KR100496903B1 - Ａｌｄ 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법 - Google Patents

Ａｌｄ 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ALD 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법에 관한 것으로서, 적어도 하나 이상의 기판이 수납되어 증착되는 반응용기(100); 반응용기(100)와 연결되는 제1반응가스라인(200); 반응용기(100)와 연결되는 제2반응가스라인(300); 반응용기(100) 내의 가스가 배기되는 배기라인(500)과; 제1반응가스를 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 배기라인(500)으로 바이패스하는 제1반응가스공급부(210); 제1퍼지가스를 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 배기라인(500)으로 바이패스하기 위한 제1퍼지가스공급부(220); 제2반응가스를 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2반응가스공급부(310)와, 제2메인퍼지가스를 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2메인퍼지가스공급부(320)로 구성되는 적어도 둘 이상의 제2반응가스공급유니트(3120, 3120', 3120" ...);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＡＬＤ 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법{ALD thin film deposition apparatus and method for depositing thin film}
본 발명은 웨이퍼나 글라스와 같은 기판에 박막을 증착시키기 위한 ALD 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법에 관한 것이다.박막증착장치란 기판에 박막을 증착하여 반도체 소자를 제조하는 장치이며, 이러한 박막증착장치의 일예로서 ALD 박막증착장치가 소개되고 있다. ALD 박막증착장치는, 기판이 수납되어 증착되는 반응용기와, 반응용기로 제1반응가스를 공급하는 제1반응가스공급부와, 반응용기로 제2반응가스를 공급하는 제2반응가스공급부와, 제1반응가스 또는 제2반응가스를 퍼지하기 위한 퍼지가스공급부로 구성된다. 이러한 구조에 의하여, 제1반응가스와 제2반응가스를 교호적으로 피딩 및 퍼지함으로써 기판상에 원자층 단위로 박막을 증착하게 된다.그런데, 반도체 제조업체들은 웨이퍼당 생산되는 반도체 소자의 생산단가를 낮추기 위하여 반도체 소자의 고집적화를 추진하고 있으며, 고집적화를 가능하게 하기 위하여, 반도체 소자의 게이트 절연막이나 커패시터의 전극간 유전막이 매우 높은 유전율을 가지도록 요구되고 있다. 따라서, 최근의 당업계의 연구 개발 노력은 고유전율의 박막을 증착할 수 있도록 박막증착장치의 구조 개선과, 더 나아가 이를 이용한 박막증착방법에 집중되고 있다.
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본 발명은 상기와 같은 추세를 반영하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 퍼지효율을 높여 기판상에 우수한 스텝커버리지와 고유전율을 갖는 산화막을 증착할 수 있는 ALD 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일산화막뿐만 아니라 다층산화막을 융통성있게 증착할 수 있는 ALD 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1실시예는,
적어도 하나 이상의 기판이 수납되어 증착되는 반응용기(100); 상기 반응용기(100)와 연결되는 제1반응가스라인(200); 상기 반응용기(100)와 연결되는 제2반응가스라인(300); 상기 반응용기(100) 내의 가스가 배기되는 배기라인(500)과; 제1반응가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제1반응가스공급부(210); 제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하기 위한 제1퍼지가스공급부(220);
제2반응가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2반응가스공급부(310)와, 제2메인퍼지가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2메인퍼지가스공급부(320)로 구성되는 적어도 둘 이상의 제2반응가스공급유니트(3120, 3120', 3120" ...);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)는, 제1반응가스인 오존을 발생하는 오존생성유닛(211)과, 상기 오존생성유닛(211)에서 발생된 오존의 흐름량을 제어하는 오존흐름량제어기(212)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩밸브(V4)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩바이패스밸브(V5)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1퍼지가스공급부(220)는, 유입되는 제1퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제1퍼지가스흐름량제어기(222)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지밸브(V6)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 배기라인(500)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2반응가스공급부(310)는, 제2반응가스의 액상 원료가 수용된 캐니스터(311)와, 상기 캐니스터(311)로 유입되는 캐리어가스(불활성가스)의 유량을 제어하는 캐리어가스흐름량제어기(312)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2피딩밸브(V9)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 배기라인(500)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2반응가스바이패스밸브(V10)와, 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에서 상기 캐니스터(311)를 통과하지 않고 제2반응가스라인(300)으로의 캐리어가스의 흐름을 온/오프하는 캐니스터바이패스밸브(V11)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320)는, 유입되는 제2메인퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)와, 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2메인퍼지밸브(V14)와, 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2메인퍼지바이패스밸브(V15)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2반응가스공급유니트(3120, 3120', 3120" ... ) 각각에는 상기 제2반응가스라인(300)으로의 가스의 흐름을 온/오프하는 메인밸브(V17, V17', V17"...)가 설치된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 ALD 박막증착방법의 제1실시예는, 청구항 제1항 내지 제6항중 어느 한 항의 ALD 박막증착장치를 이용하는 것으로서, 상기 제1반응가스공급부(210)로부터 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스를 공급하고, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급하는 제1반응가스 피딩단계(S1); 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스의 공급을 중단하고 상기 제1퍼지가스공급부(220)에 의하여 제3유량(h2)으로 설정된 제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하며, 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)의 상기 제2메인퍼지가스를 계속 공급하는 제1반응가스 퍼지단계(S2); 상기 제2반응가스공급부(310)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 캐리어가스에 의하여 이송되는 제2반응가스를 공급하고, 상기 제1반응가스라인(200)으로 제3유량(h2)의 상기 제1퍼지가스를 계속 공급하는 제2반응가스 피딩단계(S3); 상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 공급을 중단하고 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에 의하여 제2유량(h1)으로 설정된 캐리어가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하며, 상기 제1반응가스라인(200)으로 제3유량(h2)의 상기 제1퍼지가스를 계속 공급하는 제2반응가스 퍼지단계(S4);로 구성되는 1차 ALD 싸이클을 적어도 2 회 이상 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1차 ALD 싸이클을 통하여 상기 기판상에 1차 박막을 증착한 후 2차 박막을 증착할 때, 상기 제1차 박막을 증착할 때 열려있던 메인밸브(V17)를 닫고, 다른 메인밸브(V17', V17",...) 중 어느 하나를 열어 수행한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)에서 오존이 발생되는 상태에서 오존바이패스밸브(V3)와 오존생성유닛의 밸브(V1,V2)를 제외한 모든 밸브를 닫음으로써 실시되는 vacuum 퍼지단계를 상기 ALD 싸이클내에 모든 단계들(S1, S2, S3, S4) 사이의 임의의 경계에서 선별적으로 수행한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제2실시예는,
