KR101125086B1 - 성막장치 - Google Patents

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Abstract

[과제]
2종 이상의 가스를 이용하는 성막장치에 있어서, 균일한 막을 형성한다.
[해결수단]
성막 챔버(5)와 샤워헤드(1)를 갖춘 성막장치에 있어서, 상기 샤워헤드는 원료가스 확산실 및 반응가스 확산실을 구비하고, 상기 원료가스 확산실(135)과 원료가스 도입관(133)을 접속하는 가스통로(134)는 1단 이상의 다단으로 구성되며, 각 단은 2n-1(n은 단 수)로 표시되는 가스통로를 가지며, 제1단의 가스통로는 그 중심에 상기 원료가스 도입관이 접속되고, 제2단 이후의 각 가스통로는 그 중심에 앞단의 가스통로의 양 끝에 설치된 접속구멍이 접속하여 앞단의 가스통로와 연통하며, 마지막 단의 각 가스통로는 각 가스통로의 양 끝에 형성된 접속구멍에 의해 원료가스 확산실(135)에 접속되어 있다.

Description

성막장치{FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 성막장치에 관한 것이다.
CVD법이나 ALD법은 원료가스 및 반응가스(지원가스) 등 2종 이상의 가스를 이용하여 성막을 수행하는 방법이다. 이들 방법을 실시하는 성막 장치에서는 원료가스와 반응가스를 성막공간에 도입하기 전에 혼합시켜 버리면 CVD 반응(성막반응)이 발생해 버리기 때문에 이를 방지하기 위해 원료가스가 샤워헤드 구조를 통하여 성막공간에 도입되었을 때 처음으로 다른 가스와 접촉하도록 구성할 필요가 있다. 그러한 요건을 만족시키는 장치로서 원료가스 확산실과 반응가스 확산실을 샤워헤드 구조 내에 분리구획하여 개별적으로 설치하고, 각 가스가 혼합되지 않게 샤워헤드 구조를 통하여 성막공간으로 도입되도록 구성된 성막장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본특허공개 2005-129712호 공보(도 1, 단락 0017 등)
그러나 상기의 성막장치에서는 반응가스(지원가스)용의 제2 확산실로 연통된 반응가스 도입구와 원료가스용의 제1 확산실로 연통된 원료가스 도입구는 성막장치의 천정부에 간격을 두고 설치되어 샤워헤드 본체 내의 각 확산실에 연통되어 있기 때문에, 원료가스는 원료가스용 확산실의 중앙에서 약간 떨어진 부분으로부터 확산실로 도입되게 되고, 그 결과 확산실로부터 노즐을 통해 처리공간으로 도입된 후 웨이퍼 상에 균일하게 공급되지 못한다. 때문에 이 장치를 이용하여 성막하면 균일한 막을 형성할 수 없다는 문제가 있다.
여기서, 본 발명의 과제는 상기 종래기술의 문제점을 해결하는 것으로, 기판 상에 균일하게 가스를 도입하고, 균일한 막을 형성할 수 있는 CVD용 또는 ALD용의 성막장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 성막장치는 성막 챔버와 샤워헤드부를 구비한 성막장치에 있어서, 상기 샤워헤드부는 원료가스 확산실과 반응가스 확산실을 구비하고, 상기 원료가스 확산실과 원료가스 도입관을 접속하는 가스 통로는, 1단 이상의 다단으로 구성되고, 각 단은 2n-1(n은 단 수)로 표시되는 가스 통로를 가지며, 제1단의 가스 통로는 상기 원료가스 도입관에 접속되고, 제2단 이후의 각 가스 통로는 앞단의 가스 통로와 연통하며, 마지막 단의 각 가스 통로는 원료가스 확산실에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 가스 통로가 구성됨으로써 성막 챔버 내에 균일하게 원료가스를 도입하여 균일한 막을 형성하는 것이 가능해진다.
이 경우, 상기 제1단의 가스 통로는 그 중심에 상기 원료가스 도입관이 접속되고, 상기 제2단 이후의 각 가스 통로는, 그 중심에 앞단의 가스 통로의 양 끝에 설치된 접속 구멍이 접속되어 앞단의 가스 통로와 연통하며, 상기 마지막 단의 각 가스 통로는 각 가스 통로의 양 끝에 형성된 접속 구멍에 의해, 원료가스 확산실에 접속되어 있는 것이 바람직하고, 또한, 상기 원료가스 확산실은 반응가스 확산실의 저부에 배치되고, 원료가스 도입관은 반응가스 확산실의 벽면에 설치되며, 각 단에 형성된 상기 각 가스 통로는 원호 모양으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 가스통로는 2단으로 구성되며, 제1단의 가스 통로는 그 중앙에 상기 원료가스 도입관이 접속되고, 제2단의 각 가스 통로는, 그 중앙에 제1단의 가스 통로의 양 끝에 설치된 접속 구멍이 접속하여 제1단의 가스 통로와 연통하며, 각 가스 통로의 양 끝에 형성된 접속 구멍에 의해 사각형상의 원료가스 확산실의 네 귀퉁이에 접속되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 성막장치는, 반응가스를 도입하기 위한 비금속 파이프 바깥 둘레의 상부 및 하부에 떨어져 설치된 도체를 구비한 동축형 공진 캐비티와 마이크로파 공급회로로 된 플라즈마 생성수단으로, 상기 동축형 공진 캐비티 내부의 높이가 여진파장의 1/2의 정수배이고, 비금속 파이프의 한쪽 끝으로부터 주입된 가스가 비금속 파이프의 상기 도체를 설치하지 않은 영역에서 마이크로파에 의해 여기되며, 다른 쪽 끝으로부터 플라즈마화하여 방출되도록 구성된 플라즈마 생성수단을 상기 샤워헤드부의 상류측에 구비하고, 이 플라즈마 생성수단에 의해 플라즈마화 된 가스를 상기 반응가스 확산실로 도입하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이 플라즈마 생성수단을 구비함으로써 간단히 반응가스를 여기하는 것이 가능하다. 또한, 상기 동축형 공진 캐비티 내부가 여진파장의 1/2의 정수배의 높이이므로, 플라즈마 생성 전후에 발진 주파수가 변하지 않고, 플라즈마 생성수단을 구동함과 동시에 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 동축형 공진 캐비티에 냉각수단을 설치하고, 캐비티 내부에 냉각가스를 도입하여, 비금속 파이프의 도체를 설치하지 않은 영역을 냉각하도록 구성된 것이 바람직하고, 또한, 상기 비금속 파이프의 측벽이 2중이며, 이 측벽 사이에 냉각용 유체를 순환시키는 유체 순환수단을 갖추는 것이 바람직하다. 이러한 냉각수단을 갖추고 냉각시킴으로써 비금속 파이프 내벽의 에칭을 억제하고, 라디칼(radical)의 생성효율을 높일 수 있다.
