KR20010063770A - 플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장치 및 이 장치를이용한 박막형성방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장치 및 이 장치를 이용한 박막형성방법에 관하여 개시한다. 본 발명은 기체의 주입구와 배출구가 마련되고 그 상부는 돔형태를 가지는 챔버와, 웨이퍼가 안착될 수 있도록 상기 챔버내에 설치되는 서셉터와, 상기 챔버내에 플라즈마가 형성되도록 고주파 전력이 인가되는 플라즈마 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치에 있어서, 상기 플라즈마 전극은, 상기 돔부위를 외측으로 덮도록 돔형태를 가지며, 상기 챔버내에 형성되는 플라즈마의 밀도가 균일하도록 그 상부 극부분은 수평 절단되어 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 두께 균일도가 좋으면서도 막질도 우수한 박막을 형성시킬 수 있다.
Description
본 발명은 반도체소자 제조장치 및 이 장치를 이용한 박막형성방법에 관한 것으로서, 특히 플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조장치 및 이 장치를 이용한 박막형성방법에 관한 것이다.
플라즈마를 이용하는 반도체소자 제조공정이 많이 개발되고 있다. 플라즈마를 이용할 경우에는 단지 플라즈마 전극이나 서셉터에 적절하게 상대적인 바이어스를 인가함으로써 용이하게 화학기상증착공정 및 이방성 식각공정 등을 진행 할 수 있기 때문이다.
특히, 플라즈마를 이용하는 화학기상증착(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 공정의 경우는, 플라즈마에 의해 반응기체들이 활성화되기 때문에 저압화학기상증착(Low pressure chemical vapor deposition) 공정의 경우보다 그 증착온도가 낮고, 증착속도도 빠르다. 따라서, IMD막(Inter metal dielectric film)이나 보호막(Passivation film)의 형성공정 등에 많이 적용되고 있다.
플라즈마를 이용하여 반도체소자를 제조할 경우, 공정균일도는 반응챔버 내에 형성되는 플라즈마의 균일도에 의해 크게 좌우된다. 따라서, 플라즈마를 이용하여 화학기상증착이나 비등방성식각 등과 같은 다양한 공정을 수행함에 있어서는, 플라즈마의 균일도를 향상시키는 것이 매우 중요하다.
도 1은 종래의 CCP(Capacitive coupled plasma)형 플라즈마 전극이 적용된반도체소자 제조장치를 설명하기 위한 개략도이며, 설명의 편의상 전체적인 장치의 구조는 도시를 생략하였다.
도 1을 참조하면, 챔버(미도시)에는 플라즈마를 형성시키기 위한 기체의 주입구 및 배출구가 설치되며, 그 상부는 돔(dome) 형상을 가지는 석영으로 되어 있다. 석영 돔의 외측에는 플라즈마 전극(10)이 설치된다. 따라서, 플라즈마 전극(10)도 돔 형상을 가진다. 이와 같이, 돔 형상을 가지도록 하는 것은 플라즈마 전극의 유효면적이 클수록 HDP(high density plasma) 공정에 적합하기 때문이다.
웨이퍼(30)는 반응챔버의 내부에 설치되는 서셉터(20) 상에 안착되며, 서셉터(20)는 접지되어 플라즈마 전극(10)의 상대 전극 역할을 한다. 기체 주입구를 통해 플라즈마 형성용 기체를 주입하고, 플라즈마 전극(10)에 고주파 전력(Radio frequency power, 40)을 인가하면 서셉터(20)와 플라즈마 전극(10) 사이에 플라즈마(50)가 형성된다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 반도체소자 제조장치에 의해 웨이퍼상에 증착된 박막의 두께 균일도를 설명하기 위한 도면들로서, 도 2a는 챔버내의 수평위치에 따른 플라즈마의 밀도를 나타낸 그래프이고, 도 2b와 도 2c는 웨이퍼(30)상에 박막(30', 30")이 증착된 결과물을 각각 나타낸 단면도들이다.
도 1과 결부하여 설명하면, 플라즈마 전극(10)은 돔 형상을 가지기 때문에, 그 측면보다는 극부분이 더 큰 유효전극 면적을 가지게 된다. 따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이 챔버의 가장자리 영역보다 가운데 영역에 밀도가 더 높은 플라즈마가 형성되고, 도 2b에 도시된 바와 같이 웨이퍼(30)의 가장자리 영역보다는 가운데영역에 박막(30')이 더 두껍게 형성된다. 한편, 플라즈마 전극(10)에 인가되는 고주파 전력(40)이 너무 약하면 도 2c에 도시된 바와 같이 오히려 웨이퍼(30)의 가운데 영역에 박막이 더 얇게 증착되는 현상이 발생한다.
따라서, 도 2b와 도 2c사이의 상태가 되도록 고주파 전력(40)의 세기를 적당히 조절하면 두께 균일도가 좋은 박막을 얻을 수 있다. 그러나, 이 경우 이러한 박막을 형성시킬 수 있는 고주파 전력(40)의 범위가 너무 협소하다는 문제점이 있다.
