KR20040099614A - ALD equament and menufacturing methode thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자 제조용 원자층 증착(Atomic Layer Depositioin : 이하, ALD라 칭함) 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 반응기 내부의 불필요한 부분에서의 박막 증착을 방지하고, 멀티 웨이퍼 시스템에서 반응가스를 균등하게 측면 분사하여 박막의 부위별 이상 성장을 방지하여 크리닝 싸이클을 길게하거나 아예 실시하지 않아 공정수율이 향상되고, 박막의 막질을 향상시킬수 있는 ALD 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an atomic layer deposition (ALD) apparatus for manufacturing a semiconductor device, and a method of manufacturing the same, and particularly, to prevent thin film deposition on unnecessary portions inside a reactor, The present invention relates to an ALD device and a method for manufacturing the same, which are capable of improving the film yield of the thin film by uniformly spraying the side to prevent abnormal growth for each part of the thin film and thus lengthening or not performing the cleaning cycle.
일반적인 반도체 소자의 제조 공정에서는 반도체 기판상에 각종 박막을 증착하는 방법으로 물리적 증착 방법인 스퍼터링 방법을 많이 사용하였으나, 스퍼터링 방법은 기판 표면에 단차가 형성되어 있는 경우 표면을 원만하게 덮어주는 단차피복성 (step coverage)이 떨어진다. 이에 따라 최근에는 금속 유기물 전구체를 사용한 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; 이하 CVD라 칭함)법이 널리 이용되고 있다.In the manufacturing process of a general semiconductor device, sputtering method, which is a physical vapor deposition method, has been frequently used as a method of depositing various thin films on a semiconductor substrate, but the sputtering method has a step coverage that smoothly covers the surface when a step is formed on the surface of the substrate. (step coverage) falls. Accordingly, recently, chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD) method using a metal organic precursor is widely used.
그러나, CVD 장치를 이용한 박막 형성 방법은 단차피복성이 우수하고 생산성이 높은 장점을 가지고 있는 반면에, 박막의 형성 온도가 높고, 두께를 수 Å 단위로 정밀하게 제어할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 또한 두 가지 이상의 반응 가스가 동시에 반응기 내부로 공급되어 기체 상태에서 반응을 일으키므로 이 과정에서 오염원이 되는 입자가 생길 수도 있다.However, while the thin film forming method using the CVD apparatus has the advantages of excellent step coverage and high productivity, the thin film forming temperature is high and the thickness cannot be precisely controlled in units of several kilowatts. In addition, two or more reactant gases may be simultaneously supplied into the reactor to cause a reaction in a gaseous state, thereby generating particles that become pollutants.
최근 반도체 공정이 더욱 미세화 되면서 박막의 두께가 얇아져 이들의 정밀한 제어가 필요하게 되고, 특히 반도체 소자의 유전막, 액정 표시 소자의 투명한 도전체 또는 전자 발광 박막 표시 소자(electroluminescent thin film display)의 보호층 등 다양한 부분에서 CVD의 이러한 한계를 극복하기 위하여, 원자층 단위의 미소한 두께를 가지는 박막을 형성하는 방법으로서 ALD 방법이 제안되었다.As the semiconductor process becomes more fine in recent years, the thickness of the thin film becomes thinner and thus precise control thereof is required. In particular, a dielectric film of a semiconductor device, a transparent conductor of a liquid crystal display device, or a protective layer of an electroluminescent thin film display device is required. In order to overcome this limitation of CVD in various parts, the ALD method has been proposed as a method of forming a thin film having a small thickness in atomic layer units.
이러한 ALD 방법은 기판(웨이퍼)에 각각의 반응물을 분리 주입하여반응물(reactant)이 화학적으로 기판 표면에 포화 흡착되는 반응 사이클을 수차례 반복하여 박막을 형성하는 방법이다.The ALD method is a method of forming a thin film by repeatedly injecting each reactant into a substrate (wafer) by repeating a reaction cycle in which the reactant is chemically saturated and adsorbed on the surface of the substrate.
상기 ALD법에 의한 박막증착 과정 및 원리에 대해 설명하기로 한다.The thin film deposition process and principle by the ALD method will be described.
도 1a 내지 도 1d는 ALD 공정도로서, 두차례의 ALD 공정으로 박막을 형성하는 예이다.1A to 1D are ALD process diagrams illustrating an example of forming a thin film by two ALD processes.
먼저, 반응기 내부에 준비되어진 반도체기판인 웨이퍼(10) 상부에 제1 반응기체(12)를 공급한다. 이때 상기 제1 반응기체(12)는 웨이퍼(10) 상부의 표면과 반응을 하여 포화 상태가 될 때까지 화학 흡착한다. (도 1a 참조).First, the first reactor body 12 is supplied to an upper portion of the wafer 10, which is a semiconductor substrate prepared in the reactor. At this time, the first reactor body 12 reacts with the surface of the upper surface of the wafer 10 and chemisorbs until it is saturated. (See FIG. 1A).
