KR20240003033A - 박막 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 증착 방법에 관한 것으로, 박막의 물성은 동일하게 유지하면서 엣지 영역의 두께를 제어가 가능하여 박막의 중심 영역과 엣지 영역 간의 두께 산포 제어가 가능한 박막 증착 방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 박막 증착 방법은, 반응 챔버, 기판의 중심 영역에 제1 공정 가스를 분사하는 제1 분사 모듈 및 상기 기판의 엣지 영역에 제2 공정 가스를 분사하는 제2 분사 모듈을 포함하는 가스 분사부, 제1 공정 가스 및 제2 공정 가스를 각각 공급하는 가스 공급부 및 전원공급부를 포함하는 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법으로서, 상기 반응 공간으로 기판을 준비하는 단계; 및 상기 제1 분사 모듈로 제1 공정 가스를 분사하고, 상기 제2 분사 모듈로 제2 공정 가스를 분사하여 박막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 기판 엣지 영역에 증착되는 박막의 두께를 조절하기 위해서 상기 제2 공정 가스는 상기 제1 공정 가스에 비해 이온화 에너지가 낮고 박막 증착 반응에 참여하지 않는 물질을 포함할 수 있다.

Description

박막 증착 방법{Thin film deposition}
본 발명은 박막 증착 방법에 관한 것으로, 박막의 물성은 동일하게 유지하면서 엣지 영역의 두께를 제어가 가능하여 박막의 중심 영역과 엣지 영역 간의 두께 산포 제어가 가능한 박막 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자를 제조하기 위해 활용되는 원자층 증착 방법(atomic layer deposition, ALD) 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착 방법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 등은 공정 챔버, 샤워 헤드와 같은 가스 분사부가 구비된 박막 증착 장치를 활용하여 공정 챔버에 플라즈마를 생성하고 샤워헤드를 통해 공정 가스를 공급하여 기판 상에 박막을 증착하도록 하고 있다.
기존의 박막 증착 장치는 가스 공급부로부터 공정 가스가 유입되는 단일의 유입 공간이 형성된 샤워 헤드를 활용하여 공정 가스를 분사하도록 하며, 박막의 두께를 균일하게 하기 위해서 공정 가스의 공급 유량, 온도 등과 같은 공정 조건을 조절하는 방법을 활용하고 있다.
하지만, 상기와 같은 구조를 갖는 기존의 박막 증착 장치는 높은 수준의 균일성(uniformity) 뿐만 아니라 후속 공정의 영향을 고려한 각 공정에서 요구하는 다양한 맵 프로파일(map profile)의 재현성을 충족시키기 어렵고, 특히, 기판 상에 형성되는 박막의 중심 영역에 비해 엣지 영역의 두께 제어가 어려우며, 이를 위한 인력, 시간 투자 및 설비 다운(down) 등으로 인해 생산성이 저하되는 문제 또한 내포하고 있다.
이에 따라, 요구 조건에 부합하는 박막을 형성하기 위해서는 두께 제어를 위한 공정 조건의 조절보다 샤워 헤드, 히터 등과 같은 박막 증착 장치의 하드웨어적 구성에 대한 변경을 통해 달성하는 것이 올바른 방법으로 이에 대한 연구가 필요하다.
일 실시예에 따르면, 박막의 물성 변화를 유발하지 않으면서 박막의 중심 영역과 엣지 영역에 모두 균일한 두께의 박막 형성이 가능하여 두께 산포가 적은 박막 형성할 수 있는 박막 증착 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
실시예에 따른 박막 증착 방법은, 기판상에 박막을 증착하기 위한 반응 공간이 마련된 반응 챔버, 상기 기판의 중심 영역에 제1 공정 가스를 분사하는 제1 분사 모듈 및 상기 기판의 엣지 영역에 제2 공정 가스를 분사하는 제2 분사 모듈을 포함하는 가스 분사부, 상기 제1 분사 모듈 및 제2 분사 모듈로 상기 제1 공정 가스 및 제2 공정 가스를 각각 공급하는 가스 공급부 및 상기 반응 공간에 플라즈마를 형성하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부;를 포함하는 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법으로서, 상기 반응 공간으로 기판을 준비하는 단계; 및 상기 제1 분사 모듈로 제1 공정 가스를 분사하고, 상기 제2 분사 모듈로 제2 공정 가스를 분사하여 박막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 기판 엣지 영역에 증착되는 박막의 두께를 조절하기 위해서 상기 제2 공정 가스는 상기 제1 공정 가스에 비해 이온화 에너지가 낮고 박막 증착 반응에 참여하지 않는 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 공정 가스는, 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 질소(N2) 가스, 크로뮴(Cr) 가스, 네온(Ne) 가스, 크립톤(Kr) 가스, 제논(Xe) 가스 및 탄탈륨(Ta) 가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판의 중심 영역에 형성되는 박막의 두께와 상기 기판의 엣지 영역에 형성되는 박막의 두께를 조절하기 위해서 상기 제2 공정 가스 및 상기 캐리어 가스를 각각 0.05:1 내지 1:1의 부피비로 분사할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 공정 가스는 TEOS 가스, 산소 함유 가스 및 캐리어 가스를 포함하고, 상기 제2 공정 가스는 아르곤 가스를 포함할 수 있다. 특히, 상기 캐리어 가스를 300 내지 5,000 sccm의 유량으로 분사하고, 상기 제2 공정 가스를 100 내지 3,000 sccm의 유량으로 분사할 수 있다.
