KR100529298B1 - Ｄｃ 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치 - Google Patents

Ｄｃ 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치 Download PDF

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Abstract

내부 공간을 갖는 반응실, 반응실 내부 공간의 일측에 배치되고 박막 형성을 위한 기판이 안치되는 기판 지지대, 반응실의 외측에 설치되어 반응실 내부 공간으로 리모트 플라즈마를 공급하기 위한 리모트 플라즈마 발생부, 리모트 플라즈마의 에너지를 조절할 수 있는 DC 바이어스부와, 반응실 내부로 박막 형성을 위한 소오스 가스를 공급하는 소오스 가스 공급부를 포함하는 원자층 증착 장치가 개시된다.

Description

ＤＣ 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치{Remote plasma atomic layer deposition apparatus using DC bias}
본 발명은 박막 형성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막을 원자층 단위로 형성하는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 장치에 관한 것이다.
박막은 반도체 소자의 절연층과 능동층, 액정 표시 소자의 투명 전극, 전기발광 표시 소자의 발광층과 보호층 등의 여러 용도로 응용되고 있으며, 기술의 발전에 따라 집적회로, 광전자 소자와 디스플레이 등에 수 nm에서 수십 nm까지 두께의 박막을 일정한 두께로 균일하게 형성할 필요가 커지고 있다.
이러한 박막은 일반적으로 물리적 증착 방법인 스퍼터링(sputtering)법, 증기(evaporation)법과 화학적 증착 방법인 화학 기상 증착법, ALD법 등에 의해 형성된다. 이 중에서 ALD법은 각 반응물의 주기적 공급을 통한 화학적 치환으로 반응물을 분해하여 박막을 형성하는 방법으로서, 기존의 다른 증착법에 비해 우수한 단차 피복성과 낮은 불순물 함량을 얻을 수 있고 저온 공정이 가능하며 막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있는 장점들을 가지고 있어, 메모리용 유전막, 확산방지막, 게이트 유전막 등의 반도체 제조기술의 핵심적 기술로 여겨지고 있다.
종래 ALD법에서는 할라이드(halide) 계통의 소오스 가스가 많이 사용되어져 왔으나, 할라이드 계열의 소오스는 장치를 부식시키고 증착 속도가 느리다는 단점이 있어 최근에는 유기 금속 소오스를 사용한 ALD법이 많이 연구되고 있다. 그러나, 유기 금속 소오스를 사용한 ALD법 역시 불순물 함량이 높고 박막의 낮은 밀도를 갖는 문제가 있다.
따라서, 불순물 제거와 박막의 밀도 개선을 위해, 플라즈마를 사용하여 표면 반응 속도를 높이고 낮은 온도에서 반응이 일어날 수 있도록 하는 플라즈마 인가 ALD법이 제시되었다. 그러나, 이를 실현하려는 종래의 ALD 장치에서는 플라즈마가 반응실의 내부에서 직접 발생되므로 기판과 박막에 직접적인 물리적 충격을 주어 박막이 손상되는 문제가 있다. 또한, 플라즈마의 에너지를 조절하는 기구가 제대로 마련되어 있지 않아 플라즈마 불균일로 인한 박막의 불균일이 문제되는 경우가 많이 보고되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 플라즈마에 의한 박막의 손상을 최소화시킬 수 있으며 보다 균일한 박막을 형성할 수 있는 플라즈마 ALD 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 플라즈마 ALD 장치는 내부 공간을 갖는 반응실, 상기 반응실의 내부 공간의 일측에 배치되고 박막 형성을 위한 기판이 안치되는 기판 지지대, 상기 반응실의 외측에 설치되어 상기 반응실 내부 공간으로 리모트 플라즈마를 공급하기 위한 리모트 플라즈마 발생부, 상기 리모트 플라즈마의 에너지를 조절할 수 있는 DC 바이어스부와, 상기 반응실 내부로 박막 형성을 위한 소오스 가스를 공급하는 소오스 가스 공급부를 포함하게 구성된다.
본 발명에 있어서, 소오스 가스를 상기 반응실의 내부 공간으로 유입시키기 위한 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 그럴 경우 리모트 플라즈마 발생부는 캐리어 가스 공급부와 연통되게 설치하는 것이 바람직하다.
기타 실시예의 구체적 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명에 의한 플라즈마 ALD 장치는 DC 바이어스와 리모트 플라즈마를 이용하는 것이 큰 특징이므로, "DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 ALD 장치"라고 부를 만 하다. 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 ALD 장치에 관한 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 ALD 장치의 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 장치(100)는 크게 박막 형성을 위한 내부 반응실(10)과 플라즈마를 발생하기 위한 리모트 플라즈마 발생부(30), 리모트 플라즈마를 조절하기 위한 DC 바이어스부(50)와 소오스 가스 공급부(70)로 나누어진다.
먼저, 본 발명의 장치(100)는 박막 형성 반응이 일어나는 내부 공간을 갖는 반응실(10)을 포함한다. 반응실(10) 내부 공간의 일측에는 기판 지지대(15)가 배치되어 있으며, 이 기판 지지대(15)에 박막 형성을 위한 기판(16)이 안치된다.
소오스 가스 공급부(70)는 반응실(10) 내부로 박막 형성을 위한 소오스 가스를 공급한다. 여기서, 소오스 가스 공급부(70)는 샤워 헤드(70a)와 샤워 헤드(70a)의 일단에 연결되어 소오스 가스를 샤워 헤드(70a)로 공급하는 소오스 가스 공급관(70b)으로 구성된 예를 도시하였다. 이렇게 샤워 헤드를 이용하는 경우 종래의 트래블링 방식에 비해 기판의 전면에 걸쳐 박막의 균일성을 확보할 수 있다. 그러나, 소오스 가스 공급부(70)는 링 타입 또는 트래블링 방식이어도 되며 여기에 언급되지 않은 다른 방식이어도 무방하다. 또한 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 한 종류 이상의 소오스 가스를 공급해야할 필요가 있는 경우를 고려하여, 하나 이상의 소오스 가스 공급관(70b)이 샤워 헤드(70a)에 연결되어 있을 수 있다. 대개의 경우, 특히 유기 금속 소오스 가스의 경우 여러 가지 독성을 함유할 수 있으므로, 샤워 헤드(70a)의 수명을 연장시키기 위해서는 소오스 가스에 대한 반응 저항성이 우수한 물질인 니켈로 샤워 헤드(70a)를 제작하는 것이 바람직하다.
