KR100408519B1 - 원자층 형성용 반응챔버 - Google Patents

Abstract

원자층 형성용 반응챔버에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명은 웨이퍼가 로딩되는 웨이퍼 스테이지와, 상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비되어 있고 자체 히팅 수단을 구비하는 상판과, 상기 상판 저면에 가스 분출구가 위치한 제1 가스 공급관과, 상기 웨이퍼 스테이지와 상기 상판 사이에 구비되어 있되, 테두리가 상기 상판 테두리와 접촉되어 있고, 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입되는 가스가 상기 웨이퍼 스테이지 위에 고르게 분사될 수 있는 형태로 구비된 샤워 헤드와, 상기 상판 저면에 구비된 플라즈마 형성용 전극판과, 상기 요소들을 포함하고 상기 웨이퍼 스테이지 둘레에 배출구를 구비하는 하우징과, 상기 하우징과 상기 상판 사이의 공간을 분할하도록 구비된 격벽 및 상기 격벽에 의해 분할된 상기 상판과 상기 하우징 사이의 공간의 어느 한 쪽에 연결된 제2 가스 공급관을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버를 제공한다.

Description

원자층 형성용 반응챔버{Reaction chamber for atomic layer deposition}

본 발명은 반도체 장치의 제조 설비에 관한 것으로써, 자세하게는 원자층 형성용 반응 챔버에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조 공정에서 박막 증착 공정은 물리 증착 공정과 화학 증착 공정으로 크게 나눌 수 있다.

화학 증착 방식을 이용한 박막 형성 방법은 도 1에 도시된 바와 같이 형성하고자 하는 박막을 구성하는 화학종(A, B)의 소정량을 동시에 반응 챔버에 공급하여 박막을 형성하는 방법이다. 박막이 형성되는 하부막의 구조가 단순한 3차원 구조인 경우, 화학종들의 균일한 물질 전달이 가능하여 우수한 스텝 커버리지(step coverage)와 함께 높은 박막 증착율을 얻을 수 있다.

반도체 장치의 고집적화 추세에 따라, 박막이 형성되는 하부막의 종횡비(aspect ratio)가 더욱 커질 뿐만 아니라 구조 자체도 더욱 복잡해지고 있다. 이와 같이, 하부막 구조가 복잡해지면 하부막 안쪽 영역으로 공급되는 화학종의 물질 전달 속도가 누센 확산에 의해 지배되어 화학종의 분자량에 반비례하여 물질 전달 속도가 결정되어 진다. 이것은 화학종이 하부막의 전면에 고르게 퍼지기 어렵다는 것을 의미하고, 따라서 우수한 스텝 커버리지를 갖는 박막은 형성하기 어려워진다. 또한, 박막 형성에 필요한 반응가스가 동시에 공급되기 때문에, 상기 반응 가스가 반응성이 높은 기체인 경우에, 웨이퍼에 도달되기 전에 이미 반응을 개시하여 웨이퍼 상에 도달될 때는 원하지 않은 파티클이 된다. 또한, 상기 파티클이 발생되는 것을 피하기 위해, 반응 가스로써 반응성이 낮은 기체를 사용할 수 있는데, 이때는 불순물을 제거하기 어려워 박막의 질이 저하된다.

반도체 장치의 고집적화에 따른 기존의 화학 증착 방법의 문제점들을 개선하기 위해, 원자층 증착 방법이 T.Suntola 등에 의해 제시되었고, 현재 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다.

원자층 증착 방식을 이용한 박막 형성 방법의 가장 큰 특징은 도 2에 도시된 바와 같이, 박막을 구성하는 화학종들(A, B)이 시간차를 두고 번갈아 공급된다는 것이다. 곧, 화학종들(A,B)이 시분할되어 공급된다는 것으로써, 하나의 화학종(A)이 반응챔버에 공급되어 웨이퍼 상에 상기 하나의 화학종(A)으로 구성된 원자층이 형성된 후에, 다른 화학종(B)이 상기 반응 챔버에 공급되어 상기 원자층 상에 적층된다.

이와 같이, 원자층 적층 방식은 하나의 화학종(A)에 대한 원자층을 먼저 형성한 후 다른 화학종의 원자층을 형성하거나 기 형성된 원자층을 산화하는 방식이다.

물론, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 하나의 화학종(A)과 다음 화학종(B)의 공급 사이에 먼저 공급된 화학종(A)이 반응 챔버에 잔류되는 것을 방지하기 위해, 불활성 기체를 이용하여 상기 반응 챔버에 대한 퍼지(purge) 공정이 수행된다.

