KR100744528B1 - Apparatus for rf powered plasma enhanced atomic layer deposition using showerhead having gas separative type and the method - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치를 개략적으로 나타낸 도면.1 is a schematic view showing an ALD device using a gas separation showerhead to which RF power is applied according to the present invention.
도 2a는 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치의 절연체가 포함된 샤워헤드부의 일실시예를 개략적으로 나타낸 도면.Figure 2a schematically shows an embodiment of a showerhead portion including an insulator of an ALD device using a gas separation showerhead to which RF power is applied according to the present invention.
도 2b는 도 2a를 입체적으로 나타내는 도면 FIG. 2B is a three-dimensional view of FIG. 2A
도 3a는 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치의 절연체가 포함된 샤워헤드부의 다른 일실시예를 나타낸 도면.Figure 3a is a view showing another embodiment of the showerhead portion including the insulator of the ALD device using a gas separation showerhead to which RF power is applied according to the present invention.
도 3b는 도 3a를 입체적으로 나타내는 도면 FIG. 3B is a three-dimensional view of FIG. 3A
도 4a 및 도 4b는 도2a 및 도3a의 절연체부 및 그라운드부가 샤워헤드를 감싸는 것을 나타낸 도면.4A and 4B illustrate an insulator portion and a ground portion of FIGS. 2A and 3A surrounding a shower head.
도 5는 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치를 이용하여 원자층을 증착하는 방법의 일실시예를 나타낸 도면.5 is a view showing an embodiment of a method for depositing an atomic layer using an ALD device using a gas separation showerhead to which RF power is applied according to the present invention.
도 6은 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치의 샤워헤드내 가스의 역류 방지를 위한 구성을 개략적으로 나타낸 도면.6 is a view schematically showing a configuration for preventing backflow of gas in a showerhead of an ALD device using a gas separation showerhead to which RF power is applied according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
1 : 반응 챔버 100 : 가스 공급부1: reaction chamber 100: gas supply part
110: 제1 전구체 공급원 120: 제2 전구체 공급원110: first precursor source 120: second precursor source
130 : 퍼지가스 공급원 140 : 불활성가스 공급원 130: purge gas supply source 140: inert gas supply source
200 : 샤워헤드부 210 : 제1 전구체 공급관 200: shower head portion 210: first precursor supply pipe
211 : 제1 전구체 분사홀 220 : 제2 전구체 공급관 211: first precursor injection hole 220: second precursor supply pipe
221 : 제2 전구체 분사홀 230 : 가스분리모듈221: second precursor injection hole 230: gas separation module
240 : 혼합가스 분사모듈 241 : 절연체부240: mixed gas injection module 241: insulator
242 : 그라운드부 250 : 혼합 분사구242: ground portion 250: mixing nozzle
300 : 파워인가부 400 : 배기부 300: power on 400: exhaust
v/v : 밸브v / v: valve
본 발명은 반도체 박막 증착 장치 중에서 원자층 증착 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 적용한 플라즈마 원자층 증착 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an atomic layer deposition apparatus and a method thereof in a semiconductor thin film deposition apparatus, and more particularly, to a plasma atomic layer deposition apparatus and a method using a gas separation type shower head to which RF power is applied.
반도체 소자의 고집적화가 진행되면서 미세 패터닝된 구조를 매립하거나 도포하기 위해 기존의 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, 이하 CVD라 한다) 공정에 비해 스텝 커버리지가 더욱 우수한 공정이 필요하게 되었고 그 대안으로 불순물을 최대한 억제하면서 균일한 두께로 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, 이하 ALD라 한다) 공정이 주로 사용되고 있다. As the integration of semiconductor devices progresses, a process with better step coverage is required compared to a conventional chemical vapor deposition (CVD) process in order to fill or apply a fine patterned structure. Atomic layer deposition (hereinafter referred to as ALD) process that can form a thin film with a uniform thickness while suppressing it as much as possible is mainly used.
