KR100332313B1 - Ａｌｄ 박막증착장치 및 증착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ALD 박막증착장치에 관한 것으로서, 웨이퍼가 내장되어 증착되는 반응용기(100)와; 제1반응가스를 반응용기(100)로 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와; 제2반응가스를 반응용기(100)로 공급하기 위한 제2반응가스공급부(230)와; 제1반응가스공급부(210)와 반응용기(100)를 연결하는 제1반응가스공급라인(220)과; 제2반응가스공급부(230)와 반응용기(100)를 연결하는 제2반응가스공급라인(240)과; 불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스를 제1반응가스공급라인(220)으로 공급하는 제1불활성가스공급라인(260)과; 불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스를 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 제2불활성가스공급라인(270)과; 반응용기(100)의 가스를 외부로 배출하는 배기라인(400);을 포함한다. 이러한 구조에 의하여, 여러 가지 반응가스들을 연속적이고도 순차적으로 반응용기로 유입시키는 작동이 용이하며, 고순도를 가지며 전기적 특성이 우수한 박막을 얻을 수 있다.

Description

ＡＬＤ 박막증착장치 및 증착방법{Apparatus and method for depositing thin film on wafer}
본 발명은 반도체, 예를 들면 웨이퍼에 박막을 형성하기 위한 ALD(Atomic Layer Deposition) 박막증착장치 및 박막증착방법에 관한 것이다.
박막증착장치는 반응용기 내에 수납된 웨이퍼에 반응가스들을 공급함으로써, 웨이퍼상에 소정의 박막을 형성하는 장치이다. 이러한 박막증착장치로는 CVD(Chemical Vapor Deposition), ALE(Atomic Layer Epitaxy)등 여러 방식이 있으며, 반도체를 제조하기 위한 다양한 분야에서 응용되고 있다.
이러한 반도체 박막증착장치는, 고집적도의 칩을 만들기 위하여 웨이퍼상에 고순도 및 우수한 전기적 특성을 가지는 박막이 증착되어야 하고, 운영의 효율성 및 생산성을 높이기 위하여 지속적인 개선이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 추세를 반영하여 창출된 것으로서, 불순물이 최대한 제거된 고순도 및 우수한 전기적 특성을 가지며 보다 우수한 스텝커버리지(stepcoverage)를 갖는 박막을 증착할 수 있고, 운영의 효율성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 ALD(Atomic Layer Deposition) 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 박막증착 전후 과정에서도 지속적으로 원하는 공정압력을 유지하며 반응용기를 펌핑하는 배기라인을 포함하는 ALD 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1실시예를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 ALD 박막증착장치에 있어서, 반응용기의 분리사시도,
도 3은 도 2에 채용되는 반응용기에서 샤워헤드와 확산판을 분리하여 도시한 사시도,
도 4는 도 2의 반응용기의 단면도,
도 5는 도 4의 반응용기의 제1혼합부를 발췌하여 확대한 도면,
도 6은 박막형성시, 간격(D)과 비저항과의 관계를 도시한 그래프,
도 7은 반응용기가 이송모듈에 뱃밸브를 통하여 결합된 상태를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제2실시예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제3실시예를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
w ... 웨이퍼 100 ... 반응용기
102 ... 이송모듈 110 ... 리엑터블럭
111, 112 ... 제1,2접속파이프 113 ... 접속부
113a ... 오링 114 ... 메인오링
116 ... 웨이퍼이송구멍 117,118 ... 배기홀
120 ... 샤워헤드판 121, 122 ... 제1,2연결라인
128, 129 ... 힌지 130 ... 확산판
131 ... 분사구 132 ... 유로
133 ... 노즐 134 ... 제1혼합부
135 ... 제2혼합부 135a ... 격벽
135b ... 구멍 140 ... 웨이퍼블럭
150 ... 펌핑배플 150a ... 측벽
150b ... 저벽 150c .. 구멍
160 ... 압력측정부 210 ... 제1반응가스공급부
211 ... 버블러 212 ... 제1반응가스흐름량제어기
220 ... 제1반응가스공급라인 230 ... 제2반응가스공급부
232 ... 제2반응가스흐름량제어기 240 ... 제2반응가스공급라인
250 ... 불활성가스공급원 260 ... 제1불활성가스공급라인
262 ... 제1불활성가스흐름량제어기
270 ... 제2불활성가스공급라인
272 ... 제2불활성가스흐름량제어기
280 ... 제1바이패스라인 290 ... 제2바이패스라인
310 ... 불활성가스공급원 320 ... 불활성가스공급라인
330 ... 클리닝가스공급부 340 ... 클리닝가스공급라인
400 ... 배기라인 410 ... 배기펌프
510 ... 제1반응가스공급부 512 ... 제1반응가스흐름량제어기
610 ... 제4반응가스공급부 612 ... 제4반응가스흐름량제어기
620 ... 제3반응가스공급부 622 ... 제3반응가스흐름량제어기
TV ... 트로틀밸브 D ... 간격
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치는,
웨이퍼가 내장되어 증착되는 반응용기(100)와;
제1반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와;
제2반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제2반응가스공급부(230)와;
상기 제1반응가스공급부(210)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제1반응가스공급라인(220)과;
상기 제2반응가스공급부(230)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제2반응가스공급라인(240)과;
불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스를 상기 제1반응가스공급라인(220)으로 공급하는 제1불활성가스공급라인(260)과;
불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스를 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 제2불활성가스공급라인(270)과;
상기 반응용기(100)의 가스를 외부로 배출하는 배기라인(400);을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)는, 제1반응원료를 가스화하는 버블러(211)와, 흐르는 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(212)와, 상기 버블러(211)와 상기 제1반응가스흐름량제어기(212) 사이에 설치되어 제1반응가스의 흐름을 개폐하는 제1밸브(V1)를 포함하며, 상기 제1반응가스공급라인(220)에 설치되어, 상기 제1반응가스흐름량제어기(212)에 제어된 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제3밸브(V3)를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2반응가스공급부(230)는, 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제4밸브(V4)와, 상기 제4밸브(V4)를 통과한 제2반응가스의 흐름량을 제어하는 제2반응가스흐름량제어기(232)를 포함하며, 상기 제2반응가스공급라인(240)에 설치되어, 상기 제2반응가스흐름량제어기(232)에 제어된 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제5밸브(V5)를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1불활성가스공급라인(260)에는, 공급되는 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제6밸브(V6)와, 상기 제6밸브(V6)를 통과한 불활성가스의 흐름량을 제어하는 제1불활성가스흐름량제어기(262)와, 제1불활성가스흐름량제어기(262)에 제어된 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제7밸브(V7)가 설치된다.
본 발명에 있어서, 상기 제2불활성가스공급라인(270)에는, 공급되는 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제8밸브(V8)와, 상기 제8밸브(V8)를 통과한 불활성가스의 흐름량을 제어하는 제2불활성가스흐름량제어기(272)와, 상기 제2불활성가스흐름량제어기(272)에 제어된 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제9밸브(V9)가 설치된다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스 및/또는 불활성가스를 상기 반응용기(100)를 거치지 않고 곧바로 상기 배기라인(400)으로 흐르게 하기 위한 것으로서, 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제10밸브(V10)와 블활성가스의 흐름을 개폐시키는 제11밸브(V11)를 가지는 제1바이패스라인(280)과;
상기 제2반응가스 및/또는 불활성가스를 상기 반응용기(100)를 거치지 않고 곧바로 상기 배기라인(400)으로 흐르게 하기 위한 것으로서, 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제12밸브(V12)와 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제13밸브(V13)를 가지는 제2바이패스라인(290)을 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 라인에 잔존하는 가스 및/또는 오염원을 배기하기 위한 것으로서, 상기 제1반응가스공급부(210), 제2반응가스공급부(230), 제1불활성가스공급라인(260), 제2불활성가스공급라인(270), 제1바이패스라인(280), 제2바이패스라인(290), 배기라인(400)과 유기적으로 연결된 별도의 불활성가스공급라인(320)을 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스는 TiCl4또는 Ta 원소를 포함하는 화합물가스이고, 제2반응가스는 NH3이다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(510)는, 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제31밸브(V31)와, 상기 제31밸브(V31)를 통과한 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(512)를 포함한다. 이때, 상기 제1반응가스는 WF6이고, 제2반응가스는 NH3이다.