실시예에 따른 박막 증착 방법은, 기판의 중앙 영역에 제1 공정 가스를 공급하도록 하고, 엣지 영역에는 플라즈마에 의해 상대적으로 쉽게 이온화되어 플라즈마를 활성화시킬 수 있는 물질을 포함하는 제2 공정 가스를 공급하도록 하여 엣지 영역의 증착 속도를 향상시키고, 기판의 영역 밖으로 제1 공정 가스가 확산되는 것을 방지하고 기판의 표면에 제1 공정 가스가 집중적으로 공급되도록 하여 기판의 중심 영역과 엣지 영역 간에 두께 편차와 산포가 적은 균일한 박막을 형성시킬 수 있다.
또한, 기판의 엣지 영역에 공급되는 제2 공정 가스의 공급량을 제1 공정 가스에 포함되는 캐리어 가스의 공급량을 기준으로 상대적으로 조절하여 엣지 영역에 형성되는 박막 두께의 산포 조절이 가능하며, 반응에 참여하지 않는 제2 공정 가스를 활용함에 따라 박막의 물성 변화를 유발하지 않을 수 있어 엣지 영역에 제1 공정 가스 또는 반응 가스를 공급하여 엣지 영역에 두께를 증가시키도록 하는 기존의 방법 대비 고가의 가스 소모량을 크게 절감할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 박막 증착 방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 실시예에 따른 박막 증착 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 실시예에 따른 박막 증착 장치에 구비되는 샤워헤드의 구조와 제1 공정 가스의 공급, 유통 및 분사되는 경로를 나타낸 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막에 대하여 엣지 영역에 공급되는 제2 공정 가스인 아르곤 가스의 공급량 변화에 따라 (a) 박막 일단측과 (b) 박막 전체의 두께 변화를 확인한 결과이다.
도 5는 실시예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막한 박막의 물성 변화를 확인하기 위해 기판의 엣지 영역에 공급되는 제2 공정 가스인 아르곤 가스의 공급량별 습식 식각률(wet etch rate, WER)을 분석한 결과이다.
도 6은 비교예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막의 에지 영역에 공급되는 산소 가스의 공급량별 두께 변화를 확인한 결과이다.
도 7은 비교예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막의 에지 영역에 공급되는 산소 가스의 공급량별 습식 식각률을 분석한 결과이다.
도 1은 실시예에 따른 박막 증착 방법을 나타낸 공정도이며, 도 2는 실시예에 따른 박막 증착 장치를 나타낸 개념도이고, 도 3은 실시예에 따른 박막 증착 장치에 구비된 샤워헤드를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 박막 증착 방법은, 반응 공간으로 기판을 준비하는 단계(S100); 및 상기 제1 분사 모듈로 제1 공정 가스를 분사하고, 상기 제2 분사 모듈로 제2 공정 가스를 분사하여 박막을 형성하는 단계(S200)를 포함할 수 있고, 반응 챔버(100), 가스 분사부(200), 기판 지지대(300), 가스 공급부(400), 전원 공급부(500) 및 제어부(600)를 포함하는 구조를 갖는 박막 증착 장치(10)를 이용해 수행할 수 있다. 이때, 상기 제2 공정 가스는 상기 제1 공정 가스에 비해 이온화 에너지가 낮고 반응에 참여하지 않는 물질을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 기판 안착단계(S100)는 반응 챔버의 반응 공간에 기판을 안착하는 단계이다.
본 단계에서는 반응 챔버(100) 내부에 배치된 기판 지지부(300)에 기판(W)을 안착하고 기판(W) 상에 박막을 증착하도록 한다.
상기 기판(W)은 박막 증착을 증착하여 반도체 소자를 제조하기 위해 사용되는 통상적인 다양한 소재로 제조한 것을 사용할 수 있다.
일례로, 상기 기판(W)은 유리 또는 실리콘, 폴리머 소재로 제조한 것일 수 있다. 구체적으로, 기판은 결정질 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 질화물, 스트레인드 실리콘, 실리콘 게르마늄, 텅스텐, 티타늄 질화물, 도핑된 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘, 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼, 패터닝된 또는 패터닝되지 않은 웨이퍼, SOI(silicon on insulator), 탄소 도핑된 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 도핑된 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소, 유리, 사파이어, 저 k 유전체들 또는 이들의 혼합물을 포함하는 소재로 제조한 것을 사용할 수 있다. 상기 기판은 소정의 디바이스가 형성된 반도체 기판 결과물일 수 있고, 혹은 베어(bare) 웨이퍼일 수도 있다.
