KR100498609B1 - 배치형 원자층 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쓰루풋을 증대시키면서 표면저항 균일도 저하를 억제시키는데 적합한 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 원자층 증착 장치는 상부판, 하부판 및 측벽으로 이루어져 소정 체적을 이루는 챔버, 상기 챔버내에 위치하며 그 중앙으로부터 등거리에 방사형으로 복수매의 웨이퍼가 장착된 회전판, 상기 회전판의 상면 중앙에 대향하며 상기 상부판의 중앙을 관통하여 상기 웨이퍼위로 가스를 흘려보내는 방사형 샤워헤드, 및 상기 회전판의 저면과 소정 거리를 두고 상기 하부판상에 위치하며 상기 웨이퍼의 위치별 온도 조절이 가능한 히팅존을 갖는 히팅판을 포함한다.

Description

배치형 원자층 증착 장치{Batch type atomic layer deposition equipment}
본 발명은 원자층증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 장치에 관한 것으로, 특히 배치형(batch type) 원자층 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치의 제조 공정시, 박막을 균일하게 증착하기 위해 스퍼터링법(Sputtering), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 적용한다.
먼저 스퍼터링법은 플라즈마 상태에서 아르곤 이온을 생성시키기 위해 고전압을 타겟에 인가한 상태에서 아르곤 등의 비활성가스를 진공챔버내로 주입시킨다. 이 때, 아르곤 이온들은 타겟의 표면에 스퍼터되고, 타겟의 원자들은 타겟의 표면으로부터 제거된다.
이러한 스퍼터링법에 의해 기판과 접착성이 우수한 고순도 박막을 형성할 수 있으나, 공정 차이를 갖는 고집적 박막을 스퍼터링법으로 증착하는 경우에는 전체 박막위에서 균일도를 확보하기가 매우 어려워 미세한 패턴을 위한 스퍼터링법의 적용에는 한계가 있다.
다음으로, 화학기상증착법(CVD)은 가장 널리 이용되는 증착 기술로서, 반응가스와 분해가스를 이용하여 요구되는 두께를 갖는 박막을 기판상에 증착한다. 예컨대, 화학기상증착법(CVD)은 먼저 다양한 가스들을 반응챔버로 주입시키고, 열, 빛, 플라즈마와 같은 고에너지에 의해 유도된 가스들을 화학반응시키므로써 기판상에 요구되는 두께의 박막을 증착시킨다.
아울러, 화학기상증착법(CVD)에서는 반응에너지만큼 인가된 플라즈마 또는 가스들의 비(ratio) 및 양(amount)을 통해 반응조건을 제어하므로서 증착률을 증가시킨다.
그러나, 반응들이 빠르기 때문에 원자들의 열역학적(Thermaodynamic) 안정성을 제어하기 매우 어렵고, 화학기상증착법(CVD)은 박막의 물리적, 화학적 전기적특성을 저하시킨다.
마지막으로, 원자층 증착법(ALD)은 소스가스(반응가스)와 퍼지가스를 교대로 공급하여 원자층 단위의 박막을 증착하기 위한 방법으로서, 이에 의해 형성된 박막은 고종횡비를 갖고 저압에서도 균일하며, 전기적 물리적 특성이 우수하다.
최근에는, 화학기상증착법(CVD)이 매우 큰 종횡비(Aspect ratio)를 갖는 구조에는 단차피복성(Step coverage)의 한계로 적용이 어렵기 때문에, 이러한 단차피복성의 한계를 극복하기 위해 표면 반응을 이용한 원자층증착법(ALD)이 적용되고 있다.
도 1a은 종래기술에 따른 순회파형(Travelling wave) 방식의 원자층 증착 장치의 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 장치를 이용하여 원자층을 증착하기 위한 타이밍도이며, 도 1c는 도 1b에 따른 원자층의 증착 공정 단면도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 순회파형 방식의 챔버(10)는 터널형상이며, 챔버(10)내 바닥에 웨이퍼(11)가 장입되고, 챔버(10)의 일측에 소스가스, 반응가스 또는 퍼지가스가 주입되는 가스주입통로(12a, 12b)가 구비되며, 챔버(10)의 타측에는 가스를 배출하기 위한 펌프(13)가 구비된다.
