KR20100026700A - 광 유도 화학기상 증착장치 - Google Patents

광 유도 화학기상 증착장치 Download PDF

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Abstract

기판에 우수한 품질의 박막을 증착시킬 수 있는 광 유도 화학기상 증착장치에 관해 개시한다. 본 발명의 광 유도 화학기상 증착장치는, 기판 지지대에 위치한 기판에 대한 반응공간을 제공하는 반응챔버와; 상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급부와; 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광을 발생시키는 광원부와; 상기 광원부에서 나오는 광이 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광 조사부와; 상기 광 조사부를 통과한 반응가스 분해입자에 에너지를 부가하거나 이를 이온화하기 위해, 상기 광 조사부를 지나온 반응가스가 통과하는 경로에 설치되되, 상기 기판에 플라즈마의 영향을 주지 않도록 상기 기판과는 분리된 플라즈마 발생부를 구비하여 상기 기판 상에 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
광 유도 화학기상 증착장치, 박막 품질, 플라즈마, 이온화, 전기장

Description

광 유도 화학기상 증착장치 {Apparatus for Light Induced Chemical Vapor Deposition}
본 발명은 광 유도 화학기상 증착장치에 관한 것으로, 특히, 넓은 공정 윈도우를 가지면서 기판에 우수한 품질의 박막을 증착시킬 수 있는 광 유도 화학기상 증착장치에 관한 것이다.
전자 소자의 미세화, 고집적화에 따라 전자소자 제조기술분야에서는 다른 박막 증착공정보다 비교적 저온에서 박막을 기판에 증착할 수 있는 방법이 요구되었다. 이러한 저온 박막 증착법 중의 하나인 광 유도 화학기상 증착법(Light Induced Chemical Vapor Deposition; 이하, LICVD)은 기판에 금속막, 실리콘막, 게르마늄막 등을 증착시키기 위해 주로 사용되어 왔다.
그 중에서 실레인(SiH4) 가스에 광, 특히 레이저광을 조사하여 기판에 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous Si, 이하, "a-Si:H")막을 증착하는 예가 D. Metzger, K. Hesch, and P. Hess, "Process Characterization and Mechanism for Laser-Induced Chemical Vapor Deposition of a-Si:H from SiH4" Appl. Phys. A 45, 345-353 (1988)의 논문에 개시되어 있다. 이 논문은 SiH4에 대한 레이저광 유도 분해에 의한 a-Si:H 박막증착이 여러 가지 공정변수에 대해 어떤 의존성을 갖는지를 연구한 것이다. 이러한 연구에 사용된 증착장치가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 종래기술에 따른 LICVD 공정에 사용되는 장치의 일 예를 나타내는 개략적 단면도이다. 도 1을 참조하면, 레이저광 유도 화학기상 증착장치(100)은 챔버벽(10)으로 둘러싸인 반응공간(20)을 제공한다. 반응공간(20)에는 기판(40)에 증착막을 생성하기 위한 반응가스(예컨대, a-Si:H 박막을 증착하고자 하는 경우에는 SiH4 가스)가 주입되는데, 이 반응가스는 수 ㎜ 직경의 실린더형 노즐을 통해 기판(40) 표면에 평행하게 레이저 빔(30)의 높이 부근에 주입되거나, 기판(40) 표면의 방향으로 주입된다. 그런데, 이와 같은 구조의 레이저광 유도 화학기상 증착장치(100)에서 박막을 증착할 경우, 강한 에너지 주입에 따른 기상반응에 의한 증착이 이루어지기 때문에 증착률이 다른 공정에 비하여 높은 편인데 반해, 양질의 박막을 얻기 위해서 공정 윈도우(process window)가 매우 좁은 편이다. 즉, 반응공간(20) 내의 온도, 반응가스의 시간당 공급률(flow rate), 레이저광의 강도 등의 공정 파라미터가 매우 엄격한 범위 내에서 관리되어야 기판(40) 상에 양질의 박막을 형성할 수 있다는 어려움이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 넓은 공정 윈도우를 가지면서 우수한 품질의 박막을 기판에 증착시킬 수 있는 광 유도 화학기상 증착장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 광 유도 화학기상 증착장치는:
기판 지지대에 위치한 기판에 대한 반응공간을 제공하는 반응챔버와;
상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급부와;
상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광을 발생시키는 광원부와;
