KR20010045284A - 가스 포커스 링을 구비하는 반도체소자 제조장비 - Google Patents

Abstract

플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장비에 관하여 개시한다. 본 발명은 플라즈마의 형성을 위한 소스기체를 반응챔버 내에 분사시키는 기체 분사부가 서셉터의 외주부에 설치되되, 상기 기체 분사부는 적어도 하나 이상의 기체주입통로와, 상기 소스기체의 흐름을 굴곡시켜 상기 웨이퍼의 상방으로 유도하도록 상기 기체주입통로의 각각의 끝단에 마련된 기체 유도부를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비를 제공한다. 본 발명에 의하면, 소스기체의 공급효율이 증가하여 박막증착속도가 증가하는 등 고밀도 플라즈마 공정을 원활하게 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 박막의 증착 균일성이 증가한다.

Description

가스 포커스 링을 구비하는 반도체소자 제조장비 {Apparatus for fabricating a semiconductor device having a gas focus ring }

본 발명은 플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장비에 관한 것으로서, 특히 반응챔버 내에 고밀도의 플라즈마(high density plasma, HDP)가 균일하게 형성될 수 있도록 가스 포커스 링(gas focus ring)을 구비하는 반도체소자 제조장비에 관한 것이다.

반도체소자의 생산수율을 높이기 위하여 웨이퍼를 대구경화시킬수록, 반도체소자 제조장비의 구조적 문제로 인하여 박막의 증착공정 또는 건식식각공정 등에서 공정의 균일도가 저하되는 문제가 더 발생한다. 이러한 공정균일도의 저하는 반도체소자의 생산수율을 감소시키는 직접적인 원인중의 하나이므로 반드시 해결해야 할 문제이다. 따라서, 그 공정 균일도를 향상시키기 위하여 유체역학적 및 기하학적 측면 등을 고려하여 반도체소자 제조장비를 만들어야 한다.

특히, 플라즈마를 이용함에 있어서, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)나 비등방성식각 등과 같은 다양한 공정을 수행하는 반도체소자 제조장비의 경우는, 그 반응챔버 내에 형성되는 플라즈마의 균일도에 의해 그 공정균일도가 크게 좌우되기 때문에, 플라즈마의 균일도를 향상시키는 것이 매우 중요하다.

도 1a 및 도 1b는 반응챔버 내에 형성되는 플라즈마의 통상적인 밀도분포를 설명하기 위한 도면들이다. 여기서, 도 1a는 반응챔버 및 그 내부를 도시한 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 반응챔버 내에 형성된 플라즈마의 밀도를 서셉터(30)를 기준으로 하여 그 높이에 따라 나타낸 그래프이다.

전체적인 반응챔버의 도시는 생략하였고, 반응챔버 중에서 돔형태를 갖는 상부만을 도시하였다. 이러한 돔의 재질은 석영이나 세라믹이 될 수 있다. 플라즈마(60)를 발생시키기 위한 소스기체의 분사노즐도 도시를 생략하였으며, 이에 대해서는 도 2a 내지 도 2c에서 상세히 설명한다.

도 1a를 참조하면, 돔(10) 외측에는 이를 코일형태로 둘러싸도록 유도코일(20)이 설치된다. 웨이퍼(40)는 반응챔버의 내부에 설치되는 서셉터(30) 상에 안착되며, 서셉터(30)는 위치 조절수단(50)에 의해 상하이동이 가능하다. 유도코일(20)에 고주파 전력을 인가하면 서셉터(30)가 상대전극의 역할을 하여 서셉터(30)와 유도코일(20) 사이에 ICP 플라즈마(inductively coupled plasma, 60)가 형성된다.

도 1b를 참조하면, 플라즈마(60)의 밀도는 서셉터(30)와 유도코일(20)에 인접한 부분보다는 그 가운데 영역이 높다. 이렇게 되는 이유를, 이하에서 구체적으로 설명한다.

플라즈마 내에는 양이온, 전자, 및 중성원자들이 존재하는 데, 유도코일(20)에 가해지는 고주파에 대해서는 중성원자를 제외한 양이온 및 전자들만이 그 주파수에 반응하게 된다. 이 때, 양이온보다는 전자가 상대적으로 가벼운 질량을 가지기 때문에 그 이동도(mobility)가 커서 전극주위, 즉 유도코일(20)과 서셉터(30) 주위에서의 전자의 밀도가 양이온의 밀도보다 상대적으로 작게 된다.

