KR100700448B1 - 삼중 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착장치 - Google Patents

삼중 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세가지 서로 다른 소스를 증착할 수 있는 삼중 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착장치에 관한 것이다.
본 발명은, 중앙에 제1 소스 공급관이 연결되어 제1 공정 소스를 하측으로 확산시키는 원형 소스 공급판; 상기 원형 소스 공급판의 하측에 결합되며, 좌우 양측에 각각 제2, 제3 소스 공급관이 연결되어 제2, 3 공정소스를 중앙 방향으로 확산시키는 도우넛형 소스 공급판; 상기 도우넛형 소스 공급판의 하부에 결합되며, 다수개의 소스 분사공이 전면에 걸쳐서 수직으로 관통되어 상기 제1, 2, 3 소스 공급관에서 공급되는 각 공정소스를 개별적으로 하향 분사시키는 배플(Baffle);을 포함하는 삼중 샤워헤드를 제공한다.
삼중샤워헤드, 원형 소스 주입판, 도우넛형 소스 주입판, 배플

Description

삼중 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착장치{A TRIPLE SHOWERHEAD AND ALD APPARATUS THAT HAVE THE TRIPLE SHOWERHEAD}
도 1은 종래의 원자층 증착장치의 구조를 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치의 구조를 도시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 샤워헤드의 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 소스 공급판의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도우넛형 소스 공급판의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배플의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사공열의 배열을 도시하는 개략도이다.
본 발명은 세가지 서로 다른 소스를 증착할 수 있는 삼중 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로 기판(Substrate) 위에 박막을 형성하는 기술은 크게 물리적 방식을 이용한 물리기상증착(PVD) 방법과 화학적 방식을 이용한 화학기상증착(CVD) 방법으로 분류되지만, 반도체 소자가 고집적 및 고성능화 되면서 PVD 및 CVD를이용한 반도체 제조 기술은 한계에 도달했다. 이 한계를 개선하기 위하여 박막(Thin film) 형성에 필요한 원소를 포함한 소스를 순차적으로 공급하면서 기판에 막을 형성하는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 기술이 개발 되었다.
상기 ALD 방법은 소스를 순차적으로 공급함으로써 복잡한 모양의 기판에도 단차 피복성이 향상된 막을 정확한 두께로 증착할 수 있다. 상기 ALD 방법을 이용하면 일반적인 CVD 및 그 외 기타 CVD 선행기술(APCVD, LPCVD, PVD, PECVD, MOCVD, PICVD, PECVD) 그리고 스퍼터링(Sputtering) 이나 Evaporation, Electroplating 등으로 구현이 어려운 얇은 막 두께 제어를 완벽하게 구현할 수 있다.
특히 ALD는 반도체 소자의 게이트 절연막이나 확산 방지막처럼 매우 얇은 막을 형성할 경우 매우 효과적이다. 또한 상기 ALD 방법은 반도체 소자의 고집적화에 따른 얇고 균일한 박막의 증착과 동시에 우수한 단차피복성(Step Coverage)의 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 도 1을 참조하여 일반적인 원자층 증착장치(1)를 설명한다.
먼저 그 내부를 진공상태로 유지할 수 있는 챔버(10)가 마련된다. 이때 이 챔버(10) 내부는 공정 중 진공도가 약 1 ~ 5 Torr를 유지해야 한다. 그리고 이 챔버(10) 내부 하측에는 웨이퍼(W)가 장착되는 웨이퍼 척(20)이 배치되는데, 웨이퍼가 이 웨이퍼 척에 장착된 상태로 공정이 진행되는 것이다. 이때 이 웨이퍼 척(20)에는 웨이퍼의 온도를 조절하기 위하여 웨이퍼 가열수단(도면에 미도시)이 마련되며, 이 웨이퍼 가열수단에 의하여 웨이퍼의 온도가 증착 온도에 도달하게 되면, 증착 공정이 개시된다. 한편 상기 챔버(10) 내부 상측에는 원료소스를 공급하는 샤워헤드(30)가 배치된다. 이 샤워헤드(30)의 상부에는 외부에서 공정소스를 챔버 내부로 공급하는 소스 공급라인(32)이 연결되고, 이 샤워해드(30)를 통하여 고르게 확산되어 웨이퍼 방향으로 분사되는 것이다. 따라서 상기 샤워헤드(30)의 내부에는 공정소스가 확산될 수 있는 공간이 형성되며, 그 하부에는 공정소스의 균일한 분사를 위하여 다수개의 분사공이 균일하게 형성되는 배플(Baffle, 34)이 결합된다.