본 발명에 있어서, 제3반응가스를 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 제3반응가스공급부(620)와; 제4반응가스를 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 것으로서, 제4반응가스의 흐름을 개폐시키는 제32밸브(V32)와, 상기 제32밸브(V32)를 통과한 제4반응가스의 흐름량을 제어하는 제4반응가스흐름량제어기(612)와, 상기 제4반응가스흐름량제어기(612)에 제어된 제4반응가스의 흐름을 개폐시키는 제33밸브(V33)를 가지는 제4반응가스공급부(610);를 더 포함한다.
이때, 상기 제3반응가스공급부(620)는, 제3반응원료를 가스화하는 버블러(621)와, 흐르는 제3반응가스의 흐름량을 제어하는 제3반응가스흐름량제어기(622)와, 상기 버블러(621)와 상기 제3반응가스흐름량제어기(622) 사이에 설치되어 제3반응가스의 흐름을 개폐하는 제34밸브(V34)와, 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 상기 제3반응가스흐름량제어기(622)에 제어된 제3반응가스의 흐름을 개폐시키는 제35밸브(V35)를 더 포함한다.
여기서, 상기 제1반응가스는 Ti, Ta, W 전이금속 원소를 포함하는 화합물 가스이고, 제2반응가스는 NH3이며, 상기 제3반응가스는 TMA(TriMethylAluminum) 이고, 제4반응가스는 H2이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 ALD 박막증착방법은,
웨이퍼가 내장되어 증착되는 반응용기(100)와, 제1반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와, 상기 제1반응가스공급부(210)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제1반응가스공급라인(220)과, 제2반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제2반응가스공급부(230)와, 상기 제2반응가스공급부(230)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제2반응가스공급라인(240)과, 유량제어된 불활성가스를 상기 제1반응가스공급라인(220)으로 공급하는 제1불활성가스공급라인(260)과, 유량제어된 불활성가스를 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 제2불활성가스공급라인(270)과, 반응용기(100)의 가스를 외부로 배출하는 배기라인(400);를 포함하는 박막증착장치에 적용하는 것으로서,
유량제어된 제1반응가스와 유량제어된 불활성가스를 혼합하여 상기 반응용기(100) 내의 웨이퍼 상부 표면으로 공급하고, 유량제어된 제2반응가스와 유량제어된 불활성가스를 혼합하여 상기 반응용기(100) 내의 웨이퍼(w)의 외주측으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스로 Cl 원소를 포함한 화합물가스를 사용하고 상기 제2반응가스를 NH3로 사용할 경우에, 박막증착공정시 파티클의 생성을 방지하기 위한 것으로서, 초기 제1반응가스를 상기 반응용기(100)로 유입시키기 수초전에 상기 NH3가스를 반응용기(100) 내부로 유입시키는 파티클생성방지단계를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 반응용기(100)로 상기 제1반응가스와 불활성가스를 혼합하여 유입시키다 상기 제1반응가스를 소정시간동안 배제시키는 제1단계 동작과, 상기 반응용기(100)로 상기 제2반응가스와 불활성가스를 유입시키다 상기 제2반응가스를 소정시간 배제시키는 제2단계 동작을 번갈아 반복적으로 수행한다.
이때, 상기 제1반응가스로 Ti, Ta, W 전이금속 원소를 포함하는 화합물 가스를 사용하고 제2반응가스로 NH3가스를 사용할 경우에, 박막증착공정시, 상기 웨이퍼(w)의 온도를 400℃ ∼ 600 ℃ 범위로 유지시키고, 상기 반응용기(100)로 연결되는 라인의 온도를 40℃ ∼ 200 ℃ 범위에서 유지시킨다. 이 경우, 유량제어되는 제1반응가스의 흐름량은 1SCCM 이상, 상기 제1반응가스와 혼합되는 불활성가스의 유량제어된 흐름량은 50 SCCM 이상, 유량제어되는 NH3의 흐름량은 50SCCM 이상, 상기 NH3가스와 혼합되는 불활성가스의 유량제어된 흐름량은 60SCCM 이상이다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스로 Cl 원소를 포함한 화합물가스를 사용할 경우 증착되는 웨이퍼(w) 상의 박막에서 Cl 을 제거하기 위하여,
반응용기(100)로 불활성가스와 NH3가스만을 유입시키는 Cl 제거단계를 더 포함한다. 이때, 상기 제1,2반응가스 및/또는 불활성가스가 반응용기(100) 내부로 유입될 때, 상기 반응용기(100) 내의 압력이 1torr ∼ 10 torr 범위에 있도록 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스로 TiCl4를 사용하고 제2반응가스로 NH3가스를 사용할 경우, 상기 TiCl4가스의 배재 이후에 상기 NH3가스를 유입시키기 까지는 적어도 1초 이상의 시간간격을 두는 것이 바람직하다. 이때, 상기 TiCl4가스와 불활성가스를 반응용기(100) 내부로 유입시키는 시간과, 그 다음 상기 반응용기(100)로의 NH3가스 유입전까지 상기 TiCl4가스를 배재하는 시간의 비는 1 :1.2 이상으로 한다. 또, 상기 제1불활성가스공급라인(260)을 통하여 유입되는 불활성가스의 유량값과, 상기 제2불활성가스공급라인(270)을 통하여 유입되는 불활성가스의 유량값의 비를 1 : 1.2 이상으로 하여, 확산성이 강한 TiCl4가스가 상기 제2반응가스공급라인(240)을 경유하여 역류하지 못하도록 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)가 제1반응원료를 가스화하는 버블러(211)와, 흐르는 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(212)와, 상기 버블러(211)와 상기 제1반응가스흐름량제어기(212) 사이에 설치되어 제1반응가스의 흐름을 개폐하는 제1,2밸브(V1,V2)를 포함하고, 상기 제1반응가스공급라인(220)이 상기 제1반응가스흐름량제어기(212)에 제어된 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제3밸브(V3)를 포함할 경우에,
상기 제1,2밸브(V1,V2)를 열어서 상기 제1반응가스를 상기 제1반응가스흐름량제어기(212)를 경유시켜 제3밸브(V3)까지 소정시간동안 채운후, 제3밸브(V3)를 열어 제1반응가스를 반응용기(100)로 보낼 때 상기 제2밸브(V2)를 닫도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1실시예의 도면이다. 제1실시예는 웨이퍼(w)에 TiN, TaN 박막을 증착할 수 있으며, 이중 TiN 박막을 예로들어 설명하면 다음과 같다. 즉, TiN 박막을 형성하기 위하여, 제1반응가스로서 TiCl4를 사용하였고, 제2반응가스로서 NH3를 사용하였으며, 불활성가스로서 Ar 을 사용하였다. 도면을 참조하면, ALD 박막증착장치는, 웨이퍼가 내장되어 증착되는 반응용기(100)와, 반응용기(100)로 반응가스를 공급하는 가스정글과, 반응용기(100) 내의 가스를 외부로 배출하는 배기라인(400)을 포함한다.
