KR100943695B1 - 원자층 증착 반응기 - Google Patents

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이보 라이즈마커스
언스트 그라네만
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Abstract

기판(16)이 기상 반응물의 표면반응을 교대로 반복하여 겪게 함으로써 기판(16)상에 박막을 형성할 수 있는 여러가지 반응기가 개시되어 있다. 일 실시예에서, 반응기(12)는 반응 챔버(14)를 포함한다. 샤워헤드 플레이트(67)는 반응 챔버(14)를 상부와 하부로 나눈다. 제1전구체는 반응 챔버(14)의 하부부분을 향하고 제2전구체는 반응 챔버(14)의 상부부분을 향하게 된다. 기판(16)은 반응 챔버(14)의 하부부분에 위치한다. 샤워헤드 플레이트(67)는 상부부분이 반응 챔버의 하부부분과 연통되도록 복수의 통로(72)를 포함한다. 다른 실시예에서, 반응 챔버(14)는 셔터 플레이트(120)를 포함한다. 다른 예에서, 샤워헤드 플레이트(67)는 반응 챔버(14)를 통과하는 가스 흐름의 국부적인 패턴을 변형하도록 형성되어 있다.

Description

원자층 증착 반응기{Atomic Layer Deposition Reactor}
본 발명은 기판의 표면 위에 박막을 성장시키는 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 상기 기판에 교대로 반복되는(alternately and repeated) 기상 반응물의 표면반응을 행하여 상기 기판의 표면 위에 박막을 성장시키는 장치에 관한 것이다.
기판의 표면 위에 박막을 성장시키는 방법은 여러가지가 있다. 이러한 방법은 진공증발증착, 분자빔에피탁시(molecular beam epitaxy, MBE), 화학기상증착의 여러 변형(저압 화학기상증착과 유기금속 화학기상증착, 플라즈마-강화 화학기상증착을 포함한다), 원자층 에피탁시(ALE)가 있다. 이들 방법은 반도체공정응용과 전자발광표시응용을 위해 많이 연구되었으며, 최근에는 다양한 물질의 증착을 위한 원자층 증착(ALD)라고 불리우고 있다.
ALD는 반응 챔버내에 위치하는 기판에 전구체 종(species)(예를 들어 제1전구체와 제2전구체)을 연속적으로 도입하는 것에 기초하는 증착방법이다. 성장 메카니즘은 제1전구체가 기판의 활성점(active site)에 흡착하는데 의지한다. 공정이 자기-종료 또는 포화되도록 단일층만이 형성되는 것이 조건이다. 예를 들어, 제1전구체는, 흡착종에 남아서 더 이상의 흡착을 방지하는 리간드를 포함할 수 있다. 이에 따라, 온도는 전구체 응축온도보다 높으며 전구체의 열적 분해 온도보다 낮게 유지되어야 한다. 흡착의 초기단계 후에는 통상 제1퍼지 단계가 이어지는데, 제1퍼지단계에서는 과잉의 제1전구체와 가능한 반응 부산물이 반응 챔버로부터 제거된다. 이 후에 제2전구체가 반응 챔버내로 도입된다. 제1전구체와 제2전구체는 통상 서로 반응한다. 이렇게 제1전구체의 흡착된 단일층은 도입된 제2전구체와 즉시 반응하여 원하는 박막을 만든다. 반응은 흡착된 제1전구체가 소비되면 종료된다. 과잉의 제2전구체와 가능한 반응 부산물은 제2퍼지 단계에서 제거된다. 이 사이클은 필름의 두께가 원하는 만큼 될 때까지 반복될 수 있다. 사이클은 또한 더 복잡할 수 있다. 예를 들어, 사이클은 퍼지 그리고/또는 진공 단계로 분리된 3개 이상의 반응물 펄스를 포함할 수 있다.
ALD는 핀란드 특허 공개 제52,359호와 제57,975호 그리고 미국 특허 제4,058,430호와 제4,389,973호에 개시되어 있다. 이러한 방법을 수행하기에 적합한 장치는 미국 특허 제 5,855,680, 핀란드 특허 제 100,409호, 머티리얼 사이언스 리포트 4(7) (1989), 페이지 261, 그리고 티히지오테크니카(진공 기술에 대한 핀란드 간행물), ISBN 951-794-422-5, 페이지 253-261에 개시되어 있으며 여기에 참조로서 결합된다.
이상적으로는, ALD에 있어서, 반응기 챔버 설계는 기판상에서 성장하는 필름의 조성, 균일도, 물성에 어떠한 역할도 해서는 안되는데, 이는 반응이 표면 특정(surface specific)하기 때문이다. 그러나, 극히 일부의 전구체만이 이러한 이상적 거동 또는 이상적에 근접한 거동을 나타내고 있다. 이상적인 성장 모드를 방해하는 요소로는 : 시간에 의존하는 흡착-탈착 현상 ; 주된 반응의 부산물로 인한 주된 반응의 저지(예를 들어 부산물이 흐름의 방향으로 이동함에 따라, 다운스트림에서는 성장속도가 저하되고, 이에 의해 불균일성이 발생한다, 예를 들어 TiCl4 + NH3 -> TiN 공정); 반응기 챔버의 업스트림부분에서 제2전구체가 모두 소비(즉, 파괴)되는 것(예를 들어 뜨거운 영역에서 오존의 분해); 반응 챔버내에서의 불균일한 흐름 조건에 의한 제1전구체의 불균일한 흡착/탈착 등이 있다.
플라즈마 ALD는 전도필름, 반도체필름, 절연필름을 증착하는데 상당히 흥미있는 방법이다. 이 방법에서는 ALD 반응은 라디칼의 생성으로 인해 촉진된다. 몇몇 종래 기술에서는, 직접 용량 플라즈마는 기판의 상부에서 점화된다.(즉, 인-시츄 라디칼 생성). 그러나, 이 방법은 플라즈마에 의한 스퍼터링이 될 수 있는데, 이 스퍼터링은 반응 챔버의 각 부분에서 스퍼터링된 물질이 기판과 접촉하게 되어 막(film)을 오염시킬 수 있다. 또한 다른 불리한 점은, 전도물질을 증착할 때, 챔버내에서 아킹이 발생할 수 있는데, 이는 RF를 그라운드로부터 절연시키 위해 사용하는 절연체도 증착되는 전도 물질에 의해 코팅될 수 있기 때문이다.
다른 종래의 플라즈마 ALD방법은 원격으로 마이크로파 방전을 점화하여 플라즈마를 생성하는 방법과 관련된다. 이 방법은 기판과 라디칼 소스사이에 큰 거리를 필요로 하는 단점이 있는데, 큰 거리로 인해 라디칼이 기판에 도달하기 전에 재결합할 수 있다. 추가적으로, 이 방법에서는 라디칼의 분포가 통상 불균일하고, 반응기 내의 가스 흐름 패턴이 불명확하다.
따라서 위에서 언급한 문제중 적어도 일부를 해결한 개선된 ALD 장치 그리고/또는 방법이 요구되어 왔다.
따라서, 본 발명의 한 관점은 기판에 교대로 반복되는 기상 반응물의 표면반응이 행하여지는 반응기를 제공하는 것이다. 반응기는 반응 챔버를 포함하며, 반응 챔버에는 반응 공간이 형성되어 있다. 샤워헤드 플레이트는 반응 공간내에 위치하며, 반응 공간을 제1부분과 제2부분으로 나눈다. 샤워헤드 플레이트는 반응 챔버의 제2부분에서 제1부분으로 연장되는, 적어도 부분적인(at least in part), 복수의 통로가 형성되어 있다. 반응기는 또한 반응 공간의 제1부분과 연통하는 제1전구체 소스와, 반응 공간의 제2부분과 연통하는 제2전구체 소스를 더 포함한다. 기판은 반응 공간의 제1부분내에 위치한다.