적어도 하나 이상의 기판이 수납되어 증착되는 반응용기(100); 상기 반응용기(100)와 연결되는 제1반응가스라인(200); 상기 반응용기(100)와 연결되는 제2반응가스라인(300); 상기 반응용기(100) 내의 가스가 배기되는 배기라인(500)과; 제1반응가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제1반응가스공급부(210); 제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하기 위한 제1퍼지가스공급부(220);
제2반응가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2반응가스공급부(310)와, 상기 제1반응가스라인(200) 및/또는 제2반응가스라인(300)으로 제2메인퍼지가스를 공급하는 제2메인퍼지가스공급부(320A)로 구성되는 적어도 둘 이상의 제2반응가스공급유니트(3120A, 3120A', 3120A", ...);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)는, 제1반응가스인 오존을 발생하는 오존생성유닛(211)과, 상기 오존생성유닛(211)에서 발생된 오존의 흐름량을 제어하는 오존흐름량제어기(212)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩밸브(V4)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩바이패스밸브(V5)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1퍼지가스공급부(220)는, 유입되는 제1퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제1퍼지가스흐름량제어기(222)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지밸브(V6)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2반응가스공급부(310)는, 제2반응가스의 원료가 수용된 캐니스터(311)와, 상기 캐니스터(311)로 유입되는 불활성가스의 유량을 제어하는 캐리어가스흐름량제어기(312)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2피딩밸브(V9)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2반응가스바이패스밸브(V10)와, 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에서 상기 캐니스터(311)를 통과하지 않고 제2반응가스라인(300)으로의 캐리어가스의 흐름을 온/오프하는 캐니스터바이패스밸브(V11)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320A)는, 유입되는 제2메인퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322), 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2a메인퍼지밸브(V14a)와, 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2b메인퍼지밸브(V14b)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2반응가스공급유니트(3120A, 3120A', 3120A"...) 각각에는 상기 제2반응가스라인(300)으로의 가스의 흐름을 온/오프하는 메인밸브(V17a, 17a', 17a", ...)가 설치된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 ALD 박막증착방법의 제2실시예는, 청구항 제11항 내지 제15항중 어느 한 항의 ALD 박막증착장치를 이용하는 것으로서, 상기 제1반응가스공급부(210)로부터 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스를 공급하고, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320A)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급하는 제1반응가스 피딩단계(S1'); 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스의 공급을 중단하고 상기 제1퍼지가스공급부(220)에 의하여 제3유량(h2)으로 설정된 제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하며, 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)의 상기 제2메인퍼지가스를 계속 공급하는 제1반응가스퍼지단계(S2'); 상기 제2반응가스공급부(310)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 캐리어가스에 의하여 이송되는 제2반응가스를 공급하고, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320A)로부터 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급하는 제2반응가스 피딩단계(S3'); 상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 공급을 중단하고 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에 의하여 제2유량(h1)으로 설정된 캐리어가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하며, 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1유량(h0)의 상기 제2메인퍼지가스를 계속 공급하는 제2반응가스퍼지단계(S4');로 구성되는 1차 ALD 싸이클을 적어도 2 회 이상 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1차 ALD 싸이클을 통하여 상기 기판상에 1차 박막을 증착한 후 2차 박막을 증착할 때, 상기 제1차 박막을 증착할 때 열려있던 메인밸브(V17a)를 닫고, 다른 메인밸브(V17a', 17a", ...)중 어느 하나를 열어 수행한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)에서 오존이 발생되는 상태에서 오존바이패스밸브(V3)와 오존생성유닛(211)의 밸브(V1, V2)를 제외한 모든 밸브를 닫음으로써 실시되는 vacuum 퍼지단계를 상기 ALD 싸이클내에 모든 단계들(S1', S2', S3', S4') 사이의 임의의 경계에서 선별적으로 수행한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1실시예의 개략적 구성도이고, 도 2는 도 1의 ALD 박막증착장치의 상세 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치는, 적어도 하나 이상의 웨이퍼나 글라스와 같은 기판이 증착되는 반응용기(100)와, 반응용기(100)와 연결되는 제1반응가스라인(200)과, 반응용기(100)와 연결되는 제2반응가스라인(300)과, 반응용기(100) 내의 가스가 배기되는 배기라인(500)을 포함한다.
제1반응가스라인(200)에는 제1반응가스를 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와, 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스를 퍼지하기 위한 제1퍼지가스를 공급하는 제1퍼지가스공급부(220)가 연결된다.
제2반응가스라인(300)에는 제2반응가스 및/또는 제2메인퍼지가스를 공급하는 적어도 둘 이상의 제2반응가스공급유니트(3120, 3120', 3120", ...)가 설치된다. 본 실시예에서는 2 개의 제2반응가스공급유니트(3120)(3120')가 설치된다.
첫 번째 제2반응가스공급유니트(3120)는 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스를 공급하기 위한 제2반응가스공급부(310)와, 제2반응가스라인(300)으로 제2메인퍼지가스를 공급하는 제2메인퍼지가스공급부(320)로 구성된다. 이때, 제2반응가스공급유니트(3120)와 제2반응가스라인(300) 사이에는, 제2반응가스공급유니트(3120)를 경유한 가스(제2반응가스 및/또는 제2메인퍼지가스)의 흐름을 온/오프하는 메인밸브(V17)가 설치된다.
두 번째 제2반응가스공급유니트(3120')는 첫 번째 제2반응가스공급유니트와 동일 구성을 가지며, 3120' 제2반응가스공급유니트와 제2반응가스라인(300) 사이에는 메인밸브(V17')가 설치된다. 즉, 3120 제2반응가스공급유니트와 3120' 제2반응가스공급유니트에 있어 그 구성은 동일하며, 다른점은 제2반응가스를 생성하기 위하여 채용되는 액상원료의 종류가 다른 것이다.
상술한 메인벨브의 개수는 제2반응가스공급유니트의 개수에 비례한다. 만약 제2반응가스공급유니트가 3개 또는 4 개가 채용될 경우에 메인밸브의 개수도 3개 또는 4개가 될 것이다. 이때, 메인밸브(V17, V17', 17", ...)는 가능한 한 반응용기(100)와 근접된 위치의 가스라인에 설치되는 것이 바람직하다.
제1반응가스공급부(210)는, 제1반응가스로서 오존(03)을 발생하는 오존생성유닛(211)과, 오존생성유닛(211)에서 발생된 오존의 흐름량을 제어하는 오존흐름량제어기(212)와, 오존흐름량제어기(212)에서 제1반응가스라인(200)으로의 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩밸브(V4)와, 오존흐름량제어기(212)에서 반응용기(100)를 경유하지 않고 배기라인(500)으로 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩바이패스밸브(V5)를 포함한다.
오존생성유닛(211)은 유량제어기(MFC) 및 밸브(V1)(V2)를 경유하여 유입되는 산소(O2) 및 질소(N2)로부터 오존을 발생시키는 오존생성기(211a)를 포함한다. 이때, 오존생성유닛(211)은 그로부터 과다하게 발생되는 오존을 통과시키는 오존바이패스밸브(V3)와 연결되고, 오존바이패스밸브(V3)를 통과한 오존은 오존제거기(214)에 의하여 제거된다. 오존제거기(214)의 실시예로는 예컨대, 화학반응을 통하여 인체에 유해한 오존을 임의의 촉매제 이용하여 인체에 무해한 무독성가스로 변환시켜 배기시키는 캐터라이저(catalyzer)가 있다. 또, 오존흐름량제어기(212)는 니들(Needle) 밸브로도 충분히 대체될 수 있다.
