KR20080026510A - 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법 - Google Patents

원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 겉보기 면적보다 실제 면적이 훨씬 더 넓은 기판 표면에 빠른 속도로 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착 장치의 반응기에 대한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 기판에 평행하게 기체가 흐르는 수평 흐름 원자층 반응기에서, 기판 위의 반응 공간의 높이를 불균일하게 하여, 기판 위로 흐르는 기체의 유속과 유량을 균일하게 하는 대신에 기판과 반응기 사이의 간격을 불균등하게 하여 반응 원료 기체가 더 많이 필요한 곳에 기체가 더 많이 공급되도록 함으로써, 원료 기체의 불필요한 소모를 줄일 수 있고, 기체 공급 주기에 필요한 시간을 단축할 수 있어서 같은 시간에 더 많은 기판을 처리할 수 있다.
수평 흐름, 원자층 증착 장치, 반응기, 기체 흐름 공간, 기체 공급

Description

원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법{ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS AND METHOD OF ATOMIC LAYER DEPOSITION USING THE SAME}
본 발명은 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 장치에 관한 것으로, 특히 DRAM(dynamic random access memory)과 같이 겉보기 면적보다 실제 면적이 훨씬 넓은 기판에 빠른 속도로 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에 있어서 기판 위에 고품질의 박막을 형성하고자 하는 장치나 공정에 대하여 개선하는 노력이 계속되고 있다. 최근에 두 가지 이상의 반응원료를 시간적으로 분리하여 순차적으로 기판 위에 공급하여 표면 반응을 통해 박막을 성장시키고, 이를 반복적으로 수행하여 원하는 두께의 박막을 형성하는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 방법이 제안되었다. 원자층 증착 방법에서, 반응 원료는 개별적으로 공급되고, 표면 반응에 의해 막이 형성되기 때문에 이와 같은 공정을 이용하면, 기판의 요철에 관계없이 기판의 표면전체에서 균일한 두께의 막을 얻을 수 있고, 막에 섞이는 불순물을 줄일 수 있어서 우수한 성질의 막을 형성할 수 있다.
기판에 평행한 방향으로 기체가 흐르는 수평흐름 원자층 반응기가 제안되었다. 수평 흐름 원자층 반응기는 반응기 안에서 기체의 흐름이 빠르고 단순하기 때문에 반응기 안의 기체 분위기를 빠른 속도로 전환할 수 있고 필요한 공정기체들을 순차적으로 공급하는 기체 공급 주기에 필요한 시간을 최소화할 수 있다. 이러한 수평흐름 원자층 반응기의 한 예가 대한민국 특허 출원 제 1999-0023078 호와 제 2000-0033548 호 및 미국 특허 US 6,539,891 등에 의해 시분할 원료공급 원자층 증착 방법에 적합한 반응기 및 이를 이용한 박막 제조 방법이 개시되었다. 또한 이를 개량한 예가 한국 특허 출원 제2005-0038606호 및 미국 특허 출원 11/429,533호로 출원되어, 2006년 11월 9일 미국 공개 번호 2006-0249077 A1에 공개되었다. 수평흐름 원자층 반응기의 다른 예가 미국특허 US 5,711,811, 미국 특허 US 6,562,140에 개시되었다. 상기 발명에서는 반응기 내부에서 기판이 놓인 면과 기판에 마주한 면 사이의 간격을 일정하게 하여 기판 위에서 기체의 흐름을 균일하고 층 흐름(laminar flow)에 가깝게 유지한다.
한편, 표면에 굴곡이나 요철이 심한 기판은 겉보기 표면적보다 실제 표면적이 넓다. 또한, 좁은 구멍이나 도랑이 매우 촘촘하게 배치된 DRAM의 전하저장 유전막 등을 형성하는 경우에는 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 50배나 더 클 수도 있다. 한편, 반도체 집적 회로 생산을 위한 기판은 일반적으로 원형이다. 이처럼, 다른 집적 회로 패턴들도 더욱 집적화되어 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 매우 큰 외관비를 가질 수 있다.
일반적으로 반도체 집적 회로에 사용되는 기판 또는 웨이퍼는 원형의 평면 모양을 가진다. 수평 흐름 원자층 증착기에서 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 훨씬 더 넓은 원형의 기판이 일정한 유량과 유속으로 기체가 공급되는 반응기에 장착된 경우, 기판 위에 일정하게 공급되는 원료 기체는 표면적이 거칠지 않은 일반적인 기판 위에서와는 다르게 소모된다. 따라서 원형 기판의 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 50배나 더 큰 경우에 기판 위로 흐르는 기체의 유량과 유속을 일정하게 유지하는 것은 원료 공급, 기체 공급 주기에 필요한 시간 등에서 불리할 수 있다.
도 1에 기체가 화살표로 도시한 바와 같이 아래에서 위 방향으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 반응기에 원형 기판(300)이 놓인 경우를 간략하게 도시하였다. 도 1을 참고하면, 원형기판 위로 흐르는 기체의 유속과 유량이 일정하고 원형 기판의 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 훨씬 더 큰 경우 펄스 형태로 공급된 원료 기체는 반응기 내부 표면에서 흡착 또는 표면 반응을 통해 일부 소모된 후에 위치(300X, 300Y, 300Z)에서 흡착이나 표면 반응을 통해 주로 소모되기 시작한다. 위치(300X, 300Z)에서 기판 표면의 흡착이나 표면 반응이 완료되어도 위치(300W)에서는 흡착이나 표면 반응이 완료되지 않기 때문에, 즉 반응 기체의 포화(saturation)가 이루어 지지 않기 때문에, 위치(300W)에 흡착이나 표면 반응이 완료될 때까지 원료 기체 공급을 계속하여야 한다. 위치(300X, 300Z)에서 기판 표면의 흡착이나 표면 반응이 완료된 후부터 위치(300W)에서 흡착이나 표면 반응이 완료될 때까지 위치(300X, 300Y) 위로 흐르는 원료 기체는 기판에 막을 형성하는 데 쓰이지 않고 배출되어 낭비된다. 즉, 기판의 모든 위치에서 실질적인 표면 포 화가 이루어지기 위하여, 마지막 포화점까지 포화가 완료될 때까지 기체 공급이 계속되어야만 한다.
