KR20190092762A - 플라즈마를 이용한 박막 제조방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

반응 소스 가스와 플라즈마 분위기 가스를 챔버 내부로 공급하는 제1 단계와, 상기 반응 소스 가스와 상기 플라즈마 분위기 가스의 공급을 차단한 상태에서 플라즈마 증착 공정을 진행하는 제2 단계를 포함하며, 상기 제1단계와 제2 단계를 진행하는 동안 압력 조절 가스를 이용하여 챔버 내부 압력을 소정 압력으로 유지하며, 상기 압력 조절 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스와 다른 물질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 (PECVD)을 이용한 박막 제조방법을 제공한다.

Description

플라즈마를 이용한 박막 제조방법 및 장치 {METHOD OF FORMING THIN FILM USING PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 반도체 소자 제조 공정 중 상압 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하고 성장시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 상압 플라즈마를 이용하여 단결정 박막 즉, 에피 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 산업통상자원부의 지원을 받아 진행되었으며, 과제 정보는 하기와 같다.
과제고유번호: 10048367
부처명: 산업통상자원부
연구관리전문기관: 한국반도체연구조합
연구사업명: 기타사업
연구과제명: 상압플라즈마를 이용한 저온 에피택시 박막 성장 원천기술
주관기관: 한경대학교
연구기간: 2017.06.01 ~ 2018.03.31
플라즈마-강화 화학 기상 증착 (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Depostion: PECVD)은 기체 상태 (증기)에서 기판 상에 고체 상태로 박막을 증착시키는 화학 기상 증착 공정이다. 플라즈마-강화 화학 기상 증착은 다른 증착 공정과 비교하여 여러 가지 잇점이 있다.
첫째, 플라즈마-강화 화학 기상 증착을 이용하면 저온 증착이 가능하다. 플라즈마는 원자 또는 분자가 이온화 된 임의의 기체이다. 플라즈마 상태의 전자는 매우 활동적이어서 상대적으로 낮은 온도에서도 전구체 분자의 해리를 가능하게 하고 자유 라디칼을 대량으로 생성할 수 있다. 해리된 라디칼은 높은 에너지를 가지므로 상대적으로 저온에서도 증착이 가능하다. 특히, 반도체 제조 공정 등에서는 금속층 형성 이후의 박막 증착 공정과 같이 온도에 민감한 공정 단계의 경우에 유용하다. 둘째, PECVD는 고에너지 입자 및 반응성이 큰 라디칼에 의해 반응 속도가 빠르므로 기존의 CVD 보다 증착 속도가 빨라 생산성을 향상시키는 데 유리하다.
이러한 장점 때문에, 소형화, 집적화, 기판 대면적화가 요구되는 반도체 또는 디스플레이 소자를 제조하는데 유용하다. 이외에도, 모바일 제품, 의료 제품, 및 사물 인터넷 제품에도 플라즈마를 이용하여 박막을 형성하는 기술이 빠르게 적용되고 있다. 그러나, 저압 상태에서 진행되는 PECVD는 증착 반응을 선택적으로 조절하기 어려운 단점이 있다.
플라즈마 증착 공정은 이온, 전자, 라디칼이 혼재되어있는 상태에서 여기된 반응종이 반응하여 박막을 생성한다. 이때, 전자-이온, 전자-라디칼, 이온-이온, 이온-라디칼, 라디칼-라디칼 등 다양한 형태의 반응이 일어날 수 있다. 특히 수십 mTorr의 저압 플라즈마 공정의 경우, 입자의 중간 자유 경로 (mean-free-path)가 증가함에 따라 플라즈마에 의해 여기된 입자의 에너지 분포가 넓어져 반응종의 종류가 다양해지고, 그 결과 가능한 반응의 조합은 기하급수적으로 늘어난다. 선택적으로 반응종을 조절하기 어려우므로 원하는 고품질의 박막을 얻기 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 상압 PECVD가 제안되었다. 상압 PECVD는 상압에서 플라즈마 증착 공정을 수행함으로써 플라즈마에 의해 생기는 입자들의 에너지 분포를 좁게 제어한다. 상압 또는 고압 상태에서는 입자의 mean-free-path가 짧아져 플라즈마에 의해 여기된 입자간 충돌에 의해 생기는 입자 에너지의 분포가 좁고 밀도는 높아진다. 따라서, 반응종을 제어하기가 용이해지며 특정 반응에 대한 선택비를 조절하기도 용이하다.
