KR20160076097A - 박막 형성 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

박막 형성 장치 및 방법이 개시된다. 소스물질 및 불순물(dopants)의 공급유량을 포함하는 공정조건을 설정하고 기판 상에 이종접합 박막을 형성한다. 박막을 분석하여 소스물질의 조성비 및 불순물의 농도를 검출하고, 기준 조성비 및 기준 농도와 각각 비교하여 조성비 편차 및 농도 편차를 수득한다. 조성비 편차 및 농도 편차가 조성비 및 농도에 관한 허용범위를 넘는 경우 소스물질 및 불순물 중의 적어도 하나의 공급유량을 보정한다. 소스물질과 불순물의 공급유량을 모두 조절함으로써 팹 공정에서 막질특성에 대한 인라인 제어의 정밀도를 높일 수 있다.

Description

박막 형성 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법 {Apparatus for forming a thin layer and method of forming a thin layer on a substrate using the same}
본 발명은 박막 형성 장치 및 이를 이용한 박막 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 에피택셜 성장(epitaxial growth) 공정을 이용한 에피막(eptiaxial thin layer) 형성 장치 및 이를 이용한 에피막 형성방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 게이트 전극의 폭이나 소스/드레인 영역의 사이즈도 지속적으로 감소하고 있다. 그러나, 변형 실리콘(strained silicon)의 밴드갭(band gap)의 영향으로 전하의 이동도(carrier mobility)는 소자의 사이즈 축소에 비례하여 증가하지 못함에 따라 반도체 소자의 성능을 저해하는 요인으로 기능하고 있다. 예를 들면, 소자의 집적도에 비례하여 게이트 전극의 저항이나 소스/드레인 영역의 접촉저항도 지속적으로 증가하여 소자의 집적도를 저하시키는 원인으로 기능하고 있다.
이에 따라, 에피택셜 공정으로 불순물을 주입하여 막질의 균일도와 전하 이동도를 향상할 수 있는 이종접합(hetero-junction) 박막(이하, 에피막) 구조가 널리 이용되고 있다. 예를 들면, 높은 유전율(high dielectric constant, high-k)과 전하 이동도를 구비하는 실리콘-게르마늄(silicon germanium, SiGe) 박막이 반도체 소자의 접속층(contact layer)이나 불순물층(impurity layer)으로 널리 이용되고 있다.
이때, 상기 에피막의 특성인 이종원소의 조성비나 막질 두께 등은 X선 회절분석법을 이용하여 공정이 진행되는 동안 실시간으로 제어할 수 있다. 에피택셜 공정이 진행되는 동안 에피막에 대하여 X선 회절 분석법을 수행하여 조성비와 막두께를 검출하고 검출결과에 따라 공정챔버로 공급되는 소스물질의 공급유량을 제어함으로써 원하는 조성비와 막 두께를 갖는 에피막을 수득할 수 있다. X선 회절분석법에 의해 검출된 조성비와 막두께는 소스물질의 공급유량과 충분한 신뢰도를 갖고 선형성을 가지므로, 회절분석 결과를 소스물질 공급부로 피드백 시킴으로써 에피막의 막질특성을 에피택셜 공정 진행 중에 인라인(in-line)으로 정확하게 제어할 수 있다.
그러나, 에피막의 공정 중에 도펀트를 주입하는 경우 도펀트의 물성에 의해 에피막의 성장에 참여하는 이종성분의 함량이 변화하게 되어 에피막의 막질특성은 소스물질뿐만 아니라 도펀트에 의해서도 영향을 받게 되어 에피막의 막질특성에 대한 정확한 인라인 제어는 도펀트의 공급유량에 대한 제어를 요구한다.
예를 들면, 에피택셜 공정에 의해 실리콘-게르마늄(SiGe) 형성하면서 밴드갭 에너지를 저하시키기 위해 붕소(boron, B)를 공정 중에 공급하는 경우, 붕소(B)의 확산도(diffusitivity)에 의해 에피막질의 게르마늄의 함량이 저하되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 실리콘 게르마늄(SiGe)막을 형성하는 게르마늄(Ge)의 조성비 및 막두께는 소스물질의 공급유량뿐만 아니라 첨가되는 붕소의 공급량에도 영향을 받게 되므로, 소스물질의 공급유량과 회절분석에 의해 검출된 에피막의 조성비 및 막두께 사이의 선형성을 더 이상 신뢰할 수 없게 된다. 이에 따라, 에피공정 중에 도펀트가 첨가되는 경우, 에피막의 회절분석 결과를 소스물질의 공급유량에 대한 인라인(in-line) 제어수단으로 이용할 수 없게 된다. 따라서, 도펀트가 첨가되는 에피택셜 공정에서 에피막의 조성비와 막두께를 인라인으로 제어하기 위해서는 도펀트의 공급유량에 대한 제어가 요청된다.
그러나, X-선 회절분석법은 에피막의 결정구조를 확인하여 이종성분의 조성비와 두께를 검출하는 것이므로 에피막에 포함된 도펀트의 함량을 정확하게 제공하지는 않는다.
이에 따라, 소스물질의 공급량뿐만 아니라 도펀트의 공급량까지 에피택셜 공정이 진행되는 동안 인라인으로 제어하여 원하는 조성비와 막두께를 구비하는 에피막을 형성할 수 있는 새로운 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 에피막의 이종원소에 대한 조성비와 불순물의 농도를 동시에 검출하여 소스물질의 공급량과 불순물의 공급량을 인라인으로 제어하는 박막 형성장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 바와 같은 박막 형성장치를 이용하여 에피막을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 박막 형성 장치에 의하면, 에피택셜 성장 공정(epitaxial growth process)에 의해 반도체 기판의 상면에 이종접합(hetero-junction) 박막을 형성하는 공정 챔버, 상기 박막을 형성할 소스물질을 상기 공정 챔버로 공급하는 제1 공급챔버, 상기 박막의 막질 특성을 개량하기 위한 불순물(dopants)을 상기 공정챔버로 공급하는 제2 공급챔버, 상기 이종접합 박막의 조성비 및 상기 이종접합 박막에 포함된 불순물의 농도(intensity)를 검출하는 검출유닛, 및 상기 조성비 및 상기 농도에 관한 기준값과 상기 검출유닛으로부터 검출된 검출값을 비교하여 상기 소스물질 및 상기 불순물 중의 적어도 하나의 공급유량을 개별적으로 제어하는 제어부를 포함한다.
일실시예로서, 상기 검출유닛은 상기 박막으로 연속 X-선을 조사하는 X-선 조사부 및 상기 박막에 의한 상기 연속 X-선의 회절 스펙트럼을 수득하고 상기 회절 스펙트럼의 피크각(peak angle)으로부터 상기 박막의 조성비와 두께를 검출하는 회절 분석기 및 상기 X-선에 의해 파생되는 상기 불순물의 형광 X-선을 검출하여 상기 불순물의 농도를 검출하는 형광 분석기를 구비하는 검출부를 포함한다.
일실시예로서, 상기 X-선 조사부는 상기 연속 X-선을 생성하는 X-선 생성부와 생성된 X-선을 상기 박막에 대하여 일정한 조사각도로 조사하는 조사기를 포함하고, 상기 X-선 생성부는 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중의 어느 하나를 타겟 금속판(target metal plate)으로 이용한다.
일실시예로서, 상기 박막은 스크라이브 라인(scribe line)에 의해 구분되는 다수의 다이(die) 및 상기 다이를 둘러싸는 주변 영역에 배치된 다수의 테스트 패턴 상에 배치되고, 상기 연속 X-선은 상기 테스트 패턴의 표면적보다 작은 빔 사이즈를 구비하여 상기 테스트 패턴 단위로 조사된다.
