KR20030064489A - 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치 - Google Patents

플라즈마를 이용한 화학기상증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치는, 공정챔버 내부로 공급된 반응가스를 플라즈마 상태로 전환하여 대상물에 박막을 형성하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치에 있어서, 상기 공정챔버 내부로 공급되는 반응가스를 히팅할 수 있는 히팅수단이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
따라서, 산소가스 등의 반응가스를 히터로 가열 활성화시켜 공정챔버 내부로 공급함으로써 용이하게 반응가스를 플라즈마 상태로 전환하고, 플라즈마 덴시티를 향상시켜 대상물 상에 양질의 박막을 형성할 수 있고, 산소가스 등의 반응가스의 플라즈마 덴시티를 향상시켜 트렌치가 구비된 반도체기판 상에 형성되는 산화막에 보이드가 형성되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마를 이용한 화학기상증착장치{Plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus}
본 발명은 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 산소가스 등의 반응가스의 플라즈마 덴시티(Density)를 향상시킬 수 있는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치에 관한 것이다.
통상, 반도체소자 제조공정은 웨이퍼 상에 산화막, 금속막 및 질화막 등의 다양한 재질의 박막(薄膜)을 순차적으로 적층하는 성막(成膜)공정을 필수적으로 포함한다.
이와 같은 상기 성막공정은 스텝커버리지(Step coverage)가 뛰어나고, 두께 균일도가 좋고, 복수의 웨이퍼에 대해서 박막을 형성할 수 있는 등의 장점을 가진 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)장치를 주로 사용하며, 상기 화학기상증착장치는 플라즈마(Plasma)를 이용하여 반응가스를 분해하여 분해된 반응가스가 웨이퍼 상에 증착되도록 하는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방법이 많이 사용되고 있다.
이와 같은 종래의 PECVD장치를 이용하여 HDP(Hign Density Plasma)상태에서 반도체기판 상에 산화막을 형성하는 방법은, 수 mTorr의 고진공상태가 유지되는 PECVD 공정챔버 내부에 트렌치(Trench)가 형성된 반도체기판을 투입하고, 상기 공정챔버 내부로 산소(O2)가스, 실란(SiH4)가스 및 나이트로젠 트리플루오라이드(Nitrogen Trifluoride : NF3)가스를 공급한다.
이때, 상기 산소가스 및 실란가스는 주반응가스로 사용되고, 상기 나이트로젠 트리플루오라이드가스는 세정가스로 사용된다.
다음으로, 상기 공정챔버 내부에 자기장을 형성하기 위한 소정의 소스파워(Source power)와 상기 공정챔버 내부에 전기장을 형성하기 위한 바이어스파워(Bias power)를 인가하여 자기장 및 전기장을 형성함으로써 상기 산소가스, 실란가스 및 나이트로젠 트리플루오라이드가스를 플라즈마 상태로 전환한다.
이때, 상기 플라즈마 상태의 산소가스 및 실란가스가 반도체기판 표면에 증착하여 반응하도록 함으로써 반도체기판 상에 산화막이 형성되고, 상기 플라즈마 상태의 나이트로젠 트리플루오라이드가스는 공정챔버 내벽 또는 반도체기판 표면을 세정하는 데 사용된다.
특히, 플라즈마 상태의 산소가스는 바이어스파워(Bias power)에 의해서 플라즈마 상태로 전환되어 반도체기판 상에 형성된 트렌치의 양측 상단부 즉, 산화막이 돌출 형성되는 오버행(Overhang) 부위를 스퍼터링 식각함으로써 트렌치 내부에 형성된 산화막에 보이드(Void)가 형성되는 것을 방지한다.
그러나, 종래의 PECVD장치에 의해서 복수의 트렌치가 형성된 반도체기판 상에 형성되는 산화막은, 도1에 도시된 바와 같이 산소가스의 플라즈마 덴시티(Density)가 작아 트렌치(12)를 구비하는 반도체기판(10) 상에 형성된 산화막(14)에 보이드(16)를 형성하는 문제점이 있었다.
