KR101394820B1 - 자기장 보조 증착법 - Google Patents

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Abstract

실시예들은 주입된 극성 전구체 분자의 경로를 가로질러 자기장을 인가하여 전구체 분자가 기판의 표면에 대해 나선형으로 이동하게 하는 것에 대한 것이다. 극성 전구체 분자가 기판의 표면에 도달하면, 극성 전구체 분자는 관성으로 인하여 표면상에서 횡(lateral) 이동을 한다. 극성 전구체 분자의 이러한 횡 이동으로 인하여, 분자가 기판의 표면상의 자리(예컨대, 핵형성(nucleation) 자리, 결합 파괴부(broken bond) 및 단차진(stepped) 표면 위치)를 찾아 자리잡거나 기판상에서 반응할 가능성이 증가하게 된다. 극성 전구체 분자의 흡착 또는 반응 가능성이 증가하므로, 주입 시간 또는 주입 반복수(iteration)가 감소될 수 있다.

Description

자기장 보조 증착법{MAGNETIC FIELD ASSISTED DEPOSITION}
실시예들은 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하기 위해 자기장을 이용하는 것에 대한 것이다.
기판상에 물질을 증착하기 위하여 다양한 화학 공정들이 사용된다. 이러한 화학 공정들은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD) 및 분자층 증착법(Molecular Layer Deposition; MLD)을 포함한다. CVD는 기판상에 물질 층을 증착하기 위해 가장 널리 사용되는 방법이다. CVD에서는, 반응성 기체 전구체가 혼합된 후 반응 챔버로 전달되어, 혼합된 기체가 기판과 접촉한 후 물질 층이 형성된다.
ALD는 기판상에 물질을 증착하기 위한 또 다른 방법이다. ALD는 화학흡착 분자의 결합력이 물리흡착 분자의 결합력과 상이한 것을 이용한다. ALD에서는, 원료 전구체(source precursor)가 기판의 표면에 흡착된 후 비활성 기체에 의하여 퍼지(purge)된다. 그 결과, (반데르 발스(Van der Waals) 힘에 의하여 결합된) 원료전구체의 물리흡착 분자가 기판으로부터 탈착된다. 그러나, 원료전구체의 화학흡착 분자는 공유 결합되어 있으며, 따라서 이들 분자들은 기판에 강하게 흡착되어 기판으로부터 탈착되지 않는다. (기판상에 흡착된) 원료전구체의 화학흡착 분자들은 반응전구체(reactant precursor)의 분자들과 반응하거나 또는/또한 반응전구체의 분자들에 의해 치환된다. 이후, 여분의 전구체 또는 물리흡착 분자들이 퍼지 기체의 주입 및/또는 챔버의 펌핑(pumping)에 의하여 제거되어, 최종적으로 원자층이 얻어진다.
MLD는 ALD와 유사한 박막 증착 방법이나, MLD에서는 기판상에 분자들이 단위로서 증착되어 기판상에 폴리머 막(polymeric film)을 형성한다. MLD에서, 각 반응 사이클(cycle) 동안 분자 조각(molecular fragment)이 증착된다. MLD를 위한 전구체는 통상 용기성(homobifunctional) 반응제이다. MLD 방법은 일반적으로 기판상에 폴리아미드(polyamide)와 같은 유기 폴리머를 성장시키기 위해 사용된다. 또한, ALD 및 MLD를 위한 전구체는, 알루콘(Alucone)(즉, 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum)(TMA: Al(CH3)3)) 및 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 반응시켜 얻어지는, 탄소를 포함하는 백본(backbone)을 갖는 알루미늄 알콕사이드(aluminum alkoxide) 폴리머 또는 지르콘(Zircone)(지르코늄(zirconium) 전구체(예를 들어 지르코늄 t-부트옥사이드(zirconium t-butoxide)(Zr[OC(CH3)3)]4), 또는 테트라키스(디메틸아미도)지에코늄(tetrakis(dimethylamido)zieconium)(Zr[N(CH3)2]4))와 디올(예컨대, 에틸렌 글리콜) 간의 반응에 기초한 유기-무기 혼성(hybrid) 시스템)과 같은 유기-무기 혼성 폴리머를 성장시키기 위하여 사용될 수 있다.