상기 박막 증착단계(S200)는 기판(W) 상에 박막을 증착하도록 하는 단계로서, 기판(W) 상에 균일한 두께의 박막을 형성하도록 한다.
본 단계에서는, 상기 기판(W)의 중심 영역에는 제1 공정 가스를 공급하고 상기 기판(W)의 엣지 영역에는 제2 공정 가스를 공급하며, RF 전원을 인가해 상기 반응 공간 내부에 플라즈마를 형성하여 상기 기판(W) 상에 박막을 증착하도록 한다.
본 단계에서 증착하는 박막은 실리콘 함유 박막일 수 있다. 일례로, 상기 실리콘 함유 박막은 실리콘 산화막(SiO2 layer), 실리콘 질화막(SiN layer), 실리콘 산화질화막(SiON), 비정질 실리콘막, 폴리실리콘막, 이종 원소가 도핑된 실리콘막 또는 이외의 다양한 형태의 실리콘 함유 박막을 형성하기 위한 용도로 활용할 수 있다.
이를 위해, 상기 제1 공정 가스는 실리콘 소스 가스를 포함하며, 실리콘 소스 가스 이외에도 반응 가스, 산소 함유 가스, 캐리어 가스, 제2 공정 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합 가스를 활용할 수 있다.
상기 실리콘 소스 가스는 테트라에틸오르소실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS), 실란(silane), 디실란(disilane), 디클로로실란(dichlorosilane), 디메틸디메톡시실란(dimethyldimethoxysilane), 사염화규소(tetrachloride silicon), 비스터셔리부틸아미노실란(bis(tertiary-butylamino)silane), 디클로로실란(dicholrosilane), 1,3,5,7-테트라메틸사이클로테트라실록산(1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane), 옥타메틸사이클로실록산(octamethyl cyclotetrasiloxanes), 트리스(터트-펜톡시)실라놀(tris(tert-pentoxy)silanol), 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane), 테트라키스디메틸아미노실리콘(tetrakis (dimethylamino) silicon), 테트라메틸실란(tetramethylsilane), 테트라메틸디실록산(tetramethyldisiloxane), 디에틸실란(diethylsilane), 헥사클로로디실란(hexachlorodisilane), 디에톡시디메틸실란(diethoxydimethylsilane), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 특히, 상기 실리콘 소스 가스는 TEOS 가스일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 공정 가스는 실리콘 소스 가스, 산소 함유 가스 및 캐리어 가스를 포함하는 혼합 가스일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 제1 공정 가스는 TEOS 가스, 산소 가스 및 아르곤 가스을 포함하는 가스를 각각 특정 유량으로 공급할 수 있다.
상기 제2 공정 가스는 상기 제1 공정 가스 대비 이온화 에너지가 낮아 플라즈마에 의해 쉽게 이온화되고 반응에 참여하지 않는 물질을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 제2 공정 가스는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N), 크로뮴(Cr), 네온(Ne), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 산소(O), 탄탈륨(Ta) 등을 대표적인 예로 들 수 있으며, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 제1 공정 가스 대비 상대적으로 낮은 이온화 에너지를 갖는 물질이다. 특히, 상기 제2 공정 가스는 아르곤 가스와 동일하거나 아르곤 가스보다 이온화 에너지가 낮은 물질을 포함하는 것을 사용할 수 있다. 상기와 같은 제2 공정 가스는 기판 상에 형성시키고자 하는 박막과 제1 공정 가스의 종류에 따라 선택적으로 활용할 수 있고 1종 이상을 혼합하여 활용할 수도 있다.
상기와 같은 물질을 포함하는 제2 공정 가스는 제1 공정 가스에 비해 플라즈마에 의해 상대적으로 쉽게 이온화되어 기판(W)의 영역 밖으로 제1 공정 가스가 확산되는 것을 방지하고 기판(W)의 표면에 제1 공정 가스가 집중적으로 공급되도록 하여 박막의 증착 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이에 따라, 중심 영역과 엣지 영역 간에 두께 편차와 산포가 적은 균일한 박막을 기판(W) 상에 형성시킬 수 있다.
또한, 본 단계에서는 제1 공정 가스에 포함된 캐리어 가스의 공급량과 제2 공정 가스의 공급량을 조절하여 엣지 영역에 형성되는 박막의 두께를 조절하도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 아르곤 가스와 같은 비활성 기체는 제1 공정 가스에 포함된 실리콘 소스 가스, 산소 함유 가스와 직접적인 화학반응을 유발하지 않아 균일한 물성을 유지하며, 반응 챔버에 주입되어 전기적인 에너지를 이용하면 양이온(Ar+)과 전자로 분리되며, 분리된 전자는 양극으로 가속되어 전기적으로 중성 상태인 아르곤 원자와 충돌하여 이온화 시킨다. 이런 과정에서 양이온은 공정 가스에 물리적인 충격을 주어 그 에너지가 화학적 반응을 폭발적으로 증가시켜, 공급되는 해당 영역에서의 박막의 두께를 증가시킬 수 있다.
