KR20120035560A - 대칭형 유입구 및 유출구를 통해 반응가스를 공급하는 기판 처리 장치 - Google Patents

대칭형 유입구 및 유출구를 통해 반응가스를 공급하는 기판 처리 장치 Download PDF

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KR20120035560A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판처리장치는 기판에 대한 공정이 이루어지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 기판이 놓여지는 기판지지대; 그리고 상기 챔버의 내부에 반응가스를 공급하는 유입구 및 상기 챔버 내부에 공급된 상기 반응가스를 배출하는 유출구가 대칭을 이루어 형성되는 샤워헤드를 구비하며, 상기 반응가스는 상기 챔버의 내부에서 상기 기판과 대체로 나란한 방향으로 흐른다.

Description

대칭형 유입구 및 유출구를 통해 반응가스를 공급하는 기판 처리 장치{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS SUPPLYING PROCESS GAS USING SYMMETRIC INLET AND OUTLET}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대칭을 이루어 형성된 유입구와 유출구를 통해 반응가스를 공급하는 기판처리장치에 관한 것이다.
반도체 장치는 실리콘 기판 상에 많은 층들(layers)을 가지고 있으며, 이와 같은 층들은 증착공정을 통하여 기판 상에 증착된다. 이와 같은 증착공정은 몇가지 중요한 이슈들을 가지고 있으며, 이와 같은 이슈들은 증착된 막들을 평가하고 증착방법을 선택하는 데 있어서 중요하다.
첫번째는 증착된 막의 '질'(qulity)이다. 이는 조성(composition), 오염도(contamination levels), 손실도(defect density), 그리고 기계적?전기적 특성(mechanical and electrical properties)을 의미한다. 막들의 조성은 증착조건에 따라 변할 수 있으며, 이는 특정한 조성(specific composition)을 얻기 위하여 매우 중요하다.
두번째는, 웨이퍼를 가로지르는 균일한 두께(uniform thickness)이다. 특히, 단차(step)가 형성된 비평면(nonplanar) 형상의 패턴 상부에 증착된 막의 두께가 매우 중요하다. 증착된 막의 두께가 균일한지 여부는 단차진 부분에 증착된 최소 두께를 패턴의 상부면에 증착된 두께로 나눈 값으로 정의되는 스텝 커버리지(step coverage)를 통하여 판단할 수 있다.
증착과 관련된 또 다른 이슈는 공간을 채우는 것(filling space)이다. 이는 금속라인들 사이를 산화막을 포함하는 절연막으로 채우는 갭 필링(gap filling)을 포함한다. 갭은 금속라인들을 물리적 및 전기적으로 절연시키기 위하여 제공된다.
이와 같은 이슈들 중 균일도는 증착공정과 관련된 중요한 이슈 중 하나이며, 불균일한 막은 금속배선(metal line) 상에서 높은 전기저항(electrical resistance)을 가져오며, 기계적인 파손의 가능성을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 공정균일도를 확보할 수 있는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판처리장치는 기판에 대한 공정이 이루어지는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 기판이 놓여지는 기판지지대; 그리고 상기 챔버의 내부에 반응가스를 공급하는 유입구 및 상기 챔버 내부에 공급된 상기 반응가스를 배출하는 유출구가 대칭을 이루어 형성되는 샤워헤드를 구비하며, 상기 반응가스는 상기 챔버의 내부에서 상기 기판과 대체로 나란한 방향으로 흐른다.
상기 샤워헤드는 상기 유입구에 연결되며 상기 반응가스의 유동방향에 따라 단면적이 증가하는 하나 이상의 확산유로들을 가질 수 있다.
상기 샤워헤드는 상기 유입구에 연결되며 상기 반응가스의 유동방향에 따라 단면적이 증가하는 복수의 확산유로들과 상기 확산유로들을 서로 연결하는 유입연결유로들을 가질 수 있다.
상기 확산유입유로들은 상하로 배치될 수 있다.
상기 샤워헤드는 상기 유출구에 연결되며 상기 반응가스의 유동방향에 따라 단면적이 감소하는 복수의 수렴유로들과 상기 수렴유로들을 서로 연결하는 유출연결유로들을 가질 수 있다.
상기 샤워헤드는 중앙 부분이 비어 있는 링 형상이고, 상기 기판처리장치는 상기 중앙 부분에 대응되도록 상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 챔버의 내부에 전계(electric field)를 형성하는 안테나를 포함하며, 상기 안테나는 기설정된 중심선을 기준으로 대칭을 이루도록 배치되는 제1 및 제2 안테나를 구비하고, 상기 제1 안테나는 제1 및 제2 반경을 각각 가지고 기설정된 중심선을 기준으로 일측 및 타측에 각각 위치하는 반원 형상의 제1 내측안테나 및 제1 중간안테나와, 상기 제1 내측안테나 및 상기 제1 중간안테나를 서로 연결하는 제1 연결안테나를 가지며, 상기 제2 안테나는 상기 제1 및 제2 반경을 각각 가지고 상기 중심선을 기준으로 일측 및 타측에 각각 위치하는 반원 형상의 제2 중간안테나 및 제2 내측안테나와, 상기 제2 중간안테나 및 상기 제2 내측안테나를 서로 연결하는 제2 연결안테나를 구비할 수 있다.
상기 기판처리장치는 상기 기판지지대에 연결되어 상기 기판지지대와 함께 승강하는 승강축 및 상기 승강축을 구동하여 상기 기판지지대의 상부에 공정영역이 형성되는 공정위치 및 상기 기판지지대의 상부에 상기 기판이 놓여지는 해제위치로 상기 기판지지대를 전환하는 구동부를 더 포함하며, 상기 샤워헤드는 상기 기판지지대가 상기 공정위치에 있을 때 상기 기판지지대의 상부면 가장자리와 인접하는 대향면 및 상기 대향면에 형성되어 상기 상부면 가장자리에 차단가스를 토출하는 하부토출구를 가질 수 있다.
본 발명에 의하면 챔버 내에 균일한 밀도를 가지는 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한 플라즈마를 이용하는 피처리체에 대한 공정균일도를 확보할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판처리장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 샤워헤드의 유입구 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시한 샤워헤드의 유출구 부분을 확대한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1에 도시한 샤워헤드에 의한 유동을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 샤워헤드의 유입구 부분을 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 샤워헤드의 유입구 부분을 확대한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시한 안테나를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 1에 도시한 조절플레이트의 두께와 기판의 증착률과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 다이어그램이다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘을 증착하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 박막을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다.
도 14a는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 박막을 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 14b는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘이 포함된 제2 퍼지 단계를 수행한 모습을 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 실리콘이 포함된 절연막을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 다이어그램이다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 실리콘을 증착하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 실리콘이 포함되는 절연막을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복수의 실리콘이 포함되는 절연막을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 절연막을 치밀화하는 단계를 나타내는 단면도들이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 실리콘이 포함된 절연막을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 22를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
한편, 이하에서는 웨이퍼와 같은 원형 기판을 예로 들어 설명하나, 본 발명은 다양한 피처리체에 응용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판처리장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 기판처리장치는 기판에 대한 공정이 이루어지는 챔버를 포함하며, 챔버는 외부로부터 차단된 내부공간을 제공하여 공정진행시 기판을 외부로부터 차단한다. 챔버는 상부가 개방된 형상의 하부챔버(10)와 상부챔버(10)의 상부를 개폐하는 챔버 덮개(12)를 구비하며, 챔버 덮개(12)는 고정링(32)에 의해 하부챔버(10)의 상부에 고정된다.
하부챔버(10)는 일측벽에 형성된 통로(14)를 가지며, 기판은 통로(14)를 통해 하부챔버(10)의 내부를 출입한다. 통로(14)는 하부챔버(10)의 외부에 설치된 게이트밸브(16)에 의해 개폐된다. 또한, 하부챔버(10)의 타측벽에는 배기구(18)가 형성되며, 배기구(18)는 배기라인(19a)에 연결된다. 배기라인(19a)은 진공펌프(도시안함)에 연결되며, 기판이 하부챔버(10)의 내부에 전달된 후 공정이 진행되기 전 단계에서, 배기구(18)를 통해 하부챔버(10) 내부의 가스를 배기하여 하부챔버(10)의 내부에 진공을 형성할 수 있다.