이러한 증착 공정에서, 분자들은 기판의 표면에 흡착되고, 기판상의 물질과 반응하거나 기판상의 물질을 치환한다. 그러나, 기판 및/또는 전구체의 종류 에 따라서는, 전구체 분자들이 기판의 표면상에 쉽게 흡착되지 않는다. 또는, 전구체 분자들이 기판상의 물질과 쉽게 반응하지 않거나 이를 쉽게 치환하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 전구체의 주입 시간이 증가되거나 전구체를 주입하는 공정이 수 차례 반복되어 충분한 양의 전구체 분자가 기판의 표면상에 흡착되도록 한다. 증가된 시간 또는 공정의 반복은 결과적으로 기판상에 물질을 증착하기 위한 효율을 저하시키며 시간을 증가시킨다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주입된 전구체 분자들이 기판을 향한 전구체 분자들의 경로를 가로지르는 자기장의 영향을 받는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
실시예들은, 주입된 전구체 분자들이 기판을 향한 전구체 분자들의 경로를 가로지르는 자기장의 영향을 받는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 방법에 대한 것이다. 주입된 전구체 분자는 극성 분자이다. 따라서, 극성 전구체 분자가 기판을 향하여 이동함에 따라 자기장으로 인하여 전구체 분자는 기판의 표면에 대하여 나선형으로 이동하게 된다. 기판의 표면은 나선형 경로를 따라 이동하는 전구체 분자에 노출된다.
일 실시예에서, 기판을 주입된 전구체 분자에 노출시킨 후 남아있는 여분의 전구체 분자는 증착 공정을 수행하기 위한 장치로부터 배출된다.
일 실시예에서, 전극에 전압을 인가함으로써 전구체 분자로서 라디칼(radical)이 생성된다.
일 실시예에서, 기판은 기판의 표면상에 전구체 분자를 주입하는 반응기에 대하여 상대적으로 이동된다.
일 실시예에서, 자기장은 영구 자석 또는 전자석에 의하여 생성된다.
일 실시예에서, 전구체 분자는 기판상에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD) 또는 분자층 증착법(Molecular Layer Deposition; MLD)을 수행하기 위한 원료전구체(source precursor) 분자 또는 반응전구체(reactant precursor) 분자이다.
일 실시예에서, 전구체 분자는 메틸실란(methylsilane) 분자, 디메틸알루미늄하이드라이드(dimethylaluminumhydride; DMAH) 분자 또는 디메틸에틸아민 알란(dimethylethylamine alane; DMEAA) 분자이다.
실시예들은 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 장치에 대한 것이다. 장치는 몸체 및 몸체 내부 또는 외부의 복수 개의 자석을 포함할 수 있다. 몸체는 주입된 전구체 분자가 기판 표면을 향해 이동하여 기판 표면과 접촉하는 반응 챔버를 구비하도록 형성된다. 자석들은 반응 챔버 내에 자기장을 생성하도록 구성된다. 자기장은, 전구체 분자가 기판의 표면에 대해 나선형으로 이동하도록, 기판을 향한 전구체 분자의 경로를 가로지른다.
일 실시예에서, 장치는 몸체의 기판에 결합되어 몸체와 기판 사이의 상대적인 이동을 야기하는 구조(mechanism)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 몸체는 전구체 분자를 반응 챔버에 공급하기 위한 채널, 반응 챔버에 연결되며 반응 챔버에 비해 낮은 높이를 갖는 협착(constriction) 영역, 및 협착 영역에 연결되며 여분의 전구체 분자를 장치로부터 배출하도록 구성된 배기부(exhaust portion)를 더 구비하도록 형성된다.
일 실시예에서, 자석 중 하나 이상이 반응 챔버의 벽을 형성한다.
일 실시예에서, 자석 중 하나 이상은 몸체의 외부에 위치한다.
일 실시예에서, 몸체는 비자성 물질로 형성된다.
일 실시예에서, 복수 개의 자석 중 하나는 반응 챔버의 일 측면에 위치하고, 복수 개의 자석 중 다른 하나는 반응 챔버의 반대편 측면에 위치한다.
일 실시예에서, 장치는 몸체 내에 형성된 플라즈마 챔버를 따라 연장되는 전극을 더 포함한다. 전극 및 몸체 사이에 전압을 인가함으로써 플라즈마 챔버 내에 플라즈마가 생성된다.
일 실시예에서, 몸체는 플라즈마 챔버 내로 기체를 공급하기 위한 채널, 반응 챔버 및 플라즈마 챔버 사이의 천공(perforation), 반응 챔버에 연결되며 반응 챔버에 비해 낮은 높이를 갖는 협착 영역, 및 협착 영역에 연결되며 여분의 전구체 분자를 장치로부터 배출하도록 구성된 배기부를 더 구비하도록 형성된다.
일 실시예에서, 복수 개의 자석은 영구 자석 또는 전자석이다.
전구체 분자의 나선형 이동으로 인하여 전구체 분자가 기판 표면에 대해 흡착 또는 반응하기 쉽게 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 선형 증착 장치의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 선형 증착 장치의 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 회전 증착 장치의 사시도이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 자석이 부착된 인젝터(injector)를 나타내는 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 도 4a의 인젝터의 A-B를 잇는 직선을 따른 단면도이다.
