JP2014520212A - 半導体製造に使用される噴射部材及びそれを有する基板処理装置 - Google Patents

半導体製造に使用される噴射部材及びそれを有する基板処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】基板に薄膜蒸着の時、薄膜の均一性を向上させることができる半導体製造に使用される噴射部材及びそれを有する基板処理装置が提供される。
【解決手段】本発明による基板処理装置は、複数の基板が収容されて基板処理工程が遂行される工程チャンバーと、前記工程チャンバーに設置され、同一平面上に複数の基板が置かれる支持部材と、前記支持部材と対向されるように設置され、少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを前記支持部材に置かれた複数の基板の各々に対応する位置で独立的に噴射できるように独立された複数個のバッフルを有する噴射部材と、前記噴射部材のバッフルが前記支持部材に置かれた複数の基板が各々に順次的に旋回するように前記支持部材又は前記噴射部材を回転させる駆動部と、を含み、前記噴射部材は、複数個のバッフルの中で反応ガスを噴射する少なくとも1つのバッフルに設置されて基板に噴射される反応ガスをプラズマ化するプラズマ発生器を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体素子製造に使用される薄膜処理装置に関し、特にガスフローを改善した噴射部材及びそれを有する基板処理装置に関する。
半導体素子を製造するための工程には乾式蝕刻、物理的又は化学的気相蒸着及びその他の表面処理等の単位工程がある。このような単位工程はプラズマを利用する装置が広く使用される。
既存のセミバッチ式基板処理装置は同一平面上に複数の基板を処理する。セミバッチ式基板処理装置はガス噴射用ノズルが工程ガスを基板支持部材の中心部から縁に向かって噴射するので、基板上でガス噴出速度及び密度差異が著しく発生し、渦流現象も発生することによって、薄膜品質を低下させる問題点がある。
本発明の目的は基板に薄膜蒸着する際、薄膜の均一性を向上させることができる半導体製造に使用される噴射部材及びそれを有する基板処理装置を提供することにある。
本発明の目的はここに制限されず、言及されなかったその他の目的は下の記載から当業者に明確に理解され得る。
上記した課題を達成するための本発明の基板処理装置に使用される噴射部材は、円板形状の上部プレートと、前記上部プレートの底面に放射状に設置される仕切りによって区画される少なくとも4つのバッフルと、前記少なくとも4つのバッフルの各々にガスを噴射するために前記仕切りに横方向に設置されるサイド噴射部と、を含む。
本発明の一実施形態によれば、前記サイド噴射部は、ガスが流れる内部通路と、前記内部通路に流れるガスが噴射される噴射口を有する棒形状のインジェクタである。
本発明の一実施形態によれば、前記噴射口は前記上部プレートの中央から縁に行くほど、その大きさが大きい。
本発明の一実施形態によれば、前記噴射口は基板の処理面と水平な方向にガスを噴射するように水平な噴射角度を有する。
本発明の一実施形態によれば、前記噴射口は基板の処理面に向かって斜めにガスを噴射するように下向きに傾いた噴射角度を有する。
本発明の一実施形態によれば、前記噴射部材は前記上部プレートの中央部に設置され、外部から供給される少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを前記少なくとも4つのバッフルの各々に独立噴射する少なくとも4つの噴射口を有する中央ノズル部をさらに含む。
本発明の一実施形態によれば、前記サイドノズル部は前記中央ノズル部を通じてガスが供給される。
上記した課題を達成するための基板処理装置は、複数の基板が収容されて基板処理工程が遂行される工程チャンバーと、前記工程チャンバーに設置され、同一平面上に複数の基板が置かれる支持部材と、前記支持部材と対向されるように設置され、少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを前記支持部材に置かれた複数の基板の各々に対応する位置で独立的に噴射できるように独立された複数個のバッフルを有する噴射部材と、前記噴射部材のバッフルが前記支持部材に置かれた複数の基板が各々に順次的に旋回するように前記支持部材又は前記噴射部材を回転させる駆動部と、を含み、前記噴射部材は、上部プレートと、前記複数個のバッフルが区画されるように前記上部プレートの底面に設置される仕切りと、前記仕切りに設置され、少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを各々の該当される前記バッフルへ噴射させるサイドノズル部と、を含む。
