KR100979575B1 - 원자층 침착 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 원자층 침착 챔버("침착 챔버"); 드로우 가스 도입 챔버("DGIC"); 침착 챔버 유동 제한 소자("FRE"); 드로우 가스 공급원; 드로우 공급원 차단 밸브; 드로우 공급원 FRE; 드로우 조절 챔버; DGIC FRE; 드로우 조절 출구; 진공 펌프; 드로우 조절 FRE; 복수개의 화학물질 가스 공급원; 복수개의 부스터 챔버; 복수개의 화학물질 공급원 FRE; 복수개의 화학물질 투여 차단 밸브; 복수개의 부스터 FRE; 퍼지 가스 공급원; 퍼지 공급원 차단 밸브; 및 퍼지 공급원 FRE를 포함하는, 원자층 침착 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 원자층 침착("ALD") 분야, 보다 특히 고처리량 및 저단가로 ALD를 실행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
통상, 박막 침착은 반도체 장치 및 기타 유용한 복수개의 장치의 제작에 있어서 실시된다. 공지의 화학침착("CVD") 기술은 반응 챔버에서 반응하여 기판에 원하는 막을 침착시키는 화학적 반응성 분자를 이용한다. CVD 용도에 유용한 분자 전구체는 침착되는 필름의 원소 (원자적) 구성성분 및, 전형적으로, 추가적 원소를 포함한다. CVD전구체는 실제로는 기상으로 분배되어 기판에서 반응할 수 있는 휘발성 분자이다.
종래의 CVD는 당해 분야에서 각종 기법으로 실시되어 진다. 원하는 박막 특성 및 비용효과적 조작변수는 장비의 선택, 전구체 조성, 압력범위, 온도 및 기타 변수에 영향을 준다. 복수개의 상이한 장치 및 방법이 성공적으로 충족될 수 있다. CVD 반응기에 하나 이상의 분자적 전구체의 잘 조절된 플럭스(flux)를 적용시키는 것이 대부분의 CVD 기법에 통상적이다. 기판은 잘 조절된 압력조건하의 잘 조절된 온도로 유지시켜 분자적 전구체들 사이의 화학반응을 촉진시키면서 동시에 부산물을 효율적으로 탈착시킨다. 상기 화학반응은, 원하는 필름 두께로 원하는 박막을 침착시키도록 진행된다.
최적의 CVD 성능은 공정 전반에 걸친 플럭스, 온도 및 압력의 정상상태 조건을 달성하고 유지시키는 능력과 직접적으로 관계된다. CVD는 재현가능한 두께 및 특출한 품질을 갖는 균일하고 순응적인 피복물을 제공한다.
그럼에도, 장치 밀도가 증가하고 집적회로장치에서 장치의 기하학적 구조가 보다 복잡해짐에 따라, 탁월한 순응성의 피복특성을 갖는 보다 얇은 막이 필요하게 됨으로써 종래 CVD 기법은 그 한계점에 다다르게 되었으며, 그 때문에 새로운 기법이 요구되게 되었다. 출현한 CVD의 변형체인 원자층 침착("ALD")은 개선된 박막침착을 위한 탁월한 두께 조절능 및 순응성을 제공한다.
ALD는 종래의 박막 침착공정을, 자기종결적인 단일 원자층 침착단계들로 나누어서 실시하고, 상기 단일 원자층 침착 단계에서 자기종결노출시간까지 또는 그 시간을 초과하여 실행되는 경우 정확하게 하나의 원자층을 침착시킨다. 원자층은 전형적으로 약 0.1 분자 단일층 내지 0.5 분자 단일층이다. 원자층의 침착은 반응성 분자 전구체와 기판 사이의 화학반응의 결과물이다. 각각의 별도의 ALD 반응-침착단계에 있어서, 넷(net) 반응은 원하는 원자층을 침착시키고 분자 전구체 내에 원래 포함된 여분의 원자는 제거한다.
ALD 적용에 있어서 전형적으로 2개의 분자 전구체는 별도의 단계들에서 ALD 반응기로 도입된다. 예를 들어 화학식 MLx의 금속 전구체 분자는 원자 또는 분자 리간드 L과 결합되는 금속 M(여기서, M은 Al, W, Ta 및 Si 등이다)을 포함한다. 금속 전구체는 기판과 반응한다. 이러한 ALD 반응은 기판 표면이 분자 전구체와 직접적 반응하도록 제조되는 경우에만 일어난다. 예를 들어, 기판표면은 전형적으로 금속 전구체와 반응성인 수소 함유 리간드 AH를 포함하도록 제조된다. 기상 전구체 분자는 기판표면상의 모든 리간드와 효과적으로 반응하여 금속 : 기판의 원자층 침착물을 생성하며, 여기서 침착은 반응식 AH + MLx →기판-AMLx-1 + HL(여기서, HL은 반응 부산물이다)에 따라 이루어집니다. 반응도중, 초기 표면 리간드 AH가 소비되며 표면은 금속 전구체 MLx와 추가적으로 반응할 수 없는 리간드 L로 커버링된다. 따라서 표면 상의 초기 리간드 AH가 AMLx-1 종으로 대체되는 경우, 반응이 자기 종결된다.
반응단계에 이어서 전형적으로는 반응실로부터 금속 전구체를 제거시키는 불활성 가스 퍼지 단계가 다른 전구체의 별도의 도입단계 이전에 실시된다.
이어서 제 2의 분자 전구체를 사용하여 금속 전구체에 대한 기판의 표면 반응성을 복원시킨다. 이것은 예를 들어 리간드 L을 제거하고 리간드 AH를 재침착시킴으로써 실행된다. 이 경우에 있어서, 제 2 전구체는 전형적으로는 원하는 (통상 비금속성) 원소 A(즉, O, N, S) 및 수소(즉, H2O, NH3, H2S)를 포함한다. 반응식 기판-ML + AHy →기판-M-AH + HL의 반응(여기서, 간략화하기 위해, 화학반응은 밸런싱되지 않았다)은 표면은 AH-커버되는 것으로 되돌아간다. 원하는 부가적인 원소 A는 막으로 도입되며 원치 않는 리간드 L은 휘발성 부산물로서 제거된다. 반응은 다시 한번 반응성 부위(이때, L 종결된 부위)를 소비하며 기판상의 반응성 부위가 완전히 배제되는 경우, 자가-종결된다. 이어서 제 2의 분자 전구체는, 제 2 퍼지 단계에서 불활성 퍼지 가스를 유동시킴으로써 침착 챔버로부터 제거된다.
표면 반응, 및 기판 표면을 초기 반응성 상태로 복원시키는 전구체 제거의 순서가 전형적인 ALD 사이클이다. 초기 조건으로의 기판의 복원은 ALD의 핵심적인 양상이다. 이것은, 막이 화학적 동력학, 사이클 당 침착, 조성 및 두께의 모든 면에서 동일한, 대등하게 계량된 순서로 적층될 수 있음을 의미한다. 자기-포화 표면반응은 AlD로 하여금 수송 불균일성(transport nonuniformity)에 둔감하게 한다. 이러한 수송 불균일성은 유동 시스템의 한계 혹은 공학기술과 관련되거나 표면 형상(topography)(즉, 3차원의 높은 종횡비 구조로의 침착)과 관련될 수 있다. 화학물질의 불균일한 플럭스는 오로지 상이한 영역에서 상이한 완결시간을 초래할 수 있다. 그러나, 각 반응이 전체 기판 표면상에서 완결되는 것이 허용된다면 상이한 완결 동력학은 불리함을 수반하지 않는다. 이것은 반응을 완결하는 첫 번째 영역이 자기 종결하는 반면, 표면상의 나머지 영역은 반응을 완결하고 자기 종결하면서 본질적으로 따라갈 수 있기(catch up) 때문이다.
ALD의 효율적인 실시를 위해서는 MLx로부터 AHy로의 화학물질의 플럭스를 갑자기 그리고 신속하게 변화시킬 수 있는 장치를 필요로 한다. 또한 장치는, 다시 사이클이 기판을 비용효과적으로 피복시키도록 효율적이고 신뢰할 수 있는 상기 순서를 실행할 수 있어야 한다. 전형적으로, ALD 공정은 ALD 사이클 당 약 0.1nm의 필름을 침착시킨다. 유용하고 경제적으로 실행가능한 사이클 시간은, 대부분의 반도체 용도의 경우, 약 3 내지 30nm의 두께 범위, 다른 용도의 경우, 그 보다 더 두꺼운 필름를 수용하여야 한다. 공업처리표준은 기판이 2 내지 3분내에 처리되어야 함을 규정하고 있으며, 이것은 ALD 사이클 시간이 약 0.6 내지 6초의 범위이어야 함을 의미한다. 여태까지는 다양한 기술적 난점들이 ALD 시스템 및 반도체 장치 및 기타 장치의 제조방법의 비용효과적 실시를 방해했었다.
일반적으로, ALD 공정은 기판에 대한 화학물질의 플럭스를 순서대로 교대시키는 것을 요구한다. 위에서 논의한 대표적인 ALD 공정은 4개의 상이한 조작단계를 필요로 한다:
1. MLx 반응;
2. MLx 퍼지;
3. AHy 반응; 및
4. AHy 퍼지
짧은 사이클 시간이 요구되는 경우, ALD에 사용하기 적합한 화학적 분배 시스템은 도입되는 분자 전구체 유동 및 퍼지를 "초"보다 짧은(sub-second) 응답시간으로 교대시킬 수 있어야 한다. 또한, 상당한 유동 불균일성이 존재하는 경우, 반응 단계 시간을, 가장 작은 플럭스에 노출된 영역에 의해 규정된 시간까지 증가시킴으로써, 화학반응의 자기종결적 성질을 통해 극복될 수 있다. 그럼에도 불구하고 이것은 사이클 시간이 상응하게 증가하므로, 이는 부득이하게 열화된다.
ALD 반응이 주어진 반응온도에서 자기 종결에 도달하는데 필요한 시간을 최소화하기 위해서 ALD로의 화학물질의 유동은 최대화되어야 한다. ALD 반응기로의 화학물질의 유동을 최대화시키기 위해서는, 분자적 전구체를 불활성 가스로 최소 희석하고 높은 압력으로 ALD 반응기 내로 도입시키는 것이 유리하다. 한편, 짧은 사이클 시간을 달성할 필요성으로 인하여 ALD 반응기로부터의 상기 분자적 전구체의 신속한 제거가 요구된다. 신속한 제거는, 다시 말해서 ALD 반응기에서의 가스 체류시간이 최소화되는 것을 규정한다. 가스 체류시간(τ)은 반응기의 용적(V) 및 압력(P)에 비례하고 유동(Q)에 반비례하며, 수학식 τ= VP/Q로 나타낼 수 있다. 따라서, ALD 반응기에서의 압력(P) 강하는 가스 체류시간을 낮추기 쉽게 하고 ALD 반응기로부터의 화학물질 전구체의 제거(퍼지) 속도를 증가시킨다. 대조적으로, ALD 반응시간을 최소화하는 경우, ALD 반응기 내부에서 높은 압력을 사용하여 ALD 반응기로의 화학물질 전구체의 유동을 최대로 하는 것이 요구된다. 또한, 가스 체류시간 및 화학물질 사용 효율은 유동에 대해 반비례한다. 유동을 낮추면 효율이 증가하는 반면, 가스 체류시간을 증가시키기도 한다.
현존하는 ALD 장치는 반응시간을 단축시키면서 화학물질 이용효율을 개선시킬 필요성과, 한편으로는 퍼지 가스 체류시간과 화학물질 제거시간을 최소화시킬 필요성 사이에서 다투게 된다. 종래 기술의 특정한 ALD 시스템은 복수개의 밸브의 동조 작동을 이용하는 화학물질 분배 매니폴드(manifold)를 함유한다. 이러한 시스템에 있어서, 완전한 동조성을 갖는 밸브 작동 자체가 실제로 불가능하기 때문에 만족스러운 유동 일탈의 제거가 불가능하다. 결과적으로 화학물질 혼합을 불리하게 하는 가스의 역류를 발생시키는 부득이한 유동일탈이 현저하다.
따라서, 짧은 반응시간 및 양호한 화학물질 이용효율을 달성하고, 역류를 방지하면서 퍼지 가스 체류시간 및 화학물질 제거시간을 최소화시킬 수 있는 ALD 장치에 대한 필요성이 존재한다.
종래의 ALD 장치가 이용되면, "메모리" 효과는 ALD 반응기의 효율를 감소시키는 경향이 있다. 이러한 메모리 효과는, ALD 반응기의 벽에 흡착되고, 벽의 흡착 에너지 및 온도에 의해 지시된 기간동안 결과적으로 ALD 반응기 벽으로부터 방출하는 화학물질의 경향성에 의해 유발된다. 이러한 현상은 ALD 반응기에서의 화학물질의 흔적량의 체류시간을 증가시키는 경향이 있다. 결과적으로, 메모리 효과는 화학물질의 제거에 필요한 퍼지 시간을 증가시키는 경향이 있다. 따라서, 메모리 효과를 최소화시키는 ALD 장치에 대한 필요성이 존재하게 된다.
막은 화학물질에 노출되는 종래의 ALD 장치의 모든 영역에서 성장한다. 특히, 막성장은 기판 뿐만아니라 노출된 챔버 벽에서도 일어난다. 챔버 벽에서의 막 성장은, 막의 성장이 ALD 챔버의 벽에서의 증가된 표면적을 생성할 정도로 ALD 장치의 성능을 변형시킨다. 챔버 벽에서의 막 성장 경향은 챔버 벽의 표면적을 스케일링한다. 마찬가지로, 증가된 표면적은 챔버 메모리 효과를 추가적으로 연장시킨다. 표면적의 증가는 불량한 다공성 막 침착물의 성장 때문일 수 있다. 다공성 침착물을 생성하는 막 성장은 기공(pore) 안쪽에서의 화학물질 분자의 포집에 의해 챔버 메모리를 연장시킬 수 있다. 따라서, 막 및 침착물의 성장이 최소로 유지되는 것, 및 발생하는 임의의 막 성장이 표면적의 증가나 공극의 성장없이 벽을 효과적으로 커버링하는 고품질 막을 침착시키도록 조절되는 것이, ALD 장치의 기능화에 있어서 필수적이다. 따라서, 막성장을 최소화하고 발생되는 막성장의 조절능을 제공하는 ALD 장치에 대한 추가적인 필요성이 존재한다.
양호하게 최적화된 ALD 장치와 방법은 기판 상의 ALD 침착이 일어나는 반응공간에서 ALD 전구체가 적절하게 최소로 공존하도록 설계된다. 대조적으로, 불리한 ALD 전구체의 공존도 ALD 반응공간으로부터의 시스템 공간의 다운스트림에서는 실제로는 불가피하지만, 단 처리량이 현저하게 손상되지는 않는다. 불리한 공존은 오로지 상당히 다량을 퍼지함으로써 방지할 수 있으며, 이로써 ALD 시스템의 처리량을 상당히 희생시키게 된다. 전형적으로 챔버 공간내에 공존하는 ALD 전구체는 불량한 막을 생성하는 경향이 있다. 결과적으로, 처리량 최적화된 ALD 시스템은 ALD 공간의 바로 밑의 다운스트림 공간에 불량한 고체 침착물을 성장시키는 경향을 감수해야 한다. 불량한 막 성장은, 불량한 막이 증가된 표면적을 갖고, 전구체의 공존을 증강시킴으로써 문제를 악화시키므로, 더욱 나쁘게 증가한다. 화학물질의 일부는 ALD 공간과 가까운 다운스트림인 화학물질의 일부가 ALD 반응단계로 되돌아가서(예: 확산에 의해) ALD 성능이 열화한다. 또한, 기판상에서의 입자들의 열등한 침착물을 생성한다. 따라서, 피크 처리량으로 조작된 종래의 ALD 시스템은 오염의 신속한 증가 및 ALD 성능의 신속한 저하로 귀결된다.
처리량-최적화된 ALD 시스템은 ALD 반응공간의 바로 다운스트림에서의 전구체 공존에 의해 특징지워지기 때문에, 이러한 시스템을 길고 비용효과적인 유지 사이클 동안 피크 성능으로 유지한다는 것은 막의 불가피한 다운스트림 침착물이 적합한 품질 및 바람직한 위치에서 능동적으로 조절되는 것을 의미한다. ALD 공간으로부터의 다운스트림의 국부화된 전구체 어베이트먼트(abatement) 또한 펌프, 밸브 및 게이지와 같은 다운스트림 구성요소들의 마모를 실질적으로 감소시킨다.
냉각 및 고온 트랩은 대기압 이하에서 다운스트림 유출물로부터 바람직하지 않은 성분들을 배제하는데 광범위하게 사용되며 이것은 당해 기술분야에 공지되어 있다. 플라즈마 어베이트먼트 장치 및 체류시간 연장 트랩과 같은 다른 기법이 상기 목적에 효과적이다. 복수개의 어베이트먼트 용액을 각종 상이한 시스템에서의 효과적인 사용에 적합할 수 있는 "턴-키" 장비로서 시장에서 구입할 수 있다. 전형적으로, 이러한 어베이트먼트 장치는 영구적으로 (예를 들어 고체 막을 침착시키는 화학반응에 의해) 또는 일시적으로 반응성 성분들을 효과적으로 포집하기 위한 희생적 어베이트먼트 표면을 제공한다. 이러한 트랩 대다수는 원칙적으로는 ALD 시스템의 다운스트림으로 적용될 수 있다. 그러나, 안전상의 고려 및 어베이트먼트를 최적화된 ALD 시스템으로 솔기없이 일체화시킬 필요성은 최선의 어베이트먼트 기법의 실행가능성 및 비용효과성을 현저히 제한한다.
원칙적으로, 안전에 대한 관심은 냉각 트랩에 의한 ALD 전구체의 화학물질 어베이트먼트를 방해한다. ALD 전구체들 사이의 반응을 용이하게 하는 고온 트랩의 실행은 열등한 막의 성장을 방지하는 조건들의 신중한 설계 및 조절을 요구한다. 전형적인 ALD 전구체 조합들, 예를 들어 Al2O3 ALD 막을 침착시키는데 사용되는 전구체 TMA 및 H2O의 특정한 특성은 조절에 대해 특이적이고 어려운 고온 트랩 공정 조건들로 설계한다. ALD 조건하에서의 어베이트먼트는 허용불가능한 처리량 손실를 수반하기 때문에, 어베이트먼트 공간에서의 반응물들의 공존은 주어진 대로이다. 따라서, 불량한 Al(OH)3 침착을 방지하는 것이 어렵다. 고품질의 Al2O3 침착물의 성장을 촉진시키는 Al(OH)3 성장의 억제는, H2O 수준이 매우 낮은 수준으로 유지되는 것을 요구한다. 이러한 작업은, H2O의 반응성이 낮다는 것은 고 처리량 공정에서 과량의 용량을 의미한다는 점에서, 사소한 일은 아니다. 온도상승은, TMA 열분해를 피하기 위해 350℃ 미만으로 제한된다. TMA 열분해는 탄화되고 약간 열등한 알루미나 침착물의 성장을 촉진시킨다.
마찬가지로, 다른 ALD 전구체 시스템을 정밀하게 검사하면 전형적으로 AHy 유형인 전구체가 과잉으로 사용되므로써 문제있는 옥시클로라이드 및 아민 염과 같은 열등한 침착물을 생성하는 것으로 나타났다. 따라서, 불행하게도 ALD 전구체 조합들은 예외적인 품질의 ALD 막을 침착시킬 수 있지만, CVD 조건하에서, AHy 전구체의 농도가 높은 전형적인 배기 조건하에서 반응시키는 경우 열등한 막을 생성한다는 것이 전형적인 관측이다. 일반적으로, CVD 침착물의 품질은 온도를 상승시키고 AHy 전구체의 농도를 매우 낮은 수준으로 유지시킴으로써 개선될 수 있다.
일반화된 ALD 어베이트먼트 용액은 많은 상이한 유형의 ALD 공정에 적합해야 한다. 미국특허 출원 공보 제 2002/0187084 호에는 기판에서와 실질적으로 동일한 반응 조건으로 유지된 희생 물질에 과량의 반응물을 도입하는 것을 포함하는, ALD 반응 공정으로부터 배출된 가스상 물질을 제거하는 방법을 기술하고 있다. 그러나, 최적의 ALD 생산량이 손상되지 않게 된다면, 어베이트먼트 공간내의 조건은 ALD 공간내의 조건으로부터 한정적으로 벗어나야 한다. 특히, ALD 공간이 고품질의 ALD 막을 성장시키도록 최적화되어도 어베이트먼트 공간내에 ALD 전구체가 공존하면 저품질 막의 침착이 촉진될 수 있다. 어베이트먼트 표면의 실제 용량은 어베이트먼트 표면이 매우 고다공성 소자로 제조되거나 어베이트먼트 용적이 매우 큰 용적으로 제조되도록 한다. 어느 쪽이든, 생성되는 어베이트먼트 공간은 비-고체 생성 ALD 전구체를 축적시키는 경향이 있는데, 이는 이들 전구체가 생산량 최적화 ALD 공정에서 항상 과다량으로 사용되기 때문이다. 예를 들어, TMA 및 H2O로부터 Al2O3를 침착시키는 ALD 공정에서 사용되는 H2O 전구체는 실질적으로 높은 분압까지 어베이트먼트 공간내에 축적되어 저품질 막의 침착을 촉진시킬 수 있다. 저품질 막의 침착이 과다하게 되면 이러한 H2O의 잠재적인 축적이 증대될 것이며, 축적된 H2O가 반응 공간내로 다시 확산되면 ALD 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 미국특허 출원 공보 제 2002/0187084 호에 기술된 것과 같은 고온 트랩은, ALD 전구체, 전형적으로는 과량으로 사용되어야 하는 ALD 전구체의 축적을 조절하기 위한 수단이 제공되지 않는 한, ALD 어베이트먼트를 위한 좋은 선택이 아니다. 또한, 일반적인 어베이트먼트 용액에 있어서는 다양한 조건하에 고품질 막의 침착을 발생시킬 수 있는 일반적인 어베이트먼트 수단을 제공하는 것이 필수적이다.
기존의 CVD, PECVD 및 ALD 시스템에서는, 반응 챔버내에서의 가스 포획 및 가스 유동 장애와 이로 인한 기판 표면에서의 가스 유동 및 가스 압력 불균일이, 침착된 박막의 두께 불균일 및 기타 불리한 특성을 초래한다. ALD에서는, 적절히 긴 투여 시간이 제공되면 화학물질 투여 동안의 가스 유동 및 가스 압력 불균일이 반드시 막 불균일을 초래하지는 않는다. 그러나, 가스 포획 및 가스 유동 장애는 종종 퍼지 단계의 효율성에 심각한 악영향을 미친다. 예를 들어, 단일 웨이퍼 가공 챔버의 벽에서 웨이퍼 운송 채널과 결합된 "데드-레그(dead-leg)" 공간은 CVD, 에치, ALD 및 PVD와 같은 웨이퍼 가공의 기술분야에서 공지된 문제이다. 특히, 이러한 공간의 효과적인 ALD 퍼지는 전형적으로 불가능하다. 단일 웨이퍼 침착의 기술분야에서는 상기 문제에 대한 다양한 효과적 개선법이 제시되어 왔다. 예를 들어, 자오(Zhao) 등에게 1996년 9월 24일자로 허여된 미국특허 제 5,558,717 호는 환상 유동 오리피스 및 환상 펌핑 채널의 유리한 수단을 교시하고 있다. 이러한 환상 설계는 비교적 넓은 가공 챔버의 설계를 필요로 한다. 또 다른 예로, 도어링(Doering) 등에게 2001년 1월 16일자로 허여된 미국특허 제 6,174,377 호는 웨이퍼 가공을 높은 척 위치에서 수행하여 웨이퍼 운송 채널 및 이와 관련된 유동 장애를 웨이퍼 높이보다 실질적으로 아래에 남기면서 낮은 척 위치에서 웨이퍼를 적재하기 위해 설계된 ALD 챔버를 기술하고 있다. 이러한 종래의 해결책 및 다른 종래의 해결책은 모두 ALD 시스템에서 기판 운송 기구와 관련된 문제를 해결하는데 충분히 적합하지 않다.
따라서, 화학 침착 공정, 특히 ALD 기술에서는 기판 표면으로의 화학물질의 균일하고도 대칭적인 유입을 제공하고 데드 레그 웨이퍼 적재 공간이 없는 원활한 유동 경로 구조를 제공하는 장치가 요구되고 있다.
도면을 참조로 하여 본 발명의 보다 완전한 이해가 가능하다:
도 1은 본 발명에 따른 동기식으로 조정되는 유동 드로우("SMFD") ALD 시스템의 기본적 양태의 유동도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 SMFD ALD 반응기 관의 횡단면을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 샤워헤드내의 개구-유형 및 바람직한 튜브형인 노즐 어레이 디자인에 대하여 샤워헤드 압력의 계산치를 화학물질 투여 유속의 함수로서 플롯팅한 그래프를 나타낸다.
도 4는 샤워헤드 및 침착 챔버에 대하여, 화학물질 투여 단계의 개시시에 화학물질의 부스터-생성 전이 펄스가 있을 때와 없을 때의 부분적인 화학물질 투여(내부 배출 가스를 화학 반응물 가스로 치환)를 화학물질 투여 시간의 함수로서 플롯팅한 그래프를 기술한 것으로, 이는 화학물질 투여 효율에 대한 부스터 챔버의 효과를 나타내고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 ALD의 양태에 대한 실제적인 화학적 용도를 당해 기술분야에서 현재 사용되는 전통적인 연속적 유동 공정과 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 SMFD ALD 시스템을 통한 가스의 여러 유동 기류를 개 략적인 형태로 나타낸다.