그다음 제1 반응기체(12)와 웨이퍼(10) 상부 표면간의 반응이 포화상태를 이루게 되면, 과잉의 제1 반응기체(12)는 더 이상 반응을 하지 않게 된다. 이 상태에서 불활성기체인 퍼지 가스(도시되지않음)를 사용하여 과잉의 상기 제1 반응기체(12)를 반응기의 외부로 빠져나가게 하여 제거한다. (도 1b 참조).Then, when the reaction between the first reactor body 12 and the upper surface of the wafer 10 becomes saturated, the excess first reactor body 12 no longer reacts. In this state, an excess amount of the first reactor body 12 is removed to the outside of the reactor by using a purge gas (not shown) which is an inert gas. (See FIG. 1B).
그후, 반응기 내부에서 제1 반응기체(12)가 완전히 제거되면, 퍼지가스 공급을 중단하고 제2 반응기체(14)를 웨이퍼(10)의 상부에 공급하며, 공급된 제2 반응기체(14)는 웨이퍼(10) 상부 표면과 반응하여 화학 흡착하게 된다. 이때 반도체기판(10) 표면에는 제1 및 제2 반응기체(12,14)가 화학 결합하여 목표하던 물질 박막이 원자층 단위로 형성된다. (도 1c 참조).Thereafter, when the first reactor body 12 is completely removed from the inside of the reactor, the purge gas supply is stopped and the second reactor body 14 is supplied to the upper portion of the wafer 10, and the supplied second reactor body 14 is supplied. Reacts with the upper surface of the wafer 10 to chemisorb. At this time, the first and second reactor bodies 12 and 14 are chemically bonded to the surface of the semiconductor substrate 10 to form a target thin film in atomic layer units. (See FIG. 1C).
그다음 제2 반응기체(14)와 기판 표면간의 반응이 포화상태를 이루게 되면, 과잉의 제2 반응기체(14)는 더 이상 반응을 하지 않게 되므로 이 상태에서 다시 불활성 기체를 사용하여 과잉의 제2 반응기체(14)를 반응기의 외부로 배출시킨다. (도 1d 참조).Then, when the reaction between the second reactor body 14 and the substrate surface becomes saturated, the excess second reactor body 14 no longer reacts, and in this state again, the excess second reactor body is used with an inert gas. The reactor body 14 is discharged out of the reactor. (See FIG. 1D).
상기 도 1a 에서부터 도 1d 까지의 과정이 하나의 사이클을 형성하며, 이러한 사이클을 반복하여 원하는 두께의 원자층 박막을 성장시킬 수 있다.1A to 1D form one cycle, and the cycle may be repeated to grow an atomic layer thin film having a desired thickness.
한편, 상기와 같이 기판 상부로 공급되어 기판의 표면과 상호 반응하여 화학 흡착이 이루어지는 반응기체를 교번적으로 공급하기 위한 방법으로 가장 많이 사용되어지는 방법이 밸브 제어 장치를 사용하는 방법이다.On the other hand, as described above, the method most often used as a method for alternately supplying a reaction gas that is supplied to the upper portion of the substrate and reacts with the surface of the substrate to perform chemisorption is alternately using a valve control device.
도 2는 종래 ALD 장치의 개략도로서, 웨이퍼의 운동등에 관한 부분은 생략되어있다.Fig. 2 is a schematic diagram of a conventional ALD device, in which parts relating to the movement of the wafer are omitted.
먼저, 반응기가 되는 진공챔버(20)와, 상기 진공챔버(20)의 내부에서 상하로 움직이며 그 상부면에 다수개의 웨이퍼(24)들이 탑재되는 베이스(22)와, 상기 진공챔버(20) 상부의 덮개 부분 중앙에 설치되어 있어 반응기 내부로 가스들을 분산시키는 샤워 헤드(26)와, 상기 진공챔버(20) 하부 바닥 부분의 에지부에 설치되어 있는 가스 배기구(28)와, 상기 샤워 헤드(26)와 연결되어 있는 가스 공급부(30)로 구성되어 있으며, 상기 베이스(22)의 내부에는 히터(도시되지 않음)가 내장되어있다.First, a vacuum chamber 20 that becomes a reactor, a base 22 that moves up and down inside the vacuum chamber 20, and a plurality of wafers 24 are mounted on an upper surface thereof, and the vacuum chamber 20. A shower head 26 disposed at the center of the upper cover part to disperse gases into the reactor, a gas exhaust port 28 provided at an edge portion of a lower bottom part of the vacuum chamber 20, and the shower head ( It is composed of a gas supply unit 30 is connected to 26, the heater (not shown) is built in the base 22.
