KR20080106041A - 비금속 서셉터를 갖는 플라즈마 ｃｖｄ 장치 - Google Patents

비금속 서셉터를 갖는 플라즈마 ｃｖｄ 장치 Download PDF

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cooling
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아츠키 후카자와
노부오 마츠키
우진 이
미코 시미즈
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에이에스엠 저펜 가부시기가이샤
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Abstract

플라즈마 CVD 장치는 전극으로 기능하고 그 위에 기판을 안치시키고 접촉하기 위한 냉각 서셉터; 및 그 안에 형성된 다중 관통홀들을 통해서 상기 서셉터를 향해서 기체를 유입시키기 위한 샤워 플레이트를 포함한다. 상기 샤워 플레이트는 전극으로 기능하고 그리고 상기 서셉터에 평행하게 배치된다. 상기 냉각 서셉터는 냉각 유체를 관통시키기 위한 냉각 유체 유동 경로를 구비하는 세라믹 물질로 만들어진다.

Description

비금속 서셉터를 갖는 플라즈마 ＣＶＤ 장치{Plasma CVD apparatus having non-metal susceptor}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 CVD(chemical vapor deposition) 장치에 관한 것이고, 특히 기판 상에 금속 오염을 줄이는 플라즈마 CVD 장치에 관한 것이다.
도 1은 통상적인 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다. 통상적인 플라즈마 화학기상증착법(플라즈마 CVD법) 하에서, 막(film)은 반응 챔버(1) 내의 반도체 기판 상에 1 내지 10 Torr의 분위기에서 증착되고, 여기에서 처리될 반도체 기판(5)은 0 내지 350℃로 가열된 저항 가열 타입 등의 히터(3) 상에 높여진다. 히터(3)는 반응 기체를 배출하는 샤워 플레이트(shower plate, 2)에 대면되도록 배치되고, 그리고 13.56 MHz 내지 60 MHz 등의 라디오-주파수(RF) 파워가 100 내지 4000W의 출력 레벨로 샤워 플레이트(2)에 인가되어 히터(3) 및 샤워 플레이트(2) 사이에 RF 방전을 유도하여 플라즈마를 생성한다. 히터(3)는 하부 전극으로 기능하고, 반면 샤워 플레이트(2)는 상부 전극으로 기능한다. 샤워 플레이트(2)에 인가된 RF 파워는 RF 제너레이터(4)로부터 RF 공급 포트(7)를 통해서 공급된다. 기체는 기체 공급 포트(6)를 통해서 반응 챔버(1) 내에 공급되고, 배출 포트(8)로부터 방출된다. 이러한 구 성에 기초하여, 절연막 등이 플라즈마 CVD법에 기초하여 증착될 수 있다. 일반적으로, 상부 및 하부 전극들은 알루미늄으로 만들어진다.
만일 금속 물질이 사용되면, 금속 성분에 의한 오염이 일어나고 이에 따라 금속이 실리콘 기판의 상면 및 바닥 상에 증착되어 절연층을 파괴하거나 또는 다른 문제들을 일으켜 소자 산출량의 감소를 초래한다. 이것은 심각한 문제이고, 결과적으로 금속 오염의 방지에 대한 요구는 소자가 미세한 구조를 가짐에 따라서 더욱 엄격해왔다. 플라즈마 CVD의 경우에 있어서, 많은 경우에 알루미늄 샤워 플레이트는 알루미늄 서셉터와 결합되어 플라즈마 생성용 전극들로 사용되었다.
가열 서셉터(heating susceptor)가 사용되는 일부 경우에 있어서, 이 서셉터의 다른 부분뿐만 아니라 기판이 그 위에 놓여지는 표면으로 사용되는 물질은 금속 대신에 세라믹 등으로 변경된다. 그러나, 가열 서셉터는 약 50 nm 노드의 소자를 목적으로 한 절연막의 증착에 있어 적합하지 않다. 또한, 샤워 플레이트(shower plate)는 금속으로 만들어지고, 이는 다른 문제, 예컨대 웨이퍼 표면 상의 금속 오염을 완전히 제거하지 못하는 어려움을 야기한다. 게다가, 반응기(reactor)를 이루는 많은 구성들이 또한 금속으로 만들어지고, 따라서 이러한 다른 구성들은 또한 조심스런 관찰을 요한다. 이러한 구성들이 많은 경우, 금속 오염은 증착 공정이 수행되기 전에 반응기의 내벽들을 "예비-도포막(pre-coat film)"이라고 불리는 막으로 도포함으로써 방지될 수 있다. 그러나, 예비-도포막의 증착은 예비-도포로 인한 생산성 감소 때문에 장치의 장기적인 안정성에 대한 우려를 야기한다. 반면에, 소자 노드를 축소하는 것은 약 50 nm 소자 노드를 목적으로 한 절연막을 증착하기 위한 방법의 개발을 가속화시킨다. 특히, 이러한 경향은 배선 패턴 및 STI 기술에 심각한 변화를 가져올 것으로 기대되고, 예비-도포막의 증착은 기대되는 새로운 조건 하에서 어려움에 직면할 것이다. 따라서, 약 50 nm 소자 노드용으로 적합한 절연막이 요구되는 조건에서 예비-도포막의 증착에 의존하지 않고, 기판 상의 금속 오염의 역효과를 방지하는 것이 중요하다.
