KR20040085267A

KR20040085267A - Apparatus for forming an atomic layer on substrate

Info

Publication number: KR20040085267A
Application number: KR1020030019902A
Authority: KR
Inventors: 황완구; 박재영; 전영수; 현경호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-08

Abstract

PURPOSE: An atomic layer deposition system is provided to increase or reduce temperature of a semiconductor substrate by using a lamp and an optical block. CONSTITUTION: A heating unit(120) is installed in an inside of a reaction chamber(100) in order to heat a semiconductor substrate. An optical block(130) is arranged at an upper part of the heating unit. The semiconductor is loaded on an upper surface of the optical block. A temperature measurement unit(141,143) is installed on the optical block in order to measure the temperature of the semiconductor substrate and control an operation of the heating unit. A gas supply unit(150) is installed to the opposite direction to the semiconductor substrate within the reaction chamber in order to supply a reaction gas to the semiconductor substrate by a pulse method.

Description

원자막 증착 장치{APPARATUS FOR FORMING AN ATOMIC LAYER ON SUBSTRATE}Atomic film deposition apparatus {APPARATUS FOR FORMING AN ATOMIC LAYER ON SUBSTRATE}

본 발명은 원자막 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 챔버 내부에 제1 소스 가스만을 공급하여 가열된 반도체 기판 상에 흡착시킨 후 상기 제1 가스를 퍼지 시키고, 이어서 제2 소스 가스만을 챔버 내부로 공급하여 제2 소스 가스를 반도체 기판 상에 흡착시킨 다음 제2 가스를 퍼지시키는 펄스 방식의 박막 증착 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an atomic film deposition apparatus, and more particularly, only a first source gas is supplied into a reaction chamber to be adsorbed onto a heated semiconductor substrate, and then the first gas is purged. The present invention relates to a pulse type thin film deposition apparatus which supplies internally and adsorbs a second source gas onto a semiconductor substrate, and then purges the second gas.

현재의 반도체 장치에 대한 연구는 보다 많은 데이터를 단시간 내에 처리하기 위하여 고집적 및 고성능을 추구하는 방향으로 진행되고 있다. 반도체 장치의 고집적화 및 고성능화를 이루기 위해서는 반도체 기판 상에 박막 패턴을 정확하게 형성하는 박막 증착 기술이 무엇보다 중요하다.Current research on semiconductor devices is progressing toward high integration and high performance in order to process more data in a short time. In order to achieve high integration and high performance of a semiconductor device, a thin film deposition technology for accurately forming a thin film pattern on a semiconductor substrate is important.

일반적으로 웨이퍼 상에 박막을 형성하는 기술은 크게 물리적 방식을 이용하는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 방법과 화학적 방식을 이용한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법으로 분류된다.In general, a technique for forming a thin film on a wafer is classified into a physical vapor deposition (PVD) method using a physical method and a chemical vapor deposition (CVD) method using a chemical method.

하지만 반도체 소자가 고집적 및 고성능화가 되면서 PVD 및 CVD를 이용한 반도체 제조 기술은 그 한계에 이르게 되었다.However, as semiconductor devices become highly integrated and high performance, semiconductor manufacturing technology using PVD and CVD has reached its limit.

PVD 및 CVD의 한계를 개선하기 위하여 막 형성에 필요한 원소를 포함한 소스를 순차적으로 공급함으로써 반도체 가판에 막을 형성하는 원자막 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 기술이 개발되었다.In order to improve the limitations of PVD and CVD, an atomic layer deposition (ALD) technique has been developed in which a film is formed on a semiconductor substrate by sequentially supplying a source including elements necessary for film formation.

ALD에서는 쉽게 반응하는 두 가지 소스가 순차적으로 공급되어 반도체 기판 상에 막이 형성된다. 예를 들면, AX, BY 기체가 차례로 공급되어 AB 고체 막이 형성되고 부산물인 XY 기체는 제거된다.In ALD, two easily reacting sources are sequentially supplied to form a film on a semiconductor substrate. For example, AX, BY gas is fed in sequence to form an AB solid membrane and by-product XY gas is removed.

AX(g)+BY(g)→ AB(s)+XY(g)AX (g) + BY (g) → AB (s) + XY (g)

이 경우, AX 소스와 BY 소스가 기체 상태에서 만나면 바로 반응하기 때문에 불순 입자가 형성되거나 막의 균일도가 나빠진다. 이를 피하려면 두 소스가 기체 상태에서 만나지 않도록 진공 배기나 불활성 기체 퍼지를 충분히 실시하여야 한다.In this case, since the AX source and the BY source are reacted as soon as they meet in the gas state, impurity particles are formed or the film uniformity is deteriorated. To avoid this, vacuum evacuation or an inert gas purge should be sufficient to ensure that the two sources do not meet in the gas phase.

ALD 방법은 소스를 번갈아 공급함으로써 복잡한 모양의 기판에도 단차 피복성이 향상된 막을 정확한 두께로 형성할 수 있다. ALD 방법을 이용하면 일반적인 CVD 방법으로는 구현이 어려운 얇은 막 두께제어를 완벽하게 구현할 수 있다. 특히 반도체 소자의 게이트 절연막이나 확산 방지 막처럼 매우 얇은 막을 형성할 경우 유용하다. 즉, ALD 방법은 반도체 소자의 고집적화에 따른 얇고 균일한 박막의 증착과 동시에 우수한 Step Coverage의 효과를 얻을 수 있다.By alternately supplying sources, the ALD method can form a film having an improved step coverage even on a complicated substrate with an accurate thickness. Using the ALD method, it is possible to realize a thin film thickness control that is difficult to implement in a general CVD method. It is particularly useful when forming a very thin film such as a gate insulating film or a diffusion barrier film of a semiconductor device. That is, the ALD method can obtain the effect of excellent step coverage while simultaneously depositing a thin and uniform thin film due to the high integration of semiconductor devices.

