KR20070074222A

KR20070074222A - 샤워 헤드

Info

Publication number: KR20070074222A
Application number: KR1020060002079A
Authority: KR
Inventors: 주찬술
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-01-09
Filing date: 2006-01-09
Publication date: 2007-07-12

Abstract

기판 상에 균일한 두께를 갖는 막을 형성하기 위해 반응 가스를 균일하게 제공하는 샤워 헤드가 개시되고 있다. 상기 샤워 헤드는 헤드와 상기 헤드에 결합되고 기판을 가공하기 위한 가스가 제공되는 내부 공간을 형성하며, 다수의 가스 배출공이 존재하는 플레이트를 포함한다. 상기 플레이트는 제1 간격으로 이격된 가스 배출공들이 형성된 중심영역과 제1 간격보다 좁은 제2 간격으로 이격된 가스 배출공들이 형성된 주변영역으로 구분된다. 상기 샤워 헤드는 상기 기판의 중심영역보다 주변영역 상으로 보다 많은 가스를 제공할 수 있어 상기 기판 상에 실질적으로 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 있다.

Description

샤워 헤드{Shower head}

도 1은 종래에 개시된 샤워 헤드를 포함하는 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 플레이트를 설명하기 위한 확대 평면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 샤워 헤드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 플레이트를 설명하기 위한 확대 평면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 기판 102 : 챔버

104 : 정전척 106, 206 : 샤워 헤드

108, 208 : 헤드 110, 210 : 디퓨저

112, 212 : 내부 공간 114, 214 : 가스 주입 라인

218 : 고정 부재 120, 220 : 플레이트

122, 222 : 가스 배출공 224 : 주변 영역

226 : 중심 영역 130, 230 : 반응 가스 흐름

A : 제1 간격 C : 제2 간격

D : 간격

본 발명은 샤워 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 기판 상에 막을 형성하기 위해 기판 상으로 가스를 제공하는 샤워 헤드에 관한 것이다.

근래에, 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 그 기능적인 면에 있어서, 상기 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이러한 요구에 부응하여 상기 반도체 장치의 제조 기술은 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전되고 있다. 이에 따라, 상기 반도체 장치의 집적도 향상을 위한 주요한 기술로서 막 형성을 위한 화학 기상 증착 또는 패턴 형성을 위한 플라즈마 식각 등과 같은 가공 기술에 대한 요구도 엄격해지고 있다.

최근, 상기 반도체 장치는 0.15㎛ 이하의 디자인룰(design rule)을 갖는다. 고집적화를 요구하기 때문에 상기 반도체 장치에서는 셀 사이즈의 축소가 필연적이며, 각 셀의 사이즈가 감소함에 따라 기판 상에 형성되는 모든 패턴의 사이즈 및 마진도 감소하게 된다. 이에 비하여, 반도체 장치의 수직 규모, 즉 상기 반도체 장치를 구성하는 각 부재들의 종횡비(aspect ratio)는 더욱 증가하게 된다. 따라서, 높은 종횡비를 갖는 패턴 사이에 막을 필링(filling)시키는 기술 또한 중요하게 대두되고 있다. 상기 필링 기술의 예로서는 금속 배선들 사이에 절연을 위한 절연막 을 필링시키는 방법이 있다.

여기서 상기 필링을 위한 절연막의 예로서는 스텝 커버리지 및 필링 특성이 우수한 플라즈마 산화막을 들 수 있다. 상기 플라즈마 산화막은 실란, 산소 등과 가스를 사용한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 공정에 의해 형성된다. 상기 증착 공정은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced CVD) 공정 및 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(High Density Plasma CVD) 공정 등으로 이루어지며, 플라즈마 상태로 여기된 반응 가스를 이용하여 기판 상에 산화막을 형성한다.

이를 위하여, 상기 산화막을 형성할 때 상기 기판에 상기 산화막을 형성하기 위한 가스를 균일하게 제공해야 한다. 이 경우, 샤워 헤드(shower head)가 이용된다.

