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KR20090022557A - 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한절연막 형성 방법 - Google Patents

고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한절연막 형성 방법 Download PDF

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KR20090022557A
KR20090022557A KR1020070088021A KR20070088021A KR20090022557A KR 20090022557 A KR20090022557 A KR 20090022557A KR 1020070088021 A KR1020070088021 A KR 1020070088021A KR 20070088021 A KR20070088021 A KR 20070088021A KR 20090022557 A KR20090022557 A KR 20090022557A
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KR
South Korea
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gas
gas injection
insulating film
injection valve
chemical vapor
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Application number
KR1020070088021A
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English (en)
Inventor
김기현
성덕용
한문형
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
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Priority to US12/219,443 priority patent/US20090064932A1/en
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Abstract

본 발명은 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한 절연막 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 절연막을 형성하기 위해 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급함으로써 높은 종횡비를 갖는 반도체 소자 사이에 절연막을 효율적으로 형성시킬 수 있는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한 절연막 형성 방법을 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명은 챔버 내부로 가스를 공급하여 반도체 소자 사이에 절연막을 형성시키는 가스공급장치를 포함하고, 가스공급장치는 온 또는 오프 동작하는 가스주입밸브; 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하여 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하는 밸브제어부를 포함한다.

Description

고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한 절연막 형성 방법{Apparatus for HDP-CVD and method for forming insulating layer using the same}
본 발명은 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한 절연막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소자 사이에 절연막을 형성하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한 절연막 형성 방법에 관한 것이다.
화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition : 이하 'CVD'라 함)은 반도체 공정기술의 하나로 화학반응을 이용하여 웨이퍼 표면 위에 단결정의 반도체막이나 절연막 등을 형성하는 방법을 말한다. 그런데 CVD 방법은 증착 공정 이후에 웨이퍼를 높은 온도에서 열처리하는 과정을 거쳐야 하기 때문에 높은 온도에 의해 웨이퍼의 반도체 소자가 열화되는 문제가 발생된다. 또한 최근 반도체 제조 기술의 급속한 발달로 반도체 소자가 고집적화 되고, 금속 배선들 간의 간격이 점차 미세화됨에 따라 CVD 방법은 금속 배선들 사이의 갭을 완전히 메우는 데는 한계가 있다.
이에 따라 금속 배선들 사이의 갭을 채우는 능력 즉, 갭필(Gap-fill) 능력을 극대화할 수 있는 층간 절연막 공정이 개발되었는데, 그 중의 하나가 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition : 이하 'HDP-CVD'라 함) 방법이다. HDP-CVD는 종래의 플라즈마 CVD(PE CVD)보다 높은 이온화 효율을 갖도록 전기장과 자기장을 인가하여 높은 밀도의 플라즈마 이온을 형성, 소스 가스를 분해하여 웨이퍼 상에 절연막을 증착하는 방식으로, 플라즈마를 발생시키는 소스 전원과 함께 웨이퍼 상에 증착된 층간 절연막을 에칭시키는 바이어스 전원을 층간 절연막이 증착되는 중에 인가함으로써 층간 절연막의 증착과 층간 절연막의 스퍼터링(Sputtering) 에칭을 동시에 진행한다.
이러한 공정들을 수행할 때는 반응실 내부로 공급되는 공정가스가 웨이퍼 주위에 균일하게 분포한 상태일 때 웨이퍼 표면의 증착이 균일해져 우수한 막을 얻을 수 있게 된다.
또한, 식각공정을 수행할 때도 공정가스의 분포가 균일할 때 전체적으로 스퍼터링(sputtering)이 균일해지면서 소망하는 식각을 수행할 수 있게 된다.
그러나, 종래의 HDP-CVD 방법은 반도체 소자의 디자인 룰이 70nm급 이하로 급격히 감소됨에 따라 갭필해야 할 영역의 종횡비가 급격하게 증가하여 HDP-CVD의 공정 기술로도 만족할 만한 갭필 특성을 구현하기가 점차 어렵게 되었다.