여기서 상기 가스 공급부(30)는 도시되어 있지는 않으나, 형성하고자하는 박막의 종류에 따라 반응기체용기들과 불활성 가스인 퍼지가스용기가 구비되고, 각각의 용기에는 유량을 조절하기 위한 밸브들이 구비되어있다.Although the gas supply unit 30 is not shown, the reactor vessels and the inert gas purge gas vessel are provided according to the type of the thin film to be formed, and each vessel is provided with valves for adjusting the flow rate. .
따라서 상기의 ALD 장치로 ALD 공정을 진행하는 것을 Si 웨이퍼상에 SiO2박막을 형성하는 공정을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.Therefore, the process of forming the SiO 2 thin film on the Si wafer by performing the ALD process with the above-described ALD device is described as follows.
먼저, 표면에 수산기(OH-)를 흡착시킨 실리콘 웨이퍼들을 진공챔버의 베이스에 탑재한 후, 배기 및 승온 등으로 증착 조건을 조절한 후, 웨이퍼 표면에 제1 반응기체인 SiCl4가스를 공급하면, 웨이퍼상의 수산기와 반응하여 HCl 이 부산물로 형성되고, 웨이퍼 표면에는 SiCl3가 흡착된다. 이러한 일차 반응이 포화상태가 되면 더 이상의 반응이 일어나지 않고 과량의 SiCl4는 그대로 배출된다.First, after mounting silicon wafers adsorbed with hydroxyl group (OH-) on the surface of the vacuum chamber base, the deposition conditions are controlled by exhaust and elevated temperature, and then SiCl 4 gas is supplied to the wafer surface. Reaction with hydroxyl groups on the wafer forms HCl as a byproduct, and SiCl 3 is adsorbed onto the wafer surface. When this primary reaction becomes saturated, no further reaction occurs and excess SiCl 4 is discharged as it is.
<반응식 1> Si-OH*+ SiCl4→ SiO-Si-Cl3+ HCl<Scheme 1> Si-OH * + SiCl 4 → SiO-Si-Cl 3 + HCl
상기의 반응이 완료되면, 제1반응기체의 공급을 중단하고, 퍼지 가스를 흘려주어 반응기 내에 남아있는 제1 반응기체를 완전히 제거한 후, 상기 퍼지가스의 공급을 중단하고, 다시 반응기 안으로 제2반응기체인 H2O를 공급한다.When the reaction is completed, the supply of the first reaction gas is stopped, the purge gas is flowed to completely remove the first reactor gas remaining in the reactor, and then the supply of the purge gas is stopped, and then the second reactor into the reactor. Supply chain H 2 O.
상기 H2O 는 웨이퍼 표면의 -SiCl3와 반응하여 HCl이 부산물로 형성되고, 수산기가 흡착되어 웨이퍼의 표면에는 SiO2박막을 형성되며, 이 반응이 포화되면 더 이상의 H2O 흡착은 일어나지 않는다.The H 2 O reacts with -SiCl 3 on the wafer surface to form HCl as a by-product, and hydroxyl groups are adsorbed to form a SiO 2 thin film on the surface of the wafer. When the reaction is saturated, no further H 2 O adsorption occurs. .
그다음 상기 제2반응가스 공급을 중단하고, 포지가스를 흘려주어 남아 있는 제2반응가스를 제거하여 한번의 싸이클을 완료하면 표면에 SiO2박막을 구비하는 웨이퍼를 얻을 수 있으며, 이러한 공정을 수차례 반복진행하면 원하는 두께의 SiO2박막을 얻을 수 있다.Then, the supply of the second reaction gas is stopped, the forge gas is flowed to remove the remaining second reaction gas, and once a cycle is completed, a wafer having a SiO 2 thin film on the surface can be obtained. By repeating, a SiO 2 thin film having a desired thickness can be obtained.
<반응식 2> Si-Cl*+ H2O → Si-OH*+ HCl<Scheme 2> Si-Cl * + H 2 O → Si-OH * + HCl
상기와 같은 종래 기술에 따른 ALD 공정에 사용되는 ALD 장치는 대부분이 Al을 모재로하여 형성되므로 반응기의 내부가 주로 Al이나 Al2O3등으로 처리되어있어 상기와 같은 공정의 진행시에 웨이퍼 이외의 반응기 내부, 예를들어 히터나, 베이스, 반응기 상부벽, 배관등의 표면에 ALD 박막 및 생성 이물질의 증착 및 오염을 막을 수 없고, 반응기의 내부는 웨이퍼 보다 온도가 낮고 온도나 표면상태가 균일하지 않아 특정 부위에서는 박막의 증착이 일어나고, 다른 부위에서는 불순물로 오염되는 등의 문제점이 있다.The ALD device used in the ALD process according to the prior art as described above are mostly formed of Al as a base material, so the inside of the reactor is mainly treated with Al or Al 2 O 3, etc. It is not possible to prevent the deposition and contamination of ALD thin films and foreign substances on the surface of the reactor, for example, heaters, bases, reactor top walls, pipes, etc., and the temperature inside the reactor is lower than that of the wafer and the temperature and surface conditions are uniform. If not, there is a problem that deposition of a thin film occurs at a specific site, and contamination with impurities at another site.
