KR20000076891A - 박막형성장치 및 박막형성방법 - Google Patents
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Abstract
성막속도의 변동을 저감하여 안정한 막두께의 박막을 형성가능한 본 발명의 박막형성장치는, 소정압력의 조압가스를 비성막시에도 반응실내에 공급하여 반응실내의 가스압을 일정하게 유지함으로써, RF전극이나 반응실의 내벽의 온도가 상승하여 성막속도가 저하하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 기판에 성장되는 막의 막두께를 일정의 막두께로 제어할 수 있다. 또, 조압가스의 온도를 원료가스의 온도와 대체로 같은 온도로 가열함으로써, 반응실내의 가스의 압력의 변동이 억제되어 반응실의 내벽이나 RF전극의 온도가 일정하게 유지됨으로써 반응실의 내벽이나 RF전극 표면에서의 막성장속도가 일정하게 유지되기 때문에, 기판 표면에 실질적으로 공급되는 원료가스의 양이 일정하게 유지된다. 이에 따라, 기판의 표면에서의 막성장속도를 일정하게 유지할 수 있다.
Description
본 발명은, 전자디바이스의 제조 등에 이용되는 박막형성장치 및 박막형성방법에 관한 것이다.
반응용기에 반응성 가스를 도입하고, 도입된 반응성 가스를 플라즈마나 빛으로 활성화시켜 박막을 형성하는 박막형성장치는, 전자디바이스의 제조 등에 널리 이용되고 있다.
박막형성장치는 원료가스가 소정의 압력으로 공급된 반응실에 기판을 장전하고, 고주파전력을 인가함으로써 원료가스를 활성화하여 기판 위에 원료가스중의 성장종의 막을 성장시키는 것이다.
박막형성장치에 있어서, 막의 성장속도가 원료가스의 공급량에 의존하는 성막방법을 이용하고 있는 경우는, 도 4의 곡선 (b)에 나타낸 바와같이, 성장속도가 변동함으로써, 기판 위에 성장된 막의 막두께가 변화하기 쉽다는 것이 알려져 있다.
도 4의 곡선 (b)는 TEOS(tetra ethoxy silane)와 산소를 소정의 비율로 혼합한 가스를 원료가스로 이용하고, 도 3에 나타낸 타이밍에 의해 반응용기내를 3시간 진공 배기한 후, 2분간의 성막과 기판반송을 반복하여 행한 경우의 기판마다의 막두께를 나타내고 있다.
도 4의 곡선 (b)로부터, 성막이 반복될 때마다 막두께가 감소(성막속도가 저하)하는 것이 인지된다. 즉, 특성이 일정하고 안정한 기판을 제공하는 것이 곤란하다.
이 때문에, 최종제품인 전자디바이스에 이용한 경우, 전자디바이스의 동작이 안정하지 않거나, 장치 개개에서 특성이 변동하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 성장속도의 변동을 저감하여 안정한 막두께의 박막을 형성 가능한 박막형성장치 및 박막형성방법을 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태가 적용되는 성막장치의 동작을 나타낸 개략도,
도 2는 도 1에 나타낸 성막장치에 적용되는 본 발명의 성막방법을 설명하는 타이밍차트,
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 성막방법과 비교하기 위한 주지의 성막방법을 설명하는 타이밍차트,
도 4는 도 2에 나타낸 본 발명의 성막방법과 도 3에 나타낸 주지의 성막방법의 각각에 의해 얻어지는 막의 막두께의 변동의 정도를 나타낸 개략도,
도 5는 도 4에 나타낸 막두께의 변동요인중의 하나를 나타낸 개략도,
도 6은 도 4에 나타낸 막두께의 변동요인중의 하나를 나타낸 개략도,
도 7은 도 4에 나타낸 막두께의 변동요인중의 하나를 나타낸 개략도.
〈도면 부호의 설명〉
1 --- 반응실, 2 --- 기판,
3 --- 기판 히터, 4 --- 가스도입구,
5 --- 전원장치, 6 --- 샤워 플레이트(RF전극),
7 --- 로드록실, 8 --- 사절밸브,
9 --- 반송기구, 10 --- 가열용 히터,
11 --- 밸브장치.
