KR102475844B1 - Apparatus for processing substrate - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 의한 기판 처리 장치는, 내부에 기판 처리 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착되는 기판 지지부와, 상기 기판 지지부 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 상기 기판 지지부에 대향되게 상기 챔버에 설치된 가스 공급부와, 상기 기판 지지부의 동작 및 상기 가스 공급부의 가스 공급을 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 가스 공급부는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부, 제 1 에치 가스 공급부, 제 1 퍼지부, 제 2 증착 가스 공급부, 제 2 에치 가스 공급부 및 제 2 퍼지부를 포함한다. A substrate processing apparatus according to one aspect of the present invention includes a chamber providing a substrate processing space therein, a substrate support rotatably installed in the chamber and having a plurality of substrates radially seated thereon along a rotational direction; and a gas supply unit installed in the chamber opposite to the substrate support unit to supply a plurality of gases onto the substrate support unit, and a control unit controlling operation of the substrate support unit and gas supply from the gas supply unit. The gas supply unit includes a first deposition gas supply unit, a first etch gas supply unit, a first purge unit, a second deposition gas supply unit, a second etch gas supply unit, and a second purge unit that are radially separated.
Description
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 및 원자층 에치(atomic layer etch; ALE)가 가능한 기판 처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly, to a substrate processing apparatus capable of atomic layer deposition (ALD) and atomic layer etch (ALE).
최근 반도체 소자의 고집적화로 인해서, 반도체 소자에서 사용되는 박막의 두께가 얇아지고 있다. 특히, 원자층 증착(ALD) 공정이 적용되면, 박막의 두께 제어가 원자 또는 분자층 단위로 제어가 가능해지고 있다. 하지만, 박막이 얇아지면 요구되는 물성을 맞추기가 어려워진다. 예를 들어, 박막이 일정 두께 이하로 얇아지면 결정성이 나빠져 누설전류 특성이 나빠진다. 하지만, 누설전류 특성을 개선하기 위해서 박막의 두께를 높이면 요구되는 유전율이나 커패시턴스를 확보하기 어려워진다.Due to the recent high integration of semiconductor devices, the thickness of thin films used in semiconductor devices is becoming thinner. In particular, when an atomic layer deposition (ALD) process is applied, it becomes possible to control the thickness of a thin film in units of atoms or molecular layers. However, when the thin film becomes thinner, it becomes difficult to match the required physical properties. For example, if the thin film is thinner than a certain thickness, crystallinity deteriorates and leakage current characteristics deteriorate. However, if the thickness of the thin film is increased in order to improve leakage current characteristics, it becomes difficult to secure a required permittivity or capacitance.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 얇은 두께의 박막으로 요구되는 박막 특성을 확보하기 위한 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a substrate processing apparatus for securing thin film properties required for a thin film. However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.
본 발명의 일 관점에 의한 기판 처리 장치는, 내부에 기판 처리 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착되는 기판 지지부와, 상기 기판 지지부 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 상기 기판 지지부에 대향되게 상기 챔버에 설치된 가스 공급부와, 상기 기판 지지부의 동작 및 상기 가스 공급부의 가스 공급을 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 가스 공급부는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부, 제 1 에치 가스 공급부, 제 1 퍼지부, 제 2 증착 가스 공급부, 제 2 에치 가스 공급부 및 제 2 퍼지부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 기판들 상에 박막을 형성하기 위한 원자층 증착 시에는, 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 증착 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 증착용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어하고, 원자층 에치 공정 시에는 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 에치 가스 공급부 및 상기 제 2 에치 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 에치용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어한다.A substrate processing apparatus according to one aspect of the present invention includes a chamber providing a substrate processing space therein, a substrate support rotatably installed in the chamber and having a plurality of substrates radially seated thereon along a rotational direction; and a gas supply unit installed in the chamber opposite to the substrate support unit to supply a plurality of gases onto the substrate support unit, and a control unit controlling operation of the substrate support unit and gas supply from the gas supply unit. The gas supply unit includes a first deposition gas supply unit, a first etch gas supply unit, a first purge unit, a second deposition gas supply unit, a second etch gas supply unit, and a second purge unit that are radially separated. The control unit selectively operates the first deposition gas supply unit and the second deposition gas supply unit while rotating the substrate support unit during atomic layer deposition to form a thin film on the substrates, thereby increasing the thickness on the substrates. The gas supply part is controlled so that wearing gases are alternately exposed, and during the atomic layer etch process, the first etch gas supply part and the second etch gas supply part are selectively operated while rotating the substrate support part to selectively operate the etching gas on the substrates. The gas supply unit is controlled so that tooth gases are alternately exposed.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 증착 가스 공급부와 상기 제 2 증착 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 증착 가스 공급부와 상기 제 1 증착 가스 공급부 사이에 배치될 수 있다.In the substrate processing apparatus, one of the first purge part and the second purge part is disposed between the first deposition gas supply part and the second deposition gas supply part in a radial order, and the other is disposed between the second deposition gas supply part in a radial order. It may be disposed between a gas supply unit and the first deposition gas supply unit.