도 7은 Q3이 1100sccm인 경우 유속 Q1, Q2 및 Q4의 계산된 시간 의존성을 그래프 형태로 나타낸다(도 6 참조).
도 8은 (도 6의)Q3이 1100sccm인 경우, 침착-챔버 압력, 드로우 챔버 압력 및 그 압력차 ΔP의 시간 의존성을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 대표적인 화학물질 제거 소자의 디자인을 개략적인 형태로 나타낸다.
도 10은 드로우 조절 챔버의 다운스트림에 분리된 제거 챔버를 포함하는 본 발명에 따른 ALD 시스템의 유동도를 나타낸다.
도 11은 활성 압력 조절 챔버를 포함하는 본 발명에 따른 ALD 시스템의 유동도를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 DGIC를 포함하는 대표적인 SMFD ALD 시스템을 개략적인 형태로 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따라 사용되는 다중식 포트 가스 수송 밸브를 나타낸다.
도 14는 본 발명에 따른 SMFD ALD 장치 및 방법을 사용하여 Al2O3가 침착된 200mm 회로판 기판상에서 박막 두께를 회로판-위치의 함수로서 플롯팅한 3차원 그래프를 나타낸다.
도 15는 본 발명에 따른 DGIC 및 PSV(닫힘 위치)를 함유하는 ALD 반응기 관의 바람직한 양태의 횡단면을 개략적인 형태로 나타낸다.
도 16은 PSV가 열림 위치에 있는 도 15의 반응기 관을 나타낸다.
도 17은 가공 챔버에서 비-중앙대칭적인 유동에 대하여 고안된 본 발명에 따른 SMFD 시스템을 개략적인 형태로 나타낸다.
본 발명에 따른 실시태양은 상기 문제의 일부를 해결하는데 도움이 된다. 본 발명에 따른 시스템, 장치 및 방법은 화학 공정, 특히 원자층 침착 공정 및 시스템에서 유동 및 드로우(draw)의 동기식 조절("SMFD"; Synchronous Modulation of Flow and Draw)을 제공한다.
원자층 침착("ALD")은 퍼지 동안에 가능한 최고의 침착 챔버 통과 유속을 사용하고 화학물질 투여 동안에 가능한 최저의 유속을 사용하여 실시되는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 ALD 시스템은 ALD 사이클 동안에 유의적인 유속 조절을 발생시키고 조정한다. 가공 챔버(또는 ALD 챔버 또는 침착 챔버)내로의 공정 가스(불활성 퍼지 가스 또는 화학 반응물 가스)의 유동을 본원에서는 "유동"으로 지칭하고, 가공 챔버로부터의 가스의 유동을 본원에서는 "드로우"로 지칭한다. 정상 상태의 조건하에서는 드로우가 일반적으로 유동과 일치(matching)된다. 순간적인 유동 조건 동안에는 유동과 드로우가 "불일치"된다.
본 발명에 따른 실시태양의 중요한 양태는 침착 챔버 퍼지 동안의 높은 유속과 화학물질 투여 동안의 낮은 유속의 상반되는 요구조건 사이의 통상적인 ALD 시스템의 모순을 해결하는 것이다. 본 발명에 따른 SMFD는 낮은 압력 및 높은 퍼지 가스 유속에서 가공 챔버를 퍼지하며, 순차적으로 화학 반응물 가스의 낮은 유속 및 높은 압력에서 가공 챔버에서 화학물질 투여를 수행하고 빠른 반응 시간으로 압력 및 가스 유속을 조절하는 능력을 제공한다.
한 양태에서, 본 발명에 따른 방법은 선택된 제 1 투여 유속 및 독립적으로 선택된 제 1 투여 압력으로 침착 챔버로 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 포함하는 제 1 화학물질 투여 단계를 수행하고; 둘째로, 선택된 제 1 퍼지 유속 및 독립적으로 선택된 제 1 퍼지 압력에서 침착 챔버로 제 1 퍼지 가스를 유동시킴으로써 제 1 퍼지 단계를 수행하고; 셋째로, 선택된 제 2 투여 유속 및 독립적으로 선택된 제 2 투여 압력으로 침착 챔버로 제 2 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 포함하는 제 2 화학물질 투여 단계를 수행하고; 넷째로, 선택된 제 2 퍼지 유속 및 독립적으로 선택된 제 2 퍼지 압력에서 침착 챔버로 제 2 퍼지 가스를 유동시킴으로써 제 2 퍼지 단계를 수행하는 사이클을 포함한다. 전형적으로, 제 1 퍼지 가스와 제 2 퍼지 가스는 동일하고, 공통의 퍼지 가스 공급원에 의해 공급된다. 본 발명에 따른 방법의 고유의 특징은 제 1 화학물질 투여 단계, 제 1 퍼지 단계, 제 2 투여 단계 및 제 2 퍼지 단계가, 선택되고 조절된 시간 동안 각각 수행되며, 상기 시간은 사이클의 각각의 반복시 동일하게 유지된다. 전형적인 4단계 사이클은 ALD 공정에서 단일의 박막을 침착시키기 위해 통상적으로 다수회 또는 수백회 반복된다. 본 발명에 따른 실시태양의 중요한 이점은 사이클의 각 단계의 지속시간 및 결과적으로 사이클의 총 지속시간이 통상적인 ALD 공정 및 시스템에서 실제로 실현가능한 시간보다 전형적으로 훨씬 더 짧다는 것이다. 따라서, 제 1 화학물질 투여 단계, 제 1 퍼지 단계, 제 2 화학물질 투여 단계 및 제 2 퍼지 단계를 순차적으로 수행하는 것은 전형적으로 이 순서를 3초 미만, 바람직하게는 1초 미만, 더욱 바람직하게는 0.5초 미만 이내에 수행하는 것을 포함한다. 예를 들어, 사이클 시간이 단지 450밀리초인 본 발명에 따른 방법에 의해 Al2O3의 우수한 ALD 박막이 생성되었다. 양호한 박막 품질을 유지하면서 생산량을 최대화하기 위해, 4단계 각각의 지속시간은 전형적으로 다른 단계의 지속시간과 상이하다. 또한, 각 단계의 유속은 전형적으로 사이클의 다른 단계의 유속과 상이하다. 일반적으로, 제 1 퍼지 유속은 제 1 투여 유속보다 크고, 제 1 투여 유속에 대한 제 1 퍼지 유속의 비는 전형적으로 1.5를 초과하며, 통상적으로는 20을 초과하고, 바람직하게는 100을 초과한다. 유사하게, 제 2 퍼지 유속은 일반적으로 제 2 투여 유속보다 크고, 제 2 투여 유속에 대한 제 2 퍼지 유속 비는 전형적으로 1.5를 초과하며, 통상적으로는 20을 초과하고, 바람직하게는 100을 초과한다.
또 다른 양태에서, 제 1 화학물질 투여 단계의 개시는 초기에 제 1 순간 유속으로 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 포함하고, 이 때 제 1 순간 유속은 초기에는 제 1 투여 유속보다 실질적으로 크다. 또 다른 양태에서, 제 2 화학물질 투여 단계의 개시는 초기에 제 2 순간 유속으로 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 포함하고, 이 때 제 2 순간 유속은 제 2 투여 유속보다 실질적으로 크다.
또 다른 양태에서, 선택된 제 1 투여 유속 및 독립적으로 선택된 제 1 투여 압력에서 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것은 침착 챔버내로의 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 투여 유속을 조절하고, 침착 챔버로부터의 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 화학물질 드로우를 제 1 투여 유속과 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 침착 챔버로부터의 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 화학물질 드로우를 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것은 침착 챔버의 다운스트림에서 제 1 투여 드로우 압력을 조절하는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 제 1 투여 드로우 압력을 조절하는 것은 드로우 조절 챔버를 통해 제 1 투여 드로우 가스 유속으로 드로우 가스를 유동시키고, 제 1 투여 드로우 가스 유속을 조절하여 제 1 투여 드로우 압력을 달성하는 것을 포함하고, 이 때 드로우 조절 챔버는 침착 챔버의 다운스트림에 위치한다.
또 다른 양태에서, 선택된 제 1 퍼지 유속 및 독립적으로 선택된 제 1 퍼지 압력에서 침착 챔버를 통해 제 1 퍼지 가스를 유동시키는 것은 침착 챔버내로의 제 1 퍼지 가스의 제 1 퍼지 유속을 조절하고, 침착 챔버로부터의 제 1 퍼지 가스의 제 1 퍼지 드로우를 제 1 퍼지 유속과 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 침착 챔버로부터의 제 1 퍼지 가스의 제 1 퍼지 드로우를 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것은 침착 챔버의 다운스트림에서 제 1 퍼지 드로우 압력을 조절하는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 제 1 퍼지 드로우 압력을 조절하는 것은 드로우 조절 챔버를 통해 제 1 퍼지 드로우 가스 유속에서 드로우 가스를 유동시키고, 제 1 퍼지 드로우 가스 유속을 조절하여 제 1 퍼지 드로우 압력을 달성하는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 선택된 제 2 투여 유속 및 독립적으로 선택된 제 2 투여 압력에서 제 2 화학 반응물 가스를 유동시키는 것은 침착 챔버내로의 제 2 화학 반응물 가스의 제 2 투여 유속을 조절하고, 침착 챔버로부터의 제 2 화학 반응물 가스의 제 2 화학물질 드로우를 제 2 투여 유속과 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 침착 챔버로부터의 제 2 화학 반응물 가스의 제 2 화학물질 드로우를 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것은 침착 챔버의 다운스트림에서 제 2 투여 드로우 압력을 조절하는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 제 2 투여 드로우 압력을 조절하는 것은 드로우 조절 챔버를 통해 제 2 투여 드로우 가스 유속에서 드로우 가스를 유동시키고, 제 2 투여 드로우 가스 유속을 조절하여 제 2 투여 드로우 압력을 달성하는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 선택된 제 2 퍼지 유속 및 독립적으로 선택된 제 2 퍼지 압력에서 침착 챔버를 통해 제 2 퍼지 가스를 유동시키는 것은 침착 챔버내로의 제 2 퍼지 가스의 제 2 퍼지 유속을 조절하고, 침착 챔버로부터의 제 2 퍼지 가스의 제 2 퍼지 드로우를 제 2 퍼지 유속과 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 침착 챔버로부터의 제 2 퍼지 가스의 제 2 퍼지 드로우를 독립적으로 실질적으로 일치시키는 것은 침착 챔버의 다운스트림에서 제 2 퍼지 드로우 압력을 조절하는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 제 2 퍼지 드로우 압력을 조절하는 것은 드로우 조절 챔버를 통해 제 2 퍼지 드로우 가스 유속에서 드로우 가스를 유동시키고, 제 2 퍼지 드로우 가스 유속을 조절하여 제 2 퍼지 드로우 압력을 달성하는 것을 포함하고, 이 때 드로우 조절 챔버는 침착 챔버의 다운스트림에 위치한다.
또 다른 양태에서, 선택된 제 1 투여 유속 및 독립적으로 선택된 제 1 투여 압력에서 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것은 침착 챔버로의 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 투여 유속을 조절하고, 침착 챔버의 다운스트림에서 드로우 압력을 조절함으로써 침착 챔버로부터의 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 화학물질 드로우와 제 1 투여 유속 사이의 불일치를 독립적으로 의도적으로 생성시키고, 이 불일치를 실질적으로 감소시키기 위해 압력-전환 기간동안 침착 챔버 내의 제 1 투여 압력이 실질적으로 변화되게 함으로써, 제 1 화학물질 드로우와 제 1 투여 유속을 실질적으로 일치시키는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 선택된 제 2 투여 유속 및 독립적으로 선택된 제 2 투여 압력에서 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것은 침착 챔버내로의 제 2 화학 반응물 가스의 제 2 투여 유속을 조절하고, 침착 챔버의 다운스트림에서 드로우 압력을 조절함으로써 침착 챔버로부터의 제 2 화학 반응물 가스의 제 2 화학물질 드로우와 제 2 투여 유속 사이의 불일치를 독립적으로 의도적으로 생성시키고, 이 불일치를 실질적으로 감소시키기 위해 압력-전환 기간동안 침착 챔버 내의 제 2 투여 압력이 실질적으로 변화되게 함으로써, 제 2 화학물질 드로우와 제 1 투여 유속을 실질적으로 일치시키는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 침착 챔버를 통해 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것은 기지의 제 1 공급원 압력을 갖는 제 1 반응물 가스 공급원을 제공하고, 제 1 공급원 유동 제한 소자("FRE"; first-source flow restriction element)를 통해 제 1 반응물 가스 공급원으로부터 침착 챔버내로 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 침착 챔버를 통해 제 2 화학 반응물 가스를 유동시키는 것은 기지의 제 2 공급원 압력을 갖는 제 2 반응물 가스 공급원을 제공하고, 제 2 공급원 유동 제한 소자(FRE)를 통해 제 2 반응물 가스 공급원으로부터 침착 챔버내로 제 2 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명에 따른 방법은 제 1 화학물질 투여 단계를 포함하지 않는 기간 동안에 실질적으로 기지의 제 1 공급원 압력에서 제 1 화학 반응물 가스로 제 1 부스터 챔버를 충전하고(이 때, 제 1 부스터 챔버는 제 1 공급원 FRE의 다운스트림 및 침착 챔버의 업스트림에 위치한다), 계속해서 제 1 부스터 챔버와 침착 챔버 사이에서 직렬 유체 연통되어 있는 제 1 화학물질 차단 밸브를 개방함으로써 제 1 화학물질 투여 단계를 개시하여 초기에 제 1 순간 유속(제 1 순간 유속은 초기에는 제 1 투여 유속보다 실질적으로 크다)에서 제 1 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 또한 포함하는 것이 바람직하다.
또 다른 양태에서, 본 발명에 따른 방법은 제 2 화학물질 투여 단계를 포함하지 않는 기간 동안에 실질적으로 기지의 제 2 공급원 압력에서 제 2 화학 반응물 가스로 제 2 부스터 챔버를 충전하고(이 때, 제 2 부스터 챔버는 제 2 공급원 FRE의 다운스트림 및 침착 챔버의 업스트림에 위치한다), 계속해서 제 2 부스터 챔버와 침착 챔버 사이에서 직렬 유체 연통되어 있는 제 2 화학물질 차단 밸브를 개방함으로써 제 2 화학물질 투여 단계를 개시하여 초기에 제 2 순간 유속(제 2 순간 유속은 초기에는 제 2 투여 유속보다 실질적으로 크다)에서 제 2 화학 반응물 가스를 유동시키는 것을 또한 포함하는 것이 바람직하다.
한 양태에서, 본 발명에 따른 장치는 가공 챔버에서의 가스의 유동, 드로우 및 압력을 동기식으로 조절할 수 있다. 본원에서 "동기식으로"라는 용어는 신속하게 조절되어 연속적으로, 빠른 반응 시간으로, 및 압력 또는 가스 유속의 조절되지 않은 급속한 증대를 최소로 함을 의미한다. 본 발명에 따른 시스템은 가공 챔버("PC")로의 가스의 유동을 조절하고, 실질적으로 동시에 및 독립적으로 가공 챔버로부터의 가스의 드로우를 상기 유동과 일치시켜 침착 동안 내내 실질적으로 정상 상태의 압력을 지속시키면서 PC에서의 가스의 유동 및 체류 시간을 실질적으로 조절할 수 있는 장치를 포함한다. 큰 유동 조절을 조정하는 것은 퍼지 및 투여 단계의 독립적인 최적화를 가능하게 하고, SMFD 실시의 중요한 이점이다. 그럼에도 불구하고, 특정한 실시태양에서는 유동 조절 이외에 약간의 제한된 의도적인 압력 조절, 특히 화학물질 투여 동안의 목적하는 압력 증가가 실시된다. 이러한 압력 조절은 드로우 조절이 유동 조절과 동기식으로 약간의 소정의 불일치를 갖는 경우에 달성된다. 잘 설계된 SMFD 장치 및 방법에서는 역유동을 발생시키지 않는 이러한 불일치는, 압력-전환 기간 동안에 PC내의 압력을 변화시켜 유동-드로우 일치에 이르게 함으로써 동기식 압력 조절을 수행한다.
다른 양태에서, 장치는 가공 챔버, 가공 챔버로의 가스 유속을 조절하기 위한 가공 챔버에 연결된 공정 가스 도관, 드로우 가스(draw gas)의 유동을 위하여 형성된 드로우 조절 챔버("DC"), 가공 챔버와 드로우 조절 챔버 사이에 직렬 유체 수송이 가능한 가공-챔버 유동 제한 소자("FRE"), 드로우 조절 챔버와 직렬 유체 수송이 가능한 드로우 배기 라인 및 드로우 배기 라인과 직렬 유체 수송이 가능한 드로우 조절 FRE를 포함한다. 일반적으로, FRE는 가스 유동 경로에서 특정 컨덕턴스(또는 역으로, 저항성)을 제공하도록 고안된다. 다른 양태에서, 시스템은 드로우 조절 챔버를 통하여 드로우 가스의 유동을 조절하기 위한 드로우 공급원 차단 밸브를 포함한다. 또 다른 양태에서, 시스템은 드로우 공급원 차단 밸브 및 드로우 조절 챔버와 직렬 유체 수송이 가능한 드로우 공급원 FRE를 포함한다. 다른 양태에서, 시스템은 공정 가스 도관과 직렬 유체 수송이 가능한 복수개의 공정 가스 차단 밸브를 추가로 포함하는데, 각 차단 밸브는 가공 챔버로 공정 가스의 유입을 조절하기 위하여 형성된다. 다른 양태에서, 공정 가스 차단 밸브중 하나는 가공 챔버로의 배출 가스의 유동을 조절하기 위한 가공 챔버와 직렬 유체 수송이 가능한 배기 공급원 차단 밸브를 포함한다. 다른 양태에서, 시스템은 배기 공급원 차단 밸브와 직렬 유체 수송이 가능한 배기 공급원 FRE를 추가로 포함한다. 다른 양태에서, 시스템은 복수개의 공정 가스 FRE를 추가로 포함하는데, 각 공정 가스 FRE는 공정 가스 차단 밸브중 하나와 직렬 유체 수송이 가능하다. 다른 양태에서, 시스템은 복수개의 부스터 챔버를 추가로 포함하는데, 각 부스터 챔버는 공정 가스 도관과 직렬 유체 수송이 가능하고, 각 부스터 챔버는 공정 가스 차단 밸브중 하나의 업스트림 및 공정 가스 FRE중 하나의 다운스트림에 위치한다. 다른 양태에서, 시스템은 복수개의 부스터 FRE를 추가로 포함하는데, 각 부스터 FRE는 부스터 챔버중 하나의 다운스트림에 위치한다. 다른 양태에서, 시스템은 공정 가스 차단 밸브와 가공 챔버 사이에서 직렬 유체 수송이 가능하고 배기 공급원 차단 밸브 및 가공 챔버사이에서 직렬 유체 수송이 가능한 가스 분배 챔버 및 가스 분배 챔버와 가공 챔버 사이에서 직렬 유체 수송이 가능한 가스 분배 FRE를 추가로 포함한다. 또 다른 양태에서, 가스 분배 FRE는 노즐 어레이를 포함한다. 다른 양태에서, 노즐 어레이는 1.5 이상의 외관 비율을 갖는 복수개의 노즐을 포함한다.
다른 양태에서, 시스템은 가스 분배 챔버와 직렬 유체 수송이 가능한 드로우 배기 라인 및 드로우 배기 차단 밸브를 추가로 포함하는데, 드로우 배기 차단 밸브는 가스 분배 챔버와 드로우 배기 라인 사이에서 직렬 유체 수송이 가능하다. 다른 양태에서, 시스템은 드로우 배기 차단 밸브와 직렬 유체 수송이 가능한 드로우 배기 FRE를 추가로 포함한다. 다른 양태에서, 몇몇 공정 가스 차단 밸브는 복수개의 비-공통 포트 및 복수개의 공통 포트를 갖는 다중식 밸브를 포함하고, 각 비-공통 포트는 공정 가스 공급원과 직렬 유체 수송이 가능하고, 복수개의 공통 포트는 가공 챔버와 직렬 유체 수송이 가능하고, 하나 이상의 공통 포트는 배기 공급원 차단 밸브와 직렬 유체 수송이 가능하다.
몇몇 바람직한 양태에서, 장치는 가공 챔버와 드로우 조절 챔버 사이에서 직렬 유체 수송이 가능한 드로우 가스 도입 챔버("DGIC"), DGIC로의 이출 가스의 유동을 조절하는 드로우 공급원 차단 밸브, 가공 챔버와 DGIC 사이에 위치한 가공-챔버 FRE 및 DGIC와 드로우 조절 챔버 사이에 위치한 DGIC FRE를 추가로 포함한다. 다른 양태에서, 시스템은 드로우 공급원 차단 밸브 및 DGIC와 직렬 유체 수송이 가능하도록 위치한 드로우 공급원 FRE를 추가로 포함한다.
다른 양태에서, 시스템은 드로우 조절 챔버에 위치한 제거 표면을 포함한다. 또 다른 양태에서, 시스템은 화학물질 제거를 증진하기 위하여 드로우 조절 챔버로 반응물 가스를 도입하기 위한 반응물 가스 입구를 추가로 포함한다 다른 양태에서, 반응물 가스 입구는 드로우 조절 챔버 가까이에 반응물 가스 공간을 포함한다. 다른 양태에서, 시스템은 제거 챔버를 포함하는데, 제거 챔버는 드로우 조절 챔버의 다운스트림에 위치한다.
다른 양태에서, 시스템은 드로우 조절 챔버의 다운스트림에 위치하고 드로우 조절 챔버 및 드로우 배기 라인과 직렬 유체 수송이 가능한 압력 조절 챔버를 추가로 포함한다. 다른 양태에서, 가공 챔버는 원자층 침착 챔버("ALDC")이다.
다른 양태에서, 본 발명에 따른 시스템은 반응기-용기 벽 및 관 내부를 갖는 반응기 관을 포함하는데, 이때 관 내부에는 침착 챔버, DGIC 및 드로우 조절 챔버가 있다.
다른 양태에서, 본 발명에 따른 시스템은 주변 슬롯 밸브("PSV")를 함유하는 반응기 관을 포함하는데, 이때 주변 슬롯 밸브는 반응기-용기 벽을 관통하는 기판 수송 슬롯, 반응기-용기 벽내 연속 한계 공동, 연속 한계-밀폐 마개 및 열림 위치와 닫힘 위치 사이에서 밀폐 마개를 움직이기 위한 작동장치를 포함하고, 이때 밀폐 마개는 담힘 위치에서 한계 공동을 향하여 움직이고, 밀폐 마개는 열림 위치에서 한계 공동으로부터 움직이고, 기판 수송 슬롯은 기판 홀더의 기판-지지면과 실질적으로 동일 평면상에 있고, 한계 공동은 기판 수송 슬롯과 실질적으로 동일 평면상에 있고, 밀폐 마개가 열림 위치에 있을 때 기판 수송 슬롯은 반응기-용기 벽을 관통하는 기판 수송 채널을 기판 홀더로 한정하고, 밀폐 마개가 닫힘 위치에 있을 때 밀폐 마개는 기판 수송 슬롯을 관 내부로부터 분리한다.
몇몇 양태에서, 가공 챔버(또는 ALD 챔버)내 압력은 동기식 유동-드로우 조정동안 실질적으로 일정하게 유지된다. 본 발명에 따른 다른 양태에서, 고압에서 하나 이상의 화학물질 투여 단계를 수행함으로써 작업 처리량 및 물질 활용도가 더욱 향상된다. 예컨대, 몇몇 양태에서, 배출중 압력은 약 30mTorr 내지 약 100mTorr의 범위에서 유지되는 반면, 화학물질 투여중 ALD-압력은 200mTorr 내지 1000mTorr의 범위에서 유지된다.
다른 양태에서, 본 발명에 따른 양태는 공정 가스를 가공 챔버로 유동시키고 드로우 조절 가스를, 이 가공 챔버와 직렬 유체 수송이 가능하고 가공 챔버의 다운스트림에 위치하여 가공 챔버의 다운스트림에서 드로우 압력을 조절하는, 드로우 조절 챔버로 유동시킴으로써 가공 챔버내 압력을 조절한다. 다른 양태에서, 드로우 조절 가스의 드로우 조절 챔버로의 유동은 드로우 조절 챔버내 화학물질 제거를 촉진하기 위하여 반응물 가스를 유동시키는 것을 포함한다. 다른 양태에서, 드로우 압력은 1기압 미만에서 조절되고, 전형적으로 5Torr 미만에서 조절된다.
본 발명을 도 1 내지 17을 참고로 하여 본원에서 기술하고 있다. 분명하게 하기 위하여, 여러 도면에서 유사하거나 동일한 구성요소에 대하여 동일한 참조 번호를 사용한다. 도 1 내지 17에서 개략적인 형태로 나타낸 구조 및 시스템은 설명적 목적으로만 사용되고 본 발명에 따른 실제적인 구조 및 시스템을 정확히 기술하는 것은 아니다. 더욱이, 본원에서 기술한 양태는 예시적인 것이고 본 발명의 영역을 한정할 의도는 아니며, 본 발명의 범위는 하기 청구항에서 한정된다. 본 발 명에 따른 양태는 단일 200mm 회로판 기판상의 ALD 침착 시스템 및 방법을 주로 참고로 하여 기술된다. 본 발명은 보다 크거나 보다 작은 규모에서도 유용하고, 하기에서 논의되는 차원 및 작동 변수는 적당히 샹향 또는 하향 조정될 수 있다.