원료 기체의 증기압이 충분히 높고 기판에 과량의 원료 기체가 공급되는 경우에는 이러한 기판 위치에 따른 포화 정도의 차이가 무시될 수도 있다. 예를 들어 산소(O2) 기체나 오존(O3) 기체의 경우는 막 형성에 필요한 최소량에 비해 충분히 많은 양이 반응기에 공급되므로 이러한 차이가 드러나지 않을 수도 있다. 그러나 예를 들어, 테트라키스에틸메틸아미도하프늄 (tetrakis(ethylmethylamido)halfnium, TEMAHf)이나 테트라키스에틸메틸아미도지르코늄 (tetrakis(ethylmethylamido)zirconium, TEMAZr)처럼 원료 기체의 증기압이 낮은 경우에는 기판의 표면에 막 형성에 필요한 원료 기체를 공급하는 데에도 상당한 시간이 소요된다. 원자층 증착 장치에 적합한 많은 원료 기체들도 낮은 증기압을 가진다.
예를 들어, 지름이 300mm인 원형 기판의 실제 표면적이 겉보기 표면적의 50배에 이른다면 기판의 전 표면적에 흡착하는 데 필요한 원료 기체를 공급하는 데에 1초나 그 이상의 시간이 걸릴 수 있다. 공급한 원료 기체가 기판에 막을 형성하는 데 쓰이지 않고 반응기를 통과한다면 기판 표면의 모든 곳에 흡착이나 반응할 만큼의 원료 기체를 공급하는 데에는 상당한 시간이 걸린다.
따라서 증기압이 낮은 원료를 사용하는 경우에는 원자층 증착법의 원료 기체 공급 주기에 필요한 시간을 줄이기 위하여, 그리고 가격이 비싼 원료를 사용하는 경우에는 공정 비용을 감소하기 위하여, 최소량의 원료 기체를 공급하고도 기판 위에서 흡착이나 표면 반응을 완료할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 기술적 과제는 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 큰 원형 기판을 사용하는 경우에도 원료 기체 공급 주기에 필요한 시간을 줄일 수 있고, 원료 기체의 낭비를 막을 수 있는 수평 흐름 원자층 증착 반응기를 포함하는 원자층 증착 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치는 기판이 놓인 면과 그와 마주한 면 사이를 원료 기체가 기판에 대체로 평행한 방향으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 장치로서, 반응기, 상기 반응기 내에 원형 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지대, 그리고 상기 기판 지지대로부터 이격되어 있으며, 상기 기판과 마주하고 오목한 부분을 가지는 반응기 내부 면을 포함하고, 여기서, 상기 반응기 내부 면과 상기 기판 지지대는 상기 기판 위의 기체 흐름 공간을 정의하고, 상기 기체 흐름 공간은 상기 기체 흐름 방향에 수직한 방향으로 기체 흐름 공간의 높이가 균일하지 않을 수 있다.
상기 반응기 내부 면의 오목한 부분은 상기 기판 지지대의 중앙 부분에 대응할 수 있다.
상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 최 소 높이의 1.5 배 이상일 수 있다.
상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 최소 높이의 2 배 이상일 수 있다.
상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최소 높이는 0.5mm 이상 5mm 이하일 수 있다.
상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최소 높이는 1mm 이상 3mm 이하일 수 있다.
상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 2mm 이상 15mm 이하일 수 있다.
상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 3mm 이상 6mm 이하일 수 있다.
상기 반응기 내부 면은 반응기의 기체 유입부를 적어도 일부분 정의하는 기체 흐름 조절판일 수 있다.
상기 원자층 증착 장치는 적어도 두 개의 기체 유입부를 포함할 수 있다.
상기 반응기 내부 면은 상기 반응 공간 내에 플라즈마를 발생하는 RF 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하여 박막을 증착하는 방법에 있어서, 상기 원자층 증착 장치는 기판이 놓인 면과 그와 마주한 면 사이를 원료 기체가 기판에 대체로 평행한 방향으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 장치이고, 상기 박막 증착 방법은 반응기 내에 기판을 장착하는 단계, 그리고 상기 기판 위의 반응 공간에 적어도 두 개의 원자층 반응 기체를 교대로 연속하여 공급하는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 반응 공간은 상기 기체 흐름 방향과 수직한 부분으로 자른 단면에서, 상기 기판의 중앙 부분 위의 높이가 상기 기판의 가장자리 위의 높이보다 더 클 수 있다.
상기 기판을 장착하는 단계는 기판의 겉보기 표면적보다 적어도 10배 이상 큰 실제 표면적을 가지도록 일부 막들이 형성된 기판은 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판을 장착하는 단계는 기판의 겉보기 표면적보다 적어도 50배 이상 큰 실제 표면적을 가지도록 일부 막들이 형성된 기판은 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응 공간은 상기 기판 위의 최대 높이와 상기 기판 위의 최소 높이를 가지고, 여기서 상기 최대 높이는 상기 최소 높이의 적어도 1.5배일 수 있다.
