KR100452525B1

KR100452525B1 - Ａｌｄ 공정에 적합한 가스 인젝터

Info

Publication number: KR100452525B1
Application number: KR10-2001-0085118A
Authority: KR
Inventors: 황철주; 박종만
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2004-10-12
Also published as: US20030116652A1; US6769629B2; KR20030054723A

Abstract

본 발명에 따른 가스 인젝터는; 반응챔버의 상부에 수직한 원기둥 형태로 설치되며, 그 밑면을 관통하는 복수개의 가스 분사관(122a)이 마련되어 있으며, 상기 원기둥의 밑면과 윗면의 각 중심을 관통하도록 중심관(122b)이 형성되어 있는 몸체(122); 회전축(180a)이 중심관(122b)에 삽입되는 모터(180); 및 원판형을 하며, 회전축(180a)의 끝에 연결되어 회전축(180a)의 회전에 의하여 몸체(122)의 아랫면과 마그네틱 실링되어 밀착된 상태로 회전하되, 소정부분이 절개된 쵸퍼(124); 를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 쵸퍼(124)를 이용하여 여러 가스를 주기적으로 번갈아 가면서 공급가능하기 때문에 ALD 밸브(30a, 40a) 및 ALD PLC(50)를 사용할 필요가 없게 된다. 따라서, ALD 밸브(30a, 40a)의 교체 등에 따른 잦은 장비수리가 필요 없으며, 고가의 ALD PLC(50)를 사용하지 않아도 된다. 특히, 가스 분사관(122a)의 크기를 조절하거나 가스 분사관(122a)에 공급되는 가스의 배열을 조절함으로써 매우 간단하게 가스의 공급비를 조절할 수 있게 된다.

Description

ＡＬＤ 공정에 적합한 가스 인젝터{Gas injector suitable for ALD process}

본 발명은 가스 인젝터에 관한 것으로서, 특히 ALD 공정(Atomic Layer Deposition process)에 적합한 가스 인젝터(gas injector)에 관한 것이다.

최근, 반도체소자의 고집적화로 말미암아 반도체 소자의 크기(size)가 줄어들게 되었으며 이에 따라 반도체소자의 수직구조상의 크기(vertical dimension)도 줄어들게 되었다. 대표적인 것으로, DRAM의 게이트 절연막과 캐퍼시터 유전막 등을 들 수 있다. 또한, 디자인 룰(Design Rule)이 0.13㎛급 이하인 반도체소자에서는, 그들의 새로운 전기적 특성에 대한 요구조건이 만족되도록, 종래에 사용되어온 재료 대신에 새로운 재료를 사용하려는 시도가 많이 진행되고 있다. 예를 들면, DRAM의 캐퍼시터 유전막으로서 ONO 유전막 대신에 BST나 PZT 등과 같은 다성분계 고유전막이 많이 연구되고 있다.

그러나, 이들 새로운 박막을 100Å 내외의 아주 얇은 두께로 성공적으로 형성시키려면 종래의 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)방법과는 다른 새로운 박막형성기술이 필요하다. 이를 위해 최근 반도체 소자의 박막 형성에 널리 사용되는 대표적인 기술이 ALD 기술이다.

ALD 기술은, 박막을 이루는 성분 원소의 원료들을 기판에 동시 공급하여 박막을 증착하는 통상의 화학증착법과는 달리, 원료들을 기판에 교대로 반복 공급하여 원자층 단위로 박막을 증착하는 기술이다. ALD 방법에 의하면, 기판 표면의 화학반응에 의해서만 박막을 형성할 수 있기 때문에, 기판 표면의 요철에 관계없이 균일한 두께의 박막을 성장시킬 수 있고 막의 증착두께가 증착시간에 비례하는 것이 아니라 원료 공급 주기의 수에 비례하기 때문에 형성하는 막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다.

도 1은 종래의 ALD 장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 반응챔버(10) 상부에 설치는 가스 인젝터(20)는 복수개의 가스 공급관(30)을 통하여 가스 캐비넷(70)으로부터 여러 종류의 가스를 공급받는다. 가스 캐비넷(70)에는 복수개의 가스 붐베(미도시)가 설치되며 가스 공급관(30)은 가스 봄베에 각각 독립적으로 연결된다.

가스 공급관(30)에는 일반적인 밸브로 이루어진 공급밸브(30b)가 봄베 쪽에 설치되며, ALD 공정에 적합하도록 설계된 고속개폐 가능한 ALD 밸브(30a)가 가스 인젝터(20) 쪽에 설치된다. 공급밸브(30b)와 ALD 밸브(30a) 사이의 가스 공급관(70)에는 바이패스관(40)이 마련되며, 바이패스관(40)에도 ALD 밸브(40a)가 설치된다. ALD 밸브(30a, 40a)는 ALD PLC(50)에 의해 제어되며, 공급밸브(30b)는 일반 PLC(60)에 의해 제어된다.

