KR20080004178A - 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한화학기상증착방법 - Google Patents

플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한화학기상증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생산수율을 증대 또는 극대화 할 수 있는 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법에 관한 것으로, 그의 방법은, 상하부에 위치되는 각 전극에 고주파 전원를 인가하여 플라즈마 반응으로 웨이퍼 상에 유전막을 형성하는 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)설비를 이용한 화학기상증착방법에 있어서: 상기 챔버 내에 상기 웨이퍼를 위치시키는 단계; 상기 챔버에 적어도 두 개 이상의 반응가스들을 공급하고, 상기 플라즈마 반응으로 상기 웨이퍼 상에 제 1 유전막을 형성하는 단계; 및 상기 챔버에 공급되는 상기 반응가스들 중 적어도 하나 이상의 반응가스의 공급을 중단하여 상기 챔버 내로 계속 공급되는 나머지 반응가스와, 공급이 중단되어 상기 챔버 내에 잔류된 반응가스를 플라즈마 반응시키고, 상기 플라즈마 반응을 유도하기 위한 고주파 파워를 점진적으로 감소시키면서 상기 제 1 유전막 상에 제 2 유전막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
화학기상증착(chemical vapor deposition), 샤워 헤드(shower head), 미세 입자(particle), 상부 전극, 하부 전극

Description

플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법{Methode for chemical vapor deposition used plasma enhanced at the same}
도 1은 종래 기술에 따른 화학기상증착설비를 개략적으로 나타낸 구성단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 화학기상증착방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 화학기상증착설비를 개략적으로 나타낸 구성단면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법을 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법으로 형성된 제 2 실리콘 질소 산화막의 형성 시 발생되는 미세 입자의 개수를 종래와 비교하기 위해 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화학기상증착방법을 나타내는 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 챔버 102 : 반응가스 공급부
104 : 퍼징가스 공급부 106 : 샤워헤드
108 : 웨이퍼 110 : 서셉터
112 : 상부 전극 114 : 하부전극
116 : 히터 블록 118 : 에지링
120 : 진공 배기관 122 : 펌프
본 발명은 반도체 장치의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 반응으로 웨이퍼 상에 유전막을 형성하는 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치는 증착 공정, 포토공정, 식각공정, 확산공정을 통하여 제조될 수 있으며, 이러한 공정들이 수차례에서 수십차례 반복되어야 적어도 하나의 반도체 장치가 탄생될 수 있다. 특히, 상기 증착공정은 반도체 소자 제조의 재현성 및 신뢰성에 있어서 개선이 요구되는 필수적인 공정으로 졸겔(sol-gel)방법, 스퍼터링(sputtering)방법, 전기도금(electro-plating)방법, 증기(evaporation)방법, 화학기상증착(chemical vapor deposition)방법, 분자 빔 에피탁시(molecule beam eptaxy)방법, 원자층 증착방법 등에 의하여 웨이퍼 상에 상기 가공막을 형성하는 공정이다.
그중 상기 화학기상증착방법은 다른 증착방법보다 웨이퍼 상에 형성되는 증착 특성과, 가공막의 균일성이 우수하기 때문에 가장 보편적으로 사용되고 있다. 이와 같은 화학기상증착방법에는 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition), LTCVD(Low Temperature Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등으로 나눌 수 있다.
상기 PECVD는 전기적 방전을 통해 기체 내에 화학반응을 일으켜 형성된 물을 반도체 기판 상에 증착함으로서 유전막을 형성하는 공정이다. 그리고, 종래의 상기 PECVD공정은 다수의 반도체 기판을 플라즈마 화학기상증착설비 내부에 투입한 후, 일괄적으로 PECVD공정을 수행함으로서 다수의 반도체 기판 상에 특정막을 형성하였으나, 최근에 반도체장치가 고집적화되고 반도체 기판이 대구경화됨에 따라 플라즈마 화학기상증착설비 내부에 한 장의 반도체 기판을 투입한 후 PECVD공정을 진행하고, 상기 한 장의 반도체 기판에 대한 PECVD공정이 수행된 이후에는 상기 플라즈마 화학기상증착설비 내부에 존재하는 잔류가스 및 반응생성물을 제거하는 세정 및 퍼지공정을 수행하고 있다.
이와 같은 종래 기술에 따른 화학기상증착방법은 미국특허번호 5,573,981에 개시되어 있다.