상술한 순회파형 방식의 장치에서의 원자층 증착은, 도 1b에 도시된 타이밍도에 따라 도 1c와 같이 증착한다.
먼저 제1단계(T1)는 챔버내에 웨이퍼를 로딩시킨 후 챔버(10)내에 소스가스(A)를 주입하여 웨이퍼(11)상에 소스가스(A)을 화학흡착(Chemical absorption)시키는 과정이고, 제2단계(T2)는 비활성가스(inert gas) 등의 퍼지(Purge)가스를 주입하여 여분의 소스가스(A)를 배출시키는 과정이며, 제3단계(T3)는 반응가스(B)를 주입하여 웨이퍼상에 화학흡착된 소스가스(A)와 반응가스(B)의 표면반응을 유도하여 원자층(C)을 증착하는 과정이고, 제4단계(T4)는 다시 비활성가스 등의 퍼지가스를 주입하여 여분의 반응가스 및 반응부산물을 배출시키는 과정이며, 제1단계 내지 제4단계(T1∼T4)를 1사이클(1 cycle)로 하여 반복 진행하므로써 원하는 두께의 원자층 박막을 증착한다.
상술한 종래기술은 컨포멀(conforma)하고 균일(uniformity)한 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 소스가스와 반응가스를 비활성 가스로 서로 분리하여 챔버에 공급하기 때문에 화학기상증착법(CVD)에 비하여 가스위상반응(gas phse reaction)에 의한 파티클 생성을 억제할 수 있다.
또한, 소스가스와 웨이퍼의 다중충돌에 의해 소스가스의 사용효율을 개선시키고 사이클시간을 줄일 수 있다.
그러나, 상술한 종래기술은 쓰루풋(throughput)이 3∼4WPH(Wafer Per Hours)로 양산 적용시 많은 장치와 공간 및 유지 비용이 필요한 단점이 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 순회파형 방식의 원자층 증착장치는 상부 히터(14a) 및 하부 히터(14b)를 이용하여 히팅존(reaction zone)내의 온도를 균일하게 제어하기 때문에, 실질적으로 원자층이 증착될 웨이퍼(11)가 장착된 하부판(10b)은 물론 상부판(10a)에도 동시에 원자층(15)이 증착되는 문제가 있다.
더욱이, 순회파형 방식이기 때문에 원자층 증착이 이루어지는 히팅존의 뒷단[여기서, 뒷단은 가스들의 플로우가 끝나는 부분]은 히팅존 앞단에 비해 반응하고 남은 여분의 가스 및 더많은 반응부산물들(16)이 발생되고, 이들은 히팅존 뒷단의 웨이퍼상에 재증착(redeposition)될 확률이 크다.
결국, 균일한 온도 및 재증착으로 인해 원자층 박막의 비저항 특성 저하를 초래하게 되고, 이를 해결하기 위해 원자층증착 전후반 사이클 증착시 웨이퍼를 90° 회전시켜 두께 및 표면저항(sheet resistance; Rs) 균일도를 개선시켜야만 하는 제약이 따르므로 양산에 불리하다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 쓰루풋을 증대시키면서 표면저항 균일도 저하를 억제시키는데 적합한 원자층 증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자층 증착 장치는 상부판, 하부판 및 측벽으로 이루어져 소정 체적을 이루는 챔버, 상기 챔버내에 위치하며 그 중앙으로부터 등거리에 방사형으로 복수매의 웨이퍼가 장착된 회전판, 상기 회전판의 상면 중앙에 대향하며 상기 상부판의 중앙을 관통하여 상기 웨이퍼위로 가스를 흘려보내는 방사형 샤워헤드, 및 상기 회전판의 저면과 소정 거리를 두고 상기 하부판상에 위치하며 상기 웨이퍼의 위치별 온도 조절이 가능한 히팅존을 갖는 히팅판을 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 