기판은 게이트밸브(16)에 의해 개방된 통로(14)를 통해 하부챔버(10)의 내부로 이동하며, 내부공간 내에 설치된 지지대(11)의 상부에 놓여진다. 이때, 도 1에 도시한 바와 같이, 지지대(11)는 하부챔버(10)의 하부에 위치한다('해제위치'). 지지대(11) 상에는 복수의 리프트핀들(11a)이 제공되며, 리프트핀들(11a)은 기립한 상태에서 지지대(11)의 상부로 이동한 기판을 지지한다. 지지대(11)가 하부챔버(10)의 하부에 위치한 상태에서, 리프트핀들(11a)의 하단은 하부챔버(10)의 하부벽에 의해 지지되며, 리프트핀들(11a)의 상단은 지지대(11)의 상부면으로부터 돌출된 상태를 유지하므로, 기판은 리프트핀들(11a)에 의해 지지대(11)로부터 이격되어 위치한다.
지지대(11)는 승강축(13)에 연결되며, 승강축(13)은 구동부(15)에 의해 승강한다. 승강축(13)은 하부챔버(10)의 개방된 하부를 통해 구동부(15)에 연결될 수 있으며, 구동부(15)에 의해 지지대(11)를 상하로 이동시킨다.
도 2에 도시한 바와 같이, 지지대(11)는 상승하여 샤워헤드(40) 근처까지 이동할 수 있으며('공정위치'), 지지대(11)는 샤워헤드(40)의 양측 돌출부 하단에 접하여 지지대(11)와 챔버 덮개(12)에 의해 둘러싸인 공정영역(13a)이 형성될 수 있다. 지지대(11)는 기판의 온도를 조절할 수 있는 온도조절시스템(예를 들어, 히터와 같은)을 구비할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 지지대(11)에 놓여진 기판에 대한 공정은 공정영역(13a) 내에서만 이루어지며, 반응가스 또는 퍼지가스는 공정영역(13a) 내에만 공급될 수 있다. 이때, 지지대(11)가 상승함에 따라 리프트핀들(11a)의 상단이 지지대(11)의 내부로 삽입되며, 기판은 지지대(11)의 상부면에 안착될 수 있다.
한편, 가이드(19)는 지지대(11)의 외측에 설치되며, 지지대(11)의 승강방향을 따라 배치된다. 가이드(19)는 배기구(18)와 연통되는 가이드홀(18a)을 가지며, 공정진행시 가이드홀(18a) 및 배기구(18)를 통해 하부챔버(10) 내부의 가스를 배출하여 하부챔버(10) 내부의 압력을 조절한다.
도 1을 살펴보면, 기판처리장치는 샤워헤드(40)를 더 포함하며, 샤워헤드(40)는 하부챔버(10)와 챔버 덮개(12) 사이에 설치된다. 샤워헤드(40)는 반응가스 또는 퍼지가스를 공정영역(13a) 내에 공급할 뿐만 아니라, 공급된 반응가스 또는 퍼지가스를 외부로 배출한다. 이를 위해, 샤워헤드(40)는 유입구(41a) 및 유출구(41b)를 가지며, 유입구(41a)와 유출구(41b)는 일측 및 타측에 각각 형성되어 서로 대칭을 이룬다.
도 3은 도 2에 도시한 샤워헤드의 유입구 부분을 확대한 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 샤워헤드(40)는 복수의 확산유로들(42,44,46)과 확산유로들(42,44,46)을 서로 연결하는 유입연결유로들(42a,44a)을 가진다. 확산유로들(42,44,46)은 대체로 수평한 형태로 서로 나란하게 형성되며, 상하로 적층되어 배치된다. 하부확산유로(42)는 입구(48)를 통해 하부챔버(10)에 형성된 연결라인(40a)에 연결되며, 연결라인(40a)은 공급라인(50)에 연결된다.
원자층 증착(Atomoic Layer Deposition:ALD)에 있어서, 막을 한번에 단층으로 형성하기 위하여 기판을 가열하는 중에 막 전구체 및 환원가스와 같은 2 이상의 공정가스가 번갈아서 순차적으로 도입된다. 제1 단계에서 기판 표면에 막 전구체를 흡수하고, 제2 단계에서 소정의 막을 형성하도록 환원된다. 이와 같이, 챔버 내에서 2개의 공정가스를 번갈아 사용함으로써, 비교적 느린 증착 속도로 증착이 이루어진다. 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD)에 있어서는, 환원가스를 도입하는 중에 플라즈마가 형성되어 환원 플라즈마를 형성한다. 현재까지, ALD와 PEALD 공정은 이들 공정이 CVD 및 PECVD 공정보다 느리다는 단점에도 불구하고 층 두께의 개선된 균일성과 층이 증착되는 요부에 대한 적합성을 제공하는 것으로 확인되었다.
공급라인(50)은 제1 및 제2 반응가스라인(52,54), 퍼지가스라인(56), 그리고 플라즈마라인(58)을 포함하며, 이들은 연결라인(40a)을 통해 샤워헤드(40)에 공급된다. 상부확산유로(46)는 유입구(41a)에 연결되며, 공급라인(50)을 통해 공급된 반응가스 또는 퍼지가스는 확산유로들(42,44,46)을 순차적으로 통과한 후 유입구(41a)를 통해 공정영역(13a)에 공급된다.
제1 반응가스라인(52)은 제1 반응가스를 공급하며, 제1 반응가스는 기판에 형성된 막에서 발견되는 주요 원자 또는 분자 종을 갖는 조성물과 같은 막 전구체를 포함할 수 있다. 예컨대, 막 전구체는 고상, 액상 또는 기상으로서 시작하여, 기상으로 샤워헤드(40)에 공급될 수 있다. 공정진행시 일정한 주기 동안 제1 반응가스가 공정영역(13a)에 공급되며, 제1 반응가스는 단층으로 기판에 흡수된다. 이후, 후술하는 퍼지가스라인(56)을 통해 공정영역(13a)에 퍼지가스가 퍼지된다.
제2 반응가스라인(54)은 제2 반응가스를 공급하며, 제2 반응가스는 환원제를 포함할 수 있다. 예컨대, 환원제는 고상, 액상 또는 기상으로서 시작하여, 기상으로 샤워헤드(40)에 공급될 수 있다. 공정진행시 앞선 퍼지가 완료되면, 일정한 주기 동안 환원가스가 공정영역(13a)에 공급되며, 안테나(20)에 RF전류가 공급된다. 이를 통해, 제2 반응가스라인(54)을 통해 공급된 제2 반응가스의 이온화 및 해리를 초래할 수 있으며, 이는 제1 반응가스에 의한 막 전구체를 환원시키도록 막 전구체와 반응하여 막을 형성할 수 있는 해리된 종(dissociated species)을 형성할 수 있다. 한편, 제1 반응가스와 제2 반응가스는 번갈아 공급될 수 있으며, 번갈아 공급되는 것은 주기적으로 행해질 수도 있고, 제1 및 제2 반응가스의 공급 사이의 시간 주기를 가변적으로 하여 비주기적으로 이루어질 수도 있다.
퍼지가스라인(56)은 제1 반응가스와 제2 반응가스의 공급 사이에 퍼지가스를 샤워헤드(40)에 공급할 수 있다. 퍼지가스는 희가스(noble gas)(즉, 헬륨, 네온, 아르곤, 크세논, 크립톤), 질소(또는 질소 함유 가스), 수소(또는 수소 함유 가스)와 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 플라즈마라인(58)은 원격플라즈마(remote plasma)를 샤워헤드(40)에 선택적으로 공급할 수 있으며, 원격플라즈마는 챔버의 내부에 공급되어 챔버 내부를 클리닝하는 데 사용된다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 챔버 덮개(12)의 하부면은 중앙부가 가장자리부보다 하부를 향해 돌출되도록 형성되며, 샤워헤드(40)는 함몰된 챔버 덮개(12)의 가장자리부에 수용된다. 이때, 샤워헤드(40)의 내주면과 챔버 덮개(12)의 중앙부 측면 사이에 간극(gap)이 형성된다. 또한, 지지대(11)가 공정위치로 이동한 경우, 지지대(11)의 상부면 가장자리는 샤워헤드(40)에 근접하며, 지지대(11)와 샤워헤드(40) 사이에는 미세한 간극(gap)이 존재한다.