이하, 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 화학기상증착설비 및 상기 설비를 이용한 화학기상증착방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 화학기상증착설비를 개략적으로 나타낸 구성단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 화학기상증착방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 화학기상증착설비는, 챔버(도시되지 않음)와, 상기 챔버의 측면에 형성된 웨이퍼 지지대(1)에 의해 수직으로 웨이퍼(3)를 흡착고정하는 정전 척(single-pole electrostatic chuck, 9)과, 상기 웨이퍼 지지대(1)와 절연되어 상기 정전 척(9) 내에 위치되고 플라즈마 반응을 발생시키는 내부 전극(2)과, 상기 정전 척(9)의 하부에서 상기 웨이퍼(3)를 소정온도이상으로 가열하는 히터(4)와, 외부의 접지된 직류 전원(6a, 6b)으로부터 교류 전원을 발생시켜 상기 내부 전극에 인가하는 고주파 컷오프 필터(8) 및 변환스위치(5)를 포함하여 이루어진다. 도시되지는 않았지만, 상기 챔버 내에서 상기 웨이퍼(3)에 수직하는 방향으로 반응가스(P)와 퍼지 가스를 공급하는 반응가스 공급부 및 퍼지 가스 공급부와, 상기 반응가스(P) 및 퍼지 가스를 배기시켜 챔버 내부의 압력을 조절하는 펌프를 더 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 내부 전극(2)은 상기 웨이퍼(3)를 흡착하는 상기 반응가스 공급부를 통해 상기 챔버 내에 공급되는 실란(SiH4) 가스, 아산화 질소(N2O) 가스, 암모니아(NH3) 가스와 같은 반응가스들을 여기시켜 전자와, 양의 전하를 갖는 이온으로 분리시켜 플라즈마 반응을 발생시킨다. 따라서, 종래 기술에 따른 화학기상증착설비는, 단일 전극을 사용하여 플라즈마 반응을 발생시키므로 ECR-CVD(Electron Cyclotron Resonance-Chemical Vapor Deposition)설비라 명명된다.
이때, 상기 정전 척(9)은 상기 챔버의 측벽에 설치되어 상기 웨이퍼(3)를 수직으로 위치시킨다. 또한, 상기 반응가스 공급부를 통해 공급되는 반응가스(P)들은 소정의 압력으로 상기 챔버 내부에서 상기 웨이퍼(3)를 향해 유동되면서 화학결합하여 상기 웨이퍼(3) 상에 소정 두께의 박막이 형성된다. 예컨대, 상기 실란 가스와 상기 아산화 질소 가스를 소스 가스로 사용하여 플라즈마 반응시킬 경우, 상기 웨이퍼 상에 실리콘 산화막과 같은 유전막이 형성되고, 상기 실란 가스, 아산화 질소 가스, 암모니아 가스 및 질소 가스를 소스 가스를 플라즈마 반응시킬 경우, 상기 웨이퍼 상에 실리콘 질소 산화막과 같은 유전막이 형성된다. 또한, 상기 플라즈마 반응 시 상기 반응가스가 플라즈마 반응에 의해 이온화되면서 이온이 과도하게 화학결합하여 발생되는 폴리머와 같은 무게가 무거운 미세입자들은 중력에 의해 상기 챔버의 바닥으로 떨어지게 함으로서 상기 웨이퍼(3) 상에서 미세입자들이 유발되는 것을 방지시킬 수 있다. 그러나, 상기 플라즈마 반응시 발생되는 전하를 갖는 미세 입자들은 상기 정전 척(9)의 정전기력에 의해 상기 웨이퍼(3) 상에 유발시킬 수도 있다.
이와 같은 종래 기술의 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, ECR-CVD설비의 챔버 내에 웨이퍼(3)를 삽입하고, 상기 웨이퍼(3)를 상기 챔버 내의 정전 척(9)에 고정시키고, 상기 챔버를 소정압력으로 펌핑시킨다.(S10)
다음, 상기 챔버 내에 실란(SiH4)가스 및 아산화 질소(N20)가스로 이루어진 반응가스(P) 또는 실란 가스, 아산화 질소 가스, 암모니아 가스, 질소 가스로 이루어진 반응가스(P)를 챔버 내에 공급시키면서, 상기 내부 전극(2)에 고주파 파 워(high radio frequency power)을 인가하고, 상기 고주파 파워에 의해 유도되는 플라즈마 반응을 이용하여 상기 웨이퍼(3) 상에 실리콘 산화막을 형성한다.(S20) 여기서, 상기 플라즈마 반응을 유도하기 위한 고주파 파워는 약 100W 정도로 인가된다.
그 다음, 상기 실리콘 산화막이 소정 두께로 형성되면 상기 실란 가스 및 아산화 질소 가스의 공급을 중단하고, 소정시간동안 상기 챔버 내부의 상기 실란 가스 및 아산화 질소 가스를 배기 시킨다.(S30) 이때, 상기 실란 가스 및 아산화 질소 가스를 배기시킴과 동시에 상기 챔버 내부를 퍼징시킬 수도 있다. 따라서, 상기 챔버 내부의 압력은 상기 반응가스(P)들이 공급될 때보다 더 줄어든다. 또한, 챔버 내부에 반응가스(P)들이 공급되지 않기 때문에 플라즈마 반응이 줄어들거나 사라질 수도 있다. 결과적으로, 상기 반응가스(P)들의 반응에 의해 생성되거나, 상기 챔버의 내벽에서 유발되는 미세 입자를 상기 반응가스(P)들과 동시에 상기 챔버의 외부로 배기시킬 수 있다.