또한, HDP-CVD의 공정 기술은 단지 공정가스를 균일하게 분포하기 위한 방법에 대해서만 제시하고 있기 때문에 반도체 소자의 디자인 룰이 축소됨에 따라 발생하는 오버행(overhang)으로 인한 보이드(void)의 생성에 대한 해결책은 제시하지 못하였다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 챔버 내부로 가스를 공급하여 반도체 소자 사이에 절연막을 형성시키는 가스공급장치를 포함하고, 가스공급장치는온 또는 오프 동작하는 가스주입밸브; 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하여 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하는 밸브제어부를 포함한다.
여기서, 밸브제어부는 가스주입밸브를 주기적으로 온 또는 오프 동작시켜 가스를 주기적으로 공급한다.
또한, 가스공급장치는 가스량이 소정량 이하가 되도록 제어하는 질량유량제어부를 더 포함한다.
여기서, 가스는 반도체 소자 사이에 절연막을 하기 위한 제1 및 제2 증착가스와, 절연막을 식각하기 위한 식각가스를 포함한다.
또한, 가스주입밸브는 제1 증착가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제1 가스주입밸브와, 식각가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제2 가스주입밸브와, 제2 증착가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제3 가스주입밸브를 포함한다.
또한, 밸브제어부는 제1 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하는 제1 밸브제어부와, 제2 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하는 제2 밸브제어부와, 제3 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하는 제3 밸브제어부를 포함한다.
또한, 제1 및 제2 증착가스는 규소 원자를 포함하는 가스나 산소와 같은 서로 다른 종류의 가스이고, 식각가스는 플루오르 원자를 포함하는 가스이다.
한편, 밸브제어부는 가스주입시간, 상기 가스주입시간 동안에 상기 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비, 말기 듀티비, 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수를 이용하여 가스주입밸브의 동작을 제어한다.
또한, 밸브제어부는 반도체 소자 사이의 크기에 따라 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 다르게 제어한다.
보다 구체적으로 밸브제어부는 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 가스주입밸브의 온 시간이 점차 변하도록 제어한다.
또한, 밸브제어부는 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 소정의 기준시점에 도달할 때까지 가스주입밸브의 온 시간이 점차 증가되도록 제어하고, 기준시점에 도달하면, 가스주입밸브의 온 시간이 점차 감소되도록 제어한다.
게다가, 밸브제어부는 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작지 않을 경우, 가스주입밸브의 온 시간이 일정하게 유지되도록 제어한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 소자 사이에 절연막을 증착하기 위해 증착가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하고, 절연막을 식각하기 위해 식각가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하고, 절연막의 두께가 기준두께에 도달할 때까지 증착 공정과 식각 공정을 반복한다.
여기서, 증착가스는 규소 원자를 포함하는 가스나 산소와 같이 서로 다른 종류의 가스를 포함하는 제1 및 제2 증착가스를 포함한다.
또한, 식각가스는 플루오르 원자를 포함하는 가스이다.
식각 공정을 수행한 후, 수소 원자를 포함하는 가스를 공급하여 절연막 표면에 존재하는 F기를 제거한다.
또한, 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하기 위하여 가스주입시간, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비, 말기 듀티비, 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수를 이용하여 가스주입밸브의 동작을 제어한다.
여기서, 가스주입시간, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비, 말기 듀티비, 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수는 반도체 소자 사이의 크기에 따라 달라진다.
증착가스 및 식각가스의 공급 시, 반도체 소자 사이의 크기에 따라 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 다르게 제어한다.
즉, 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 가스주입밸브의 온 시간이 점차 변하도록 제어하는데, 보다 구체적으로 소정의 기준시점에 도달할 때까지 가스주입밸브의 온 시간이 점차 증가되도록 제어하고, 기준시점에 도달하면, 가스주입밸브의 온 시간이 점차 감소되도록 제어한다.