ALD의 경우에 한 사이클 당 증착되는 박막의 두께는 0.1Å ~ 1Å 정도 되어야 하므로, 500Å 두께의 박막을 형성하려면 기체 공급 사이클이 500 ~ 5000회 정도는 되어야 한다. 따라서, 100 장의 웨이퍼에 ALD 공정으로 500Å 정도의 박막을 증착시키려면 가스 공급 사이클이 5 ~ 50 만회 정도는 되어야 한다. 이는 가스 공급관에 설치된 ALD 밸브(30a)가 5 ~ 50 만회 정도 온/오프되어야 한다는 것을 의미하는데, 통상의 ALD 밸브는 이 정도의 수치에서 수명이 다한다. 따라서, 웨이퍼를 100장 정도만 사용하여도 ALD 밸브의 교체 등 장비의 수리가 필요하다. 잦은 장비 수리는 생산수율 뿐만 아니라 생산된 반도체소자의 신뢰성에도 나쁜 영향을 주기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 고가의 ALD PLC(50)를 사용해야 하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, ALD 밸브를 사용하지 않고도 ALD 공정에 적합하도록 함으로써 상술한 종래의 문제를 해결할 수 있는 가스 인젝터를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 ALD 장치를 설명하기 위한 개략도;

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 가스 인젝터를 설명하기 위한 도면들이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

10, 110: 반응챔버 20: 가스 인젝터;

30, 130: 가스 공급관 30b, 130a, 130b: 공급밸브

30a, 40a: ALD 밸브 40, 140: 바이패스관

70, 170: 가스 캐비넷 122: 인젝터 몸체

122a: 가스 분사관 124: 쵸퍼

140a: 체크밸브 180: 모터

190: 마그네틱 실링

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스 인젝터는; 반응챔버의 상부에 수직한 원기둥 형태로 설치되며, 그 밑면을 관통하는 복수개의 가스 분사관이 마련되어 있으며, 상기 원기둥의 밑면과 윗면의 각 중심을 관통하도록 중심관이 형성되어 있는 몸체; 회전축이 상기 중심관에 삽입되는 모터; 및 원판형을 하며, 상기 회전축의 끝에 연결되어 상기 회전축의 회전에 의하여 상기 몸체의 아랫면과 마그네틱 실링되어 밀착된 상태로 회전하되, 소정부분이 절개된 쵸퍼; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 가스 인젝터를 설명하기 위한 도면들이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 반응챔버(10) 상부에 설치는 가스 인젝터(20)는 크게 몸체(122), 모터(180), 및 쵸퍼(124) 세부분으로 구분된다.

몸체(122)는 반응챔버(110)의 상부에 수직한 원기둥 형태로 설치된다. 몸체(122)에는 밑면과 윗면의 각 중심을 관통하는 중심관(122b)이 형성되어 있으며, 중심관(122b) 둘레에는 밑면을 관통하는 복수개의 가스 분사관(122a)이 마련된다.

가스 분사관(122a)은 가스 캐비넷(170)과 연결되어 있는 복수개의 가스 공급관(130)에 연결된다. 가스 공급관(130)에는 가스 캐비넷(170) 쪽과 인젝터 몸체(122) 쪽에 모두 일반밸브로 이루어진 공급밸브(130a, 130b)가 설치되며, 이들은 일반 PLC(160)에 의해 제어된다.

몸체(122)의 윗면 쪽에는 모터(180)가 설치된다. 모터의 회전축(180a)은 중심관(122b)에 삽입된다. 회전축(180a)의 끝에는 쵸퍼(124)가 설치되어 회전축(180a)이 회전할 때 같이 회전한다. 쵸퍼(124)는 원판형을 하며 도 2c와 같이 절개부(H)를 갖는다.

가스 공급관(130)을 통하여 가스 분사관(122a)으로 가스가 공급되는 상태에서 모터(180)를 동작시켜 쵸퍼(124)를 일정한 속도로 회전시키면 절개부가 위치하는 쪽만 가스 분사관(122a)이 개방되기 때문에 가스가 일정한 주기로 반응챔버(110) 내로 공급되게 된다. 몸체(122) 밑면과 쵸퍼(124) 사이는 마그네틱 실링(190) 시킨다. 마그네틱 실링(190)은 쵸퍼(124)가 회전할 때에도 계속 유지된다.