제1퍼지가스공급부(220)는, 유입되는 제1퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제1퍼지가스흐름량제어기(222)와, 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 제1반응가스라인(200)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지밸브(V6)와, 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 반응용기(100)를 경유하지 않고 배기라인(500)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 포함한다.
첫 번째 제2반응가스공급유니트(3120)의 제2반응가스공급부(310)는 액상원료 버블링기로서, 제2반응가스의 액상 원료가 수용된 캐니스터(311)와, 캐니스터(311)로 유입되는 캐리어가스(불활성가스)의 유량을 제어하는 캐리어가스흐름량제어기(312)와, 캐니스터(311)에서 제2반응가스라인(300)으로의 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2피딩밸브(V9)와, 캐니스터(311)에서 반응용기(100)를 경유하지 않고 배기라인(500)으로의 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2반응가스바이패스밸브(V10)와, 캐리어가스흐름량제어기(312)를 경유한 캐리어가스를 제2반응가스라인(300)으로 직접 흐르게 하기 위한 캐니스터바이패스밸브(V11)를 포함한다. 캐리어가스흐름량제어기(312)와 캐니스터(311) 사이, 그리고 캐니스터(311)와 제2반응가스라인(300) 사이에는 각각 밸브(V12)(V13)가 설치되고, 밸브(V12)(V13)와 캐니스터(311) 사이에 3 개에 매뉴얼밸브(M1)(M2)(M3)가 설치된다.
첫 번째 제2반응가스공급유니트(3120)의 제2메인퍼지가스공급부(320)는, 유입되는 제2메인퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)와, 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 제2반응가스라인(300)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2메인퍼지밸브(V14)와, 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 반응용기(100)를 경유하지 않고 배기라인(500)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2메인퍼지바이패스밸브(V15)를 포함한다.
두 번째 제2반응가스공급유니트(3120')의 구성은 첫 번째 제1반응가스공급유니트(3120)의 구성과 동일하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
2 개의 제2반응가스공급유니트(3120)(3120')를 채용할 경우, ALD 박막증착장치는 AB 구조로 이루어진 이원계 산화막, 예를 들면 TiO2, HfO2, ZrO2, Al2O3 등을 적층하여 증착할 수 있다. 그러나, 만일 단일 산화막을 증착한다면 하나의 제2반응가스공급유니트(3120)만으로 충분하다.
여기서, 제2반응가스공급유니트와 동일한 개수와 메인밸브를 채용하는 이유는 퍼지효율을 높이기 위함이다. 예를 들어, 2 개의 제2반응가스공급유니트(3120)(3120')를 채용할 경우에, 꼭 2 개의 메인밸브(V17)(V17')가 없더라도 이원계 산화막(박막)을 증착할 수 있다. 즉 기판상에 1 차로 박막을 증착하고, 그 다음 2 차 산화막의 증착은 첫 번째 제2반응가스공급유니트(3120) 내의 모든 밸브를 닫아둠으로써 가능하다. 그러나 이 경우, 2차 산화막을 증착하기 위하여 제2반응가스공급유니트(3120)와 반응용기(100) 사이의 가스라인을 채우고 있는 제2반응가스를 퍼지하여야 하는데, 이 과정에서 많은 시간이 소요되어 퍼지효율이 떨어진다. 이러한 이유로 메인밸브(V17)(V17')는 가능한 한 반응용기(100)에 근접된 가스라인에 설치되어야 하며, 이렇게 함으로써 가스라인 내의 볼륨을 최대한 줄일 수 있다. 메인밸브(V17)(V17')가 없다면, 퍼지효율이 떨어질 뿐만 아니라 파티클 문제까지 야기될 수 있다.
다음, 상기와 같은 구성에 의한 박막증착방법을 설명하기 전에, 먼저 제1반응가스 피딩 및 퍼지, 제2반응가스 피딩 및 퍼지를 간단히 설명한다.
도 3은 도 2의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 일 실시예를 그래프로 도시한 도면이고, 도 4는 도 2의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 다른 실시예를 그래프로 도시한 도면이다.
제1반응가스인 오존은 N2, O2가 해당 MFC 및 V1, V2를 통하여 적절한 비로 오존생성기(211a)로 유입됨으로써 발생한다. 이때, 오존생성기(211a)에서 발생된 오존이 박막증착공정이 진행되는 동안에 가스라인에 과도한 압력으로 인가되지 않도록 오존바이패스밸브(V3)는 항상 열어놓는다. 한편, 과다하게 발생되는 오존은 오존제거기(214)를 거쳐 무독성 가스로 된 후 외부로 배기된다.
제2반응가스는 캐리어가스흐름량제어기(312) 및 밸브(V12)를 경유한 캐리어가스가 캐니스터(311)로 공급된 후, 그 캐리어가스가 액상원료를 버블링시킴으로서 생성한다.
a) 제1반응가스 피딩단계
제1반응가스 피딩단계(S1)는, 제1반응가스공급부(210)의 오존흐름량제어기(212) 및 제1피딩밸브(V4)를 통하여 제1반응가스인 오존을 제1반응가스라인(200)으로 흐르게 함으로서 이루어진다. 이때, 피딩이 이루어지지 않을 경우에는, 오존은 제1피딩바이패스밸브(V5)를 통하여 배기라인(500)으로 흘리는데, 이렇게 함으로서 가스라인을 흐르는 오존의 압력 변화를 최소화할 수 있다. 한편, 제2반응가스라인(300)으로 임의의 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급한다.
b) 제1반응가스 퍼지단계
제1반응가스 퍼지단계(S2)는, 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스의 공급을 중단하고 제1퍼지가스로 사용되는 Ar 이나 N2 과 같은 불활성가스가 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에 의하여 임의의 제3유량(h2)으로 설정된 후 제1퍼지밸브(V6)를 통하여 제1반응가스라인(200)으로 흐르게 함으로써 이루어진다. 이때, 퍼지가 이루어지지 않을 경우, 제1퍼지가스는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 통하여 배기라인(500)으로 흘러야 한다. 이렇게 함으로서, 가스라인을 흐르는 제1퍼지가스의 압력 변화를 최소화할 수 있다. 한편, 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)의 제2메인퍼지가스가 계속 흐르게 한다.