또한, 반응가스 도입관과, 금속 와이어와, 와이어의 가열수단을 구비한 촉매실을 상기 샤워 헤드부의 상류부에 구비하여, 반응가스 도입관으로부터 도입된 가스가 가열된 금속 와이어에 의해 여기되고, 이 여기된 가스가 상기 반응가스 확산실에 도입되도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 성막장치에 의하면, 원료가스 확산실에 균일하게 가스를 도입하여, 진공 챔버 내에 균일하게 원료가스를 공급할 수 있으므로, 균일한 막을 형성할 수 있는 뛰어난 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시에 이용되는 성막장치의 샤워헤드 구조(1)를 설명하기 위한 단면모식도이다.
도 2 (a)는 링형 부재(13b), (b)는 제1 샤워판(13c) 및 (c)는 제 2 샤워판(13d)의 횡단면도이다.
도 3은 원료가스 도입관(133), 가스통로(134) 및 원료가스 확산실(135)의 배치관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 제 2 샤워헤드 구조(2)를 설명하기 위한 단면모식도이다.
도 5는 비금속 파이프 내면이 에칭된 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
도 6은 2중 파이프(22)에 대하여 설명하는 단면모식도이며, (a)는 2중 파이프(22)의 종단면도이고 (b)는 도 6(a) 중 선 A-A'로부터 본 단면도이고, (c)는 도 6(b) 중 선 B-B'로부터 본 단면도이다.
도 7은 제 3의 샤워헤드 구조(3)를 설명하기 위한 단면모식도이다.
도 8은 본 발명에 있어서 원료가스의 생성에 관하여, (a)는 그 일례를 설명하기 위한 모식적 구성도이며, (b)는 별도의 예를 설명하기 위한 모식적 구성도이다.
도 9는 본 발명에 있어서 원료가스의 생성을 설명하기 위한 또 다른 예를 나타내는 모식적 구성도이다.
도 10은 본 발명의 성막장치를 나타내는 단면모식도이다.
<부호의 설명>
1 제1 샤워헤드 구조 2 제 2 샤워헤드 구조 3 제 3 샤워헤드 구조
11 동축형 공진 캐비티 12 가스도입실 13 샤워헤드부
13a 원반형 부재 13b 링형 부재 13c 샤워판
13d 샤워판 14 마이크로파 공급수단 15 원료가스 도입장치
31 촉매실 32 반응가스 도입관 33 와이어
151 탱크 152 망 152a, 152b 망
43 원료 44 질량 유량 제어기 111 비금속 파이프
111a 노출부 112 상부 도체 113 하부 도체
122 세라믹 플랜지 123, 124 고정구 131 반응가스 확산실
132 반응가스 분출구멍 133 원료가스 도입관 134 가스통로
134a 가스통로 134b 가스통로 134c 접속구멍
134d 접속구멍 135 원료가스 확산실 136 원료가스 분출구멍
137 가스도입구 141 마그네트론 142 마이크로파 전원
143 안테나 144 동축케이블 211 가스원
212 가스관 213 버블 221 측벽
222 냉각용 유체통로 222a 상류부 222b 하류부
223 유입구 224 유출구 225 판
226 개구부 227 가스통로
우선, 본 발명의 제1 실시의 형태와 관련된 성막장치에 이용되는 제1 샤워 헤드 구조에 대해 도 1을 참조하여 설명한다.
샤워헤드 구조(1)는 상부의 동축형 공진 캐비티(11)와, 동축형 공진 캐비티(11)의 저부에 접속하여 설치된 반응가스 도입실(12)과, 반응가스 도입실(12)에 접속하여 설치된 샤워헤드부(13)로 이루어진다.
동축형 공진 캐비티(11)는, 예를 들어 동제나 알루미늄제로, 이 동축형 공진 캐비티(11)에는 캐비티 천정벽과 저벽을 관통하여 비금속 파이프(111)가 설치되어 있다. 이 비금속 파이프(111)의 상부에는 도시하지 않은 반응가스의 가스원이 유량 제어수단을 통하여 접속된다. 이 비금속 파이프(111)로서는 석영관, 사파이어관 또는 알루미나관을 이용할 수 있으나, 파티클을 더욱 감소시키기 위해 사파이어관이나 알루미나관을 이용하는 것이 바람직하다.
이 비금속 파이프(111)의 상부에는 그 주위를 감싸듯이 동심원 모양의 가동이 자유자재인 상부 도체(112)가 설치되며, 또한, 이 상부 도체(112)의 아래쪽에서는 동축형 공진 캐비티(11)의 저벽이 하부 도체(113)로서 기능하고 있다. 두 개의 도체 사이에서 비금속 파이프(111)는 노출되어 있으며, 이 노출부(111a)에 마이크로파가 조사된다. 또한, 도 1에서는 동축형 공진 캐비티(11)의 저벽이 하부 도체(113)로서 기능하고 있으나, 하부 도체(113)를 별도의 부재로 동축형 공진 캐비티(11)의 저부에 설치해도 좋다.