일실시예로서, 상기 박막은 스크라이브 라인(scribe line)에 의해 구분되는 다수의 다이(die) 및 상기 다이를 둘러싸는 주변 영역에 배치된 다수의 테스트 패턴 상에 배치되고, 상기 연속 X-선은 상기 다수의 다이를 구비하는 단위 샷(unit shot)에 대응하는 빔 사이즈를 구비하여 상기 샷 단위로 조사된다.
일실시예로서, 상기 제어부는 상기 박막의 조성비에 관한 상기 기준값인 기준 조성비와 상기 회절 분석기로부터 검출된 상기 박막의 조성비인 검출 조성비를 비교하는 제1 연산기, 상기 불순물의 농도에 관한 상기 기준값인 기준 농도와 상기 형광 분석기로부터 검출된 상기 불순물의 농도인 검출 농도를 비교하는 제2 연산기, 상기 제1 및 제2 연산기의 비교결과에 따라 상기 소스물질 및 상기 불순물의 공급유량을 개별적으로 제어하는 유량 제어기 및 상기 기준 조성비 및 상기 기준 농도를 저장하고 상기 제1 및 제2 연산기 및 유량 제어기와 연결되어 상기 공정챔버, 상기 제1 및 제2 공급챔버와 상기 검출유닛을 제어하는 제어신호를 전송하는 중앙제어기를 포함한다.
일실시예로서, 상기 제1 공급챔버는 상기 제1 공급챔버와 연결되어 상기 소스물질을 공급하는 제1 공급관 및 상기 제1 공급관 상에 배치되어 상기 소스물질의 유량을 단속하는 제1 밸브유닛을 더 구비하고, 상기 제2 공급챔버는 상기 제2 공급챔버와 연결되어 상기 불순물을 공급하는 제2 공급관 및 상기 제2 공급관 상에 배치되어 상기 불순물의 유량을 단속하는 제2 밸브유닛을 더 구비하며, 상기 유량 제어기는 상기 제1 및 제2 연산기의 비교결과에 따라 각각 상기 제1 및 제2 밸브유닛을 제어하는 제어신호를 전송한다.
일실시예로서, 상기 불순물 공급유량의 변화량에 대한 상기 검출 농도 변화량의 비율이 음의 값을 갖는 경우, 상기 중앙 제어기는 상기 공정 챔버의 공정조건(process parameter)을 수정하는 공정제어 신호를 전송한다.
일실시예로서, 상기 공정 조건은 상기 공정챔버 내부의 압력, 온도 및 상기 공정시간을 포함할 수 있다.
일실시예로서, 상기 이종접합 박막은 갈륨비소인듐(InGaAs)막 및 실리콘게르마늄(SiGe)막 중의 어느 하나를 포함하고, 상기 불순물은 탄소(C)와 붕소(B) 중의 어느 하나를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 박막 형성 방법이 개시된다. 소스물질 및 불순물(dopants)의 공급유량을 포함하는 공정조건을 설정한다. 이어서, 에피택셜 공정에 의해 반도체 기판 상에 이종접합 박막을 형성하고, 상기 박막을 분석하여 상기 소스물질의 조성비 및 상기 불순물의 농도인 검출 조성비 및 검출 농도를 검출한다. 이어서, 상기 검출 조성비와 검출 농도를 기준 조성비 및 기준 농도와 각각 비교하여 조성비 편차 및 농도 편차를 수득하고, 상기 조성비 편차 및 상기 농도 편차 중의 적어도 하나가 상기 조성비 및 농도에 관한 허용범위를 각각 넘는 경우 상기 소스물질 및 상기 불순물 중의 적어도 하나의 상기 공급유량을 보정한다.
일실시예로서, 상기 검출 조성비는 X-선 회절분석법에 의해 검출되어, 상기 박막으로 조사된 X-선의 회절 스펙트럼의 최대 피크각(peak angle)으로부터 상기 박막의 두께와 함께 수득하고, 상기 검출 농도는 상기 박막으로 조사된 연속 X-선에 의해 방사되는 상기 불순물의 형광 X-선을 검출하는 X-선 형광분석법에 의해 수득된다.
일실시예로서, 상기 X-선 회절분석법 및 X-선 형광분석법은 상기 반도체 기판의 테스트 패턴 단위로 수행되거나, 다수의 다이가 구비되는 상기 반도체 기판의 샷(shot) 단위로 수행될 수 있다.
일실시예로서, 상기 조성비 편차 및 농도 편차를 수득하고, 상기 조성비 편차 및 농도 편차에 따라 상기 공급유량을 보정하고, 보정된 상기 공급유량인 보정유량으로 상시 소스물질 및 불순물을 공급하여 상기 박막을 형성하는 것을 상기 조성비 편차 및 상기 농도편차가 상기 허용범위를 충족할 때 까지 반복적으로 수행하여 상기 박막의 막질특성을 상기 박막을 형성하는 팹 단계에서 인라인으로 제어한다.
일실시예로서, 상기 검출 농도가 상기 농도 허용범위를 벗어나고 상기 불순물 공급유량의 변화량에 대한 상기 검출 농도 변화량의 비율이 음의 값을 갖는 경우, 상기 소스물질 및 불순물(dopants)의 공급유량을 제외한 나머지 공정조건 중의 적어도 하나를 수정하는 것을 더 포함한다.
일실시예로서, 상기 소스물질과 상기 불순물은 상기 에피택셜 공정이 진행되는 동안 서로 상보적으로 반응하여 상기 소스물질의 공급유량을 증가시키면 상기 검출 농도는 감소하고 상기 불순물의 공급유량을 증가시키는 경우 상기 검출 조성비가 감소한다.
일실시예로서, 상기 소스물질은 게르마늄(Ge)을 포함하고 상기 불순물은 붕소(B)를 포함한다.
일실시예로서, 상기 공정조건을 설정하기 전에 상기 기준 조성비 및 상기 기준 농도를 수득한다.
일실시예로서, 상기 기준 조성비 및 기준 농도는 공정이 수행되는 팹이 아니라 시료를 분석하는 분석실에서 비패턴 웨이퍼(non-patterned wafer) 검사공정을 통해 수득한다.
본 발명에 의한 박막 형성 장치 및 박막 형성 방법에 의하면, 이종물질인 소스물질과 불순물을 동시에 공급하면서 에피택셜 공정을 수행하는 경우, 생성되는 에피막의 이종물질 조성비와 불순물의 농도를 동시에 검출하여 기준 조성비 및 기준 농도와 실시간으로 비교함으로써 소스물질과 불순물의 공급유량을 적절하게 조절함으로써 에피막의 막질특성을 팹(FAB) 공정단계에서 실시간으로 제어할 수 있다.
특히, 에피택셜 공정에 의해 실리콘게르마늄(SiGe)막을 형성하는 경우, 에피택셜 공정이 진행되는 동안 불순물로 공급되는 붕소(B)와 소스물질로 공급되는 게르마늄(Ge)은 서로 상보적으로 거동하여 게르마늄의 조성비가 기준값에 부합하지 않는 경우 게르마늄의 공급량만을 제어하는 경우 정확한 막질특성을 수득하기 어렵다. 그러나, 본 발명과 같이 게르마늄의 조성비뿐만 아니라 실리콘게르마늄 막질에 포함된 붕소의 농도도 게르마늄의 조성비와 함께 공정진행 중에 검출하여 기준 농도와 비교하고, 이를 통하여 붕소의 공급유량도 함께 제어함으로써 에피막의 막질특성에 관한 인라인 제어의 정확성을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 검출된 붕소 농도를 통하여 공급유량 제어뿐만 아니라 공정조건에 대한 이상설정이나 박막 형성 장치의 시스템적 하자에 관한 단서도 함께 수득함으로써 예상치 않은 구동조건 변화나 설비이상을 미리 확인할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 박막 형성 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 X-선 생성부를 나타내는 구성도이다.