c) 제2반응가스 피딩단계
제2반응가스 피딩단계(S3)는, 캐리어가스에 의하여 이송되는 제2반응가스를 밸브(V13) 및 제2피딩밸브(V9)를 통하여 제2반응가스라인(300)으로 흐르게 함으로서 이루어진다. 이때, 피딩이 이루어지지 않을 경우, 캐리어가스만이 제2반응가스바이패스밸브(V10)를 통하여 배기라인(500)으로 흘러야 한다. 이렇게 함으로써, 가스라인을 흐르는 제2반응가스의 압력 변화를 최소화할 수 있다. 한편, 제1반응가스라인(200)으로 제3유량(h2)의 제1퍼지가스를 계속 공급한다.
d) 제2반응가스 퍼지단계
제2반응가스 퍼지단계(S4)는, 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 공급을 중단하고, 캐리어가스흐름량제어기(312)에 의하여 임의의 제2유량(h1)으로 설정된 캐리어가스를 캐니스터바이패스밸브(V11) 및 제2피딩밸브(V9)를 통하여 제2반응가스라인(300)으로 흐르게 함으로서 이루어진다. 이때. 제1반응가스라인(200)으로 제3유량(h2)의 상기 제1퍼지가스를 계속 공급한다. 한편, 제2반응가스 퍼지단계(S4)에서 제2반응가스라인(300)으로 흐르게 되는 퍼지가스의 유량은 제1유량(h0)으로 될 수도 있음은 물론이다.
상기한 바와 같이, 제2반응가스를 퍼지함에 있어 캐리어가스뿐만 아니라 제2메인퍼지가스를 혼용하여 수행함으로써 퍼지시간을 단축할 수 있다. 즉, ALD 박막증착공정의 한 싸이클내에서 두가지 유량으로 제2반응가스라인(300)을 퍼지함으로써 제2반응가스 퍼지를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 것이다. 이는, 더욱 광범위한 레시피(Recipe)를 사용자가 구사할 수 있도록 하여 박막의 특성을 보다 원활히 제어할 수 있도록 한다.
다음, 상기와 같은 ALD 박막증착장치의 제1실시예의 전체적인 동작을 설명한다.
기판상에 박막을 증착하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1반응가스공급부(210)의 제1피딩밸브(V4)를 열어 제1반응가스인 오존이 제1반응가스라인(200)을 경유하여 반응용기(100)로 피딩하도록 한다. 이 단계가 제1반응가스 피딩단계가 된다.
다음, 제1피딩밸브(V4)를 닫고, 제1퍼지가스공급부(220)의 제1퍼지밸브(V6)를 열어, 제1퍼지가스공급부(220)로부터 제3유량(h2)으로 설정된 제1퍼지가스를 제1반응가스라인(200)으로 흐르게 함으로써 제1반응가스라인(200) 및 반응용기(100) 내의 오존을 퍼지하게 한다. 이 단계가 ALD 박막증착방법에 있어 제1반응가스 퍼지단계가 된다. 이때, 중요한 것은 제1반응가스 피딩/퍼지 단계에 있어, 제2반응가스라인(300)으로 불활성가스를 계속 흘려 반응용기(100)로부터 제1반응가스가 제2반응가스라인(300)으로 역류되지 않도록 하여야 한다.
다음, 제2피딩밸브(V9)를 열어 캐리어가스에 의하여 제2반응가스가 제2반응가스라인(300)을 경유하여 반응용기(100)로 피딩되도록 한다. 이 단계가 제2반응가스 피딩단계가 된다.
다음, 제2메인퍼지밸브(V14) 및 밸브(V12)를 닫고, 캐리어가스흐름량제어기(312)에 의하여 제2유량(h1)으로 설정된 캐리어가스를 캐니스터바이패스밸브(V11) 및 제2피딩밸브(V9)를 통하여 제2반응가스라인(300)으로 흐르게 한다. 이 단계가 제2반응가스 퍼지단계가 된다. 이때에도 중요한 것은, 앞서와 마찬가지 원리로 제2반응가스 피딩/퍼지단계에 있어 제1반응가스라인으로 불활성가스를 계속 흘려주어 반응용기(100)로부터 제2반응가스가 제1반응가스라인(200)으로 역류되지 않게 한다.
상기한 네단계가 한 싸이클을 이루며, 상기한 싸이클을 원하는 산화막의 두께를 얻을 때까지 반복한다.
2 중 산화막을 증착하기 위하여, 첫 번째 산화막이 증착된 이후에 두 번째 산화막이 증착될 수 있도록 하여야 한다. 이를 위하여, 첫 번째 제2반응가스공급유니트의 메인밸브(V17)를 닫고, 두 번째 제2반응가스공급유니트의 메인밸브(V17')를 열어 제1반응가스와 두 번째 제2반응가스공급유니트의 제2'반응가스와 교호적인 펄스를 통한 박막증착을 수행한다. 두 번째 제2반응가스공급유니트에 의한 박막증착도 첫 번째 제2반응가스공급유니트와 유사한 방법으로 원하는 두께까지의 박막을 증착한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 단일 산화막을 입히기 위해서라면 하나의 제2반응가스공급유니트만 있으면 충분하다.
본원은 도 4에 도시된 바와 같이 vacuum 퍼지를 응용하여 박막을 증착할 수 있다. 즉, 제1반응가스공급부(210)에서 오존이 발생되는 상태에서 오존바이패스밸브(V3)와 오존생성유닛(211)의 밸브(V1, V2)를 제외한 모든 밸브를 닫음으로써 실시되는 vacuum 퍼지단계를 수행한다. vacuum 퍼지단계는 상기한 제1반응가스 피딩단계(S1), 제1반응가스 퍼지단계(S2), 제2반응가스 피딩단계(S3), 제2반응가스 퍼지단계(S4) 사이의 임의의 경계에서 선별적으로 수행한다. 본 실시예에서는 제1반응가스 퍼지단계(S2)와 제2반응가스 피딩단계(S3) 사이의 경계에서 수행한다. 이 경우, 박막증착공정은 제1반응가스피딩 → 제1반응가스퍼지 → vacuum 퍼지 → 제2반응가스피딩 → 제2반응가스퍼지 → vacuum 퍼지 순으로 진행된다. 이는 제1반응가스피딩 → 제1반응가스퍼지 → 제2반응가스피딩 → 제2반응가스퍼지로 이루어지는 불활성가스만을 이용한 박막증착방법과 대비된다.
vacuum 퍼지시에는 반응용기에 연결된 반응가스라인들상에서 최후단 밸브들만 닫는 것이 아니라, 오존바이패스밸브(V3)를 제외한 모든 밸브를 닫는다. 이는 가스라인을 통한 반응가스 플로우가 재개되었을 때 국부적인 가스압 축적에 의한 플로우 요동을 막기 위한 것이다. 오존바이패스밸브(V3)를 열어두는 것은 오존생성유닛(211)을 경유한 오존의 플로우 요동을 줄이는데 더 유리하기 때문이다.
