KR100422398B1 - 박막 증착 장비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자층 증착 장비에 관한 것으로, 웨이퍼 지지대 또는 가스 공급관의 회전에 의해 웨이퍼 표면에 균일한 가스의 흡착이 이루어지도록 하고, 반응 가스 공급관의 종단부에 형성된 다수의 분사구 및 상판에 형성된 다수의 분사구를 통해 반응 가스가 공급되도록 하므로써 반응 가스의 공급이 균일하게 이루어져 균일한 박막의 증착 및 증착 속도의 향상을 이룰 수 있도록 한다.

Description

박막 증착 장비 {Apparatus for depositing a thin film}
본 발명은 반도체 소자의 제조에 적용되는 박막 증착 장비에 관한 것으로, 특히, 산화막, 확산 방지막(Diffusion barrier material), 전자 발광층 등으로 사용되는 원자층(Atomic layer)을 증착하기 위한 증착 장비에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조 공정에서 게이트 산화막으로 사용되는 ZrO2, HfOx, Al2O3, Ta2O5, TiOx, 캐패시터의 산화막으로 사용되는 Ta2O5, BST, STO, PZT, Al2O3, 확산 방지막으로 사용되는 Ti/TiN, Ta/TaN, TiSiN, TaSiN, 전자 발광층으로 사용되는 ZnS, ZeCdTe, In(Ga)As(P), Al(Ga)N(Ⅱ-Ⅵ족 반도체 및 Ⅲ-Ⅴ족 반도체) 등은 원자층 증착 장비에서 형성된다.
원자층 증착 정비는 도 1에 도시된 바와 같이 일측면에 제 1 및 제 2 관로(7 및 8)가 형성되고, 다른 일측면에 상기 제 1 및 제 2 관로(7 및 8)와 연결된 가스 배기구(6)가 형성되며, 내부에는 웨이퍼(10)가 위치되는 챔버(5)와, 상기 챔버(5)의 제 1 관로(7)와 연결된 소오스 가스 주입구 및 정화 가스 주입구(1 및 2)와, 상기 챔버(5)의 제 2 관로(8)와 연결된 반응 가스 주입구 및 정화 가스 주입구(3 및 4)로 이루어진다.
예를들어, 티타늄 질화막(TiN)을 증착하기 위해서는 먼저, 웨이퍼(10)를 챔버(5) 내에 장착시키고 소오스 가스 주입구(1)를 통해 챔버(5) 내부로 소오스 가스(TiCl4)를 공급한다. 공급된 소오스 가스(12)는 웨이퍼(10)의 표면에 도 3a에 도시된 바와 같이 하나의 층으로 흡착된다.
이후, 정화 가스 주입구(2)를 통해 챔버(5) 내부로 정화 가스를 공급하여 도 3b에 도시된 바와 같이 웨이퍼(10)에 화학적으로 흡착되지 않고 잔류하는 여분의 소오스 가스를 가스 배출구(6)를 통해 챔버(5) 외부로 배출시킨다.
정화 공정이 완료되면 반응 가스 주입구(3)를 통해 챔버(5) 내부로 반응 가스(NH3; 13)를 공급하여 하기의 화학식 1과 같은 반응에 의해 웨이퍼(10)상에 도 3c에 도시된 바와 같이 TiN막(12a)이 증착되도록 한다.
TiCl4+ NH3→TiN + HCl↑
상기와 같이 TiN막(12a)이 증착되면 정화 가스 주입구(4)를 통해 챔버(5) 내부로 정화 가스를 공급하여 도 3d에 도시된 바와 같이 서로 반응된 HCl 및 미반응된 반응가스(13)를 가스 배출구(6)를 통해 챔버(5) 외부로 배출시킨다.
상기와 같이 소오스 가스 및 반응 가스의 표면 반응에 의해 원자층이 증착되도록 하는 과정은 도 2에 도시된 바와 같이 한 주기가 소오스 가스 공급, 정화, 반응가스 공급 및 정화로 이루어지며, 소오스 가스 및 반응 가스는 각각의 가스 주입구를 통해 공급된다. 그러므로 두께 및 평탄도가 균일한 박막을 얻을 수 있으며, 소오스 가스 및 반응 가스의 반응에 따른 파티클(Particle)의 생성이 억제되어 화학기상증착(CVD)법으로 형성된 박막보다 막질이 양호하다.
그러나 종래의 증착 장비에는 하나의 웨이퍼만 장착되기 때문에 시간당 3 내지 4개의 웨이퍼 처리가 가능한데, 따라서 양산을 위해서는 장비 및 유지 비용이 많이 소요되었다.
