KR100690177B1 - 원자층 증착설비 및 이를 이용한 원자층 증착방법 - Google Patents

원자층 증착설비 및 이를 이용한 원자층 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 원자층 증착설비는, 샘플이 안착되며 샘플 상부의 반응공간을 한정하는 챔버와, 챔버로 원료가스를 공급하는 공급라인과, 챔버 내의 반응가스를 배출하는 배출라인과, 그리고 챔버 내에서 발생되는 기체를 검출하는 질량분석계를 구비한다.
원자층 증착(ALD), 질량분석계, 반응 메커니즘, 공정제어

Description

원자층 증착설비 및 이를 이용한 원자층 증착방법{ALD chamber and ALD method using the same}
도 1은 종래의 원자층 증착설비를 개략적으로 나타내 보인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 원자층 증착설비의 일 실시예를 나타내 보인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 원자층 증착설비의 다른 실시예를 나타내 보인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 원자층 증착설비를 이용한 원자층 증착방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 플로챠트이다.
본 발명은 반도체소자 제조에 있어서 박막증착을 위한 원자층 증착설비 및 이를 이용한 원자층 증착방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체웨이퍼나 글라스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착시키는 방법으로서, 증기법, 화학기상증착법, 원자층증착법 등을 이용한 박막제조방법들이 사용된다. 이 중에서 원자층증착(ALD; Atomic Layer Deposition)법은 증 착제어력이 탁월하다는 점에서 차세대 박막증착방식으로 기대를 모으고 있다. 원자층증착공정에서 화학반응물질은, 화학기상증착법에서와 마찬가지로 증착설비에 가스형태로 공급된다. 화학기상증착법을 이용하여 막 증착의 경우 막 성장에 요구되는 모든 반응물질들이 웨이퍼 표면에 노출되면서 박막을 형성한다. 이에 반해 원자층증착법에 의한 경우 반응물질은 펄스형태로 공급되며 유동상태에서 퍼지가스에 의해 서로 격리된다. 이때 각 반응물질의 펄스가 웨이퍼표면과 화학적반응을 일으키며 정밀한 단층 막성장을 구현하는 것이다. 이와 같은 원자층증착법은 자기 제한적 반응특성을 가지고 있어 등방프로세스(conformal process)가 가능하므로 정밀한 막 두께 제어 구현이 가능하다.
도 1은 종래의 원자층 증착설비를 개략적으로 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 원자층 증착설비(110)는, 웨이퍼와 같은 샘플(100)이 배치되며 샘플(100) 상부의 반응공간을 한정하는 챔버(111)와, 챔버(111) 내의 반응공간으로 원료기체를 공급하는 공급라인(112)과, 그리고 챔버(111) 내의 반응공간에 있는 반응기체를 펌핑시스템으로 배출하는 배출라인(113)을 포함한다. 도면에서 챔버(111) 내의 화살표는 기체의 이동을 나타낸다.
이와 같은 원자층 증착설비를 사용하여 박막을 증착하는 경우, 박막 증착과정에서 원자층 증착설비 내의 반응 메커니즘에 관한 정보가 없으므로, 현재 박막 증착이 완료된 후 증착된 박막에 대한 여러 물성 측정들을 통해 결과물을 확인하였다. 이에 따라 박막 증착과정에서의 정확한 공정 제어, 예컨대 원료공급 여부나 박막특성 제어가 이루어지지 못하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 박막 증착 과정에서 반응 메커니즘을 모니터링 하여 정확한 공정 제어가 수행될 수 있도록 하는 원자층 증착설비를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기와 같은 원자층 증착설비를 이용한 원자층 증착방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 원자층 증착설비는, 샘플이 안착되며 상기 샘플 상부의 반응공간을 한정하는 챔버; 상기 챔버로 원료가스를 공급하는 공급라인; 상기 챔버 내의 반응가스를 배출하는 배출라인; 및 상기 챔버 내에서 발생되는 기체를 검출하는 질량분석계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 질량분석계는, 사중 극자 질량분석계일 수 있다.
상기 질량분석계는, 상기 샘플의 단부중에서 상기 배출라인에 인접한 단부의 기체를 검출할 수 있도록 배치될 수 있다.
상기 질량분석계는, 상기 배출라인의 입구의 기체를 검출할 수 있도록 배치될 수도 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 원자층 증착방법은, 샘플을 챔버 내로 로딩하는 단계; 상기 챔버 내에 원료가스를 공급하여 상기 샘플 위에 원자층 단위의 박막을 증착하는 단계; 질량분석계를 사용하여 상기 챔버 내의 기체를 검출하여 반응기체가 검출되는지의 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단결과 반응기체가 검출되는 경우 상기 원료가스의 공급을 계속하고, 상기 판단결과 반응기체가 검출되지 않고 상기 원료가스가 검출되는 경우 상기 원료가스의 공급을 중단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 2는 본 발명에 따른 원자층 증착설비의 일 실시예를 나타내 보인 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착설비(210)는, 웨이퍼와 같은 샘플(100)이 배치되며 샘플(100) 상부의 반응공간을 한정하는 챔버(211)를 구비한다. 챔버(211) 내의 화살표는 기체의 이동을 나타내는데, 여기서 기체는 원료기체와 반응기체로 구분될 수 있다. 원료기체는 박막재료의 원료로 사용되는 전구체(precursor)를 의미하며, 반응기체는 원료기체가 샘플(100) 표면과 반응하여 발생한 기체를 의미한다. 챔버(211)에는 챔버(211) 내의 반응공간으로 원료기체를 공급하는 공급라인(212)과, 그리고 챔버(211) 내의 반응공간에 있는 반응기체를 펌핑시스템으로 배출하는 배출라인(213)이 연결된다. 이 외에도 챔버(211)에는 질량분석계(214)가 배치되어 챔버(211) 내에서 일어나는 반응메커니즘을 모니터링할 수 있다.
