KR101309846B1 - 원자층 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 반응기 덮개와 기판 지지대가 접촉하여 정의하는 반응실의 하부 가장자리에는 반응기 덮개와 기판 지지대의 접촉 면을 공정 기체와 기판으로부터 격리할 수 있는 격리 공간이 형성되어 있다.
이러한 격리 공간은 반응기 덮개와 기판 지지대가 접촉하는 부분을 공정기체가 흐르는 반응기 내부로부터 격리함으로써, 접촉면으로 공정 기체가 유입되는 것을 방지하고, 접촉면에서 발생하는 오염 입자가 기판 위로 이동하는 것을 막을 수 있다.
이에 의하여, 반응기 내의 오염 입자의 형성을 억제하여 장치의 생산성을 향상시키고, 유지 보수에 필요한 시간을 감소시킬 수 있다.
원자층 증착 장치, 반응기, 오염 입자, 격리 공간

Description

원자층 증착 장치{Atomic Layer Deposition Reactor}
도 1은 종래 기술에 따른 원자층 증착 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반응기 내부의 기체 흐름을 보다 자세히 설명하기 위한 반응기 내부 단면 사시도이다.
본 발명은 원자층 증착 장치의 반응기에 관한 것으로, 특히 반응원료를 불연속적 및 순차적으로 공급하여, 반응원료가 기체 상태에서 서로 섞이지 않도록 공급하는 원자층 증착 장치에 적용되며, 특히 반응기체의 공급을 빠르게 전환하는 것이 가능한 반응기에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에 있어서 기판위에 고품질의 박막을 형성하고자 하는 장치나 공정에 대하여 개선하는 노력이 계속되고 있다. 최근에 두가지 이상의 반응원료를 서로 교차적이면서 불연속적으로 기판위에 공급하여 표면 반응을 통해 원자층 단위로 박막을 성장시키고, 이를 반복적으로 수행하여 원하는 두께의 박막을 형 성하는 공정이 제안되었다. 이와 같은 공정을 이용하면, 기판의 요철에 관계없이 기판의 표면전체에서 균일한 두께의 막을 얻을 수 있고, 막에 섞이는 불순물을 줄일 수 있어서 우수한 성질의 막을 형성할 수 있다.
그러나 종래의 화학 증착 장치에 사용하던 반응기는 반응원료들을 동시에 공급하여 박막을 형성하도록 설계되어 있어서 반응원료를 불연속적으로 공급하여 박막을 형성하거나, 순차적으로 공급되는 반응원료들을 반응기내에서 기상반응을 일으키지 않도록 퍼지를 통해 제거해 가며 반응시키는 방법에는 부적합하다.
그래서 본 발명의 출원인과 같은 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허 출원 제 1999-0023078 호와 제 2000-0033548 호 및 미국 특허 US 6,539,891 B1에 의해 시분할 원료공급 원자층 증착 방법에 적합한 반응기 및 이를 이용한 박막 제조 방법이 개시되었다. 상기 발명에 의하면 반응기의 반응 공간 부피를 최소화하여 원료 기체의 전환을 빠르게 할 수 있도록 하였으며, 기존 화학 증착 장치에서 사용되는 샤워헤드 형태의 기체 분산판을 이용하지 않고서도 반응원료를 기판상에 균일하게 흡착 시킬 수 있도록 하는 기체 흐름 조절판을 이용하였다. 기체 흐름 조절판은 공급되는 기체의 흐름이 샤워헤드 같은 별도의 분산판에 의해 방해를 받지 않으면서도 기판 전면에 도달하기전 균일하게 분산되어 반응기 안, 특히 기판 위에서 기체의 흐름을 층흐름(laminar flow)에 가깝게 유지한다.
또한 본 발명의 출원인과 같은 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허 출원제 2005-0038606 호와 PCT/KR2006/001703에서는 반응기체마다 별도의 유입구 및 기체 흐름 조절판을 배치하는 방식으로 기체 공급 유로를 분리함으로써 반응기체들이 기 판에 도달하기전에 서로 반응하여 증착막을 형성하는 것을 방지하는 반응기가 개시되었다.
또한 상기 발명의 기체 흐름 조절판은 기체의 유동을 조절함과 동시에 반응기체의 공급와 동기하여 반응기내 플라즈마 발생을 유도하기 위한 전극으로 활용되어 시분할 원료 공급 화학 증착법에서 반응성 기체 사이의 반응성이 아주 없거나 아주 약한 경우에서도 효과적으로 박막을 형성할 수 있도록 한다.