도 2는 도 1의 ALD 박막증착장치에 있어서, 반응용기의 분리사시도이며, 도 3은 도 2에 채용되는 반응용기에서 샤워헤드와 확산판을 분리하여 도시한 사시도이고, 도 4는 도 2의 반응용기의 단면도이며, 도 5는 도 4의 반응용기의 제1혼합부를 발췌하여 확대한 도면이다. 도면을 참조하면, 반응용기(100)는, 웨이퍼(w)가 위치되는 리엑터블럭(110)과, 리엑터블럭(110)에 힌지(128,129)에 의해 결합된 샤워헤드판(120)과, 샤워헤드판(120)에 설치되어 반응가스 및/또는 불활성가스를 분사하는 확산판(130)과, 리엑터블럭(110)의 내부에 설치되어 웨이퍼(w)가 안착되는 웨이퍼블럭(140)을 포함한다. 샤워헤드판(120)에는 공급되는 제1반응가스 및/또는 불활성가스가 이송되는 제1연결라인(121)과, 공급되는 제2반응가스 및/또는 불활성가스가 이송되는 제2연결라인(122)이 설치되어 있다.
리엑터블럭(110)에는 후술할 제1,2반응가스공급라인(220)(240)과 연결되는 제1접속파이프(111) 및 제2접속파이프(112)가 설치되어 있다. 접속파이프(111,112)는 접속부(113)를 통하여 샤워헤드판(120)에 설치된 제1,2연결라인(121,122)에 접속된다. 접속부(113)에는 오링(113a)이 설치되어 있어 샤워헤드판(120)이 리엑터블럭(110)을 닫을 때 제1,2접속파이프(111,112)와 후술할 제1,2연결라인(121,122)을 밀봉되게 효과적으로 연결하며, 샤워헤드판(120)이 회전되어 리엑터블럭(110)으로부터 분리될 때에는 제1,2접속파이프(111,112)와 제1,2연결라인(121,122)이 효과적으로 분리된다. 또, 리엑터블럭(110)에는, 유입되는 불활성가스 또는/및 반응가스가 배기될 수 있는 배기홀(117,118)이 2개 이상으로 상호 대칭 되게 형성되어 있다. 그리고, 샤워헤드판(120)이 리엑터블럭(110)을 닫을 때, 반응용기 내부의 밀봉이 확실하게 이루어질 수 있도록, 리엑터블럭(110)상에 메인오링(114)이 설치된다.
샤워헤드판(120)은 리엑터블럭(110)을 덮어 리엑터블럭(110) 내부에 소정의 압력이 일정하게 유지되도록 하고, 샤워헤드판(120)이 리엑터블럭(110)을 덮을 때 확산판(130)이 리엑터블러(110) 내부에 위치되도록 한다.
확산판(130)은 박막증착공정시 가스를 분사하는 수단으로서, 확산판(130)에는 제1연결라인(121)과 연결되어 웨이퍼(w)의 상부로 제1반응가스 및/또는 불활성가스를 분사하는 다수의 분사구(131)와, 제2연결라인(122)과 연통된 유로(132)와 연결되어 제2반응가스 및/또는 불활성가스를 리엑터블럭(110)의 내주면으로 분사할 수 있도록 그 리엑터블럭(110)의 내주면을 향하는 다수의 노즐(133)이 형성되어 있다.
확산판(130)의 내부 중심에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1반응가스와 불활성가스를 고르게 혼합시켜 상기 분사구(131)로 이송시키는 제1혼합부(134)가 형성되어 있다. 제1연결라인(121)으로 이송되는 제1반응가스와 불활성가스는 제1혼합부(134)에서 와류되어 혼합된 후 확산되어 모든 분사구(131)에서 고르게 웨이퍼 위로 분사된다.
제1혼합부(134)가 형성된 확산판(130)의 하부에는 분사구가 형성되어 있지 않는데, 분사구(131)는 제1혼합부(134)가 형성된 부분 이외에서부터 고르게 형성되어 있으며, 분사구(131)들이 이루는 면적은 분사되는 가스가 웨이퍼 전면에 고르게 분사될 수 있도록 웨이퍼(w)의 면적보다 큰 것이 바람직하다. 이때, 분사구(131)의 직경은 1mm ∼ 2.5mm 범위인 것이 바람직한데, 이러한 직경은 여러번의 실험에 의하여 얻어진 것으로서, 웨이퍼(w) 상에 우수한 특성을 가진 박막이 증착될 수 있도록 한다. 분사구(131)의 개수는 직경에 따라서 100개에서 1000개 정도로 형성하며, 본 실시예에서는 160 개 이상으로 구현하였다. 또한, 분사구와 분사구 사이의 단면은 凸 형상으로 되어 있는데, 이는 웨이퍼블럭(140)에 의한 열량이 원할히 전달되도록 하여 확산판(130)이 과열되지 않도록 하기 위함이다.
제2연결라인(122)과 샤워헤드판(120) 사이에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2반응가스와 불활성가스를 서로 고르게 혼합시키기 위한 제2혼합부(135)가 형성되어 있다. 제2혼합부(135)는 격벽(135a)에 구멍(135b)이 형성된 구조를 가진다.
노즐(133)은 제2혼합부(135)를 중심으로 방사상으로 형성된 유로(132)들과 연통되어 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 리엑터블러(110)의 내측면을 향하도록 경사지게 형성되어 있다. 노즐(133)의 개수는 30 개에서 100 개 이내인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 48개가 형성되어 있다.
웨이퍼블럭(140)은 리엑터블러(110)내에 설치되어 웨이퍼(w)가 안착되는 곳으로서, 증착작업이 이루어질 때 소정온도 이상으로 유지될 수 있도록 히터(H)가 설치된다.
확산판(130)과 웨이퍼블럭(140) 사이의 간격(D)은 20mm ∼ 50mm 의 범위에 있다. 이러한 값은 여러번의 실험에 의하여 얻어진 것으로서, 웨이퍼(w) 상에 우수한 특성을 가진 박막이 증착될 수 있도록 한다.
도 6은 박막증착시, 간격(D)과 비저항과의 관계를 도시한 그래프로서, 이를 참조하면, 확산판(130) 웨이퍼블럭(140) 사이의 간격(D)이 30mm 일 경우에 비저항이 가장 낮은 값을 보임을 알 수 있다. 그러나, 다른 조건, 예컨대 제1,2반응가스의 종류 및 유량, 웨이퍼블럭의 온도등의 조건을 달리 했을 때, 간격(D)은 대략 20mm ∼ 50mm 의 범위내에서 비저항이 낮은 값을 보였으며, 이러한 간격(D)이 우수한 특성의 박막을 형성하는데 중요한 구조적 특징을 가진다라는 결론을 내릴 수 있었다.
이러한 값은 종래의 CVD 반응용기에서, 반응가스가 분사되는 확산판과 웨이퍼가 얹혀지는 웨이퍼블럭의 간격이 50mm 이상 ∼ 100mm 정도의 간격을 가지는 것과 대비된다. 본 발명에서는 종래에 비하여 간격(D)이 좁기 때문에, 분사구(131)에서 분사되는 제1반응가스 및/또는 불활성가스의 분사 압력에 의하여 웨이퍼(w)상에 조밀한 제1반응가스층이 형성되며, 이 제1반응가스층은 이후에 유입되는 제2반응가스와 반응하여 보다 고순도 및 전기적 특성이 우수한 박막이 형성될 수 있게 한다.
웨이퍼블럭(140)의 외주에는 펌핑배플(150)이 형성된다. 펌핑배플(150)은 웨이퍼블럭(140)의 상부로 돌출된 측벽(150a)과, 대칭의 구멍(150c)이 형성된 저벽(150b)이 형성되어 있다. 이때, 펌핑배플의 저벽(150b)의 하부의 리엑터블럭(110)에는, 배기라인과 연결된 도우넛 형상의 펌핑포트(115)가 형성되어 있다.