상기 반응 공간은 상기 기판 위의 최대 높이와 상기 기판 위의 최소 높이를 가지고, 여기서 상기 최대 높이는 상기 최소 높이의 적어도 2배일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반응기에 의하면, 반응 기체를 비연속적이거나 순차적으로 기판에 공급하는 원자층 증착법에서 겉보기 표면적 보다 실제 표면적이 훨씬 더 넓은 원형 기판에 박막을 형성할 때 필요한 원료 기체의 양을 절약하고 증착에 필요한 시간을 줄여서 장비의 생산성을 높일 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
먼저, 실제 표면적과 겉보기 표면적이 서로 다른 원형 기판 위에서의 기체의 유량에 대하여 도 2를 참고로 설명한다.
도 2는 수평 흐름 원자층 증착 반응기에서 원형 기판 위를 지나는 기체의 최적 유량을 나타낸 그래프이다. 도 2에서는 세 가지의 경우를 도시하는데, SEF=1은 원형 기판의 실제 표면적과 겉보기 표면적의 비율이 1인 경우, SEF=10은 원형 기판의 실제 표면적과 겉보기 표면적의 비율이 10인 경우, 그리고 SEF=50은 원형 기판의 실제 표면적과 겉보기 표면적의 비율이 50인 경우를 나타낸다. 이때, 원형 기판의 지름은 약 300mm이다.
만일 실제 표면적이 겉보기 표면적과 같은 경우에는, 기판 표면에 일정한 속도와 양의 원료 기체가 공급된다면 최소량의 원료 기체로 기판 표면과 반응기 내부 표면의 흡착이나 표면 반응을 완료할 수 있고 원료 기체 공급에 필요한 시간도 가장 짧게 할 수 있다.
그러나 실제 표면적이 겉보기 표면적의 10배나 50배인 경우에는 도 2에 도시 한 바와 같이, 원형 기판의 중심과 중심 가까이로 더 많은 원료가 공급되어야만 도 1에 도시한 위치(300X, 300W, 300Z)에서 흡착이나 표면 반응이 거의 같은 시간에 완료되어 원료 기체의 낭비를 막고 원료 기체 공급에 필요한 시간을 최소로 할 수 있다.
그러면, 도 3 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 3 내지 도 6에 도시한 원자층 증착 장치는 수평 흐름 원자층 증착 장치의 한 예이다. 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 원자층 증착 반응기(200)를 도시한다. 원자층 증착 반응기(200)는 반응기 덮개(201), 반응기 받침(202), 반응기 받침 구동부(292), 기체 흐름 조절부(205), 그리고 반응기 외벽(298)을 포함한다. 반응기 덮개(201) 및 반응기 받침(202)은 서로 밀착하여 반응실을 규정한다. 반응실은 기판(250)이 처리되는 반응 공간(251)을 포함한다. 반응 공간(251)은 반응기 받침(202) 상부 표면과 기체 흐름 조절부(205)의 하부 표면 사이의 공간으로 정의된다. 반응 공간(251)은 공정 기체 등이 유입되는 유입부(251a)와 공정에 사용되고 남은 공정 기체 등이나 반응 부산물이 배기되는 유출부(261b)를 포함한다. 반응기 받침(202)은 반응기 덮개(201)로부터 탈착되어 기판(250)을 반응실 내에 장착하거나 외부로 탈착한다. 외벽(298)은 진공 펌프에 연결된 외부 배기구(299)를 통해 반응기 덮개(201)와 반응기 받침(202)을 진공상태로 유지하도록 구성된다.
반응기 덮개(201)의 상부에는 제1 및 제2 기체 유입관(210 및 212)와 기체 유출관(220)이 구비되어 있다. 반응기 덮개(201)는 금속으로 만들어지는 것이 바 람직하나, 세라믹 물질로 만들어질 수도 있다.
제1 및 제2 기체 유입관(210 및 212)는 반응 소스들(도시하지 않음)과 연결되어 있다. 제1 및 제2 기체 유입관(210, 212)은 각기 제1 반응 기체(X) 및 제2 반응 기체(Y)를 공급하도록 구성되는데, 바람직하게는 반응 기체들(X, Y)은 기체 유입관(210, 212)를 통해 기체 상으로 유입된다. 기체 유입관(210, 212)의 상부에는 밸브가 구비되어 반응 기체와 퍼지 불활성 퍼지 기체의 흐름을 조절할 수 있다. 예를 들어, 삼방향(three-way) 밸브가 이용되어 각 기체 유입관(210, 212)에 불활성 기체와 반응 기체들 중 어느 하나를 공급하도록 조절할 수도 있다. 또한, 원자층 증착 반응기(200)는 밸브를 조절하기 위한 스위칭 기계 장치를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 프로그램화 된 컴퓨터가 스위칭 기계 장치로 이용되어 원자층 증착법의 기체 공급 주기에 맞추어 반응 기체들과 불활성 퍼지 기체를 순차적으로 공급하는데 이용될 수도 있다.
반응기 덮개(201)는 또한 반응기 덮개(201) 표면에 장착된 가열 장치(230)를 포함한다. 가열 장치(230)는 반응기 덮개(201)를 일정 온도로 가열하여, 반응기 덮개(201)의 내부 표면에서 반응 기체들이 응축(응결)하는 것을 방지한다.
반응기 받침(202)은 기판 지지대(260)와 기판 가열부(270)를 포함한다. 기판 지지대(260)는 기판(250)을 지지하고, 기판(250)을 장착할 수 있는 오목부를 가져서 기판(250)의 상부 표면만을 노출한다. 기판 가열부(270)는 기판 지지대(260) 하부에 장착되어 있으며 증착 공정 동안, 기판(250)의 온도를 공정에 필요한 온도까지, 반응 기체들의 분해(decomposition) 온도보다는 낮고 반응 기체들의 응축(응 결)(condensation) 온도보다는 높도록, 가열하여 유지한다. 기판 지지대(260)는 금속으로 만들어지고, 바람직하게는 전기적으로 접지된다. 이러한 반응기 받침(202)의 형태 및 물질 등은 반응기의 설계에 따라 변화 가능하다.