도 5a는 자기장이 인가되지 않은 경우 기판을 향해 이동하는 전구체 분자의 경로를 나타내는 개념도이다.
도 5b는 일 실시예에 따라 자기장이 인가된 경우 기판을 향해 이동하는 전구체 분자의 경로를 나타내는 개념도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 인젝터들의 세트(set)의 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 인젝터 및 라디칼(radical) 반응기의 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 인젝터 및 라디칼 반응기의 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 인젝터 및 라디칼 반응기의 단면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 기판에 전구체를 주입하기 위한 공정을 나타내는 순서도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들이 설명된다. 그러나 본 명세서에 기재된 원리는 많은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에 기술된 실시예들로 한정되는 것이 아니다. 설명에 있어서, 실시예들의 요지를 명확하게 하기 위하여 잘 알려진 특징 및 기술에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도면에서, 유사한 참조 번호는 유사한 구성 요소를 나타낸다. 도면에서 형상, 크기 및 영역 등은 분명한 표시를 위하여 과장될 수 있다.
실시예들은 주입된 극성 전구체 분자의 경로를 가로질러 자기장을 인가함으로써 전구체 분자가 기판의 표면에 대해 나선형으로 이동하게 하는 것에 대한 것이다. 극성 전구체 분자가 기판의 표면에 도달할 때, 극성 전구체 분자는 관성으로 인하여 기판의 표면에 평행하게 이동한다. 극성 전구체 분자의 이러한 횡(lateral) 이동은 분자가 기판상의 특정 자리(예컨대, 핵형성(nucleation) 자리, 결합 파괴부(broken bond) 및 단차진(stepped) 표면 위치)에 대해 부착되거나 반응할 가능성을 증가시킨다. 극성 전구체 분자의 흡착 또는 반응 가능성이 증가함에 따라, 주입 시간 또는 주입 반복수(iteration)가 감소될 수 있다.
본 명세서에서, 극성 전구체는 전기 쌍극자(electric dipole) 또는 다중극자(multipole) 모멘트를 갖는 분자 또는 이들의 화학 물질군(chemical group)을 포함하는 물질을 지칭한다. 극성은 화합물 내의 원자 사이의 전기음성도(electronegativity) 차이 및 화합물의 구조에 따른다. 극성 전구체는, 선형 분자(예컨대, CO), 단일 H를 갖는 분자(예컨대, HF), 일단에 OH를 갖는 분자(예컨대, CH3OH 및 C2H5OH), 일단에 O를 갖는 분자(예컨대, H2O), 일단에 N을 갖는 분자(예컨대, NH3) 및 플라즈마를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 극성 전구체는 또한 메틸실란((CH3)XSi4 -X, x=1, 2 또는 3), 디메틸알루미늄하이드라이드(dymethylaluminumhydride; DMAH) 및 디메틸에틸아민 알란(dimethylethylamine alane; DMEAA)과 같은 물질을 포함할 수도 있다.
반면, 비극성 전구체는 결합 내에 극성이 없거나 극성 결합의 대칭형 배열을 갖는 분자들을 포함할 수 있다. 비극성 분자는, 동일 원소의 이원자 분자(diatomic molecule)(예컨대, O2, H2, N2), 대부분의 탄소 화합물(예컨대, CO2, CH4, C2H4) 및 비활성(noble 또는 inert) 기체(예컨대, He 및 Ar)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
물질 증착을 위한 예시적인 장치
도 1은 일 실시예에 따른 선형 증착 장치(100)의 단면도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 선형 증착 장치(100)(설명을 돕기 위해 챔버 벽은 생략)의 사시도이다. 선형 증착 장치(100)는 지지 기둥(118), 공정 챔버(110) 및 하나 이상의 반응기(136)를 포함할 수 있으나, 이들 구성요소에 한정되는 것은 아니다. 반응기(136)는 하나 이상의 인젝터(injector) 및 라디칼(radical) 반응기를 포함할 수 있다. 각각의 인젝터는 원료전구체(source precursor), 반응전구체(reactant precursor), 퍼지(purge) 기체 또는 이들 물질의 조합을 기판(120)상에 주입한다. 선형 증착 장치(100)는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD), 분자층 증착법(Molecular Layer Deposition; MLD) 또는 이들의 조합을 수행할 수 있다.