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 원자층 증착 공정 시, 상기 제 1 증착 가스 공급부는 소스 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 2 증착 가스 공급부는 상기 소스 가스와 반응하여 박막을 형성하기 위한 반응 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 소스 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 반응 가스를 퍼지할 수 있다.In the substrate processing apparatus, during the atomic layer deposition process, the first deposition gas supply unit supplies a source gas to the substrates on the substrate support unit, and the second deposition gas supply unit reacts with the source gas to form a thin film. A reaction gas for formation may be supplied to the substrates on the substrate support, one of the first purge part and the second purge part may purge the source gas, and the other may purge the reaction gas.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 에치 가스 공급부와 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 에치 가스 공급부와 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이에 배치될 수 있다.In the substrate processing apparatus, one of the first purge part and the second purge part is disposed between the first etch gas supply part and the second etch gas supply part in a radial order, and the other is disposed between the second etch gas supply part and the second etch gas supply part. It may be disposed between the gas supply unit and the first etch gas supply unit.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 원자층 에치 공정 시, 상기 제 2 에치 가스 공급부는 박막을 표면처리하기 위한 표면처리 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 1 에치 가스 공급부는 상기 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 상기 박막을 제거하기 위한 에치 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 표면처리 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 에치 가스를 퍼지할 수 있다.In the substrate processing apparatus, during the atomic layer etch process, the second etch gas supply unit supplies a surface treatment gas for surface treatment of a thin film to the substrates on the substrate support unit, and the first etch gas supply unit supplies a surface treatment gas for surface treatment of a thin film. supplying an etch gas for removing the thin film by reacting with the surface-treated portion of the thin film to the substrates on the substrate support, and one of the first purge part and the second purge part purges the surface treatment gas; , the other may purge the etch gas.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제 2 에치 가스 공급부는 상기 표면처리 가스를 라디칼화 하기 위한 전자빔(E-beam) 공급부를 더 포함할 수 있다.In the substrate processing apparatus, the second etching gas supply unit may further include an electron beam (E-beam) supply unit for radicalizing the surface treatment gas.
상기 기판 처리 장치는, 상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이의 제 1 이격부와, 상기 제 2 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이의 제 2 이격부를 포함할 수 있다.The substrate processing apparatus may include a first separation unit between the first deposition gas supply unit and the first etch gas supply unit, and a second separation unit between the second deposition gas supply unit and the second etch gas supply unit. .
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 원자층 증착 공정을 통해서 상기 기판들 상에 제 1 결정성을 갖는 제 1 두께의 박막을 형성하고, 상기 원자층 증착 공정 후, 인시츄로 상기 제 1 박막에 대해서 상기 원자층 에치 공정을 통해서 상기 제 1 박막을 소정 두께 식각하여 상기 제 1 결정성을 유지하면서 상기 제 1 두께보다 낮은 제 2 두께의 박막을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어할 수 있다.In the substrate processing apparatus, the control unit forms a thin film having a first thickness on the substrates through the atomic layer deposition process, and after the atomic layer deposition process, the first thickness in situ. The substrate support part and the gas supply part form a thin film having a second thickness lower than the first thickness while maintaining the first crystallinity by etching the first thin film to a predetermined thickness through the atomic layer etch process for one thin film. You can control it.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 원자층 증착 시. 상기 제 1 증착 가스 공급부에서 지르코늄 소스 가스를 공급하고, 상기 제 2 증착 가스 공급부에서 상기 지르코늄 소스 가스와 반응하여 지르코늄 산화물을 형성하는 산소계 반응 가스를 공급하여, 상기 기판들 상에 상기 지르코늄 산화물을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어할 수 있다.In the substrate processing apparatus, the control unit during the atomic layer deposition. The zirconium oxide is formed on the substrates by supplying a zirconium source gas from the first deposition gas supply unit and supplying an oxygen-based reaction gas that reacts with the zirconium source gas to form zirconium oxide from the second deposition gas supply unit. The substrate support unit and the gas supply unit may be controlled to
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 원자층 에치 시. 상기 제 2 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 산화물을 지르코늄 불화물로 표면처리하기 위한 불소계 표면처리 가스를 공급하고, 상기 제 1 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 불화물을 휘발성 지르코늄 화합물로 반응시키기 위한 유기 반응 가스를 공급하여, 상기 기판들 상의 상기 지르코늄 산화물을 소정 두께만큼 식각하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어할 수 있다.In the substrate processing apparatus, the control unit during the atomic layer etching. The second etch gas supply unit supplies a fluorine-based surface treatment gas for surface treatment of the zirconium oxide with zirconium fluoride, and the first etch gas supply unit supplies an organic reaction gas for reacting the zirconium fluoride with a volatile zirconium compound, , The substrate support unit and the gas supply unit may be controlled to etch the zirconium oxide on the substrates by a predetermined thickness.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따르면, 원자층 증착 공정과 원자층 에치 공정이 인시츄로 가능한 기판 처리 장치를 이용하여 얇은 박막 두께에 대해서도 상충되는 물성을 확보할 수 있게 된다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the embodiments of the present invention made as described above, it is possible to secure conflicting physical properties even for a thin film thickness by using a substrate processing apparatus capable of performing an atomic layer deposition process and an atomic layer etch process in situ. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 가스 공급부를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2의 가스 공급부의 변형된 예를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 증착 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 에치 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 증착 및 원자층 에치 공정을 이용한 박막 형성을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따라 형성한 박막의 결정성을 보여주는 엑스선회절(XRD) 분석 그래프이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing a gas supply unit of the substrate processing apparatus of FIG. 1 .