상기 광원부에서 나오는 광이 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광 조사부와;
상기 광 조사부를 통과한 반응가스 분해입자에 에너지를 부가하거나 이를 이온화하기 위해, 상기 광 조사부를 지나온 반응가스가 통과하는 경로에 설치되되, 상기 기판에 플라즈마의 영향을 주지 않도록 상기 기판과는 분리된 플라즈마 발생부;
를 구비하여 상기 기판 상에 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광 유도 화학기상 증착장치에 따르면, 기판 상에 우수한 품질의 박막을 증착시킬 수 있기 때문에 제조된 전자소자의 신뢰성이 높아진다. 또한, 이러한 박막을 증착하는 공정을 진행함에 있어서 공정 윈도우가 넓어지기 때문에 박막 증착 공정의 에러가 발생하지 않고 용이하게 공정을 진행할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치(200)의 개략적 단면도이다. 도 2를 참조하여, 광 유도 화학기상 증착장치(200)의 구조 뿐만 아니라 그 증착장치(200)에서 SiH4 가스를 반응가스로 이용하여 실리콘(Si)막을 형성하는 예에 대해 설명하기로 한다. 박막이 증착될 기판(260)은 기판 지지대(270) 상에 놓여 있으며, 기판(260)에 대한 반응공간은 반응챔버(280)에 의해 제공된다. SiH4 반응가스는 반응가스 공급부(230)를 통해 공급되는데, 반응가스 공급부(230)의 중간에는 석영창(240)이 설치되어 있어서 광원부(210)에서 나오는 조사광(220)이 통과할 수 있게 되어 있다. 광원부(210)는 자신으로부터 방출되는 조사광(220)이 반응가스를 여기시켜서 분해할 수 있는 것이면 어떤 것이건 선택가능하며, ArF 엑시 머 레이저, KrF 엑시머 레이저, CO2 레이저 등의 레이저 광원부 또는 할로겐 램프, IR 램프 등의 램프 광원부일 수 있다. 조사광(220)이 석영창(240) 사이를 지나가면서 반응가스와 만나는 공간이 광조사부(222)인데, 여기서 SiH4 반응가스는 조사광(220)으로부터 에너지를 흡수하여 아래의 화학식과 같이 분해된다.
[화학식]
SiH4 ---> Si + 2H2
분해된 결과물은 실리콘 나노입자(Si cluster)를 형성하기도 하는데, 이러한 입자들(Si, Si 클러스터)이 Ar 가스와 같은 비활성가스의 플라즈마 챔버(250)를 지나가면서 에너지를 얻는 것과 동시에 이온화된 입자들의 충격에 의하여 일부는 이온화되기도 한다. 이러한 입자들에는, 비활성기체의 이온화 입자, 반응가스에서 떨어져 나온 입자 등이 포함되는데, 예컨대 Ar+, Si 혹은 Si+, Si 클러스터 혹은 이온화된 Si-클러스터 등이 될 수 있다. 이들 입자들은 반응챔버(280) 내로 들어간 후, 기판(260) 상으로 유도되어 박막의 증착이 이루어지게 된다. 그런데, 반응챔버(280) 내에 들어간 입자들은 반응챔버(280) 내에서 확산되어 버리기 때문에, 이들 중의 일부라도 방향성을 갖도록 하여 기판(260)에 유도시킨다면 기판(260) 상에 형성되는 박막의 품질이 좋아지게 된다. 따라서, 본 실시예의 장치에는 이온화된 입자들이 기판(260)으로 끌려가도록 기판(260)에 전기장을 인가하는 장치가 연결된다. 이러한 전기장 인가장치는, 기판(260)의 상부에 이격되게 설치한 그물망 형태의 전극(290)과 이에 연결된 전원(292)을 포함하여 이루어진다. 전원의 일단은 그 물망 형태의 전극(290)에, 타단은 기판(260)의 저면에 접촉하는 기판 지지대(270)에 각각 전기적으로 접속된다. 본 실시예의 장치에서는 SiH4 가스를 반응가스의 예로 들었으므로, SiH4 가스에서 분해되는 이온화된 입자들을 기판(260) 쪽으로 끌어가기 위해서는 전원(292)의 양극이 그물망 형태의 전극(290)에, 전원(292)의 음극이 기판 지지대(270)에, 각각 전기적 접속되는 것이 당연하다. 여기서, 전극(290)의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 그물망 형태인 경우에는 전극(290)과 반응챔버(280)의 상부벽 사이의 공간(294)에 이온화된 입자가 있더라도 그물망을 통과하여 쉽게 기판(260)에 도달할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 전원(292)에는 전기장 강도 조절수단으로 작용할 수 있도록 전압조절장치가 포함될 수 있다. 전압조절장치에 의해 전기장 강도를 조절할 수 있으면, 기판(260)에 이미 증착된 박막에 과도한 에너지를 가지는 이온화된 입자가 충격을 가하여 손상이 발생하는 문제를 방지할 수 있다. 한편, 본 실시예의 장치에서 반응가스가 공급되는 부위를 제외하고는, 플라즈마 챔버(250)는 반응챔버(280)와 격리되어 있는데, 플라즈마 챔버(250)가 반응챔버(280)와 널리 연통되어 있을 경우에는 비활성가스의 플라즈마 성분, 예컨대 Ar+ 이온 등의 플라즈마 성분이 이미 증착된 박막에 스퍼터링(sputtering) 충격을 줄 수 있기 때문이다. 