본 실시예에서, 반응용기는 사이드 플로우(Side Flow) 타입일 수 도 있고 샤워헤드 타입일 수 도 있다. 상기한 vacuum 퍼지의 활용은 샤워헤드 타입일 때 더 큰 효과를 볼 수 있는데, 그 효과는 스텝커버리지, 박막의 순도, 그리고 두께 제어 선형성(Linearity)등에 나타난다. 이는 통상의 샤워헤드 타입의 반응용기 증착실 볼륨이 사이드 플로우 타입의 반응용기의 증착실 볼륨보다 더 크기 때문이다.
적절한 vacuum 퍼지를 이용할 경우에, 불활성가스만을 이용할 경우보다 퍼지 효율을 높일 수 있다. 간단히 설명하면 샤워헤드 타입에 있어 제2반응가스 분사전에 먼저 분사된 제1반응가스는 기판상에서 물론이거니와 샤워헤드 내부 볼륨내에서도 빠르게 퍼지되어야 한다. 그래야만 기상반응이 최대한 배제되고 포화표면반응만이 기판상에 일어날 수 있기 때문이다. 그러나 실상 제2반응가스가 기판상에 분사될 때 제1반응가스는 기판 표면상에만 흡착되어 있지 않고 기판상 공간 그리고 샤워헤드 내부 볼륨에도 여전히 존재하고 있다. 이러한 불필요한 반응가스를 다음 반응가스 유입전에보다 깨끗하고도 효율적으로 배기라인으로 빠져나가게 하기 위하여 vacuum 퍼지를 이용하는 것이다.
한편, 퍼지 효율을 고려하였을 때 반응가스 퍼지를 vacuum 퍼지만으로 실시하기보다는 퍼지가스의 유입과 더불어 퍼지를 실시할 필요가 있다. 그것은 박막두께의 균일성, 박막의 조성 제어등과 같은 요소를 고려해야 하기 때문이다.
다음, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치 및 박막증착방법의 제2실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제2실시예의 개략적 구성도이고, 도 6은 도 5의 ALD 박막증착장치의 상세 구성도이다. 여기서, 제1실시예와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일 부재이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치는, 적어도 하나 이상의 기판이 수납되어 증착되는 반응용기(100)와, 반응용기(100)와 연결되는 제1반응가스라인(200)과, 반응용기(100)와 연결되는 제2반응가스라인(300)과, 반응용기(100) 내의 가스가 배기되는 배기라인(500)을 포함한다.
제1반응가스라인(200)에는 제1반응가스를 공급하기 위한 제1반응가스공급부(210)와, 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스를 퍼지하기 위한 제1퍼지가스를 공급하는 제1퍼지가스공급부(220)가 연결된다.
제2반응가스라인(300)에는 제2반응가스 및/또는 제2메인퍼지가스를 공급하는 적어도 둘 이상의 제2반응가스공급유니트(3120A, 3120A', 3120A", ...)가 설치된다. 본 실시예에서는 2 개의 제2반응가스공급유니트(3120A)(3120A')가 설치된다.
첫 번째 제2반응가스공급유니트(3120A)는 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스를 공급하기 위한 제2반응가스공급부(310)와, 제2반응가스라인(300)으로 제2메인퍼지가스를 공급하는 제2메인퍼지가스공급부(320A)로 구성된다. 이때, 제2반응가스공급유니트(3120A)와 제2반응가스라인(300) 사이에는, 제2반응가스공급유니트(3120)를 경유한 가스(제2반응가스 및/또는 제2메인퍼지가스)의 흐름을 온/오프하는 메인밸브(V17a)가 설치된다.
두 번째 제2반응가스공급유니트(3120A')는 첫 번째 제2반응가스공급유니트와 유사한 구성을 가지며, 3120A' 제2반응가스공급유니트(3120A')와 제2반응가스라인(300) 사이에는 메인밸브(V17a')가 설치된다.
즉, 3120A 제2반응가스공급유니트와 3120A' 제2반응가스공급유니트에 있어 그 구성은 유사하며, 다른점은 반응가스를 생성하기 위하여 채용되는 액상원료의 종류가 다른 것과, 후술할 제2메인퍼지가스공급부(320A)의 제2메인퍼지가스가 제1반응가스라인(200)과 제2반응가스라인(300) 모두에 공급된다는 점이다.
상술한 메인벨브의 개수는 제2반응가스공급유니트의 개수에 비례하며, 만약 제2반응가스공급유니트가 3개 또는 4 개를 채용하면 메인밸브의 개수도 3개 또는 4개가 될 것이다. 이때, 메인밸브(V17a, 17a', 17a", ...)는 가능한 한 반응용기(100)와 근접된 위치의 가스라인에 설치되는 것이 바람직하다.
제1반응가스공급부(210)는, 제1반응가스로서 오존(03)을 발생하는 오존생성유닛(211)과, 오존생성유닛(211)에서 발생된 오존의 흐름량을 제어하는 오존흐름량제어기(212)와, 오존흐름량제어기(212)에서 제1반응가스라인(200)으로의 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩밸브(V4)와, 오존흐름량제어기(212)에서 배기라인(500)으로 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩바이패스밸브(V5)를 포함한다.
제1퍼지가스공급부(220)는, 유입되는 제1퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제1퍼지가스흐름량제어기(222)와, 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 제1반응가스라인(200)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지밸브(V6)와, 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 배기라인(500)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 포함한다.
첫 번째 제2반응가스공급유니트(3120A)의 제2반응가스공급부(310)는 액상원료 버블링기로서, 제2반응가스의 액상원료가 수용된 캐니스터(311)와, 캐니스터(311)로 유입되는 캐리어가스(불활성가스)의 유량을 제어하는 캐리어가스흐름량제어기(312)와, 캐니스터(311)에서 제2반응가스라인(300)으로의 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2피딩밸브(V9)와, 캐니스터(311)에서 배기라인(500)으로의 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2반응가스바이패스밸브(V10)와, 캐리어가스흐름량제어기(312)를 경유한 캐리어가스를 제2반응가스라인(300)으로 직접 흐르게 하기 위한 캐니스터바이패스밸브(V11)를 포함한다. 캐리어가스흐름량제어기(312)와 캐니스터(311) 사이, 그리고 캐니스터(311)와 제2반응가스라인(300) 사이에는 각각 밸브(V12)(V13)가 설치되고, 밸브(V12)(V13)와 캐니스터(311) 사이에 3 개의 매뉴얼밸브(M1)(M2)(M3)가 설치된다.
첫 번째 제2반응가스공급유니트(3120A)의 제2메인퍼지가스공급부(320A)는, 유입되는 제2메인퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)와, 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 제1반응가스라인(200)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2a메인퍼지밸브(V14a)와, 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2b메인퍼지밸브(V14b)를 포함한다.
상기한 제2a메인퍼지밸브(14a)와 제2a메인퍼지밸브(14b)는, ALD 싸이클이 진행되는 동안 둘중의 하나가 열리게 된다. 그럼으로써 제2a메인퍼지밸브(V14a)와 제2b메인퍼지밸브(14b) 사이에 가스압이 차지 않게 되고, 항시 일정한 압력으로 제2메인퍼지가스가 분사될 수 있도록 한다.