ALD는 화학적으로 달라붙는 현상을 이용해 웨이퍼 표면에 분자를 흡착시킨 후 치환시켜 흡착과 치환을 번갈아 진행하기 때문에 초미세 층간(layer-by-layer) 증착이 가능하고 산화물과 금속박막을 최대한 얇게 쌓을 수 있는 특징이 있다. 또 CVD보다 낮은 온도(500℃ 이하)에서 우수한 막질을 형성할 수 있어 시스템온칩(SoC) 제조에 적합하다는 것이 큰 장점이다.ALD absorbs molecules on the surface of the wafer by chemically adhering and then replaces them by alternately adsorbing and replacing them, enabling ultra-layer-by-layer deposition and stacking oxide and metal thin films as thinly as possible. There is a characteristic. In addition, since it is possible to form excellent film quality at a lower temperature (500 ℃ or less) than CVD, it is a great advantage that it is suitable for system-on-chip (SoC) manufacturing.
일반적인 ALD 공정을 위해서는 ALD 공정온도에서 반응기체와 증착기체의 반응성이 커야 하기에 CVD 공정에 비하여 전구체의 선택폭이 좁으며 이를 극복하기 위해 반응챔버내에서 플라즈마를 인가하는 방법을 통하여 반응기체의 반응성을 향상시켜 박막을 증착하는 방법이 사용되고 있다.For the general ALD process, since the reaction between the reactant and the deposition gas at the ALD process temperature is large, the choice of precursors is narrower than that of the CVD process. The method of depositing a thin film by improving this is used.
이러한 플라즈마 원자층 증착 공정에 있어서 기판이 탑재된 반응챔버내에 플라즈마를 인가하면 근접한 기판상에 형성되었거나 형성중인 반도체 소자나 기판이 손상될 수 있으며 이러한 플라즈마에 의한 손상을 최소화하기 위해 플라즈마 발생원을 기판으로부터 독립시키는 리모트 플라즈마 시스템을 사용하는 것이 일반적이다.In the plasma atomic layer deposition process, applying a plasma to a reaction chamber in which a substrate is mounted may damage a semiconductor device or a substrate formed or being formed on an adjacent substrate, and in order to minimize the damage caused by the plasma, the plasma generation source may be removed from the substrate. It is common to use an independent remote plasma system.
그러나, 종래의 리모트 플라즈마 ALD 공정에 사용되는 ALD 장치는 리모트 플라즈마 챔버가 증착 챔버의 외부에 위치하여 있으며 공급 라인을 통하여 증착 챔버로 이온화된 소스를 공급하는 동안 재결합으로 인해 플라즈마 효율이 감소되며 가 스 공급 라인의 구성이 다소 복잡한 문제가 있었다.However, the ALD apparatus used in the conventional remote plasma ALD process has a remote plasma chamber located outside the deposition chamber and the plasma efficiency is reduced due to recombination while supplying an ionized source through the supply line to the deposition chamber. The configuration of the supply line had a rather complicated problem.
또한 그 샤워헤드의 구조가 증착 기체와 반응 기체가 개별적으로 공급되고, 샤워헤드에서 분사될 때에도 서로 다른 최종 분사구의 존재로 인하여 가스 흐름의 변화에 의한 공정조건의 일관성을 방해하고, 반응시간이 증가되는 단점이 있었다.In addition, the structure of the showerhead prevents the uniformity of process conditions due to the change of gas flow due to the presence of different final nozzles even when the deposition gas and the reaction gas are supplied separately, and when the shower head is sprayed, and the reaction time increases. There was a disadvantage.