KR20130086615A - 원자층 증착을 이용한 장치상의 배리어 층 형성 - Google Patents

원자층 증착을 이용한 장치상의 배리어 층 형성 Download PDF

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Abstract

장치를 감싸는 하나 이상의 배리어 층들의 구성이 원자층 증착(ALD)의 파라미터들을 설정하는 것에 의해 제어된다. 장치와 함께 형성된 기판은 서셉터 위에 놓여지고, 증착 장치의 반응기들에 의해 주입되는 원료 전구체 기체 및 반응 전구체 기체의 다수의 순환(cycle)에 노출된다. (ⅰ) 서셉터와 반응기들 사이의 상대적인 속도, (ⅱ) 반응기들의 구성, 및 (ⅲ) 반응기들에 의해 주입되는 기체들의 유속(flow rate) 중 하나 이상을 조정함으로써, 기판상에 증착된 층들의 구성은 제어될 수 있다. 증착된 층들의 구성을 제어함으로써, 증착된 층들에 있는 결함들이 예방되거나 감소될 수 있다.

Description

원자층 증착을 이용한 장치상의 배리어 층 형성{FORMATION OF BARRIER LAYER ON DEVICE USING ATOMIC LAYER DEPOSITION}
본 발명은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용하여 기판상에 하나 이상의 배리어 물질층을 증착하는 것에 관한 것이다.
어떤 장치(예를 들면, 집적 회로)는 대기중에 존재하는 습기 및 산소와 같은 요소에 민감하다. 그러한 장치를 보호하기 위해서, 장치는 종종 제작 공정동안 배리어 물질층에 싸여진다(encapsulatation). 층은 일반적으로 장치 위에서 형성되고 장치의 모서리 너머까지 연장되어 그러한 요소들이 장치와 접촉하는 것을 방지한다. 막들은 종종 스퍼터링(sputterring) 또는 화학적 기상 증착 (CVD)과 같은 방법들을 이용하여 형성된다. 이러한 배리어 층의 일 예가 알루미늄 산화물(Al2O3)이다.
도 1은 두 개의 배리어 층(124, 132)으로 싸여진 장치(136)와 두 개의 배리어 층(124, 132) 사이의 중간층(128)을 설명하는 단면도이다. 중간층(128)은 장치(136)와 그 위에 증착되는 배리어 층들(124, 132)의 수직 프로파일(vertical profile)을 평평하게 하는 역할을 한다. 배리어 층들(124, 132) 및 중간층(128)을 증착하는 동안, 쉐도우 마스크(shadow mask, 110)이 기판(120)상에 놓여진다. 쉐도우 마스크(110)는 배리어 층(124, 132) 및 중간층(238)이 증착되는 영역이 노출되도록 구멍들을 갖는다. 증착 물질은 쉐도우 마스크(110)의 구멍으로 수직 주입되기 때문에, 배리어 층들(124, 132) 및 중간층(128)은 일반적으로 동일한 수평 모서리들(130)까지 연장된다.
도시된 바와 같이, 중간층(128) 및 배리어 층(124)는 배리어층(132)를 너머까지 연장되지 않는다. 층들(124, 132)의 범위가 모서리들(130)에서 불완전하기 때문에, 습기 또는 산소는 모서리들(130)에서 층들(124, 132)를 투과할 수 있다. 이런 이유로, 장치(136)상에 형성된 배리어 층들(124,132)은 대기 요소들에 대해 불충분한 보호를 제공하게 된다. 게다가, 배리어 층들이 쉐도우 마스크(110)를 지나 연장되는 경우, 배리어 층들(124, 132)은 쉐도우 마스크(110)과 접촉할 수 있고, 기판(120)으로부터 쉐도우 마스크(110)이 제거될 때 배리어 층들(124, 132)은 파열되거나 찢겨져 떨어질 수 있다.
통상적인 증착 방법에 의해 형성된 배리어 층들은 또한 다른 결점들에 취약하다. 도 2는 장치(234)의 부분을 덮는 투명 전극(230)을 구비한 장치(234)의 예시이다. 전극(238)은 투명 전극(230)으로부터 연장되어 장치(230)를 외부 장치(미도시)와 연결한다. 예를 들면, 투명 전극(230)은 인듐 주석 산화물(ITO)로 만들어지고 전극(238)은 알루미늄(Al)로 만들어진다. 그러한 예에서, 장치(234) 및 투명 전극(230)은 배리어 층들(252, 260) 및 중간층(256)에 의해 완전히 덮이고, 반면 전극(238)은 배리어 층들(252, 260) 및 중간층(256)에 의해 부분적으로 덮인다. 중간층(256)은 폴리머 층(polymer layer) 또는 디커플링 층(decoupling layer)이고, 장치(234) 및 그 위에 증착된 다른 층들의 수직 프로파일을 평평하게 하기 위해 증착된다.
스퍼터링 또는 CVD에 의해 기판(234)상에 배리어 층들(252, 260)을 증착할 때, 하나 이상의 배리어 층(예를 들면, 제 3 층(260))이 원(222)에서 보여지는 것처럼 수직 경사에서 불충분한 두께를 가질 수 있다. 그러한 배리어 층은 이러한 모서리 부분에서 습기 또는 산소에 대한 불충분한 보호를 제공할 수 있다. 나아가, 하나 이상의 배리어 층(예를 들면, 제 3 층(260))은 모서리에서 불충분한 수평 범위을 가져, 습기 및 산소가 접점들(원들(218, 226)에서 보여지는 것처럼)을 통해 스며들고 장치(234)와 접촉하게 한다. 또 다른 결함이 쉐도우 마스크(110)를 제거하는 동안 유발될 수 있다. 즉, 쉐도우 마스크(110)를 제거하는 것은 원(214)에서 보여지는 것쳐럼 배리어 층들이 갈라지게 하거나 찢겨 떨어지게 할 수 있다. 마지막으로, 스퍼터링 또는 CVD에 의해 형성된 배리어 층들은 원(210)에서 보여지는 것처럼 배리어 층의 두께를 통하여 연장되는 균열을 경험할 수 있다.