SixNy 막을 형성할 경우를 예로 들어 종래의 반도체소자 제조장비의 불합리한 점을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, LPCVD에 비해 상술한 장점을 가지고 있는 PECVD방법으로 SixNy막을 형성시킬 경우에도, SixNy막은 LPCVD방법에 의할 경우와 마찬가지로 다음의 요건을 갖추어야 한다. 즉, (ⅰ) 수소 함유량이 적을 것 (ⅱ) 우수한 두께 균일도를 얻을 것 등의 요건을 갖추어야 한다.
본론으로 들어가서, PECVD방법으로 SixNy막을 형성시키는 과정을 설명한다.
SixNy막은 SiH4와 NH3의 혼합기체를 챔버내로 공급하고, 이들을 플라즈마 상태로 만들어 웨이퍼상에 증착함으로써 형성되어진다. 이 때, 고주파 전력이 약하게 되면 수소원자들이 완전히 분해되지 못하여 SiH4기체는 SiH*, SiH2 *, 또는 SiH3 *의 라디칼 형태로, 그리고, NH3기체는 NH*또는 NH2 *의 라디칼 형태로 플라즈마 내에 잔존하게 된다. 따라서, 증착된 SixNy막 내에 수소가 SiH*, SiH2 *, SiH3 *, NH*, 또는 NH2 *의 형태로 함유되어 트랜지스터의 문턱전압(Threshold voltage)을 변화시키는 등 반도체소자의 전기적 특성에 아주 나쁜 영향을 미치게 된다.
이러한 현상을 방지하기 위해서는, 수소원자들이 완전히 분해되어 기체상태로 날아갈 수 있도록 고주파 전력을 700W 내지 1000W 정도로 강하게 인가해야 한다. 그러나, 이러한 고주파 전력의 세기에서는 도 2b에 해당하게 되어 두께의 균일도가 저하되게 된다.
이와 같이, 상술한 종래의 반도체소자 제조장치 및 이 장치를 이용한 박막형성방법에 의하면, 두께 균일도가 좋으면서 막질도 우수한 박막을 형성시키기가 어렵다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 두께 균일도가 좋으면서도 막질도 우수한 박막을 형성시킬 수 있는 반도체소자 제조장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 기술적 과제의 달성에 의해 제공되는 반도체소자 제조장치를 이용한 박막형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 CCP(Capacitive coupled plasma)형 플라즈마 전극이 적용된 반도체소자 제조장치를 설명하기 위한 개략도;
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 반도체소자 제조장치에 의해 웨이퍼상에 증착된 박막의 두께 균일도를 설명하기 위한 도면들;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조장치의 플라즈마 전극을 설명하기 위한 개략도;
도 4는 도 3의 플라즈마 전극이 설치된 반도체소자 제조장치를 이용하여 SixNy막을 형성한 경우 두께 균일도를 설명하기 위한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10: 플라즈마 전극 20: 서셉터
30: 웨이퍼 40: 고주파 전력
50: 플라즈마
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 의하면, 본 발명은 기체의 주입구와 배출구가 마련되고 그 상부는 돔형태를 가지는 챔버와, 웨이퍼가 안착될 수 있도록 상기 챔버내에 설치되는 서셉터와, 상기 챔버내에 플라즈마가 형성되도록 고주파 전력이 인가되는 플라즈마 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치에 있어서,
상기 플라즈마 전극은, 상기 돔부위를 외측으로 덮도록 돔형태를 가지며, 상기 챔버내에 형성되는 플라즈마의 밀도가 균일하도록 그 상부 극부분은 수평 절단되어 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치를 제공한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 의하면, 본 발명은 상기 기술적 과제의 달성에 의해 제공되는 반도체소자 제조장치를 이용한 박막형성방법에 있어서, SixNy박막을 형성시킬 경우에는 SixNy박막이 수소를 적게 함유함과 동시에 우수한 두께 균일도를 가지도록 상기 플라즈마 전극에 700W 내지 1000W의 고주파 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법을 제공한다. 이 때, 플라즈마는 SiH4와 NH3의 혼합기체에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체소자 제조장치 및 이 장치를 이용한 박막형성방법에 의하면, 두께 균일도가 좋으면서도 막질도 우수한 박막을 형성시킬 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 종래기술과의 반복적인 설명을 피하기 위해 본 발명의 특징부만 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자 제조장치의 플라즈마 전극(110)을 설명하기 위한 개략도이다. 도 3을 참조하면, 플라즈마 전극(110)은 석영돔을 외측으로 덮을 수 있도록 돔형태를 가지며, 종래의 문제점을 해결하기 위하여 그 상부 극 부분은 수평 절단되어 그 폭이 70mm 내지 300mm인 개구부(A)가 형성되어 있다. 이렇게 극부분에 개구부(A)를 형성시키는 것은 챔버내에 형성되는 플라즈마의 밀도가 균일하게 되도록 하기 위해서이다.
