KR20080095105A - 플라즈마를 이용한 ｂｐｓｇ 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 소자간 고 종횡비의 나노 갭을 채울 수 있는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치에 관하여 개시한다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치는 산소가스(O2) 및 오존가스(O3) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1반응가스 및 TEOS, TEPO 및 TEB를 포함하는 제2반응가스가 분리되어 공급되는 가스공급모듈, 하나의 영역으로 형성된 제1분산영역과 복수의 영역으로 분할된 제2분산영역을 구비하여, 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스가 각각의 분산영역에서 분리 분산되는 가스분리모듈 및 적어도 일부가 절연체 물질로 형성되어 있으며, 복수의 홀을 구비하여 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스가 상기 복수의 홀을 통하여 공통으로 반응챔버 내부로 분사되는 가스분사모듈을 구비하고, 상기 가스분리모듈의 제1분산영역 및 제2분산영역 중에서 상기 제1반응가스가 분산되는 분산영역에 플라즈마가 인가되는 것으로 이루어진다.
BPSG, 절연막, 갭 필

Description

플라즈마를 이용한 ＢＰＳＧ 증착 장치{Apparatus for depositing Boro-Phospho Silicate Glass using plasma}
도 1은 본 발명에 이용되는 BPSG 증착 시스템을 간략히 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스분리형 샤워헤드의 일실시예를 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 가스분리형 샤워헤드의 가스분리모듈 및 가스분사모듈의 일부를 입체적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 BPSG 증착 시스템 및 도 2에 도시된 가스분리형 샤워헤드가 적용된 BPSG 증착 방법의 일예를 나타낸다.
본 발명은 반도체 소자간 갭-필 공정에 이용되는 BPSG 증착 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 2종류의 반응가스가 분리되어 공급되고 반응챔버 내부로 분사되기 직전에 혼합되는 가스분리형 샤워헤드 및 산소가스 등을 활성화시키기 위한 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서 게이트 라인 사이나, 비트 라인 사이 등 반도체 소자들 사이에는 갭이 존재한다. 이러한 갭을 채우는 것을 갭-필(Gap-Fill)이라 한다. 이때 갭을 채우기 위해 사용되는 물질은 주로 절연체이다. 갭-필에 이용되는 절연체의 가장 대표적인 예는 갭-필 특성이 가장 우수하다고 알려진 BPSG(Boro-Phospho Silicate Glass)이다. BPSG는 TEOS(Tetra ethyl ortho silicate), TEPO(Tri Ethyl Phosphate), TEB(Tri Ethyl Boron) 및 오존가스(O3)를 반응챔버 내로 분사하여 증착된다.
BPSG 증착 공정은 TEOS, TEB 및 TEPO와 오존가스(O3) 또는 산소가스(O2)의 혼합이 필요하다. 종래의 BPSG 증착 공정은 주로 플라즈마를 인가하지 않기 때문에, TEOS, TEB 및 TEPO와 반응성이 좋은 오존가스(O3)가 샤워헤드에 공급되기 전에 미리 혼합되어 반응챔버 내부로 공급되거나, 또는 샤워헤드 내에서 혼합되어 반응챔버 내부로 공급되어 진행되었다.