도 3a는 기판 상에 형성된 박막으로 조사되는 X-선과 박막으로부터 생성되는 회절광 또는 형광 X-선을 나타내는 도면이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 박막의 조사영역을 기판을 중심으로 나타내는 도면이다.
도 4는 형광분석기에 의해 비정상적으로 검출된 불순물 농도를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1에 도시된 박막 형성 장치를 이용하여 이종접합 박막을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 박막 형성장치를 이용하여 이종접합 박막을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 박막 형성 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 박막 형성 장치(1000)는 에피택셜 공정으로 박막을 형성하는 공정챔버(100), 상기 공정챔버(100)로 소스물질 및 불순물을 각각 공급하는 제1 및 제2 공급챔버(200,300), 상기 박막에 구비된 소스물질의 조성비와 불순물의 농도를 검출하는 검출유닛(400) 및 상기 검출 조성비와 검출 농도에 따라 상기 에피택셜 공정의 공정 조건을 제어하는 제어부(500)를 포함한다.
일실시예로서, 상기 공정챔버(100)는 바닥면에 배치된 로딩부(110) 및 상기 로딩부(110)의 상면에 구비된 기판 지지부(120)를 구비하고 공정대상 기판(w)은 상기 기판 지지부(120)에 고정된다.
예를 들면, 상기 로딩부(110)는 수직 및 수평 이동 및 회전이동이 가능한 구동부(미도시)를 구비하고 웨이퍼 카세트와 같은 기판 이송부(미도시)에 적재된 가공대상 기판을 상기 공정챔버의 내부로 로딩한다. 상기 기판 지지부(120)는 상기 로딩부(120)와 결합되어 공정이 진행되는 동안 상기 기판(w)을 고정한다. 상기 기판 지지부(120)의 내부에는 히터와 같은 전열 수단이 구비되어 필요한 경우 상기 기판(w)을 가열할 수도 있다.
상기 공정챔버(100)의 상부에는 공정수행에 필요한 소스가스와 불순무을 공급하는 소스배관(130)이 연결되어 소스가스와 불순물의 혼합가스를 공정챔버(100)로 공급한다. 상기 소스가스와 불순물은 공정챔버(100)의 내부에서 수행되는 공정의 종류에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 공정챔버(100)는 로딩된 기판(w)에 대하여 에피택셜 성장 공정에 의해 상기 기판(w)의 표면에 이종접합 박막(L)을 형성한다.
상기 기판(w)은 p형 또는 n형 반도체 기판을 포함한다. 예를 들면, 상기 기판(w)은 순수 실리콘이나 SOI(Silicon On Insulator), 실리콘-게르마늄, 실리콘-카바이드 또는 갈륨-비소와 같은 화합물 반도체로 구성될 수 있다. 상기 기판(w) 상에는 소정의 반도체 소자를 형성하기 위한 도전성 구조물(미도시)들이 배치될 수 있다.
상기 이종접합 박막(L)은 에피택셜 공정에 의해 상기 기판(w)과 에너지 밴드가 다른 종류의 반도체를 소정의 두께만큼 성장시킨 박막으로 구성된다. 이하에서는, 경우에 따라 에피택셜 성장공정에 의해 형성된 상기 이종접합 박막(L)을 에피막(epitaxial layer)으로 서술한다.
상기 에피막(L)이 형성되는 기판(w)의 상면에는 다양한 구조물들이 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(w)은 반도체 소자의 게이트 구조물(미도시)이 배치되고 상기 게이트 게이트의 측부에 배치되는 소스/드레인 영역에 상기 에피막(L)이 형성될 수도 있다. 이와 달리, 상기 기판(w)은 배선 구조물(미도시)과 배선 구조물 또는 배선 구조물과 상기 소스/드레인 영역을 접속하는 다양한 접속 구조물을 구비하고, 상기 접속 구조물의 상부에 상기 에피막(L)이 형성될 수도 있다.
상기 공정챔버(100)의 상부에는 상기 에피막(L)을 형성하기 위한 소스물질과 불순물을 공급하는 소스배관(130)을 통하여 각각 제1 및 제2 공급챔버(200,300)와 연결된다.
상기 제1 공급챔버(200)는 상기 에피막(L)을 형성하기 위한 소스물질을 저장하고 제1 밸브유닛(211)에 의해 공급유량이 제어되는 제1 라인(210)을 통하여 상기 소스라인(130)으로 소스물질을 공급한다. 제2 공급챔버(300)는 에피막(L)의 균일도(uniformity)를 높이고 상기 소스물질의 전하 이동성(mobility)을 향상시켜 에피막(L)의 밴드 갭(band gap)을 낮출수 있는 불순물(dopant)를 저장한다. 상기 불순물은 제2 밸브 유닛(311)에 의해 공급량이 제어되는 제2 라인(310)을 통하여 상기 소스라인(130)으로 공급된다. 따라서, 상기 불순물과 소스물질의 혼합물은 상기 소스라인(130)을 통하여 공정챔버(100)의 내부로 공급된다.
상기 에피막(L)은 갈륨비소인듐(InGaAs)막 및 실리콘게르마늄(SiGe)막 중의 어느 하나를 포함하고 상기 불순물은 탄소(C)와 붕소(B) 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 특히, 본 실시예의 겨우, 상기 에피막(L)은 게르마늄(Ge)을 소스물질로 이용하고 붕소(boron)를 불순물로 이용하여 형성되는 실리콘게르마늄(SiGe)막을 포함한다.
후술하는 바와 같이, 상기 에피막(L)에 구비된 소스물질의 조성비 및 불순물의 농도에 따라 상기 제1 및 제2 밸브유닛(211,311)은 에피택셜 공정이 진행되는 팹(FAB)에서 인라인으로 제어되어, 형성되는 에피막(L)의 막질특성에 따라 상기 소스물질 및 불순물의 공급량을 실시간으로 제어할 수 있다.
일실시예로서, 상기 검출유닛(400)은 상기 박막(L)으로 연속 X-선을 조사하는 X-선 조사부(410) 및 상기 박막(L)에 의한 상기 연속 X-선의 회절 스펙트럼을 수득하고 상기 회절 스펙트럼의 피크각(peak angle)으로부터 상기 박막의 조성비와 두께를 검출하는 회절 분석기(421) 및 상기 X-선에 의해 파생되는 상기 불순물의 형광 X-선을 검출하여 상기 불순물의 농도를 검출하는 형광 분석기(422)를 구비하는 검출부(420)를 포함한다.
예를 들면, 상기 X-선 조사부(410)는 상기 연속 X-선을 생성하는 X-선 생성부(411)와 생성된 X-선을 상기 박막에 대하여 일정한 조사각도로 조사하는 조사기(412)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 X-선 생성부를 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 X-선 생성부(411)는 고전압에 의해 고속 전자선(electron beam)을 방전하는 필라멘트(411a), 상기 고속 전자선과 충돌하여 연속 스펙트럼을 갖는 X-선을 방출하는 타겟 금속판(411b) 및 상기 필라멘트와 타겟 금속판을 둘러싸는 진공 방전관(411c)을 구비한다.
이때, 상기 방전되는 X-선의 세기는 타겟 금속판(411b)의 물성에 따라 달라진다. 본 실시예의 경우, 상기 기판(w)의 기판에 대한 영향을 최소화할 수 있도록 저에너지 X-선을 수득할 수 있는 금속으로 상기 타겟 금속판(411b)을 구성한다. 예를 들면, 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중의 어느 하나를 상기 타겟 금속판(411b)으로 이용한다.