FIG. 3 is a schematic plan view showing a modified example of the gas supply unit of FIG. 2 .
4 is a schematic diagram showing gas supply to a substrate in an atomic layer deposition process using a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram showing gas supply to a substrate in an atomic layer etch process using a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 to 7 are schematic cross-sectional views showing thin film formation using an atomic layer deposition and atomic layer etch process using a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is an X-ray diffraction (XRD) analysis graph showing crystallinity of thin films formed according to Experimental Examples and Comparative Examples of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, several preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity of explanation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 보여주는 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(100)는 챔버(110), 기판 지지부(105), 가스 공급부(120) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a
침버(110)는 내부에 기판 처리 공간(112)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 챔버(110)의 기판 처리 공간(112)은 진공 환경을 제공하기 위하여 펌핑부(미도시)에 연결될 수 있다.The
기판 지지부(105)는 챔버(110)에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들(50)이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지부(105)는 챔버(110)의 외부로부터 내부로 밀봉 가능하게 결합되며 회전 동력을 받아서 회전되는 샤프트부와 이러한 샤프트부에 결합되는 상부의 상판부를 포함할 수 있다. 이러한 상판부에는 기판들(50)이 안착될 수 있는 안착홈들이 방사상으로 배치될 수 있다. 기판들(50)이 웨이퍼들인 경우, 안착홈은 원형일 수 있다.The substrate support 105 is rotatably installed in the
가스 공급부(120)는 기판 지지부(105) 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 기판 지지부(105)에 대향되게 챔버(110)에 설치될 수 있다. 예를 들어, 가스 공급부(120)는 샤워 헤드 형태의 몸체(122)를 포함할 수 있으며, 이러한 몸체(122)는 챔버(110)의 상부에 결합될 수 있다.The
제어부(150)는 기판 처리 장치(100)의 전체적인 제어를 담당할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 기판 지지부(105)의 동작 및 가스 공급부(120)의 가스 공급을 제어할 수 있다.The
도 2는 도 1의 기판 처리 장치(100)의 가스 공급부(120)를 보여주는 개략적인 평면도이다. FIG. 2 is a schematic plan view showing the
도 1과 도 2를 같이 참조하면, 가스 공급부(120)는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부(132), 제 1 에치 가스 공급부(134), 제 1 퍼지부(137), 제 2 증착 가스 공급부(133), 제 2 에치 가스 공급부(135) 및 제 2 퍼지부(136)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 가스 공급부(120)는 중심부에 커튼 가스 공급부(131)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2 together, the
제 1 증착 가스 공급부(132)에는 다수의 제 1 증착 가스 공급홀들(132a)이 형성되고, 제 2 증착 가스 공급부(133)에는 다수의 제 2 증착 가스 공급홀들(133a)이 형성되고, 제 1 에치 가스 공급부(134)에는 다수의 제 1 에치 가스 공급홀들(134a)이 형성되고, 제 2 에치 가스 공급부(135)에는 다수의 제 2 에치 가스 공급홀들(135a)이 형성되고, 제 1 퍼지부(137)에는 다수의 제 1 퍼지홀들(137a)이 형성되고, 제 2 퍼지부(136)에는 다수의 제 2 퍼지홀들(136a)이 형성될 수 있다.A plurality of first deposition
예를 들어, 가스 공급부(120)는 대략적으로 원형이고, 제 1 증착 가스 공급부(132), 제 1 에치 가스 공급부(134), 제 1 퍼지부(137), 제 2 증착 가스 공급부(133), 제 2 에치 가스 공급부(135) 및 제 2 퍼지부(136)는 원형의 가스 공급부(120)를 원호 형태로 분할한 형상을 가질 수 있다. 즉, 이러한 가스 공급부(120)는 회전하는 기판 지지부(105) 상의 기판들(50)에 공간적으로 분할하여 대응될 수 있게 된다. 이러한 의미에서, 기판 처리 장치(100)는 공간 분할식 설비로 불릴 수 있다.For example, the
이러한 기판 처리 장치(100)는 원자층 증착 공정과 원자층 에치 공정을 선택적으로 수행하기 위해서 제공될 수 있다.The
