KR100378871B1 - 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원료가스를 균일하게 분포시키기 위한 제1 버퍼부와 플라즈마 가스를 균일하게 분포시키기 위한 제2 버퍼부를 가지도록 소정 간격을 가지는 2단계의 샤워헤드를 구비하되, 상기 샤워헤드 내부에서 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 내로 분사되는 원료가스의 분포를 일정하게 유지시켜 줌으로서 웨이퍼나 기판에 균일한 박막을 형성할 수 있는 라디칼증착을 위한 샤워헤드장치에 관한 것이다.
본 발명은 원료가스 주입관으로부터 주입되는 가스가 고르게 분포되도록 하기 위하여 상하층으로 구획된 제1 버퍼부가 형성되며, 상기 제1 버퍼부내에 분포된 원료가스가 일정유속으로 분사되도록 하기 위해 그 저면판에 다수의 원료가스 분사홀이 형성된 원료가스 분사수단; 상기 원료가스 분사수단과의 사이에 플라즈마 발생가스를 균일하게 분포시키기 위한 제2 버퍼부가 형성되며, 상기 제2 버퍼부내에 분포된 플라즈마 발생가스를 분사하기 위해 그 저면판에 다수의 플라즈마 발생가스 분사홀과 관통홀이 각각 형성된 플라즈마 발생가스 분사수단; 상기 원료가스 분사수단의 원료가스 분사홀과 상기 플라즈마 발생가스 분사수단의 관통홀을 연통시키며, 원료가스와 플라즈마 발생가스가 혼합되지 않도록 유도하는 수단; 및 상기 원료가스 분사수단의 외부 일측에 설치되며, 그의 저면판에 외부의 RF전원을 걸어주기 위한 RF로드를 구비한 RF발생수단을 포함하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치를 제공한다.

Description

라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치{showerhead apparatus for radical assisted deposition}
본 발명은 반도체 제조공정을 수행하기 위한 화학기상증착장비(Chemical Vapor Deposition)에서 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치에 관한 것으로, 특히 샤워헤드를 2단계 구조로 형성하되, 여기서 플라즈마가 발생되도록 하여 대구경 웨이퍼나 기판에 박막을 증착함에 있어 박막의 균일성을 향상시키며, 증착효율을 높이고, 파티클 발생을 최소화할 수 있는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 제조공정에서 웨이퍼 또는 기판에 박막을 증착하기 위한 기상화학증착장치에서는 고품질의 박막을 낮은 온도에서 증착하기 위하여 플라즈마를 이용하여 원료가스를 활성화시켜 웨이퍼나 기판에 박막을 증착시키도록 하고 있다. 여기서, 종래의 플라즈마 발생장치를 도1a를 통하여 간략히 살펴보면 다음과 같다.
도1a는 일반적인 플라즈마 발생장치의 전체구성을 나타낸 개략도로서, 하부에 배기구(106)가 형성된 챔버(107)와, 상기 챔버(107)의 상면 중앙 내부로 관통하여 플라즈마 발생가스를 주입하기 위한 가스주입관(102)과, 쉴더(shielder)(104)에 의해 감싸여진 상태로 상기 가스 주입관(102)의 하단부에 장착되며, 다수의 홀이 형성되어 가스주입관(102)으로부터 유입되는 플라즈마 발생가스를 분사하기 위한 샤워헤드(110)와, 상기 샤워헤드(110) 하측에 장착되어 플라즈마를 사용할 경우 원료가스 주입관(101)에서 공급되는 원료가스를 분사하는 샤워링(shower-ring)(103)과, 상기 샤워링(103)에서 분사되는 가스에 의해 박막이 증착되는 기판(108)과, 상기 기판(108)을 지지하며 그에 소정 열원을 제공하는 히터(109)로 구성되어 있다.
여기서, 상기 가스주입관(102)이 관통하는 부위의 챔버(107) 상판에는 외부의 RF전원(도시하지 않음)을 인가받아 플라즈마를 발생시키기 위한 전극판이 구비된 절연부(105)가 설치되어 있으며, 상기 샤워링(103)은 플라즈마 발생장치와 분리되게 설치된 구조로 되어 있다.