그러나, 상압 PECVD를 박막 형성 공정에 적용할 경우에도 몇 가지 문제점이 있다. 첫째, 증착 반응이 진행되는 동안 상압 상태를 유지하기 위해 다량의 플라즈마 분위기 가스가 사용되므로 공정비용이 상승된다. 둘째, 증착 반응이 진행되는 동안에 외부에서 공급되는 플라즈마 분위기 가스는 챔버 내부의 가스 유속을 지속적으로 변화시키므로, 증착 반응을 안정적으로 제어하기 어렵다. 그 결과, 형성된 박막의 막질이 저하된다. 이러한 방법으로는 특히, 에피택셜 박막을 얻기 어렵다.
공정비용과 관련된 문제를 보다 구체적으로 살펴본다. 증착 반응이 진행되는 동안 챔버의 내부 압력을 상압으로 유지하기 위해서는 플라즈마 분위기 가스를 고농도로 지속적으로 챔버 내에 주입해야 한다. 예를 들어, 1 Torr의 저압에서 진행되는 PECVD와 비교할 때, 동일 두께의 박막을 형성하기 위해 760 Torr에서 진행되는 상압 PECVD에서 소모되는 플라즈마 분위기 가스의 유량은 sccm 단위에서 slm 단위로, 즉 약 100~1000배 증가한다.
플라즈마 분위기 가스는 증착 반응에 대한 간섭을 최소화하기 위해 6N(99.9999%) 정도의 고순도 불활성 기체, 예를 들어, 헬륨 또는 아르곤 등을 사용한다. 이러한 고순도의 플라즈마 분위기 가스는 매우 비싸기 때문에, 플라즈마 분위기 가스의 사용량이 증가하면 공정비용이 상승하게 된다. 특히, 기판 크기가 커지면 플라즈마 분위기 가스의 사용량이 급격히 증가하므로, 공정비용도 비례하여 상승한다.
이어서, 가스 유속 (flow rate) 제어와 관련된 문제를 살펴본다. 저압 PECVD와 비교할 때, 상압 PECVD에서는 증착 공정 중에 압력을 유지하기 위하여 외부에서 플라즈마 분위기 가스가 대량으로 챔버 내부로 유입된다. 이렇게 유입된 플라즈마 분위기 가스는 챔버 내부에 존재하는 반응 가스의 유속을 변화시킨다. 챔버 내에 존재하는 반응 가스의 유속이 불안정해지면, 기판의 위치에 따라 반응 가스의 밀도와 성분도 불균일해지고, 그 결과 기판에 증착되는 박막의 균일도도 저하된다. 이런 조건에서는 고품질의 박막, 특히 에피택셜 박막을 형성하기는 어렵다.
상압 PECVD의 가스 유속 (flow rate) 문제를 해결하기 위해, 플라즈마 전극으로 미세 다공성 흑연 전극을 사용하여 가스 플로우 시스템 (gas flow system)을 개선하는 방안이 제시되었다. 그러나, 전극에 가스 공급이 집중되는 경우, 공정 제어가 어려울 뿐 아니라, 플라즈마 기상 반응에 의해 전극에 형성된 기공이 막히게 되고, 이로 인해 전극의 수명이 짧아지고 재현성이 저하된다. 따라서, 각 배치 (batch) 에서 생산되는 박막의 품질이 불균일해지고, 잦은 전극 교체로 인해 생산 비용이 상승된다.
도1은 통상적인 CCP (capacitively coupled plasma) 타입의 플라즈마 반응기를 도시한다. 도2는 도1의 반응기를 이용하여 얻은 실리콘 박막의 전자현미경 사진이다. 반응 챔버 11 내에 기판부 전극 13과 플라즈마 전극 12이 평행하게 위치한다. 플라즈마 전극 12과 기판부 전극 13은 일정 거리 d 만큼 이격되어 있다.
반응 소스 가스 및 플라즈마 분위기 가스 공급부 14는 플라즈마 전극 12의 상단에 배치된다. 가스 공급부 14를 통해 플라즈마 분위기 가스와 반응 소스 가스를 챔버 내로 공급한다. 반응 챔버 하단에는 압력 조절 밸브 15가 장착되어 챔버의 압력을 정한 값으로 조절한다. 챔버 내부에 잔존하는 가스는 압력 조절 밸브 15와 배기펌프 16을 통해 외부로 배기된다. 표1에 도시된 공정 조건으로 도1에 도시된 통상적인 플라즈마 반응 반응기를 이용하여 박막을 형성하였다.