이때, 샤워헤드(40)는 상부토출구(75) 및 하부토출구(77)를 통해 차단가스를 토출하며, 차단가스는 유입구(41a)를 통해 공급된 반응가스 또는 퍼지가스가 외부로 누설되는 것을 방지한다. 즉, 상부토출구(75)는 샤워헤드(40)와 챔버 덮개(12) 사이에 형성된 간극에 차단가스를 토출하며, 하부토출구(77)는 지지대(11)의 상부면 가장자리에 차단가스를 토출한다. 토출된 가스는 간극을 통해 가스가 누설되는 것을 방지한다. 상부토출구(75)는 샤워헤드(40)의 내주면에 형성되며, 하부토출구(77)는 지지대(11)와 인접하는 샤워헤드(40)의 대향면에 형성된다.
상부토출구(75) 및 하부토출구(77)는 샤워헤드(40)의 내부에 형성된 상부유로(74) 및 하부유로(76)를 통해 하부챔버(10)의 측벽에 형성된 차단가스 공급유로(72)에 연결되며, 차단가스 공급유로(72)는 차단가스 공급라인(59)에 연결된다. 차단가스 공급라인(59)의 내부에는 차단가스가 흐르며, 차단가스는 불활성 기체(예를 들어, 아르곤(Ar))인 것이 바람직하다.
도 4는 도 2에 도시한 샤워헤드의 유출구 부분을 확대한 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 샤워헤드(40)는 복수의 수렴유로들(43,45,47)과 수렴유로들(43,45,47)을 서로 연결하는 유출연결유로들(43a,45a)을 가진다. 수렴유로들(43,45,47)은 대체로 수평한 형태로 서로 나란하게 형성되며, 상하로 적층되어 배치된다. 하부수렴유로(43)는 출구(49)를 통해 하부챔버(10)에 형성된 연결라인(40b)에 연결되며, 연결라인(40b)은 배기라인(19a)에 연결된다. 상부수렴유로(47)는 유출구(41b)에 연결되며, 공정영역(13a) 내에 공급된 반응가스 또는 퍼지가스는 유출구(41b)를 통해 수렴유로들(43,45,47)을 순차적으로 통과한 후, 배기라인(19a)을 통해 배출된다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1에 도시한 샤워헤드에 의한 유동을 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 5c를 참고하여 앞서 설명한 확산유로들(42,44,46) 및 수렴유로들(43,45,47)의 형상 및 이들을 통한 유동을 설명하기로 한다.
먼저, 앞서 설명한 바와 같이, 원자층 증착(Atomoic Layer Deposition:ALD)은 제1 반응가스를 공급하여 기판 위에 제1 반응가스를 흡착시키고, 퍼지가스를 공급하여 제1 반응가스나 부산물을 제거한 후, 제2 반응가스를 공급하여 제2 반응가스가 제1 반응가스와 반응하여 원자층을 증착하며, 다시 퍼지가스를 공급하여 제2 반응가스나 부산물을 제거한다. 즉, 2개의 공정가스가 순차적으로 공급되고 제거되어야 한다.
일반적인 화학기상증착(CVD)은 반응가스들을 동시에 공급하여 박막을 형성하도록 설계되어 있으므로, 반응가스를 불연속적으로 공급하여 박막을 형성하거나, 순차적으로 공급되는 반응가스들을 챔버 내에서 기상 반응을 일으키지 않도록 퍼지를 통해 제거해 가며 반응시키는 방법에는 부적합하였다. 또한, 화학기상증착을 이용하는 장치에서는 일반적으로 샤워헤드(showerhead)를 이용하여 반응가스를 위에서 아래 방향으로 기판 위에 균일하게 공급한다. 그러나, 이러한 구조는 공정 기체의 흐름을 복잡하게 하고, 큰 반응체적을 요구하므로, 반응 가스의 공급을 빠르게 전환하기 곤란하다.
도 5a는 도 2의 A-A를 따라 구성한 단면도이다. 도 5a에 도시한 바와 같이, 샤워헤드(40)는 중앙 부분이 비어있는 링 형상이며, 중앙 부분은 기판(S)의 위치와 대응되도록 형성된다. 앞서 설명한 안테나(20)는 샤워헤드(40)의 중앙 부분을 통해 기판(S)의 상부에 전계를 형성할 수 있다. 하부확산유로(42) 및 입구(48)와 하부수렴유로(43) 및 출구(49)는 반대편에 위치하며, 이들 사이에 기판(S)이 놓여진다. 입구(48)는 공급라인(50)에 연결되며, 공급라인(50)을 통해 반응가스 또는 퍼지가스가 유입된다. 출구(49)는 배기라인(19a)에 연결되며, 배기라인(50)을 통해 반응가스 또는 퍼지가스가 배출된다. 따라서, 도 5a에 도시한 바와 같이, 입구(48)로부터 출구(49)를 향하는 유동이 기판(S)의 상부에 형성되며, 후술하는 바와 같이, 유동은 확산유로들(42,44,46) 및 수렴유로들(43,45,47)의 형상에 의해 균일하게 형성된다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 하부확산유로(42)는 입구(48)와 연통하며, 공급라인(50)으로부터 공급된 가스는 입구(48)를 통해 유입된 후, 하부확산유로(42)를 통해 화살표 방향으로 확산된다. 이때, 하부확산유로(42)는 가스의 유동방향(또는 화살표방향)을 따라 단면적이 점진적으로(또는 연속적으로) 증가하며, 이로 인해 가스는 유동방향을 따라 확산될 수 있다. 또한, 도 5a에 도시한 바와 같이, 하부수렴유로(43)는 출구(49)와 연통하며, 유출구(41b)를 통해 유입된 가스는 하부수렴유로(43)를 통해 화살표 방향으로 수렴되어 출구(49)를 향한다. 이때, 하부수렴유로(43)는 가스의 유동방향(또는 화살표방향)을 따라 단면적이 점진적으로(또는 연속적으로) 감소하며, 이로 인해 가스는 유동방향을 따라 수렴될 수 있다.
도 5b는 도 2의 B-B를 따라 구성한 단면도이다. 도 5b에 도시한 바와 같이, 중간확산유로(44)는 유입연결유로(42a)를 통해 하부확산유로(42)와 연통하며, 하부확산유로(42)를 통해 유입된 가스는 중간확산유로(44)를 통해 화살표 방향으로 확산된다. 이때, 중간확산유로(44)는 가스의 유동방향(또는 화살표방향)을 따라 단면적이 점진적으로(또는 연속적으로) 증가하며, 이로 인해 가스는 유동방향을 따라 확산될 수 있다. 또한, 도 5b에 도시한 바와 같이, 중간수렴유로(45)는 유출연결유로(43a)를 통해 하부수렴유로(43)와 연통하며, 유출구(41b)를 통해 유입된 가스는 중간수렴유로(45)를 통해 화살표 방향으로 수렴되어 유출연결유로(43a)를 향한다. 이때, 중간수렴유로(45)는 가스의 유동방향(또는 화살표방향)을 따라 단면적이 점진적으로(또는 연속적으로) 감소하며, 이로 인해 가스는 유동방향을 따라 수렴될 수 있다.
도 5c는 도 2의 C-C를 따라 구성한 단면도이다. 도 5c에 도시한 바와 같이, 상부확산유로(46)는 유입연결유로(44a)를 통해 중간확산유로(44)와 연통하며, 중간확산유로(44)를 통해 유입된 가스는 상부확산유로(46)를 통해 화살표 방향으로 확산된다. 이때, 상부확산유로(46)는 가스의 유동방향(또는 화살표방향)을 따라 단면적이 점진적으로(또는 연속적으로) 증가하며, 이로 인해 가스는 유동방향을 따라 확산될 수 있다. 확산된 가스는 유입구(41a)를 통해 기판(S)의 상부에 공급되며, 유출구(41b)를 향하는 서로 나란한 평행유동을 형성한다. 또한, 도 5c에 도시한 바와 같이, 상부수렴유로(47)는 유출연결유로(45a)를 통해 중간수렴유로(45)와 연통하며, 유출구(41b)를 통해 유입된 가스는 상부수렴유로(47)를 통해 화살표 방향으로 수렴되어 유출연결유로(45a)를 향한다. 이때, 상부수렴유로(47)는 가스의 유동방향(또는 화살표방향)을 따라 단면적이 점진적으로(또는 연속적으로) 감소하며, 이로 인해 가스는 유동방향을 따라 수렴될 수 있다.