따라서 ALD 공정을 수차례 진행한 후에는 반응기의 내부를 청소하여주는 크리닝 공정을 진행하여야하므로 ALD 공정이 중단되고 외기에 반응기 내부가 노출되어 다른 불순물 오염의 우려가 있다.Therefore, after the ALD process is performed several times, the cleaning process for cleaning the inside of the reactor must be performed. Therefore, the ALD process is stopped and the inside of the reactor is exposed to outside air, which may cause contamination of other impurities.
따라서 외부에 의한 불순물이나 산화 물질등에 의한 오염을 방지하기 위하여 상기의 크리닝 공정을 반응기 내부를 노출시키지 않고 진행하는 인시튜 크리닝공정을 사용하기도 한다.Therefore, in order to prevent contamination by impurities or oxidized substances by the outside, the in-situ cleaning process may be used in which the cleaning process is performed without exposing the inside of the reactor.
상기 인시튜 크리닝 공정은 주로 크리닝 가스로서 F 또는 Cl 계열 화합물을 사용하여 반응기 내부의 박막이나 불순물등과 반응시켜 배기 시킨 후 남아 있는 화합물을 퍼지 및 배기 시킨 후, 다음 공정을 진행하게 된다. 또한 크리닝 가스에 의한 효율을 증가시키기 위하여 플라즈마를 함께 사용하기도 하는데, 상기의 크리닝 가스에 의한 반응기 내부의 크리닝 공정은 박막과 불순물의 완전한 제거가 어렵고,크리닝 가스나 플라즈마에 의해 반응기 자체가 손상될 수도 있어 반응기의 수명을 단축시키고, 공정 수율을 떨어뜨리며, 박리된 박막이 웨이퍼에 파티클로 작용할 수도 있어 박막의 신뢰성을 저하시키는 등의 문제점이 있다.The in-situ cleaning process mainly uses an F or Cl-based compound as a cleaning gas and reacts with a thin film or impurities in the reactor to exhaust the remaining compound, and then purges and exhausts the remaining compounds. In addition, the plasma may be used together to increase the efficiency of the cleaning gas. In the cleaning process inside the reactor by the cleaning gas, it is difficult to completely remove the thin film and impurities, and the reactor itself may be damaged by the cleaning gas or the plasma. There is a problem such as shortening the life of the reactor, lowering the process yield, the peeled thin film may act as a particle on the wafer, thereby reducing the reliability of the thin film.
또한 실제 소자에 적용되는 고유전율 물질들중 Al2O3나 HfO2등의 박막은 현재까지 인시튜 크리닝 방법이 제시되어있지 않아 번응기 내부를 외기에 노출시킨 상태에서 크리닝하여야하는 다른 문제점이 있다.In addition, among the high dielectric constant materials applied to actual devices, thin films such as Al 2 O 3 and HfO 2 have not been proposed in-situ cleaning method until now, so there is another problem of cleaning in the state of exposing the inside of the transponder. .
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응기체와 반응하지 않는 화학적으로 안정된 세라믹 또는 고분자 수지를 ALD 반응기의 내부에 코팅하여 반응가스와의 반응에 의한 기능성 그룹의 생성을 원천 방지하여 웨이퍼 이외의 부분에 박막이 형성되지 않도록하고 불순물 오염을 방지하여 크리닝 공정의 주기를 길게하거나, 아예 크리닝 공정을 실시하지 않아 공정수율을 증가시키고, 불필요한 박막 생성에 의한 파티클 발생을 방지할 수 있는 ALD 증착장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to coat a chemically stable ceramic or polymer resin that does not react with the reactant to the inside of the ALD reactor to create a functional group by reaction with the reaction gas Prevents the formation of thin films on parts other than the wafer and prevents contamination of impurities to lengthen the cycle of the cleaning process or increase the process yield by not performing the cleaning process at all, and prevent the generation of particles due to unnecessary thin film generation. The present invention provides an ALD deposition apparatus and a method of manufacturing the same.
도 1a 내지 도 1d는 ALD 공정도.1A-1D are ALD process diagrams.
