KR100488426B1 - 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치 및 방법 - Google Patents

리모트 플라즈마 원자층 증착 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

링 타입의 가스 주입부를 갖는 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치가 개시된다. 내부 공간을 갖는 반응실; 반응실의 내부 공간의 일측에 배치되고, 박막 형성을 위한 기판이 안치되는 기판 지지대; 반응실 내부에 장착되어, 플라즈마를 발생하기 위한 제 1 플라즈마 발생부; 반응실 외부에 설치되어 캐리어 가스 공급부를 통하여 반응실과 연통되고, 플라즈마의 추가 공급이 필요할 때 반응실의 내부 공간으로 플라즈마를 공급하며, 추가 공급이 필요하지 않을 때 발생된 플라즈마를 상기 반응실 외부의 소정 부분에서 바이패스시키는 바이패스부를 갖는 리모트 플라즈마 발생부; 및 기판 지지대의 상부에 근접하여 설치되고, 기판 지지대에 대향하는 측에 다수의 분사홀이 형성되며, 기판의 직경에 상응하는 직경을 갖는 반응실의 내부 공간으로 박막 형성을 위한 소오스를 공급하는 적어도 하나의 링 타입의 소오스 공급부를 포함한다.

Description

리모트 플라즈마 원자층 증착 장치 및 방법{REMOTE PLASMA ATOMIC LAYER CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 박막 형성장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막을 원자층 단위로 형성하는 원자층 증착(Atomic layer deposition: ALD) 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 박막은 반도체 소자의 유전막, 액정표시소자의 투명한 도전체 및 전자 발광 박막 표시 소자의 보호층 등으로 다양하게 사용된다.
이러한 박막은 일반적으로 졸-겔(Sol-gel)법, 스퍼터링(Sputtering)법, 전기도금(Electro-plating)법, 증기(Evaporation)법, 화학기상증착(Chemical vapor deposition)법, 원자층증착(ALD)법 등에 의하여 형성된다.
이중에서, 원자층 증착법은 기존의 화학기상증착법에 비하여 우수한 단차 피복성을 얻을 수 있고, 저온 공정이 가능하며, 막의 두께를 원자 단위로 형성할 수 있는 장점들을 갖는다.
원자층 증착법은 열분해(Pyrolysis)가 아닌 각 반응물의 주기적 공급을 통한 화학적 치환(Chemical substitution)으로 반응물을 분해하여 박막을 형성하는 방법이다.
박막의 증착은 그 박막의 균질성과, 의도하는 영역에 그 박막이 얼마나 균일한 두께로 형성되었는지에 따라 그 가치가 평가된다. 양질의 박막을 형성하기 위한 여러 가지 방법들이 있지만, 소오스 가스가 두 가지 이상의 원소를 포함하는 경우에는, 믹싱을 균일하게 하는 것과, 소오스 가스를 챔버내에 유입시키는 과정에서 소오스 가스가 기판의 전면에 고르게 분사되도록 하는 것이 중요하다.
원자층 증착 장치의 경우, 소오스 가스의 분사는 챔버 내의 웨이퍼 바로 위에서 이루어진다는 사실을 고려할 때, 소오스 가스를 웨이퍼 전면에 고르게 분사하는 것이 특히 중요하다.
그러나, 종래의 트래블링(Traveling) 방식의 경우 기판의 전면에 걸쳐서 균일성을 확보하기가 어렵고, 샤워 헤드(Shower head) 방식의 경우, 트래블링 방식에 비하여 균일성을 향상시키지만, 소오스 가스가 기판에 수직으로 1차 충돌한 후 측방향으로 플로우되면서 막이 증착되기 때문에 박막의 증착속도가 느려지거나 박막이 웨이퍼 전면에 걸쳐서 고른 두께로 형성되지 않는 문제가 있다.
아울러, 종래의 원자층 증착장치는 플라즈마가 반응실의 내부에서 직접 발생되므로, 기판에 충격을 주는 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 박막 형성에서의 균일성을 유지하는 동시에 플라즈마에 의한 기판의 손상을 방지하는데 있다.