이와 같은 원자층 증착 방법을 이용함으로써, 기존의 화학 증착 방법의 문제점의 하나인 반응성이 높은 반응 가스들이 웨이퍼 도달전 기상 상태에서 미리 반응하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 반응성이 높은 반응 가스를 사용할 수 있고, 그 결과 불순물 함량이 적은 양질의 박막을 얻을 수 있다. 또, 박막에 물리적으로 흡착된 화학종은 상기 퍼지 공정에서 제거되므로, 박막이 형성되는 하부막의 구조가 상기한 바와 같이 복잡한 3차원 구조라 하더라도 우수한 스텝 커버리지를 얻을 수 있다.

그럼에도 불구하고, 원자층 증착 방법은 여러 종류의 화학종이 시분할되어 개별적으로 공급되기 때문에 기존의 화학 증착 방법에 비해 박막 증착 시간이 길어지고, 퍼지 공정 후에도 소오스 가스 공급에 사용된 전구체(precursor)가 반응 챔버내에 잔류되는 경우에 원하지 않은 기상 반응이 발생되어 박막의 질이 저하되는 문제가 나타날 수 있다.

이렇게 볼 때, 원자층 증착 방법의 성공 요건은 반응 챔버에 공급되는 화학종이 반응 챔버에 머무르는 시간을 줄여 박막 증착 시간을 최소화하는 것과 반응성이 높은 화학종을 개발하는 것이다.

도 3은 이러한 사실을 고려하여 만든 종래 기술에 의한 원자층 형성용 반응 챔버의 단면도로써, 이를 참조하면, 종래 기술에 의한 원자층 형성용 반응 챔버는 하부에 웨이퍼(미도시)가 로딩되는 웨이퍼 스테이지(10)가 구비되어 있다. 웨이퍼 스테이지(10)는 공급되는 화학종의 활성을 위해 250℃ 정도의 온도로 유지된다. 웨이퍼 스테이지(10) 위에 금속 전극(12)이 구비되어 있다. 금속 전극(12)은 외부의RF전원(14)에 연결되어 있다. 원자층 형성용 화학종과 상기 원자층을 산화시키기 위한 반응가스는 유입구(20)를 통해 유입되어 금속 전극(12)과 반응 챔버 벽(16) 사이를 통해 금속 전극(12)과 웨이퍼 스테이지(10) 사이로 공급된다. 반응 챔버(8)에 유입된 화학종 또는 상기 반응 가스는 웨이퍼 스테이지(10)와 금속 전극(12) 사이를 통과하여 금속 전극(12) 위쪽의 유입구(20)와 이웃하는, 그러나 격벽(26)에 의해 서로 차단된 배출구(22)를 통해서 배출된다. 이렇게 해서, 유입되는 가스와 배출되는 가스가 접촉되는 것이 방지된다.

이와 같은 종래 기술에 의한 원자층 형성용 반응 챔버는 유입되는 화학종이 웨이퍼 스테이지(10) 상에 로딩된 웨이퍼 위에 도달될 때, 금속 전극(12)에 RF 전원을 인가하여 상기 화학종을 플라즈마 상태로 전환하는 방법으로 반응성이 높은 라디칼(radical)을 발생시킬 수 있다. 따라서, 기존에는 반응성이 낮아서 사용하기 어려웠던 다양한 화학종들도 도 3에 도시한 종래 기술에 의한 반응 챔버(8)를 이용하여 원자층 형성에 사용할 수 있다.

이러한 이점에도 불구하고, 종래 기술에 의한 원자층 형성용 반응 챔버(8)는 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.

곧, 원자층 형성 과정에서 웨이퍼 스테이지(10)와 대향하는 금속 전극(12)의 저면에도 박막이 형성되는데, 이러한 박막은 플라즈마를 사용함으로써 발생되는 높은 에너지를 가진 기체들에 충돌되면서 부분적으로 박리 된다. 이렇게 박리된 부분은 파티클로써 웨이퍼 상에 형성되는 박막의 질을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 도 4는 그 가능성을 보여 주는 전자 현미경 사진으로써, 참조번호 28은 금속전극(12)의 저면에 형성된 박막으로부터 박리된 부분, 곧 파티클(particle)을 나타낸다.

한편, 장시간 증착을 수행할 경우 금속 전극(12)의 저면에 형성된 막은 전극 전체에서의 균일도가 떨어지며, 이 중 일부는 플라즈마를 인가하는 동안 박리됨으로써, 금속 전극(12)의 저면에 형성된 박막 상태가 고르지 않게 된다. 플라즈마의 균일도 저하는 활성화된 반응가스 불균일도를 유발하며 웨이퍼 전면의 산화 정도가 국부적으로 차이가 발생할 수 있다. 실제로 SrTiO₃박막을 성막시에, 도 4에 나타낸 SEM사진에서 홀과 홀사이의 동일 지점에서 Sr/Ti의 비율이 40 ~ 130%까지 불균일하게 생성됨을 실험적으로 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 원자층의 증착 시간을 줄이면서 원자층 형성 과정에서 원하지 않은 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있고 원자층 형성에 사용되는 화학종이 챔버내에 체류하는 시간을 줄일 수 있는 원자층 형성용 반응챔버를 제공함에 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 박막 형성 방법과 원자층 형성 방법의 개념 설명을 위한 블록 다이어그램이다.