반응기 받침 구동부(292)는 모터와 같은 구동 장치(도시하지 않음)을 사용하여, 반응기 받침(202)을 상하로 이동하도록 구성된다. 증착 공정 전후에는, 반응기 받침(202)은 아래로 이동하여 반응기 덮개(201)로부터 분리하여 반응실을 개방함으로써, 기판(250)을 외벽(298)의 게이트 밸브(도시하지 않음)를 통해 자동적으로 장착 또는 탈착할 수 있다.
기체 흐름 조절부(205)는 상부 기체 흐름 조절판(240) 및 하부 기체 흐름 조절판(242)을 포함한다. 아래의 도 4c와 관련한 설명에서 보다 상세히 설명하는 것과 같이, 하부 기체 흐름 조절판(240)은 반응 공간의 상부를 정의하는데, 하부 기체 흐름 조절판(240)의 하부 표면에는 오목부(244) 또는 함몰부를 가지고, 장착된 기판(250)과 반응 공간만큼 이격되어 마주본다. 하부 기체 흐름 조절판(240)의 오목부(244)는 기체 흐름 방향에 평행하게 형성되어 있어서, 반응 공간은 기체 흐름 방향을 따라 일정한 높이를 가지는 터널형태일 수 있다.
상부 기체 흐름 조절판(240)은 하부 기체 흐름 조절판(242) 위에 적층되어 있고, 상부 기체 흐름 조절판(240)의 중앙 부분은 반응기 덮개(201)의 내부 바닥 표면에 부착되어 있다. 다른 실시예에서는, 기체 흐름 조절부(205)는 반응실에 공급되는 반응 기체들의 수에 따라서 추가적인 기체 흐름 조절판을 더 포함할 수 있다. 상부 기체 흐름 조절판(240)과 하부 기체 흐름 조절판(242)은 반응기 덮 개(201)에 장착되거나, 분리될 수 있다. 이러한 구성을 통해, 보수 관리나 세척 등이 용이할 수 있다. 그러나, 상부 기체 흐름 조절판(240)과 하부 기체 흐름 조절판(242)은 반응기 덮개(201)의 한 구성 요소로 하나의 몸체를 이룰 수 있다. 기체 흐름 조절부(205)는 제1 유입 채널(211), 제2 유입 채널(213), 그리고 유출 채널(221)을 정의하고, 제1 유입 채널(211)과 제2 유입 채널(213) 각각은 개별적인 흐름 경로를 가지고 반응 공간(251)으로 유입된다.
플라즈마 발생 전극을 더 포함하여, 증착 공정 동안, 반응 공간(251)에 플라즈마를 발생시킬 수 있는데, 플라즈마 발생 전극은 하부 기체 흐름 조절판(242)의 하부 표면에 일부로 형성될 수 있고, 이 경우 플라즈마 발생 전극이 반응 공간의 상부를 정의할 수 있다.
도 4a를 참고하면, 상부 기체 흐름 조절판(240)은 중앙부로 테이퍼진(tapered) 제1 및 제2 유입홈(241a, 241b)을 가진다. 즉, 제1 및 제2 유입홈(241a, 241b)은 상부 기체 흐름 조절판(240)의 중앙부분에서 가장자리로 갈수록 넓어지는 부채꼴 형태를 가진다. 제1 유입홈(241a)은 반응기 덮개(201)의 내부 하부 표면의 일부와 함께, 도 3에 도시한 바와 같이, 기체 유입관(210)을 통해 공급된 반응 기체(X)의 제1 유입 채널 또는 통로(211)를 정의한다. 제2 유입홈(241b)은 반응기 덮개(201)의 내부 하부 표면의 다른 일부와 함께, 도 3에 도시한 바와 같이, 반응하고 남은 반응 기체 및 반응 부산물들의 유출 채널 또는 통로(221)를 정의한다. 상부 기체 흐름 조절판(240)은 상부 기체 흐름 조절판(240)을 수직으로 관통하는 관통 구멍(through hole)(245)을 가진다. 관통 구멍(245)은 도 3의 제2 기체 유입관(212)과 도 4b를 참고로 하여 아래에서 상세하게 설명될 하부 기체 흐름 조절판(242)의 중앙홈(246)이 서로 연결되어 기체가 흐를 수 있도록 구성된다. 상부 기체 흐름 조절판(240)은 금속 또는 세라믹 물질로 만들어질 수 있다.
상부 기체 흐름 조절판(240)은 또한 제1 및 제2 유입홈(241a, 241b) 사이를 둘러싸는 중앙부에 볼록부(240a)를 포함한다. 볼록부(240a)는 제1 및 제2 유입홈(241a, 241b)의 측벽을 정의하고, 제1 유입관(210)으로부터 유입된 기체를 상부 기체 흐름 조절판(240)의 외주 방향으로 흐르도록 하여, 반응 공간으로 흐르게 하고, 반응 공간을 통과해 온 기체를 다른 외주 방향으로 흐르게 하여, 즉 기체 유출관(220) 쪽으로 흐르도록 한다.