전술한 관점에서, 일 실시예에서, 본 발명은 다음을 포함하는 플라즈마 CVD 장치를 제공한다: (i) 그 위에 기판을 안치시키고 접촉하기 위한 것이고, 전극으로 기능하는 냉각 서셉터(cooling susceptor)로서, 상기 냉각 서셉터는 냉각 유체(cooling fluid)를 관통시키기 위한 냉각 유체 유동 경로(cooling fluid flow path)를 구비하는 세라믹 물질로 만들어지고; 그리고 (ii) 그 안에 형성된 다중 관통홀들을 통해서 상기 서셉터를 향해서 기체를 유입시키기 위한 샤워 플레이트(shower plate)로서, 상기 샤워 플레이트는 전극으로 기능하고 상기 서셉터에 평행하게 배치된다.
상기 실시예는 하기의 실시예들을 더 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 서셉터는 상기 서셉터에 내장된(embedded) RF 플레이트를 더 구비할 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 냉각 유체 유동 경로는 상기 서셉터의 바닥에 제공될 수 있다. 상기 서셉터를 구성하는 상기 세라믹 물질은 AlN 또는 Al2O3일 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 샤워 플레이트는 세라믹 물질로 만들어질 수 있다. 상기 샤워 플레이트를 구성하는 상기 세라믹 물질은 AlN 또는 Al2O3일 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 샤워 플레이트는 볼록한 중심 영역을 가질 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 서셉터는 오목한 중심 영역을 가질 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 플라즈마 CVD 장치는 냉각 유체 출구 및 냉각 유체 입구를 갖는 냉각 유체 순환 디바이스를 더 포함할 수 있고, 냉각 유체 출구 및 냉각 유체 입구의 둘 모두는 상기 서셉터의 상기 냉각 유체 유동 경로에 연결된다. 상기 냉각 유체 순환 디바이스는 10-40% 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 갖는 수용액인 냉각 유체를 더 포함할 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 서셉터는 리프트 핀들(lift pins)을 포함하고, 상기 리프트 핀들 각각은 상기 서셉터의 표면으로부터 노출된 표면을 갖고, 적어도 상기 표면은 세라믹 물질로 만들어질 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 플라즈마 CVD 장치는 알루미늄 내벽을 갖는 반응 챔버를 더 포함할 수 있고, 상기 반응 챔버 내에 상기 서셉터 및 상기 샤워 플레이트는 평행하게 제공된다.
다른 관점에서, 본 발명은 다음을 포함하는 플라즈마 CVD에 의한 기판 상의 박막 증착 방법을 제공한다: (i) 반응 챔버 내에 청구항 1의 플라즈마 CVD 장치를 제공하는 단계; (ii) 상기 서셉터를 -50℃ 내지 20℃의 온도에서 제어하는 단계; (iii) 상기 서셉터의 표면 상에 기판을 안치하는 단계; (iv) 상기 샤워 플레이트를 통해서 상기 반응 챔버 내로 기체를 유입시키고 상기 샤워 플레이트에 RF 파워를 인가하는 단계; (v) 상기 기판 상에 박막을 증착한다.
상기 실시예는 하기의 실시예들을 더 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
상기 냉각 유체 유동 경로는 상기 서셉터의 바닥에 제공될 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 서셉터 온도를 제어하는 단계는 상기 냉각 유체 유동 경로를 통해서 냉각 유체를 순환시키는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 실시예들의 어느 것에 있어서도, 상기 냉각 유체는 10-40% 에틸렌 글리콜을 갖는 수용액일 수 있다.
발명을 요약하고 관련 기술에 비추어 얻어지는 장점들을 설명하기 위한 목적으로, 본 발명의 일부 목적 및 장점들이 여기에 개시된다. 물론, 모든 그러한 목적 또는 장점들이 본 발명의 여하의 특정 실시예에 따라서 반드시 얻어져야하는 것은 아니라는 것이 이해될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 여기에 교시되거나 암시될 수 있는 다른 목적 또는 장점들을 꼭 달성하지 않고서도 여기에 교시된 하나의 장점 또는 일군의 장점들을 달성하거나 또는 최적화시키는 형태로 구체화되거나 수행될 수 있음을 인식할 수 있다.
본 발명의 다른 관점, 특징 및 장점은 아래의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.
본 발명에 따르면, 비금속 서셉터 및/또는 샤워 플레이트를 사용하여, 반응 챔버 내에서 금속 오염을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 플라즈마 CVD에 의한 막 증착은 모든 기판 공정 및 배선 공정에 적용 가능하다. 게다가, 본 발명에 따르면, 증착 공정 전에 예비-도포나 상부 및 하부 전극을 보호하기 위한 여하의 다른 전통적인 수단들이 더 이상 필요하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 생산성뿐만 아니라 웨이퍼 처리의 단위 비용을 절감시킬 수 있다.
이제, 본 발명의 이러한 그리도 다른 특징들이 바람직한 실시예들의 도면들을 참조하여 설명될 것이고, 이러한 도면들은 본 발명을 설명하기 위한 것이고 제한할 의도로 제공된 것은 아니다. 도면들은 설명 목적으로 과도하게 단순화되었고, 그 비율대로 제공되지 않는다.