본 실시예에서도, 제2반응가스공급부(310)와 제2메인퍼지가스공급부(320A)로 구성되는 제2반응가스공급유니트(3120A)에는 제2반응가스라인(300)으로의 가스(제2반응가스 및/또는 제2메인퍼지가스)의 흐름을 온/오프하는 메인밸브(V17a)가 설치된다. 메인밸브(V17a)는 제2반응가스공급유니트(3120A)를 경유한 가스의 흐름을 한번에 온/오프하며, 메인밸브의 개수는 제2반응가스공급유니트(3120A)의 개수에 비례한다. 본 실시예에서, 2 개의 제2반응가스공급유니트(3120A)(3120A')가 채용되고, 따라서 2 개의 메인밸브(V17a)(V17a')가 채용된다.
본 발명의 제2실시예가 제1실시예와 구분되는 점은 제2메인퍼지가스공급부(320A)의 제2메인퍼지가스가 제1반응가스라인(200)과 제2반응가스라인(300) 모두에 공급된다는 점이다. 이러한 차이점에 의하여, 제2실시예는 제1실시예보다도 더 융통성있는 퍼지를 할 수 있다.
다음, 상기와 같은 ALD 박막증착장치의 제2실시예의 동작을 설명한다.
도 7은 도 6의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 일 실시예를 그래프로 도시한 도면이고, 도 8은 도 6의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 다른 실시예를 그래프로 도시한 도면이다.
a) 제1반응가스 피딩단계
제1반응가스 피딩단계(S1')는, 제1반응가스공급부(210)의 오존흐름량제어기(212) 및 제1피딩밸브(V4)를 통하여 오존을 제1반응가스라인(200)으로 흐르게 함으로서 이루어진다. 이때, 피딩이 이루어지지 않을 경우에는, 오존은 제1피딩바이패스밸브(V5)를 통하여 배기라인(500)으로 흘러야 한다. 이렇게 하여, 가스라인을 흐르는 오존의 압력 변화를 최소화할 수 있다. 한편, 제2반응가스라인(300)으로 제2메인퍼지가스공급부(320A)에 의하여 임의의 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급한다.
b) 제1반응가스 퍼지단계
제1반응가스 퍼지단계(S2')는, 제1반응가스라인(200)으로 오존의 공급을 중단하고 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에 의하여 제3유량(h2)으로 설정된 제1퍼지가스를 제1퍼지밸브(V6)를 통하여 제1반응가스라인(200)으로 흐르게 함으로써 이루어진다. 이때, 퍼지가 이루어지지 않을 경우, 제1퍼지가스는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 통하여 배기라인(500)으로 흘러야 한다. 이렇게 함으로서, 가스라인을 흐르는 제1퍼지가스의 압력 변화를 최소화할 수 있다. 한편, 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)의 상기 제2메인퍼지가스를 계속 흐르게 한다.
c) 제2반응가스 피딩단계
제2반응가스 피딩단계(S3')는, 캐리어가스에 의하여 이송되는 제2반응가스를 밸브(V13) 및 제2피딩밸브(V9)를 통하여 제2반응가스라인(300)으로 흐르게 함으로서 이루어진다. 이때, 피딩이 이루어지지 않을 경우에는, 제2반응가스는 제2반응가스바이패스밸브(V10)를 통하여 배기라인(500)으로 흘러야 한다. 이렇게 함으로써, 가스라인을 흐르는 제2반응가스의 압력 변화를 최소화할 수 있다. 한편, 제1반응가스라인(200)으로 제2메인퍼지가스공급부(320A)에 의하여 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급한다.
d) 제2반응가스 퍼지단계
제2반응가스 퍼지단계(S4')는, 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 공급을 중단하고, 캐리어가스흐름량제어기(312)에 의하여 제2유량(h1)으로 설정된 캐리어가스를 캐니스터바이패스밸브(11) 및 제2피딩밸브(V9)를 통하여 제2반응가스라인(300)으로 흐르게 함으로써 이루어진다. 이때, 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)의 제2메인퍼지가스를 계속 공급한다.
한편, 제2반응가스 퍼지단계(S4)에서 제2반응가스라인(300)으로 흐르게 되는 퍼지가스의 유량은 제1유량(h0)으로 될 수도 있음은 물론이다.
2 중 산화막을 증착하는 경우는, 제1실시예에서와 마찬가지로 첫 번째 산화막이 증착된 이후에, 첫 번째 제2반응가스공급유니트의 메인밸브(V17a)를 닫고, 두 번째 제2반응가스공급유니트의 메인밸브(V17a')를 열어 제1반응가스와 두 번째 제2반응가스공급유니트의 제2'반응가스와 교호적인 펄스를 통한 박막증착을 수행한다. 두 번째 제2반응가스공급유니트에 의한 박막증착도 첫 번째 제2반응가스공급유니트와 유사한 방법으로 원하는 두께까지의 박막을 증착한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 단일 산화막을 입히기 위해서라면 하나의 제2반응가스공급유니트만이 필요함은 물론이다.
본원은 도 8에 도시된 바와 같이 vacuum 퍼지를 응용하여 박막을 증착할 수 있다. 즉, 제1반응가스공급부(210)에서 오존이 발생되는 상태에서 오존바이패스밸브(V3)와 오존생성유닛(211)의 밸브(V1, V2)를 제외한 모든 밸브를 닫음으로써 실시되는 vacuum 퍼지단계를 상기한 제1반응가스 피딩단계(S1), 제1반응가스 퍼지단계(S2), 제2반응가스 피딩단계(S3), 제2반응가스 퍼지단계(S4) 사이의 임의의 경계에서 선별적으로 수행한다. 본 실시예에서는 제1반응가스 퍼지단계(S2)와 제2반응가스 피딩단계(S3) 사이의 경계에서 수행한다. 이 경우, 박막증착공정은 제1반응가스피딩 → 제1반응가스퍼지 → vacuum 퍼지 → 제2반응가스피딩 → 제2반응가스퍼지 → vacuum 퍼지 순으로 진행된다. 이는 제1반응가스피딩 → 제1반응가스퍼지 → 제2반응가스피딩 → 제2반응가스퍼지로 이루어지는 불활성가스만을 이용한 박막증착방법과 대비된다.
도 9는 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1,2실시예에 있어, 분할 증착 방법을 그래프로 도시한 도면이다. ALD 박막증착공정이 수행되는 동안에 MFC 에 설정된 유량이나 피딩/퍼지 시간의 길이를 바꾸는 것은 바람직하지 않다. 그러나, 일부러 기판 중심부분 두께를 볼록하게 올리거나 반대로 낮추는 조작을 할 경우 또는 TiN 박막의 예를 들면 큰 종횡비(Aspect Ratio)의 콘택홀을 가진 기판에 좋은 스텝커버리지와 증착속도를 동시에 고려하여 증착해야 할 경우 앞서 언급한 방법을 적절히 활용할 수 있다.