Figure pat00001
먼저, 제1 단계에서 가스 주입 공정이 수행된다. 가스 공급부 14를 열어 (턴 온하여) 플라즈마 분위기 가스를 챔버로 공급하여 챔버 압력이 상압이 되도록 한다. 플라즈마 분위기 가스로 고순도의 헬륨 (He)을 사용한다.
챔버 내부 압력이 원하는 압력에 도달하면, 제2 단계의 박막 증착 공정을 수행한다. 제2 단계에서 반응 소스 가스를 공급하고 플라즈마로 반응 소스 가스를 여기 시켜 반응 가스를 생성한다. 반응 소스 가스가 공급되는 동안 챔버 내부의 압력을 조절하기 위해 플라즈마 분위기 가스도 함께 챔버 내부로 공급한다. 반응 소스 가스로 SiH4와 H2를 사용하였다. 각 가스의 유량비는 He:SiH4:H2=3000:3:9로 설정하였다. 제2 단계에서 플라즈마 전극에 고전압이 인가(턴 온)되면, 챔버 내의 플라즈마 분위기 가스가 이온화 되고, 반응 소스 가스가 여기 되어 반응 가스가 생성된다. 반응 가스는 기판에 증착되어 박막을 형성하게 된다. 박막 증착 공정이 수행되는 동안 챔버 내부의 압력은 상압, 예를 들어, 760 Torr로 유지한다.
증착 반응이 진행됨에 따라 챔버 내부에 존재하는 가스의 양이 변하고, 따라서 챔버 내부의 압력도 변하게 된다. 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지하기 위해 압력 조절 밸브 15를 조절하여 압력을 일정하게 유지한다.
저압 PECVD 공정 조건에서는 챔버 내부의 기준 압력이 저압 예를 들어, 1 Torr의 저압으로 유지된다. 기준 압력이 워낙 저압이므로, 증착 공정 과정에서 챔버 내부 압력이 조금만 변하더라도 그 변화량이 기준 압력인 1 Torr에 대비하면 상당히 크다. 이러한 압력 변화는 압력 조절 밸브 15로 조절 가능하다.
반면에, 표 1에 도시된 상압 PECVD 조건에서는, 증착 공정 과정에서 일어나는 챔버 내부 압력 변화가 상압 760 Torr에 대비하면 매우 미세하다. 따라서, 압력 조절 밸브만으로는 이러한 미세 압력 조정이 어렵다. 미세 압력 조정을 위해, 플라즈마 분위기 가스를 압력 조절 가스로 이용한다. 즉, 챔버 내부 압력을 상압을 유지하기 위하여 플라즈마 분위기 가스 공급부 14를 통해 플라즈마 분위기 가스인 고순도 헬륨을 지속적으로 공급한다. 이때, 다량의 고순도 헬륨이 소비되므로 공정비용이 상승하고 챔버 내의 가스 흐름이 지속적으로 변한다.
원하는 두께의 박막이 형성되면, 플라즈마 전극의 전원을 차단하고, 반응 소스 가스와 플라즈마 분위기 가스의 공급을 중단하고, 제3 단계의 배기 공정을 수행한다. 제3 단계의 배기공정에서, 챔버 내에 잔존하는 잔류 가스를 압력 조절 밸브 15와 배기펌프 16을 통해 외부로 배출한다.
그 결과, 도2에 도시된 실리콘 박막을 얻었다. 도2에서 확인되는 바와 같이, 종래의 상압 PECVD 공정에서는 단결정의 에피택셜 실리콘층 대신 폴리실리콘층 또는 비정질 박막이 얻어진다.
고가의 소모성 자재를 사용하지 않고 기존의 PECVD 장치를 이용하여 플라즈마 증착 공정으로 고품질의 박막, 특히 에피택셜 박막을 얻을 수 있는 방법을 제안한다. 즉, 공정비용을 절감할 수 있는 PECVD를 이용한 박막 형성 방법을 제안한다. 또, 고품질의 박막을 얻을 수 있는 PECVD 장치를 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 분위기 가스와 압력을 유지하기 위한 가스(이하, “압력 조절 가스”라 한다)를 분리하고, 플라즈마 분위기 가스는 챔버 내부로 공급하고, 압력 조절 가스는 챔버로 유입되지 않도록 한다.