즉, TiN막의 증착률은 0.2 내지 0.5Å/주기(Cycle) 정도가 된다. 그러므로 TaON(Ta2O5) MIS(Metal Insulator Semiconductor) 캐패시터에 필요한 300Å의 TiN막을 증착하는 경우 하나의 챔버(Module)에서 시간당 약 3 내지 4개의 웨이퍼가 처리될 수 있다. 따라서 30,000장의 웨이퍼를 처리하기 위해서는 2개의 챔버를 가진 6대 이상의 장비가 사용된다.
또한, 반응 가스(TiN막의 경우 NH3)가 충분하게 공급되지 않을 경우 도 4a와 같이 가스 주입구와 인접한 부분의 웨이퍼에서는 화학적으로 흡착된 소오스 가스(TiClx(x〈4))와의 반응에 의해 정상적인 TiN막이 증착되지만, 가스 배출구와인접한 부분의 웨이퍼에는 Cl(염소)의 함유량이 높은 TiN막이 증착되기 때문에 면저항이 불균일해진다.
반면, 반응 가스가 충분히 공급되는 경우에도 NH3및 케리어의 량이 급격하게 공급되기 때문에 도 4b와 같이 가스 주입구 분근에 화학적으로 흡착된 소오스 가스(TiClx(x〈4))가 손실되어 TiN막의 증착이 불균일해지며, 이에 따라 막 두께 및 면저항이 불균일해진다. 도 4a 및 도 4b에서 부호 "A"는 면저항이 높은 부분을 지시한다.
따라서 본 발명은 웨이퍼 지지대 또는 가스 공급관의 회전에 의해 웨이퍼 표면에 균일한 가스의 흡착이 이루어지도록 하고, 반응 가스 공급관의 종단부에 형성된 다수의 분사구 및 상판에 형성된 다수의 분사구를 통해 반응 가스가 공급되도록 하므로써 상기한 담점을 해소할 수 있는 증착 장비를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 분사구가 형성된 상판과 중앙부에 가스 배출구가 형성된 하판이 측벽에 의해 연결되어 내부에 공간부가 형성된 챔버와, 챔버 내부에 위치되며 상부에 다수(2장 이상)의 웨이퍼가 장착될 수 있도록 구성된 웨이퍼 지지대와, 종단부에 형성된 다수의 분사구가 상판의 중앙부를 관통하여 지지대의 상부 중앙에 위치하도록 설치된 반응 가스 공급관과, 반응 가스 공급관의 내부에 설치되며 종단부에 형성된 다수의 분사구가 지지대의 상부 중앙에위치하도록 설치된 소오스 가스 공급관과, 상판에 형성된 각 분사구를 반응 가스 공급관에 연결시키기 위한 다수의 관로와, 챔버 내부의 측벽에 설치되며 가스의 균일한 배출을 위해 다수의 홀이 균등한 간격으로 형성된 펌핑포트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상판 및 하판은 원판 형태로 이루어지고, 상기 웨이퍼 지지대 및 가스 공급관은 10 내지 100 RPM의 속도로 회전 가능하도록 구성되며, 상기 소오스 가스 공급관 및 반응 가스 공급관에 형성된 다수의 분사구는 원주를 따라 방사 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 증착 장비를 설명하기 위한 구성도.
도 2는 종래의 증착 과정을 설명하기 위한 타이밍도.
도 3a 내지 도 3d는 종래의 증착 과정을 설명하기 위한 단면도.
도 4a 및 도 4b는 증착된 박막의 면저항 분포를 도시한 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 증착 장비의 구성도.
도 6은 도 5에 도시된 증착 장비의 챔버 내부를 도시한 평면도.
도 7은 소오스 가스, 반응 가스 및 정화 가스의 공급을 제어하기 위한 제어부의 상세도.
도 8은 가스의 공급량에 따른 증착률의 변화와 증착된 박막의 면저항 분포를 도시한 그래프도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 및 3: 가스 주입구 2 및 4: 가스 주입구
5 및 20: 챔버 6: 가스 배출구
7 및 8: 제 1 및 제 2 관로 10: 웨이퍼
12: 소오스 가스 12a: TiN막
21: 상판 21a, 24a 및 26a: 분사구
22: 측벽 22a: 가스 배출구
23: 측벽 24: 소오스 가스 공급관
25: 관로 26: 반응 가스 공급관
27: 웨이퍼 지지대 28: 웨이퍼
29: 펌핑포트 29a: 홀
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 증착 장비를 설명하기 위한 구성도이다.
원판 형태로 이루어지며 다수의 분사구(21a)가 형성된 상판(21)과, 원판 형태로 이루어지며 중앙부에 가스 배출구(22a)가 형성된 하판(22)이 원통 형태의 측벽(23)에 의해 연결되어 내부에 공간을 갖는 챔버(20)를 이룬다.