상기 X-선 생성부(411)에서 생성된 X-선은 상기 조사기(412)를 통하여 일정한 조사각도를 유지하면서 기판(w)으로 조사된다. 특히, 상기 조사기(412)는 상기 회절 분석기(421) 및 형광 분석기(422)와 연동되어 회절분석 및 형광분석을 수행하기에 적절한 각도로 X-선을 조사한다. 이를 위하여 상기 조사기(412)는 자체의 구동부(미도시)를 구비하고 X-선 생성부(411)로부터 생성된 X-선을 유도할 수 있는 유연성 광케이블(413)을 더 구비할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 조사기(412)는 회절분석 및 형광분석에 적절한 조사각도를 생성하기 위해 선택적으로 반사판(미도시)을 더 구비할 수도 있다. 예를 들면, 상기 회절분석기(421)에 대응하여 상기 에피막(L)에 대한 회절 스펙트럼을 수득하기 위한 적어도 하나의 회절용 결정판(미도시)을 더 구비할 수도 있고, 상기 형광 분석기(422)에 의해 검출되는 형광 X-선의 파장에 대응하는 피치(pitch)를 갖는 결정 반사판(미도시)을 더 구비할 수도 있다.
예를 들면, 상기 회전분석기(421)는 조사된 X-선이 상기 박막(L)의 결정구조에 따라 회절된 회절광을 검출하여 회절각과 회절광의 세기로 표시되는 회절 스펙트럼을 형성한다. 상기 회절 스텍트럼으로부터 회절광의 세기가 최대인 회절각을 나타내는 피크 각(peak angle)을 검출하고 상기 피크각으로부터 상기 박막(L)의 두께와 박막에 포함된 이종원소인 소스물질의 조성비를 검출한다.
상기 형광분석기(422)는 상기 박막(L)으로 조사되는 연속 X-선에 대응하여 불순물 입자에 대응하는 형광 X-선(혹은 특성 X-선)이 생성되고 상기 형광 X-선은 결정 반사판에 의해 반사되어 검출수단에 의해 검출된다. 따라서, 상기 검출수단에 의해 검출되는 형광 X-선의 밀도를 측정함으로써 상기 박막(L)에 포함된 불순물의 농도를 검출할 수 있다.
이때, 상기 에피막(L)으로 조사되는 X-선은 검출대상에 따라 다양한 빔 사이즈를 갖도록 조절된다.
도 3a는 기판 상에 형성된 박막으로 조사되는 X-선과 박막으로부터 생성되는 회절광 또는 형광 X-선을 나타내는 도면이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 박막의 조사영역을 기판을 중심으로 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 X-선 조사부(410)에서 생성된 연속 X-선(B1)은 기판(w) 상에 형성된 박막(L)의 일정한 조사영역(A)으로 조사된다. 조사영역(A)으로부터 생성된 회절광은 상기 회절분석기(421)로 검출되어 박막의 두께와 상기 박막(L)에 구비된 소스물질의 조성비를 검출한다. 상기 조사영역(A)으로부터 생성된 형광 X-선은 상기 형광분석기(422)로 검출되어 상기 박막(L)에 구비된 불순물의 농도를 검출한다.
이때, 상기 기판(w)으로 반도체 웨이퍼를 이용하고 반도체 소자를 형성하기 위한 박막을 형성하는 경우, 상기 조사영역(A)은 상기 기판(w)의 단위 샷이나 반도체 칩이 배치된 다이의 주변부에 형성된 테스트 패턴 단위로 구분될 수 있다.
상기 반도체 웨이퍼는 사진공정에 이용되는 포토 마스크의 크기에 대응하는 다수의 샷(50) 단위로 구분되고, 상기 단위 샷(50)은 스크라이브 라인(scribe line, 56)에 의해 구분되고 다수의 집적회로 칩이 배치되는 다수의 다이(die, 52)로 구성된다. 상기 다이를 둘러싸는 주변 영역에는 상기 집적회로 칩에 형성된 패턴과 동일한 적층 구조를 갖는 테스트 패턴(54)들이 배치된다.
이때, 상기 연속 X-선(B1)은 상기 테스트 패턴(54)의 표면적보다 작은 빔 사이즈를 구비하도록 조절되어 상기 테스트 패턴(54) 단위로 조사될 수 있다. 즉, 연속 X-선(B1)은 다이(52)를 둘러싸는 테스트 패턴(54)으로 조사되어 소스물질의 조성비와 불순물의 농도를 검출한다.
상기 테스트 패턴(54)은 다이(52)를 구성하는 집적회로 칩을 형성하는 패턴과 동일한 공정에 의해 동시에 형성되므로 집적회로 칩으로 X-선을 조사하지 않으면서 집적회로 칩을 구성하는 에피막(L)의 특성을 검출할 수 있다.
이와 달리, 상기 X-선(B1)은 다수의 다이(52)를 구비하는 단위 샷(unit shot, 50)에 대응하는 빔 사이즈를 갖도록 조절되어, 상기 샷(50)을 구성하는 다이에 형성된 박막(L)으로 동시에 조사될 수 있다. 이에 따라, 집적회로 칩을 구성하는 박막(L)으로부터 직접 조성비와 농도를 검출할 수 있다.
상기 제어부(500)는 상기 공정챔버(100), 제1 및 제2 공급챔버(200,300)의 밸브유닛들(211,311) 및 상기 검출유닛(400)과 연결되어 상기 공정챔버(100)의 내부에서 에피택셜 공정이 진행되는 동안 상기 박막(L)의 막질특성과 불순물의 농도를 검출하고 검출값과 기준값을 비교하여 실시간으로 소스물질 및 불순물의 공급유량과 공정조건(process parameter)을 제어한다. 이에 따라, 상기 에피택셜 공정이 진행되는 팹(FAB)에서 인라인으로 공급유량과 공정조건을 제어함으로써 원하는 막질특성을 수득할 수 있다.
예를 들면, 상기 제어부(500)는 소스물질의 조성비와 불순물의 농도에 관한 기준값을 저장하고 공정챔버(100), 제1 및 제2 공급챔버(200,300) 및 검출유닛(400)을 제어하여 원하는 막질특성을 갖는 박막이 형성되도록 상기 애피택셜 공정을 제어하는 중앙 제어기(511), 상기 박막의 조성비에 관한 상기 기준값인 기준 조성비와 상기 회절 분석기로부터 검출된 상기 박막의 조성비인 검출 조성비를 비교하는 제1 연산기(512), 상기 불순물의 농도에 관한 상기 기준값인 기준 농도와 상기 형광 분석기로부터 검출된 상기 불순물의 농도인 검출 농도를 비교하는 제2 연산기(513), 상기 제1 및 제2 연산기(512,513)의 비교결과에 따라 상기 소스물질 및 상기 불순물의 공급유량을 개별적으로 제어하는 유량 제어기(514)를 포함한다.
상기 중앙 제어기(511)는 제1 및 제2 연산기(512,513)와 유량 제어기(514)에 연결되어 상기 조성비 농도의 기준값과 검출값을 비교하고, 비교결과에 따라 소스물질 및 불순물의 공급유량을 제어하고 공정챔버(100)의 공정조건을 수정한다.
소스물질의 기준 조성비와 불순물의 기준 농도는 에피택셜 공정이 수행되는 팹(FAB)과 분리되어 완성된 에피막을 대상으로 막질특성과 공정불량을 분석하는 공정 분석실(process laboratory, LAB)의 분석 데이터를 기준으로 확정한 소스물질의 조성비와 불순물의 농도로서, 공정챔버(100)에서 에피택셜 공정이 수행되기 전에 상기 중앙 제어기(511)의 메모리에 입력될 수 있다.
