WO2023200142A1 - 고압 기판 처리 장치 및 그를 이용한 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법 - Google Patents

고압 기판 처리 장치 및 그를 이용한 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법 Download PDF

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WO2023200142A1
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조성길
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Definitions

  • the present invention relates to a high-pressure substrate processing apparatus for semiconductor manufacturing and a high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate using the same.
  • the semiconductor manufacturing process is largely divided into pre-process and post-process.
  • the pre-process includes processes such as oxidation, deposition, exposure, etching, ion implantation, and wiring.
  • the deposition process is a process of depositing a very thin layer of the desired material on the surface of the wafer.
  • Specific methods of deposition include chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), and atomic layer deposition (ALD).
  • Chemical vapor deposition forms a thin film through a chemical reaction
  • physical vapor deposition forms a thin film using a physical method.
  • Atomic layer deposition uses a method of stacking atomic layers to form a very thin film.
  • Chemical vapor deposition or atomic layer deposition has a high thermal budget when forming a film at low pressure, so its scope of use is extremely limited. In circuit patterns that are complex and have a high aspect ratio, step coverage becomes poor. Poor step coverage is a factor that reduces the productivity of semiconductor devices.
  • One object of the present invention is to provide a high-pressure substrate processing apparatus and a high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate using the same, which can increase the productivity of semiconductor devices by improving the quality of the deposited film.
  • a high-pressure substrate processing apparatus for realizing the above-mentioned object includes: a chamber having an internal space for accommodating a substrate to be processed; a fluid supply module communicating with the internal space and configured to supply fluid to the substrate to be processed; and a first exhaust module and a second exhaust module in communication with the internal space and configured to exhaust the fluid through different paths, wherein the adjustment amount of the first exhaust module with respect to the pressure of the internal space is determined by the second exhaust module. It is smaller than the adjustment amount of the exhaust module, and the first exhaust module can operate only when the internal space is at a high pressure higher than normal pressure.
  • the second exhaust module may be operated independently when the internal space is at a low pressure lower than normal pressure, and may be selectively operated at the high pressure during the transition from the high pressure to the low pressure.
  • the first exhaust module may include a first exhaust line
  • the second exhaust module may include a second exhaust line having a larger cross-sectional flow area than the first exhaust line.
  • the diameter of the second exhaust line may be 5 to 10 times the diameter of the first exhaust line.
  • the first exhaust module further includes a first pressure control valve installed in the first exhaust line, and the second exhaust module is installed in the second exhaust line and is larger than the first pressure control valve. It may include a second pressure control valve having a pressure control width.
  • the first pressure control valve may include a needle valve
  • the second pressure control valve may include a throttle valve
  • the second exhaust module further includes a vacuum pump installed in the second exhaust line, and the vacuum pump may operate when the pressure is low and may be selectively operated when the pressure is high.
  • a high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate includes loading a substrate to be processed into the internal space of a chamber; supplying a fluid containing deposition gas to the internal space so that the pressure of the internal space becomes a high pressure higher than normal pressure; And among the first exhaust module and the second exhaust module forming different exhaust paths, the second exhaust module with a relatively large adjustment amount for the pressure of the internal space is closed, and the first exhaust module with a relatively small adjustment amount is closed. It may include the step of exhausting the fluid through and finely adjusting the pressure of the high pressure, so that the deposition gas flows toward the processing target substrate and is deposited on the processing target substrate.
  • the high pressure may be a pressure determined within the range of 10 ATM to 40 ATM in order to improve the film quality of the deposited film on the substrate to be processed.
  • the step of maintaining the temperature of the substrate to be processed at a temperature determined within the range of 500°C to 1,000°C may be further included.
  • the deposition gas is at least one source gas selected from silane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), or dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ); And it may include at least one reactive gas selected from ammonia (NH 3 ), oxygen (O 2 ), nitrous oxide (N 2 O), or ozone (O 3 ).
  • a step of exhausting the fluid through the first exhaust module and the second exhaust module so that the pressure of the internal space reaches a low pressure lower than normal pressure may be further included.
  • the step of exhausting the fluid through the first exhaust module and the second exhaust module to bring the pressure of the internal space to a low pressure lower than the normal pressure includes: It may include operating a first exhaust module, stopping operation of the first exhaust module at the low pressure, and operating the second exhaust module.
  • the step of exhausting the fluid through the first exhaust module and the second exhaust module to bring the pressure of the internal space to a low pressure lower than the normal pressure includes the first section of the high pressure. It may include operating the first exhaust module, stopping operation of the first exhaust module and operating the second exhaust module in a second section of the high pressure and the low pressure.
  • the vacuum pump of the second exhaust module may operate.
  • the fluid supplied by the fluid supply module to the internal space of the chamber accommodating the substrate to be processed is the first exhaust Exhaust is discharged from the internal space by the module and the second exhaust module.
  • the control amount of the first exhaust module for the pressure of the internal space is smaller than the control amount of the second exhaust module, and the first exhaust module has a high pressure higher than normal pressure in the internal space.
  • Figure 1 is a cross-sectional view showing the structure of a high-pressure substrate processing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the high-pressure substrate processing apparatus 100 of FIG. 1 performing high-pressure deposition.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the high-pressure substrate processing apparatus 100 of FIG. 1 exhausting the internal space 115 after deposition.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the control configuration of the high-pressure substrate processing apparatus 100 of FIG. 1.
  • Figure 5 is a flowchart showing a high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart specifically showing some steps (S3 and S5) of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a flowchart specifically showing another partial step (S7) of FIG. 5.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a semiconductor device O having a deposited film D 2 formed according to the high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate of FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a graph showing the results of an experiment on the step coverage of the deposited film (D 2 ) of the semiconductor device (O) of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of an experiment on the deposition rate of the deposition film (D 2 ) of the semiconductor device (O) of FIG. 8.
  • the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be subject to various changes and may be implemented in various different forms. Only this example is provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but substitutes or adds to the configuration of one embodiment and the configuration of another embodiment, as well as all changes and equivalents included in the technical spirit and scope of the present invention. It should be understood to include substitutes.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a high-pressure substrate processing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a single wafer type processing device is exemplified as the high pressure substrate processing device 100, but the present invention is not limited thereto and can also be applied to a batch type processing device.
  • the high-pressure substrate processing apparatus 100 may include a chamber 110, a fluid supply module 130, a first exhaust module 150, and a second exhaust module 160.
  • Chamber 110 is a hollow structure having an internal space 115.
  • a substrate W is accommodated in the internal space 115.
  • the substrate W is generally a wafer, but is not limited thereto.
  • the substrate W may be seated in the internal space 115, specifically on the support module 120.
  • the support module 120 may be formed to support the substrate W at a position higher than the floor of the internal space 115.
  • the support module 120 has a temperature unit 125 to control the temperature of the substrate W.
  • the temperature unit 125 may be located below the substrate W.
  • the temperature unit 125 may include a heater to increase the temperature of the substrate W, or a cooler to lower the temperature of the substrate W.
  • the fluid supply module 130 is configured to communicate with the internal space 115 and supply fluid to the internal space 115.