本発明の一実施形態によれば、前記噴射部材は前記上部プレートの中央に設置され、外部から供給される少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを各々の該当される前記バッフルへ噴射させる中央ノズル部をさらに含む。
本発明によると、中央ノズル部とサイドノズル部とを通じて3方向でガスを噴射するので、バッフル上に均一なガス密度を提供することによって、薄膜の蒸着速度及び膜質向上が可能である格別な効果を有する。
本発明による薄膜蒸着装置を説明するための図面である。 図1に図示された噴射部材の斜視図である。 図1に図示された噴射部材のび断面図である。 図1に図示された支持部材の平面図である。 図2Bに表記されたA−A線に沿って切断した断面図である。 プラズマ発生器を示す噴射部材の要部拡大断面図である。 図5Aでプラズマ発生器が高低調節器によって下降した状態を示す図面である。 噴射部材の変形形態を示す図面である。 多様な噴射角度を有する噴射口を示すサイド噴射部の断面図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態による基板処理装置及び方法を詳細に説明する。先ず、各図面の構成要素に参照符号を付加することにおいて、同一の構成要素に対しては、たとえ他の図面の上に示す場合においてもできる限り同一な符号を有するようにしている。
また、本発明を説明するに際し、関連する公知構成又は機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を曇り得ることと判断される場合にはその詳細な説明は省略する。
(実施形態)
図1は本発明による薄膜蒸着装置を説明するための図面である。図2A及び図2Bは図1に図示された噴射部材の斜視図及び断面図である。図3は図1に図示された支持部材の平面図である。図4は図2Bに表記されたA−A線に沿って切断した断面図である。
図1乃至図4を参照すれば、本発明の実施形態による薄膜蒸着装置10は工程チャンバー(process chamber)100、支持部材(support member)200、噴射部材300、供給部材500を含む。
工程チャンバー100は一側に出入口112が提供される。出入口112は工程進行の時、基板Wの出入が行われる。また、工程チャンバー100は上部縁に工程チャンバーへ供給された反応ガスとファジーガス及び薄膜蒸着工程の中で発生された反応分散物を排気するための排気ダクト120と排気管114とを含む。排気ダクト120は噴射部材300の外側に位置するリングタイプになされる。図示しないが、排気管114は真空ポンプと連結され、排気管には圧力制御バルブ、流量制御バルブ等が設置されることは当業者に自明な事実である。
図1及び図3のように、支持部材200は工程チャンバー100の内部空間に設置される。
支持部材200は4枚の基板が置かれるバッチタイプになされる。支持部材200は上部面に基板が置かれる第1乃至第4ステージ212a−212dが形成された円板形状のテーブル210と、テーブル210を支持する支持柱220とを含む。第1乃至第4ステージ212a−212dは基板の形状と類似する円形に形成され得る。第1乃至第4ステージ212a−212dは支持部材200の中央を中心に同心円状に90°間隔に配置される。
支持部材200は駆動部290によって回転される。支持部材200を回転させる駆動部290は駆動モーターの回転数と回転速度を制御できるエンコーダーが設置されたステッピングモーターを使用することが望ましく、エンコーダーによって噴射部材300の1サイクル工程(第1反応ガス−ファジーガス−第2反応ガス−ファジーガス)時間を制御するようになる。
図示しないが、支持部材200は各々のステージで基板Wを昇降及び下降させる複数のリフトピン(図示せず)が具備され得る。リフトピンは基板Wを昇下降することによって、基板Wを支持部材200のステージから離隔させるか、或いはステージに安着させる。また、支持部材200の各ステージ212a−212dには安着された基板Wを加熱するヒーター(図示せず)が具備され得る。ヒーターは基板Wの温度を既設定された温度(工程温度)に上昇させるために基板を加熱する。