상기 제1 공정 가스와 함께 공급되는 캐리어 가스의 유량보다 제2 공정 가스의 유량을 동일하거나 이보다 낮은 유량으로 공급하도록 하여 엣지 영역에 박막의 증착 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 기판의 중심 영역에 형성되는 박막의 두께와 상기 기판의 엣지 영역에 형성되는 박막의 두께를 조절하기 위해서 상기 제2 공정 가스 및 상기 캐리어 가스를 각각 0.05:1 내지 1:1의 부피비로 분사하여 기판 상에 박막을 형성시키도록 구성할 수 있다.
상기 제1 공정 가스로 공급되는 캐리어 가스는 500 내지 5,000 sccm의 유량으로 공급될 수 있으며, 제2 공정 가스는 100 내지 3,000 sccm의 유량으로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 본 단계에서는 상기 캐리어 가스는 500 내지 2,500 sccm의 유량으로 공급하고 제2 공정 가스를 100 내지 2,500 sccm의 유량으로 공급하여 오염을 방지하고, 박막의 증착 효율을 향상시킬 수 있다.
이후, 본 단계에서는, 전원을 인가하여 반응 챔버의 반응 공간에 플라즈마를 형성하여 상기 기판 상에 박막을 증착할 수 있다.
아울러, 본 단계에서는 상기와 같은 방법으로 기판 상에 박막을 증착한 다음 퍼지 가스를 공급하는 퍼지단계를 포함할 수 있다.
그리고, 실시예에 따른 박막 증착 방법에서는 상기와 같은 박막 증착단계를 1회 이상 수행할 수 있도록 구성하여 목적하는 두께에 맞는 박막을 형성시킬 수 있으며, 제2 공정 가스와 제1 공정 가스로 공급되는 캐리어 가스의 공급량을 조절하여 중심 영역과 엣지 영역의 두께를 사용자가 다양하게 조절하도록 구성할 수도 있다.
한편, 실시예에 다른 박막 증착 장치(10)는, 반응 챔버(100), 가스 분사부(200), 기판 지지대(300), 가스 공급부(400), 전원 공급부(500) 및 제어부(600)를 포함하는 구조를 갖는다.
상기 반응 챔버(100)는 내부에 기판(W)의 처리를 위한 반응 공간을 형성할 수 있다. 상기 반응 챔버(100)는 기판(W)에 박막 증착(deposition), 식각(etch) 등과 같은 기판 처리를 위한 공간을 형성하는 통상적인 다양한 구조의 챔버(chamber)를 이용해 구현할 수 있다.
상기 가스 분사부(200)는 반응 공간에 제1 공정 가스, 퍼지 가스와 제2 공정 가스 등을 공급하도록 반응 챔버(100)의 상부에 설치될 수 있다. 상기 가스 분사부(200)는 가스 공급부(400)와 배관을 통해 연결되어 상기와 같은 가스들을 각각 공급받을 수 있다.
상기 가스 분사부(200)는 기판 지지대(300) 상에 안착된 기판(W)에 제1 공정 가스, 퍼지 가스와 제2 공정 가스 등을 분사하도록 반응 챔버(100)의 상부에 기판 지지대(300)에 대향되는 위치에 설치될 수 있다. 일례로, 상기 가스 분사부(200)는 반응 챔버(100)의 상부를 덮는 형태로 결합될 수도 있다. 구체적으로, 가스 분사부(200)가 반응 챔버(100)의 덮개 형태로 측벽부에 결합될 수 있다.
이를 위해, 상기 가스 분사부(200)는 상기 기판의 중심 영역에 제1 공정 가스를 분사하는 제1 분사 모듈(210) 및 상기 기판의 엣지 영역에 제2 공정 가스를 분사하는 제2 분사 모듈(230)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 분사 모듈(210) 및 제2 분사 모듈(230)은 각각 일체형으로 제작될 수 있고, 각각 분리된 구조로 제작될 수도 있다.
일례로, 상기 가스 분사부(200)는 제1 분사 모듈(210) 및 제2 분사 모듈(230)이 일체형으로 제작된 샤워 헤드와 같은 구조를 갖도록 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 가스 분사부(200)는 상부 플레이트(201) 및 하부 플레이트(203)를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 상부 플레이트(201)에는 제1 주입구(IL1) 및 제2 주입구(IL2)가 각각 관통 형성된 구조를 갖는다. 제1 주입구(IL1)에는 제1 가스 공급배관(PL1)의 일단이 연결되며, 제1 가스 공급배관(PL1)의 타단은 가스 공급부(400)와 연결되어 가스 공급부(400)로부터 제1 공정 가스가 공급될 수 있다. 제1 주입구(IL1)는 제1 분사 모듈의 상부에 형성될 수 있다.
상기 제1 공정 가스는 1종 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스일 수 있다. 일례로, 상기 제1 공정 가스는 실리콘 소스 가스와, 반응 가스, 산소 함유 가스 및 캐리어 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합 가스일 수 있다.