상기 챔버(20) 내부에는 다수의 웨이퍼(28)가 장착되며, 회전이 가능하도록 구성된 지지대(27)가 설치된다.
상기 지지대(27)의 상부 중앙에는 외부로부터 상기 상판(21)의 중앙부를 관통하여 설치된 반응 가스 공급관(26)의 분사구(26a) 및 상기 반응 가스 공급관(26)의 내부에 형성된 소오스 가스 공급관(24)의 분사구(24a)가 각각 위치되는데, 상기분사구(26a 및 24a)는 상기 반응 가스 공급관(26) 및 소오스 가스 공급관(24)의 종단부에 원주를 따라 방사 형태로 형성된다. 상기 소오스 가스 공급관(24) 및 반응 가스 공급관(26)은 회전 가능하도록 구성된다.
또한, 상기 상판(21)에 형성된 각 분사구(21a)는 다수의 관로(25)를 통해 상기 반응 가스 공급관(26)에 연결되며, 상기 챔버(20) 내부의 측벽(23)에는 상기 지지대(27)와 상판(21) 사이의 공간으로 공급된 가스의 균일한 배출을 위해 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 홀(29a)이 균등한 간격으로 형성된 펌핑포트(29)가 설치된다.
그러면 상기와 같이 구성된 증착 장비를 이용하여 웨이퍼 상에 원자층을 증착하는 과정을 예를들어 상세히 설명하기로 한다.
예를들어, 티타늄 질화막(TiN)을 증착하기 위해서는 먼저, 다수의 웨이퍼(28)를 챔버(20) 내에 설치된 지지대(27)에 각각 위치시킨 후 상기 지지대(27)를 10 내지 100RPM의 속도로 회전시킨다.
상기 소오스 가스 공급관(24)을 통해 챔버(20) 내부로 소오스 가스(TiCl4)를 공급하면 공급된 소오스 가스는 상기 소오스 가스 공급관(24)의 종단부에 형성된 다수의 분사구(24a)를 통해 챔버(20) 내부로 균일하게 분사되고, 이에 따라 웨이퍼(28)의 표면에는 소오스 가스가 균일한 층을 이루도록 흡착된다.
이후, 상기 소오스 가스 공급관(24)을 통해 챔버(20) 내부로 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 등의 정화 가스를 공급하여 웨이퍼(28)에 흡착되지 않고 잔류하는여분의 소오스 가스를 상기 펌핑포트(29)의 홀(29a) 및 가스 배출구(22a)를 통해 챔버(20) 외부로 배출시키는데, 이때, 여분의 소오스 가스 및 정화 가스는 상기 펌핑포트(29)에 형성된 다수의 홀(29a)에 의해 상기 지지대(27) 하부의 공간으로 균일하게 이동되며 가스 배출구(22a)를 통해 외부로 배출된다.
정화 공정이 완료되면 반응 가스 주입구(26)를 통해 챔버(20) 내부로 반응 가스(NH3; 13)를 공급하여 상기 화학식 1과 같은 반응에 의해 웨이퍼(28)상에 TiN막이 증착되도록 하는데, 공급된 반응 가스는 상기 반응 가스 공급관(26)의 종단부에 형성된 다수의 분사구(26a) 및 상기 상판(21)에 형성된 다수의 분사구(21a)를 통해 챔버(20) 내부로 각각 분사되기 때문에 웨이퍼(28)의 전면에서 균일한 반응에 의해 균일한 TiN막이 증착된다.
상기와 같이 TiN막이 증착되면 상기 반응 가스 공급관(26)을 통해 챔버(20) 내부로 정화 가스를 공급하여 서로 반응된 HCl 및 미반응된 반응가스를 상기 펌핑포트(29)의 홀(29a) 및 가스 배출구(22a)를 통해 챔버(20) 외부로 배출시킨다.
상기 소오스 가스, 반응 가스 및 정화 가스의 유량은 도 7에 도시된 제어부에 의해 제어되는데, 상기 소오스 가스 공급관(24) 및 반응 가스 공급관(26)으로 공급되는 각 가스는 각각의 관로에 연결된 유량 제어기(Mass Flow Controller; MFC) 및 밸브에 의해 제어된다.
참고로, TiN, TiOx, TiSiN, Ti, 박막을 증착하기 위해서 소오스 가스로는 TiCl4, TDMAT, TEMAT를, 반응 가스로는 NH3, N2를 사용할 수 있으며, W, WN 박막을증착하기 위해 WF6를 사용하고, Ta, Ta2O5(TaON), BST, STO, PZT, TaSiN 박막을 증착하는 경우 Ta 소오스로 Ta(OCH3)4, TiCl5를 사용할 수 있다.