이후, 상기 실란 가스 및 아산화 질소 가스가 배기된 후, 다시 상기 챔버 내부에 상기 반응가스(P) 중 상기 아산화 질소 가스만으로 구성되는 반응가스를 선택적으로 공급한다.(30)
마지막으로, 상기 챔버 내에 충만되는 상기 아산화 질소 가스와 같은 반응가스를 재차 플라즈마 반응을 발생시켜 상기 웨이퍼 상에 형성되는 약0.3㎛ 이상의 반경(radius)을 갖는 미세 입자를 줄어들게 할 수 있다.(S50) 예컨대, 플라즈마 반응을 유도하기 위해 약 100W 정도의 일정한 고주파 파워가 약 30초간 인가된다. 이 때, 고에너지를 갖는 고주파 파워를 이용한 플라즈마 반응의 발생 시 상기 챔버 내의 급작스런 환경 변화 때문에 상기 아산화 질소 가스의 플라즈마 반응의 종료 시점에서 상기 웨이퍼 표면에 형성된 실리콘 질소 산화막 또는 실리콘 산화막과 같은 유전막 상에 파티클을 다량으로 유발시킬 수 있다.
또한, 상기 실리콘 질소 산화막 또는 실리콘 산화막과 같은 유전막의 증착 시 이와 같은 공정을 반복 수행시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 화학기상증착방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 종래 기술에 따른 화학기상증착방법은, 실란 가스 및 아산화 질소 가스를 이용하여 실리콘 질소 산화막 또는 실리콘 산화막 같은 유전막을 형성한 후, 상기 챔버 내에서 상기 반응가스(P)들이 배기되거나 퍼징되는 과정에서 상기 반응가스(P)들이 화학적 반응을 일으켜 미세 입자를 유발시키고, 상기 미세 입자들이 상기 웨이퍼 상에 유발되어 생산불량을 야기시킬 수 있기 때문에 생산 수율을 떨어뜨리는 단점이 있었다.
둘째, 종래 기술에 따른 화학기상증착방법은, 실리콘 질소 산화막 또는 실리콘 산화막과 같은 유전막 증착 공정의 완료 후 챔버 내에서 재차 유도되는 고에너지의 플라즈마 반응 종료에 의해 상기 유전막 상에 다량의 파티클이 발생되기 때문에 생산 수율을 떨어뜨리는 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유전막의 형성 후 챔버 내에서 상기 반응가스들이 배기되거나 퍼징되는 과정에서 유발되는 미세 입자들이 상기 웨이퍼 상에 떨어지는 생산불량을 방지하여 생산 수율을 증대 또는 극대화 할 수 있는 화학기상증착방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 플라즈마 반응의 정지 시 발생되는 미세 입자들이 유발되는 것을 방지하여 생산 수율을 증대 또는 극대화할 수 있는 화학기상증착방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양태에 따른 본 발명의 화학기상증착방법은, 상하부에 위치되는 각 전극에 고주파 전원를 인가하여 플라즈마 반응으로 웨이퍼 상에 유전막을 형성하는 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)설비를 이용한 화학기상증착방법에 있어서: 상기 챔버 내에 상기 웨이퍼를 위치시키는 단계; 상기 챔버에 적어도 두 개 이상의 반응가스들을 공급하고, 상기 플라즈마 반응으로 상기 웨이퍼 상에 제 1 유전막을 형성하는 단계; 및 상기 챔버에 공급되는 상기 반응가스들 중 적어도 하나 이상의 반응가스의 공급을 중단하여 상기 챔버 내로 계속 공급되는 나머지 반응가스와, 공급이 중단되어 상기 챔버 내에 잔류된 반응가스를 플라즈마 반응시키고, 상기 플라즈마 반응을 유도하기 위한 고주파 파워를 점진적으로 감소시키면서 상기 제 1 유전막 상에 제 2 유전막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 화학기상증착설비를 개략적으로 나타낸 구성 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화학기상증착설비는, 외부 환경과 격리되는 소정공간을 제공하는 챔버(100)와, 상기 챔버(100) 내부에 반응가스들을 공급하는 반응가스 공급부(102) 및 퍼징가스 공급부(104)와, 상기 반응가스 공급부(102)를 통해 공급되는 반응가스를 균일하게 분사하는 샤워헤드(106)와, 상기 샤워헤드(106)에 대향하여 웨이퍼(108)를 지지하는 서셉터(110)와, 상기 샤워헤드(106)의 상부와 상기 서셉터(110)의 하부에서 외부에서 공급되는 교류전원을 이용하여 플라즈마 반응을 발생시키는 각각 상부 전극(112) 및 하부전극(114)과, 상기 플라즈마 반응 시 상기 웨이퍼의 온도를 상승시키는 히터 블록(116)과, 상기 상부 전극(112) 및 하부 전극(114)에 공급되는 고주파 파워에 의해 발생되는 플라즈마 반응으로부터 상기 웨이퍼(108)의 가장자리를 보호하는 에지링(118)과, 상기 챔버(100) 내부의 진공도를 유지하기 위해 진공 배기관(120)을 통해 상기 반응 가스 및 퍼징 가스를 배기하는 펌프(142)를 포함하여 구성된다. 도시하지는 않았지만, 상기 상부 전극(112) 및 하부 전극(114)에 인가되는 고주파 전원의 임피던스를 서로 정합시키기 위한 정합(matching)장치를 더 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 서셉터(110)는 상기 웨이퍼(108)의 무게만으로 상기 웨이퍼를 지지한다. 또한, 반응 가스 공급부(112)를 통해 공급되는 반응가스를 플라즈마 반응 처리하여 상기 웨이퍼(108) 상에 유전막을 형성한다.