전술한 바와 같이, 디바이스 노드(device node)가 50 nm 수준에 근접함에 따라서 배선 패턴들 및 STI 기술은 심각하게 변화되고 있다. 특히 메모리 디바이스에 있어서, 절연막용 저유전율(low-k) 물질의 적용, Cu 배선의 도입, 및 다른 방법들은 RC 지연을 억제하기 위한 목적으로 검토되고 있다. 또한, 저유전율 물질이 그러한 목적으로 검토되는 경우, 금속전 유전체(pre-metal dielectric; PMD) 절연막들의 유전 상수를 줄이기 위한 필요가 있다. 한편, STI에 기초한 임베디드 산화막들(embedded oxide films)은 또한 그 폭이 점점 좁아지고, 오늘날 사용된 산화막들의 크기 및 애스펙트비(aspect ratio)는 각각 35 내지 50 nm의 범위 및 1:20 부근에 있다. 통상적인 방법들, 예컨대 HDP-CVD(고밀도 플라즈마 CVD) 및 O3계 CVD는 더 이상 충분한 매립을 달성할 수 없다. 이에 따라, 오늘날의 디바이스들은 배선 패턴 및 STI에 의해서 요구되는 본질적인 막 특성으로 좋은 매립 특성 및 미세 크기를 제공하는 막을 요구하고 있다. 실리콘 기판 상에 유체 반응체를 형성하고 이어서 이러한 반응체를 표면 장력에 의해서 기판 구조 내로 장입하기 위한 기술에 대한 연구가 행해지고 있다. 실리콘 기판 상에 유체 반응체를 형성하기 위해서, 서셉터 온도가 낮춰질 필요가 있는데, 왜냐하면 그러한 반응체의 형성은 플라즈마 방전에 의해서 증착된 반응체가 다시 액화될 때만 가능하기 때문이다. 보다 구체적으로는, 서셉터 온도는 바람직하게는 -50 내지 20℃ 범위이고, 만일 서셉터 온도가 이러한 범위를 넘어서면 충분한 매립 특성이 용이하게 달성될 수 없다. 여기에서, 증착된 막 물질은 후처리, 예컨대 열처리 또는 UV 경화(curing)를 거쳐서 경화되고, 그 결과 막으로 만들어진다. 상기 물질은 여전히 액체이고, 증착 단계에서 막 형태로 존재하지 않는다.
유사하게, 냉각 서셉터에 의해서 증착된 절연막은 또한 불완전한 상태에 있어서 약하고, 이것이 예비-코팅을 적용하기 어렵게 한다. 이러한 이유로, 본 발명의 일 실시예에서 비금속 물질들이 예비-코팅의 필요성을 없애기 위해서 반응기 내부의 구성용으로 사용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 세라믹, 예컨대 AlN 또는 Al2O3는 실리콘 기판의 앞면 및 뒷면이 금속 물질과 접촉하는 환경을 생성하는 것을 방지하기 위해서 샤워 플레이트 및/또는 냉각 서셉터를 구성하기 위해 사용된다.
본 발명은 바람직한 실시예들 및 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 바람직한 실시예들 및 도면들은 본 발명을 제한할 의도로 제공되지는 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다(이 도면은 설명의 목적으로 과도하게 단순화되었다). 이 실시예에서, 하부 세라믹 전극(24) 및 상부 세라믹 전극(22)은 반응 챔버(1) 내에 각각 평행하게 배치된다. 하부 세라믹 전극(24)은 냉각 서셉터이고 따라서 "냉각 서셉터"로도 불린다. 여기에서, 서셉터 그 자체는 세라믹으로 만들어진다. 또한, 이 실시예에서, 기판은 서셉터 바로 위에 놓여지고, 다른 물질로 만들어진 부가적인 플레이트 또는 분리된 부재가 없다. 일 실시예에서, AlN, 또는 Al2O3은 냉각 서셉터용 물질로 사용되고, 냉각 매체 유동 채널(cooling medium flow channel, 25)은 그 물질 안에 바로 형성된다. 참고적으로, 이러한 유동 채널은 AlN 또는 Al2O3 물질 내에 홀을 형성하여 유동 채널을 형성하거나 또는 이 유동 채널의 반으로 각각 형성된 두 AlN 또는 Al2O3 파트를 연결하여 형성될 수 있다. 냉각 서셉터가 또한 하부 전극으로 기능하기 때문에, RF 전극은 세라믹 냉각 서셉터 내에 내장된다.