이에 따라, 원자층 증착 공정 시에는 제 1 증착 가스 공급부(132) 및 제 2 증착 가스 공급부(133)가 선택적으로 동작하고, 원자층 에치 공정 시에는 제 1 에치 가스 공급부(134) 및 제 2 에치 가스 공급부(135)가 선택적으로 동작할 수 있다. 따라서, 원자층 증착 공정 시에 제 1 에치 가스 공급부(134) 및 제 2 에치 가스 공급부(135)는 동작되지 않도록 가스 공급이 차단되고, 원자층 에치 공정 시에 제 1 증착 가스 공급부(132) 및 제 2 증착 가스 공급부(133)는 동작되지 않도록 가스 공급이 차단될 수 있다.Accordingly, during the atomic layer deposition process, the first deposition
예를 들어, 제어부(150)는 기판들(50) 상에 박막을 형성하기 위한 원자층 증착 시에는 상기 기판 지지부(105)를 회전시키면서 제 1 증착 가스 공급부(132), 제 1 퍼지부(137), 제 2 증착 가스 공급부(133) 및 제 2 퍼지부(136)를 선택적으로 동작시켜 기판들(50) 상에 증착용 가스들이 교번해서 노출되도록 가스 공급부(120)를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(150)는 원자층 에치 공정 시에는 기판 지지부(105)를 회전시키면서 제 1 에치 가스 공급부(134), 제 1 퍼지부(137), 제 2 에치 가스 공급부(135) 및 제 2 퍼지부(136)를 선택적으로 동작시켜 기판들(50) 상에 에치용 가스들이 교번해서 노출되도록 가스 공급부(120)를 제어할 수 있다.For example, during atomic layer deposition to form a thin film on
보다 구체적으로 보면, 원자층 증착 공정을 위하여, 제 1 증착 가스 공급부(132)는 제 1 증착 가스 공급홀들(132a)을 통해서 소스 가스(S1)를 공급하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)는 제 2 증착 가스 공급홀들(133a)을 통해서 소스 가스(S1)와 반응하여 박막을 형성할 수 있는 반응 가스(S2)를 공급할 수 있다. 원자층 증착 공정에 의해 형성되는 박막이 플라즈마 손상을 피하고자 하는 경우, 소스 가스(S1)와 반응 가스(S2)는 비-플라즈마 상태로 공급될 수 있다.More specifically, for the atomic layer deposition process, the first deposition
제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136)는 소스 가스(S1) 또는 반응 가스(S2)를 퍼지 또는 펌핑하여 제거하기 위하여 이들 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136) 중 하나는 방사상 순서를 따라서 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 2 증착 가스 공급부(133) 사이에 배치되고, 다른 하나는 제 2 증착 가스 공급부(133)과 제 1 증착 가스 공급부(132) 사이에 배치될 수 있다.The
도 2에는, 예시적으로 제 1 퍼지부(137)가 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 2 증착 가스 공급부(133) 사이에 배치되고, 제 2 퍼지부(136)가 제 2 증착 가스 공급부(133)와 제 1 증착 가스 공급부(132) 사이에 배치되도록 되었으나, 그 반대의 경우도 가능하다.2, for example, the
예를 들어, 원자층 에치 공정을 위하여, 제 2 에치 가스 공급부(135)는 제 2 에치 가스 공급홀들(135a)을 통해서 박막을 표면처리하기 위한 표면처리 가스(E2)를 공급하고, 제 1 에치 가스 공급부(134)는 제 1 에치 가스 공급홀들(134a)을 통해서 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 휘발성 화합물 생성하기 위한 에치 가스(E1)를 공급할 수 있다. 원자층 에치 공정에 의해 식각되는 박막이 플라즈마 손상을 피하고자 하는 경우, 표면처리 가스(E2)와 에치 가스(E1)은 비-플라즈마 상태로 공급될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 에치 가스 공급부(135)는 표면처리 효율 향상을 위하여 표면처리 가스(E2)를 라디칼화 하기 위한 전자빔(E-Beam) 공급부를 더 포함할 수도 있다.For example, for an atomic layer etch process, the second etch
제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136)는 표면처리 가스(E2) 또는 에치 가스(E1)를 퍼지하여 제거하기 위하여 이들 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136) 중 하나는 방사상 순서를 따라서 제 1 에치 가스 공급부(134)와 제 2 에치 가스 공급부(135) 사이에 배치되고, 다른 하나는 제 2 에치 가스 공급부(135)와 제 1 에치 가스 공급부(134) 사이에 배치될 수 있다.The
도 2에는, 예시적으로 제 1 퍼지부(137)가 제 1 에치 가스 공급부(134)와 제 2 에치 가스 공급부(135) 사이에 배치되고, 제 2 퍼지부(136)가 제 2 에치 가스 공급부(135)와 제 1 에치 가스 공급부(134) 사이에 배치되도록 되었으나, 그 반대의 경우도 가능하다. 또한, 도 2에는 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 1 에치 가스 공급부(134)가 서로 인접하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)와 제 2 에치 가스 공급부(135)가 서로 인접하게 배치되었으나, 전술한 규정에 따르는 한 그 위치는 변경될 수 있다.2, for example, the
선택적으로, 커트 가스 공급부(131)에는 다수의 커튼 가스 공급홀들(131)이 형성되어, 중심부에서 인접한 가스들이 섞이는 것을 방지하기 위하여 커튼 가스(C1)를 공급할 수 있다. 이러한 커튼 가스는 불활성 가스를 포함할 수 있다.Optionally, a plurality of curtain gas supply holes 131 may be formed in the cut