상기 제2 주입구(IL2)에는 제2 가스 공급배관(PL2)의 일단이 연결되며, 제2 가스 공급배관(PL2)의 타단은 가스 공급부(400)와 연결되어 가스 공급부(400)로부터 제2 공정 가스가 공급될 수 있다. 제2 주입구(IL2)는 제2 분사 모듈의 상부에 형성될 수 있다.
상기 하부 플레이트(203)에는 복수 개의 분사공(미도시)이 관통형성되어 기판(W)의 중심 영역과 엣지 영역에 각각 제1 공정 가스와 제2 공정 가스를 분사하는 구조를 형성할 수 있다.
상기 가스 분사부(200)의 내부 구조에 대해 상세히 살펴보면, 상기 가스 분사부(200)는 내부에 제1 분사 모듈(210) 및 제2 분사 모듈(230)이 형성된 구조를 갖는다.
상기 제1 분사 모듈(210)은 상기 가스 분사부(200)의 내부 중앙 영역에 형성되며, 상부에 형성된 제1 주입구(IL1)를 통해 제1 공정 가스가 공급될 수 있고, 공급된 가스는 하부 플레이트(203)의 분사공을 통해 기판의 중심 영역에 제1 공정 가스가 분사될 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 제1 분사 모듈(210)은 제1 유입 공간(211), 제1 확산 공간(213), 제2 확산 공간(215) 및 제1 확산 공간(213)과 제2 확산 공간(215) 사이에 확산판(DP)이 설치된 구조를 갖는다.
상기 제1 유입 공간(211)은 상부에 제1 주입구(IL1)가 연결되어 제1 공정 가스를 공급받아 수용할 수 있다. 제1 확산 공간(213)은 상부에 제1 유입 공간(211)의 하부에 연결되어 제1 유입 공간(211)으로부터 제1 공정 가스를 공급받아 수용할 수 있다. 제1 확산 공간(213)에 수용된 제1 공정 가스는 제1 확산 공간(213)의 하부에 형성된 확산판(DP)을 통해 제2 확산 공간(215)으로 확산되고, 제2 확산 공간(215)의 하부에 형성된 분사공(미도시)을 통해 기판(W)의 중심 영역에 제1 공정 가스를 분사할 수 있다. 상기 확산판(DP)은 평판 형상을 가지며, 복수의 유동공(미도시)이 관통 형성되어 제1 확산 공간(213)과 제2 확산 공간(215)을 구획하며, 유동공(미도시)을 통해 제1 확산 공간(213)으로 유입된 제1 공정 가스가 제2 확산 공간(215)으로 확산될 수 있다.
상기 제2 분사 모듈(230)은 상기 제1 분사 모듈(210)의 측면에 형성되며 제2 주입구(IL2)를 통해 제2 공정 가스를 공급받아 수용하고, 제2 공정 가스를 기판의 엣지 영역에 분사하도록 할 수 있다.
상기 제2 분사 모듈(230)은 제2 유입 공간(231), 제3 확산 공간(233), 제4 확산 공간(235) 및 제3 확산 공간(233)과 제4 확산 공간(235) 사이에 확산판(DP)이 설치된 구조를 갖는다. 상기 제2 유입 공간(231)은 상부에 제2 주입구(IL2)가 연결되어 제2 공정 가스를 공급받아 수용할 수 있다. 상기 제3 확산 공간(233)은 상부에 제2 유입 공간(231)이 연결되어 제2 유입 공간(231)으로부터 제2 공정 가스를 공급받아 수용할 수 있다. 제3 확산 공간(233)에 수용된 제2 공정 가스는 제3 확산 공간(233)의 하부에 형성된 확산판(245)을 통해 제4 확산 공간(235)으로 확산되고, 제4 확산 공간(235)의 하부에 형성된 분사공(미도시)을 통해 기판의 중심 영역에 제1 공정 가스를 분사할 수 있다.
즉, 제1 공정 가스는 도 2의 점선 화살표와 같은 방향으로 샤워 헤드의 내부에서 유통되어 분사될 수 있고, 제2 공정 가스는 실선 화살표와 같은 방향으로 샤워 헤드의 내부에서 유통되어 분사될 수 있다.
상기와 같이 제1 분사 모듈(210) 및 제2 분사 모듈(230)이 각각 형성된 가스 분사부(200)는 격벽에 의해 제1 분사 모듈(210) 및 제2 분사 모듈(230)이 각각 분리되어 독립된 공간을 형성하고, 하부에 형성된 확산 공간을 통해 제1 공정 가스와 제2 공정 가스를 각각 별도로 기판(W)의 중심 영역과 엣지 영역에 공급할 수 있는 구조를 형성할 수 있다.