현재 많은 연구기관에서 반도체 소자의 집적화에 따른 문제 해결 방안으로 ALD 기술을 연구하고 있으며, 일부 공정에서는 이미 ALD 기술 양산에 적용하고 있다. 또한, 2001년 말에 발표된 국제 반도체 기술 로드맵(International Technology Roadmap for Semiconductors; ITRS)에 따르면 반도체 소자의 집적화에 따른 문제 해결 방안으로 ALD 방법이 다수 언급되었다.Currently, many research institutes are studying ALD technology as a solution to problems integrating semiconductor devices, and some processes have already applied it to mass production of ALD technology. In addition, according to the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) published at the end of 2001, a number of ALD methods are mentioned as a solution to the problems caused by the integration of semiconductor devices.

ALD에서는 반응 소스에 따라 형성되는 막의 특성이 변화되다. ALD 고유의 특징인 Half Reaction에 의해 박막을 증착하기 때문에 각 반응 단계에서 화학적으로 안정한 반응 소스가 사용되어야 한다. 즉, ALD에서는 반응성이 높은 반응 소스가 사용되되 화학적으로 안정하고 증착률이 높아야 한다.In ALD, the properties of the film formed vary depending on the reaction source. Since the thin film is deposited by ALD-specific half reaction, a chemically stable reaction source must be used in each reaction step. That is, in ALD, a highly reactive reaction source should be used, but it should be chemically stable and have a high deposition rate.

ALD 챔버 내부로 효율적인 반응 소스를 공급하기 위해서는 높은 증기압이 필요하다. 기본적으로 반응 소스의 증기 압력은 공정온도 및 공정 온도 보나 낮은 온도에서 충분한 증기 압력이 유지되어야 한다. 따라서 반응 소스는 가스 상태보다 높은 증기 압력을 가지는 것일수록 좋다.High vapor pressure is required to supply an efficient reaction source into the ALD chamber. Basically, the vapor pressure of the reaction source should be maintained at a sufficient vapor pressure at or below the process and process temperatures. Thus, the better the reaction source has a higher vapor pressure than the gaseous state.

ALD 장치는 안정적인 시스템을 포함하면서도 빠른 반응을 유도할 수 있어야 한다. 또한, 부산물이나 과잉 반응물을 배출시키는 설계도 필요하다. 이를 위해서는 기본적으로 챔버의 부피를 최소화하고, 빠른 반응 소스의 공급 및 퍼지(purge)가 용이한 샤워헤드(showerhead) 및 소스 공급라인이 요구된다.The ALD device must contain a stable system while still capable of inducing fast response. There is also a need for designs that discharge by-products or excess reactants. This basically requires a showerhead and source supply line that minimizes the volume of the chamber and facilitates the rapid supply and purge of the reaction source.

증기 압력을 유지하기 위하여 반응 소스를 상온이상으로 가열하여야 하는 경우, 소스 공급 라인에 가열 부재가 필요하다.If the reaction source needs to be heated above room temperature to maintain steam pressure, a heating element is required in the source supply line.

ALD 방법을 이용하면 일반적인 CVD 방법으로는 구현이 어려운 얇은 막 두께제어를 완벽하게 구현할 수 있다. 하지만, ALD는 저온 증착 시 박막의 막질이 좋지 않고 소스 공급 주기에 따른 증착 속도 저하의 문제점이 있다. 소스 중의 일부가 열에 안정하지 않으면 온도 변화에 따라 막질이 저하되며 소스들이 빠르게 반응하지 않을 수 있다. 막질의 저하는 후처리 공정을 더 필요로 하게 되며 전체 공정 비용이 상승을 야기한다. 또한, 소스 공급 주기가 길어지고 소스들이 빠르게 반응하지 않으면 공정 시간이 증가되어 수율(throughput)은 저하된다.Using the ALD method, it is possible to realize a thin film thickness control that is difficult to implement in a general CVD method. However, ALD has a problem in that the film quality of the thin film is not good at low temperature deposition and the deposition rate decreases according to the source supply cycle. If some of the sources are not thermally stable, the film quality degrades with temperature changes and the sources may not react quickly. Degradation of the membrane quality requires more post-treatment processes and increases overall process costs. In addition, if the source supply cycle is long and the sources do not react quickly, the process time is increased and the throughput is lowered.

일반적인 ALD 장치는 대부분 히터를 이용하여 챔버 내부의 온도가 조절된다. 히터를 이용하면 챔버 내부에 온도를 안정하게 유지할 수 있다. 하지만 서로 다른 증착 온도를 갖는 복합의 원자막을 증착하는 경우, 챔버 내부의 온도 보상 능력이 저하되어 한 챔버 내에서 복합의 원자막을 증착하기까지 많은 시간이 소요된다. 따라서 기존의 히터를 이용하는 경우, 여러 챔버를 이용하여야 복합의 원자막을 증착할 수 있었다. 이는 공정 시간을 증대시키고 수율을 저하시켜 제조 단가의 상승 요인이었다.Most ALD devices use a heater to control the temperature inside the chamber. The use of a heater can keep the temperature stable inside the chamber. However, when depositing a composite atomic film having a different deposition temperature, the temperature compensation ability inside the chamber is reduced, it takes a long time to deposit the composite atomic film in a chamber. Therefore, in the case of using a conventional heater, it was possible to deposit a composite atomic film using several chambers. This increased the process time and lowered the yield, which contributed to the increase in manufacturing cost.