반면에, 이 실시예에서 상부 세라믹 전극(22)은 그 안에 RF 전극이 내장된 세라믹 샤워 플레이트를 갖는다. 세라믹 샤워 플레이트의 상면은 그 샤워 플레이트 온도 조절을 가능하게 하는 가열 디바이스(17)를 갖는다. 일 실시예에서, 히터(미도시)가 또한 반응 챔버의 벽 속에 만들어져 그 반응 챔버 내의 온도 제어를 가능하게 한다. 이 도면에 도시된 장치는 모두 세라믹으로 만들어진 상부 및 하부 전극들을 갖지만, 일 실시예에서 단지 하부 전극만 세라믹으로 만들어질 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 서셉터의 단면을 보여주는 개략도이다. 이 서셉터는 기판 지지부(substrate supporting portion, 38) 및 샤프트부(shaft portion, 37)를 포함하고, 그리고 바람직하게는 이 둘은 완전히 세라믹으로 만들어질 수 있다. 일 실시예에서, 단지 기판 지지부(38)만이 세라믹으로 만들어질 수도 있다. 금속(예컨대 텅스텐 또는 티타늄)으로 만들어진 RF 플레이트(31)는 기판 지지부(38) 내에 (예를 들어, 표면으로부터 0.2 내지 50 mm 깊이에) 내장되고, 여기에서 RF 플레이트(31)는 그물과 같은(net-like) 형상, 또는 그 유사한 것, 그리고 약 0.1 내지 3mm의 두께를 갖는다. 접지 막대(ground bar, 34)는 이 RF 플레이트(31)에 연결되어 접지 연결을 제공한다. 이 기판 지지부(38)는 또한 냉각수 유동 채널(32)(비록 냉각 매체가 물에 한정되는 것은 아니지만, "냉각수 유동 채널"이라는 용어가 편의상 사용될 수 있다)을 갖고, 냉각수 유동 채널(32)은 냉각수 공급 파이프(35) 및 샤프트부(37) 내에 공급된 냉각수 순환 파이프(36)에 연결되고, 그 결과 냉각 매체는 냉각수 공급 파이프(35)로부터 샤프트부 근처 위치에서 냉각수 유동 채널(32)에 공급되고, 그에 따라 냉각 수단이 기판 지지부(38) 내에서 내부로부터 외부를 향해 순환되고 이어서 마지막으로 샤프트부 근처로 되돌아가 냉각수 순환 파이프(36)로부터 배출된다. 그런데, 도 3에 도시된 냉각수 유동 채널의 형상은 대략적이고 과도하게 단순화된 것이다. 냉각수 유동 채널(32)은 소용돌이(swirling) 형상 또는 예를 들어 원주 방향으로 지그재그로 움직이거나 굽이치는 형상을 갖고, 그 결과 냉각 매체는 기판 지지부(38) 내에서 균일하게 순환할 것이다. 기판 지지부(38)의 온도는 세라믹 내에 (예를 들어, 기판 지지부(38)의 깊이 의 중심에 대응되는 중심부근의 위치에) 내장된 온도 측정용 열전대(33)를 이용하여 측정될 수 있다.
참고로, 이 도면에서, 냉각수 유동 채널은 기판지지 표면 위에 불균일한 온도 불균일성을 줄이기 위해서 RF 플레이트 아래의 기판 지지부(38)의 바닥(기저)에 제공된다. 그러나, 일 실시예에서, 냉각수 유동 채널은 기판 지지부(38)의 깊이의 중심에 대응되는 위치에 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 냉각수 유동 채널의 크기는 단면으로 약 1 내지 10 cm2이다. 비록, 냉각수 유동 채널이 도 3에서 정사각형 단면을 갖지만, 이 단면은 일 실시예에서 원 또는 타원일 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 서셉터의 (위에서 본) 평면도의 개략도이다. 냉각 매체 유동 채널은 점선으로 표시된다. 이 냉각 매체 유동 채널(72)은, 냉각 매체가 중심 부근에 제공된 냉각 매체 입구 포트(73)로부터 냉각 서셉터로 들어가고, 중심으로부터 외부로 대략 소용돌이 형상으로 흐르고, 그리고 이어서 중심 부근에 제공된 냉각 매체 출구 포트(74)를 통해서 최외측부(75)로부터 냉각 서셉터를 빠져나가도록 제공된다. 이 실시예에서 제공된 서셉터가 도면에서 네 섹션으로 분할될 때, 냉각 매체 유동 채널은 좌상부 내에서를 제외하고 일정한 곡률을 유지한다. 구체적으로, 중심으로부터 외부 외면으로 이 순서대로 배치된 제 1 유동 채널(72a), 제 2 유동 채널(72b), 제3 유동 채널(72c) 및 제 4 유동 채널(72d)은 모두 각 유동 채널 섹션에서 일정한 곡률을 갖는다. 그러나, 소용돌이 형상을 형성하기 위해서, 좌상부에서 유동 채널은 직진부(72a', 72b', 72c') 및 아치부(arching portions)를 포함한다. 이러한 레이아웃을 채용함으로써, 리프트 핀용 홀(71)이 효과적으로 (냉각 효율을 감소시키지 않고) 피해질 수 있다(그리고 온도 측정용 열전대(33)가 효과적으로 또한 피해질 수 있다). 유동 채널은 서셉터의 두께 방향으로 단일 레벨로만 제공될 수 있지만, 또한 일 실시예에서 둘 또는 그 이상의 레벨을 갖도록 구성될 수도 있다.
이러한 유동 채널은 여하의 분리된 부재를 사용하지 않고 (예를 들어, 서셉터를 구성하는 세라믹을 소결하여 유동 채널에 대응하는 부분을 형성한 후 그리고 이어서 서셉터 세라믹을 소결한 후에 제거되는 물질을 사용하거나, 또는 오목 유동 채널을 갖는 일부를 주조하고 이어서 그것을 베이스가 되는 분리되어 형성된 부분에 연결함으로써) 세라믹 서셉터 내에 바로 형성될 수 있다. 유동 채널이 세라믹 서셉터 내에 바로 제공되기 때문에, 뛰어난 열전도율이 얻어질 수 있고, 그것이 다음에는 높은 냉각 효율로 인도한다. 게다가, 이 실시예에서 세라믹을 제외한 어떠한 다른 물질도 서셉터의 기판 지지부의 표면용으로 사용되지 않고, 이것이 기판 지지부의 표면(플라즈마에 노출된 표면)이 냉각 매체와 높은 열전도성을 형성하여 효과적으로 냉각된다.