도 4b를 참고하면, 하부 기체 흐름 조절판(242)은 중앙부로 테이퍼진 하부 유입홈(243)을 가진다. 하부 유입홈(243)은 부채꼴 형태이다. 하부 유입홈(243)은 도 3에 도시한 바와 같이, 상부 기체 흐름 조절판(240)의 하부 표면과 함께 제2 기체 유입관(212)으로부터 공급된 반응 기체(Y)의 제2 유입 채널(213)을 정의한다. 도 4b에 도시한 바와 같이, 하부 유입홈(243)은 하부 기체 흐름 조절판(242)의 중앙홈(246)으로 더 뻗어 있어서, 제2 유입 채널(213)은 상부 기체 흐름 조절판(240)의 관통 구멍(245)을 통해서 제2 기체 유입관(212)과 서로 연결되어 기체가 흐를 수 있다. 또한, 하부 기체 흐름 조절판(242)의 하부 표면과 기판 지지대(260)의 상부 표면은 기판(250)이 처리되는 반응 공간(251)을 정의한다. 하부 기체 흐름 조절판(242)의 하부 표면과 기판 지지대(260)의 상부 표면 사이의 균일하지 않은 간격은 반응 기체를 적절하게 공급하기 위한 최적의 공간 구성에 따라 조절될 수 있 다. 본 발명의 실시예에서, 이러한 하부 기체 흐름 조절판(242)의 하부 표면과 기판(250) 표면 사이의 간격은 위치에 따라 약 1mm 내지 약 10mm정도일 수 있다. 상부 기체 흐름 조절판(240)과 하부 기체 흐름 조절판(242)의 유입홈(241a, 241b, 243)의 형태는 반응기의 설계에 따라 변화 가능하다.
하부 기체 흐름 조절판(242) 역시 하부 유입홈(243)과 중앙홈(246) 주변에 형성되어 있는 볼록부(242a)를 가진다. 볼록부(242a)는 하부 유입홈(243)과 중앙홈(246)의 측벽을 형성하고, 제2 기체 유입관(212)으로부터 공급된 기체를 하부 기체 흐름 조절판(242)의 외주 방향으로 흐르도록 하여, 반응 공간으로 흐르게 하고, 반응 공간을 통과해 온 기체를 다른 외주 방향으로 흐르게 하여, 상부 기체 흐름 조절판(240)에 의하여 정의되는 기체 유출관(220) 내부로 흐르도록 한다.
도 3 및 도 4a를 참고하면, 상부 기체 흐름 조절판(240)의 제2 유입홈(241b)에 의해 정의되는 유출 채널(221)은 기체 유출관(220)을 향할수록 내부가 좁아진다. 따라서, 만일 기체 흐름이 위치(B)에서 정체된다면 반응 기체들은 기체 유출관(220) 근처 병목 지점(B)에서 서로 반응하거나 내부 벽에 증착될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착기에서 기체 유출관(220)의 단면적은 제1 유입관(210)과 제2 유입관(212)의 단면적의 합보다 최소한 같거나 크게 형성한다. 또한, 유출 채널(221)의 단면적은 제1 유입 채널(211)과 제2 유입 채널(213) 단면적의 합보다 최소한 같거나 크게 형성한다. 따라서, 기체 흐름이 위치(B)에서 정체되지 않도록 하여, 원하지 않는 반응이나 증착을 최소화할 수 있다.
도 5는 반응기(200) 내의 반응 기체들과 배기 기체들의 흐름을 도시한다. 증착 과정에서는, 반응 기체(X)는 제1 유입관(210)으로부터 공급되고, 불활성 기체는 제2 유입관(212)으로부터 공급된다. 반응 기체(X)는 제1 유입 채널(211)을 통과하여 흐르면서 부채꼴로 평편하게 퍼진다. 그 후, 반응 기체(X)는 상부 기체 흐름 조절판(240)의 가장자리에서 아래로 향하여 반응 공간의 유입부(251a)를 향해 흐른다. 불활성 기체는 제2 유입 채널(213)에 의해 반응 기체(X)와 유사하게 흐른다. 불활성 기체는 반응 기체(X)가 제2 유입 채널(213)으로 유입되는 것을 방지한다. 그 후, 반응 기체(X)는 반응 공간으로 계속하여 흐른 뒤, 반응 공간의 유출부(251b)에 다다른다. 도 5에 도시한 바와 같이, 반응 기체(X)와 불활성 기체에 대한 유입홈(241a, 213)들은 기체 흐름 유도판들의 하부에 놓인 반응 공간과 기체 흐름 상 연결되어 있는 넓은 부분을 가지기 때문에, 반응 기체(X)와 불활성 기체는 반응 공간에 유입될 때 넓게 퍼지게 되고, 따라서 기판(250) 위에서 균일한 증착을 용이하게 한다.
그 후, 도 3에 도시한 바와 같이, 반응 기체(X)는 반응 공간(251)을 통해서, 기판(250) 위를 유입부(251a)에서 유출부(251b) 쪽으로 기판에 평행한 방향으로 흐른다. 증착 후 남은 반응 기체(X)와 반응 부산물 등과 같은 배기 기체들은 유출부(251b)에서 유출 채널(221)을 통해 기체 유출관(220)을 향해서 위로 이동하게 된다. 배기 기체들은 유출 채널(221)을 통해 흐른 뒤, 기체 유출관(220)으로 배기된다. 도시한 바와 같이, 기체 유출관(220)은 기체 유입관(210, 212) 보다 넓은 단면적을 가지고, 기체 유입관(210, 212)의 단면적의 합보다 더 큰 단면적을 가지는 것이 바람직하다.