샤워 헤드는 반응 가스들을 기판 상에 분사할 뿐만 아니라, 상기 가스들을 고온으로 가열하거나 고전위차에 노출시킨다. 샤워 헤드의 일예로서, 미합중국 특허 제6,173,673호(Golovato, et al.)에는 반응 가스를 플라스마 상태로 형성하기 위한 샤워 헤드가 개시되어 있다.

일반적으로 샤워 헤드는 원통 형상을 가지며, 기판에 대한 가공 공정이 수행되는 공정 챔버의 상부에 구비된다. 상기 소스 가스는 샤워 헤드의 상부로부터 공급되어 샤워 헤드를 통과한 후 상기 공정 챔버 내부로 제공된다.

도 1은 종래에 개시된 샤워 헤드를 포함하는 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 플레이트를 설명하기 위한 확대 평면도 이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 가공 장치는 플라즈마를 이용하여 기판 상에 막 또는 패턴을 형성하는 장치이다. 상기 가공 장치는 챔버(102) 내에 기판(100)이 놓여지는 정전척(104)을 포함한다. 상기 챔버(102)의 상측에는 샤워 헤드(106)가 설치되며, 샤워 헤드(106)는 내부에 헤드(108), 디퓨저(diffuser, 110) 및 플레이트(120)를 포함한다. 상기 헤드(108)의 하부에는 디퓨저(110) 및 플레이트(120)가 순차적으로 결합된다. 이 경우, 헤드(108)와 플레이트(120)의 사이에 가스가 확산되는 내부 공간(112)이 마련된다. 상기 헤드(108)에는 가스가 유입되는 가스 주입 라인(114)이 연결되고, 상기 헤드(103)의 저면에 고정된 디퓨저(110)를 지나면서 유입된 가스는 확산된다. 그리고, 상기 플레이트(120)에는 상기 가스를 균일하게 분포시키기 위한 다수개의 가스 배출공(122)들을 포함한다. 이때 상기 플레이트(120)에 형성된 가스 배출공(122)들은 전면에 가로세로로 동일한 간격(D)을 갖도록 형성된다.

상기 반응 가스들은 가스 주입 라인(114)을 통해 샤워 헤드(106)에 주입된다. 상기 주입된 가스들은 내리 흐름(down stream) 방식으로 내부 공간(112)에서 넓게 확장된 후 가스 배출공(122)들을 통하여 기판(100) 상으로 산포된다.

하지만, 일반적인 샤워 헤드(106)의 내부는 그리 큰 공간을 갖지 못하기 때문에, 가스 주입 라인(114)의 위치 및 개수에 따라 내부 공간(112)에서의 가스 분포도가 차이를 보인다. 따라서, 상기 헤드(108)의 중심부에 형성된 가스 주입 라인(114)을 통하여 가스가 공급될 경우, 상기 가스는 중심부로 집중되어 배출된다.

이렇게 중심부에 집중된 가스는 디퓨저(110)에 의해 주변부로 확산되나, 대 부분이 플레이트(120)의 가스 배출공(122)들을 통과하여 기판(100)의 중심 부위에 그대로 산포된다. 따라서 기판(100)의 주변 부위에 비하여 중심 부위에서 집중적인 증착 반응이 발생한다. 이 결과, 기판(100) 상에 약 29000Å의 두께를 갖는 막을 형성할 경우 기판(100)의 중심부와 주변부에서 두께 편차를 갖으며, 기판(100)의 중심 부위가 두껍게 형성된다. 실제로, AMT사, ATTO사 등의 제조사들로부터 제조된 샤워 헤드의 경우 PE-TEOS 막을 형성 시 29000Å을 기준으로 800 내지 1000Å의 두께 편차를 보이고 있는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기판에 막 증착 공정시 기판에 형성되는 막의 두께가 실질적으로 균일한 두께를 갖도록 가스를 제공하는 샤워 헤드를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 샤워 헤드는 헤드를 포함하고, 상기 헤드에 결합되고 기판을 가공하기 위한 가스가 제공되는 내부 공간을 형성하며, 다수의 가스 배출공이 존재하는 플레이트를 포함하되, 상기 플레이트는 제1 간격으로 이격된 가스 배출공들이 형성된 중심영역과 제1 간격보다 좁은 제2 간격으로 이격된 가스 배출공들이 형성된 주변영역으로 구분된다.