본 발명은, 상기 문제점에 기초하여 이루어진 것으로, 반응용기내에 원료가스를 공급하여 상기 반응용기내를 소정의 압력으로 함으로써 기판 위에 박막을 형성하는 박막형성방법에 있어서, 상기 박막을 형성하기 전의 박막 비형성기간에, 상기 반응용기내에 단독으로는 성막능력을 갖추지 않은 조압(調壓)가스를 공급하여 상기 소정의 압력과 거의 동일한 압력으로 해 두는 것을 특징으로 하는 박막형성방법을 제공하는 것이다.
또, 본 발명은, 기판이 재치되는 가열기구와, 이 가열기구와 대향 배치되는 전극을 갖춘 반응용기내에 원료가스를 공급하여 상기 기판 위에 박막을 형성하는 박막형성방법에 있어서, 상기 박막을 형성하기 전의 박막 비형성기간에 상기 가열기구는 가열상태에 있고, 또한 상기 전극의 온도상승을 방해하기 위해 상기 반응용기 내에서 단독으로는 성막능력을 갖추지 않은 조압가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법을 제공하는 것이다.
또, 본 발명은, 기판이 재치되는 가열기구와, 이 가열기구와 대향 배치되는 전극을 갖춘 반응용기, 박막형성을 위한 원료가스를 상기 반응용기에 공급하는 원료가스 도입기구 및, 박막 비형성시에 있어서의 조압을 위한 조압가스를 상기 반응용기내에 공급하는 조압가스 도입기구를 각각 갖추는 것을 특징으로 하는 박막형성장치를 제공하는 것이다.
(실시형태)
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시형태에 관해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태가 적용가능한 박막형성장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 박막형성장치(이하, 성막장치라 약칭한다)는 반응가스가 도입되는 반응실(1)을 갖추고 있다.
반응실(1)내의 소정의 위치에는 기판(2)을 지지함과 더불어 소정온도로 가열하는 기판 히터(3)가 설치되어 있다. 한편, 반응실(1)에는 가스도입구(4)를 경유하여 반응가스 및 조압가스가 공급된다. 또, 반응실(1)내에 설치된 기판(2)에는 전원장치(5)에 접속된 샤워 플레이트(shower plate)[RF(radio frequency)전극](6)를 통해 소정의 주파수의 고주파전력(RF)이 방사된다.
반응실(1)에는 로드록(load lock)실(7)이 사절밸브(8)를 매개해서 접속되어 있다. 또한, 로드록실(7)에는 기판(2)을 반송하는 반송기구(9)와 가열용 히터(10)가 설치되어 있다.
이러한 성막장치에 있어서는, 로드록실(7)내에서 히터(10)에 의해 소정온도까지 가열된 기판(2)이 미리 진공으로 배기된 반응실(1)내로 반송장치(9)에 의해 반송된다.
이어서, 도입구(4)를 통해 반응실(1)내에 반응가스가 도입된다. 이 때, 반응가스는 샤워 플레이트(6)의 표면에 설치되어 있는 복수의 세공(細孔)에 의해 반응실(1)내에 균일하게 확산된다.
다음에, 샤워 플레이트(6)에 전원장치(5)로부터 고주파전력이 공급됨으로써, 반응실(1)내에서 방전이 생기고 플라즈마가 발생한다.
이 플라즈마에 의해 원료가스가 분해되고, 활성종이 생성되어 기판(2)에 막이 성장한다(성막된다).
그런데, 이미 설명한 바와 같이, 성막장치에 있어서는 종종 성막속도가 변동하는 것이 알려져 있다. 이 성장속도의 변동은 성막속도가 가스의 공급량에 의존하여 정의되는 성막방법에 있어서, 특히 현저하게 된다. 이것은, 도 4에 곡선 (b)로 나타낸 주지의 성막방법에 의해 얻어지는 막두께로 나타낸 바와 같이, 성막이 반복된 회수가 늘어남에 따라 막두께가 얇아지는 것에 의해 설명된다.