  • the fluid mainly refers to gas, but is not limited thereto.
  • the fluid supply module 130 may specifically include a supply pipe 131, a distributor 133, and a regulator 135.
  • the supply pipe 131 is connected to a fluid tank (not shown) and receives fluid therefrom.
  • the distributor 133 is in communication with the supply pipe 131 and is located on the upper side of the internal space 115.
  • the distributor 133 evenly sprays the fluid input from the supply pipe 131 to the area corresponding to the substrate W.
  • the regulator 135 adjusts the pressure of the fluid input from the supply pipe 131 and provides it to the distributor 133.
  • the nozzles of the regulator 135 may be formed in more nozzles than the nozzles of the distributor 133. Alternatively, it is also possible to make the diameter of the nozzle of the regulator 135 different from the diameter of the nozzle of the distributor 133.
  • the first exhaust module 150 and the second exhaust module 160 are in communication with the internal space 115 and are configured to exhaust fluid in the internal space 115. These communicate with the internal space 115 through the bottom of the chamber 110 opposite the fluid supply module 130. They also form exhaust paths (P 1 , P 2 , see Figure 3) with different characteristics.
  • first exhaust line 151 of the first exhaust module 150 and the second exhaust line 161 of the second exhaust module 160 have different flow cross-sectional areas.
  • the second exhaust line 161 has a larger flow cross-sectional area than the first exhaust line 151.
  • the cross-sectional flow area of the second exhaust line 161 may be 5 to 10 times the cross-sectional flow area of the first exhaust line 151.
  • a first on-off valve 153 and a second on-off valve 163 are installed in each of the first exhaust line 151 and the second exhaust line 161. They are open or closed, allowing or blocking the exhaust of fluid through the first exhaust line 151 or the second exhaust line 161.
  • a first pressure control valve 155 or a second pressure control valve 165 is also installed in each of the first exhaust line 151 and the second exhaust line 161.
  • the first pressure control valve 155 and the second pressure control valve 165 have different pressure control widths. Specifically, the pressure control width of the first pressure control valve 155 is smaller than the pressure control width of the second pressure control valve 165.
  • a needle valve may be used as the first pressure control valve 155, and a throttle valve may be used as the second pressure control valve 165.
  • the needle valve can finely adjust the pressure of high-pressure fluid in the first exhaust line 151, which has a small flow cross-sectional area.
  • high pressure is a pressure higher than normal pressure (atmospheric pressure), and is a pressure ranging from several ATM to tens of ATM, but is not limited thereto.
  • a vacuum pump 167 may also be installed in the second exhaust line 161.
  • the vacuum pump 167 operates to make the pressure in the internal space 115 low.
  • low pressure is a pressure lower than normal pressure, for example, it may be a pressure up to 1 mTorr.
  • the vacuum pump 167 may be operated in some sections at normal pressure in order to increase the exhaust speed of the fluid discharged along the second exhaust line 161.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the high-pressure substrate processing apparatus 100 of FIG. 1 performing high-pressure deposition.
  • the fluid supply module 130 sprays fluid into the internal space 115.
  • the fluid must flow toward the substrate W and be deposited on the substrate W under high pressure conditions.
  • the fluid in the internal space 115 must be continuously exhausted to the outside.
  • the first exhaust module 150 operates while the second exhaust module 160 does not operate.
  • the second on/off valve 163 must be in a closed state, and the first on/off valve 153 must be in an open state.
  • the first pressure regulating valve 155 When the first opening/closing valve 153 is open, the first pressure regulating valve 155 operates to maintain the internal space 115 at a set high pressure, for example, within a range of several ATMs to tens of ATMs.
  • the first pressure control valve 155 finely adjusts the pressure of the internal space 115 by increasing or decreasing the opening degree of the valve. Fine pressure adjustment at high pressure is difficult with the second pressure control valve 165.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the high-pressure substrate processing apparatus 100 of FIG. 1 exhausting the internal space 115 after deposition.
  • the fluid in the internal space 115 needs to be completely exhausted after the high-pressure deposition is completed.
  • a full evacuation must be performed to unload the deposited substrate (W) and load a new substrate. Only when by-products from the deposition process are completely discharged can there be no problems with deposition on a new substrate.
  • the first exhaust module 150 and the second exhaust module 160 are used together.
  • the first exhaust module 150 may operate first and then the second exhaust module 160 may operate at a specific pressure.
  • the first exhaust module 150 operates at high pressure, but does not operate at low pressure.
  • the first exhaust module 150 may operate only up to a certain high pressure close to normal pressure, for example, 2 ATM.
  • the second exhaust module 160 operates at low pressure.
  • the second exhaust module 160 may operate at the specific high pressure above, or may not operate at all at the high pressure.
  • the first exhaust module 150 may not operate even in a partial section of high pressure.
  • high pressure may be divided into two sections.
  • the pressure section from several tens of ATMs to 2 ATM may be referred to as a first section, and the remaining pressure section during high pressure may be referred to as a second section.
  • the reference pressure dividing the first section and the second section is presented as 2 ATM, but is not limited thereto.
  • 3 ATM or 1.5 ATM may be the reference pressure.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the control configuration of the high-pressure substrate processing apparatus 100 of FIG. 1.
  • the high-pressure substrate processing apparatus 100 may include a detection module 170, a control module 180, and a storage module 190, in addition to the temperature control unit 125 described above.
  • the sensing module 170 is configured to sense the environment of the chamber 110, specifically the internal space 115.
  • the sensing module 170 may include a pressure gauge 171 and a temperature gauge 175. If the pressure gauge 171 senses the pressure of the internal space 115, the temperature gauge 175 senses the temperature of the substrate (W).
  • the control module 180 controls the temperature control unit 125, the fluid supply module 130, etc.
  • the control module 180 may control the temperature control unit 125, etc. based on the detection result of the detection module 170.
  • the storage module 190 is a component that stores data, programs, etc. that the control module 180 can refer to for control.
  • the storage module 190 may include at least one type of storage medium among flash memory, hard disk, magnetic disk, and optical disk.
  • control module 180 controls the temperature control unit 125, etc. to perform the high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • control module 180 operates the fluid supply module 130, the first exhaust module 150, and the second exhaust module 160 based on the pressure of the internal space 115 obtained through the pressure gauge 171. ) controls the operation of. Accordingly, the pressure of the internal space 115 may be adjusted to a set high pressure or low pressure.
  • the control module 180 also controls the operation of the temperature control unit 125 based on the temperature of the substrate W obtained through the temperature gauge 175. Depending on the operation of the temperature control unit 125, the substrate W may be heated to the process temperature or cooled to the waiting temperature.
  • Figure 5 is a flowchart showing a high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate according to another embodiment of the present invention.
  • the control module 180 preferentially loads the substrate to be processed (W) into the internal space 115 (S1).
  • the internal space 115 may be in a low pressure state.
  • the substrate W may be loaded into the internal space 115 through a load lock chamber (not shown).
  • the control module 180 controls the fluid supply module 130 to supply fluid at high pressure to the internal space 115 (S3).
  • the fluid includes a deposition gas.