도 2는 종래 ALD 장치의 개략도.2 is a schematic diagram of a conventional ALD device;
도 3는 본 발명에 따른 ALD 장치를 설명하기 위한 개략도.3 is a schematic diagram for explaining an ALD device according to the present invention;
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10, 24, 44 : 웨이퍼 12 : 제1 반응기체10, 24, 44: wafer 12: first reactor body
14 : 제2 반응기체 20, 40 : 진공챔버14 second reactor 20, 40 vacuum chamber
22, 42 : 베이스 26, 46 : 샤워 헤드22, 42: base 26, 46: shower head
28, 48 : 가스 배기구 30, 50 : 가스 공급부28, 48: gas exhaust port 30, 50: gas supply unit
52 : 비반응성 코팅막52: non-reactive coating film
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ALD 장치의 특징은,Features of the ALD device according to the present invention for achieving the above object,
증착반응이 이루어지도록 내부에 반응실이 형성되는 진공챔버와,A vacuum chamber in which a reaction chamber is formed therein so as to effect a deposition reaction;
상기 진공챔버의 상부에 설치되어 반응가스 및 퍼지가스가 유입되어 웨이퍼상에 분사시키는 샤워헤드와,A shower head installed at an upper portion of the vacuum chamber and injecting a reaction gas and a purge gas into the wafer;
상기 샤워헤드에 연결되어 반응가스 및 퍼지가스를 공급하는 가스 공급부와,A gas supply unit connected to the shower head to supply a reaction gas and a purge gas;
상기 진공챔버의 하부에 설치되어 하우징내부를 배기시키는 가스 배기구와,A gas exhaust port installed under the vacuum chamber to exhaust the inside of the housing;
상기 진공챔버의 내부에 설치되며, 상부에 웨이퍼가 탑재되는 베이스를 구비하는 ALD 장치에 있어서,In the ALD device is provided in the interior of the vacuum chamber, the base having a wafer mounted on top,
상기 반응실에서 반응가스와 접촉되는 내부에 비반응성 코팅막이 도포되어 있어 반응가스에 의한 내부에서의 박막 증착을 방지하는 것을 특징으로한다.The non-reactive coating film is applied to the inside of the reaction chamber in contact with the reaction gas, it characterized in that to prevent the deposition of a thin film inside the reaction gas.
또한 본 발명에 따른 ALD 장치의 다른 특징은,In addition, another feature of the ALD device according to the present invention,
상기 코팅막은 불화탄소 수지이며, 상기 불화탄소 수지는 PTFE(poly tetra floro ethlene), FEP, PEA, ETEF 및 이들의 혼합된 막이고, 상기 코팅막은 실록산과 불화탄소수지의 혼합코팅막이며, 상기 실록산과 불화탄소수지의 혼합비는 1 : 0.2∼2 이며, 상기 코팅막은 1∼100㎛ 두께로 형성되는 것에 있다.The coating film is a fluorocarbon resin, the fluorocarbon resin is PTFE (poly tetra floro ethlene), FEP, PEA, ETEF and mixed film thereof, the coating film is a mixed coating film of siloxane and fluorocarbon resin, the siloxane and The mixing ratio of the fluorocarbon resin is 1: 0.2 to 2, and the coating film is formed to have a thickness of 1 to 100 µm.
또한 본 발명에 따른 ALD 장치의 또 다른 특징은,In addition, another feature of the ALD device according to the present invention,
상기 ALD 장치는 촉매성 ALD 장치이며,The ALD device is a catalytic ALD device,
상기 ALD 장치는 Al2O3, Ta2O5, TiO2, SiO2, HfO2, SnO2, RuO2, ZrO2, SiN, TiN, TaN, WN, TiSiN, Co, Si, Ge, Cu, Mo, Ta, Cu, Ti, Ru, GaAs, InP, GaP, InGaP 및 이들의 혼합으로 이루어지는 하나 이상의 층을 증착하는 장치이며, 상기 비반응성 코팅막이 코팅된 부분의 모재에 냉각 순환로가 설치되어 있는 것을 특징으로한다.The ALD device is Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , SiO 2 , HfO 2 , SnO 2 , RuO 2 , ZrO 2 , SiN, TiN, TaN, WN, TiSiN, Co, Si, Ge, Cu, It is a device for depositing one or more layers consisting of Mo, Ta, Cu, Ti, Ru, GaAs, InP, GaP, InGaP, and mixtures thereof, wherein the cooling circuit is installed in the base material where the non-reactive coating film is coated. To be characterized.