챔버 내 반응 가스의 유속이 변하는 것을 방지하기 위해 반응 소스 가스 및 플라즈마 분위기 가스의 유입이 차단된 상태에서 증착 공정을 진행한다. 이를 위해, 반응 소스 가스의 공급과 플라즈마 적용은 역위상이 되도록 제어한다. 외부 가스의 유입이 없으므로 고가의 미세 다공성 흑연 전극 등의 장치를 사용하지 않고도 챔버 내부의 가스 유속을 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 낮은 공정비용으로 고품질의 박막을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 챔버 내부 압력을 상압 또는 그 이상의 고압으로 유지하기 위해, 플라즈마 분위기 가스와는 다른 물질을 압력 조절 가스로 사용한다. 종래에는 고가의 플라즈마 분위기 가스를 챔버에 주입하여 챔버의 압력을 조절했으나, 본 발명에서는 저가의 가스를 이용하여 챔버의 압력을 조절한다. 일 실시예에서, 압력 조절 가스는 저순도의 불활성 기체 또는 질소를 사용할 수 있다. 고가의 분위기 가스 대신 저가의 압력 조절 가스를 사용함으로써, 공정비용을 줄일 수 있다.
압력 조절 가스가 증착 반응에 간섭하는 것을 차단하기 위해, 압력 조절 가스는 챔버 내부로 유입되지 않도록 제어된다. 본 발명의 일 실시예에서, 압력 조절 가스는 챔버 배기관과 챔버 압력조절밸브 사이로 공급되어 챔버 내부의 압력을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응 소스 가스는 원하는 두께 증착을 위해 필요한 총량을 한 번에 챔버로 공급되는 것이 아니라, 공급 시간을 분할하여 여러 차례로 나누어 분할 공급한다. 외부 가스의 공급이 차단된 상태에서 증착 반응이 진행되므로, 챔버 내부에 존재하는 반응 소스 가스가 소진되면 더 이상 증착 공정은 진행되지 않는다. 증착 반응이 완료되면 챔버 내부의 잔여 가스를 배기한다. 1회의 증착 공정만으로 원하는 두께의 박막을 얻는데 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 반응 소스 가스와 플라즈마 가스를 다시 주입한 후, 증착 반응을 반복한다. 원하는 두께의 박막이 얻어질 때까지 증착과 배기 공정을 반복적으로 진행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성 공정은, 반응 소스 가스와 플라즈마 가스를 챔버 내부로 공급하는 제1 단계와, 상기 반응 소스 가스와 상기 플라즈마 가스의 공급을 차단한 상태에서 플라즈마 증착 공정을 진행하는 제2 단계를 포함하며, 상기 제1 단계 및 제2 단계를 진행하는 동안 압력 조절 가스를 이용하여 챔버 내부 압력을 소정 압력으로 유지한다. 상기 압력 조절 가스는 상기 플라즈마 공정에 관여하지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소정 압력은 상압 또는 그 이상의 고압이다. 그러나, 다른 실시예에서, 상기 소정 압력은 상압보다 낮은 압력일 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성 장치는 챔버와, 상기 챔버에 반응 소스 가스를 공급하는 제1 공급부와, 상기 챔버에 플라즈마 분위기 가스를 공급하는 제2 공급부와, 상기 챔버와 배기 펌프 사이에 압력 조절 가스를 공급하여 상기 챔버의 압력을 조절하는 제3 공급부를 포함한다. 상기 장치는 플라즈마 전극을 더 포함한다. 증착 공정이 진행되는 동안, 상기 플라즈마 전극과 상기 제1 공급부를 통한 반응 소스 가스 공급은 역위상을 갖도록 제어된다.
본 발명에 따르면, 상압 또는 그 이상의 고압에서 PECVD에서 플라즈마 반응 가스의 입자 에너지 제어가 용이하다. 증착 반응이 진행되는 동안 반응 소스 가스 및 플라즈마 가스의 유입이 차단되므로, 고가의 소모성 추가 장치, 예를 들어 다공성 전극과 같은 장비 없이도 챔버 내부의 가스 유속을 용이하게 제어할 수 있다. 반응 가스의 유속을 최소화하고 표면 반응을 용이하게 제어할 수 있으므로, 물리적 화학적 특성이 균일한 고품질의 박막, 특히 에피택셜 박막을 얻을 수 있다. 상압 또는 고압에서 플라즈마 증착 반응이 일어나는 동안 챔버의 내부 압력을 상압 또는 그 이상의 고압으로 유지하기 위해, 고가의 플라즈마 분위기 가스 대신 저가의 압력 조절 가스를 사용하므로 공정비용을 낮출 수 있다. 그 결과, 낮은 공정비용으로 고품질의 박막을 얻을 수 있으므로 대량 양산에 적합하다.
도 1은 종래의 플라즈마 증착 장치를 도시한다.