본 발명의 목적은 ALD 공정과 관련된 파라미터들을 제어함으로써, 각 층의 기능과 용도에 따라 다른 구성을 갖도록 장치 및 기판상에 물질층을 증착하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 스퍼터링 또는 CVD와 비교하여 더 좋은 품질의 물질층을 제공하고, 층들이 더 적은 결함을 갖는 ALD 공정을 수행하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 증착되는 층들이 쉐도우 마스크 아래로 연장되어, 산소 또는 습기에 대해 더 나은 보호를 제공하도록 하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
실시 예들은 원자층 증착(ALD)를 이용하여 적어도 하나의 배리어 층을 장치 및 기판상에 증착하는 것에 관한 것이다. 장치는 기판 및 장치와 하나 이상의 반응기들 사이에 위치한 쉐도우 마스크 상에 배치된다. 기판은 하나 이상의 반응기들에 대해서 움직여, 하나 이상의 반응기들이 장치 및 기판상에 원료 전구체를 주입하게 한다. 주입된 원료 전구체는 기판과 쉐도우 마스크 사이의 간격으로 확산된다. 주입 또는 확산된 원료 전구체는 노출된 영역 내의 기판 표면 및 간격 내의 일부 표면에서 흡수된다. 기판은 나아가 하나 이상의 반응기들에 대해서 움직여, 하나 이상의 반응기들이 장치 및 기판상에 반응 전구체를 주입하게 한다. 주입된 반응 전구체도 역시 간격으로 확산된다. 주입된 반응 전구체는 원료 전구체를 대체하거나 원료 전구체와 반응하고, 원료 전구체 및 반응 전구체에 노출된 기판 및 장치의 일부에 제 1 물질층을 증착한다.
일 실시 예에서, 퍼지(purge) 기체는 원료 전구체 및 반응 전구체가 주입되는 사이에 하나 이상의 반응기들에 의해 기판 및 장치상에 주입되어, 장치 및 기판의 표면으로부터 물리흡착된 원료 전구체를 제거하는 동시에 장치 및 기판의 표면상에 화학흡착된 원료 전구체를 유지한다.
일 실시 예에서, 기판은 원료 전구체 및 반응 전구체가 주입되는 동안 동일한 속도로 하나 이상의 반응기들을 가로질러 움직인다.
일 실시 예에서, 기판은 하나 이상의 반응기들에 대하여 직선형태로 움직인다.
일 실시 예에서, 하나 이상의 반응기들을 가로지르는 기판의 상대적인 움직임 및 원료 전구체와 반응 전구체의 주입은 미리 결정된 횟수만큼 반복되어 원하는 두께의 제 1 물질층을 얻어낸다.
일 실시 예에서, 기판 및 장치상에 제 1 물질층을 증착하는 단계 이후에, 하나 이상의 반응기가 또 다른 원료 전구체 및 또 다른 반응 전구체를 주입하도록 설정함으로써 기판 및 장치상에 제 2 물질층이 증착된다. 기판이 하나 이상의 반응기들을 가로질러 더 움직일 때, 기판과 쉐도우 마스크에는 다른 원료 전구체 및 다른 반응 전구체가 주입된다. 다른 원료 전구체 및 다른 반응 전구체는 쉐도우 마스크와 기판사이의 간격으로 확산할 수 있다. 반응 전구체는 기판의 노출된 부분과 장치상에 남아있는 원료 전구체와 반응하거나 원료 전구체를 대체하여, 기판의 노출된 부분과 장치상에 제 2 물질층을 증착한다. 기판과 쉐도우 마스크 사이의 균열로 반응 전구체가 확산할 때, 반응 전구체는 원료 전구체와 반응하거나 원료 전구체를 대체하고, 쉐도우 마스크 아래의 기판의 일부에 제 2 물질층을 증착한다.
일 실시 예에서, 기판과 하나 이상의 반응기들 사이의 상대적인 움직임, 그리고 다른 원료 전구체와 다른 반응 전구체의 주입은 몇 번이고 반복되어 원하는 두께의 제 2 물질층을 증착한다.
일 실시 예에서, 원료 전구체 및 반응 전구체는 제 1 시간동안 하나 이상의 반응기들에 의해 주입되는 반면에 다른 원료 전구체 및 다른 반응 전구체는 제 2 시간동안 주입된다. 제 1 시간 동안의 상대적인 움직임의 속도는 제 2 시간 동안의 상대적인 움직임의 속도와 상이하다.
일 실시 예에서, 제 1 물질층은 제 1 길이를 가지고 간격으로 연장된다. 제 2 물질층은 제 1 길이와 상이한 제 2 길이까지 간격으로 연장된다.
일 실시 예에서, 기판은 상대적 움직임 동안 하나 이상의 반응기들 아래를 통과한다.
일 실시 예에서, 원료 전구체와 반응 전구체가 주입될 때, 기판과 쉐도우 마스크는 100 밀리토르(mTorr) 이상의 압력에 놓여진다.
본 발명의 실시 예에 따르면, ALD 공정과 관련된 파라미터들을 제어함으로써, 각 층의 기능과 용도에 따라 다른 구성을 갖도록 장치 및 기판상에 증착되는 물질층을 제어할 수 있다.