도 3은 종래 기술에 의한 원자층 형성용 반응챔버의 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 반응챔버를 이용하여 박막을 형성하였을 때 직면하는 문제점의 하나를 나타낸 SEM 사진이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 의한 원자층 형성용 반응 챔버의 단면도들이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

40:하우징 42, 72:웨이퍼 스테이지

44, 73:배출구 46, 64:자체 히팅 수단

48:상판 50, 54:가스 공급관

52:분사 노즐 56:외부 전원

58:전극판 60:샤워 헤드

62, 80:홀 70:반응 챔버

74, 76:제1 및 제2 샤워 헤드 79:벨로우즈

78:투광성 상판 82, 86:제1 및 제2 히팅 수단

84:관 88, 94:제1 및 제2 가스 공급관

90:광원 92:테두리 연결 벽

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 웨이퍼 스테이지와, 상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비되어 있고 자체 히팅 수단을 구비하는 상판과, 상기 상판 저면에 가스 분출구가 위치한 제1 가스 공급관과, 상기 웨이퍼 스테이지와 상기 상판 사이에 구비되어 있되, 테두리가 상기 상판 테두리와 접촉되어 있고, 상기제1 가스 공급관을 통해 유입되는 가스가 상기 웨이퍼 스테이지 위에 고르게 분사될 수 있는 형태로 구비된 샤워 헤드와, 상기 상판 저면에 구비된 플라즈마 형성용 전극판과, 상기 요소들을 포함하고 웨이퍼 스테이지 둘레에 배출구를 구비하는 하우징과, 상기 하우징과 상기 상판 사이의 공간을 분할하도록 구비된 격벽 및 상기 격벽에 의해 분할된 상기 상판과 상기 하우징 사이의 공간의 어느 한 쪽에 연결된 제2 가스 공급관을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버를 제공한다.

상기 상판의 자체 히팅 수단은 내재된 전열선 또는 상판 표면에 구비된 전열판 또는 히팅판이다.

상기 샤워 헤드에 자체 히팅 수단으로써, 상기 샤워 헤드에 균일하게 내재된 전열선이 구비되어 있다.

또한, 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 웨이퍼 스테이지와 그 둘레에 구비된 배출구, 상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비된 투광성 상판, 상기 투광성 상판의 저면에 가스 분출구를 갖는 제1 가스 공급관, 상기 웨이퍼 스테이지와 상기 투광성 상판 사이에 구비되어 있되, 테두리가 상기 투광성 상판의 테두리와 접촉되어 있고, 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입되는 가스가 상기 웨이퍼 샤워 헤드 위로 바로 공급되도록 구비된 샤워 헤드 및 상기 투광성 상판을 통해 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입되는 가스를 활성화시키기 위한 에너지를 공급하도록 구비된 광원을 구비하되, 상기 샤워 헤드에 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입된 가스가 공급되는 경로와 다른 경로로 상기 웨이퍼 스테이지 위에 가스를 공급하는제2 가스 공급관이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버를 제공한다.

상기 투광성 상판과 상기 샤워 헤드 테두리는 양자의 간격을 조절할 수 있게 벨로우즈를 통해 접촉되어 있다.

상기 샤워 헤드는 제1 및 제2 샤워 헤드로 구성되어 있다.

상기 제1 및 제2 샤워 헤드는 상기 제1 가스 공급관으로 유입되는 가스가 상기 웨이퍼 스테이지 위로 공급되는 복수의 관들로 연결되어 있다.

상기 웨이퍼 스테이지 바로 위에 구비된 상기 제1 샤워 헤드에 상기 제2 가스 공급관으로 유입되는 가스를 상기 웨이퍼 스테이지 위로 균일하게 분사하기 위한 복수의 홀이 상기 복수의 관 사이에 구비되어 있다.

상기 제1 또는 제2 샤워 헤드에 자체 히팅 수단이 구비되어 있다.

상기 제1 또는 제2 샤워 헤드에 구비된 상기 자체 히팅 수단은 상기 각 샤워 헤드에 형성된 복수의 홀들 사이 또는 복수의 홀과 복수의 관 사이에 구비된 전열선이다.