벽에 의하여 둘러싸인 공정 챔버는 진공 상태로 유지되어 오염 물질이 증착 공정에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 공정 챔버(110)는 기판(120)을 수용하는 서셉터(susceptor)(128)를 포함한다. 서셉터(128)는 슬라이드(slide) 이동을 위하여 지지판(124)상에 위치된다. 지지판(124)은 기판(120)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기(예컨대, 히터(heater) 또는 쿨러(cooler))를 포함할 수 있다. 선형 증착 장치(100)는 또한 기판(120)을 서셉터(128)상에 로드(load)하거나 기판(120)을 서셉터(128)로부터 탈착하는 것을 용이하게 하는 리프트 핀(lift pin)을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 서셉터(128)는 이에 형성된 스크류(screw)에 의해 연장 바(bar)(138)를 따라 이동하는 브라켓(bracket)(210)에 고정된다. 브라켓(210)은 연장 바(138)를 수용하기 위한 홀 내에 형성된 상응하는 스크류를 갖는다. 연장 바(138)는 모터(114)의 스핀들(spindle)에 고정되며, 따라서 모터(114)의 스핀들이 회전함에 따라 연장 바(138)도 회전한다. 연장 바(138)의 회전으로 인하여 브라켓(210)(및 따라서 서셉터(128))가 지지판(124)상에서 선형 이동하게 된다. 모터(114)의 속도 및 회전 방향을 제어함으로써, 서셉터(128)의 선형 이동의 속도 및 방향이 제어될 수 있다. 모터(114) 및 연장 바(138)를 사용하는 것은 서셉터(128)를 이동시키기 위한 구조의 예시에 불과하다. 서셉터(128)를 이동시키는 다양한 다른 방법(예컨대, 서셉터(128)의 하부, 상부 또는 측면에 기어(gear) 및 톱니바퀴(pinion)를 사용하는 방법)이 있을 수 있다. 나아가, 서셉터(128)를 이동시키는 대신, 서셉터(128)의 위치는 고정하고 반응기(136)가 이동될 수도 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 회전 증착 장치(300)의 사시도이다. 도 1의 선형 증착 장치(100)를 이용하는 대신, 다른 실시예에 따른 증착 공정을 수행하기 위하여 회전 증착 장치(300)가 사용될 수 있다. 회전 증착 장치(300)는 반응기들(320, 334, 364, 368), 서셉터(318), 및 이들 구성요소들을 둘러싸는 컨테이너(324)를 포함할 수 있으나, 이들 구성요소에 한정되는 것은 아니다. 서셉터(318)는 기판(314)을 위치에 고정한다. 반응기들(320, 334, 364, 368)은 기판(314) 및 서셉터(318)의 위에 위치한다. 서셉터(318) 또는 반응기들(320, 334, 364, 368)이 회전하여 기판(314)이 상이한 공정들을 거치게 된다.
반응기들(320, 334, 364, 368) 중 하나 이상은 원료전구체, 반응전구체, 퍼지 기체 및/또는 다른 물질을 공급하기 위한 기체 파이프(미도시)에 연결된다. 기체 파이프에 의하여 공급되는 물질은 (i) 반응기들(320, 334, 364, 368)에 의하여 직접 기판(314)상에 주입될 수 있는데, 이에 앞서 (ii) 반응기들(320, 334, 364, 368) 내의 챔버 내에서 혼합되거나, 또는 (iii) 반응기들(320, 334, 364, 368) 내에서 생성된 플라즈마에 의하여 라디칼로 변환될 수 있다. 물질이 기판(314)상에 주입된 후, 여분의 물질은 배출구(330, 338)를 통하여 배기될 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 선형 증착 장치(100), 회전 증착 장치(300) 또는 다른 형태의 증착 장치에서 사용될 수 있다. 선형 증착 장치(100) 및 회전 증착 장치(300)의 예를 들면, 기판(120)(또는 314)을 일 방향으로 반응기에 대해 이동시키고 이후 반대 방향으로 이동시킴으로써 기판(120)(또는 314)이 공정의 상이한 순서를 거칠 수 있다.
자기장이 내부에 생성되는 예시적인 반응기
도 4a는 일 실시예에 따른 인젝터(136)의 사시도이다. 인젝터(136)는 인젝터(136) 내에 자기장을 생성하기 위한 자석(424A, 424B)의 세트(set)를 포함하나, 이들 구성요소에 한정되는 것은 아니다. 인젝터(136) 내의 자기장으로 인하여 극성 전구체 분자가 기판(120)을 향해 나선형 경로를 따라 움직이게 된다. 이는 도 5b를 참조하여 상세히 후술한다.
인젝터(136)는 공급 파이프(410) 및 배출 파이프(420)에 연결된 몸체(404)를 갖는다. 공급 파이프(410)는 원료전구체, 반응전구체, 혼합 기체 화합물, 퍼지 기체 또는 이들의 조합을 수용한다. 여분의 전구체 분자 및/또는 부산물(by-product) 기체가 배출 파이프(420)를 통해 인젝터(136)로부터 배출된다.