도 3 및 도 5a 내지 도 5c를 다시 살펴보면, 공급라인(50)으로부터 공급된 가스는 입구(48)를 통해 샤워헤드(40)에 유입되며, 가스가 하부확산유로(42) 및 중간확산유로(44), 그리고 상부확산유로(46)를 통과함에 따라 유동방향이 우→좌→우로 바뀜과 동시에 유로의 단면적이 증가함에 따라 확산될 수 있다. 즉, 가스는 확산유로들(42,44,46)을 통과하면서 충분히 확산될 수 있으며, 이로 인해, 유입구(41a)를 통해 공정영역(13a)에 공급되는 가스는 기판(S)에 대응되는 유동폭을 가질 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5a 내지 도 5c를 다시 살펴보면, 유출구(41b) 및 상부수렴유로(47)는 기판(S)에 대응되는 유동폭을 가지며, 출구(49)를 통해 제공되는 배기압력은 수렴유로들(43,45,47)을 통해 유출구(41b)의 전면에 대하여 고르게 제공된다. 따라서, 기판(S)은 상부확산유로(46)와 상부수렴유로(47) 사이에 위치하며, 유입구(41a)를 통해 유입된 가스는 기판(S)의 상부에 유출구(41b)를 향하는 균일한 평행유동을 형성한다. 이후, 가스는 상부수렴유로(47) 및 중간수렴유로(45), 그리고 하부수렴유로(43)를 통과함에 따라 유동방향이 우→좌→우로 바뀜과 동시에, 유로의 단면적이 감소함에 따라 서서히 수렴되며, 출구(49)를 통해 배기라인(19a)을 따라 배출된다.
상술한 바에 의하면, 공정영역(13a) 내에 가스의 균일한 유동이 형성되므로, 가스를 빠르게 공급 및 배출할 수 있으며, 특히, 2 이상의 반응가스 및 퍼지가스를 빠르게 전환하여 공급할 수 있다. 또한, 공정영역(13a)의 부피를 최소화할 경우, 가스의 전환을 최대한 신속하게 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 샤워헤드의 유입구 부분을 확대한 도면이며, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 샤워헤드의 유입구 부분을 확대한 도면이다. 앞서 설명한 도 3은 하부확산유로(42) 및 중간확산유로(44), 그리고 상부확산유로(46)를 도시하고 있으나, 도 6에 도시한 바와 같이, 샤워헤드(40)는 중간확산유로(44) 및 상부확산유로(46)만을 가질 수 있으며, 중간확산유로(44)는 입구(48)를 통해 공급라인(50)에 연결될 수 있다. 중간확산유로(44) 및 상부확산유로(46)의 구체적인 형상은 앞서 설명한 도 5b 및 도 5c와 대체로 동일할 수 있다. 또한, 샤워헤드(40)는 상부확산유로(46)만을 가질 수 있으며, 상부확산유로(46)는 입구(48)를 통해 하부챔버(10)에 형성된 연결라인(40a)에 연결되고, 연결라인(40a)은 공급라인(50)에 연결될 수 있다. 상부확산유로(46)의 구체적인 형상은 앞서 설명한 도 5c와 대체로 동일할 수 있다.
즉, 앞서 설명한 도 3과 달리, 확산유로들의 개수는 증감할 수 있으며, 이에 따라 확산유로들의 구체적인 형상은 변형될 수 있다. 다만, 가스는 확산유로들을 통과하면서 충분히 확산되며, 이로 인해, 공급라인(50)을 통해 공급되는 가스와 달리, 유입구(41a)를 통해 공정영역(13a)에 공급되는 가스는 기판(S)에 대응되는 유동폭을 가질 수 있다.
다시, 도 1을 살펴보면, 안테나(20)는 챔버 덮개(12)의 상부에 설치된다. 안테나(20)는 RF전원(도시안함)에 각각 연결되어 공정영역(13a) 내에 전계(electric field)를 형성하며, 공정영역(13a) 내에 공급된 반응가스로부터 플라즈마를 발생시킨다. 도 8은 도 1에 도시한 안테나를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 안테나(20)는 일체로 형성된 제1 및 제2 안테나를 구비하며, 제1 및 제2 안테나는 중심선(R)을 기준으로 180° 회전대칭을 이룬다. 제1 안테나는 중심을 기준으로 반원 형상을 이루는 제1 내측안테나(21), 제1 중간안테나(23), 제1 외측안테나(25)를 가진다. 제1 내측안테나(21)는 제1 반경(r1)을 가지고, 제1 중간 안테나(23)는 제2 반경(r2)을 가지며, 제1 외측안테나(25)는 반경(r3)을 가진다(r1<r2<r3). 이때, 제1 내측연결안테나(21a)는 제1 내측안테나(21)와 제1 중간안테나(23)를 연결하며, 제1 외측연결안테나(23a)는 제1 중간안테나(23)와 제1 외측안테나(25)를 연결한다.
마찬가지로, 제2 안테나는 중심을 기준으로 반원 형상을 이루는 제2 내측안테나(22), 제2 중간안테나(24), 제2 외측안테나(26)를 가진다. 제2 내측안테나(22)는 제1 반경(r1)을 가지고, 제2 중간 안테나(24)는 제2 반경(r2)을 가지며, 제2 외측안테나(26)는 반경(r3)을 가진다(r1<r2<r3). 이때, 제2 내측연결안테나(22a)는 제2 내측안테나(22)와 제2 중간안테나(24)를 연결하며, 제2 외측연결안테나(24a)는 제2 중간안테나(24)와 제2 외측안테나(26)를 연결한다.
제1 및 제2 안테나는 별도의 RF전원(도시안함)에 각각 연결되며, RF전원을 통해 제1 및 제2 안테나에 RF전류가 흐르면, 제1 및 제2 안테나는 하부챔버(10) 내에 전계를 형성한다. 이때, 제1 및 제2 안테나는 상호보완을 통해 하부챔버(10) 내에 균일한 전계를 형성할 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 중심(O)으로부터 반경방향을 따라, 제1 및 제2 안테나는 교대로 배치된다. 즉, 제1 중간안테나(23)는 제2 내측안테나(22)와 제2 외측안테나(26) 사이에 위치하며, 제2 중간안테나(24)는 제1 내측안테나(21)와 제1 외측안테나(25) 사이에 위치한다. 따라서, 제1 안테나에 의해 형성되는 전계가 제2 안테나에 의해 형성되는 전계 보다 약할 경우, 인접한 제2 안테나에 의해 형성된 전계에 의해 보강될 수 있으며, 제1 안테나에 의해 형성되는 전계가 제2 안테나에 의해 형성되는 전계 보다 강할 경우, 인접한 제2 안테나에 의해 형성된 전계에 의해 상쇄될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 안테나에 의해 각각 형성될 수 있는 전계의 크기에 차이가 있더라도, 전계 간의 보강간섭을 통해 균일한 전계를 형성할 수 있다.
한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 조절플레이트(30)가 챔버 덮개(12)와 안테나(20) 사이에 설치된다. 조절플레이트(30)는 챔버 덮개(12)와 고정플레이트(34) 사이에 배치되며, 고정플레이트(34)는 고정링(32)에 고정되어 조절플레이트(30)를 고정한다. 조절플레이트(30)는 유전체 재질로 이루어지며, 조절플레이트(30)의 두께를 통해 안테나(20)에 의해 형성되는 전계를 조절할 수 있다.
도 9는 도 1에 도시한 조절플레이트의 두께와 기판의 증착률과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 9의 위쪽에 도시한 바와 같이, 증착공정을 마친 후 증착률(D)을 측정하면, 기판의 중심(O)과 기판의 가장자리 부분에서 낮은 값을 나타내며, 기판의 중심(O)과 기판의 가장자리 사이에서 높은 값을 나타낸다. 따라서, 조절플레이트(30)를 이용하여 기판의 증착균일도를 개선한다.