또한 본 발명에 따른 ALD 장치 제조방법의 특징은,In addition, the features of the ALD device manufacturing method according to the present invention,
증착반응이 이루어지도록 내부에 반응실이 형성되는 진공챔버와,A vacuum chamber in which a reaction chamber is formed therein so as to effect a deposition reaction;
상기 진공챔버의 상부에 설치되어 반응가스 및 퍼지가스가 유입되어 웨이퍼상에 분사시키는 샤워헤드와,A shower head installed at an upper portion of the vacuum chamber and injecting a reaction gas and a purge gas into the wafer;
상기 샤워헤드에 연결되어 반응가스 및 퍼지가스를 공급하는 가스 공급부와,A gas supply unit connected to the shower head to supply a reaction gas and a purge gas;
상기 진공챔버의 하부에 설치되어 하우징 내부를 배기시키는 가스 배기구와,A gas exhaust port installed under the vacuum chamber to exhaust the inside of the housing;
상기 진공챔버의 내부에 설치되어 상부에 웨이퍼가 탑재되는 베이스를 구비하는 ALD 장치의 제조방법에 있어서,In the manufacturing method of the ALD device provided in the vacuum chamber having a base on which the wafer is mounted,
상기 ALD 장치 내부의 반응성 가스와 접촉하는 부위를 크리닝하는 공정과,Cleaning the site of contact with the reactive gas inside the ALD device;
상기 ALD 장치를 예열하여 아웃개싱 시키는 공정과,Preheating and outgassing the ALD device;
상기 ALD 장치의 반응성 가스와 접촉되는 부위에 불화수탄소수지 또는 불화탄소수지와 실록산 혼합물을 도포하는 단계와,Applying a fluorocarbon resin or a fluorocarbon resin and siloxane mixture to a site in contact with the reactive gas of the ALD device;
상기 ALD 장치를 가열하여 상기 코팅제를 소성시켜 코팅막을 형성하는 공정과,Heating the ALD apparatus to fire the coating to form a coating film;
또한 본 발명에 따른 ALD 장치 제조방법의 다른 특징은,In addition, another feature of the ALD device manufacturing method according to the present invention,
상기 코팅막을 폴리싱하는 공정을 구비하며, 상기 크리닝 공정을 알코올로 실시하고, 상기 예열을 50∼100℃ 로 실시하며, 상기 소성을 200∼300℃의 온도에서 5분∼1시간 동안 실시하되, 상기 예열 온도에서 소성 온도까지는 적어도 두 개 이상의 단계를 거쳐 승온시키는 것을 특징으로한다.And polishing the coating film, performing the cleaning process with alcohol, conducting the preheating at 50 to 100 ° C., and performing the baking at a temperature of 200 to 300 ° C. for 5 minutes to 1 hour. The preheating temperature to the firing temperature is characterized in that the temperature is increased through at least two steps.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 ALD 장치 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an ALD device for manufacturing a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3는 본 발명에 따른 ALD 장치를 설명하기 위한 개략도로서, 웨이퍼의 운반 경로 등에 관한 부분은 생략되어있다.3 is a schematic view for explaining an ALD device according to the present invention, in which portions related to a wafer transport path and the like are omitted.
먼저, 반응기가 되는 진공챔버(40)와, 상기 진공챔버(40)의 내부에서 상하로 움직이며 그 상부면에 다수개의 웨이퍼(44)들이 탑재되는 베이스(42)와, 상기 진공챔버(40)의 상부 덮개의 중앙에 설치되어 있으며, 웨이퍼로 가스를 공급하는 샤워 헤드(46)와, 상기 진공챔버(40) 하부 바닥 부분의 에지부에 설치되어 있는 가스 배기구(48)와, 상기 샤워 헤드(46)와 연결되어 있는 가스 공급부(60)로 구성되어 있으며, 상기 베이스(42)의 내부에는 히터(도시되지 않음)가 내장되어있다.First, a vacuum chamber 40 that becomes a reactor, a base 42 that moves up and down inside the vacuum chamber 40, and a plurality of wafers 44 are mounted on an upper surface thereof, and the vacuum chamber 40. A shower head 46 for supplying gas to the wafer, a gas exhaust port 48 provided at an edge portion of the lower bottom portion of the vacuum chamber 40, and the shower head It is composed of a gas supply unit 60 connected to 46, the heater (not shown) is built in the base 42.
여기서 상기 가스 공급부(40)에는 도시되어있지는 않으나, 형성하고자하는 박막의 종류에 따라 각종의 반응가스용기와 퍼지가스용기 및 각각의 용기에서의 유량을 조절하기 위한 밸브들이 구비되어있다.Although not shown, the gas supply unit 40 is provided with valves for controlling the flow rate of various reaction gas containers, purge gas containers, and respective containers according to the type of thin film to be formed.
또한 상기 ALD 장치는 반응챔버(40)의 내벽과 베이스(42)와, 샤워헤드(46)와, 가스 배기구(58)등의 내벽 또는 내외벽에 비반응성 코팅막(52)이 코팅되어있다.In addition, the ALD device is coated with a non-reactive coating film 52 on the inner wall or the inner wall of the reaction chamber 40, the base 42, the shower head 46, the gas exhaust port 58 or the like.
상기의 비반응성 코팅막(52)은 기본적으로 반응가스의 분자 또는 원자가 반응하지 않고 빠르게 이동될 수 있는 세라믹 계열이나, 불화 탄소 수지계열 코팅제로 형성되어 반응가스와 반응하지 않아, 박막이 형성되지 않으며, 반응생성 불순물도 쉽게 배출시킨다.The non-reactive coating film 52 is basically formed of a ceramic-based or fluorocarbon resin-based coating agent that can move quickly without reacting molecules or atoms of the reaction gas, and does not react with the reaction gas, so that a thin film is not formed. Reaction impurities are also easily discharged.