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 샤워헤드에 직접 RF 파워를 인가하여 플라즈마를 발생시켜 최소 경로에 의한 플라즈마 손실의 최소화 및 가스 공급 라인의 구성을 단순화하고 증착 기체와 반응 기체의 분리 공급 및 이동이 가능하며, 증착 기체와 반응 기체의 최종 분사구가 하나의 혼합 분사구로 동일한 샤워헤드를 이용하여 샤워헤드 내에서의 부산물의 발생을 억제하고, 원자층 증착시 챔버 내에서 가스 흐름의 균일성을 유지할 수 있는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, by applying RF power directly to the showerhead to generate a plasma to minimize the plasma loss due to the minimum path and to simplify the configuration of the gas supply line and the deposition gas and the reaction gas Separate injection and transport of the gas, the final injection of the deposition gas and the reaction gas using the same shower head to suppress the generation of by-products in the shower head using the same shower head, the gas flow in the chamber during atomic layer deposition It is an object of the present invention to provide an ALD apparatus and method using a gas separation shower head that can maintain the uniformity of the.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용하여 원자층 증착(atomic layer deposition, 이하 ALD라 한다)을 하기 위한 장치에 있어서, 제1 전구체가 공급되는 제1 전구체(precursor) 공급원, 제2 전구체가 공급되는 제2 전구체 공급원, 퍼지 가스 공급원, 비활성가스 공급원 및 상기 각각의 가스의 개폐 및 유량을 조절하는 다수의 밸브를 구비하는 가스 공급부; 상부에 상기 제1 전구체 공급원과 연결된 제1 전구체 공급관, 제2 전구체 공급원과 연결되는 제2 전구체 공급관을 구비하고, 하부에 상기 제1 전구체, 제 2 전구체, 퍼지 가스 및 불활성 가스가 반응 챔버 내부로 개별적으로 분사되는 혼합 분사구, 절연체를 포함하며 파워인가부로부터 발생된 플라즈마의 영향을 차단하는 혼합가스 분사모듈을 구비하는 샤워헤드부; 상기 샤워헤드 외부에 위치하며 상기 샤워헤드에 소정의 주파수를 갖는 파워를 인가하여 반응기체를 플라즈마 상태가 되도록 하는 파워 인가부: 및 배기펌프를 구비하며, 상기 퍼지 가스가 반응 챔버 내부로 분사될 때에 반응 챔버 내부의 잔류 가스를 반응 챔버 외부로 배출하는 배기부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a device for performing atomic layer deposition (hereinafter referred to as ALD) using a gas separation showerhead to which RF power is applied, the first precursor supplied with a first precursor. (precursor) a gas supply having a source, a second precursor source to which the second precursor is supplied, a purge gas source, an inert gas source and a plurality of valves to control the opening and closing of each gas; A first precursor supply pipe connected to the first precursor source and a second precursor supply pipe connected to the second precursor source, and a lower portion of the first precursor, the second precursor, a purge gas, and an inert gas into the reaction chamber. A shower head unit including a mixed injection hole separately injected and an insulator and including a mixed gas injection module to block the influence of the plasma generated from the power applying unit; A power applying unit positioned outside the shower head and applying a power having a predetermined frequency to the shower head to bring the reactor body into a plasma state, and an exhaust pump, wherein the purge gas is injected into the reaction chamber. And an exhaust unit for discharging residual gas inside the reaction chamber to the outside of the reaction chamber.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치를 개략적으로 나타낸 것으로, 가스 공급부(100), 샤워헤드부(200), 파워인가부(300) 및 배기부(400)로 구성된다.1 schematically shows an ALD apparatus using a gas separation type shower head to which RF power is applied according to the present invention, and includes a
증착기체, 반응기체, 퍼지가스 및 불활성가스가 공급되는 가스 공급부(100)는 제1 전구체(precursor1)가 공급되는 제1 전구체 공급원(110), 제2 전구체(precursor2)가 공급되는 제2 전구체 공급원(120), 퍼지 가스 공급원(130), 불활성가스(Inert Gas) 공급원(140) 및 각 가스의 개폐 및 유량을 조절할 수 있는 다수의 밸브(v/v 1 ~ v/v 4)로 구성된다.The