또한, 본 실시예에 도시한 바와 같은 전기장 인가장치 이외에도, 기판이 비도전성일 경우에는 RF(교류)를 인가하여 전위차를 형성하여전기장을 부가할 수도 있으므로 전기장 인가장치가 반드시 직류 전원에 의해서만 형성되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치(300)의 개략적 단면도이다. 도 3의 광 유도 화학기상 증착장치(300)와 도 2의 광 유도 화학기상 증착장치(200)는 대부분의 구조에서 유사하지만, 도 3의 광 유도 화학기상 증착장치(300)에서는 반응가스 공급부(230) 및 플라즈마 발생부(250)가 반응챔버(280)의 상부에 위치하여, 반응가스가 기판에 나란한 방향이 아닌 기판(260) 쪽으로 공급되는 점이 다르다. 이 경우에는 반응가스의 분해입자가 기판(260)으로 모멘텀을 가지고 자체적으로 접근하기 때문에, 도 2에 도시된 장치보다도 더 우수한 품질의 박막을 형성하는 데 도움이 될 수 있다. 이 경우, 이온화된 분해입자를 기판(260)으로 유도하는 전극이 불필요할 수도 있으나, 만약 이온화된 분해입자가 기판(260)쪽으로 조절된 속도로 접근할 수 있도록 전극을 설치해야 한다면, 도 3에 도시된 바와 같이 그물망 형태의 전극(290)을 설치하여야 이온화된 분해입자가 전극에 의해 차폐되어 기판(260) 쪽으로 유도되지 못하는 현상을 방지할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 장치들을 이용할 경우, 반응가스가 SiH4 가스라면, 공정 조건에 따라서 양질의 비정질 실리콘막(a-Si막)에서 나노크리스탈 실리콘막(nc-Si막) 혹은 마이크로크리스탈 실리콘막(uc-Si막), 다결정 실리콘막(poly-Si막) 등을 증착할 수 있다. 또한, 반응가스의 분해입자들이 플라즈마 발생부에서 충분한 에너지를 가질 수 있어서, 넓은 공정 윈도우에서 공정을 진행할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 4는 도 3에 도시된 광 유도 화학기상 증착장치의 변형례를 나타낸 단면도 이다. 도 4의 장치는, 도 3의 장치에서 반응가스 공급부(230)를 노즐형태로 길게 형성하고 이를 90도 수평회전하여 나타낸 것이다. 도시를 간단하게 하기 위해, 반응챔버(280)의 벽과 기판 지지대(270)를 생략하고 나타내었다. 도 4를 참조하면, SiH4 반응가스는 긴 노즐 형태의 반응가스 공급부(230)를 통해 공급된다. 이 때, SiH4 반응가스 외에도 비활성 가스인 Ar 가스도 반응가스 공급부(230)를 통해 함께 공급될 수도 있다. 이 반응가스는 공급 경로 상에서 조사광(220)을 만나서 SiH4 ---> Si + 2H2로 분해되거나, Si 입자, Si 클러스터 등의 증착용 가스 분해물질(520)을 만들어내게 된다. 도 4에서 조사광(220)이 빔스폿으로 표시된 것은 도 3의 장비를 90도 수평회전시켰기 때문이다. 증착용 가스 분해물질(520)은 바로 아래에 있는 튜브 형태의 플라즈마 챔버(250)를 거치는데, RF 파워를 공급할 수 있도록 RF 코일이 그 둘레에 감겨진다. 한편 플라즈마 챔버(250) 내에는 Ar 가스 등의 비활성 가스 뿐만 아니라 B2H6, PH3 등의 소프트 도핑용 가스가 공급될 수 있다. 이러한 소프트 도핑용 가스는 플라즈마 챔버(250) 내에서 B+ 또는 P+ 를 포함하도록 분해되어 전원(292)에 의해 음의 전위로 유지되는 기판 쪽으로 주입됨으로써 증착되는 박막(510)이 P-형으로 소프트 도핑이 될 수 있게 해준다. 도 4에서 설명되지 않은 참조번호 500은 기판 가열을 위한 램프, 540은 플라즈마 챔버에서 에너지를 얻거나 이온화된 반응가스 분해물질을 나타낸다. 도 4의 장치에서 특징적인 것은 전원(292)의 음극이 기판(260)에 연결되고 전원(292)의 양극을 접지시킴으로써 반응 챔버 내에 별도의 그물망 형태의 양전극을 마련하지 않았다는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 LICVD 공정에 사용되는 장치의 일 예를 나타내는 개략적 단면도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치의 개략적 단면도;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치의 개략적 단면도; 및
도 4는 도 3에 도시된 광 유도 화학기상 증착장치의 변형례를 나타낸 단면도이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
200, 300: 광 유도 화학기상 증착장치 210: 광원부
220: 조사광 222: 광조사부
230: 반응가스 공급부 240: 석영창
250: 플라즈마 챔버 260: 기판
270: 기판 지지대 280: 반응챔버
290: 전극 292: 전원
500: 램프 510: 박막
520: 증착용 가스 분해물질
540: 플라즈마 챔버에서 에너지를 얻거나 이온화된 반응가스 분해물질