  • the deposition gas may include a silicon-based source gas and an oxygen- or nitrogen-based reaction gas.
  • the source gas may include silisilane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), or dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ).
  • the reaction gas may include ammonia (NH 3 ), oxygen (O 2 ), nitrous oxide (N 2 O), or ozone (O 3 ).
  • the fluid may also include atmospheric gas.
  • the atmospheric gas increases the pressure of the internal space 115 to reach a set high pressure pressure condition.
  • the atmospheric gas may be, for example, nitrogen (N 2 ), but is not limited thereto.
  • Deposition on the substrate to be processed (W) proceeds at high pressure (S5).
  • the deposition gas may be supplied to the internal space 115 when the internal space 115 reaches a set high pressure due to the atmospheric gas.
  • the deposition gas flows toward the substrate W and reacts with the surface of the substrate W, thereby being deposited on the substrate W.
  • the deposition gas is not necessarily supplied after the atmospheric gas is supplied to the internal space 115, and may be supplied to the internal space 115 together with the atmospheric gas.
  • the pressure in the internal space 115 is converted to low pressure (S7).
  • Pressure conversion to low pressure is achieved through operation of the first exhaust module 150 and the second exhaust module 160.
  • the internal space 115 is exhausted to a low pressure state, by-products generated during the deposition process can be completely discharged from the internal space 115. This makes it possible to prevent contamination of the next deposited substrate.
  • the substrate W is unloaded from the internal space 115 (S9). Unloading of the substrate W may be performed through a load lock chamber (not shown) communicating with the internal space 115.
  • FIG. 6 is a flowchart specifically showing some steps (S3 and S5) of FIG. 5.
  • control module 180 first closes the first on-off valve 153 and the second on-off valve 163 (S11).
  • control module 180 controls the fluid supply module 130 to supply the fluid to the internal space 115 (S13).
  • the atmospheric gas may be preferentially supplied to the fluid, thereby increasing the pressure of the internal space 115.
  • the control module 180 determines the pressure of the internal space 115 through the pressure gauge 171. If the pressure of the internal space 115 reaches the set high pressure (S15), the fluid supply module 130 can supply the deposition gas.
  • the control module 180 opens the first opening/closing valve 153 (S17).
  • the second opening/closing valve 163 is still closed.
  • the deposition gas flows toward the first exhaust line 151 through the substrate W.
  • the control module 180 adjusts the opening degree of the first pressure control valve 155 (S19).
  • the control module 180 determines the opening degree of the first pressure control valve 155 based on the pressure detected by the pressure gauge 171. As the opening degree of the first pressure control valve 155 is adjusted, the pressure of the internal space 115 is finely adjusted. Accordingly, the flow rate of the deposition gas flowing toward the substrate W is also adjusted.
  • FIG. 7 is a flowchart specifically showing another partial step (S7) of FIG. 5.
  • the control module 180 basically uses the first exhaust module 150.
  • the first opening/closing valve 153 maintains its previously opened state.
  • the opening degree of the first pressure control valve 155 may be further adjusted (S21). The opening degree may need to be different when exhausting the fluid compared to when allowing the deposition gas to flow toward the substrate W.
  • the pressure of the internal space 115 can be lowered from tens of ATMs to atmospheric pressure.
  • the second exhaust module 160 can be selectively used at a specific high pressure, for example, about 2 ATM (S23). Alternatively, it is also possible to lower the pressure to normal pressure using only the first exhaust module 150 (S25).
  • the first exhaust module 150 may no longer be used. To this end, the first on/off valve 153 must be closed and the second on/off valve 163 must be open (S27).
  • the opening degree of the second pressure control valve 165 may be adjusted to match the pressure of the internal space 115 (S29).
  • the vacuum pump 167 also operates (S31).
  • the second exhaust module 160 specifically the vacuum pump 167, operates from a specific high pressure, rapid exhaust is possible in the pressure range from the specific pressure to normal pressure. This time reduction is especially useful in single wafer processing devices.
  • the control module 180 ends the low pressure conversion operation (S7, see FIG. 5).
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a semiconductor device O having a deposited film D 2 formed according to the high-pressure chemical vapor deposition method for a substrate of FIG. 5 .
  • the semiconductor device O has a trench T formed after the first deposition film D 1 is formed on the substrate S.
  • the first deposited film (D 1 ) may be an oxide film or a nitride film.
  • a second deposition film (D 2 ) is formed on the semiconductor device (O) according to the high-pressure chemical vapor deposition method described above.
  • the second deposited film (D 2 ) may also be an oxide film or a nitride film, and may be a different type of film from the first deposited film (D 1 ).
  • FIG. 9 is a graph showing the results of an experiment on the step coverage of the deposited film (D 2 ) of the semiconductor device (O) of FIG. 8.
  • the film quality of the second deposition film (D 2 ) of the semiconductor device (O) is affected by the set high pressure.
  • the pressure of the internal space 115 was set within a range from 0.13 ATM to 40 ATM.
  • the film quality of the second deposited film D2 was evaluated from the viewpoint of step coverage.
  • step coverage is at the level of 83%.
  • step coverage reaches 85% and 88%.
  • step coverage reaches 98% to 99%.
  • pressure increases to 20 ATM, 30 ATM, and 40 ATM, the step coverage increases slightly.
  • the pressure at high pressure can be determined within the range of 10 ATM to 40 ATM. Furthermore, the high pressure pressure may be determined within the range of 10 ATM to 30 ATM. Limiting the maximum pressure to 30 ATM takes into account that step coverage reaches saturation at 30 ATM.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of an experiment on the deposition rate of the deposition film (D 2 ) of the semiconductor device (O) of FIG. 8.
  • the formation efficiency of the deposition film D 2 is higher by vapor deposition at 10 ATM compared to the case of vapor deposition at 0.13 ATM.
  • the temperature of the substrate (S) was adjusted within the range of 400°C to 1,000°C, but it can be confirmed that the deposition efficiency of the high-pressure deposited film (D 2 ) is high at any temperature.
  • the high-pressure process at a relatively low temperature shows superior deposition performance compared to the low-pressure process.
  • the temperature of the substrate S is outside the range of 500°C to 1,000°C, the gas decomposition power and reaction rate of the silicon source and the reaction material may be relatively significantly increased. This may impair the film quality uniformity of the deposited film (D 2 ) and cause loss of film quality control, resulting in poor deposition quality despite high pressure conditions. For that reason, the temperature of the substrate S is preferably determined within the range of 500°C to 1,000°C. Furthermore, when the temperature of the substrate S approaches 1,000°C, the possibility of an abnormal reaction occurring increases. For this reason, high pressure deposition can be determined in the temperature range of 500°C to 900°C.
  • the present invention has industrial applicability in the fields of manufacturing high-pressure substrate processing equipment and high-pressure chemical vapor deposition on substrates.