만약, 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작지 않을 경우, 가스주입밸브의 온 시간이 일정하게 유지되도록 제어한다.
또한, 절연막의 두께가 기준두께에 도달하면, 절연막의 형성이 완료될 때까지 가스주입밸브를 온 상태로 계속 유지시켜 증착가스를 공급한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치 및 그를 이용한 절연막 형성 방법에 따르면, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 방식과 절연막을 형성하기 위한 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하는 가스 주입 방식을 동시에 구현할 수 있는 하이브리드 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 제시하여 높은 종횡비를 갖는 반도체 소자 사이에 절연막을 효율적으로 형성시킬 수 있는 효과를 창출한다.
또한, 식각 공정을 수행한 후, 수소 원자를 포함하는 가스를 공급하여 상기 절연막 표면에 존재하는 F기를 제거함으로써 잔류 F기에 기인하는 이상 계면 발생을 방지하여 이상 계면 없이 절연막을 형성할 수 있다.
결론적으로, 높은 종횡비를 갖는 반도체 소자 사이에 발생하는 보이드와 이상 계면에 기인하는 보이드의 발생을 방지하여 소자의 신뢰성을 높이고, 제조 수율 을 개선할 수 있다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(W)의 가공공정을 수행하기 위한 챔버(10)는 상부가 개방된 원통형의 챔버 본체(11)와, 챔버 본체(11)의 개방된 상부를 덮는 챔버 덮개(12)를 포함한다. 여기서, 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치(이하 'HDP-CVD'라 함)를 통해 수행하는 가공공정이란 반도체 기판(W)의 반도체 소자 사이에 절연막을 형성하기 위하여 절연막을 증착하는 증착공정과 증착된 절연막을 식각하는 식각공정을 포함한다.
챔버(10)의 내부에는 반도체 기판(W)를 지지하기 위한 척(13)이 설치된다. 척(13)은 정전기력을 이용하여 반도체 기판(W)을 고정할 수 있는 정전 척으로 이루어진다. 한편, 척에는 플라즈마 상태의 공정가스를 반도체 기판(W)으로 유도할 수 있도록 바이어스 전원이 인가된다.
챔버 덮개(12)의 상부에는 챔버(10) 내부로 공급되는 공정가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 전자기장을 형성하도록 유도코일(14)이 설치되고, 유도코일(14)에는 고주파전원(15)이 연결된다. 한편, 챔버 덮개(12)는 고주파 에너지가 전달되는 절연체 재료, 바람직하게는 산화 알루미늄과 세라믹 재질로 만들어진다.
또한, 챔버 본체(11) 하부 쪽에는 챔버(10) 내부의 반응 부산물 및 미 반응가스를 배출시키기 위한 배출구(16)가 형성되고, 배출구(16)와 연결된 배출관(17)에는 챔버(10) 내부를 진공상태로 유지할 수 있는 진공펌프(18) 및 압력제어장치(19)가 설치된다.
게다가, 챔버 덮개(12)의 하단부분과 상측 중앙부에는 챔버(10) 내에서 증착 또는 식각공정을 수행하여 반도체 소자 사이에 절연막을 형성시킬 수 있도록 챔버 (10) 내부로 가스를 공급하기 위한 다수의 가스공급장치(20, 30, 40, 50)가 설치된다.
가스공급장치(20, 30, 40, 50)는 가스공급라인(21, 31, 41, 51, 61), 질량유량제어부(22, 32, 42, 52), 가스주입밸브(23, 33, 43) 및 밸브제어부(24, 34, 44)를 포함한다.
가스공급라인(21, 31, 41, 51, 61)은 제1 증착가스를 공급하는 제1 가스공급라인(21), 식각가스를 공급하는 제2 가스공급라인(31), 제2 증착가스를 공급하는 제3 가스공급라인(41), 공정가스를 공급하는 제4 가스공급라인(51)을 포함하며, 그 외에 다수의 가스공급라인이 연통되는 가스공급라인(61)을 더 포함한다.