본 발명은 웨이퍼 지지대 또는 가스 공급관의 회전에 의해 웨이퍼 표면에 균일한 가스의 흡착이 이루어지도록 하고, 반응 가스의 공급이 균일하게 이루어지며 공급량이 증가되도록 하기 위해 반응 가스 공급관의 종단부에 형성된 다수의 분사구 및 상판에 형성된 다수의 분사구를 통해 반응 가스가 공급되도록 하므로써 균일한 박막의 증착 및 증착 속도의 향상을 이룰 수 있다. 도 8은 가스의 공급량에 따른 증착률의 변화와 증착된 박막의 면저항 분포를 도시한다.
본 발명의 증착 장비는 게이트 산화막으로 사용되는 ZrO2, HfOx, Al2O3, Ta2O5, TiOx, 게이트 전극 또는 캐패시터의 전극으로 사용되는 TiN, WN, W, 캐패시터의 산화막으로 사용되는 Ta2O5, BST, STO, PZT, Al2O3, 확산 방지막으로 사용되는 Ti/TiN, Ta/TaN, TiSiN, TaSiN, 전자 발광층으로 사용되는 ZnS, ZeCdTe, In(Ga)As(P), Al(Ga)N(Ⅱ-Ⅵ족 반도체 및 Ⅲ-Ⅴ족 반도체)등을 증착할 수 있으며, 반응을 위한 활성화 에너지 원으로 열(히터나 램프) , 플라즈마, 레이져 등을 사용하는 장비에 적용할 수 있다.
본 발명은 예를들어, 4개의 웨이퍼를 하나의 챔버에서 처리할 수 있도록 한다. 따라서 TiN막의 경우 하나의 챔버에서 시간당 약 12 내지 15장의 웨이퍼 처리가 가능해져 30,000장의 웨이퍼를 처리하는 데 2대의 장비가 사용되며, 이에 따라장비 유지 관리에 소요되는 비용이 절감된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 첫째, 소오스 가스 공급관의 종단부에 형성된 다수의 분사구를 통해 소오스 가스가 챔버 내부로 균일하게 공급되도록 하며, 반응 가스 공급관의 종단부에 형성된 다수의 분사구 및 상판에 형성된 다수의 분사구를 통해반응 가스가 챔버 내부로 균일하게 공급되도록 하므로써 웨이퍼의 전면에 균일한 박막이 증착되고, 이에 따라 면저항이 균일해진다.
둘째, 하나의 챔버 내에 다수의 웨이퍼가 장착되도록 하여 한 번의 공정을 통해 다수의 웨이퍼 상에 박막이 증착되도록 하므로써 수율이 향상된다.
셋째, 소오스 가스 및 반응 가스가 각각의 관로를 통해 공급되도록 하므로써 소오스 가스와 반응 가스의 반응에 의한 파티클의 생성이 방지된다.
넷째, 챔버 내의 흡착되지 않거나 미반응된 가스가 펌핑포트에 균등하게 형성된 홀을 통해 균일하게 배출되도록 하므로써 막의 균일도가 향상된다.

Claims (7)

  1. 중앙부와 상기 중앙부의 둘레에 원주를 따라 다수의 관통홀이 형성된 상판과, 중앙부에 가스 배출구가 형성된 하판이 측벽에 의해 연결되어 내부에 공간부가 형성된 챔버;
    상기 챔버 내부에 위치되고, 상부에 다수의 웨이퍼가 장착되는 웨이퍼 지지대;
    반응 가스를 공급하기 위하여 상기 관통홀에 삽입되고, 상기 상판의 중앙부에서 다수의 분사구가 원주를 따라 방사형태로 종단부에 형성되며, 상기 상판의 중앙부의 둘레에서 다수의 분사구가 관로를 통해 연결되고, 회전이 가능한 반응 가스 공급관;
    소오스 가스를 공급하기 위하여 상기 상판의 중앙부의 반응 가스 공급관 내에 설치되고, 다수의 분사구가 원주를 따라 방사형태로 종단부에 형성되며, 상기 반응 가스 공급관과 동일한 방향으로 회전이 가능한 소오스 가스 공급관; 및
    상기 챔버 내부의 측벽에 설치되고, 가스의 균일한 배출을 위해 다수의 홀이 균등한 간격으로 형성된 펌핑포트를 포함하는 증착 장비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상판 및 하판이 원판 형태로 이루어진 증착 장비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지대가 10RPM 내지 100RPM의 속도로 회전 가능하도록 구성된 증착 장비.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스 공급관 및 상기 소오스 가스 공급관이 10RPM 내지 100RPM의 속도로 회전되는 증착 장비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소오스 가스가 TiCl4, TDMAT 및 TEMAT 중 어느 하나인 증착 장비.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스가 NH3및 N2중 어느 하나인 증착 장비.
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