본 발명의 장치(100)에는 반응실(10)로 연결되는 캐리어 가스 공급부(25)도 구비되는데, 이것은 소오스 가스를 반응실(10)의 내부 공간으로 유입시키기 위한 캐리어 가스의 공급을 담당한다. 그리고, 반응실(10)의 외측에는 캐리어 가스 공급부(25)와 연통되게 리모트 플라즈마 발생부(30)가 설치되어 있다. 리모트 플라즈마 발생부(30)는 반응실(10) 내부 공간으로 리모트 플라즈마를 공급한다. 플라즈마는 이온화 과정을 통해 기판(16)으로 활성 입자를 운반하여, 도포되는 박막 물질의 결합성을 향상시키고 박막 성장의 균일성을 증진시킨다.
도 1에서와 같이 소오스 가스 공급부(70)를 샤워 헤드 타입으로 구성한 경우, 샤워 헤드(70a)로부터 분사되는 소오스 가스와 리모트 플라즈마를 서로 분리된 경로로 기판(16) 측에 공급할 수 있도록 하기 위하여, 리모트 플라즈마 역시 샤워 헤드 타입으로 제공되게 샤워 헤드(70a)를 구성함이 바람직하다.
예를 들어 샤워 헤드(70a)의 개략적인 종단면 모양의 예를 도시한 도 2를 참조하면, 샤워 헤드(70a)에서 소오스 가스의 경로(S)와 리모트 플라즈마의 경로(P)가 분리되게 구성할 수 있다. 이를 위해서는, 도 3에 도시한 것처럼 샤워 헤드(70a) 저면에 소오스 가스 공급관(70b)을 통하여 공급된 소오스 가스를 반응실(10) 내부로 분사하기 위하여 소정 직경의 분사홀(72)들을 구비하는 것에 추가하여, 분사홀(72)과 별개로 리모트 플라즈마를 공급하기 위한 관통홀(74)을 더 형성한다. 그리고 나서, 이러한 샤워 헤드(70a)를 캐리어 가스 공급부(25)와 연결되게 설치한다. 그러면 리모트 플라즈마 발생부(30)로부터 발생된 플라즈마가 경로(P)를 통하여 기판(16) 측으로 공급될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 캐리어 가스 공급부(25)에는 리모트 플라즈마의 에너지를 조절할 수 있는 DC 바이어스부(50)가 더 설치된다. DC 바이어스부(50)는 두 개의 대향 전극(50a, 50b)으로 이루어지며, 제1 전극(50a)이 (+)인 경우 제2 전극(50b)이 (-)가 되며, 반대로 제1 전극(50a)이 (-)인 경우 제2 전극(50b)이 (+)가 된다. 대향 전극(50a, 50b)에 가해지는 전압을 조절하여 DC 바이어스를 조절함으로써, 궁극적으로는 플라즈마 안의 활성 입자 플럭스를 조절할 수 있게 된다. 따라서, ALD 공정에 맞는 적정한 플라즈마 발생이 가능해진다.
이와 같이, 본 발명 장치(100)의 DC 바이어스부(50)를 이용하면 RF 플라즈마에 발생하는 이온과 전자의 에너지 조절이 가능하여 플라즈마의 전자 방향 및 세기를 조절할 수 있다. 따라서, 소오스 가스의 적절한 에너지를 공급함으로 인해 원자층 박막 증착에 필요한 단원자층의 증착이 가능해진다.
이와 같이, 본 발명에 의한 ALD 장치는 리모트 플라즈마를 사용한다. 반응실(10) 외부에 설치된 리모트 플라즈마 발생부(30)로부터 발생되어 반응실 내부 공간으로 유입되면서 DC 바이어스부(50)에 의해 에너지가 조절된 리모트 플라즈마는, 종래와 같이 반응실 내부에서 직접 발생되는 플라즈마에 비하여 기판과 박막에 직접적인 충격을 가하지 않는다. 따라서, 플라즈마로 인한 기판 및 박막의 손상을 최소화시킬 수 있다. 그리고, 리모트 플라즈마로 증착시 반응로 내부에서의 리모트 플라즈마의 수명(lifetime)의 문제로 인하여 RF 플라즈마에 DC 바이어스를 적용시켜 RF 플라즈마의 주파수 영역대인 13.56MHz를 영향을 받지 않는 리모트 플라즈마가 반응로 내부에서 전구체(precursor)와 반응하여 안정된 리모트 플라즈마 형성을 기대할 수 있다.
본 발명의 용도가 다음에 제시하는 예에 한정되는 것은 아니지만, 이러한 본 발명의 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 ALD 장치를 이용하여 ALD 방법을 수행하는 하나의 예로서, 리모트 H2, N2, H2와 N2 혼합, O 2, NH3 플라즈마와 유기 금속 소오스를 주기적으로 공급하여 금속, 금속 산화물 또는 금속 질화물을 기판 상에 증착하는 방법이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에만 한정되는 것은 아니고 다양한 변경이나 변형이 가능하다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 대안, 변형 및 등가를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 ALD 장치는 리모트 플라즈마를 사용하는 것이 첫 번째 특징이고, 이러한 플라즈마의 활성 입자 플럭스를 DC 바이어스로써 조절한다는 것이 두 번째 특징이다.
반응실 외부에 설치된 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 발생부로부터 발생되어 반응실 내부 공간으로 유입되는 플라즈마는 반응실 내부에서 직접 발생되는 플라즈마에 비하여 기판에 직접적인 충격을 가하지 않으므로, 플라즈마로 인한 기판 및 박막의 손상을 방지할 수 있다.
또한, DC 바이어스를 이용하여 리모트 플라즈마의 에너지를 조절할 수 있어 소오스 가스의 적절한 에너지를 공급함으로 인해 원자층 박막 증착에 필요한 단원자층의 증착이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 장치에 구비된 샤워 헤드의 개략적인 종단면 모양의 예를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 장치에 구비된 샤워 헤드의 저면을 도시한 것이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10...반응실 15...기판 지지대
25...캐리어 가스 공급부 30...리모트 플라즈마 발생부
50...DC 바이어스부 70...소오스 가스 공급부
S...소오스 가스의 경로 P...리모트 플라즈마의 경로
100...DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치