그리고 상기 챔버(10)의 일측에는 배기구(40)가 형성되는데, 이 배기구는 공정 중에 발생한 부산물을 외부로 배출하는 역할을 한다.
전술한 원자층 증착장치(1)에 의하여 이루어지는 원자층 증착에서는 반응 소스에 따라 형성되는 막의 특성이 변화된다. ALD 고유의 특성인 Half Reaction에 의해 박막을 증착하기 때문에 각 반응 단계에서 화학적으로 안정한 반응 소스가 사용되어야 한다. 또한 ALD에서는 안정적이며 빠른 반응을 유도하는 구조로 구성되어야 한다.
부산물이나 과잉 반응물을 배출시키는 설계(Exhaust System)도 필요하지만, 무엇보다도 다중막(Multi-layer)을 형성하는 공정에서는 수 개의 소스 공급라인이 설계된 공급 및 퍼지(Purge)가 용이한 샤워헤드가 필요하다. 즉, 수개의 원료 소스 사용시 각각의 유입 경로를 다르게 하여 상호 충돌 및 반응으로 인한 부산물의 생성과 전달경로나 분사 홀의 내벽의 원료 클로깅(Clogging)되는 현상을 방지하기 위하여 다중 소스 주입관이 설계된 샤워헤드가 요구된다.
또한 ALD 장치는 다양한 소스에 대항하여 기판의 온도를 제어할 수 있는 공정 윈도우(Window)가 넓은 웨이퍼 척(Wafer Chuck)의 설계 및 재질을 구비할 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 하나의 장치 내에서 여러가지 원료소스를 증착할 수 있는 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중앙에 제1 소스 공급관이 연결되어 제1 공정 소스를 하측으로 확산시키는 원형 소스 공급판; 상기 원형 소스 공급판의 하측에 결합되며, 좌우 양측에 각각 제2, 제3 소스 공급관이 연결되어 제2, 3 공정소스를 중앙 방향으로 확산시키는 도우넛형 소스 공급판; 상기 도우넛형 소스 공급판의 하부에 결합되며, 다수개의 소스 분사공이 전면에 걸쳐서 수직으로 관통되어 상기 제1, 2, 3 소스 공급관에서 공급되는 각 공정소스를 개별적으로 하향 분사시키는 배플(Baffle);을 포함하는 삼중 샤워헤드를 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)도 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 그것과 마찬가지로 챔버(110); 웨이퍼척(120); 샤워헤드(200); 배기구(130);를 포함하여 구성된다. 여기에서 각 구성요소의 기능 및 역할을 종래의 그것과 동일하므로 여기에서 반복하여 설명하지 않는다. 그리고 본 실시예에서 특징적인 부분을 중심으로 설명한다.
먼저 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)에서 가장 특징적인 삼중 샤워헤드(200)에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 삼중 샤워헤드(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 원형 소스 공급판(210); 도우넛형 소스 공급판(220); 배플(230);을 포함하여 구성된다.
여기에서 원형 소스 공급판(210)은, 중앙에 제1 소스 공급관(240)이 연결되어 제1 공정 소스를 하측으로 확산시키는 구성요소이다. 이 원형 소스 공급판(210)은 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 원형 플레이트(212); 제1 소스 인입홀(214); 제1 소스 확산 캐버티(216);로 구성된다. 상기 원형 플레이트(212)는, 상기 원형 소스 공급판(210)의 전체적인 형상을 이루는 구성요소이다. 그리고 상기 제1 소스 인입홀(214)은, 상기 원형 플레이트(212)의 상부 중앙에 형성되며, 제1 소스 공급관 (240)이 연결되는 구성요소이다. 이 제1 소스 인입홀(214)의 주변부에는 상기 제1 소스 공급관(240)과의 결합을 위한 4개의 스크류 고정홈(218)이 형성된다. 또한 상기 제1 소스 확산 캐버티(cavity, 216)는, 상기 원형 플레이트(212)의 하면에 상측으로 음각되어 형성되며, 상기 제1 소스 인입홀(214)에 의하여 인입된 제1 공정소스가 넓게 확산되는 공간을 제공하는 구성요소이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 원형 플레이트(212)의 하면에 음각되어 일정한 공간을 형성하되, 소스가 하측방향으로 고르게 확산되도록 빗면을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 제1 소스 공급관(240)에 의하여 원형 플레이트로 공급된 제1 소스는 이 제1 소스 확산 캐버티(216) 내에서 1차적으로 확산되는 것이다.