일 예로서, 상기 중심영역은 직경이 95 내지 200mm인 원형 영역을 나타낸다. 그리고, 상기 제1 간격은 4.55 내지 4.65mm이고 상기 제2 간격은 4.45 내지 4.55mm이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 샤워 헤드에 따르면, 상기 샤워 헤드의 내부로 가스가 제공되는 경우 상기 가스 배출공들 사이의 간격이 플레이트의 중심영역에서 주변영역보다 넓어져 상기 중심영역에서 상기 가스의 일부가 제한되어 통과함으로써 상기 가스는 샤워 헤드의 외부로 균일하게 배출될 수 있다. 상기 가스는 기판 상으로 균일하게 제공되어 상기 기판 상에 실질적으로 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샤워 헤드에 대해 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 샤워 헤드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 플레이트를 설명하기 위한 확대 평면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 샤워 헤드(206)는 헤드(208), 가스 주입 라인(214), 디퓨저(210) 및 플레이트(220)를 포함한다.

상기 헤드(208)는 중심 부위에 가스 주입 라인(214)이 연결되어 있다. 상기 헤드(208)는 헤드(208)의 하부에 플레이트(220)가 체결되어 상기 플레이트(220)와의 사이에 상기 가스 주입 라인(214)을 통해 주입된 기판(미도시)을 가공하기 위한 반응 가스를 수용하는 내부 공간(212)이 형성된다. 상기 헤드(208) 및 플레이트(220)는 알루미늄 스틸과 같은 금속 재료로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 헤드(208)의 저면(216)에는 상기 가스 주입 라인(214)의 입구와 마주보도록 위치하며, 상기 주입된 반응 가스를 주변부로 확산시키는 디퓨저(210)가 고정되어 있다. 상기 디퓨저(210)는 원형의 플레이트(plate) 형상을 가지며, 헤드(208)의 저면(216)과 적어도 3개의 고정부재(218)를 사용하여 고정된다.

일 예로서, 상기 헤드(208)는 상기 가스 주입 라인(214)의 상부에서부터 아래로 갈수록 단차(미도시)가 형성된 저면(216)을 포함하는 구조를 갖는다. 상기 헤드(208)에 형성된 단차는 상기 가스 주입 라인(214)과 연결된 상부로 올라갈수록 내경이 감소하고 깊이가 증가된다. 따라서, 상기 헤드(208)에 형성된 단차에 의해헤드(208)로 주입되는 상기 가스는 제1 확산되며 디퓨저(210)에 의해 제2 확산될 수 있다.

상기 가스 주입 라인(214)은 샤워 헤드(206)의 중심 부위에 삽입되도록 구비되어 상기 헤드(208)와 플레이트(220)에 의해 형성된 내부 공간(212)으로 가스를 제공한다. 상기 가스 제공 라인(214)은 반응 가스를 수용하는 가스 저장부(미도시)에 연결되어 상기 샤워 헤드(206)의 내부 공간(214)으로 상기 반응 가스를 공급한다. 여기서, 상기 반응 가스는 증착 공정이 진행되는 챔버(미도시) 내부에서 정전척(미도시) 상에 안착된 상기 기판 상에 제공된다. 상기 반응 가스의 예로서는 상기 기판 상에 산화막을 증착하는 공정을 수행하기 위한 가스로써 실란(SiH₄) 가스 및 산소 가스가 이용될 수 있다. 이렇게 상기 기판 상으로 제공되는 반응 가스는 플라즈마가 형성된 상기 챔버 내에서 해리되어 상기 기판 상에 산화막을 형성한다.