현재 공정 시간을 단축하고 수율을 향상하기 위하여 여러 방식에 새로운 기술을 접목하는 연구가 진행 중에 있다. 기존의 ALD 장치에 멀티 웨이퍼 챔버를 설치하거나 ALD와 CVD의 혼합 공정을 시도해보는 등 수율을 높이려는 연구가 진행 중이지만 아직 그 양산성의 검증은 불확실하다.Research is currently underway to incorporate new technologies in many ways to reduce process time and improve yield. Research is underway to increase yields, such as installing multiple wafer chambers in existing ALD devices or attempting a blending process between ALD and CVD, but verification of mass production is uncertain.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 기판의 온도에 따라 가열 장치의 작동을 선택적으로 제어함으로써 반도체 기판을 균일하게 가열할 수 있으며, 챔버 내부에 빠른 온도 보상이 가능하여 한 챔버 내에서 복합의 원자막을 증착할 수 있는 원자막 증착 장치를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to selectively heat the semiconductor substrate by selectively controlling the operation of the heating device in accordance with the temperature of the semiconductor substrate, it is possible to quickly It is to provide an atomic film deposition apparatus capable of temperature compensation to deposit a composite atomic film in one chamber.

도 1은 본 발명에 따른 원자막 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도 이다.1 is a schematic diagram illustrating an atomic film deposition apparatus according to the present invention.

도 2는 도 1에 도시한 가열 장치와 온도 측정 장치를 설명하기 위한 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view for explaining the heating device and the temperature measuring device shown in FIG. 1. FIG.

도 3은 도 1에 도시한 반도체 기판에 원자막이 형성되는 공정을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a step of forming an atomic film on the semiconductor substrate shown in FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100：반응 챔버 102：배출구100: reaction chamber 102: outlet

110：반도체 기판 120：램프110: semiconductor substrate 120: lamp

130：옵티컬 블록 136：삽입홈130: Optical block 136: Insertion groove

141,142,143,144：열전대 145：보호막141, 142, 143, 144: Thermocouple 145: Protective film

150：가스 공급 부재 152：가스 공급 라인150: gas supply member 152: gas supply line

154：샤워 헤드 155：분사구154: Shower head 155: Injection nozzle

160：절연 부재 162：고정대160: insulation member 162: fixation stand

170：제어부 182：제1 소스가스 분자170: control unit 182: first source gas molecules

183：제2 소스가스 분자 184：부산물183: Second source gas molecule 184: By-product

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반도체 기판을 가열하기 위한 가열 장치의 상부에 반도체 기판이 놓여지는옵티컬 블록이 배치되고, 옵티컬 블록에는 반도체 기판의 온도를 측정하여 가열 수단의 작동을 제어하기 위한 온도 측정 장치를 설치되며, 챔버 내부에는 반도체 기판에 대향하는 방향으로 가스 공급 부재가 설치된다.In order to achieve the above object of the present invention, according to a preferred embodiment of the present invention, an optical block on which a semiconductor substrate is placed is disposed on an upper portion of a heating apparatus for heating a semiconductor substrate, and the optical block has a temperature of A temperature measuring device for measuring and controlling the operation of the heating means is provided, and a gas supply member is provided inside the chamber in a direction opposite to the semiconductor substrate.

본 발명에 따르면, 반도체 기판의 온도에 따라 가열 장치의 작동이 선택적으로 제어됨으로써 반도체 기판이 균일하게 가열되고, 챔버 내부에 빠른 온도 보상이 가능하여 한 챔버 내에서 원자막이 복학적으로 증착될 수 있다.According to the present invention, the operation of the heating apparatus is selectively controlled according to the temperature of the semiconductor substrate so that the semiconductor substrate is uniformly heated and fast temperature compensation is possible inside the chamber so that atomic films can be deposited in one chamber. have.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 박막 형성 방법 및 박막 증착 장치에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a thin film forming method and a thin film deposition apparatus according to preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the following embodiments.

도 1은 본 발명에 따른 원자막 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도 이고, 도 2는 도 1에 도시한 가열 장치와 온도 측정 장치를 설명하기 위한 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시한 반도체 기판에 원자막이 형성되는 공정을 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic configuration diagram for explaining an atomic film deposition apparatus according to the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view for explaining the heating device and the temperature measuring device shown in Figure 1, Figure 3 is shown in Figure 1 It is a figure for demonstrating the process of forming an atomic film in a semiconductor substrate.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 원자막 증착 장치는, 증착 반응이 일어나는 반응 챔버(100), 챔버(100) 내부에 설치되고 반도체 기판(110)을 가열하기 위한 램프(120), 램프(120)의 상부에 배치되고 반도체 기판(110)이 놓여지는 옵티컬 블록(130), 옵티컬 블록(130)에 설치되며 반도체 기판(110)의 온도를 측정하여 램프(120)의 작동을 제어하기 위한 열전대(141,142,143,144), 및 반도체 기판(110)에 대향하는 방향으로 배치되어 반도체 기판(110) 상에 반응 가스를 공급하는 가스 공급 부재(150)를 포함한다.1 to 3, the atomic film deposition apparatus according to the present embodiment includes a reaction chamber 100 in which a deposition reaction occurs, a lamp 120 installed inside the chamber 100, and heating the semiconductor substrate 110. ), The optical block 130 disposed above the lamp 120 and placed on the optical block 130 and the optical block 130 on which the semiconductor substrate 110 is placed, measures the temperature of the semiconductor substrate 110 to operate the lamp 120. Thermocouples 141, 142, 143, and 144 for controlling, and a gas supply member 150 disposed in a direction opposite to the semiconductor substrate 110 to supply a reaction gas onto the semiconductor substrate 110.

가스 공급 부재(150)는 챔버(100) 상부로부터 챔버(100) 내부로 연장된 가스 공급 라인(152) 및 가스 공급 라인(152)의 단부에 설치되며 반도체 기판(110)에 소스 가스를 공급하는 샤워헤드(154)를 포함한다.The gas supply member 150 is installed at the end of the gas supply line 152 and the gas supply line 152 extending from the upper portion of the chamber 100 into the chamber 100 and supplies the source gas to the semiconductor substrate 110. Showerhead 154.