図1及び図2Bを参照すれば、供給部材500は第1ガス供給部材510a、第2ガス供給部材510b、及びファジーガス供給部材520を含む。第1ガス供給部材510aは基板w上に所定の薄膜を形成するための第1反応ガスをノズル部の第1チャンバー320aへ供給し、第2ガス供給部材510bは第2反応ガスを第3チャンバー320cへ供給し、ファジーガス供給部材520はファジーガスを第2及び第4チャンバー320b、320dへ供給する。例えば、第1反応ガスと第2反応ガスとは基板W上に形成しようとする薄膜の造成原料物質を含むガスである。薄膜蒸着工程は互いに異なる複数の反応ガスを提供し、基板表面で反応ガスを化学的に反応させることによって、基板上に所定の薄膜を形成するようになる。そして、薄膜蒸着洗浄工程では、反応ガスが提供される間に基板上部に残留する未反応ガスをファジーさせるためのファジーガスが提供される。
本実施形態では2つの互いに異なる反応ガスを供給するために2つのガス供給部材が使用されたが、工程特性によって3つ以上の互いに異なる反応ガスを供給できるように複数個のガス供給部材が適用され得ることは当然である。
図1、図2A、図2B、及び図4を参照すれば、噴射部材300は支持部材200に置かれた4枚の基板の各々にガスを噴射する。
噴射部材300は第1、2反応ガス、及びファジーガスが供給部材500から供給される。噴射部材300は円板形状の上部プレート302と、中央ノズル部310、サイドノズル部360、第1乃至第4バッフル320a−320d、プラズマ発生器340、及び高低調節器350を含む。
中央ノズル部310は上部プレート302の中央部に設置される。中央ノズル部310は供給部材500から供給された第1、2反応ガス、及びファジーガスを第1乃至第4バッフル320a−320dの各々に独立に噴射する。中央ノズル部310は4つのチャンバー311、312、313、314を有する。第1チャンバー311には第1反応ガスが提供され、第1バッフル320aへ第1反応ガスを供給するための噴射口311aが側面に形成される。第3チャンバー313には第2反応ガスが提供され、第3バッフル320cへ第2反応ガスを供給するための噴射口313aが側面に形成される。第1チャンバー311と第3チャンバー313との間に位置する第2チャンバー312と第4チャンバー314とにはファジーガスが提供され、第2バッフル320bと第4バッフル320dとへファジーガスを供給するための噴射口312a、314aが側面に形成される。中央ノズル部310の噴射口311aは横スリム形又は多孔形等に多様に構成することができる。また、中央ノズル部310の噴射口311aは単層又は複層で構成することができる。また中央ノズル部310の噴射口311aは放射形にガスが噴射されるように傾いた噴射角度を有することができる。
サイドノズル部360は第1乃至第4バッフル320a−320dを区画する仕切りの各々に設置される。サイドノズル部360は1つのバッフルに2個が一対をなすように中央ノズル部を中心にV字形態に配置される。4つのバッフルを有している噴射部材300には合計8つのサイドノズル部360が提供される。サイドノズル部360は基板の処理面へ提供されるガスの流れ(密度、速度)を改善して薄膜の品質を向上するためのものである。1つのバッフルに設置される2つのサイドノズル部360は基板の中心(バッフル空間)を基準に互いに対称に配置される。
サイドノズル部360は棒形状に内部通路362と一面に複数の噴射口364とを有する。サイドノズル部360は中央ノズル部310の各チャンバー311、312、313、314を通じてガスが供給される。このために、サイドノズル部360は内部通路362が中央ノズル部310の各チャンバーと連通される。サイドノズル部360の噴射口364は位置にしたがってその大きさが異なり得る。図2A及び図4で示すように、噴射口364の大きさは中央ノズル部310に近いほど、小さく、中央ノズル部310から遠くなるほど、大きい。このように噴射口364の大きさを異ならせたたことは、中央ノズル部310と近い中央側領域では、中央ノズル部310およびサイドノズル部360間の距離が小さいので、少ないガス量でも充分なガス供給及び密度維持が可能であるためである。そして、中央ノズル部310と相対的に遠い縁側領域では、中央ノズル部310およびサイドノズル部360間の距離が大きいので、充分なガス供給(密度維持)のためにより多いガス量を噴射するためである。