인젝터(136)는, 기판(120)이 화살표(450)로 지시된 방향으로 이동함에 따라, 수용된 기체를 기판(120)의 표면상에 주입하여 기판(120)상에 물질의 층(140)을 증착한다. 또는 다른 실시예에서, 인젝터(136)가 고정된 기판(120)에 대해 상대적으로 이동할 수도 있다. 이어서, 기판(120)에는 동일한 또는 상이한 인젝터 또는 라디칼 반응기를 이용하여 상이한 물질이 주입될 수 있다.
일 실시예에서, 몸체(404)는 알루미늄과 같은 비자성 물질로 형성된다. 인젝터(136)가 높은 온도 범위에서 사용될 때는, 몸체(404)를 Al2O3, AlN 또는 SiC와 같은 세라믹(ceramic)으로 형성하는 것이 유리하다.
도 4b는 일 실시예에 따른 도 4a의 인젝터(136)의 A-B를 잇는 직선을 따른 단면도이다. 인젝터(136)의 몸체는 채널(462), 천공(perforation)(464)(예컨대, 홀(hole) 또는 슬릿(slit)), 반응 챔버(468), 협착(constriction) 영역(470) 및 배기부(472)를 갖도록 형성된다. 공급 파이프(410)는 채널(462)에 연결되어 천공(464)을 통하여 반응 챔버(468) 내로 전구체 물질을 공급한다. 전구체 물질은 반응 챔버(468) 아래의 기판(120)과 접촉한다.
전구체 물질의 일부가 기판(120)의 표면상에 흡착된 후, 잔여 전구체 물질(즉, 여분의 전구체 분자) 및/또는 부산물 기체가 협착 영역(470)을 통과하여 파이프(420)에 연결된 배기부(472)를 통해 인젝터(136)의 밖으로 배출된다.
협착 영역(470)은 반응 챔버(468)의 높이(H1)에 비해 낮은 높이(H2)를 갖는다. 따라서, 전구체 물질의 유량(flow rate)은 반응 챔버(468)에 비해 협착 영역(470)에서 더 높다. 협착 영역(470) 내의 높은 유량으로 인하여 기판(120)상에 화학흡착된 전구체 분자들은 유지하는 한편 물리흡착된 전구체 분자들을 기판(120)의 표면으로부터 제거할 수 있다.
자석(424A, 424B)의 세트는 전구체 분자의 흐름 방향과 대체로 직교하는 방향으로 자기장을 생성한다. 즉, 자석(424A, 424B)의 세트는 기판(120)의 표면에 대체로 평행한 자기장을 생성한다. 전구체 분자가 극성이라면, 자기장은 전구체 분자에 횡력(lateral force)을 가하며, 이로 인하여 전구체 분자는 기판(120)을 향하여 이동하면서 나선형으로 이동하게 된다.
전구체 분자가 기판(120)의 표면에 도달한 후, 전구체 분자는 관성으로 인하여 계속하여 기판(120)의 표면에 평행하게 이동하게 된다. 이러한 이동은 특히 전구체 분자가 기판(120)상에서 부착 또는 반응의 여지가 있는 지점을 찾을 가능성이 높아진다는 점에서 유리하다. 전구체 분자가 부착할 여지가 있는 지점은, 핵형성(nucleation) 자리, 결합 파괴부(broken bond) 또는 기판(120)상의 단차진(stepped) 영역을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 인젝터(136) 내에 자기장을 인가하는 것은 기판(120)상의 전구체 분자의 흡착 또는 반응을 용이하게 한다.
자기장의 생성
도 5a는 자기장이 인가되지 않은 경우 기판(120)을 향해 이동하는 전구체 분자의 경로(514)를 나타내는 개념도이다. 자기장이 없으면, 경로(514)는 일반적으로 주입 지점(즉, 천공(464))으로부터 기판(120)을 향하여 선형적이다. 전구체 분자(510)의 움직임 벡터에 기판(120)의 표면과 평행한 성분이 없으므로, 전구체 분자(510)는 분자(510)가 기판(120)에 도달하는 지점에서 흡착되거나 또는 반응하거나, 또는 전구체 분자(510)는 기판(120)상에서 횡 이동(즉, 기판(120)의 표면에 평행한 이동)이 없거나 최소한의 횡 이동만을 한 후 기판(120)의 표면으로부터 튕겨나온다.