따라서, 유도코일(20) 및 서셉터(30) 근방은 플라즈마의 밀도가 작게되고 전자와 양이온의 재결합에 따른 빛의 발생도 작게된다. 즉, 유도코일(20)과 서셉터(30)의 중간영역에는 플라즈마의 밀도가 커서 전자와 양이온의 재결합에 따른 강한 빛이 발생되는데 반하여, 유도코일(20) 및 서셉터(30)에 인접한 부근은 암영대(dark region)가 형성된다. 한편, 반응챔버의 측벽 근방도 상술한 바와 마찬가지의 이유 때문에 암영대가 형성된다.

결국, 플라즈마의 밀도가 커서 강한 빛을 내는 부분은 도 1a에서 참조번호 60으로 도시된 바와 같이 서셉터(30)와 돔(10) 사이에 위치하는 반응공간 중에서 가운데 영역이 된다. 따라서, 박막증착 시나 이방성식각 시에 높은 효율을 얻기 위해서는 플라즈마의 고밀도 영역에 소스기체를 분사시켜야 한다.

도 2a 내지 2c는 종래의 플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장비를 설명하기 위한 개략도들이다. 여기서, 도 1a 와 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며, 반복적인 설명은 생략하였다.

도 2a를 참조하면, 플라즈마를 발생시키기 위한 소스기체의 분사노즐(70)은 서셉터(30)와 반응챔버의 측벽사이의 공간을 통하여 위쪽으로 연장되되, 도 1b에서 설명한 플라즈마의 고밀도 영역으로 소스기체가 분사될 수 있도록 웨이퍼(40)의 중심축 방향으로 소정의 경사를 갖게 복수개 설치된다. 이 때, 공정조건에 따라 각각의 분사노즐(70)을 통하여 동일한 소스기체가 주입될 수도 있고, 서로 다른 소스기체가 주입될 수도 있다.

한편, 반응챔버의 내부는 어느 정도 진공상태를 유지하고 있기 때문에 소스기체가 분사노즐(70)을 통하여 분사되는 순간 그 기체의 입자들이 사방으로 퍼지게 된다. 이와 같이, 분사노즐(70)을 통하여 분사되는 기체들은 웨이퍼(40)의 상부뿐만 아니라 돔(10)의 내측벽 부근과 같은 암영대 영역이나 서셉터 하부영역으로도 확산해 버리기 때문에 그 기체들이 플라즈마의 고밀도 영역으로 공급되는 효율이 떨어지게 된다.

뿐만 아니라, 상술한 바와 같이 소스기체가 웨이퍼(40)의 상부로 방향성을 가지고 분사되지 못하는 것과 함께, 분사노즐(70)의 끝단이 웨이퍼(40)의 가장자리에 인접하여 배치되어 있기 때문에 웨이퍼(30)의 가운데 영역보다는 그 가장자리의 상부에 소스기체들이 더 많이 존재하게 되어 그 가장자리의 상부가 더 큰 플라즈마 밀도를 갖게 된다. 따라서, 예컨대 PECVD공정 시에 웨이퍼(30)의 가운데 영역보다는 가장자리 영역에 더 두꺼운 박막이 증착되게 되어 박막의 균일성이 떨어지게 된다.

도 2b 및 도 2c는 도 2a에서 상술한 단점 즉, 소스기체의 공급효율 및 공정 균일도의 감소를 제거하고자 제안된 종래기술을 설명하기 위한 도면들이다. 여기서, 참조번호 10'는 하부 반응챔버를 나타낸다.

도 2b 및 도 2c를 참조하면, 분사노즐(70')은 그 끝단이 바로 플라즈마의 고밀도 영역에 위치하게 되도록, 도 2a의 경우보다 좀 더 웨이퍼의 중심축을 향하여 연장되도록 설치된다. 따라서, 도 2a의 경우보다 박막두께의 균일성이 향상되고, 분사노즐(70')을 통하여 분사되는 소스기체가 모두 플라즈마의 형성에 관여하게 되므로 소스기체의 공급효율도 증가된다.