サイドノズル部360の噴射口364は基板と水平な噴射角度を有することができるが、必要によっては基板に向かって(又は縁に向かって)傾いた噴射角度を有することができる。
図7には基板の処理面と水平な方向にガスを噴射するように水平な噴射角度を有する噴射口364を示すサイドノズル部360と、基板の処理面に向かって斜めにガスを噴射するように下向きに傾いた噴射角度を有する噴射口364を示すサイドノズル部360とが図示されている。
一方、サイドノズル部360は中央ノズル部310ではない別の供給ラインを通じて直接ガスが供給されることができる。この場合、供給ライン(サイドノズル部へガスが引き込まれる位置)はサイドノズル部360の中央付近に連結されることが望ましい。サイドノズル部360は供給ラインを通じて直接ガスが供給される場合、噴射口364の大きさはガス供給地点に近いほど、小さく、遠くなるほど、大きい。
上記のように、本発明の噴射部材300は中央ノズル部310と一対のサイドノズル部360を通じて3方向でガスが噴射されることによって基板の処理面の全体に均一なガス供給が可能である。また、ガスが基板に向かって3方向で噴射されることによって渦流現象を最少化して薄膜形成の時、薄膜品質を高くすることができる。
第1乃至第4バッフル320a−320dは中央ノズル部310及びサイドノズル部360から提供されたガスを基板が各々に対応する位置で基板の処理面の全体に提供するための独立された空間を有する。第1乃至第4バッフル320a−320dは上部プレートの底面に設置される仕切り309によって区画される。
第1乃至第4バッフル320a−320dは中央ノズル部310を中心に90°間隔に区画された扇形模様に上部プレート302下に放射状に配置される。第1乃至第4バッフル320a−320dは中央ノズル部310の噴射口311a、312a、313a、314a及びサイドノズル部360の噴射口と各々連通される。第1乃至第4バッフル320a−320dは支持部材200と対向される底面が開放されたタイプに形成される。
第1乃至第4バッフル320a−320dの各々の独立空間には中央ノズル部310及び一対のサイドノズル部360から提供されるガスが供給され、これらは開放された底面を通じて基板に自然に提供される。第1バッフル320aには第1反応ガスが提供され、第3バッフル320cには第2反応ガスが提供され、第1バッフル320aと第3バッフル320cとの間に位置する第2バッフル320bと第4バッフル320dには第1反応ガスと第2反応ガスの混合を防ぎ、未反応ガスをファジーするためのファジーガスが提供される。
例えば、噴射部材300は第1乃至第4バッフル320a−320dを90°間隔にして扇形に形成したが、本発明はこれに制限されることではなく、工程目的や特性によって45°間隔又は180°間隔に構成することもでき、各々のバッフル大きさを異ならせて構成することもあり得る。
本発明によると、基板は支持部材200の回転にしたがって第1乃至第4バッフル320a−320d下に順次的に通過するようにし、基板が第1乃至第4バッフル320a−320dを全て通過すれば、基板W上に一層の薄膜が蒸着される。そして、このように基板を持続的に回転させることによって基板上に所定厚さを有する薄膜を蒸着させることができる。
図6は中央ノズル部が省略された噴射部材300を示す図面である。
図6のように、噴射部材300は中央ノズル部が省略されているので、サイドノズル部360へのガス供給は別の供給ライン(図示せず)を通じて行われる。このように別の供給ラインを通じてガス供給が成される噴射部材300のサイドノズル部360は工程特性によってその高さを可変させ得る。
図5Aはプラズマ発生器を示す噴射部材の要部拡大断面図であり、図5Bは図5Aでプラズマ発生器が高低調節器によって下降した状態を示す図面である。
プラズマ発生器340は噴射部材300の少なくとも1つのバッフル上に上下方向に移動できるように設置され得る。本実施形態ではプラズマ発生器340が第3バッフル320c上に上下に移動できるように設置されたことを、例を挙げて説明しているが、必要によっては他のバッフル上にも設置されることができるのは当然である。