일 실시예에서, 기판 지지부(38)의 두께는 약 1.5 내지 15 cm이고, 반면 그 직경은 약 33 내지 40 cm이다. 일 실시예에서, 샤프트부(37)의 직경은 약 5 내지 15 cm이고, 반면 그 길이는 약 15 내지 40 cm이다.
일 실시예에서, 냉각 유동 채널을 통해서 흐르는 냉각 매체는 약 20 내지 50% 물과 에탄올 및/또는 에틸렌 글리콜의 혼합물이다(예를 들어, 물로 50% 또는 그 이하 농도로 희석된 에탄올 용액, 또는 물로 60% 또는 그 이하로 희석된 에틸렌 글리콜 용액). 그러나, 냉각 매체는 전술한 용액에 한정되지 않고, 여하의 유체도 그 구성이 그 유체가 저온에서 어는 것을 방지하고 높은 비열 및 높은 유동성을 제공하는 한에서는 사용될 수 있다. 냉각 매체의 농도 및 물질은 다양한 인자, 예컨대 냉각에 의해서 낮춰질 온도에 따라서 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 냉각 매체의 냉각은 반응 챔버(1)의 외부에 설치된 냉각수 순환 디바이스(예컨대 후술하는 도 6의 66)를 이용하여 실현되며, 그 결과 냉각 매체 온도의 제어가 가능해진다. 이러한 온도 제어는 냉각수 순환 디바이스를 이용하여 냉각 매체 온도를 조절함으로써 달성된다. 특정 온도로 냉각된 냉각 매체의 장입 속도는 온도 측정용 열전대(33)의 온도(이 온도는 이후 "냉각 서셉터 온도"로 지칭됨)를 모니터링하여 필요한 만큼 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 냉각 서셉터 온도는 20도 또는 그 이하의 온도, 예컨대 50℃ 내지 20℃ (-40℃, -30℃, -20℃, -10℃, 0℃, 10℃ 및 전술한 여하의 두 숫자 사이의 값을 포함하여) 범위 내의 온도로 조절될 수 있다. 냉각이 수행될 때, 전술한 바와 같이 제어된 냉각 매체는 온도 제어를 공급하기 위해서 유동 채널을 통해서 일정하게 흐른다.
냉각 서셉터 주위로 이슬 맺힘을 방지하기 위해서, 반응기가 열고 닫힐 때, 냉각 서셉터 온도는 상온 또는 그 위로 (25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃ 및 전술한 여하의 두 숫자 사이의 값들을 포함하여) 유지되는 것이 바람직하고, 이것은 냉각 매체를 가열 매체(예컨대 온수)로 전환함으로써 용이하게 달성될 수 있다. 대안으로, 냉각 서셉터 온도는 반응기 내부 벽 내에 또는 샤워 플레이트 내에 제공된 히 터로부터의 방사열을 이용하여 전술한 바와 같이 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 온도 세팅은 바람직하게는 반응기가 대기 상태로 방면되는 순간 가열 모드로 전환될 수 있다.
일 실시예에서, 비금속 물질, 예컨대 AlN 또는 Al2O3이 또한 냉각 서셉터에서 동일한 방식으로 샤워 플레이트에 사용될 수 있다. 금속 오염은 플라즈마 방전이 일어나는 상부 및 하부 전극들 사이에 배치된 실리콘 기판에 심각한 영향을 주기 때문에, 바람직한 조처는 상부 및 하부 전극들 둘 다의 물질을 비금속 물질, 예컨대, AlN 또는 Al2O3으로 바꾸어 실리콘 기판의 상면 및 바닥면의 금속 오염을 극적으로 줄이는 것이다. 전술한 조처가 이행된 후 실리콘 기판의 상면 및 바닥면에 대한 검사가 수행되는 금속 오염 연구에서, 금속 오염의 레벨은 모든 금속 원소를 포함하여 5.0 x 1010 원자/cm2 또는 그 미만이다. 만일 상부 및 하부 전극들이 알루미늄으로 만들어진 경우, 약 1.0 x 1012 원자/cm2의 알루미늄 오염이 발생하고 이것은 반도체 소자 제조 공정에 의존하는 그러한 장치의 사용을 어렵게 할 것이다. 금속 오염을 줄이기 위해서 세정 공정을 부가하는 것이 또한 필요하다. 플라즈마 CVD에 기초한 많은 공정들이 금속 배선들 근처에 사용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 금속 오염은 크게 감소되고 따라서 플라즈마 CVD에 의한 막 증착은 모든 기판 공정 및 배선 공정에 가능하다. 게다가, 일 실시예에서 증착 공정 전에 예비-도포나 상부 및 하부 전극을 보호하기 위한 여하의 다른 전통적인 수단들이 더 이상 필요하 지 않게 되고, 이것은 생산성뿐만 아니라 또한 웨이퍼 처리의 단위 비용을 절감시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤워 플레이트(43)의 단면을 보여주는 개략도이다. 이 세라믹 샤워 플레이트는 그 안에 내장된 RF 플레이트(41)를 갖는다. 이 RF 플레이트는 기본적으로 세라믹 서셉터 내에 내장된 RF 플레이트와 동일한 구조를 갖는다. 샤워 플레이트는 기체를 배출하기 위한 많은 홀들(미도시)을 갖기 때문에, RF 플레이트는 이러한 홀들과 간섭되지 않게 구성될 수 있다. 세라믹 샤워 플레이트는 가열 디바이스(도 2의 17)를 갖고 샤워 플레이트 온도가 약 50 내지 250℃ 범위 내에서 제어되도록 한다. 일 실시예에서, 기체 출구에서 세라믹 샤워 플레이트의 두께는 약 0.2 내지 5cm이고, 반면 그 직경(외부 외면)은 약 30 내지 50 cm이다.