이때, 상기 플라즈마 반응은 약 390℃정도의 고온에서 발생되기 때문에 상기 히터를 통해 상기 웨이퍼를 가열하여, 상기 웨이퍼 상에 형성되는 유전막(예를 들어 실리콘 산화막 또는 실리콘 질소 산화막)의 균일성(uniformity)을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 샤워헤드(106)를 통해 유동되는 반응 가스는 상기 플라즈마 반응을 통해 상기 웨이퍼 상에 상기 유전막을 형성시키고, 그의 일부는 상기 진공 배기관(120)을 통해 상기 펌프로 배기된다.
그리고, 상기 상부 전극(112) 및 하부 전극(14)에 공급되는 고주파 파워는 교류 전압으로서 상기 반응 가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 전기에너지로 공급되고, 상기 웨이퍼 상에서 플라즈마 반응을 발생시킨다. 이때, 상기 플라즈마 반응 중 또는 중단 시 발생되는 미 반응 또는 전하를 갖는 미세 입자는 반응 가스의 흐름을 따라 상기 진공 배기관(120)을 따라 배출되거나, 상기 웨이퍼(108) 상에 유전막과 동시에 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 화학기상증착설비는 서셉터(110) 상에 웨이퍼(108)를 상기 웨이퍼의 무게만으로 고정하기 때문에 전하를 갖는 미세 입자들을 상기 웨이퍼(108) 상에 집중시키지 않고, 상기 진공 배기관(120)을 통해 펌프(122)로 배기시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 화학기상증착설비를 이용한 플라즈마 화학기상증착방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법은 화학기상증착설비의 챔버(100) 내에 웨이퍼를 삽입하고, 상기 웨이퍼를 척에 고정시킨다. 또한, 상기 챔버(100) 내부의 공기를 펌핑하여 소정기압(예를 들어 약 100mmTorr 내지 약 10000mmTorr정도)의 진공도를 유지한다.(S100) 이때, 상기 챔버(100) 내에 존재하는 공기에서 이물질을 제거하기 위해 약 10-4 Torr이상 펌핑한 후 퍼징 가스(예컨대, N2 가스라 칭함)를 플로우 시켜 약 수 mmTorr 내지 수십 Torr정도의 진공을 유지시킨다. 또한, 상기 챔버(100) 내부의 진공도는 이후 공정에 따라 조금씩 차이는 있겠지만, 상기 펌프(122)의 펌핑에 의해 수 mmTorr 내지 수십 Torr 내의 범위를 갖도록 유지된다.
다음, 상기 챔버(100) 내에 제 1 반응 가스(이하, 아산화 질소 가스라 칭함), 제 2 반응 가스(이하, 실란 가스라 칭함), 제 3 반응 가스(이하, 암모니아 가스라 칭함) 및 퍼징 가스(예컨대, 질소 가스라 칭함)를 소정량 유동시키면서 상기 상부전극(112) 및 하부전극(114)에 고주파 파워를 인가하여 플라즈마 반응을 유도한다.(S110, S120) 이때, 플라즈마 반응은 전기적으로 중성인 상기 각 반응가스로부터 전자를 빼앗아 여기시킴과 동시에 화학반응에 필요한 에너지를 공급하여 상기 웨이퍼 상에 제 1 유전막(예컨대, 실리콘 질소 산화막(SiON))을 형성시킬 수 있다.
여기서, 상기 플라즈마 반응에 의한 상기 실란 가스, 아산화 질소 가스, 암모니아 가스 및 질소 가스의 반응식은 다음과 같다.