본 발명의 다른 목적과 특징들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치는 내부 공간을 갖는 반응실; 반응실의 내부 공간의 일측에 배치되고, 박막 형성을 위한 기판이 안치되는 기판 지지대; 반응실 내부에 장착되어, 플라즈마를 발생하기 위한 제 1 플라즈마 발생부; 반응실 외부에 설치되어 캐리어 가스 공급부를 통하여 반응실과 연통되고, 플라즈마의 추가 공급이 필요할 때 반응실의 내부 공간으로 플라즈마를 공급하며, 추가 공급이 필요하지 않을 때 발생된 플라즈마를 상기 반응실 외부의 소정 부분에서 바이패스시키는 바이패스부를 갖는 리모트 플라즈마 발생부; 및 기판 지지대의 상부에 근접하여 설치되고, 기판 지지대에 대향하는 측에 다수의 분사홀이 형성되며, 기판의 직경에 상응하는 직경을 갖는 반응실의 내부 공간으로 박막 형성을 위한 소오스를 공급하는 적어도 하나의 링 타입의 소오스 공급부를 포함한다.바람직하게, 제 1 플라즈마 발생부는 반응실의 내부 공간의 소정 부분에 배치되어 기판에 RF 파워를 인가하기 위한 제 1 전극부와, 제 1 전극부로부터 소정 간격 이격되고 제 1 전극부와 함께 RF 파워를 인가받아서 소오스 공급부를 통하여 공급된 소오스들에 RF 파워를 인가하므로써 플라즈마를 발생시키는 제 2 전극부를 포함할 수 있다.또한, 링 타입의 소오스 공급부는 서로 다른 소오스를 동시에 또는 독립적으로 공급하기 위해 동일한 평면 상에 직경을 달리하여 동축으로 쌍을 이루어 배치될 수 있다.
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또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 리모트 H2, H2/Ar, O2 또는 N2 플라즈마를 항상 온 시킨 상태에서 유기금속 소오스나 할라이드 소오스를 주기적으로 공급하여 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물을 기판 상에 증착하는 리모트 플라즈마 원자층 증착방법이 개시된다.이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자층 증착 장치의 개략적 구성을 보여주는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 원자층 증착 장치는 내부 공간을 갖는 반응실(10)을 포함한다. 반응실(10)의 내부 공간의 일측에 기판 지지대(12)가 배치된다. 기판 지지대(12)의 하부에 실린더(13)가 연결되어 있다. 기판 지지대(12) 위에 박막 형성을 위한 기판(14)이 안치된다.
반응실(10)의 외측에 리모트 플라즈마 발생부(미도시)가 설치된다. 리모트 플라즈마 발생부는 반응실의 외부에서 발생한 플라즈마를 캐리어 가스 공급부(16)를 통하여 반응실의 내부 공간으로 공급한다.
반응실(10)의 내부 공간으로 박막 형성을 위한 소오스 가스를 공급하기 위하여 링 타입의 하나의 소오스 가스 공급부(18)가 장착되어 있다. 소오스 가스 공급부(18)는 링 타입의 헤드부(18a)와, 헤드부(18a)의 일단에 연통되어 소오스 가스를 헤드부(18a)로 공급하는 소오스 가스 공급관(18b)을 포함한다.
헤드부(18a)와 기판(14) 사이의 간격 d는, 예를 들어, 약 1cm 정도로 유지한다. 또한, 기판(14)으로서 8인치 웨이퍼가 사용되는 경우, 헤드부(18a)의 직경은 약 5 ~ 6인치 정도의 범위를 갖도록 한다.
도 3에 도시된 것처럼, 헤드부(18a)의 하면에 소오스 가스 공급관을 통하여 공급된 소오스 가스를 반응실 내부로 분사하기 위하여 일정 간격마다 소정 직경의 분사홀(18h)들이 구비되어 있다. 분사홀(18h)의 직경은 약 0.1mm ~ 5.0mm 정도이다. 분사홀(18h)은 원형의 구조를 갖는 것이 바람직하지만, 거기에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 분사홀(18h)은 원형 외에 다른 형태라도 무방하다.
소오스 가스는 여러 가지 독성을 함유할 수 있으므로, 헤드부(18a)의 수명 연장을 위해서, 소오스 가스에 대한 반응 저항성이 우수한 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 염소(Cl) 성분을 포함하는 사염화티타늄(TiCl4)이 소오스 가스 중 하나로 공급되는 경우, 헤드부(18a)는 반응 저항성이 우수한 니켈(Ni)로 만들어지는 것이 바람직하다.
도 1의 소오스 가스 공급부(18)는 비록 하나의 소오스 가스 공급관과 하나의 헤드부로 구성되어 있지만, 이들을 통하여 적어도 하나의 소오스 가스가 공급될 수 있다.