원자층 증착 장치는 상부판, 하부판 및 측벽으로 이루어져 소정 체적을 이루는 챔버, 상기 챔버내에 위치하며 그 중앙으로부터 등거리에 방사형으로 복수매의 웨이퍼가 장착된 회전판, 상기 회전판의 상면 중앙에 대향하며 상기 상부판의 중앙을 관통하여 상기 웨이퍼위로 가스를 흘려보내는 방사형 샤워헤드, 상기 회전판의 저면과 소정 거리를 두고 상기 하부판상에 위치하며 상기 웨이퍼의 위치별 온도 조절이 가능한 히팅존을 갖는 히팅판, 및 상기 상부판의 상면에 부착된 쿨링판을 포함함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자층 증착 장치를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 측벽(31c), 상부판(31a) 및 하부판(31b)으로 이루어지는 반응챔버(30), 반응챔버의 상부판(31a)의 중앙을 관통하여 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스 등의 가스를 방사 주입시키는 홀형 샤워헤드(32), 하부판(31b)상에 부착되며 웨이퍼의 위치별 온도조절이 가능한 히팅판(33), 하부판(31b)과 히팅판(33)의 중앙을 동시에 관통하는 회전축(34), 그 중앙으로부터 등거리에 복수매의 웨이퍼(36)가 안착되며 그 저면 중앙이 회전축(34)에 고정된 회전판(35), 회전판(35) 가장자리에 인접한 측벽(31c)을 따라 하부판(31b)을 관통하여 홀형 샤워헤드(32)로부터 유입된 가스를 외부로 배출시키는 배플(Baffle) 구조의 배출구(37)를 구비한다.
그리고, 히팅판(33)은 중앙으로부터 대칭되는 3개의 히팅존[원자층박막 증착을 위한 웨이퍼 히팅 구간을 세영역으로 구분함; Z1,Z2,Z3]으로 구분되며, 각 히팅존은 소정 간격을 갖는 고리형 아크등(ARC lamp; 33a)의 배열이다.
자세히 설명하면, 히팅판(33)은 회전판(35)의 바로 아래에 위치하는데, 3개의 히팅존 중 샤워헤드(32)로부터 가장 근접하는 제1히팅존(Z1)은 3개의 아크등(33a)으로 이루어지고, 회전판(35)의 가장자리에 근접하는 제3히팅존(Z3)은 하나의 아크등(33a)으로 이루어지며, 제1히팅존(Z1)과 제3히팅존(Z3) 사이의 제2히팅존(Z2)은 두개의 아크등(33a)으로 이루어진다.
따라서, 아크등(33a)의 파워율(power rate)을 조절하면 각 히팅존의 온도를 다르게 할 수 있다. 예컨대, 제2히팅존(Z2)에서의 아크등 파워율을 기준으로 제1히팅존(Z1)에서의 아크등 파워율을 높히고 제3히팅존(Z3)에서의 아크등파워율을 낮출 수 있으며, 반대로 제1히팅존(Z1)에서의 아크등 파워율을 낮추고 제3히팅존(Z3)에서의 아크등 파워율을 높힐 수 있다. 한편, 아크등의 파워율은 원자층박막이 증착될 웨이퍼의 온도를 결정하는 변수로서, 아크등의 세팅온도는 원자층박막이 증착될 온도로 웨이퍼를 히팅시킬 수 있는 온도이다.
그리고, 회전판(35)의 상면에는 웨이퍼(36)가 안착되는 안착용 홈(35a)이 구비되어 웨이퍼(36)의 저면에 원자층이 증착되는 현상을 방지함과 동시에 회전판(35) 회전시 웨이퍼(36)가 흔들리는 것을 방지한다.
상기한 구성을 갖는 원자층 증착 장치에서, 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스가 상부판(31a)의 중앙(즉, 홀형 샤워헤드)으로부터 공급되고, 공급된 가스들은 회전판(35)의 외측으로 순회파형의 플로우(flow)를 형성하며, 회전판(35) 외측의 배출구(37)를 통해 반응챔버(30) 외부로 펌핑된다.