도 2는 도 1에 나타낸 성막장치에 의한 성막방법을 설명하는 타이밍차트의 일례이다. 또, 도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 성막방법과 비교하기 위한 주지의 성막장치에 의한 성막방법을 설명하는 타이밍차트의 일례이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 원료가스에 의한 기판으로의 성막개시에 앞서, 원료가스와 별종(동종이어도 좋다)의 조압가스를 반응실(1)내에 공급하여 반응실(1)내를 조압한다. 이때, 조압가스의 압력은 성막시에 공급되는 원료가스 압력과 대체로 같은 압력으로 설정된다.
다음에, 로드록실(7)에서 미리 가열한 기판(2)을 반응실(1)내로 반송장치(9)에 의해 반송한다. 또한, 반송시간중에도 조압가스를 공급하여 반응실(1)내의 조압가스의 압력을 일정하게 유지한다.
이어서, 조압가스의 공급을 중지하고 원료가스를 공급하여 원료가스의 압력이 소정의 압력으로 도달한 시점에서 전원장치(5)로부터 샤워 플레이트(6)로 RF출력을 인가하여 기판(2)에 원료가스의 성분을 성막한다(막을 성장시킨다).
성막종료 후, 즉시 반응실(1)내를 일단 진공으로 배기하고, 계속하여 다음의 기판(2)으로의 성막을 위해서 조압가스를 공급한다.
이와 같이 하여, 순차로 기판(2)으로의 성막을 반복한다.
도 2에 나타낸 본 발명의 성막장치에 의한 성막방법에 의하면, 도 3에 나타낸 바와같은 주지의 성막방법과 비교하여 반응용기내의 압력이「0」으로 되는 시간이 얼마되지 않는다.
도 4의 곡선 (a)는 도 2를 이용하여 설명한 공정에 의해 성막된 각 기판(2)의 막두께의 변화를 나타낸 것으로, 성막순서에 관계없이 대체로 균일한 막두께가 얻어지는 것이 인지된다. 즉, 도 4의 곡선 (b)에 나타낸 바와 같이, 종래의 성막방법에 있어서는 성막이 반복될 때마다 성막속도가 저하하여 막두께가 감소되지만, 곡선 (a)로부터 분명해진 바와 같이, 도 2에 나타낸 본 발명의 성막방법에 의하면, 성막이 반복된 회수(매수)에 관계없이 대체로 일정한 막두께가 얻어진다.
여기서, 도 4의 곡선 (a)가 나타내는 각 기판은, 반응실(1)내를 3시간 배기한 후, 반응실(1)내에 조압가스로서 N2(질소가스)를 매분 500sccm 공급하고, 조압가스의 압력을 밸브장치(11)에 의해 160Pa로 설정하여 1시간 방치한 후, 기판(2)을 반송하여 TEOS나 O2(산소)를 1：500으로 혼합한 원료가스를 매분 5000sccm 공급하며, 샤워 플레이트(6)에 의해 0.5W/cm2의 고주파전력을 2분간 성막하여 얻어진 기판(2)의 막두께의 변화를 나타내고 있다. 또, 원료가스의 압력은 조압가스의 압력과 대체로 같은 160Pa로 제어된다.
그런데, TEOS가스와 같이 상온에서 액체의 원료가스를 이용하는 경우, 통상 원료가스는 기판 히터(3)에 의해 가열되고 있다. 이 때문에, 조압가스도 원료가스와 동일한 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 또한, 조압가스의 온도가 원료가스의 온도와 동등한 온도로 가열됨으로써, 성막된 막의 막두께의 균일성을 더욱 높일 수 있다.
상술한 바와 같이, 비성막시에는 조압가스 N2를 매분 500sccm, 성막시에는 원료가스를 매분 5000sccm, 각각 반응실(1)내에 공급하여 비성막시 및 성막시의 어느 것에 있어서도 반응실(1)내의 가스의 압력을 소정압력(이 예에서는 160Pa)으로 유지함으로써, 성막속도를 거의 일정하게 제어할 수 있다. 즉, 성막순서에 기인하여 기판(2)에 성장되는 막의 막두께가 변화하는 것이 방지된다.