상기와 같은 종래의 구조에서는 상기 샤워헤드(110)를 통과하는 플라즈마 발생가스에 샤워링(103)이 직접 노출되기 때문에 플라즈마에 의한 온도상승으로 인하여 원료가스의 정밀한 온도조절이 불가능하다. 이로 인해 성장 박막의 막질을 저하시키는 원인이 되고 있다. 또한, 대구경 웨이퍼를 사용할 경우에 웨이퍼전면에 균일한 원료가스의 분사가 어려워 균일한 박막의 형성이 불가능해지고, 샤워링과 웨이퍼의 거리 또는 상기 샤워링과 기판과의 거리가 멀어서 원료가스의 증착효율이 떨어지는 문제점을 내포하고 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본원출원인의 특허등록 제99-0243446호에서는 상하부에 각각 버퍼부를 갖는 2단계의 샤워헤드를 구비하여 플라즈마내로 분사되는 원료가스의 분포를 일정하게 유지시켜 줌으로서, 웨이퍼나 기판에 균일한 박막을 형성할 수 있는 플라즈마 발생부를 갖는 샤워헤드장치가 제안되었다.
도1b는 상기의 플라즈마 발생부를 갖는 샤워헤드장치의 개략도이다. 상기 샤워헤드장치는 상하부에 각각 버퍼부(201a, 202a)를 갖는 2단계의 제1 및 제2 샤워헤드(201, 202)를 갖는다. 여기서, 상기 제1 샤워헤드(201)의 상부 제1 버퍼부(201a)에서 플라즈마를 발생시키고 제2 버퍼부(202a)를 관통하는 플라즈마 분사홀(201b)을 통하여 플라즈마를 기판(203)상에 분사하며, 상기 제2 샤워헤드(202)의 제2 버퍼부(202a)에 원료가스를 주입하고, 제2 버퍼부(202a)의 저면판에 다수 형성된 원료가스 분사홀(202b)을 통하여 원료가스를 분사하는 구조로 되어 있다. 상기와 같은 종래의 샤워헤드장치에서는 발생된 플라즈마를 제2 버퍼부를 관통하는 긴 플라즈마 분사홀을 통하여 챔버로 유입시킴으로서 양이온, 전자, 라디칼 등의 플라즈마 구성입자가 분사홀 내부에서 상호 충돌하거나 분사홀 내벽과 충돌하는 확률 및 횟수가 증가하여 에너지를 소실함으로써 플라즈마 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한 제2 버퍼부에 형성된 다수의 플라즈마 분사홀로 인하여 제2 버퍼부내에 유입된 원료가스가 그의 내부에서 심하게 와류를 일으켜, 샤워헤드 내부를 오염시키고 다량의 파티클이 발생하는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원료가스를 균일하게 분포시키기 위한 제1 버퍼부와 플라즈마 가스를 균일하게 분포시키기 위한 제2 버퍼부를 가지도록 소정 간격을 가지는 2단계의 샤워헤드를 구비하되, 상기 샤워헤드 내부에서 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 내로 분사되는 원료가스의 분포를 일정하게 유지시켜 줌으로서 웨이퍼나 기판에 균일한 박막을 형성할 수 있는 라디칼증착을 위한 샤워헤드장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제1 버퍼부와 제2 버퍼부를 갖는 2단계 샤워헤드의 구조를 간단하게 하면서 저온공정에서 고품질의 박막을 형성할 수 있도록 한 라디칼증착을 위한 샤워헤드장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도1a는 일반적인 플라즈마 화학기상증착장치의 구성을 나타낸 개략도.
도1b는 종래의 플라즈마 발생부를 가지는 샤워헤드의 일실시예 구성을 나타낸 정면도.
도2는 본 발명에 의한 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치의 일실시예 구성을 나타낸 정면도.