그러나, TEOS, TEB 및 TEPO와 오존가스(O3)가 미리 혼합될 경우, 혼합된 구간이 길어져서 파티클의 발생을 유발할 수 있어서, 증착되는 BPSG 막질에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있고, 또는 중간에서 반응이 종결될 수도 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반응가스들이 분리되어 공급되고, 반응챔버 내부로 분사되기 직전에 반응가스들이 혼합되어 파티클의 발생이 억제되고, 플라즈마에 의해 산소가스 등을 활성화시키면서도 반도체 기판에는 플라즈마의 영향을 차단할 수 있는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치는 산소가스(O2) 및 오존가스(O3) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1반응가스 및 TEOS(Tetra ethyl ortho silicate), TEPO(Tri Ethyl Phosphate) 및 TEB(Tri Ethyl Boron)를 포함하는 제2반응가스가 분리되어 공급되는 가스공급모듈; 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스 중에서 어느 하나의 반응가스가 분산되며 하나의 영역으로 형성되는 제1분산영역, 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스 중에서 다른 하나의 반응가스가 분산되며 복수의 영역으로 분할되어 있되 각각의 영역 사이에는 상기 제1분산영역에서 분산되는 반응가스의 이동통로가 존재하는 제2분산영역 및 상기 제2분산영역의 복수의 영역 하부에 형성되는 분출영역을 구비하는 가스분리모듈; 및 적어도 일부가 절연체 물질로 형성되어 있으며, 복수의 홀을 구비하여 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스가 상기 복수의 홀을 통하여 공통으로 반응챔버 내부로 분사되는 가스분사모듈을 구비하고, 상기 가스분리모듈의 제1분산영역 및 제2분산영역 중에서 상기 제1반응가스가 분산되는 분산영역에 플라즈마가 인가되는 것으로 이루어진다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 이용되는 BPSG 증착 시스템을 간략히 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, BPSG 증착 시스템은 제1반응가스 공급라인(120), 제2반응가스 공급라인(110) 및 가스분리형 샤워헤드(130)를 구비한다.
제1반응가스 공급라인(120)은 산소가스(O2) 및 오존가스(O3) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1반응가스가 직접 공급된다. 이때, 제1반응가스는 산소가스(O2)이거나, 산소 라디칼(O radical) 발생 효율을 높이기 위하여 산소가스(O2)에 오존가스(O3)가 포함된 혼합가스 또는 오존가스(O3)일 수 있다.
제2반응가스 공급라인(110)은 TEOS(Tetra ethyl ortho silicate), TEPO(Tri Ethyl Phosphate) 및 TEB(Tri Ethyl Boron)가 혼합된 제2반응가스가 공급된다. 이때, 제2반응가스는 기화기(Vaporizer, 111)에 의해 기화되어 공급될 수 있다.
가스분리형 샤워헤드(130)는 제1반응가스 및 제2반응가스가 분리 공급되고, 또한 분리 분산되며, 반응챔버 내부로 분사되기 직전에 혼합된다.
혼합되어 분사된 제1반응가스 및 제2반응가스에 의해 반응챔버 내부에서 BPSG의 증착이 이루어진다.
도 2는 도 1에 도시된 가스분리형 샤워헤드(130)의 일실시예를 도시한 것이다. 도 3은 도 2에 도시된 가스분리형 샤워헤드(200)에서 가스분리모듈(220) 및 가스분사모듈(230)의 일부를 입체적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 가스분리형 샤워헤드(200)는 가스공급모듈(210), 가스분리모듈(220) 및 가스분사모듈(230)을 구비한다.
가스공급모듈(210)은 산소가스(O2) 및 오존가스(O3) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1반응가스(B) 및 TEOS(Tetra ethyl ortho silicate), TEPO(Tri Ethyl Phosphate) 및 TEB(Tri Ethyl Boron)가 혼합된 제2반응가스(B)가 분리되어 공급된다. 제1반응가스(A)와 제2반응가스(B)의 분리 공급을 위해, 가스공급모듈(210)은 서로 격리된 외측공급관(210a)과 내측공급관(210b)을 구비한다. 도 2를 참조하면, 제1반응가스(A)는 외측공급관(210a)으로 공급되고, 제2반응가스(B)는 내측공급관(210b)으로 공급된다.
가스분리모듈(220)은 가스공급모듈(210)에 공급된 제1반응가스(A) 및 제2반응가스(B)가 분리되어 분산된다. 제1반응가스(A) 및 제2반응가스(B)의 분리 분산을 위해, 가스분리모듈(220)은 가스공급모듈(210)의 외측공급관(210a)과 연결된 제1분산영역(220a)과 내측공급관(210b)과 연결된 제2분산영역(220b)을 구비한다. 도 2를 참조하면, 제1반응가스(A)는 제1분산영역(220a)에서 분산되고, 제2반응가스(B)는 제2분산영역(220b)에서 분산된다.