또한, 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 웨이퍼 스테이지와 그 둘레에 구비된 배출구; 상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비되어 있되, 일측으로 박막 형성에 이용되는 가스가 유입될 수 있도록 구비된 투광성 상판; 상기 투광성 상판 위에 구비된 상기 가스가 유입되는 유입구; 및 상기 가스 유입구를 통해 유입되는 상기 가스를 활성화시키기 위한 광원을 구비하는 원자층 형성용 반응 챔버에 있어서, 상기 투광성 상판 위쪽으로부터 상기 가스가 유입되는 동안에 상기 가스가 상기 투광성 상판에 부착되는 것을 방지하기 위해, 상기 투광성 상판에 자체 히팅 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응 챔버를 제공한다.

여기서, 상기 자체 히팅 수단은 상기 투광성 기판에 내재된 전열선이다.

이러한 본 발명에 의한 원자층 형성용 반응 챔버를 이용하는 경우, 반응성이 낮은 다양한 화학종을 사용할 수 있으면서도 반응 챔버내에 공급된 가스의 체류 시간을 줄일 수 있고, 균일한 두께로 박막을 형성할 수 있다. 또, 원자층으로 형성되는 화학종이 플라즈마 형성 영역 또는 반응 가스가 반응성이 우수한 리디칼로 되는 영역에 유입되는 것이 차단되므로, 상기 플라즈마 형성 영역에 구비된 전극 또는 기타 부재에 상기 박막 성분에 기인한 박막이 형성되지 않는다. 따라서, 원자층 적층 방식의 박막 형성 과정 중에 플라즈마 형성 영역으로부터 원하지 않는 파티클이 발생되는 것을 원천적으로 방지하여 웨이퍼 상에 형성되는 박막에 상기 파티클이 떨어지는 것을 방지할 수 있다

이하, 본 발명의 실시예에 의한 원자층 형성용 반응 챔버를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

<제1 실시예>

도 5를 참조하면, 참조번호 40은 하우징을 나타내고, 하우징(40) 바닥에 웨이퍼 스테이지(42)가 구비되어 있다. 웨이퍼 스테이지(42) 상에 웨이퍼가 로딩된다. 웨이퍼 스테이지(42)는 박막 형성을 위해 주입된 가스의 반응성을 유지하기 위한 소정의 활성 온도로 유지된다. 웨이퍼 스테이지(42) 둘레에 반응후 가스를 배출되는 배출구(44)가 구비되어 있다. 웨이퍼 스테이지(42) 위에 자체 히팅 수단(46)을 구비하고 소정의 두께를 갖는 상판(48)이 구비되어 있다. 하우징(40)과 상판(48) 사이에 격벽(49)이 구비되어 있다. 격벽(49)에 의해 하우징(40)과 상판(48) 사이의 공간은 이분된다. 하우징(40)에 상기 이분된 공간의 어느 한 쪽에 원자층 형성을 위한 가스 또는 퍼징 가스가 유입되는 가스 공급관(50)이 연결되어 있다. 가스 공급관(50)을 통해서 유입되는 가스는 하우징(40)과 상판(48) 사이로 유입되어 웨이퍼 스테이지 위로 공급된다. 이 과정에서 상기 가스가 웨이퍼 스테이지(42) 상에 형성된 웨이퍼에 도달되기 전에 상판(48)의 윗면에 부착되거나 하우징(40) 내면에 부착될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 가스 공급관(50)을 통해서 유입된 상기 가스는 유입된 후에도 소정의 활성 상태로 유지되는 것이 바람직하며, 이를 위해 구비된 것이 자체 히팅 수단(46)이다. 자체 히팅 수단(46)은 상판(48)에 균일하게 내재된 전열선이 바람직하나, 유입되는 가스와 접촉되는 상판(48)의 표면에 구비된 히팅판 또는 전열판일 수도 있다. 필요한 경우, 상판(48) 표면과 마주하는 하우징(40) 내면, 곧 챔버 내벽에 제2의 히팅 수단을 더 구비할 수 있다.

가스 공급관(50)을 통해서는 원자층으로 형성될 화학종의 전구체(precursor)가 유입된다. 예를 들면, 형성하고자 하는 박막이 SrO막인 경우, 가스 공급관(50)을 통해서 스트론튬(Sr)을 포함하는 전구체가 유입된다. 이렇게 가스 공급관(50)을 통해 유입된 화학종은 웨이퍼의 전영역에 고르게 화학 흡착되어 원자층을 형성하게 된다. 상기 유입된 화학종 중에서 상기 원자층의 형성에 사용되지 않은 여분은 상기 화학 증착된 원자층 상에 물리적으로 흡착된다. 상기 물리적으로 흡착된 화학종은 제거하는 것이 바람직한데, 이를 위해 질소(N₂)와 같은 불활성 가스(inert gas)를 웨이퍼 위로 플로우시킨다. 이때, 상기 불활성 가스는 가스 공급관(50)을 통해 유입된다. 이와 같이 원자층 형성을 위한 화학종 및 원자층 상에 물리적으로 흡착된 화학종을 제거하기 위한 불활성 가스, 곧 퍼징 가스는 가스 공급관(50)을 통해서 유입된다.