다음으로 도우넛형 소스 공급판(220)은, 상기 원형 소스 공급판(210)의 하측에 결합되며, 좌우 양측에 각각 제2, 제3 소스 공급관(250, 260)이 연결되어 제2, 3 공정소스를 중앙 방향으로 확산시키는 구성요소이다. 본 실시예에서는 도우넛형 소스 공급판(220)을, 도 5에 도시된 바와 같이, 플레이트(222); 제2, 3 소스 인입홀(223, 224); 제2, 3 소스 확산 캐버티(225, 226);로 구성한다. 여기에서 플레이트(222)는, 상기 도우넛형 소스 공급판(220)의 전체적인 형상을 이루는 구성요소이다. 이때 이 플레이트(222)는 상기 원형 플레이트(212)보다 그 직경이 크게 마련되며, 전체적으로 원형의 형상을 가진다.
그리고 상제 제2, 3 소스 인입홀(223, 224)은, 상기 플레이트(222) 상면 좌우측에 각각 형성되며, 제2, 3 소스 공급관(250, 260)이 연결되는 구성요소이다. 이 제2, 3 소스 인입홀(223, 224)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트 (222)의 양 측부에 대향되도록 배치된다. 이때 각 소스 인입홀(223, 224)의 위치는 상기 원형 소스 공급판(212)보다 외측에 배치된다. 이 제2, 3 소스 인입홀(223, 224)의 외측부에도 제2, 3소스 공급관(250, 260)을 고정하기 위한 스크류 삽입홈(227)이 형성된다.
또한 제2, 3 소스 확산 캐버티(225, 226)는, 상기 플레이트(222)의 내부에 형성되며, 상기 제2, 3 소스 인입홀(223, 224)과 연결되어 상기 제2, 3 소스 인입홀에 의하여 인입된 제2, 3 공정소스를 각각 확산시키는 구성요소이다. 이 제2, 3 소스 확산 캐버티(225, 226)는 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 도우넛형으로 상기 플레이트(222)의 내부에 형성된다. 그리고 이 소스 확산 캐버티(225, 226)의 중앙부분은 상기 소스 인입홀(223, 224)과 연결되어 상기 소소 인입홀에 의하여 공급된 소스가 이 소스 확산 캐버티를 통하여 1차적으로 확산되는 것이다.
그리고 상기 도우넛형 소스 공급판(220)의 상면 중앙 영역에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 원형 소스 공급판(210)이 삽입될 수 있는 크기의 삽입홈(228)이 음각되어 형성되고, 상기 원형 소스 공급판(210)이 상기 삽입홈에 삽입되어 상기 도우넛형 소스 공급판(220)과 결합되는 것이, 제1 소스의 외부 유출을 방지하고 샤워헤드가 차지하는 공간을 줄일 수 있어서 바람직하다. 이때 상기 원형 소스 공급판(210)과 도우넛형 소스 공급판(220)의 측방향 결합면에는, 밀봉부재(도면에 미도시)가 더 마련되는 것이 더욱 바람직하다.
다음으로 상기 배플(230)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도우넛형 소스 공급판(220)의 하부에 결합되며, 다수개의 소스 분사공이 전면에 걸쳐서 수직으로 관통되어 상기 제1, 2, 3 소스 공급관에서 공급되는 각 공정소스를 개별적으로 하향 분사시키는 구성요소이다. 본 실시예에서는 이 배플(Baffle, 230)을 도 6에 도시된 바와 같이, 다수개의 소스 분사공(232)이 직선상으로 배치되고, 격벽(234)에 의하여 다수개의 분사공열을 이루며, 각 분사공열은 상기 제1, 2, 3 소스 공급관과 번갈아 가면서 연결되는 구조로 구성한다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 최 상측의 분사공열(236A)은 제1 소스를 공급하기 위하여 제1 소스 확산 캐버티(216)와 연결되고, 그 다음 분사공열(236B)은 제2 소스를 공급하기 위하여 제2 소스 확산 캐버티(225)와 연결되고, 다음 분사공열(236C)은 제3 소스를 공급하기 위하여 제3 소스 확산 캐버티(226)와 연결되며, 그 다음 분사공열(236D)은 다시 제1 소스 확산 캐버티(216)와 연결되는 것이다. 따라서 전체적인 배플의 구조에서는 각 소스가 고르게 분사되는 형태를 띄게 된다. 그리고 각 소스별로 확산경로가 상이하여 클로깅 현상이 발생하지 않는 장점이 있다.