예를 들어, 임의의 박막을 형성하기 위하여, 두 가지의 소오스 가스가 공급될 필요가 있을 때, 소오스 가스 공급부(18)를 통하여 제 1 소오스 가스가 먼저 공급되고, 제 2 소오스 가스가 이후에 공급된다.
한편, 도 1의 예에서는 소오스 가스 공급부(18)와 캐리어 가스 공급부(16)가 별도로 구비되어 있지만, 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스와 같은 캐리어 가스들이 캐리어 가스 공급부(16)가 아니라 소오스 가스 공급관(18b)을 통하여 공급되도록 할 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 리모트 플라즈마 발생부에서 발생한 플라즈마 만으로 박막의 형성조건이 충족되지 않는 경우를 대비하기 위하여, 리모트 플라즈마 발생부와는 별도로 반응실 내에 제 2 플라즈마 발생부가 구비될 수 있다.
제 2 플라즈마 발생부는 반응실의 내부 공간의 소정 부분에 배치되어, 기판에 RF 파워를 인가하기 위한 제 1 전극부를 포함한다. 제 1 전극부로부터 소정 간격 이격되어 제 2 전극부가 설치된다. 제 2 전극부는 제 1 전극부와 함께 RF 파워를 인가받아서, 소오스 가스 공급부(18)를 통하여 공급된 소오스 가스들에 RF 파워를 인가하므로써 플라즈마를 발생시킨다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 원자층 화학기상증착 장치의 개략적 구성을 보여주는 사시도이다.
도 2와 도 1을 비교하면, 도 2의 원자층 증착장치는 두 개의 소오스 가스 공급부(18, 20)를 구비하고 있다는 점이 도 1의 원자층 증착장치와 구별된다. 즉, 반응실(10), 기판 지지대(14), 캐리어 가스 공급부(16) 및 리모트 플라즈마 발생부의 구성은 도 1의 그것들과 동일하다.
선택적으로, 두 개의 가스 공급부(18, 20) 중 하나를 통하여 박막 형성을 위한 제 1 소오스 가스가 공급되고, 다른 하나의 가스 공급부를 통하여 박막 형성을 위한 제 2 소오스 가스가 공급된다. 즉, 두 가지의 소오스 가스를 동시에 공급할 필요가 있거나, 단일 소오스 공급부의 적용시 제 1 소오스 가스의 공급 후 제 2 소오스 가스를 공급하기 위하여 퍼지 공정이 필수적으로 수반되는데, 도 2에 도시한 두 개의 소오스 가스 공급부는 이러한 퍼지 공정을 생략하게 할 수 있도록 한다.
이처럼, 소오스 가스가 둘 이상이어야 하는 경우가 있을 수 있으므로, 가스 공급부 또한 둘 이상으로 구성될 수 있다.
복수개의 소오스 가스 공급부(18, 20)는 도 3에서 언급한 것처럼 동일한 원형 구조의 링 타입으로 만들어지는 것이 바람직하지만, 최소의 면적을 차지하도록 하기 위하여 그들의 직경은 서로 다르게 한다. 바람직하게는, 상대적으로 작은 직경을 갖는 소오스 가스 공급부(20)의 제 2 헤드부(20a)의 외경은 직경이 큰 가스 공급부의 제 1 헤드부(18a)의 구멍의 직경보다 작게 형성된다. 이렇게 하므로써, 둘 이상의 헤드부가 동일 평면에 배치될 수 있고, 그것에 의하여 박막의 균일도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 2와 도 3에 도시된 것처럼, 각각의 가스 공급부(18, 20)는 링 타입의 헤드부(18a, 20a)와, 헤드부의 일단에 연통되어 가스를 공급하는 가스 공급관(18b, 20b)을 포함한다.
도 3에 도시된 것처럼, 헤드부(18a, 20a)의 하면에 가스 공급관(18b, 20b)을 통하여 공급된 소오스 가스나 캐리어 가스를 반응실 내부로 분사하기 위하여 일정 간격마다 소정 직경의 분사홀(18h, 20h)들이 구비되어 있다. 분사홀(18h, 20h)의 직경은 약 0.1mm ~ 5.0mm 정도이다.
분사홀(18h, 20h)은 원형의 구조를 갖는 것이 바람직하지만, 거기에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 분사홀은 원형 외에 다른 형태라도 무방하다.