본 발명은, 가스 공급관(130)을 통하여 일정한 유량의 가스를 계속 공급하는 상태에서 쵸퍼(124)의 회전에 의하여 가스를 주기적으로 반응챔버(110) 내로 분사하기 때문에 종래와 같은 ALD 밸브(30a, 40a) 및 ALD PLC(50)가 필요없다.

몸체(122)의 밑면은 쵸퍼(124)가 마그네틱 실링되어 밀착되어 있는 상태이므로 절개부에 의해 개방되지 않은 가스 공급관(130)에는 가스 압력이 높아지게 된다. 이러한 경우를 염려하여 일반밸브로 이루어진 체크밸브(140a)가 설치된 바이패스관(140)을 가스 공급관(130)에 연결하여 설치한다. 바이패스관(140)은 공정초기에 반응챔버(110)에 공급되는 가스 흐름을 안정화시키는 데도 사용된다.

도 2c는 가스 분사관(122a)이 여섯개인 경우와 쵸퍼(124)가 부채판 형태를 하는 경우를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 가스 분사관(122a)의 분사부위는 몸체(122)의 밑면 원주 부근을 따라서 원형으로 배열되도록 하는 것이 좋다. 참조부호 H는 절개부를 나타낸다.

여섯개의 가스 분사관(122a)을 통하여 시계방향으로 A 가스 , Ar 가스, B 가스, Ar 가스, A 가스, Ar 가스가 일정한 유량으로 분사되도록 하고, 쵸퍼(124)를 시계방향으로 일정한 속도로 회전시키면 쵸퍼(124)가 한번 회전할 때마다 'A 가스 → 퍼지용 Ar 가스 →B 가스 →퍼지용 Ar 가스 → A 가스 → 퍼지용 Ar 가스' 의 순서대로 가스가 분사되면서 A 가스 : B 가스가 2 : 1 의 비율로 공급된다. 물론, 가스 분사관(122a)의 분사부위가 동일한 크기를 갖는 경우를 전제로 한다.

이와 같은 공정을 진행하기 위해서는 A가스, 퍼지용 Ar 가스, 및 B 가스를독립적으로 공급하기 위한 가스 공급관(130)을 3개 마련하여, A 가스를 분사하는 두개의 가스 분사관(122a)이 하나의 A 가스 공급관(130)을 공유하도록 하고, 퍼지용 Ar 가스를 분사하는 3개의 가스 분사관(122a)이 하나의 Ar 가스 공급관(130)을 공유하도록 설치하면 된다.

가스 공급비를 서로 다르게 하기 위해서는 이와 같은 방법 이외에도 도 2d에 도시된 바와 같이 분사부위를 서로 다른 크기로 해도 구현된다. 즉, A 가스가 분사되는 부위를 B가스가 분사되는 부위의 2배 크기로 하면 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 쵸퍼(124)를 이용하여 여러 가스를 주기적으로 번갈아 가면서 공급가능하기 때문에 ALD 밸브(30a, 40a) 및 ALD PLC(50)를 사용할 필요가 없게 된다. 따라서, ALD 밸브(30a, 40a)의 교체 등에 따른 잦은 장비수리가 필요 없으며, 고가의 ALD PLC(50)를 사용하지 않아도 된다. 특히, 가스 분사관(122a)의 크기를 조절하거나 가스 분사관(122a)에 공급되는 가스의 배열을 조절함으로써 매우 간단하게 가스의 공급비를 조절할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims

반응챔버의 상부에 수직한 원기둥 형태로 설치되며, 그 밑면을 관통하는 복수개의 가스 분사관이 마련되어 있으며, 상기 원기둥의 밑면과 윗면의 각 중심을 관통하도록 중심관이 형성되어 있는 몸체;

회전축이 상기 중심관에 삽입되는 모터; 및

원판형을 하며, 상기 회전축의 끝에 연결되어 상기 회전축의 회전에 의하여 상기 몸체의 아랫면과 마그네틱 실링되어 밀착된 상태로 회전하되, 소정부분이 절개된 쵸퍼; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 인젝터.
제1항에 있어서, 상기 복수개의 가스 분사관의 분사부위가 상기 몸체의 밑면 원주 부근을 따라서 원형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 인젝터.
제1항에 있어서, 상기 복수개의 가스 분사관의 분사부위 중 적어도 하나는 나머지와 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 가스 인젝터.
제1항에 있어서, 상기 쵸퍼가 부채판 형태를 하는 것을 특징으로 하는 가스 인젝터.