Claims (5)

  1. 내부 공간을 갖는 반응실;
    상기 반응실의 내부 공간의 일측에 배치되고 박막 형성을 위한 기판이 안치되는 기판 지지대;
    상기 반응실의 외측에 설치되어 상기 반응실 내부 공간으로 리모트 플라즈마를 공급하기 위한 리모트 플라즈마 발생부;
    상기 리모트 플라즈마 발생부에서 발생하는 플라즈마의 이온과 전자의 에너지를 조절할 수 있는 DC 바이어스부; 및
    상기 반응실 내부로 박막 형성을 위한 소오스 가스를 공급하는 소오스 가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소오스 가스를 상기 반응실의 내부 공간으로 유입시키기 위한 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부를 더 포함하고, 상기 리모트 플라즈마 발생부는 캐리어 가스 공급부와 연통된 것을 특징으로 하는 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 DC 바이어스부는 상기 캐리어 가스 공급부에 설치된 것을 특징으로 하는 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 소오스 가스 공급부는 샤워헤드를 포함하고, 상기 샤워헤드는 상기 캐리어 가스 공급부와 연결되어 있어, 상기 리모트 플라즈마가 상기 기판 측에 샤워 헤드 타입으로 제공되는 것을 특징으로 하는 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 샤워헤드는 상기 소오스 가스를 상기 반응실 내부로 분사하기 위한 분사홀과, 상기 분사홀과 별개로 상기 리모트 플라즈마를 공급하기 위한 관통홀을 구비하여, 상기 소오스 가스가 상기 리모트 플라즈마와 분리된 경로로 상기 기판 측에 샤워 헤드 타입으로 제공되는 것을 특징으로 하는 DC 바이어스를 이용한 리모트 플라즈마 원자층 증착 장치.
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