도 2는 종래의 상압 플라즈마 공정 방법으로 얻은 실리콘막의 투과 전자 현미경 (TEM)사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 공정의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 공정 방법으로 얻은 실리콘막의 투과 전자 현미경 (TEM)사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CCP 타입의 플라즈마 장치를 도시한다. 챔버 1내에 기판부 전극 3과 플라즈마 전극 2이 평행하게 배치된다. 플라즈마 전극 2과 기판부 전극 3은 일정 거리 d 만큼 이격되어 있다. 기판부 전극 3의 상부에 플라즈마 전극 2 이 위치하며, 기판부 전극 3과 플라즈마 전극 2 사이에 기판이 배치된다.
플라즈마 분위기 가스와 반응 소스 가스가 각각 플라즈마 분위기 가스 공급부 4a와 반응 소스 가스 공급부 4c를 통하여 플라즈마 반응 챔버 1에 공급된다. 챔버의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브 5와 배기펌프 6는 챔버의 하부에 형성된다. 압력 조절 가스는 압력 조절 밸브 5와 챔버 1 사이의 압력 조절 가스 공급부 4b를 통하여 공급된다.
종래 기술에서는 고순도의 플라즈마 분위기 가스를 이용하여 챔버의 내부 압력을 조절한다. 즉, 종래 기술에서는 압력 조절 가스와 플라즈마 분위기 가스가 동일하였으나, 본 발명에서는 압력 조절 가스와 플라즈마 분위기 가스가 서로 상이하다. 본 발명에서는 고가의 불활성 기체 대신 저가의 기체를 압력 조절 가스로 사용한다. 압력 조절 가스로 질소, 저순도의 불활성 기체, 재활용 불활성 기체 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 플라즈마 분위기 가스로 6N의 고순도 불활성 기체를 사용하고, 압력 조절 가스로는 2N(99%)의 저순도 불활성 기체를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 반응 소스 가스로 실란 SiH4과 수소 H2를 사용하여 기판에 실리콘 에피층을 형성한다. 플라즈마 분위기 가스로는 헬륨 He을 사용하고, 압력 조절 가스로는 질소 N2를 사용한다.
증착 공정이 진행되는 동안 가스 유속에 의한 영향을 최소화하기 위해, 증착 반응은 외부로부터 가스 공급이 차단된 상태에서 진행된다. 증착 반응이 진행되는 동안 챔버 내부 압력을 일정하게 유지하기 위해 압력 조절 가스가 챔버와 배기 펌프 사이로 공급된다.
이때, 압력조절가스의 유량은 챔버의 압력에 따라 조정된다. 즉, 챔버 압력이 반응가스의 소진에 의해 감소되면 압력조절가스의 유량을 증가시켜 챔버의 압력을 일정하게 유지한다. 압력 조절 가스의 유량은 반응 소스 가스의 양 또는 반응 가스의 양에 따라 미세 조절이 가능하므로, 기존의 압력조절밸브 만으로 챔버 압력을 일정하게 유지하기 어려웠던 기술적 문제를 해결할 수 있다.
압력 조절 가스는 증착 반응에 관여하지 않고 반응 가스의 유속에 영향을 주는 것을 최소화 할 수 있는 위치에서 공급된다. 예를 들어, 도3에서와 같이, 압력 조절 가스 공급부 4b는 챔버 1와 압력 조절 밸브 5 사이, 또는 챔버 1와 배기펌프 6 사이에 형성된다. 일 실시예에서 배기펌프 6은 진공펌프이다.
반응 소스 가스의 공급이 차단된 상태에서 플라즈마 증착 반응이 진행되므로, 챔버 내부에 존재하는 반응 소스 가스가 소진되거나 플라즈마 전원 공급이 중단되면 증착 반응은 더 이상 진행되지 않는다. 따라서, 증착과 배기 공정을 반복함으로써 원하는 두께의 박막을 얻을 수 있다. 또, 공정 조건과 반응 가스의 종류를 적절히 선택함으로써 원하는 특성의 박막을 얻을 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 공정의 순서도이며, 아래의 표 2는 각 단계별 공정 조건을 나타낸다.
Figure pat00002
먼저, 플라즈마 분위기 가스 공급 단계 A가 수행된다. 플라즈마 분위기 가스 공급부 4a가 개방 (턴 온)되고 플라즈마 분위기 가스인 고순도 헬륨 가스가 챔버 내로 공급하여 챔버의 내부 압력이 원하는 제1 압력 예를 들어, 760 Torr이 되도록 한다. 제1 압력은 상압, 예를 들어 760~1000 Torr로 설정될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 증착막의 종류, 원하는 증착막의 두께, 기판의 사이즈, 챔버의 구조 등에 따라 적절하게 조절할 수 있다. 반응 소스 가스 공급부 4c와 압력 조절 가스 공급부 4b는 오프 상태로 유지된다. 플라즈마 전극 2도 오프 상태로 유지된다. 챔버 압력이 원하는 제1 압력에 도달하면 반응 준비 상태 B 단계로 전환된다.