소오스 가스는 여러 가지 독성을 함유할 수 있으므로, 헤드부의 수명 연장을 위해서, 소오스 가스에 대한 반응 저항성이 우수한 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 염소(Cl) 성분을 포함하는 사염화티타늄(TiCl4)를 소오스 가스로 사용하는 경우 헤드부(18a, 20a)는 염소 성분에 대한 반응 저항성이 우수한 니켈로 만들어지는 것이 바람직하다.
한편, 제 1 실시예에서 설명한 것과 마찬가지로, 캐리어 가스 공급부(16)와는 별도로, 두 개의 가스 공급부(18, 20) 중 적어도 하나를 통하여 소오스 가스와 함께 캐리어 가스로 기능하는 질소, 아르곤, 헬륨 등과 같은 불활성 가스가 함께 공급되도록 할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 원자층 화학기상증착 장치의 개략적 구성을 보여주는 사시도이다.
도 4와 도 1을 비교하면, 도 4의 원자층 증착장치는 반응실의 내측에 공급되는 소오스 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키기 위한 제1 플라즈마 발생부가 필수적으로 설치되고, 반응실의 외측에 필요에 따라 리모트 플라즈마를 공급하기 위한 리모트 플라즈마 발생부가 설치되며, 리모트 플라즈마 발생부는 발생된 리모트 플라즈마를 바이패스(By-pass)시키기 위한 바이패스부(28)를 포함한다는 점이 도 1의 원자층 증착장치와 특히 구별된다.
도 4에 도시한 것처럼, 소오스 가스 공급부(16)는 소오스 가스와 캐리어 가스를 단일 통로를 통하여 공급할 수 있으며, 캐리어 가스의 공급을 위한 별도의 공급로를 가질 수 있다.
선택적으로, 리모트 플라즈마 공급관(26)을 통하여 캐리어 가스를 공급할 수 있는데, 이 경우에는 리모트 플라즈마 발생부의 동작을 중지하고, 바이패스부(28)를 닫은 상태에서 캐리어 가스가 공급되도록 한다.
반응실 내부의 제1 플라즈마 발생부는 도 1의 제2 플라즈마 발생부의 구성과 동일하며, 발생되는 플라즈마의 균일성(Uniformity)을 위하여 막의 증착동안 플라즈마를 계속적으로 형성하고, 리모트 플라즈마 발생부는 플라즈마의 추가 공급이 필요할 때, 리모트 플라즈마 발생부로부터 발생된 리모트 플라즈마를 리모트 플라즈마 공급관(26)을 통하여 반응실 내부로 공급한다. 플라즈마의 추가 공급이 필요치 않을 때, 리모트 플라즈마 발생부는 공급되는 리모트 플라즈마를 바이패스시킨다.
도 2의 장치와 마찬가지로, 도 4의 장치는 두 개의 가스 공급부를 구비하는 것도 가능하다. 즉, 하나의 가스 공급부를 통하여 제 1 소오스 가스가 공급되고, 다른 하나의 가스 공급부를 통하여 제 2 소오스 가스가 공급된다. 즉, 두 가지의 소오스 가스를 동시에 공급할 필요가 있지만, 단일 소오스 공급부를 갖는 경우, 제 1 소오스 가스의 공급 후 제 2 소오스 가스를 공급하기 위하여 퍼지 공정이 필수적으로 수반되는데, 두 개의 소오스 가스 공급부는 이러한 퍼지 공정을 생략하게 할 수 있도록 한다.
이처럼, 소오스 가스가 둘 이상이어야 하는 경우가 있을 수 있으므로, 가스 공급부 또한 둘 이상으로 구성될 수 있다. 이외의 나머지 구성은 도 3에서 설명한 내용들과 동일하게 구성될 수 있다.
한편, 상기에서 언급한 리모트 플라즈마를 이용한 원자층 화학기상증착장치는 소오스 물질을 공급하는 중간에 리모트 플라즈마를 형성하는 방식(유기금속 소오스 또는 할라이드 소오스, 퍼지, 리모트 플라즈마의 순서)이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 이 방식을 유지하면서 하나의 공정이 추가된다.
예를 들어, 게이트 산화막의 일종인 ZrO2을 증착하는 경우, 리모트 H2, H2/Ar, O2, N2 플라즈마를 항상 약하게 띄워 놓고 사염화지르코늄(ZrCl 4)을 주기적으로 공급하여 ZrO2를 형성한다. 또한, 리모트 H2, H2/Ar, O2, N2 플라즈마를 항상 약하게 띄워 놓고 Zr-t 부톡사이드(Zr-t butoxide) 또는 TDEAZ를 주기적으로 공급하여 ZrO2를 형성한다. 즉, 플라즈마는 항상 온(On) 상태로 유지되고, 소오스는 샤워 헤드 타입으로 주입될 수 있다.