가스 공급 라인(152)은 원자막 증착을 위한 다수의 소스 가스를 공급하는 가스 저장부에 연결된다. 다수의 소스 가스는 서로 독립된 경로를 통하여 가스 공급 라인으로 공급된다. 따라서 원자막 증착 반응 전에 소스 가스 공급 단계에서 소스 가스들이 서로 반응하는 것이 방지된다.The gas supply line 152 is connected to a gas reservoir supplying a plurality of source gases for atomic film deposition. The plurality of source gases are supplied to the gas supply line through a path independent of each other. Therefore, the source gases do not react with each other in the source gas supplying step before the atomic film deposition reaction.

가스 공급라인(152)의 단부에는 다수의 분사구(155)가 형성된 샤워헤드(154)가 설치된다. 샤워헤드(154)는 반도체 기판(110)에 대향하는 방향으로 챔버(100) 내부에 배치된다. 소스 가스는 샤워헤드(154)에 형성된 다수의 분사구(155)를 통하여 반도체 기판(110) 전체에 균일하게 공급된다.The shower head 154 having a plurality of injection holes 155 is provided at the end of the gas supply line 152. The showerhead 154 is disposed inside the chamber 100 in a direction opposite to the semiconductor substrate 110. The source gas is uniformly supplied to the entire semiconductor substrate 110 through the plurality of injection holes 155 formed in the shower head 154.

챔버(100)는 소정의 내부 압력을 유지할 수 있도록 형성된다. 챔버(100)는 원자막 증착 공정 시 약 1내지 5 Torr의 압력을 조성 가능하도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 챔버(100)는 반응 초기에 내부 압력을 약 0.2 Torr 정도 유지 가능하도록 형성된다.The chamber 100 is formed to maintain a predetermined internal pressure. The chamber 100 is preferably formed to enable a pressure of about 1 to 5 Torr during the atomic film deposition process. In addition, the chamber 100 is formed to maintain an internal pressure of about 0.2 Torr at the beginning of the reaction.

챔버(100) 하부에는 원자막 증착 공정 중에 발생하는 부산물을 배출시키기 위한 배출구(102)가 형성된다.A discharge port 102 for discharging the by-products generated during the atomic film deposition process is formed below the chamber 100.

챔버(100) 내부 중앙에는 원형의 절연 부재(160)가 설치된다. 절연 부재(160)의 상부에는 반도체 기판(110)을 가열하기 위한 다수의 램프(120)가 설치된다. 램프(120)는 절연 부재(160)의 중심으로부터 방사형으로 배치된다.A circular insulating member 160 is installed in the center of the chamber 100. A plurality of lamps 120 for heating the semiconductor substrate 110 are installed on the insulating member 160. The lamp 120 is disposed radially from the center of the insulating member 160.

반도체 기판(110)으로부터 방사형으로 램프(120)를 분산시켜 배치하면 고속의 온도 승강에 따른 반도체 기판(110)의 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있으며, 슬립(slip) 결함도 줄일 수 있다.When the lamp 120 is distributed and disposed radially from the semiconductor substrate 110, the temperature distribution of the semiconductor substrate 110 may be uniformly maintained due to the high temperature rise and the slip defect may be reduced.

절연 부재 상(160)에 설치되는 램프(120)는 공정 환경에 따라 선택될 수 있다. 램프(120)는 크세논(xenon) 램프, 할로겐 램프, 수은 램프, 메탈 할라이드(metal halide) 램프, 갈륨(gallium) 램프 또는 오존 램프들 중에서 반도체 기판(110)에 형성되는 원자막의 종류에 따라 선택되어질 수 있다. 바람직하게는, 열적 내구성이 우수하며 고속 온도 승강이 가능한 할로겐 램프가 이용된다.The lamp 120 installed on the insulating member 160 may be selected according to the process environment. The lamp 120 is selected according to the type of atomic film formed on the semiconductor substrate 110 among xenon lamps, halogen lamps, mercury lamps, metal halide lamps, gallium lamps or ozone lamps. Can be done. Preferably, a halogen lamp that is excellent in thermal durability and capable of high temperature rise is used.

반도체 기판(110)의 대구경화에 따라 할로겐 램프는 따라 기존의 막대기 모양에서 구형 모양의 램프인 것이 더 바람직하다.According to the large diameter of the semiconductor substrate 110, the halogen lamp is more preferably a spherical lamp in the shape of a conventional stick.

램프(120)의 규격과 램프(120)의 개수는 공정 환경에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어 설명하면, 반도체 기판(110)에 원자막이 증착하기 위하여 필요한 100와트의 할로겐 램프 10개는 200와트의 할로겐 램프 5개로 대체될 수 있다. 소수의 고출력 램프보다 다수의 저 출력 램프를 이용하면 반도체 기판의 온도 분포도는 향상된다.The size of the lamp 120 and the number of lamps 120 may be selected according to the process environment. For example, 10 halogen lamps of 100 watts required to deposit an atomic film on the semiconductor substrate 110 may be replaced by five halogen lamps of 200 watts. The use of many low power lamps rather than a few high power lamps improves the temperature distribution of the semiconductor substrate.

램프(120)의 상부에는 반도체 기판(110)이 안착되는 옵티컬 블록(130)이 배치된다. 옵티컬 블록(130)은 절연부재(160)에 의해서 지지된다. 또한, 옵티컬 블록(130)은 고정대(162)에 의하여 절연부재(160)에 고정된다.An optical block 130 on which the semiconductor substrate 110 is mounted is disposed on the lamp 120. The optical block 130 is supported by the insulating member 160. In addition, the optical block 130 is fixed to the insulating member 160 by the holder 162.