비금속 파이프(111)의 노출부(111a)의 영역에 있어서 플라즈마를 생성하기 위해서, 마이크로파 공급 수단(14)이 동축형 공진 캐비티(11)의 측벽면의 노출부(111a)에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 이 마이크로파 공급 수단(14)은 마이크로파를 발진하는 마그네트론(141)과, 이 마그네트론(141)을 작동시키기 위한 마이크로파 전원(142)과, 마그네트론(141)에 접속되어 마그네트론(141)으로부터 발진된 공진 주파수(예를 들어, 2.45GHz)의 마이크로파를 동축형 공진 캐비티(11)에 공급하는 안테나(143)와, 안테나(143)와 마그네트론(141)을 연결하는 동축 케이블(144)로 이루어진다. 마이크로파 전원(142)을 작동시키면 마그네트론(141)으로부터 마이크로파가 발진되고, 이 마이크로파가 동축 케이블(144)을 통하여 벽면에 설 치된 안테나(143)에 도달한다. 그리고 안테나(143)로부터 마이크로파가 동축형 공진 캐비티(11) 내에 공급되면, 비금속 파이프(111) 상부로부터 도입되고 있는 반응가스가 노출부(111a)의 영역에서 플라즈마 상태로 변하고, 가스 유로인 비금속 파이프(111)의 하부로부터 플라즈마화 한 가스로서 반응가스 도입실(12)로 공급된다. 이와 같이, 본 장치에서는 마이크로파를 전파하기 위한 도파관을 설치하지 않으므로, 마이크로파를 발진하면 즉각 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 도 1에서 안테나(143)를 하나만 설치하는 예를 설명했으나, 두 개 이상 설치해도 좋다. 또한, 상기와 같이 상부 도체(112)는 이동이 가능하므로, 그 위치를 바꿔 상부 도체(112)와 하부 도체(113) 사이의 전계의 발생 상태를 변화시킴으로써, 플라즈마의 생성 상태를 변화시키는 것이 가능하다.
그런데 일반적으로 플라즈마 생성공간에 있어서 플라즈마가 생성되면, 플라즈마 생성공간의 전계분포가 변하여 공진 주파수가 변하며, 플라즈마의 생성효율이 나빠져 버린다. 이 경우, 마이크로파 공급수단을 조정하면 마이크로파 발진과 플라즈마 생성 간에 시간 지연이 발생한다.
여기서, 제1 성막장치에서는 플라즈마 생성 전후에 공진 주파수가 변하지 않도록, 동축형 공진 캐비티(11) 내의 높이 L이 여진파장 1/2의 정수배가 되도록 구성되어 있다. 이는 동축형 공진 캐비티(11)의 전계분포가 플라즈마 생성 전에는 TM 모드로 되어 있으나, 플라즈마 생성 후에는 TEM 모드로 되는 것에 비추어보아, 각 모드에 있어서의 전기적 등가회로로부터 플라즈마 생성 전후의 각 공진 주파수를 구해, 이들의 공진 주파수가 같은 값이 되도록 계산함으로써 얻어진 것이다. 상기 구성에 의해 플라즈마 생성 전후에 공진 주파수의 변화를 억제하는 것이 가능하다.
이와 같이 동축형 공진 캐비티(11) 내의 높이 L을 설정하여도, 플라즈마 생성 후에 캐비티 내의 주파수가 근소하게나마 변동하는 경우도 있으므로, 제1 샤워 헤드 구조(1)의 마이크로파 공급 수단(14)에 여자전류 제어회로를 설치하는 것이 바람직하다. 이 제어회로는 동축형 공진 캐비티(11) 내에서의 플라즈마 발생 전후의 주파수를 모니터링하여 이 주파수가 변한 경우, 변화분에 대응하는 신호를 수신하여 이 신호에 상당하는 전류를 여자전류로서 마그네트론(141) 내의 도시하지 않은 여자 코일로 보냄으로써 공급하는 마이크로파의 파장이 일정하도록 구성된다.
또한, 동축형 공진 캐비티(11) 내의 주파수가 변한 상태로 마이크로파를 발진하면 플라즈마 생성실 내부에서 반사파가 발생하는 경우에는, 이 반사파를 검출하고, 검출한 반사파와 발진한 마이크로파의 진행파의 위상 차에 상당하는 전압을 마그네트론 내의 양극 전극에 중첩하여 인가하여, 공진 주파수에 접근하도록 동작하는 양극 전압 제어회로를 설치해도 좋다. 이 경우, 반사파는 마이크로파 공급수단에 있어서 열로 변환되므로, 양극 전압 제어회로를 설치한 경우에 반사파에 기인하는 열에 의해 회로가 손상을 입지 않도록 주의할 필요가 있다. 더욱이, 하부 도체(113) 중에 발진파장의 4분의 1의 길이에 상당하는 초크 구조를 설치하여, 노출부(111a)로부터 누설되는 마이크로파를 억제하도록 구성해도 좋다.
이와 같이 제1 샤워 헤드의 구조는 동축형 공진 캐비티(11) 내의 높이 L을 여진파장의 1/2의 정수배가 되도록 구성하고, 일정한 공진 주파수를 발진 가능하게 하며, 여자전류 제어회로 및 양극 전압 제어회로를 설치함으로써 플라즈마 생성 전 후에 공진 주파수가 벗어난다고 가정하더라도 주파수를 자동적으로 맞추도록 구성되어 있다. 더욱이 제1 성막장치는 마이크로파 발진과 플라즈마 생성에 시간 지연이 발생하지 않으므로, 플라즈마의 생성을 극히 짧은 간격, 예를 들면 0.5초 정도로 제어할 수 있고, 흡착 공정 및 개질 공정을 수 차례 반복하여 성막하는 ALD법에 상당히 적합하다.