바람직하게는 원자층 침착("ALD")은 배출중에는 침착 챔버를 통해 가장 높은 가능 유속으로, 화학물질의 투여중에는 가장 낮은 가능 유속으로 실시된다. 따라서, 효율적인 ALD 시스템은 유속의 유의한 조정을 일으키고 도모할 수 있다. 정상-상태 조건하에서, 공정 가스(불활성 배출 가스 또는 화학 반응물 가스)의 챔버로의 유동(본원에서 "유동"으로 칭함)은 가스의 챔버로부터의 유동(본원에서 "드로우"로 칭함)과 일치한다.
유의한 유동 조정을 도모하기 위하여, 본 발명에 따른 시스템은 실질적으로 유동 및 드로우를 일치시킬 수 있다. 예컨대, 대표적인 ALD 사이클은 화학물질 A 투여, A 배출, 화학물질 B 투여 및 B 배출의 과정을 각각 10sccm, 1000sccm, 5sccm 및 1000sccm의 가스 유속으로 포함한다. 드로우가 실질적으로 동일한 유속에서 동기식으로 조정되도록 조절되는 경우, 가공 압력은 실질적으로 일정하게 유지된다.
드로우의 조정이 실질적으로 유동 조정과 일치하지 않는 경우, 시스템은 가공 압력을 유지하지 않는다. 대신, 시스템은 불가피하게 일시적으로 실질적으로 다른 압력으로 되어 유동 및 드로우를 일치되도록 한다.
일반적으로 침착또는 다른 유형의 가공 챔버으로의 유동은, 실질적으로 가공 압력과 독립적으로, 업스트림 매니폴드를 사용하여 조절된다. 드로우는 일반적으로 가공 챔버 출구의 컨덕턴스 CPC와 출구를 가로지르는 압력차 ΔP = PPC-PDraw에 의하여 결정된다. 일반적으로, 드로우 조정은 컨덕턴스 CPC 또는 압력차 ΔP 중의 하나, 또는 둘다를 조정함으로써 이루어질 수 있다. 일반적으로 가공 챔버로부터의 컨덕턴스의 조정은, 조절판 밸브라 불리는 기계 장치를 사용하여, CVD, PVD 및 에칭 시스템과 같은 가공 유동 시스템의 분야에서 통상적으로 사용된다. 조절판 밸브는 이러한 시스템에서 정상-상태 압력을 조절하는데 적절히 사용되어 왔으나, 이들은 일반적으로 너무 느려서 SMFD 시스템에서 요구되는 신속한 반응 시간을 도모할 수 없다. 더욱이, 조절판 밸브는 바람직하지 못한 유동 교란을 일으키고 입자를 생성한다. 유동 교란 및 입자 발생 문제를 피하기 위하여, 전형적으로 조절판 밸브는 가공 영역으로부터 상당히 멀리 있는 다운스트림 위치에서 통상적으로 이용된다. 그러나, 바람직한 ALD 시스템 디자인은, 드로우 조절의 위치를 기판 가까이로 하여, ALD 침착 챔버 용적을 최소화한다. 가공 출구의 온도의 변화와 같은, 컨덕턴스을 조정하는 다른 수단은 범위에 있어서 상당히 제한적이고 매우 느리다. 최종적으로, 드로우 조정은 진공 펌프의 펌프 속도를 조정함으로써 이루어질 수 있다. 그러나, 바람직한 ALD 스위치 속도에서 사용하는 경우, 유의한 펌프 속도 조정은 느리게 반응하고 또한 상당히 펌프를 마모시킨다.
그러므로, 본 발명에 따른 드로우의 조정에 대하여 가장 적당한 것은 ΔP 조정이다. 가공 챔버 압력 PPC를 실질적으로 일정하게 유지하는 동안의 ΔP의 조정은 PDraw를 조정함으로써 본 발명에 따라 실시된다. 예컨대, 드로우 조절 챔버(DC)는 가공 챔버의 다운스트림에 위치하고, 드로우 조절 챔버는 컨덕턴스 CDraw를 갖는 출구를 갖는다. 조절 가스를 드로우 조절 챔버로 및 드로우 조절 챔버를 통하여 유동시킴으로써, 가공내 PDraw를 압력 PPC 또는 침착과 독립적으로 챔버 업스트림에서 조절할 수 있다. 가스의 드로우 조절 챔버로의 유동은 가공 챔버로부터의 드로우 및 직접 삽입된 드로우 가스 유동의 총합이다. 드로우는 ΔP의 함수이므로, ΔP의 독립적인 조절은 유동과 독립적으로 드로우의 유동으로의 실질적인 일치를 제공한다. 원칙적으로 드로우 챔버는 매우 작게 만들어질 수 있으므로, 특정 양태에서 ΔP의 조정은밀리초 이하의 속도로 실시된다. 본 발명의 특정 양태는 소용적 DC 챔버로 유리하게 수행되어 매우 짧은 시간으로 가공 상태를 용이하게 한다. 다른 양태는 드로우 조절 속도를 유리하게 하여 실질적으로 더 큰 드로우 조절 챔버를 제공한다. 수 리터의 용적을 갖는 드로우 조절 챔버는 화학물질의 트랩핑 및 제거에 유용하다. 결과적으로, 드로우 조절 반응 시간은 전형적인 200mm 회로판 침착 시스템에서 10밀리초 내지 20밀리초 범위에 있으나, 약 3리터의 사용가능한 드로우 조절 챔버 공간의 잇점을 갖는다. 이 "더 느린" 드로우 반응 시간은 전형적으로 화학물질 투여 단계의 마지막에 침착 챔버에 약 5 내지 15%의 압력 변동을 일으키나, 모의 시험 및 실제 작동 결과는 이러한 압력 변동이 ALD 실행에 무시해도 좋은 영향임을 나타낸다. 불가피한 가공-압력 변동은 높은 배출 유동의 개시시에 ALD 챔버의 전형적으로 짧은(예: 2밀리초 내지 4밀리초) 반응 시간과 드로우 챔버의 더 긴(에: 10밀리초 내지 20밀리초) 반응 시간 사이의 차이와 관련이 있다.
특정 실시양태에서, 신속 반응 드로우(draw) 챔버 및 대용적 어베이트먼트 챔버 둘 모두는 작은 드로우 조절 챔버(예컨대 40ml)를 상기 드로우 조절 챔버의 다운스트림에 위치한 분리된 추가의 어베이트먼트 챔버와 함께 사용함으로써 제공된다. 이 경우, 드로우 챔버 FRE상에서의 압력 하락이 바람직하게 크기 때문에, 추가의 어베이트먼트 챔버 내 체류 시간은 대용적 어베이트먼트 챔버를 사용하여 적절하게 길게 유지된다. 예를 들어, 드로우 조절 FRE보다 10의 인자로 압력이 하락하는 경우, 어베이트먼트 챔버는 유사한 효과적인 어베이트먼트를 제공하기 위해 10배 더 커야 하며, 1리터 내지 5리터 대신 전형적으로 10리터 내지 50리터여야 한다. 이러한 크기 비교는 드로우 조절 챔버내의 화학물질의 트래핑 또는 어베이트먼트 예상을 위해 대부분의 경우에 적당한 것으로 생각되는 이상적인 SMFD 성능을 보상하는 이점을 설명한다. 추가로, 드로우 챔버가 드로우 조절만을 위해 사용될 경우(상기 챔버가 매우 작다는 것을 의미), 드로우 조절 챔버에서 열등한 막 성장이 일어날 수 없도록 보장하기 위해 ALD 퍼지 단계가 드로우 조절 챔버를 포함하도록 확장하는데 주의를 기울여야 한다. 이는 무시할 수 있는 처리량 손실(penalty)를 갖는데(드로우 챔버 유동 경로가 잘 설계되고 드로우 챔버 벽이 적당한 온도로 조절될 경우), 이는 상기 챔버가 전형적인 200mm 웨이퍼 시스템에 대해, 30cc 내지 70cc의 용적을 갖도록 제조될 수 있고, 또한 높은 드로우 유속이 필수적으로 화학물질 투여(chemical dosage) 동안 화학물을 희석하는 역할을 하기 때문에 화학물질 투여 동안 매우 작은 화학물질의 분압에 처해지기 때문이다.
ΔP-조정의 반응 시간은 PDC 조정의 반응 시간과 직접 관련되고, DC 용적, DC 출구의 컨덕턴스 및 유동에 의존한다.
도 1은 본 발명에 따른 동기식 조정된 유동 드로우(SMFD) ALD 시스템(100)의 기본 실시양태의 유동도를 도시한다.
시스템(100)은 압력-안정화된 불활성 퍼지 가스 공급원(101)을 포함한다. 퍼지 가스는 퍼지 공급원 차단 밸브(102) 및 퍼지 공급원 유동 제한 소자(FRE)(103)를 통해 가스 분배 챔버(104)로 공급되고, 상기 챔버는 보통 통상적인 샤워헤드이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 퍼지 공급원 차단 밸브(102) 및 퍼지 공급원 FRE(103)는 퍼지 가스 공급원(101)과 가스 분배 챔버(104) 사이에 직렬 유체 연통을 제공한다. 본 명세서에서, 유동 제한 소자(FRE)는 가스가 그를 통해 유동할 때 압력의 감소(step-down)를 야기한다. 순수한 화학물질 가스, 액체 또는 고체 화학물질로부터의 증기, 또는 증기 또는 가스 화학물질과 불활성 가스의 혼합물의 형태의 화학 반응물 전구체가 잘 조절된 압력으로 복수개의 화학물질 가스 공급원(105,105')에 제공된다. 화학물질 가스 공급원(105)은 화학물질 공급원 FRE(106)을 통해 부스터(booster) 챔버(107)와 직렬 유체 연통되게 연결된다. 부스터 챔버(107)는 화학물질 투여 차단 밸브(110) 및 부스터 FRE(109)를 통해 가스 분배 챔버(샤워헤드)(104)와 직렬 유체 연통되게 연결된다. 가스 분배 챔버(104)는 부스터 FRE(109), 퍼지 배기(exhaust) 차단 밸브(108) 및 퍼지 배기 FRE(111)를 통해 퍼지 배기 라인(112)에 직렬 유체 연통되게 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 화학물질 투여 차단 밸브(110) 및 퍼지 배기 차단 밸브(108)는 각각 접합부(123)로부터 분기되는 시스템(100)의 가스 매니폴드 시스템의 평행 분기에 간단한 2-웨이 밸브를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 화학물질 가스 공급원(105')은 화학물질 가스 공급원(105)과 관련하여 기술된 것에 상응하는 장치로 샤워헤드(104) 및 퍼지 배기 라인(112)에 연결된다.
가스 분배 FRE(113)는 가스 분배 챔버(104) 및 원자층 침착 챔버("침착 챔버")(114) 사이에 직렬 유체 연통을 제공한다. 가스 분배 챔버(104)가 샤워헤드 장치인 바람직한 실시양태에서, 가스 분배 FRE(113)는 통상적으로 노즐 어레이(113)이다. 노즐 어레이는 가스 분배 챔버(104)로부터 침착 챔버(114)(처리될 기판 함유)로의 제한되고 균일한 유동을 제공한다. 침착 챔버(114)는 침착-챔버 FRE(115)를 통해 드로우 조절 챔버(116)로 직렬 유체 연통되게 연결된다. 드로우 조절 챔버(116)는 드로우 조절 FRE(117) 및 진공 라인(118)을 통해 진공 펌프(125)에 직렬 유체 연통되게 연결된 드로우 조절 출구(124)를 포함한다. 드로우 가스 공급원(101)은 드로우 가스 라인(119), 드로우 공급원 차단 밸브(120) 및 드로우 공급원 FRE(121)를 통해 드로우 조절 챔버(116)에 직렬 유체 연통되게 연결된다.
전형적인 ALD 작동 동안, 장치(100)는 본질적으로 두 정적(static) 모드, 즉 퍼지 모드 및 화학물질 투여 모드 사이에서 변환(switching)된다. 작동의 두 기본 모드의 대표적인 밸브-설정이 표 1에 제공된다.
명료화를 위해, 정상(steady) 압력 공정의 경우에 대해 SMFD 시스템을 작동시키는 방법을 기술한다. 이전 단락에서 설명한 바와 같이, 이 모드는 통상적으로 중요한 용도에서 양호한 결과를 얻는다. 또한, 전술한 바와 같이, ALD 가공이 전형적으로 적어도 4개의 개별 단계를 갖는 사이클을 포함하고, 상기 사이클이 목적하는 박막을 침착시키기 위해 순서대로 다수회 반복된다는 것이 이해될 것이다. 표 1 및 도 1을 참조하여 기술된 두 모드는 전형적인 4단계 사이클의 화학물질 투여 단계 및 퍼지 단계를 나타낸다. 퍼지 모드에서, 알려진 퍼지 공급원 압력의 퍼지 가스 공급원(101)의 경우, FRE(103,113)는, 샤워헤드 압력(PSH 퍼지) 및 ALD 침착-챔버 압력(P114)가 유지되면서 퍼지 가스를 목적하는 유동(Q퍼지)으로 퍼지 가스 공급원(101)으로부터 가스 분배 챔버(104)까지 전달하고; 그다음 가스 분배 챔버(104), 침착 챔버(114) 및 드로우 조절 챔버(116)를 통해 드로우 조절 출구(124)까지 전달하고; 그다음 이후 FRE(109) 및 퍼지 배기 차단 밸브(108)를 통해 퍼지 배기 라인(112)으로 전달하도록, 설계된다. 화학물질 투여 모드에서, 알려진 압력의 화학물질 가스 공급원(105)의 경우, FRE(106,109)는, 화학 반응물 가스를, 전형적으로, 바람직하게는 실질적으로 Q퍼지 보다 작은 화학물질 투여 유동(QCD)으로 가스 분배 챔버(샤워헤드)(104)에 전달하도록 설계된다. 이러한 보다 낮은 유동은 더 낮은 샤워헤드 압력(PSH CD)과 동반된다. 침착 챔버(114)와 가스 분배 챔버(104)의 압력(P114, P104)(전형적으로 mTorr 단위로 측정)이 각각 화학물질 가스 공급원(105)의 압력(전형적으로 Torr 단위로 측정)보다 훨씬 낮으므로, FRE(106,109)는 화학물질 투여 유속(QCD)이 실제적으로 압력(P114,P104)과 독립적이도록 전형적으로 설계된다. 화학물질 투여 모드에서, 알려진 드로우 가스 공급원 압력의 드로우 가스 공급원(101)은 드로우 가스를 목적하는 드로우 가스 유속으로 FRE(121)를 통해 드로우 조절 챔버(116)로 공급한다. 본 발명에 따르면, 퍼지 가스 공급원(101) 및 FRE(121)에서의 드로우 가스 공급원 압력은 드로우 조절 챔버(116)를 통한 드로우 가스 유속을 결정한다. 이 드로우 가스 유속 및 FRE(117)는 드로우 조절 챔버(116)중의 화학물질 투여 드로우 압력을 확립한다. 드로우 압력은 드로우 가스 유속이 증가함에 따라 증가한다. 침착 챔버(114)와 드로우 조절 챔버(116) 사이의 압력차는, FRE(115)의 컨덕턴스와 함께, 미반응 화학물질 전구체를 포함하는 공정 가스의 침착 챔버(114) 밖으로의 드로우를 결정한다. 침착 챔버(114)로부터 드로우 조절 챔버(116)까지 또는 그를 통한 공정 가스의 드로우는 또한 드로우 조절 챔버(116)를 통한 가스의 전체 유속에, 따라서 드로우 압력에 약간의 기여를 한다. 드로우 조절 챔버(116)에서의 화학물질 투여 드로우 압력의 증가는 침착 챔버(114)로부터 드로우 조절 챔버(116)로의 및 그를 통한 드로우를 감소시킨다. 역으로, 드로우 조절 챔버(116)에서의 화학물질 투여 드로우 압력의 감소는 침착 챔버(114)로부터의 드로우를 증가시킨다.
본 발명에 따른 바람직한 실시양태에서, 두개의 정적 모드, 즉 퍼지 모드 및 정상상태 화학물질 투여 모드 이외에, 중요한 전이(transient) 모드를 화학물질 투여의 초기에 설계한다. 초기 전이 유속은 부스터 챔버(107)로부터의 화학물질 가스 유동에 의해 생성된다. 밸브(110)가 폐쇄될 때 평형화 시간을 주워지면, 부스터 챔버(107)의 압력은 화학물질 가스 공급원(105)의 압력과 같다(P정적 107=P105). 밸브(110)가 개방될 때, 정상상태 조건하에서, (107)에서의 정상상태 압력(PSS 107)은 FRE(106)에 의한 압력 구배로 인해 P105보다 작다. 차단 밸브(110)가 가동되어 개방될 때, 부스터 챔버(107)에서의 초기 압력은 P105로부터 정상상태 압력(PSS 107)로 하강 전이된다. 화학물질 투여 동안 화학 반응물 가스의 가스 분배 챔버(104)로의 유동은 부스터 챔버(107)에서의 압력 및 FRE(109)의 컨덕턴스에 의해 결정된다. 부스터 챔버(107)에서의 압력 전이는 가스 분배 챔버(104)에서의 압력 전이를 초래한다. 그 결과, 부스터 챔버(107)에서의 압력 전이 동안, 화학 반응물 가스의 침착 챔버(114)로의 상응하는 유동은 정상상태 유속으로 점진적으로 감소하는 초기 펄스에 순응한다. 동시에, 드로우 조절 챔버(116)중의 드로우 압력은 하강 전이되는 초기 펄스에 순응한다. 전이 시간은 드로우 조절 챔버(116)의 용적, 드로우 유속 및 FRE(117)의 컨덕턴스에 의해 순응한다. (116)에서의 압력 전이 동안, 침착 챔버(114)로부터의 드로우는 하강 전이를 따른다. 전이 유동 및 전이 드로우는 각각의 FRE(106, 109, 117)의 컨덕턴스, 드로우 조절 유속, 및 부스터 챔버(107) 및 드로우 조절 챔버(116)의 용적의 선택적인 설계를 통해 침착 챔버(114)중의 압력-편위(excursion)를 최소화하도록, 일치된다. 그러나, 전이-시간 상수가 완벽하게 일치되지 않고 다양한 밸브 가동이 완벽하게 동조화되지 않았을 때에도, 압력 편위가 SMFD 시스템(특히 정상-압력에서 작동될 경우)에 의해 내부적으로 억제된다는 것이 본 발명의 중요한 측면이다. 사실, 본 발명의 일부 실시양태에서 교시되는 바와 같은 SMFD 방안의 주된 이점은 장치 및 공정 불완전성에 대한 편리하고 비용효과적인 불감성이다.
바람직하게는, 투여 단계는 화학물질 플럭스를 극대화하면서 화학물질 사용을 최소로 하도록 설계된다. 극단적인 예로서, 200mm 웨이퍼 가공용인 전형적인 300cc-400cc ALD 챔버는, 200mTorr로부터의 화학물질 투여 압력에서는 화학물질 고갈 효과가 실질적으로 없는 채로 유지된다. 따라서, 100% 화학물질 투여를 200mTorr에서 수행하는 것은, 전형적으로 부스터의 효과를 초과하는 투여 화학물질의 사소한 추가의 유동을 요구한다. 사실, 본 발명자들은 300℃에서의 Al2O3의 ALD를 위해 사용되는 트라이메틸알루미늄("TMA")의 부스터 투여를 초과하는 추가의 투여의 영향이, 200mTorr에서의 미희석 전구체의 투여 조건하에서 2% 미만이라는 것을 실험적으로 밝혀냈다. 따라서, 전형적으로 10sccm 미만의 TMA 정상상태 유동의 실행이 최적화된 ALD 성능을 성취하는데 충분하였다.
화학물질 투여 단계 동안의 정상상태 유속은 전형적으로, 퍼지 단계 동안 퍼지 가스 유속의 1/10 내지 1/100이다. 따라서, 화학물질 투여의 정상상태를 확립하기 위한 시간 규모는 허용될 수 없을 정도로 길다. 이러한 처리량의 손실을 피하기 위해, 본 발명의 실시양태에 따른 효과적인 화학물질 투여 단계들은, 화학물질 투여 단계들의 초기 단계에서 화학물질의 초기 빠른 유동을 제공하도록 맞추어진다. 따라서, 초기 유동 전이는 화학물질 투여 단계의 반응 시간을 상당히 감소시키는 역할을 한다. 이러한 감소된 반응 시간은 ALD 공정의 효율 및 처리량을 개선하는데 중요하다. 화학물질 투여 단계의 초기 전이 부분은, 가스 분배 챔버(104) 및 침착 챔버(114)의 용적이 초기의 고압 및 대응하는 초기의 높은 전이 유속으로 화학물질 가스의 펄스에 의해 신속하게 채워진다. 화학물질 투여 동안의 초기 전이 유속은 전형적으로 선행하는 퍼지 단계 동안 불활성 퍼지 가스 유동의 퍼지 유속과 일치되도록 조정된다. 따라서, 유동의 연속성이 보존된다. 가스 분배 챔버(104) 및 침착 챔버(114)는, 상기 챔버를 통해 유동하는 화학물질 가스의 체류 시간이 짧기 때문에(초기의 높은 화학물질 투여 유속에 상응함) 화학물질 가스로 신속하게 채워진다. 부스터 챔버 용적 및 부스터 FRE는, 화학물질 투여의 초기 단계에서 드로우 챔버 압력 증가에 실질적으로 일치되도록, 선택적으로 설계된다. 또한, 부스터 챔버 용적은, 투여 동안, ALD 챔버의 1 압력×용적 내지 2 압력×용적 당량의 규모로 통합된 부스터 노출을 제공하도록 설계된다. 예를 들어, 침착 챔버 용적이 400cc이고 투여 압력이 200mTorr인 경우, 부스터 용적은 0.08 리터×Torr 내지 0.16 리터×Torr의 부스터 노출을 제공하도록 설계된다. ALD 시스템(100)이 화학물질 투여 모드로부터 퍼지 모드로 변환될 때, 전이는 보통 훨씬 덜 중요하다. 상대적으로 작은 용적의 가스 분배 챔버(104)는 FRE(103)의 상대적으로 높은 컨덕턴스를 통해 PSH 퍼지으로 신속하게 부하된다. 소-용적 드로우 조절 챔버가 실행될 때, 화학물질 투여 드로우 압력으로부터 퍼지 드로우 압력으로의 드로우 조절 챔버(116)중의 압력 강하는 퍼지 체류 시간보다 훨씬 빠르고, 투여로부터 퍼지로의 변환이 수 밀리초의 시간규모로 일어난다. 그러나, 드로우 챔버의 용적이 큰 경우, 드로우 조절 챔버 압력 강하에 대한 반응 시간이 처리 챔버 중의 퍼지 체류 시간보다 길다. 예를 들어, 200mm 웨이퍼상의 ALD에 사용되는 전형적인 공정에서, 처리 챔버중의 체류 시간은 3밀리초이다. 화학물질 투여와 퍼지 사이의 드로우 압력 조정은 전체 드로우 압력의 10% 내지 20% 규모이다. 전형적으로, 어베이트먼트능을 시스템에 통합시키기 위해서는 1리터 내지 5리터의 드로우 조절 챔버 용적이 편리하다(하기 설명 참조). 따라서, 드로우 챔버 압력 조정은 10밀리초 내지 20밀리초의 전형적인 시간 상수를 따른다. 그 결과, 투여 단계의 종말에는 일부 가공 챔버 편위를 피할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 이러한 압력 조정은 임의의 측정가능한 성능 손실을 초래하지 않는다. 또한, 화학물질 투여 단계의 초기 펄스의 경우에서와 같이 전이를 의도적으로 생성시킬 이유는 없다. 따라서, 화학물질 투여 단계를 종결시키는 것과 관련된 전이 효과는 적다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 SMFD ALD 시스템은 (효율적인 단시간의 퍼지를 가능하게 하기 위한) 퍼지 동안의 높은 유동(및 낮은 압력), 및 (빠른 반응 및 높은 화학물질 활용을 가능하게 하기 위한) 화학물질 투여 동안의 낮은 유동(및 높은 압력)의 요구 사이의 통상적인 균형(trade-off) 문제를 해결한다. 정상-압력 실시양태에서, 시스템은 실질적으로 일정한 가공 압력을 유지하면서 유속은 10의 인자보다 더 크게 조정된다. 사실, 본 발명에 따른 공정 기계설비 및 방법은, 정상 압력에서 100의 인자를 초과하는 유동 및 드로우에서의 조절된 조정을 성공적으로 생성하는데 사용되어 왔다. 다르게는, 퍼지 및 화학물질 투여 단계에 대해 사실상 균형 효과 없이 더욱 높은 효율을 얻기 위해 압력 및 유동 둘 다를 조정할 수 있다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은 침착 챔버로의 가스 유동의 조정과 동조되도록 드로우(침착 챔버 외부로부터의 가스의 유동)을 조정함에 의해 상기 목적하는 능력을 달성한다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 이점은 본 발명을 실시하는 몇몇 구조 및 기법이 통상적인 부품을 신규한 조합으로 사용하여 본 발명의 실시양태를 저가로 설계하고 사용할 수 있게 된다는 점이다. 예를 들어, 특정 실시양태는 알려진 압력으로 불활성 가스를 집중적으로 단일 점에서 공급하고, 상기 가스는 선택적으로 조절된 방식으로 시스템 내에 유동 제한 소자를 통해 분배된다. 불활성 가스 공급원의 예는 시판중인 압력 조절기(예컨대, MKS 640A 시리즈) 및 가스 용기이다. 다른 예는 단순 압력 조절기이다. 본 발명에 따른 특정 실시양태에서, 약 100밀리초의 기간이 각각의 화학물질 투여 및 퍼지 단계에 대한 실용적인 목표이다. 상응하는 시스템의 가스 동력학은 전형적으로 5밀리초 미만의 시스템-반응 시간을 목표로 설계된다. 따라서, 밸브(102, 120, 108, 110) 사이 및 다른 화학물질 공급원과 연관된 밸브에서의 목적하지 않은 전이 조건, 압력 불안정성, 및 지터(jitter; 조절되지 않고 재현불가능한 지연)를 피하기 위해, 5밀리초 미만의 속도로 가동될 수 있는 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 밸브(108, 110)는 하나의 화학물질 공급원에 대한 한 세트의 밸브에 상당한다. 도 1의 흐름도로 표시되는 구체적인 실시양태에서, ALD 시스템은 각각의 화학물질 가스 공급원에 대해 2개의 이러한 밸브를 포함한다. ALD는 전형적으로 2개 이상의 상이한 화학물질 가스 공급원을 필요로 한다. 5밀리초 이하의 가동 속도는 UHP 격막식(diaphragm) 공기압 밸브의 전형적인 성능보다 빠르다. 그럼에도 불구하고, UHP 솔레노이드 밸브(예컨대, 파커 제너럴 밸브 시리즈(Parker General Valve series) 99, 후지킨(Fujikin) ECV 시리즈), 압전 밸브, 전자 연료 주입기, 비례(proportional) 밸브 및 급속 MFC(예컨대, AE-EMCO의 마크 원(Mach One))을 포함하는 몇몇 유형의 시판중인 기술이 실행에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 실시양태는 FRE를 사용한다. 예를 들어, FRE는 조정가능한 소자(예컨대, 계량 밸브, 비례식 밸브, 가열된 오리피스, 급속 MFC) 또는 수동 소자(오리피스, 배플, 모세관, 다공성 매체)일 수 있다. 수동 FRE는 전형적으로 조정가능한 FRE보다 덜 비싸고 더 강건하다. 그럼에도 불구하고, 조정가능한 FRE가 보통 최적화 조정을 위해서는 더 적합하다. 차단 밸브를 함유하지 않는 가스 유동 경로의 부분에서, 요구되는 FRE-컨덕턴스는 바람직하게는 유동 경로의 컨덕턴스로 설계된다. 차단 밸브 및 FRE를 함유하는 가스 유동 경로의 부분에서, 바람직한 설계는 FRE를 차단 밸브와 통합시킨다. 통합된 밸브-FRE에서, 완전 개방시에 필요한 컨덕턴스를 갖도록 밸브를 설계하는 것이 바람직하다. 다르게는, 비례 밸브 및 마크 원 급속 MFC와 같은 장치는 목적하는 컨덕턴스로 개방될 수 있다. 본 발명에 따른 시스템 및 방법의 최적화에서, FRE(103, 106, 109, 111, 121)의 조정가능성은 , 정적 퍼지 모드, 정적 화학물질 투여 모드 및 화학물질 투여 전이 성능의 효율적이고 독립적인 최적화를 가능하게 한다.
