KR20010112892A - 샤워헤드 - Google Patents

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KR20010112892A KR1020000032924A KR20000032924A KR20010112892A KR 20010112892 A KR20010112892 A KR 20010112892A KR 1020000032924 A KR1020000032924 A KR 1020000032924A KR 20000032924 A KR20000032924 A KR 20000032924A KR 20010112892 A KR20010112892 A KR 20010112892A
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표성규
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박종섭
주식회사 하이닉스반도체
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Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조를 위한 공정 챔버 내부로 기체 상태의 금속 원료를 분사하기 위한 샤워헤드에 관한 것으로, 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성부와, 상기 플라즈마 생성부의 하부에 위치되며 저면부가 개방된 분사 공간과, 상기 분사 공간으로 기화된 금속 원료를 공급하기 위한 전구체 공급관과, 상기 분사 공간의 개방된 저면부에 설치되며 기체 상태의 금속 원료가 통과될 수 있도록 다수의 구멍이 형성된 분사판과, 플라즈마에 포함된 레디컬을 상기 금속 원료의 분사 방향으로 유도하기 위해 상기 플라즈마 생성부의 하단부에 접속된 다수의 노즐을 포함하여 이루어진다.

Description

샤워헤드 {Showerhead}
본 발명은 반도체 소자의 제조 공정에서 화학기상증착(CVD) 장비의챔버(Chamber) 내부로 기체 상태의 금속 원료를 분사하기 위해 사용하는 샤워헤드에 관한 것으로, 특히 플라즈마(Plasma) 생성 장치가 구비된 샤워헤드에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자가 고속화 및 고집적화됨에 따라 웨이퍼상에서 단위 소자가 차지하는 면적은 더욱 감소된다. 그리고 이에 따른 콘택홀(Contact Hole)의 크기 감소 및 소자간의 단차(Aspect Ratio) 심화로 인하여 다층 구조의 금속층을 형성하는 데 많은 어려움이 따른다. 특히, 물리기상증착(PVD) 방법을 이용하여 콘택홀에 금속을 매립시키는 종래의 기술은 이제 더 이상 적용이 어려운 실정이며, 따라서 미세한 크기의 콘택홀에 금속을 완전히 매립시킬 수 있는 새로운 공정기술의 개발이 요구된다.
이러한 요구에 따라 단차 피복성(Step Coverage)이 우수한 금속유기화학기상증착(MOCVD) 방법으로 구리(Cu)를 증착하는 공정기술이 개발되었다. 그러나 이 기술을 적용하는 경우 구리(Cu)의 증착 속도가 매우 낮기 때문에 소자의 수율이 저하되며, 이에 따라 제조 원가의 상승이 불가피해 진다.
구리(Cu)의 증착 속도를 향상시키기 위한 하나의 방법으로 금속유기화학기상증착(MOCVD) 챔버의 샤워헤드 상부에 플라즈마(Plasma) 발생 장치를 추가로 설치하여 공정을 진행하는 방법이 있다. 그러나 이 경우 샤워헤드로부터 분사되는 전구체 즉, 기체 상태의 금속 원료가 웨이퍼 방향으로 이동하는 레디컬(Radical)과 접촉하게 되어 전구체 분자내 원자간의 결합(Bonding)이 파괴되는 현상이 발생되고, 이와 같은 전구체의 피해에 의해 금속의 증착이 불량해 진다.
도 1은 상기와 같은 증착 공정에 사용되는 종래의 샤워헤드를 도시하는데, 종래의 샤워헤드(3)는 기화기(1)를 통해 기화된 전구체가 공급되는 전구체 공급관(2)의 종단에 연결되며, 저면에는 기화된 전구체가 통과될 수 있도록 다수의 구멍(5)이 형성되고, 내부에는 상기 전구체 공급관(2)을 통해 공급되는 전구체가 균일하게 분사되도록 하기 위한 버퍼링(Buffe Ring; 4)이 설치된다.
따라서 본 발명은 샤워헤드내에 플라즈마 생성부 및 분사 공간을 각각 형성하고 분사되는 금속 원료와 유도되는 레디컬이 별개의 통로를 통해 이동하도록 하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 샤워헤드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성부와, 상기 플라즈마 생성부의 하부에 위치되며 저면부가 개방된 분사 공간과, 상기 분사 공간으로 기화된 금속 원료를 공급하기 위한 전구체 공급관과, 상기 분사 공간의 개방된 저면부에 설치되며 기체 상태의 금속 원료가 통과될 수 있도록 다수의 구멍이 형성된 분사판과, 플라즈마에 포함된 레디컬을 상기 금속 원료의 분사 방향으로 유도하기 위해 상기 플라즈마 생성부의 하단부에 접속된 다수의 노즐을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 생성부의 상부 및 측벽에는 고주파 전력이 공급되는 전극이 각각 설치된다.
도 1은 종래의 샤워헤드를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 샤워헤드를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명에 사용되는 버퍼링을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 및 11: 기화기 2 및 12: 전구체 공급관
