KR100745130B1

KR100745130B1 - 박막 증착 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100745130B1
Application number: KR1020060012714A
Authority: KR
Inventors: 황우연
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: US7781032B2; US20070184210A1

Abstract

본 발명은 박막 증착 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 장치는, 박막 증착 공정이 진행되는 수직형 튜브를 갖고, 상기 수직형 튜브 내에 배치되어 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부를 갖고, 상기 수직형 튜브에 열을 가하는 히터를 갖고, 상기 수직형 튜브에서 회전 가능하게 배치되며 다수매의 웨이퍼를 탑재하는 보우트를 가진다. 본 발명의 장치를 이용하여 박막을 증착하게 되면, 플라즈마를 이용하여 박막을 빠른 증착속도로 증착하고, 램핑 다운 증착법으로써 두께가 얇게 증착된 곳을 보강하여 전체적으로 평탄한 박막을 형성할 수 있게 된다.

RTN(Rapid Thermal Nitridation), RDD(Ramping Down Deposition), PV 공정

Description

박막 증착 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DEPOSITIONING THIN FILM}

도 1은 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치를 도시한 단면도이다.

도 2는 종래 기술에 있어서 웨이퍼 내의 항복전압 산포를 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법을 설명하는 것으로, (A)는 플라즈마의 흐름을 보여주는 평면도이고, (B)는 플라즈마 농도차에 따른 박막의 두께 차이를 보여주는 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법을 설명하는 것으로, (A)는 웨이퍼의 온도차를 나타낸 평면도이고, (B)은 온도차에 따른 박막의 두께 차이를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법을 설명하는 것으로, <Ⅰ>은 도 4의 증착단계를 나타내고, <Ⅱ>는 도 5의 증착단계를 나타내고, <Ⅲ>은 도 4 및 도 5의 증착단계의 결과를 나타내는 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100; 박막 증착 장치(배치식 플라즈마 증착 장치)

110; 수직형 튜브 112; 외측 챔버

114; 내측 챔버 116; 로드록 챔버

118; 플랜지 120; 슬롯 밸브

122; 보우트 123,125; 연결부

124,126; 구동부 128; 게이트 밸브

130; 히터 140; 배기관

142; 펌프 150; 가스공급관

152,154; 가스공급부 152a,154a; 밸브

152b,154b; 유량계 160; 플라즈마 발생부

162; 인젝션 홀 164; 인젝터

170; 전원 180,182; 전극봉

200,210,220; 박막(질화막)

본 발명은 박막 증착 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 플라즈마와 램핑 다운 증착법을 이용하여 평탄한 박막을 형성시킬 수 있는 박막 증착 장치 및 방법에 관한 것이다.

웨이퍼에 필요한 박막을 증착시키기 위해선 주로 화학기상증착(CVD)이 이용된다. 화학기상증착을 이용하여 웨이퍼에 박막을 형성하는 장치는 일 매의 웨이퍼 를 처리하는 매엽식 장치와 다수의 웨이퍼를 한꺼번에 처리하는 배치식 장치로 구분될 수 있다. 종래 배치식 박막 증착 장치로서, 도 1에 나타내듯이, 널리 알려진 수직 튜브형 반응로를 갖는 화학기상증착 장치(10)를 이용할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 화학기상증착 장치(10)의 반응로(12)는 외부튜브(12b)와 내부튜브(12a)로 이루어져 있고, 다수의 웨이퍼(W)를 탑재하는 보우트(18)는 반응로(12) 내부에 자리한다. 반응로(12) 외측에는 히터(20)가 마련된다. 화학기상증착에 필요한 가스(점선화살표)는 노즐(14)로부터 공급되고, 분사된 반응가스는 배기부(16)를 통해 배기된다.

노즐(14)에서 공급되는 가스는 노즐(14)로부터 멀어질수록 그 농도가 희박하게 되어 웨이퍼(W)간에 박막 두께의 불균형을 야기한다. 게다가, 가스 흐름이 웨이퍼(W)의 에지에서 형성되기 때문에 웨이퍼(W) 에지와 센터간의 가스 농도의 불균일을 야기한다. 더 나아가, 증착 균일성을 확보되지 않아 증착된 박막의 치밀성이 웨이퍼(W) 상에서의 증착위치에 따라 다르게 나타난다.