한편, 본 발명의 변형된 예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 공급부(120a)에는 제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)이 더 부가될 수 있다. 예를 들어, 제 1 이격부(138)는 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 1 에치 가스 공급부(134) 사이에 부가되어 이 둘 사이를 이격시키고, 제 2 이격부(139)는 제 2 증착 가스 공급부(133)와 제 2 에치 가스 공급부(135) 사이에 부가되어 이 둘 사이를 이격시킬 수 있다. Meanwhile, in a modified example of the present invention, as shown in FIG. 3 , first and
제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)은 가스가 섞이는 것을 방지하기 위한 스페이서의 기능을 위한 것으로서, 별도로 가스를 공급하지 않거나 또는 불활성 가스를 공급할 수도 있다. 제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)의 폭은 제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136)의 폭보다는 작을 수 있다.The first and
도 3에는 제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)만 도시되었지만, 그 외에도 다양하게 부가될 수 있으며, 예컨대 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 2 퍼지부(136)이 사이, 제 1 에치 가스 공급부(134)와 제 1 퍼지부(137)의 사이 중 어느 하나 또는 둘 다에 부가될 수도 있다.Although only the first and
전술한 실시예에들에서, 원자층 증착 공정과 원자층 에치 시 제 1 퍼지부(137)와 제 2 퍼지부(136)가 공용되는 것으로 서술되었으나, 제 1 및 제 2 퍼지부들(137, 136)이 분할되어 사용되거나 또는 복수개로 분리되어, 원자층 증착 공정과 원자층 에치 시 퍼지부가 분리되어 사용될 수도 있다.In the above-described embodiments, it has been described that the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용한 원자층 증착 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.4 is a schematic diagram showing gas supply to a substrate in an atomic layer deposition process using the
도 1, 도 2 및 도 4를 같이 참조하면, 원자층 증착 공정 시, 가스 공급부(120)에서 제 1 증착 가스 공급부(132)는 소스 가스(S1)를 지속적으로 분사하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)는 반응 가스(S2)를 지속적으로 분사하고, 제 1 퍼지부(137)는 제 1 퍼지 가스(P1)를 지속적으로 분사하고, 제 2 퍼지부(136)는 제 2 퍼지 가스(P2)를 지속적으로 공급할 수 있다. Referring to FIGS. 1, 2, and 4 together, during the atomic layer deposition process, the first deposition
하지만, 공간분할 방식의 특성상, 기판 지지부(105)가 회전하고 있기 때문에, 하나의 기판(50)은 이러한 가스들을 지속적으로 받는 것이 아니라 순차적으로 공급받게 된다. 따라서, 도 4는 원자층 증착 공정 동안 기판(50) 입장에서 기판(50)이 가스를 공급받는 사이클을 도시하고 있다.However, due to the characteristics of the space division method, since the substrate support 105 rotates, one
원자층 증착 한 사이클 동안, 하나의 기판(50)은 소스 가스(S1), 제 1 퍼지 가스(P1), 반응 가스(S2), 제 2 퍼지 가스(P2)를 순차적으로 공급받게 된다. 즉, 소스 가스(S1)가 기판(50) 상에 공급되어 흡착되고, 제 1 퍼지 가스(P1)에 의해서 흡착되지 않은 소스 가스(S1)가 퍼지되어 제거되고, 반응 가스(S2)가 공급되어 흡착된 소스 가스(S1)와 반응하여 단위 박막을 형성하게 된다. 이러한 사이클이 반복됨에 따라서 소정 두께의 박막을 형성할 수 있다.During one atomic layer deposition cycle, one
예를 들어, 반도체 메모리 소자에서 고유전율 유전막으로 사용되거나 또는 낸드 플래시 메모리에서 블로킹 절연막으로 사용되는 지르코늄 산화막을 형성하고자 하는 경우, 제 1 증착 가스 공급부(132)는 지르코늄 소스 가스를 공급하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)는 지르코늄 소스 가스와 반응하여 지르코늄 산화물을 형성하는 산소계 반응 가스를 공급할 수 있다. 일 예로, 지르코늄 소스 가스는 Cp Zr을 포함하고, 산소계 반응 가스는 오존(ozone) 가스를 포함할 수 있다.For example, when forming a zirconium oxide film used as a high-k dielectric film in a semiconductor memory device or a blocking insulating film in a NAND flash memory, the first
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용한 원자층 에치 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.5 is a schematic diagram showing gas supply to a substrate in an atomic layer etch process using the