어떤 실시예에서는, 샤워헤드 플레이트는 일체로 형성된 단일의 플레이트이다. 다른 실시예에서는, 반응 챔버는 기계적 힘에 의하여 서로 고정된 제1섹션과 제2섹션으로 이루어지며, 샤워헤드 플레이트는 기계적 힘에 의하여 반응 챔버의 제1섹션과 제2섹션 사이에 지지되어 있다. 또 다른 실시예에서는, 샤워헤드 플레이트는 기판 상의 반응이 수평방향이 되도록 조정되어 있다. 또 다른 실시예에서는, 샤워헤드 플레이트는 두께가 변할 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 제2플레이트에 대하여 움직일 수 있도록 형성된 셔터 플레이트를 포함하는데, 여기서, 각 플레이트의 개구부사이의 겹침은 기판 전체에 걸쳐 가스 흐름을 조절하도록 변화할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 기판에 교대로 반복되는 기상 반응물의 표면반응이 행하여지는 반응기를 제공하는 것이다. 반응기는 반응 챔버를 포함하며, 반응 챔버에는 반응 공간이 형성되어 있다. 반응기는 반응 공간과 연통하는 제1전구체 소스를 더 포함한다. 기판은 반응 공간 내에 위치한다. 반응기는 유도결합 플라즈마 생성 전원 장치를 더 포함하는데, 이는 반응 챔버 내에 위치하며 기판 바로 상부에 플라즈마를 직접 생성하도록 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 기판에 교대로 반복되는 기상 반응물의 표면반응이 행하여지는 반응기를 제공하는 것이다. 반응기는 반응 챔버를 포함하며, 반응 챔버에는 반응 공간이 형성되어 있다. 기판은 반응 챔버 내에 위치한다. 플라즈마 생성 장치는 상부표면과 하부표면을 가진다. 플라즈마 생성 장치는 반응 챔버 내에 위치하여, 플라즈마는 플라즈마 생성 장치의 상부표면과 반응 챔버의 상부벽 사이에서 생성된다. 제1전구체 소스는 입구을 통하여 반응 공간과 연통하여 있다. 흐름 안내부는, 플라즈마 생성 장치의 상부에 있는 제1전구체를 플라즈마 발생 장치의 측면을 따라, 플라즈마 생성 장치의 하부표면과 기판 사이의 공간으로 가게 하도록 형성되어 있다. 제1전구체는 실질적으로 제1방향으로 흐르는데, 제1방향은 기판에 실질적으로 평행하다.
본 발명의 한 관점은 기판에 교대로 반복되는 기상 반응물의 표면반응이 행하여지는 반응기를 제공하는 것이다. 반응기는 반응 챔버를 포함하고, 반응 챔버에는 반응 공간이 형성되어 있는데, 반응 공간은 기계적 힘으로 상호 고정되어 있는 제1섹션과 제2섹션을 포함한다. 샤워헤드 플레이트는 반응 공간을 제2부분과 반응 공간 내에 위치하며 기판이 위치하는 제1부분으로 나눈다. 샤워헤드 플레이트는 반응 챔버의 제2부분에서 제1부분으로 연장되는 적어도 부분적인 다수의 통로를 규정한다. 샤워헤드 플레이트는 반응 챔버의 제1섹션과 제2섹션의 적어도 일부에 형성된 홈통 사이에 지지되어 있다. 제1전구체 소스는 반응 공간의 제1부분과 연통하여 있다. 제2전구체는 반응 공간의 제2부분과 연통하여 있다.
본 발명의 또 다른 면은 복수의 사이클을 포함하는 원자층 증착 방법을 제공하는 것이다. 각 사이클은 기판이 위치하는 반응 공간에 제1전구체를 공급하는 단계, 반응 공간으로부터 제1전구체를 제거하는 단계, 제2전구체를 공급하는 단계, 실질적으로 손상받지 않고(intact) 기판 상부로 연장된 샤워헤드 플레이트를 통하여 제2전구체를 보내는 단계, 흡착종과 제2전구체와의 반응하는 단계, 그리고, 반응 공간으로부터 제2전구체 제거하는 단계를 포함한다.
본발명의 다른 관점, 특징, 이점은 다음의 바람직한 실시예로부터 분명해질 것이다.
본발명의 위에서 설명한 특징과 또 다른 특징이, 기판이 기상 반응물의 표면반응을 교대로 반복하여 겪게 함으로써 기판의 표면 상에 박막을 만드는 반응기의 바람직한 실시예의 도면을 참조로 설명될 것이다. 도면으로 나타낸 실시예는 설명하기 위한 것이며, 본발명을 한정하지 않는다.
도 1은 종래의 ALD 반응기의 일 예에 대한 측단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 ALD 반응기의 일 실시예에 대한 측단면도이고,
도 3a는 본 발명에 따른 샤워헤드 플레이트의 일 실시예에 대한 측단면도이고,
도 3b는 본 발명에 따른 플레이트의 다른 실시예에 대한 측단면도이고,
도 4a와 4b는 본 발명에 다른 ALD 반응기의 다른 실시예에 대한 측단면도인데, 도 4a에서는 셔터 플레이트가 개방되어 있으며 도 4b에서는 셔터 플레이트가 폐쇄되어 있으며,
도 5a는 본 발명에 따른 샤워헤드의 일 실시예에 대한 평면도이고,
도 5b는 본 발명에 따른 셔터 플레이트의 일 실시예에 대한 평면도이고,
도 6a 내지 6f는 도 5a와 도 5b의 샤워헤드 플레이트와 셔터 플레이트의 다양한 위치에 대한 평면도이고,
도 7a는 본 발명에 따른 ALD 반응기의 다른 실시예에 대한 측단면도이고,
도 7b는 본 발명에 따른 ALD 반응기의 또 다른 실시예에 대한 측단면도이고,
도 7c는 본 발명에 따른 ALD 반응기의 또한 다른 실시예에 대한 측단면도이고,
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 강화 ALD 반응기에 대한 측단면도이고,
도 9는 본 발명에 따른 변형된 플라즈마 강화 ALD 반응기에 대한 측단면도이고,
도 10은 본 발명에 따른 다른 변형된 플라즈마 강화 ALD 반응기에 대한 측단면도이고,
도 11은 본발명에 따른 또 다른 플라즈마 강화 ALD 반응기에 대한 측단면도 이다.
도 1은 종래의 ALD 반응기(10)의 일 예를 나타낸 것이다. 반응기(10)는 반응 공간(14)을 적어도 부분적으로 한정하는 반응 챔버(12)를 포함한다. 웨이퍼 또는 기판(16)은 반응 챔버(14)내에 위치하고 받침대(18)에 의하여 지지되고 있다. 받침대(18)는 웨이퍼(16)를 반응 챔버(12) 안으로 또는 밖으로 운반하도록 형성되어 있다. 다른 예에서는, 반응기는 입구/출구 포트와 로보트 팔을 가진 외부의 로보트를 포함할 수 있다. 로보트 팔은 (ⅰ) 기판을 입구/출구 포트를 통해 반응기 내로 운반하고, (ⅱ) 기판을 받침대 위에 위치시키며, (ⅲ) 기판은 받침대로부터 들어올리고 그리고/또는 (ⅳ) 기판을 입구/출구 포트를 통해 반응기로부터 제거하도록 형성되어 있다.
도시된 반응기(10)에는, 두개의 전구체, A와 B가, 반응 공간(14)으로 공급된다. 제1전구체 A는 제1공급도관(20)을 통하여 반응 챔버(14)로 공급된다. 비슷하게, 제2전구체 B는 제2공급도관(22)을 통하여 반응 챔버(14)으로 공급된다. 제1공급도관(20)은 제1전구체 공급소스(도시하지 않음)와 퍼지가스 공급소스(도시하지 않음)와 연통한다. 마찬가지로, 제2공급도관(22)은 제2전구체 공급소스(도시하지 않음)와 퍼지가스 공급소스(도시하지 않음)와 통한다. 퍼지가스는 비활성가스인 것이 바람직하고, 두 가지 예로는, 질소 또는 아르곤이 있다. 퍼지가스는 바람직하게는 공급 소스로부터 반응 챔버(12)로 제1전구체 그리고/또는 제2전구체를 운송하는데도 사용된다. 퍼지 가스는 제1전구체 또는 제2전구체가 공급되지 않을 때, 반응 챔버 그리고/또는 공급도관(20,22)을 퍼지하는데도 사용되는데, 이는 뒤에서 자세히 설명된다. 변형된 예에서, 반응기는 퍼지가스를 반응 챔버(12)에 공급하기 위해 독립되고 분리된 퍼지가스 공급도관을 포함할 수 있다. 배출 통로(23)는 반응 공간(14)으로부터 가스를 제거하기 위하여 제공된다.