(반응식)
2SiH4 + 2N2O + 2NH3 + N2 + 전기에너지 ―――――> 2SiON + 3N2↑ +7H2↑ + 열에너지
예컨대, 질소 가스는 약 3500sccm, 실란 가스는 약 130sccm, 아산화 질소 가스는 약 120sccm, 암모니아 가스는 약 100sccm 정도의 유량으로 공급되고, 상기 상부전극(112) 및 하부 전극(114)에 약 100W 정도의 약 100W 정도의 일정한 크기를 갖는 고주파 파워가 공급되어 상기 플라즈마 반응이 일어날 경우, 상기 웨이퍼(108) 상에 상기 제 1 실리콘 질소 산화막이 약 180Å정도의 성장속도로 형성된다.
이때, N2 가스와 H2는 가스 상태로 상기 펌프(122)를 통하여 배기되어야 하지만, 상기 반응 가스들이 플라즈마 반응을 통해 빠른 화학적 반응이 일어나 제 1 실리콘 질소산화막이 급속하게 형성되기 때문에 상기 제 1 실리콘 질소산화막 내에 다량의 수소가스가 잔존한다.
따라서, 상기 제 1 실리콘 질소산화막은 막질이 엉성한 구조로 밀도가 결정 실리콘 질소산화막에 비해 아주 떨어진다.
예컨대, 상기 제 1 실리콘 질소산화막 상에 포토 공정 또는 세정공정 시 사 용되는 탈이온수(deionized water)를 떨어뜨릴 경우 상기 탈이온수가 흡수될 정도로 상기 제 1 실리콘 질소산화막은 친수성을 갖는다. 따라서, 상기 제 1 실리콘 질소산화막을 보호하기 위해 보다 조밀한 구조의 제 2 실리콘 질소산화막을 상기 제 1 실리콘 질소산화막 상에 형성할 수 있다.
이후, 소정시간이 경과한 후(예를 들어 약 5초 내지 약 30초정도), 상기 제 1 실리콘 질소산화막이 소정두께이상 형성될 경우, 상기 챔버(100) 내부로 공급되는 상기 실란 가스와 암모니아 가스의 공급을 중단하고, 상기 질소 가스 및 아산화 질소 가스를 상기 챔버(100) 내부로 계속하여 공급한다. 또한, 상기 플라즈마 반응은 지속된 채로 상기 챔버(100) 내부에 잔존하는 실란 가스와 암모니아 가스를 이용하여 상기 질소 가스 및 아산화 질소 가스를 반응시켜 상기 웨이퍼(108) 상에 제 2 실리콘 질소산화막을 형성한다.(130) 이때, 상기 플라즈마 반응을 유도하기 위해 인가되는 고주파 파워는 점진적(ramping) 또는 순차적으로 감소된다. 예컨대, 질소 가스와 아산화 질소 가스가 각각 약 3800sccm과 약 120sccm 정도의 유량으로 동일하게 공급되고, 상기 플라즈마 반응을 지속적으로 유도시키기 위한 고주파 파워가 약 100W에서 50W 정도로 순차적으로 감소되면서 인가될 경우, 상기 제 1 실리콘 질소 산화막 상에 상기 제 2 실리콘 질소 산화막 또는 제 2 실리콘 산화막이 초당 약 1Å~2Å정도의 성장속도로 형성된다. 이때, 약 25초간에 제 2 실리콘 산화막이 형성될 경우, 상기 고주파 파워는 약 20초동안 약 100W 정도의 크기를 갖도록 상기 상부 전극(112) 및 상기 하부 전극(114)에 인가되고, 약 3초간 70W 정도의 크기를 갖도록 인가되고, 약 2초간 50W 정도의 크기를 갖도록 순차적으로 감소되면서 인가 된다.
따라서, 본 발명에 따른 제 1 실시예에 따른 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법은 플라즈마 반응이 일어나는 도중에 챔버(100) 내부로 공급되는 복수의 반응가스들 중 어느 하나이상의 반응가스 공급을 중단하여 플라즈마 반응을 중지시키지 않고, 밀도가 서로 다른 실리콘 질소 산화막을 성장시킬 수 있고, 상기 플라즈마 반응의 중지 발생되는 미반응 화합물에서 유발되는 미세입자를 감소시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 반응을 유도하기 위해 공급되는 고주파 파워를 점진적 또는 순차적으로 줄여 종래의 고에너지를 갖는 상기 플라즈마 반응의 종료시점에서 다량으로 발생되는 파티클과 같은 오염물질을 방지토록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법으로 형성된 제 2 실리콘 질소 산화막의 형성 시 발생되는 미세 입자의 개수를 종래와 비교하기 위해 나타낸 그래프로서, 플라즈마 반응의 종료 시점에서 고주파 파워를 점진적으로 감소시키는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법(a)에서 발생되는 파티클의 개수에 비해 고에너지를 갖는 고주파 파워를 일시에 중지시키는 종래의 화학기상증착방법(b)에서 파티클의 개수가 증가되어 나타남을 알 수 있다.