특히, 이러한 장치(10)를 이용하여 웨이퍼(W)에 질화막과 같은 절연막을 증착하는 경우, 가스 농도의 불균일로 인해 절연막의 치밀성이나 절연막의 두께가 웨이퍼(W)의 에지와 센터간에 다르게 될 수 있다. 일례로, 절연막이 웨이퍼(W)의 에지에는 두껍게 증착되고 센터에는 얇게 형성되는 경우, 도 2에 나타내듯이 절연막 두께 차이에 따라 항복전압(단위는 V)이 웨이퍼(W) 위치에 따라 불균일하게 산포되는 경우가 발생한다. 즉, 웨이퍼(W)의 센터에 비해 에지에서의 항복전압(BV)이 더 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 증착의 불균일성으로 인해 박막이 두께가 불균일하도록 증착되면 반도체 소자의 전기적 특성의 신뢰성 하락이나 수율의 하락을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 증착의 균일성을 가지고 박막의 두께를 웨이퍼 수준에서 평탄하게 증착시킬 수 있는 박막 증착 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법은 플라즈마를 이용하여 다수의 웨이퍼에 박막을 증착하고, 램핑 다운 증착법으로써 박막 두께가 얇게 형성된 지점을 보강하여 평탄한 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치는, 박막 증착 공정이 진행되는 수직형 튜브와; 상기 수직형 튜브 내에 배치되어 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부와; 상기 수직형 튜브에 열을 가하는 히터와; 상기 수직형 튜브에서 회전 가능하게 배치되며 다수매의 웨이퍼를 탑재하는 보우트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는, 수직하는 두 개의 전극봉과; 상기 플라즈마를 분사하는 다수의 인젝션 홀을 갖는 인젝터와; 상기 두 개의 전극봉 중 적어도 어느 하나의 전극봉에 파워를 인가하는 전원을 포함한다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 플라즈마 발생에 필요한 가스를 상기 플라즈마 발생부에 제공하는 가스공급부를 포함한다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 수직형 튜브는, 상기 박막 증착 공정이 실제로 진행되는 밀폐된 공간을 제공하며 상기 플라즈마 발생부가 배치되는 내측 챔버와; 상기 내측 챔버를 수용하며 상기 히터가 배치되는 외측 챔버를 포함한다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 수직형 튜브의 아래에 배치되고, 상기 수직형 튜브에서 박막 증착 공정 처리될 웨이퍼를 대기상태로 유지시키며 상기 수직형 튜브에서 박막 증착 공정 처리된 웨이퍼를 임시로 보관하는 밀폐된 공간을 제공하는 로드록 챔버를 포함한다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 보우트는 상기 로드록 챔버와 상기 수직형 튜브 사이에서 수직이동 가능하다. 상기 보우트의 수직이동에 필요한 구동력을 발생시키는 제1 구동부와; 상기 보우트의 회전에 필요한 구동력을 발생시키는 제2 구동부를 포함한다. 상기 제1 구동부는 상기 로드록 챔버의 하부에 조합되어 상기 보우트의 수직 이동시 작동되고, 상기 제2 구동부는 상기 수직형 튜브의 상부에 조합되어 상기 보우트의 회전시 작동된다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 변형 실시예에 따른 박막 증착 장치는, 박막 증착 공정이 진행되는 내측 챔버와, 상기 내측 챔버를 수용하는 외측 챔버를 구비한 수직형 튜브; 상기 수직형 튜브의 하부에 조합되고, 웨이퍼를 임시로 보관하거나 대기시키는 공간을 제공하는 로드록 챔버; 상기 내측 및 로드록 챔버 사이를 수직 이동 가능하게 그리고 상기 내측 챔버에서 회전 가능하게 설치되는, 상기 웨이퍼를 다수 탑재하는 보우트; 상기 내측 챔버의 내부에 배치되고, 가스와 파워를 제공받아 플라즈마를 발생시켜 상기 다수매의 웨이퍼로 제공하는, 제1 및 제2 수직 전극봉과 다수의 인젝션 홀을 구비하는 플라즈마 발생부; 상기 외측 챔버의 안쪽에 배치되어, 상기 내측 챔버로 열을 제공하는 히터; 상기 가스를 상기 두 개의 수직 전극봉 사이로 제공하는 가스공급부; 상기 파워를 상기 두 개의 수직 전극봉 중 어느 하나로 인가하는 전원; 및 상기 플라즈마를 흡입하여 상기 내측 챔버로부터 외부로 배출시키는 배기부를 포함한다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 로드록 챔버의 하부에 배치되어, 상기 보우트의 수직 이동에 필요한 수직 구동력을 발생시키는 실린더; 및 상기 외측 챔버의 상부에 배치되어, 상기 보우트의 회전에 필요한 회전력을 발생시키는 모터를 포함한다. 상기 모터는 상기 박막 증착 공정시 상기 보우트를 회전시킨다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 제1 수직 전극봉은 상기 전원으로부터 파워를 인가받고, 상기 제2 수직 전극봉은 접지된다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 수직형 튜브와 상기 로드록 챔버 사이에 슬라이딩 가능하게 조합되어, 상기 수직형 튜브와 상기 로드록 챔버 사이를 격리시키는 슬롯 밸브를 포함한다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 로드록 챔버의 일측에 배치되어, 상기 웨이퍼의 반출입이 허용되도록 상기 로드록 챔버를 개방시키거나 폐쇄시키는 게이트 밸브를 포함한다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 방법은, 웨이퍼를 제공하는 단계; 상기 웨이퍼를 회전시키면서 상기 웨이퍼의 일측 에지로부터 센터를 경유하여 타측 에지로 흐르도록 플라즈마를 제공하여 상기 웨이퍼 상에 제1 박막을 증착하는 제1 증착 단계; 및 상기 웨이퍼의 센터가 상기 웨이퍼의 에지에 비해 상대적으로 고온이 되도록 하여 상기 웨이퍼 상에 제2 박막을 증착하는 제2 증착 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 방법에 있어서, 상기 제1 증착 단계는, 상기 제1 박막 중 상기 웨이퍼의 센터에 증착되는 부분은 상기 웨이퍼의 에지에 증착되는 부분에 비해 상대적으로 얇게 증착된다. 상기 제1 증착 단계는, 상기 웨이퍼의 에지에서의 플라즈마 농도가 상기 웨이퍼의 센터에서의 플라즈마 농도에 비해 더 크다.