도 5 내지 도7은 도 1에 나타낸 성막장치의 반응실(1)내의 가스압을 비성막시 및 성막시의 어느 것에 있어서도 대체로 일정하게 유지함으로써, 성막속도가 일정하게 유지되는(성막순서에 관계없이 성막된 막의 막두께가 변동하지 않는) 이유를 설명하기 위한 요인을 나타내는 그래프로, 도 5는 성막되는 기판의 매수를 파라미터로 한 때의 샤워 플레이트(RF전극)(6)의 온도의 변화를 나타내고 있다. 또한, 도 5의 곡선 (b)는 앞에 설명한 주지의 성막방법에서의 RF전극의 온도를 나타내고 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 도 2에 나타낸 본 발명의 성막방법에 있어서는 RF전극(샤워 플레이트)(6)의 온도가 대체로 일정하게 유지되지만, 주지의 성막방법에 있어서는, 예컨대 10매의 기판에 성막하는 사이에 RF전극의 온도가 100℃(25%)정도 저하하는 것이 인지된다.
이로 부터, 성막속도를 지배하는 요인으로 RF전극(6)의 온도의 변화를 들 수 있다.
도 6은 도 5에 나타낸 결과를 근거로 하여, 원료가스로서 성막중에 TEOS와 산소를 1：500으로 혼합된 가스를 매분 5000sccm 공급하고, 반응실(1)내의 가스의 압력을 160Pa, RF전력(전원장치(5)로부터 샤워 플레이트(RF전극)(6)로 공급되는 고주파전력)을 0.5W/cm2, 성막시간을 2분간으로 한 경우에 있어서의 기판온도와 성막속도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6으로부터 분명해진 바와 같이, 기판온도가 낮은편이 기판온도가 높은 경우와 비교하여 성막속도가 높은 것이 인지된다.
이로 부터, 기판에 성막되는 막의 막두께는 기판의 온도에 지배되는 것이 인지된다.
도 7은 도 6의 온도특성을 얻기 위한 조건과 동일의 조건으로, 기판온도를 350℃로 유지하고 원료가스의 유량을 변화시킨 경우의 성막속도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 원료가스의 유량이 증가함으로써 성막속도가 상승하는 것이 인지된다.
도 5 내지 도 7로부터, 주지의 성막방법에 있어서 성막의 순서에 따라 막두께가 변동하는 요인으로서,
a) 비성막시(조압가스 공급 정지시)에 RF전극의 온도가 히터(3)로부터의 복사에 의해 가열된 상태에서 원료가스가 공급됨으로써, RF전극보다 위쪽의 반응실(1)의 내벽의 열전도율이 증대하고,
b) 그 결과 RF전극의 온도가 일시적으로 저하되며,
c) RF전극의 온도가 저하됨으로써, RF전극에 성막되는 막의 성장속도가 증대되며,
d) RF전극에 성막되는 막(의 막두께)이 증대됨으로써, 기판에 실질적으로 공급되는 원료가스가 감소하는 것을 들 수 있다.
이로 부터, RF전극(6)이나 반응실(1)의 내벽을, 예컨대 가열 또는 냉각하여 RF전극(6)이나 반응실(1)의 내벽의 온도의 변동을 억제함으로써(일정 또는 일정의 범위로 유지함으로써), 기판(2)에 성막되는 막의 막두께(성막속도)를 일정하게 유지할 수 있게 된다. 그렇지만, RF전극을 가열 또는 냉각하는 구성은 성막장치, 특히 반응실의 주위의 구성을 복잡하게 하므로, 실용에는 적합하지 않다.
그런데, RF전극(6)의 온도가 변화하는 요인은, 도 5 내지 도 7로부터 반응실(1)의 내벽과 RF전극간의 영역의 열전도율의 변화로 간주할 수 있기 때문에, 도 2에 나타낸 바와 같이 반응실(1)내에 원료가스를 공급하기 전에 반응실(1)에 조압가스를 공급하여 RF전극(6)의 온도의 상승을 억제함으로써 기판(2)에 대체로 일정한 막두께의 막을 성막할 수 있다. 또한, 가장 중요한 것은 반응실(1)내의 가스압을 일정하게 유지하는 것이고, 가스의 종류에 특별한 제한은 없다. 따라서, 조압가스는 원료가스와 동종의 가스이어도 좋다.
그렇지만, N2와 같은 저가의 가스를 조압가스로서 이용함으로써 런닝 코스트(running cost)를 절감할 수 있다. 이것은, 최종제품인 전자디바이스의 비용을 절감하기 위해서도 유익하다.