그러나, 이 경우는 분사노즐(70')이 플라즈마의 분위기 내에 위치하므로 원하지 않게 미세한 박막이 증착되게 된다. 따라서, 노즐이 막히지 않도록 자주 클리닝(cleaning)해주어야 하고, 증착된 박막이 나중에 박리됨으로써 파티클(particle)의 발생하는 문제가 생긴다. 뿐만 아니라, 박막증착과정에서 분사노즐(70')이 스크린 역할을 하기 때문에 효과적인 박막증착이 이루어지지 않는다.

상술한 바와 같이, 종래의 플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장비에 의하면, 소스기체의 공급효율이 떨어지기 때문에 HDP공정을 수행하기 어렵고, 도 2b에서와 같이 비록 소스기체의 공급효율이나 공정의 균일도를 개선시킨다고 할 지라도 이는 새로운 파티클 소스를 발생시키기는 등의 새로운 문제점을 야기시키므로 그 개선 방법으로서 바람직하지 않다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 서셉터에 가스 포커스 링(gas focus ring)을 설치된 반도체소자 제조장비를 제공하는 데 있다.

도 1a 및 도 1b는 반응챔버 내에 형성되는 플라즈마의 통상적인 밀도분포를 설명하기 위한 도면들;

도 2a 내지 2c는 종래의 플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장비를 설명하기 위한 개략도들;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조장비의 특징부를 설명하기 위한 수직단면도;

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체소자 제조장비의 특징부를 설명하기 위한 수직단면도;

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체소자 제조장비의 특징부를 설명하기 위한 수직단면도이다.

〈 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 〉

10: 돔 10'; 하부 반응챔버

20: 유도코일 30: 서셉터

40: 웨이퍼 50: 위치 조절수단

60: 플라즈마 70, 70': 소스기체의 분사노즐

80: 보조 분사노즐 100a, 100a': 기체주입통로

100b, 100b': 기체유도부

100: 기체분사부

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 의하면, 본 발명은 플라즈마를 이용하는 반응공간을 제공하는 반응챔버와, 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 형성시키기 위한 유도코일과, 플라즈마 공정의 대상이 되는 웨이퍼를 안착시키기 위해 상기 반응챔버 내에 설치되는 서셉터와, 플라즈마의 형성을 위한 소스기체를 상기 반응챔버 내에 분사시키는 기체 분사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비에 있어서, 상기 기체 분사부가: 상기 서셉터의 외주부에 마련되는 적어도 하나 이상의 기체주입통로와; 상기 소스기체의 흐름을 굴곡시켜 상기 웨이퍼의 상방으로 유도하도록, 상기 기체주입통로의 각각의 끝단에 마련된 기체 유도부를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 의하면, 상기 기체주입통로가 상기 서셉터를 관통하도록 형성할 수 있는데, 이 때에는 상기 기체 유도부가 상기 서셉터의 상면 가장자리를 따라 연속적으로 연장되도록 링형으로 설치되며, 상기 기체주입통로로부터 나오는 기체가 충돌 후 반사되어 상기 웨이퍼의 상방으로 분사될 수 있도록 하는 반사면을 가지도록 한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 기체 분사부가 일체의 링형 하우징으로 이루어지게 할 수 있는데, 이 때에는 상기 기체주입통로가 상기 기체 분사부 하우징을 관통하여 형성되고; 상기 기체 유도부는 상기 하우징의 상면 가장자리를 따라 연속적으로 연장되도록 링형으로 설치되며, 상기 기체주입통로로부터 나오는 기체가 충돌 후 반사되어 상기 웨이퍼의 상방으로 분사될 수 있도록 하는 반사면을 가지도록 한다.

한편, 상기 기체 유도부의 반사면은 서셉터에 대해 임의의 각도가 되도록 설정할 수 있는데, 설정되는 각도는 가스의 흐름이 고밀도 플라즈마 영역으로 집중(focusing)될 수 있도록 하는 최적의 각도를 챔버의 크기와 종류를 고려하여 결정한다. 대체로, 기체 유도부의 반사면이 상기 서셉터의 면에 대해 20∼85도의 각도를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기체유도부가 상기 웨이퍼의 상부까지는 연장되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 웨이퍼의 가운데 영역의 상부에서 아랫방향으로 소스기체를 분사시키기 위한 보조 분사노즐을 더 구비할 수도 있다.