반응 준비 상태 B에서, 플라즈마 분위기 가스 공급부 4a를 점차적으로 차단하여 플라즈마 분위기 가스의 공급을 줄이는 동시에, 압력 조절 가스의 공급을 점차 증가시킨다. 챔버 압력은 제1 압력으로 유지된다. 챔버의 압력을 제1 압력으로 유지하기 위하여, 압력 조절 밸브 5와 챔버의 배기관 사이로 압력조절 가스를 공급한다. 즉, A 단계에서는 고순도 헬륨 가스로 챔버의 내부 압력을 유지한 반면, B 단계에서 질소 가스를 이용하여 챔버의 내부 압력을 유지한다. 압력 조절 가스를 이용하면 압력 조절 밸브 5의 급격한 변동 없이도 챔버 내부 압력을 미세하게 조절할 수 있다. 반응 준비 상태 B 단계에서 반응 소스 가스 밸브 4c와 플라즈마 전극 2은 오프 상태로 유지된다.
플라즈마 분위기 가스인 헬륨 가스와 압력 조절 가스인 질소의 질량차이로 인하여, A 단계에서 공급되는 헬륨 가스의 양과 B 단계에서 공급되는 질소 가스의 양은 동일하지 않을 수 있다. 예를 들어, 표 2에 도시된 바와 같이, 제1 압력을 유지하기 위하여 B 단계에서 공급되는 질소 가스의 양이 같은 압력에 도달하기 위해 A 단계에서 공급되는 헬륨 가스의 양 보다 적다. 즉, 압력 유지를 위해 보다 소량의 압력 조절 가스가 소모되므로, 전체 공정비용을 감소시키는데 유리하다.
플라즈마 분위기 가스는 He, Ne, Ar, Kr, Xe과 같은 불활성 기체를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 플라즈마 분위기 가스의 공급량은 증착막의 종류, 원하는 증착막의 두께, 기판의 사이즈, 챔버의 구조 등에 따라 달라질 수 있다.
상기 압력 조절 가스 공급부 4b는 증착 반응에 대한 간섭을 최소화할 수 있는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 도 3을 참고하면, 압력 조절 가스 공급부 4b는 반응 소스 가스 공급부 4c의 반대편에 형성되어 있다. 그러나, 압력 조절 가스 공급부 4b의 위치는 이에 한정되지 않으며, 기판의 사이즈, 반응기의 구조 등에 따라 달라질 수 있다.
이어서, 박막 형성 공정 C가 진행된다. 박막 형성 공정 C는 대기 상태 (또는 “챔버 압력 안정화 단계”로도 지칭한다) C0, 반응 소스 가스 주입 단계 C1, 플라즈마 증착 단계 C2, 플라즈마 분위기 가스로 챔버를 퍼징하는 단계 C3를 포함한다. 박막 형성 공정 C가 진행되는 동안 챔버의 압력은 압력 조절 가스의 유량으로 조절된다.
먼저, 상기 챔버 압력 안정화 단계 C0에서, 플라즈마 분위기 가스의 공급은 차단된다. 챔버 내부를 상기 제1 압력으로 유지하기 위해 압력 조절 가스 4b 즉, 질소 가스가 챔버 1과 압력 조절 밸브 5 사이 예를 들어, 배기관으로 공급된다.
반응 소스 가스 주입 공정 C1에서는, 반응 소스 가스 4c를 챔버 1에 공급한다. 이 때 챔버 압력은 압력 조절 가스의 공급량을 조절하여 제1 압력으로 유지한다. 챔버에 공급되는 가스는 반응 소스 가스 뿐이고, 반응 소스 가스의 유량은 챔버 내부 압력에 비하여 미량이다. 따라서, 반응 소스 가스 유입으로 인한 챔버 내의 가스 유속 및 압력 변화는 미미하다. 예를 들어, 표 3을 참고하면, 챔버 내부 압력은 760 Torr이고, 반응 소스 가스 4c의 공급 유량은 3 sccm로 미량이므로, 반응 소스 가스 4c의 공급으로 인한 챔버 내의 가스 유속 및 압력 변화는 미미하다.