옵티컬 블록(130)은 램프(120)로부터 발생된 적외선이 투과될 수 있는 투명한 광학재료로 형성된다. 옵티컬 블록(130)은 지르코니아(ZRO), 산화티탄(TIO),사파이어(AL0) 또는 규석(SIO) 등으로 형성될 수 있지만, 원형의 석영(SIO) 유리판으로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 석영은 자원이 풍부하여 비교적 가격이 저렴하며 방사 특성이 우수하여 적외선이 모두 투과될 수 있다.The optical block 130 is formed of a transparent optical material through which infrared rays generated from the lamp 120 can be transmitted. The optical block 130 is made of zirconia (ZRO) ), Titanium oxide (TIO ), Sapphire (AL 0 ) Or silicate (SIO ), But can be made of circular quartz (SIO It is preferable that it is formed from a glass plate. In particular, quartz is rich in resources, relatively inexpensive, and excellent in radiation characteristics, so that all infrared rays can be transmitted.

옵티컬 블록(130)의 내부에는 반도체 기판(110)의 온도를 간접적으로 측정하기 위한 다수의 열전대(141,142,143,144)가 설치된다. 열전대(141,142,143,144)는 옵티컬 블록(130) 상에 위치한 반도체 기판(110) 하면부에 인접하게 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 열전대(141,142,143,144)들은 옵티컬 블록(130)의 중심부로 서로 다른 간격으로 설치된다. 열전대(141,142,143,144)들은 반도체 기판(110)의 중심부로부터 주변부로 점차적으로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 열전대(141,142,143,144)를 이용하면 반도체 기판(110) 전체의 온도 분포를 측정할 수 있다.A plurality of thermocouples 141, 142, 143, and 144 for indirectly measuring the temperature of the semiconductor substrate 110 are installed in the optical block 130. The thermocouples 141, 142, 143, and 144 may be disposed adjacent to the lower surface of the semiconductor substrate 110 positioned on the optical block 130. In addition, the thermocouples (141, 142, 143, 144) are installed at different intervals to the center of the optical block 130. The thermocouples 141, 142, 143, and 144 may be disposed to be gradually spaced from the center of the semiconductor substrate 110 to the periphery thereof. The thermocouples 141, 142, 143, and 144 may measure the temperature distribution of the entire semiconductor substrate 110.

반도체 기판(110)의 온도를 측정하기 위하여 다양한 온도 측정 장치가 사용될 수 있다. 열전대, 적외선 방사온도계, 파이버식 방사온도계 또는 광학 온도계 등 공정 환경에 따라 반도체 기판(110)의 온도 분포를 정확히 측정할 수 있는 온도 측정 장치가 선택적으로 사용될 수 있다.Various temperature measuring devices may be used to measure the temperature of the semiconductor substrate 110. A temperature measuring device capable of accurately measuring the temperature distribution of the semiconductor substrate 110 may be selectively used according to a process environment such as a thermocouple, an infrared radiation thermometer, a fiber type radiation thermometer, or an optical thermometer.

바람직하게는, 4개의 열전대(141,142,143,144)가 옵티컬 블록(130)의 중심부로부터 방사형으로 90도씩 이격되게 배치된다. 또한, 열전대(141,142,143,144)는 옵티컬 블록(130)의 중심부로부터 주변부로 점차적으로 이격되게 배치된다.Preferably, four thermocouples 141, 142, 143, 144 are radially spaced from each other by 90 degrees from the center of the optical block 130. In addition, the thermocouples 141, 142, 143, and 144 are gradually spaced apart from the center of the optical block 130 to the periphery.

열전대(141,142,143,144)는 램프(120)를 작동시키는 제어부(170)에 연결된다. 제어부(170)는 열전대(141,142,143,144)로부터 감지된 반도체 기판(110)의 온도를 이미 설정된 공정 온도 조건과 비교한다. 제어부(170)는 램프(120)의 작동을 조절하여 반도체 기판(110)의 온도를 공정 온도에 맞게 유지한다. 또한, 제어부(170)는 반도체 기판(110) 상의 온도분포를 균일하게 유지한다. 예를 들면, 반도체 기판의 특정부위의 온도가 공정온도와 상이하게 측정되면, 상이한 부분에 인접한 램프(120)의 발열량을 제어하여 반도체 기판(110)의 온도분포도를 향상시킬 수 있다.The thermocouples 141, 142, 143, 144 are connected to a control unit 170 that operates the lamp 120. The controller 170 compares the temperature of the semiconductor substrate 110 sensed by the thermocouples 141, 142, 143, and 144 with a process temperature condition already set. The controller 170 controls the operation of the lamp 120 to maintain the temperature of the semiconductor substrate 110 according to the process temperature. In addition, the controller 170 maintains a uniform temperature distribution on the semiconductor substrate 110. For example, when the temperature of a specific portion of the semiconductor substrate is measured differently from the process temperature, the temperature distribution of the semiconductor substrate 110 may be improved by controlling the amount of heat generated by the lamp 120 adjacent to the different portion.

기존의 원자막 증착 장치는 핫 플레이트 방식의 히터를 이용하여 반도체 기판(110)을 가열하였다. 히터는 반도체 기판의 온도를 일정하게 유지하는 안정성이 좋은 반면, 신속한 온도 보상이 되지 않는 단점을 갖고 있다.The conventional atomic film deposition apparatus heated the semiconductor substrate 110 using a hot plate type heater. The heater has a good stability of keeping the temperature of the semiconductor substrate constant, but has a disadvantage of not being quickly compensated for temperature.