펌핑배플(150)에서 측벽(150a)과 저벽(150b)은 리엑터블럭(110)의 내측면으로 분사되는 제2반응가스 및/또는 불활성가스가 웨이퍼(w) 상에 형성된 제1반응가스층과 보다 고르게 반응될 수 있도록 하는 공간을 제공한다. 구멍(150c)은, 박막증착공정에서 배출되는 공정부산물과 박막증착에 이용되지 못한 가스들이 빠져나갈 수 있도록 하며, 이러한 가스들은 배기홀(117,118)을 경유하고 펌핑포트(115)를 통하여 배기된다.
한편, 박막증착공정을 수행함에 있어서, 반응용기 내부의 압력은 1 torr ∼ 10 torr 범위 이내로 유지해야 하는데, 이러한 압력을 관찰 및 제어하기 위하여, 반응용기에는 압력측정부(160)가 반드시 설치되어야 한다.
반응용기(100)는 그 내외부에 여러개의 히터(H)가 설치되어 있어 박막증착공정이 수행될 때 반응용기를 가열시킨다. 본 실시예에서, 리엑터블럭(110)의 내측면온도는 약 120℃ ∼ 200℃ 범위에서 유지되어야 하고, 확산판(130)은 약 150℃∼260℃ 범위에서 유지되어야 한다. 또, 웨이퍼블럭(140)은 약 425℃ ∼ 650 ℃ 범위에서 유지되도록 하고, 펌핑배플(150)은 150℃ ∼ 230℃ 범위에서 유지되어야 한다. 그리고, 웨이퍼(w)를 공급 및 이송시키는 이송모듈(Transfer Module)(102)과 반응용기(100) 사이의 뱃밸브(Vat Valve)(101)는 그 온도가 약 140℃ ∼ 170℃ 범위에서 유지되도록 한다.
상기와 같은 반응용기는, 웨이퍼이송구멍(116)을 통하여 이송된 웨이퍼(w)가 웨이퍼블럭(140)에 안착되고 소정의 온도로 가열된 상태에서, 제1반응가스 및/또는 불활성가스가 제1접속파이프(111) → 제1연결라인(121)을 통하여 확산판(130)의 분사구(131)를 통하여 웨이퍼(w) 상부로 분사되고, 또 제2반응가스 및/또는 불활성가스가 제2접속파이프(112) → 제2연결라인(122) → 유로(132)를 경유하고 노즐(133)을 통하여 웨이퍼(w) 외주측, 리엑터블럭(110) 내측면으로 분사된다. 이러한 제1,2반응가스는 웨이퍼(w) 상에 박막을 형성하고, 공정부산물이나 박막증착에 사용되지 않은 가스들은 배기홀(117,118) 및 펌핑포트(115)를 통하여 외부로 배기된다.
가스정글은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1반응가스를 반응용기(100)로 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와, 제2반응가스를 반응용기(100)로 공급하기 위한 제2반응가스공급부(230)를 포함한다. 제1반응가스공급부(210)는 제1반응가스공급라인(220)을 통하여 반응용기(100)와 연결되고, 제2반응가스공급부(230)는 제2반응가스공급라인(240)을 통하여 반응용기(100)와 연결된다. 불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스가 이송되는 제1불활성가스공급라인(260)은 제1반응가스공급라인(220)과 연결되고, 불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스가 이송되는 제2불활성가스공급라인(270)은 제2반응가스공급라인(240)과 연결된다.
제1반응가스공급부(210)는, 제1반응원료를 가스화하는 버블러(211)와, 흐르는 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(MFC ; Mass Flow Controller)(212)와, 버블러(211)와 제1반응가스흐름량제어기(212) 사이에 설치되어 제1반응가스의 흐름을 개폐하는 제1밸브(V1) 및 제2밸브(V2)를 포함한다. 제1반응가스공급라인(220)에는 제1반응가스흐름량제어기(212)의 전방에 설치된 제2밸브(V2) 및 제1반응가스흐름량제어기(212)에 제어된 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제3밸브(V3)가 설치된다.
제2반응가스공급부(230)는, 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제4밸브(V4)와, 제2밸브(V4)를 통과한 제2반응가스의 흐름량을 제어하는 제2반응가스흐름량제어기(232)를 포함한다. 제2반응가스공급라인(240)에는 제2반응가스흐름량제어기(232)에 제어된 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제5밸브(V5)가 설치된다.
제1불활성가스공급라인(260)에는, 공급되는 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제6밸브(V6)와, 상기 제6밸브(V6)를 통과한 불활성가스의 흐름량을 제어하는 제1불활성가스흐름량제어기(262)와, 제1불활성가스흐름량제어기(262)에 제어된 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제7밸브(V7)가 설치된다.
제2불활성가스공급라인(270)에는, 공급되는 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제8밸브(V8)와, 제8밸브(V8)를 통과한 불활성가스의 흐름량을 제어하는 제2불활성가스흐름량제어기(272)와, 제2불활성가스흐름량제어기(272)에 제어된 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제9밸브(V9)가 설치된다.
이때, 제1반응가스 및/또는 불활성가스를 반응용기(100)를 거치지 않고 곧바로 배기라인(400)으로 흐르게 하기 위한 제1바이패스라인(280)과, 제2반응가스 및/또는 불활성가스를 반응용기(100)를 거치지 않고 곧바로 배기라인(400)으로 흐르게 하기 위한 제2바이패스라인(290)을 포함한다.
제1바이패스라인(280)은 제1반응가스흐름량제어기(212)와 제3밸브(V3) 사이의 라인에 연결된 제10밸브(V10)를 포함하고, 제1불활성가스흐름량제어기(262)와 제7밸브(V7) 사이의 라인에 연결된 제11밸브(V11)를 포함한다.제2바이패스라인(290)은 제2반응가스흐름량제어기(232)와 제5밸브(V5) 사이의 라인과 연결된 제12밸브(V12)를 포함하고, 제2불활성가스흐름량제어기(272)와 제9밸브(V9) 사이의 라인과 연결된 제13밸브(V13)를 포함한다.
제1,2바이패스라인(280)(290)은, 제1반응가스나 제2반응가스 또는 불활성가스등의 원료를 교체시 유입되는 소량의 공기를 반응용기(100)를 경유하지 않고 곧바로 배기라인(400)으로 흐르게 할 경우에, 또는 라인 내에 오염원이 발생될 경우에, 또는 가스정글을 새것으로 교체하는 경우에, 가스정글 내의 라인을 퍼지(purge)시키기 위한 목적으로 채용된다. 이와 같이, 라인 내에 잔존하는 제1,2반응가스나 공기 또는 오염원등은 불활성가스에 의하여 제1,2바이패스라인(280)(290)을 통해 곧바로 배가라인(400)으로 퍼지되므로 반응용기(100)가 오염되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 제1,2바이패스라인(280)(290)은 박막을 증착하는 공정등에서는 사용하지 않고, 특수한 경우에만 사용한다.
가스정글은 라인에 잔존하는 가스를 퍼지하기 위한 것으로서, 불활성가스공급원(310)으로부터의 불활성가스를 공급하는 별도의 불활성가스공급라인(320)을 더 포함한다. 불활성가스공급라인(320)은 제1반응가스공급부(210), 제2반응가스공급부(230), 제1불활성가스공급라인(260), 제2불활성가스공급라인(270), 제1바이패스라인(280), 제2바이패스라인(290), 배기라인(400)등과 유기적으로 연결되어 있다. 이러한 불활성가스공급라인(320)은, 제1반응가스공급부(210)로의 불활성가스 흐름을 개폐하기 위한 제14밸브(V14)와, 제2반응가스공급부(230)로의 불활성가스 흐름을 개폐하기 위한 제15밸브(V15)와, 제1불활성가스공급라인(260)으로의 불활성가스 흐름을 개폐하기 위한 제16밸브(V16)와, 제2불활성가스공급라인(270)으로의 불활성가스 흐름을 개폐하기 위한 제17밸브(V17)와, 제1바이패스라인(280)으로의 불활성가스 흐름을 개폐하기 위한 제18밸브(V18)와, 제2바이패스라인(290)으로의 불활성가스 흐름을 개폐하기 위한 제19밸브(V19)들을 통해 공정에 필요한 기본적 가스라인에 접속된다.