도3은 본 발명의 요부인 제2 샤워헤드의 저면판의 구성을 나타낸 평면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 챔버 11: 상부 플레이트
12: 제1 히터 13: 하부 플레이트
14: 원료가스 주입관 15: 제1 샤워헤드
15a: 제1 버퍼부 15b, 18b: 저면판
15c: 원료가스 분사홀 16: 중간판
17: 지지핀 18: 제2 샤워헤드
18a: 제2 버퍼 18c: 플라즈마 발생가스 분사홀
18d: 관통홀 19: RF전원부
18d: RF로드 19: RF컨넥터
20: 유도관 21 내지 23: 제1 내지 제3 절연부재
24: 플라즈마 가스 주입관 25: 플라즈마 가스 버퍼부
25a: 플라즈마 가스 분배홀 26: 가스통로
27: 유량조절계 31: 배기포트
32: 기판 33: 제2 히터
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원료가스 주입관으로부터 주입되는 가스가 고르게 분포되도록 하기 위하여 상하층으로 구획된 제1 버퍼부가 형성되며, 상기 제1 버퍼부내에 분포된 원료가스가 일정유속으로 분사되도록 하기 위해 그 저면판에 다수의 원료가스 분사홀이 형성된 원료가스 분사수단; 상기 원료가스 분사수단과의 사이에 플라즈마 발생가스를 균일하게 분포시키기 위한 제2 버퍼부가 형성되며, 상기 제2 버퍼부내에 분포된 플라즈마 발생가스를 분사하기 위해 그 저면판에 다수의 플라즈마 발생가스 분사홀과 관통홀이 각각 형성된 플라즈마 발생가스 분사수단; 상기 원료가스 분사수단의 원료가스 분사홀과 상기 플라즈마 발생가스 분사수단의 관통홀을 연통시키며, 원료가스와 플라즈마 발생가스가 혼합되지 않도록 유도하는 수단; 및 상기 원료가스 분사수단의 외부 일측에 설치되며, 그의 저면판에 외부의 RF전원을 걸어주기 위한 RF로드를 구비한 RF발생수단을 포함하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도2 및 도3의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치는 원료가스와 플라즈마 발생가스를 서로 분리하여 분사시키되, 상기 플라즈마를 이용하여 원료가스를 활성화시킴으로서 박막의 균일성과 막질을 제고시킬 수 있도록 구현한 것으로, 본 실시예에서는 도2에 도시한 바와 같이 공정을 진행하기 위한 용기인 챔버(10)의 내측 상부에 설치되며 그 내부에 원료가스의 온도를 균일하게 유지시켜 주기 위해 가열하는 제1 히터(12)가 구비된 샤워헤드 상부 플레이트(11)와, 그 측면이 챔버(10)에 고정되며 상기 상부 플레이트(11)를 지지하는 하부 플레이트(13)와, 상기 상부 플레이트(11)의 중앙부에는 그를 관통하여 원료가스를 공급하기 위한 원료가스 주입관(14)과, 상기 원료가스 주입관(14)의 소정위치에 구비되어 가스의 유입유량을 조절하는 유량조절계(27)가 설치된다.
또한, 상기 상부 플레이트(11)의 내부에는 원료가스 주입관(14)으로부터 주입되는 가스를 균일하게 분포시키기 위해 제1 버퍼부(15a)가 형성되며, 상기 제1버퍼부(15a)내에 분포된 원료가스가 일정유속으로 분사되도록 하기 위해 그 저면판(15b)에 다수의 원료가스분사홀(15c)이 형성된 제1 샤워헤드(15)가 설치된다.
여기서, 상기 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)은 전극판으로 형성되어 후술할 RF전원부로부터 인가되는 RF에 의해 플라즈마가 발생되도록 한다. 또한, 제1 샤워헤드(15)에는 그의 제1 버퍼부(15a)를 상하층으로 구획하되 상층 공간부에 분포된 원료가스를 하층의 공간부로 균일하게 분포시키기 위해 다수의 배출홀(16a)이 형성된 중간판(16)과, 상기 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b) 외주 근처에 직립되게 설치되며 그와 중간판(16) 사이의 하층공간부를 형성하기 위하여 상기 중간판(16)을 지지하는 지지핀(17)이 구비되어 있다.
상기 제1 샤워헤드(15)의 하부에는 그와의 사이에 플라즈마 발생가스의 유속분포를 고르게 하기 위한 제2 버퍼부(18a)가 형성되며 상기 제2 버퍼부(18a)내에 분포된 플라즈마 발생가스를 분사하기 위해 그 저면판(18b)에 다수의 플라즈마 발생가스 분사홀(18c)이 형성된 제2 샤워헤드(18)가 구비된다. 이때, 도3에 도시한 바와 같이 상기 제2 샤워헤드(18)의 저면판(18b)에 형성된 분사홀(18c) 주위에는 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)에 형성된 홀(15c)과 대향하는 관통홀(18d)이 형성되어 있다.
상기 제1 샤워헤드(15)의 외부 일측에는 상부 플레이트(11)를 직립되게 관통하여 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)에 외부의 RF전원을 걸어주기 위한 RF로드(19a)와 RF커넥터(19b)가 구비된 RF전원부(19)가 장착된다.