열 용량이 증가됨에 따라 온도 상승 및 온도 강하에 필요한 시간은 증가되고, 안정된 온도 범위에 도달하기까지 수십 분이 필요한 경우도 있다. 따라서, 서로 다른 증착 온도를 갖는 둘 이상의 원자막을 한 챔버 내에서 증착할 경우, 많은 재 준비 시간을 필요로 한다. 이는 곧 반도체 제조 수율 저하의 원인이 된다.As the heat capacity increases, the time required for temperature rise and temperature drop increases, and in some cases tens of minutes are required to reach a stable temperature range. Therefore, the deposition of two or more atomic films having different deposition temperatures in one chamber requires a lot of re-preparation time. This immediately causes a decrease in semiconductor manufacturing yield.

온도 승강 소요시간을 줄이는 것과 더불어 반도체 기판(110)의 온도를 정확히 측정하는 것도 중요하다. 증착 공정의 온도가 정확히 측정되지 않으면 반도체 기판(110)을 정확히 가열할 수 없으며, 반도체 기판(110)에 형성되는 원자막의 특성은 저하된다.In addition to reducing the temperature raising time, it is also important to accurately measure the temperature of the semiconductor substrate 110. If the temperature of the deposition process is not accurately measured, the semiconductor substrate 110 may not be accurately heated, and the characteristics of the atomic film formed on the semiconductor substrate 110 may be degraded.

또한, 원자막 증착 장치에서 증착 반응을 위한 소스 가스들이 챔버(100) 측면부로부터 공급되면 소스로부터 생성된 부산물로 인하여 증착 공정 온도가 정확히 측정되지 않는다.In addition, when source gases for the deposition reaction are supplied from the side surface of the chamber 100 in the atomic film deposition apparatus, the deposition process temperature may not be accurately measured due to by-products generated from the source.

원자막 증착 장치에서는 반도체 기판(110)의 온도를 고속으로 승강 시킬 수 있으며, 반도체 기판(110)을 증착 공정 온도에 맞게 유지하는 것이 무엇보다 중요하다.In the atomic film deposition apparatus, it is possible to raise and lower the temperature of the semiconductor substrate 110 at high speed, and it is most important to maintain the semiconductor substrate 110 at the deposition process temperature.

본 발명에 따른 원자막 증착 장치에서는 할로겐 램프(120)를 이용하여 반도체 기판(110)이 가열된다. 램프(120)로부터 발생된 적외선은 옵티컬 블록(130)을 투과하여 반도체 기판(110)으로 전달된다. 옵티컬 블록(130)은 석영으로 형성되어 적외선을 투과시키기 용이하다. 이 경우, 반도체 기판(110)의 온도와 챔버(100) 내부의 온도와 상이하다. 즉, 챔버(100) 내부에는 온도의 비평형 상태가 조성된다.In the atomic film deposition apparatus according to the present invention, the semiconductor substrate 110 is heated using the halogen lamp 120. The infrared rays generated from the lamp 120 pass through the optical block 130 and are transmitted to the semiconductor substrate 110. The optical block 130 is made of quartz to easily transmit infrared rays. In this case, the temperature of the semiconductor substrate 110 and the temperature inside the chamber 100 are different. That is, a non-equilibrium state of temperature is formed in the chamber 100.

반도체 기판(110)과 챔버(100) 내부의 온도 비평형 상태로 인하여 반도체 기판(110)의 표면에는 열의 출입이 발생된다. 이 경우, 반도체 기판(110) 상에는 열 출입이 많은 영역과 열 출입이 적은 영역이 발생될 수 있다. 반도체 기판(110)의 온도 분포가 불 균일하면, 반도체 기판(110) 상에는 불 균일한 막의 증착된다. 따라서 반도체 기판(110)의 여러 영역의 온도를 측정하여 상이한 영역에 온도를 보정하여야 한다.Heat may enter and exit the surface of the semiconductor substrate 110 due to the temperature non-equilibrium state inside the semiconductor substrate 110 and the chamber 100. In this case, a region with a large amount of heat entry and exit and a region with a small amount of heat entry and exit may be generated on the semiconductor substrate 110. If the temperature distribution of the semiconductor substrate 110 is nonuniform, a nonuniform film is deposited on the semiconductor substrate 110. Therefore, the temperature of various regions of the semiconductor substrate 110 should be measured to correct the temperature in different regions.

옵티컬 블록(130)의 측부에는 옵티컬 블록(130)의 주변부로부터 중심부 방향으로 설치되는 열전대(141,142,143,144)에 대응하게 삽입홈(136)이 형성된다. 각각의 열전대(141,142,143,144)의 길이가 상이하기 때문에 옵티컬 블록에 형성되는 삽입홈(136)의 깊이도 상이하다.Insertion grooves 136 are formed on the side of the optical block 130 to correspond to the thermocouples 141, 142, 143, and 144 installed in the direction of the center from the peripheral portion of the optical block 130. Since the lengths of the thermocouples 141, 142, 143, and 144 are different, the depths of the insertion grooves 136 formed in the optical block are also different.

삽입홈(136)은 옵티컬 블록(130)의 중심부로부터 방사형으로 90도씩 이격되게 형성된다. 각각의 삽입홈(136)에는 열전대(141,142,143,144)가 설치된다.Insertion groove 136 is formed to be radially spaced 90 degrees from the center of the optical block 130. Each insertion groove 136 is provided with thermocouples (141, 142, 143, 144).