종래 기술의 보다 효과적인 설명을 위하여 도 1 에 종래 기술의 원자층 증착 반응기를 나타내었다. 도 1에 의하면, 반응기 덮개(150)에 반응기체의 유입구(122, 124) 및 유출구(126)가 마련되어 있다. 덮개(150)의 둘레는 덮개 가열부(152)가 둘러싸고 있으며, 덮개(150) 아래에는 돌출부를 가진 기체 흐름 조절판(140, 142)이 부착되어, 유입구(122, 124) 및 유출구(126)를 통과하는 기체의 흐름(화살표로 표시)을 덮개(150)와 조절판(140)의 틈새와 조절판들(140, 142) 사이의 틈새에 의해 조절한다. 틈새의 간격은 임의로 결정할 수 있다. 한편, 증착막이 형성될 기판(160)은 기판 지지대(170)에 장착되는데, 기판 지지대(170)의 하부에는 기판 온도를 제어하기 위한 지지대 가열장치(172)가 위치한다. 상기한 기체 흐름 조절판(140, 142)은 반응기 내로 유입된 원료 기체가 반응기 내부에 머무르지 않고 쉽게 배기되게 하기 위해 기체의 흐름을 조절한다. 또한 반응기체의 공급과 동기하여 기판(160) 위에서 플라즈마를 발생시키기 위해 기판(160) 과 대면하는 기체 흐름 조절판(140)의 하부면에 금속재질의 전극(130)을 형성시키고 이를 외부의 RF(radio frequency) 전력 장치와 전기적으로 연결한다.
그러나 상기한 종래 기술에 의하면 금속 산화막을 누적하여 5~7㎛ 증착한 후에는 오염 입자(파티클)의 발생량이 늘어나는 문제가 있다. 오염 입자는 반응기 상부와 하부가 접촉하여 정의되는 반응실의 하부 가장자리에서 주로 발생하고, 따라서 박막이 증착되는 기판의 가장자리에서 주로 검출된다. 오염 입자의 발생량이 늘어나면 반응기를 분해하여 세정해야 하기 때문에 연속 사용 시간이 길지 않아서 원자층 증착 장비의 생산성이 낮은 문제가 있다.
따라서 본 발명의 기술적 과제는 오염 입자 발생을 억제하여 연속 사용 시간을 증가시킨 반응기를 제공하는데에 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 원자층 증착 장치의 반응기는 상기 기판을 지지하는 기판 지지대; 상기 기판 지지대 위에 형성되어 있으며 상기 기판 지지대와 접촉한 상태에서 반응실을 규정하는 반응기 덮개; 상기 반응실 내로 반응 기체를 포함한 공정 기체를 유입하는 기체 유입구; 상기 공정 기체들이 배출되는 유출구; 상기 반응기 덮개의 일면에 돌출부를 통해 부착되는 기체 흐름 조절판; 상기 반응기 덮개와 접촉하여 반응실을 형성하되 접촉면과 반응실 사이에 좁은 격리 공간을 형성하고 상기 반응실에 장착되는 기판을 지지하는 기판 지지대를 구비한다.
상기 반응실 내의 원료기체의 활성화를 위해서는, 상기 반응기 덮개 또는 기체 흐름 조절판에 플라즈마 전극을 설치하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 반응기의 단면도이다. 도 2에 의하면 반응기 덮개(250)에 제 1 반응기체 X의 유입구(222)와 제 2 반응기체 Y의 유입구(224), 그리고 유출구(226)가 마련되어 있다. 첫째 유입구(222)를 통해서는 반응기체 X와 이를 퍼지하기 위한 퍼지 기체가 공급되며, 둘째 유입구(224)를 통해서는 반응기체 Y와 이를 퍼지하기 위한 퍼지 기체가 공급된다. 반응기 내부 기체 통로의 기체 접촉면에서 반응기체의 응축을 방지하기 위해 반응기 상부의 온도를 일정 온도 이상으로 유지하기 위해 덮개 가열부(252)를 둘 수도 있다.
기판 지지대(270) 위에 증착 대상 기판(260)이 배치되고, 기판 지지대(270) 아래에는 가열판(272)이 배치되어 있다. 가열판(272)은 기판의 온도를 공정에 필요한 온도까지 상승시키는 역할을 한다.
기판 지지대(270)를 구동하기 위한 기판 지지대 구동부(292)는 기판 지지대(270)과 가열판(272)을 수직 방향으로 움직이기 위한 기판 지지대 구동부(294)와 기판(260)을 기판 지지대(270)로부터 들어 올리기 위한 지지핀(296)과 지지핀 구동부 (293) 등으로 구성된다.