조절플레이트(30)는 안테나(20)에 의해 형성되는 전계에 대한 저항의 역할을 한다. 조절플레이트(30)의 두께가 증가할수록 안테나(20)에 의해 형성되는 전계는 약해지며, 이로 인해 증착률은 저하된다. 이와 같은 점을 이용하여, 조절플레이트(30)의 두께를 조절함으로써 기판의 증착균일도를 개선할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 증착률이 낮은 기판의 중심(O)과 기판의 가장자리 부분의 두께(d0,de)를 기판의 중심(O)과 기판의 가장자리 사이 부분의 두께(dm) 보다 크게 하여 전계의 크기를 조절함으로써, 증착균일도를 개선할 수 있다. 한편, 도 4에 도시한 증착률 및 조절플레이트(30)의 두께는 예를 들어 설명하기 위한 것이므로, 증착률과 조절플레이트(30)의 두께는 이와 다를 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 10을 참조하면, 반도체 제조 장치의 챔버 내부에 기판을 로딩한다(S100). 상기 챔버 내부에 로딩된 기판에 실리콘 박막이 형성되며(S200), 실리콘 박막을 형성하기 위하여 실리콘을 증착하는 단계(S210) 및 제1 퍼지 단계(S220)가 함께 수행된다.
실리콘을 증착하기 위하여 상기 챔버 내부에 실리콘 전구체를 주입하여, 상기 기판 상에 실리콘이 증착되도록 할 수 있다(S210). 상기 기판 상에 실리콘을 증착한 후, 미반응 실리콘 전구체 및 반응 부산물을 제거하는 제1 퍼지 단계를 수행한다(S220). 이후, 실리콘을 증착하는 단계(S210) 및 제1 퍼지 단계(S220)를 반복하여(S230), 상기 기판 상에 실리콘 박막을 형성한다.
실리콘을 증착하는 단계(S210) 및 제1 퍼지 단계(S220)는 예를 들면, 3 내지 10회 반복하여 수행될 수 있다. 각 실리콘을 증착하는 단계(S210)에서는 1개 내지 수개의 실리콘 원자층이 상기 기판 상에 형성될 수 있다. 따라서 실리콘을 증착하는 단계(S210) 및 제1 퍼지 단계(S220)를 반복적으로 수행하면(S230), 비정질의 실리콘 또는 다결정성을 가지는 폴리실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막이 상기 기판 상에 형성될 수 있다. 비정질의 실리콘 또는 다결정성을 가지는 실리콘 박막은 수 내지 수십Å의 두께를 가질 수 있다.
이후, 상기 기판 상에 형성된 실리콘 박막을 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성한다(S300) 실리콘이 포함되는 절연막은 예를 들면, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
실리콘 박막을 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성하기 위하여, 상기 챔버 내부에 플라즈마 분위기를 형성하여 반응 가스를 주입할 수 있다. 반응 가스는 예를 들면 O2, O3, N2 및 NH3를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스일 수 있다.
실리콘이 포함되는 절연막이 실리콘 산화막일 경우, 상기 반응 가스는 O2 또는 O3와 같은 산소 원자를 포함하는 가스일 수 있다. 실리콘이 포함되는 절연막이 실리콘 질화막일 경우, 상기 반응 가스는 N2 또는 NH3와 같은 질소 원자를 포함하는 가스일 수 있다.
또는 실리콘 박막을 실리콘이 포함되는 절연막, 예를 들면 실리콘 산화막으로 형성하기 위하여, 상기 챔버 내부에 O2, 또는 O3를 점화 가스로 이용하여 플라즈마 분위기를 형성할 수 있다.
또는 실리콘 박막을 실리콘이 포함되는 절연막, 예를 들면 실리콘 질화막으로 형성하기 위하여, 상기 챔버 내부에 N2 또는 NH3를 점화 가스로 이용하여 플라즈마 분위기를 형성할 수 있다.
이후, 챔버의 내부에서 반응 부산물과 반응 가스 또는 점화 가스를 제거하는 제2 퍼지 단계를 수행할 수 있다(S400).
원하는 두께의 실리콘이 포함되는 절연막을 얻기 위하여, 필요에 따라 실리콘 박막을 형성하는 단계(S200), 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성하는 단계(S300) 및 제2 퍼지 단계(S400)는 반복하여 수행될 수 있다(S500).
원하는 두께의 실리콘이 포함되는 절연막이 형성된 경우, 기판은 챔버로부터 언로딩될 수 있다(S900)
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 다이어그램이다. 도 11을 참조하면, 실리콘(Si) 전구체의 주입과 퍼지(purge)가 반복적으로 수행된다. 실리콘 전구체의 주입과 퍼지가 각각 수차례 반복적으로 수행된 후, 플라즈마 분위기가 형성된다. 플라즈마 분위기가 형성된 상태에서는 필요에 따라서 반응 가스가 주입될 수 있다.
이와 같이, 실리콘 전구체의 주입 및 퍼지가 반복 수행된 후 플라즈마 분위기가 형성되는 단계까지가 1 사이클로 동작한다. 즉, 실리콘 전구체의 주입 및 퍼지가 반복 수행되어 실리콘 박막을 형성한 후, 플라즈마 분위기를 형성하여 실리콘이 포함되는 절연막을 형성하는 과정이 1 사이클로 동작한다.
따라서 사이클릭 박막 증착 방법은 실리콘 전구체의 주입과 퍼지가 반복적으로 수행될 수 있음은 물론, 실리콘 박막의 형성과 절연막의 형성 또한 반복적으로 수행될 수 있다.
도 12a 내지 도 15는 전술한 내용을 토대로, 본 발명의 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 단계별로 자세히 설명한다. 도 12a 내지 도 15에 관한 설명에서, 필요한 경우 도 10 및 도 11에 대한 참조 부호가 함께 사용될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘을 증착하는 단계를 나타내는 단면도이다. 도 12a는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 전구체를 주입하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 12a를 참조하면, 기판(100)이 로딩된 챔버 내로 실리콘 전구체(50)가 주입된다. 기판(100)은 예를 들면, 실리콘 또는 화합물 반도체 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 또는 기판(100)은 글라스, 금속, 세라믹, 석영과 같은 반도체와 다른 기판 물질 등이 포함될 수 있다.
실리콘 전구체(50)는 예를 들면, BEMAS (bisethylmethylaminosilane), BDMAS (bisdimethylaminosilane), BEDAS, TEMAS (tetrakisethylmethylaminosilane), TDMAS (tetrakisidimethylaminosilane), TEDAS와 같은 아미노계 실란, 또는 HCD(hexachlorinedisilan)와 같은 염화계 실란일 수 있으며, 실리콘과 수소를 포함하는 실란 계열의 전구체 일 수도 있다.
기판(100)이 실리콘 전구체(50)와 반응할 수 있도록, 기판(100)은 50 내지 600℃의 온도를 유지할 수 있다. 또한 기판(100)이 로딩된 챔버 내부의 압력은 0.05 내지 10 Torr를 유지할 수 있다.
도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 상에 실리콘을 증착한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 12b를 참조하면, 실리콘 전구체(50) 중 기판(100)과 반응한 것들에 의하여, 기판(100) 상에는 실리콘 원자가 증착되어 실리콘층(112)이 형성될 수 있다. 실리콘층(112)은 1개 내지 수개의 실리콘 원자층으로 이루어질 수 있다.
실리콘 전구체(50)는 기판(100)과 반응한 후 반응 부산물(52)을 형성할 수 있다. 또한 실리콘 전구체(50) 중 일부는 기판(100)과 반응하지 않고, 미반응 상태로 남아있을 수 있다.
도 12c는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 퍼지 단계를 수행한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 12c를 참조하면, 기판(100) 상에 실리콘층(112)을 형성한 후, 잔류한 미반응 상태의 실리콘 전구체(50) 및 반응 부산물(52)을 챔버(11) 내부에서 제거하는 퍼지(purge)를 수행할 수 있다. 미반응 실리콘 전구체(50) 및 반응 부산물(52)을 챔버(11) 내부에서 제거하는 퍼지(purge) 단계를 제1 퍼지 단계라 호칭할 수 있다.