질량분석계(214)로는, 전하에 대한 질량비에 기초하여 기체를 분석하는 사중 극자 질량분석계(QMA; Quadrupole Mass Analyzer)를 사용할 수 있다. 질량분석계(214)는 챔버(211) 내에서 샘플(100)의 단부에 가깝게 배치되어 샘플(100) 단부의 기체를 주로 검출하는데, 특히 배출라인(213)과 인접한 샘플(100) 단부에 배치된다.
이와 같은 질량분석계(214)는 챔버(211)내의 박막증착 과정에서의 반응메커니즘을 모니터링 하는데, 구체적으로 설명하면 박막재료의 원료로 사용되는 과량의 전구체, 즉 원료기체가 공급라인(212)을 통해 챔버(211) 내로 주입되면, 일반적인 원자층 증착 메커니즘에 의해 샘플(100) 표면에 반응하고, 그 반응이 포화되면 나머지 원료기체들은 배출라인(213)을 통해 외부로 배출되는 과정을 갖는다. 챔버(211) 및 배기라인(213)에 포함된 기체들은, 도면에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 크게 표면과 반응한 후에 생기는 기체와 반응을 하지 않는 기체, 즉 과량의 원료가 주입되어 반응이 포화된 상태에서 샘플(100)과 반응하지 않고 배출되는 기체의 두 가지로 구성된다.
원자층 증착반응이 진행되는 중이면, 질량분석계(214)에 의해 검출되는 기체에는 원료기체와 함께 샘플(100) 표면과 반응후 발생되는 반응기체들이 포함된다. 반면에 원자층 증착반응이 포화되어 종료되면 질량분석계(214)에서 검출되는 기체들의 질량은 원료물질들만 측정된다. 이에 따라 반응기체들의 질량측정을 피드백하여 공급라인(212)에 제어신호를 발생시켜 반응기체들이 계속적으로 측정되면 공급라인(212)을 열어놓고, 반응기체들의 신호가 질량분석계(214)에 보이지 않게 되면 반응종료로 더 이상의 원료공급은 의미가 없으므로 공급라인(212)을 닫는다. 이와 같이 질량분석계(214)를 사용하여 챔버(211) 내의 반응상황을 실시간으로 모니터링 함으로써 정확한 원자층 증착반응 및 원료공급을 제어할 수 있다. 또한 반응기체 질량분석을 통해 샘플(100) 표면에서 발생하는 원자층 증착 메커니즘에 대한 정보도 또한 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 원자층 증착설비의 다른 실시예를 나타내 보인 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착설비(310)는, 챔버(311)와, 공급라인(312)과, 배출라인(313)과, 그리고 질량분석계(314)를 포함한다는 점에서는 앞서 설명한 원자층 증착설비(도 2의 210)와 동일하지만, 질량분석계(314)의 위치가 배출라인(313)에 근접하게 배치된다는 점에서 상이하다. 즉 본 실시예에서와 같이, 질량분석계(314)가 배출라인(313)으로 배출되는 기체들을 주로 검출하도록 질량분석계(314)를 배치시킬 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 원자층 증착설비를 이용한 원자층 증착방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 플로챠트이다.
도 4를 참조하면, 먼저 샘플(100)을 챔버(211/311) 내로 로딩한다(단계 410). 다음에 챔버(211/311) 내에 원료가스를 공급하여 샘플(100) 위에 원자층 단위의 박막을 증착한다(단계 420). 다음에 질량분석계(214/314)를 사용하여 챔버(211/311) 내의 기체를 검출하여 반응기체가 검출되는지의 여부를 판단한다(단계 430). 이 판단결과 반응기체가 검출되는 경우에는 박막증착이 계속적으로 이루어지 고 있는 상태이므로, 공급라인(212/312)을 통해 원료가스의 공급을 계속한다. 그러나 반응기체가 검출되지 않고 원료가스가 검출되는 경우에는 박막증착이 완료되어 원자층 증착반응이 포화된 상태이므로, 공급라인(212/312)을 차단하여 원료가스의 공급을 중단한다(단계 440).
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원자층 증착설비 및 이를 이용한 원자층 증착방법에 따르면, 챔버 내에 질량분석계를 사용하여 기체를 검출함으로써 박막 증착 과정에서 반응 메커니즘을 모니터링 할 수 있으며, 모니터링 결과를 피드백하여 공정제어를 용이하게 수행할 수 있다는 이점이 제공된다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.

Claims (5)

  1. 샘플이 안착되며 상기 샘플 상부의 반응공간을 한정하는 챔버;
    상기 챔버로 원료가스를 공급하는 공급라인;
    상기 챔버 내의 반응가스를 배출하는 배출라인; 및
    상기 샘플의 단부 중에서 상기 배출라인에 인접한 단부, 또는 상기 배출라인의 입구에 배치되는 질량분석계를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질량분석계는, 사중 극자 질량분석계인 것을 특징으로 하는 원자층 증착설비.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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