반도체 기판(110)의 중심부로부터 각각의 열전대(141,142,143,144)의 이격거리는 상이하다. 예들 들면, 4개의 열전대 중에서 한 열전대(141)와 반도체 기판의 중심부와의 이격거리(d1)는 다른 열전대(143)와 반도체 기판(110)의 중심부와의 이격거리(d2)는 상이하다. 바람직하게는 4개의 열전대(141,142,143,144)가 반도체 기판(110)의 중심부로부터 주변부로 점차적으로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 반도체 기판(110)의 온도 분포는 열전대(141,142,143,144)에 의하여 측정된다.The separation distances of the thermocouples 141, 142, 143, and 144 from the center of the semiconductor substrate 110 are different. For example, the distance d1 between one thermocouple 141 and the center of the semiconductor substrate among the four thermocouples is different from the distance d2 between the other thermocouple 143 and the center of the semiconductor substrate 110. Preferably, four thermocouples 141, 142, 143, and 144 are disposed to be gradually spaced from the center of the semiconductor substrate 110 to the periphery. In this case, the temperature distribution of the semiconductor substrate 110 is measured by the thermocouples 141, 142, 143, and 144.

옵티컬 블록(130)으로부터 노출된 열전대(141,142,143,144)의 단부에는 보호막(145)이 형성된다. 보호막(145)은 원자막 증착 공정 중에 열 또는 화학 반응으로부터 열전대(141,142,143,144)의 손상을 방지한다.The passivation layer 145 is formed at the ends of the thermocouples 141, 142, 143, and 144 exposed from the optical block 130. The protective film 145 prevents damage of the thermocouples 141, 142, 143, and 144 from thermal or chemical reactions during the atomic film deposition process.

보호막(145) 알루미나로 형성되는 것이 바람직하다. 열전대(141, 142, 143, 144)는 램프(120)의 작동을 제어하는 제어부(170)에 연결된다.The protective film 145 is preferably formed of alumina. Thermocouples 141, 142, 143, and 144 are connected to a controller 170 that controls the operation of the lamp 120.

제어부(170)는 열전대(141,142,143,144)로부터 감지된 반도체 기판(110)의 온도와 이미 설정된 공정 온도와 비교한다. 반도체 기판(110)의 특정 부위의 온도가 공정온도와 상이하게 측정되면, 상이한 부분에 인접한 램프(120)의 발열량을 제어하여 반도체 기판(120)의 온도 분포를 균일하게 유지한다.The controller 170 compares the temperature of the semiconductor substrate 110 detected by the thermocouples 141, 142, 143, and 144 with a process temperature that is already set. When the temperature of a specific portion of the semiconductor substrate 110 is measured differently from the process temperature, the heat generation amount of the lamp 120 adjacent to the different portion is controlled to maintain the temperature distribution of the semiconductor substrate 120 uniformly.

반도체 기판(110)을 가열하는 수단으로 램프(120)의 적외선을 반도체 기판의 가열 매개체로 이용한다. 따라서 반도체 기판(110)의 온도는 고속으로 승강될 수 있다. 램프(120)의 적외선은 옵티컬 블록(130)을 투과하여 반도체 기판(110)에 흡수되고, 반도체 기판(110)은 가열된다.Infrared rays of the lamp 120 are used as a heating medium of the semiconductor substrate as a means for heating the semiconductor substrate 110. Therefore, the temperature of the semiconductor substrate 110 may be elevated at high speed. The infrared rays of the lamp 120 pass through the optical block 130 and are absorbed by the semiconductor substrate 110, and the semiconductor substrate 110 is heated.

옵티컬 블록(130)은 적외선 방사 물질로 형성된다. 특히, 옵티컬 블록(130)이 석영(SiO)으로 형성되면 옵티컬 블록(130)의 방사 특성이 우수하다. 적외선은 옵트컬 블록(130)을 투과하여 반도체 기판(110)을 가열한다. 이 경우, 적외선은 반도체 기판(110)까지의 공간 공기를 가열하지 않는다.The optical block 130 is formed of an infrared emitting material. In particular, the optical block 130 is quartz (SiO) When formed into a) is excellent radiation characteristics of the optical block 130. Infrared rays transmit the optical block 130 to heat the semiconductor substrate 110. In this case, the infrared rays do not heat the space air to the semiconductor substrate 110.

반도체 기판(110)이 원자막 증착을 위한 소정의 온도까지 가열되면, 챔버 내부 상면에 형성된 가스 공급 부재(150)로부터 소스 가스가 공급된다.When the semiconductor substrate 110 is heated to a predetermined temperature for atomic film deposition, the source gas is supplied from the gas supply member 150 formed on the upper surface of the chamber.

일차로 원자막을 형성하기 위한 제1 소스가스가 챔버(100) 내부로 공급되면 반도체 기판(110)상에는 제1 소스가스의 분자(182)들이 흡착된다. 그 후 제2 소스가스가 챔버(100) 내부로 공급되면, 제2 소스의 분자(183)들은 제1 소스가스의 분자(182) 상에 흡착되면서 부산물(184)이 생성된다. 부산물(182)이 챔버(100) 외부로 배출된다. 챔버(100) 내부로 제1 및 제2 소스가스가 반복되어 공급되면서 반도체 기판(110)상에는 원자막이 형성된다.When the first source gas for primarily forming the atomic film is supplied into the chamber 100, the molecules 182 of the first source gas are adsorbed onto the semiconductor substrate 110. Thereafter, when the second source gas is supplied into the chamber 100, the by-products 184 are generated while the molecules 183 of the second source are adsorbed onto the molecules 182 of the first source gas. By-product 182 is discharged to the outside of the chamber (100). As the first and second source gases are repeatedly supplied into the chamber 100, an atomic film is formed on the semiconductor substrate 110.