한편, 웨이퍼 상에 원자층, 예컨대 상기 스트론튬층이 형성된 후, 이를 산화시키기 위한 반응 가스, 곧 산소를 포함한 반응 가스가 웨이퍼 스테이지(42) 위로 공급된다. 상기 반응 가스는 상기 화학종이나 퍼징 가스와 다른 경로를 통해서 공급된다. 곧, 상기 반응 가스는 하우징(40)과 상판(48)을 관통해서 상판(48)의 저면에 분사노즐(52)을 갖는 가스 공급관(54)을 통해서 상판(48) 아래로 공급된다. 이와 같이, 원자층 형성용 화학종 및 퍼징 가스가 공급되는 경로와 상기 원자층 산화를 위한 반응가스가 공급되는 경로는 독립적으로 구비되어 있다. 분사 노즐(52) 둘레의 상판(48) 저면에 전극판(58)이 구비되어 있다. 전극판(58)은 유입되는 반응가스 중에서 활성화가 필요한 반응 가스를 플라즈마화하기 위한 플라즈마 전극판으로써, 이를 위해 하우징(40) 외부의 고주파(RF) 전원(56)과 연결되어 있다. 고주파 전원(56)을 사용해서 전극판(58)에 주기적으로 전원을 인가할 수 있다. 이에 따라, 가스 공급관(54)을 통해서 유입되는 활성화가 필요한 반응 가스가 상기 샤워 헤드에 유입되는 동안만 주기적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상판(48) 아래에 가스 공급관(54)을 통해 유입되는 반응 가스를 웨이퍼 전 영역에 고르게 분사시키기 위한 소정 두께의 샤워 헤드(60)가 구비되어 있다. 샤워 헤드(60)의 두께는 10mm이하인 것이 바람직하다. 또, 샤워 헤드(60)의 재질은 플라즈마에 대한 내성이 있는 물질로써, 예를 들면 팔라듐(Pd)이 바람직하다. 샤워 헤드(60)와 상판(48)은 소정 간격 이격되어 있으나, 양자의 테두리는 접촉되어 있다. 이에 따라, 상판(48)의 저면은 가스 공급관(50)을 통해서 유입되는 원자층 형성용 화학종과 접촉되는 것이 방지된다. 상판(48)과 샤워 헤드(60) 사이의 플라즈마 발생 영역의 압력은 6토르(torr) 정도 이하인 것이 바람직하고, 상기 플라즈마 발생 영역, 곧 상판(48)과 샤워 헤드(60) 사이의 거리는 수 센티미터(~cm)이하인 것이 바람직하다. 샤웨 헤드(60)에 복수의 홀(62)이 구비되어 있다. 복수의 홀(62)은 균일하게 형성되어 있다. 따라서, 가스 공급관(54)을 통해서 상판(48)과 샤워 헤드(60) 사이에 반응 가스가 유입되고, 전극판(58)에 고주파가 인가되면, 상판(48)과 샤워 헤드(60) 사이에 반응 가스 플라즈마가 형성되고, 이것은 샤워 헤드(60)의 홀(62)을 통해서 웨이퍼 위로 고르게 분사된다. 이렇게 해서, 웨이퍼 상에 형성된 원자층은 산화되게 된다. 예컨대, 웨이퍼 상에 형성된 원자층이 스트론튬층이라면, 상기 산화막은 스트론튬 산화막(SrO)이 된다.

샤워 헤드(60)에 복수의 홀(62)들이 가스들에 의해 막히는 것을 방지하고, 상판(48)과 샤워 헤드(60) 사이에 형성된 플라즈마의 온도가 웨이퍼 상에 형성된 원자층과 반응하는데 적합한 온도이하로 낮아지는 것을 방지하기 위한 히팅 수단(64)이 구비되어 있다. 히팅 수단(64)은 샤워 헤드(60)에 구비된 복수의홀(62)들 사이에 구비된 전열선, 혹은 외부에서 가열을 할 수 있는 방식이다.