여기서, 그래프의 세로축은 파티클의 개수를 나타내고, 가로축은 파티클 개수의 측정하기 위한 기간을 나타낸다. 이때, 상기 파티클 개수를 측정하기 위한 기간은 약 3개월 10일이다. 또한, 상기 파티클의 평균 개수는 본 발명의 제 1 실시예에서 약 109개정도이고, 종래에서 약 132개 정도이다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법은 종래와 비교하여 몇 가지 사항에서 개선된 점이 있다. 먼 저, 상기 제 2 실리콘 질소 산화막의 형성 시 상기 챔버(100) 내에 공급되던 상기 실린가스가 중단되고, 상기 챔버(100) 내에 잔존하는 실란 가스가 줄어듦으로서 상기 제 2 실리콘 산화막 상에 형성되는 파티클의 개수가 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 반응이 연속적으로 이루어지기 때문에 종래의 퍼징 또는 반응 가스의 배기를 위한 상기 플라즈마 반응의 중단 및 재 발생 시 유발되는 파티클을 방지토록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법은 고에너지를 갖는 플라즈마 반응에 인가되는 고주파 파워를 점진적 또는 순차적으로 감소시켜 종래의 고에너지를 갖는 플라즈마 반응의 종료 시 유발되는 다량의 파티클을 방지토록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법은, 제 1 실리콘 질소 산화막 상에서 제 2 실리콘 질소 산화막의 형성시 챔버(100) 내부로 실란 가스와 암모니아 가스의 공급을 중단시키고, 상기 챔버(100) 내에 연속적으로 공급되는 아산화 질소 가스 및 퍼지 가스와, 상기 챔버(100) 내에 잔류된 상기 실란 가스 및 암모니아 가스를 지속적으로 플라즈마 반응시켜 종래의 플라즈마 반응의 중단 시 발생되는 파티클을 방지토록 할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화 할 수 있다.
또한, 상기 챔버(100) 내의 플라즈마 반응을 유도하기 위해 공급되는 고주파 파워를 점진적으로 감소시키면서 상기 제 2 실리콘 질소 산화막을 형성함으로서 종래의 일정한 고에너지를 갖는 고주파 파워를 이용한 플라즈마 반응의 정지 시 발생되는 파티클이 유발되는 것을 방지할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대 화할 수 있다.
한편, 상기 제 2 실리콘 질소 산화막은 상기 제 1 실리콘 산화막에 비해 상대적으로 밀도가 높기 때문에 상기 제 2 실리콘 산화막 상에 탈이온수를 떨어뜨릴 경우, 상기 탈이온수가 상기 제 2 실리콘 산화막에 흡수되지 않고 물방울이 맺어지는 것과 같이 소수성을 갖는다. 이때, 소수성이 높을 경우, 상기 웨이퍼가 대기중에 노출되면 수분을 흡수하여 후속 공정에서 불량을 유발시킬 수 있다. 따라서, 소수성이 낮은 제 1 실리콘 질소 산화막이 대기중에 노출되지 않도록 상기 제 1 실리콘 질소 산화막 상에 소수성이 높은 제 2 실리콘 산화막이 형성된다.
상기 제 2 실리콘질소 산화막을 형성한 후, 챔버(100) 내부로 공급되는 상기 아산화 질소 가스의 공급과, 상기 플라즈마 반응을 정지시키고,(S140) 상기 챔버(100) 내부에 질소 가스를 주입하여 퍼징시킨다.(S150) 그리고, 상기 챔버(100) 내부에 퍼징된 질소 가스와, 상기 아산화 질소 가스를 펌핑한다.(160)
그리고, 상기 챔버(100)에 연결되는 이송 챔버 또는 로드락 챔버사이의 도어를 오픈하고, 로봇을 사용하여 상기 챔버(100) 내에서 상기 웨이퍼(108)를 언로딩하여 이송 챔버(100) 또는 로드락 챔버로 반송시킴으로서 화학기상증착 공정이 완료된다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화학기상증착방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 화학기상증착방법은 화학기상증착설비의 챔버(100) 내에 웨이퍼를 삽입하고, 상기 웨이퍼를 서셉 터(110)에 위치시킨다. 또한, 상기 펌프(122)를 이용하여 상기 챔버(100) 내부의 공기를 펌핑하여 소정기압(예를 들어 약 100mmTorr 내지 약 10000mmTorr정도)의 진공도를 유지한다.(S200) 이때, 상기 챔버(100) 내에 존재하는 공기에서 이물질을 제거하기 위해 상기 펌프(122)를 이용하여 약 1×10-3 Torr이상 펌핑한 후 상기 반응 가스 공급부(102) 또는 퍼징 가스 공급부(104)를 통해 제 1 반응 가스(예컨대, 아산화 질소(N2O) 가스라 칭함) 또는 퍼징 가스(예컨대, 질소(N2) 가스라 칭함)를 플로우시키면서 상기 챔버(100) 내부의 진공을 유지할 수 있다. 또한, 상기 챔버(100) 내부의 진공도는 이후 공정에 따라 조금씩 차이는 있겠지만, 상기 펌프(122)에 의해 계속적으로 펌핑됨에 따라 수 mmTorr 내지 수십 Torr 내의 범위를 갖도록 유지된다.