가스정글은, 또한 반응용기(100)를 클리닝하기 위하여, 제1,2반응가스공급라인(220)(240)중 적어도 어느 하나와 연결되는 클리닝가스공급라인(340)을 포함한다. 클리닝가스공급라인(340)은, 본 실시예에서, 클리닝가스공급부(330)로부터의 공급되는 클리닝가스를 제1반응가스공급라인(220)을 통하여 반응용기(100)로 흐르게 한다.
클리닝가스공급라인(340)에는, 공급되는 클리닝가스의 흐름을 개폐시키는 제21밸브(V21)와, 제21가스밸브(V21)를 통과한 클리닝가스의 흐름량을 제어하는 클리닝가스흐름량제어기(342)와, 클리닝가스흐름량제어기(342)에 제어된 클리닝가스의 흐름을 개폐시키는 제22밸브(V22)가 설치된다.
배기라인(400)은 반응용기(100) 및 제1,2바이패스라인(280)(290), 클리닝가스공급라인(340)등이 연결되어 있다. 배기라인(400)에는 압력측정부(160)에서 측정된 반응용기(100) 내의 압력에 의하여 제어되는 것으로서 배기되는 가스량을 조절하는 트로틀밸브(TV)와, 배기가스의 흐름을 개폐시키는 제23밸브(V23), 제24밸브(V24), 제25밸브(V25), 배기펌프(410)등이 설치되어 있다. 이때, 제1바이패스라인(280)은 제23밸브(V23)와 제24밸브(V24) 사이의 라인에 연결되고, 제2바이패스라인(290)은 제25밸브(V25)와 배기펌프(410) 사이의 라인에 연결되어 있다.
한편, 상기와 같은 가스정글에서, 반응가스가 흐를 때 원치않는 응축현상에 의한 콜드스폿이 형성될 수 있다. 콜드스폿은 박막증착공정시 나쁜 영향을 미치므로, 라인들에는 콜드스폿의 발생을 억제하기 위한 히터(미도시)들이 설치된다. 이러한 히터들은 라인별로 가능한 많은 영역 구분을 하여 독립적으로 설치되는 것이 바람직하며, 라인내 모든 영역에서 온도 기울기를 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 반응용기(100)로 갈수록 온도 기울기가 40℃ ∼ 200℃ 범위에 있도록 하였다.
다음, 상기와 같은 구조의 ALD 박막증착장치의 제1실시예의 동작을 설명한다.
본 실시예에는 웨이퍼에 TiN 박막증착을 위한 구성을 도시하고 있으며, 이를 위하여 제1반응가스로서 TiCl4를 사용하였고, 제2반응가스로서 NH3를 사용하였으며, 불활성가스로서 Ar 을 사용하였다. 따라서, 버블러(211)에는 액상의 TiCl4가 수용되어 있다.
반응용기(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(w)를 공급 및 이송시키는 이송모듈(Transfer Module)(102)에 뱃밸브(Vat Valve)(101)를 사이에 두고 장착된다. 웨이퍼(w)는 이송모듈(102)의 로봇아암(미도시)에 의하여 웨이퍼이송구멍(116)을 통하여 반응용기(100) 내부로 이송되어 웨이퍼블럭(140)에 안착된다.
웨이퍼(w)가 히터블록(140) 상에 안착되면 웨이퍼블럭(140)은 425℃ ∼ 650 ℃ 범위 내로 상승하여 웨이퍼(W)를 400℃ ∼ 600℃ 까지 상승시키고, 웨이퍼 온도가 안정화된 후 반응용기(100)로의 가스유입단계를 수행한다.
가스유입단계는, 먼저 제1밸브(V1), 제6밸브(V6), 제8밸브(V8), 제4밸브(V4)를 수초간 여는 것으로 시작한다. 그러면, 버블링된 TiCl4가스는 제2밸브(V2)까지 차게 되고, Ar 가스는 제1,2불활성가스흐름량제어기(262)(272)에 의하여 적절히 유량제어된 후 제7밸브(V7) 및 제9밸브(V9)까지 차게 되며, NH3가스는 제2반응가스흐름량제어기(232)에 의하여 적절히 유량제어된 후 제5밸브(V5)까지 차게 된다.
다음에, 제7밸브(V7), 제9밸브(V9)를 열어 불활성가스를 반응용기(100) 내부로 유입시킨다. 가스가 유입되기전 반응용기(100) 내부의 압력은 10-4∼5×10-3torr을 유지하는데, 불활성가스가 유입됨에 따라 반응용기(100) 내부의 압력은 1∼10 torr로 된다. 이러한 압력은 반응용기(100)에 설치된 압력측정부(160)가 배기라인(400)의 트로틀밸브(TV)를 적절히 열게 됨으로써 가능하다. 여기서, 제7,9밸브(V7)(V9)를 제6,8,밸브(V6)(V8)를 연 이후 순차적으로 여는 이유는, 갑자기 제7,9밸브(V7,9)를 열 경우 이들 밸브들을 통하여 반응용기(100) 내 가스가 역류될 수 있기 때문이다.
다음에, 박막증착공정시 발생되는 파티클의 생성을 막기 위한 파티클생성방지단계를 수행한다. 박막증착과정에서 발생되는 파티클은 박막의 품질을 나쁘게 하므로, 파티클의 생성을 방지하는 파티클생성방지단계는 매우 중요한 단계이다. 파티클생성방지단계는, Ar 가스를 반응용기(100)로 계속 유입시키면서, TiCl4가스를 반응용기(100)로 유입하기 적어도 수초전에 제5밸브(V5)를 열어 NH3가스를 반응용기(100)로 유입시킴으로써 수행된다.
파티클생성방지단계란, 만약 NH3가스보다 TiCl4가스가 반응용기(100)로 먼저 유입되면, TiCl4가스의 일부가 확산판(130)의 표면에서 반응하여 그 부산물로서 파티클이 발생되는데, 이러한 파티클의 생성을 방지하는 단계이다. 파티클은 그 성분이 확산판(130)의 표면에 증착된 TiNxCly층이나 확산판의 재질인 Al 의 매우 미세한 파편들일 것으로 보인다. 따라서, TiCl4가스가 확산판(130)의 표면에서 파티클이 생성되지 않도록 하기 위하여, TiCl4가스가 유입되기 수초전에 NH3가스를 먼저 유입시켜 확산판(130)의 표면에 NH3층이 미리 형성되게 하는 것이다. 확산판(130)의 표면에 형성된 NH3가스층은 나중에 본격적인 박막증착공정에서 유입되는 TiCl4가스와 반응하여 TiCl4가스가 확산판(130)의 표면에서 파티클을 발생시키는 것을 최대한 억제한다.
이러한 원리는, 확산판(130)의 표면에 미리 형성된 NH3가스층이 TiCl4가스와 반응하여 후술할 기상의 HCl을 생성시킴으로써, TiCl4가스가 확산판(130)의 표면과 반응하거나 순간식각하지 못하도록 함으로써 미세한 파티클의 생성을 방지하는 것이다. 상기한 기상 부산물들은 곧이어 배기라인(400)을 통하여 외부로 배기된다. 반응용기(100) 내에서 일어나는 일련의 반응을 화학식으로 표현하면 2NH3+ TiCl4→ TiN(s) + 4HCl(g) + H2(g) + 0.5N2(g)로 되는 것으로 보인다.