가스공급라인(21, 31, 41, 51, 61)은 가스가 저장된 가스공급부(25, 35, 45, 55)로부터 가스를 공급받아 챔버(10) 내부로 공급하기 위한 통로 역할을 담당하는데, 챔버(10)의 상부와 측면에서 가스가 분사되는 라인으로 구성되며 각각의 라인에서는 하나 이상의 가스가 동시 또는 순차적으로 분사하는 것이 가능하다.
여기서, 가스는 반도체 소자 사이에 절연막을 증착하기 위한 제1 및 제2 증착가스와 절연막을 식각하기 위한 식각가스를 포함하는데, 제1 및 제2 증착가스는 규소(Si) 원자나 산소(O₂) 등과 같이 서로 다른 종류의 가스를 포함하는 것이 바람직하며, 식각가스는 플루오르(F) 원자를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 공정가스는 플라즈마를 생성시키기 위해 헬륨(He)을 포함하는 가스인 것이 바람직하다.
만약, 제1 증착가스가 규소 원자를 포함하는 SiH₄이며 제2 증착가스가 산소(O₂)일 경우, 화학 기상 증착 방식에 의해 제1 및 제2 증착가스가 반응하여 실리콘산화막(SiO₂)이 생성되며, 이러한 방식으로 생성된 실리콘산화막은 반도체 소자 사이에 증착된다.
질량유량제어부(22, 32, 42, 52)는 통상 가스공급노즐(60a, 60b)에 공급되는 가스량이 소정량 이하가 되도록 제어하는데, 질량유량제어부(22, 32, 42)는 소정량 이하로 제어된 가스를 가스주입밸브(23, 33, 43)의 전단 라인까지 충진시켜 일차적으로 가스주입밸브(23, 33, 43)에 공급되는 가스량을 제어한다.
여기서, 소정량이란 가스공급부(25, 35, 45, 55)로부터 공급되는 가스량을 일차적으로 감소시키기 위해 설정되는 기준량으로서 가스공급라인(21, 31, 41, 51)의 단면적 또는 가스공급노즐(60)의 크기에 따라 다양한 값이 설정되는 것이 바람직하다.
가스주입밸브(23, 33, 43)는 제1 증착가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제1 가스주입밸브(23), 식각가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제2 가스주입밸브(33) 및 제2 증착가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제3 가스주입밸브(43)를 포함하며, 이외에 공정가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제4 가스주입밸브를 포함하는 것도 가능하다.
가스주입밸브(23, 33, 43)는 온(On)이 되면 가스공급라인(21, 31, 41)이 개방되어 가스공급노즐(60a, 60b)로 가스가 공급될 수 있도록 열림 동작을 수행하며, 오프(Off)가 되면 가스공급라인(21, 31, 41)이 폐쇄되어 가스가 공급되지 않도록 닫힘 동작을 수행한다.
밸브제어부(24, 34, 44)는 제1 가스주입밸브(23)의 동작을 제어하는 제1 밸브제어부(24), 제2 가스주입밸브(33)의 동작을 제어하는 제2 밸브제어부(34) 및 제3 가스주입밸브(43)의 동작을 제어하는 제3 밸브제어부(44)를 포함하며, 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 또는 오프 동작을 제어하여 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급한다.
즉, 밸브제어부(24, 34, 44)는 가스주입밸브(23, 33, 43)를 주기적으로 온 또는 오프 동작시켜 기준량 이하의 가스가 주기적으로 공급되도록 제어한다. 여기서, 기준량이란 가스공급노즐(60)에서 한 번 분사될 때 나오는 기준 가스량으로서 밸브제어부(24, 34, 44)는 적은 양(기준량 이하)의 가스가 주기적으로 공급되도록 제어하여 반도체 소자 사이에 절연막이 전체적으로 고르고 얇게 형성되도록 한다.