또한, 스퍼터링 또는 CVD와 비교하여 더 좋은 품질의 물질층을 제공하고, 층들이 더 적은 결함을 갖는 ALD 공정을 수행할 수 있다.
또한, 증착되는 층들이 쉐도우 마스크 아래로 연장되어, 산소 또는 습기에 대해 더 나은 보호를 제공하도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 기술을 사용하여 증착된 배리어 층들을 갖는 장치의 단면도이다.
도 2는 종래의 기술을 사용한 배리어 층들로 덮인 전극을 갖는 장치의 단면도이다.
도 3a는 일 실시 예에 따른 선형 증착 장치의 단면도이다.
도 3b는 일 실시 예에 따른 선형 증착 장치의 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 선형 증착 장치 내의 반응기들의 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 반응기의 개념도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 하나 이상의 배리어 층을 증착하기 위한 기판 위 장치의 단면도이다.
도 7a 내지 7c는 일 실시 예에 따라 장치상에 층을 증착하는 방법을 도시하는 단면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따라 배리어 층들의 구성이 증착된 장치를 도시하는 단면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따라 또 다른 구성으로 배리어 층들이 증착된 장치를 도시하는 단면도이다.
도 10은 일 실시 예에 따라 장치상에 배리어 층들을 증착하는 공정을 설명하는 순서도이다.
여기서 실시 예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 그러나, 여기서 개시된 원칙들은 많은 다른 형태로 구현될 수 있고, 여기서 기술된 실시 예에 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 상세한 설명에서, 잘 알려진 특징들 및 기술들에 대한 상세한 설명은 생략되어, 실시 예의 특징들을 쓸데없이 모호하게 하는 것을 피할 것이다.
도면들에서, 도면들에 있는 유사한 참조 번호들은 유사한 구성 요소를 나타낸다. 도면의 모양, 크기 및 영역, 그리고 유사한 것들은 명확성을 위해 과장될 수 있다.
실시 예들은 원자층 증착(ALD)을 이용하여 장치를 감싸는 하나 이상의 배리어 층들을 증착하는 것과 관련된 것이다. 장치와 함께 기판이 서셉터(susceptor) 위에 놓여지고, 증착 장치의 반응기들에 의해 주입되는 다수 사이클의 원료 전구체와 반응 전구체에 노출된다. (ⅰ) 서셉터와 반응기들 사이의 상대적인 속도, (ⅱ) 반응기들의 구성, 및 (ⅲ) 반응기들에 의해 주입되는 기체들의 유속(flow rate) 증 하나 이상을 조정함으로써, 장치상에 증착되는 층들의 구성이 제어될 수 있다. 증착되는 층들의 구성을 제어함으로써, 증착된 층들의 결함이 예방되거나 감소될 수 있다.
원자층 증착(ALD)은 기판상에 하나 이상의 물질층을 증착하는 박막 증착 기술이다. ALD는 두 가지 유형의 화학물질을 이용하며, 그 중 하나는 원료 전구체이고 다른 하나는 반응 전구체이다. 일반적으로, ALD는 네 가지 단계들을 포함한다: (ⅰ) 원료 전구체의 주입, (ⅱ) 원료 전구체의 물리 흡착층을 제거, (ⅲ) 반응 전구체의 주입, (ⅳ) 반응 전구체의 물리 흡착층을 제거. ALD는 원하는 두께의 층이 얻어질 수 있기 전에 많은 시간 또는 많은 반복이 걸리는 느린 공정일 수 있다. 이런 이유로, 공정을 신속하 처리하기 위해, 미국 특허공개공보 제 2009／0165715 호에 설명된 것과 같은 단위 모듈(unit module, 소위 선형 주입기라고 불리는)을 구비한 기상 증착 반응기 또는 다른 유사한 장치들이 ALD 공정을 신속히 처리하는데 사용될 수 있다. 단위 모듈은 원료 물질을 위한 주입부 및 배기부(원료 모듈) 및, 반응 물질을 위한 주입부 및 배기부(반응 모듈)을 포함한다.
ALD 기상 증착 챔버(chamber)는 기판상에 ALD 층들을 증착하기 위한 하나 이상의 반응기 세트를 갖는다. 기판이 반응기들 아래를 통과할 때, 기판은 원료 전구체, 퍼지(purge) 기체, 및 반응 전구체에 순차적으로 노출된다. 기판상에 증착된 원료 전구체 분자는 반응 전구체 분자와 반응하거나 반응 전구체 분자로 대체되어 기판상에 물질층을 증착한다. 기판이 원료 전구체 또는 반응 전구체에 노출된 후에, 기판은 퍼지 기체에 노출되어 과잉 원료 전구체 분자 또는 반응 전구체 분자를 기판으로부터 제거한다.
도 3a는 일 실시 예에 따른 선형 증착 장치(300)의 단면도이다. 도 3b는 일 실시 예에 따른 선형 증착 장치(300, 설명을 편의를 위해 챔버 벽이 없는)의 사시도이다. 선형 증착 장치(300)는 다른 요소들 중에서 지지 기둥(318), 공정 챔버 벽(310) 및 하나 이상의 반응기들(336)을 포함한다. 도 4 및 5를 참조하여 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 반응기들(336)은 하나 이상의 주입기들 및 라디칼 반응기들을 포함할 수 있다. 각각의 주입기 모듈들은 원료 전구체, 반응 전구체, 퍼지 기체 또는 이러한 물질들의 조합을 기판(320)상에 주입한다.