상기 디퓨저(210)는 헤드(208)의 내부에 상기 가스를 제공하는 가스 주입 라인(214)의 입구와 마주보도록 구비된다. 상기 디퓨저(210)는 원형의 플레이트 형상으로 형성되어 있어 중심 부위로 집중되어 제공된 가스의 흐름을 차단시킴으로써 상기 가스를 샤워 헤드 내부로 확산시키는 역할을 한다. 일 예로서, 상기 디퓨저(210)는 직경이 90 내지 100mm인 플레이트이다.

또한, 일 예로서, 상기 디퓨저(210)에는 상기 중심 부위로 집중되어 제공된 가스의 일부를 통과시킬 수 있도록 내부에 다수개의 배출공(미도시)을 갖출 수 있다.

따라서, 상기 가스 주입 라인(214)을 통해 샤워 헤드(206)의 내부로 제공되는 반응 가스 중 상기 디퓨저(210)에 의해 차단된 가스는 측 방향으로 확산되고, 상기 확산된 가스는 샤워 헤드(206)의 내부 공간(212)으로 안내되어 샤워 헤드(206) 내의 외곽 부위로 제공된다. 이때, 디퓨저(210) 내에 다수개의 배출공을 갖출 경우에는 상기 다수개의 배출공을 통해 샤워 헤드(206) 내부의 중심 부위로 일부가 제공될 수 있다.

그러나, 상기와 같이 샤워 헤드(206) 내부에서 디퓨저(210)에 의해 확산된 상기 가스는 상기 외곽 부위로 분산되지만, 가스 주입 라인(214)이 디퓨저(210)의 중심부에 위치함으로써 중심 부위로 집중되어 방출되는 문제점을 갖는다. 따라서, 본 발명에서는 디퓨저(210) 하부의 플레이트(220)에 형성된 가스 배출공(222)들을 통하여 상기 가스가 집중되어 배출되는 문제를 감소시킨다.

상기 플레이트(220)는 상기 헤드(208)의 하부에 구비되어 상기 헤드(208)와 체결되며, 상기 가스 주입 라인(214)을 통해 헤드(208)로 유입되는 반응 가스를 상기 챔버 내부에 존재하는 기판 상으로 실질적으로 균일하게 배출하기 위한 가스 배출공(222)들이 형성되어 있다. 또한, 도시되지는 않았지만 상기 플레이트(220)는 플레이트(220)의 하면이 상기 기판이 놓여지는 정전척의 상면과 마주보도록 구비되어 있다.

구체적으로 상기 플레이트는 상기 제1 배출공들이 형성된 중심영역(226)과 제2 배출공들이 형성된 주변영역(224)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 배출공 및 제2 배출공들은 직경이 0.5 내지 1.5mm로 이루어진 홀들이다.

상기 플레이트(220)에 형성된 상기 가스 배출공(222)들은 디퓨저(210)를 거친 후에도 중심 부위로 집중되게 확산된 상기 반응 가스를 균일하게 분산시킬 수 있도록 상기 제1 배출공과 제2 배출공들은 서로 다른 간격으로 형성된다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 플레이트(220)의 가스 배출공(222)들은 플레이트(220)의 중심영역(226)에서 제1 간격(A)으로 이격되어 형성되고, 플레이트(220)의 주변영역(224)에서 제1 간격(A)보다 좁은 제2 간격(C)으로 이격되어 형성된다. 상기 중심영역(226)은 플레이트(220) 내부의 직경이 95 내지 200mm인 원형 영역이다. 그리고, 상기 주변영역(224)은 직경이 320 내지 340mm인 원형 영역에서 중심영역을 제외한 영역이다.