본 실시예의 방법에 있어서, 상기 제2 증착 단계는, 상기 제2 박막 중 상기 웨이퍼의 센터에 증착되는 부분은 상기 웨이퍼의 에지에 증착되는 부분에 비해 상대적으로 두껍게 증착된다. 상기 제2 증착 단계는, 플라즈마를 형성하지 아니한 상태로 진행한다. 상기 제2 증착 단계는, 증착 온도를 낮춰서 상기 웨이퍼의 에지가 상기 웨이퍼의 센터에 비해 그 온도가 더 빨리 떨어지게 한다. 상기 제2 증착 단계는 상기 제1 증착 단계와 인시튜로 진행한다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 변형 실시예에 따른 박막 증착 방법은, 웨이퍼를 제공하는 단계; 상기 웨이퍼를 회전시키면서, 상기 웨이퍼의 일측 에지로부터 센터를 경유하여 타측 에지로 흐르도록 플라즈마를 제공하여, 상기 웨이퍼의 센터에 증착된 제1 부분이 상기 웨이퍼의 에지에 증착된 제2 부분에 비해 더 얇은 박막을 증착하는 제1 단계; 및 상기 웨이퍼의 에지가 상기 웨이퍼의 센터에 비해 상대적으로 그 온도가 빨리 떨어지도록 증착온도를 낮추어, 상기 웨이퍼의 센터가 상기 웨이퍼의 에지에 비해 상대적으로 고온이 되도록 하여 상기 제1 부분의 얇은 두께를 보강시키는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 제1 단계와 인시튜로 진행한다. 상기 제2 단계는 플라즈마를 형성하지 않는다. 상기 제1 단계는 상기 제2 단계에 비해 증착속도가 더 빠르다. 상기 박막은 플라즈마 RTN(Rapid Thermal Nitridation, 급속열질화처리) 질화막인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.

본 발명에 의하면, 플라즈마를 이용하여 박막을 빠른 증착속도로 증착하고, 램핑 다운 증착법으로써 두께가 얇게 증착된 곳을 보강하여 전체적으로 평탄한 박막을 형성할 수 있게 된다. 본 발명을 절연막을 비롯한 박막의 증착에 채택하게 되면, 종래의 화학기상증착법에 비해 전기적 특성이 우수한 박막을 균일하게 증착할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.

(실시예)

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 도시한 단면도이다. 도 3 을 참조하면, 본 발명 실시예의 박막 증착 장치(100)는 플라즈마를 이용하여 다수매의 웨이퍼(W)에 동시에 박막을 증착시키는 이른바 배치식 플라즈마 증착 장치(100)이다. 배치식 플라즈마 증착 장치(100)는 다수매의 웨이퍼(W)에 박막을 증착시키기 위한 증착 공정이 실제로 진행되는 밀폐된 공간인 수직형 튜브(110)를 가진다.

수직형 튜브(110)는 외측 챔버(112)와 내측 챔버(114)의 이중구조로 구성된다. 외측 챔버(112)는 내측 챔버(114)를 수용하며, 그 안쪽에 히터(130)를 구비한다. 히터(130)는 증착 공정에 필요한 열을 발생시킨다. 히터(130)에 의해 발생된 열은 내측 챔버(114)를 매개로 하여 웨이퍼(W)에 전달된다. 내측 챔버(114)는 반도체 웨이퍼(W)를 대상으로 증착 공정이 실제로 일어나는 공간을 제공한다.