이 동축형 공진 캐비티(11)의 비금속 파이프(111) 내에서 플라즈마에 의해 여기된 반응가스는 반응가스 도입실(12)을 거쳐, 샤워 헤드부(13)로 도입된다. 반응가스 도입실(12)은, 예를 들면 알루미늄제이며, 그 내벽에는 파티클 발생 방지를 위해 석영제 이너 라이닝(inner lining)를 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도 1에 나타냈듯이, 가스 도입실(12) 내벽의 아래쪽 영역(샤워 헤드부(13) 측)에 석영제 이너 라이닝을 설치해도 무방하나, 바람직하게는 내벽 전면에 석영제 이너 라이닝을 설치하는 것이다. 또한, 라디칼 상태의 가스를 파괴하기 어렵도록 반응가스 도입실(12)의 내벽 표면을 알마이트(alumite) 가공해도 좋다.
또한, 반응가스 도입실(12)은 도시하지 않은 냉각수단에 의해 냉각되어도 좋다. 반응가스 도입실(12)과 샤워헤드부(13)의 사이에는 세라믹 플랜지(122)(예를 들어 두께 10㎜)를 설치하여, 고정구(123, 124)로 고정시키고 있다. 이 세라믹 플랜지(122)는 샤워헤드부(13)의 열에 의해 반응가스 도입실(12)이 가열되지 않도록 열을 차단하기 위해 설치된 것으로 진공 밀봉 특성, 내열성, 열차단성에서 알루미나 세라믹인 것이 바람직하다.
샤워헤드부(13)는 원반형 부재(13a)와, 링형 부재(13b)와, 제1 샤워판(13c) 과, 제2 샤워판(13d)으로 이루어지며, 적절히 고정구(123)로 고정되어 있다. 원반형 부재(13a)에는 바람직하게는 도시하지 않은 히터 및 열전대가 설치되어, 히터에 의해 샤워헤드부(13)를 소정의 온도(예를 들면 150℃ 정도)가 되도록 가열하고, 가열된 온도를 열전대로 측정하여 모니터링할 수 있도록 구성된다. 또한, 원반형 부재(13a)에는 반응가스 도입실(12)과 연통하는 개구부가 형성되어 있고, 이 개구부와 링형 부재(13b)의 개구부로부터, 반응가스가 도입되어 확산되는 반응가스 확산실(131)이 구성되어 있다. 반응가스 확산실(131)은 석영제의 이너 라이닝이 내벽 전체에 설치되며, 그 밑면에는 복수의 반응가스 분출구멍(132)이 형성되어 있다. 이 반응가스 분출구멍(132)은 제1 샤워판(13c) 및 제2 샤워판(13d)을 관통하여 샤워헤드부(13)의 밑면까지 도달하게 된다.
더욱이, 원반형 부재(13a)에는 원료가스 도입장치에 접속하는 원료가스 도입관(133)이 설치되며, 이 원료가스 도입관(133)은 가스통로(134), 즉 링형 부재(13b)의 바깥 둘레부에 설치된 가스통로(134a) 및 제1 샤워판(13c)의 바깥 둘레부에 설치된 가스통로(134b)를 통해 제2 샤워판(13d)에 형성된 원료가스 확산실(135)에 접속되어 있다. 이 가스통로(134)는 하나 이상의 다단으로 구성되며, 각 단은 2n-1(n은 단 수)로 표시되는 개수의 가스통로(134a 및 134b)를 가지고 있다. 그리고 가스통로(134)는 상기 원료가스 도입관(133)과 제1단의 가스통로(134a)의 접속위치로부터 마지막 단의 가스통로(134b)와 원료가스 확산실(135)의 각 접속위치까지의 거리가 모두 같도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이 가스통로(134)에 관하여 도 2 및 도 3을 이용하여 상세히 설명한다. 도 2는 (a) 링형 부재(13b), (b) 제1 샤워판(13c) 및 (c) 제2 샤워판(13d)의 횡단면도이며, 도 3은 원료가스 도입관(133), 가스통로(134) 및 원료가스 확산실(135)의 배치관계를 설명하기 위한 설명도이다.
가스통로(134)는 링형 부재(13b)에 설치된 원호 모양의 하나의 가스통로(134a)와 제1 샤워판(13c)의 반응가스 분출구멍(132)이 형성되어 있는 영역의 주변부에 설치된 원호 모양의 두 개의 가스통로(134b)로 이루어진다. 가스통로(134a)의 중앙상부에는 원료가스 도입관(133)이 접속되어 있다. 그리고 가스통로(134a)의 양 끝의 저부에는 각각의 접속구멍(134c)이 형성되고, 이 각 접속구멍(134c)은 제1 샤워판(13c)에 설치된 가스통로(134b)의 각각의 중앙상부에 접속되어, 가스통로(134a)와 가스통로(134b)는 연통되어 있다.
또한, 가스통로(134b)의 각각의 양 끝의 저부에는 접속구멍(134d)이 형성되고, 이 접속구멍(134d)은 제2 샤워판(13d)에 설치된 원료가스 확산실(135)의 네 귀퉁이의 상부에 접속되며, 원료가스 확산실(135)에 원료가스가 접속구멍(134d)을 통해 균일하게 토출되도록 구성되어 있다.