반응 소스 가스의 종류는 얻고자 하는 막의 종류에 따라 달라질 수 있고, 당업자가 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 박막을 기판 상에 증착하고자 하는 경우에는, 실란 SiH4과 수소 H2를 반응 소스 가스로 사용할 수 있다. 원하는 양의 반응 소스 가스가 챔버 내로 공급되면, 플라즈마 증착 단계 C2가 개시된다.
플라즈마 증착 단계 C2에서는, 반응 소스 가스 4a는 차단하고 플라즈마 전극의 전원을 가하여 플라즈마를 발생 시킨다 (턴온 상태). 즉, 표 2 및 도 4에서 확인되는 바와 같이, 플라즈마 증착 단계 C2에서 반응 소스 가스의 공급과 플라즈마 전극에 대한 전압 인가가 역위상의 관계를 갖는다. 반면, 종래 기술에서는 반응 소스 가스의 공급과 플라즈마 전극에 대한 전압 인가가 동일 위상의 관계를 갖는다. 즉, 플라즈마 증착 공정이 진행되는 동안에도 반응 소스가 계속 챔버 내부로 유입된다. 그 결과, 가스 유속의 변동폭이 커서 안정된 증착 반응을 수행하기가 어려웠다.
플라즈마 증착 단계 C2에서, 챔버 1내의 반응 소스 가스가 플라즈마에 의하여 여기된 후 기판부 전극 3 상부에 있는 기판에 증착되어 박막을 형성한다. 플라즈마 증착 단계 C2가 진행되는 동안, 챔버 내부 압력을 상기 제1 압력 예를 들어, 760 Torr 으로 유지해 주기 위해 압력 조절 가스 4b는 지속적으로 챔버 1와 압력 조절 밸브 5 사이로 공급된다.
플라즈마 증착 단계 C2가 진행되는 동안, 플라즈마 분위기 가스 공급부 4a와 반응 소스 가스 공급부 4c는 차단된 상태 (턴오프 상태)로 유지된다. 즉, 반응 소스 가스 및 플라즈마 분위기 가스의 유입이 차단된 상태에서 증착 반응이 진행된다. 외부 가스의 유입이 차단되므로, 가스 유속의 변화도 미미하다. 따라서, 가스 유속을 제어하기 위한 고가의 추가 장치, 예를 들어 마이크로 다공성 전극과 같은 장비 없이도 안정된 조건에서 증착 반응을 진행할 수 있다. 외부로부터 유발되는 증착 반응 방해 요소가 없으므로 기판 표면 반응의 제어가 용이하고 에피 박막 형성에 유리하다. 증착 공정이 완료되면, 챔버 퍼징 단계 C3이 개시된다.
챔버 퍼징 단계 C3 단계에서는, 플라즈마 전원을 끄고, 플라즈마 분위기 가스를 소량 공급하여 챔버 내에 잔존하는 반응 소스 가스 또는 그 분해물을 퍼징하여 배기한다. 이때, 플라즈마 분위기 가스 공급부 4a는 오픈 상태 (턴온 상태)로 변환되고, 반응 소스 가스 공급부 4c는 차단된 상태 (턴오프 상태)로 유지된다. 챔버 퍼징 단계 C3이 진행되는 동안에도 압력 조절 가스인 질소를 챔버 1과 압력 조절 밸브 5 사이로 공급하여 챔버 내부의 압력을 상기 제1 압력으로 유지한다. 챔버 퍼징 단계가 끝나면, 챔버 1은 대기 상태 C0으로 전환된다.
대기 상태 (또는, 압력 안정화 단계) C0에서는, 플라즈마 분위기 가스 공급부 4a와 반응 소스 가스 공급부 4c는 차단(턴오프 상태)되고, 플라즈마 전극의 전원도 꺼진 상태(턴오프 상태)로 유지되며, 챔버에 남은 반응 잔여 가스는 배기되고, 플라즈마 분위기 가스가 새로이 챔버를 채운다. 압력 조절 가스 공급부 4b를 오픈하고(턴온 상태) 질소를 공급하여 챔버 내부 압력을 상기 제1 압력으로 유지시킨다. 상기 C공정 즉 C1, C2, C3, C0 공정이 완료되면, 기판에 소정 두께의 박막이 형성된다. 원하는 두께의 박막이 얻어질 때까지 상기 C 공정을 필요한 만큼 반복할 수 있다.