수직형 튜브(110) 아래에는 로드록 챔버(116)가 배치된다. 수직형 튜브(110)와 로드록 챔버(116)는 플랜지(118)에 의해 서로 연결된다. 로드록 챔버(116)는 수직형 튜브(110)에서 공정처리된 웨이퍼(W)를 임시 보관하며, 수직형 튜브(110)로 로딩되기 위한 웨이퍼(W)를 대기상태로 유지시킨다. 웨이퍼(W)는 로드록 챔버(116)의 일측벽에 구비된 게이트 밸브(128)를 통해 로드록 챔버(116)로 반입되거나 로드록 챔버(116)로부터 반출된다. 수직형 튜브(110)와 로드록 챔버(116)는 슬라이딩 가능하게 설치된 슬롯 밸브(120)에 의해 서로 격리된다.

다수매의 웨이퍼(W)를 수납하는 보우트(122)는 수직형 튜브(110)의 내측 챔버(114)와 로드록 챔버(116) 사이에서 이동 가능하도록 배치된다. 보우트(122)는 수직 구동력을 제공하는 실린더와 같은 구동부(124)에 의해 내측 챔버(114)와 로드 록 챔버(116) 사이에서 이동된다. 여기서의 구동부(124)는 로드록 챔버(116)의 하부에 구비된다. 연결부(123)는 보우트(122)를 홀딩하여 구동부(124)의 수직 구동력을 보우트(122)에 전달한다. 또한, 보우트(122)는 회전 구동력을 제공하는 모터와 같은 구동부(126)에 의해 내측 챔버(114)에서 회전된다. 여기서의 구동부(126)는 수직형 튜브(110)의 상부에 배치된다. 연결부(125)는 보우트(122)를 홀딩하여 구동부(126)의 회전 구동력을 보우트(122)에 전달한다.

내측 챔버(114) 내부에는 증착 공정에 필요한 플라즈마를 발생시켜 제공하는 플라즈마 발생부(160)가 구비된다. 플라즈마 발생부(160)는 플라즈마를 발생시키기에 필요한 파워를 인가받는 수직하는 두 개의 전극봉(180,182)을 포함한다. 하나의 전극봉(180)은 플라즈마 발생에 필요한 파워를 전원(170)으로부터 인가받고, 다른 하나의 전극봉(182)은 접지된다.

플라즈마 발생에 필요한 가스는 가스공급부(152,154)로부터 제공된다. 가스공급부(152)에서 제공되는 가스는 밸브(152a)의 개폐에 의해 플라즈마 발생부(160)로의 흐름 허용 여부가 결정되고 유량계(152b)에 의해 그 유량이 검출된다. 가스공급부(152)에서 제공되는 가스는 가스공급관(150)을 통해 플라즈마 발생부(160)로 유입된다. 가스공급관(150)은 수직형 튜브(110)의 좌측 하부에 배치된다. 이상의 가스공급부(152)에 관한 설명은 가스공급부(154)에도 같이 적용된다. 플라즈마 발생부(160)의 측면에는 인젝터(164)가 구비된다. 인젝터(164)에는 다수의 인젝션 홀(162)이 형성되어 있어, 플라즈마 발생부(160)에서 발생된 플라즈마는 다수의 인젝션 홀(162)을 통해 웨이퍼(W)로 제공된다.

내측 챔버(114)의 우측 하부에는 배기관(140)이 구비되고, 배기관(140)은 펌프(142)와 연결된다. 펌프(142)는 내측 챔버(114)의 압력을 조절하여 배기물이 내측 챔버(114)로부터 배출되도록 한다. 이에 따라, 내측 챔버(114)에서 플라즈마 공정처리(예; 증착공정)가 계속되는 동안 펌프(142)의 계속적인 작동에 의해 배기관(140)을 통해 플라즈마 기타 가스 등이 내측 챔버(114)로부터 배출된다.

상기와 같이 구성된 배치식 플라즈마 증착 장치(100)를 이용한 박막 증착은 다음과 같이 이루어진다.

플라즈마를 이용한 증착공정의 대상인 웨이퍼(W)가 게이트 밸브(128)를 통해 로드록 챔버(116)에 있던 보우트(122)에 수납된다. 슬롯 밸브(120)가 열리고, 연결부(123)가 구동부(124)에서 발생된 구동력을 보우트(122)에 전달하면 보우트(122)는 로드록 챔버(116)에서 내측 챔버(114)로 이동된다. 내측 챔버(114)로 이동된 보우트(122)는 연결부(125)에 의해 홀딩되고, 슬롯 밸브(120)가 슬라이딩되어 내측 챔버(114)는 밀폐된다.