이와 같이, 상기 원료가스 확산실(135)과 원료가스 도입관(133)을 접속하는 가스통로(134)는 2단 구성이며, 제1단의 가스통로(134a)는 그 중심에 상기 원료가스 도입관(133)이 접속되고, 제2단의 가스통로(134b)는 그 중심에 앞단의 가스통로(134a)의 양 끝의 저부에 설치된 접속구멍(134c)이 접속되어 앞단의 가스통로(134a)와 연통하고, 각 가스통로(134b)의 양 끝의 저부에 형성된 접속구멍(134d) 에 의해 원료가스 확산실(135)에 접속되어, 하나의 가스 유로로서 구성되어 있다. 그리고 이 가스통로(134)에서는 원료가스 도입관(133)으로부터 각 접속구멍(134d)까지의 거리는 어느 것이나 같아지도록 구성되어 있으므로, 원료가스가 동시에 원료가스 확산실에 동일한 양으로 도달하여, 균일하게 원료가스 확산실(135)로의 확산이 가능하다. 또한, 도면에는 가스통로를 2단 구성으로 하여 접속구멍(134d)을 4개 설치하고 있으나, 가스통로를 3단 이상으로 구성하여 접속구멍(134d)의 수를 증가시켜도 좋다. 예를 들면, 제1 샤워판의 저부에 제1 샤워판과 같은 반응가스 분출구멍을 형성하고, 가스통로를 4개 형성한 제3 샤워판을 설치하되, 제3 샤워판의 4개의 가스통로 각 중앙상부에 제1 샤워판의 접속구멍이 접속하도록 하고, 제3 샤워판의 각 가스통로의 양끝 부분에 제2 샤워판의 원료가스 확산실로의 접속구멍을 각각 형성하고, 즉 접속구멍을 8개 설치하고, 그에 병합하여 원료가스 확산실의 형상을 설치하여, 더욱 균등하게 가스가 원료가스 확산실 내로 확산되도록 구성해도 좋다. 또한, 도면에서는 원료가스 확산실은 사각형으로 되어 있으나, 원형이나 다른 다각형이어도 무방하다.
이 원료가스 확산실(135)에는 원료가스 분출구멍(136)이 설치되어 있으며, 이 원료가스 분출구멍(136)도 샤워헤드부(13)의 밑면까지 관통하고 있다. 이 경우, 균일하게 원료가스가 진공 챔버 내로 분출되도록 분출구멍의 컨덕턴스를 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시한 장치에서는 원료가스 분출구멍(136)을 구멍지름 Ф0.7~1㎜ 정도, 깊이 10㎜ 정도로 하여, 원료가스를 균일하게 진공 챔버 내로 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
반응가스 분출구멍(132)은 샤워헤드부(13)의 밑면까지 관통하고 있으므로, 이 샤워헤드부(13)의 밑면에는 반응가스 분출구멍(132)과 원료가스 분출구멍(136)이 각각 일정한 거리를 두고 매트릭스 형상으로 나열되어 있으며, 이로 인해 기판상에 치우침 없이 원료가스 및 반응가스가 조사되도록 구성되어 있다. 각 원료가스 분출구멍(136)의 중심간 거리와 각 반응가스 분출구멍(132)의 중심간 거리는 같은 거리(예를 들면, 14㎜)로 설정되어 있다. 이 경우, 원료가스 분출구멍(136)의 직경보다 반응가스 분출구멍(132)의 직경이 크며, 예를 들어 원료가스 분출구멍(136)의 직경을 1㎜라고 한다면, 반응가스 분출구멍(132)의 직경은 5㎜이다. 이는 개질공정에 있어서는 반응가스의 유량이 원료가스의 유량에 비해 많기 때문이다.
이와 같이 구성된 샤워헤드부(13)에서는 비금속 파이프(111)로부터 반응가스 도입실(12)을 거쳐 샤워헤드부(13)로 도입된 반응가스는 반응가스 확산실(131) 전체로 퍼져, 각 반응가스 분출구멍(132)을 거쳐 진공 챔버 내로 공급된다. 또한, 원료가스 도입관(133)으로부터 도입된 원료가스는 가스통로(134)에 가스통로(134a)의 중심부로부터 도입되며, 가스통로(134a)의 좌우로 균일하게 나뉘어 접속구멍(134c)을 통해 하단에 형성된 각 가스통로(134b)로 확산된다. 그리고 가스통로(134b)를 좌우로 균등하게 나누어 진행되고, 접속구멍(134d)으로부터 원료가스 확산실(135)로 균일하게 확산되며, 이후 원료가스 확산실(135)의 밑면의 각 원료가스 분출구멍(136)으로부터 진공 챔버 내로 균일하게 공급된다.
이하, 본 발명의 제 2 실시의 형태에 따른 성막장치에 이용되는 제2 샤워헤드 구조에 대해 설명한다.
도 4는 제2 샤워헤드 구조(2)의 모식도이며, 도 1과 같은 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 있다. 도 1에 표시한 제1 샤워헤드 구조(1)를 갖춘 성막장치를 이용하여 극히 다량으로 기판을 처리하여 성막을 실행하면 비금속 파이프(111)의 내측이 도 5의 SEM 사진에 나타내듯이 에칭되는 경우가 있다. 따라서 에칭을 억제하기 위해서, 제2 샤워헤드 구조(2)는 제1 샤워헤드 구조(1)가 가지고 있지 않은 냉각수단을 적어도 1개 갖는다. 즉, 제2 샤워헤드 구조(2)는 제1 샤워헤드 구조(1)와는 동축형 공진 캐비티 내를 냉각하는 냉각가스 도입수단(21)을 가지고 있는 점 및 비금속 파이프(111)를 냉각용 유체를 흘려보내는 유로를 형성한 비금속(예를 들면, 알루미나 혹은 석영)제의 2중 파이프(22)로 변경하고 있는 점이 다르고, 이들 냉각수단의 적어도 한 개를 가지고 있는 것이다. 이하, 변경된 점에 대해 설명한다.