벽들(310)에 의해 둘러싸인 공정 챔버는 오염물질이 증착 공정에 영향을 미치는 것을 방지하고 증착 공정을 강화시키기 위해 진공 상태로 유지될 수 있다. 공정 챔버는 기판(320)을 받는 서셉터(susceptor, 328)를 포함한다. 서셉터(328)은 미끄러짐 움직임을 위해 지지판(324)에 놓여진다. 지지판(324)은 온도 제어기(예를 들면, 온열기 또는 냉각기)를 포함하여 기판(320)의 온도를 제어할 수 있다. 쉐도우 마스크(shadow mask, 322)는 예를 들면 자석(미도시)을 이용하여 서셉터(328)에 부착될 수 있다. 쉐도우 마스크(322)는 반응기들(336)에 의해 주입되는 기체 또는 라디칼에 기판(320)의 특정한 부분이 노출되도록 기판(320)위에 놓여진다. 증착 장치(300)은 또한 서셉터(328)위에 기판(320)을 싣거나 세섭터(328)로부터 기판(320)을 내리는 것을 용이하게 하는 리프트 핀(lift pin, 미도시)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 서셉터(328)은 자신 위에 형성된 나사를 구비하여 연장바(338)를 가로질러 움직이는 브래킷(bracket, 380)에 고정된다. 연장바(338)은 모터(motor, 314)의 스핀들(spindle)에 고정되고, 이런 이유로 모터(314)의 스핀들이 회전할 때 연장바(338)도 회전한다. 연장바(338)의 회전은 브래킷(380) 그리고 그에 따라 서셉터(328)가 지지판(324)상에서 회전 움직임을 만들게 한다. 모터(314)의 속도 및 회전 방향을 제어함으로써, 서셉터(328)의 회전 운동의 속도 및 방향이 제어될 수 있다.
모터(314) 및 연장바(338)의 사용은 단순히 서셉터(328)를 움직이는 메커니즘의 일 예이다. 서셉터(328)를 움직이는 다양한 다른 방법들(예를 들면, 서셉터의 바닥, 천정 또는 옆면에서 기어와 피니언(pinion)을 사용하는 것)이 있을 수 있다. 게다가, 서셉터(328)를 움직이는 것을 대신하여, 서셉터(328)는 고정된 상태를 유지하고 반응기들(336)이 움직일 수 있다.
선형 증착 장치(300)은 단순히 예를 들면 설명한 것이다. 선형 증착 장치(300)를 대신하여, 회전 증착 장치가 사용될 수 있다. 회전 증착 장치는 서로에 대해 회전하는 서셉터 및 반응기들을 포함할 수 있다. 기판은 서셉터 상에 올려진다. 예를 들면, 서셉터는 반응기들에 대해 서셉터를 회전시키는 스핀들에 고정될 수 있다. 스핀들 및 서셉터가 회전할 때, 기판은 반응기 아래를 통과하고 순차적으로 상이한 기체 및 라디칼에 노출될 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 반응기들(336)의 사시도이다. 반응기들(336)은 네 개의 분리된 반응기들(336)을 포함한다. 반응기들의 수가 증가함에 따라, 기판(320, 쉐도우 마스크(322) 아래의)은 매 순환마다 추가적인 수의 공정들을 경험할 수 있고, 그에 의해 공정의 속도가 증가된다. 반응기들(336a 내지 336d)은 쉐도우 마스크(322) 위에 배치된다. 서셉터(328)이 움직일 때, 기판(320)과 쉐도우 마스크(322) 사이에서 쉐도우 마스크(322) 및 기판(302)도 반응기들(336a 내지 336d) 아래를 움직인다. 그 결과, 쉐도우 마스크(322) 및 기판(320)은 반응기들(336a 내지 336d)에 의해 주입되는 기체 및 라디칼에 순차적으로 노출된다. 반응기들(336a 내지 336d)은 동일하거나 상이한 구성을 가질 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따라 반응기를 도시한 단면도이다 반응기는 다른 요소들 중에서 주입기(510) 및 라디칼 반응기(530)를 포함할 수 있다. 주입기(510)는 밸브(valve, V3) 및 파이프(pipe, 510)를 통해 기체를 받는다. 밸브(V3)는 주입기(510)로 흘러들어오는 기체의 비율을 제어하기 위해 조정될 수 있다. 주입기(510)는 그 자신의 몸체에 형성된 채널(channel, 514) 및 홀(hole, 518)을 갖는다. 파이프(570)를 통해 받은 기체는 채널(514) 및 홀(518)을 통해 챔버(550) 안으로 흐른다. 주입된 기체는 챔버(550) 내부의 쉐도우 마스크(322) 및 기판(320)과 접촉하고, 협착 영역(554)를 통과하여 배출부(558)을 통해 방출된다. 주입기(510)에 주입된 기체는 원료 전구체, 반응 전구체 또는 퍼지 기체일 수 있다.
라디칼 반응기(530)는 밸브(V6) 및 파이프(574)를 통해 기체를 받는다. 기체는 파이프(574)와 연결된 빈 공간(cavity, 542)으로 공급된다. 라디칼 반응기(530)은 다른 요소들 중에 내부 전극(534) 및 외부 전극(538)을 포함할 수 있다. 전압은 내부 전극(534)과 외부 전극(538)을 가로질러 인가되어, 기체의 라디칼들을 차례로 생성하는 빈 공간(542) 안에 플라즈마를 생성한다. 그 다음 라디칼이 홀(546)을 통해 챔버(566) 안으로 주입된다. 챔버(566) 안에서, 라디칼은 쉐도우 마스크(322) 및 기판(320)과 접촉하고, 협착 영역(562)를 통해 배출부(558)로 방출된다.