제1분산영역(220a)은 하나의 영역으로 구성되어 있으며, 제2분산영역(220b)은 제1분산영역(220a) 하부에 위치하며, 복수의 영역으로 분할되어 있다. 또한, 제2분산영역(220b)의 복수의 영역 사이에는 공간, 즉, 제1분산영역(220a)에서 분산된 반응가스의 이동통로(320)가 존재한다. 제2분산영역(220b)의 분할된 각각의 영역의 하부에는 복수의 분출부(225b)가 형성되어 있다.
제2반응가스(B)는 복수의 분출부(225b)를 통해서 가스분사모듈(230)로 분출되고, 제1반응가스(A)는 제1분산영역(220a)으로부터 제2분산영역(220b)의 각 영역 사이의 공간, 즉 이동통로(320)를 통과하여 복수의 분출부(225b) 각각을 둘러싸는 공간(225a)을 통해서 가스분사모듈(230)로 분출된다.
제1반응가스(A) 및 제2반응가스(B)가 가스분사모듈(230)로 분출되는 가스분리모듈(220) 하부의 높이는 가변적인데, 이는 복수의 분출부(225b) 끝의 높이에 따라 결정된다. 복수의 분출부(225b)의 끝의 높이에 따라서, 제1반응가스(A)와 제2반응가스(B)가 혼합되는 영역(Mixing Zone)이 달라진다.
복수의 분출부(225b)는, 그 끝이 가스분사모듈(230)의 최상부보다 높은 위치에 있을 수 있고, 또한 가스분사모듈(230)의 최상부로부터 최하부 사이의 위치하도록 형성될 수 있다.
복수의 분출부(225b)의 끝이 가스분사모듈(230)의 최상부보다 높은 위치에 있을 경우에는 샤워헤드 내에서 제1반응가스(A)와 제2반응가스(B)가 혼합되는 영역을 넓게 할 수 있다. 반대로, 복수의 분출부(225b)의 끝이 가스분사모듈(230)의 최상부와 최하부 사이의 높이에 위치하는 경우에는 제1반응가스(A)와 제2반응가스(B)의 혼합을 늦추면서, 각 반응가스의 원형을 그만큼 더 유지할 수 있다.
BPSG의 증착속도를 빠르게 하고, 증착되는 BPSG의 두께를 두껍게 하기 위해서는 산소가스(O2) 및 오존가스(O3) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1반응가스(A)로부터 발생되는 산소 라디칼(O radical)이 많이 확보되어야 한다. 이를 위해, 가스분리모듈(220)의 각각의 분산영역(220a,220b) 중에서 제1반응가스(A)가 분산되는 분산영역에 플라즈마를 인가할 수 있다.
제1반응가스(A)가 제1분산영역(220a)에서 분산될 경우, 제1분산영역(220a)에 플라즈마가 인가된다. 이때에는, 도 2에 도시한 바와 같이 가스분리형 샤워헤 드(200)의 상단에 플라즈마를 인가할 수 있다. 반면, 제1반응가스(A)가 제2분산영역(220b)에서 분산될 경우, 제2분산영역(220b)에 플라즈마가 인가된다. 이때, 제2반응가스(B)는 가급적 플라즈마의 영향을 덜 받게 하기 위하여 제2분산영역(220b)의 분할된 각각의 영역에 Al2O3 등의 세라믹 물질이나 테프론(Teflon) 등의 고분자 물질과 같은 절연체 물질을 코팅할 수 있다. 이 경우 제1분산영역(220a)과 제2분산영역(220b) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
제2분산영역(220b)의 분할된 복수의 영역 내부에는 제2반응가스(B)를 고르게 분산하기 위해서 가스분배판(도 3의 310)이 구비되어 있을 수 있다. 이때, 산소가스(O2) 및 오존가스(O3) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1반응가스(A)가 제2분산영역(220b)에서 분산될 경우, 가스분배판(310)에 플라즈마가 인가될 수 있고, 가스분배판(310)의 상부와 하부에는 절연체가 형성되어 있을 수 있다.