특히, 상기 분석실(LAB)에서는 공정이 완료된 에피막의 샘플에 대하여 이차이온질량 분석(secondary ion mass spectroscopy, SIMS)과 X-레이 회절분석(XRD)을 동시에 수행하여 상기 에피막의 깊이에 따른 이종원소의 분포(depth profile)를 수득하고 상기 소스물질의 조성비와 불순물의 농도를 정밀하게 검출한다. 상기 웨이퍼에 대한 비패턴 검사(non-patterned wafer)를 통하여 검출한 이종원소 및 불순물의 함량을 고려하여 당해 공정에서 이상적으로 요구되는 막질특성과 불순물의 조성비를 결정한다. 상기 분석실에서 결정된 소스물질의 조성비와 불순물의 농도를 기준 조성비와 기준 농도로서 상기 중앙 제어기(511)에 저장한다.
상기 회절분석기(421)로부터 검출된 검출 조성비는 제1 연산기(512)로 전송되어 중앙 제어기(511)로부터 전송된 기준 조성비와 비교되어 조성비 편차를 수득한다. 이어서, 상기 조성비 편차가 허용범위를 벗어나는 경우 상기 중앙 제어기(511)로 소스물질 유량 조절신호를 전송한다. 상기 소스물질 유량조절 신호에 따라 중앙 제어기(511)는 유량 제어기(514)를 구동하여 제1 밸브유닛(211)을 직접 제어하여 상기 조성비 편차를 실시간으로 공정조건에 피드백 시킬 수 있다.
마찬가지로, 상기 형광분석기(422)로부터 검출된 검출 농도는 제2 연산기(513)로 전송되어 중앙 제어기(511)로부터 전송된 기준 농도와 비교되어 농도 편차를 수득한다. 이어서, 상기 농도 편차가 허용범위를 벗어나는 경우 상기 중앙 제어기(511)로 불순물 유량 조절신호를 전송한다. 상기 불순물 유량조절 신호에 따라 중앙 제어기(511)는 유량 제어기(514)를 구동하여 제2 밸브유닛(311)을 직접 제어함으로써 상기 농도 편차를 실시간으로 공정조건에 피드백 시킬 수 있다.
상기 유량 제어기(514)는 중앙 제어기(511)의 유량 조절신호에 따라 선택적으로 제1 또는 제2 밸브유닛(211,311)을 각각 제어하는 제어신호를 전송하여 소스물질 및 불순물의 공급유량을 개별적으로 제어할 수 있다.
이때, 상기 조성비 편차 및 농도 편차를 수득하고 이에 따라 소스물질과 불순물의 공급유량을 제어하는 것은 인라인으로 수행되어 박막에 대한 소스물질의 조성비와 불순물의 농도가 기준 조성비와 기준 농도에 근접하도록 반복적으로 공급유량이 제어된다.
특히, 상기 불순물 농도를 반복적으로 검출하는 경우, 공정조건의 다양한 변화에 의해 검출 농도의 거동이 정상상태로부터 크게 벗어나는 경우가 발생할 수 있다.
도 4는 형광분석기에 의해 비정상적으로 검출된 불순물 농도를 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 4에서 가로축은 불순물의 공급유량을 나타내고 세로축은 검출된 불순물의 농도를 나타낸다. 도 4에서, 제1 검출농도(I)는 비교대상 농도로서 정상적인 공급유량(1.45E20)으로 불순물을 공급한 경우 형성되는 박막인 제1 에피막으로부터 검출된 불순물의 농도이며, 제2 검출농도(II)는 상기 불순물의 공급유량을 약 50% 정도 증가시킨 경우(2.2E20) 형성되는 박막인 제2 에피막으로부터 검출된 불순물의 농도이다. 또한, 제3 검출농도(III)는 상기 불순물의 공급유량을 약 7.6배 증가시킨 경우(1.1E21) 형성되는 박막인 제3 에피막으로부터 검출된 불순물의 농도이다.
도 4를 참조하면, 제2 및 제3 에피막을 형성하기 위한 불순물의 농도는 제1 에피막을 형성하기 위한 불순물의 농도보다 약간 혹은 현저하게 증가하였음에도 불구하고 제2 및 제3 검출농도(II,III)는 제1 검출농도(I)보다 오히려 감소하는 결과를 보여준다.
공정챔버(100)에서 에피택셜 공정이 정상적으로 수행된다면, 불순물의 공급량 증가는 불순물 검출농도의 증가를 유발하는 것이 정상적이므로 불순물의 공급량 증가에도 불구하고 불순물의 검출농도가 오히려 감소하는 도 4와 같은 결과는 소스물질 혹은 불순물의 공급유량의 불균형에 기인하는 것이 아니라 공정조건(process parameter)의 이상설정이나 공정챔버의 누수나 배관불량과 같은 공정설비의 이상과 같은 시스템 하자에 기인함을 의미한다.
따라서, 도 4에서와 같이 불순물 공급유량의 변화량에 대한 상기 검출 농도 변화량의 비율이 음의 값을 갖는 경우와 같이 비정상적인 불순물 농도가 검출되는 경우, 상기 제2 연산기(513)는 공정조건 이상신호를 중앙 제어기(511)로 전송하고, 상기 중앙 제어기(511)는 상기 공정 챔버의 공정조건(process parameter)을 수정하는 공정제어 신호를 공정챔버(100)로 전송한다. 선택적으로, 알람신호와 같은 위험신호를 별도로 발송함으로써 장치 구동자에게도 공정조건의 이상여부를 경고할 수 있다.
예를 들면, 상기 공정조건은 상기 소스물질 및 불순물의 유량을 제외한 다양한 공정조건들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 에피택셜 공정이 수행되는 공정챔버(100) 내부의 온도와 압력, 에피택셜 공정이 진행되는 시간을 포함할 수 있다. 또한, 시스템의 하자는 상기 공정챔버(100)의 물리적 파손, 상기 소스배관(130)의 접속불량 또는 밸브유닛의 파손등 다양한 설비하자를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 불순물의 공급량 변화에 대한 검출농도의 변화량의 비율이 음의 값을 갖는 경우 상기 공정조건 이상신호를 발생하는 것으로 개시하고 있지만, 상기 박막 형성 장치의 설비특성에 따라 다양한 기준에 따라 공정조건 이상신호를 발생하도록 설정할 수 있다.
예를 들면, 상기 불순물의 공급량 변화량과 검출농도 변화량의 비율이 비정상적으로 크거나 작은 경우에도 소스물질이나 불순물의 공급유량이 아니라 에피택셜 공정조건의 불량 가능성이 높으므로 공정조건 이상신호를 생성하도록 설정할 수 있다.
상술한 바와 같은 박막 형성 장치에 의하면, 이종물질인 소스물질과 불순물을 동시에 공급하면서 에피택셜 공정을 수행하는 경우, 생성되는 에피막의 이종물질 조성비와 불순물의 농도를 동시에 검출하여 기준 조성비 및 기준 농도와 실시간으로 비교함으로써 소스물질과 불순물의 공급유량을 적절하게 조절함으로써 에피막의 막질특성을 팹(FAB) 공정단계에서 실시간으로 제어할 수 있다.
특히, 에피택셜 공정에 의해 실리콘게르마늄(SiGe)막을 형성하는 경우, 에피택셜 공정이 진행되는 동안 불순물로 공급되는 붕소(B)와 소스물질로 공급되는 게르마늄(Ge)은 서로 상보적으로 거동하여 게르마늄의 조성비가 기준값에 부합하지 않는 경우 게르마늄의 공급량만을 제어하는 경우 정확한 막질특성을 수득하기 어렵다.