도 5의 반응기는 단지 일 예일 뿐이다. 다양한 다른 구성의 반응기들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 어떤 반응기들은 오직 주입기만을 포함하는 반면, 다른 반응기들은 오직 라디칼 반응기만을 포함할 수 있다. 나아가, 주입기와 라디칼 반응기 사이에서 배출부를 갖는 것을 대신하여, 배출부와 협착 영역은 오른쪽 끝 또는 왼쪽 끝에서 제공될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따라 기판(328)상에 위치한 장치(610) 및 쉐도우 마스크(322)를 도시한 단면도이다. 일 실시 예에서, 쉐도우 마스크(322)는 스테인레스강(stainless steel) 또는 인바강(invar steel)으로 만들어질 수 있다. 쉐도우 마스크(322)의 두께(Z1)는 약 0.1밀리에서 0.2밀리 정도일 수 있다. 쉐도우 마스크(322)가 기판(328)의 상부에 위치함에도 불구하고, 쉐도우 마스크(322) 또는 기판(328)의 다양한 표면 불규칙성에 기인한 간격(Z2)이 쉐도우 마스크와 기판 사이에 존재한다. 간격(Z1)은 일반적으로 수 마이크론에서 10 마이크론 사이이다. 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 원료 전구체 및 반응 전구체는 간격으로 흐르고, 간격에서 층들을 증착한다.
도 7a 내지 도 7c는 일 실시 예에 따라 장치(610) 및 기판(328)상에 층들을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다. 반응기들(336)은 기판(328) 및 쉐도우 마스크(322)상에 원료 전구체 기체 및 반응 전구체 기체를 주입하도록 구성된다. 퍼지 기체(예를 들면, 아르곤 기체) 또는 비활성 기체의 라디칼은 원료 전구체 주입을 전후하여 주입되어 원자층 증착 공정의 다양한 측면을 향상시킨다. 반응기들의 수가 증가됨에 따라, 하나의 순환(예를 들면, 반응기들의 왼쪽부터 오른쪽으로의 움직임 및 왼쪽 끝 위치로 되돌아가는 움직임) 내에서 더욱 두꺼운 층이 얻어질 수 있다.
증착 공정이 10-16 토르에서 10-8 토르 사이의 압력인 고 진공 상태에서 수행될 때, 기체는 긴 평균 자유 경로(mean free path)를 갖는다. 그러한 진공 상태하에서, 주입된 물질은 일반적으로 장치(610) 또는 기판(328)과 접촉하기 전에 직선 경로를 따라서 이동한다. 그런 이유로, 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 장치 및 기판상에 증착된 층들은 쉐도우 마스크(110)과 기판(120) 사이의 간격으로 층들이 확산하지 않는 프로파일(profile)을 갖는 경향이 있다.
그러나, 증착 공정에서의 압력이 약 100 밀리토르 또는 그 이상(예를 들면, 수 토르까지)으로 증가할 때, 주입된 물질의 평균 자유 경로는 더 짧아진다. 그런 이유로, 기체들은 기판(120)과 쉐도우 마스크(322)의 더 낮은 표면 사이의 간격으로 확산하는 경향이 있어, 이러한 위치에서 증착된 층들을 형성한다(도 7a에서 보여지는 바와 같이).
증착된 층들의 측면 길이(L1)는 기판(328) 및 쉐도우 마스크(322)가 증착 기체에 노출되는 지속 시간, 원료 전구체 또는 반응 전구체의 유속(flow rate), 및 반응기들의 구성(예를 들면, 반응기들과 기판 사이의 수직 거리)에 따라 달라질 수 있다. 그런 이유로, 이러한 파라미터(parameter)들을 제어함으로써, 증착된 층의 측면 길이(L1)는 조정될 수 있다. 일 실시 예에서, 길이(L1)는 약 10 마이크론에서 300 마이크론 사이이다. ALD를 이용하고 이러한 파라미터를 제어함으로써, 장치상의 배리어 층들 및 다른 층들이 원하는대로 구성될 수 있다. 기판(328)이 원료 전구체 또는 반응 전구체에 더 긴 시간 노출되면, 원료 전구체 또는 반응 전구체의 간격으로의 넓은 확산에 기인하여 더욱 긴 길이(L1)가 될 가능성이 있다.
쉐도우 마스크(322)에는 또한 원료 전구체 및 반응 전구체가 주입된다. 그런 이유로, 또한, 물질층(714)이 쉐도우 마스크(322)상에 증착된다.
일련의 반응기들(336) 아래로 기판(328)이 한 번 통과하는 것은 불충분한 배리어 물질층을 증착할 수 있다. 그런 이유로, 기판(328)은 일련의 반응기들(336) 아래를 미리 결정된 횟수만큼 통과하여 원하는 두께의 배리어 층을 얻는다.
도 7b는 일 실시 예에 따라, 장치(610) 및 기판(328)상에 제 2 층(72)을 증착하는 방법을 도시한 단면도이다. 제 1 층(710)을 증착한 후에, 반응기들(336)은 제 2 층(720)을 증착하기 위한 상이한 원료 전구체 및 상이한 반응 전구체를 주입하도록 재구성된다. 일 실시 예에서, 또한, 원료 전구체 및 반응 전구체가 간격 안으로 거리(L2)만큼 확산하도록 하기 위해 서셉터(328)가 움직이는 속도 또는 ALD 공정에 있어서의 다른 파라미터들이 조정될 수 있다. 쉐도우 마스크(322)에는 또한 제 2 층(724)이 증착된다.