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Abstract

본 발명은, 피처리 기판을 수용하는 내부 공간을 구비하는 챔버; 상기 내부 공간에 연통되고, 상기 피처리 기판에 대해 유체를 공급하도록 구성되는 유체공급 모듈; 및 상기 내부 공간에 연통되고, 상기 유체를 서로 다른 경로로 배기하도록 구성되는 제1 배기 모듈 및 제2 배기 모듈을 포함하고, 상기 내부 공간의 압력에 대한 상기 제1 배기 모듈의 조절량은 상기 제2 배기 모듈의 조절량 보다 작고, 상기 제1 배기 모듈은 상기 내부 공간이 상압 보다 높은 고압인 경우에만 작동하는, 고압 기판 처리 장치 및 그를 이용한 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법을 제공한다.

Description

고압 기판 처리 장치 및 그를 이용한 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법
본 발명은 반도체 제조를 위한 고압 기판 처리 장치 및 그를 이용한 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 제작 공정은 크게 전공정과 후공정으로 나뉜다. 전공정에는 산화, 증착, 노광, 식각, 이온주입, 배선 등의 공정이 포함된다.
증착 공정은 웨이퍼의 표면에 원하는 물질로 매우 얇은 층을 쌓는 공정이다. 증착의 구체적 방식은, 화학적 기상 증착법(CVD), 물리적 기상 증착법(PVD), 그리고 원자층 증착법(ALD) 등이 있다. 화학적 기상 증착법은 화학 반응을 통해서 박막을 형성하고, 물리적 기상 증착법은 물리적인 방식을 이용하여 박막을 형성한다. 원자층 증착법은 원자층을 적층하는 방식을 이용해 매우 얇은 막을 형성한다.
화학적 기상 증착법 또는 원자층 증착법은 저압에서 성막시, 열 예산(thermal budget)이 높아 사용 범위가 극히 제한적이다. 복잡하고 종횡비가 큰 회로 패턴에서는 단차 피복성(Step Coverage)이 불량해진다. 불량한 단차 피복성은 반도체 소자의 생산성을 떨어트리는 요인이 된다.
본 발명의 일 목적은, 증착된 막의 품질을 향상시켜 반도체 소자의 생산성을 높일 수 있게 하는, 고압 기판 처리 장치 및 그를 이용한 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 고압 기판 처리 장치는, 피처리 기판을 수용하는 내부 공간을 구비하는 챔버; 상기 내부 공간에 연통되고, 상기 피처리 기판에 대해 유체를 공급하도록 구성되는 유체공급 모듈; 및 상기 내부 공간에 연통되고, 상기 유체를 서로 다른 경로로 배기하도록 구성되는 제1 배기 모듈 및 제2 배기 모듈을 포함하고, 상기 내부 공간의 압력에 대한 상기 제1 배기 모듈의 조절량은 상기 제2 배기 모듈의 조절량 보다 작고, 상기 제1 배기 모듈은 상기 내부 공간이 상압 보다 높은 고압인 경우에만 작동할 수 있다.
여기서, 상기 제2 배기 모듈은, 상기 내부 공간이 상압 보다 낮은 저압인 경우에는 단독으로 작동되고, 상기 고압에서 상기 저압으로의 전환 과정에서는 상기 고압인 경우에 선택적으로 작동할 수 있다.
여기서, 상기 제1 배기 모듈은, 제1 배기 라인을 포함하고, 상기 제2 배기 모듈은, 상기 제1 배기 라인 보다 큰 유동 단면적을 가지는 제2 배기 라인을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 배기 라인의 직경은, 상기 제1 배기 라인의 직경에 대비하여 5 배 내지 10 배일 수 있다.
여기서, 상기 제1 배기 모듈은, 상기 제1 배기 라인에 설치되는 제1 압력 조절 밸브를 더 포함하고, 상기 제2 배기 모듈은, 상기 제2 배기 라인에 설치되며 상기 제1 압력 조절 밸브 보다 큰 압력 조절폭을 갖는 제2 압력 조절 밸브를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 압력 조절 밸브는, 니들 밸브를 포함하고, 상기 제2 압력 조절 밸브는, 스로틀 밸브를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 배기 모듈은, 상기 제2 배기 라인에 설치되는 진공 펌프를 더 포함하고, 상기 진공 펌프는, 상기 저압인 경우에 작동하고 상기 고압인 경우에는 선택적으로 작동될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법은, 챔버의 내부 공간에 피처리 기판을 로딩하는 단계; 상기 내부 공간에 증착 가스를 포함하는 유체를 공급하여, 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 높은 고압이 되게 하는 단계; 및 서로 다른 배기 경로를 형성하는 제1 배기 모듈 및 제2 배기 모듈 중 상기 내부 공간의 압력에 대한 조절량이 상대적으로 큰 상기 제2 배기 모듈은 폐쇄한 채로 상기 조절량이 상대적으로 작은 상기 제1 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하며 상기 고압의 압력을 미세 조정하여, 상기 증착 가스가 상기 피처리 기판을 향해 유동하여 상기 피처리 기판에 증착되게 하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고압은, 상기 피처리 기판에 증착된 증착막의 막질 향상을 위하여, 10 ATM 내지 40 ATM 범위 내에서 결정된 압력일 수 있다.
여기서, 상기 피처리 기판의 온도를 500 ℃ 내지 1,000 ℃ 범위 내에서 결정된 온도로 유지하는 단계가 더 포함될 수 있다.
여기서, 상기 증착 가스는, 실란(SiH4), 다이실란(Si2H6) 또는 디클로로실란(SiH2Cl2) 중 적어도 어느 하나의 소스 가스; 및 암모니아(NH3), 산소(O2), 아산화질소(N2O) 또는 오존(O3) 중 적어도 어느 하나의 반응 가스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 피처리 기판에 대한 증착 완료 후에, 상기 제1 배기 모듈 및 상기 제2 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하여 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 낮은 저압에 이르게 하는 단계가 더 포함될 수 있다.
여기서, 상기 피처리 기판에 대한 증착 완료 후에, 상기 제1 배기 모듈 및 상기 제2 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하여 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 낮은 저압에 이르게 하는 단계는, 상기 고압에서는 상기 제1 배기 모듈을 작동시키고, 상기 저압에서는 상기 제1 배기 모듈의 작동을 정지시키고 상기 제2 배기 모듈을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 피처리 기판에 대한 증착 완료 후에, 상기 제1 배기 모듈 및 상기 제2 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하여 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 낮은 저압에 이르게 하는 단계는, 상기 고압 중 제1 구간에서는 상기 제1 배기 모듈을 작동시키고, 상기 고압 중 제2 구간 및 상기 저압에서는 상기 제1 배기 모듈의 작동을 정지시키고 상기 제2 배기 모듈을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 구간에서 상기 제2 배기 모듈을 작동시키는 경우에, 상기 제2 배기 모듈의 진공 펌프가 작동할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고압 기판 처리 장치 및 그를 이용한 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법에 의하면, 피처리 기판을 수용하는 챔버의 내부 공간에 대해 유체공급 모듈에 의해 공급되는 유체는 제1 배기 모듈 및 제2 배기 모듈에 의해 내부 공간으로부터 배기되는데, 내부 공간의 압력에 대한 제1 배기 모듈의 조절량은 제2 배기 모듈의 조절량 보다 작고, 제1 배기 모듈은 내부 공간이 상압 보다 높은 고압인 경우에만 작동하게 됨에 의해, 기판에 대한 증착은 고압에서도 안정적으로 이루어질 수 있게 된다. 고압 증착은 증착막에 향상된 단차 피복성을 부여하는 등의 이점을 제공하여, 반도체 소자의 생산성이 높아지게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 기판 처리 장치(100)의 구조를 보인 단면도이다.