상기 제1 퍼지 단계 동안, 기판(100)은 50 내지 600℃의 온도를 유지할 수 있다. 또한 기판(100)이 로딩된 챔버(11) 내부의 압력은 0.05 내지 10 Torr를 유지할 수 있다. 즉, 실리콘층(112)을 증착하는 단계와 상기 제1 퍼지 단계 동안에 기판(100)의 온도 및 챔버(11) 내부의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 박막을 증착한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 도 12a 내지 도 12c에서 보인 단계를 반복하여, 복수의 실리콘층(112, 114, 116)을 기판(100) 상에 증착하여, 비정질의 실리콘 또는 다결정성을 가지는 폴리실리콘으로 이루어지는 실리콘 박막(110)을 형성한다.
실리콘 박막(110)은 수 내지 수십Å의 두께를 가질 수 있다. 실리콘 박막(110)은 3 내지 10개의 실리콘층(112, 114, 116)을 포함하도록, 실리콘층(112)을 증착하는 단계와 상기 제1 퍼지 단계는 3 내지 10회 반복하여 수행될 수 있다.
이와 같이 실리콘 박막(110)을 복수의 실리콘층(112)으로 형성하면, 실리콘 박막(110)은 우수한 막질과 스텝 커버리지(step coverage)를 가질 수 있다.
도 14a는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 박막을 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다. 도 14a를 참조하면, 실리콘 박막(110)이 형성된 기판(100) 상에 플라즈마를 가한다. 즉, 기판(100)이 로딩된 챔버 내부를 플라즈마 분위기로 형성한다. 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여, ICP(Inductively Coupled Plasma), CCP(Capacitively Coupled Plasma) 또는 MW(Microwave) Plasma 방식이 사용될 수 있다. 이때 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여, 100W 내지 3kW의 전력이 인가될 수 있다.
플라즈마 분위기를 형성하기 위하여, 예를 들면, Ar, He, Kr 및 Xe를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 점화 가스(ignition gas)와 예를 들면, O2, O3, N2 및 NH3를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스(60)가 주입될 수 있다. 이때, 점화 가스는 100 내지 3000sccm의 유량으로 주입될 수 있다.
또는, 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여, 예를 들면 O2, O3, N2 및 NH3를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 반응 가스(60)가 주입될 수 있다. 이때는 반응 가스(60)가 점화 가스의 역할을 하여 별도의 점화 가스를 주입하지 않을 수 있다.
반응 가스(60)로 예를 들면, O2, O3와 같은 산소 원자를 포함하는 가스를 사용할 경우, 실리콘 박막(110)은 반응 가스(60)에 포함된 산소 원자와 반응하여 실리콘산화막으로 형성될 수 있다. 또는 반응 가스(60)로 예를 들면, N2 및 NH3와 같은 질소 원자를 포함하는 가스를 사용할 경우, 실리콘 박막(110)은 반응 가스(60)에 포함된 질소 원자와 반응하여 실리콘질화막으로 형성될 수 있다.
플라즈마 분위기에서 실리콘 박막(110)을 실리콘산화막 또는 실리콘질화막과 같은 후술할 실리콘이 포함되는 절연막으로 변화하여 형성하기 위하여, 기판(100)이 로딩된 챔버(11)의 압력을 0.05 내지 10 Torr로 유지할 수 있다.
도 14b는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘이 포함된 제2 퍼지 단계를 수행한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 14a 및 도 14b를 함께 참조하면, 잔류한 반응 가스(60) 또는 반응 부산물을 제거하는 제2 퍼지 단계를 수행하여, 실리콘이 포함되는 절연막(120a)를 형성한다. 실리콘이 포함되는 절연막(120a)은 예를 들면, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
실리콘산화막 또는 실리콘질화막과 같은 상기 실리콘이 포함되는 절연막(120a)을 플라즈마 분위기에서 형성하면, 우수한 막질을 얻을 수 있다. 특히, 실리콘이 포함되는 절연막(120a)이 얇은 두께를 가지도록 형성하여도, 우수한 막질을 가질 수 있다.
또한 전술한 바와 같이, 실리콘 박막(110)이 우수한 막질과 스텝 커버리지를 가질 수 있기 때문에, 실리콘이 포함되는 절연막(120a) 또한 우수한 막질과 스텝 커버리지를 가질 수 있다. 특히, 실리콘이 포함되는 절연막(120a)은 플라즈마 분위기에서 형성되므로, 더욱 좋은 막질을 가질 수 있다.
잔류한 미반응 상태의 반응 가스(60) 또는 반응 부산물을 챔버(11) 내부에서 제거하는 퍼지 단계를 제2 퍼지 단계라 호칭할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 실리콘이 포함된 절연막을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 15를 참조하면, 도 12a 내지 도 14b에서 설명한 단계들을 반복하여, 복수의 실리콘이 포함되는 절연막(120a, 120b)이 포함되는 절연막(120)을 형성할 수 있다.
도 14a에서 보인 실리콘 박막(110)을 실리콘이 포함되는 절연막(120a)으로 형성하는 경우, 실리콘 박막(110)은 노출된 표면부터 절연막으로 변화하게 된다. 따라서, 실리콘 박막(110)이 두꺼울 경우 실리콘 박막(110)과 반응하기 위한 산소 또는 질소는 실리콘 박막(110) 표면에 형성된 절연막을 뚫고 확산해야한다. 따라서 절연막의 형성 속도는 실리콘 박막(110)이 두꺼울수록 더 느려지게 된다.
형성하고자 하는 절연막(120)이 상대적으로 두꺼운 경우, 상대적으로 얇은 실리콘 박막을 형성한 후 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성하는 과정을 반복하면, 상대적으로 두꺼운 실리콘 박막을 한번에 절연막으로 형성하는 것보다 공정 시간이 단축될 수 있다.
따라서 공정 시간과 실리콘이 포함되는 절연막의 원하는 두께를 고려하여, 도 12a 내지 도 14b에서 설명한 단계들을 반복할 회수를 결정할 수 있다.
또한 절연막(120)은 2개의 실리콘이 포함되는 절연막(120a, 120b)이 포함되는 것으로 도시되었으나, 3개 또는 그 이상의 실리콘이 포함되는 절연막을 포함하는 것도 가능하다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 반도체 제조 장치의 챔버 내부에 기판을 로딩한다(S100). 상기 챔버 내부에 로딩된 기판에 절연막이 증착되며(S200), 절연막을 증착하기 위하여 실리콘을 증착하는 단계(S210), 제1 퍼지 단계(S220), 반응 단계(S230) 및 제2 퍼지 단계(S240)가 함께 수행된다.
실리콘을 증착하기 이하여 상기 챔버 내부에 실리콘 전구체를 주입하여, 상기 기판 상에 실리콘이 증착되도록 할 수 있다(S210). 상기 기판 상에 실리콘을 증착한 후, 미반응 실리콘 전구체 및 반응 부산물을 제거하는 제1 퍼지 단계를 수행한다(S220).
이후, 상기 기판 상에 형성된 실리콘을 반응 가스와 반응시켜, 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성하는 반응 단계를 수행한다(S230). 실리콘이 포함되는 절연막은 예를 들면, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
실리콘을 실리콘이 포함되는 절연막으로 형성하기 위하여, 상기 챔버 내부에 제1 반응 가스를 주입할 수 있다. 제1 반응 가스는 예를 들면 O2, O3, N2 및 NH3를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스일 수 있다.
실리콘이 포함되는 절연막이 실리콘 산화막일 경우, 상기 제1 반응 가스는 O2 또는 O3와 같은 산소 원자를 포함하는 가스, 또는 O2 분위기에서 플라즈마를 이용하여 형성된 O2-(산소 음이온) 또는 O*(산소 라디칼)일 수 있다. 실리콘이 포함되는 절연막이 실리콘 질화막일 경우, 상기 제1 반응 가스는 N2 또는 NH3와 같은 질소 원자를 포함하는 가스일 수 있다.
이후, 챔버의 내부에서 반응 부산물과 반응 가스 또는 점화 가스를 제거하는 제2 퍼지 단계를 수행할 수 있다(S240).
실리콘을 증착하는 단계(S210), 제1 퍼지 단계(S220), 반응 단계(S230) 및 제2 퍼지 단계(S240)는 반복하여 수행될 수 있다(S250). 실리콘을 증착하는 단계(S210), 제1 퍼지 단계(S220), 반응 단계(S230) 및 제2 퍼지 단계(S240)는 예를 들면, 3 내지 10회 반복하여 수행될 수 있다.