분할 플레이트(24)는 통상 반응 챔버(12)내에 위치한다. 분할 플레이트(24)는 제1측면(26)과 제2측면(28)을 가진다. 분할 플레이트(24)는 일반적으로 제1공급도관(20)과 제2공급도관(22)의 출구사이에 위치한다. 즉, 제1측면(26)은 일반적으로 제1전구체 공급도관(20)의 출구에 노출되어 있으며, 제2측면(28)은 일반적으로 제2전구체 공급도관(22)의 출구에 노출되어 있다. 분할 플레이트(24)는 공급도관(20,22)의 표면에서의 반응에 제1전구체와 제2전구체가 고갈되지 않도록 하면서, 반응 챔버(12)내에 제1전구체와 제2전구체가 균일하게 공급되도록 한다. 즉, 분할 플레이트(24)는 반응 공간(14)이 제1전구체와 제2전구체에 교대로 노출되는 유일한 공통공간이 되도록 만들어 주는데, 이로써 제1전구체와 제2전구체는 기판(16)상에서만 반응한다. 제1전구체와 제2전구체가 제1공급도관과 제2공급도관의 벽에 흡착될수 있기 때문에, 제1공급도관과 제2공급도관을 반응 공간의 업스트림에서 하나의 공급도관으로 합치는 것은 공급도관의 벽에 반응과 증착이 계속적으로 일어나게 되어 바람직하지 않다.
도시한 반응기(10)는 여러가지 IC 웨이퍼 공정 적용에 사용될 수 있다. 이러한 적용은 : 백-엔드 공정을 위한 배리어와 금속 ; 게이트, 스택, 캐패시터, 산소박막층, 중간박막층의 각각에 사용되는 고유전물질과 저유전물질을 포함하나 이에 한정되지는 않는다.
반응기(10)의 일반적인 운전 순서를 설명한다. 제1단계에서, 제1전구체 A가 반응 챔버(12)에 공급된다. 자세히 말하면, 제2전구체 공급 소스는 닫힌 채로, 제1전구체 공급 소스가 열리고 제1전구체 A는 제1공급도관(20)을 통하여 반응 챔버(12)내로 흘러 들어간다. 제2전구체 흐름은 예를 들어 펄싱밸브(pulsing valve)를 사용하여 폐쇄되거나, 본 명세서에 참조에 의해 그 전체가 포함되어 있는 2002년 1월 21일자로 공개된 제WO 02/08488호의 8쪽에 개시된 비활성가스 밸빙(valving) 구성에 의해 폐쇄될 수 있다. 퍼지가스는 제1공급도관(20)과 제2공급도관(22) 모두를 통하여 흐르는 것이 바람직하다. 이 단계 동안에, 제1전구체 A는 기판(16)의 활성점에 흡착하여 흡착된 단일층을 형성한다. 제2단계 동안에, 과잉의 제1전구체 A와 부산물은 반응기(10)에서 제거된다. 이는 제1공급도관(20)과 제2공급도관(22)을 통해 퍼지가스를 계속 흘리면서 제1전구체 흐름을 차단함으로써 이루어진다. 변형된 실시예에서, 퍼지가스는 반응기(10)에 독립적으로 연결된 제3공급도관을 통하여 공급될 수도 있다. 제3단계에서는, 제2전구체 B가 반응 챔버(12)로 공급된다. 구체적으로는 제1전구체 공급소스는 닫힌 상태에서, 제2전구체 공급소스를 개방한다. 퍼지가스는 제1공급도관(20), 제2공급도관(22) 모두를 통하여 계속 공급되는 것이 바람직하다. 제1전구체와 제2전구체는 상호 매우 반응성이 좋다. 따라서, 제1전구체 A의 흡착된 단일층은 반응 챔버(12)로 도입된 제2전구체 B와 즉시 반응한다. 이로써 기판(16)에 원하는 박막을 형성한다. 반응은 흡착된 제1전구체가 모두 소비되면 종료된다. 제4단계에서, 과잉의 제2전구체와 부산물은 반응 챔버(12)로부터 제거된다. 이는 퍼지가스가 제1공급도관(20)과 제2공급도관(22) 모두를 흐르게 하면서, 제2전구체를 차단함으로써 이루어진다. 위에서 설명한 사이클은 막이 필요한 두께로 성장할 때까지 반복될 수 있다. 물론, 퍼지 상태는 펌프 다운(pump down) 상태로 바뀔수 있다. 위에서 설명한 일반적인 운전 순서와, 제1도관(20) 및 제2도관(22)의 배치와 이들의 변형은 아래에 설명한 실시예에도 적용될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 반응이 자기제한(self-limiting)적이기 때문에 반응 챔버(12)의 형상은 기판(16)상에서 성장한 막의 조성, 균일성, 물성에 영향을 주어서는 안된다. 그러나 적은 수의 전구체만이 그러한 이상적 또는 이상적에 가까운 거동을 나타낸다는 것이 발견되었다. 이상적인 성장 모드를 방해하는 요소로는 : 시간에 의존하는 흡착-탈착 현상 ; 주된 반응의 부산물로 인한 주된 반응의 저지(예를 들어 부산물이 흐름의 방향으로 이동함에 따라, 다운스트림에서는 성장속도가 저하되고, 이에 의해 불균일성이 발생한다, 예를 들어 TiCl4 + NH3 -> TiN 공정); 반응기 챔버의 업스트림부분에서 제2전구체가 모두 소비(즉, 파괴)되는 것(예를 들어 뜨거운 영역에서 오존의 분해); 반응 챔버내에서의 불균일한 흐름 조건에 의한 제1전구체의 불균일한 흡착/탈착 등이 있다.
도 2는 본 발명에 따른 일부 특징과 이점을 가진 ALD 반응기(50)의 일 실시예를 도시한 것이다. 바람직하게는, 반응기(50)는 위에서 설명한 관찰된 비이상적 거동을 완화하도록 구성된다. 전술한 반응기와 같이, 도시된 실시예는 반응 공간(54)을 한정하는 반응 챔버(52)를 포함한다. 웨이퍼 또는 기판(56)은 반응 챔버(52)내에 위치하며 받침대(58)에 의하여 지지되며, 받침대(58)는 기판(56)을 반응 챔버(52)의 안으로 또는 밖으로 움직일 수 있게 구성되어 있는 것이 바람직하다. 변형된 예에서는, 반응기(50)는 입구/출구 포트와 로보트 팔을 가지는 외부 로보트(도시하지 않음)를 포함한다. 로보트 팔은 (ⅰ) 기판을 입구/출구 포트를 통해 반응기 내로 운반하고, (ⅱ) 기판을 받침대 위에 위치시키며, (ⅲ) 기판은 받침대로부터 들어올리고 그리고/또는 (ⅳ) 기판을 입구/출구포트를 통해 반응기로부터 제거하도록 형성되어 있다.
도시된 실시예에서, 두개의 전구체, A와 B가, 반응 챔버(52)로 공급된다. 제1전구체 A는 제1공급도관(60)을 통하여 반응 챔버(52)로 공급된다. 비슷하게, 제2전구체 B는 제2공급도관(62)을 통하여 반응 챔버(52)로 공급된다. 각 공급도관은 전구체 공급소스(도시하지 않음)와 바람직하게는 퍼지가스 공급소스(도시하지 않음)와 연결되어 있다. 퍼지가스는 비활성가스인 것이 바람직하고, 예로는, 질소 또는 아르곤이 있다. 퍼지가스는 제1전구체 그리고/또는 제2전구체를 운송하는데도 사용된다. 반응기(50)는 반응 챔버(52)에서 물질을 제거하기 위한 배출구(66)를 포함한다.