<제2 실시예>

도 6을 참조하면, 반응 챔버(70)의 바닥에 웨이퍼 스테이지(72)가 구비되어 있고, 그 위로 제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76)와 투광성 상판(78)이 순차적으로 구비되어 있다. 웨이퍼 스테이지(72) 둘레에 반응후 가스 배출을 위한 배출구(73)가 구비되어 있다. 웨이퍼 스테이지(72)와 제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76)와 투광성 상판(78)은 서로 상하로 소정 간격 이격 되어 있으나, 그들의 테두리는 서로 연결되어 있다. 특히, 제2 샤워 헤드(76) 및 투광성 상판(78)의 테두리는 상호간의 간격을 조절할 수 있도록 벨로우즈(79)통해 접촉되어 있다. 제1 샤워 헤드(74)는 복수의 홀(80)이 형성되어 있고, 홀(80) 사이에 제1 샤워 헤드(74)를 히팅하기 위한 제1 히팅 수단(82)이 구비되어 있다. 제1 히팅 수단(82)은 전열선이다. 제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76)의 테두리 안쪽은 제2 샤워 헤드(76)와 투광성 상판(78) 사이에 발생되는 플라즈마를 웨이퍼 스테이지(72) 위로 안내하는 복수의 관(84)으로 연결되어 있다. 제2 샤워 헤드(76)의 복수의 관(84) 사이에 제2 히팅 수단(86)이 구비되어 있다. 제2 히팅 수단(86)은 전열선으로써 제2 샤워 헤드(76)를 히팅하는데, 이렇게 하는 것은 제1 히팅 수단(82)과 함께 복수의 관(84)을 통해 유입되는 가스가 웨이퍼 스테이지(72) 상에 로딩된 웨이퍼에 도달되었을 때, 상기 웨이퍼 상에 형성된 원자층과 반응하기에 적합한 반응 온도가 될 수 있도록 하기 위함이다. 복수의 관(84)은 제1 샤워 헤드(74)의 홀(80) 사이를 관통한다. 제1 히팅 수단(82)은 관(84)과 관(84)에 인접한 홀(80) 중 어느 하나의 홀 사이에 구비되어 있되, 양자와 직접적으로 접촉되지 않도록 구비되어 있다. 투광성 상판(78)에 투광성 상판(78)을 관통하도록 제1 가스 공급관(88)이 구비되어 있다. 제1 가스 공급관(88)을 통해서 웨이퍼 상에 형성된 원자층을 산화시키기 위한 반응 가스, 예컨대 산소(O²)와 오존(O³)이 소정의 비로 혼합된 혼합가스가 유입된다. 따라서 투광성 상판(78)과 제2 샤워 헤드(76) 사이로 상기 반응 가스를 유입시킬 수 있으면, 제1 가스 공급관(88)은 투광성 상판(78)의 어디에 구비되어도 무방하나, 상기 반응 가스가 제2 샤워 헤드(76)의 전면에 고르게 분포될 수 있도록 투광성 상판(78)의 가운데에 구비된 것이 바람직하다.

제1 가스 공급관(88)을 통해서 투광성 상판(78)과 제2 샤워 헤드(76) 사이로 유입된 상기 반응 가스는 외부에 구비된 광원(90)에 의해 활성화된다. 예를 들면, 상기 반응 가스가 상기한 혼합 가스인 경우에, 광원(90)은 산소를 오존으로 전환시키는 자외선을 방출하는 자외선 램프이다. 이때의 상기 자외선은 파장의 범위가 100nm∼400nm정도인 것이 바람직하다. 광원(90)은 제1 가스 공급관(88) 둘레의 투광성 상판(78) 위에 구비된 것이 바람직하나, 투광성 상판(78) 전면에 고른 세기의 광을 조사할 수 있다면, 어느 위치에 있어도 무방하다. 투광성 상판(78) 위에 광원(90)이 구비됨으로써, 투광성 상판(78) 아래에 구비된 제2 샤워 헤드(76)가 히팅되는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.

제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76) 사이에 제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76)의 테두리를 연결하는 벽(92)을 관통하는 적어도 하나 이상의 제2 가스 공급관(94)이 구비되어 있다. 제2 가스 공급관(94)이 복수개 구비된 경우에는 벽(92)을 따라 대칭적으로 구비된 것이 바람직하다. 제2 가스 공급관(94) 및 제1 샤워 헤드(74)에 구비된 복수의 홀(80)을 통해서 웨이퍼 상에 원자층을 형성하는 화학종 및 퍼징 가스가 유입된다. 그러나, 상기 화학종 및 퍼징 가스는 동시에 공급되지 않고 서로 다른 시간으로 분할되어 공급된다. 제2 가스 공급관(94)은 상기 화학종 및 상기 퍼징 가스가 상기 제1 샤워 헤드(74) 위로 고르게 분사될 수 있도록 구비된 것이 바람직하다. 이를 위해 도면에 도시하지는 않았지만, 제2 가스 공급관(94)의 벽(92) 안쪽 부분의 표면에는 복수의 홀이 균일하게 형성되어 있을 수 있다.

상기 원자층은 상기 원자층이 형성된 후 제2 가스 공급관(94)을 통해 유입되는 퍼징 가스에 의해 상기 원자층 상에 물리적으로 흡착된 화학종이 제거된 다음, 제1 가스 공급관(88)을 통해서 유입되는 반응 가스에 의해 산화된다.