도면을 참조하면, 기판상에 첫 번째 박막은 총 N 번의 ALD 싸이클을 통하여 증착된다. 이 때 N 번의 싸이클을 X 와 Y 번으로 나누어, 첫번째 흐름량제어기들의 유량 설정 조합과 피딩/퍼지 타임 조합을 이용하여 X 번의 ALD 싸이클을 수행하고，두번째 흐름량제어기들의 유량 설정 조합과 피딩/퍼지 조합을 이용하여 Y 번의 ALD 싸이클을 수행한다. 제1반응가스로 NH3 를 예로 들고, 제2반응가스로 TiCl4 를 예로 들었으며, 피딩/퍼지 타임 조합은 고정시키고 제1반응가스인 NH3 유량만 변화시킨 경우이다. 이렇게 싸이클을 나눈 이유는 큰 종횡비의 콘택홀 내부에 X 싸이클 동안의 초기에 증착되는 TiN 박막은 접착층(Glue Layer)의 역할을 하도록 스텝커버리지가 상대적으로 좋게 증착되도록 하고, Y 싸이클 동안의 후기에 증착되는 TiN 박막은 스텝커버리지 보다는 상대적으로 증착속도가 높게 증착되도록 하기 위함이다. 그래서 유량(h1') > 유량(h1)으로 하였으며 Y 싸이클 동안에 NH3 유량이 더 높다. 일반적으로 TiCl4 가스를 이용하는 TiN 공정에 있어 TiCl4 / NH3 비는 스텝커버리지를 좌우하는 중요한 요소이다. 상기 비가 높아질수록 스텝커버리지는 좋아지는 대신에 대기에 노출되었을 때 막이 습기를 머금고 Cl condensation 이 발생할 확률이 높아진다. 반대로 상기 비가 낮아질 때 스텝커버리지가 나빠지는 대신에 대기 노출에 강해진다. 다른 모든 공정요소가 고정되어 있는 도 9 의 경우 후반부엔 스텝커버리지가 다소 떨어지게 되나 박막 증착 속도가 높고 대기/습기 노출에 대한 저항력이 커지게 된다.
첨부된 참조 도면에 의해 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 일 실시예에 불과하다. 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 바람직한 실시예를 충분히 이해하여 유사한 형태의 ALD 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법을 구현할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 ALD 박막증착장치 및 그를 이용한 박막증착방법에 따르면, 소정의 유량으로 설정된 캐리어가스와 메인퍼지가스를 반응가스 퍼지에 사용함으로써 퍼지 효율을 높일 수 있고, 우수한 스텝커버리지와 고유전율을 갖는 산화막을 보다 효과적으로 증착할 수 있다.
또한, 복수개의 반응가스공급유니트를 채용함으로써 단일산화막이나 적층산화막을 융통성있게 증착할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1실시예의 개략적 구성도,
도 2는 도 1의 ALD 박막증착장치의 상세 구성도,
도 3은 도 2의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 일 실시예를 그래프로 도시한 도면,
도 4는 도 2의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 다른 실시예를 그래프로 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제2실시예의 개략적 구성도,
도 6은 도 5의 ALD 박막증착장치의 상세 구성도,
도 7은 도 6의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 일 실시예를 그래프로 도시한 도면,
도 8은 도 6의 ALD 박막증착장치를 이용한 박막증착방법의 다른 실시예를 그래프로 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 ALD 박막증착장치의 제1,2실시예에 있어, 분할 증착 방법을 그래프로 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 ... 반응용기 200 ... 제1반응가스라인
210 ... 제1반응가스공급부 211 ... 오존생성유닛
212 ... 오존흐름량제어기 214 ... 오존제거기
220 ... 제1퍼지가스공급부 222 ... 제1퍼지가스흐름량제어기
300 ... 제2반응가스라인 310 ... 제2반응가스공급부
311 ... 캐니스터 312 ... 캐리어가스흐름량제어기
320, 320A ... 제2메인퍼지가스공급부
322 ... 제2메인퍼지가스흐름량제어기
3120, 3120', 3120A, 3120A' ... 제2반응가스공급유니트
500 ... 배기라인 V1, V2 ... 밸브
V3 ... 오존바이패스밸브 V4 ... 제1피딩밸브
V5 ... 제1피딩바이패스밸브 V6 ... 제1퍼지밸브
V7 ... 제1퍼지바이패스밸브 V9 ... 제2피딩밸브
V10 ... 제2반응가스바이패스밸브 V11 ... 캐니스터바이패스밸브
V12, V13 ... 밸브 V14 ... 제2메인퍼지밸브
V14a ... 제2a메인퍼지밸브 V14b ... 제2b메인퍼지밸브
V15 ... 제2메인퍼지바이패스밸브
V17, V17', V17a, V17a' ... 메인밸브
S1, S1' ... 제1반응가스피딩단계
S2, S2' ... 제1반응가스퍼지단계
S3, S3' ... 제2반응가스피딩단계
S4, S4' ... 제2반응가스퍼지단계

Claims (18)

  1. 적어도 하나 이상의 기판이 수납되어 증착되는 반응용기(100);
    상기 반응용기(100)와 연결되는 제1반응가스라인(200);
    상기 반응용기(100)와 연결되는 제2반응가스라인(300);
    상기 반응용기(100) 내의 가스가 배기되는 배기라인(500)과;
    제1반응가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제1반응가스공급부(210);
    제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하기 위한 제1퍼지가스공급부(220);
    제2반응가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2반응가스공급부(310)와, 제2메인퍼지가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2메인퍼지가스공급부(320)로 구성되는 적어도 둘 이상의 제2반응가스공급유니트(3120, 3120', 3120" ...);를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)는,
    제1반응가스인 오존을 발생하는 오존생성유닛(211)과, 상기 오존생성유닛(211)에서 발생된 오존의 흐름량을 제어하는 오존흐름량제어기(212)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩밸브(V4)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩바이패스밸브(V5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1퍼지가스공급부(220)는,
    유입되는 제1퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제1퍼지가스흐름량제어기(222)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지밸브(V6)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 배기라인(500)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2반응가스공급부(310)는,
    제2반응가스의 액상 원료가 수용된 캐니스터(311)와, 상기 캐니스터(311)로 유입되는 캐리어가스(불활성가스)의 유량을 제어하는 캐리어가스흐름량제어기(312)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2피딩밸브(V9)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 배기라인(500)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2반응가스바이패스밸브(V10)와, 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에서 상기 캐니스터(311)를 통과하지 않고 제2반응가스라인(300)으로의 캐리어가스의 흐름을 온/오프하는 캐니스터바이패스밸브(V11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320)는,
    유입되는 제2메인퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)와, 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2메인퍼지밸브(V14)와, 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2메인퍼지바이패스밸브(V15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2반응가스공급유니트(3120, 3120', 3120" ... ) 각각에는 상기 제2반응가스라인(300)으로의 가스의 흐름을 온/오프하는 메인밸브(V17, V17', V17"...)가 설치되는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항의 ALD 박막증착장치를 이용하는 것으로서,
    상기 제1반응가스공급부(210)로부터 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스를 공급하고, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급하는 제1반응가스 피딩단계(S1);