증착 공정 전후에는, 기판 지지대 구동부(294)에 연결된 기판 지지대(270) 및 가열판(272)이 아래로 이동하여 반응기 덮개(250)과 기판 지지대(270)가 분리됨으로써 반응실이 개방되어 기판(260)을 반응실 내부에 장착하거나 외부로 탈착할 수 있다. 반응실이 개방된 상태에서 중앙 지지핀(296)이 상승하거나 하강하여 기판(260)을 기판 지지대(270)로부터 탈착하거나 기판지지대(270)에 장착할 수 있다.
증착 공정 시에는, 중앙 지지핀(296)이 하강하여 기판(260)을 기판 지지대(270)에 장착한 상태에서 기판 지지대 구동부(294)에 연결된 기판 지지대(270) 및 가열판(272)이 위쪽으로 이동하여 반응기 덮개(250) 하부와 기판 지지대(270)의 상단이 밀착되어 반응실을 규정한다.
첫째 유입구(222)를 통해 들어오는 기체는 화살표로 표시한 바와 같이 상부 기체 흐름 조절판(240)과 반응기 덮개(250) 사이의 틈새를 통해 흐르게 되며, 둘째 유입구(224)를 통해 들어오는 기체는 상부 기체 흐름 조절판(240)과 하부 기체 흐름 조절판(242) 사이의 틈새를 통해 흐르게 된다. 각 틈새의 간격은 임의로 결정할 수 있다. 상기한 상부 기체 흐름 조절판(240)과 하부 기체 흐름 조절판(242)은 기체 유입부에서는 서로 일정 간격을 두고 틈새가 형성되지만 기체 유출부 쪽에서는 서로 밀착하여 기체가 포획되거나 머무르지 않고 쉽게 배기되도록 형성한다. 이렇게 해서 반응기체 X와 반응기체 Y의 공급 통로를 분리하여 반응기 내부면에 막이 형성되는 것을 최소화할 수 있다.
또한 반응기체의 공급과 동기하여 기판(260) 위에서 플라즈마를 발생시키기 위해 기판(260) 과 대면하는 하부 기체 흐름 조절판(242)의 아래 면에는 금속재질의 전극(230)을 형성시키고 이를 외부의 RF 전력 공급 장치와 전기적으로 연결한다. 전극과 외부단자를 연결하는 부위는 모두 절연체(232)을 구비하여 절연시킨다. 전극(230)에 RF전력이 공급되는 경우 기판 지지대(270)는 전기적으로 접지된다.
기판(260)을 장착한 후 기판 지지대(270)는 반응기 덮개(250)와 접촉하여 반 응실을 형성한다. 본 발명의 실시예에 따른 반응기 덮개(250)의 아래면의 가장 자리 또는 기판 지지대(270)의 윗면 가장 자리에는 홈이 형성되어 있다. 따라서 반응기 덮개(250)와 기판 지지대(270)가 접촉하여 정의하는 반응실의 하부 가장자리에는 반응기 덮개(250)와 기판 지지대(270)를 좁은 간격으로 이격함으로써, 반응기 덮개(250)와 기판 지지대(270)의 접촉 면을 공정 기체와 기판으로부터 격리할 수 있는 격리 공간(280)이 형성된다.
이러한 격리 공간(280)은 반응기 덮개(250)와 기판 지지대(270)가 접촉하는 부분을 공정기체가 흐르는 반응기 내부로부터 격리함으로써, 접촉면으로 공정 기체가 유입되는 것을 방지하고, 접촉면에서 발생하는 오염 입자가 기판 위로 이동하는 것을 막을 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반응기 내부의 기체 흐름을 보다 자세히 설명하기 위한 반응기 내부 단면 사시도이다. 각 위치별 기체의 흐름을 화살표로 표시하였다. 원자층 증착 공정 동안 공정 기체들은 반응기 안에서 도 2 및 도 3에 표시한 화살표 방향으로 흐른다.
도 3에 h와 w로 표시한 상기 격리 공간(280)의 높이는 0.1~5mm, 상기 격리 공간(280)의 폭이 1~20mm의 범위로 상기 격리 공간의 높이보다 큰 것이 바람직하다. 특히, 상기 격리 공간의 높이는 0.1~2mm, 상기 격리 공간의 폭은 2~10mm인 것이 바람직하다. 도 2와 도 3에는 상기 격리 공간의 높이가 변하지 않고 일정한 경우를 도시하였다. 그러나 상기 격리 공간의 높이는 바람직한 범위 안에서 일정하지 않을 수도 있다. 예를 들어 기판에 가까운 쪽은 격리 공간의 높이가 0.7mm가 되도 록 하고 기판에 먼 쪽은 격리 공간의 높이를 차차로 줄여 격리 공간이 끝나는 곳에서는 높이가 0.4mm가 되게 할 수도 있다.