그리고, 증착 균일도 확보 및 웨이퍼 장착을 위해 회전판(35)을 회전시키고, 회전판(35)의 저면에 막이 증착되는 것을 방지하기 위해 회전판(35)의 저면에는 항상 Ar 등의 비활성가스가 흐르고 있다. 여기서, 회전판(35)의 저면에 흐르는 비활성가스는 챔버의 외부로부터 별도의 가스주입라인(도시 생략)을 통해 공급한다.
상술한 바와 같이 제1실시예에서는, 홀형 샤워헤드(32)를 통해 반응챔버(30)의 중앙으로부터 가스가 공급되고, 회전판(35)에 복수매의 웨이퍼(36)를 안착시키며, 원자층 박막이 증착될 웨이퍼(36)의 온도를 세 히팅존(Z1,Z2,Z3)으로 구분하여 제어하므로써 표면저항 균일도를 확보한다.
한편, 고리형 아크등(33a)의 배열로 이루어지는 히팅판(33)은 웨이퍼(36)의 전영역에 걸쳐 균일한 온도를 유지시키는 대신 서로 다른 온도분포를 갖도록 하기 위해 각 히팅존의 히팅파워율(heating power rate)을 다르게 한다.
도 4a는 도 3에 도시된 히팅판의 상세 단면도이고, 도 4b는 도 3에 도시된 히팅판의 상세 평면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 히팅판(33)은 반응챔버의 하부판(31b)상에 구비된 절연물(33b)과 절연물(33b)상의 아크등(33a), 그리고 아크등(33a)을 덮는 석영(33c)으로 이루어진다. 여기서, 아크등(33a)은 전극사이에 전류가 흐를때 발생되는 아크의 발광을 이용한 등으로서, 텅스텐등이 주로 이용된다.
그리고, 도 4b에 도시된 것처럼, 회전축(34)에 근접한 아크등(33a)은 제1히팅존(Z1)을 이루고, 배출구(37)에 근접한 아크등(33a)은 제3히팅존(Z3)을 이루며, 제1히팅존(Z1)과 제3히팅존(Z3) 사이의 아크등(33a)은 제2히팅존(Z2)을 이루되 제2히팅존(Z2)의 온도가 히팅판(33) 세팅온도의 기준 온도가 된다.
도 4b에서 아크등의 배열을 제1히팅존(Z1)에는 3개, 제2히팅존(Z2)에는 2개 제3히팅존(Z3)에는 1개씩 배열시키고 있는데, 이는 각 히팅존의 온도를 다르게 하기 위함이다.
상술한 것처럼, 배출구에 근접한 제3히팅존(Z3)에 하나의 아크등만을 위치시키면 주입된 가스가 순회파형의 흐름을 갖게 됨에 따른 히팅존의 끝단(즉, 제3히팅존)에서의 여분의 가스 및 반응부산물들의 재증착 확률을 낮출 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 반응챔버를 이용하여 TiN을 증착한 후의 표면저항 균일도를 도시한 맵이다.
도 5의 결과를 얻기 위한 공정조건은, TiN을 증착하기 위해 3torr의 압력을 유지하는 반응챔버내에 소스가스로는 TiCl4를 50sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려주고, 반응가스로는 NH3를 1200sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려주며, 퍼지가스로는 아르곤(Ar)을 800sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려주고, 회전판의 저면에는 아르곤을 3000sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려준다.
그리고, 샤워헤드와 회전판간 간격은 3.5mm의 거리를 유지하고, 회전판을 5rpm의 속도로 회전시키며, 히팅부를 480℃로 세팅시키되 제1히팅존은 아크등의 파워율을 62%로 하고, 제2히팅존은 아크등의 파워율을 65%로 하며, 제3히팅존은 아크등의 파워율을 85%로 하여 웨이퍼의 온도를 480℃로 유지시킨다.
상술한 조건에 의해 TiN을 증착하는 경우, 평균표면저항은 72.6±7.51Ω/sq이고, 균일도는 10.3%(1σ)로 측정되었다.