일 실시예에서, 서셉터 플레이트는 막 두께 등의 분포를 고려하여 그 표면 상에 높이 차이를 갖는다. 예를 들어, 도 5는 서셉터의 단면을 보여주는 개략도를 제공한다(냉각 매체 유동 채널은 나타내지 않음). 도 5에서, 서셉터(53)(직경 300 mm의 기판용)는 중심 부근에서 135 내지 150.5 mm의 면적 (또는 270 내지 301 mm 직경)을 덮는 점진적인 오목 영역(51)을 갖는다. 일 실시예에서, 이 오목 영역은 기판 지지 표면(기판을 지지하기 위해 사용된 표면)의 약 70 내지 95%(등가 수평 표면 영역)에 대응한다. 다른 실시예에서, 오목 영역은 기판과 실질적으로 또는 대략적으로 같다. 도 5에서, 오목 영역(51)은 중심 방향으로 경사지고, 그 깊이는 중심에서 0.5 내지 2 mm이다. 다른 실시예에서, 전체 오목 영역은 평평하고 복수의 움푹 들어간 곳(dimples)을 갖고 그 결과 그 표면은 기판과 완전히 접촉하지 못할 것이다. 일 실시예에서, 이러한 움푹 들어간 곳의 깊이는 40 내지 80 ㎛이다.
샤워 플레이트에 대해서, 일 실시예에서 막 두께의 분포는 서셉터에서와 동일한 방식으로, 원형 패턴 내에 배치된 홀들의 수뿐만 아니라 그 표면 상의 높이 에 의해서 제어된다. 예를 들어, 표면 형상의 개략도가 도 4에 도시된다. 도 4에서, 점진적인 볼록 영역(42)은 중심 부근의 20000 내지 69000 mm2를 덮도록 샤워 플레이트 표면 상에 제공되고, 여기에서 이 영역은 샤워 플레이트의 앞면의 약 25 내지 90%(등가 수평 표면 면적으로)을 차지한다. 일 실시예에서, 볼록 영역의 중심 높이는 샤워 플레이트의 외부 외면으로부터 측정될 때 약 0.5 내지 6 mm이다. 그러나, 많은 경우 평평한 샤워 플레이트는 표준 규격으로 사용됨에 주의하라.
전술한 바와 같이, 금속 오염을 줄이기 위해서 웨이퍼와 접촉되는 영역에 비금속 물질, 예컨대 AlN 또는 Al2O3을 사용하는 것이 효과적이다. 상부 및 하부 전극들을 비금속 물질로 구성하는 것은 또한 그 전극들 주위에 기체 유동이 고려될 때 상부 및 하부 전극들 사이의 영역이 플라즈마 반응에 의해서 생성된 활성 종(active species)에 영향을 받기 쉽다는 점에서 효과적이다. 만일 상부 전극이 금속 물질로 만들어진다면, 상부 전극으로부터 흘러 내려오는 기체는 금속과 만나고, 그리고 이것은 금속 오염물의 부착에 이른다. 이에 따라, 하부 전극뿐만 아니라 또한 상부 전극이 비금속 물질로 만들어질 필요가 있다.
플라즈마 CVD에 의한 막 형성 방법은 통상적인 장치의 예에서 이미 설명되었 다. 특히, 샤워 플레이트를 통해서 반응기 내로 유입된 기체는 상부 및 하부 전극들을 각각 구성하는 샤워 플레이트 및 서셉터의 사이에서 방전된 플라즈마와 반응하고, 그 반응물이 실리콘 기판 상에 증착된다. 이후, 기체는 배출 플레이트에 의해서 배출 라인으로 인도되고 건조 펌프로 이동되고, 그리고 마지막으로 배출된다. 냉각 서셉터 플레이트는 냉각 서셉터 내에서 흐르는 냉각 매체를 제어함으로써 냉각된다. 서셉터 플레이트의 온도는 서셉터 내에 장착된 열전대에 의해서 검출된다. 온도 제어는 냉각수 순환 디바이스에 의해서 제어되는 냉각 매체를 유동 채널을 통해서 서셉터 내로 도입함으로써 수행된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다. 이 도면에서, 세 반응 챔버들(1)은 게이트 밸브(70)를 통해서 기판 트랜스퍼 챔버(68)에 연결된다. 두 로드락 챔버들(63)은 또한 기판 트랜스퍼 챔버(68)에 연결된다. 로드락 챔버(63)는 미니 환경(mini environment, 67)을 통해서 기판 카세트(61)에 연결된다. 기판은 미니 환경(67) 내에 위치한 대기압 로봇(atmospheric robot, 62)에 의해서 기판 카세트(61)로부터 로드락 챔버(63) 내로 이송되고, 이어서 기판 트랜스퍼 챔버(68) 내에 위치한 진공 로봇(vacuum robot, 64)에 의해서 상기 기판이 처리될 각 반응 챔버(1) 내로 더 이송된다. 냉각 서셉터(24)는 반응 챔버(1) 내에 제공되고, 그리고 이 냉각 서셉터(24)는 냉각수 순환 디바이스(66)에 연결되고 그 결과 냉각 매체는 냉각 서셉터 내에서 순환되도록 냉각 매체 공급 파이프(69)를 통해서 냉각수 순환 디바이스(66)로부터 공급되고, 결국 냉각 매체 순환 파이프(65)를 통해서 냉각수 순환 디바이스(66)로 되돌아온다.