도 5b는 일 실시예에 따라 인젝터(136) 내에 자기장이 인가되는 경우 기판(120)을 향해 이동하는 전구체 분자(510)의 경로(518, 522)를 나타내는 개념도이다. 극성 전구체가 사용되면, 자기장을 통과하는 분자는 로렌츠(Lorentz) 힘을 받게 된다. 자기장의 방향이 도 5b에 도시된 것과 같이 좌측에서 우측이라고 하면, 분자에 인가되는 로렌츠 힘은 화살표(526)로 도시되는 것과 같이 자기장의 방향 및 분자의 이동 방향과 직교한다.
따라서, 전구체 분자(510)는 자기장을 가로질러 이동하면서 전구체 분자(510)가 기판(120)의 표면에 도달할 때까지 나선형 경로(522)를 따라 이동하게 된다. 기판(120)의 표면에 도달한 후, 전구체 분자는 기판(120)의 표면으로부터 튕겨져 나올 때까지 계속하여 기판(120)의 표면에 평행한 이동을 할 수 있다. 기판(120)의 표면상에서 전구체 분자(510)의 횡 이동은 자기장이 인가되지 않은 전구체 분자(510)의 경우에 비해 더 긴 경향성을 갖는다.
전구체 분자(510)가 기판(120)의 표면에 평행하게 이동하는 동안, 전구체 분자(510)는 전구체 분자(510)가 기판(120)상에 흡착되거나 기판(120) 표면상의 물질과 반응하게 되기 쉬운 기판(120)의 표면상의 지점에 도달할 수 있다. 전구체 분자(510)의 흡착 또는 반응이 증가되는 것은 기판상에서 전구체 분자(510)의 더욱 고른 흡착, 기판(120)상에 형성된 층의 밀도 증가, 및 증착된 층 내의 핀홀(pin-hole) 또는 다른 결함의 수를 감소시키는 데에 기여할 수 있다.
자기장은 다양한 구성 및 구조를 갖는 자석에 의하여 형성될 수 있다. 영구 자석 또는 전자석이 자기장을 생성하기 위하여 인젝터 또는 라디칼 반응기의 반응 챔버의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 영구 자석은 예컨대 알니코(Alnico), 네오디뮴(Neodymium) 또는 사마륨 코발트(Sm-cobalt)로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 자석의 세트가 반응 챔버의 반대편 측면들에 위치하여 전구체 분자의 이동에 대체로 직교하는 자기장이 반응 챔버에 인가되도록 한다. 즉, 본 명세서에서 기술되는 주된 실시예들은 기판을 향해 수직 하방으로 전구체 물질을 주입하는 인젝터 또는 라디칼 반응기를 이용하나, 다른 실시예에서는, 전구체 분자는 수평으로 또는 다른 방향으로 이동할 수도 있다. 이러한 실시예들에서 전구체 분자가 이동하는 방향이 어떠하던, 자석은 자기장이 전구체 분자의 이동 경로를 가로지르도록 배치되어 전구체 분자가 기판에 도달하기 전에 나선형으로 이동하도록 한다.
또한, 자기장의 방향이 전구체 분자의 대체적인 경로에 직교하여 인가하여 로렌츠 힘이 증가되도록 하는 것이 바람직하나, 자기장의 방향은 이하에서 도 9를 참조하여 예시적으로 후술하는 것과 같이 다소 경사지거나 수직이 아닐 수도 있다.
다른 실시예
도 6은 일 실시예에 따라 연속(tandem) 배치된 인젝터(136A, 136B)의 세트의 단면도이다. 각각의 인젝터(136A, 136B)는 기판(120)상에 상이한 전구체 물질을 주입하기 위하여 두 개의 인젝터가 연속 배치되었다는 점을 제외하면 도 4a 및 4b의 인젝터(136)와 동일한 구조 및 구성을 갖는다.
일 실시예에서, 인젝터(136A, 136B)는 Al2O3 막의 원자층 증착법(ALD)을 수행하기 위하여 사용된다. 기판(120)은 좌측에서 우측으로 이동하며, 인젝터(136A)에 의하여 원료전구체로서 DMAH가 주입되고, 그 후 인젝터(136B)에 의해 반응전구체로서 O3 또는 H2O가 주입된다. DMAH, O3 및 H2O는 극성 전구체이며, 따라서 이들 전구체들은 자석(424A, 424B) 및 자석(620A, 620B)에 의하여 야기된 로렌츠 힘을 받는다.
다른 실시예에서, 인젝터(136A, 136B)는 ALD에 의하여 AlN 막을 증착하기 위하여 사용된다. 이를 위하여, 기판(120)은 좌측에서 우측으로 이동하며, 인젝터(136A)에 의하여 원료전구체로서 DMAH가 주입되고, 그 후 인젝터(136B)에 의해 반응전구체로서 NH3가 주입된다. DMAH 및 NH3는 극성 전구체이며, 따라서 이들 전구체들은 자석(424A, 424B) 및 자석(620A, 620B)에 의하여 야기된 로렌츠 힘을 받는다.