이와 같이, 원자층을 형성하는 화학종 및 물리적으로 흡착된 화학종을 제거하기 위한 퍼징 가스가 유입되는 제2 가스 공급관(94)과 상기 화학종을 산화시키기 위한 반응 가스가 유입되는 제1 가스 공급관(88)이 분리되어 설치되어 있다. 그리고 제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76)의 테두리 안쪽은 복수의 관(84)으로 연결되어 있기 때문에, 제2 샤워 헤드(76)의 위쪽 공간과 아래쪽 공간은 제2 샤워 헤드(76)에 의해 완전히 차단된 상태가 된다. 따라서, 제2 가스 공급관(94)을 통해서 유입되는 화학종과 투광성 상판(78)의 접촉은 원천적으로 차단된다.

한편, 제2 가스 공급관(94)을 통해서 유입되는 화학종은 제1 샤워 헤드(74)의 상부와 제2 샤워 헤드(76)의 저면과 접촉되기 때문에, 제1 샤워 헤드(74)의 상부와 제2 샤워 헤드(76)의 저면에 박막이 형성되는 것을 완전히 차단할 수는 없다. 이에 따라, 제1 샤워 헤드(74)의 상부와 제2 샤워 헤드(76)의 저면에 박막이 형성될 수 있으나, 균일한 두께로 형성될 것이고 종래와 같이 상기 박막을 스퍼터링하는 요인이 없으므로, 웨이퍼 상에 형성되는 박막에 파티클이 포함되는 결과는 나타나지 않을 것이다. 더욱이 제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76) 각각에 구비된 제1 및 제2 히팅 수단(82, 86)을 활용하여 제1 및 제2 샤워 헤드(74, 76)를 제1 샤워 헤드(74)의 상부와 제2 샤워 헤드(76)의 저면에 박막이 형성될 가능성이 가장 낮은 온도로 유지함으로써, 제1 샤워 헤드(74)의 상부와 제2 샤워 헤드(76)의 저면에 박막이 형성되는 문제는 해소될 수 있을 것이다.

<제3 실시예>

웨이퍼 스테이지와 그 둘레에 구비된 배출구와 상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비되어 있되, 일측으로 박막 형성에 이용되는 가스가 유입될 수 있도록 구비된 투광성 상판과, 상기 투광성 상판 위에 구비된 상기 가스가 유입되는 유입구 및 상기 가스 유입구를 통해 유입되는 상기 가스를 활성화시키기 위한 광원을 구비하는 원자층 형성용 반응 챔버에 관한 것으로써, 상기 투광성 상판 위쪽으로부터 상기 가스가 유입되는 동안에 상기 가스가 상기 투광성 상판에 부착되는 것을 방지하기 위해, 상기 투광성 상판에 자체 히팅 수단이 구비되어 있다. 이때, 상기 자체 히팅 수단은 상기 투광성 상판의 온도를 조절할 수 있는, 상기 투광성 상판에 내재된 전열선이다.

상기한 설명에 많은 사항들이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 제1 및 제2 가스 공급관(88, 94)이 구비된 위치를 다르게 할 수도 있을 것이고, 투광성 상판(78) 위에 구비된 광원(90)을 투광성 상판(78)과 제2 샤워 헤드(76) 사이에 구비하고 투광성 상판(78)은 차광성 상판으로 대체할 수도 있을 것이다. 이 경우에 박판 형태의 광원을 투광성 상판(78)의 저면 또는 제2 샤워 헤드(76) 상에 구비할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 형성을 위한 전력이 공급되는 전극에 증착된 박막이 원인이 되어 원자층 적층 방식의 박막 형성 과정 중에 파티클이 웨이퍼 상으로 떨어지는 것을 방지하기 위한 방안으로써, 원자층으로 형성되는 박막 성분이 공급되는 가스 공급관과 상기 원자층을 산화시키기 위한 반응 가스 성분이 공급되는 가스 공급관이 분리된, 상기 반응 가스가 웨이퍼 상에 고르게 공급하기 위한 샤워 헤드가 상기 원자층으로 형성되는 박막 성분이 공급되는 영역과 상기 반응 가스가 공급되는 플라즈마 형성 영역 사이에 구비된 원자층 형성용 반응 챔버를 제공한다. 따라서, 본 발명의 원자층 형성용 반응챔버를 이용하면, 반응성이 낮은 다양한 화학종을 사용하면서도 반응 챔버내에 공급된 가스의 체류 시간을 줄일 수 있고, 균일한 두께로 박막을 형성할 수 있다. 또한, 상기 원자층으로 형성되는 박막 성분이 플라즈마 형성 영역 또는 반응 가스가 반응성이 우수한 리디칼로 되는영역에 유입되는 것이 차단되므로, 상기 플라즈마 형성 영역에 구비된 전극 또는 기타 부재에 상기 박막 성분에 기인한 박막이 형성되지 않는다. 따라서, 원자층 적층 방식의 박막 형성 과정 중에 플라즈마 형성 영역으로부터 원하지 않는 파티클이 발생되는 것을 원천적으로 방지하여 웨이퍼 상에 형성되는 박막에 상기 파티클이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