샤워헤드 플레이트(67)는 반응 챔버(52) 내부에 위치한다. 바람직하게는, 샤워헤드 플레이트(67)는 일체로 된 단일 부품이다. 샤워헤드 플레이트(67)는 바람직하게는 전체 반응 공간(54)에 걸쳐 있으며, 반응 공간(54)을 상부챔버(68)와 하부챔버(70)로 나눈다. 변형된 예에서는, 샤워헤드 플레이트(67)가 반응 공간(54)의 일부만 상부챔버(68)와 하부챔버(70)로 나눌 수 있다. 바람직하게는, 이러한 일부는 통상 기판(56)의 상부에 있으며, 제1도관(60)과 제2도관(62)의 출구 사이의 공간을 향해 연장된다.
샤워헤드 플레이트(67)는 상부챔버(68)를 하부챔버(70)로 연결하는 복수의 통로들(72)을 적어도 부분적으로 한정한다. 도시된 실시예에서, 이 통로(72)는 통상 기판(56)의 위쪽에 위치하는 샤워헤드 플레이트(67)에 작은 구멍을 마련하는 것으로 형성된다. 이런 식으로, 샤워헤드(67)은 제2도관(62)로부터의 흐름이 전반적으로 기판(56)위에 오기 전에 제2전구체 B가 하부챔버(70)에 들어오는 것을 실질적으로 방지한다.
전술한 바와 같이, 샤워헤드 플레이트(67)는 바람직하게는 전체 반응 공간(54)에 걸치는 단일 부품으로 만들어진다. 이같은 실시예에서, 샤워헤드 플레이트(67)은 반응 챔버(52)의 상부와 하부 사이에 꼭 알맞게 가공된 공간(tightly fitting machined space)을 제공함으로써 지지된다. 샤워헤드 플레이트(67)는 상부와 하부의 대향 측면들에 의해 이에 인가되는 정(positive)의 기계적인 힘에 의해 고정될 수 있다. 즉, 샤워헤드 플레이트(67)는 반응 챔버(52)의 상대적 이동이 가능한 상부와 하부 사이에서 클램핑되며, 부가적인 설비 없이도 샤워헤드 플레이트(67)를 고정시킬 수 있게 된다. 다른 실시예에서는, 샤워헤드 플레이트(67)가 복수의 조각으로부터 제조될 수 있고/또는 예를 들면, 반응 챔버(52)내의 위치하는 지지부에 의한 것과 같이 다른 방법으로도 지지될 수 있다.
일반적으로 통로들(72)은 제2전구체 B가 기판(56)위에 균일하게 분포될 수 있도록 형성된다. 도시한 실시예에서, 통로(72)는 기판(56) 상부에 균일하게 분포되어 있다. 그러나, 다른 예에서는, 기판 표면에서 제2전구체 B를 최대한 균일하게 하기 위하여 통로(72)의 패턴, 크기, 모양, 분포가 조정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 필요에 따라, 기판에서 제2전구체 B의 불균일한 농도를 얻기 위하여 패턴, 크기, 모양, 분포가 조정될 수 있다. 위에서 설명한 단일 부품으로 된 샤워헤드 플레이트(67)는 쉽게 교체되고 교환될 수 있기 때문에 특히 바람직하다. 예를 들어, 샤워헤드 플레이트(67)가 반응 챔버(52)의 상부와 하부 사이에 고정되어 있는 경우에, 샤워헤드 플레이트(67)를 반응 챔버(52)의 상부와 하부를 분리함으로써 용이하게 제거할 수 있고, 이러한 분리는 정상적인 로딩과 언로딩시에 행해진다. 따라서, 필요하다면, 다른 패턴, 분포, 그리고/또는 크기의 통로를 가지는 샤워헤드 플레이트(67)로 쉽게 교체될 수 있다. 따라서, 통로의 최적 패턴, 분포, 그리고/또는 크기를 결정하기 위한 반복적인 실험들이 용이하게 수행될 수 있다. 또한, 이러한 샤워헤드 플레이트는 제조하는데 비교적 쉬우며 경제적이다.
본 발명에 따른 특징과 장점을 가진 변형된 실시예에서, 샤워헤드 플레이트(67)는 반응 챔버(52)내의 흐름 패턴을 변형하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 실시예의 한 예를 도 3a에 도시하였다. 이 실시예에서, 샤워헤드 플레이트(67)는 가변적인 두께 t를 가진다. 즉, 샤워헤드 플레이트(67)의 두께 t는 다운스트림 방향을 따라 증가한다. 그 결과, 기판(56)과 샤워헤드 플레이트(67) 사이의 흐름 공간 s 은 다운스트림 방향을 따라 감소한다. 흐름 공간 s가 변함에 따라 기판(56)에서의 지배적인 흐름 조건은 기판(56) 상의 다양한 위치에서의 성장속도를 변화시킨다. 따라서, 이러한 구조 또는 변형은 기판 표면에서의 성장 속도의 불균일성을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 제1전구체의 수평 흐름에 의하여 유도되는 불균일성은 이러한 방법으로 상쇄될 수 있다.
다른 실시예에서는, 샤워헤드 플레이트와 상기 기판 사이의 거리가 도 3a의 실시예와 다른 방법으로 변하도록 샤워헤드 플레이트가 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 3bdp 도시된 바와 같이, 흐름 공간 s는 다운스트림 방향을 따라 증가될 수 있다. 다른 실시예에서, 흐름 공간 s는 반응 챔버 전체에 걸쳐 변할 수 있다(예를 들면, 기판(56)과 샤워헤드 플레이트(67)의 거리는 반응 챔버(52)의 측벽 부근에서 더 커질 수 있다). 또 다른 실시예에서, 기판과 샤워헤드 플레이트의 거리는 증가하다가 감소하거나, 그 역일 수도 있다. 또 다른 실시예에서는, 샤워헤드 플레이트와 반응 챔버의 상부 사이의 거리가, 전술한 변화에 대해 추가적으로 또는 이와 선택적으로 변경될 수도 있다.
다른 변형된 실시예에서, ALD 반응기(100)는 샤워헤드 플레이트(67)의 통로들(72)을 통한 흐름을 제어하도록 구성된 셔터 플레이트(102)를 포함한다. 도 4a는 이러한 예를 도시한 것이며, 도 2의 구성 요소와 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용되었다. 도시된 실시예에서, 셔터 플레이트(102)는 샤워헤드 플레이트(67)의 상부에 인접하여 그 위에 위치한다. 셔터 플레이트(102)와 샤워헤드 플레이트(67)의 적어도 대향 면들은, 바람직하게는, 고도로 평탄하고 연마된다. 셔터 플레이트(102)는 복수의 통로들(104)을 가지고 있으며, 바람직하게는, 이에 대응되는 샤워헤드 플레이트(67)의 통로들(72)과 동일하거나 이와 유사한 패턴으로 배치된다. 변형된 실시예에서는, 셔터 플레이트(102)가 샤워헤드 플레이트(67)의 아래에 배치될 수 있다.