다음, 상기 챔버(100) 내에 제 1 반응 가스(이하, 아산화 질소(N2O) 가스라 칭함)와 제 2 반응 가스(이하, 실란(SiH4) 가스라 칭함 )를 소정량 유동시키면서 상기 상부전극(112) 및 하부전극(114)에 고주파 파워를 인가하여 플라즈마 반응을 발생시킨다.(S210, S220) 이때, 플라즈마 반응은 전기적으로 중성인 상기 각 반응가스로부터 전자를 빼앗아 여기시킴과 동시에 화학반응에 필요한 에너지를 공급하여 상기 웨이퍼 상에 제 1 유전막(이하, 제 1 실리콘 산화막이라 칭함)을 형성시킬 수 있다. 즉, 상기 챔버(100) 내에 상기 실란 가스와 상기 아산화 질소 가스를 소정량 유동시켜 상기 챔버(100) 내의 진공도를 안정화시킨 후에 상기 상부 전극(112) 및 하부 전극(114)에 일정한 크기의 고주파 파워를 인가하여 플라즈마 반응을 발생시 킨다. 이때, 상기 히터블록(116)을 이용하여 상기 웨이퍼(108) 표면의 온도가 약 390℃ 정도가 되도록 가열한다.
여기서, 상기 플라즈마 반응에 의한 상기 실란 가스 및 아산화 질소 가스의 반응식은 다음과 같다.
(반응식)
SiH4 + 2N2O + 전기에너지 ―――――> SiO2 + 2N2↑ +2H2↑ + 열에너지
예컨대, 실란 가스는 약 90sccm정도의 유량으로 상기 챔버(100) 내에 공급되고, 상기 아산화 질소 가스는 약 1800sccm 정도의 유량으로 공급되고, 상기 상부전극(112) 및 하부 전극(114)에 약 190W 정도의 일정한 크기의 고주파 파워가 공급되어 상기 플라즈마 반응이 약 30초간 일어날 경우, 상기 웨이퍼(108) 상에 상기 제 1 실리콘 산화막이 약 180Å정도의 성장속도로 형성된다.
이때, 질소(N2)와 수소(H2)는 가스 상태로 상기 펌프(122)를 통하여 배기되어야 하지만, 상기 실란 가스와 아산화 질소 가스가 플라즈마 반응을 통해 빠른 화학적 반응이 일어나 제 1 실리콘 산화막이 급속하게 형성되기 때문에 상기 제 1 실리콘 산화막 내에 다량의 수소가스가 잔존한다.
따라서, 상기 제 1 실리콘 산화막은 막질이 엉성한 구조로 밀도가 결정 실리콘 산화막에 비해 아주 작게 형성된다. 예컨대, 상기 제 1 실리콘 산화막 상에 포토 공정 또는 세정공정 시 사용되는 탈이온수(deionized water)를 떨어뜨릴 경우 상기 탈이온수가 흡수될 정도로 상기 제 1 실리콘 산화막은 친수성을 갖는다.
이후, 상기 제 1 실리콘 산화막이 소정두께이상 형성될 경우, 상기 챔버(100) 내부로 공급되는 상기 실란 가스의 공급을 중단하고, 상기 플라즈마 반응은 지속된 채로 상기 챔버(100) 내부에 잔존하는 실란 가스와 상기 챔버(100) 내부로 계속해서 공급되는 아산화 질소 가스를 반응시켜 상기 웨이퍼 상에 제 2 유전막(이하, 제 2 실리콘 산화막으로 칭함)을 형성한다.(S230) 이때, 상기 플라즈마 반응을 유도하기 위해 공급되는 고주파 파워는 점진적으로 감소된다. 예컨대, 질소 가스와 아산화 질소 가스가 각각 약 3800sccm과 약 120sccm 정도의 유량으로 동일하게 공급되고, 상기 플라즈마 반응을 지속적으로 유도시키기 위한 고주파 파워가 약 190W에서 50W 정도로 순차적으로 감소되면서 인가될 경우, 상기 제 1 실리콘 질소 산화막 상에 상기 제 2 실리콘 산화막이 초당 약 1Å~2Å정도의 성장속도로 형성된다. 약 30초간에 제 2 실리콘 산화막이 형성될 경우, 상기 고주파 파워는 약 20초동안 약 190W 정도의 크기를 갖도록 상기 상부 전극(112) 및 상기 하부 전극(114)에 인가되고, 약 5초동안 약 100W 정도의 크기를 갖도록 인가되고, 약 3초간 70W 정도의 크기를 갖도록 인가되고, 약 2초간 50W 정도의 크기를 갖도록 순차적으로 감소되면서 인가된다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 화학기상증착방법은, 제 1 실리콘 산화막 상에서 제 2 실리콘 산화막의 형성시 챔버(100) 내부로 실란 가스의 공급을 중단시키고, 상기 챔버(100) 내에 연속적으로 공급되는 아산화 질소 가스와, 상기 챔버(100) 내에 잔류된 상기 실란 가스를 지속적으로 플라즈마 반응시켜 종래의 플라즈마 반응의 중단 시 발생되는 파티클을 방지토록 할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화 할 수 있다.