이와 같은 상기 보이드(16)는 반도체기판 상에 증착 형성되는 산화막의 증착비에 대한 산화막이 돌출 형성되는 오버행(Overhang) 부위를 스퍼터링 식각하는 스퍼터링비가 약 0.125로 스퍼터링비가 낮기 때문이다.
즉, 반도체기판(10) 상에 형성된 트렌치(12)의 양측 상단부 즉, 산화막(14)이 돌출 형성되는 오버행(Overhang) 부위를 플라즈마 상태의 산소가스가 충분히 스퍼터링 식각하지 못함으로써 발생한다.
본 발명의 목적은, 산소가스 등의 반응가스의 플라즈마 덴시티를 향상시켜 용이하게 양질의 박막이 형성될 수 있도록 하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 산소가스 등의 반응가스의 플라즈마 덴시티를 향상시켜 트렌치가 구비된 반도체기판 상에 형성되는 산화막에 보이드가 형성되는 것을 방지할 수 있는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치를 제공하는 데 있다.
도1은 종래의 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치를 사용하여 형성된 산화막의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치를 사용하여 형성된 산화막을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 50 : 반도체기판 12, 52 : 트렌치
14, 54 : 산화막 16 : 보이드
20 : 상부챔버 21 : 절연체
22 : 하부챔버 24 : 코일
26 : 제 1 제너레이터 28 : 스테이지
30 : 제 2 제너레이터 34 : 제 1 반응가스 공급라인
35 : 히터36 : 제 2 반응가스 공급라인
38 : 제 3 반응가스 공급라인40 ; 진공펌프
41 : 진공라인
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치는, 공정챔버 내부로 공급된 반응가스를 플라즈마 상태로 전환하여 대상물에 박막을 형성하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치에 있어서, 상기 공정챔버 내부로 공급되는 반응가스를 히팅할 수 있는 히팅수단이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 반응가스는 산소가스일 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 다른 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치는, 절연체에 의해서 서로 절연된 상부챔버 및 하부챔버를 구비한 공정챔버; 상기 상부챔버에 구비된 코일; 상기 코일에 고주파 전력을 공급하여 상기 공정챔버 내부에 자기장을 형성할 수 있는 제 1 고주파전력 공급수단; 상기 공정챔버의 저면부에 구비되어 박막 형성 대상물을 지지할 수 있는 스테이지; 상기 상부챔버와 스테이지에 고주파 전력을 공급하여 상기 공정챔버 내부에 전기장을 형성할 수 있는 제 2 고주파전력 공급수단; 상기 공정챔버의 내부압력을 조절하기 위한 진공펌프; 상기 공정챔버 내부로 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급라인; 및 상기 반응가스를 히팅시킬 수 있도록 상기 반응가스 공급라인 상에 설치된 히팅수단;을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 히팅수단은 히터(Heater)일 수 있고, 상기 반응가스 공급라인은 복수개로 이루어지고, 상기 복수개의 반응가스 공급라인은 산소가스 공급라인일 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치를 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명에 따른 HDP(Hign Density Plasma)상태에서 산화막을 형성하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치는, 도2에 도시된 바와 같이 원통형의하부챔버(22)와 돔(Dome)형의 상부챔버(20)가 절연체(21)에 의해서 서로 절연된 공정챔버(넘버링되지 않음)를 구비한다.
그리고, 상기 상부챔버(22) 외벽에는 복수의 코일(24)이 감겨져 있고, 상기 코일(24)의 일단 및 타단이 제 1 제너레이터(26)와 연결되어 있다.