도 4는 도 3의 플라즈마 전극(110)이 설치된 반도체소자 제조장치를 이용하여 SixNy막을 형성한 경우, 고주파 전력의 세기에 따른 SixNy막의 두께 및 그 균일도를 측정하여 그 결과를 그래프로 도시한 것이다. 여기서, 두께 균일도는 다섯군데에서 SixNy막의 두께를 측정하여 수학식 1에 의해 얻어진 것이다.
도 4를 참조하면, 인가되는 고주파 전력이 강할수록 SixNy의 두께가 증가함을 알 수 있다. 그리고, 500W 내지 1000W의 범위내에서도 두께 균일도가 1% 내지 3% 범위의 값을 가진다는 것을 알 수 있다. 따라서, SiH4와 NH3의 혼합기체를 플라즈마 상태로 만들 때, 수소원자들이 완전히 분해되어 기체상태로 날아갈 수 있도록 플라즈마 전극(110)에 고주파 전력을 700W 내지 1000W 정도로 강하게 인가하더라도 우수한 두께 균일도를 가지는 SixNy막을 형성할 수 있다. 즉, 수소가 적게 함유됨과 동시에 두께 균일도도 우수한 SixNy박막을 형성할 수 있다.
한편, CH4와 H2의 혼합기체에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 DLC(diamond like carbon)막을 형성하는 경우나, SiH4, CH4, 및 H2의 혼합기체에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 SiC박막을 형성하는 경우에도 500W 내지 1000W의 고주파 전력을 인가함으로써 상술한 SixNy박막을 형성하는 경우와 마찬가지로 수소가 적게 함유됨과 동시에 두께 균일도도 우수한 박막을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체소자 제조장치 및 이 장치를 이용한 박막형성방법에 의하면, 강한 고주파 전력에서도 두께 균일도가 우수한 박막을 형성시킬 수 있다. 특히, SixNy막을 형성함에 있어서 본 발명에 따른 장치를 사용할 경우에는 수소가 SixNy막내에 적게 함유되도록 고주파 전력을 700W 내지 1000W 까지 인가하더라도 우수한 두께 균일도를 가지는 SixNy막을 형성할 수 있다.
결국, 본 발명에 의하면, 단지 플라즈마 전극의 기하학적인 구조를 변경시킴으로써 두께 균일도가 좋으면서도 막질도 우수한 박막을 용이하게 형성시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
Claims (6)
- 기체의 주입구와 배출구가 마련되고 그 상부는 돔형태를 가지는 챔버와, 웨이퍼가 안착될 수 있도록 상기 챔버내에 설치되는 서셉터와, 상기 챔버내에 플라즈마가 형성되도록 고주파 전력이 인가되는 플라즈마 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치에 있어서,상기 플라즈마 전극은, 상기 돔부위를 외측으로 덮도록 돔형태를 가지며, 상기 챔버내에 형성되는 플라즈마의 밀도가 균일하도록 그 상부 극부분은 수평 절단되어 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
- 제1 항에 있어서, 상기 개구부는 그 폭이 70mm 내지 300mm인 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치.
- 기체의 주입구와 배출구가 마련되고 그 상부는 돔형태를 가지는 챔버와; 웨이퍼가 안착될 수 있도록 상기 챔버내에 설치되는 서셉터와; 상기 챔버내에 플라즈마를 형성시키기 위하여 외부로부터 고주파전력을 인가받고, 상기 돔부위를 외측으로 덮도록 돔형태를 가지며, 그 상부 극부분은 수평 절단되어 개구부가 형성된 플라즈마 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치를 이용한 박막형성방법에 있어서,수소함유 플라즈마를 이용하여 SixNy박막을 형성시킬 경우에는 상기 SixNy박막이 수소를 적게 함유함과 동시에 우수한 두께 균일도를 가지도록 상기 플라즈마 전극에 700W 내지 1000W의 고주파 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 제3 항에 있어서, 상기 수소함유 플라즈마는 SiH4와 NH3의 혼합기체에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 기체의 주입구와 배출구가 마련되고 그 상부는 돔형태를 가지는 챔버와; 웨이퍼가 안착될 수 있도록 상기 챔버내에 설치되는 서셉터와; 상기 챔버내에 플라즈마를 형성시키기 위하여 외부로부터 고주파전력을 인가받고, 상기 돔부위를 외측으로 덮도록 돔형태를 가지며, 그 상부 극부분은 수평 절단되어 개구부가 형성된 플라즈마 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조장치를 이용한 박막형성방법에 있어서,수소함유 플라즈마를 이용하여 DLC박막 또는 SiC박막을 형성시킬 경우에는 상기 DLC박막 또는 SiC박막이 수소를 적게 함유함과 동시에 우수한 두께 균일도를가지도록 상기 플라즈마 전극에 500W 내지 1000W의 고주파 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
- 제5 항에 있어서, 상기 수소함유 플라즈마는 상기 DLC박막을 형성시킬 경우에는 CH4와 H2의 혼합기체에 의해, 그리고 상기 SiC박막을 형성시킬 경우에는 SiH4, CH4, 및 H2의 혼합기체에 의해 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형성방법.
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