도 1, 도 2 및 도 5를 같이 참조하면, 원자층 에치 공정 시, 가스 공급부(120)에서 제 2 에치 가스 공급부(135)는 표면처리 가스(E2)를 지속적으로 분사하고, 제 1 에치 가스 공급부(134)는 에치 가스(E1)을 지속적으로 분사할 수 있다. Referring to FIGS. 1, 2, and 5 together, during the atomic layer etch process, the second
하지만, 공간분할 방식의 특성상, 기판 지지부(105)가 회전하고 있기 때문에, 하나의 기판(50)은 이러한 가스들을 지속적으로 받는 것이 아니라 순차적으로 공급받게 된다. 따라서, 도 5는 원자층 에치 공정 동안 기판(50) 입장에서 기판(50)이 가스를 공급받는 사이클을 도시하고 있다.However, due to the characteristics of the space division method, since the substrate support 105 rotates, one
원자층 에치 한 사이클 동안, 하나의 기판(50)은 표면처리 가스(E2), 제 1 퍼지 가스(P1), 에치 가스(E1), 제 2 퍼지 가스(P2)를 순차적으로 공급받게 된다. 즉, 표면처리 가스(E2)가 기판(50) 상에 공급되어 박막 상에 흡착되어 박막의 표면을 표면처리시키고, 제 1 퍼지 가스(P1)에 의해서 흡착되지 않은 표면처리 가스(E2)가 퍼지되어 제거되고, 에치 가스(E1)가 공급되어 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 단위 박막을 식각하게 된다. 이러한 사이클이 반복됨에 따라서 소정 두께의 박막을 식각할 수 있다.During one atomic layer etch cycle, one
예를 들어, 지르코늄 산화물을 식각하고자 하는 경우, 제 2 에치 가스 공급부(135)는 지르코늄 산화물을 지르코늄 불화물로 표면처리하기 위한 불소계 표면처리 가스를 공급하고, 제 1 에치 가스 공급부(134)는 지르코늄 불화물을 휘발성 지르코늄 화합물로 반응시키기 위한 유기 반응 가스를 공급할 수 있다. 일 예로, 불소계 표면처리 가스는 HF를 포함하고, 유기 반응 가스는 디메틸아세테이드아미드(Dimetyacetamide, DMAC)을 포함할 수 있다.For example, when zirconium oxide is to be etched, the second etch
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용한 원자층 증착 및 원자층 에치 공정을 이용한 박막 형성을 보여주는 개략적인 단면도이다.6 to 7 are schematic cross-sectional views illustrating thin film formation using an atomic layer deposition and an atomic layer etch process using the
도 6을 참조하면, 기판 처리 장치(100)에서 원자층 증착 공정을 이용하여, 기판(50) 상에 제 1 결정성을 갖는 제 1 두께(H1)의 박막(60)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6 , a
도 7을 참조하면, 기판 처리 장치(100)에서 원자층 증착 후, 인시츄(in-situ)로 원자층 에치 공정을 이용하여, 박막(60)을 소정 두께 식각하여 제 1 결정성을 유지하면서 제 1 두께(H1)보다 작은 제 2 두께(H2)의 박막(60)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7, after atomic layer deposition in the
도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따라 형성한 박막의 결정성을 보여주는 엑스선회절(XRD) 분석 그래프이다.8 is an X-ray diffraction (XRD) analysis graph showing crystallinity of thin films formed according to Experimental Examples and Comparative Examples of the present invention.
도 6 내지 도 8을 같이 참조하면, 원자층 증착 공정으로 제 1 두께(H1)로 박막을 형성하는 경우(G2)가 그 보다 낮은 제 2 두께(H2)로 박막을 형성하는 경우(G1)보다 결정성이 더 높은 것을 알 수 있다. 나아가, 원자층 증착 공정으로 제 1 두께(H1) 형성 후 원자층 에치 공정으로 식각하여 제 2 두께(H2)로 낮춘 경우(G3)가 원래 결정성을 유지하여 처음부터 제 2 두께(H1)로 형성한 경우보다 더 결정성이 높은 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 6 to 8 , the case of forming a thin film with a first thickness H1 through an atomic layer deposition process (G2) is different from the case of forming a thin film with a lower second thickness H2 (G1). It can be seen that the crystallinity is higher. Furthermore, when the first thickness H1 is formed by the atomic layer deposition process and then etched by the atomic layer etch process to lower it to the second thickness H2 (G3), the original crystallinity is maintained and the second thickness H1 is formed from the beginning. It can be seen that the crystallinity is higher than in the case of formation.