화학물질 가스 공급원(105)의 압력은 바람직하게는 편리한 사용을 위해 충분히 높도록 1Torr보다 높다. 또한, 화학물질 가스 공급원(105)은 화학물질 투여 단계 동안 압력을 유지할 수 있어야 한다.
"챔버" 및 관련 용어는, 하나 이상의 입구 및 출구와 함께 상대적으로 실질적인 둘러싸인 용적(V)을 갖는 소자를 지칭하고, 여기서 유용한 유속(Q) 범위내에서 챔버를 통한(즉, 입구와 출구 사이) 압력 구배(ΔP)는 챔버의 평균 압력(P)보다 실질적으로 작다. 일반적으로, 본 발명에 따른 실시양태에서, 챔버의 ΔP/P 비율은 V가 약 1000cc이고 챔버를 통과하는 유속(Q)이 약 1000sccm 이하인 경우, 0.1보다 작다. 또한, 본 명세서에서, 가스는 챔버 내측에서의 상당한 체류 시간을 갖고, 상기 체류 시간은 τ=VP/Q로 정의된다. 일반적으로, 본 명세서에서, 챔버내의 체류 시간(τ)은 전형적으로 50μ초 이상이다.
대조적으로, "유동 조절 소자"("FRE")란 용어는 무시가능한 용적을 갖고 전형적으로 단지 하나의 입구 및 하나의 출구를 가지며, 여기서 유용한 유속(Q) 내에서 FRE의 입구 및 출구 사이에서 압력 구배(ΔP)가 평균 압력(P)에 비해 상대적으로 큰 소자를 지칭한다. 일반적으로, 본 명세서의 FRE에서, ΔP/P 비율은 FRE를 통한 유속(Q)이 약 1000sccm 이하일 경우 0.1보다 크다. 또한, 본 명세서에서, FRE중의 가스의 체류 시간(τ)은 상대적으로 짧아, 일반적으로 50μsec 미만이다.
저항기, 커패시터 및 유도자와 같은 기본 수동 소자를 갖는 전기 회로와 마찬가지로, ΔP=0(비-FRE 특성)인 챔버 및 V=0인 FRE는 실제적으로 존재하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 전기 회로의 관례와 유사하게, 챔버 및 FRE를 함유하는 ALD 및 다른 유체-유동 네트워크는 기본 요소에 순수 구성요소 특성을 할당함으로써 실제적으로 설명되고 설계될 수 있다.
따라서, 당업자는 챔버 및 FRE의 이상화된(idealized) 특성을 이용하는 유동 시스템의 기술 및 설계를 이해한다. 예컨대, "가공 챔버"라는 용어는, 유동 시스템에서 유동이 있는 곳이면 압력 구배가 존재하는 것이 명백하지만, 압력 구배가 일반적으로 최소화된 공정 공간을 의미한다. 실제로, 본 발명에 따른 SMFD의 특정 실시양태에서, 연장된 가공 챔버는 이를 횡단하는 압력 구배를 포함하도록 설계된다.
V = 0인 FRE를 실현시키는 실제적 방법이 없다는 것이 당업자에게 알려져 있지만, FRE는 0 또는 최소 용적을 갖도록 전형적으로 설계되고 이상화된다. 또한, 구체적으로 언급되지 않는 한, 공정들은 ΔP를 무시할 수 있는 챔버에서 수행되는 것이 유용한 것으로 이해된다. 다른 한편, 일부 경우에서는, 무시할 수 있는 V(또는 τ)을 갖는 FRE는 실용적이지 못하다. 그러나, 상당한 용적을 갖는 FRE가 성능 손실 없이 통상적으로 사용된다. 상당한 용적을 갖는 FRE의 특성은, 순수한 챔버, V, 및 순수한 FRE의 조합에 의해 "등가 회로"에 의해 기술된, 예컨대 저항을 갖는 인덕터 전기 회로 소자의 전기적 기술(記述)과 매우 유사하게, 실용적으로 기술되고 설계된다.
FRE의 용적에 대한 고려는 근사 챔버의 "실효" 용적을 증가시킴으로써 설계에 포함될 수 있다. 챔버의 유동-제한 특성에 대한 고려는, 챔버의 잔류 컨덕턴스를 다운스트림의 FRE의 컨덕턴스에 첨가하여 "실효 FRE" 컨덕턴스, 
(여기서, 
)를 수득해서 이루어질 수 있다.
복수개의 직렬 및 병렬의 FRE를 실제로 갖는 시스템은, 시스템 기술(記述)을 개선하기 위한 효과적인 FRE에 의해 나타내진다. 예컨대, 모세관 및 밸브-이들 모두는 FRE이다-를 함유하는 라인은 단일 효과적인 FRE에 의해 나타낼 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 실시양태에서, 유동-저항 특성은 밸브의 구성으로 설계된다.
도 2는, 본 발명에 따른 SMFD ALD 반응기-용기(200)의 개략적인 형태의 단면도이다. 명확화를 위해, 당업계에서 표준화된 몇몇 장치(200) 소자, 예컨대 웨이퍼-부하 포트, 웨이퍼 리프트 핀, 및 전기적 피드쓰루(feedthrough)는 도 2에 나타내지 않았다.
가스 분배 챔버(샤워헤드)(201)는 100mm의 내경을 갖고, 내용적 내부는 높이가 3 mm이다. 샤워헤드는 웨이퍼-기판 표면적의 전부를 덮을 필요는 없다. 따라서, 샤워헤드 용적은 23.6㎤이다. 노즐 어레이(FRE)(202)는 침착 챔버(203)로부터 가스 분배 챔버(201)의 바닥을 분리한다. 200mm 반도체 웨이퍼(204)는 열 전도성 금속(예: W, Mo, Al, Ni) 또는 고온 서셉터 및 처크(chuck)용으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 다른 물질로 만들어진 가열된 기판 홀더(205) 상에 위치된다. 핫 플레이트의 주변부(perimeter)는 우수한 열 접촉부로 FRE(206)에 부착된다(또는 한 조각으로 기계처리되어 있음). FRE(206)은 일련의 방사형 슬롯으로 배치된다. 도 2의 우측부는 슬롯이 없는 단면 부분(207)을 도시한다. 구동 중, 가스는 침착 챔버(203)로부터 침착 챔버 FRE(206)를 통해 드로우(draw) 조절 챔버(208)로 흐른다. 가스는 드로우 조절 챔버(208)로부터 드로우 조절된 FRE(209)를 통해 진공 포트(210)로 흐른다. 드로우 가스는 드로우 가스 라인(211), 드로우 공급원 차단 밸브(212) 및 드로우 공급원 FRE(213)을 통해 드로우 조절 챔버(208)로 흘러 드로우 조절 챔버(208)에서의 드로우 압력을 관리한다. 전형적인 ALD 구동 중, 드로우 조절 챔버(208)로의 드로우 가스의 유속은 제 1 화학물질 투여 단계 중 제 1-투여 드로우 압력, 퍼지 단계 중 퍼지 드로우 압력, 및 제 2 화학물질 투여 단계 중 제 2-투여 드로우 압력을 다양하게 성취하도록, 선택적으로 조절된다. 통상적으로, 퍼지 단계 중의 유속에 비해, 드로우 조절 챔버(208)로 가는 드로우 가스의 유속은 화학물질 투여 단계 중에 증가되어 드로우 조절 챔버(208)의 압력(투여 드로우 압력)을 증가시켜, 침착 챔버(203)로부터의 공정 가스(화학 반응 전구체를 포함함)의 드로우를 감소시키므로, 화학물질의 폐기물을 감소시키고, 필요한 경우, 침착 챔버(203) 내의 압력 및 화학물질의 플럭스를 증가시킨다. 퍼지 단계 중, 드로우 조절 챔버(208)로의 드로우 가스의 유속은 전형적으로 보다 낮은 유속으로 다시 감소되어 드로우 조절 챔버(208)의 압력(퍼지 드로우 압력)을 감소시키고, 따라서 침착 챔버(203)로부터의 퍼지 가스의 드로우를 증가시켜 보다 높은 퍼지 가스 유속을 수용하고, 필요한 경우 보다 낮은 퍼지 압력을 수용한다. 또한, 화학물질 공급원 라인(214), 화학물질 공급원 FRE(215), 부스터 챔버(216), 화학물질 투여 차단 밸브(217), 퍼지 배기 차단 밸브(218) 및 부스터 FRE(219)가 도 2에 도시된다. 또한, 반응기-용기 벽(221) 및 반응기-용기 상부(222) 사이의 열 전도를 억제하기 위해 배열된 열 장벽(220)이 도시된다. 이런 열 장벽은 챔버 벽(221) 및 샤워헤드(가스 분배 챔버)(201)가 상이하게 조절된 온도에서 구동되는 실시양태에서 유용하다.
침착 챔버(203)의 용적이 감소됨에 따라 화학물질 사용 속도 및 화학물질 제거 속도가 모두 개선된다. 다양한 기술로 제공된 기판 크기-예컨대 200mm 및 300mm 원형 실리콘 웨이퍼가 반도체 장치 제조에서 통상적으로 사용됨-는 침착 챔버의 크기를 결정한다. 예컨대, 200mm 원형 웨이퍼의 가공을 위한 침착 챔버는 직경이 적어도 200mm인 원형 면적을 가져야 한다. 가스-유동 역학은 이런 침착 챔버의 높이가 수 밀리미터를 포함한다는 것을 나타낸다. 따라서, 이러한 200-mm 침착 챔버의 용적은 일반적으로 약 150㎤ 이상, 보다 전형적으로는 300㎤ 이상을 포함한다. 전형적으로 목적하는 약 0.6 초의 사이클 시간은 화학물질-제거 퍼지 단계에 대한 최대 허용가능한 시간을 약 0.1 초 내지 0.2 초 범위로 제한한다. 이 시간 동안, 침착 챔버 내의 화학물질 전구체 반응물의 농도는 1%의 초기 값 미만으로 감소되는 것이 일반적으로 바람직하다. 보다 정확하게는, 화학물질 제거 정도는 침착된 필름의 품질에 대한 구체적인 화학 및 구체적인 필요성에 의해 지시된다. ALD 사이클의 퍼지 단계 중, 침착 챔버 중의 화학물질 농도는 exp(-t/τ)(여기서, t는 화학물질 제거 시간임)에 비례한다. 따라서, 1% 미만의 수준을 달성하기 위해서는, t가 4.6τ 이상으로 길어질 것이 필요하다. 4.6τ< 0.2초가 되도록, VP/Q는 약 0.044초를 포함한다. 전형적으로 V가 약 300㎠ 보다 큰 범위로 한정되는 경우, P/Q는 0.145초/리터보다 작은 범위로 한정된다. 예컨대, Q가 500sccm(6.33 리터 Torr/초)이면, 공정 압력은 0.92 Torr 이하가 된다. 계속적인 예로서, 화학물질 제거가 0.0001 %로 저하되는 것이 필요한 경우, 퍼지 도중 챔버 내의 압력은 300 mTorr 미만의 범위로 한정될 것이다.
본 발명에 따른 예시적 실시양태에서, 샤워헤드(가스 분배 챔버)는 V SH = 23.6 ㎤의 용적을 포함한다. 샤워헤드 압력은 PSH 퍼지 = 500 mTorr를 포함한다. ALD 공간의 용적은 약 400㎤을 포함한다. 공정 침착-챔버 정상 압력은 P114 = 100 mTorr를 포함한다. 퍼지 단계 도중 샤워헤드를 통해 침착 챔버로 가는 퍼지 가스의 유동은 Q퍼지 = 1000 sccm으로 조절된다. 따라서, 퍼지 단계 중 가스 체류 시간, 즉 τ=VP/Q는 샤워헤드 및 침착 챔버 각각에 대해서 1밀리초 및 3밀리초이다. ALD 시스템 및 공정은 400밀리초 내지 500밀리초의 범위의 사이클 시간으로 ALD를 수행하도록 설계된다. 전형적으로 각각의 사이클은 제 1 화학물질 투여 단계 후 퍼지 단계, 그 다음 제 2 화학물질 투여 단계 후 또다른 퍼지 단계를 포함한다. 따라서, 각 단계의 목표 기간은 약 100밀리초이다. 퍼지 단계 도중, 이런 예시적 설계 치수 및 구동 조건에서, 예시적 ALD 시스템은 샤워헤드의 100 용적 스윕(sweep) 및 침착 챔버의 30 초과 용적 스윕을 제공한다. 이런 스윕 수치는 통상적인 ALD 기술(예: 1 초 내지 5 초의 퍼지 시간에 대해서 전형적으로 단지 침착 챔버의 3 용적 스윕 내지 10 용적 스윕)을 이용하여 통상적으로 성취되는 수치를 훨씬 초과한다. 개선된 화학물질 이용과 함께 이러한 실질적으로 개선된 퍼지 성능 및 감소된 퍼지 시간은 통상적인 ALD 방법 및 장치에 비해 SMFD 장치 및 방법의 상당한 장점을 나타낸다.
따라서, 퍼지 단계 중 샤워헤드 컨덕턴스는 
리터/초로서 계산되고 설계된다. 본 발명에 따른 SMFD ALD 시스템의 바람직한 설계는 샤워헤드 압력에 대한 샤워헤드 유동의 높은 민감성을 포함한다. 따라서, 노즐-어레이 FRE의 노즐은 실용적으로 가능할 정도로 높은 종횡비를 갖도록 설계된다. 예컨대, 직경 100mm를 갖는 노즐-어레이 플레이트에 600개의 노즐이 밀집된 패턴에서, 퍼지 단계 도중 노즐 당 가스-처리량은 약 1.67sccm을 포함한다. 3.125mm(1/8 인치)의 두께를 갖는 노즐-어레이 플레이트에서, 튜브형 노즐은 약 3 mm의 길이를 갖는다. 노즐 직경의 어림치는 하기 푸아줄(포이즈uille's) 식을 이용하여 계산된다:
상기 식에서, 퍼지 가스의 점도는, 250℃에서의 N2 점도, 즉 η= 270μ포이즈로서 이상화된다. 상응하는 가스 처리량은 하기 수학식 2에 의해 계산된다:
비교를 위해, 전형적인 샤워헤드 설계에 따라, 100mm 직경의 노즐-어레이 플레이트에 무시할 수 있는 개구-길이를 갖는 300 개구형 노즐을 갖는 샤워헤드 설계를 고려했다. 노즐 당 컨덕턴스, C = Q/ΔP는 105.6 ㎤/초이다. 노즐의 면적은 하기 수학식 3에 의해 계산된다:
상기 식에서, PSH 퍼지 및 P114 는 각각 샤워헤드 압력 및 챔버 압력(Torr)이고, γ= Cv/Cp(가스 열 용량 비)는 250℃에서 N2에서 약 1.4와 같다. T1은 250℃= 523°K에서의 샤워헤드 온도(또한 가스 온도로 추정함)이다. M은 가스의 분자 질량(MN2 = 28gm/mole로 이상화됨)이다. 이런 다양한 변수값에서, 수학식 3에 의해 계산된 샤워헤드 노즐 면적의 근사치는 A = 4.4x10-3 ㎠이다. 그러므로, 노즐 직경은 약 750 ㎛를 포함한다. 퍼지 가스 처리량은 수학식 4에 의해 계산된다:
도 3은, 계산된 PSH 의 값이 상기 개구형 및 바람직한 튜브형 노즐-어레이 설계에 대한 QCD 의 함수로서 플롯팅된 그래프를 도시한다. 도 3은 샤워헤드에서의 튜브형 노즐-어레이 디자인이 바람직한 처리량-압력 의존도를 제공한다는 것을 나타낸다. P 대 Q의 두 곡선은 설계에 의해 약 0.5Torr - 1000sccm 지점에서 교차한다. 그러나, 튜브형-노즐-어레이는 안정된 압력-의존성 처리량 조절을 10sccm 미만에서도 가능하게 하지만, 개구형 디자인은 약 400 sccm 미만의 유속에서는 매우 제한된 조절을 할 수 있다. 화학물질 투여 단계의 정상-상태 부분 도중, 샤워헤드에서의 압력은 PSH CD 로 저하된다. 이런 감소된 샤워헤드 압력은 ALD 침착 챔버로의 낮은 유동을 생성하고, 이는 본 발명에 따른 침착 챔버로부터 낮은 드로우에 의해 보상된다. 각 100 mTorr의 순수한 화학 반응물 전구체 가스에서, 250℃에서의 화학물질 농도는 약 2 x 1015 분자/㎤이다. 침착 챔버(용적 400 ㎤)의 전구체 분자의 총 수는 약 8 x 1017이다. 침착 챔버는, 기판 이외의 면적을 포함하여 총 1000cm2의 표면적을 갖는 것으로 예상된다. 전형적 중간 ALD 표면 상의 반응 사이트의 수-밀도는 cm2 당 약 1x1014 사이트 내지 cm2 당 약 7x1014 사이트, 또는 침착-챔버-면적 당 약 1x1017 사이트 내지 침착-챔버-면적(웨이퍼 상 및 노출된 다른 표면 상) 당 약 7x1017 사이트의 범위로 예상된다. 이런 예상에 의해, 정체되어 있는 (백-필드(back-filled)) ALD 침착 챔버의 완전한 반응 후에 따르는 고갈 수준은 약 10% 내지 90%의 범위이다. 화학물질의 100% 순수 농도 미만으로 투여되면, 고갈 효과는 이와 대응되게 보다 상당하게 된다. 화학물질 고갈은 ALD 반응의 완결 시간을 연장시킨다. 화학 반응물 전구체 분자의 분압이 고갈로 인해 감소되면, 충돌하는 분자의 플럭스가 비례적으로 감소한다. 그러므로, 많은 ALD 공정들이 화학물질의 정체(백필(backfill)) 압력에서 잘 수행된다고 하지만, 일부 공정들은 화학물이 침착 챔버로 가는 화학 반응물 가스의 한정된 유동에 의해 공급되는 것이 필요하다. 실제로, 일부 시스템은 화학물질이 불활성 담체 가스로 희석되어 화학물질 전달을 촉진시키는 것이 필요하다. 또한, 예컨대 다이나믹 랜덤 억세스 메모리(DRAM) 제조를 위해, 고 밀도의 높은 표면적 장치 특성을 갖는 웨이퍼가 보다 실질적인 고갈 효과를 전형적으로 일으킨다.
화학물질 투여 단계 도중, 표면에 도달하는 분자의 플럭스는 250℃에서의 각 100mTorr의 순수한 화학 반응물 압력에 대해서 약 
분자/㎠/초이다(여기서, 화학물질 전구체의 분자 질량인 M은 대략적으로 100gm/mole으로 이상화된다). 따라서, 100밀리초 펄스 도중, 표면은 cm2 당 약 1.5x1018 충돌에 노출된다. 경험적으로, ALD 반응은 cm2 당 1x1016 충돌 내지 cm2 당 3x1017 충돌의 노출 범위 내에서 포화(> 99% 반응됨)에 접근한다. 따라서, 100 mTorr의 공정 압력이 전형적으로 적당하다. ALD 화학물질 투여 단계의 타이밍(timing)은 비교적 짧지만(예: 100밀리초), 요구되는 노출은 비교적 적다. 포화 노출 수준은 특정 반응의 구체적 반응 고착 계수, σR 에 좌우된다. 반응 고착 계수는 다음 수학식 5 및 6에 따라 실제 플럭스에 대한 성공적인 표면 반응의 비에 의해 정의된다:
상기 식에서, n은 cm2 당 반응 사이트의 수-밀도를 가리키고, k는 반응 속도이다. 예컨대, 금속 전구체 트리메틸알루미늄은 약 300℃에서 Al2O3의 ALD 도중 중간 Al-OH 표면과 반응하고 포화시키기 위해 전형적으로 약 3x1016 분자/cm2 의 노출을 필요로 한다. ALD 반응은 다음과 같이 나타낸다:
상기 식에서, BULK는 중간 기판을 의미한다. 반응 사이트의 수-밀도는 3.9 x 1014로 예측된다. 따라서, 반응 고착 계수는 σR = 5x 3.9x1014/노출 = 약 0.064이다{여기서 exp(-5) = exp[-노출 x σR /(3.9x1014)] ~ 6.7x10-3은 포화의 정의로 채택된다(즉, 반응은 반응 사이트의 99%를 초과하여 진행한다)}. 대부분의 금속 ALD 전구체는 0.006 내지 0.08의 범위의 σR 값을 갖는다. 전형적인 비금속 전구체, 예컨대 H2O, NH3, H2S 등은 반응성이 보다 적고, 이들의 σR 값은 전형적으로 약 0.001 내지 0.005의 범위이다. 이런 낮은 반응성-고착-계수는 웨이퍼에 근접한 영역에서의 화학물질 고갈이 100℃를 초과하는 가스 온도 및 1 Torr 미만의 공정 압력에서 확산에 의한 화학물질 수송에 비해 무시할 수 있다는 것을 의미한다. 그러므로, 전이 층 및 확산-제한된 수송의 존재는 전형적으로 고려되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 고 밀도의 높은 표면적 특징이 웨이퍼상에 존재하는 일부 경우-예컨대, DRAM 웨이퍼의 경우-에서, 전이층 효과는 기판의 영역에서 국지적 고갈을 일으킨다. 따라서, 전형적인 부드러운 표면 노출보다 2 내지 4배로 높은 노출이 이런 국지적 고갈 효과를 억제하는데 유용하다.
예로서, 50sccm의 유동은, 화학물질 투여 중에 고갈에 대처하기 위해 바람직한 것으로 여겨진다. 따라서, ALD 침착 챔버는 100밀리초 화학물질 투여 단계 도중 2회 스윕되어, 고갈 효과를 3배까지 억제한다. 50sccm에서, 샤워헤드 및 ALD 용적의 반응 시간은 각각 20밀리초 및 60밀리초이다. 300℃에서 Al2O3 ALD 도중에 TMA 투여를 유지하기에 충분한 10sccm 미만의 정상-단계 투여에서, 저 정상-상태 유동 조건 하에서의 투여의 반응 시간은 더 길어진다. 100밀리초의 목적하는 화학물질 투여 시간에 비하여 이런 시간 반응은 길다. 따라서, ALD 침착 챔버 중의 가스가 100% 불활성 퍼지 가스에서 약 100% 화학물질 반응물 가스로 변하는 데 걸리는 시간 때문에, 100밀리초 화학물질 투여 도중의 화학물질 노출은 약 50%(약 50sccm의 화학물질 투여 유속으로)로 감소된다. 바람직한 실시양태에서, 이러한 잠재적 문제는 상기 설명된 바와 같이 화학 반응물 가스의 초기 전이적 부양(boost)에 의해 정상상태된다.