게이트 전극 또한 개선된 리모트 플라즈마 증착법이 적용될 수 있다.
예를 들어, Ta이나 Ti의 경우, 리모트 H2, H2/Ar, N2 플라즈마를 항상 약하게 띄워 놓고 Ta이나 Ti을 포함하는 유기금속(MO) 소오스 또는 할라이드 소오스, 예를 들어, 사염화탄탈륨(TaCl4)이나 사염화티타늄(TiCl4)을 주기적으로 공급하여 Ta 박막이나 Ti 박막을 형성한다.
상기한 공정에 더하여 후속공정에서 TiN과 같은 금속질화물을 형성하는데에도 앞서 언급한 개선된 리모트 플라즈마 증착법이 적용될 수 있다. 즉, 리모트 H2, H2/Ar, N2 플라즈마를 항상 약하게 띄워 놓고 TDEAT, TDMAT, TEMAT의 유기 소오스나 TiCl4와 같은 할라이드 소오스를 주기적으로 공급하여 TiN 박막을 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 원자층 증착장치는 적어도 하나의 링 타입의 가스 공급부와, 반응실 외측에 리모트 플라즈마 발생부를 구비한다. 링 타입의 가스 공급부는 동일 평면상에 다수의 가스 공급부의 배치를 가능하게 하여, 박막 형성에서의 균일도를 향상시킨다.
또한, 반응실 외부에 배치된 리모트 플라즈마 발생부로부터 발생되어 반응실의 내부 공간으로 안내되는 플라즈마는 반응실 내에서 직접 발생되는 플라즈마에 비하여 기판에 직접적인 충격을 가하지 않으므로, 플라즈마로 인한 기판의 손상을 방지한다.
아울러, 리모트 플라즈마를 설치하여 필요할 때마다 리모트 플라즈마를 반응실 내로 추가로 공급할 수 있으므로, 플라즈마의 균일도를 향상시켜 막질을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치의 개략적 사시도이다.
도 3은 도 1과 도 2에서 적용된 가스 공급부의 저면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치의 개략적 사시도이다.

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  6. 내부 공간을 갖는 반응실;
    상기 반응실의 내부 공간의 일측에 배치되고, 박막 형성을 위한 기판이 안치되는 기판 지지대;
    상기 반응실 내부에 장착되어, 플라즈마를 발생하기 위한 제 1 플라즈마 발생부;
    상기 반응실 외부에 설치되어 캐리어 가스 공급부를 통하여 상기 반응실과 연통되고, 플라즈마의 추가 공급이 필요할 때 상기 반응실의 내부 공간으로 플라즈마를 공급하며, 추가 공급이 필요하지 않을 때 발생된 플라즈마를 상기 반응실 외부의 소정 부분에서 바이패스시키는 바이패스부를 갖는 리모트 플라즈마 발생부; 및
    상기 기판 지지대의 상부에 근접하여 설치되고, 상기 기판 지지대에 대향하는 측에 다수의 분사홀이 형성되며, 상기 기판의 직경에 상응하는 직경을 갖는 상기 반응실의 내부 공간으로 박막 형성을 위한 소오스를 공급하는 적어도 하나의 링 타입의 소오스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 원자층 화학기상증착 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 플라즈마 발생부는 상기 반응실의 내부 공간의 소정 부분에 배치되어 상기 기판에 RF 파워를 인가하기 위한 제 1 전극부와, 상기 제 1 전극부로부터 소정 간격 이격되고 상기 제 1 전극부와 함께 상기 RF 파워를 인가받아서 상기 소오스 공급부를 통하여 공급된 소오스들에 RF 파워를 인가하므로써 플라즈마를 발생시키는 제 2 전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 원자층 화학기상증착 장치.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 링 타입의 소오스 공급부는 서로 다른 소오스를 동시에 또는 독립적으로 공급하기 위해 동일한 평면 상에 직경을 달리하여 동축으로 쌍을 이루어 배치되는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 원자층 화학기상증착 장치.
  10. 리모트 H2, H2/Ar, O2 또는 N2 플라즈마를 항상 온 시킨 상태에서 유기금속 소오스나 할라이드 소오스를 주기적으로 공급하여 금속, 금속 질화물 또는 금속 산화물을 기판 상에 증착하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 원자층 증착방법.
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