이러한 결과는 고유전막에서 두께를 낮춰 커패시턴스를 유지하면서도 결정성을 높여서 누설전류를 낮추고자 하는 경우 유용하다. 즉, 처음부터 낮은 두께로 고유전막을 형성하면 박막의 결정성이 나빠서 누설전류 특성을 맞추기가 어렵기 때문에, 소정 두께로 형성하여 결정성을 높인 상태에서 식각하여 두께를 맞추면 결정성을 유지하면서 커패시턴스를 유지할 수 있다. 따라서, 전술한 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용하면 고집적 소자에서 요구되는 낮은 두께의 박막에서도 상충되는 특성을 만족시킬 수 있는 박막을 형성할 수 있게 된다.These results are useful when it is desired to reduce leakage current by increasing crystallinity while maintaining capacitance by reducing the thickness of a high-k film. That is, if a high dielectric film is formed with a low thickness from the beginning, it is difficult to match the leakage current characteristics due to poor crystallinity of the film. can keep Therefore, if the
나아가, 이러한 결과는 임계 두께 이상에서 입계(grain)가 성장하여 결정성이 높아지는 박막, 예컨대 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막 등에 적용될 수 있다. 나아가, 이러한 결과는 두께가 증가하면서 입계가 커지는 막, 예컨대 폴리실리콘, 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막에 적용될 수 있다. 더 나아가, 이러한 결과는 임계 두께 이상에서 저항율이 낮아지는 박막, 예컨대 텅스텐막, TiN막 등의 금속막에도 적용될 수 있다.Furthermore, these results can be applied to a thin film in which crystallinity is increased by growing grains above a critical thickness, such as a zirconium oxide film and an aluminum oxide film. Furthermore, these results can be applied to films whose grain boundaries increase as the thickness increases, such as polysilicon, zirconium oxide, and aluminum oxide. Furthermore, these results can also be applied to thin films whose resistivity is lowered above a critical thickness, such as metal films such as tungsten films and TiN films.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 기판 처리 장치
105: 기판 지지부
110: 챔버
120 : 가스 공급부100: substrate processing device
105: substrate support
110: chamber
120: gas supply unit
Claims (10)
상기 챔버에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착되는 기판 지지부;
상기 기판 지지부 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 상기 기판 지지부에 대향되게 상기 챔버에 설치된 가스 공급부; 및
상기 기판 지지부의 동작 및 상기 가스 공급부의 가스 공급을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 가스 공급부는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부, 제 1 에치 가스 공급부, 제 1 퍼지부, 제 2 증착 가스 공급부, 제 2 에치 가스 공급부 및 제 2 퍼지부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 기판들 상에 박막을 형성하기 위한 원자층 증착 시에는, 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 증착 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 증착용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어하고,
원자층 에치 공정 시에는 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 에치 가스 공급부, 및 상기 제 2 에치 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 에치용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어하고,
상기 제어부는 상기 기판들에 대해서 상기 챔버 내에서 상기 원자층 증착 공정 후 인시츄로 상기 원자층 에치 공정을 수행하도록 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판 처리 장치.a chamber providing a substrate processing space therein;
a substrate support rotatably installed in the chamber, on which a plurality of substrates are radially seated along a rotational direction;
a gas supply unit installed in the chamber opposite to the substrate support to supply a plurality of gases onto the substrate support; and
A control unit controlling an operation of the substrate support unit and a gas supply of the gas supply unit;
The gas supply unit includes a radially separated first deposition gas supply unit, a first etch gas supply unit, a first purge unit, a second deposition gas supply unit, a second etch gas supply unit, and a second purge unit,
The control unit,
During atomic layer deposition to form a thin film on the substrates, the first deposition gas supply unit and the second deposition gas supply unit are selectively operated while rotating the substrate support unit so that the deposition gases are alternately deposited on the substrates. Control the gas supply unit so that it is exposed,
During the atomic layer etch process, the first etch gas supply unit and the second etch gas supply unit are selectively operated while rotating the substrate support unit to control the gas supply unit so that etching gases are alternately exposed on the substrates; ,
The control unit controls the gas supply unit to perform the atomic layer etch process in situ after the atomic layer deposition process in the chamber with respect to the substrates.
Substrate processing device.
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 증착 가스 공급부와 상기 제 2 증착 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 증착 가스 공급부와 상기 제 1 증착 가스 공급부 사이에 배치되는,
기판처리장치.According to claim 1,
One of the first purge part and the second purge part is disposed between the first deposition gas supply part and the second deposition gas supply part in a radial order, and the other is disposed between the second deposition gas supply part and the first deposition gas supply part. Disposed between the gas supply,
substrate processing device.