図2A、図2B、図5A、及び図5Bを参照すれば、プラズマ発生器340は第3バッフル320c区域に該当する上部プレート302に形成された開口304に設置される。プラズマ発生器340は第3バッフル320cとは相関なく、独立的に昇降移動が可能であるように設置される。プラズマ発生器340は気密維持のためにベローズ380によって囲まれる。図示しないが、噴射部材300が工程チャンバー内部空間に設置される場合、プラズマ発生器340は工程チャンバーの上部カバーを貫通して設置される別の昇降軸に連結され、工程チャンバーの外に位置される昇降軸は高低調節器によって昇降されるように構成されることができる。この場合、ベローズは工程チャンバーの上部カバーを貫通する昇降軸を囲むように設置される。本実施形態では噴射部材の上部プレートが工程チャンバーの上部カバーの一部として構成されているので、ベローズ380はプラズマ発生器340を囲むように開口304上に設置される。
プラズマ発生器340は第3バッフル320c上に具備されて第2反応ガスをプラズマ化させることによって、第2反応ガスの反応性を向上させ、第3バッフル320c内のプラズマ密度を増加させることによって、薄膜の蒸着速度を増加させ、膜質を向上させる。
プラズマ発生器340はガスをプラズマ状態に形成するための高周波電源が印加される複数の第1電極343と、第1電極343間に配置されバイアス電源が印加される第2電極344とを含む。第1電極343と第2電極344とはプラズマ発生器340の本体341の底面342の内側に同一平面上に設置される。第1、2電極343、344は棒形状で互いに交差しないように、同一間隔に配置される。第1、2電極343、344の設置方向は回転方向と直交する方向(回転中心を向かう方向にコーム(comb)タイプ(又は放射状)に設置される。ここで、第2電極にはその他の高周波電源が印加されることもあり得る。
プラズマ発生器340の本体底面342は支持部材200と対向するように形成される。第1電極343と第2電極344とによる影響が工程チャンバー内に及ぶことを防止できるようにプラズマ発生器340の本体341は石英又はセラミックの絶縁及び耐熱、耐化学性の材質でなされる。
本発明で基板wはプラズマ発生器340が設置された第3バッフル320c下を通りながら、プラズマ化された第2反応ガスによる表面処理が行われる。即ち、RFパワーとバイアスパワーとがプラズマ発生器340の第1、2電極343、344へ印加され、第2反応ガスが中央ノズル部310及び一対のサイドノズル部360を通じて第3バッフル320cへ供給されれば、第2反応ガスは第3バッフル320c上に設置されたプラズマ発生器340で発生した誘導磁気場によってプラズマ状態に励起された後、基板上へ提供される。
高低調節器350は工程チャンバー外部に設置され、プラズマ発生器340と基板との間隔調節のためにプラズマ発生器340を昇降させる。
即ち、本発明はプラズマ発生器340の上下移動のための高低調節器350を具備して基板状態、使用ガス、使用環境にしたがって基板とプラズマ発生領域(第3バッフル空間)との距離(間隔)を調節して薄膜を形成することができる。
ここで、プラズマ発生器340の昇降の高さはサイドノズル部の噴射口を塞がない範囲内で行われる。
本発明の薄膜蒸着装置はセミリモートプラズマ形態にプラズマ発生器を噴射部材に装着して一般的なリモートプラズマ発生器より基板との離隔距離を数mm乃至数十mm距離を維持した状態で反応ガスの直接的な分解を通じるラジカル化して基板に薄膜を形成することができる。特に、本発明に適用されたプラズマ発生器は第1電極と第2電極とを同時に配置してプラズマを発生させることによってチャンバー及び本体等に別の追加装備を付着しなくとも良い。
一般的なシングル設備の場合、サセプタを上下移動してプラズマ発生領域と基板との間隔を調節するが、本発明ではプラズマ発生器のみを別に独立昇降構造を採択して基板の状態、使用ガス、環境等にしたがってプラズマ発生器と基板の間隔を調節して薄膜を形成することができる。
本発明は少なくとも異なる2つの気体(ガス)を基板上に順次的に噴射して基板表面を処理する設備に適用できる。そのような実施形態の中で望ましい実施形態に薄膜蒸着工程で使用されるバッチ式薄膜蒸着装置を例として説明したことであり、本発明は高密度プラズマ(HDP)を利用する薄膜蒸着装置、原子層蒸着装置にも適用することができ、プラズマを使用した蒸着、蝕刻装置にも適用することができる。