한편, 도 5에 도시된 것처럼, 샤워헤드에 근접한 부분보다 배출구에 근접한 부분에서 TiN막내 Cl이 서로 다르게 함유되는 현상이 발생되는데, 즉 회전판의 중앙 부분에서는 Cl의 함유량이 작아 표면저항이 낮은 반면에 회전판의 가장자리 부분에서는 Cl의 함유량이 커 표면저항이 증가하는 문제가 발생된다.
따라서, TiN막내의 Cl 함유량을 균일하게 조절하기 위해서는 아르곤을 이용한 퍼지단계에서 Cl을 효율적으로 퍼지시키거나 또는 재증착된 Cl을 히팅존별 히팅을 통해 Cl을 탈리시킬 필요가 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자층 증착 장치의 구조도이다.
도 6을 참조하면, 측벽(41c), 상부판(41a) 및 하부판(41b)으로 이루어지는 반응챔버(40), 반응챔버(40)의 상부판(41a)의 중앙을 관통하여 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스 등의 가스를 방사 주입시키는 콘형 샤워헤드(42), 하부판(41b)상에 부착된 히팅판(43), 하부판(41b)과 히팅판(43)의 중앙을 동시에 관통하는 회전축(44), 복수매의 웨이퍼(46)가 안착되며 그 저면 중앙이 회전축(44)에 고정된 회전판(45), 회전판(45) 가장자리에 인접한 측벽(41c)을 따라 하부판(41b)을 관통하여 콘형 샤워헤드(42)로부터 유입된 가스를 외부로 배출시키는 배플 구조의 배출구(47), 상부판(41a)상에 부착된 쿨링판(48)을 구비한다.
여기서, 콘형 샤워헤드(42)는 홀형 샤워헤드에 비해 막증착 균일도가 향상되며, 쿨링판(48)을 상부판(41a)상에 위치시키므로써 상부판(41a)에 막이 증착되는 것을 방지한다.
그리고, 제1실시예와 동일하게, 히팅판(43)은 3개의 히팅존[원자층박막 증착을 위한 웨이퍼 히팅 구간을 세영역으로 구분함; Z1,Z2,Z3]으로 구분되며, 각 히팅존은 소정 간격을 갖는 고리형 아크등(43a)의 배열이다.
자세히 설명하면, 히팅판(43)은 회전판(45)의 바로 아래에 위치하는데, 3개의 히팅존 중 콘형 샤워헤드(42)로부터 가장 근접하는 제1히팅존(Z1)은 3개의 아크등(43a)으로 이루어지고, 회전판(45)의 가장자리에 근접하는 제3히팅존(Z3)은 하나의 아크등(43a)으로 이루어지며, 제1히팅존(Z1)과 제3히팅존(Z3) 사이의 제2히팅존(Z2)은 두개의 아크등(43a)으로 이루어진다.
따라서, 아크등(43a)의 파워율을 조절하면 각 히팅존의 온도를 다르게 할 수 있다. 예컨대, 제2히팅존(Z2)에서의 아크등 파워율을 기준으로 제1히팅존(Z1)에서의 아크등 파워율을 높히고 제3히팅존(Z3)에서의 아크등파워율을 낮출 수 있으며, 반대로 제1히팅존(Z1)에서의 아크등 파워율을 낮추고 제3히팅존(Z3)에서의 아크등 파워율을 높힐 수 있다. 한편, 아크등의 파워율은 원자층박막이 증착될 웨이퍼의 온도를 결정하는 변수로서, 아크등의 세팅온도는 원자층박막이 증착될 온도로 웨이퍼를 히팅시킬 수 있는 온도이다.
그리고, 회전판(45)의 상면에는 웨이퍼(46)가 안착되는 안착용 홈(45a)이 구비되어 웨이퍼(46)의 저면에 원자층이 증착되는 현상을 방지함과 동시에 회전판(45) 회전시 웨이퍼(46)가 흔들리는 것을 방지한다.
상기한 구성을 갖는 원자층 증착 장치에서, 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스가 상부판(41a)의 중앙(즉, 콘형 샤워헤드)으로부터 공급되고, 공급된 가스들은 회전판(45)의 외측으로 순회파형의 플로우(flow)를 형성하며, 회전판(45) 외측의 배출구(47)를 통해 반응챔버(40) 외부로 펌핑된다.
