출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기체 흐름 제어 장치는 플레이트 및 상기 플레이트로부터 돌출된 측벽을 포함하며,
    상기 측벽은 상기 측벽을 관통하는 복수의 홀들을 포함하는, 반도체 제조 장치.
  10. 제1 전극으로서 작용하며, 복수의 분사 홀들을 포함하는 기체 공급 장치;
    상기 기체 공급 장치와 연결된 반응기 벽;
    제2 전극으로서 작용하며, 상기 반응기 벽과 면 실링하도록 구성된 기판 수용 장치를 포함하고,
    상기 기체 공급 장치로부터 상기 기판 수용 장치를 향하여 공급되는 반응 기체는, 상기 기체 공급 장치와 상기 반응기 벽 사이의 기체 배출 통로를 통해 외부로 배출되며,
    상기 제1 전극은 상기 기체 공급 장치의 가장자리(edge)에 형성된 돌출 전극을 포함하고,
    상기 기판 수용 장치는 상기 돌출 전극이 형성된 위치에 상응하는 위치에 형성된 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 돌출 전극의 곡률과 상기 홈의 곡률은 서로 동일한 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 수용 장치는,
    기판 수용을 위한 리세스 영역; 및
    상기 리세스 영역의 주위를 둘러싸며 상기 면 실링을 수행하는 접촉 영역을 포함하는, 반도체 제조 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 리세스 영역은 상기 돌출 전극이 형성된 위치에 상응하는 위치까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  14. 반응기 벽;
    상기 반응기 벽에 연결된 기체 흐름 제어 장치;
    상기 기체 흐름 제어 장치와 연결된 기체 공급 장치; 및
    상기 기체 공급 장치와 마주보며, 상기 반응기 벽의 하부면과 접하면서 반응공간을 형성하는 하부 전극을 포함하며,
    상기 기체 흐름 제어 장치는 상기 기체 공급 장치 상에 적층되며,
    상기 반응기 벽 상부, 상기 기체 흐름 제어 장치, 및 상기 기체 공급 장치를 관통하여 기체 유입구가 형성되고, 상기 기체 유입구를 통해 상기 기체 공급 장치에 기체가 공급되며,
    상기 기체 공급 장치의 중심부와 상기 하부 전극 사이의 제1 거리는 상기 기체 공급 장치의 가장자리와 상기 반응기 벽 사이의 제2 거리보다 크며,
    상기 기체 공급 장치의 가장자리와 상기 하부 전극의 가장자리 사이의 제3 거리는 상기 제2 거리보다 작은 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  15. 복수의 분사 홀들을 포함하는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상부의 기체 흐름 제어 장치;
    상기 제1 전극 및 상기 기체 흐름 제어 장치와 연결된 반응기 벽;
    상기 반응기 벽과 면 실링하도록 구성된 제2 전극을 포함하고,
    상기 분사 홀들을 통해 상기 제2 전극을 향하여 공급되는 반응 기체는, 상기 제1 전극과 상기 반응기 벽 사이의 기체 배출 통로 및 상기 기체 흐름 제어 장치를 통해 외부로 배출되며,
    상기 제1 전극의 상기 제2 전극을 바라보는 표면은 오목한 형상을 갖고,
    상기 제1 전극의 중심부와 상기 제2 전극 사이의 제1 거리는 상기 제1 전극의 가장자리와 상기 반응기 벽 사이의 제2 거리보다 크며,
    상기 제1 전극의 가장자리와 상기 제2 전극의 가장자리 사이의 제3 거리는 상기 제2 거리보다 작은 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 기체 흐름 제어 장치 상부에 배치된 기체 유출구를 더 포함하고,
    상기 반응 기체는 상기 기체 배출 통로, 상기 기체 흐름 제어 장치, 및 상기 기체 유출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 기체 흐름 제어 장치는 플레이트 및 상기 플레이트로부터 돌출된 측벽을 포함하며,
    상기 측벽은 상기 측벽을 관통하는 복수의 홀들을 포함하는, 반도체 제조 장치.
  18. 삭제
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1 전극은 가장자리(edge)에 형성된 돌출 전극을 포함하는, 반도체 제조 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2 전극은 기판 수용을 위한 리세스 영역을 포함하고,
    상기 리세스 영역은 상기 돌출 전극이 형성된 위치에 상응하는 위치까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 반도체 제조 장치.
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