以上の説明は本発明の技術思想を例示的に説明したことに過ぎないので、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施形態は本発明の技術思想を限定することではなく、単なる説明するためのことであり、このような実施形態によって本発明の技術思想の範囲が限定されない。本発明の保護範囲は下の請求の範囲によって解釈しなければならないし、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれることとして解釈するべきである。
10 薄膜蒸着装置、
100 工程チャンバー、
200 支持部材、
212a〜d 第1〜第4ステージ、
300 噴射部材、
302 上部プレート、
309 仕切り、
310 中央ノズル部、
311、312、313、314 チャンバー、
320a〜d 第1〜第4バッフル、
360 サイドノズル部、
500 供給部材。

Claims (9)

  1. 基板処理装置に使用される噴射部材において、
    円板形状の上部プレートと、
    前記上部プレートの底面に放射状に設置される仕切りによって区画される少なくとも4つのバッフルと、
    前記少なくとも4つのバッフルの各々にガスを噴射するために前記仕切りに横方向に設置されるサイド噴射部と、を含むことを特徴とする基板処理装置に使用される噴射部材。
  2. 前記サイド噴射部は、
    ガスが流れる内部通路と、前記内部通路に流れるガスが噴射される噴射口を有する棒形状のインジェクタであることを特徴とする基板処理装置に使用される請求項1に記載の噴射部材。
  3. 前記噴射口は、
    前記上部プレートの中央で縁に行くほど、その大きさが大きいことを特徴とする基板処理装置に使用される請求項2に記載の噴射部材。
  4. 前記噴射口は、
    基板の処理面と水平な方向にガスを噴射するように水平な噴射角度を有することを特徴とする基板処理装置に使用される請求項2に記載の噴射部材。
  5. 前記噴射口は、
    基板の処理面に向かって斜めにガスを噴射するように下向きに傾いた噴射角度を有することを特徴とする基板処理装置に使用される請求項2に記載の噴射部材。
  6. 前記噴射部材は、
    前記上部プレートの中央部に設置され、外部から供給される少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを前記少なくとも4つのバッフルの各々に独立噴射する少なくとも4つの噴射口を有する中央ノズル部をさらに含むことを特徴とする基板処理装置に使用される請求項1又は請求項2に記載の噴射部材。
  7. 前記サイドノズル部は前記中央ノズル部を通じてガスが供給されることを特徴とする基板処理装置に使用される請求項6に記載の噴射部材。
  8. 基板処理装置において、
    複数の基板が収容されて基板処理工程が遂行される工程チャンバーと、
    前記工程チャンバーに設置され、同一平面上に複数の基板が置かれる支持部材と、
    前記支持部材と対向されるように設置され、少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを前記支持部材に置かれた複数の基板の各々に対応する位置で独立的に噴射できるように独立された複数個のバッフルを有する噴射部材と、
    前記噴射部材のバッフルが前記支持部材に置かれた複数の基板が各々に順次旋回するように前記支持部材又は前記噴射部材を回転させる駆動部と、を含み、
    前記噴射部材は、
    上部プレートと、
    前記複数個のバッフルが区画されるように前記上部プレートの底面に設置される仕切りと、
    前記仕切りに設置され、少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを各々の該当される前記バッフルへ噴射させるサイドノズル部と、を含むことを特徴とする基板処理装置。
  9. 前記噴射部材は、
    前記上部プレートの中央に設置され、外部から供給される少なくとも1つ以上の反応ガス及びファジーガスを各々の該当される前記バッフルへ噴射させる中央ノズル部をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の基板処理装置。
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