Claims (20)

1. 웨이퍼 스테이지;

   상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비되어 있고 자체 히팅 수단을 구비하는 상판;

   상기 상판 저면에 가스 분출구가 위치한 제1 가스 공급관;

   상기 웨이퍼 스테이지와 상기 상판 사이에 구비되어 있되, 테두리가 상기 상판 테두리와 접촉되어 있고, 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입되는 가스가 상기 웨이퍼 스테이지 위에 고르게 분사될 수 있는 형태로 구비된 샤워 헤드;

   상기 상판 저면에 구비된 플라즈마 형성용 전극판;

   상기 요소들을 포함하고 웨이퍼 스테이지 둘레에 배출구를 구비하는 하우징;

   상기 하우징과 상기 상판 사이의 공간을 분할하도록 구비된 격벽; 및

   상기 격벽에 의해 분할된 상기 상판과 상기 하우징 사이의 공간의 어느 한 쪽에 연결된 제2 가스 공급관을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 상판의 자체 히팅 수단은 상기 상판에 균일하게 내재된 전열선인 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 상판의 자체 히팅 수단은 상판 표면에 구비된 전열판 또는 히팅판인 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 샤워 헤드에 자체 히팅 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 자체 히팅 수단은 상기 샤워 헤드에 균일하게 내재된 전열선인 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 전극판에 상기 제1 가스 공급관을 통해서 유입되는 활성화가 필요한 반응 가스가 상기 샤워 헤드에 유입되는 동안만 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파(RF)전원이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응 챔버.
7. 웨이퍼 스테이지와 그 둘레에 구비된 배출구;

   상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비된 투광성 상판;

   상기 투광성 상판의 저면에 가스 분출구를 갖는 제1 가스 공급관;

   상기 웨이퍼 스테이지와 상기 투광성 상판 사이에 구비되어 있되, 테두리가 상기 투광성 상판의 테두리와 접촉되어 있고, 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입되는 가스가 상기 웨이퍼 스테이지 위로 바로 공급되도록 구비된 샤워 헤드; 및

   상기 투광성 상판을 통해 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입되는 가스를 활성화시키기 위한 에너지를 공급하도록 구비된 광원;을 구비하되,

   상기 샤워 헤드에 상기 제1 가스 공급관을 통해 유입된 가스가 공급되는 경로와 다른 경로로 상기 웨이퍼 스테이지 위에 가스를 공급하는 제2 가스 공급관이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 투광성 상판과 상기 샤워 헤드 테두리는 양자의 간격을 조절할 수 있게 벨로우즈를 통해 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 샤워 헤드는 제1 및 제2 샤워 헤드로 구성된 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 샤워 헤드는 상기 제1 가스 공급관으로 유입되는 가스가 상기 웨이퍼 스테이지 위로 공급되는 복수의 관들로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 웨이퍼 스테이지 바로 위에 구비된 상기 제1 샤워 헤드에 상기 제2 가스 공급관으로 유입되는 가스를 상기 웨이퍼 스테이지 위로 균일하게 분사하기 위한 복수의 홀이 상기 복수의 관 사이에 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
12. 제 7 항에 있어서, 상기 샤워 헤드에 자체 히팅 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 자체 히팅 수단은 상기 가스 공급 경로 사이에 내재된 전열선인 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 제1 샤워 헤드에 자체 히팅 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 샤워 헤드에 구비된 상기 자체 히팅 수단은 상기 복수의 홀과 상기 복수의 관 사이에 구비된 전열선인 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 제2 샤워 헤드에 자체 히팅 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 제2 샤워 헤드에 구비된 상기 자체 히팅 수단은 상기 복수의 관 사이에 구비된 전열선인 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 제2 샤워 헤드에 자체 히팅 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응챔버.
19. 웨이퍼 스테이지와 그 둘레에 구비된 배출구; 상기 웨이퍼 스테이지 위에 구비되어 있되, 일측으로 박막 형성에 이용되는 가스가 유입될 수 있도록 구비된 투광성 상판; 상기 투광성 상판 위에 구비된 상기 가스가 유입되는 유입구; 및 상기 가스 유입구를 통해 유입되는 상기 가스를 활성화시키기 위한 광원을 구비하는 원자층 형성용 반응 챔버에 있어서,

    상기 투광성 상판 위쪽으로부터 상기 가스가 유입되는 동안에 상기 가스가 상기 투광성 상판에 부착되는 것을 방지하기 위해, 상기 투광성 상판에 자체 히팅 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응 챔버.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 자체 히팅 수단은 상기 투광성 기판에 내재된 전열선인 것을 특징으로 하는 원자층 형성용 반응 챔버.