상기 원자층 증착 공정 시,
상기 제 1 증착 가스 공급부는 소스 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 2 증착 가스 공급부는 상기 소스 가스와 반응하여 박막을 형성하기 위한 반응 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 소스 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 반응 가스를 퍼지하는,
기판처리장치.According to claim 2,
During the atomic layer deposition process,
The first deposition gas supply unit supplies a source gas to the substrates on the substrate support unit;
The second deposition gas supply unit supplies a reaction gas for forming a thin film by reacting with the source gas to the substrates on the substrate support unit;
One of the first purge part and the second purge part purges the source gas, and the other purges the reaction gas.
substrate processing device.
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 에치 가스 공급부와 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 에치 가스 공급부와 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이에 배치되는,
기판처리장치.According to claim 1,
One of the first purge part and the second purge part is disposed between the first etch gas supply part and the second etch gas supply part in a radial sequence, and the other is disposed between the second etch gas supply part and the first etch gas supply part. Disposed between the gas supply,
substrate processing device.
상기 원자층 에치 공정 시,
상기 제 2 에치 가스 공급부는 박막을 표면처리하기 위한 표면처리 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 1 에치 가스 공급부는 상기 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 상기 박막을 제거하기 위한 에치 가스를 상기 기판 지지부 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 표면처리 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 에치 가스를 퍼지하는,
기판처리장치.According to claim 4,
In the atomic layer etch process,
The second etch gas supply unit supplies a surface treatment gas for surface treatment of a thin film to the substrates on the substrate support unit,
The first etch gas supply part supplies an etch gas for reacting with the surface-treated portion of the thin film to remove the thin film to the substrates on the substrate support part;
One of the first purge part and the second purge part purges the surface treatment gas, and the other purges the etch gas,
substrate processing device.
상기 제 2 에치 가스 공급부는 상기 표면처리 가스를 라디칼화 하기 위한 전자빔(E-beam) 공급부를 더 포함하는,
기판처리장치.According to claim 5,
The second etch gas supply unit further comprises an electron beam (E-beam) supply unit for radicalizing the surface treatment gas,
substrate processing device.
상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이의 제 1 이격부; 및
상기 제 2 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이의 제 2 이격부를 포함하는,
기판처리장치.According to claim 1,
a first spacer between the first deposition gas supply part and the first etch gas supply part; and
A second separation portion between the second deposition gas supply unit and the second etch gas supply unit,
substrate processing device.
상기 원자층 증착 공정을 통해서 상기 기판들 상에 제 1 결정성을 갖는 제 1 두께의 박막을 형성하고,
상기 원자층 증착 공정 후, 인시츄로 상기 제 1 박막에 대해서 상기 원자층 에치 공정을 통해서 상기 제 1 박막을 소정 두께 식각하여 상기 제 1 결정성을 유지하면서 상기 제 1 두께보다 낮은 제 2 두께의 박막을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판처리장치.The method of claim 1, wherein the control unit,
Forming a thin film having a first thickness and having a first crystallinity on the substrates through the atomic layer deposition process;
After the atomic layer deposition process, the first thin film is etched to a predetermined thickness through the atomic layer etch process for the first thin film in situ to maintain the first crystallinity and have a second thickness lower than the first thickness Controlling the substrate support and the gas supply to form a thin film;
substrate processing device.
상기 제어부는 상기 원자층 증착 시.
상기 제 1 증착 가스 공급부에서 지르코늄 소스 가스를 공급하고,
상기 제 2 증착 가스 공급부에서 상기 지르코늄 소스 가스와 반응하여 지르코늄 산화물을 형성하는 산소계 반응 가스를 공급하여,
상기 기판들 상에 상기 지르코늄 산화물을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판처리장치.According to any one of claims 1 to 8,
The control unit during the atomic layer deposition.
Supplying a zirconium source gas from the first deposition gas supply unit;
Supplying an oxygen-based reaction gas that reacts with the zirconium source gas to form zirconium oxide from the second deposition gas supply unit,
Controlling the substrate support and the gas supply to form the zirconium oxide on the substrates,
substrate processing device.
상기 제어부는 상기 원자층 에치 시.
상기 제 2 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 산화물을 지르코늄 불화물로 표면처리하기 위한 불소계 표면처리 가스를 공급하고,
상기 제 1 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 불화물을 휘발성 지르코늄 화합물로 반응시키기 위한 유기 반응 가스를 공급하여,
상기 기판들 상의 상기 지르코늄 산화물을 소정 두께만큼 식각하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판처리장치.According to claim 9,
The control unit during the atomic layer etching.
Supplying a fluorine-based surface treatment gas for surface treatment of the zirconium oxide with zirconium fluoride from the second etch gas supply unit;
Supplying an organic reaction gas for reacting the zirconium fluoride into a volatile zirconium compound from the first etch gas supply unit,
Controlling the substrate support and the gas supply to etch the zirconium oxide on the substrates by a predetermined thickness,
substrate processing device.
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