가스가 가스공급부(152,154)로부터 플라즈마 발생부(160)로, 자세하게는 두 개의 전극봉(180,182) 사이로 제공되고, 전원(170)으로부터 파워가 인가되면 전극봉(180,182) 사이에서 플라즈마가 발생된다. 발생된 플라즈마는 인젝션 홀(162)을 통해 웨이퍼(W)로 제공되어 증착공정이 진행된다. 이때, 히터(130)는 플라즈마 공정에 필요한 열을 내측 챔버(114)로 제공하고, 구동부(126)는 보우트(122)를 회전시켜, 보우트(122)에 수납된 웨이퍼(W)가 회전되게끔 한다. 또한, 증착공정 중에는 계속적으로 펌프(142)가 작동하여 플라즈마는 배기부(140)로 흡입되어 배기된다.

증착공정이 진행되는 동안 플라즈마 발생부(160)에서 발생된 플라즈마(화살표 참조)는 인젝션 홀(162)을 빠져나와 웨이퍼(W)의 표면을 지나고 배기부(140)쪽으로 흐른다. 즉, 플라즈마는 웨이퍼(W)의 한 쪽 에지로부터 다른 쪽 에지로 흐르는 양상을 보인다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법을 설명하는 것으로, (A)는 플라즈마의 흐름을 보여주는 평면도이고 (B)는 플라즈마 농도차에 따른 박막의 두께 차이를 보여주는 단면도이다.

도 4의 (A)에 나타내듯이, 앞서 설명한 바와 같이 플라즈마는 웨이퍼(W)의 좌측 에지에서 우측 에지쪽으로 흐른다. 따라서, 웨이퍼(W)의 좌측 에지는 다른 부분에 비해 플라즈마의 농도가 크다. 그리고, 웨이퍼(W)는 회전하므로 웨이퍼(W)의 에지(Wb)는 센터(Wa)에 비해 플라즈마의 농도가 상대적으로 크다. 따라서, 도 4의 (B)에 나타내듯이, 박막(200)의 두께는 웨이퍼 에지(Wa)에 증착된 부분(X,Y)이 웨이퍼 센터(Wa)에 증착된 부분(Z)에 비해 두꺼워진다. 이러한 박막(200) 두께의 불균일성은 대구경의 웨이퍼(W)의 경우에는 더 심해질 것이라 여겨진다. 그러므로, 일단 박막(200)을 증착한 다음, 이하에서 설명한 바와 같이 그 두께가 상대적으로 얇은 부분(Z)을 보강하는 공정을 진행한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법을 설명하는 것으로, (A)는 웨이퍼(W)의 온도차를 나타낸 평면도이고 (B)은 온도차에 따른 박막의 두께 차이를 나타낸 것이다.

도 5의 (A)에 나타내듯이, 웨이퍼(W)의 에지(Wb)를 센터(Wa)에 비해 더 낮은 온도를 갖게 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 내측 챔버(114) 바깥에 히터(130)가 위치하므로 열이 가해져 온도가 상승하는 때는 웨이퍼(W)는 에지(Wb)가 센터(Wa)에 비해 온도가 더 높은 상태이다. 그러나, 역으로 온도가 하강하는 동안은 오히려 웨이퍼 에지(Wb)가 센터(Wa)에 비해 더 빨리 떨어지게 된다. 이러한 현상을 이용한 증착, 이른바 램핑 다운 증착법(Ramping Down Deposition)으로 박막(210)을 증착하게 되면, 웨이퍼 센터(Wa)에 증착된 부분(Z)이 웨이퍼 에지(Wa)에 증착된 부분(X,Y)에 비해 두꺼워진다. 즉, 앞서의 단계(도 4)에서 얇게 증착된 부분(Z)이 이 단계(도 5)에서 그 두께가 보강되는 것이다. 램핑 다운 증착법(RDD)을 사용하는 경우, 히터(130)에 인가되는 파워를 줄이거나 또는 히터(130)의 작동을 중지시킨다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법을 설명하는 것으로, <Ⅰ>은 도 4의 증착단계를 나타내고, <Ⅱ>는 도 5의 증착단계를 나타내고, <Ⅲ>은 도 4 및 도 5의 증착단계의 결과를 나타내는 것이다. 도 6에서, (A)는 웨이퍼(W)를 도시한 평면도이고, (B)는 박막을 도시한 단면도이다.

도 6의 <Ⅰ>에 나타내듯이, 웨이퍼(W)의 에지(Wb)는 플라즈마 농도가 높고 센터(Wa)는 플라즈마 농도가 낮아, 박막(200)은 웨이퍼 에지(Wa)에는 X,Y 부분과 같이 두껍게 증착되고 웨이퍼 센터(Wa)에는 Z 부분과 같이 얇게 증착된다. 도 6의 <Ⅱ>에 나타내듯이, 램핑 다운 증착법(RDD)을 이용하여 웨이퍼 센터(Wa)는 고온으로 웨이퍼 에지(Wb)에는 저온으로 설정하여 Z 부분이 X,Y 부분에 비해 더 두껍게 증착되도록 한다. 도 6의 <Ⅲ>에 나타내듯이, 램핑 다운 증착법을 이용하게 되면 웨이퍼 센터(Wa)에 증착된 부분(Z)의 두께가 보강되어 전체적으로는 평탄한 박막 (220)이 형성된다. 이 평탄한 박막(220)이 절연막인 경우에는 절연특성이 웨이퍼(W) 전체에 걸쳐 균일해져 항복전압(BV) 산포가 개선된다.