그리고 본 실시 예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 원형 소스 공급판(210)의 상측에 배치되며, 상기 삼중 샤워헤드의 온도를 조절하는 리드 히터(270)가 더 마련되는 것이, 각 소스 별로 온도를 선택적으로 조절할 수 있어서 바람직하다.
한편 본 실시 예에서는 상기 웨이퍼 척(120)이, 투과성 재질(Transparant material)로 이루어지는 것이 바람직하다. 종래의 알루미늄 척은 강온 시간(Cool-down time)이 길어서, 연속적인 공정 즉 스피드를 요구하는 다중의 원료소스를 선택하는 실험에 불리하다. 따라서 본 실시예에서는 상기 웨이퍼 척(120)을 투과성 재질로 구성하고, 램프를 이용하여 이 웨이퍼 척의 온도를 조절하는 것이다. 이렇게 램프를 이용하여 웨이퍼 척의 온도를 조절하면, 웨이퍼에 대한 온도 선택성이 높아져서 공정의 효율성 및 정확성을 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 다중의 소스를 별도의 경로를 통하여 챔버 내부로 확산시키므로 클로깅 현상이 발생하지 않으며, 각 소스 별로 온도를 선택적으로 조절할 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 중앙에 제1 소스 공급관이 연결되어 제1 공정 소스를 하측으로 확산시키는 원형 소스 공급판;
    상기 원형 소스 공급판의 하측에 결합되며, 좌우 양측에 각각 제2, 제3 소스 공급관이 연결되어 제2, 3 공정소스를 중앙 방향으로 확산시키는 도우넛형 소스 공급판;
    상기 도우넛형 소스 공급판의 하부에 결합되며, 다수개의 소스 분사공이 전면에 걸쳐서 수직으로 관통되어 상기 제1, 2, 3 소스 공급관에서 공급되는 각 공정소스를 개별적으로 하향 분사시키는 배플(Baffle);을 포함하는 삼중 샤워헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원형 소스 공급판은,
    상기 원형 소스 공급판의 전체적인 형상을 이루는 원형 플레이트;
    상기 원형 플레이트의 상부 중앙에 형성되며, 제1 소스 공급관이 연결되는 제1 소스 인입홀;
    상기 원형 플레이트의 하면에 상측으로 음각되어 형성되며, 상기 제1 소스 인입홀에 의하여 인입된 제1 공정소스가 넓게 확산되는 제1 소스 확산 캐버티 (cavity);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 삼중 샤워헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도우넛형 소스 공급판은,
    상기 도우넛형 소스 공급판의 전체적인 형상을 이루는 플레이트;
    상기 플레이트 상면 좌우측에 각각 형성되며, 제2, 3 소스 공급관이 연결되는 제2, 3 소스 인입홀;
    상기 플레이트의 내부에 형성되며, 상기 제2, 3 소스 인입홀과 연결되어 상기 제2, 3 소스 인입홀에 의하여 인입된 제2, 3 공정소스를 각각 확산시키는 제2, 3 소스 확산 캐버티;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 삼중 샤워헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도우넛형 소스 공급판의 상면 중앙 영역에는 상기 원형 소스 공급판이 삽입될 수 있는 크기의 삽입홈이 음각되어 형성되고, 상기 원형 소스 공급판이 상기 삽입홈에 삽입되어 상기 도우넛형 소스 공급판과 결합되는 것을 특징으로 하는 삼중 샤워헤드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원형 소스 공급판과 도우넛형 소스 공급판의 측방향 결합면에는, 밀봉부재가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 삼중 샤워헤드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배플은,
    다수개의 소스 분사공이 직선상으로 배치되어 다수개의 분사공열을 이루며, 각 분사공열은 상기 제1, 2, 3 소스 공급관과 번갈아 가면서 연결되는 것을 특징으로 하는 삼중 샤워헤드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 원형 소스 공급판의 상측에 배치되며, 상기 삼중 샤워헤드의 온도를 조절하는 리드 히터가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 삼중 샤워헤드.
  8. 제1항 내지 제7항에 기재된 삼중 샤워헤드 및 웨이퍼 척을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 웨이퍼 척은,
    투과정 재질(Transparant material)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 웨이퍼 척은,
    램프를 이용하여 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
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