일차로 형성된 원자막 상에 다른 증착 온도를 갖는 원자막을 증착 할 경우, 챔버(100)를 개방하여 챔버 내부의 가스를 배기시킨다. 챔버(100) 내부의 가스가 배기됨과 동시에 반도체 기판(100)의 온도는 조절된다. 예를 들면, 일차로 형성된 원자막의 증착 온도 보다 다른 원자막의 증착 온도가 낮은 경우, 옵티컬 블록(130)의 온도가 반도체 기판(100)의 온도보다 낮은 것을 이용하여 반도체 기판(110)의 온도는 신속하게 낮아진다. 만약 일차로 형성된 원자막의 증착 온도 보다 다른 원자막의 증착 온도가 높은 경우, 챔버(100)가 개방되더라고 램프(120)를 계속 작동시켜 반도체 기판의 온도를 높일 수 있다. 즉, 다른 증착온도를 갖는 원자막을 형성하기 위하여 필요한 반도체 기판(110)의 온도 보정 시간을 단축할 수 있다.When depositing an atomic film having a different deposition temperature on the atomic film formed primarily, the chamber 100 is opened to exhaust the gas inside the chamber. As the gas in the chamber 100 is exhausted, the temperature of the semiconductor substrate 100 is controlled. For example, when the deposition temperature of the atomic film that is different from the deposition temperature of the atomic film formed primarily is lower, the temperature of the semiconductor substrate 110 using the temperature of the optical block 130 is lower than the temperature of the semiconductor substrate 100. Lowers quickly. If the deposition temperature of another atomic film is higher than the deposition temperature of the atomic film formed primarily, the temperature of the semiconductor substrate may be increased by continuously operating the lamp 120 even though the chamber 100 is opened. In other words, it is possible to shorten the temperature correction time of the semiconductor substrate 110 required to form an atomic film having a different deposition temperature.

따라서 서로 상이한 반응 조건을 갖는 복합 원자막도 한 챔버(100)내에서 신속하게 형성될 수 있다.Therefore, composite atomic membranes having different reaction conditions from one another can be formed quickly in one chamber 100.

본 발명에 따르면, 램프와 옵티컬 블록을 이용하여 고속으로 반도체 기판의 온도를 증감할 수 있으며, 다수의 열전대와 램프를 연동시켜 반도체 기판의 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있다.According to the present invention, the temperature of the semiconductor substrate can be increased or decreased at high speed by using the lamp and the optical block, and the temperature distribution of the semiconductor substrate can be maintained uniformly by interlocking a plurality of thermocouples with the lamp.

따라서 반도체 기판 상에는 균일한 원자막이 형성될 수 있으며, 복합의 원자막도 한 챔버 내에서 용이하게 증착될 수 있다.Therefore, a uniform atomic film can be formed on the semiconductor substrate, and a composite atomic film can be easily deposited in one chamber.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, but those skilled in the art can variously modify the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be appreciated that it can be changed.

Claims

반응 챔버;Reaction chamber;

상기 챔버 내부에 설치되고 반도체 기판을 가열하기 위한 가열 수단;Heating means installed in the chamber and for heating a semiconductor substrate;

상기 가열 수단 상부에 배치되고 반도체 기판이 놓여지는 옵티컬 블록;An optical block disposed on the heating means and placed on the semiconductor substrate;

상기 옵티컬 블록에 설치되며 상기 반도체 기판의 온도를 측정하여 상기 가열 수단의 작동을 제어하기 위한 온도 측정 수단; 및Temperature measuring means installed in the optical block to control the operation of the heating means by measuring a temperature of the semiconductor substrate; And

상기 챔버 내에 상기 반도체 기판에 대향하는 방향으로 배치되어 상기 반도체 기판 상에 반응 가스를 펄스 방식으로 공급하는 가스 공급 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자막 증착 장치.And gas supply means disposed in the chamber in a direction opposite to the semiconductor substrate and supplying a reaction gas on the semiconductor substrate in a pulsed manner.

제 1 항에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 챔버 하부 중심으로부터 위치를 달리하여 배치된 다수의 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자막 증착장치.2. An atomic film deposition apparatus according to claim 1, wherein said heating means comprises a plurality of lamps arranged at different positions from a lower center of said chamber.

제 2 항에 있어서, 상기 램프는 할로겐 램프인 것을 특징으로 하는 원자막 증착장치.3. The atomic film deposition apparatus of claim 2, wherein the lamp is a halogen lamp.

제 1 항에 있어서, 상기 옵티컬 블록은 상기 램프로부터 발생되는 적외선을 상기 반도체 기판으로 전달하기 위하여 투명한 광학 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 원자막 증착 장치.The atomic film deposition apparatus of claim 1, wherein the optical block is formed of a transparent optical material to transmit infrared rays generated from the lamp to the semiconductor substrate.

제 4 항에 있어서, 상기 옵티컬 블록은 석영으로 형성된 것을 특징으로 하는 원자막 증착 장치.The atomic film deposition apparatus of claim 4, wherein the optical block is formed of quartz.

제 1 항에 있어서, 상기 온도 측정 수단으로부터 감지된 온도 측정값과 설정된 공정 온도조건을 서로 비교하여 상기 반도체 기판의 온도가 상기 공정 온도에 부합되도록 상기 가열 수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자막 증착 장치.The method of claim 1, further comprising a control unit for controlling the heating means such that the temperature of the semiconductor substrate is matched with the process temperature by comparing the temperature measured value sensed by the temperature measuring means with a set process temperature condition. An atomic film vapor deposition apparatus.

제 6 항에 있어서, 상기 온도 측정 수단은 열전대(thermocouple)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자막 증착 장치.7. An atomic film deposition apparatus according to claim 6, wherein said temperature measuring means comprises a thermocouple.

제 1 항에 있어서, 상기 가스 공급 수단은 상기 반도체 기판에 대향하게 배치된 샤워헤드(shower head)를 포함하며, 상기 샤워헤드의 일면에는 분사구가 형성된 것을 특징으로 하는 원자막 증착장치.The atomic film deposition apparatus of claim 1, wherein the gas supply means comprises a shower head disposed to face the semiconductor substrate, and a spray hole is formed on one surface of the shower head.