이상의 2 단계의 공정으로 이루어진 박막 증착 방법은 이하에서 설명하는 바와 같이 이른바 PN 공정에 응용할 수 있다. PN 공정이란 폴리실리콘막에 인(P)을 도핑하고 인시튜로 질화처리를 하는 공정으로서, 주로 캐패시터 전극의 표면적을 확대시키는데 채택되어 사용된다. 캐패시터의 용량을 증대시키기 위한 일환의 하나로서 캐패시터 전극 표면에 HSG(hemispherical grain)를 형성하는 것이 있다. 캐패시터 전극인 폴리실리콘에 인(P) 농도가 낮으면 낮을수록 HSG 밀도는 증가한다고 알려져 있다. 따라서, 인 농도가 낮은 폴리실리콘으로써 캐패시터 전극을 형성하는데, 낮은 인 농도를 보상하기 위해 캐패시터 유전막을 형성하기 이전에 플라즈마 PH₃ 도핑 및 RTN(Rapid Thermal Nitridation)으로 이루어진 이른바 PN 공정을 진행한다.

PN 공정은 상술한 바와 같은 본 발명 실시예의 배치식 플라즈마 증착 장치(100)에서 진행한다. PN 공정 중에서 특히 질화막 증착 공정은 첫번째 단계로서 플라즈마 RTN 공정을 진행한다. 본 장치(100)를 이용하여 플라즈마 RTN 공정으로 웨이퍼(W)에 질화막을 증착하게 되면, 도 6의 <Ⅰ>에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 센터(Wa)에 증착되는 부분(Z)은 웨이퍼 에지(Wb)에 증착되는 부분(X,Y)에 비해 그 두께가 얇다. 그 이유는 도 4에서 설명한 바와 같다. 즉, 플라즈마 농도가 높은 웨이퍼 에지(Wb)에서는 증착속도가 높지만, 플라즈마 농도가 낮은 웨이퍼 센터(Wa)에서는 증착속도가 낮아지게 된다. 플라즈마 RTN 은 비교적 증착속도가 빠르지만 질화막(200)의 두께가 웨이퍼 센터(Wa)와 에지(Wb)간에 다르다는 단점이 노출된다. 이러한 플라즈마 RTN 의 단점은 두번째 단계의 램핑 다운 증착법(RDD)으로 해소된다. 램핑 다운 증착(RDD) 공정은 플라즈마 RTN 공정과 인시튜로 진행한다.

램핑 다운 증착(RDD), 즉 히터(130)의 온도를 점진적으로 낮추거나 가동을 중지시켜 웨이퍼(W)의 온도를 떨어뜨리면서 증착공정을 수행한다. 램핑 다운 증착시에는 플라즈마를 형성치 아니한다. 램핑 다운 증착 결과, 도 6의 <Ⅱ>에 나타내듯이, 웨이퍼 센터(Wa)가 웨이퍼 에지(Wb)에 비해 온도가 더 높은 상태로 되어 웨이퍼 센터(Wa)에 증착되는 부분(Z)의 두께가 다른 부분(X,Y)에 비해 두꺼운 질화막(210)이 형성된다. 결과적으로, 도 6의 <Ⅲ>에 나타내듯이, 웨이퍼 센터(Wa)에 증착되는 부분(Z)과 에지(Wb)에 증착되는 부분(X,Y)간에 단차가 없는 평탄한 질화막(220)이 형성되는 것이다.

상기와 같이, 본 발명 실시예의 배치식 플라즈마 증착 장치(100)를 이용하여 PN 공정, 즉 PH₃ 도핑 공정과 질화처리 공정을 진행하게 되면 평탄한 질화막(220)이 형성되는 것이다. 특히, 질화처리 공정은 제1 단계로서 플라즈마 RTN 을 통해서 증착속도가 비교적 빠르나 웨이퍼 센터(Wa)에 증착되는 두께가 낮은 부분(Z)을 가지는 RTN 막질(200)을 형성한 후, 인시튜로 제2 단계의 램핑 다운 증착(RDD)으로 증착속도는 비교적 낮지만 웨이퍼 센터(Wa)에 증착되는 부분(Z)의 두께가 보강된 RTN 막질(210)을 형성한다. 그러면, 두께가 일정하고 평탄한 표면을 갖는 RTN 질화막 (220)이 형성되는 것이다. 본 발명 실시예의 박막 증착 방법은 상술한 PN 공정 이외에 원자층증착(ALD)에도 적용할 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 플라즈마를 이용하여 박막을 빠른 증착속도로 증착하고, 램핑 다운 증착법으로써 두께가 얇게 증착된 곳을 보강하여 전체적으로 평탄한 박막을 형성할 수 있게 된다. 본 발명을 절연막을 비롯한 박막의 증착에 채택하게 되면, 종래의 화학기상증착법에 비해 전기적 특성이 우수한 박막을 균일하게 증착할 수 있게 됨으로써 반도체 소자의 전기적 특성의 신뢰성을 확보할 수 있고, 수율이 향상되는 효과가 있다.