본 발명에 따른 반도체소자 제조장비에 의하면, 상기 기체분사부가 웨이퍼의 가장자리에 설치되고, 상기 기체유도부에 의해 플라즈마의 고밀도 영역으로 소스기체들이 효과적으로 분사되기 때문에, 소스기체의 공급효율이 증가하여 박막증착속도가 증가하는 등 HDP공정을 원활하게 수행할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 웨이퍼 가운데 영역의 상부에도 효과적으로 소스기체들이 도달할 수 있기 때문에, 종래와 같이 상기 웨이퍼의 가운데 영역이 가장자리 영역에 비해 박막이 덜 증착되는 문제는 발생하지 않아 그 증착 균일성이 증가한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조장비의 특징부를 설명하기 위한 수직단면도이다. 여기서, 종래기술과의 반복적인 설명을 피하기 위해 본 발명의 특징부만 도시하였다. 그리고, 도 1a와 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며, 반복적인 설명은 생략하였다.

구체적으로, 웨이퍼(40)는 반응챔버 내에 설치되는 서셉터(30)의 가운데 부분에 안착되어진다. 그리고, 본 발명의 특징부로서, 플라즈마의 형성을 위한 소스기체를 반응챔버 내에 분사시키는 기체 분사부(100)가 서셉터(30)의 외주부에 설치된다.

이를 구체적으로 설명하면, 기체 분사부(100)는 기체주입통로(100a)와 기체유도부(100b)를 구비한다. 여기서, 기체주입통로(100a)는 서셉터(30)에 근접하여 복수개 형성된다. 공정조건에 따라 각각의 기체주입통로(100a)를 통하여 동일한 소스기체가 주입될 수도 있다. 즉, 서로 다른 소스기체, 예컨대 실리콘 산화막을 형성하고자 할 경우에는 산소가 포함된 가스(O₂, N₂O, NO, NO₂, H₂O 등)와 실리콘이 포함된 가스(SiH₄, Si₂H₆, SiH₂Cl₂등)가 필요하며, 실리콘 질화막을 형성하고자 하는 경우에는 실리콘이 포함된 가스와 질소가 포함되는 가스가 주입된다. 또한 본 발명의 가스분사 장치를 화학기상 증착장치가 아니고 식각장치에 이용하고자 하는 경우에는 식각하고자 하는 물질에 따라서 반도체 분야에서 일상적으로 사용되는 식각용 가스를 주입한다. 그리고, 기체유도부(100b)는 기체주입통로(100a)로부터 주입되는 기체의 흐름을 웨이퍼(40)의 상방으로 유도할 수 있도록 기체주입통로(100a)로부터 연장되어 설치된다.

바람직하게는, 기체유도부(100b)는 서셉터(30)의 상면 가장자리를 따라 연속적으로 연장되도록 링형으로 설치되고, 기체주입통로(100a)로부터 주입되는 기체가 그 반사면에 부딪혀 웨이퍼(40)의 상방으로 분사될 수 있도록 서셉터(30)의 중심방향으로 굴절되어 설치되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 기체유도부(100b)는 주입되는 소스기체를 도 1b에서 상술한 플라즈마 고밀도 영역으로 집중 분사하는 역할을 하게 된다. 즉, 가스 포커스의 역할을 수행한다. 이 때, 서셉터에 대한 기체유도부 반사면의 각도가 반응챔버의 크기와 종류에 따라서 최적화되도록 사전에 설정하면 변경하면 가스 포커스의 기능을 높일 수 있다. 또한, 최적화된 반응공간에 웨이퍼를 위치시키기 위해 서셉터 하부에 마련된 서셉터 위치 조절수단(미도시)을 병용한다면, 가스 포커스의 기능을 극대화시킬 수 있다.

그리고, 기체유도부(100b)는 웨이퍼(40)의 상부에는 위치하지 않도록 설치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 박막증착과정이나 건식식각과정에서 기체유도부(100b)가 스크린 역할을 하여 웨이퍼(40)의 가장자리에는 증착이나 식각이 되지 않기 때문이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체소자 제조장비의 특징부를 설명하기 위한 수직단면도이다.