도 4는 화학물질 투여 단계의 초기에 있어서 부스터-발생된 화학물질의 전이 펄스가 있는 경우 및 없는 경우에서, 분획적 화학물질 투여(화학 반응물 가스에 의한 불활성 퍼지 가스의 교체)가 샤워헤드 및 침착 챔버에 대한 화학물질 투여 시간의 함수로서 플롯팅된 그래프를 도시한다. 곡선은 화학물질 투여 단계의 선단에서 전이를 부과한 장점을 명확하게 보여준다. 50밀리초 - 100밀리초의 유용한 짧은 투여 시간의 범위에서 축적된 노출은 전이가 없는 경우 보다 부스터 전이를 이용한 경우 두 배 이상 높은 인자이다.
상기에서 기술된 바와 같이, 부스터 펄스를 갖는 화학물질-투여 단계의 시작은 잔류 화학물질의 가스방출(outgassing)에 의한 불리한 침착 효과를 감소시키는데 효과적이다. 화학물질-투여 단계의 시작에서, 화학 반응물 가스의 유동은 초기에 상대적으로 높아서(뒤이은 정상 상태 화학물질-투여 유속과 비교시), 그에 의해 (이미 투여된 화학물로부터) 가스방출 잔류 화학물질의 초기의 높은 희석을 제공한다. 동시에, 가스방출 공급원은 투여된 주요한 화합물질과 반응하여 전형적으로 균열 및 다른 가스방출 영역에 필름을 제조한다. 생성 필름이 다공성이 아닌 경우 (매우 높은 농도의 화학물질이 포집되지 않았다면, 일반적으로 이러한 경우임), 적정 공정에 의해 형성된 필름은 기판-침착에 유의한 역효과를 야기하지 않으면서 가스방출 공급원을 본질적으로 적정하여 제거한다. 이 기작에 따라, 전이 유속이 현저하게 감소함에 따라, 가스방출도 또한 전형적으로 비효과적인 수준으로 감소한다. 높은 농도를 갖는 짧은 화학물질-투여 단계는 또한 잔류 가스방출로부터의 기생 침착의 감소에 효율적이다.
도 5는 당분야에서 주로 수행되는 통상적인 연속적 유동 공정과, 상기 언급한 바와 같은 본 발명에 따른 ALD의 양태를 위한 실제 화학물질 사용량을 비교한 그래프를 나타낸다. 화학물질-투여 단계당 물질 사용량은 다음 퍼지 단계 동안 샤워헤드 및 ALD 공간에서 퍼지되어 제거되는 화학물질을 포함한다. 정상 단계 사용량이 50sccm인 경우에, 본 발명에 따른 SMFD ALD를 갖는 물질 사용량은 통상적인 ALD보다 5배 이상 더 작다. 훨씬 감소된 화학물질 이용에 따라서, 본 발명에 따른 SMFD ALD는 통상적인 ALD에 의해 수득된 수준과 유사한 플럭스 수준 및 노출을 달성한다. 통상적인 ALD 시스템에서 1000sccm의 연속적인 유동의 유속은, 통상적인 시스템이 상기에서 기술된 본 발명에 따른 화학물질-퍼지 수행을 달성하도록 하지만 매우 높은 화학물질 이용의 비용이 든다. 그러나 이러한 높은 화학물질 투여 속도는 침착 시스템에 악영향을 미치고, 따라서 퍼지 최적화 및 투여 최적화간의 균형에 의해, 통상적인 ALD 형태 및 방법이 퍼지 효율성을 절충하여 낮은 유속으로 조작하게 한다. 더 낮고 보다 전형적인 유속은 통상적인 ALD에 사용될 때, 화학물질 이용이 향상되지만 퍼지 수행은 점진적으로 악화된다.
효율적인 ALD의 도전은, 효율적인 퍼지와 효율적인 화학물질 투여에 대한 모순되는 요구 때문이다. 이들 중요한 모드중 어떠한 것도 전체적인 효율 및 실질적으로 낮은 유지를 달성하는데 타협될 수 없다. 화학물질 투여 단계는, 극대화된 전구체 플럭스와 함께 가능한한 짧아야만 한다. 화학물질의 농도 및 플럭스가 높을수록, 투여 단계는 짧아진다. 또한, 잔류 화학물질의 기생적 공급원은 투여되는 중요한 화학물질의 더높은 플럭스에 의해 더욱 우수하게 다룰 수 있다. 많은 ALD 전구체는 상대적으로 낮은 증기압을 가져서, 높은 화학물질 유속의 이동을 어렵게 만든다. 이 관점에서, 본 발명에 따른 양태는 희석되지 않은 화학물질을 수송능을 증가시킨다.
화학물질의 효율적인 이용 그자체가 화학물질 배제 및 챔버 유지보수에 대해 덜 복잡하고 더욱 실질적인 해결책을 제공한다. 바람직하게는, ALD 시스템은 화학적으로 반응성 전구체, 예를 들어 MLx 전구체중 최소한 하나가 배제되도록 고안된다. 이용가능한 실험 데이터로부터, 본 발명에 따른 바람직한 양태에서의 TMA 이용은, (웨이퍼에 박막을 형성하는 물질의 경우) 일반적으로 약 20% 초과이다. 따라서, 화학물질의 대부분은 임의의 조건하에서 소비된다. ALD 침착 챔버내 고온 노출된 영역은 전형적으로 ALD 필름으로 피복된다. 30% 초과가 침착 챔버 내에 비-웨이퍼 표면에 침착될 것으로 추정된다. 따라서, 일반적으로 바람직한 실시양태에서, 침착 챔버에 도입되는 화학 반응 전구체 가스중 50% 미만이 드로우에서 침착 챔버에 남겨진다. 반대로, 통상적인 ALD 시스템에서, 본 발명에 따라 달성되는 것에 비해 약 10배 또는 이상의 화학 반응물 가스가 침착 챔버내에 남겨진다.
유동 및 드로우를 동시에 조정하지 않는 통상적인 ALD 시스템에서, 유동 조정은 유리하지 않다. 증가된 유동이 체류 시간의 감소를 크게 제한하는 압력 증가를 야기하기 때문에, 증가된 퍼지 유동에 의해 퍼지 효율이 향상될 수 없다. 예를 들어 100배 증가된 퍼지 유동으로부터 얻어진 최대 체류 시간 감소는, 챔버 출구 컨덕턴스에서의 최대 이론적인 증가와 관련하여, 그리고 증가된 챔버 압력과 관련하여, 10배이다. 예를 들어, 100배 더 작은 유동에서의 화학물질 투여는 10배 이상으로 투여 압력의 부가적인 감소를 초래한다. 따라서, 10sccm의 화학물질 투여 및 100mTorr의 투여 압력에서 진행하는 통상적인 ALD 시스템은, 퍼지가 1000sccm에서 시도된다면 (최소) 1Torr의 압력이 된다. 매치를 위해, 적어도 이론적으로, 통상적인 시스템에서 SMFD의 퍼지 수행 및 퍼지 유속은 100000sccm의 이론적인 최소치로 설정될 필요가 있다. 이론적으로, 퍼지 압력은 10Torr에 도달한다(및 실직적으로 초과한다). 이러한 조건의 유동하에서 및 실질적으로 좁은 기판(예컨대 200mm 웨이퍼) 위에서의 침착을 위한 ALD 챔버의 전형적인 외형, 레이롤드(Reynolds) 수가 지나치게 높게 되고 수용할 수 없는 격한 유동을 초래한다.
상당한 압력 편위는 많은 이유에서 ALD 및 다른 시스템에서 바람직하지 않다. 이들은 입자를 높은 수준으로 발생시키고, ALD의 경우에서, 역-유동 전이를 유도할 수 있다.
도 1의 논의에서, 화학물질 가스 공급원(105)으로부터의 화학 반응물 가스는 화학물질-공급원 FRE(106), 부스터 챔버(107) 및 부스터-FRE(109)를 통해서 흐른다. 화학물질-공급원(105)에서의 대표적인 압력은 10Torr이다. 따라서 부스터 챔버(107)에서 압력은, 계속적인 화학물질 투여 사이에서 P107=P105=10Torr인 압력에 도달하는 것이 이상적이었다. 화학물질-투여 단계 동안, 정상 상태 유동이 확립될 때까지 P107은 P105로부터 아래에 머문다. 100밀리초의 제 1 화학물질-투여 단계, 100밀리초의 퍼지, 또다른 화학물질 공급원으로부터 100밀리초의 제 2 화학물질-투여 및 제 2의 100밀리초의 퍼지 단계를 포함하는 사이클-순서를 갖는 대표적인 공정에서, 실질적인 화학물질 공급원으로부터 계속적인 화학물질 투여 사이의 시간은 300밀리초이고 이는 또한 부스터 용기(107)의 회수 시간이다. 본 발명에 따른 시스템 및 방법의 디자인에서, 화학물질-투여 유속에 상응하는 감소를 초래하는, 화학물질 공급원 FRE(106), 부스터 챔버(107) 및 부스터 FRE(109)의 조합된 유동 컨덕턴스에서의 감소는 부스터 챔버(107)에서의 정상 상태 압력을 감소시키고, 또한 부스터 챔버(107)가 300밀리초의 회수 기간동안 실질적으로 재-가압되는 반응 시간이 증가하는 것을 고려하는 것이 중요하다.
화학물질 투여 유속이 50밀리초를 포함하는 본 발명에 따른 대표적인 양태에서, 부스터 챔버(107)의 정상 상태 압력은 2.24Torr를 포함한다. 부스터 용기로부터 샤워헤드로 처리량은 
로 계산된다. 포이세우일 식을 사용하여 FRE(109)의 가하학적 구조를 추정할 수 있다.
1cm-길이 FRE에서, 직경(250℃에서 N2에 대해 η=270μ포이즈)은 약 0.2cm이다. 디자인 직경이 0.3125cm(1/8")일 때, 길이는 5.3cm이다. 실질적으로, 화학물질-투여 차단 밸브(110)(도 1)은 유동에 대한 일부 저항에 기여한다. 따라서 FRE(109)는 추가된 유동 저항을 위해 제공될 필요가 있다. 유사한 방식에서, FRE(106)의 기하학적 구조는 하기 식으로부터 계산될 수 있다:
따라서, FRE(106)은 직경 0.3125cm(1/8")을 갖는, 86cm 길이의 튜빙으로부터 제조될 수 있다. 그러나, 화학물질 수송 라인이 보다 짧게 제작되는 것이 바람직하기 때문에, FRE(106)은 더 짧은 튜빙과 연결되어 보다 좁은 모세관에 첨가되어 실행된다.
퍼지 동안에, FRE(109)는, 퍼지 배기 라인(112)으로 퍼지된다. 이 퍼지는 동시에 밸브(108)의 개방과 함께 활성화된다. 이 퍼지 라인의 유동은, FRE(109) 및 FRE(111)의 조합된 컨덕턴스에 의해 영향을 받는다. 퍼지되는데 필요한 용적이 매우 작기 때문에(예컨대, 1cm3 내지 2cm3), 효과적인 퍼지는 매우 작은 처리량으로 수득될 수 있다. 예를 들어, 20sccm은 2밀리초 내지 4밀리초 반응 시간을 수득하기에 충분하다. 따라서, 이 통로에서의 유동은 사워헤드 압력 및 침착 챔버(114)로의 퍼지 가스의 유동에서 최소한의 영향을 미친다. ALD는 일반적으로 둘(또는 2이상) 화학물질-전구체로 실행하게 된다. 하나의 전구체의 투여 단계 동안에, 제 2 전구체 B의 매니폴드에서 샤워헤드(104)에서 밸브(108') 까지의 라인 구역은 가압된 사구간으로 머무른다. 따라서, 모든 화학 반응물 가스 매니폴드의 퍼징은, 바람직하게 각각의 화학물질-투여 단계 이후의 퍼지 단계 동안에 수행된다.
ALD 침착 챔버(114)에서의 압력이 100mTorr일 때, 예를 들어 침착 챔버(114) 및 FRE(117)(도 1)를 통한 퍼지 가스의 대표적인 처리량은 1000sccm이다. 퍼지 동안 펌핑 통로의 컨덕턴스는 Cpp=(1/C115+1/C117)-1=Q/(P114-P펌프)이고, 이때 P114=100mTorr이고, P펌프는 펌프에서의 압력이다. 펌프에서의 압력이 펌프 및 펌핑 속도의 선택에 의존한다. 예를 들어, 1000ℓ/초-2000ℓ/초 펌핑 속도를 갖는 터보분자 펌프(turbomolcular pump)는 펌프에서 약 700mTorr 미만의 압력에 대한 적당한 처리량 핸들링을 제공하는데 유용하다. 200ℓ/초-400ℓ/초의 펌핑 속도를 갖는 분자 드래그 펌프는 약 60mTorr 이상의 범위의 압력에서 압력 처리량을 다루는데 유용하다. 높은 처리량을 다루기 위한 펌프, 예컨대 BOC 에드워드(Edward)(공식적으로 세이코 세이코(Seiko Seiko))STPA 1303C, 알카텔(Alcatel) ATH 1600M 또는 ATH 2300M은 본 발명에 따른 양태에서 바람직하다. 현재 대표적인 계산에 따르면, 2000ℓ/초 터보펌프 및 6.3mTorr의 펌프 압력이 추정된다. 따라서 Cpp=135ℓ/초의 값이 계산되었다.
FRE(115)의 컨덕턴스이, 1000sccm의 유동 및 및 해당하는 드로우에서, 약 1000ℓ/초일 때, 드로우 조절 챔버(116)에서의 압력 P116은 P116=0.1-Q/C115=87.3mTorr로서 계산된다. FRE(117)의 컨덕턴스는 C117=(1/Cpp-1/C115)-1=156ℓ/초로 계산된다. 도 2에 나타나는 바와 같이 전형적인 장치에서, 기판 홀더(205)는 약 220mm의 직경을 갖는다. FRE(115)는 곡선의 긴 슬롯으로서 배열된다. 이들 슬롯중 하나는 웨이퍼를 부하하는데 사용된다. 세 개의 동일한 슬롯이, 폭 1cm, 직경 220mm의 사다리꼴 스페이서로 직경 220mm의 주변부에 따라 위치한다. 각각 슬롯의 폭은 약 22cm이다. 슬롯의 길이는 1cm로 고려된다. 단일 슬롯의 컨덕턴스는 약 333ℓ/초이다. 컨덕턴스는 직각사각형 단면적에 대한 헤인즈(Heinze)의 식으로 근사치를 계산한다.
상기 식에서, a는 직사각형의 짧은 치수이고, b는 긴 치수이고, ψ는 a/b의 함수로서의 윌리암(William) 등의 그래프에 의해 주어진다. η는 523oK의 N2에 대해 270μ포이즈에서로 한다. 약 0.4의 a/b를 가정하면, ψ는 약 0.97로 추정된다. 슬롯의 높이, a는 다음과 같이 계산된다:
이 간격은 좁지만 웨이퍼 부하 말단-실행기 및 웨이퍼 핸들링을 위한 웨이퍼를 수용하는데 충분하다. 슬롯 치수 비, a/b= 약 0.037이고 ψ= 약 0.97은 추정치와 일치한다(다른 오차 요소 이상으로). 챔버가 약 22cm 이고 높이가 약 1cm인 침착 챔버(203)의 전형적인 넓이는 VALD=약 400cm3이다. 예를 들어, 침착 챔버(203)의 높이는 스롯에서 웨이퍼 영역에서의 1cm로부터 0.82cm까지 부드럽게 전이된다.
도 2의 FRE(209)의 컨덕턴스는 삽입부(207)와 챔버 벽(221) 사이의 간격에 의해 영향을 받는다. 또다른 양태에서, 삽입부(207)와 챔버 벽(221) 사이의 간격은 더욱 작게 고안되고, 삽입부(207)의 바닥에서의 다른 개방구가 FRE(117)를 위해 주요 컨덕턴스 경로를 제공한다. 컨덕턴스의 면적은 수학식 14를 사용하여 계산한다:
FRE(117)의 경우에서, 개구형 컨덕턴스는 P펌프와 실질적으로 독립적인 컨덕턴스을 제공하는데 유용하다. 따라서, 만약 P펌프/P116 이 0.1보다 더 작다면, C117은 실질적으로 압력에 독립적이고 
ℓ/초로 계산되고, 이때, A는 개구의 총 면적이다. FRE(117)의 이 특성은, 본 발명에 따른 SMFD ALD 시스템의 성능을 펌핑 속도 이동에 비교적 둔감하게, 전형적인 양태에서 활성 펌프 압력 조절을 불필요하게 한다.
화학물질-투여 단계의 정상 상태 기간동안, 드로우 조절 가스는 드로우 조절 챔버(116)를 향해 드로우 공급원 차단 밸브(120)를 통해서 흐른다(도 1). 드로우 조절 챔버(116)에서 드로우 압력은, 침착 챔버(114)로부터의 화학 반응물 가스의 드로우를 감소시키기 위해 상승되고, 이로인해 독립적으로 침착 챔버(114)로의 화학물질의 유동에서 화학 반응물 가스의 드로우가 일치된다. 침착 챔버(114)로의 화학 반응물 가스의 정상 상태 유동이 50sccm일 때, 드로우 조절 챔버(116)에서의 화학물질-투여 드로우 압력이 다음과 같이 상승되어야만 한다:
밸브(120)을 통한 유동 처리량은 (116)에서 이 압력을 유지해야만 한다. 드로우 조절 챔버(116)에서 펌프로의 처리량은 Q120=C117(P116-P펌프)=156x(0.0994-0.0063)=14.5ℓTorr/초
1150sccm이다. 이 처리량중 50sccm은 침착 챔버(114)로부터의 드로우이고, 1100sccm은 밸브(120)을 통해서 흐르는 드로우 가스이다.
본 발명에 따라 잘 고안된 SMFD ALD 시스템의 성능은, 가스의 유속 및 압력의 정확한 조절에 따라 임계적으로 좌우되지는 않는다. 따라서, 잘 고안된 SMFD ALD 장치는 부품 제조 및 시판중인 장치와 소자의 표준치와 통상적인 허용오차에 둔감하다. 예를 들어, 드로우 조절 챔버(116)내 화학물질 투여 드로우 압력의 증가는, 유동에 대한 드로우의 독립적이고 실질적인 일치 및 화학물질 투여 특성에 상당한 영향을 미치지 않은 채, 5% 내지 10%로 변할 수 있다. 화학물질 투여 동안 화학물질의 정상상태 유동은 침착 챔버내 압력에 비교적 둔감하다. 정상상태 유동의 요동 또는 표류는, 둘다 중요하지 않다. 밸브(120)를 통한 드로우 조절 챔버(116)로의 드로우 가스의 유속이 변하거나 표류하는 경우, 드로우 조절 챔버(116)내 드로우 압력 및 침착 챔버(114)내 압력 둘다는, 드로우 조절 챔버(116)로의 드로우 가스 유속의 임의의 상당한 표류를 상쇄시키도록 동시에 부드럽게 표류하며, 이때 공정 압력에서는 단지 소량 및 사소한 표류만이 발생한다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 중요한 "자가-보정" 특성은 도 6을 참고하여 설명된다. 도 6은 본 발명에 따른 SMFD ALD 시스템을 통한 가스의 다양한 유동 스트림을 개략적인 형태로 나타낸다. 침착 챔버(114)로의 화학물질의 유속(Q1)은 업스트림의 매니폴드(공급원(101), FRE(103), 공급원(105), FRE(106), 부스터(107), FRE(109), FRE(113))에 의해 결정되고 침착 챔버(114)내 압력(P114)에 매우 둔감하다. 침착 챔버(114)로부터 드로우 조절 챔버(116)로의 드로우(Q2)는 FRE(115)의 컨덕턴스 및 압력 P114 및 P116에 의해 결정된다. 밸브(120)를 통한 소자(116)로의 드로우 가스의 유속(Q3)은 드로우 조절 챔버(116)내 압력(P116)에 매우 둔감하고, 주로 FRE(121) 및 그 밑의 압력에 의해 결정된다. 드로우 조절 챔버(116)로부터의 가스의 유속(Q4)은 FRE(117)의 컨덕턴스(약 156리터/초) 및 압력 P116 및 P펌프에 의해 결정된다. 화학물질 투여시의 시스템내 모든 압력 및 처리속도의 시간 의존성 거동은 하기의 간략화된 수학식 16 내지 18를 사용하여 모의된다:
또한, 침착 챔버(114)의 용적은 0.4리터이고, 드로우 조절 챔버(116)의 용적은 3리터이다. 도 6에 나타낸 모델 및 수학식 16 내지 18를 사용하여 계산하였다.
도 7은, Q3이 1100sccm으로 설정되는 경우, 그래프 형태에서 Q1, Q2, 및 Q4의 계산된 시간 의존성을 나타낸 것으로, 이는 이전의 계산에 따른 최적의 값에 근접한 것으로 평가된다. Q4는 화학물질 투여 단계의 초기 전이 부분 동안의 정상 상태의 값을 벗어난다. 이러한 벗어남은 본원의 실시예에서 제공한 전이 Q1 및 P116 사이의 불일치에 기인한다. 전이 변수 값은 시스템의 중요 변수(즉, P114, ΔP=P114-P116, Q1, Q2)에 대한 단지 소량의 효과와 실질적으로 일치되지 않는다. 도 8은 P114, P116, 및 ΔP=P114-P116의 시간 의존성을 나타낸다. 전이 불일치으로 인해, 전이 영역(100 mTorr 내지 약 105mTorr)에서 P114가 약간 증가한다. 이러한 사소한 압력 상승은 평탄하고 시스템 성능에 대해 영향을 미치지 않는다. 이러한 압력 상승은 P116의 전이를 보다 느리게 조절함으로써 교정된다. 시스템 성능에 사소한 영향만을 미치기 때문에, 최적화가 실제로 요구되는 것은 아니다. 보다 중요하게는, 도 8은 챔버내 압력을 101mTorr까지 고르게 하고, ΔP=P114-P116가 항상 0보다 큼을 도시한다. 이러한 주요 특성은 드로우 조절 챔버(116)로부터 침착 챔버(114)로의 역류을 방지함을 의미한다. 광범위한 변수에 대해 모의하여 시험한 바와 같이, 상기 역류에 대한 내성이 확고하여, Q3의 주요 표류 및 밸브의 비동시적 발동에 대해 둔감하다.
5개의 상이한 Q3 값; 즉, Q3이 900, 1000, 1100, 1200, 1300sccm인 경우에 있어서, P114의 모의된 시간 의존성에 대해 추가적으로 계산하였다. P114의 계산된 값은 좁은 범위에서 변하였다. 예를 들어, 100mTorr의 초기 값에서 시작하여, 100밀리초 이후에, Q3이 1300sccm인 경우에는 P114가 약 118mTorr까지 떨어졌고, Q3이 900sccm인 경우 84mTorr까지 떨어졌다. 보다 중요하게는, ΔP=P114-P116의 계산치는, 900 내지 1300sccm 사이의 모든 Q3의 값에 대해 항상 양수였다. 0인 시간에서, ΔP가 12.5mTorr에서 시작하여, 약 20밀리초 이후에, ΔP의 계산치가 약 5mTorr 내지 7mTorr였다. 따라서, 챔버내의 압력은, Q3의 40%의 변화에도 불구하고 비교적 좁은 범위에서 평탄한 표류를 발생시켰다. 추가로, 압력차 ΔP=P114-P116는 음으로 변하지 않으며, 이는 시스템이 드로우 조절 챔버(116)로부터 침착 챔버(114)로 역류하는 것을 방지하기 위해 매우 효과적으로 자가-반응함을 의미한다. 모의 결과, Q3의 과도하고 비-실제적인 표류에서도, 시스템 성능에 대한 영향은 무시할만 함을 나타냈다. 당업계에 공지된 방법 및 장치를 사용하여, Q3은 1100±50sccm로 유지하여 P114의 변동이 100±5mTorr의 범위에 속하도록 할 수 있다. 하기 실시예 1에서 기술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 예시적인 실시양태의 작동으로부터의 실제 실험 결과는 모의 거동을 확인시켜 주었다. 사실상, SMFD ALD 시스템은, 투여 압력을 100mTorr 내지 500mTorr의 범위로 조절하면서, 적절하게 수행될 수 있는 400sccm 내지 1500sccm의 범위에서 시험하였다.
본 발명에 따른 실시양태의 모든 주요 양상으로 시스템의 로버스트(robustness)를 확장한다. 예를 들어, 드로우 조절 챔버(116)의 용적에 대한 P114의 민감도를 시험하기 위해서 모의 모델을 계산하였다. 드로우 조절 챔버(116)의 용적(V116)은 1.5리터에서 12리터까지 변하였다. 드로우 가스 유속(Q3)(도 6 참고)은 1100sccm로 설정하였다. 0인 시간에서 P114를 100mTorr로 개시하여, P114를 95mTorr 내지 115mTorr의 범위로 유지하였다. ΔP=P114-P116의 상응하는 계산치는 사실상 V116에 대한 의존성이 없음을 나타내었다. Q3이 1200sccm인 경우 및 Q3이 900sccm인 경우에 대해 수행한 유사한 계산은 V116에 대해 P114 및 ΔP가 유사하게 보다 적게 민감함을 나타내었다. 이러한 계산은 본 발명에 따른 SMFD 시스템이 허용할 수 있는 넓은 범위의 전이 불일치을 나타내었다.