가스분사모듈(230)은 복수의 홀(235)을 구비한다. 가스분리모듈(220)에서 분리 분산된 제1반응가스(A) 및 제2반응가스(B)는 복수의 홀(235) 내부에서 혼합되어, 공통으로 반응챔버 내부로 분사된다. 제1반응가스(A)와 제2반응가스(B)는 가스분사모듈(230)에 구비된 복수의 홀(235)에서 비로소 혼합되므로, 혼합구간을 짧게 가져갈 수 있어서 원치 않는 파티클의 형성을 최대한 억제할 수 있다.
가스분사모듈(230)은 반응챔버에 장착되는 기판 등에 상기의 가스분리모듈(220)에 인가되는 플라즈마의 영향을 차단하기 위하여 가스분사모듈(230)의 전체 또는 일부가 절연체 물질로 형성되거나, 가스분사모듈(230)의 표면에 절연체 물질 이 코팅될 수 있다. 이때의 절연체 물질은 세라믹, 고분자 및 세라믹과 고분자의 복합체 중에서 어느 하나일 수 있다.
가스분사모듈(230)의 일부가 절연체 물질로 형성될 경우, 가스분사모듈(230)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 절연체 물질로 형성된 상판(230a)과 그라운드를 위한 알루미늄과 같은 도전체로 형성된 하판(230b)으로 구성될 수 있다.
또한, 가스분리모듈(220)과 가스분사모듈(230)의 전기적인 절연을 위하여 가스분리모듈(220)과 가스분사모듈(230) 사이에 절연체링(미도시)이 더 포함될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 BPSG 증착 시스템 및 도 2에 도시된 가스분리형 샤워헤드가 적용된 BPSG 증착 방법의 일예를 나타낸다.
도 4에 도시된 BPSG 증착 방법(400)은 반응가스 공급 단계(S410), 반응가스 분산 및 분사 단계(S420) 및 BPSG 증착 단계(S430)를 구비하여 이루어진다.
반응가스 공급 단계(S410)에서는 제1반응가스 공급라인(120)으로부터, 제1반응가스가 가스분리형 샤워헤드(200)의 가스공급모듈(210)의 외측 공급관(210a) 및 내측 공급관(210b) 중 어느 하나의 공급관으로 공급된다. 이와 동시에 제2반응가스 공급라인(110)으로부터 제2반응가스가 가스공급모듈(210)의 다른 하나의 공급관으로 공급된다.
제1반응가스는 산소가스(O2) 또는 오존가스(O3), 이들의 혼합가스, 또는 산소가스(O2)나 오존가스(O3)를 포함하는 가스일 수 있다. 제2반응가스는 TEPO, TEB 및 TEOS가 각각 분리되어 공급되고, 기화기(111)에 공급되기 전에 또는 기화기(111)에서 혼합되어, 혼합된 상태에서 기화된다. 기화된 제2반응가스는 질소가스(N2), 아르곤가스(Ar), 헬륨가스(He) 등과 같은 캐리어 가스와 함께 공급될 수 있다. 제2반응가스 중에 포함된 TEOS는 헬륨가스(He)와 혼합되어 공급될 수 있다.
BPSG 증착에 필요한 반응가스들의 유량은 TEOS 및 오존가스(O3) 또는 산소가스(O2)에 의해 생성되는 SiO2의 양과 BPSG의 도펀트 물질로 작용하는 붕소성분(B) 및 인성분(P)의 농도와 관련이 있다. 도펀트 물질의 농도가 낮은 BPSG를 증착할 경우, TEOS 및 오존가스(O3) 또는 산소가스(O2)의 유량을 늘리거나, TEB 및 TEPO의 유량을 줄이면 된다. 반대로, 도펀트 물질의 농도가 높은 BPSG를 증착할 경우, TEOS 및 오존가스(O3) 또는 산소가스(O2)의 유량을 줄이거나, TEB 및 TEPO의 농도를 늘리면 된다. 일예로, TEOS는 100sccm ~ 6,000sccm의 유량으로 공급되고, TEB는 10sccm ~ 2,000sccm의 유량으로 공급되고, TEPO는 10sccm ~ 1,000sccm의 유량으로 공급되고, 산소가스(O2)는 500sccm ~ 15,000sccm의 유량으로 공급될 수 있다.