보다 구체적으로 설명하면, 밸브제어부(24, 34, 44)는 가스주입시간, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비(Initial Duty Ratio), 말기 듀티비(End Duty Ratio) 및 시간증감비를 이용하여 상기 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 또는 오프 동작을 제어할 수 있다.
또한, 가스주입루프의 횟수를 더 이용하여 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 및 오프 동작을 반복하는 한 사이클을 N번 반복하여 전체 가스주입사이클을 구성할 수 있다. 여기서, 가스주입시간이란 한 사이클 동안에 가스가 주입되는 전체시간이며, 초기 듀티비란 가스주입밸브(23, 33, 43)가 첫 번째로 온 및 오프 동작하는 구간에서 가스주입밸브(23, 33, 43) 온 되는 시간비율이며, 말기 듀티비란 가스주입 밸브가 마지막으로 온 및 오프 동작하는 구간에서 가스주입밸브(23, 33, 43) 온 되는 시간비율을 의미한다.
또한, 밸브제어부(24, 34, 44)는 한 사이클 내에서 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 동작 시간을 점차 증가시키거나 감소시키고자 할 경우, 시간증감비를 사용하여 온 동작 시간을 제어할 수 있다.
상술한 내용을 도 2를 참조하여 예를 들어 설명하면, 한 사이클 내에서 가스주입시간이 10sec, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수가 100번, 가스주입루프의 횟수가 5번, 초기 듀티비 및 말기 듀티비가 각각 50%일 경우, 밸브제어부는 한 사이클 내에서 가스주입밸브가 0.05sec 동안에 온 하고 0.05sec 동안에 오프 하는 동작을 100번 반복할 수 있도록 제어하며, 한 사이클의 동작이 완료되면, 네 사이클이 더 반복되도록 제어한다.
또한, 도 3을 참조하면, 한 사이클 내에서 가스주입시간이 10sec, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수가 100번, 시간증감비가 110%, 초기 듀티비 및 말기 듀티비가 각각 20% 및 100%일 경우, 첫 번째 구간(온/오프)에서 밸브제어부는 가스주입밸브가 0.02초 동안 온 되고 0.08초 동안 오프 되도록 제어하며 100번째 구간에서 밸브제어부는 가스주입밸브가 0.1초 동안에 온 되도록 제어한다. 또한, 밸브제어부는 두 번째 구간에서는 가스주입밸브가 온 되는 시간이 첫 번째 구간에서 온 되는 시간보다 1.1배 만큼 증가하도록 가스주입밸브를 제어한다.
한편, 밸브제어부(24, 34, 44)는 반도체 소자 사이의 크기에 따라 상기 가스 주입밸브의 온 또는 오프 동작을 다르게 제어한다. 여기서, 반도체 소자 사이의 크기란 반도체 소자 사이에 존재하는 갭의 크기 즉, 종횡비(aspect ratio)를 의미한다. 따라서, 반도체 소자 사이의 크기가 작다는 것은 종횡비가 큰 것을 의미한다.
즉, 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 밸브제어부(24, 34, 44)는 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간이 점차 변하도록 제어하는데, 보다 구체적으로는 소정의 기준시점에 도달할 때까지 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간이 점차 증가되도록 제어하고, 기준시점에 도달하면, 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간이 점차 감소되도록 제어한다. 여기서, 기준시점이란 가스주입밸브의 온 시간을 가변시키기 위하여 기준이 되는 시간을 의미한다.
이하에서는 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 가스주입밸브의 구체적인 제어동작에 대하여 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
이때, 전체 가스주입사이클은 N개의 사이클로 구성되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 사이클이 진행될수록 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 시간을 점차 증가되다가 기준시점(즉, N/2번째 사이클)에 이르면 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 시간이 점차 감소되는 것을 볼 수 있다.
즉, t₁<t ₂<t n/₂이고, t n/₂>t n-₁>t n이다.