이러한 비반응성 코팅제로는 세라믹 계열로는 불소함유 세라믹을 들수 있고, 불화탄소 수지 계열로는 테프론계열로서 PTFE(poly tetra floro ethlene), FEP, PEA 및 ETEF등을 들수 있다.Examples of the non-reactive coating agent include a ceramic-based fluorine-containing ceramic, and the fluorocarbon resin-based teflon-based PTFE (poly tetra floro ethlene), FEP, PEA and ETEF.
상기 불소함유 세라믹은 내열성과 절연성 및 내구성이 우수한 세라믹 코팅제와 불화탄소수지가 혼합된 구조로서, 상기 세라믹 코팅제는 실록산(-Si-O-Si-) 구조가 연이어 있는 폴리 실록산 구조에 메틸기나 에틸기등이 함유되어 있는 물질로서 코팅이후 높은 결합 에너지에 의해 장시간 매우 안정적인 코팅막을 형성하며, 상기 불화탄소수지는 상기의 테프론 계열 물질들중 선택되는 물질이다.The fluorine-containing ceramic is a structure in which a ceramic coating agent having excellent heat resistance, insulation and durability and a fluorocarbon resin are mixed. This material contains a very stable coating film for a long time by high binding energy after coating, the carbon fluorocarbon resin is selected from the above Teflon-based materials.
여기서 상기 세라믹 코팅제인 실록산과 불화탄소수지의 혼합 비율은 1:0.2∼2 의 비율로 혼합되는데, 실록산이 많이 함유되면 내열성은 증가되나 취성이 떨어진다.Here, the mixing ratio of the siloxane, which is the ceramic coating agent, and the fluorocarbon resin is mixed at a ratio of 1: 0.2 to 2, and when a large amount of siloxane is contained, heat resistance is increased but brittleness is low.
또한 ALD 공정은 그 공정 방식에 따라 다양한 온도에서 ALD 공정을 진행하게 되는데, 촉매성 ALD와 같이 열에 의해 반응시키는 것이 아니라 촉매를 사용하여 반응기체를 웨이퍼와 반응시키는 공정에서는 200℃ 이하의 온도에서 공정을 진행 할 수 있으며, 통상의 열분해 ALD는 200∼600℃ 정도의 온도에서 공정이 진행된다.In addition, the ALD process proceeds the ALD process at various temperatures according to the process method.In the process of reacting the reactant with the wafer using a catalyst rather than reacting with heat like catalytic ALD, the process is performed at a temperature of 200 ° C. or less. In general, the thermal decomposition ALD process is carried out at a temperature of about 200 ~ 600 ℃.
따라서 열에 강한 세라믹 계열 코팅제로 비반응성 코팅막을 형성한 ALD 장치는 온도에 상관 없이 공정을 진행할 수 있으나, 200℃ 이상의 온도에서 분해되는 불화 탄소 수지계열 코팅제를 사용할 경우에는 저온 공정인 촉매성 ALD에서는 안정적인 공정을 진행할 수 있으나, 고온 공정인 열반응 ALD에서는 열반응 ALD에서는 웨이퍼 보다 반응기 내부의 온도를 낮추어줄 필요가 있다.Therefore, the ALD device which forms a non-reactive coating film with heat-resistant ceramic coating can be processed regardless of temperature, but it is stable in the catalytic ALD which is a low temperature process when using a fluorocarbon resin coating which decomposes at a temperature higher than 200 ° C. Although the process may proceed, it is necessary to lower the temperature inside the reactor in the thermal reaction ALD, which is a high temperature process, than the wafer in the thermal reaction ALD.
따라서 코팅제로 고분자 수지를 사용하거나, 반응기 전체를 고분자 수지계열로 형성한 경우에는 상기 비반응성 코팅막(52)이 코팅된 부분, 예를 들어 진공챔버(40) 내벽과, 베이스(42) 표면과, 샤워헤드(46)와, 가스 배기구(48)등에 냉각 순환로(도시되지 않음)를 설치할 필요가 있다.Therefore, when a polymer resin is used as a coating agent or the entire reactor is formed of a polymer resin series, a portion on which the non-reactive coating film 52 is coated, for example, an inner wall of the vacuum chamber 40, a surface of the base 42, It is necessary to provide a cooling circulation path (not shown) in the shower head 46 and the gas exhaust port 48.
이러한 냉각 순환로는 외부에서 냉각제를 흘러주어 비반응성 코팅막(52)의 온도 상승을 방지하며, 세라믹계열 코팅제의 경우에도 반응기 내부의 온도 분포를 균일하게 하기 위하여 필요할 수도 있다.The cooling circuit flows the coolant from the outside to prevent the temperature increase of the non-reactive coating film 52, and in the case of the ceramic coating agent may be necessary to uniform the temperature distribution inside the reactor.