셔터 플레이트(102)는 기동 부재(106)에 기계적으로 결합되며, 이에 의해, 샤워헤드 플레이트(67)에 대하여, 바람직하게는, x-y 평면 상에서 상대적으로 이동할 수 있다. 도시된 실시예에서, 기동 부재(106)는 셔터 플레이트(102)를 x-방향으로 움직이도록 형성되어 있다. 기동 부재(106)는 여러가지 형태가 가능하며, 예를 들어, 압전기, 자석, 그리고/또는 전기적인 것이 가능하다. 도 4b에서와 같이, 셔터 플레이트(102)는, 셔터 플레이트(102)와 샤워헤드 플레이트(67)와의 상대적 위치에 따라, 셔터 플레이트(102)와 샤워헤드 플레이트(67) 모두의 통로(72, 104)를 폐쇄하거나 개방하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 셔터 플레이트(102)가 폐쇄 위치(도 4b)일 때, 반응 챔버의 상부(68)에 있는 가스가 배출구(66)를 통하여 빠져나갈 수 있도록, 셔터 플레이트(102)와 샤워헤드 플레이트(67)의 다운스트림 끝에 하나 또는 그 이상의 바이패스 통로(110)를 형성한다. 바이패스 통로(102)는 도 4a와 같이, 셔터 플레이트(102)가 개방상태일 때는 폐쇄되는 것이 바람직하다.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 특징과 이점을 갖는 셔터 플레이트(120, 도 5b)와 샤워헤드 플레이트(122, 도 5a)에 관한 일 실시예를 나타낸 것이다. 이 실시예에서, 셔터 플레이트(120)의 통로들(124)과 샤워헤드 플레이트(122)의 통로들(126)은 기하학적으로 서로 오프셋(offset)되어, 기판 상에서의 가스 분포를 변화시킨다. 그에 따라, x-y 평면상에서의 셔터 플레이트(120)의 위치를 제어함으로써, 제2전구체의 공급량은 기판에 대하여 xy 평면 내에서 점진적으로 및 공간적으로 변화될 수 있다. 특히, 상기 공급량은 샤워헤드 플레이트(112, 즉 x방향 또는 흐름 방향)의 전방부(업스트림)에서 0 내지 100%로부터 후방쪽(다운스트림)에서의 100 내지 0%로 변화할 수 있다. 비슷한 유형이 제어가, 정밀한 기하학적 설계에 의하여, 측면방향(즉, y방향 또는 흐름방향의 교차방향)에서도 가능하다. 또한, 당업자에게 있어서, 셔터 플레이트와 샤워헤드 플레이트의 홀의 기하학적 형상들에 관한 상세한 사항들은 변경될 수 있으며, 이 원리는 플레이트당 4 개보다 적거나 많은 경우로도 확장될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
도 6a 내지 6f는 도 5a와 도 5b에서 도시한 플레이트들의 오프-세팅(off-setting) 통로들을 사용하여 달성된 다양한 구성들을 도시한다. 도 6a에서, 셔터 플레이트(120)는 통로(124)가 100% 개방되도록 위치하고 있다. 도 6b에서는 플레이트(120) 앞쪽의 통로들(124)이 100% 개방되고, 플레이트(120) 뒤쪽의 통로(124)는 50% 개방된다. 도 6c에서는, 플레이트(120) 뒤쪽의 통로(124)는 100% 개방되어 있는 반면에 플레이트(120)의 앞쪽에 있는 통로(124)는 50% 개방되어 있다. 도 6d에서는, 플레이트(120)의 오른편의 통로(124)는 100% 개방되어 있는 반면에 플레이트(120)의 왼편에 있는 통로(124)는 50% 개방되어 있다. 도 6e에서는, 앞쪽 왼편의 통로(124)는 50% 개방, 앞쪽 오른편 통로(124)는 25% 개방, 뒤쪽 왼편 통로(124)는 100% 개방, 뒤쪽 오른편 통로(124)는 50% 개방되어 있다. 도 6f에서는, 앞쪽 왼편의 통로(124)는 50% 개방, 앞쪽 오른쪽 통로(124)는 100% 개방, 뒤쪽 왼편 통로(124)는 25% 개방, 뒤쪽 오른편 통로(124)는 50% 개방되어 있다.
전술한 배치에 따라, 반응기(100)(도 4a 및 도4b 참조)내의 흐름은 반응 공정의 불균일성을 상쇄하도록 조절될 수 있다. 특히, 셔터 플레이트(120)의 위치를 조정함으로써, 반응 공정의 불균일성을 상쇄하기 위한 다양한 흐름 패턴들을 얻을 수 있다.
변형된 예에서, 셔터 플레이트는 수직(즉 z방향)으로 이동하도록 배치될 수 있다. 이러한 배치에서는, 셔터 플레이트가 구멍들(apertures)을 필요로하지 않으며, 상기 플레이트는 상기 샤워헤드 플레이트 내의 통로들을 교번하여 개방 및 폐쇄하는데 사용될 수 있다.
위에서 설명한 셔터 플레이트의 배치는 도 2a 내지 도 3b에서 설명한 실시예 그리고 아래 설명할 실시예들과 결합 또는 부결합되어 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 7a는 본발명에 따른 특징과 이점을 가진 ALD 반응기(150)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 반응 챔버(52)는 인-시츄 라디칼이나 여기된 종을 생성하기 위한 분리된 플라즈마 캐비티(152)를 한정한다. 위에서 설명한 바와 같이, 인-시츄 라디칼 또는 여기된 종은 기판 표면상에서의 반응을 용이하게 하는데 사용된다. 인-시츄 라디칼을 생성하거나 종을 여기하기 위하여, 플라즈마는 여러가지 방법으로 플라즈마 캐비티(152)내에서 생성될 수 있다. 플라즈마를 생성하는 방법은, 예를 들면, 플라즈마 캐비티의 내부 또는 외부에 위치하는 용량 전극을 이용하는 방법(즉, 용량 결합 플라즈마), RF 코일(즉 유도 결합 플라즈마), 빛, 단파, 이온화 방사, 열(예를 들어, 가열된 텅스텐 필라멘트는 수소 분자로부터 수소 라디칼을 형성하는데 사용될 수 있다), 그리고/또는 화학반응이 있다.
도 7a에 도시한 실시예에서, 용량전극(153)은 RF 전원 소스(155)에 연결되어 있고, 반응 챔버(52)와 플라즈마 캐비티(152)의 외부에 위치하고 있다. 샤워헤드 플레이트(67)는 플라즈마 캐비티(152)와 기판(56)사이에 위치하며, 도시된 실시예에서는 용량결합을 위한 다른 쪽 전극으로도 사용된다. 이 실시예는 여러가지 장점을 가진다. 예를 들어, 라디칼의 수명이 매우 짧아도, 성장 표면(즉, 기판(56))까지의 경로가 매우 짧아서, 성장 반응에 기여할 수 있도록 한다. 또한 플라즈마 챔버(152)는 플라즈마 점화를 위한 공간을 제공하고 성장표면으로부터 플라즈마를 분리하기에 충분하게 크게 만들수 있는데, 이로써, 플라즈마 내의 에너지 파티클과 전하의 손상 영향(damaging effect)으로부터 플라즈마 챔버를 지킬 수 있다. 다른 장점의 한 예는 플라즈마 캐비티(152)가 한가지 타입의 전구체에만 노출되며, 따라서, 플라즈마 캐비티(152)의 내부 표면에 박막이 성장하지 않는다는 것이다. 따라서 플라즈마 캐비티(152)는 장기간 동안 깨끗하게 유지된다.
한 실시예에서, 제1전구체 A는, 기판(56)의 표면에 흡착되며, 제2전구체 B와 직접적으로 반응하지 않는다. 대신, 제1전구체 A는 제2전구체 B의 여기된 종과 반응하는데, 제2전구체 B의 여기된 종은 플라즈마 캐비티(152)내에서 생성된다.(예를 들어 N2가 있는데 이는 흡착종과 반응하지 않지만, N 라디칼은 흡착종과 반응한다) 변형된 실시예에서, 제1전구체 A는 재결합 라디칼과 반응성이 좋은데, 재결합 라디칼은 플라즈마 캐비티(152)나 플라즈마 캐비티(152)의 다운스트림에서 생성된다. 두가지 실시예 모두, 플라즈마 캐비티 내에서의 플라즈마의 생성은 온, 오프를 사이클링하는 반면, 제2공급도관(62)를 통한 제2전구체 B의 흐름은 일정하게 유지된다. 변형된 실시예에서, 플라즈마 캐비티를 온과 오프로 사이클링하는 방법은 원격 플라즈마 캐비티를 이용하는 변형된 반응기에도 사용될 수 있다. 또한 다른 실시예 에서, 위에서 설명한 반응기(150)는, 플라즈마 생성을 위한 전원이 온을 유지하면서 제2전구체의 흐름이 온과 오프를 사이클링하는 식으로 운전될 수 있다.