실리콘을 증착하는 단계(S210), 제1 퍼지 단계(S220), 반응 단계(S230) 및 제2 퍼지 단계(S240)을 포함하는 절연막 증착 단계(S200) 동안에 기판의 온도 및 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
각 실리콘을 증착하는 단계(S210)에서는 적어도 1개의 실리콘 원자층이 상기 기판 상에 형성될 수 있다. 실리콘이 포함되는 절연막은 수 내지 수십Å의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 실리콘이 포함되는 절연막이 형성 후, 치밀화 단계를 수행한다(S300)
실리콘이 포함되는 절연막을 치밀화하기 위하여, 상기 챔버 내부에 플라즈마 분위기를 형성할 수 있다. 또한 플라즈마 분위기와 함께 추가로 제2 반응 가스를 주입할 수 있다. 제2 반응 가스는 예를 들면 H2, O2, O3, N2 및 NH3를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스일 수 있다.
원하는 두께의 실리콘이 포함되는 절연막을 얻기 위하여, 필요에 따라 절연막 측장 단계(S200) 및 치밀화 단계(S300)는 반복하여 수행될 수 있다(S400).
원하는 두께의 실리콘이 포함되는 절연막이 형성된 경우, 기판은 챔버로부터 언로딩될 수 있다(S900).
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 나타내는 다이어그램이다.
도 17을 참조하면, 실리콘(Si) 전구체의 주입 및 퍼지(purge)와 제1 반응 가스의 주입 및 퍼지가 반복적으로 수행된다. 실리콘(Si) 전구체의 주입 후 퍼지(purge)와 제1 반응 가스의 주입 후 퍼지가 반복적으로 수행된 후, 플라즈마 분위기가 형성된다. 플라즈마 분위기가 형성된 상태에서는 필요에 따라서 제2 반응 가스가 주입될 수 있다.
이와 같이, 실리콘 전구체의 주입 및 퍼지와 제1 반응 가스의 주입 및 퍼지가 반복 수행된 후 플라즈마 분위기가 형성되는 단계까지가 1 사이클로 동작한다. 즉, 실리콘 전구체의 주입 및 퍼지와 반응 가스의 주입 및 퍼지가 반복 수행되어 실리콘이 포함되는 절연막을 형성한 후, 플라즈마 분위기를 형성하여 실리콘이 포함되는 절연막을 치밀화한다.
또한 전술한 과정을 모두 반복하여, 원하는 두께의 실리콘이 포함되는 절연막을 얻을 수 있다.
따라서 사이클릭 박막 증착 방법은 실리콘 전구체의 주입 및 퍼지와 제1 반응 가스의 주입 및 퍼지가 반복적으로 수행될 수 있음은 물론, 실리콘이 포함되는 절연막의 형성과 치밀화 또는 반복적으로 수행될 수 있다.
도 18a 내지 도 22는 전술한 내용을 토대로, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 사이클릭 박막 증착 방법을 단계별로 자세히 설명한다. 도 18a 내지 도 22에 관한 설명에서, 필요한 경우 도 16 및 도 17에 대한 참조 부호가 함께 사용될 수 있다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘을 증착하는 단계를 나타내는 단면도이다. 도 18a는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 전구체를 주입하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 18a를 참조하면, 기판(100)이 로딩된 챔버 내로 실리콘 전구체(50)가 주입된다.
기판(100)은 예를 들면, 실리콘 또는 화합물 반도체 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 또는 기판(100)은 글라스, 금속, 세라믹, 석영과 같은 반도체와 다른 기판 물질 등이 포함될 수 있다.
실리콘 전구체(50)는 예를 들면, BEMAS (bisethylmethylaminosilane), BDMAS (bisdimethylaminosilane), BEDAS, TEMAS (tetrakisethylmethylaminosilane), TDMAS (tetrakisidimethylaminosilane), TEDAS와 같은 아미노계 실란, 또는 HCD(hexachlorinedisilan)와 같은 염화계 실란일 수 있다.
기판(100)이 실리콘 전구체(50)와 반응할 수 있도록, 기판(100)은 50 내지 600℃의 온도를 유지할 수 있다. 또한 기판(100)이 로딩된 챔버 내부의 압력은 0.05 내지 10 Torr를 유지할 수 있다.
도 18b는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 상에 실리콘을 증착한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 18b를 참조하면, 실리콘 전구체(50) 중 기판(100)과 반응한 것들에 의하여, 기판(100) 상에는 실리콘 원자가 증착되어 실리콘층(112)이 형성될 수 있다. 실리콘층(112)은 적어도 1개의 실리콘 원자층으로 이루어질 수 있다.
실리콘 전구체(50)는 기판(100)과 반응한 후 반응 부산물(52)을 형성할 수 있다. 또한 실리콘 전구체(50) 중 일부는 기판(100)과 반응하지 않고, 미반응 상태로 남아있을 수 있다.
도 18c는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 퍼지 단계를 수행한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 18c를 참조하면, 기판(100) 상에 실리콘층(112)을 형성한 후, 잔류한 미반응 상태의 실리콘 전구체(50) 및 반응 부산물(52)을 챔버 내부에서 제거하는 퍼지(purge)를 수행할 수 있다. 미반응 실리콘 전구체(50) 및 반응 부산물(52)을 챔버 내부에서 제거하는 퍼지(purge) 단계를 제1 퍼지 단계라 호칭할 수 있다.
상기 제1 퍼지 단계 동안, 기판(100)은 50 내지 600℃의 온도를 유지할 수 있다. 또한 기판(100)이 로딩된 챔버 내부의 압력은 0.05 내지 10 Torr를 유지할 수 있다. 즉, 실리콘층(112)을 증착하는 단계와 상기 제1 퍼지 단계 동안에 기판(100)의 온도 및 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘이 포함되는 절연막을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다. 도 19a는 본 발명의 실시 예에 따른 반응 가스를 주입하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 19a를 참조하면, 기판(100)이 로딩된 챔버 내로 제1 반응 가스(60)가 주입된다. 제1 반응 가스(60)는 예를 들면, O2, O3, N2 및 NH3를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스일 수 있다. 또는 제1 반응 가스(60)는 예를 들면, O2 분위기에서 플라즈마를 이용하여 형성된 O2-(산소 음이온) 또는 O*(산소 라디칼)일 수 있다.
기판(100)이 제1 반응 가스(60)와 반응할 수 있도록, 기판(100)은 50 내지 600℃의 온도를 유지할 수 있다. 또한 기판(100)이 로딩된 챔버 내부의 압력은 0.05 내지 10 Torr를 유지할 수 있다.
도 19b는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 상에 실리콘이 포함되는 절연막을 증착한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 19b를 참조하면, 제1 반응 가스(60) 중 실리콘층(112)과 반응한 것들에 의하여, 기판(100) 상에는 실리콘이 포함되는 절연막(122a)이 형성될 수 있다.
제1 반응 가스(60)는 실리콘층(112)과 반응한 후 반응 부산물(62)을 형성할 수 있다. 또한 제1 반응 가스(60) 중 일부는 실리콘층(112)과 반응하지 않고, 미반응 상태로 남아있을 수 있다.
제1 반응 가스(60)로 예를 들면, O2, O3와 같은 산소 원자를 포함하는 가스 또는 O2 분위기에서 플라즈마를 이용하여 형성된 O2-(산소 음이온) 또는 O*(산소 라디칼)을 사용할 경우, 실리콘층(112)은 제1 반응 가스(60)에 포함된 산소 원자와 반응하여 실리콘산화막으로 형성될 수 있다. 또는 제1 반응 가스(60)로 예를 들면, N2 및 NH3와 같은 질소 원자를 포함하는 가스를 사용할 경우, 실리콘층(112)은 제1 반응 가스(60)에 포함된 질소 원자와 반응하여 실리콘질화막으로 형성될 수 있다.
도 19c는 본 발명의 실시 예에 따른 제2 퍼지 단계를 수행한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 19c를 참조하면, 기판(100) 상에 실리콘이 포함되는 절연막(122a)을 형성한 후, 잔류한 미반응 상태의 제1 반응 가스(60) 및 반응 부산물(62)을 챔버 내부에서 제거하는 퍼지(purge)를 수행할 수 있다. 미반응 상태의 제1 반응 가스(60) 및 반응 부산물(62)을 챔버 내부에서 제거하는 퍼지(purge) 단계를 제2 퍼지 단계라 호칭할 수 있다.