또한, 상기 챔버(100) 내의 플라즈마 반응을 유도하기 위해 공급되는 고주파 파워를 점진적으로 감소시키면서 상기 제 2 실리콘 산화막을 형성함으로서 종래의 일정한 고에너지를 갖는 고주파 파워를 이용한 플라즈마 반응의 정지 시 발생되는 파티클이 유발되는 것을 방지할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있다.
그 다음, 상기 챔버(100) 내부로 공급되는 상기 아산화 질소 가스의 공급을 중단하고, 상기 플라즈마 반응을 정지시킨다.(S240) 이후, 상기 챔버(100) 내부에 질소 가스를 주입하여 퍼징시킨다.(S250) 그리고, 상기 챔버(100) 내부에 퍼징된 질소 가스와, 반응가스 등을 펌핑한다.(S260)
도시되지는 않았지만, 상기 챔버(100)와 연결되는 이송 챔버 또는 로드락 챔버 사이의 도어를 오픈하고, 로봇을 사용하여 상기 챔버(100) 내에서 상기 웨이퍼를 언로딩하여 이송 챔버 또는 로드락 챔버로 반송시킴으로서 화학기상증착 공정이 완료된다.
또한, 상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제 1 실리콘 질소 산화막 상에서 제 2 실리콘 질소 산화막의 형성 시 챔버 내부로 실란 가스와 암모니아 가스의 공급을 중단시키고, 상기 챔버 내에 연속적으로 공급되는 아산화 질소 가스 및 퍼지 가스와, 상기 챔버 내에 잔류된 상기 실란 가스 및 암모니아 가스를 지속적으로 플라즈마 반응시켜 종래의 플라즈마 반응의 중단 시 발생되는 파티클을 방지토록 할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 챔버 내의 플라즈마 반응을 유도하기 위해 공급되는 고주파 파워를 점진적으로 감소시키면서 상기 제 2 실리콘 질소 산화막을 형성함으로서 종래의 일정한 고에너지를 갖는 고주파 파워를 이용한 플라즈마 반응의 정지 시 발생되는 파티클이 유발되는 것을 방지할 수 있기 때문에 생산수율을 증대 또는 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 상하부에 위치되는 각 전극에 고주파 전원를 인가하여 플라즈마 반응으로 웨이퍼 상에 유전막을 형성하는 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)설비를 이용한 화학기상증착방법에 있어서:
    상기 챔버 내에 상기 웨이퍼를 위치시키는 단계;
    상기 챔버에 적어도 두 개 이상의 반응가스들을 공급하고, 상기 플라즈마 반응으로 상기 웨이퍼 상에 제 1 유전막을 형성하는 단계; 및
    상기 챔버에 공급되는 상기 반응가스들 중 적어도 하나 이상의 반응가스의 공급을 중단하여 상기 챔버 내로 계속 공급되는 나머지 반응가스와, 공급이 중단되어 상기 챔버 내에 잔류된 반응가스를 플라즈마 반응시키고, 상기 플라즈마 반응을 유도하기 위한 고주파 파워를 점진적으로 감소시키면서 상기 제 1 유전막 상에 제 2 유전막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스들은 실란 가스 및 아산화 질소 가스를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 사용한 화학기상증착방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유전막은 상기 챔버 내에 상기 실란 가스를 190 sccm, 상기 아산화 질소 가스를 1800sccm의 유량으로 공급하고, 100W의 고주파 파워를 상기 상부 전극 및 하부 전극에 인가하여 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 유전막은 상기 챔버 내에 상기 아산화질소 가스를 1800sccm의 유량으로 공급하고 100W에서 20초, 70W에서 3초, 50W에서 2초동안 순차적으로 감소되는 고주파 파워를 상기 상부 전극 및 하부 전극에 인가하여 상기 아산화질소 및 상기 챔버 내에 잔류된 상기 실란 가스를 플라즈마 반응시켜 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 강화 화학기상증착설비를 이용한 화학기상증착방법.
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