도 7b는 또한 플라즈마 캐비티(162)를 사용하는 반응기(160)의 변형된 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에서, 반응기(160)는 반응 챔버(163)을 포함하는데, 반응 챔버(163)에는 반응 공간(164)이 형성되어 있다. 기판(166)은 반응 공간(164)내에 위치하고 서셉터(170)에 의해 지지된는데, 서셉터(170)는 가열될 수 있다. 제1전구체는 제1공급도관(172)을 거쳐 반응 공간으로 도입된다. 제1공급도관(172)과 반응 챔버(163)는 반응 챔버 내의 제1전구체의 흐름이 기판(166)의 반응 표면에 대체적으로 평행하도록 형성되는 것이 바람직하다. 반응 챔버(163)으로부터의 물질 제거를 보조하기 위해 배출구(174)와 펌프(도시하지 않음)가 제공되는 것이 바람직하다.
반응기(160)는 또한 플라즈마 챔버(175)를 포함하는데, 이는 도시된 실시예에서, 반응 공간(164)의 위에 위치한다. 플라즈마 챔버(175)에는 인-시츄 여기된 종 또는 라디칼이 생성되는 플라즈마 캐비티(162)가 형성되어 있다. 라디칼을 생성하기 위해 제2전구체는 제2공급도관(176)을 거쳐 플라즈마 캐비티(162)로 도입된다. 라디칼과 여기된 종은, 플라즈마 챔버(175)내에서 생성된 플라즈마로부터 흐른다. 플라즈마를 생성하기 위하여, 도시된 실시예는 RF 코일(177)과 RF 실드(179)를 이용하는데, 이는 플라즈마 캐비티(162)와는 예를 들어 석영으로 만든 창(178)에 의해 분리되어 있다. 다른 실시예에서, 플라즈마를 평면 유도 코일을 사용하여 생성하면 유리하다. 이 같은 평면 유도 코일의 예는 저널 오브 어플라이드 피직스, 볼륨 88, 넘버 7, 3889(2000)과 저널 오브 배큠 사이언스 테크놀로지, A19(3), 718(2001)에 개시되어 있으며, 참조로서 결합된다.
플라즈마 캐비티(162)와 반응 공간(164)는 라디칼 또는 샤워헤드 플레이트(180)에 의하여 분리된다. 샤워헤드 플레이트(180)에는 플라즈마 캐비티내에서 형성된 라디칼이 반응 공간(164)으로 흘러갈 수 있는, 적어도 부분적인, 복수의 통로(182)가 형성되어 있다. 바람직하게는, 통로(182)를 통한 흐름은 일반적으로 기판(166)의 반응표면을 향해 있다. 몇몇 실시예에서, 샤워헤드 플레이트(180)과 기판(166)사이의 공간은 수 밀리미터 정도로 작다. 이와 같은 배치는 라디칼의 수명이 짧아도 웨이퍼 표면에 충분한 라디칼 농도를 제공한다.
도시한 실시예에서, 퍼지 가스는 퍼지 입구(184)를 통해 플라즈마 캐비티에 연속적으로 공급될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 플라즈마 챔버(175)는 실질적으로 일정한 압력 영역에서 운전될 수 있다.
도시한 실시예에서, 샤워헤드 플레이트(180)와 반응 챔버(163)에 인접한 주위 구성요소는 가열될 수 있다. 가열은 샤워헤드 플레이트(180)의 일측면 그리고/또는 타측의 가열된 서셉터(170)의 플라즈마의 결과이거나, 샤워헤드 플레이트(180)를 따로 가열함으로써 이루어진다.
일부 실시예에서, RF 전원은 흐름에서 라디칼의 농도를 교대적으로 스위칭하기 위해 사용된다. 다른 실시예에서는, 플라즈마 캐비티로의 전구체 공급이 교대적으로 스위칭될 수 있다. 플라즈마 캐비티(162)로부터 반응 공간(164)으로는 연속적인 흐름이 있는 것이 바람직하다. 예를 들어 비활성가스와 교대되는 라디칼과 같은 가스의 연속적이 흐름이 바람직한데, 이는 반응 공간(164) 아래의 제1전구체가 플라즈마 캐비티(162)를 오염시키는 것을 방지하기 때문이다. 이는 아킹없이 전도화합물이 증착되는 것을 용이하게 한다. 또한 플라즈마 캐비티(162)와 반응 공간(164)사이에는, 플라즈마 캐비티(162)의 압력이 높은 상태에서, 양의 압력차이가 있는 것이 바람직하다. 이러한 배치는 플라즈마 챔버(175)내의 플라즈마 점화를 촉진시킨다.
도 7C는 또한 플라즈마 캐비티를 사용하는 ALD 반응기(200)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 같은 번호 (예를 들어, 162, 163, 166, 170, 174, 176, 184 등)는 도 7B과 같은 부분을 참조하는데 사용하였다. 이 실시예에서, 플라즈마 캐비티(162)내의 플라즈마는 용량 커플링되어 있다. 도시된 도면은 용량 전극(202)를 포함하는데, 이는 RF 공급 쓰루(RF feed through, 203)를 통해 RF 소스(도시하지 않음)와 연결되며 샤워헤드 플레이트(180)의 상부의 플라즈마 캐비티(162)내에 위치한다. 이러한 배치는 전극이 반응 챔버(163)내에 위치하는 점을 제외하면, 도 7A에서 나타낸 배치와 유사하다.
도 7A 내지 7C를 참조로 위에서 논의한 실시예의 일부 관점은 CVD반응기와 같이도 사용될 수 있다(예를 들어, 박막을 생성하기 위하여 증착과 농도증대(densification)를 반복하는 것을 이용하는 반응기). 박막을 형성하는데 CVD 그리고/또는 펄스 플라즈마 CVD(pulsed plasma CVD)와 관련된 공지의 문제는 아킹이다. 플라즈마 생성 공간(즉, 플라즈마 캐비티)과 CVD 환경(즉 반응 공간)을 분리하는 샤위해드 플레이트의 도입은, 이러한 아킹을 감소시킨다. 종래의 원격 플라즈마 프로세서과 달리, 분리된 플라즈마 캐비티는 반응 공간에 인접하여 있는데, 이로 인해 기판까지의 이동 거리가 감소하여 라디칼 재결합이 감소된다. 이 같은 실시예에서 웨이퍼는 이온 충격(bombardment)를 생성하기 위해 플라즈마에 비하여 상대적으로 음(negative)으로 바이어스되어 있다. 이 실시예는 라디칼로 임시적으로 가능한 새로운 CVD 반응을 생성하는데도 사용될 수 있다. 이러한 반응은 가스상에서 일어날 수 있다. 라디칼을 생성하기 위한 RF 펄스의 시간이 충분히 짧으면, 이러한 반응에서는 큰 입자가 생기지 않는다. 이러한 방법은 새로운 막 특성을 나타낼 것이다.
도 7a 내지 7c를 참조로 설명한 실시예에서, 코일의 모양과 국부전류농도 그리고 석영 창의 모양은 여러가지 반응 공정 요소을 조절하기 위해 조정될 수 있다. 반응 공정 요소로는 예를 들어, 균일성, 증착속도, 플라즈마 발화 등이 있다. 일부 실시예에서, 벽(wall)의 부식을 억제하고 막의 균일성을 향상시키기 위해 플라즈마를 한정(shape and confine)하는데 자기장이 사용될 수 있다. 샤워헤드 플레이트 통로의 크기, 모양, 배치, 방향 등은 예를 들어 막의 특성, 증착속도, 플라즈마 발화 등을 최적화시키기 위하여 조정될 수 있다. 비슷한 방법으로, 샤워헤드 플레이트와 기판간의 거리는 어떤 라디칼이 반응에 참여할 지를 선택하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 더 큰 거리가 선택되면, 수명이 짧은 라디칼은 긴 확산 또는 흐름 패스에서 생존하지 못하다. 더구나 높은 압력에서는 샤워헤드 플레이트로부터 기판으로의 이동에서 생존하는 라디칼의 수가 적어진다.