이때, 상기 제 1 제너레이터(26)는 고주파 전원(도시되지 않음)에서 인가된 소정의 고주파 전력을 약 5,000W의 소스파워(Source power)로 조절하여 코일(24)에 인가함으로써 공정챔버 내부에 자기장을 형성할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 하부챔버(22) 저면부에는 복수의 트렌치가 형성된 등의 박막 형성 대상물(32)이 위치하는 스테이지(Stage : 28)가 구비되어 있다.
그리고, 상기 상부챔버(20)와 스테이지(28)가 제 2 제너레이터(30)와 연결되어 있다.
이때, 상기 제 2 제너레이터(30)는 고주파 전원(도시되지 않음)에서 인가된 소정의 고주파 전력을 약 1,500W의 바이어스파워(Bias power)로 조절하여 상부챔버(20) 및 스테이지(28)에 인가함으로써 공정챔버 내부에 전기장을 형성할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 공정챔버 일측부와 진공펌프(40)가 진공라인(41)에 의해서 연결됨으로써 진공펌프(40)의 가동에 의해서 공정챔버의 내부압력이 약 1mTorr 내지 3mTorr의 고진공상태로 조절되도록 되어 있다.
그리고, 상기 공정챔버 내부로 산소가스를 공급할 수 있는 제 1 반응가스 공급라인(34), 상기 공정챔버 내부로 실란가스를 공급할 수 있는 제 2 반응가스 공급라인(36) 및 상기 공정챔버 내부로 나이트로젠 트리플루오라이드가스를 공급할 수 있는 제 3 반응가스 공급라인(38)이 각각 구비되어 있다.
여기서, 상기 제 1 반응가스 공급라인(34) 상에는 제 1 반응가스 공급라인(34)을 통과하는 산소가스를 1,000℃ 정도로 가열 활성화함으로써 산소가스가 용이하게 플라즈마 상태로 전환될 수 있도록 하는 히터(Heater : 35)가 설치되어 있다.
따라서, 상기 진공펌프(40)의 가동에 의해서 약 1mTorr 내지 3mTorr의 고진공상태가 유지되는 공정챔버의 스테이지(28) 상에 일련의 반도체소자 제조공정의 수행에 의해서 트렌치가 형성된 반도체기판 등의 대상물(32)을 위치시킨다.
다음으로, 상기 제 1 반응가스 공급라인(34), 제 2 반응가스 공급라인(36) 및 제 3 반응가스 공급라인(38)을 통해서 공정챔버 내부로 54 SCCM의 산소가스, 30 SCCM의 실란가스 및 소정량의 나이트로젠 트리플루오라이드가스를 각각 공급한다.
이때, 본 발명에 따라 제 1 반응가스 공급라인(34) 상에는 히터(35)가 구비됨으로써 제 1 반응가스 공급라인(34)을 통과하는 산소가스는 히터(35)에 의해서 약 1,000℃로 가열 활성화되어 공정챔버 내부로 공급된다.
이어서, 상기 고주파전원(도시되지 않음)은 제 1 제너레이터(26) 및 제 2 제너레이터(30)에 소정의 고주파 전력을 인가하게 되고, 상기 제 1 제너레이터(26)는 소정의 고주파 전력을 5,000W로 조절하여 5,000W의 고주파 전력을 코일(24)에 인가하게 되고, 상기 제 2 제너레이터(30)는 소정의 고주파 전력을 1,500W로 조절하여 1,500W의 고주파 전력을 상부챔버(20) 및 스테이지(28)에 인가하게 된다.
마지막으로, 상기 제 1 제너레이터(26)에 의해서 코일(24)에 인가된 5,000W의 고주파 전력에 의해서 공정챔버 내부에는 자기장이 형성되고, 상기 제 2 제너레이터(30)에 의해서 상부챔버(20) 및 스테이지(28)에 인가된 1,500W의 고주파 전력에 의해서 공정챔버 내부에는 전기장이 형성된다.
