KR100399067B1 - 원자층 증착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생산량 향상을 통해 양산가능한 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 이를 위한 본 발명의 원자층 증착 장치는 반응챔버, 상기 반응챔버의 내부에 위치하며 웨이퍼가 장착된 히터, 상기 반응챔버의 일측 중앙을 관통하여 상기 히터의 중앙 상부에 위치하며 상기 웨이퍼에 대응하는 방향으로 방사구가 구비된 내부 원통과 외부 원통으로 이루어져 서로 다른 가스를 공급하는 가스 분배기, 및 상기 반응챔버의 내벽 둘레를 따라 구비되어 상기 가스분배기로부터 방사되어 상기 웨이퍼를 지나는 미반응 가스를 펌핑하는 펌핑포트를 포함하여 이루어진다.

Description

원자층 증착 장치{APPARATUS FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION}

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 특히 게이트산화막(Gate-oxide), 캐패시터 유전막(Capatitor dielctric), 확산방지막(Diffusion barrier), 전계발광소자(Electro Luminescence)에 적용되는 원자층 박막 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 장치에 관한 것이다.

통상적으로 원자층 박막(Atomic Layer) 증착 장치는 ZrO₂, HfO_x, Al₂O₃, Ta₂O_5,TiO_x와 같은 게이트산화막, Ta₂O₅, BST, PZT, Al₂O₃와 같은 캐패시터 유전막, Ti/TiN, Ta/TaN, W/WN, TiSiN, TaSiN과 같은 확산방지막을 증착할 때 적용하고, 또한 전계발광소자(EL)의 Ⅱ-Ⅵ 족 및 Ⅲ-Ⅴ 족 반도체층, 예컨대 ZnS, ZeCdTe, HgCdTe, InGaAsP, AlGaN에 이용된다.

그리고, 원자층 박막 증착 장치의 활성화에너지원(Active energy source)은열(Thermal), 플라즈마(Plasma enhanced), 리모트 플라즈마(Remote plasma)를 이용한다.

도 1은 종래기술에 따른 원자층 증착 방법을 구현하기 위한 원자층 박막 증착 장치의 구조 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 원자층 증착 장치는 트레블링 웨이브 반응챔버(Traveling Wave Reactor)를 이용하는데, 반응챔버(11), 웨이퍼(12)가 장착되는 히터(13). 반응챔버(11)에 소스 가스(Source gas) 또는 반응 가스(Reactant gas)를 공급하는 제 1 가스라인(14a, 14b)과 퍼지 가스(Purge gas)를 공급하는 제 2 가스라인(15a, 15b)으로 이루어진다.

예컨대, 두 개의 반응가스 A, B를 공급할 때, 하나의 제 1 가스라인(14a)에 A가스를 공급하고, 다른 하나의 제 1 가스라인(14b)에 B가스를 공급하며 각 A,B가스를 퍼지시키기 위한 퍼지가스를 각 제 2 가스라인(15a, 15b)으로 공급한다. 만약, 소스가스, 반응가스가 하나만 공급된다면 제 1, 2 가스라인은 각각 하나씩 구비될 것이다.

도 2는 종래기술에 따른 가스 공급 주기(Cycle)를 도시한 타이밍도이고 도 3a 내지 도 3b는 도 2의 1주기(1T)를 이용한 원자층 증착 방법을 도시한 단면도이다.

도 2 및 도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 먼저 소스가스(16)를 공급하여 웨이퍼(12) 표면에 한 층의 소스(16a)를 화학적으로 흡착(Chemical Absorption)시키고 여분의 물리적 흡착된 소스들은 비활성 가스(Inert gas)를 흘려보내어 퍼지시킨 다음, 한 층의 소스(16)에 반응가스(17)를 공급하여 한 층의 소스(16a)와 반응가스(17a)를 화학반응시켜 원하는 원자층박막(18)을 증착하고 여분의 반응가스(17)는 비활성 가스를 흘려보내 퍼지시키는 과정을 한 주기로 하여 박막을 증착한다.

상술한 바와 같은 종래기술은 자기제한적 표면 반응 메카니즘(Self-Limited Surface Reaction Mechanism)을 이용하므로써 안정된 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 균일한 박막을 얻을 수 있다. 또한, 소스가스와 반응가스를 서로 분리시켜 순차적으로 주입 및 퍼지시키기 때문에 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition;CVD)에 비해 가스 위상 반응(Gas Phase Reaction)에 의한 파티클(Particle) 생성을 억제한다.