3 및 13: 샤워헤드 4 및 21: 버퍼링
5, 19 및 22: 구멍 14A: 에노드 전극
14B: 캐소드 전극 15: 가스 주입구
16: 플라즈마 생성부 17: 분사 공간
18: 노즐 20: 분사판
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 샤워헤드를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명에 따른 샤워헤드(13)는 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성부(16)가 형성되며, 상기 플라즈마 생성부(16)의 하부 즉, 상기 샤워헤드(13)의 저면부에는 외부로부터 기화된 금속 원료를 공급받는 분사 공간(17)이 형성된다. 이때, 상기 분사 공간(17)은 상기 플라즈마 생성부(16)와 이격되어 위치되며, 상기 분사 공간(17)의 저면부는 개방된 형태를 이루고 개방된 저면부에는 다수의 구멍(19)이 형성된 분사판(20)이 설치된다.
또한, 상기 플라즈마 생성부(16)의 상부 및 측벽에는 고주파 전력(RF Power)이 공급되는 에노드 전극(14A) 및 캐소드 전극(14B)이 각각 설치되는데, 이때 상기 캐소드 전극(14B)은 상기 샤워헤드(13)의 외부 예를들어, 상기 샤워헤드(13)가 장착되는 반응챔버의 저면부에 설치될 수도 있다. 또한, 상기 플라즈마 생성부(16) 중앙의 상부에는 소오스(Source) 가스가 주입되는 가스 주입구(15)가 설치되고, 하부에는 플라즈마에 포함된 레디컬을 상기 금속 원료의 분사 방향으로 유도하기 위한 다수의 노즐(18)이 연결된다. 그리고 상기 분사 공간(17) 상부의 중앙에는 외부로부터 기화된 금속 원료가 공급되는 전구체 공급관(12)이 연결되는데, 상기 전구체 공급관(12)은 상기 플라즈마 생성부(16)를 관통하도록 설치되며, 상기 노즐(18)은 상기 분사 공간(17) 및 분사판(20)을 관통하도록 설치된다.
여기서, 상기 노즐(18)은 직경이 0.1 내지 5mm인 원통형으로 이루어지며,SUS, Ni, Al2O3등과 같은 재질로 제작된다. 그리고 상기 노즐(18) 및 분사판(20)에 형성된 구멍(19)은 정사각형, 정삼각형 또는 나선형으로 배열된다.
상기와 같이 구성된 샤워헤드(13)는 챔버내의 상부 즉, 히터블록상에 놓인 웨이퍼(도시안됨)의 상부에 위치된다.
그러면 상기와 같이 구성된 샤워헤드(13)를 이용하여 금속유기화학기상증착(MOCVD) 방법으로 웨이퍼상에 금속을 증착하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 액체 상태의 금속 원료(전구체) 및 운반 가스(Carrier Gas)가 챔버의 외부에 설치된 기화기(11)로 공급되면 상기 기화기(11)를 통해 기화된 금속 원료가 상기 전구체 공급관(12)을 통해 상기 분사 공간(17)으로 공급된다. 이때, 상기 에노드 전극(14A) 및 캐소드 전극(14B)을 통해 고주파 전력이 공급되고, 상기 가스 주입구(15)를 통해 반응 가스가 공급되도록 하면 상기 플라즈마 생성부(16)에서 플라즈마가 생성되고, 생성된 플라즈마에 포함된 레디컬이 상기 노즐(18)을 통해 웨이퍼 방향으로 유도된다. 이와 동시에 상기 분사 공간(17)으로 공급되는 금속 원료는 상기 분사판(20)에 형성된 구멍(19)을 통해 상기 웨이퍼 방향으로 분사되고, 분사된 금속 원료의 화학적 반응에 의해 웨이퍼상에 금속이 증착된다.
이때, 상기 플라즈마를 생성하기 위해 사용하는 반응 가스로는 수소(H2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등과 같은 단일 가스 또는 수소 5-95%, 아르곤 5-95% 등과 같은 혼합 가스가 이용될 수 있으며, 공급량은 50 내지 500sccm가 되도록 한다. 그리고 상기 증착 공정은 단일 또는 1 내지 10회의 다단계로 실시할 수 있으며, 상기 고주파 전력은 10초 내지 10분동안 50 내지 70 와트(W)가 공급되도록 한다.
한편, 본 발명에서는 기화된 금속 원료가 더욱 균일하게 분포되도록 하기 위하여 상기 분사공간(17)의 내부에 버퍼링(21)을 추가로 설치하는 다른 실시예를 제공한다. 상기 버퍼링(21)은 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 구멍(22)이 조밀하게 형성된 체 모양의 판 형태로 제작되며, 상기 분사판(20)과 소정 거리 이격되도록 설치된다.
상기와 같이 구성된 샤워헤드를 이용하는 플라즈마 유도 화학기상증착(Plasma Induced CVD; PICVD) 공정은 분사되는 금속 원료와 유도되는 레디컬이 별개의 통로 즉, 분사판(20)의 구멍(19) 및 노즐(18)을 통해 이동되기 때문에 레디컬과의 접촉으로 인한 전구체의 피해가 발생되지 않는다. 따라서 본 발명을 이용하여 구리(Cu), 텅스텐(W), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 탄탈(Ta), 타이타늄(Ti), 루테늄(Ru) 등과 같은 단금속, 단금속의 산화물 형태, 질화물, 산화물 형태의 금속 박막 등을 균일하고 빠르게 증착할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 샤워헤드내에 플라즈마 생성부 및 분사 공간을 각각 형성하고 분사되는 금속 원료와 유도되는 레디컬이 별개의 통로를 통해 이동되도록 하므로써 레디컬과의 접촉으로 인한 전구체의 피해가 방지될 수 있다. 따라서 금속의 증착 두께가 균일하게 제어되고 증착 속도가 향상되어 양호한 막질의 박막을 얻을 수 있으며 소자의 수율이 향상된다.