Claims

박막 증착 공정이 진행되는 수직형 튜브와;

상기 수직형 튜브 내에 배치되어 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부와;

상기 수직형 튜브에 열을 가하는 히터와;

상기 수직형 튜브에서 회전 가능하게 배치되며, 상기 플라즈마 발생부의 밖에 위치하는 다수매의 웨이퍼를 탑재하는 보우트;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 플라즈마 발생부는, 접지된 제1 전극봉 및 상기 플라즈마를 발생시키기에 필요한 파워를 인가받는 제2 전극봉과; 상기 플라즈마를 분사하는 다수의 인젝션 홀을 갖는 인젝터와; 상기 제2 전극봉에 상기 파워를 인가하는 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 플라즈마 발생에 필요한 가스를 상기 플라즈마 발생부에 제공하는 가스공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 수직형 튜브는, 상기 박막 증착 공정이 실제로 진행되는 밀폐된 공간을 제공하며 상기 플라즈마 발생부가 배치되는 내측 챔버와; 상기 내측 챔버를 수용하며 상기 히터가 배치되는 외측 챔버를 포함하는 것을 특징으로 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 수직형 튜브의 아래에 배치되고, 상기 수직형 튜브에서 박막 증착 공정 처리될 웨이퍼를 대기상태로 유지시키며 상기 수직형 튜브에서 박막 증착 공정 처리된 웨이퍼를 임시로 보관하는 밀폐된 공간을 제공하는 로드록 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제5항에 있어서,

상기 보우트는 상기 로드록 챔버와 상기 수직형 튜브 사이에서 수직이동 가능한 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제6항에 있어서,

상기 보우트의 수직이동에 필요한 구동력을 발생시키는 제1 구동부와; 상기 보우트의 회전에 필요한 구동력을 발생시키는 제2 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제7항에 있어서,

상기 제1 구동부는 상기 로드록 챔버의 하부에 조합되어 상기 보우트의 수직 이동시 작동되고, 상기 제2 구동부는 상기 수직형 튜브의 상부에 조합되어 상기 보우트의 회전시 작동되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
박막 증착 공정이 진행되는 내측 챔버와, 상기 내측 챔버를 수용하는 외측 챔버를 구비한 수직형 튜브;

상기 수직형 튜브의 하부에 조합되고, 웨이퍼를 임시로 보관하거나 대기시키는 공간을 제공하는 로드록 챔버;

상기 내측 및 로드록 챔버 사이를 수직 이동 가능하게 그리고 상기 내측 챔버에서 회전 가능하게 설치되는, 상기 웨이퍼를 다수 탑재하는 보우트;

상기 내측 챔버의 내부에 배치되고, 가스와 파워를 제공받아 플라즈마를 발생시켜 상기 다수매의 웨이퍼로 제공하는, 제1 및 제2 수직 전극봉과 다수의 인젝션 홀을 구비하는 플라즈마 발생부;

상기 외측 챔버의 안쪽에 배치되어, 상기 내측 챔버로 열을 제공하는 히터;

상기 가스를 상기 두 개의 수직 전극봉 사이로 제공하는 가스공급부;

상기 파워를 상기 두 개의 수직 전극봉 중 어느 하나로 인가하는 전원; 및

상기 플라즈마를 흡입하여 상기 내측 챔버로부터 외부로 배출시키는 배기부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제9항에 있어서,

상기 로드록 챔버의 하부에 배치되어, 상기 보우트의 수직 이동에 필요한 수직 구동력을 발생시키는 실린더; 및 상기 외측 챔버의 상부에 배치되어, 상기 보우트의 회전에 필요한 회전력을 발생시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제10항에 있어서,

상기 모터는 상기 박막 증착 공정시 상기 보우트를 회전시키는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제9항에 있어서,

상기 제1 수직 전극봉은 상기 전원으로부터 파워를 인가받고, 상기 제2 수직 전극봉은 접지된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제9항에 있어서,