다시 도 5를 참고하면, 다음 기체 공급 단계에서는, 반응 기체(Y)가 제2 기체 유입관(212)을 통해 공급되고, 불활성 기체는 제1 기체 유입관(210)을 통해 공급된다. 반응 기체(Y)는 상부 기체 흐름 조절판(240)의 관통 구멍(245)과 하부 기체 흐름 조절판(242)의 중앙홈(246)을 통해 제2 유입 채널(213)으로 흐른다. 그 후, 위에서 설명한 공정 기체(X)와 유사하게 도 3의 반응 공간(251)을 통해 흐른다. 이때 제1 기체 유입관(211)으로부터 공급된 불활성 기체는 반응 기체(Y)가 제1 유입 채널(211)로 유입되는 것을 방지한다.
본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 반응기(200)를 가지는 원자층 증착 장치를 사용하여 박막을 증착하는 방법에서, 반응 기체(X)는 제1 기체 유입관(210)을 통해 공급되고 불활성 기체는 제2 기체 유입관(212)을 통해 공급된다. 반응 기체(X)는 제1 유입 채널(211)을 따라 반응 공간(251)으로 흐르고, 불활성 기체에 의하여 제2 유입 채널(213)으로 유입되는 것이 방지된다. 이에 의하여 반응 기체(X)는 반응 공간(251)에 장착되어 있는 기판(250) 위에 흡착된다. 이러한 흡착 단계는 기판의 표면이 반응 기체(X)로 포화될 때까지 충분한 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 흡착은 자기 제어 방식(self-limiting)으로서 단지 분자 단일층(molecular monolayer)으로 이루어진다. 다음으로, 흡착되고 남은 반응 기체(X)와 반응 부산물들은 퍼지(또는 제거)된다. 이러한 퍼지 단계는 제1 및 제2 기체 유입관(210, 212) 모두를 통해 퍼지 기체 또는 불활성 기체를 공급하여 수행하는 것이 바람직하다.
이어서, 반응 기체(Y)가 제2 기체 유입관(212)를 통해 공급되고, 불활성 기 체가 제1 기체 유입관(210)을 통해서 공급된다. 반응 기체(Y)는 제2 유입 채널(213)을 통해 반응 공간(251)으로 흐르고, 불활성 기체에 의하여 제1 유입 채널(211)로 흐르는 것이 방지된다. 이에 의하여, 반응 기체(Y)는 기판(250) 위에 흡착된 반응 기체(X)와 반응한다. 반응 기체(Y)는 흡착된 단일층과 완전히 반응할 때까지 충분한 시간 동안 공급된다.
다음으로, 반응하고 남은 반응 기체(Y)와 반응 부산물은 퍼지된다. 이러한 퍼지 단계 역시 제1 및 제2 기체 유입관(210, 212) 모두를 통해 퍼지 기체 또는 불활성 기체를 공급하여 수행하는 것이 바람직하다. 그 후, 만일 추가적인 증착이 필요하다면, 위에서 설명한 기체 공급 단계들을 복수 회 반복한다. 이러한 기체 공급 단계들은 적어도 5회 이상 연속하여 반복하는 것이 바람직하다. 만일 추가적인 증착이 필요하지 않다면, 증착은 완료된다. 위에서 설명한 기체 공급 단계 동안, 기체 유입관(210, 212)의 입구에 위치되어 있는 밸브들은 반응 기체와 불활성 기체의 공급을 조절하는데 사용된다.
본 발명의 다른 한 실시예에 따른 박막을 증착하는 방법은 비 흡착성 반응 물질 공급으로부터 시작될 수 있다. 이러한 경우는, 추가적인 반응 물질들이 박막 형성에 사용될 수 있다. 예를 들어, 반응 공간에 반응 기체(X)를 공급하기에 앞서, 기판 표면을 초기 표면 처리할 경우, 예를 들어 물이나 다른 수산화 작용제로 처리할 경우이다. 위에 설명한 공정을 자기 제어 방식으로 만들기 위하여, 각 기체 공급 단계에서 환원제가 사용되어 흡착 종들로부터 리간드(ligand)를 제거할 수 있다. 또한, 막 형성에 기여할 수 있는 추가적인 반응 기체들이 각 기체 공급 사 이클 또는 기체 공급 사이클 중 일부에서 사용될 수 있다.
위에서 설명한 과정들을 수행하기 위하여, 원자층 증착 반응기(200)는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 반응 기체들과 불활성 기체의 공급을 제어하여, 원하는 대로 반응 기체들과 불활성 기체들을 순차적으로 및/또는 교대로 공급한다. 제어 시스템은 공정을 수행하도록 구성된 프로세서, 메모리, 그리고 소프트웨어 프로그램을 포함할 수 있다. 또한 다른 형태의 제어 시스템을 포함할 수 있다. 또는 범용 컴퓨터가 제어 시스템으로 사용될 수 있다. 제어 시스템은 메모리에 저장되어 있는 프로그램에 따라 반응 기체들 및 불활성 기체 배관의 밸브를 자동적으로 열거나 닫을 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 균일하지 않은 반응 공간 높이를 가지는 수평 흐름 원자층 증착 반응기는 표면에 요철이 심하거나, 표면적이 넓은 기판 위에 원자층 증착법을 이용하여 증착하는 경우(예를 들어, 기판에 깊은 트렌치(trench)가 형성되어 있는 큰 외관비의 DRAM과 같은 구조에 증착할 경우)에 이용하는 것이 바람직하다. 또한 균일하지 않은 반응 공간 높이를 가지는 수평 흐름 원자층 증착 반응기는 금속, 산화 금속, 질화 금속, 그리고 탄화 금속들과 같은 금속성 물질을 증착하는 원자층 증착 방법에서 흔히 사용되는 낮은 증기압을 가지는 반응물들을 이용하는 증착 공정에 특히 유리하다. 이러한 반응물들은 표준 상태(실내 온도와 대기압)에서 측정한 경우, 약 0.1mmHg 이하의 증기압을 가진다. 이러한 낮은 증기압을 가지는 반응물들을 사용하는 경우, 외관비가 약 10 또는 50 정도 되는 기판 표면을 포화시키기 위하여 매우 많은 시간이 필요하고, 낮은 증기압을 가지는 반응물들을 충분히 공급하는 것이 매우 어렵기 때문에, 이러한 반응물들을 효율적으로 이용하는 것이 특히 중요하다.