냉각가스 도입수단(21)은, 가스원(211)과, 가스원(211)에 접속된 가스관(212)과, 가스관(212)에 개설된 밸브(213)를 가지고, 동축형 공진 캐비티(11)에 부설되어 있다. 이 냉각가스 도입수단(21)에 의해 동축형 공진 캐비티(11) 내부에 냉각가스를 도입하여 내부를 냉각가스로 채우는 것이 가능해지며, 도시하지 않은 배기수단으로 냉각가스를 배기하면서 순환시킨다. 이렇게 하여, 동축형 공진 캐비티(11) 내부의 온도를 일정하게 유지시키고, 2중 파이프(22)의 노출부(111a) 부근을 냉각하는 것이 가능하다.
가스원(211)으로부터 동축형 공진 캐비티(11)내로 도입된 냉각가스로서는 인 체에 영향이 없고 청정실 내에 방출할 수 있는 냉각가스, 예를 들면 드라이 N2 가스, 드라이 Ar 가스, 드라이 He 가스, 드라이 O2 가스 등을 이용할 수 있다.
다음으로, 2중 파이프(22)에 대하여 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6(a)는 2중 파이프(22)의 종단면도이며, 도 6(b)는 도 6(a) 중의 선 A-A'로부터 본 단면도이며, 도 6(c)는 도 6(b) 중의 선 B-B'로부터 본 단면도이다. 도 6(a)에 나타내듯이, 2중 파이프(22)는 그 측벽이 2중으로 되어 있으며, 측벽(221)의 내측에는 냉각용 유체통로(222)가 형성되어 있다. 이 냉각용 유체통로(222)의 위쪽 벽에는 유입구(223) 및 유출구(224)가 설치되어 있다. 그리고 도 6(b)에 나타내듯이, 냉각용 유체통로(222)에는 두 개의 칸막이 판(225)이 삽입되어 있고, 도 6(c)에 나타내듯이 이 칸막이 판(225)의 하부에는 개구부(226)가 설치되어 있다. 이로 인해, 냉각용 유체통로(222)의 유입구(223) 측의 상류부(222a)와 유출구(224) 측의 하류부(222b)는 연통되어 있고, 유입구(223)로부터 유입된 액체는 냉각용 유체통로(222)의 상류부(222a)를 위에서 아래로 흘러 개구부(226)를 통과하여 하류부(222b)로 진입하며, 이를 밑에서부터 위로 채워 유출구(224)로부터 측벽(221) 외부로 유출한다. 이와 같이, 냉각용 유체통로(222)는 2중 파이프 내부의 가스통로(227)의 바깥 둘레를 거의 전부 감싸고 있으므로, 가스통로를 위에서 아래로 냉각하는 것이 가능하다. 또한, 도면에서는 유입구(223) 및 유출구(224)는 2중 파이프(22)의 윗면에 설치되어 있으나, 각각 측면에 설치해도 무방하다.
이 경우, 냉각용 유체는 마이크로파의 발진 주파수에 공진하지 않는 유체 매 체일 필요가 있고, 예를 들면 발진 주파수가 2.45GHz인 경우, 3M사제?상품명 플루오리너트(Fluorinert)의 FC-87, FC-72, FC-84, FC-77, FC-75, FC-3283, FC-40, FC-43, FC-70, FC-5312나, 아우시몬트(Ausimont)사제?상품명 갈덴(Galden, 등록상표)을 이용할 수 있다. 또한, 에틸렌 글리콜 혹은 에틸렌 글리콜 주체로 한 액체매체를 이용할 수도 있다. 나아가, 드라이 N2 가스, 드라이 Ar 가스, 드라이 He 가스, 드라이 O2 가스 등의 기체를 이용할 수도 있다.
상기 제2 샤워헤드 구조(2)를 이용하여 성막을 수행할 경우, 냉각가스 도입수단(21)에 의해 냉각가스를 계속 도입하고, 및/또는 2중 파이프(22)에 의해 가스통로(227)를 계속 냉각하면서 성막을 수행한다. 이와 같이 냉각하면서 성막을 실행하면, 도 5에 나타낸 바와 같은 가스통로(227) 내면의 에칭이 억제됨과 함께 라디칼의 생성효율이 높아진다. 라디칼의 생성효율이 높아져도 가스통로(227) 내면이 에칭되지 않은 것은 내벽이 충분히 냉각되었기 때문이다.
이와 같이, 냉각가스 도입수단(21) 및/또는 2중 파이프(22)를 설치함으로써 2중 파이프(22) 내부의 가스통로(227)의 내면 에칭을 억제함과 함께 노출부(111a)의 영역에서 형성된 플라즈마 중 라디칼이 열로 파괴되는 것을 방지하여 라디칼의 생성효율을 높이는 것이 가능하며, 성막을 효율적으로 실시할 수 있다.
이하, 본 발명의 제3 실시의 형태에 따른 성막장치에 이용되는 제3 샤워헤드 구조에 대하여 도 7을 이용하여 설명한다. 도면 중, 도 1과 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조부호를 붙이고 있다. 본 발명의 제3 샤워헤드 구조(3)는 제1 성 막장치의 경우와 달리, 반응가스를 여기하기 위해 동축형 공진 캐비티(11) 및 마이크로파 생성수단(14)을 이용하지 않고, 촉매여기를 갖춘 촉매실(31)을 구비한 점이 다르다.
촉매실(31)의 상부에는 반응가스 도입관(32)이 설치되며, 이 반응가스 도입관(32)의 하류측에 와이어(33)가 설치되어 있다. 와이어(33)는 공지의 촉매금속, 예를 들면 텅스텐 등으로 이루어지며, 원하는 온도로 가열할 수 있도록 구성되어 있다. 촉매실(31)의 측벽에는 도시하지 않은 온도제어 시스템이 설치되고, 촉매실(31)내를 소정의 온도로 유지할 수 있다. 촉매실(31)의 하류측에는 반응가스 도입실(12)이 있으며, 촉매실과 도입실은 연통되어 있다.