이와 같이 밸브제어부(24, 34, 44)는 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간을 변화시킴으로써 높은 종횡비를 갖는 갭에 절연막을 효과적으로 형성시킬 수 있게 된다. 즉, 밸브제어부(24, 34, 44)는 증착가스가 단계적으로 증가하여 공급되도록 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간을 제어함으로써 보이드가 생성되는 것을 방지 한다.
또한, 밸브제어부(24, 34, 44)는 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작지 않을 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 전체 가스주입사이클에서 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 시간이 일정하게 유지되도록 제어한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 밸브제어부(24, 34, 44)는 가스주입밸브(23, 33, 43)를 각각 제어하기 위하여 가스주입밸브(23, 33, 43)에 별도로 설치되는 구성으로 이루어졌으나, 이에 한정되지 않으며 하나의 밸브제어부에서 복수 개의 가스주입밸브(23, 33, 43)을 제어하는 것도 가능하다.
이하에서는 HDP-CVD 장치를 이용하여 절연막을 형성하는 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막의 형성과정을 설명하기 위한 제어흐름도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 챔버(10) 내부로 반도체 기판(W)을 이동(400)시켜 챔버(10) 내부의 척(13)에 반도체 기판(W)을 고정시키고, 헬륨(He)을 포함하는 공정가스(불활성가스)를 챔버(10)의 내부로 공급한다. 또 진공펌프(18)와 압력제어장치(19)의 동작에 의해 챔버(10)의 내부가 진공상태로 유지되도록 하며, 유도코일(14)에 전원을 인가하여 공정가스가 플라즈마 상태로 되도록 한다(610).
다음으로, 플라즈마가 생성된 상태에서 반도체 소자 사이에 절연막을 증착하기 위해 증착가스의 전체요구량을 분산시켜 공급한다(620). 여기서, 증착가스는 규소(Si) 원자를 포함하는 가스나 산소(O₂) 등과 같이 서로 다른 종류의 가스를 포 함하는 제1 및 제2 증착가스를 포함한다.
즉, 플라즈마가 생성된 챔버(10) 내부로 제1 증착가스 및 제2 증착가스를 공급하여 반도체 기판(W) 표면에 절연막을 증착하는 증착공정을 진행한다. 이때, 헬륨을 포함하는 공정가스는 모든 가스공급라인을 통하여 챔버(10) 내부로 공급되고 있어야 하며, 공정가스가 공급되고 있는 사이에 제1 및 제3 유량제어부(22, 42)를 통해 제1 및 제2 증착가스는 소정량 이하로 일정하게 유지되며, 제1 및 제2 증착가스는 제1 및 제3 가스주입밸브(23, 43)의 전단 라인까지 충진된다.
또한, 증착가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하기 위하여 밸브제어부(24, 44)는 가스주입시간, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비(Initial Duty Ratio), 말기 듀티비(End Duty Ratio), 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수를 이용하여 가스주입밸브(23, 43)의 동작을 제어한다.
또한, 가스주입시간, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비(Initial Duty Ratio), 말기 듀티비(End Duty Ratio), 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수는 반도체 소자 사이의 크기에 따라 다르게 설정되며, 반도체 소자 사이의 크기에 따라 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 또는 오프 동작을 다르게 제어한다.
반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간이 점차 변하도록 제어하는데, 보다 구체적으로는 소정의 기준시점에 도달할 때까지 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간이 점차 증가되도록 제어하고, 기준시점에 도달하면, 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간이 점차 감소되도록 제어한다.
또한, 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작지 않을 경우, 가스주입밸브(23, 33, 43)의 온 시간이 일정하게 유지되도록 제어한다.
다음으로, 증착공정을 진행한 후, 절연막을 식각하기 위해 식각가스의 전체요구량을 분산시켜 공급한다(630).