그러나, 본 발명과 같이 게르마늄의 조성비뿐만 아니라 실리콘게르마늄 막질에 포함된 붕소의 농도도 게르마늄의 조성비와 함께 공정진행 중에 검출하여 기준 농도와 비교하고, 이를 통하여 붕소의 공급유량도 함께 제어함으로써 에피막의 막질특성에 관한 인라인 제어의 정확성을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 검출된 붕소 농도를 통하여 공급유량 제어뿐만 아니라 공정조건에 대한 이상설정이나 박막 형성 장치의 시스템적 하자에 관한 단서도 함께 수득함으로써 예상치 않은 구동조건 변화나 설비이상을 미리 확인할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 도 1에 도시된 박막 형성 장치를 이용하여 이종접합 박막을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 에피택셜 공정에 의해 이종접합 박막을 형성하기 위한 소스물질 및 불순물의 기준값을 수득하여 상기 중앙 제어기(511)에 설정한다(단계 S100). 즉, 에피택셜 공정의 공정 목표값인 소스물질에 관한 기준 조성비 및 불순물에 관한 기준 농도를 수득하고 이를 상기 제어부(500)의 중앙 제어기(511)에 설정한다.
예를 들면, 상기 기준 조성비 및 기준 농도는 설계단계에서 이론적으로 결정되는 상기 박막의 막질특성과 불순물의 농도를 포함한다. 이와 달리, 에피택셜 공정에 의해 형성된 박막 샘플을 공정 분석실에서 분석하여 검출한 막질특성 및 불순물의 평균값을 상기 기준 조성비 및 기준 농도로 설정할 수도 있다. 또는 상기 분석실에서 패턴이 형성되지 않은 비패턴 웨이퍼(non-patterned wafer)에 대한 검사공정을 수행하여 비패턴 조성비 및 농도를 검출하고 이론적 조성비 및 농도나 박막 샘플의 평균적인 조성비나 농도로 보정함으로써 상기 기준 조성비나 기준 농도를 설정할 수 있다. 예를 들면, 분석실에서는 이차이온 질량 분석법(secondary ion mass spectroscopy, SIMS) 또는 X-선 회절분석법을 이용하여 비패턴 웨이퍼의 깊이에 따른 불순물들의 농도분포를 정밀하게 검출할 수 있다.
이어서, 상기 소스물질 및 불순물의 공급유량을 포함하는 공정조건을 설정한다(단계 S200).
소스물질에 대한 기준 조성비 및 불순물에 대한 기준 농도가 특정되면, 상기 기준 조성비에 대응하는 소스물질의 공급유량 및 상기 기준 농도에 대응하는 불순물의 공급유량을 초기 공급유량으로 각각 설정한다. 또한, 상기 공정챔버(100)의 공정온도, 공정압력 및 공정시간과 같이 상기 에피택셜 공정을 수행하기 위한 내부 환경조건들을 공정조건(process parameter)으로 설정한다.
이어서, 설정된 공정조건에 따라 초기 공급유량으로 공급되는 소스물질 및 불순물을 이용하여 상기 공정챔버(100)의 내부에서 에피택셜 공정이 수행된다. 상기 에피택셜 공정에 의해 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(w) 상에 기판과 상이한 에너지 밴드를 구비하는 이종원소를 성장시켜 상기 기판(w) 상에 이종접합 박막(L)인 에피막을 형성한다(단계 S300). 이때, 상기 에피막의 밴드갭을 낮추기 위해 상기 에피택셜 공정이 진행되는 동안 불순물을 첨가한다.
본 실시예의 경우, 상기 소스물질로 게르마늄(Ge)을 이용하고 상기 불순물로서 붕소(B)를 이용하여 반도체 기판(w) 상에 실리콘게르마늄(SiGe) 막을 형성한다.
이때, 상기 에피택셜 공정이 진행되는 동안 상기 게르마늄(Ge)과 붕소(B)는 서로 상보적인 거동을 나타낸다. 예를 들면, 공정챔버의 내부에 게르마늄(Ge)의 함량이 증가하면 상기 게르마늄실리콘(SiGe) 막질에 포함된 붕소(B)의 농도가 감소하고 게르마늄(Ge)의 함량이 감소하면 붕소(B)의 농도가 증가하도록 거동한다. 마찬가지로, 공정챔버의 내부에 붕소(B)의 함량이 증가하면 상기 게르마늄실리콘(SiGe) 막질에 포함된 게르마늄(Ge)의 농도가 감소하고 붕소(B)의 함량이 감소하면 게르마늄(Ge) 농도가 증가하도록 거동한다.
따라서, 상기 실리콘게르마늄(SiGe) 막의 막질특성인 게르마늄 조성비와 막 두께는 게르마늄(Ge)과 붕소(B) 모두의 공급량에 의해 결정된다. 따라서, 정확한 막질특성 제어를 위해 게르마늄(Ge)의 공급량뿐만 아니라 붕소(B)의 공급량도 제어되어야 한다. 본 실시예의 경우, 후술하는 바와 같이 소스물질의 조성비뿐만 아니라 불순물의 농도도 함께 검출하므로 검출 농도와 기준 농도의 편차를 기준으로 상기 붕소(B)에 대한 공급량을 정확하게 제어할 수 있다.
이어서, 상기 박막(L)을 분석하여 상기 소스물질의 조성비 및 상기 불순물의 농도인 검출 조성비 및 검출 농도를 검출한다(단계 S400).
예를 들면, 상기 검출 조성비는 X-선 회절분석법을 수행하여 수득한다. X-선 조사부(410)로부터 상기 박막(L)으로 조사된 연속 X-선은 상기 박막(L)의 결정구조에 따라 회절하여 회절광을 형성하고 상기 회절광은 상기 회절 분석기(421)에 의해 보강간섭과 상쇄간섭이 교대로 검출되는 회절 스펙트럼으로 검출된다. 상기 회절 스펙트럼의 최대 피크각(peak angle)으로부터 상기 박막(L)의 두께와 상기 소스물질의 조성비를 함께 검출한다.
또한, 상기 검출 농도는 X-선 형광 분석법을 수행하여 수득한다. X-선 조사부(410)로부터 상기 박막(L)으로 조사된 연속 X-선은 상기 박막(L)에 포함된 불순물의 전자를 에너지 준위가 높은 여기상태(excitation state)로 이동(transfer)시키고 들뜬 상태의 전자는 바닥상태(ground state)로 이동하면서 특성 X-선인 형광 X-선을 방사한다. 상기 형광분석기(422)는 방사되는 형광 X-선의 밀도를 검출하여 상기 불순물의 농도를 검출한다.
이때, 상기 연속 X-선은 상기 반도체 기판(w)의 테스트 패턴(54) 단위로 조사될 수도 있고, 다수의 다이(52)를 구비하는 샷 단위로 조사될 수도 있다.
이어서, 상기 검출 조성비와 검출 농도를 기준 조성비 및 기준 농도와 각각 비교하여 조성비 편차 및 농도 편차를 수득하고, 상기 조성비 편차 및 농도 편차가 허용범위에 포함되는지 여부를 판단한다(단계 S500).
기준 조성비와 검출 조성비의 차이인 조성비 편차가 조성비 허용범위를 충족하고 기준 농도와 검출 농도가의 차이인 농도 편차가 농도 허용범위를 충족한다면 상기 에피택셜 공정에 의해 형성되는 박막(L)의 막질특성은 공정 목표값을 충족하므로 현재의 공정조건과 공급유량을 유지하면서 상기 에피택셜 공정을 수행한다.
조성비 편차와 농도 편차 중의 어느 하나 또는 모두 허용범위를 벗어나는 경우, 현재의 에피택셜 공정조건과 소스물질 및 불순물의 공급유량에 불량이 발생했음을 의미한다. 따라서, 상기 소스물질 및/또는 불순물의 공급유량을 수정한다(단계 S600).