반응가스 도입관(32)으로부터 유량이 제어되어 도입된 반응가스는 촉매실(31)에 도입되면, 와이어(33)에 의해 여기되며, 라디칼이 되어 반응가스 도입실(12)로 도입된다. 또한, 와이어(33)가 소정의 온도로 가열되지 않는 경우는 가스가 여기되기 어렵기 때문에 라디칼화 되지 않는다.
그런데 원료가스에 의해서는 소정의 온도를 넘으면 열분해를 일으키는 점에서 소정의 온도 이하의 온도에서 가스화시켜 도입할 필요가 있다. 이러한 경우에는 제1 ~ 제3의 샤워헤드 구조(1~3)에 이용된 원료가스 도입장치는 도 8 및 도 9에 나타내듯이 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.
도 8(a) 및 (b)는 원료가스 도입장치(15)의 구성을 나타내는 모식도이다. 원료로서 Zr(BH4)4를 이용하는 경우, 이 원료는 융점(28.7℃)보다 낮은 온도인 -10℃~25℃로 유지하고, 특히 -5℃~5℃로 유지하는 것이 바람직하다. Zr(BH4)4는 열안정성이 상당히 나쁘므로, 25℃보다 높으면 자기분해에 의해 원료 탱크 안에서 ZrB2나 B2H6 등으로 분해되어 버리기 때문이며, 다른 한편 -10℃ 미만에서는 ALD의 원료로서 이용하는 데에는 증기압이 2㎜Hg 미만이 되어 너무 낮기 때문이다. 예를 들면, 0℃ (증기압 3.7㎜Hg)로 유지된 탱크(151) 내에 메쉬의 촘촘한 망(152)을 설치하고, 그 망 위에 과립형태의 원료(153)를 올려, 버블링 가스로서의 Ar, He 등의 불활성 가스를 질량 유량 제어기(44)를 개입시켜 탱크(151) 내의 아래 방향으로 공급하고, 망(152)의 아래 방향으로부터 윗방향으로 불활성 가스를 원료(153)내로 흘려 보내고, 이 버블링에 의해 원료(153)를 승화시켜 버블링 가스와 함께 원료가스를 원료가스 도입관(133) 및 가스통로(134)를 통해 원료가스 확산실(135) 내로 도입하거나(도 8(a)), 또는 예를 들면 0℃ 정도로 유지된 탱크(151)내에 설치된 2매의 망(152a 및 152b)의 사이에 과립형태의 원료(153)를 끼워넣어 버블링 가스로서의 Ar, He 등의 불활성 가스를 질량 유량 제어기(44)를 개입시켜 탱크(151)내의 망(152a)으로부터 망(152b)으로 원료 내로 흘려 보내고, 이 버블링에 의해 원료(153)를 승화시켜 버블링 가스와 함께 원료가스를 원료가스 도입관(133) 및 가스통로(134)를 통해서 원료가스 확산실(135)로 도입한다(도 8(b)).
원료가스의 도입은 또한, 저차압 질량 유량을 이용한 도 9에 나타낸 원료가스 도입장치(4)에 의해, 다음과 같이 수행해도 좋다. 즉, 예를 들면, 0℃ (증기압 3.7㎜Hg) 정도로 유지된 탱크(151)내로 원료를 넣어, 이를 저차압 질량 유량 제어기와 같은 질량 유량 제어기(44)를 이용하여 원료(153)의 기화가스의 유량을 직접 제어하면서 원료가스 도입관(133) 및 가스통로(134)를 통하여 원료가스 확산실(135) 내로 도입한다. 이 경우, 원료가스를 챔버로 도입할 때에는 반드시 챔버 내의 압력을 원료가스의 증기압보다 낮게 할 필요가 있다. 예를 들면 원료 탱크를 0℃로 냉각 보온하는 경우, 원료가스의 증기압은 3.7㎜Hg이므로, 챔버 압력을 3.7㎜Hg보다 낮게 한다.
상기의 제1 샤워헤드 구조(도 1의 1)를 이용한 성막장치에 대하여 도 10을 참조하여 이하 설명한다.
성막장치는 성막 챔버(5)와 성막 챔버(5)의 천정부에 설치된 샤워헤드 구조(1)로 이루어진다. 성막 챔버(5)는 하부에 배기수단(51)이 설치되어 있고 천정부로부터 도입한 원료가스 및 반응가스를 적당히 배기하여 소정의 진공도로 설정할 수 있다. 성막 챔버(5)의 샤워헤드 구조(1)에 대향한 위치에 기판 받침부(52)가 설치되고, 이 기판 받침부(52)에는 가열수단(53)이 설치되어 있으며, 기판 받침부(52)에 놓인 기판(S)을 소정의 온도, 예를 들면 CVD법을 실시하는 경우에는 300℃ 이상, ALD법을 실시하는 경우에는 300℃ 미만으로 가열하는 것이 가능하다.
이러한 성막장치의 구성은 제1 샤워헤드 구조(1) 대신에 제2, 제3 샤워헤드 구조(도 4의 2, 도 7의 3)를 이용한 경우에도 마찬가지이다.
상기의 샤워헤드 구조(1, 2, 3) 중 어느 것을 구비한 성막장치에서도, 원료가스 및 반응가스의 2종류, 혹은 그 이상의 가스를 이용하는 성막 방법을 실시할 수 있다. 성막 방법으로서는 CVD법이나 ALD법을 들 수 있다.
본 발명의 성막장치를 이용하여 CVD법을 실시하기 위해서는, 예를 들면 샤워헤드 구조(1 또는 2)를 갖춘 성막장치에 있어서, 기판(S)을 기판 받침대(52)에 놓고, 가열수단(53)에 의해 기판온도가 180~260℃ 미만이 되도록 가열한 후, 반응가스로서 N2 가스를 10~5000sccm 조건에서 비금속 파이프(111)(또는 2중 파이프(22))로부터 도입함과 아울러, 원료 탱크내의 Zr(BH4)4에 대하여 버블링 가스로서의 Ar 가스를 1000sccm 도입하고, 버블링하여 얻은 Zr(BH4)4로 이루어지는 원료가스를 원료가스 도입관(133)으로부터 도입한다. 동시에 마이크로파 공급 수단(14)에 의해 투입 파워를 0.1~5kW로 마이크로파를 발진하여 반응가스를 여기하고, 5~180초간 성막을 실시하면 원하는 ZrBN 막을 형성할 수 있다.