참고로, AlN 및 Al2O3이 세라믹 물질로 주요하게 사용됨에도 불구하고, BN 및 다른 물질들이 또한 일 실시예에서 사용될 수 있다.
본 개시에서, 조건들 및/또는 구조는 구체화되지 않았지만, 해당 기술 분야에서 숙련된 자라면 본 개시에 비추어 통상의 실험을 거쳐서 그러한 조건들 및/또는 구조들을 용이하게 제공할 수 있다.
또한, 본 개시에서, 실시예들에서 제공된 숫자는 다른 실시예들에서 ±50%만큼 수정될 수 있고, 실시예들에서 적용된 범위들은 종점들을 포함하거나 또는 배제할 수 있다.
예(example)
본 발명은 예들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 예들은 본 발명의 제한할 의도로 제공된 것은 아니다. 예들에서, 플라즈마 CVD 장치로서, Eagleⓡ10 (ASM 일본)이 예들에서 설명된 서셉터 및 샤워 플레이트를 제외하고 사용되었다.
통상적인 예
여기에 사용된 서셉터, 샤워 플레이트 및 막 증착 조건들은 아래와 같다:
샤워 플레이트 물질: 알루미늄
서셉터 물질: 알루미늄
서셉터 온도: 0℃
샤워 플레이트 온도: 100℃
반응기 측벽 온도: 100℃
DM-DMOS 유량: 25 sccm
헥산(hexane) 유량: 80 sccm
헬륨(He) 유량: 630 sccm
O2 유량: 100 sccm
반응기 압력: 400 Pa
방전 갭(discharge gap): 20 mm
전술한 조건들 하에서 동작 결과, 하기 레벨의 금속 오염이 검출되었다(ICP-MS 평가에 기초함). 참고로, 표준은 각 원소에 대해서 5 x 1010 원자/cm2 또는 미만이다. "기타(others)"는 니켈 및 망간과 같은 금속 원소들의 합을 나타낸다.
알루미늄: 1 x 1013 원자/cm2
티타늄: 3 x 1011 원자/cm2
크롬: 8.5 x 1010 원자/cm2
기타: 5 x 1010 원자/cm2 또는 그 미만
위와 같이, 기타 금속 원소들의 금속 오염이 표준 근처이었지만, 알루미늄, 티타늄 및 크롬은 모두 표준을 초과했고, 금속 오염이 확인되었다. 여기에서, 검출된 금속들은 상부 및 하부 전극들로부터 기인한 것으로 가정된다.
예 1
여기에 사용된 서셉터, 샤워 플레이트 및 막 증착 조건들은 아래와 같다:
샤워 플레이트 물질: AlN
서셉터 물질: AlN
서셉터 온도: 0℃
샤워 플레이트 온도: 100℃
반응기 측벽 온도: 100℃
DM-DMOS 유량: 25 sccm
헥산(hexane) 유량: 80 sccm
헬륨(He) 유량: 630 sccm
O2 유량: 100 sccm
반응기 압력: 266 Pa
방전 갭: 20 mm
전술한 조건들 하에서 동작 결과, 하기 레벨의 금속 오염이 검출되었다(ICP-MS 평가에 기초함). 참고로, 표준은 각 원소에 대해서 5 x 1010 원자/cm2 또는 미만이다. "기타"는 철, 크롬, 티타늄 및 니켈과 같은 금속 원소들의 합을 나타낸다.
알루미늄: 4.5 x 1010 원자/cm2
기타: 5 x 1010 원자/cm2 또는 미만
위와 같이, 금속 오염 레벨에 있어서 큰 향상이 있었다. 특히, 알루미늄 오 염은 세 차수(order) 정도 감소되었다.
예 2
여기에 사용된 서셉터, 샤워 플레이트 및 막 증착 조건들은 아래와 같다:
샤워 플레이트 물질: AlN
서셉터 물질: AlN
서셉터 온도: 0℃
샤워 플레이트 온도: 100℃
반응기 측벽 온도: 100℃
DM-DMOS 유량: 25 sccm
헥산(hexane) 유량: 80 sccm
헬륨(He) 유량: 830 sccm
O2 유량: 100 sccm
반응기 압력: 800 Pa
방전 갭: 20 mm
전술한 조건들 하에서 동작 결과, 하기 레벨의 금속 오염이 검출되었다(ICP-MS 평가에 기초함). 참고로, 표준은 각 원소에 대해서 5 x 1010 원자/cm2 또는 미만이다. "기타"는 철, 크롬, 티타늄 및 니켈과 같은 금속 원소들의 합을 나타낸다.