그리고, 증착 균일도 확보 및 웨이퍼 장착을 위해 회전판(45)을 회전시키고, 회전판(45)의 저면에 막이 증착되는 것을 방지하기 위해 회전판(45)의 저면에는 항상 Ar 등의 비활성가스가 흐르고 있다. 여기서, 회전판(45)의 저면에 흐르는 비활성가스는 챔버의 외부로부터 별도의 가스주입라인(도시 생략)을 통해 공급한다.
상술한 바와 같이 제1실시예에서는, 콘형 샤워헤드(42)를 통해 반응챔버(40)의 중앙으로부터 가스가 공급되고, 회전판(45)에 복수매의 웨이퍼(46)를 안착시키며, 원자층 박막이 증착될 웨이퍼(46)의 온도를 세 히팅존(Z1,Z2,Z3)으로 구부하여 제어하므로써 표면저항 균일도를 확보한다.
한편, 고리형 아크등(43a)의 배열로 이루어지는 히팅판(43)은 웨이퍼(46)의 전영역에 걸쳐 균일한 온도를 유지시키는 대신 서로 다른 온도분포를 갖도록 하기 위해 각 히팅존의 히팅파워율을 다르게 한다.
도 7은 도 6을 이용한 원자층 박막의 공정 개략도를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 콘형 샤워헤드(42)로부터 주입되는 가스는 입구보다 출구의 직경이 더 넓은 콘형 샤워헤드(42)를 통과하므로 웨이퍼(46)에 보다 많이 충돌되고, 퍼지 효과가 더 크다.
즉, 콘형 샤워헤드(42)가 가스가 주입되는 내측홀과 가스가 방출되는 외측홀로 구분되고 외측홀이 소정 각도(θ)를 갖고 넓어지고 있으므로, 외측홀 바로 아래의 회전판(45)에 충돌되는 양보다는 웨이퍼(46)에 충돌되는 양이 더 증가된다. 그리고, 웨이퍼(46)에 가까운 곳까지 가스흐름의 마진이 넓어지므로 퍼지시 회전판(45)의 가장자리까지 충분히 여분의 가스 및 반응부산물들을 퍼지시킬 수 있다.
더욱이, 상부판(41a)과 회전판(45)간 간격(d)을 넓히면 퍼지 효과가 더욱 개선된다. 즉, 간격(d)이 좁을 경우 제3히팅존(Z3)으로 갈수록 여분의 가스 및 반응부산물들이 더욱 많아져 이들로 인해 가스의 흐름이 방해를 받게 되고, 결국 제3히팅존(Z3)에서 잔류하는 가스들의 재증착을 초래한다. 반면, 간격(d)이 넓어지면 가스 흐름이 원활하여 충분히 여분의 가스 및 반응부산물을 충분히 퍼지시키므로 재증착을 억제한다.
그리고, 반응챔버의 상부판(41a) 외측에 쿨링판(48)을 부착하면, 상부판(41a)에 원자층이 증착되는 것을 방지할 수 있는데, 이를 위해 쿨링판(48)은 막 증착온도보다도 낮은 온도를 유지해야만 한다. 예컨대, 200℃∼230℃의 온도로 유지한다.
이처럼 반응챔버의 상부판(41a)에 막이 증착되는 것을 방지하면 반응부산물 생성을 억제시켜 퍼지효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
한편, 콘형 샤워헤드(42)의 외측홀의 각도(α)는 140°∼160°을 유지하는데, 140°보다 작은 경우에는 퍼지 효과가 저하되고, 160°보다 클 경우에는 웨이퍼상에 증착되는 막의 두께 균일도가 나쁘다. 예컨대, 160°보다 큰 경우, 콘형 샤워헤드(53)에 근접한 웨이퍼(46)의 가장자리로부터 더 멀어진 위치에서 막증착이 진행될 가능성이 높기 때문에 웨이퍼(46)의 안쪽에서의 두께가 바깥쪽에서의 두께에 비해 얇을 것이다.