도 2는 도 1의 고압 기판 처리 장치(100)가 고압 증착을 수행하는 모습을 보인 단면도이다.
도 3은 도 1의 고압 기판 처리 장치(100)가 증착 후에 내부 공간(115)을 배기하는 모습을 보인 단면도이다.
도 4는 도 1의 고압 기판 처리 장치(100)의 제어적 구성을 보인 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법을 보인 순서도이다.
도 6은 도 5의 일부 단계(S3 및 S5)를 구체적으로 보인 순서도이다.
도 7은 도 5의 다른 일부 단계(S7)를 구체적으로 보인 순서도이다.
도 8은 도 5의 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법에 따라 형성된 증착막(D2)을 가진 반도체 소자(O)를 보인 단면도이다.
도 9는 도 8의 반도체 소자(O)의 증착막(D2)의 단차 피복성에 대한 실험 결과를 보인 그래프이다.
도 10은 도 8의 반도체 소자(O)의 증착막(D2)의 증착률에 대한 실험 결과를 보인 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 기판 처리 장치(100)의 구조를 보인 단면도이다. 이하에서, 고압 기판 처리 장치(100)로는 매엽식(single wafer type) 처리 장치가 예시되나, 본 발명은 그에 제한되지 않고 배치식(batch type) 처리 장치에도 적용될 수 있다.
본 도면을 참조하면, 고압 기판 처리 장치(100)는, 챔버(110), 유체공급 모듈(130), 제1 배기 모듈(150), 그리고 제2 배기 모듈(160)을 포함할 수 있다.
챔버(110)는 내부 공간(115)을 갖는 중공형 구조물이다. 내부 공간(115)에는 기판(W)이 수용된다. 기판(W)은 대체로 웨이퍼(wafer)이나, 그에 제한되는 것은 아니다. 기판(W)은 내부 공간(115)에서, 구체적으로 지지 모듈(120)에 안착될 수 있다. 지지 모듈(120)은 내부 공간(115)의 바닥 보다 높은 위치에서 기판(W)을 지지하도록 형성될 수 있다. 지지 모듈(120)은 온도 유닛(125)을 가져서, 기판(W)의 온도를 조절할 수 있다. 온도 유닛(125)은 기판(W)의 하측에 위치할 수 있다. 온도 유닛(125)은 기판(W)의 온도를 높이기 위한 히터(heater), 또는 기판(W)의 온도를 낮추기 위한 쿨러(cooler)를 포함할 수 있다.
유체공급 모듈(130)은 내부 공간(115)에 연통되어 내부 공간(115)에 대해 유체를 공급하기 위한 구성이다. 상기 유체는, 주로 가스를 말하는 것이나, 그에 제한되지는 않는다. 유체공급 모듈(130)은, 구체적으로, 공급관(131), 분배기(133), 그리고 조절기(135)를 포함할 수 있다. 공급관(131)은 유체 탱크(미도시)에 연통되어 그로부터 유체를 공급받는다. 분배기(133)는 공급관(131)에 연통되고, 내부 공간(115)의 상측에 위치하게 된다. 분배기(133)는 공급관(131)으로부터 입력받은 유체를 기판(W)에 대응하는 영역에 고르게 분사하는 것이다. 조절기(135)는 공급관(131)으로부터 입력되는 유체의 압력을 조절하여, 분배기(133)에 제공하는 것이다. 일 실시예에서 조절기(135)의 노즐은 분배기(133)의 노즐 보다 더 많이 형성될 수 있다. 이와 달리, 조절기(135)의 노즐의 직경을 분배기(133)의 노즐의 직경과 다르게 하는 것도 가능하다.
제1 배기 모듈(150)과 제2 배기 모듈(160)은 내부 공간(115)에 연통되고, 내부 공간(115)의 유체를 배기하도록 구성된다. 이들은 유체공급 모듈(130)에 대향되는 챔버(110)의 바닥을 통해 내부 공간(115)에 연통된다. 이들은 또한 서로 다른 특징을 갖는 배기 경로(P1, P2, 도 3 참조)를 형성한다.
구체적으로, 제1 배기 모듈(150)의 제1 배기 라인(151)과 제2 배기 모듈(160)의 제2 배기 라인(161)은 서로 다른 유동 단면적을 가진다. 제2 배기 라인(161)은 제1 배기 라인(151) 보다 큰 유동 단면적을 가진다. 예를 들어, 제2 배기 라인(161)의 유동 단면적은 제1 배기 라인(151)의 유동 단면적의 5 배 내지 10 배에 이를 수 있다.
제1 배기 라인(151)과 제2 배기 라인(161) 각각에는 제1 개폐 밸브(153)와 제2 개폐 밸브(163)가 각각 설치된다. 이들은 개방(open) 또는 폐쇄(closed)되면서, 제1 배기 라인(151) 또는 제2 배기 라인(161)을 통한 유체의 배기를 허용 또는 차단하는 것이다.
제1 배기 라인(151)과 제2 배기 라인(161) 각각에는 또한 제1 압력 조절 밸브(155) 또는 제2 압력 조절 밸브(165)가 설치된다. 제1 압력 조절 밸브(155)와 제2 압력 조절 밸브(165)는 서로 다른 압력 조절폭을 가진다. 구체적으로, 제1 압력 조절 밸브(155)의 압력 조절폭은 제2 압력 조절 밸브(165)의 압력 조절폭 보다 작다. 이를 위해, 제1 압력 조절 밸브(155)로는 니들 밸브(niddle valve)가 채택되고, 제2 압력 조절 밸브(165)로는 스로틀 밸브(throttle valve)가 채택될 수 있다. 상기 니들 밸브는 유동 단면적이 작은 제1 배기 라인(151)에서 고압의 유체의 압력을 미세 조정할 수 있다. 여기서, 고압은 상압(대기압) 보다 높은 압력으로서, 수 ATM 내지 수십 ATM에 이르는 압력이나, 이에 제한되지는 않는다.
제2 배기 라인(161)에는 또한 진공 펌프(167)가 설치될 수 있다. 진공 펌프(167)는 내부 공간(115)의 압력을 저압으로 만들기 위해 작동한다. 여기서, 저압은 상압 보다 낮은 압력으로서, 예를 들어 1 mTorr 수준에까지 이르는 압력일 수 있다. 진공 펌프(167)는 제2 배기 라인(161)을 따라 배기되는 유체의 배기 속도를 높이기 위해, 상압의 일부 구간에서도 운용될 수 있다.
도 2는 도 1의 고압 기판 처리 장치(100)가 고압 증착을 수행하는 모습을 보인 단면도이다.