도 2a는 본 발명에 의한 ALD 장치의 샤워헤드부를 개략적으로 나타낸 것으로, 제1 전구체 공급관(210), 제2 전구체 공급관(220), 가스분리모듈(230), 혼합가스 분사모듈(240), 혼합 분사구(250) 및 파워인가부(300)로 구성된다. Figure 2a schematically shows a showerhead of the ALD device according to the present invention, the first
제1 전구체 공급관(210)과 제2 전구체 공급관(220)은 제1 전구체와 제2 전구체가 샤워헤드부(200)로 분리되어 공급될 수 있도록 분리되어 있고, 가스 분리 모듈(230)에서는 제1 전구체와 제2 전구체가 분리되어 분사되도록 제1 전구체와 제2 전구체를 분리하여 제공하며, 제1 전구체와 제2 전구체는 별도의 분사구를 통하여 분사되지 않고, 혼합 분사구(250)를 공동으로 경유하여 반응챔버(1) 내부로 분사된다.The first
파워인가부(300)는 제2 전구체가 샤워헤드로 공급되기 전에, 샤워헤드 상부에 직접 소정의 파워를 인가하여 분사되는 제2 전구체가 플라즈마 상태가 되도록 한다. The
혼합가스 분사 모듈(240)은 본 발명의 샤워헤드 하단에 위치하며, 파워인가부(300)로부터 발생된 플라즈마의 영향을 차단하여 반응가스 공급시 기판 등에 플라즈마의 영향이 미치지 않도록 한다.The mixed
혼합가스 분사 모듈(240)은 2가지 경우로 다시 나눌 수 있다.The mixed
도 2a에 나타낸 것과 같이 혼합가스 분사 모듈(240)이 Al2O3와 같은 절연체부(241)와 절연체부(241) 하부에 위치하는 알루미늄 재질의 그라운드부(242)로 구성되는 경우와 도 3a에 나타낸 것과 같이 혼합가스 분사 모듈(240)이 Al2O3와 같은 절연체로만 구성되는 경우이다.As shown in FIG. 2A, the mixed
도 3a와 같이 그라운드부는 없어도 무방하지만, 도 2a와 같이 그라운드부(242)가 존재하는 경우 절연체부(241)에 의해 차단된 플라즈마의 영향을 더욱 낮 도록 하여 기판 등에 플라즈마의 영향이 미치지 않도록 한다.Although there may be no ground portion as shown in FIG. 3A, when the
본 발명에서 이용되는 절연체는 Al2O3, AlN 등의 세라믹 물질 계열과 테프론(Teflon) 등의 고분자물질 계열을 포함한다. 즉, Al2O3, AlN 등의 세라믹 물질 또는 테프론(Teflon) 등의 고분자 물질 중에서 어느 하나일 수도 있고, 또는 세라믹 물질과 고분자 물질의 복합체일 수도 있다.The insulator used in the present invention includes a ceramic material series such as Al 2 O 3 and AlN and a polymer material series such as Teflon. That is, any one may be a ceramic material such as Al 2 O 3 , AlN or a polymer material such as Teflon, or may be a composite of a ceramic material and a polymer material.
혼합가스 분사 모듈(240)의 모양은 공정 목적에 맞게끔 여러 가지 모양으로 이루어질 수 있어서, 종래 발명의 다수의 공동전극의 다양한 모양에 의한 효과를 그대로 낼 수 있다.
도 2b는 도 2a에 도시된 샤워헤드부의 가스분리모듈(230), 혼합가스 분사모듈(240)의 일부를 입체적으로 도시한 것이다.
도 2b를 참조하면, 제2 전구체 공급관(220)은 혼합 분사구(250)의 중앙에 위치하는 다수의 제2 전구체 분사홀(221) 각각과 연결되고, 제1 전구체 공급관(210)은 제2 전구체 분사홀(221)을 둘러싸는 공간인 다수의 제1 전구체 분사홀(211) 각각과 연결되어 있으며, 다수의 제1 전구체 분사홀(211)과 다수의 제2 전구체 분사홀(221)은 서로 격리되어 있다.
또한, 제2 전구체 분사홀(221)은 그 끝의 위치를 혼합가스 분사 모듈(240)의 상판에서부터 하판까지 조절할 수 있고, 그 폭도 조절 할 수 있다.The shape of the mixed
FIG. 2B is a three-dimensional view of a part of the
Referring to FIG. 2B, the second
In addition, the second
가스 공급부(100)의 퍼지가스 공급원(130)은 샤워헤드부(200)의 제1 전구체 공급관(210) 또는 제2 전구체 공급관(220) 중의 어느 하나의 공급관과 연결되어 있으며, 증착시 제1 전구체 또는 제2 전구체가 분사된 후 또는 역류 방지를 위해 제1, 제2 전구체와 함께 소정의 퍼지 가스가 혼합 분사구(250)를 통하여 챔버(1) 내부로 분사된다.The
배기펌프를 구비하는 배기부(400)는 퍼지 가스가 반응 챔버(1) 내부로 분사될 때에 반응 챔버(1) 내부의 잔류 가스 등을 외부로 배출하며, 또한 가스 공급부(100)의 제1 전구체 공급원(110) 또는 제2 전구체 공급원(120)과 직접 연결되어, 제1 전구체가 샤워헤드(200)로 분사되는 경우에는 제2 전구체 공급원(120)으로부터 제2 전구체를 반응 챔버(1)를 통하지 않고 직접 배기펌프로 흐르게 하고, 제2 전구체가 샤워헤드로 분사되는 경우에는 반대로 제1 전구체 공급원(110)으로부터 제1 전구체를 반응 챔버(1)를 통하지 않고 직접 배기펌프로 흐르게 한다.The
도5는 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법을 도시한 도면이다5 is a diagram illustrating an atomic layer deposition method using plasma according to an embodiment of the present invention.