도 7a 내지 7c에 대하여 설명한 특징은 벽 청소 그리고/또는 챔버 조건 조절을 위해 NF3에서 개시되는 것과 같은 라디칼을 반응 챔버에 도입하는데 또한 사용될 수 있다.
도 7a 내지 7c를 참조로 설명한 실시예는 여러 장점이 있다. 예를 들어, 수명이 짧은 종의 라디칼에 대하여도 전체 기판에 걸쳐 균일한 농도를 제공한다. 반응기의 모양과 흐름 패턴은 RF 소스와 독립적으로 최적화될 수 있는데, 이는 짧은 펄스와 짧은 퍼지 시간을 가지는 반응기를 설계하는 데 매우 큰 유연성을 부여한다. 반응 챔버에서 보다 라디칼 소스에서 더 높은 압력이 사용될 수 있기 때문에, 플라즈마 포텐셜이 낮고, 플라즈마는 유도결합되어 있다. 따라서, 벽에 있는 구성부품에 대한 스퍼터링은 덜 문제된다. 유도 결합 방전은 매우 유효하다. 플라즈마 볼륨과 반응 볼륨간의 분리는 금속, 메탈로이드, 전이금속이나 카바이드와 같은 좋은 전기적 전도체인 다른 물질이 증착될 때 아킹문제를 일으키지 않는다. 이들 실시예는 챔버의 청소 그리고/또는 조건 조절(conditioning)을 하는 쉬운 방법을 제공하고 있다.
도 7a 내지 7c를 참조로 하여 설명한 실시예의 특징은 도 3a 내지 6f를 참조로 설명한 실시예에 결합될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 8은 플라즈마 강화 변형 ALD 반응기(250)의 다른 실시예이다. 반응기(250)는 바람직하게는 밀봉된 환경(252)내에 위치하고, 상부부재(254)와 하부부재(256)을 포함한다. 상부부재(254)와 하부부재(256)은 바람직하게는 절연물질(예를 들어 세라믹)로 만들어 진다.
하부부재(256)에는 반응 챔버(260)에 부분적으로 형성된 함몰부(258)가 형성되어 있다. 전구체 입구(262)는 반응 챔버(260)가 전구체 소스(도시하지 않음)와 연통하도록 상부부재(254)와 하부부재(256)까지 연장되는 것이 바람직하다. 비슷한 식으로, 퍼지가스 입구(264)도 퍼지가스 소스와 반응 챔버(260)가 연통하게 하기 위하여 상부부재(254)와 하부부재(256)까지 연장된다. 반응기 챔버(260)으로부터 물질을 제거하기 위한 배출구(266)도 역시 형성되어 있다. 도시되지는 않았지만, 추가적인 전구체를 반응 챔버(260)에 제공하기 위한 하나 또는 그 이상의 추가 전구체입구(262)를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 덧붙여, 퍼지가스는 하나의 전구체 입구 중 하나를 통해 반응 챔버에 공급될 수 있다.
기판(268)은 반응 챔버(260)내의 서셉터(270)위에 자리한다. 도시된 실시예에서, 서셉터(270)는 서셉터 승강 기구(272)내에 위치하는데, 서셉터 승강 기구(272)는 기판(270)을 가열하는 가열부를 포함할 수 있다. 서셉터 승강 기구(272)는 기판(268)을 반응 챔버(260)의 안으로 또는 밖으로 이동시키고, 공정중에 하부부재(256)가 반응 챔버(260)를 밀봉하도록 형성되어 있다.
RF 코일은 석영 또는 세라믹 인클로저(enclosure, 276)내에 위치한다. 도시된 실시예에서, RF 인클로저(276)와 RF 코일(274)은 하부부재(256)내에 형성된 제2함몰부(278, 제1함몰부(258)내에 있음)내에 위치한다. 함몰부(258)는 RF 코일(274)이 대체적으로 기판(268)상부에 위치하도록 형성되어 있다. 코일(274)은, 유도 결합 플라즈마(282)가 기판(268)의 상부에 있는 반응 챔버(260)내에서 생성될 수 있도록 RF 생성기와 매칭 네트워크(280)에 연결되어 있다. 이러한 배치에서, 다른 반응기 구성요소가 절연체라면, 기판은, 플라즈마 포텐셜이 스스로 조절(adjust)함에 따라, 부동(floating)하거나 접지되는데, 이로써 기판(268)으로의 원자와 이온 플럭스가 동일하게 된다.
이 배치는 여러가지 장점이 있다. 예를 들어, 플라즈마가 유도 결합되기 때문에, 플라즈마 포텐셜이 낮으며, 이에 따라 스퍼터링도 감소한다. 추가로, 플라즈마가 기판(268)의 바로 위에 위치하기 때문에, 수명이 짧은 라디칼이나 여기된 종이어도 기판표면에서 균일한 농도를 얻을 수 있다.
도 9는 플라즈마 강화 ALD 반응기(300)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 8과 유사한 부분에 대하여는 동일한 번호를 사용하였다. 이 실시예에서, 반응 챔버(260)는 챔버벽(302)에 형성된 함몰부(301)를 포함한다. 이전의 실시예와 같이 기판(268)은 반응챕버(260)내에서 서셉터(270)위에 위치하는데, 서셉터(270)는 서셉터 상승 기구(272)내에 위치한다. 서셉터 상승 기구(272)는 기판(268)을 반응 챔버(260)의 안으로 또는 밖으로 운반하고 공정 중에 반응 챔버(260)을 밀봉하도록 형성되어 있다.
전구체 입구(304)는 반응 챔버(260)를 전구체 소스(도시하지 않음)에 연결하기 위해 마련된다. 비록 도시하지는 않았지만, 반응기(300)는 퍼지가스나 추가의 전구체를 반응 챔버(260)으로 공급하기 위한 분리된 퍼지 입구 그리고/또는 하나 또는 그 이상의 전구체 입구를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 가스출구(306)는 반응 챔버(260)로부터 물질을 제거하기 위해 또한 제공되는 것이 바람직하다.
도시된 실시예에서, RF 코일(274)과 인클로저(276)는 반응 챔버(260)내에 배치되어, 입구(304)로부터 인입되는 전구체가 기판(268) 위로 흐르기 위해서 RF 코일(274)의 위, 주위, 아래로 흘러야 한다. 따라서, 흐름 안내부(308)는 전구체를 RF 코일 주위로 일 방향으로 안내하기 위해 반응 챔버(260)내에 위치한다. 비록 도시되지는 않았지만, 도시된 배치에서, 흐름 안내부(308)는 전구체를 RF 코일(274) 위로 수평한 일 방향으로 안내하기 위해 RF 코일(274) 상부로 채널이 형성됨을 이해되어야 한다. 이렇게 되면, 전구체는 RF 코일(274) 일부분을 따라 수직으로 흐르고, 이 때 기판(268)상부에 전구체가 실질적으로 수평하게 한방향으로 흐르도록 흐름은 수평이 되고 확장된다. 기판(268)의 다운스트림에서, 흐름은 수직 상승방향으로 안내되고, 그 후 흐름은 출구(306)를 향해 RF 코일(274)위에서 수평방향으로 안내된다. 변형된 실시예에서, 출구(306)는 RF 코일(274)의 아래에 위치할 수 있다.
도시된 실시예는 여러가지 장점이 있다. 예를 들어, 도 7a와 7b의 실시예를 비교하면, 전구체의 흐름 경로가 덜 제한적이다. 이로써 기판으로 가는 과정에서 여기된 종이 재결합되는 것이 감소된다. 추가적으로, 펄스 사이에, 전구체를 수평 흐름 경로로 퍼지하는 것이 더 쉬워진다.