본 도면을 추가로 참조하면, 기판(W)에 대한 고압 증착을 수행하기 위하여, 유체공급 모듈(130)은 내부 공간(115)에 대해 유체를 분사하게 된다. 유체는 기판(W)을 향해 유동하여, 고압 조건에서 기판(W)에 증착되어야 한다. 유체의 유동을 만들기 위하여, 내부 공간(115)의 유체는 지속적으로 외부로 배기되어야 한다.
이를 위해서는, 제2 배기 모듈(160)은 작동하지 않는 상태에서, 제1 배기 모듈(150)이 작동하게 된다. 다시 말해, 제2 개폐 밸브(163)는 닫힌 상태이고, 제1 개폐 밸브(153)는 열린 상태가 되어야 한다.
제1 개폐 밸브(153)가 열린 상태에서, 제1 압력 조절 밸브(155)는 내부 공간(115)이 설정된 고압, 예를 들어 수 ATM 내지 수십 ATM 범위 내에서 설정된 압력을 유지하도록 작동한다. 제1 압력 조절 밸브(155)는 밸브의 개도를 높이거나 낮추면서, 내부 공간(115)의 압력을 미세하게 조정한다. 고압에서 미세한 압력 조정은 제2 압력 조절 밸브(165)로는 어려운 일이다.
도 3은 도 1의 고압 기판 처리 장치(100)가 증착 후에 내부 공간(115)을 배기하는 모습을 보인 단면도이다.
본 도면을 참조하며, 고압 증착이 끝난 후에 내부 공간(115)의 유체는 전체적으로 배기될 필요가 있다. 전체적인 배기는 증착된 기판(W)을 언로딩하고 새로운 기판을 로딩하기 위해 수행되어야 한다. 증착 공정에 따른 부산물들을 완전하게 배출해야만, 새로운 기판에 대한 증착에 문제가 없게 된다.
전체적인 배기를 위해서는, 제1 배기 모듈(150)과 제2 배기 모듈(160)이 함께 이용된다. 예를 들어, 제1 배기 모듈(150)이 먼저 작동한 후에 특정 압력에서 제2 배기 모듈(160)이 작동할 수 있다.
구체적으로, 제1 배기 모듈(150)은 고압에서는 작동하나, 저압에서는 작동하지 않는다. 제1 배기 모듈(150)은 상압에 가까운 특정 고압, 예를 들어 2 ATM 까지만 작동할 수도 있다. 제2 배기 모듈(160)은 저압에서 작동한다. 제2 배기 모듈(160)은 위의 특정 고압에서부터 작동하거나, 이와 달리 고압에서는 아예 작동하지 않을 수 있다. 상기 특정 고압에서부터 제2 배기 모듈(160)이 작동하는 경우에, 제1 배기 모듈(150)은 고압의 일부 구간임에도 작동하지 않을 수 있다. 이상에서 고압은 두 개의 구간으로 나뉘어 언급될 수도 있다. 예를 들어, 수십 ATM에서 2 ATM까지의 압력구간은 제1 구간이라 칭해지고, 고압 중의 나머지 압력 구간은 제2 구간이라 칭해질 수 있다. 상기 제1 구간과 상기 제2 구간을 나누는 기준 압력을 2 ATM으로 제시되나, 그에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 3 ATM 또는 1.5 ATM이 상기 기준 압력이 될 수도 있다.
도 4는 도 1의 고압 기판 처리 장치(100)의 제어적 구성을 보인 블록도이다.
본 도면을 참조하면, 고압 기판 처리 장치(100)는, 앞서 설명한 온도조절 유닛(125) 등에 더하여, 감지 모듈(170), 제어 모듈(180), 그리고 저장 모듈(190)을 포함할 수 있다.
감지 모듈(170)은 챔버(110), 구체적으로 내부 공간(115)의 환경을 감지하기 위한 구성이다. 감지 모듈(170)은 압력 게이지(171)와 온도 게이지(175)를 구비할 수 있다. 압력 게이지(171)가 내부 공간(115)의 압력을 감지하는 것이라면, 온도 게이지(175)는 기판(W)의 온도를 감지하는 것이다.
제어 모듈(180)은 온도조절 유닛(125), 유체공급 모듈(130) 등을 제어하는 구성이다. 제어 모듈(180)은 감지 모듈(170)의 감지 결과에 기초하여, 온도조절 유닛(125) 등을 제어할 수 있다.
저장 모듈(190)은 제어 모듈(180)이 제어를 위해 참조할 수 있는 데이터, 프로그램 등을 저장하는 구성이다. 저장 모듈(190)은 플래시 메모리(flash memory), 하드디스크(hard disk), 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 어느 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 제어 모듈(180)은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법을 수행하기 위하여, 온도조절 유닛(125) 등을 제어한다.
구체적으로, 제어 모듈(180)은 압력 게이지(171)를 통해 얻은 내부 공간(115)의 압력에 근거하여, 유체공급 모듈(130), 제1 배기 모듈(150), 그리고 제2 배기 모듈(160)의 작동을 제어한다. 그에 따라, 내부 공간(115)의 압력은 설정된 고압, 또는 저압으로 조정될 수 있다.
제어 모듈(180)은 또한 온도 게이지(175)를 통해 얻은 기판(W)의 온도에 근거하여, 온도조절 유닛(125)의 작동을 제어한다. 온도조절 유닛(125)의 작동에 따라, 기판(W)은 공정 온도에 이르도록 가열되거나, 대기(waiting) 온도에 이르도록 냉각될 수 있다.
제어 모듈(180)의 제어에 따른 고압 화학적 기상 증착 방법의 구체적 내용은 도 5 내지 도 10을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법을 보인 순서도이다.
본 도면(및 도 1 내지 도 4)을 참조하면, 제어 모듈(180)은 우선적으로 내부 공간(115)에 피처리 기판(W)이 로딩되게 한다(S1). 기판(W)의 로딩시에 내부 공간(115)은 저압 상태일 수 있다. 기판(W)은 로드락 챔버(미도시)를 거쳐서 내부 공간(115)에 로딩될 수 있다.
기판(W)이 로딩된 후에, 제어 모듈(180)은 유체공급 모듈(130)을 제어하여 내부 공간(115)에 유체를 고압으로 공급한다(S3). 상기 유체는 증착 가스를 포함한다. 상기 증착 가스는 실리콘 기반의 소스 가스와 산소 또는 질소 기반의 반응 가스를 포함할 수 있다. 상기 소스 가스는, 실리실란(SiH4), 다이실란(Si2H6) 또는 디클로로실란(SiH2Cl2)를 포함할 수 있다. 상기 반응 가스는 암모니아(NH3), 산소(O2), 아산화질소(N2O) 또는 오존(O3)을 포함할 수 있다. 상기 유체는 또한 분위기 가스를 포함할 수 있다. 상기 분위기 가스는 내부 공간(115)의 압력을 상승시켜 설정된 고압의 압력 조건에 이르게 한다. 상기 분위기 가스는, 예를 들어 질소(N2)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
고압에서 피처리 기판(W)에 대한 증착이 진행된다(S5). 이를 위해, 상기 분위기 가스에 의해 내부 공간(115)이 설정된 고압에 이른 상태에서, 상기 증착 가스가 내부 공간(115)에 공급될 수 있다. 상기 증착 가스는 기판(W)을 향해 유동하여 기판(W)의 표면과 반응함에 따라, 기판(W)에 증착된다. 상기 증착 가스는 반드시 상기 분위기 가스가 내부 공간(115)에 공급된 후에 공급되는 것은 아니고, 상기 분위기 가스와 함께 내부 공간(115)에 공급될 수도 있다.