도 4를 참조하면, 기체주입통로들(100a, 100a')과 기체유도부들(100b, 100b')이 서셉터(30)의 직경방향에 대해 2중으로 마련되어 있음을 알 수 있다. 또한, 내측 기체유도부(100b)의 반사면이 외측 기체유도부(100b')의 반사면보다 서셉터(30)의 면에 대해 더 작은 각도를 가진다. 따라서, 내측 기체주입통로(100a)를 통해 공급되는 기체보다 외측 기체주입통로(100a')를 통해 공급되는 기체가 반응챔버 내의 더 높은 곳에서 분사된다. 반사면의 각도는 대체로 서셉터(30)의 면에 대해 20∼85도의 각도를 가지도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 기체분사부(100)를 다중 형성할 경우, 다양한 플라즈마 밀도분포영역에 쉽게 소스기체를 분사할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체소자 제조장비의 특징부를 설명하기 위한 수직단면도이다. 도 5를 참조하면, 웨이퍼(40)의 가운데 영역의 상부에서 아랫방향으로 소스기체를 화살표의 방향으로 분사시키기 위해, 돔(10)의 중앙을 관통하는 보조 분사노즐(80)이 더 설치되어 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 웨이퍼(40)에 대한 박막의 증착공정 또는 건식식각공정 등에서 공정 균일도를 확보할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체소자 제조장비에 의하면, 기체분사부(100)가 웨이퍼(30)의 가장자리에 인접하여 설치되고, 기체유도부(100b)에 의해 플라즈마의 고밀도 영역으로 소스기체들이 효과적으로 분사되기 때문에 소스기체의 공급효율이 증가하여 박막증착속도가 증가하는 등 HDP공정을 원활하게 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 웨이퍼(40) 가운데 영역의 상부에도 효과적으로 소스기체들이 도달할 수 있기 때문에, 종래와 같이 웨이퍼(40)의 가운데 영역이 가장자리 영역에 비해 박막이 덜 증착되는 문제는 발생하지 않아 그 증착 균일성이 증가한다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (9)

1. 플라즈마를 이용하는 반응공간을 제공하는 반응챔버와, 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 형성시키기 위한 유도코일과, 플라즈마 공정의 대상이 되는 웨이퍼를 안착시키기 위해 상기 반응챔버 내에 설치되는 서셉터와, 플라즈마의 형성을 위한 소스기체를 상기 반응챔버 내에 분사시키는 기체 분사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비에 있어서,

   상기 기체 분사부는:

   상기 서셉터의 외주부에 마련되는 적어도 하나 이상의 기체주입통로와;

   상기 소스기체의 흐름을 굴곡시켜 상기 웨이퍼의 상방으로 유도하도록, 상기 기체주입통로의 각각의 끝단에 마련된 기체 유도부를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기체주입통로가 상기 서셉터를 관통하여 형성되고;

   상기 기체 유도부는 상기 서셉터의 상면 가장자리를 따라 연속적으로 연장되도록 링형으로 설치되며, 상기 기체주입통로로부터 나오는 기체가 충돌 후 반사되어 상기 웨이퍼의 상방으로 분사될 수 있도록 하는 반사면을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조장비.
3. 제2항에 있어서,

   상기 기체주입통로 및 기체 유도부가 상기 서셉터의 직경방향에 대해 다중으로 마련되며, 상기 기체 유도부 중 내측에 있는 것의 반사면이 외측에 있는 것의 반사면보다 상기 서셉터의 면에 대해 더 작은 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조장비.
4. 제1항에 있어서,

   상기 기체 분사부가 일체의 링형 하우징으로 이루어지며;

   상기 기체주입통로가 상기 기체 분사부 하우징을 관통하여 형성되고;

   상기 기체 유도부는 상기 하우징의 상면 가장자리를 따라 연속적으로 연장되도록 링형으로 설치되며, 상기 기체주입통로로부터 나오는 기체가 충돌 후 반사되어 상기 웨이퍼의 상방으로 분사될 수 있도록 하는 반사면을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조장비.
5. 제4항에 있어서,

   상기 기체주입통로 및 기체 유도부가 상기 서셉터의 직경방향에 대해 다중으로 마련되며, 상기 기체 유도부 중 내측에 있는 것의 반사면이 외측에 있는 것의 반사면보다 상기 서셉터의 면에 대해 더 작은 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조장비.
6. 제2항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기체유도부가 상기 웨이퍼의 상부까지는 연장되지 않은 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비.
7. 제2항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 최적의 반응공간 내에서 공정이 가능하도록 상기 서셉터의 위치 조절수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비.
8. 제2항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기체 유도부의 반사면이 상기 서셉터의 면에 대해 20∼85도의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비.
9. 제2항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이퍼의 가운데 영역의 상부에서 아랫방향으로 소스기체를 분사시키기 위한 보조 분사노즐을 더 구비한 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장비.