도전성 플레이트(310)가 RF 인클로저(276)의 하부에 위치하여 플라즈마(282)는 RF 코일(274)의 상부에서만 생성된다. 추가로, 도전성 플레이트(310)와 기판(268) 사이의 공간이 바람직하게 보통의 조건에서 플라즈마가 존재하기에 필요한 암부(dark space)보다 작기 때문에, 플라즈마는 RF 코일(274)상부의 더 넓은 공간에서만 생성된다.
도시된 실시예는 여러 장점을 가진다. 예를 들어, 플라즈마가 기판 바로 상부에서 발생되지 않기 때문에 스퍼터링에 대한 우려가 적고, 따라서 본 실시예는 민감한 부품(예를 들어 게이트 스택)을 가진 기판의 처리, 그리고/또는 플라즈마 손상이 특히 치명적인 프론트-엔드 응용분야에 특히 유용하다.
도시된 실시예에서, 플라즈마(282)는 또한 반응기의 출구 측면에서 생성된다. 그러나 변형된 실시예에서는 출구 측면의 플라즈마(282)는 제거될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 10은 플라즈마를 이용하는 다른 실시예를 나타낸 것이다. 이 실시예는 도 9의 실시예와 유사하다. 따라서 같은 번호가 사용되었다. 이 실시예에서, 플라즈마는 용량 결합된다. 용량 플레이트(303)는 반응 챔버(260)내에 위치한다. 상부 챔버벽(302)는 플라즈마(282)가 용량 플레이트(303)와 상부 챔버(302)사이에서 생성되도록 접지되어 있으며 도전성이다. 도 10의 실시예에서, 흐름 안내부(308)는 전구체가 기판위에 실질적으로 수평방향으로 흐르도록, 전구체를 용량 플레이트(303)의 둘레에서 기판(268)의 상부로 안내한다.
도 11은 플라즈마 강화 ALD 반응기(320)의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다. 이 실시예에서, 반응기(320)는 서셉터(326)위에 위치하는 기판(324)이 있는 반응 공간(322)을 포함한다. 로드락(load lock, 328)이 기판(324)을 반응 공간(322)으로 들여가거나 꺼내기 위해 마련되어 있다.
반응기는 제1입구(330)를 포함한다, 도시된 실시예에서, 제1입구(330)는 3-방향 밸브(332)와 연통하여 있는데, 이는 번갈아 제1전구체소스(334)와 퍼지가스 소스(336)와 통하게 된다. 아래에서 상세히 설명하겠지만, 제1전구체는 금속전구체인 것이 바람직하다.
반응기(320)는 또한 제2입구(338)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2입구(338)는 반응기(320)의 상부벽(340)과 중간벽(342)의 사이에 형성된다. 제2입구(338)는 제2전구체소스(344)와 통하는데, 바람직하게는 비금속 전구체이다. 선택적으로, 제2입구는 또한 퍼지가스 소스(도시하지 않음)와 통한다. 제2입구(338)는 반응 공간(322) 위의 제2입구(338)내에 플라즈마(348)를 만들기 위한 한 쌍의 전극(346)을 포함한다. 반응기는 또한 반응 공간(322)으로부터 물질을 제거하기 위한 배출구 라인(347)을 포함한다.
제1단계에서, 제1전구체는 반응 챔버(320)로 공급된다. 자세히 말하면, 제2공급소스(344)는 닫혀 있고, 제1전구체 소스(334)로부터 제1금속전구체가 흐르도록 3-방향밸브가 작동하는 것이다. 이 단계 동안에, 제1금속전구체는 흡착단일층을 형성하기 위하여 기판(324)의 활성점위에 흡착된다. 제2단계 중에는, 과잉의 제1전구체와 부산물이 반응기(320)로부터 제거된다. 이는 3-방향 밸브(332)를 통해 퍼지가스를 계속 흘리면서, 제1전구체 흐름을 차단하는 것으로 달성된다. 제3단계에서, 제2전구체가 반응 챔버(322)로 공급된다. 자세히 말하면, 제2전구체 공급 소스(344)가 개방되고, 제2입구(338)내에서 플라즈마(348)를 생성하기 위해 전극(346)이 활성화된다. 플라즈마(348)에 의해 생성된 반응물은 반응성이 매우 크다. 따라서, 제1전구체의 흡착된 단일층은 챔버(322)내로 도입된 제2전구체의 반응물과 즉시 반응한다. 이로써 기판(324)위에 원하는 박막이 형성된다. 반응은 기판위에 흡착된 제1전구체가 모두 반응하면 종료된다. 제4단계에서, 과잉의 제2전구체와 부산물은 반응 챔버(322)에서 제거된다. 이는 퍼지소스(336)으로부터의 퍼지흐름을 유지하면서 제2전구체를 폐쇄하는 것으로 달성된다. 변형된 예에서, 반응기에서 실질적으로 모든 과잉의 제2전구체와 부산물이 제거될 때까지, 제2입구(338)와 연통된 퍼지가스 소스(도시하지 않음)가 개방되고 퍼지가스는 잔류 제2전구체를 전극(346)사이의 공간으로부터 반응 챔버(322)를 향해 밀어낸다. 위에서 설명한 사이클은 막이 원하는 두께가 될 때까지 반복할 수 있다. 물론, 퍼지상은 진공상으로도 대체될 수 있다.
도시된 실시예는 여러가지 장점을 가진다. 예를 들어, 전극(346)은 제2입구(338)내에 위치하고 있기 때문에, 금속 전구체에 노출되지 않는다. 또한, 전극(346)은, 전기적으로 도전하는 막이 전극(346)상에 증착되면 발생할 수 있는 단락이 발생하지 않는다.
물론 본발명의 바람직한 실시예에 대한 설명과 여러가지 변화, 변형, 조합, 일부조합은 청구범위에서 규정하는 본발명의 요지를 벗어나지 않고서 가능하다.
본 발명은 기판에 교번하여 반복되는(alternately and repeated) 기상 반응물의 표면반응을 행하여 기판의 표면 위에 박막을 성장시키는 장치에 사용된다.

Claims (27)

  1. 기판이 기상 반응물들의 교번하여 반복되는 표면 반응을 겪도록 구성된 반응기로서,
    반응 공간을 한정하는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내에 배치되는 기판;
    상부 표면과 하부 표면을 가지는 플라즈마 생성 장치;
    제 1 입구를 통하여 상기 반응 공간과 연통된 제 1 전구체 소스; 및
    상기 플라즈마 생성 장치의 상기 상부 표면 상의 상기 제 1 전구체가 상기 플라즈마 생성 장치의 측부를 따라 상기 플라즈마 생성 장치의 상기 하부 표면과 상기 기판 사이의 공간으로 향하도록 구성된 흐름 안내부를 포함하고,
    상기 플라즈마 생성 장치는, 상기 플라즈마 생성 장치의 상기 상부 표면과 상기 반응 챔버의 상부 벽 사이에서 플라즈마가 생성되고 상기 플라즈마 생성 장치의 상기 하부 표면과 상기 기판 사이에서는 플라즈마가 생기지 않도록, 상기 반응 챔버 내에 배치되며;
    상기 제 1 전구체가 상기 기판에 대하여 평행한 제 1 방향으로 흐르는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 장치는 유도 결합 플라즈마를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 장치의 상기 하부 표면은 도전성 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 장치는 용량 결합 플라즈마를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 서셉터 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 서셉터는 서셉터 승강 기구 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 서셉터 승강 기구는 공정 동안에 상기 반응 챔버를 밀봉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 상기 반응 공간으로 반입 및 반출하기 위한 로드락(load lock)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제 2 입구를 통하여 상기 반응 공간과 연통하는 제 2 전구체 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 전구체 소스는 비금속 전구체를 포함하고, 상기 제 2 전구체 소스는 금속 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 제 2 입구로부터 인입되는 제 2 전구체 소스가 상기 플라즈마 생성 장치의 상기 상부 표면 위로 흐르지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    퍼지(purge) 가스 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 퍼지 가스 소스는 상기 제 2 입구를 통하여 상기 반응 공간과 연통된 것을 특징으로 하는 반응기.
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