상기 기판 지지부(300)는 가스 분사부(200)에 대향되게 공정 챔버(100)에 설치되며, 그 상부에 기판(W)이 안착될 수 있다. 기판 지지부(300)는 대체로 기판(W)의 모양에 대응되나 이에 한정되지 않고 기판(W)을 안정적으로 안착시킬 수 있도록 기판(W)보다 면적이 넓은 지지판이 구비되고, 지지판은 다양한 형상을 가질 수 있다. 일례로, 기판 지지부(300)는 승하강이 가능하도록 외부 모터(미도시) 및 외부 모터와 연결된 지지대가 연결된 구조를 가질 수 있다.
상기와 같은 기판 지지부(300)는 상부에 기판(W)이 안착되기 때문에, 기판 안착부, 기판 지지대, 서셉터 등으로 불릴 수도 있다. 상기 기판 지지부(300)는 기판(W)을 가열하기 위한 히터를 포함할 수 있으며, 히터에 전원을 공급하는 히터 전원부를 포함할 수 있다.
상기 가스 공급부(400)는 가스 분사부(200)와 연결되어 상기 반응 챔버(100)의 반응공간에 제1 공정 가스, 퍼지 가스, 제2 공정 가스 등을 각각 공급하는 역할을 한다. 상기 제1 공정 가스는 실리콘 소스 가스, 산소 포함 가스, 캐리어 가스를 포함하는 혼합 가스의 형태를 가질 수 있다. 상기 가스 공급부(400)는 상기 공정 챔버(100)의 외부에 설치되고, 이종의 가스를 각각 별도로 저장하기 위한 복수 개의 가스 저장탱크와 가스 분사부(200) 및 가스 저장탱크를 연결하는 복수 개의 연결 배관, 그리고, 연결 배관 상에 설치되어 각각의 가스의 공급을 제어하기 위한 유량 조절 밸브 등을 포함하는 구조로 구현될 수 있다. 상기 유량 조절 밸브는 후술할 제어부(600)에 의해 제어되어 각각의 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
상기 가스 공급부(400)는 기판 상에 제1 공정 가스, 제2 공정 가스 및 퍼지 가스를 각각 분사할 수 있도록 해당 가스를 저장하고, 복수 개의 가스 공급배관과 연결되어 가스 공급배관(IL1, IL2)을 통해 가스 분사부(200)에 상기 가스들을 각각 공급할 수 있다. 이를 위해, 가스 공급부(400)는 복수 개의 가스 저장탱크를 포함할 수 있다. 도면에는 제1 가스 공급배관 및 제2 가스 공급배관 만을 표시하였으나 이에 제한받지 않으며, 고 복수 개의 가스 공급배관이 설치될 수 있다.
상기 가스 공급배관(IL1, IL2)에는 각각 유량 조절밸브(미도시)와 유량 측정기(미도시)가 배치되어 가스의 공급량을 조절할 수 있고, 가스의 공급량을 확인할 수 있다.
상기 전원 공급부(500)는 반응 공간에 플라즈마를 형성하기 위한 전원을 공급하는 역할을 한다. 상기 반응 챔버(100)에 적어도 하나의 RF(radio frequency) 전력을 인가하도록 적어도 하나의 RF 전원을 포함할 수 있다. 일례로, 전원 공급부(100)는 가스 분사부(200)에 RF 전원을 인가하도록 연결될 수 있다. 이 경우, 공정 챔버(100) 내부로 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여 적어도 하나의 RF 전원을 가스 분사부(200)에 인가하는 구성에서는 가스 분사부(200)가 플라즈마 전극으로 이해될 수 있다.
상기 제어부(600)는, 샤워 헤드부(200), 기판 지지부(300), 가스 공급부(400), 전원 공급부(500)의 구동을 각각 제어하여 기판(W) 상에 박막을 증착시키도록 한다.
상기 제어부(600)는 반응 공간에 제1 공정 가스의 공급과 플라즈마의 생성을 제어하여 기판(W) 상에 박막을 증착하도록 하며, 퍼지 가스의 공급을 제어하여 퍼지 공정을 수행하도록 하며, 제2 공정 가스의 공급을 조절하여 기판(W) 상에 균일한 두께의 박막을 형성시키도록 한다.
이를 위해, 상기 제어부(600)는 기판(W)의 중심 영역으로 공급되는 제1 공정 가스의 유량을 고정한 상태에서 기판(W)의 엣지 영역으로 공급되는 제2 공정 가스의 유량을 제1 공정 가스의 유량 대비 100% 이내의 범위에서 증가 또는 감소시키도록 조절하여 박막의 두께를 정밀하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 다른 공정 조건이나 하드웨어적 조건을 변경시키지 않고도 단순히 제2 공정 가스의 공급량을 조절하는 간단한 방법을 통해 박막의 물성은 그대로 유지하고 기판(W)의 중심 영역과 엣지 영역에 형성되는 박막의 두께 산포를 조절할 수 있다.