반응가스 분산 및 분사 단계(S420)는 가스분리모듈(220)에서 제1반응가스 및 제2반응가스가 분리 분산된 후, 가스분사모듈(230)의 복수의 홀(235)에서 혼합되어 공통으로 반응챔버 내부로 분사된다. 이때, 가스분리모듈(200)에서 제1반응가스가 분산되는 분산영역에는 오존가스(O3) 또는 산소가스(O2)의 활성화를 위한 플라즈마가 인가된다. 반응가스 분산 및 분사 단계(S420)는 가스분리형 샤워헤드(130)에서 이루어진다.
BPSG 증착 단계(S430)에서는 반응챔버 내부에서 제1반응가스 및 제2반응가스에 의해 BPSG의 증착이 이루어진다. 이때, BPSG 증착은 200℃ ~ 450℃의 공정 온도 및 100torr 이하의 공정압력에서 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치는 가스분리형 샤워헤드를 이용함으로써, 오존가스(O3) 또는 산소가스(O2)와 TEOS, TEB, TEPO의 혼합구간을 최대한 짧게 할 수 있어서 파티클의 생성을 억제할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치는 산소가스 등의 활성화에 의해 증착율을 높일 수 있으면서도, 가스분사모듈에 절연체를 포함시킴으로써 가스분사모듈의 분사 표면에 플라즈마의 영향을 억제할 수 있어 가스분리형 샤워헤드에 근접하여 위치하는 기판 등의 손상을 최소화할 수 있다.

Claims (7)

  1. 산소가스(O2) 및 오존가스(O3) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1반응가스 및 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate), TEPO(Tri Ethyl Phosphate) 및 TEB(Tri Ethyl Boron)를 포함하는 제2반응가스가 분리되어 공급되는 가스공급모듈;
    상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스 중에서 어느 하나의 반응가스가 분산되며 하나의 영역으로 형성되는 제1분산영역, 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스 중에서 다른 하나의 반응가스가 분산되며 복수의 영역으로 분할되어 있되 각각의 영역 사이에는 상기 제1분산영역에서 분산되는 반응가스의 이동통로가 존재하는 제2분산영역 및 상기 제2분산영역의 복수의 영역 하부에 형성되는 분출영역을 구비하는 가스분리모듈; 및
    적어도 일부가 절연체 물질로 형성되어 있으며, 복수의 홀을 구비하여 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스가 상기 복수의 홀을 통하여 공통으로 반응챔버 내부로 분사되는 가스분사모듈을 구비하고,
    상기 가스분리모듈의 제1분산영역 및 제2분산영역 중에서 상기 제1반응가스가 분산되는 분산영역에 플라즈마가 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스분리모듈과 상기 가스분사모듈 사이에서, 상기 가스분리모듈 및 상기 가스분사모듈을 전기적으로 절연시키는 절연체링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스분리모듈은,
    상기 제2분산영역의 복수의 영역 각각에 절연체 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스분사모듈은,
    절연체 물질만으로 구성되어 있거나 절연체 물질로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스분사모듈은,
    상판과 하판이 결합된 구조로서,
    상판은 절연체 물질이고, 하판은 그라운드를 위한 도전체인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2분산영역의 분할된 복수의 영역 각각의 내부에는, 상기 다른 하나의 반응가스를 고르게 분산하기 위한 가스분배판이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1반응가스가 상기 제2분산영역에서 분산될 경우, 상기 가스분배판에 플라즈마가 인가되고,
    상기 가스분배판의 상부와 하부에는 절연체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 BPSG 증착 장치.
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