파티클생성방지단계를 수행하고 난 후에, 반응용기(100)로의 TiCl4가스 및 NH3가스의 유입량을 조절함으로써 웨이퍼(w) 상에 TiN 박막을 본격적으로 증착한다.
TiN 박막은 반응용기(100) 내로 NH3가스와 TiCl4가스를 번갈아 유입시킴으로써 진행되는데, 어떤 것을 먼저 유입시키든지 상관없다. 예를 들면, TiCl4가스를 먼저 유입하는 경우에는, 반응용기로 먼저 제1단계로 TiCl4가스와 Ar 가스를 함께 유입시키다, 소정시간 경과후 TiCl4가스를 배재시킨다. 그러면, 웨이퍼(w) 상에 TiCl4가스층이 형성되고, 이 가스층은 계속 유입되는 Ar 가스에 의하여 압착된다.
다음에, 제2단계로, NH3가스와 Ar 가스를 함께 유입시키다, NH3가스의 공급을 소정시간 차단한다. NH3가스는 이미 웨이퍼(w) 상에 형성되어 있는 TiCl4가스층과 반응하여 웨이퍼(w)에 TiN 박막을 형성시킨다. 즉, 제1,2단계의 연속적인 진행을 통하여 TiN + NH3층이 형성되는 것이다.
다음, TiN + NH3층 상에 계속적인 박막 성장을 위하여 제1단계를 다시 실시한다. 그러면, TiN + NH3층은 TiN + TiN + TiCl4층으로 바뀌게 된다. 이후, 2 단계의 실시로 TiN + TiN + TiN + NH3층을 형성하고 이러한 과정을 반복함으로써 원하는 두께의 TiN 박막을 얻을 수 있다.
이러한 TiN 박막증착과정은 제6,7밸브(V6)(V7) 및 제8,9밸브(V8, V9)를 열어 Ar 가스를 반응용기(100) 내로 계속 유입시키면서, 제1밸브(V1) 및 제4밸브(V4)를 항상 연 상태에서 제3밸브(V3)와 제5밸브(V5)를 번갈아 여닫음으로써 이뤄진다.
이때, 제2밸브(V2)는 제3밸브(V3)가 열리기전에 열려 TiCl4가스가 제1반응가스흐름량제어기(212)를 경유하여 제3밸브(V3)까지 채워지도록 하고, 이후 제3밸브(V3)를 열어 제1반응가스를 반응용기(100)로 보낼 때 제2밸브(V2)는 닫혀지도록 한다. 즉, 제1반응가스는 밸브와 밸브 사이를 단위로 하여 순차적으로 제1반응가스공급라인(220)을 통하도록 하는 것이다. 그리고, 반응과정을 통하여 발생되는 공정부산물 가스는 배기라인(400)의 트로틀밸브(TV), 항상 열려진 제23,24,25밸브(V23, 24, 25)를 경유하여 배기된다.
상기와 같은 반응을 요약하면, TiCl4가스는 제1,2밸브(V1,2)를 거쳐 유량제어된 후 제3밸브(V3)를 통하여 제1반응가스공급라인(220)으로 이송되고, Ar 가스는 유량제어된 후 제7밸브(V7)를 거쳐 제1반응가스공급라인(220)에서 TiCl4가스와 혼합되어 반응용기(100)로 이송되는 것이다.
이후, 혼합된 TiCl4및 Ar 은 제1접속파이프(111) 및 제1연결라인(121)을 경유하고 제1혼합부(134)에서 다시 한번 고르게 혼합되어 분사구(131)를 통하여 웨이퍼(w) 상으로 고르게 분사되는 것이다. NH3반응가스는 제4밸브(V4)를 거쳐 유량제어된 후 제5밸브(V5)를 통해 제2반응가스공급라인(240)으로 이송되고, Ar 가스는 유량제어된 후 제9밸브(V9)를 거쳐 제2반응가스공급라인(240)에서 NH3가스와 혼합되어 반응용기(100)로 이송된다. 이후, 혼합된 NH3가스 및 Ar 가스는 제2접속파이프(112) 및 제2연결라인(122)을 경유하고 제2혼합부(135)에서 다시 한번 고르게 혼합된 후 노즐(133)을 통하여 리엑터블럭(110)의 내측벽 방향으로 분사되는 것이다.
이때, 유량제어되는 TiCl4가스의 흐름량을 1SCCM 이상, TiCl4가스와 혼합되는 Ar 가스의 흐름량을 50 SCCM 이상, NH3의 흐름량을 50SCCM 이상, NH3가스와 혼합되는 Ar 가스의 흐름량을 60SCCM 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 값은 여러번의 실험에 의하여 얻은 값으로서, 적어도 흐름량이 상기한 값 이상일 때 고순도 및 전기적 특성이 우수하며 스텝커버리지가 좋은 박막을 얻을 수 있는 것이다.
본 실시예에서는, TiCl4가스를 배재한 이후에 NH3가스를 유입시키기 까지는 적어도 1초 이상의 시간간격을 두었다.
또, TiCl4가스와 불활성가스를 반응용기(100) 내부로 유입시키는 시간과, 그 다음 반응용기(100)로의 NH3가스 유입전까지 상기 TiCl4가스를 배재하는 시간의 비는 1 : 1.2 이상으로 하였다.
또한, 제1불활성가스공급라인(260)을 통하여 유입되는 불활성가스의 유량값과, 제2불활성가스공급라인(270)을 통하여 유입되는 불활성가스의 유량값의 비를 1 : 1.2 이상으로 하여, 확산성이 강한 TiCl4가스가 상기 제2반응가스공급라인(240)을 경유하여 역류하지 못하도록 하였다.
이러한 방식으로 수행하는 박막증착은, 반응용기(100)로 연속적인 가스분사에 의하여 이루어지고, 또 압력측정부와 트로틀밸브를 포함한 밸브들과의 적절한 신호교환 및 제어에 의하여 반응용기의 공정압력이 일정하게 유지된다. 따라서, 증착되는 박막의 균일화(uniformity)등이 더욱 향상된다.
한편, 웨이퍼(w)상에 TiN 박막을 증착하는 과정에서, 박막에 Cl 이 포함될 수 있다. Cl은 박막의 순도, 전기적인 특성등을 나쁘게 하므로, Cl 을 제거하는 Cl 제거단계 역시 중요하다. Cl 제거단계는 TiCl4가스가 유입되지 않도록 제3밸브(V3)를 닫고, 제6,7밸브(V6)(V7), 제8,9밸브(V8)(V9), 제4,5밸브(V4)(V5)를 열어둠으로써 시행된다. 즉, 반응용기(100)로 Ar 가스와 NH3가스만을 공급하는 것이다. 그러면, NH3가스가 웨이퍼(w) 상에 형성된 TiN 박막내 Cl과 반응하여 HCl 이 형성되고, 이후 반응용기 외부로 배기된다. 이러한 Cl 제거단계는 박막의 Cl 함량이 충분히 낮을 경우 생략할 수 있다.
그리고, 제1반응가스로 Ta 원소를 포함한 화합물 가스를 이용하고, 제2반응가스로 N 을 포함한 화합물, 예를 들어 NH3가스를 이용할 경우에도, 상기와 같은 방식을 취함으로써 웨이퍼(w) 상에 TaN 박막을 증착할 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제2실시예를 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제2실시예를 도시한 도면이다. 여기서, 도 1에서와 동일한 참조부호는 동일 기능을 하는 동일부재이다.