Claims (8)

  1. 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성부와,
    상기 플라즈마 생성부의 하부에 위치되며 저면부가 개방된 분사 공간과,
    상기 분사 공간으로 기화된 금속 원료를 공급하기 위한 전구체 공급관과,
    상기 분사 공간의 개방된 저면부에 설치되며 기체 상태의 금속 원료가 통과될 수 있도록 다수의 구멍이 형성된 분사판과,
    플라즈마에 포함된 레디컬을 상기 금속 원료의 분사 방향으로 유도하기 위해 상기 플라즈마 생성부의 하단부에 접속된 다수의 노즐을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 공간의 내부에 금속 원료를 균일하게 분포시키기 위한 버퍼링이 더 구비된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼링은 다수의 구멍이 조밀하게 형성된 판 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부의 상부 및 측벽에는 고주파 전력이 공급되는 전극이 각각 설치되며, 중앙의 상부에는 소오스 가스가 주입되는 가스 주입구가 구비된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐은 직경이 0.1 내지 5mm인 원통형으로 이루어지며, 상기 분사 공간 및 분사판을 관통하도록 설치된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 및 분사판에 형성된 구멍은 정사각형, 정삼각형 및 나선형중 어느 하나의 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐은 SUS, Ni, Al2O3중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체 공급관은 상기 플라즈마 생성부를 관통하여 상기 분사 공간의 상부 중앙에 연결된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100735728B1 (ko) * 2006-02-15 2007-07-06 이용연 일체 웰딩형 샤워 헤드

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