구체적으로, 제어부(600)는 상기 제1 공정 가스 및 상기 제2 공정 가스가 각각 1:1 내지 1:0.1의 부피비로 상기 기판(W) 상에 분사되도록 상기 가스 공급부(400)의 구동을 제어할 수 있다. 상기 제1 공정 가스는 실리콘 소스 가스와, 실리콘 소스 가스 이외에도 반응 가스, 산소 함유 가스 및 캐리어 가스 중 적어도 어느 하나를 함께 포함할 수 있다. 상기 캐리어 가스는 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 질소(N2) 가스, 제논(Xe) 가스 또는 이들의 혼합 가스일 수 있다.
상기 제2 공정 가스는 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 질소(N2) 가스, 크로뮴(Cr) 가스, 네온(Ne) 가스, 크립톤(Kr) 가스, 제논(Xe) 가스 및 탄탈륨(Ta) 가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 아르곤(Ar) 가스를 활용할 수 있다. 특히, 상기 캐리어 가스 및 제2 공정 가스는 각각 동일한 가스를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 박막 증착 장치는, 상기 기판의 중심 영역에 형성되는 박막의 두께와 상기 기판의 엣지 영역에 형성되는 박막의 두께를 조절하기 위해서 상기 제2 공정 가스 및 상기 캐리어 가스를 각각 0.05:1 내지 1:1의 부피비로 분사할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는, 상기 캐리어 가스가 300 내지 5,000 sccm의 유량으로 공급되도록 하고, 상기 제2 공정 가스가 100 내지 3,000 sccm의 유량으로 공급되도록 상기 가스 공급부의 구동을 제어할 수 있다.
특히, 상기 제어부(600)는 상기 제1 공정 가스로 TEOS 가스, 산소 함유 가스 및 캐리어 가스를 포함하고, 상기 제2 공정 가스는 아르곤 가스를 포함하며, 상기 제1 공정 가스는 1,000 내지 3,000 sccm, 제2 공정 가스는 500 내지 2,500 sccm의 유량으로 공급되도록 상기 가스 공급부의 구동을 제어할 수 있다.
실시예에 따른 박막 증착 방법은, 기판의 중앙 영역에 제1 공정 가스를 공급하도록 하고, 엣지 영역에는 플라즈마에 의해 상대적으로 쉽게 이온화되어 플라즈마를 활성화시킬 수 있는 물질을 포함하는 제2 공정 가스를 공급하도록 하여 엣지 영역의 증착 속도를 향상시키고, 기판의 영역 밖으로 제1 공정 가스가 확산되는 것을 방지하고 기판의 표면에 제1 공정 가스가 집중적으로 공급되도록 하여 기판의 중심 영역과 엣지 영역 간에 두께 편차와 산포가 적은 균일한 박막을 형성시킬 수 있다.
또한, 기판의 엣지 영역에 공급되는 제2 공정 가스의 공급량을 제1 공정 가스에 포함되는 캐리어 가스의 공급량을 기준으로 상대적으로 조절하여 엣지 영역에 형성되는 박막 두께의 산포 조절이 가능하며, 반응에 참여하지 않는 제2 공정 가스를 활용함에 따라 박막의 물성 변화를 유발하지 않을 수 있어 엣지 영역에 제1 공정 가스 또는 반응 가스를 공급하여 엣지 영역에 두께를 증가시키도록 하는 기존의 방법 대비 고가의 가스 소모량을 크게 절감할 수 있다.
상기와 같은 박막 증착 장치 및 방법은 기판 상에 박막을 증착하기 위해 활용되는 원자층 증착 방법(atomic layer deposition, ALD) 또는 플라즈마 강화 화학기상증착 방법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 구현될 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 용도인 것은 아니다.
<실시예>
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 박막 증착 장치를 활용하여 박막 증착을 수행하였다.
TEOS 가스, 산소 가스 및 아르곤 가스(캐리어 가스)를 제1 공정 가스로 각각 제1 분사 모듈에 공급하여 기판의 중심 영역에 제1 공정 가스가 분사되도록 하였다. 아르곤 가스를 제2 공정 가스로 활용하여 제2 분사 모듈에 공급하여 기판의 엣지 영역에 제2 공정 가스가 분사되도록 하였다. 이때, 제1 공정 가스는 2,500 sccm으로 유량을 고정하여 공급하였고, 제2 공정 가스는 0 sccm, 500 sccm, 1,000 sccm, 1,500 sccm, 2,000 sccm, 2,500 sccm이 되도록 유량을 조절하여 공급하였으며, RF 전원을 인가하여 반응 공간 내부에 플라즈마를 형성시켜 기판 상에 TEOS 박막을 증착하였다.
<비교예>
제2 공정 가스로 산소 가스를 공급하고, 유량을 500 sccm, 1,000 sccm, 2,000 sccm으로 조절하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 기판 상에 박막을 증착하였다.
<실험예>
실시예 및 비교예에 따른 방법으로 형성시킨 박막의 특성 및 물성을 평가하였으며, 그 결과를 도 4 내지 도 7에 나타내었다.