도 7c는 일 실시 예에 따라, 장치(610) 및 기판(328)상에 제 3 층(730)을 증착하는 방법을 도시한 단면도이다. 기판(328) 및 장치(610)상에 제 2 층(720)이 증착된 후에, 반응기들(336)은 제 3 층(730)을 증착하기 위한 원료 전구체 및 반응 전구체를 주입하도록 재구성된다. 일 실시 예에서, 또한, 제 3 층(730)을 증착하기 위한 원료 전구체 및 반응 전구체가 간격 안으로 거리(L3)만큼 확산하도록 하기 위해 서셉터(328)가 움직이는 속도 또는 ALD 공적에 있어서의 다른 파라미터들이 조정될 수 있다. 쉐도우 마스크(322)에는 도한 제 3 층(734)이 증착된다.
일 실시 예에서, 장치(610)상에 증착되는 제 1층(710)은 알루미늄 산화물(Al2O3)이고, 제 2 층(720)은 알루미늄(Al)이고, 제 3 층(730)은 알루미늄 질화물(AlN) 또는 산화 지르코늄(ZrO2)이다. 제 1 층(720)을 증착하기 위해 트리메틸알루미늄(trimethylaluminium, TMA) 기체가 원료 전구체로서 사용되고, 산소 라디칼(O＊)이 반응 전구체로서 사용된다. 라디칼은 짧은 수명을 갖는 경향이 있다. 그런 이유로, 산소 라디칼을 주입하는 양과 시간은 쉐도우 마스크와 기판 사이의 간격에 도달하고 확산되기에 충분해야 한다. 알루미늄 질화물을 증착하기 위해, TMA 기체가 원료 전구체로서 사용되고, 아르곤 기체와 함께 NH3 플라즈마 또는 질소가 반응 전구체로서 사용된다. 산화 지르코늄을 증착하기 위해, 테트라에틸메틸아미노지르코늄(tetraethylmethylaminozirconium, TEMAZr)이 원료 전구체로서 사용된다. 그리고, 이 물질들을 증착하기 위한 기체 또는 라디칼은 잘 알려져 있으므로, 간결성을 위해 구체적인 설명은 생략한다. 다양한 다른 물질들이 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층으로서 사용될 수 있다. 나아가, 보다 많거나 적은 물질층들이 장치 및 기판상에 증착될 수 있다.
도 8은 또 다른 실시 예에 따라, 세 가지 물질층이 증착되는 장치(610) 및 기판(328)의 단면도이다. 이 실시 예에서, 제 1 층(810)은 길이(L1a)만큼 간격 안으로 연장되고, 제 2 층(820)은 길이(L1b)만큼 간격 안으로 연장되고, 제 3 층(830)은 길이(L4)만큼 간격 안으로 연장된다(여기서, L1b＜L1a＜L4). 일 실시 예에서, 길이(L4)는 약 20 마이크론부터 500 마이크론 정도이다.
도 9는 또 다른 실시 예에 따라, 세 가지 물질층이 증착되는 장치(610) 및 기판(328)의 단면도이다. 이 실시 예에서, 제 1 층(910)은 길이(L2a)만큼 간격 안으로 연장된다. 제 2 층(920)은 길이(L2b)만큼 간격 안으로 연장된다. 제 3 층(830)은 길이(L5)만큼 간격 안으로 연장된다(여기서, L2a＜L2b＜L5). 일 실시 예에서, 제 1 층(910)은 제 1 배리어 층이고, 제 2 층(920)은 알루콘(alucone)과 같은 금속 무기물 또는 유기물의 혼합물(hybrid)로 만들어진 스트레스 버퍼 층(stress buffer layer)이고, 제 3 층은 제 2 배리어 층이다. 알루콘은 원료 전구체로서 TMA를 이용하고, 반응 전구체로서 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 이용하여 얻어질 수 있다.
도 7c, 도 8 및 도 9에서 설명된 바와 같이, ALD 공정과 관련된 파라미터들을 제어함으로써, 장치 및 기판상에 증착되는 층들이 제어되어 각 층의 기능과 용도에 따라 다른 구성을 가질 수 있다. ALD 공정은 스퍼터링 또는 CVD와 비교하여 더 좋은 품질의 물질층을 제공하고, 층들이 더 적은 결함을 갖도록 한다. 게다가, 증착되는 층들은 쉐도우 마스크 아래로 연장되어, 산소 또는 습기에 대해 더 나은 보호를 제공한다.
도 10은 일 실시 예에 따라, 장치상에 배리어 층들을 증착하는 공정을 도시한 순서도이다. 먼저, 쉐도우 마스크(322)는, 예를 들면, 자석을 사용하여 기판(320) 위에서 서셉터(328)에 고정된다. 그런 다음, 서셉터(328)는 장치(610)상에 제 1 층을 증착하기 위한 제 1 구성을 갖는 반응기들(336)을 가로질러 움직여진다. 제 1 구성은, 예를 들면, 기판(320)상에 주입되는 기체 또는 라디칼, 기판(320)상의 기체 및 라디칼의 유속(flow rate), 및 기판(320)과 반응기들(336) 사이의 간격을 정의한다. 반응기들(336)을 가로지르는 서셉터(328)의 속도는 또한 적절하게 제어되어 기판과 쉐도우 마스크 사이의 간격으로 기체 및 라디칼이 확산되도록 한다. 반응기들을 가로질러 서셉터(328)을 움직이는 공정(1020)은 원하는 두께의 제 1 층을 얻도록 몇번이고 반복될 수 있다.