도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 반응기의 하부 기체 흐름 조절판의 한 예이다.
도 4c를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기는 하부 기체 흐름 조절판(242)을 포함한다. 하부 기체 흐름 조절판(242)은 도 4c에 도시한 바와 같은 오목한 가운데 부분(244)을 가진다. 따라서, 반응기는 반응기에 장착된 기판(250)과 마주하는 부분의 높이가 균일하지 않고, 기판(250)의 중심이나 중심에 가까운 부분이 우묵하게 들어가서 기판과의 간격이 더 넓게 형성될 수 있다. 이처럼, 반응기 내부에서, 특히 기체 흐름 조절판(242)과 기판(250) 사이의 반응 공간(251)은 터널 형태 또는 관 모양의 기체가 흐르는 부분을 가지고, 기판(250)의 중앙 부분과 마주하는 부분과 기판(250)의 중앙부분과 인접한 부분에서 다른 높이를 가져서, 기판(250)의 중심이나 중심에 가까운 부분에 기체가 더 많이 흐르게 할 수 있다. 여기서, 기판의 중심이나 중심에 가까운 부분은 기체 흐름 방향에 수직한 부분으로 자른 단면도에서 보여지는 기판의 중앙 부분일 수 있고, 따라서, 반응 공간(251)에서 기체가 흐르는 방향과 평행한 방향으로 오목한 가운데 부분(244)이 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 반응 공간(251)은 상기 기체 흐름 방향과 수직한 방향으로 자른 단면에서, 기판(250)의 중앙 부분 위의 높이가 상기 기판(250)의 가장자리 위의 높이보다 더 클 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기에서 기판 위에 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 기판 위에 기체가 흐르는 공간의 최소 높이의 1.5 배 이상인 것이 바람직하고, 또는 기판 위에 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 최소 높이의 2 배 이상인 것이 바람직하다. 반응 공간(251)의 높이는 도 3 내지 5에 도시한 실시예에 도시한 하부 기체 흐름 조절판(242)의 하부 면에 의하여 정의된다. 도 4c의 하부 기체 흐름 조절판(242)은 또한 오목부(244)를 가지는 동일한 두께의 RF 전극을 구비할 수도 있다.
또한, 기판 위에 기체가 흐르는 공간의 최소 높이, 기판의 양 가장자리에 인접한 부분에 대응하는 높이는 0.5mm 이상 5mm 이하인 것이 바람직하고, 또는 기판 위에 기체가 흐르는 공간의 최소 높이는 1mm 이상 3mm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 기판 위에 기체가 흐르는 공간의 최대 높이, 기판의 중앙부에 인접한 부분에 대응하고, 기체가 흐르는 주 통로의 가장자리에 대응하는 부분의 높이는 2mm 이상 15mm 이하인 것이 바람직하고, 또는 기판 위에 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 3mm 이상 6mm 이하인 것이 바람직하다.
이제, 반응기 내부의 기판 위의 높이에 따른 기체 흐름 변화에 대하여 구체적으로 설명한다. 수평 흐름 원자층 증착 장치의 반응기에서 기체가 흐르는 방향으로 공간의 높이가 일정하고 기체 흐름에 수직한 방향으로 공간이 높이에 차이가 있다면, 기체 유입부와 기체 유출부의 압력 차에 의해 반응기 내부 흐르는 기체의 유량은 대체로 공간의 높이의 3제곱에 비례한다. 따라서, 수평 흐름 원자층 증착 장치의 반응기에서 기판에 수직 방향으로 기체가 흐를 수 있는 공간의 높이가 큰 부분에서의 기체 유속이 기체가 흐를 수 있는 공간의 높이가 작은 부분에서의 기체 의 유속보다 더 빠르다.
도 6을 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기에서의 기판 위의 기체 공급 공간에 따른, 원형 기판의 유량 공급량을 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기는 도 4c에 도시한 바와 같은 오목한 중앙 부분을 가지는 하부 기체 흐름 조절판을 포함하여, 반응 공간의 기판과 마주하는 부분의 높이가 균일하지 않고, 원형 기판의 중심이나 중심에 가까운 부분이 우묵하게 들어가서 기판과의 간격이 더 넓게 형성된다. 여기서, 기판의 중심이나 중심에 가까운 부분은 기체 흐름 방향에 수직한 부분으로 자른 단면도에서 보여지는 기판의 중앙 부분이고, 도 6의 그래프에서도 이 부분을 나타낸다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 기체 흐름 방향으로 기판의 앞에서 뒤로는 단면 높이가 균일할 수 있다.
도 6은 원형 기판과 도 3 내지 도 5에 도시한 하부 기체 흐름 조절판(242) 또는 RF 전극과 같은 반응 공간의 높이를 정의하는 구성 요소 사이의 간격, 즉 반응 공간의 높이를 나타내는 그래프이다. 도 6에서, 세 경우를 도시하는데, SEF=1은 원형 기판의 실제 표면적과 겉보기 표면적의 비율이 1인 경우, SEF=10은 원형 기판의 실제 표면적과 겉보기 표면적의 비율이 10인 경우, 그리고 SEF=50은 원형 기판의 실제 표면적과 겉보기 표면적의 비율이 50인 경우를 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이, 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 적어도 10배 또는 50배인 원형 기판이 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기에 장 착된 경우, 기판의 중앙 부분에 더 많은 반응 기체가 공급되어야만 도 2에 도시한 바와 같은 최적의 기체 공급량과 유사하게 기체가 흐를 수 있다는 것을 알 수 있다.