도 7은 일 실시예에 따른 인젝터(136C) 및 라디칼 반응기(136D)의 단면도이다. 인젝터(136C)는, 자석(702A)이 반응 챔버(704)를 정의하는 벽의 일부를 형성하고 자석(702B)이 배기부(706)를 정의하는 벽의 일부를 형성하는 점을 제외하면, 도 4a 및 4b의 인젝터(136)와 실질적으로 동일하다. 반응 챔버(704) 및 배기부(706)의 기능은 도 4b의 반응 챔버(468) 및 배기부(472)의 기능과 실질적으로 동일하다.
라디칼 반응기(136D)는 (몸체(712)의 일부인) 외부 전극(720)과 내부 전극(722) 사이에 전압을 인가하여 라디칼을 생성한다. 몸체(712)는 채널(710), 천공(714)(예컨대, 홀 또는 슬릿), 플라즈마 챔버(718), 슬릿(726), 반응 챔버(730), 협착 영역(732) 및 배기부(734)를 갖도록 형성된다. 반응 챔버(730), 협착 영역(732) 및 배기부(734)는 도 4b의 반응 챔버(468), 협착 영역(470) 및 배기부(472)와 동일한 기능을 갖는다. 기체 또는 기체의 혼합물이, 라디칼 반응기(136D)의 길이에 걸쳐 연장되는 채널(710) 및 천공(714)을 통해 소스로부터 플라즈마 챔버(718) 내로 주입된다. 내부 전극(722)과 외부 전극(720) 사이에 전압이 인가되면, 플라즈마 챔버(718) 내에 플라즈마가 생성된다. 그 결과, 플라즈마 챔버(718) 내에 라디칼이 생성되어 반응 챔버(730)로 주입된다. 라디칼은 기판(120)으로부터 원격 위치에 생성되므로, 라디칼 반응기(136D)는 "원격 플라즈마 생성기"로 지칭된다.
라디칼이 기판(120)을 향해 아래로 이동함에 따라, 자석(744A, 744B)에 의하여 생성된 자기장 때문에 라디칼들은 로렌츠 힘으로 인한 나선형 경로를 따라 이동하게 된다. 라디칼에 자기장이 인가되지 않는 경우와 비교하여, 나선형 경로 및 라디칼의 관성으로 인하여 라디칼들이 기판(120)의 표면을 따라 더 긴 거리를 이동한다. 그러므로, 라디칼이 기판(120)의 표면에 부착되거나, 기판(120)의 표면상에 이미 흡착되어 있는 원료전구체 분자와 반응/치환하기 쉽게 된다.
원격 플라즈마 생성기를 사용하는 것은 단지 예시이며, 라디칼을 생성시켜 기판(120)상에 주입하기 위해 다양한 다른 형태의 플라즈마 생성기들이 사용될 수도 있다. 구조에 관계 없이, 플라즈마 생성기는 라디칼의 이동 경로를 가로지르는 자기장을 생성하는 자석을 포함할 수 있다.
또한, 라디칼 반응기(136D)는 자석(744A, 744B)이 반응 챔버(730) 및 배기부(744B)를 위한 벽의 일부를 형성하는 것으로 도시되나, 자석이 별도의 소자로서 이들 벽의 내부 또는 외부에 부착되어 설치될 수도 있다.
일 실시예에서, 인젝터(136C) 및 라디칼 반응기(136D)는 기판(120)상에 Al2O3 막을 증착하기 위하여 사용된다. 이를 위하여, 기판(120)은 좌측에서 우측으로 이동하며, 인젝터(136C)에 의하여 원료전구체로서 DMAH가 주입되고, 그 후 인젝터(136D)에 의해 반응전구체로서 O* 라디칼이 주입된다. DMAH 및 O* 라디칼은 극성 전구체이며, 따라서 이들 전구체들은 자석(702A, 702B) 및 자석(744A, 744B)에 의하여 야기된 로렌츠 힘을 받는다.
다른 실시예에서, 인젝터(136C, 136D)는 기판(120)상에 AlN 막을 증착하기 위하여 사용된다. 이를 위하여, 기판(120)은 좌측에서 우측으로 이동하며, 인젝터(136C)에 의하여 원료전구체로서 DMAH가 주입되고, 그 후 인젝터(136D)에 의해 반응전구체로서 N* 라디칼이 주입된다. DMAH 및 N* 라디칼은 극성 전구체이며, 따라서 이들 전구체들은 자석(702A, 702B) 및 자석(744A, 744B)에 의하여 야기된 로렌츠 힘을 받는다.