전술한 모의 계산은 50sccm의 정상상태의 화학물질 투여 유속의 값(Q1)를 사용하였다. 추가로, 모의 모델에 의한 계산은 Q1값을 25sccm 및 100sccm으로 설정하였다. 이러한 모의에 있어서, 25sccm인 경우에 있어서, V116은 3리터이고 
이며, 100sccm인 경우에, 
였다. 드로우 가스 유속(Q3)은 900sccm, 1100("이상적인 경우")sccm 및 1300sccm에 대해 모의하였다. 다양한 모의 조건하에서의 P114의 계산 결과는 모두 약 80mTorr 내지 120mTorr의 범위였고, 이는 시스템이 안정적이고 성능이 확고함을 의미한다. 모의 계산은 또한 밸브(110) 및 밸브(121)의 비-동기 작동에 의해 유발되는 시스템의 불안정성도 시스템에 의해 흡수되고 그 결과 단지 소량의 P114 변동만을 유발함을 나타내었다. ±5밀리초의 동기 불일치는 900sccm 내지 1300sccm의 Q3-값의 범위에서의 시스템에 의해 취급된다.
P114의 편위는 고안된 값의 10% 이내에서 조절될 수 있다. 이러한 수준에서, 이러한 압력의 전이는 임의의 유의한 성능 손실도 유발하지 않는다. 10% 이내의 보다 소량의 압력 상승은 퍼지 동안의 소량으로 가스 체류 시간을 증가시킨다. 그럼에도 불구하고, 약 1014×의 퍼지 효율 측면에서, 퍼지 효율의 약간 감소(최악의 경우 시험된 모의 조건하에서 약 6×로 모의됨)는 중요하지 않다. 따라서, 화학물질 투여 차단 밸브(110, 110')를 밀폐함으로써 유발되는 P114의 전이는 고안상의 중요한 문제점이 아니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 전이는, 필요한 경우 하기 척도중 하나 이상의 조합을 사용함으로써 효과적으로 교정될 수 있다: (1) 퍼지 가스 수송 라인(101, 102, 103, 도 1 참조)을 2개의 라인으로 나누고, 상기 라인은 1000sccm 불활성 퍼지를 합계가 1000sccm인 동일하거나 상이한 처리량 속도로 나누며; 화학물질 투여 차단 밸브를 동시에 밀폐하는 하나의 퍼지 가스 라인을 가동시키고, 그다음 약간 지연한 후 제 2 의 퍼지 가스 라인을 가동시키고; (2) 드로우 조절 챔버(116)의 용적을 감소시키고; (3) 가스 분배 챔버(샤워헤드)(104)의 용적을 증가시키고; (4) 드로우 공급원 차단 밸브(120)의 밀폐와 퍼지 공급원 차단 밸브(102)의 개방 사이의 수밀리초를 잘 조절하여 지연시킨다. 예를 들어, 화학물질 투여 단계 개시에서의 화학물질 투여 밸브(110, 110') 및 드로우 조절 밸브(120) 사이의 동기화는, 0밀리초 내지 10밀리초 사이의 지연을 도입함으로써 변하였다. Al2O3를 침착하도록 최적화한 TMA 및 H2O 투여 단계를 500msce 미만의 사이클 순환동안 시험하였다. 시험한 범위에서, 근본적으로 이러한 전체 밸브의 비동기성의 근본적인 영향을 발견하지 못했다.
본 발명에 따른 특정 바람직한 실시양태에서, 압력 조절은 유동 조절과 동기화된다. 예를 들어, 화학물질 투여 동안의 보다 높은 압력은 구획(116, 도 6 참조)로의 유동(Q3)를 증가시킴으로써 실시된다. 예를 들어, 모의 계산은 Q3에 대한 침착-챔버-압력, P114의 세미-선형 의존성을 나타내었다. 따라서, P114(mTorr)는 7.5+0.085×Q3의 식에 의해 근사치를 구하였다. H2O 투여의 반응 속도는 TMA이 포화되고 H2O가 포화상태로부터 약 70%인 조건하에서 Al2O3를 침착하는 동안 시험하였다. 정성적으로, H2O 반응 속도는 높은 투여 압력인 경우에 개선되었다. 플럭스를 증가시키고 반응 속도를 높이기 위해서 화학물질 투여 단계에서 높은 압력이 유리할 수 있다. 그러나, 대부분의 ALD는 10밀리초 내지 50밀리초동안 100mTorr 내지 200mTorr의 범위의 압력에서 포화에 도달한다. 따라서, 압력 조절은 전형적으로 필요하지 않다. 또한, 상이한 화학물질의 상이한 화학물질 투여 단계 동안 상이한 압력을 사용하여 동기화 유동 및 압력 조절의 수행이 가능하고, 이는 예를 들어 드로우 조절 챔버(116)로의 3개(선택가능한) 상이한 드로우 가스 유속을 촉진하기 위해서 120, 121에 평행한 부가적인 드로우 공급원 차단 밸브 및 드로우 공급원 FRE가 요구된다. 평행한 부가적인 차단 밸브 및 드로우 공급원 FRE의 예는 도 10의 ALD 시스템(500)에 도시되어 있다. 시스템(500)은 120, 121에 평행한 드로우 공급원 차단 밸브(530) 및 드로우 공급원 FRE(532)를 포함한다.
ALD 화학반응은 고안상 고형 필름을 제작한다. 이러한 필름은, 펌프, 밸브 및 게이지의 내부에 침착되는 경우, 다운스트림 매니폴드의 열화를 촉진한다. 실재 사용 및 비용을 고려할 때, 다운스트림 매니폴드에서 유지될 수 있는 온도를 200℃ 미만으로 제한하고, 전형적으로는 약 100℃ 이하로 제한한다. 따라서, 다운스트림 매니폴드의 벽은 ALD형 화학물질이 상당히 흡착되기 쉽고 다공성이고 느슨한 침착물이 성장하기 쉽다. 이러한 불량한 침착물은 다운스트림 매니폴드를 빠르게 막고 시스템내의 심각한 입자 오염을 유발한다. 추가로, 보수과정에서 다운스트림 매니폴드를 완전히 해체하는 작업이 요구되며, 청소과정이 지루하고 값비싸다.
본 발명에 따른 바람직한 실시양태는, 기판 이외의 표면상에 화학물질의 침착과 관련된 문제점을 줄이고 피하기 위해 화학물질 어베이트먼트를 제공한다. 효과적인 화학물질 어베이트먼트는 침착 챔버를 떠나는 (드로우하는) 공정 가스 스트림내에 존재하는 미반응 화학물질을 제거하여, 이로써 보수가 필요없는 다운스트림 매니폴드를 제공하고 펌프, 밸브 및 게이지의 수명을 연장시킨다. 이는 결과적으로 주요 비용을 감소시키고 가동시간을 연장한다. 일체형 어베이트먼트 시스템은 ALD 시스템의 성능 또는 효율에 영향을 미치지 않고 다양한 고안에 도움을 준다.
본 발명에 따른 SMFD ALD 시스템 및 방법내 침착 챔버로부터 유동하는(드로우하는) 공정 가스 스트림은, 통상적인 ALD 시스템에서의 미반응 화학 반응물 가스의 양의 약 1/10을 함유한다. 이러한 이유에 의해, 본 발명에 따른 실시양태는 거의 완전한 화학물질 어베이트먼트를 달성하기 위해 특히 잘 맞는다. 추가로, 드로우 조절 챔버, 예를 들어 도 1의 챔버(116)는 화학물질 어베이트먼트에 적당한데, 이는 역류의 확고한 억제, 침착 챔버내 체류 시간과 커플링되지 않는 상당히 연장가능한 체류 시간, 및 가장 중요하게는 불활성 또는 반응성일 수 있고 용이하게 제거가능한 표면 또는 드로우 조절 챔버 내부에 동시적으로 용이하게 세척할 수 있는 표면에 대해 고품질의 필름의 실질적으로 효율적인 침착을 유도하도록 사용될 수 있는 화학물질 투여 단계 동안의 가스의 고도의 처리의 유동능에 의해 특징화되기 때문이다.
본 발명에 따른 일체형 화학물질 어베이트먼트의 목적은, ALD 침착 챔버로부터 드로우내 공정 가스로부터 반응성 화학물질을 제거하기 위한 잘 정의된 장소 및 잘 정의되고 비용면에서 효율적인 보수가능한 표면을 제공하여 고형 침착물이 추가로 다운스트림에 불량하게 침착되는 것을 방지하는 것이다. 따라서, 침착 챔버에 가능한 밀접하게 화학물질 어베이트먼트를 수행하는 것이 바람직한데, 이는 유동 경로내에서 침착물의 성장없이 유출물을 추가의 다운스트림으로 수송하는 것이 복잡하고 값비싸고 종종 불가능하기 때문이다. 일체형 어베이트먼트의 목적은 실질적으로 넓은 표면에서 화학물질을 고품질의 필름으로 전환시키는 것이며, 상기 넓은 표면은 어베이트먼트 장치의 용량을 증가시키고 요구되는 보수 사이의 시간을 연장시킨다.
오늘날 공지된 대부분의 ALD 공정은 2종의 상이한 화학물, 예를 들어 MLx 및 AHy으로 수행된다. 이러한 화학물질중 하나, 전형적으로 MLx(금속 또는 반도체 원자를 함유하는 전구체)는 실질적으로 다른 전구체에 비해 보다 반응성이다. 보다 반응성인 전구체, 예를 들어 MLx가 실질적으로 제거되어 단지 덜 반응성인 전구체 예를 들어 AHy만이 유출-출구내에 잔류하는 경우, 화학물질 어베이트먼트가 효율적으로 달성된다. 편의상, 고형 제조 전구체인 MLx의 제거는 효과적으로는 유출 가스의 나머지를 불활성 및 휘발성으로 만든다. 결과적으로, 고형 침착물의 성장은 효과적으로 억제되는 데, 이는 우수한 ALD 전구체가 정의상 안정적이고 단독으로 반응하거나 분해되지는 않기 때문이다. 금속 전구체인 MLx를 제거함으로써, 다운스트림 매니폴드내 고형 물질의 축적이 방지된다. 그다음, 통상적으로 공지된 화학물질 제거 기법을 사용하여 펌프의 업스트림 또는 다운스트림에서 보다 덜 반응성인 화학물질 전구체, 반응 부산물 및 다른 휘발성 화학물질을 제거할 수 있다.
전형적으로 단지 하나의 ALD 전구체, 금속(또는 반도체)-함유 전구체(예를 들어, 트라이메틸알루미늄)는 고형 침착물을 만든다. 종종, 다른 전구체인 AHy(예를 들어, H2O)가 바람직하게는 낮은 반응을 촉진시키기 위해서 높은 압력으로 투여된다. SMFD는, 필요한 경우 AHy 투여량을 약 100% 농도까지 만들 수 있다. 따라서, 어베이트먼트 공정은 모든 또는 대부분의 MLx를 소비하고, 전형적으로는 단지 작은 분획의 AHy만을 소모한다.
임의의 실제적인 ALD 시스템은, 통상적인 ALD 또는 본 발명에 따른 SMFD ALD인지 여부에 무관하게, 효율적으로 작동하여 침착 챔버로부터의 ALD 전구체를 퍼지하는데 있어서 단지 최소의 퍼지 시간만을 제공한다. MLx 전구체가 어베이트먼트 공정에 의해 제거될 수 있는 반면, AHy 전구체가 어베이트먼트 공간내 축적되는 경향이 있다. 부가적으로, 어베이트먼트 챔버는 비교적 큰 용적을 갖고 또한 높은 표면적을 보유하여 퍼지를 보다 어렵게 하고 AHy 전구체의 축적은 보다 쉽게 한다. 일반적으로는 최적화된 높은 처리량의 ALD 공정 동안의 어베이트먼트 챔버내 AHy의 미세한 분압의 축적은 제거할 수 없다. 어베이트먼트 필름(침착물)의 품질은 AHy의 분압에 역으로 좌우된다. AHy의 분압이 높을수록, 필름은 보다 불량해진다. 어베이트먼트의 목적은 고품질의 필름 침착물의 성장을 촉진시키는 것이다. SMFD는 화학물질의 투여 도중에 드로우 조절 어베이트먼트 챔버를 통과하는 드로우 가스를 고도로 희석 유동시키고 퍼지 단계 동안 보다 높은 퍼지 가스의 유동을 제공함으로써, 어베이트먼트 공간내에서, AHy의 분압을 효율적으로 감소시킨다. 따라서, SMFD는 어베이트먼트 필름의 개선된 품질을 위한 기작을 본태적으로 제공한다.
통상적인 ALD 시스템에서, AHy의 분압이 축적되면, 어베이트먼트 챔버로부터 업스트림인 침착 챔버로 AHy를 반대로 후방-확산시킨다. 그 결과, AHy는 침착 챔버내에서 불리한 CVD 사인을 생성할 수 있다. 대조적으로, 본 발명에 따른 SMFD는 AHy의 축적된 분압을 감소시킬 뿐만 아니라 확산을 그만두게 하는 실질적인 전방향 유동을 제공함으로써 드로우 조절-어베이트먼트 챔버로부터 잠재적인 확산을 효과적으로 억제한다.
일체형 화학물질 어베이트먼트를 갖는 본 발명에 따른 SMFD의 특정 실시양태는, 드로우 조절 챔버 내부에 위치한 높은 표면적 어베이트먼트 소자상에 CVD 및 ALD 반응을 촉진시키기 위해서 ALD 화학물질을 사용한다. 예를 들어, 핫 플레이트의 온도 또는 선택적으로 개별적으로 조절된 상승된 온도에서의 드로우 조절 챔버(208, 도 2 참조)의 고온 내벽(225)은 증가된 표면적을 갖는 다공성 금속 또는 세라믹 물질을 사용하여 제조된다. 드로우 조절 챔버(208)내 높은 표면적 및 비교적 긴 체류 시간은 가장 반응성인 화학물질의 효율적인, 거의 100%의 소모를 위해 고안된다. 따라서, 대부분의 다운스트림의 고형 침착물은 제거가능한 불활성 물질 상의 고도로 국소화된 고품질 필름으로 국한되며, 상기 제거가능한 불활성 물질은 동일반응계 이후의 세척을 위해 제거될 수 있거나 챔버(208)의 내부에서 동일반응적으로 세척될 수 있다. 드로우 조절 챔버(208)의 외벽(221)(도 2 참조)은 동일반응계 세척이 실행가능한 것이 아닌 경우 제거가능한 라이너에 의해 보호된다.
어베이트먼트 소자의 고안과 재료 조성 및 다공성은 ALD 공정의 특정한 화학 반응물 및 SMFD 반응기-용기의 고안에 따라 좌우된다. 예시적인 화학물질 어베이트먼트 소자(400)의 고안은 도 9에서 개략적인 형태로 나타냈다. 어베이트먼트 소자(400)는 다공도가 50%이고, 공극 크기가 약 50㎛이고 두께가 1/8인치인 다공성 텅스텐을 포함한다. 어베이트먼트 소자(400)는 플레인지(401)를 사용하여 웨이퍼 가열 쳐크(205, 도 2 참고)의 바닥 부분에 부착된다. 2개의 소자(400)가 쳐크(205)에 부착되어 방사형 소자를 형성한다. 2개의 조각은 매칭단(405)으로 적소에 고정되도록 고안된다. 내벽(402)은 환형 드로우 조절 챔버(208, 도 2 참고)의 내벽(225)을 형성한다. 어베이트먼트 소자(400)는 보수 과정동안 빠른 조립 및 해체에 보다 적당한 2개의 상보적인 부품으로부터 조립된다. 외부 고리(403)(도 2에서 도시하지 않음)는 부가적인 공간 개선을 나타내고, 드로우 조절 챔버(208)의 외벽(211)에 밀접하게 위치된다. 고리(402 및 403)은 다공성 W로부터 유사하게 제조된 복수개의 핀(404)으로 상호연결된다. 한쌍의 조립된 어베이트먼트 소자(400)는 약 1000㎠ 내지 2000㎠의 거시적 면적(편평한 텅스텐의 영역) 및 약 15,000㎠ 내지 30,000㎠의 실제 면적을 제공한다. 조립쌍은 2리터의 드로우 조절 챔버에 적합하고, 고품질의 Al2O3 필름을 성장시키기 위해 일반적으로 사용되는 TMA-H2O ALD 공정 동안 침착 챔버의 외부의 드로우 스트림으로부터 트라이메틸알루미늄(TMA)의 약 99.9%의 포획을 위해 고안하였다.
SMFD 장치를 사용하는 Al2O3의 ALD 침착 및 본 발명에 따른 방법은 배출 가스의 스트림으로부터 TMA의 효율적인 배제를 입증해 보였다. SMFD의 우수한 화학물질 사용 효율, 및 통상적인 ALD 장치에 비해 SMFD가 어베이트먼트 공간을 통한 불활성 가스의 연속적인 높은 유동의 측면에서 AHy의 낮은 수준을 본래 유지하기 때문에 드로우 조절 챔버내 배치된 어베이트먼트 표면상의 우수한 품질의 Al2O3 필름의 성장이 달성되었다. 높은 H2O 투여 조건 및 다소 높은 포화도에서, 어베이트먼트 소자의 일부 영역상에서 불량한 필름의 성장이 일부 관찰되었다. 높은 품질의 어베이트먼트 필름은 투명하고 우수한 간섭 패턴을 가졌다. 대조적으로, 불량한 필름은 백색 분말형 외관을 갖는 경향이 있다. 따라서, 어베이트먼트 장치 및 방법은 드로우 가스의 유속을 증가시켜 추가로 H2O 사용을 개선하면서, 동시에 드로우 챔버내 H2O의 부가적인 희석을 제공하였다. 부가적으로, TMA 어베이트먼트는 TMA 투여 단계 및 TMA 투여 단계의 완료 직후에 드로우/어베이트먼트 챔버내로 느린 유동의 오존을 주입시킴으로써 개선된다. 후술하는 바와 같이, 이러한 오존 주입은 ALD 공정과 동시에 수행되었다.
드로우 조절 챔버가 작은 용적(예; 약 1 리터)를 갖는 경우, 또는 ALD 전구체가 어베이트먼트 소자(400)에 유지되는 온도에서 충분히 신속하게 반응하지 않는 경우, 또는 더 적은 부분의 어베이트먼트 소자가 AH 축적 효과를 감소시키거나(챔버 메모리를 억제함으로써) 비용을 감소시키는 것으로 예상되는 경우, 본 발명에 따른 실시양태는 ALD 성능을 희생시키지 않고 하기의 몇몇의 방법을 이용하여 어베이트먼트 효율을 증가시키도록 개질된다.
MLx 화학물질 투여 단계 동안에, 불활성 가스 대신에 또는 그에 부가하여 반응성 어베이트먼트 가스를 드로우 조절 챔버(116)로 유입하는 것이 화학물질 어베이트먼트를 향상시킨다. 선택된 반응물 가스의 첨가는 반응성 CVD 경로를 제공하여 어베이트먼트 소자 영역상에 양질의 고체 필름 침착을 생성하고, 이로써 공정 스트림으로부터 화학물질을 제거한다. 예를 들어, TMA의 화학물질 투여 중에 드로우 조절 챔버(116)로 오존을 첨가하면, 어베이트먼트 표면 상에 Al2O3 CVD 박막의 효율적인 침착이 유발된다. 오존 어베이트먼트 공정은 질적으로 더 적은 부분을 유효하게 어베이트먼트하는 반면, 유리하게 경합하여 ALD 전구체간에 바람직하지 않은 CVD 반응을 조절한다. 이러한 접근법은 대부분의 ALD 공정에서 가장 반응성(예; 금속) 전구체를 출구로부터 제거하는 것에 의해 용이하게 실행된다. 오존은 발생시키기 쉽고, 다양한 적당한 상업적인 오존-발생기(예; MKS ASTeX AX8400)가 이용가능하다.
드로우 조절 챔버(116)의 가스 동력 또는 체류 시간에 부정적인 영향을 끼치지 않고, 제 2의 분리된 어베이트먼트 챔버와 함께 더 큰 용적의 어베이트먼트 공간을 제공하는 것은 화학물질 어베이트먼트를 향상시킨다. 도 10은 어베이트먼트를 위한 넓은 표면 영역 및 실질적인 가스 체류 시간을 제공하는 분리된 어베이트먼트 챔버(502)를 포함하는 본 발명에 따른 SMFD ALD 시스템의 개략도이다. 미반응 화학적 전구체를 포함하는 가스는 드로우 조절 챔버(116)로부터 드로우 조절 FRE(117)를 통해 흐른다. 어베이트먼트 챔버(502)에서 화학 반응 후, 가스는 어베이트먼트-챔버 FRE(504)를 통해 진공 펌프(125)로 유입된다. 특정의 실시양태에서, 분리 게이트 밸브가 어베이트먼트 챔버(502) 및 드로우 조절 챔버(116) 사이 직렬 유체 연결되어 어베이트먼트 챔버로 하여금 침착 챔버에서 진공을 깨뜨릴 필요가 없도록 한다. 또한, 전술된 바와 같은 반응물 가스는 어베이트먼트 챔버(502)의 효율 및 침착의 질을 추가로 개선시키는데 유용하다.
특정의 실시양태에서, 콘디트 보호 불활성 가스는 드로우 조절 챔버(116) 및 어베이트먼트 챔버(502) 사이의 콘디트 대역에서 침전물의 증가를 방지하는데 이용될 수 있다. 상기 유형의 콘디트 고안은 본원에 참고로 삽입되어 있는 미국 특허 제 5,827,370 호(유판 구(Youfan Gu), 1998년 10월 27일 발행됨)에 기술되어 있다.
어베이트먼트 챔버(502) 내부에 플라즈마를 생성하는 것은 화학물질 어베이트먼트를 강화한다. 플라즈마-형성 가스(예; Ar)는 플라즈마의 특성을 개선하는데 유용하고 드로우 조절 가스의 일부 또는 전체로서 제공될 수 있다.
도 10에서 시스템(500)은 오존 발생기를 추가로 포함한다. 산소는 산소원(510)으로부터 오존 발생기(512)로 공급되어, 연속적으로 오존으로 부분적 전환된다. O2/O3의 혼합물은 오존 진공 밸브(514) 및 오존-진공 FRE(516)를 통해 진공 펌프(125)로 흐른다. 전구체(예; MLx) 중 하나가 화학물질 투여되는 동안 어베이트먼트되어야 하는 경우, O2/O3 혼합물은 진공 밸브(514)를 닫고 오존원 밸브(520)를 열어 오존 혼합물이 오존-원 FRE(522)를 통해 어베이트먼트 챔버(502)로 흐르게 함으로써 어베이트먼트 챔버(502)로 흐른다.
본 발명에 따른 SMFD 시스템에서 유지 과정은 적용에 따라 변화한다. 일반적으로, 본래의 위치를 유지하는 것이 바람직하다. 드로우 조절 챔버(116) 및/또는 어베이트먼트 챔버(502)의 본 위치에 유지하는 것은 바람직하게 시스템의 역류-억제 특성을 이용하여 수행되어, 이외의 경우 침착 챔버(114)를 손상시킬 수 있는 챔버(116)의 격렬한 세척을 제공한다. 예를 들어, 규소 또는 텅스텐 화학물질은 NF3, ClF3, 및 다른 불소원과 함께 제거될 수 있다. 처음에, 침착 챔버(114) 및 드로우 조절 챔버(116) 내의 침전물을 완만한 공정으로 세척하여 침착 챔버 내부의 민감한 소자(예; 웨이퍼 처크(wafer chuck), 웨이퍼 리프트 핀 등)에 가능한 손상을 방지한다. 침착 챔버가 세척되면, 불활성 가스의 가스 분배 챔버를 통한 느린 유입에 의해 침착 챔버가 보호된다. 그 후, 드로우 조절 챔버(116) 및 어베이트먼트 챔버(502) 내부의 더 많은 침전물은 실질적으로 더욱 격렬한 세척 과정으로 세척되는 반면, 역류 억제에 의해 높은 수준의 불소 및 다른 활성 원소가 침착 챔버에 영향을 미치는 것을 막는다.
다른 통상적인 경우, 유용한 ALD 박막(예; Al2O3, HfO2 등)은 본 위치에서 세척될 수 없다. 이러한 경우, 제거가능한 삽입물은 침착 챔버로부터 제거되어 깨끗한 삽입물로 교환된다.
전술된 바와 같이, 통합된 어베이트먼트는 유지 계획을 연장시키고 성능 악화를 효율적으로 억제한다. 침전물은 대부분의 경우 벗겨지지 않고 100㎛ 이상의 두께로 성장할 수 있는 양질의 필름에 한정된다. 따라서, 시스템이 본 위치에서 세척될 수 없는 경우에도 수천 개의 웨이퍼는 유지의 중단 없이 처리될 수 있다. 또한, 유지 공정은 일부의 치환 및 재한정을 위해 몇 시간의 중단 시간(down time)인 산업 표준으로 감소된다. 또한, 어베이트먼트는 다운스트림 라인 및 성분으로부터 고체 침전물을 제거한다.