1차로 증착된 절연막의 일부 두께를 플루오린(F)을 포함하는 식각가스를 사용하여 식각하면, 1차로 증착된 절연막 부분 중 비트라인 상단 가장자리에 증착된 절연막 부분(오버행 부분)이 그 이외의 부분보다 과도 식각되어 비트라인들 사이의 병목 현상이 해소되므로 후속 절연막의 증착이 용이해진다.
식각공정에서도 증착공정과 동일하게 증착가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하기 위하여 밸브제어부(34)는 가스주입시간, 가스주입시간 동안에 가스주입밸브(23, 33, 43)가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비(Initial Duty Ratio), 말기 듀티비(End Duty Ratio) 및 시간증감비, 가스주입루프 횟수를 이용하여 가스주입밸브(33)를 제어한다. 밸브제어부(34)의 제어에 관해서는 상술한 바와 같으므로 생략하기로 한다.
한편, 식각공정을 수행한 후에 수소 원자(H₂)를 포함하는 가스를 공급하여 절연막 표면에 존재하는 F기를 제거한다. 상기와 같이 절연막 표면에 존재하는 F기를 제거한 상태로 후속 증착 과정을 수행함으로써 잔류 F기에 기안하는 이상 계면 발생을 방지하여 이상 계면 없이 절연막을 형성할 수 있다.
다음으로, 절연막의 두께가 기준두께에 도달하는지 판단(640)하여 절연막의 두께가 기준두께에 도달할 경우, 절연막의 형성이 완료될 때까지 가스주입밸브(23, 43)를 온 상태로 계속 유지시켜 증착가스를 공급한다(650). 즉, 가스주입밸브(23, 43)를 완전히 열림 상태로 제어함으로써 최대한 빠르게 증착공정을 수행할 수 있도록 제어한다.
보다 상세하게 설명하면, 갭필에 민감한 부분에서만 본 발명의 가스 주입 방식(가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하는 방식)을 사용하고, 갭필에 민감하지 않는 부분에서는 일반적인 가스 주입 방식을 사용함으로써 효율적으로 갭필을 수행할 수 있도록 구성된다.
한편, 절연막의 두께가 기준두께에 도달하는지 판단하기 위해 증착 및 식각공정이 몇 번 반복되었는지 판단하고, 판단된 횟수가 미리 설정된 횟수에 이르면 절연막의 두께가 기준두께에 도달한 것으로 판단한다.
640단계에서 절연막의 두께가 기준두께에 도달하지 않을 경우, 620단계부터 다시 시작하여 증착공정 및 식각공정을 반복한다.
또한, 절연막의 형성이 완료되었는지 판단(660)하여 절연막의 형성이 완료되었을 경우, 챔버(10)에서 반도체 기판(W)를 제거시킨다(670).
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 한 사이클에 대한 가스주입밸브의 동작상태 및 그에 따른 동작 시간을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 한 사이클에 대한 가스주입밸브의 동작상태 및 그에 따른 동작 시간을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전체 사이클에 대한 가스주입밸브의 동작상태 및 그에 따른 동작 시간을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전체 사이클에 대한 가스주입밸브의 동작상태 및 그에 따른 동작 시간을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성과정을 설명하기 위한 제어흐름도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10...챔버
20, 30, 40, 50...가스공급장치
21, 31, 41, 51, 61...가스공급라인
22, 32, 42, 52...질량유량제어부
23, 33, 43...가스주입밸브 24, 34, 44...밸브제어부

Claims (23)

  1. 챔버 내부로 가스를 공급하여 반도체 소자 사이에 절연막을 형성시키는 가스공급장치를 포함하고, 상기 가스공급장치는,
    온 또는 오프 동작하는 가스주입밸브;
    상기 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하여 상기 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하는 밸브제어부를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 밸브제어부는,
    상기 가스주입밸브를 주기적으로 온 또는 오프 동작시켜 상기 가스를 주기적으로 공급하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 가스공급장치는,
    상기 가스량이 소정량 이하가 되도록 제어하는 질량유량제어부를 더 포함하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 가스는,
    상기 반도체 소자 사이에 상기 절연막을 하기 위한 제1 및 제2 증착가스와, 상기 절연막을 식각하기 위한 식각가스를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증 착 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 가스주입밸브는,
    상기 제1 증착가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제1 가스주입밸브와, 식각가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제2 가스주입밸브와, 제2 증착가스를 공급하기 위해 온 또는 오프 동작하는 제3 가스주입밸브를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 밸브제어부는,