따라서, 상기 자기장 및 전기장에 의해서 공정챔버 내부로 공급된 산소가스, 실란가스 및 나이트로젠 트리플루오라이드가스는 플라즈마 상태로 전환되고, 플라즈마 상태의 산소가스 및 실란가스는 웨이퍼 표면에 증착 반응함으로써 트렌치가 형성된 반도체기판 등의 대상물(32) 상에는 산화막이 형성된다.
이때, 상기 산소가스는 본 발명에 따라 히터(35)에 의해서 가열 활성화되어 공정챔버 내부로 공급됨으로써 전기장 및 자기장에 의해서 용이하게 플라즈마 상태로 전환되고, 플라즈마 덴시티가 향상된다.
그러므로, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치를 이용하여 트렌치를 구비한 반도체기판 상에 형성되는 산화막은, 도3에 도시된 바와 같이 보이드가 없는 양질의 산화막(54)을 트렌치(52)가 구비된 반도체기판(50) 상에 형성할 수 있다.
이때, 상기 보이드가 산화막에 형성되지 않는 이유는, 상기 반도체기판(50) 상에 증착 형성되는 산화막(54)의 증착비에 대한 산화막(54)이 돌출 형성되는 오버행(Overhang) 부위를 스퍼터링 식각하는 스퍼터링비가 약 0.140로 종래의 0.125보다 높기 때문이다.
즉, 산소가스의 플라즈마 덴시티가 향상됨으로써 반도체기판 상에 형성된 트렌치의 양측 상단부 즉, 산화막이 돌출 형성되는 오버행(Overhang) 부위를 덴시티가 향상된 플라즈마 상태의 산소가스가 연속적으로 스퍼터링 식각하여 제거하기 때문이다.
그리고, 본 실시예에서는 공정챔버 내부로 산소가스를 공급하는 제 1 반응가스 공급라인에 한정하여 히터를 구비하였으나 제 2 반응가스 공급라인 및 제 3 반응가스 라인 등과 같이 공정챔버 내부로 반응가스를 공급하는 모든 반응가스 공급라인 상에 히터를 구비할 수 있음은 당연하다할 것이다.
본 발명에 의하면, 산소가스 등의 반응가스를 히터로 가열 활성화시켜 공정챔버 내부로 공급함으로써 용이하게 반응가스를 플라즈마 상태로 전환하고, 플라즈마 덴시티를 향상시켜 대상물 상에 양질의 박막을 형성할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 산소가스 등의 반응가스의 플라즈마 덴시티를 향상시켜 트렌치가 구비된 반도체기판 상에 형성되는 산화막에 보이드가 형성되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (5)

  1. 공정챔버 내부로 공급된 반응가스를 플라즈마 상태로 전환하여 대상물에 박막을 형성하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치에 있어서,
    상기 공정챔버 내부로 공급되는 반응가스를 히팅할 수 있는 히팅수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응가스는 산소가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치.
  3. 절연체에 의해서 서로 절연된 상부챔버 및 하부챔버를 구비한 공정챔버;
    상기 상부챔버에 구비된 코일;
    상기 코일에 고주파 전력을 공급하여 상기 공정챔버 내부에 자기장을 형성할 수 있는 제 1 고주파전력 공급수단;
    상기 공정챔버의 저면부에 구비되어 박막 형성 대상물을 지지할 수 있는 스테이지;
    상기 상부챔버와 스테이지에 고주파 전력을 공급하여 상기 공정챔버 내부에 전기장을 형성할 수 있는 제 2 고주파전력 공급수단;
    상기 공정챔버의 내부압력을 조절하기 위한 진공펌프;
    상기 공정챔버 내부로 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급라인; 및
    상기 반응가스를 히팅시킬 수 있도록 상기 반응가스 공급라인 상에 설치된 히팅수단;
    을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 히팅수단은 히터(Heater)인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 반응가스 공급라인은 복수개로 이루어지고, 상기 복수개의 반응가스 공급라인은 산소가스 공급라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화학기상증착장치.
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