그러나, 트레블링 웨이브 반응챔버는 소스가스를 효과적으로 사용하고 증착 주기를 감소시킬 수는 있으나, 생산량(Through put)은 TiN의 경우 3∼4WPH(Wafer Per Hours)로 양산 적용시 장치의 공간이 많이 필요하고 장비 유지 비용이 매우 높은 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 생산량을 증대시키고 장치의 구입 비용 및 유지비용을 절감시키는데 적합한 원자층 증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 원자층 증착 장치를 개략적으로 도시한 구조도,

도 2는 종래기술에 따른 가스 공급 주기를 도시한 타이밍도,

도 3a 내지 도 3b는 도 2의 주기에 따른 원자층 증착 방법을 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 구조 단면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 구조 평면도,

도 6는 도 3의 가스분배기의 상세 평면도,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가스 라인의 연결도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20 : 반응챔버 21 : 웨이퍼

22 : 히터 23 : 가스분배기

24 : 펌핑포트

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자층 증착 장치는 반응챔버, 상기 반응챔버의 내부에 위치하며 웨이퍼가 장착된 히터, 상기 반응챔버의 일측 중앙을 관통하여 상기 히터의 중앙 상부에 위치하며 상기 웨이퍼에 대응하는 방향으로 방사구가 구비된 내부 원통과 외부 원통으로 이루어져 서로 다른 가스를 공급하는 가스 분배기, 및 상기 반응챔버의 내벽 둘레를 따라 구비되어 상기 가스분배기로부터 방사되어 상기 웨이퍼를 지나는 미반응 가스를 펌핑하는 펌핑포트를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 도시한 구조 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 반응챔버(20), 상기 반응챔버(20)의 내부에 위치하며 다수의 웨이퍼(21)가 방사 형태로 장착된 히터(22), 반응챔버(20)의 상단부 일측 중앙을 관통하여 히터(22)의 중앙 상부에 위치하며 웨이퍼(21)에 대응하는 방향으로 방사구(23c)가 구비된 내부 원통(23a)과 외부 원통(23b)으로 이루어져 서로 다른 가스를 공급하는 원통형 가스 분배기(23), 원통형 가스분배기(23)로부터 방사되어 웨이퍼(21)를 지나는 미반응 가스를 펌핑하며 반응챔버(20)의 내벽 둘레를 따라 구비된 펌핑포트(24)로 이루어진다. 여기서, 미반응 가스는 반응챔버(20) 내부에 위치한 펌핑포트(24)를 통과하여 반응챔버(20)의 내벽 둘레 및 히터(22)의 하부로 흐르고, 반응챔버(20) 외부로 가스를 배기시키는 주펌핑포트(24b)를 통해 배기된다.

여기서, 반응챔버(20)와 가스분배기(23)를 실링하기 위해 오링(O-ring)이나 가스킷(Gasket)(25)를 이용한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 구조를 도시한 평면도로서, 가스분배기(23)는 각 웨이퍼(21)에 대응하는 방향으로 가스를 방사하도록 다수의 파이프 형태의 방사구(23c)가 형성된 내부원통(23a)과 외부원통(23b)으로 이루어지고, 원통형 반응챔버(20)의 내벽 둘레를 따라 모서리 부분에 미반응 가스를 펌핑하는 다수의 펌핑포트(24)가 소정 간격을 두고 형성된다.

도 6은 도 4의 가스분배기를 상세히 도시한 도면으로서, 가스분배기(23)가 내부원통(23a)과 외부원통(23b)으로 이루어지고, 각 원통은 웨이퍼에 대응하는 방향으로 방사구(23c)가 형성되어 있다. 여기서, 방사구(23c)는 웨이퍼의 수에 따라 다르다.

도 7은 가스분배기에 연결되는 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스의 가스라인을 도시한 도면으로서, MFC(Mass Flow Chamber)와 밸브(V1∼V8)를 이용하여 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스를 반응챔버에 주입한다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 가스 분배기(22)는 반응챔버(20)의 중심부분에 위치하며, 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스가 일정하게 또는 방사방향으로 동일하게 공급되도록 가스분배기(23)를 0rpm∼100rpm으로 회전시키고, 또한, 소스가스와 반응가스의 반응을 방지하기 위해 소스가스와 반응가스는 전용 가스라인을 통해 공급되며, 소스가스와 반응가스의 반응이 일어나지 않는 경우에는 전용 가스라인을 사용하지 않을 수 있다. 한편, 퍼지가스로는 비활성가스인 Ar, N₂, He를 이용하고 비활성가스는 소스가스 또는 반응가스용 가스라인을 이용하여 반응챔버에 공급된다.