    상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스의 공급을 중단하고 상기 제1퍼지가스공급부(220)에 의하여 제3유량(h2)으로 설정된 제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하며, 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)의 상기 제2메인퍼지가스를 계속 공급하는 제1반응가스 퍼지단계(S2);
    상기 제2반응가스공급부(310)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 캐리어가스에 의하여 이송되는 제2반응가스를 공급하고, 상기 제1반응가스라인(200)으로 제3유량(h2)의 상기 제1퍼지가스를 계속 공급하는 제2반응가스 피딩단계(S3);
    상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 공급을 중단하고 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에 의하여 제2유량(h1)으로 설정된 캐리어가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하며, 상기 제1반응가스라인(200)으로 제3유량(h2)의 상기 제1퍼지가스를 계속 공급하는 제2반응가스 퍼지단계(S4);로 구성되는 1차 ALD 싸이클을 적어도 2 회 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1차 ALD 싸이클을 통하여 상기 기판상에 1차 박막을 증착한 후 2차 박막을 증착할 때, 상기 제1차 박막을 증착할 때 열려있던 메인밸브(V17)를 닫고, 다른 메인밸브(V17', V17",...) 중 어느 하나를 열어 수행하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1반응가스공급부(210)에서 오존이 발생되는 상태에서 오존바이패스밸브(V3)와 오존생성유닛(211) 내부의 밸브(V1,V2)를 제외한 모든 밸브를 닫음으로써 실시되는 vacuum 퍼지단계를 상기 ALD 싸이클내에 모든 단계들(S1, S2, S3, S4) 사이의 임의의 경계에서 선별적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  10. 적어도 하나 이상의 기판이 수납되어 증착되는 반응용기(100);
    상기 반응용기(100)와 연결되는 제1반응가스라인(200);
    상기 반응용기(100)와 연결되는 제2반응가스라인(300);
    상기 반응용기(100) 내의 가스가 배기되는 배기라인(500)과;
    제1반응가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제1반응가스공급부(210);
    제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하기 위한 제1퍼지가스공급부(220);
    제2반응가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하거나 상기 배기라인(500)으로 바이패스하는 제2반응가스공급부(310)와, 상기 제1반응가스라인(200) 및/또는 제2반응가스라인(300)으로 제2메인퍼지가스를 공급하는 제2메인퍼지가스공급부(320A)로 구성되는 적어도 둘 이상의 제2반응가스공급유니트(3120A, 3120A', 3120A", ...);를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1반응가스공급부(210)는,
    제1반응가스인 오존을 발생하는 오존생성유닛(211)과, 상기 오존생성유닛(211)에서 발생된 오존의 흐름량을 제어하는 오존흐름량제어기(212)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩밸브(V4)와, 상기 오존흐름량제어기(212)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로 오존의 흐름을 온/오프하는 제1피딩바이패스밸브(V5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1퍼지가스공급부(220)는,
    유입되는 제1퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제1퍼지가스흐름량제어기(222)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지밸브(V6)와, 상기 제1퍼지가스흐름량제어기(222)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로의 제1퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제1퍼지바이패스밸브(V7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제2반응가스공급부(310)는,
    제2반응가스의 원료가 수용된 캐니스터(311)와, 상기 캐니스터(311)로 유입되는 불활성가스의 유량을 제어하는 캐리어가스흐름량제어기(312)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2피딩밸브(V9)와, 상기 캐니스터(311)에서 상기 반응용기(100)를 경유하지 않고 상기 배기라인(500)으로 제2반응가스의 흐름을 온/오프하는 제2반응가스바이패스밸브(V10)와, 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에서 상기 캐니스터(311)를 통과하지 않고 제2반응가스라인(300)으로의 캐리어가스의 흐름을 온/오프하는 캐니스터바이패스밸브(V11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320A)는,
    유입되는 제2메인퍼지가스(불활성가스)의 흐름량을 제어하는 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322), 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 제1반응가스라인(200)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2a메인퍼지밸브(V14a)와, 상기 제2메인퍼지가스흐름량제어기(322)에서 상기 제2반응가스라인(300)으로의 제2메인퍼지가스의 흐름을 온/오프하는 제2b메인퍼지밸브(V14b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제2반응가스공급유니트(3120A, 3120A', 3120A"...) 각각에는 상기 제2반응가스라인(300)으로의 가스의 흐름을 온/오프하는 메인밸브(V17a, 17a', 17a", ...)가 설치되는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  16. 제10항 내지 제15항중 어느 한 항의 ALD 박막증착장치를 이용하는 것으로서,
    상기 제1반응가스공급부(210)로부터 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스를 공급하고, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320A)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급하는 제1반응가스 피딩단계(S1');
    상기 제1반응가스라인(200)으로 제1반응가스의 공급을 중단하고 상기 제1퍼지가스공급부(220)에 의하여 제3유량(h2)으로 설정된 제1퍼지가스를 상기 제1반응가스라인(200)으로 공급하며, 상기 제2반응가스라인(300)으로 제1유량(h0)의 상기 제2메인퍼지가스를 계속 공급하는 제1반응가스퍼지단계(S2');
    상기 제2반응가스공급부(310)로부터 상기 제2반응가스라인(300)으로 캐리어가스에 의하여 이송되는 제2반응가스를 공급하고, 상기 제2메인퍼지가스공급부(320A)로부터 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1유량(h0)으로 설정된 제2메인퍼지가스를 공급하는 제2반응가스 피딩단계(S3');
    상기 제2반응가스라인(300)으로 제2반응가스의 공급을 중단하고 상기 캐리어가스흐름량제어기(312)에 의하여 제2유량(h1)으로 설정된 캐리어가스를 상기 제2반응가스라인(300)으로 공급하며, 상기 제1반응가스라인(200)으로 제1유량(h0)의 상기 제2메인퍼지가스를 계속 공급하는 제2반응가스퍼지단계(S4');로 구성되는 1차 ALD 싸이클을 적어도 2 회 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1차 ALD 싸이클을 통하여 상기 기판상에 1차 박막을 증착한 후 2차 박막을 증착할 때, 상기 제1차 박막을 증착할 때 열려있던 메인밸브(V17a)를 닫고, 다른 메인밸브(V17a', V17a", ...)중 어느 하나를 열어 수행하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1반응가스공급부(210)에서 오존이 발생되는 상태에서 오존바이패스밸브(V3)와 오존생성유니(211)의 밸브(V1, V2)를 제외한 모든 밸브를 닫음으로써 실시되는 vacuum 퍼지단계를 상기 ALD 싸이클내에 모든 단계들(S1', S2', S3', S4') 사이의 임의의 경계에서 선별적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착방법.
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