원하는 두께의 제 1 층이 증착된 후에, 서셉터(328)은 제 1 층 위에 제 2 층을 증착하기 위한 제 2 구성을 갖는 반응기들(336)을 가로질러 움직인다(1030). 제 1 구성과 비교하여 제 2 구성은, 예를 들면, 상이한 기체 또는 라디칼의 사용, 기체 및 라디칼의 상이한 유속(flow rate), 및 기판(320)가 반응기들(336) 사이의 상이한 간격을 포함할 수 있다. 그러한 파라미터들을 다르게 함으로써, 제 2 층은 제 1 층과 비교하여 상이한 물질로 구성되고, 제 1 층과 비교하여 기판과 쉐도우 마스크 사이의 간격 내에서 상이한 길이로 연장될 수 있다. 제 2 구성을 갖는 반응기들(336)을 가로질러 움직이는 공적(1030)은 원하는 두께의 제 2 층을 얻도록 몇번이고 반복될 수 있다.
원하는 두께의 제 2 층이 증착된 후에, 서셉터(328)은 제 2 층 위에 제 3 층을 증착하기 위한 제 3 구성을 갖는 반응기들(336)을 가로질러 이동한다(1040). 제 2 구성과 비교하여 제 3 구성은, 예를 들면, 상이한 기체 및 라디칼의 사용, 기체 및 라디칼의 상이한 유속, 기판(320)과 반응기들(336) 사이의 상이한 간격을 포함한다. 그러한 파라미터들을 다르게 함으로써, 제 3 층은 제 2 층과 비교하여 상이한 물질로 구성되고, 제 2 층과 비교하여 기판과 쉐도우 마스크 사이의 간격 안에서 다른 길이로 연장될 수 있다. 제 3 구성을 갖는 반응기들(336)을 가로질러 움직이는 공정(1040)은 원하는 두께의 제 2 층을 얻도록 몇번이고 반복된다.
비록 도 10이 세 가지 상이한 층들을 갖는 실시 예를 설명하였지만, 세 개보다 많거나 적은 층들이 장치 및 기판상에 증착될 수 있다. 하나 이상의 그러한 층들은 사용시에 외부 요소가 장치를 손상하는 것을 방지하는 배리어 층으로서 기능할 수 있고, 반면에 다른 층들은 상이한 기능(예를 들면, 수직 프로파일을 평평하게 하는 것)을 제공할 수 있다.
그러한 방법을 사용하여 제작된 기판은 디스플레이 장치들 또는 다른 전자 장치들과 같은 다양한 응용들에 사용된다. 응용들에 따라서, 다양한 유형의 기판이 사용될 수 있다. 예시 기판들은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)와 유리를 포함한다.
비록 본 발명이 앞서 몇 가지 실시 예들과 관련하여 상술되었지만, 본 발명의 범위 안에서 다양한 변경들이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명에 기재된 내용은 발명의 범위를 한정하는 것이 아니고 예를 들어 설명한 것으로 의도되며, 본 발명의 범위는 이후의 청구항에서 제시된다.

Claims (20)

  1. (a) 장치를 포함하는 기판과 하나 이상의 반응기들 사이에서 제 1 상대적인 움직임을 야기하는 단계로서, 상기 기판과 상기 하나 이상의 반응기들 사이에 쉐도우 마스크(shadow mask)가 배치되는, 상기 제 1 상대적인 움직임을 야기하는 단계;
    (b) 상기 제 1 상대적인 움직임을 야기하는 단계에 응답하여 상기 하나 이상의 반응기들에 의해 상기 장치 및 상기 기판상에 원료 전구체를 주입하는 단계;
    (c) 상기 기판과 상기 쉐도우 마스크 사이의 간격 안으로 상기 주입된 원료 전구체를 확산시키는 단계;
    (d) 상기 기판과 상기 하나 이상의 반응기들 사이에서 제 2 상대적인 움직임을 야기하는 단계;
    (e) 상기 제 2 상대적인 움직임을 야기하는 단계에 응답하여 상기 하나 이상의 반응기들에 의해 상기 장치 및 상기 기판상에 반응 전구체를 주입하는 단계; 및
    (f) 상기 주입된 반응 전구체가 상기 원료 전구체를 대체하거나 상기 원료 전구체와 반응하고 상기 장치 및 상기 기판상에 제 1 물질층을 증착하도록 상기 주입된 반응 전구체를 확산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상대적인 움직임 및 제 2 상대적인 움직임의 속도는 동일한 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 상대적인 움직임은 선형 움직임인 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    미리 결정된 횟수만큼 (a) 단계 내지 (f) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    (g) 기판과 하나 이상의 반응기들 사이에서 제 3 상대적인 움직임을 야기하는 단계;
    (h) 상기 제 3 상대적인 움직임을 야기하는 단계에 응답하여 상기 하나 이상의 반응기들에 의해 상기 장치 및 상기 기판상에 또 다른 원료 전구체를 주입하는 단계;
    (i) 상기 기판과 상기 쉐도우 마스크 사이의 간격 안으로 상기 주입된 다른 원료 전구체를 확산시키는 단계;
    (j) 상기 기판과 상기 하나 이상의 반응기들 사이에서 제 4 상대적인 움직임을 야기하는 단계;
    (k) 상기 제 2 상대적인 움직임에 응답하여 상기 하나 이상의 반응기들에 의해 상기 장치 및 상기 기판상에 또 다른 반응 전구체를 주입하는 단계; 및
    (l) 상기 다른 원료 전구체를 대체하거나 상기 다른 원료 전구체와 반응하여 상기 장치 및 상기 기판상에 제 2 물질층을 증착하도록 주입된 상기 다른 반응 전구체를 확산시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    미리 결정된 횟수만큼 (g) 단계 내지 (l) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 물질층은 제 1 거리만큼 상기 간격 안으로 연장되고, 상기 제 2 물질층은 상기 제 1 거리와는 상이한 제 2 거리만큼 상기 간격 안으로 연장되는 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 상대적인 움직임의 속도와 상기 제 2 상대적인 움직임의 속도는 동일하고, 상기 제 3 상대적인 움직임의 속도와 상기 제 4 상대적인 움직임의 속도는 동일하고, 상기 제 1 및 제 2 상대적인 움직임의 속도는 상기 제 3 및 제 4 상대적인 움직임의 속도와 상이한 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제 1 및 제 2 상대적인 움직임 동안 상기 하나 이상의 반응기들 아래를 통과하는 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체가 주입될 때, 상기 기판 및 상기 쉐도우 마스크는 100 밀리토르(mTorr) 이상의 압력에 놓여지는 것을 특징으로 하는 기판상에 층을 증착하는 방법.