기판(W)에 대한 증착이 이루어진 후에, 내부 공간(115)의 압력은 저압으로 전환된다(S7). 저압으로의 압력 전환은 제1 배기 모듈(150) 및 제2 배기 모듈(160)의 작동을 통해 달성된다. 내부 공간(115)이 저압 상태에 이르기까지 배기가 이루어짐에 따라, 증착 과정에서 발생한 부산물이 내부 공간(115)으로부터 온전히 배출될 수 있다. 이는 다음에 증착된 기판에 대한 오염을 방지할 수 있게 한다.
저압에서 기판(W)은 내부 공간(115)으로부터 언로딩된다(S9). 기판(W)의 언로딩은 내부 공간(115)에 연통되는 로드락 챔버(미도시)를 통해 이루어질 수 있다.
도 6은 도 5의 일부 단계(S3 및 S5)를 구체적으로 보인 순서도이다.
본 도면을 추가로 참조하면, 내부 공간(115)에 상기 유체를 공급하기 위하여, 제어 모듈(180)은 먼저 제1 개폐 밸브(153)와 제2 개폐 밸브(163)를 폐쇄한다(S11).
내부 공간(115)에 대한 배기가 차단된 상태에서, 제어 모듈(180)은 유체공급 모듈(130)을 제어하여 내부 공간(115)에 상기 유체를 공급한다(S13). 상기 유체로는 상기 분위기 가스가 우선적으로 공급되어, 내부 공간(115)의 압력이 상승될 수 있다.
제어 모듈(180)은 압력 게이지(171)를 통해 내부 공간(115)의 압력을 파악한다. 내부 공간(115)의 압력이 설정된 고압에 도달한 경우라면(S15), 유체공급 모듈(130)은 상기 증착 가스를 공급할 수 있다.
제어 모듈(180)은 제1 개폐 밸브(153)를 개방한다(S17). 제2 개폐 밸브(163)는 여전히 폐쇄된 상태이다. 제1 개폐 밸브(153)가 개방됨에 의해, 상기 증착 가스는 기판(W)을 거쳐서 제1 배기 라인(151)을 향해 유동하게 된다.
제어 모듈(180)은 제1 압력 조절 밸브(155)의 개도를 조정한다(S19). 제어 모듈(180)은 압력 게이지(171)에서 감지된 압력에 근거하여, 제1 압력 조절 밸브(155)의 개도를 결정한다. 제1 압력 조절 밸브(155)의 개도가 조정됨에 따라, 내부 공간(115)의 압력은 미세하게 조절된다. 그에 따라, 기판(W)을 향해 유동하는 상기 증착 가스의 유량도 조절된다.
도 7은 도 5의 다른 일부 단계(S7)를 구체적으로 보인 순서도이다.
본 도면을 추가로 참조하면, 고압에서의 배기를 위해서, 제어 모듈(180)은 기본적으로 제1 배기 모듈(150)을 이용한다. 제1 개폐 밸브(153)는 이전에 개방된 상태를 그대로 유지한다. 제1 압력 조절 밸브(155)의 개도는 추가 조정될 수 있다(S21). 상기 증착 가스가 기판(W)을 향해 유동하게 할 때에 대비하여, 상기 유체를 배기할 때는 상기 개도가 달라야 할 수 있다. 제1 배기 모듈(150)을 이용하여, 내부 공간(115)의 압력은 수십 ATM에서 상압까지 낮춰질 수 있다.
그런데, 고압의 특정 압력, 예를 들어 2 ATM 정도에서부터 제2 배기 모듈(160)이 선택적으로 이용될 수 있다(S23). 이와 달리, 상압까지 제1 배기 모듈(150)로만 압력을 낮추는 것도 가능하다(S25).
고압의 일부 구간에서 제2 배기 모듈(160)을 사용하기로 한 경우라면, 제1 배기 모듈(150)은 더 이상 사용되지 않을 수 있다. 이를 위해, 제1 개폐 밸브(153)는 폐쇄되고 제2 개폐 밸브(163)는 개방되어야 한다(S27).
제2 개폐 밸브(163)가 개방됨에 따라, 제2 압력 조절 밸브(165)의 개도는 내부 공간(115)의 압력에 맞춰 조정될 수 있다(S29). 진공 펌프(167) 역시 작동하게 된다(S31). 제2 배기 모듈(160), 구체적으로 진공 펌프(167)가 고압의 특정 압력에서부터 작동하게 됨에 따라, 상기 특정 압력에서부터 상압까지의 압력 구간에서 빠른 배기가 가능해진다. 이러한 시간 단축은 웨이퍼를 한 장씩 처리하는 매엽식 처리 장치에서 특히 유용하다.
내부 공간(115)의 압력이 설정된 저압, 예를 들어 1 mTorr에 도달한 경우라면(S33), 제어 모듈(180)은 저압으로의 전환 작업(S7, 도 5 참조)을 종료하게 된다.
이하에서는 도 8 내지 도 10을 참조하여, 이상의 고압 화학적 기상 증착 방법에 따라 증착된 박막의 특성에 대한 실험 결과를 살펴본다.
도 8은 도 5의 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법에 따라 형성된 증착막(D2)을 가진 반도체 소자(O)를 보인 단면도이다.
본 도면을 참조하면, 반도체 소자(O)는 기판(S)에 제1 증착막(D1)이 형성된 후에 트렌치(T)가 형성된 것이다. 제1 증착막(D1)은 산화막 또는 질화막일 수 있다.
반도체 소자(O)에는 앞서 설명한 고압 화학적 기상 증착 방법에 따라 제2 증착막(D2)이 형성된 것이다. 제2 증착막(D2) 역시 산화막 또는 질화막일 수 있으며, 제1 증착막(D1)과는 다른 종류의 막일 수 있다.
도 9는 도 8의 반도체 소자(O)의 증착막(D2)의 단차 피복성에 대한 실험 결과를 보인 그래프이다.
본 도면을 추가로 참조하면, 반도체 소자(O)의 제2 증착막(D2)의 막질은 설정된 고압의 압력에 영향을 받게 된다.
구체적으로, 내부 공간(115)의 압력은 0.13 ATM부터 40 ATM까지의 범위 내에서 설정되었다. 제2 증착막(D2)의 막질에 대한 평가는 단차 피복성의 관점에서 평가되었다.
내부 공간(115)의 압력이 O.13 ATM일 때, 단차 피복성은 83% 수준이다. 1 ATM, 5 ATM에서 단차 피복성은 85%, 88% 수준에 이른다. 이후 10ATM에서 단차 피복성은 98% ~ 99% 수준에 이른다. 압력이 20 ATM, 30 ATM, 및 40 ATM으로 높아질수록 단차 피복성은 미세하게 높아진다.