알루미늄: 3 x 1010 원자/cm2
기타: 5 x 1010 원자/cm2 또는 미만
위와 같이, 금속 오염 레벨에 있어서 큰 향상이 있었다. 특히, 알루미늄 오염은 세 차수 정도 감소되었다.
본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 많은 그리고 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명의 형태는 단지 설명을 위해서 제공되고 본 발명의 범위를 제한하지 않음은 명백하게 이해되어야 한다.
도 1은 통상적인 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 서셉터의 단면을 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤워 플레이트의 단면을 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터의 단면을 보여주는 개략도이다(냉각 매체 유동 채널은 나타내지 않음).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 반응기들 및 서셉터 냉각 디바이스를 포함하는 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 서셉터의 평면을 보여주는 개략도이다.
사용된 부호들의 설명은 다음과 같다: 1: 반응 챔버; 2: 상부 전극 (샤워 플레이트); 3: 하부 전극(서셉터); 4: 라디오-주파수(RF) 제너레이터; 5: 반도체 기판; 6: 기체 공급 포트; 7; RF 파워 공급 포트; 8; 배출 포트; 17: 가열 디바이스; 22: 세라믹 샤워 플레이트; 24: 세라믹 서셉터(냉각 서셉터); 31: RF 전극; 32: 냉각 매체 유동 채널; 33: 열전대; 34: 접지 막대; 35: 냉각수 공급 파이프; 36: 냉각수 순환 파이프; 37: 샤프트부; 38: 기판 지지부; 41: RF 플레이트; 42: 볼록 영역; 43: 샤워 플레이트; 51: 볼록 영역; 53: 냉각 서셉터; 61: 웨이퍼 카세트; 62: 대기압 로봇; 63: 로드락 챔버; 64: 진공 로봇; 65: 냉각수 순환 파이프; 66: 냉각수 순환 디바이스; 67: 미니 환경; 68: 웨이퍼 트랜스퍼 챔버; 69: 냉각수 공급 파이프; 70: 게이트 밸브.

Claims (16)

  1. 전극으로 기능하고, 그 위에 기판을 안치시키고 접촉하기 위한 냉각 서셉터; 및
    그 안에 형성된 다중 관통홀들(throughholes)을 통해서 상기 서셉터를 향해서 기체를 유입시키기 위한 샤워 플레이트를 포함하고,
    상기 냉각 서셉터는 냉각 유체를 관통시키기 위한 냉각 유체 유동 경로를 구비하는 세라믹 물질로 만들어지고, 상기 샤워 플레이트는 전극으로 기능하고 상기 서셉터에 평행하게 배치된, 플라즈마 CVD 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 서셉터는 상기 서셉터 내에 내장된 RF 플레이트를 더 구비하는 플라즈마 CVD 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 샤워 플레이트는 세라믹 물질로 만들어진 플라즈마 CVD 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 유체 유동 경로는 상기 서셉터의 바닥에 제공된 플라즈마 CVD 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 서셉터를 구성하는 상기 세라믹 물질은 AlN 또는 Al2O3인 플라즈마 CVD 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 샤워 플레이트를 구성하는 상기 세라믹 물질은 AlN 또는 Al2O3인 플라즈마 CVD 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 샤워 플레이트는 볼록한 중심 영역을 갖는 플라즈마 CVD 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 서셉터는 오목한 중심 영역을 갖는 플라즈마 CVD 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 냉각 유체 출구 및 냉각 유체 입구를 갖는 냉각 유체 순환 디바이스를 더 포함하고, 상기 냉각 유체 출구 및 상기 냉각 유체 입구는 상기 서셉터의 상기 냉각 유체 유동 경로에 연결된 플라즈마 CVD 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 냉각 유체 순환 디바이스는 10-40% 에틸렌 글리콜을 갖는 수용액인 냉각 유체를 더 포함하는 플라즈마 CVD 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 서셉터는 리프트 핀들을 포함하고, 상기 리프트 핀 들 각각은 상기 서셉터의 표면으로부터 노출된 표면을 갖고, 적어도 상기 표면은 세라믹 물질로 만들어진 플라즈마 CVD 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 알루미늄 내벽을 갖는 반응 챔버를 더 포함하고, 상기 반응 챔버 내에서 상기 서셉터 및 상기 샤워 플레이트는 평행하게 제공된 플라즈마 CVD 장치.
  13. 반응 챔버 내에 제 1 항의 플라즈마 CVD 장치를 제공하는 단계;
    상기 서셉터를 -50℃ 내지 20℃의 온도에서 제어하는 단계;
    상기 서셉터의 표면 상에 기판을 안치하는 단계;
    상기 샤워 플레이트를 통해서 상기 반응 챔버 내로 기체를 유입시키고 상기 샤워 플레이트에 RF 파워를 인가하는 단계; 및
    상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함하는, 플라즈마 CVD에 의해서 기판 상에 박막을 증착하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 냉각 유체 유동 경로는 상기 서셉터의 바닥에 제공하는, 플라즈마 CVD에 의해서 기판 상에 박막을 증착하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 서셉터 온도를 제어하는 단계는 상기 냉각 유체 유동 경로를 통해서 냉각 유체를 순환시키는 것을 포함하는, 플라즈마 CVD에 의해서 기판 상에 박막을 증착하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 10-40% 에틸렌 글리콜을 갖는 수용액인, 플라즈마 CVD에 의해서 기판 상에 박막을 증착하는 방법.
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