또한, 샤워헤드 구조(3)를 갖춘 성막장치에 있어서, 예를 들면 기판(S)을 기판 받침대에 놓고, 기판온도가 400℃가 되도록 가열하며, 와이어(33)를 1500~2000℃로 가열한 후, 반응가스로서 N2 가스를 10~5000sccm 도입함과 아울러 원료 탱크 내의 Zr(BH4)4에 대하여 버블링 가스로서의 Ar 가스를 1000sccm 도입하고, 버블링하여 얻은 Zr(BH4)4로 이루어지는 원료가스를 원료가스 도입관(133)으로부터 도입하여 와이어(33)에 의해 반응가스를 여기하면서 5~180초 간 성막을 실시하면, 원하는 ZrBN 막을 형성할 수 있다.
ALD법을 실시하는 경우에는, 예를 들면 샤워헤드 구조(1 또는 2)를 갖춘 성 막장치에 있어서, 기판(S)을 기판 받침대에 놓고, 기판온도가 150℃가 되도록 가열한 후, 반응가스로서 H2 가스를 1~100sccm 도입함과 아울러, 원료 탱크 내의 Zr(BH4)4에 대하여 버블링 가스로서의 Ar 가스를 1000sccm 도입하고, 버블링하여 얻은 Zr(BH4)4로 이루어지는 원료가스를 원료가스 도입관(133)으로부터 도입한다(흡착공정). 소정 시간 후, 원료가스를 멈추고, 반응가스의 유량을 10~500sccm으로 높이면서, 투입 파워를 0.1~5kW로서 마이크로파를 발진하여 반응가스를 여기하여 도입하고(개질공정), 이들 공정을 수회~수백회 반복하여 실행하여 원하는 두께의 ZrB2 막을 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면 CVD법 또는 ALD법을 실시한 경우에, 균일한 두께의 막을 형성할 수 있다. 따라서 본 발명은 반도체 기술에 있어서 이용 가능하다.

Claims (8)

  1. 성막 챔버와 샤워헤드부를 구비한 성막장치에 있어서, 상기 샤워헤드부는, 원료가스 확산실과 반응가스 확산실을 구비하고, 상기 원료가스 확산실과 원료가스 도입관을 접속하는 가스통로는 1단 이상의 다단으로 구성되며, 각 단은 2n-1(n은 단 수)로 표시되는 가스통로를 가지고, 제1단의 가스통로는 상기 원료가스 도입관에 접속되며, 제2단 이후의 각 가스통로는 앞단의 가스통로와 연통하고, 마지막 단의 각 가스통로는 사각형의 원료가스 확산실의 네 귀퉁이에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 성막장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1단의 가스통로는 그 중심에 상기 원료가스 도입관이 접속되고, 상기 제2단 이후의 각 가스통로는 그 중심에 앞단의 가스통로의 양 끝에 설치된 접속구멍이 접속하여 앞단의 가스통로와 연통하며, 상기 마지막 단의 각 가스통로는 각 가스통로의 양 끝에 형성된 접속구멍에 의해 원료가스 확산실에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 성막장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 원료가스 확산실은 반응가스 확산실의 저부에 배치되고, 원료가스 도입관은 반응가스 확산실의 벽면에 설치되며, 각 단에 형성된 상기 각 가스통로는 원호 모양으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막장치.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 가스통로는 2단으로 구성되고, 제1단의 가스통로는 그 중앙에 상기 원료가스 도입관이 접속되며, 제2단의 각 가스통로는, 그 중앙에 제1단의 가스통로의 양 끝에 설치된 접속구멍이 접속하여 제1단의 가스통로와 연통하고, 각 가스통로의 양 끝에 형성된 접속구멍에 의해 원료가스 확산실에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 성막장치.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 반응가스를 도입하기 위한 비금속 파이프의 바깥 둘레의 상부 및 하부에 떨어져 설치된 도체를 갖춘 동축형 공진 캐비티와 마이크로파 공급회로로 된 플라즈마 생성수단으로, 상기 동축형 공진 캐비티 내부의 높이가 여진파장의 1/2의 정수배이며, 비금속 파이프의 한쪽 끝에서 주입된 가스가 비금속 파이프의 상기 도체를 설치하지 않은 영역에서 마이크로파에 의해 여기되고 다른 쪽 끝에서 플라즈마화하여 방출되도록 구성된 플라즈마 생성수단을 상기 샤워헤드부의 상류측에 구비하고, 이 플라즈마 생성수단에 의해 플라즈마화 된 가스를 상기 반응가스 확산실에 도입하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 동축형 공진 캐비티에 냉각수단을 설치하여, 캐비티 내부에 냉각가스를 도입하고, 비금속 파이프의 도체를 설치하지 않은 영역을 냉 각하도록 구성된 것을 특징으로 하는 성막장치.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 비금속 파이프의 측벽이 2중이며, 이 측벽 사이에 냉각용 유체를 순환시키는 유체 순환수단을 구비한 것을 특징으로 하는 성막장치.
  8. 청구항 1 또는 2에 있어서, 반응가스 도입관과, 금속 와이어와, 와이어의 가열수단을 구비한 촉매실을 상기 샤워헤드부의 상류부에 구비하고, 반응가스 도입관으로부터 도입된 가스가 가열된 금속 와이어에 의해 여기되며, 이 여기된 가스가 상기 반응가스 확산실에 도입되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막장치.
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