한편, 상기 원료가스와 플라즈마 발생가스가 혼합되지 않도록 유도하기 위하여, 그 일측이 상기 제1 샤워헤드(15)의 원료가스분사홀(15c)에 장착되며 그 타측은 상기 제2 샤워헤드(18)의 관통홀(18d)을 관통한 절연체의 유도관(20)이 설치된다.
상기 RF전원부(19)의 RF로드(19a) 외면에는 제1 절연부재(21)가 설치되며, 상기 제1 샤워헤드(15)의 제1 버퍼부(15a) 상부와 상부 플레이트(11) 사이에는 상기 제1 버퍼부(15a)를 커버하기 위한 제2 절연부재(22)가 설치된다. 또한, 상기 제2 샤워헤드(18)의 제2 버퍼부(18a) 외주연부에는 그의 상하 폭간격을 유지하기 위한 제3 절연부재(23)가 설치된다. 여기서, 상기 제2 및 제3 절연부재(22, 23)는 하부플레이트(13)에 의해 지지되며, 또 상기 제1 내지 제3 절연부재(21, 22, 23)는 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)에 인가되는 RF전원을 전기적으로 절연시켜주는 기능을 한다.
상기 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)의 상면 일측에는 제2 샤워헤드(18)의 제2 버퍼부(18a)에 플라즈마 가스를 공급하기 위한 플라즈마 가스 도입관(24)이 설치된다. 또한, 상기 플라즈마 가스 도입관(24)과 연통할 수 있도록 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b) 일측 상면에는 그 저부에 플라즈마 가스 분배홀(25a)이 형성된 플라즈마 가스 버퍼부(25)가 형성되며, 상기 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)과 제3 절연부재(23) 사이에는 상기 플라즈마 가스 분배홀(25a)과 연통하여 플라즈마 가스를 제2 버퍼부(18a)에 유입시키기 위한 가스통로(26)가 형성된다.
미설명부호 31은 상기 챔버(10)내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기포트이며, 32는 상기 제2 샤워헤드(18)에서 분사되는 플라즈마 발생가스에 의해 활성화된 원료가스가 증착되어 박막을 형성하는 웨이퍼 또는 기판이며, 33은 상기 기판(32)을 지지하며, 상기 기판(32)에 소정의 열원을 제공하는 제2히터를 나타낸다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 플라즈마 발생가스 도입관(24)으로부터 제공되는 가스가 가스버퍼부(25)의 플라즈마 가스 분배홀(25a)과 가스통로(26)를 통하여 제2 샤워헤드(18)의 제2 버퍼부(18a)에 도입되면, RF전원부(19)로부터의 전원을 상기 RF로드(19a)를 통하여 상기 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)에 인가함으로서 플라즈마를 발생시킨다. 상기 발생된 플라즈마는 제2 버퍼부(18a)내에서 일정한 유압분포를 이루면서 제2 샤워헤드(18)의 저면판(18b)에 형성된 플라즈마 발생가스 분사홀(18c)을 통하여 기판(32)에 분사된다. 또한, 상기 원료가스 주입관(14)으로부터 원료가스가 제1 샤워헤드(15)의 제1 버퍼부(15a)에 형성된 상층 공간부에 도입되고, 이 가스는 다시 중간판(16)의 홀(16a)을 통하여 제1 버퍼부(15a)의 하층 공간부에 유입되어 원료가스의 유압이 고르게 분포된다. 이때, 상기 상부 플레이트(11)에 내장된 히터에 의해 상기 제1 샤워헤드(15)의 제1 버퍼부(15a)에 분포되어 있는 원료가스의 온도를 일정하게 유지시켜 준다.
그리고, 상기 제1 샤워헤드(15)의 제1 버퍼부(15a)에 분포되어 있는 원료가스는 제1 샤워헤드(15)의 저면판(15b)에 형성된 분사홀(15c)과 제2 샤워헤드(18)의저면판(18b)에 형성된 관통홀(18d)을 연통시키는 유도관(20)을 통하여 기판(32)상에 분사된다.