일반적으로, 압력 이외에 임의의 능동적인 조절을 수행할 필요는 없다. 도 6 및 식(16), (17) 및 (18)을 참고로 기술된 바와 같이, SMFD ALD 챔버에서 압력은 복합 FRE 및 조절된 가스 공급원(예; 드로우 가스 공급원(101), 퍼지 가스 공급원(101), 및 화학 가스 공급원(105)(도 1))에 의해 결정된다. 펌핑 속도의 변화가 침착 챔버 압력(P114) 및 가스 유입 및 드로우에 단지 적은 영향을 발생시킨다는 것이 또한 알려져 있다. 따라서, 펌프(예; FRE(117)의 출구(도 1))에서 압력의 능동적 조절은 일반적으로 불필요하다. 그럼에도 불구하고, 필요하거나 바람직한 경우, 능동적인 압력 조절이 진공 펌프에서 기계적인(터보분자, 건조 펌프, 송풍기(root-blower), 등) 펌프 속도를 조절하는 것과 같은 통상적인 기술, 또는 공통의 조절판 장치를 이용함으로써 실행된다. 다르게는, 도 11에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르는 시스템(550)은 드로우 조절 FRE(117) 및 진공 펌프(125) 사이의 드로우 조절 챔버(116)로부터 다운스트림에 위치한 압력 조절 챔버(560)를 포함한다. 압력-조절 FRE(562)는 압력 조절 챔버(560) 및 진공 펌프(125) 사이에 위치한다. 불활성 가스(예; 드로우 가스 공급원(101)으로부터의)는 비례 밸브(564) 및 FRE(566)를 통과하여 압력 조절 챔버(560)로 유입된다. 압력은 적합한 압력 게이지(예; 용량 압력계(568))로 측정한다. FRE(117) 다운스트림의 잘 조절된 압력은 펌프 변화에 대해 부가의 안정화를 제공한다. 피드백 조절은 전기적으로 여과된 비교적 느린 변화, 및 임의의 빠른 변화(예; 10초 보다 빠른 범위)를 보상한다.
본 발명에 따르는 유입 및 드로우의 동시 조절은 매우 느린 유속에서 화학물질 투여를 가능하게 한다. 일반적으로, 작은 용적의 드로우 조절 챔버는 큰 것에 비해 바람직하다. 첫째, 작은 용적의 드로우 조절 챔버는 시스템에서 빠른 드로우 조절 반응을 제공한다. 둘째, 작은 용적는 큰 용적보다 퍼지 단계에서 더욱 효율적으로 퍼지된다. 예를 들어, 200mm 실리콘 웨이퍼(약 400cc 용적를 가짐)의 조작을 위해 적합하게 고안된 침착 챔버는 약 100cc의 용적를 갖는 드로우 조절 챔버와 잘 작동한다.
본 발명에 따르는 실시양태는 비교적 느린 화학물질 투여 유입 및 드로우를 특징으로 한다. 통상적인 ALD 장치에서, 수 백 sccm의 전형적인 화학물질 투여 유속은 비교적 높은 가스 치환에 의해 상당한 확산 억제를 제공한다. 반대로, 본 발명에 따르는 실시양태에서, 화학물질 투여 유속은 고안에 의해 낮다(예; 50sccm 이하). 작은 드로우 조절 챔버 용적는 퍼지 단계에서 효율적으로 퍼지됨으로써, 잔여 화학물을 무의미하게 낮은 수준으로 억제한다. 또한, 화학물질 투여 단계 동안에 전형적으로 높은 드로우 가스 유속은 잔여 화학물질의 농도를 추가적으로 희석한다. 따라서, 확산이 효율적으로 억제된다.
그러나, 어베이트먼트가 수행될 수 있는 큰 용적의 드로우 조절 챔버를 활용하는 것이 종종 바람직하다. 부가적으로, 드로우 조절 챔버에서 어베이트먼트 소자는 드로우 조절 챔버에서 화학물질의 유효 체류 시간을 상당히 증가시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(100)에서 큰 용적의 조절 챔버가 사용되는 경우, 화학물질 투여 동안 유지되는 침착 챔버로부터의 적은 드로우는 역-확산에 의해 침착 챔버 업스트림으로 물질 수송을 억제하는데 충부한 가스 치환을 제공하지 않는다. 예를 들어, 300℃에서 N2 중의 H2O는 200mTorr의 N2에서 약 3000㎠/초의 확산 계수(D)를 갖는다. 따라서, 드로우 조절 챔버(116) 업스트림으로부터 침착 챔버(114)로 H2O의 확산은 특정 환경 하에서 침착 챔버(114)로 H2O의 중요한 유동을 전달한다.
따라서, 특정한 바람직한 실시양태에서 역확산의 효율적인 억제는 침착 챔버 및 드로우 조절 챔버 사이에 작은 용적의 드로우 가스 도입 챔버(Draw Gas Introduction Chamber; DGIC)를 제공함으로써 얻어진다. DGIC 업스트림으로부터 침착 챔버로의 역-확산은 실제로 무시할 수 있다. 큰 용적(및 고안에 의해 긴 메모리)의 드로우 조절-어베이트먼트 챔버로부터 DGIC, 및 이후의 침착 챔버로의 확산은 DGIC로부터 드로우 조절 챔버로의 드로우 가스의 높은 유입에 의해 억제된다.
도 12는 DGIC를 포함하고 본 발명에 따라 작동하여 양질의 ALD 박막을 제공하는 대표적인 SMFD ALD 가스 매니폴드의 시스템(600)의 개략도를 도시한다.
시스템(600)은 불활성 퍼지 가스 및 불활성 드로우 가스가 유입되는 압력-안정화 불활성 가스 콘디트(602)를 포함한다. 불활성 가스 실린더(604)는 당 분야에서 가스 압력 조절기로 공지된 압력 조절기(606)에 연결된다. 예를 들어 MKS 640A-유형 압력 조절기가 적당하다. 가스 질량 유속계(608)가 편리하게 정상 상태의 유입 조건 하에서 유속을 확인하고 측정한다. 콘디트(602)에서 압력 변동은 가스 예열 용기(610)에 의해 적절한 수준(예; 0.1% 이하)으로 억제된다. 가스 용기(601)의 용적(예; 1.5리터)는 압력 변동을 억제하고 불활성 가스가 ALD 가스 매니폴드의 온도 또는 임의의 다른 선택된 온도에 도달하는데 충분한 체류 시간을 제공하기 위해 선택된다.
불활성 가스 유입은 콘디트(602)에서 퍼지 FRE(103)를 포함하는 ALD 퍼지 라인(612) 및 드로우 조절 라인(119)으로 나누어진다. 다른 실시양태(도시하지 않음)는 개별적인 매니폴드의 퍼지 및 드로우 부분을 위한 압력 조절기 및 가열 용기를 포함한다. 퍼지 및 드로우 조절을 위한 매니폴드의 완전한 분리 및 상이하고 개별적인 가스 공급원 및 상이한 가스 온도의 이용을 비롯하여, 퍼지 가스 수송 및 드로우 가스 수송의 많은 다양한 배열이 본 발명에 따라 실행될 수 있음이 당 분야의 숙련자들에게 이해될 것이다.
가압된 가스 콘디트(602)는 퍼지-공급원 FRE(103) 및 퍼지-공급원 차단 밸브(102)를 통해 가스 분배 챔버(104)와 직렬 유체 연통된다. 바람직한 실시양태에서, FRE(103)의 작용이 고안되고 차단 밸브(102)의 구조에 도입되어 단일 장치를 생성하고 밸브(102)와 FRE(103) 사이의 용적로부터 발생하는 압력 스파이크를 최소화한다.
퍼지 가스는 퍼지-공급원 차단 밸브(102) 및 퍼지-공급원 유입 제한 소자("FRE")(103)를 통해 통상적으로 샤워헤드인 가스 분배 챔버(104)로 공급된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 퍼지-공급원 차단 밸브(102) 및 퍼지-공급원 FRE(103)는 퍼지 가스 공급원(101) 및 가스 분배 챔버(104) 사이에 직렬 유체 연통을 제공한다. 순수한 화학물질 가스, 액체 또는 고체 화학물질로부터의 증기, 또는 증기 또는 가스 화학물질과 불활성 가스의 혼합물 형태의 화학 반응물 전구체가 복수개의 화학물질 가스 공급원(105), (105')으로 잘 조절된 압력으로 제공된다. 화학물질 가스 공급원(105)은 화학물질-공급원 FRE(106)를 통해 부스터 챔버(107)에 직렬 유체 연통된다. 부스터 챔버(107)는 화학물질 투여 차단 밸브(110) 및 부스터 FRE(109)를 통해 가스 분배 챔버(샤워헤드)(104)에 직렬 유체 연통되도록 연결된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 화학물질 투여 차단 밸브(110) 및 퍼지 배기 차단 밸브(108)는 교차점(123)으로부터 분기되는 시스템(100)의 가스 매니폴드 시스템의 분지에 평행한 간단한 2-웨이 밸브를 포함한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제 2 화학물질 가스 공급원(105')은 화학물질 가스 공급원(105)을 참고로 하여 기술된 것에 대응되는 장치에 의해 샤워헤드(104)에 연결된다.
바람직한 실시양태에서, FRE(109)의 작용이 고안되고 화학물질 투여 차단 밸브(110)의 구조로 도입되어, 단일 장치를 생성하고, FRE(109) 및 밸브(110) 사이의 용적에 발생하는 압력 스파이크를 최소화한다. 유사하게, 추가의 화학물질 공급원(예; 화학물질 가스 공급원(105'))은 대응되는 매니폴드 소자(106'), (107'), (109') 및 (110')를 통해 유동 분배 챔버(104)에 연결된다.
가스 분배 FRE(113)는 가스 분배 챔버(104) 및 원자층 침착 챔버("ALDC" 또는 "침착 챔버") 사이에 직렬 유체 연통을 제공한다. 가스 분배 챔버(104)가 샤워헤드 장치인 바람직한 실시양태에서, 가스 분배 FRE(113)는 통상적으로 노즐 어레이(113)이다. 노즐 어레이는 제한되고 균일한 유동을 가스 분배 챔버(104)로부터 가열된 기판 홀더(620)를 포함하는 침착 챔버(114)에 제공한다. 침착 챔버(114)는 침착-챔버 FRE(115)를 통해 작은 용적의 드로우 가스 도입 챔버("DGIC")(630)에 직렬 유체 연통된다. 불활성 드로우 가스 공급원(604)은 드로우 가스 라인(119), 드로우 공급원 차단 밸브(120), 및 드로우 공급원 FRE(121)를 통해 DGIC(630)에 직렬 유체 연통된다.
드로우 가스 도입 챔버(630)는 DGIC FRE(632)를 통해 드로우 조절 챔버("DC")(116)와 직렬 유체 연통된다. 화학물질 어베이트먼트 소자(634)는 드로우 조절 챔버(116) 내부에 배열된다. 드로우 조절 챔버(116)는 드로우 조절 출구(124) 및 드로우 조절 FRE(117)를 통해 펌프 챔버(636)에 직렬 유체 연통된다. 압력 게이지(638)는 드로우 조절 챔버(116)에 연결된다. 압력 게이지(638)(예; MKS 바라트론(Baratron) 모델 628 유형)는 예를 들어 드로우 조절 챔버(116)의 평균 압력을 통해 공정을 모니터링한다. 유사하게, 가스 분석기와 같은 다른 공정 모니터링 장치(도시하지 않음)가 편리하게 드로우 조절 챔버(116)에 연결될 수 있다. HPS I-Mag 냉-캐소드 게이지와 같은 저압 게이지(644)가 펌프 챔버(636)에 부착되어 휴지 시간(idle time) 동안에 챔버 압력을 모니터링한다. 터보분자 펌프(640)는 펌핑 게이트-밸브(642)를 통해 펌프 챔버(636)에 연결되어 휴지 시간 동안의 진공 및 ADL 작동 중에 높은 산출을 촉진한다. 예를 들어, BOC-에드워드(Edwards) STPA 시리즈로부터 선택된 펌프가 적당하다. 200mm 실리콘 웨이퍼 상에 ALD 침착의 우수한 성능은 STPA 1303C 펌프를 이용하여 얻어진다. 터보분자 펌프(640)는 보조 펌프(642)를 이용하여 비워진다. 예를 들어, BOC QDP40 또는 균등물이 보조 펌프(642)로서 잘 수행한다. 본 발명에 따른 다른 실시양태에서, BOC 에드워드로부터의 QMP 시리즈와 같은 높은 펌핑-속도의 펌프 배열은 당해 분야에서 공지된 바와 같은 건조 펌프의 분리된 위치 정렬을 촉진한다.
특정의 바람직한 실시양태에서, 반응물 가스가 드로우 조절 챔버(116)에 첨가되어 화학물질 어베이트먼트를 강화한다. 따라서, 시스템(600)은 오존-공급 매니폴드를 포함한다. 산소 또는 산소-질소 혼합물은 가스 실린더(650)로부터 공급된다. 가스 유속 조절기(652)는 상업적으로 이용가능한 오존 발생기(654)로 가스의 유입을 조절한다. 예를 들어, MKS 아스텍스(Astex) AX8407 시리즈 오존 발생기가 SMFD 시스템(600)에서 잘 수행된다. 오존 발생기(654)로부터의 생성은 오존 모니터(656)에 의해 모니터링되어, 오존 농도를 피드백-조절로 안정화한다. 예를 들어 MKS 640A 유형의 압력 조절기(658)는 오존 발생기(654) 내부에 선택된 일정 압력을 유지한다. 오존 발생기(654)의 정확한 작동을 위해 필수적인 조절된 유속 및 압력을 유지하는 동안 DC(116)로 오존의 펄스를 위하여, 오존 저장 장치(660)는 오존 발생기(654) 내부의 압력에 대해 오존-펄스의 영향을 억제하도록 선택된 용적를 포함한다.
이는 오존 발생기(654)에서 바람직한 유속 및 압력을 유지하는 동안, 드로우 조절 챔버(116)로 반응성 오존의 펄스를 허용한다. 압력 조절기(662)는 오존 저장 장치(660) 내의 압력을 조절한다. 오존 분해는 오존 공급 매니폴드를 실질적으로 실온에 유지하고 오존 발생기(654) 및 DC(116) 사이의 정체 용적를 최소화함으로써 시스템 매니폴드(600)에서 최소화된다. 예를 들어, 정체 용적는 도 12에서 밸브(664) 및 교차점(668) 사이의 데드-레그(dead leg)에 의해 개략적으로 도시되어 있다. 오존은 2중벽 라인의 내관을 통해 오존 차단 밸브(664) 및 오존-원 FRE(666)로 공급되고, 내관 및 외관 사이의 역류에 의해 압력 조절기(662)의 입구에 공급된다. 상기 방법에서, 정체 공간에서 오존 소모의 영향은 밸브(664) 및 교차점(668) 사이의 데드-레그를 1cc 이하로 감소시킴으로써 최소화된다. 바람직하게, 오존-제거 촉매적 전환기(670)가 펌프(642)의 출구에 배열되어 주위의 오존 방출을 억제한다.
바람직한 실시양태에서, 화학물질 투여 차단 밸브(110), (110')의 작용은 도 13에 도시된 바와 같이 복합-포트 화학물질 투여 밸브(700)로 통합된다. 밸브(700)는 입구(701)부터 출구(702)까지의 퍼지 가스 경로를 포함한다. 화학적 라인은 당해 분야에서 공지된 VCR 또는 c-밀봉부와 같은 표준 연결(예; VCR2 연결기(1/8" 표준면 밀봉부)(706))을 이용하여 연결된다. 화학물은 유입 경로(716)를 통해 공급된다. 밸브는 밀봉부(712)를 이용하여 밸브체(718)에 외부로 밀봉되는 보통의 폐쇄 작동기(708)로 밀봉된다. 구멍(714)은 작동기(708)에 전압이 공급되는 때 엘라스토머(710)에 의해 동력학적으로 밀봉된다. 작동기(709)로 설명된 것과 같이 작동기에 전압이 공급되는 경우, 유입 경로가 열린다. 상기 고안은 용적(714)가 1-5 x 10-4cc로 유지될 수 있기 때문에, 밸브 매니폴드에 관련된 데드-레그를 최소화한다. 밀리초 이하의 반응 시간을 갖는 전기적으로 작동되는 밸브가 작동기로서 가장 적당하다. 예를 들어, 제너럴 밸브 디비젼 오브 파커 하니핀(General Valve Division of Paker Hannifin)에 의해 제조된 시리즈 99 퍼핏 밸브가 신뢰할 만한 성능으로 작동한다. 2mm 길이 및 2mm 직경(~0.0004cc 용적)의 가스 경로(714)를 갖는 디자인 밸브(700)는 500sccm 내지 1200sccm의 퍼지 가스 및 2Torr 내지 10Torr 압력의 조건 하에서 시험되고 적절하게 작동한다. 화학물질 도입 밸브(700)는 도 1의 라인(112)과 같은 밸브 데드-레그 퍼지-벤트 라인의 필요성을 제거함으로써 ALD 매니폴드 가스 고안을 단순화한다. 추가의 단순화는 도 1의 (108)과 같은 화학적 퍼지 벤트 밸브의 필요성을 제거함으로써 달성된다.
실시예 1
도 12의 시스템(600)에 해당하는 전형적인 SMFD ALD 시스템을 본 발명에 따라 SMFD ALD를 수행하기 위해 디자인하고 구성하여 반응물 가스 트라이메틸알루미늄("TMA") 및 H2O를 사용하여 Al2O3를 침착시켰다. 도 12의 참조번호를 사용하여 동일한 것으로 확인된 전형적인 시스템의 다양한 소자에 대한 설명을, 적절한 물리적 디자인, 치수 및 기능적 특성이 기입된 하기 표 2에 포함시킨다. 전형적인 시스템의 작동 동안에 설정되거나 측정되거나 계산된 가공 파라미터의 바람직한 값을 하기 표 3에 목록으로 기판하였다. 하기 표 3에 목록으로 기판된 정의 및 주석을 표 2 및 3에서 (1) 내지 (11)의 숫자로 참조하기 쉽도록 싣는다.
상기 표 2 및 3에서 사용된 정의 및 주석:
1. MFM-질량 유동 게이지
2. 200mTorr 및 300℃에서의 N2
3. 그러나, SMFD는, 특히 원형이 아닌 기판을 코팅하기 위해 직선으로 흐르는 디자인 또는 임의의 다른 디자인으로 실시될 수 있다.
4. 250Torr 및 140℃에서의 N2
5. 20Torr 및 140℃에서의 H2O
6. 12Torr 및 140℃에서의 TMA
7. 250Torr 및 35℃에서의 N2
8. 250Torr 및 30℃에서의 O2
9. 140℃에서, N2 동등물
10. 에피켐(Epichem) 데이터 기준
11. 계산치
전형적인 SMFD ALD 시스템에서, 화학 약품-투여 차단 밸브(110, 110')의 기능은 도 13에 도시된 바와 같이 다중식 포트 화학 약품 도입 밸브(700)로 통합되었다.
반응물 가스 트라이메틸알루미늄("TMA") 및 H2O를 사용한 Al2O3의 SMFD ALD 침착은 표 2 및 3에 구체적으로 기판된 장치 및 작동 파라미터를 사용하여 본 발명에 따라 수행되었다. 밸브(102, 700 및 120)를 본 발명에 따라 가동시켜 TMA-투여, TMA-퍼지, H2O-투여 및 H2O-퍼지를 포함하는 ALD 사이클을 수행하였다. 투여 및 퍼지 시간을 변화시키고, 결과를 연구하여 다음과 같이 최소 투여 및 퍼지 시간을 측정한다:
트라이메틸알루미늄 투여, 포화를 위한 최소치: 20밀리초;
H2O 투여, 포화를 위한 최소치, 70밀리초;
트라이메틸알루미늄 퍼지: 100밀리초; 및
H2O 퍼지: 150msce.
얇은 필름 및 가스 조성물의 측정은 바람직한 작동 조건을 위해 다음과 같은 결과를 제시하였다:
웨이퍼 두께 균일성 내: 최대값-최소값: 3% 미만, 시그마에 대해서는 1% 미만
웨이퍼 대 웨이퍼 두께 재생성(140㎚ 축적된 두께): 총 범위 0.6% 미만(시그마에 대해서는 0.2% 미만)
트라이메틸알루미늄 이용 효율: 20% 초과
트라이메틸알루미늄 부스터 효과:10밀리초에서 98% 초과
또한, 오존을 사용하여 배출 스트림으로부터 TMA를 제거하고 어베이트먼트 소자(634)(도 12)상에 고품질의 침착물을 생성하여 효과적인 어베이트먼트를 용이하게 하였다. 특히, 거친 알루미늄으로 제조된 대략 3000㎝2 영역만을 갖는 어베이트먼트 소자를 표 3에 기판된 가공과 함께 사용하였다. 도 12에 예시된 장치를 따라 오존을 드로우 챔버로 직접 공급하였다. 150 내지 250sccm 범위의 유동 속도가 효과적으로 실행되었다.
SMFD는 ALD가 표준 반도체 웨이퍼에 대해서 초 이하의 사이클 시간을 갖게 한다. 예를 들어, 450밀리초의 사이클 시간을 갖는 240회 순환을 이용하여 200㎜ 웨이퍼를 뛰어난 균일성과 재생성을 갖도록 피복시켰다. 도 14는 시스템을 사용하고 도 2 및 3에 목록으로 기판된 파라미터를 작동시켜 침착된 Al2O3 얇은 필름의 웨이퍼 균일성 지도를 포함한다. 기판 가열기를 300℃로 설정했다. 울람(woollam) M-44 타원계를 사용하여 상기 필름을 측정했다. 균일성 지도는 3.5㎜ 가장자리를 제외하고 십자형으로 측정된 34개 측정점을 포함한다. 웨이퍼 노치의 방향을 표시한다. 450msce 사이클 시간 조건하에 웨이퍼-대 웨이퍼 재생성은 1400Å의 축적된 두께에 걸쳐 시험한 0.2%(1 시그마)보다 우수하다. 50Å 두께(총 1250Å)를 갖는 전형적인 25-웨이퍼 롯트와 비교하기 위해 웨이퍼-대-웨이퍼 재생성을 위한 표준으로서 1400Å를 사용하였다. 챔버의 유지 없이 수 마이크론의 축적된 두께의 침착 후 어떤 주목할 만한 퇴보 없이 어베이트먼트 성능이 유지되었다.
연구용으로는 1㎠ 미만에서부터 기판 면적으로는 1㎡ 초과의 크기까지 폭넓은 범위의 기판 크기로 필름을 침착시키는데 SMFD가 유용하다. 기판의 물리적 크기는 ALD 챔버의 형태 및 용적을 나타내고, 대부분의 디자인 특징부 및 가공 파라미터의 규모를 나타낸다. 본 명세서, 특히 실시예 1에 기판된 본 발명의 실시태양은 200㎜ 반도체 웨이퍼의 처리를 위해 주로 디자인되었다. 당해 기술분야의 숙련자가 반도체 분야 뿐만 아니라 그밖의 적용 분야에 있어서 상이한 크기의 기판 및 상이한 제작 필요조건에 맞게 본 발명에 따라 SMFD 시스템 및 가공을 스케일할 수 있음은 명백하다. 또한, 대부분의 장치 및 가공에서는 파라미터 스케일을 진공 펌프의 특성을 이용하여 디자인한다. 따라서, 시스템 성능 및 장치 디자인은 진공 펌프의 선택에 좌우된다. 특히, 표 2 및 3에 예시된 실시태양은 BOC 에드워드-세이코(Seiko)-세이키(Seiki) STPA1303C으로 적절히 이용될 수 있는 최대 유동, 즉 약 1500sccm으로 표시된다.
도 15 및 16은 바람직한 ALD 반응기-용기(800)의 단면을 개략적인 형태로 도시한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 반응기-용기(800)는 용기 내부(808)를 한정하는 반응기-용기 벽(802), 반응기-용기 상부(804) 및 용기 하부(806)를 포함한다. 반응기-용기(800)는 가스 분배 챔버(샤워헤드)(201)를 포함한다. 상부(804)의 샤워헤드 입구(809)는 샤워헤드(201)로 들어오는 화학 반응물 가스 및 퍼지 가스의 입구로서 작용한다. 노즐 어레이(FRE)(202)는 ALD 침착 챔버(가공 챔버)(203)로부터 가스 분배 챔버(201)의 하부를 분리시킨다. 기판(204)은 고온 서스셉터(susceptor) 및 척(chuck)을 위해 종래 기술분야에서 통상적으로 사용되는 열 컨덕턴스 금속(예: W, Mo, Al, Ni) 및 그밖의 물질로 제조된 가열된 웨이퍼 척(기판 홀더)(205)상에 지지된다. 웨이퍼 척(205)은 웨이퍼 리프트-핀(wafer lift-pin) 메커니즘(810)을 포함한다. 웨이퍼 수송은 종래 기술분야에 공지된 리프트 핀(812)(도시된 3개의 핀 중 하나만)의 보조하에 수행된다. 웨이퍼 리프트 핀(812)은 작동기(814) 및 공중부양 암(816)을 사용하여 웨이퍼 기판(204)을 척(205)의 상부 표면 위로 올리도록 작동한다. 침착 챔버(203)는 침착-챔버 FRE(206)에 의해 한정된다. 드로우 가스 도입 챔버("DGIC")(802)는 FRE(206) 및 DGIC FRE(822) 사이의 침착 챔버(203)에서부터 다운스트림에 위치한다. 드로우 조절 챔버("DC")(208)는 DGIC로부터 다운스트림에 위치하고, DGIC FRE(822) 및 드로우 조절 FRE 배플(209)에 의해 한정된다. 화학물질 어베이트먼트 소자(824)는 드로우 조절 챔버(208) 내부에서 폐기된다. 이격기(826)는 화학물질 어베이트먼트 소자(824) 및 드로우 조절 FRE 배플(209)과 가열된 웨이퍼 촉(205)과의 직접적인 열 접촉을 제공한다.