그리고, 콘형 샤워헤드(42)와 회전판(45)간 간격(d)은 3.5mm∼7mm을 유지하는데, 그 간격이 3.5mm보다 작으면 퍼지효과가 저하되고, 그 간격이 7mm보다 크면 막증착이 불완전하여 표면저항 균일도가 나쁘다.
도 8은 도 6에 도시된 반응챔버를 이용하여 TiN을 증착한 후의 표면저항 균일도를 도시한 맵이다.
TiN을 증착하기 위해 3torr의 압력을 유지하는 반응챔버내에 소스가스로는 TiCl4를 50sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려주고, 반응가스로는 NH3를 1200sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려주며, 퍼지가스로는 아르곤(Ar)을 800sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려주고, 웨이퍼스테이지의 저면에는 아르곤을 3000sccm의 유량으로 1.2초동안 흘려준다.
그리고, 샤워헤드와 웨이퍼스테이지간 간격은 5mm의 거리를 유지하고, 웨이퍼스테이지를 5rpm의 속도로 회전시키며, 히팅부를 480℃로 세팅시키되 제1히팅존(Z1)은 아크등의 파워율을 55%로 하고, 제2히팅존(Z2)은 아크등의 파워율을 65%로 하며, 제3히팅존(Z3)은 아크등의 파워율을 95%로 하여 웨이퍼의 온도를 480℃로 유지시킨다.
그리고, 쿨링판은 200℃∼230℃를 유지하며, 샤워헤드의 외측홀의 각도는 160°이며, 내측홀의 직경은 1.0cm이다.
상술한 조건에 의해 TiN을 증착하는 경우, 도 8에 도시된 것처럼, 평균 표면저항은 72.9±2.99Ω/sq이고 표면저항 균일도는 3.7%임을 알 수 있다.
특히, 제3히팅존(Z3)에서의 표면저항이 평균표면저항에 근사함을 알 수 있는데, 이는 제3히팅존(Z3)의 증가된 파워율로 인해 Cl을 탈착시켰기 때문이다.
상술한 제2실시예는 제1실시예와 다르게 콘형 샤워헤드를 이용하고, 샤워헤드와 회전판간 간격을 더 넓히고, 제1히팅존의 파워율을 낯추고 제3히팅존의 파워율을 높히므로써 표면저항 균일도가 현저히 낮출 수 있다.
상술한 제1실시예 및 제2실시예에 의해 증착 가능한 원자층 박막으로는 TiN과 같은 질화물, 예컨대, SiN, NbN, ZrN, TiN, TaN, Ya3N5, AlN, GaN, WN, BN, WBN, WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN 및 AlTiN이다.
또한, 질화물외에도 금속산화물, 금속막도 증착 가능한데, 금속산화물로는 Al2O3, TiO2, HfO2, Ta2O5, Nb2 O5, CeO2, Y2O3, SiO2, In2O3 , RuO2, IrO2, SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba, Sr)TiO3, Pb(Zr, Ti)O3 , (Pb,La)(Zr,Ti)O3, (Sr, Ca)Ru03 및 (Ba,Sr)RuO3 로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나이고, 금속막으로는 Al, Cu, Ti, Ta, Mo, Pt, Ru, Ir, W 및 Ag로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나이다.
한편, 상술한 질화물, 금속산화물 및 금속막은 반도체소자의 제조 공정 중 게이트산화막, 게이트전극, 캐패시터의 상/하부전극, 캐패시터의 유전막, 확산배리어막, 금속배선으로 적용하고 있는 물질들로써 배치형 원자층증착장치의 적용가능성이 높다.
또한, 본 발명의 원자층증착장치는 200mm 웨이퍼를 4장 장착할 수 있는 큰 체적의 반응챔버이므로, 300mm 웨이퍼의 경우에도 200mm 웨이퍼에서 확보한 공정 조건을 그대로 사용 가능하다. 예컨대, 300mm 웨이퍼인 경우에는 3장의 웨이퍼가 하나의 챔버에 장착될 것이다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명은 세 개의 히팅존으로 구분하고 각 히팅존의 히팅파워율을 조절하므로써 표면저항 균일도가 개선된 원자층 박막을 얻을 수 있는 효과가 있다.