상기 수직형 튜브와 상기 로드록 챔버 사이에 슬라이딩 가능하게 조합되어, 상기 수직형 튜브와 상기 로드록 챔버 사이를 격리시키는 슬롯 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제9항에 있어서,

상기 로드록 챔버의 일측에 배치되어, 상기 웨이퍼의 반출입이 허용되도록 상기 로드록 챔버를 개방시키거나 폐쇄시키는 게이트 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제1항의 박막 증착 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 방법에 있어서,

상기 보우트에 상기 웨이퍼를 제공하는 단계;

상기 웨이퍼를 회전시키면서 상기 웨이퍼의 일측 에지로부터 센터를 경유하여 타측 에지로 흐르도록 상기 플라즈마 발생부에서 발생된 플라즈마를 상기 웨이퍼에 제공하여 상기 웨이퍼 상에 제1 박막을 증착하는 제1 증착 단계; 및

상기 웨이퍼의 센터가 상기 웨이퍼의 에지에 비해 상대적으로 고온이 되도록 하여 상기 웨이퍼 상에 제2 박막을 증착하는 제2 증착 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제15항에 있어서,

상기 제1 증착 단계는, 상기 제1 박막 중 상기 웨이퍼의 센터에 증착되는 부분은 상기 웨이퍼의 에지에 증착되는 부분에 비해 상대적으로 얇게 증착되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제16항에 있어서,

상기 제1 증착 단계는, 상기 웨이퍼의 에지에서의 플라즈마 농도가 상기 웨이퍼의 센터에서의 플라즈마 농도에 비해 더 큰 것을 특징으로 박막 증착 방법.
제15항에 있어서,

상기 제2 증착 단계는, 상기 제2 박막 중 상기 웨이퍼의 센터에 증착되는 부분은 상기 웨이퍼의 에지에 증착되는 부분에 비해 상대적으로 두껍게 증착되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제18항에 있어서,

상기 제2 증착 단계는, 플라즈마를 형성하지 아니한 상태로 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제18항에 있어서,

상기 제2 증착 단계는, 증착 온도를 낮춰서 상기 웨이퍼의 에지가 상기 웨이퍼의 센터에 비해 그 온도가 더 빨리 떨어지게 하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제15항에 있어서,

상기 제2 증착 단계는 상기 제1 증착 단계와 인시튜로 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제1항의 박막 증착 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 방법에 있어서,

상기 보우트에 상기 웨이퍼를 제공하는 단계;

상기 웨이퍼를 회전시키면서, 상기 웨이퍼의 일측 에지로부터 센터를 경유하여 타측 에지로 흐르도록 상기 플라즈마 발생부에서 발생된 플라즈마를 상기 웨이퍼에 제공하여, 상기 웨이퍼의 센터에 증착된 제1 부분이 상기 웨이퍼의 에지에 증착된 제2 부분에 비해 더 얇은 박막을 증착하는 제1 단계; 및

상기 웨이퍼의 에지가 상기 웨이퍼의 센터에 비해 상대적으로 그 온도가 빨리 떨어지도록 증착온도를 낮추어, 상기 웨이퍼의 센터가 상기 웨이퍼의 에지에 비해 상대적으로 고온이 되도록 하여 상기 제1 부분의 얇은 두께를 보강시키는 제2 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제22항에 있어서,

상기 제2 단계는 상기 제1 단계와 인시튜로 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제22항에 있어서,

상기 제1 단계는 상기 제2 단계에 비해 증착속도가 더 빠른 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제22항에 있어서,

상기 제2 단계는 플라즈마를 형성하지 않는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제22항에 있어서,

상기 박막은 플라즈마 RTN(Rapid Thermal Nitridation, 급속열질화처리) 질화막인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
제9항의 박막 증착 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 박막을 증착하는 방법에 있어서,

상기 보우트에 상기 웨이퍼를 수납시켜 상기 내측 챔버로 제공하는 단계;

상기 플라즈마 발생부로 상기 가스 및 파워를 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계;

상기 히터로써 상기 내측 챔버에 열을 가하고 상기 웨이퍼를 회전시키면서, 상기 웨이퍼의 일측 에지로부터 센터를 경유하여 타측 에지로 흐르도록 상기 플라즈마를 상기 웨이퍼에 제공하여, 상기 웨이퍼의 센터에 증착된 제1 부분이 상기 웨이퍼의 에지에 증착된 제2 부분에 비해 더 얇은 박막을 증착하는 제1 단계; 및

상기 히터의 동작을 조절하여 상기 웨이퍼의 에지가 상기 웨이퍼의 센터에 비해 상대적으로 그 온도가 빨리 떨어지도록 증착온도를 낮추어, 상기 웨이퍼의 센터가 상기 웨이퍼의 에지에 비해 상대적으로 고온이 되도록 하여 상기 제1 부분의 얇은 두께를 보강시키는 제2 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.