그리고, 펌핑포트(24)는 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스의 플로우를 균일하게 유지시키고 펌핑을 용이하도록 하기 위해 히터(22)의 양끝단 즉, 반응챔버(20)의 내벽 둘레를 따라 모서리 부분에 균등한 간격으로 10개 이상 또는 그 이하로 배치되며, 반응 챔버(20)의 모서리 부분에 배치된 펌핑포트(24)들은 주펌핑포트(24b)에 연결될 수 있다. 여기서, 펌핑포트(24)는 홀(Hole)형태로서 홀의 모양은 원형 또는 다른 형태일 수 있다.

그리고, 웨이퍼(21)는 2장 이상 장착시키되, 히터(22)는 각 웨이퍼(21)에 대해 각각 유지하거나, 또는 듀얼 히팅존(Dual heating zone)을 구비하는 하나의 히터를 이용할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 적용하여 증착되는 박막으로는 ZrO₂, HfO_x, Al₂O₃, Ta₂O_5,TiO_x와 같은 게이트산화막, Ta₂O₅, BST, STO, PZT, Al₂O₃와 같은 캐패시터 유전막, Ti/TiN, Ta/TaN, W/WN, TiSiN, TaSiN과 같은 확산방지막, 또한 전계발광소자(EL)의 Ⅱ-Ⅵ 족 및 Ⅲ-Ⅴ 족 반도체층, 예컨대 ZnS, ZeCdTe, HgCdTe, InGaAsP, AlGaN이다.

이 때, TiN, TiO, TiSiN, Ti 박막을 증착하는 경우 소스가스로는 TiCl₄, TDMAT, TEMAT를 이용하고 반응가스로는 NH₃, N₂를 이용하며, W 및 WN을 증착하는 경우 소스가스로 WF₆를 이용한다. 또한, Ta, Ta₂O₅, BST, STO, PZT, TaSiN을 증착하는 경우 탄탈륨소스로 Ta((OCH₃))₄, TiCl₅를 이용한다.

그리고, 원자층 박막 증착 장치의 활성화에너지원(Active energy source)은열(Thermal), 플라즈마(Plasma enhanced), 리모트 플라즈마(Remote plasma)를 이용한다. 이 때, 활성에너지원으로서 열을 이용하는 경우, 저항성 히터(Resistive heater)와 할로겐 램프(Halogen ramp)를 이용하고, 플라즈마를 이용하는 경우에는 리모트 RF(Remote Radio Frequency)를 이용한다.

본 발명의 실시예를 적용하여 TiN 박막을 증착하는 경우에 대해 설명하면, 통상 트레블링 웨이브 챔버에서 증착할 경우 0.2∼0.5Å/cycle의 증착률이 가능한데, 300Å 두께의 TiN 박막이 필요한 TaON 캐패시터 구조에서는 한 공정모듈당 3∼4WPH 정도의 생산량이 가능하여 30000장을 생산하는 경우 2개의 공정모듈을 가진 시스템이 약 6대 필요하지만, 본 발명의 실시예(4장의 웨이퍼를 한 챔버에 장착하는 경우)를 이용하는 경우 한 공정모듈당 12∼15WPH의 생산량이 가능하여 30000장을 생산하는 경우 약 2대의 시스템만 유지하여도 충분하다.

200㎜ 웨이퍼는 물론 300㎜ 웨이퍼에서도 동일한 효과를 구현할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 원자층 증착 장치는 생산량을 증대시킬 수 있고 적은 장치 구입비용 및 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 원자층 증착 장치에 있어서,

   반응챔버;

   상기 반응챔버의 내부에 위치하며 웨이퍼가 방사 형태로 장착된 히터;

   상기 반응챔버의 일측 중앙을 관통하여 상기 히터의 중앙 상부에 위치하며 상기 웨이퍼에 대응하는 방향으로 방사구가 구비된 내부 원통과 외부 원통으로 이루어져 서로 다른 가스를 공급하는 가스 분배기; 및

   상기 반응챔버의 내벽 둘레를 따라 구비되어 상기 가스분배기로부터 방사되어 상기 웨이퍼를 지나는 미반응 가스를 펌핑하는 펌핑포트

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스분배기는 회전이 가능한 원통형태인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 방사구는 서로 다른 방향으로 다수개 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스분배기에 공급되는 소스가스, 반응가스를 공급하는 가스라인이 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 소스가스, 반응가스의 가스라인은 각각 전용라인을 이용하거나, 하나의 가스라인을 이용하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 소스가스, 반응가스의 가스라인을 통해 퍼지가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌핑포트는 홀 형태이고, 상기 반응챔버의 내벽 둘레를 따라 균등한 간격으로 다수개 배치된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.