그리고, 배치당 4장의 웨이퍼를 장착시킬 수 있으므로 스루풋을 확보함과 동시에 양산공정에 유리한 효과가 있다.
도 1a은 종래기술에 따른 순회파형(Travelling wave) 방식의 원자층 증착 장치의 개략도,
도 1b는 도 1a의 장치를 이용하여 원자층을 증착하기 위한 타이밍도,
도 1c는 도 1b에 따른 원자층 박막의 공정 흐름도,
도 2는 종래기술의 문제점을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 배치형 원자층 증착 장치를 도시한 도면,
도 4a는 도 3에 도시된 히팅판의 상세 단면도,
도 4b는 도 3에 도시된 히팅판의 상세 평면도,
도 5는 도 3에 도시된 반응챔버를 이용하여 TiN을 증착한 후의 표면저항 균일도를 도시한 맵,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 배치형 원자층 증착 장치를 도시한 도면,
도 7은 도 6을 이용한 원자층 박막의 증착 상태를 도시한 도면,
도 8은 도6의 반응챔버를 이용하여 TiN을 증착한 후의 표면저항 균일도를 도시한 맵.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
40 : 반응챔버 41a : 상부판
41b : 하부판 41c : 측벽
42 : 콘형 샤워헤드 43 : 히팅판
44 : 회전축 45 : 회전판
46 : 웨이퍼 47 : 배출구
48 : 쿨링판

Claims (12)

  1. 상부판, 하부판 및 측벽으로 이루어져 소정 체적을 이루는 챔버;
    상기 챔버내에 위치하며 그 중앙으로부터 등거리에 방사형으로 복수매의 웨이퍼가 장착된 회전판;
    상기 회전판의 상면 중앙에 대향하며 상기 상부판의 중앙을 관통하여 상기 웨이퍼 위로 가스를 흘려보내는 방사형 샤워헤드;
    상기 회전판의 저면과 소정 거리를 두고 상기 하부판상에 위치하며 상기 웨이퍼의 위치별 온도 조절이 가능한 히팅존을 갖는 히팅판;
    상기 상부판의 상면에 부착되어 상기 상부판에 박막이 증착되는 것을 방지하기 위한 쿨링판; 및
    상기 회전판의 저면에 박막이 증착되는 것을 방지하기 위하여 상기 회전판의 저면에 일정한 유량의 비활성가스를 공급하는 수단
    을 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부판과 상기 히팅판의 중앙을 관통하여 상기 회전판의 저면 중앙에 접속된 회전축; 및
    상기 회전판의 가장자리에 근접하는 상기 측벽을 따라 상기 하부판을 관통하여 상기 샤워헤드로부터 유입된 가스를 외부로 배출시키는 배출구
    를 더 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히팅판은,
    상기 회전판의 저면 중앙에 대향하는 제1히팅존,
    상기 회전판의 저면 가장자리에 근접하는 제3히팅존; 및
    상기 제1히팅존과 상기 제3히팅존 사이의 제2히팅존
    을 갖는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2히팅존은 상기 제1히팅존보다 높고 상기 제3히팅존보다 낮은 히팅파워율을 갖고, 상기 제2히팅존의 히팅파워율을 고정시킨 상태에서 상기 제1히팅존의 히팅파워율을 낮아지면 상기 제3히팅존의 히팅파워율이 높아지는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1,2 및 제3히팅존은 아크등의 조합인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1히팅존은 3개의 아크등으로 이루어지고, 상기 제2히팅존은 2개의 아크등으로 이루어지며, 상기 제3히팅존은 하나의 아크등으로 이루어짐을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링판은 200℃∼230℃의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 방사형 샤워헤드는 가스가 주입되는 내측홀과 가스가 방출되는 외측홀을 갖되, 상기 외측홀은 상기 내측홀에 접하는 부분으로부터 점차 그 직경이 커지고 상기 상부판만을 관통하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상부판의 저면과 상기 외측홀이 이루는 각은 140°∼170° 사이인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상부판과 상기 회전판은 3.5mm∼7mm의 간격을 두고 이격된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
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