즉, 원자층 증착 장치의 반응기 내부에서 장착된 기판 위의 반응 공간의 높이를 본 발명의 실시예와 같이 조절하면 도 3에 보인 기체 유량을 실현할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시한 바와 같이, 실제 표면적이 겉보기 표면적의 50배인 원형 기판에 박막을 형성할 때 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기를 사용함으로써, 박막을 증착 하는데 요구되는 최소량의 원료 기체를 사용하여 박막 증착에 필요한 원료 기체 공급 주기에 요구되는 시간을 최소로 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기에 따르면, 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 큰 기판 위에 박막을 증착할 때, 기체 공급 주기에 필요한 시간과 반응 기체의 소모를 줄일 수 있어서, 원자층 증착 장치의 생산량을 증가할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 많은 변형이 이루어질 수 있음은 명백하다.
도 1은 수평 흐름 원자층 증착 반응기에 원형 기판이 놓인 경우 기체의 흐름을 도식적으로 표현한 평면도이다.
도 2는 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 1배, 10배, 50배인 원형 기판이 수평흐름 원자층 증착 반응기에 놓여 있을 때 원료 기체의 소모를 최소로 하는 최적의 기체 공급 유량을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 나타내는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시한 실시예에 따른 상부 및 하부 기체 흐름 조절판을 나타내는 사시도이다.
도 4c는 본 발명의 한 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기의 기체 공급 공간을 정의하는 하부 기체 흐름 조절판의 하부면의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 원자층 증착 장치의 반응기를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치에 의한 반응기에서의 기판 위의 기체 공급 공간에 따른, 실제 표면적이 겉보기 표면적보다 1배, 10배, 50배인 원형 기판의 유량 공급을 나타낸 그래프이다.

Claims (16)

  1. 기판이 놓인 면과 그와 마주한 면 사이를 원료 기체가 기판에 대체로 평행한 방향으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 장치에 있어서,
    반응기,
    상기 반응기 내에 원형 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지대, 그리고
    상기 기판 지지대로부터 이격되어 있으며, 상기 기판과 마주하고 오목한 부분을 가지는 반응기 내부 면을 포함하고,
    여기서, 상기 반응기 내부 면과 상기 기판 지지대는 상기 기판 위의 기체 흐름 공간을 정의하고, 상기 기체 흐름 공간은 상기 기체 흐름 방향에 수직한 방향으로 기체 흐름 공간의 높이가 균일하지 않은 원자층 증착 장치.
  2. 제 1항에서,
    상기 반응기 내부 면의 오목한 부분은 상기 기판 지지대의 중앙 부분에 대응하는 원자층 증착 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 최소 높이의 1.5 배 이상인 원자층 증착 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 최소 높이의 2 배 이상인 원자층 증착 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최소 높이는 0.5mm 이상 5mm 이하인 원자층 증착 장치.
  6. 제 5항에서,
    상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최소 높이는 1mm 이상 3mm 이하인 원자층 증착 장치.
  7. 제 1항에서,
    상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 2mm 이상 15mm 이하인 원자층 증착 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 반응기 내부에서 상기 기판 위로 기체가 흐르는 공간의 최대 높이는 3mm 이상 6mm 이하인 원자층 증착 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 반응기 내부 면은 반응기의 기체 유입부를 적어도 일부분 정의하는 기체 흐름 조절판인 원자층 증착 장치.
  10. 제1항에서,
    적어도 두 개의 기체 유입부들을 포함하는 원자층 증착 장치.
  11. 제1항에서,
    상기 반응기 내부 면은 상기 반응 공간 내에 플라즈마를 발생하는 RF 전극을 포함하는 원자층 증착 장치.
  12. 기판이 놓인 면과 그와 마주한 면 사이를 원료 기체가 기판에 대체로 평행한 방향으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 방법에 있어서,
    반응기 내에 기판을 장착하는 단계, 그리고
    상기 기판 위의 반응 공간에 적어도 두 개의 원자층 반응 기체를 교대로 연속하여 공급하는 단계를 포함하고,
    여기서, 상기 반응 공간은 상기 기체 흐름 방향과 수직한 부분으로 자른 단면에서, 상기 기판의 중앙 부분 위의 높이가 상기 기판의 가장자리 위의 높이보다 더 큰 원자층 증착 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 기판을 장착하는 단계는 기판의 겉보기 표면적보다 적어도 10배 이상 큰 실제 표면적을 가지도록 일부 막들이 형성된 기판은 제공하는 단계를 포함하는 원자층 증착 방법.
  14. 제12항에서,
    상기 기판을 장착하는 단계는 기판의 겉보기 표면적보다 적어도 50배 이상 큰 실제 표면적을 가지도록 일부 막들이 형성된 기판은 제공하는 단계를 포함하는 원자층 증착 방법.
  15. 제12항에서,
    상기 반응 공간은 상기 기판 위의 최대 높이와 상기 기판 위의 최소 높이를 가지고, 여기서 상기 최대 높이는 상기 최소 높이의 적어도 1.5배인 원자층 증착 방법.
  16. 제12항에서,
    상기 반응 공간은 상기 기판 위의 최대 높이와 상기 기판 위의 최소 높이를 가지고, 여기서 상기 최대 높이는 상기 최소 높이의 적어도 2배인 원자층 증착 방법.
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