    상기 제1 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하는 제1 밸브제어부와, 상기 제2 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하는 제2 밸브제어부와, 상기 제3 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 제어하는 제3 밸브제어부를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 증착가스는,
    규소 원자를 포함하는 가스나 산소와 같은 서로 다른 종류의 가스이고,
    상기 식각가스는 플루오르 원자를 포함하는 가스인 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 밸브제어부는,
    가스주입시간, 상기 가스주입시간 동안에 상기 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비, 말기 듀티비, 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수를 이용하여 상기 가스주입밸브의 동작을 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 밸브제어부는,
    상기 반도체 소자 사이의 크기에 따라 상기 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 다르게 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 밸브제어부는,
    상기 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 상기 가스주입밸브의 온 시간이 점차 변하도록 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 밸브제어부는,
    상기 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 소정의 기준시점에 도달할 때까지 상기 가스주입밸브의 온 시간이 점차 증가되도록 제어하고,
    상기 기준시점에 도달하면, 상기 가스주입밸브의 온 시간이 점차 감소되도록 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 밸브제어부는,
    상기 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작지 않을 경우, 상기 가스주입밸브의 온 시간이 일정하게 유지되도록 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
  13. 반도체 소자 사이에 절연막을 증착하기 위해 증착가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하고,
    상기 절연막을 식각하기 위해 식각가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하고,
    상기 절연막의 두께가 기준두께에 도달할 때까지 상기 증착 공정과 상기 식각 공정을 반복하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 증착가스는,
    규소 원자를 포함하는 가스나 산소와 같이 서로 다른 종류의 가스를 포함하는 제1 및 제2 증착가스를 포함하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 식각가스는,
    플루오르 원자를 포함하는 가스인 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 식각 공정을 수행한 후, 수소 원자를 포함하는 가스를 공급하여 상기 절연막 표면에 존재하는 F기를 제거하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 가스의 전체요구량을 분산시켜 공급하기 위하여 가스주입시간, 상기 가스주입시간 동안에 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비, 말기 듀티비, 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수를 이용하여 상기 가스주입밸브의 동작을 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 가스주입시간, 상기 가스주입시간 동안에 상기 가스주입밸브가 온 및 오프 동작하는 횟수, 초기 듀티비, 말기 듀티비, 시간증감비 및 가스주입루프의 횟수는,
    상기 반도체 소자 사이의 크기에 따라 달라지는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 증착가스 및 상기 식각가스의 공급 시,
    반도체 소자 사이의 크기에 따라 상기 가스주입밸브의 온 또는 오프 동작을 다르게 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방 법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 상기 가스주입밸브의 온 시간이 점차 변하도록 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작을 경우, 소정의 기준시점에 도달할 때까지 상기 가스주입밸브의 온 시간이 점차 증가되도록 제어하고,
    상기 기준시점에 도달하면, 상기 가스주입밸브의 온 시간이 점차 감소되도록 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  22. 제 19항에 있어서,
    상기 반도체 소자 사이의 크기가 기준크기보다 작지 않을 경우, 상기 가스주입밸브의 온 시간이 일정하게 유지되도록 제어하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
  23. 제 13항에 있어서,
    상기 절연막의 두께가 기준두께에 도달하면, 상기 절연막의 형성이 완료될 때까지 가스주입밸브를 온 상태로 계속 유지시켜 상기 증착가스를 공급하는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 절연막 형성 방법.
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