상기의 ALD 장치는 공정 방식에 따라 저온 공정이 가능한 촉매성 ALD 장치나, 비교적 고온 공정이 진행되는 열반응 ALD 장치 또는 물질별로 산화막계열-Al2O3, Ta2O5, TiO2, SiO2, HfO2, SnO2, RuO2, ZrO2등-과, 질화막계열- SiN, TiN, TaN, WN, TiSiN 등-과, 단원자층이나 반도체층, 예를 들어 Co, Si, Ge, Cu, Mo, Ta, Cu, Ti, Ru, GaAs, InP, GaP, InGaP 등의 ALD 장치나, 인시튜 클리닝이 가능하거나 불가능한 ALD 공정등에 사용할 수 있다.The ALD device is a catalytic ALD device capable of a low temperature process according to the process method, or a thermally reactive ALD device or a material according to a relatively high temperature process-Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , SiO 2 , HfO 2 , SnO 2 , RuO 2 , ZrO 2, etc., and nitride film series-SiN, TiN, TaN, WN, TiSiN, etc., and monoatomic or semiconductor layers, such as Co, Si, Ge, Cu, Mo It can be used in ALD devices such as, Ta, Cu, Ti, Ru, GaAs, InP, GaP, InGaP, or ALD processes that can or cannot be cleaned in situ.
상기 ALD 장치의 코팅막(52)의 코팅 절차를 살펴보면 다음과 같다.Looking at the coating procedure of the coating film 52 of the ALD device is as follows.
먼저, 코팅하고자하는 코팅제와 모재인 반응챔버를 준비하고, 챔버 각각의 코팅 부위를 알코올로 세척하여 표면을 크리닝하고 접착력을 향상시킨 후에, 소재를 50∼100℃ 정도로 예열하여 아웃 가스시킨 후, 스프레이나 디핑등의 방법으로 코팅한다. 상기 모재는 Al이나 써스, 그라파이트, 모넬, 인코넬등의 재질을 사용할 수 있다.First, prepare a reaction chamber which is a coating material and a base material to be coated, clean the surface of each chamber with alcohol to clean the surface and improve adhesion, preheat the material to about 50 to 100 ° C., and then spray Or coating by dipping. The base material may be a material such as Al, sus, graphite, monel, Inconel.
그다음 소정의 온도, 예를 들어 200∼300℃의 온도에서 5분∼1시간 동안 소성시킨다. 여기서 상기 예열 온도에서 소성 온도까지는 몇단계, 예를 들어 4단계로 100℃ →150℃ →200℃ →250℃ 정도로 나누어 승온 시키는데, 이는 코팅막에 크랙이 생성되는 것을 방지하기 위한 것이며, 각 온도와 온도간의 유지 시간등은 코팅제의 종류나 코팅막의 두께등에 따라 달라진다.It is then calcined for 5 minutes to 1 hour at a predetermined temperature, for example at a temperature of 200 to 300 ° C. Here, the preheating temperature to the firing temperature is increased by dividing the temperature into several steps, for example, 100 ° C. → 150 ° C. → 200 ° C. → 250 ° C. in order to prevent cracks in the coating film. The holding time of the liver depends on the type of coating agent, the thickness of the coating film, and the like.
또한 소성된 코팅막을 폴리싱하여 표면을 메끄럽게 하고 두께를 1∼100㎛ 정도로 균일하게 한다.In addition, the calcined coating film is polished to smooth the surface and uniformly have a thickness of about 1 to 100 μm.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 ALD 장치 및 그 제조방법은 ALD 장치의 내부에 반응가스와 반응하지 않는 비반응성 코팅막을 형성하여 ALD 공정시 반응가스에 의한 챔버 내벽의 오염 및 박막 형성을 방지하여 크리닝 주기를 길게하거나 아예 크리닝 공정을 필요로 하지 않도록하였으므로, 크리닝에 의한 공정 중단이 방지되어 공정수율이 향상되고, 크리닝이 어려운 장비에서는 장비 자체의 수명을 연장시켜 비용이 절감되고, 불필요한 부분에서의 박막 형성이 방지되어 공정시 웨이퍼의 결함을 최소화함으로써 공정의 안정성이 향상되는 등의 이점이 있다.As described above, the ALD device and the method of manufacturing the same according to the present invention form a non-reactive coating film that does not react with the reaction gas inside the ALD device to prevent contamination of the inner wall of the chamber and thin film formation by the reaction gas during the ALD process. Since the cleaning cycle is not lengthened or the cleaning process is not required at all, the process interruption caused by cleaning is prevented and the process yield is improved, and in the equipment which is difficult to clean, the cost of the equipment itself is extended and the cost is reduced. The formation of a thin film is prevented, thereby minimizing defects in the wafer during the process, thereby improving the stability of the process.
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