먼저, 도 4는 실시예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막에 대하여 엣지 영역에 공급되는 제2 공정 가스인 아르곤 가스의 공급량 변화에 따라 (a) 박막 일단측과 (b) 박막 전체의 두께 변화를 확인한 결과이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 제2 분사 모듈에 공급되는 아르곤 가스의 공급량에 따라 박막에서 엣지 영역의 두께가 변화한다는 사실을 확인할 수 있었으며, 아르곤 가스의 공급량이 증가할수록 엣지 영역의 두께가 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다.
도 5는 실시예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막의 물성 변화를 확인하기 위해 기판의 엣지 영역에 공급되는 제2 공정 가스인 아르곤 가스의 공급량별 습식 식각률(wet etch rate, WER)을 분석한 결과이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 제2 분사 모듈에 공급되는 아르곤 가스의 공급량에 따라 WER 물성 변화가 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다. 엣지 가스의 공급량을 조절하는 경우에도 동일한 물성을 갖는 박막을 형성할 수 있고, 두께 제어가 가능하다는 사실을 확인할 수 있었다.
도 6은 비교예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막의 에지 영역에 공급되는 산소 가스의 공급량별 두께 변화를 확인한 결과이다.
도 6에 나타난 바와 같이 엣지 영역에 공급되는 산소 가스 공급량의 변화에 따라 엣지 영역의 두께 변화가 발생하였음을 확인할 수 있었다. 산소의 공급량이 증가할수록 엣지 영역뿐만 아니라 기판의 전체 영역의 두께가 증가하는 것으로 확인되었다.
도 7은 비교예에 따른 박막 증착 방법으로 증착한 박막의 에지 영역에 공급되는 산소 가스의 공급량별 습식 식각률을 분석한 결과이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 엣지 영역의 산소 가스 공급량 변화에 따라 WER에 변화가 발생하며, 산소 가스의 공급량에 따라 박막의 물성이 영역별로 상이하게 변화한다는 사실을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 결과를 통해서, 기판의 중심 영역과 엣지 영역으로 공급되는 가스의 종류와 유량을 개별적으로 제어하는 방법을 통해서 기판 상에 균일한 두께의 박막을 형성시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있었고, 기판의 중심 영역과 엣지 영역에 공급되는 아르곤 가스의 유량을 다르게 제어할 경우 박막의 두께를 영역별로 각각 정밀하게 제어할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한, 엣지 영역에 제2 공정 가스를 공급하기 때문에 반응 챔버 내부에 오염이 유발되지 않을 것으로 판단되었다.
10 : 박막 증착 장치
100 : 반응 챔버
200 : 가스 분사부
300 : 기판 지지부
400 : 가스 공급부
500 : 전원 공급부
600 : 제어부

Claims (8)

  1. 기판상에 박막을 증착하기 위한 반응 공간이 마련된 반응 챔버, 상기 기판의 중심 영역에 제1 공정 가스를 분사하는 제1 분사 모듈 및 상기 기판의 엣지 영역에 제2 공정 가스를 분사하는 제2 분사 모듈을 포함하는 가스 분사부, 상기 제1 분사 모듈 및 제2 분사 모듈로 상기 제1 공정 가스 및 제2 공정 가스를 각각 공급하는 가스 공급부 및 상기 반응 공간에 플라즈마를 형성하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급부;를 포함하는 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법으로서,
    상기 반응 공간으로 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 제1 분사 모듈로 제1 공정 가스를 분사하고, 상기 제2 분사 모듈로 제2 공정 가스를 분사하여 기판 상에 박막을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 기판의 엣지 영역에 증착되는 박막의 두께를 조절하기 위해서 상기 제2 공정 가스는 상기 제1 공정 가스에 비해 이온화 에너지가 낮고 박막 증착 반응에 참여하지 않는 물질을 포함하는 박막 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막은,
    실리콘 산화막(SiO2 layer), 실리콘 질화막(SiN layer), 실리콘 산화질화막(SiON), 비정질 실리콘막, 폴리실리콘막 또는 이종 원소가 도핑된 실리콘막인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공정 가스는 실리콘 소스 가스와,
    반응 가스, 산소 함유 가스 및 캐리어 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공정 가스는, 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 질소(N2) 가스, 크로뮴(Cr) 가스, 네온(Ne) 가스, 크립톤(Kr) 가스, 제논(Xe) 가스 및 탄탈륨(Ta) 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 캐리어 가스 및 제2 공정 가스는 각각 동일한 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 박막을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 중심 영역에 형성되는 박막의 두께와 상기 기판의 엣지 영역에 형성되는 박막의 두께를 조절하기 위해서 상기 제2 공정 가스 및 상기 캐리어 가스를 각각 0.05:1 내지 1:1의 부피비로 분사하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    박막을 형성하는 단계는,
    상기 캐리어 가스를 300 내지 5,000 sccm의 유량으로 분사하고, 상기 제2 공정 가스를 100 내지 3,000 sccm의 유량으로 분사하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공정 가스는 TEOS 가스, 산소 함유 가스 및 캐리어 가스를 포함하고, 상기 제2 공정 가스는 아르곤 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
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