드로우 가스 입구(830)는 드로우 가스 매니폴드(미도시) 및 드로우 가스 플리넘(plenum)(832) 사이에 직렬 유체 연통을 제공한다. 당해 기술분야의 숙련자는 드로우 가스 플리넘(832)을 수많은 상이한 형태로 실시할 수 있고, 도 15 및 16에 도시된 실시태양은 비제한적인 예이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 드로우 가스 입구(830)는 노즐의 방사상 어레이(미도시)를 통해 DGIC(820)와 추가로 연통되어 있는 방사상 플리넘 공간(832)과 직렬 유체 연통되어 있고, 이는 DGIC(820)로의 가스의 방사상 유동 분배와 DGIC(820)의 업스트림 부분으로의 디렉트 드로우 가스의 방사상 유동 분배를 통합하도록 적절히 이격되어 디자인되어 있다. 당해 기술분야의 숙련자는 침착 시스템의 대칭성, 예를 들어 도 15 및 16에 도시된 시스템의 방사상 대칭성과 일치하도록 드로우 가스와 반응성 어베이트먼트 가스의 유동을 적절히 통합시키는 것의 중요성을 알고 있다.
임의로, 반응물 가스를 반응물 가스 매니폴드(미도시)로부터 라인(840)을 통해 반응물 가스 플리넘(842)으로 전달한다. 반응물 가스 플리넘(842)은 드로우 챔버(208)로의 반응성 어베이트먼트 가스의 균일한 방사상 유동 분배를 형성하도록 작용한다. 예를 들어, 반응물 가스를 적절히 이격되어 디자인된 복수의 수평 노즐을 통해 드로우 챔버(208)와 연통하는 방사상 채널로 전달한다. 당해 기술분야의 숙련자는 반응물 가스 플리넘 시스템(842)이 본 발명에 따라 수많은 상이한 형태로 실시될 수 있음을 알 수 있다.
ALD 가공처리 동안에, 퍼지 단계 동안의 퍼지 가스와 화학 약품-투여 단계 동안의 화학 반응물 가스는 공정 가스 유동 경로를 따라 반응기-용기 내부(808)를 통해 다운스트림 방향으로 샤워헤드 입구(809)로부터 샤워헤드(201), 침착 챔버(203), DGIC(820) 및 드로어 조절 챔버(208)를 순서대로 통과하여, 반응기-용기(800) 밖으로 진공 포트(210)를 통해 흐른다. 유사하게, DGIC(820)로 유입된 드로우 가스는 다운스트림 방향으로 DGIC(820)로부터 드로우 조절 챔버(208)로 흐른 후, 진공 포트(210)를 통해 나간다. "다운스트림" 및 "업스트림"란 용어는 본원에서는 그의 통상적인 의미로 사용된다. 상기 설명한 바와 같이, 가스의 역류, 즉 "업스트림" 방향으로의 가스의 유동이 결코 일어나지 않음은 본 발명에 따른 실시태양의 특징이다. "업스트림"란 용어를 본 명세서에서 사용하였지만, 시스템의 소자 및 부품의 상대적인 위치를 나타낸다.
반응기-용기(800)는 주변 슬롯 밸브("PSV")(850)를 추가로 포함한다. 도 15 및 16에 도시된 바와 같이, PSV(850)는 반응기-용기 벽(802)을 통하는 기판 수송 슬롯(852), 반응기-용기 벽(802) 내 연속 주변부 동공(854)(도 16), 연속 주변-밀봉부 포핏(poppet)(856), 및 개방 상태(도 16)와 폐쇄 상태(도 15) 사이로 밀봉 포핏(856)을 이동시키기 위한 작동기(858)를 포함한다. 밀봉 포핏(856)을 폐쇄 상태(도 15)의 주변부 동공(854)으로 이동시키고, 밀봉 포핏(856)을 개방 상태(도 16)의 주변부 동공(854) 밖으로 이동시킨다. 기판 수송 슬롯(852)은 기판 홀더(205)의 기판-지지면과 실질상 동일 평면상에 있다. 주변부 동공(854)은 기판 수송 슬롯(852)과 실질상 동일 평면상에 있다. 기판 수송 슬롯(852)은 밀봉 포핏(856)이 개방 상태(도 16)에 있을 때 반응기-용기 벽(802)을 통해 기판 홀더(205)에 이르는 기판 수송 채널을 한정하고, 밀봉 포핏(856)은 밀봉 포핏(856)이 폐쇄 상태(도 15)에 있을 때 용기 내부(808)로부터 기판 수송 슬롯(852)을 분리시킨다.
도 16에 도시한 바와 같이, 반응기-용기 벽(802)은 반응기-용기 벽 내의 용기 주변(860)을 한정하고, 밀봉 포핏(856)은 밀봉 포핏(856)이 폐쇄 상태(도 15)에 있을 때 용기 주변(860)와 합치된다. 주변부 동공(854)은 공간이 침착 챔버(203) 및 DGIC(820)를 연속적으로 둘러 싸고 있다는 의미에서 연속적이다. 밀봉 포핏(856)은 폐쇄 상태에서 침착 챔버(203) 및 DGIC(820) 둘레의 주변부 동공(854)을 연속적으로 충전하고, 이로써 기판 수송 슬롯(852) 및 용기의 외부(800)로부터 내부(808)를 연속적으로 밀봉하고 있다는 의미에서 연속적이다. 도 15 및 16에 도시된 바와 같이, 반응기-용기 벽(802)은 실질상 방사상 대칭 형태를 포함하고, 밀봉 포핏(856)은 실질상 방사상 대칭 형태를 포함한다. 본 발명에 따른 반응기-용기(800) 및 PSV(850)의 다른 실시태양은 다른 기하학적 형태를 가질 수 있는 것으로 이해된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 폐쇄 상태의 밀봉 포핏(856)은 용기 내부(808)에서 공정 가스 유동 경로의 내부 밀봉 벽(862)을 형성한다. 내부 밀봉 벽(862)은 공정 가스 유동 경로를 따라 가스의 방사상 대칭 유동을 촉진하는 방사상 대칭 형태를 포함하고, 이로써 균일한 침착을 향상시키고 고체 침착물의 형성을 감소시킨다. 도 15에 도시된 바와 같은 반응기-용기(800)의 특별한 실시태양에서, 내부 밀봉 벽(862)의 일부는 DGIC(820)의 일부를 한정한다. 도 16에 도시된 바와 같이, PSV(850)는 고정된 밀봉부 상면(870), 고정된 밀봉부 상면(870)에 해당하는 상부 포핏 밀봉부 표면(872), 상부 주변 밀봉부(873), 고정된 밀봉부 하면(874), 고정된 밀봉부 하면(874)에 해당하는 하부 포핏 밀봉부 표면(876), 및 하부 주변 밀봉부(877)를 포함한다. 밀봉부 상면(870, 872), 밀봉부 하면(874, 876), 및 주변 밀봉부(873, 877)는 밀봉 포핏(856)이 폐쇄 상태(도 15)에 있을 때 용기 내부를 밀봉하도록 형성된다.
도 16에 나타나는 바와 같이, 윗부분의 지엽적인 밀봉(873) 및 더 낮은 지엽적 밀봉(877)은 포핏 밀봉 표면(872 및 876) 위에 각각 조립된다. 또한 밀봉(873 및 877)은 o-고리 밀봉으로서 배열된다. 밀봉의 상이한 형태, 예를 들어 평평한 개스캣 밀봉은 포핏 밀봉 표면(872 및 876) 대신에 밀봉(873 및 877)이 고정된 밀봉 표면(870 및 874)으로 배열될 수 있다. 밀봉(873 및 877)을 위한 적당한 물질은 비톤(Viton), 칼레즈(Kalrez), Chemraz(켐라즈) 또는 동등한 것으로 제조된다. 당해 분야의 숙련자는 많은 상이한 형태에 주변 슬롯 밸브(850) 제공하는 것이 가능하다.
기판 수송 슬롯(852) 및 슬롯(852)을 통해서 전달된 연결된 웨이퍼 수송 시스템은 PSV 850이 폐쇄될 때 반응기 관 내부(808)에서 완벽하게 ALD 공정 시스템으로부터 분리된다.
본 발명에 따른 바람직한 양태의 조작은 화학물질 처리량이 가능한 필름에 반대하는 우수한 보호를 제공하는데 충분한 동안 DFIC의 선두 모서리 내로 불활성 가스의 높은 유동이 (804 내지 856) 및 (856 내지 802)에서 형성된 방사형 틈을 형성한다. 따라서 PSV는 유지 주기에 역 효과를 갖지않고 실행된다.
도 17은 디자인에 가공 챔버내에 비-중심대칭성 유동 시스템의 용어로 주로 기술된다. 본 발명에 따른 바람직한 양태가 주로 중심대칭성 유동 시스템의 용어로 기술될 때 당해 분야의 숙련자는 SMFD 디자인을 다른 유동 디자인에 적용가능한 것으로 이해한다. 전형적으로 침착 챔버 및 유동 경로의 디자인은 기판의 형태 및 기판 온도를 조절하기 위한 선택의 방법을 최적화해야만한다. 예를 들어, 침착이 기판의 한쪽 면에 시도되는 원형 얇은 기판, 예컨대 반도체 웨이퍼는 열가능한 지퍼를 지지하는 바닥을 갖는 중심대칭성 시스템에 가장 적합하다. 그러나 중심대칭성 시스템은 상당히 원형이 아닌 기판에 가장 적합하지 않다. 예를 들어, 도 17에서 SMFD 시스템(900)은 긴 또는 튜브-형태의 기판(905) 위에 효율적인 침착을 위해 디자인된다. 기판은 바람직하게 유사한 형상을 갖는(기판 905에) 긴 챔버(904)에 배열된다. 예를 들어, 침착 챔버(904)은 기판(905)보다 10mm 더 넓은 유리관으로 제작된다. 기판(905)은 챔버(914)에 의해 끝에서 지지된다. 가열은 예를 들어, 유도된 코일에 의해서 또는 통상적인 푸란스 가열-자켓내에 침착 챔버(904)를 위치시킴으로써 이해될 수 있다. 가스는 (901)로부터 가스 분배 챔버(902)로 공급되고 노즐 어레이(903)에 의해서 추가로 분포된다. 침착 챔버(904)는 FRE(906)을 통해서 DGIC(907)로 연결된다. DGIC(907)은 SMFD 방법의 원리에 따라서 드로우 조절 가스(916)으로 공급된다. DGIC(907)은 추가로 DC(909) FRE(908)을 통해서 연결된다. 어베이트먼트 소자(915)는 DC(909)내에 위치한다. 반응물 가스 투입구(917)은 효율적인 어베이트먼트를 촉진시키기 위해 DC(909)로 연결된다. DC(909)는 추가로 FRE(910)를 통해서 펌프 구획(911)을 통해서 연결된다. 펌프 구획(911)은 포어라인(foreline)(912)를 통해서 펌프(913)에 의해 배출된다. 바람직하게, 펌핑은 DOC 에드워드 iQMB 1200F 또는 BOC 에드워드 IPX500A 또는 동등한 펌프를 사용하여 달성된다.
본 발명에 따라 설계 및 조작된 시스템, 형상 또는 방법은 실질적으로 ALD 기술에 유용하다. 유동 및 드로우의 동시 조정, SMFD는 또한 유용하지만 환경 및 적용이 매우 다양하다. 당해 분야 숙련자는 지금 다양한 사용 및 혁신적인 개념을 벗어나지 않고 기술된 특정 양태를 다양하게 사용 및 변형할 수 있음이 분명하다. 또한, 열거된 단계가 일부의 경우에 상이한 순서로 수행되거나 등가의 구조 및 공정이 기술된 구조 및 공정으로 치환될 수 있음도 분명하다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 특정한 변화가 상기 시스템 및 방법에서 실시될 수 있기 때문에 수반하는 도면에서 상기의 기술 또는 제시에 포함되는 모든 대상은 설명한 바와 같이 제한되지 않고 이해됨을 의미한다. 결과적으로 본 발명은 현재 각각의 및 모든 신규한 특징 및 신규한 특징의 조합을 채택함으로서 및 다음 청구항에서 기술된 시스템, 장치 및 방법 및 이들과 등가를 본래 파악함으로써 구성된다.
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- 제 1 화학 반응물 가스를, 선택된 제 1 투여 유속 및 상기 제 1 투여 유속과는 독립적으로 선택된 제 1 투여 압력으로 침착 챔버를 통해 유동시키는 공정을 포함하는 제 1 화학물질 투여 단계;제 1 퍼지 가스를, 선택된 제 1 퍼지 유속 및 상기 제 1 퍼지 유속과는 독립적으로 선택된 제 1 퍼지(purge) 압력으로 상기 침착 챔버를 통해 유동시키는 공정을 포함하는 제 1 퍼지 단계;제 2 화학 반응물 가스를, 선택된 제 2 투여 유속 및 상기 제 2 투여 유속과는 독립적으로 선택된 제 2 투여 압력으로 상기 침착 챔버를 통해 유동시키는 공정을 포함하는 제 2 화학물질 투여 단계; 및제 2 퍼지 가스를, 선택된 제 2 퍼지 유속 및 상기 제 2 퍼지 유속과는 독립적으로 선택된 제 2 퍼지 압력으로 상기 침착 챔버를 통해 유동시키는 공정을 포함하는 제 2 퍼지 단계를 순서대로 수행함을 포함하는, 원자층의 침착을 수행하는 방법.
- 제 87 항에 있어서,제 1 화학 반응물 가스를, 선택된 제 1 투여 유속 및 상기 제 1 투여 유속과는 독립적으로 선택된 제 1 투여 압력으로 유동시키는 단계가,상기 침착 챔버로 들어가는 상기 제 1 화학 반응물 가스의 상기 제 1 투여 유속을 조절하는 공정, 및독립적으로, 드로우(draw) 가스를, 상기 침착 챔버의 다운스트림의 드로우 조절 챔버를 통해 제 1 투여 드로우 가스 유속으로 유동시키면서, 제 1 투여 드로우 압력이 달성되도록 상기 제 1 투여 드로우 가스 유속을 조절함으로써, 상기 침착 챔버로부터 나온 상기 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 화학물질 드로우를 제 1 투여 유속과 실질적으로 일치(matching)시키는 공정을 포함하고;제 1 퍼지 가스를, 선택된 제 1 퍼지 유속 및 상기 제 1 퍼지 유속과는 독립적으로 선택된 제 1 퍼지 압력으로 상기 침착 챔버를 통해 유동시키는 단계가,상기 침착 챔버로 들어가는 상기 제 1 퍼지 가스의 상기 제 1 퍼지 유속을 조절하는 공정, 및독립적으로, 드로우 가스를, 상기 침착 챔버의 다운스트림의 드로우 조절 챔버를 통해 제 1 퍼지 드로우 가스 유속으로 유동시키면서 상기 제 1 퍼지 드로우 압력이 달성되도록 상기 제 1 퍼지 드로우 가스 유속을 조절하여, 상기 침착 챔버로부터 나온 상기 제 1 퍼지 가스의 제 1 퍼지 드로우를 상기 제 1 퍼지 유속과 실질적으로 일치시키는 공정을 포함함을 특징으로 하는, 방법.
- 제 87 항에 있어서,제 1 화학 반응물 가스를, 선택된 제 1 투여 유속 및 상기 제 1 투여 유속과는 독립적으로 선택된 제 1 투여 압력으로 유동시키는 단계가,상기 침착 챔버로 들어가는 상기 제 1 화학 반응물 가스의 상기 제 1 투여 유속을 조절하는 공정, 및독립적으로, 상기 침착 챔버의 다운스트림의 드로우 압력을 조절함으로써 침착 챔버로부터 나온 상기 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 투여 유속과 제 1 화학물질 드로우 사이의 불일치를 의도적으로 생성시키고, 이 불일치를 실질적으로 감소시키기 위해 압력-전환 기간동안 상기 침착 챔버 내의 상기 제 1 투여 압력이 실질적으로 변화되게 함으로써, 상기 제 1 화학 반응물 가스의 제 1 화학물질 드로우를 상기 제 1 투여 유속과 실질적으로 일치시키는 공정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
- 제 87 항에 있어서,제 2 화학 반응물 가스를, 선택된 제 2 투여 유속 및 상기 제 2 투여 유속과는 독립적으로 선택된 제 2 투여 압력으로 유동시키는 단계가,상기 침착 챔버로 들어가는 상기 제 2 화학 반응물 가스의 상기 제 2 투여 유속을 조절하는 공정, 및드로우 가스를, 상기 침착 챔버의 다운스트림의 드로우 조절 챔버를 통해 제 2 투여 드로우 가스 유속으로 유동시키면서 상기 제 2 투여 드로우 압력이 달성되도록 상기 제 2 투여 드로우 가스 유속을 조절하는 공정을 포함하고;상기 제 2 퍼지 가스를, 선택된 제 2 퍼지 유속 및 상기 제 2 퍼지 유속과는 독립적으로 선택된 제 2 퍼지 압력으로 상기 침착 챔버를 통해 유동시키는 단계가,상기 침착 챔버로 들어가는 상기 제 2 퍼지 가스의 상기 제 2 퍼지 가스 유속을 조절하는 공정, 및드로우 가스를, 상기 침착 챔버의 다운스트림의 드로우 조절 챔버를 통해 제 2 퍼지 드로우 가스 유속으로 유동시키면서 상기 제 2 퍼지 드로우 압력이 달성되도록 상기 제 2 퍼지 드로우 가스 유속을 조절하는 공정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
- 제 87 항에 있어서,제 2 화학 반응물 가스를, 선택된 제 2 투여 유속 및 상기 제 2 투여 유속과 독립적으로 선택된 제 2 투여 압력으로 유동시키는 단계가,상기 침착 챔버로 들어가는 상기 제 2 화학 반응물 가스의 상기 제 2 투여 유속을 조절하는 공정, 및독립적으로, 상기 침착 챔버로부터의 다운스트림의 드로우 압력을 조절함으로써 상기 침착 챔버로부터 나온 상기 제 2 화학 반응물 가스의 제 2 투여 유속과 상기 제 2 화학물질 드로우 사이의 불일치를 의도적으로 생성시키고, 상기 불일치를 실질적으로 감소시키기 위해 압력-전환 기간동안 상기 침착 챔버 내의 상기 제 2 투여 압력이 실질적으로 변화되게 함으로써, 상기 제 2 화학 반응물 가스의 상기 제 2 화학물질 드로우를 상기 제 2 투여 유속과 실질적으로 일치시키는 공정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
- 가공 챔버(114)에 연결되어 가공 챔버로 들어가는 가스의 유속을 조절하도록 배열된 공정 가스 도관(110);드로우 조절 챔버(116);상기 가공 챔버와 상기 드로우 조절 챔버 사이에서 직렬 유체 연통되는 가공 챔버 유동 제한 소자(flow restriction element; FRE)(115);상기 드로우 조절 챔버에 직렬 유체 연통되는 드로우 배기 라인(118); 및상기 드로우 조절 챔버와 상기 드로우 배기 라인 사이에서 직렬 유체 연통되는 드로우 조절 FRE(117)를 포함하는,상기 가공 챔버(114)에서 가스의 유동, 드로우 및 압력을 조절하기 위한 장치.
- 제 92 항에 있어서,가공 챔버(114)와 상기 드로우 챔버(116) 사이에서 직렬 유체 연통되는 드로우 가스 도입 챔버(DGIC)(630);상기 DGIC로 들어가는 드로우 가스의 유동을 조절하기 위한 드로우 공급원 차단 밸브(120);상기 가공 챔버와 상기 DGIC 사이에 위치한 가공 챔버 FRE(115);상기 DGIC와 상기 드로우 조절 챔버 사이에 위치한 DGIC-FRE(632);상기 드로우 공급원 차단 밸브와 상기 DGIC 사이에서 직렬 유체 연통되도록 위치된 드로우 공급원 FRE(121); 및상기 DGIC에 근접한 드로우 가스 플리넘(plenum)(832)을 추가로 포함하는 장치.
- 제 92 항에 있어서,상기 드로우 조절 챔버에 위치한 어베이트먼트(abatement) 표면(634), 및 어베이트먼트를 개선시키기 위해 드로우 조절 챔버로 반응물 가스를 도입시키기 위한 반응물 가스 입구(840)를 추가로 포함하는 장치.
- 기판 홀더(620)와 가열기를 포함하는 원자층 침착 챔버(114);상기 침착 챔버에 연결될 수 있는 복수개의 화학물질 가스 공급원(105, 105');퍼지 가스 공급원(604);상기 퍼지 가스 공급원과 상기 침착 챔버 사이에서 직렬 유체 연통되는 퍼지 공급원 차단 밸브(102); 및상기 침착 챔버에 연결될 수 있는 진공 펌프(640)를 포함하는, 원자층 침착 시스템으로서,드로우 가스 도입 챔버(DGIC)(630);상기 침착 챔버와 상기 DGIC 사이에서 직렬 유체 연통되는 침착 챔버 유동 제한 소자(FRE)(115);드로우 가스 공급원(602);상기 드로우 가스 공급원과 상기 DGIC 사이에서 직렬 유체 연통되는 드로우 공급원 차단 밸브(120);상기 드로우 가스 공급원과 상기 DGIC 사이에서 직렬 유체 연통되는 드로우 공급원 FRE(121);드로우 조절 챔버(116);상기 DGIC와 상기 드로우 조절 챔버 사이에서 직렬 유체 연통되는 DGIC-FRE(632);상기 드로우 조절 챔버에 직렬 유체 연통되는 드로우 조절 출구(124);상기 드로우 조절 출구에 직렬 유체 연통되는 진공 펌프(640); 및상기 드로우 조절 출구와 상기 진공 펌프 사이에서 직렬 유체 연통되는 드로우 조절 FRE(117)를 포함하는,원자층 침착 시스템.
- 제 95 항에 있어서,화학물질 가스 공급원들중 하나에서 직렬 유체 연통되는 복수개의 부스터 챔버(107, 107');상기 화학물질 가스 공급원들중 하나와 상기 부스터 챔버들중 하나 사이에서 개별적으로 직렬 유체 연통되는 복수개의 화학물질 공급원 FRE(106, 106');상기 부스터 챔버들중 하나와 상기 침착 챔버 사이에서 개별적으로 직렬 유체 연통되는 복수개의 화학물질 투여 차단 밸브(110, 110');상기 부스터 챔버들중 하나와 상기 침착 챔버 사이에서 직렬 유체 연통되는 복수개의 부스터 FRE(109, 109');상기 퍼지 가스 공급원과 상기 침착 챔버 사이에서 직렬 유체 연통되는 퍼지 공급원 FRE(103);반응기-용기 벽(802) 및 용기 내부(808)를 갖는 반응기-용기(800)를 추가로 포함하고,상기 반응기-용기 내부에 상기 침착 챔버(203), 상기 DGIC(820) 및 상기 드로우 조절 챔버(208)가 내장되어 있는,원자층 침착 시스템.
- 제 96 항에 있어서,반응기-용기 내부에 주변 슬롯 밸브(perimeter slot valve)(850)를 추가로 포함하고,상기 주변 슬롯 밸브가,상기 반응기-용기 벽을 관통하는 기판 수송 슬롯(852);상기 반응기-용기 벽 내부의 연속적인 주변부 동공(854);연속적인 주변-밀봉부 포핏(poppet)(856);상기 밀봉 포핏을 개방 상태와 폐쇄 상태 사이로 이동시키기 위한 작동기(actuator)(858);고정된 주변-밀봉부 상면(870);상기 고정된 주변-밀봉부 상면에 상응하는 상부 포핏 주변-밀봉부 표면(872);상부 주변 밀봉부(873);고정된 주변-밀봉부 하면(874);상기 고정된 주변-밀봉부 하면에 상응하는 하부 포핏 주변-밀봉부 표면(876); 및하부 주변 밀봉부(877)를 포함하고,상기 밀봉 포핏이 폐쇄 상태에서 상기 주변부 동공 내로 이동되고, 개방 상태에서는 상기 주변부 동공 외부로 이동되고,상기 기판 수송 슬롯이 상기 기판 홀더(205)의 기판-지지면과 실질적으로 동일 평면상에 위치하고,상기 주변부 동공이 기판 수송 슬롯과 실질적으로 동일 평면상에 위치하고,상기 밀봉 포핏이 개방 상태인 경우, 기판 수송 슬롯이 반응기-용기 벽을 관통하여 기판 홀더까지 기판 수송 채널을 한정하고,상기 밀봉 포핏이 폐쇄 상태인 경우, 상기 밀봉 포핏이 상기 기판 수송 슬롯을 상기 용기 내부와 분리시키고,상기 폐쇄 상태의 밀봉 포핏이 상기 용기 내부에서 공정 가스 유동 경로의 내부 밀봉 벽(862)을 형성하고,상기 내부 밀봉 벽의 일부가 상기 DGIC(820)의 일부를 한정하고,상기 밀봉부 상면, 밀봉부 하면 및 주변 밀봉부가 용기 내부를 밀봉하는 배열을 갖고,원자층 침착 시스템.
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