Claims (9)

  1. 기판 지지대에 위치한 기판에 대한 반응공간을 제공하는 반응챔버와;
    상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급부와;
    상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광을 발생시키는 광원부와;
    상기 광원부에서 나오는 광이 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광 조사부와;
    상기 광 조사부를 통과한 반응가스 분해입자에 에너지를 부가하거나 이를 이온화하기 위해, 상기 광 조사부를 지나온 반응가스가 통과하는 경로에 설치되되, 상기 기판에 플라즈마의 영향을 주지 않도록 상기 기판과는 분리된 플라즈마 발생부;
    를 구비하여 상기 기판 상에 박막을 형성하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응가스 공급부 및 상기 플라즈마 발생부가 상기 반응챔버의 상부에 위치하여, 상기 반응가스가 상기 기판 쪽으로 공급되는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원부가 레이저 광원부 또는 할로겐 램프, IR 램프 등의 램프 광원부인 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응가스 분해입자 중 이온화된 것들이 상기 기판으로 끌려가도록 상기 기판에 전기장 인가장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기장 인가장치가 상기 기판의 상부에 이격되게 설치한 전극과 이에 연결된 전원을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판의 상부에 이격되게 설치한 전극이 그물망 형태인 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 전기장 인가장치가 전기장 강도 조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생부에 비활성 가스 이외에 소프트 도핑용 가스가 더 공급되는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 기판에 음의 전위가 유지되도록 상기 전기장 인가장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220038192A (ko) * 2014-10-28 2022-03-25 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 금속 실리사이드 배선 나노와이어 구조를 형성하기 위한 방법들

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