제2실시예가 제1실시예와 다른 점은, 제1실시예가 웨이퍼상에 TiN 또는 TaN 박막을 증착할 수 있는 것에 비하여, 제2실시예에서는 WN 와 같은 박막을 형성할 수 있다. 이것을 가능하게 하기 위하여, 제1실시예의 구성중 제1반응가스공급부(210)가 제1반응가스공급부(510)로 대체되는 것이다. 제1반응가스공급부(510)는 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제31밸브(V31)와, 제31밸브(V31)를 통과한 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(512)를 포함하고, 이러한 제1반응가스공급부(510)는 제3밸브(V3)와 연결되는 것이다. 그리고, 제1반응가스의 원료로서 WF6를 사용하고, 제2반응가스는 N 을 포함한 화합물가스, 예를 들면 NH3를 사용하며, 불활성가스로서는 Ar 가스를 사용하는 것이다.
WN 박막을 증착할 경우에는, 반응용기(100) 내로 NH3가스와 WF6가스를 번갈아 유입시킴으로써 진행되는데, 예를 들면, WF6가스를 먼저 유입하는 경우에는, 먼저 제1단계로 WF6가스와 Ar 가스를 함께 유입시키다 소정시간 WF6가스를 배제시킨다. 그러면, 웨이퍼(w) 상에 WF6가스층이 형성되고, 이 가스층은 계속 유입되는 Ar 가스에 의하여 압착된다. 다음에, 제2단계로 NH3가스와 Ar 가스를 함께 유입시키다 소정시간동안 NH3가스의 유입을 차단한다. NH3가스는 이미 웨이퍼(w) 상에형성되어 있는 WF6가스층과 반응하여 웨이퍼(w)에 WN 박막을 형성시킨다. 즉, 제1,2단계의 연속적 진행을 통하여 결국 WN + NH3층이 형성되는 것이다.
다음, WN + NH3층 상에 계속적 박막 성장을 위하여 제1단계를 다시 실시한다. 그러면, WN + NH3층은 WN + WN + WF6가스층으로 바뀌게 된다. 이후, 제2단계의 실시로 WN + WN + WN + NH3층을 형성하고 이러한 과정을 반복함으로써 원하는 두께의 WN 박막을 얻을 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제3실시예를 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제3실시예를 도시한 도면이다. 여기서 도 1에서와 동일한 참조부호는 동일 기능을 하는 동일부재이다.
제3실시예가 제1실시예가 다른 점은, 제1실시예가 TiN 또는 TaN 박막을 증착할 수 있는 것에 비하여, 제3실시예에서는 TiN 또는 TaN 은 물론 Ti, TiAlN 와 같은 박막을 형성할 수 있다. 이것을 가능하게 하기 위하여, 제1실시예의 구성에 제3반응가스인 TMA(TriMethylAluminum) 가스가 이송되는 제3반응가스이송라인과, 제4반응가스인 H2 가스가 이송되는 제4반응가스이송라인을 더 추가시키는 것이다.
제4반응가스공급부(610)는, 공급하는 H2의 흐름을 개폐시키는 제32밸브(V32), 제32밸브(V32)를 통과한 H2의 흐름량을 제어하는 제4반응가스흐름량제어기(612), 제4반응가스흐름량제어기(612)에 제어된 H2가스의 흐름을 개폐시키는 제33밸브(V33)를 포함한다.
제3반응가스공급부(620)는, 제3반응원료를 가스화하는 버블러(621)와, 흐르는 제3반응가스의 흐름량을 제어하는 제3반응가스흐름량제어기(622)와, 버블러(621)와 제3반응가스흐름량제어기(622) 사이에 설치되어 제2반응가스의 흐름을 개폐하는 제34밸브(V34)와, 제2반응가스공급라인(240)으로 제3반응가스흐름량제어기(622)에 제어된 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제35밸브(V35)를 포함한다.
즉, 상기한 구성에 있어서, 제1반응가스는 Ti, Ta 전이금속 원소를 포함하는 화합물 가스를 사용하고, 불활성가스로서 Ar 를, 제3반응가스로 TMA 가스를, 제4반응가스로서 H2 가스를 사용하는 것이다.
이러한 구조의 박막증착장치의 제3실시예는 앞서 전술한 제1실시예와 대동소이하므로 상세한 설명은 생략한다.
지금까지 설명한 모든 실시예에서, 제1반응가스로 TiCl4이나 Ti, Ta, W 와 같은 전이금속 원소를 포함하는 화합물 가스를 사용하였으나, 다른 가스를 사용할 수도 있고, 불활성가스로서 Ar 가스뿐만 아니라 He, N2 등 다른 종류의 가스를 사용할 수도 있으며, 제2반응가스로 NH3가스를 사용하였으나 N 을 포함하는 다른 종류의 화합물 가스를 사용할 수도 있음은 물론이다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1,2,3실시예는, 박막증착공정에서 공통적으로 중심이 되는 제1,2반응가스에 관하여, 혼합된 제1반응가스와 불활성가스를 웨이퍼의 상부에 분사하고 혼합된 NH3가스와 불활성가스를 리엑터블럭의 내측벽으로 분사하며, 확산판과 웨이퍼블럭 사이의 간격을 20mm ∼ 50mm 정도로 가깝게 위치시켜 여러 가지 반응가스들을 웨이퍼상에 순차적으로 압착시키면서 반응시킴으로써, 보다 우수한 순도 및 전기적특성, 스텝커버리지가 우수한 Ti, TiAlN, TiN, TaN, WN 박막등을 증착할 수 있다.
또한, 초기에 NH3가스를 제1반응가스보다 수초전에 미리 반응용기로 분사시킴으로써 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
또, 박막증착이 이루어진 후, 또는 이루어지는 과정에서, NH3가스를 반응용기(100)로 분사함으로써 박막내에 존재하는 Cl을 제거하여 막의 전기적특성을 높일 수 있다.