여기서, 가스 배출공(222)들은 동일한 영역 내에서는 가로세로로 동일한 간격을 유지하면서 형성되어 있다. 일 예로서, 상기 가스 배출공(222)들은 상기 제1 간격(A)이 4.55 내지 4.65mm이고 상기 제2 간격(C)이 4.45 내지 4.55mm을 갖도록 형성된다. 이때 상기 제1 간격(A) 및 제2 간격(C)은 상기 샤워 헤드(206)와 디퓨저(210)의 크기 및 플레이트(220)의 가스 배출공(222)들과 연결된 가스 주입 라인(214)의 총 개수에 의해 적절하게 조정될 수 있다.

이와 같이 상기 가스 배출공(222)들은 중심영역(226)에서 주변영역(224)보다 넓은 간격으로 형성됨으로써 상기 중심영역(226)에서 제1 간격(A)으로 형성된 가스 배출공(222)들의 총 갯수는 중심영역(226)에서 제2 간격(C)으로 형성될 경우에 비해 크게 감소된다. 일 예로, 중심영역(226) 내 가스 배출공(222)들의 총 갯수는 제2 간격(C)을 유지할 때에 비해 320 내지 370개가 감소되며, 그 수만큼 중심영역(226)에서의 가스 배출이 제한된다.

그러므로 플레이트(220)의 중심영역(226)에 도달되는 가스가 상기 제2 간격(C)보다 넓은 제1 간격(A)을 갖는 가스 배출공(222)들을 통과할 때 일부만이 통과되므로 중심에서 배출되는 양이 감소된다. 그리고, 상기 가스의 나머지는 상기 제2 간격(C)을 갖는 주변영역(224)의 가스 배출공(222)들을 통해 제공된다.

기존의 샤워 헤드에서는 샤워 헤드(206)의 내부에서 디퓨저(210)에 의해 발산되는 가스는 가스 주입 라인(214)의 하부에 위치한 플레이트(220)의 중심영역(226)에서 주변영역(224)에 비해 집중적으로 배출되었다. 그러나, 본 발명에서는 플레이트(220)의 중심영역(226)에서 제1 간격(A)을 갖고 주변영역(224)에서 제2 간격(C)을 갖는 가스 배출공(222)들을 형성함으로써 상기 집중된 가스가 중심영역이 더욱 분산되어 기판 상으로 균일하게 제공될 수 있다. 도시된 화살표는 샤워 헤드(206)를 통해 배출되는 상기 반응 가스의 흐름(230)을 나타낸다. 따라서, 종래의 샤워 헤드를 이용할 경우 기판 상에 형성되는 막의 두께 편차 문제가 크게 감소된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 샤워 헤드에 따르면, 상기 샤워 헤드의 내부로 가스가 제공되는 경우 상기 가스 배출공들 사이의 간격이 플레이트의 중심영역에서 주변영역보다 넓어져 상기 중심영역에서 상기 가스의 일부가 제한되어 통과함으로써 상기 가스는 샤워 헤드의 외부로 균일하게 배출될 수 있다. 상기 가스는 기판 상으로 균일하게 제공되어 상기 기판 상에 실질적으로 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 있다. 이로 인하여 반도체 장치의 특성은 뛰어나게 향상되고, 후속 공정의 에러율은 현저하게 감소될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

헤드; 및

상기 헤드에 결합되고 기판을 가공하기 위한 가스가 제공되는 내부 공간을 형성하며, 다수의 가스 배출공이 존재하는 플레이트를 포함하되,

상기 플레이트는 제1 간격으로 이격된 가스 배출공들이 형성된 중심영역과 제1 간격보다 좁은 제2 간격으로 이격된 가스 배출공들이 형성된 주변영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는 샤워 헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 중심영역은 직경이 95 내지 200mm인 원형 영역인 것을 특징으로 하는 샤워 헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 간격은 4.55 내지 4.65mm이고 상기 제2 간격은 4.45 내지 4.55mm인 것을 특징으로 하는 샤워 헤드.