또, 반응실내의 가스의 압력을 일정하게 유지하기 위해서는 배기시키지 않고 가스를 밀봉해도 좋지만, 반응실내에 불순물이 퇴적되는 것을 억제하기 위해서는 일정 유량의 가스를 연속적으로 공급하면서 그 일부를 배기하는 것이 바람직하다.
더욱이, TEOS가스와 같이 상온에서 액체의 가스를 이용하는 경우, 조압가스를 원료가스와 동일한 온도로 유지함으로써, 성막된 막의 막두께의 안정성을 더 증가시킬 수 있다(변동의 정도가 저감된다).
또, 기판 히터(3)에 의해 기판(2)을 가열함으로써, 반응실(1)내의 벽면이나 RF전극(6)의 온도가 변동하는 것이 방지되고, 반응실(1)의 내벽이나 RF전극(6)의 표면의 막성장속도가 일정하게 유지되기 때문에, 기판(2)의 표면에 실질적으로 공급되는 원료가스의 양이 일정하게 유지된다. 이에 따라, 기판(2)의 표면에 성장되는 막의 성장속도가 일정하게 제어된다.
상술한 예에서는 플라즈마CVD에 의한 성막에 관해 설명했지만, 도 5 내지 도 7을 이용하여 설명한 막두께가 변동하는 요인은 성막속도가 원료가스의 유량에 강하게 의존되는 여러가지의 성막방법에 있어서도 마찬가지이고, 원료가스를 활성화시키는 수단이 빛이나 가열된 촉매 등을 이용하는 다른 성막방법에도 적용가능하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 성막장치(박막형성장치)는, 반응실내에 소정압력의 조압가스를 비성막시에도 공급하여 반응실내의 가스압력을 일정하게 유지함으로써, RF전극이나 반응실의 내벽의 온도가 상승하여 성막속도가 저하하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 일정의 막두께의 막을 성막할 수 있다.
환언하면, 본 발명의 박막형성장치에 의하면, 반응용기의 내벽면이나 RF전극의 온도가 변동하는 것이 방지됨으로써 반응용기의 내벽이나 RF전극 표면에서의 막성장속도가 일정하게 유지되기 때문에, 기판의 표면에 실질적으로 공급되는 원료가스의 양을 일정하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 기판 표면에서의 막성장속도가 일정하게 유지된다. 따라서, 성막순서에 기인하여 기판에 성장되는 막의 막두께가 변화하는 것이 방지된다.
Claims (6)
- 반응용기내에 원료가스를 공급하여 상기 반응용기내를 소정의 압력으로 함으로써 기판 위에 박막을 형성하는 박막형성방법에 있어서,상기 박막을 형성하기 전의 박막 비형성기간에, 상기 반응용기내에 단독으로는 성막능력을 갖추지 않은 조압가스를 공급하여 상기 소정의 압력과 거의 동일한 압력으로 해 두는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 조압가스의 온도와 상기 원료가스의 온도를 미리 거의 동일하게 해 두는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 제2항에 있어서, 상기 원료가스는 액체를 가열하여 가스상태로 한 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소정의 압력과 거의 동일한 압력으로 하는 공정은, 상기 조압가스를 공급하면서 그 일부를 배기하고 있는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 기판이 재치되는 가열기구와, 이 가열기구와 대향 배치되는 전극을 갖춘 반응용기내에 원료가스를 공급하여 상기 기판 위에 박막을 형성하는 박막형성방법에 있어서,상기 박막을 형성하기 전의 박막 비형성기간에, 상기 가열기구는 가열상태에 있고, 동시에 상기 전극의 온도상승을 방해하기 위해, 상기 반응용기내에 단독으로는 성막능력을 갖추지 않은 조압가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 기판이 재치되는 가열기구와, 이 가열기구와 대향 배치되는 전극을 갖춘 반응용기, 박막형성을 위한 원료가스를 상기 반응용기에 공급하는 원료가스 도입기구 및, 박막 비형성시에 있어서의 조압을 위한 조압가스를 상기 반응용기내에 공급하는 조압가스 도입기구를 각각 갖춘 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
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