  11. 기판과 상기 기판 위의 쉐도우 마스크(shadow mask)를 고정하도록 구성되는 서셉터(susceptor)로서, 상기 쉐도우 마스크는 장치가 배치되는 상기 기판의 적어도 하나의 영역을 선택적으로 노출하는, 상기 서셉터;
    상기 기판 및 상기 쉐도우 마스크 상에 원료 전구체 및 반응 전구체를 주입하도록 구성되는 하나 이상의 반응기들로서, 주입된 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체는 상기 장치 및 상기 장치로부터 상기 쉐도우 마스크 아래로 일 거리만큼 연장되는 기판의 일부상에 물질층을 증착하는, 상기 하나 이상의 반응기들; 및
    상기 서셉타와 상기 하나 이상의 반응기들 사이의 상대적인 움직임을 야기하기 위해 상기 서셉터 또는 상기 하나 이상의 반응기들과 결합되는 기계 장치로서, 상기 서셉터와 상기 하나 이상의 반응기들 사이의 상대적인 운동으로 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체가 순차적으로 주입되는, 상기 기계 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기계 장치는 상기 반응기들에 의해 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체가 주입되는 동안 상기 서셉터와 상기 하나 이상의 반응기들의 상기 상대적인 움직임을 반복하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응기들은 나아가 제 1 시간 동안 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체를 주입하고 제 2 시간 동안 다른 원료 전구체 및 다른 반응 전구체를 주입하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 시간 동안의 상기 상대적인 움직임의 속도와 상기 제 2 시간 동안의 상기 상대적인 움직임의 속도는 상이한 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 기계 장치는 상기 하나 이상의 반응기들에 대하여 직선 방향으로 상기 서셉터를 움직이도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 기계 장치는 모터(motor), 상기 모터로부터 연장된 바(bar), 및 상기 바를 상기 서셉터에 고정시키는 브래킷(bracket)을 포함하고, 상기 바 및 상기 브래킷은 상기 모터의 회전에 따라 선형으로(linearly) 움직이는 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 서셉터, 상기 쉐도우 마스크 및 상기 하나 이상의 주입기들의 적어도 일부를 둘러싸는 공정 챔버를 더 포함하고, 상기 공정 챔버 안의 압력은 100 밀리토르(mTorr) 이상인 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응기들은 챔버 및 상기 챔버에 원료 전구체 또는 반응 전구체를 공급하기 위한 홀들(holes)이 형성된 주입기를 포함하고, 상기 기판 및 상기 쉐도우 마스크는 상기 챔버 안에서 상기 원료 전구체 또는 상기 반응 전구체와 접촉하는 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반응기들은 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 라디칼 반응기를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가함으로써 기체의 라디칼들이 생성되고, 상기 라디칼들은 상기 라디칼 반응기 안에 형성된 챔버 안으로 주입되어 상기 라디칼들이 상기 기판 및 상기 쉐도우 마스크와 접촉하는 것을 특징으로 하는 기판 위에 형성되고 기판상에 물질층을 증착하는 장치.
  20. 기판 위의 장치를 감싸는 하나 이상의 물질층을 가진 상기 기판 위의 상기 장치에 있어서, 상기 하나 이상의 층은
    (a) 상기 기판과 상기 하나 이상의 반응기들 사이에서 제 1 상대적인 움직임을 야기하는 단계로서, 상기 장치와 상기 하나 이상의 반응기들 사이에 쉐도우 마스크가 배치되는, 상기 제 1 상대적인 움직임을 야기하는 단계;
    (b) 상기 제 1 상대적임 움직임을 야기하는 단계에 응답하여 상기 하나 이상의 반응기들에 의해 상기 장치 및 상기 기판상에 원료 전구체를 주입하는 단계;
    (c) 상기 기판과 상기 쉐도우 마스크 사이의 간격 안으로 상기 주입된 원료 전구체를 확산시키는 단계;
    (d) 상기 기판과 상기 하나 이상의 반응기들 사이에서 제 2 상대적인 움직임을 야기하는 단계;
    (e) 상기 제 2 상대적인 움직임을 야기하는 단계에 응답하여 상기 하나 이상의 반응기들에 의해 상기 장치 및 상기 기판상에 반응 전구체를 주입하는 단계;
    (f) 상기 기판상에 물질층을 증착하기 위해 상기 원료 전구체를 대체하거나 상기 원료 전구체와 반응하는 상기 주입된 반응 전구체를 확산시키는 단계; 및
    (e) 미리 정해진 횟수만큼 (a) 단계 내지 (f) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 방법에 의해 증착되는 장치.
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