Claims (27)

  1. 웨이퍼가 내장되어 증착되는 반응용기(100)와;
    제1반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와;
    제2반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제2반응가스공급부(230)와;
    상기 제1반응가스공급부(210)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제1반응가스공급라인(220)과;
    상기 제2반응가스공급부(230)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제2반응가스공급라인(240)과;
    불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스를 상기 제1반응가스공급라인(220)으로 공급하는 제1불활성가스공급라인(260)과;
    불활성가스공급원(250)으로부터 공급되는 불활성가스를 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 제2불활성가스공급라인(270)과;
    상기 반응용기(100)의 가스를 외부로 배출하는 배기라인(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응가스공급부(210)는, 제1반응원료를 가스화하는 버블러(211)와, 흐르는 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(212)와, 상기 버블러(211)와 상기 제1반응가스흐름량제어기(212) 사이에 설치되어 제1반응가스의 흐름을 개폐하는 제1밸브(V1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1반응가스공급라인(220)에 설치되어, 상기 제1반응가스흐름량제어기(212)에 제어된 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는제3밸브(V3)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2반응가스공급부(230)는, 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제4밸브(V4)와, 상기 제4밸브(V4)를 통과한 제2반응가스의 흐름량을 제어하는 제2반응가스흐름량제어기(232)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2반응가스공급라인(240)에 설치되어, 상기 제2반응가스흐름량제어기(232)에 제어된 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제5밸브(V5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1불활성가스공급라인(260)에는, 공급되는 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제6밸브(V6)와, 상기 제6밸브(V6)를 통과한 불활성가스의 흐름량을 제어하는 제1불활성가스흐름량제어기(262)와, 제1불활성가스흐름량제어기(262)에 제어된 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제7밸브(V7)가 설치된 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2불활성가스공급라인(270)에는, 공급되는 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제8밸브(V8)와, 상기 제8밸브(V8)를 통과한 불활성가스의 흐름량을 제어하는 제2불활성가스흐름량제어기(272)와, 상기 제2불활성가스흐름량제어기(272)에 제어된 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제9밸브(V9)가 설치된 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응가스 및/또는 불활성가스를 상기 반응용기(100)를 거치지 않고 곧바로 상기 배기라인(400)으로 흐르게 하기 위한 것으로서, 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제10밸브(V10)와 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제11밸브(V11)를 가지는 제1바이패스라인(280)과;
    상기 제2반응가스 및/또는 불활성가스를 상기 반응용기(100)를 거치지 않고 곧바로 상기 배기라인(400)으로 흐르게 하기 위한 것으로서, 제2반응가스의 흐름을 개폐시키는 제12밸브(V12)와 불활성가스의 흐름을 개폐시키는 제13밸브(V13)를 가지는 제2바이패스라인(290)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  9. 제1항에 있어서,
    라인에 잔존하는 가스 및/또는 오염원을 배기하기 위한 것으로서, 상기 제1반응가스공급부(210), 제2반응가스공급부(230), 제1불활성가스공급라인(260), 제2불활성가스공급라인(270), 제1바이패스라인(280), 제2바이패스라인(290),배기라인(400)과 유기적으로 연결된 별도의 불활성가스공급라인(320)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응가스는 TiCl4또는 Ta 원소를 포함하는 화합물가스이고, 제2반응가스는 NH3인 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응가스공급부(510)는, 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제31밸브(V31)와, 상기 제31밸브(V31)를 통과한 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(512)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1반응가스는 WF6이고, 제2반응가스는 NH3인 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  13. 제1항에 있어서,
    제3반응가스를 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 제3반응가스공급부(620)와;
    제4반응가스를 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 것으로서, 제4반응가스의 흐름을 개폐시키는 제32밸브(V32)와, 상기 제32밸브(V32)를 통과한 제4반응가스의 흐름량을 제어하는 제4반응가스흐름량제어기(612)와, 상기 제4반응가스흐름량제어기(612)에 제어된 제4반응가스의 흐름을 개폐시키는 제33밸브(V33)를 가지는 제4반응가스공급부(610);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3반응가스공급부(620)는, 제3반응원료를 가스화하는 버블러(621)와, 흐르는 제3반응가스의 흐름량을 제어하는 제3반응가스흐름량제어기(622)와, 상기 버블러(621)와 상기 제3반응가스흐름량제어기(622) 사이에 설치되어 제3반응가스의 흐름을 개폐하는 제34밸브(V34)와, 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 상기 제3반응가스흐름량제어기(622)에 제어된 제3반응가스의 흐름을 개폐시키는 제35밸브(V35)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1반응가스는 Ti, Ta, W 전이금속 원소를 포함하는 화합물 가스이고, 제2반응가스는 NH3인 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제3반응가스는 TMA(TriMethylAluminum) 이고, 제4반응가스는 H2인 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  17. 웨이퍼가 내장되어 증착되는 반응용기(100)와, 제1반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와, 상기 제1반응가스공급부(210)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제1반응가스공급라인(220)과, 제2반응가스를 상기 반응용기(100)로 공급하기 위한 제2반응가스공급부(230)와, 상기 제2반응가스공급부(230)와 상기 반응용기(100)를 연결하는 제2반응가스공급라인(240)과, 유량제어된 불활성가스를 상기 제1반응가스공급라인(220)으로 공급하는 제1불활성가스공급라인(260)과, 유량제어된 불활성가스를 상기 제2반응가스공급라인(240)으로 공급하는 제2불활성가스공급라인(270)과, 반응용기(100)의 가스를 외부로 배출하는 배기라인(400);를 포함하는 박막증착장치에 적용하는 것으로서,
    유량제어된 제1반응가스와 유량제어된 불활성가스를 혼합하여 상기 반응용기(100) 내의 웨이퍼 상부 표면으로 공급하고, 유량제어된 제2반응가스와 유량제어된 불활성가스를 혼합하여 상기 반응용기(100) 내의 웨이퍼(w)의 외주측으로 공급하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1반응가스로 Cl 원소를 포함한 화합물가스를 사용하고 상기 제2반응가스를 NH3로 사용할 경우에, 박막증착공정시 파티클의 생성을 방지하기 위한 것으로서, 초기 제1반응가스를 상기 반응용기(100)로 유입시키기 적어도 수초전에 상기 NH3가스를 반응용기(100) 내부로 유입시키는 파티클생성방지단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 반응용기(100)로 상기 제1반응가스와 불활성가스를 혼합하여 유입시키다 상기 제1반응가스를 소정시간동안 배제시키는 제1단계 동작과, 상기 반응용기(100)로 상기 제2반응가스와 불활성가스를 유입시키다 상기 제2반응가스를 소정시간 배제시키는 제2단계 동작을 번갈아 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1반응가스로 Ti, Ta, W 전이금속 원소를 포함하는 화합물 가스를 사용하고 제2반응가스로 NH3가스를 사용할 경우에,
    박막증착공정시, 상기 웨이퍼(w)의 온도를 400℃ ∼ 600 ℃ 범위로 유지시키고, 상기 반응용기(100)로 연결되는 라인의 온도를 40℃ ∼ 200 ℃ 범위에서 유지시키는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  21. 제20항에 있어서,
    유량제어되는 제1반응가스의 흐름량은 1SCCM 이상, 상기 제1반응가스와 혼합되는 불활성가스의 유량제어된 흐름량은 50 SCCM 이상, 유량제어되는 NH3의 흐름량은 50SCCM 이상, 상기 NH3가스와 혼합되는 불활성가스의 유량제어된 흐름량은 60SCCM 이상인 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제1반응가스로 Cl 원소를 포함한 화합물가스를 사용할 경우 증착되는 웨이퍼(w) 상의 박막에서 Cl 을 제거하기 위하여,
    반응용기(100)로 불활성가스와 NH3가스만을 유입시키는 Cl 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1,2반응가스 및/또는 불활성가스가 반응용기(100) 내부로 유입될 때, 상기 반응용기(100) 내의 압력이 1torr ∼ 10 torr 범위에 있는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 제1반응가스로 TiCl4를 사용하고 제2반응가스로 NH3가스를 사용할 경우,
    상기 TiCl4가스의 배재 이후에 상기 NH3가스를 유입시키기 까지는 적어도 1초 이상의 시간간격을 두는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 TiCl4가스와 불활성가스를 반응용기(100) 내부로 유입시키는 시간과, 그 다음 반응용기(100)로의 NH3가스 유입전까지 상기 TiCl4가스를 배재하는 시간의 비는 1 : 1.2 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1불활성가스공급라인(260)을 통하여 유입되는 불활성가스의 유량값과, 상기 제2불활성가스공급라인(270)을 통하여 유입되는 불활성가스의 유량값의 비를 1 : 1.2 이상으로 하여, 확산성이 강한 TiCl4가스가 상기 제2반응가스공급라인(240)을 경유하여 역류하지 못하도록 하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 제1반응가스공급부(210)가 제1반응원료를 가스화하는 버블러(211)와, 흐르는 제1반응가스의 흐름량을 제어하는 제1반응가스흐름량제어기(212)와, 상기버블러(211)와 상기 제1반응가스흐름량제어기(212) 사이에 설치되어 제1반응가스의 흐름을 개폐하는 제1,2밸브(V1,V2)를 포함하고,
    상기 제1반응가스공급라인(220)이 상기 제1반응가스흐름량제어기(212)에 제어된 제1반응가스의 흐름을 개폐시키는 제3밸브(V3)를 포함할 경우에,
    상기 제1,2밸브(V1,V2)를 열어서 상기 제1반응가스를 상기 제1반응가스흐름량제어기(212)를 경유시켜 제3밸브(V3)까지 소정시간동안 채운후, 제3밸브(V3)를 열어 제1반응가스를 반응용기(100)로 보낼 때 상기 제2밸브(V2)를 닫는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
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