이 경우, 상기 제1 및 제2 연산기(512,513)로부터 각각 선택적으로 소스물질 유량조절 신호 및 불순물 유량조절 신호를 발생하고 이에 따라 상기 중앙 제어기(511)는 공급유량을 제어하기 위한 유량 제어기(514)를 구동한다. 이에 따라, 제1 및 제2 밸브유닛(211,311)이 유량 제어기(514)에 의해 제어되어 상기 조성비 편차 및 농도 편차를 줄이는 방향으로 소스물질 및 불순물의 공급유량을 조절한다.
즉, 상기 소스물질 및 불순물의 공급유량을 상기 조성비 편차 및 농도 편차를 해소하는 방향으로 보정하고 상기 공정챔버(100)로 공급되는 소스물질 및 불순물의 공급유량을 상기 보정유량으로 공급되도록 제어한다. 이에 따라, 상기 박막(L)은 보정유량에 의해 공급되는 소스물질 및 불순물에 의해 형성되어 수정된 막질특성(수정된 조성비 및 수정된 막 두께)을 구비하게 된다.
예를 들면, 초기 공급유량으로 공급된 소스물질 및 불순물에 의해 형성된 초기 박막의 조성비 편차가 허용범위를 벗어난 경우, 상기 소스물질의 공급량을 조절하여 보정유량으로 보정하고 상기 에피택셜 공정을 수행하여 수정된 박막을 형성한다. 상기 수정된 박막에 대하여 조성비 및 농도를 검출하여 조성비 편차 및 농도 편차가 해소되었는지를 판단한다.
이때, 불순물의 공급유량을 동일하게 유지함에도 불구하고, 상기 농도 편차가 확대되는 경우 막질특성은 소스물질의 공급량뿐만 아니라 불순물의 거동에도 강하게 연관되어 있으므로 불순물의 공급량도 조정할 수 있다. 상기 불순물의 공급유량은 상기 소스물질의 공급유량과 함께 동시에 수정되거나 특정한 소스물질의 공급유량으로 고정한 후 일정한 범위 내에서 순차적으로 수정할 수 있다.
이때, 조성비 편차 및 농도 편차를 해소하기 위한 소스물질 및/또는 불순물의 수정방향은 상기 에피택셜 공정 내에서 소스물질과 불순물의 거동모습에 따라 상이할 수 있다.
예를 들면, 실리콘게르마늄(SiGe) 막을 형성하기 위한 소스물질인 게르마늄(Ge)과 불순물인 붕소(B)는 에피택셜 공정이 진행되는 동안 서로 상보적으로 거동하므로, 농도편차를 해소하기 위해 붕소의 공급유량을 증가시키는 경우 상기 조성비 편차가 확대될 수도 있다. 따라서, 상기 게르마늄(Ge)과 붕소(B)의 상보적 거동특성을 고려하여 게르마늄 및/또는 붕소(B)의 보정유량을 결정한다.
수정된 박막에 대하여 조성비 및 농도를 다시 검출하고 상기 기준 조성비 및 기준 농도와 비교하여 수정된 조성비 편차 및 농도 편차를 다시 수득한다. 상기 수정된 조성비 편차와 농도 편차가 허용범위를 충족하는지를 판단하여 현재의 보정유량에 따라 에피택셜 공정을 지속한다.
따라서, 상기 조성비 편차 및 농도 편차를 수득하고 상기 조성비 편차 및 농도 편차에 따라 상기 공급유량을 보정하고, 보정된 상기 공급유량인 보정유량으로 상기 소스물질 및 불순물을 공급하여 수정된 박막을 형성하는 과정을 상기 조성비 편차 및 상기 농도편차가 상기 허용범위를 충족할 때 까지 반복적으로 수행하여 상기 에피택셜 공정이 수행되는 팹 단계에서 상기 박막의 막질특성을 인라인으로 제어할 수 있다.
특히, 상기 검출 농도가 예측되는 농도로부터 현저하게 벗어나는 경우 상기 소스물질 및 불순물의 공급유량이 아니라 공정챔버의 공정조건(process parameter)나 박박 형성 장치(1000)의 설비이상 신호로 활용할 수 있다.
도 6은 도 5에 나타난 이종접합 박막 형성방법의 변형례를 나타내는 흐름도이다. 도 6에 도시된 박막 형성방법은 공정조건 수정단계를 더 구비하는 것을 제외하고는 도 5에 도시된 방법과 실질적으로 동일하다. 따라서, 상기 공정조건 수정단계를 중심으로 설명한다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 검출 농도가 상기 농도 허용범위를 벗어날 뿐만 아니라 불순물의 보정유량과 비교하여 현저하게 비이상적으로 검출(단계 S550)되는 경우 불순물의 공급유량이 아니라 공정챔버(100)의 공정조건을 수정할 수 있다 (단계 S700).
예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 농도 편차를 해소하기 위해 불순물의 공급유량을 증가시켰음에도 불구하고 검출되는 불순물의 농도는 오히려 감소되는 경우, 불순물의 공급유량이 아니라 에피택셜 공정의 다른 공정조건들에 의해 예정된 반응이 수행되지 않음을 의미한다.
막질특성을 제어하기 위한 공급유량 제어는 공정챔버 내부에서 예정된 에피택셜 공정이 수행된다는 점을 전제로 공급유량의 유량을 제어함으로써 생성되는 에피막의 막질특성을 제어하는 것이므로, 예정된 에피택셜 공정이 수행되지 않는다면 공급유량이 아니라 공정챔버(100)의 내부환경을 제어하는 공정조건(process parameter)이나 설비불량을 개선함으로써 예정된 에피택셜 공정이 수행될 수 있는 환경을 조성하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 실시예의 경우, 상기 제2 연산기(513)를 통하여 불순물 공급유량의 변화량에 대한 상기 검출 농도 변화량의 비율을 검출하고, 상기 비율이 음의 값을 갖는 경우 상기 소스물질 및 불순물(dopants)의 공급유량을 제외한 나머지 공정조건 중의 적어도 하나를 수정한다.
예를 들면, 에피택셜 공정이 최초 수행된 이후 외부적인 환경요인에 의해 상기 공정챔버(100)의 공정압력, 온도 및 시간이 변경된 경우 공정조건의 변화를 상기 비율을 통하여 검출할 수 있다. 상기 검출 비율에 의해 공정조건 이상신호를 생성하여 중앙 제어기(511)로 전송한다. 상기 중앙 제어기(511)는 상기 공정챔버(100)를 직접 제어함으로써 설정된 공정조건을 검사하고 이상이 발견된 공정조건을 수정하는 공정제어 신호를 공정챔버(100)로 전송함으로써 공정조건을 수정할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 검출비율을 통해 상기 박막 형성 장치(1000)의 설비이상을 검출할 수도 있다. 예를 들면, 상기 검출 농도가 현저하게 낮은 경우 공급된 불순물이 에피택셜 공정에 참여하지 못하고 외부로 누설되거나 상기 소스배관(130)의 불량으로 인하여 설정된 공급유량만큼 공급되지 않는 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 설비이상으로 판단할 수 있는 판정할 수 있는 기준을 상기 제2 연산기(513)에 저장하고 상기 검출 농도가 설비이상 기준에 부합하는 경우 설비이상 경고신호를 발생시킬 수도 있다.
상술한 바와 같은 박막 형성방법에 의하면, 에피택셜 공정에 의해 형성되는 이종접합 박막의 이종물질에 대한 조성비와 이종접합 박막의 밴드갭을 저하시키기 위한 불순물의 농도를 공정수행 중에 실시간으로 검출하고, 검출 조성비 및 농도를 기준 조성비 및 농도와 각각 비교하여 조성비 편차 및 농도 편차를 해소하기 위한 공급유량 제어를 인라인으로 수행한다.