또한 도 2와 도 3에서는 반응기 덮개(250)의 아래면의 일부를 파내어 홈을 형성함으로써, 반응기 덮개(250)와 기판 지지대(270)가 만나는 면 근처에 격리 공간을 형성하였다. 그러나 반응기 덮개 대신 기판 지지대(270)의 위면에 홈을 형성하여 반응기 덮개(250)와 기판 지지대(270)가 만나는 면 근처에 격리 공간을 형성할 수도 있다..
격리 공간을 두지 않고 반응기 덮개(250)의 모든 아래면이 기판 지지대(270)와 접촉하는 도 1에 도시한 종래 기술의 경우 5~7㎛ 두께의 금속 산화물 막을 형성한 후에는 금속 산화물을 증착하기 위한 원자층 증착 기체 순환 주기를 70회 반복하였을 때 크기 1㎛ 이상의 오염 입자가 300mm 웨이퍼 위에 20개 이상 발생하였다. 하지만 격리 공간의 높이와 폭을 각각 0.5mm, 5mm로 형성한 실시예에서는 금속 산화물 막을 40㎛ 두께까지 형성하여도 금속 산화물을 증착하기 위한 원자층 증착 기체 순환 주기를 70회 반복하였을 때 크기 1㎛ 이상의 오염 입자 발생량이 300mm 웨이퍼 위에서 10개 미만으로 유지되었다. 따라서 반응기를 연속적으로 사용할 수 있는 시간, 즉 장비의 생산성이 6~8배 증가하였다.
본 발명의 범위는 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 많은 변형이 이루어질 수 있음은 명백하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반응기에 의하면, 반응 기체를 비연속적이거나 순차적으로 기판에 공급하는 원자층 증착법에서 반응 기체가 반응기로 유입되는 통로에서 박막이 증착되는 것을 방지하고, 이를 통해 기판에 오염 입자가 유입되는 것을 방지할 수 있고, 반응기의 정상상태 유지시간이 크게 향상된 원자층 증착 반응기를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 원자층 증착 장치의 반응기에 있어서,
    기체 유입구와 기체 유출구를 구비한 반응기 덮개;
    상기 반응기 덮개와 접촉하여 반응실을 형성하고 상기 반응실에 장착되는 기판을 지지하는 기판 지지대; 그리고
    상기 반응기 덮개의 내부에 부착되고 배치되며, 상기 유입구들을 통해 공급되는 기체를 분산시켜 기판면을 따라 수평으로 흐를 수 있도록 하는 단수 또는 복수의 기체 흐름 조절판을 포함하며,
    상기 반응기 덮개와 상기 기판 지지대의 접촉하는 면과 상기 반응실 사이에 좁은 격리 공간을 가지고,
    상기 격리 공간은 상기 반응기 덮개 또는 상기 기판 지지대의 가장 자리에 형성되어 있는 오목한 홈으로 이루어지는 원자층 증착 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반응기 덮개의 아래면 가장 자리에 오목한 홈이 형성되어 있고, 상기 격리 공간은 상기 홈에 의하여 상기 반응기 덮개와 기판 지지대가 만나는 접촉면의 안쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 지지대의 위면에 가장 자리에 오목한 홈이 형성되어 있고, 상기 격리 공간은 상기 홈에 의하여 상기 반응기 덮개와 기판 지지대가 만나는 접촉면의 안쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 격리 공간의 높이는 0.1~5mm, 상기 격리 공간의 폭은 1~20mm이고,
    상기 폭은 상기 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 격리 공간의 높이는 0.2~2mm, 상기 격리 공간의 폭은 2~10mm이고,
    상기 폭은 상기 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 원자층 증착 장치는 상기 기판 지지대에 대면하는 기체 흐름 조절판 하부에 설치되어 있으며, 상기 반응실 내의 원료기체를 활성화하기 위한 플라즈마를 발생하는 플라즈마 전극을 더 포함하는 원자층 증착 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 원자층 증착 장치는 상기 기판 지지대에 대면하는 기체 흐름 조절판 하부에 설치되어 있으며, 상기 반응실 내의 원료기체를 활성화하기 위한 플라즈마를 발생하는 플라즈마 전극을 더 포함하는 원자층 증착 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 원자층 증착 장치는 반응 기체별로 분리되어 있는 유입구, 그리고
    상기 유입구 별로 연결된 독립적인 기체 공급 통로를 포함하고,
    상기 기체 공급 통로는 상기 기체 흐름 조절판들 사이의 틈새 통로를 통해 구비되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 격리 공간의 높이는 일정하지 않은 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 격리 공간의 높이는 상기 기판으로부터 멀어질수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 격리 공간은 상기 반응실과 연결되어 있는 원자층 증착 장치.
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