C 공정이 하나의 단위 사이클을 형성한다. 박막 형성 공정은 이러한 단위 사이클을 여러 번 반복하여 진행할 수 있다. 반복 횟수는 얻고자 하는 막의 종류와 두께, 기판의 크기, 반응기의 구조, 공정 조건 등에 따라 달라지며, 당업자가 적절히 선택할 수 있다. 원하는 두께의 박막이 형성되면, 퍼징 단계 D 및 배기 단계 E가 진행된다.
퍼징 단계 D에서, 압력 조절 가스는 점차 감소하고 플라즈마 분위기 가스는 점차 증가시켜 챔버 및 배기관을 플라즈마 분위기 가스로 퍼징한다. D 단계의 주목적은 챔버로 유입될 수 있는 불순물을 최소화하기 위함이다. 충분히 퍼징한 후, 배기 단계 E를 실시한다. 배기 단계 E에서는 압력 조절 밸브 5를 완전히 오픈하여 챔버를 진공 상태로 만들어 배기한다. 기판은 챔버에서 언로딩한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 박막 형성 단계 C에서 챔버의 압력을 일정하게 유지하기 위해 저가의 압력 조절 가스를 사용함으로서 공정비용을 절감한다. 에피텍셜 박막이 형성되는 플라즈마 증착 단계 C2에서 챔버의 압력은 상압으로 유지하고 외부 가스의 공급은 차단된다. 이런 조건에서는 반응 가스의 입자 에너지 제어 및 표면 반응 제어가 용이하여 고품질의 박막을 얻을 수 있다. 도 5는 박막 형성 단계 C를 1회 진행하였을 때 얻어진 박막의 TEM 결과이며 기판과 동일한 단결정 박막 즉, 균질한 고품질의 에피택셜 실리콘막이 얻어졌음을 확인하였다. 반응 소스 가스로 SiH4와 H2를 사용하였고, 플라즈마 분위기 가스로 고순도(6N)의 헬륨을 사용하였다.
반응 소스 가스는 한 번에 원하는 박막 두께를 얻기 위한 전량을 공급하는 것이 아니라, 시간 분할 방식으로 나누어 공급한다. 그 결과, 증착 반응 제어가 용이해지고 원하는 조성의 고품질의 박막을 얻을 수 있다. 특히, 종래의 상압 PECVD로는 형성하기 어려웠던 고품질의 에피택셜 박막을 얻는데 유리하다.
본 발명에 따른 박막 형성 방법은 상압 또는 고압 PECVD에 효과적으로 적용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 저압 예를 들어, 1~760 Torr 이하의 저압 PECVD에도 적용할 수 있다.
1, 11: 플라즈마 반응 챔버
2, 12: 플라즈마 전극
3, 13: 기판부 전극
d: 플라즈마 전극과 기판부 전극 사이의 거리
4: 가스 공급부
4a: 플라즈마 분위기 가스 공급부
4b: 압력 조절 가스 (질소) 공급부
4c: 반응 소스 가스 공급부
5, 15: 압력 조절 밸브
6, 16: 배기펌프

Claims (6)

  1. 반응 소스 가스와 플라즈마 분위기 가스를 챔버 내부로 공급하는 제1 단계와,
    상기 반응 소스 가스와 상기 플라즈마 분위기 가스의 공급을 차단한 상태에서 플라즈마 증착 공정을 진행하는 제2 단계를 포함하며,
    상기 제1 단계 및 제2 단계를 진행하는 동안 압력 조절 가스를 이용하여 챔버 내부 압력을 소정 압력으로 유지하며,
    상기 압력 조절 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스와 다른 물질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 (PECVD)을 이용한 박막 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력 조절 가스는 상기 챔버 내부로 유입되지 않도록 상기 챔버와 배기펌프 사이로 공급되어 챔버 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압력 조절 가스는 질소 또는 저순도의 비활성 기체인 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 단계는 N회 반복하여 진행되며,
    상기 반응 소스 가스는 N회에 걸쳐 시간 분할 방식으로 상기 챔버로 공급되며,
    N은 1 이상의 자연수인 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제 1단계에서
    상기 플라즈마 분위기 가스가 챔버 내로 공급되는 동안 상기 반응 소스 가스의 공급은 차단되는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  6. 챔버와,
    상기 챔버에 반응 소스 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와,
    상기 챔버에 플라즈마 분위기 가스를 공급하는 제2 가스 공급부와,
    상기 챔버와 배기펌프 사이에 압력 조절 가스를 공급하여 상기 챔버의 내부 압력을 조절하는 제3 가스 공급부를 포함하고,
    증착 공정이 진행되는 동안, 플라즈마 전극의 전원과 상기 제1 가스 공급은 역위상을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
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