따라서, 상기 에피택셜 공정이 수행되는 동안 소스물질의 공급유량뿐만 아니라 불순물의 공급유량을 제어함으로써 이종접합 박막의 막질특성에 대한 제어 정밀도를 현저하게 높일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 박막 형성 장치 및 방법에 의하면, 이종물질인 소스물질과 불순물을 동시에 공급하면서 에피택셜 공정을 수행하는 경우, 생성되는 에피막의 이종물질 조성비와 불순물의 농도를 동시에 검출하여 기준 조성비 및 기준 농도와 실시간으로 비교함으로써 소스물질과 불순물의 공급유량을 적절하게 조절함으로써 에피막의 막질특성을 팹(FAB) 공정단계에서 실시간으로 제어할 수 있다.
특히, 에피택셜 공정에 의해 실리콘게르마늄(SiGe)막을 형성하는 경우, 에피택셜 공정이 진행되는 동안 불순물로 공급되는 붕소(B)와 소스물질로 공급되는 게르마늄(Ge)은 서로 상보적으로 거동하여 게르마늄의 조성비가 기준값에 부합하지 않는 경우 게르마늄의 공급량만을 제어하는 경우 정확한 막질특성을 수득하기 어렵다. 그러나, 본 발명과 같이 게르마늄의 조성비뿐만 아니라 실리콘게르마늄 막질에 포함된 붕소의 농도도 게르마늄의 조성비와 함께 공정진행 중에 검출하여 기준 농도와 비교하고, 이를 통하여 붕소의 공급유량도 함께 제어함으로써 에피막의 막질특성에 관한 인라인 제어의 정확성을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 검출된 붕소 농도를 통하여 공급유량 제어뿐만 아니라 공정조건에 대한 이상설정이나 박막 형성 장치의 시스템적 하자에 관한 단서도 함께 수득함으로써 예상치 않은 구동조건 변화나 설비이상을 미리 확인할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 에피택셜 공정에 의한 이종접합 박막 형성 공정의 인라인 제어 정밀도를 개선하기 박막 형성 장치을 개시하고 있지만, 에피택셜 공정뿐만 아니라 서로 다른 물성을 갖는 2가지 이상의 물질을 반응시켜 합성물질을 생성하는 반응에는 다양하게 응용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 에피택셜 성장 공정(epitaxial growth process)에 의해 반도체 기판의 상면에 이종접합(hetero-junction) 박막을 형성하는 공정 챔버;
    상기 박막을 형성할 소스물질을 상기 공정 챔버로 공급하는 제1 공급챔버;
    상기 박막의 막질 특성을 개량하기 위한 불순물(dopants)을 상기 공정챔버로 공급하는 제2 공급챔버;
    상기 이종접합 박막의 조성비 및 상기 이종접합 박막에 포함된 불순물의 농도(intensity)를 검출하는 검출유닛; 및
    상기 조성비 및 상기 농도에 관한 기준값과 상기 검출유닛으로부터 검출된 검출값을 비교하여 상기 소스물질 및 상기 불순물 중의 적어도 하나의 공급유량을 개별적으로 제어하는 제어부를 포함하는 박막 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출유닛은 상기 박막으로 연속 X-선을 조사하는 X-선 조사부 및 상기 박막에 의한 상기 연속 X-선의 회절 스펙트럼을 수득하고 상기 회절 스펙트럼의 피크각(peak angle)으로부터 상기 박막의 조성비와 두께를 검출하는 회절 분석기 및 상기 X-선에 의해 파생되는 상기 불순물의 형광 X-선을 검출하여 상기 불순물의 농도를 검출하는 형광 분석기를 구비하는 검출부를 포함하는 박막 형성 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 X-선 조사부는 상기 연속 X-선을 생성하는 X-선 생성부와 생성된 X-선을 상기 박막에 대하여 일정한 조사각도로 조사하는 조사기를 포함하고, 상기 X-선 생성부는 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg) 중의 어느 하나를 타겟 금속판(target metal plate)으로 이용하는 박막 형성 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 박막은 스크라이브 라인(scribe line)에 의해 구분되는 다수의 다이(die) 및 상기 다이를 둘러싸는 주변 영역에 배치된 다수의 테스트 패턴 상에 배치되고, 상기 연속 X-선은 상기 테스트 패턴의 표면적보다 작은 빔 사이즈를 구비하여 상기 테스트 패턴 단위로 조사되는 박막 형성 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 박막은 스크라이브 라인(scribe line)에 의해 구분되는 다수의 다이(die) 및 상기 다이를 둘러싸는 주변 영역에 배치된 다수의 테스트 패턴 상에 배치되고, 상기 연속 X-선은 상기 다수의 다이를 구비하는 단위 샷(unit shot)에 대응하는 빔 사이즈를 구비하여 상기 샷 단위로 조사되는 박막 형성 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 박막의 조성비에 관한 상기 기준값인 기준 조성비와 상기 회절 분석기로부터 검출된 상기 박막의 조성비인 검출 조성비를 비교하는 제1 연산기, 상기 불순물의 농도에 관한 상기 기준값인 기준 농도와 상기 형광 분석기로부터 검출된 상기 불순물의 농도인 검출 농도를 비교하는 제2 연산기, 상기 제1 및 제2 연산기의 비교결과에 따라 상기 소스물질 및 상기 불순물의 공급유량을 개별적으로 제어하는 유량 제어기 및 상기 기준 조성비 및 상기 기준 농도를 저장하고 상기 제1 및 제2 연산기 및 유량 제어기와 연결되어 상기 공정챔버, 상기 제1 및 제2 공급챔버와 상기 검출유닛을 제어하는 제어신호를 전송하는 중앙제어기를 포함하는 박막 형성 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 공급챔버는 상기 제1 공급챔버와 연결되어 상기 소스물질을 공급하는 제1 공급관 및 상기 제1 공급관 상에 배치되어 상기 소스물질의 유량을 단속하는 제1 밸브유닛을 더 구비하고, 상기 제2 공급챔버는 상기 제2 공급챔버와 연결되어 상기 불순물을 공급하는 제2 공급관 및 상기 제2 공급관 상에 배치되어 상기 불순물의 유량을 단속하는 제2 밸브유닛을 더 구비하며, 상기 유량 제어기는 상기 제1 및 제2 연산기의 비교결과에 따라 각각 상기 제1 및 제2 밸브유닛을 제어하는 제어신호를 전송하는 박막 형성 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 불순물 공급유량의 변화량에 대한 상기 검출 농도 변화량의 비율이 음의 값을 갖는 경우, 상기 중앙 제어기는 상기 공정 챔버의 공정조건(process parameter)을 수정하는 공정제어 신호를 전송하는 박막 형성 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 이종접합 박막은 갈륨비소인듐(InGaAs)막 및 실리콘게르마늄(SiGe)막 중의 어느 하나를 포함하고, 상기 불순물은 탄소(C)와 붕소(B) 중의 어느 하나를 포함하는 박막 형성 장치.
  10. 소스물질 및 불순물(dopants)의 공급유량을 포함하는 공정조건을 설정하고;
    에피택셜 공정에 의해 반도체 기판 상에 이종접합 박막을 형성하고;
    상기 박막을 분석하여 상기 소스물질의 조성비 및 상기 불순물의 농도인 검출 조성비 및 검출 농도를 검출하고;
    상기 검출 조성비와 검출 농도를 기준 조성비 및 기준 농도와 각각 비교하여 조성비 편차 및 농도 편차를 수득하고; 그리고
    상기 조성비 편차 및 상기 농도 편차 중의 적어도 하나가 상기 조성비 및 농도에 관한 허용범위를 각각 넘는 경우 상기 소스물질 및 상기 불순물 중의 적어도 하나의 상기 공급유량을 보정하는 것을 포함하는 박막 형성방법.
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