이와 같이, 제1 샤워헤드(15)의 제1 버퍼부에 분포되었다가 유도관(20)을 통과한 원료가스와, 제2 샤워헤드(18)의 분사홀(18c)을 통과한 플라즈마 발생가스의 중성 라디칼은 서로 분리된 상태로 기판상에 분사되고, 이 과정에서 상기 원료가스와 중성 라디칼의 반응이 방지되어 파티클 발생에 주원인이 되는 기상반응을 억제하고 웨이퍼나 기판(32)에 균일하고 우수한 막질의 박막을 형성할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환과 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 플라즈마 발생부와 원료가스 분사부가 일체화된 2단계 구조의 샤워헤드를 구성함으로서 종래의 플라즈마 발생을 이용한 증착방법에서 문제점으로 작용하고 있던 이온 및 전자 충돌, 주입등을 방지할 수 있으며, 원료가스로 금속유기(metal organic source) 또는 금속무기(metal inorganic source)를 사용하였을 때, 존재하던 박막내의 탄소(C), 수소(H), 염소(Cl), 브롬(Br)등과 같은 불순물과 다량의 파티클 혼입을 억제할 수 있다. 또한, 샤워헤드장치로부터 발생된 라디칼이 챔버로 유입되는 경로를 최소로 유지하여라디칼의 효율을 극대화할 수 있고, 저온공정에서 고품질의 박막을 형성할 수 있어 공정의 신뢰성을 향상시키며, 제품의 제조수율을 향상시키는 효과를 가진다.

Claims (9)

  1. 원료가스 주입관을 통해 공급되는 원료가스와, 플라즈마 가스 도입관을 통해 공급되는 플라즈마 가스에 RF전원을 인가하여 생성한 플라즈마를 각각 분리하여 챔버의 웨이퍼 또는 기판에 분사되도록 2단으로 구성된 제1, 제2 샤워헤드를 포함하는 샤워헤드장치에 있어서,
    상기 제1 샤워헤드의 상부에 형성된 제1 버퍼부에는 원료가스 주입관이 연통되고, 상기 제1 샤워헤드에는 상기 원료가스를 균일하게 분사하도록 다수의 원료가스 분사홀이 형성되며,
    상기 제2 샤워헤드는 상기 제1 샤워헤드의 하부에 설치되어 그 사이에 제2 버퍼부를 형성하고, 상기 제2 버퍼부에는 플라즈마 가스 도입관이 연통되며, 상기 제2 샤워헤드에는 상기 원료가스 분사홀과 유도관에 의해 연통되는 다수의 관통홀과 상기 플라즈마를 분사하기 위한 다수의 플라즈마 발생가스 분사홀이 형성되며,
    상기 제1 버퍼부에는 상기 제1 버퍼부를 상하층으로 구획하며, 상층 공간부에 분포된 원료가스를 하층의 공간부로 균일하게 분포시키도록 다수의 홀이 형성된 중간판이 설치되는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간판은 상기 제1 샤워헤드에 직립되게 설치되는 지지핀에 의해 지지 설치되는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 샤워헤드가 전극판이고, 상기 전극판에는 RF로드에 의해 상기 RF전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 RF로드의 둘레면에 설치된 제1 절연부재와, 상기 제1 버퍼부의 상부를 커버하도록 설치된 제2 절연부재 및, 상기 제2 버퍼부의 외주연부에 설치되어 상기 제2 버퍼부의 상하 폭간격을 유지하는 제3 절연부재를 더 포함하며,
    상기 제1, 제2, 제3 절연부재는 상기 제1 샤워헤드에 인가되는 상기 RF전원을 전기적으로 절연시켜 주는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 절연부재의 외부를 감싸도록 설치되는 상부 플레이트와,
    측면이 상기 챔버에 고정되며, 상기 상부 플레이트와 상기 제3 절연부재를 지지하는 하부플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 플레이트에 내장되어 상기 제1 버퍼부에 분포되어 있는 상기 원료가스를 일정한 온도로 유지시켜 주기 위해 가열하는 히팅수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료가스 주입관의 소정위치에 구비되어 상기 제1 버퍼부에 유입되는 가스의 유량을 조절하는 유량조절계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
  9. 제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 샤워헤드의 일측 상면에 형성되어 상기 플라즈마 가스 도입관과 연통되고, 저부에 플라즈마 가스 분배홀이 형성된 플라즈마 가스 버퍼부와,
    상기 제1 샤워헤드와 상기 제3 절연부재의 사이에 형성되며, 상기 플라즈마 가스 분배홀과 연통하여 플라즈마 가스를 상기 제2 버퍼부에 유입시키기 위한 가스통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라디칼 증착을 위한 샤워헤드장치.
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