이러한 결과를 바탕으로, 피처리 기판(S)에 증착된 증착막의 막질 향상을 위하여, 고압에서의 압력은 10 ATM 내지 40 ATM 범위 내에서 결정될 수 있다. 나아가, 고압의 압력은 10 ATM 내지 30 ATM 범위 내에서 결정될 수도 있다. 최대 압력을 30 ATM으로 제한한 것은, 단차 피복성이 30 ATM에서 포화(saturation)에 이르는 점을 감안한 것이다.
도 10은 도 8의 반도체 소자(O)의 증착막(D2)의 증착률에 대한 실험 결과를 보인 그래프이다.
본 도면을 추가로 참조하면, 0.13 ATM에서 기상 증착하는 경우 대비 10 ATM에서 기상 증착함으로써, 증착막(D2) 형성 효율이 높은 것을 확인할 수 있다. 기판(S)의 온도는 400 ℃부터 1,000 ℃ 범위 내에서 조절되었으나, 어느 온도에서건 고압 증착한 증착막(D2)의 증착 효율이 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 상대적으로 저온에서의 고압 공정이 저압 공정 대비 우수한 증착 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
기판(S)의 온도가 500 ℃ 내지 1,000 ℃ 범위를 벗어나면, 실리콘 소스와 반응 물질의 가스 분해능과 반응 속도가 상대적으로 현저히 높아질 수 있다. 이는 증착막(D2)의 막질 균일성이 저해되고, 막질 제어력을 잃어 고압 조건임에도 불구하고 증착 품질이 저조해지게 할 수 있다. 그런 이유로, 기판(S)의 온도는 500 ℃ 내지 1,000 ℃ 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하다. 나아가, 기판(S)의 온도가 1,000 ℃에 가까워지면 이상 반응(abnormal reaction)이 일어날 가능성이 높아진다. 이런 이유로, 고압 증착은 500 ℃ 내지 900 ℃의 온도 범위에서 결정될 수 있다.
본 발명은 고압 기판 처리 장치에 대한 제조 및 기판에 대한 고압 화학적 기상 증착 분야에 산업상 이용 가능성이 있다.

Claims (15)

  1. 피처리 기판을 수용하는 내부 공간을 구비하는 챔버;
    상기 내부 공간에 연통되고, 상기 피처리 기판에 대해 유체를 공급하도록 구성되는 유체공급 모듈; 및
    상기 내부 공간에 연통되고, 상기 유체를 서로 다른 경로로 배기하도록 구성되는 제1 배기 모듈 및 제2 배기 모듈을 포함하고,
    상기 내부 공간의 압력에 대한 상기 제1 배기 모듈의 조절량은 상기 제2 배기 모듈의 조절량 보다 작고, 상기 제1 배기 모듈은 상기 내부 공간이 상압 보다 높은 고압인 경우에만 작동되는, 고압 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배기 모듈은,
    상기 내부 공간이 상압 보다 낮은 저압인 경우에는 단독으로 작동되고, 상기 고압에서 상기 저압으로의 전환 과정에서는 상기 고압인 경우에 선택적으로 작동되는, 고압 기판 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배기 모듈은,
    제1 배기 라인을 포함하고,
    상기 제2 배기 모듈은,
    상기 제1 배기 라인 보다 큰 유동 단면적을 가지는 제2 배기 라인을 포함하는, 고압 기판 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 배기 라인의 직경은,
    상기 제1 배기 라인의 직경에 대비하여 5 배 내지 10 배인, 고압 기판 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 배기 모듈은,
    상기 제1 배기 라인에 설치되는 제1 압력 조절 밸브를 더 포함하고,
    상기 제2 배기 모듈은,
    상기 제2 배기 라인에 설치되며 상기 제1 압력 조절 밸브 보다 큰 압력 조절폭을 갖는 제2 압력 조절 밸브를 포함하는, 고압 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 압력 조절 밸브는, 니들 밸브를 포함하고,
    상기 제2 압력 조절 밸브는, 스로틀 밸브를 포함하는, 고압 기판 처리 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 배기 모듈은,
    상기 제2 배기 라인에 설치되는 진공 펌프를 더 포함하고,
    상기 진공 펌프는,
    상기 저압인 경우에 작동하고 상기 고압인 경우에는 선택적으로 작동되는, 고압 기판 처리 장치.
  8. 챔버의 내부 공간에 피처리 기판을 로딩하는 단계;
    상기 내부 공간에 증착 가스를 포함하는 유체를 공급하여, 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 높은 고압이 되게 하는 단계; 및
    서로 다른 배기 경로를 형성하는 제1 배기 모듈 및 제2 배기 모듈 중 상기 내부 공간의 압력에 대한 조절량이 상대적으로 큰 상기 제2 배기 모듈은 폐쇄한 채로 상기 조절량이 상대적으로 작은 상기 제1 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하며 상기 고압의 압력을 미세 조정하여, 상기 증착 가스가 상기 피처리 기판을 향해 유동하여 상기 피처리 기판에 증착되게 하는 단계를 포함하는, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고압은,
    상기 피처리 기판에 증착된 증착막의 막질 향상을 위하여, 10 ATM 내지 40 ATM 범위 내에서 결정된 압력인, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 피처리 기판의 온도를 500 ℃ 내지 1,000 ℃ 범위 내에서 결정된 온도로 유지하는 단계를 더 포함하는, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 증착 가스는,
    실란(SiH4), 다이실란(Si2H6) 또는 디클로로실란(SiH2Cl2) 중 적어도 어느 하나의 소스 가스; 및
    암모니아(NH3), 산소(O2), 아산화질소(N2O) 또는 오존(O3) 중 적어도 어느 하나의 반응 가스를 포함하는, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 피처리 기판에 대한 증착 완료 후에, 상기 제1 배기 모듈 및 상기 제2 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하여 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 낮은 저압에 이르게 하는 단계를 더 포함하는, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 피처리 기판에 대한 증착 완료 후에, 상기 제1 배기 모듈 및 상기 제2 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하여 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 낮은 저압에 이르게 하는 단계는,
    상기 고압에서는 상기 제1 배기 모듈을 작동시키고, 상기 저압에서는 상기 제1 배기 모듈의 작동을 정지시키고 상기 제2 배기 모듈을 작동시키는 단계를 포함하는, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 피처리 기판에 대한 증착 완료 후에, 상기 제1 배기 모듈 및 상기 제2 배기 모듈을 통해 상기 유체를 배기하여 상기 내부 공간의 압력이 상압 보다 낮은 저압에 이르게 하는 단계는,
    상기 고압 중 제1 구간에서는 상기 제1 배기 모듈을 작동시키고, 상기 고압 중 제2 구간 및 상기 저압에서는 상기 제1 배기 모듈의 작동을 정지시키고 상기 제2 배기 모듈을 작동시키는 단계를 포함하는, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 구간에서 상기 제2 배기 모듈을 작동시키는 경우에, 상기 제2 배기 모듈의 진공 펌프가 작동하는, 기판용 고압 화학적 기상 증착 방법.
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