먼저 제1전구체 공급관(210)을 통해 증착 기체를 기판 표면에 흡착시키고(S501) 흡착이 완료된 후 퍼지 공정을 통해 여분의 증착 기체를 제거한다.(S502)First, the deposition gas is adsorbed onto the surface of the substrate through the first precursor supply pipe 210 (S501), and after the adsorption is completed, excess deposition gas is removed through the purge process (S502).
다음에 RF 파워를 샤워헤드(200)에 직접 인가하여 Plasma ON 상태를 만들고(S503) 제2전구체 공급관(220)을 통해 반응 기체를 공급하여 증착 기체와 반응을 일으킨다.(S504)Next, RF power is directly applied to the
상기 반응을 통해 막을 형성한 후 RF 파워를 차단하여 Plasma OFF 상태를 만들고(S505) 퍼지 공정을 통해 챔버내의 여분의 기체 및 불순물을 제거한다.(S506)After the film is formed through the reaction, the RF power is cut off to form a plasma OFF state (S505), and the excess gas and impurities in the chamber are removed through a purge process (S506).
표 1은 도 5에 도시된 원자층 증착 방법에 있어서 다수의 밸브(v/v 1 ~ v/v 4)의 동작 순서의 일예를 나타낸 것이다.Table 1 shows an example of the operation sequence of the plurality of valves (v /
[표 1]TABLE 1
한편 표 2는 도 6에 도시된 샤워헤드내 역류 방지를 위한 구성에 있어서 밸브의 동작 순서를 나타낸 것이다.On the other hand, Table 2 shows the operation sequence of the valve in the configuration for preventing the back flow in the shower head shown in FIG.
[표 2]TABLE 2
여기서 RUN은 반응 챔버(1)로 흐르는 것을, OPEN은 밸브가 열려있는 것을, CLOSE는 밸브가 닫혀있는 것을, 그리고 DIVERT는 반응 챔버(1)로 흐르지 않고 배기펌프(30)로 직접 흐르는 것을 의미한다.Where RUN means that it flows into the
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention has been described by way of example only, and is not intended to limit the present invention. In addition, it is apparent that any person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs may make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치는 샤워헤드에 직접 RF 파워를 인가하여 플라즈마를 발생시켜 최소 경로를 통한 공급을 통해 플라즈마 손실을 최소화하고 기존의 리모트 플라즈마를 통한 ALD 공정에서의 가스 공급 라인에 비하여 그 구성을 단순화 할 수 있고 기판에서 플라즈마에 의한 손상이 거의 없으며 샤워헤드 내에서 증착기체와 반응기체가 서로 반응하지 않으므로 샤워헤드 내부에서 부산물의 발생을 억제할 수 있는 장점이 있다.As described above, the ALD apparatus using the gas separation type showerhead to which the RF power is applied according to the present invention generates plasma by applying RF power directly to the showerhead to minimize plasma loss through supply through a minimum path, and Compared to the gas supply line in the ALD process through the remote plasma, the configuration can be simplified, there is little damage by plasma in the substrate, and the deposition gas and the reactant gas do not react with each other in the shower head, so that the by-products are generated inside the shower head. There is an advantage that can be suppressed.
또한 본 발명에 의한 RF 파워가 인가되는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 ALD 장치는 샤워헤드에서 증착기체와 반응기체가 분사되는 최종 분사구가 동일함으로 인하여 모든 공정 순서에서 챔버내 가스 흐름의 균일성을 유지할 수 있으며, 전체 증착공정 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, the ALD apparatus using a gas separation type showerhead to which RF power is applied according to the present invention can maintain uniformity of gas flow in the chamber in all process sequences due to the same final injection hole through which the deposition gas and the reactor gas are injected in the shower head. And, there is an advantage that can shorten the overall deposition process time.
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