상기 제2 퍼지 단계 동안, 기판(100)은 50 내지 600℃의 온도를 유지할 수 있다. 또한 기판(100)이 로딩된 챔버 내부의 압력은 0.05 내지 10 Torr를 유지할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 실리콘이 포함되는 절연막을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 20을 참조하면, 도 18a 내지 도 18c에서 보인 단계를 반복하여, 복수의 실리콘이 포함되는 절연막(122a, 122b, 122c)이 이루는 절연막층(122)을 형성한다.
절연막층(122)은 수 내지 수십Å의 두께를 가질 수 있다. 절연막층(122)은 3 내지 10개의 실리콘이 포함되는 절연막(122a, 122b, 122c)을 포함하도록, 각 실리콘이 포함되는 절연막(122a, 122b 또는 122c)을 증착하는 과정은 3 내지 10회 반복하여 수행될 수 있다.
이와 같이 절연막층(122)을 복수의 실리콘이 포함되는 절연막들(122a, 122b, 122c)로 형성하면, 절연막층(122)은 우수한 막질과 스텝 커버리지(step coverage)를 가질 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실시 예에 따른 절연막을 치밀화하는 단계를 나타내는 단면도들이다. 도 21a는 본 발명의 실시 예에 따른 절연막층에 플라즈마 분위기를 공급하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 21a를 참조하면, 절연막층(122)이 형성된 기판(100) 상에 플라즈마를 가한다. 즉, 기판(100)이 로딩된 챔버 내부를 플라즈마 분위기로 형성한다. 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여, ICP(Inductively Coupled Plasma), CCP(Capacitively Coupled Plasma) 또는 MW(Microwave) Plasma 방식이 사용될 수 있다. 이때 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여, 100W 내지 3kW의 전력이 인가될 수 있다.
플라즈마 분위기를 형성하기 위하여, 예를 들면, Ar, He, Kr 및 Xe를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 점화 가스(ignition gas)가 주입될 수 있다. 이때, 점화 가스는 100 내지 3000sccm의 유량으로 주입될 수 있다.
플라즈마 분위기에서 절연막층(122)을 더욱 치밀하게 하기 위하여, 제2 반응 가스(64)가 추가로 주입될 수 있다. 제2 반응 가스(64)는 예를 들면, H2, O2, O3, N2 및 NH3를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스 또는 O2 분위기에서 플라즈마를 이용하여 형성된 O2-(산소 음이온) 또는 O*(산소 라디칼)일 수 있다.
절연막층(122)이 실리콘산화막일 경우, 제2 반응 가스(64)로 예를 들면, O2, O3와 같은 산소 원자를 포함하는 가스, O2 분위기에서 플라즈마를 이용하여 형성된 O2+(산소 양이온) 또는 O*(산소 라디칼), 또는 H2를 사용할 수 있다.
절연막층(122)이 실리콘질화막일 경우, 제2 반응 가스(64)로 예를 들면, N2 및 NH3와 같은 질소 원자를 포함하는 가스 또는 H2를 사용할 수 있다.
도 21b는 본 발명의 실시 예에 따른 치밀화된 절연막층(122D)을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 21a 및 도 21b를 함께 참조하면, 플라즈마 분위기에서 절연막층(122)은 치밀화(densification)가 이루어져 치밀화된 절연막층(122D)이 형성될 수 있다. 치밀화된 절연막층(122D)을 형성하기 위하여, 기판(100)이 로딩된 챔버의 압력을 0.05 내지 10 Torr로 유지할 수 있다.
또한 절연막층(122)을 플라즈마 분위기에서 처리하여 얻어진 치밀화된 절연막층(122D)은 절연 특성 등이 막질이 우수할 수 있다. 특히, 치밀화된 절연막층(112D)이 얇은 두께를 가지도록 형성하여도, 우수한 막질을 가질 수 있다.
도 22는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 실리콘이 포함된 절연막을 형성한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 22를 참조하면, 도 18a 내지 도 21b에서 설명한 단계들을 반복하여, 복수의 치밀화된 절연막층(122D, 124D)이 포함되는 절연막(120)을 형성할 수 있다.
도 21a에서 보인 절연막층(122)이 상대적으로 두꺼울 경우, 절연막층(122)의 하부에는 플라즈마 또는 제2 반응 가스(64)에 의한 영향은 상대적으로 적게 미칠 수 있다. 따라서, 절연막(120)의 막질을 더욱 향상시키기 위하여, 상대적으로 얇은 복수의 치밀화된 절연막층(122D, 124D)이 포함되는 절연막(120)을 형성할 수 있다.
또한 절연막(120)은 2개의 치밀화된 절연막층(122D, 124D)이 포함되는 것으로 도시되었으나, 3개 이상의 치밀화된 절연막층을 포함하는 것도 가능하다. 즉, 절연막(120)이 포함하는 치밀화된 절연막층의 개수는, 절연막(120)의 원하는 두께를 고려하여 결정할 수 있다. 즉, 절연막(120)의 원하는 두께를 고려하여 도 4a 내지 도 21b에서 설명한 단계들을 반복할 회수를 결정할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
10 : 챔버 11 : 지지대
12 : 챔버 덮개 20 : 안테나
30 : 조절플레이트 40 : 샤워헤드
42,44,46 : 확산유로 43,45,47 : 수렴유로
50 : 공급라인

Claims (7)

  1. 기판에 대한 공정이 이루어지는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 기판이 놓여지는 기판지지대; 및
    상기 챔버의 내부에 반응가스를 공급하는 유입구 및 상기 챔버 내부에 공급된 상기 반응가스를 배출하는 유출구가 대칭을 이루어 형성되는 샤워헤드를 구비하며,
    상기 반응가스는 상기 챔버의 내부에서 상기 기판과 대체로 나란한 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 유입구에 연결되며 상기 반응가스의 유동방향에 따라 단면적이 증가하는 하나 이상의 확산유로들을 가지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 유입구에 연결되며 상기 반응가스의 유동방향에 따라 단면적이 증가하는 복수의 확산유로들과 상기 확산유로들을 서로 연결하는 유입연결유로들을 가지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 확산유입유로들은 상하로 배치되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 유출구에 연결되며 상기 반응가스의 유동방향에 따라 단면적이 감소하는 복수의 수렴유로들과 상기 수렴유로들을 서로 연결하는 유출연결유로들을 가지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 중앙 부분이 비어 있는 링 형상이고,
    상기 기판처리장치는 상기 중앙 부분에 대응되도록 상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 챔버의 내부에 전계(electric field)를 형성하는 안테나를 포함하며,
    상기 안테나는 기설정된 중심선을 기준으로 대칭을 이루도록 배치되는 제1 및 제2 안테나를 구비하고,
    상기 제1 안테나는 제1 및 제2 반경을 각각 가지고 기설정된 중심선을 기준으로 일측 및 타측에 각각 위치하는 반원 형상의 제1 내측안테나 및 제1 중간안테나와, 상기 제1 내측안테나 및 상기 제1 중간안테나를 서로 연결하는 제1 연결안테나를 가지며,
    상기 제2 안테나는 상기 제1 및 제2 반경을 각각 가지고 상기 중심선을 기준으로 일측 및 타측에 각각 위치하는 반원 형상의 제2 중간안테나 및 제2 내측안테나와, 상기 제2 중간안테나 및 상기 제2 내측안테나를 서로 연결하는 제2 연결안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판처리장치는 상기 기판지지대에 연결되어 상기 기판지지대와 함께 승강하는 승강축 및 상기 승강축을 구동하여 상기 기판지지대의 상부에 공정영역이 형성되는 공정위치 및 상기 기판지지대의 상부에 상기 기판이 놓여지는 해제위치로 상기 기판지지대를 전환하는 구동부를 더 포함하며,
    상기 샤워헤드는 상기 기판지지대가 상기 공정위치에 있을 때 상기 기판지지대의 상부면 가장자리와 인접하는 대향면 및 상기 대향면에 형성되어 상기 상부면 가장자리에 차단가스를 토출하는 하부토출구를 가지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
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