자석은 라디칼 챔버의 벽을 형성하도록 배치될 수 있다. 도 8은 또 다른 실시예에 따른 인젝터(136E) 및 라디칼 반응기(136F)의 단면도이다. 자석(812A)은 인젝터(136E)의 반응 챔버(816)의 벽을 형성한다. 이와 유사하게, 자석(824A)은 라디칼 반응기(136F)의 반응 챔버(820)의 벽을 형성한다. 자석(812B)은 반응 챔버(816)의 내측에 부착되며 자석(824B)은 반응 챔버(820)의 내측에 부착된다.
자석은 비대칭적인 구조를 가질 수도 있다. 도 9는 또 다른 실시예에 따른 인젝터(136G) 및 라디칼 반응기(136H)의 단면도이다. 인젝터(136G) 및 라디칼 반응기(136H)에서, 자석(912A, 912B) 및 자석(916A, 916B)은 비대칭적이다. 따라서, 자기장의 방향은 도 9에 도시된 것과 같이 경사질 수 있다. 자석이 전구체 분자에 로렌츠 힘을 미치도록 설계되는 한, 자석의 크기, 세기 및 구성은 다양할 수 있다.
자석을 이용하여 증착을 수행하는 방법
도 10은 일 실시예에 따라 기판상에 전구체를 주입하기 위한 공정을 나타내는 순서도이다. 먼저, 전구체가 인젝터 또는 라디칼 반응기의 반응 챔버 내로 주입된다(1010). 자기장이 반응 챔버에 인가되어(1020), 자기장이 기판을 향해 이동하는 전구체 분자의 경로를 가로지르게 된다.
자기장을 인가함으로써, 전구체 분자는 로렌츠 힘을 받는다. 로렌츠 힘으로 인하여 전구체 분자가 기판을 향해 나선형 경로를 취하게 된다.
그 후 기판이 전구체 분자에 노출된다(1030). 나선형 경로로 인하여, 전구체 분자는 기판으로부터 튕겨져 나오기 전에 기판의 표면을 따라 약간의 거리를 이동한다. 그 결과, 전구체 분자는 분자가 부착 또는 반응할 수 있는 기판 표면상의 지점에 자리잡기 쉽게 된다.
기판의 노출 후 남아있는 여분의 전구체 분자는 그 후 반응 챔버로부터 배출된다(1040).
이상에서 본 발명은 몇몇 실시예에 대하여 설명되었으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 명세서는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아닌 단지 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해서 정하여진다.

Claims (17)

  1. 기판상에 물질 층을 증착하는 방법으로서,
    적어도 부분적으로 공정 챔버 내에 둘러싸여 위치하는 반응기에 의해, 기판을 향하여 극성 분자인 전구체 분자를 주입하는 단계;
    상기 기판의 표면에 대해 상기 전구체 분자가 나선형으로 이동하도록, 상기 공정 챔버 내에 위치하며 상기 반응기에 부착된 자석에 의해, 상기 기판을 향한 상기 전구체 분자의 경로를 가로지르는 자기장을 인가하는 단계;
    상기 기판의 표면이 상기 전구체 분자를 흡착하거나 상기 전구체 분자와 반응하도록, 상기 기판의 표면을 나선형으로 이동하는 상기 전구체 분자에 노출시키는 단계; 및
    상기 기판의 상이한 부분을 상기 전구체 분자에 노출시키도록, 상기 기판의 표면과 평행한 상기 기판의 이동을 야기시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 표면을 주입된 상기 전구체 분자에 노출시키는 단계 후에 여분의 전구체 분자를 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    전극에 전압을 인가함으로써 상기 전구체 분자로서 라디칼을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기판을, 상기 기판의 표면상에 상기 전구체 분자를 주입하도록 구성된 반응기에 대해 상대적으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 자기장은 영구 자석 또는 전자석에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전구체 분자는 상기 기판상에 원자층 증착법을 수행하기 위한 원료전구체 분자 또는 반응전구체 분자인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전구체 분자는 메틸실란, 디메틸알루미늄하이드라이드(DMAH) 및 디메틸에틸아민 알란(DMEAA)으로 이루어지는 그룹으로 선택되는 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 기판상에 층을 증착하기 위한 장치로서,
    공정 챔버; 및
    상기 공정 챔버에 의하여 적어도 부분적으로 둘러싸인 반응기를 포함하고,
    상기 반응기는,
    반응 챔버를 구비하도록 형성되며, 주입된 전구체 분자는 상기 반응 챔버 내에서 상기 기판의 표면을 향해 이동하고, 상기 전구체 분자는 극성 분자인, 몸체;
    상기 몸체의 내부 또는 외부에 위치하며, 상기 기판의 표면에 대해 상기 전구체 분자가 나선형으로 이동하도록 상기 기판을 향한 상기 전구체 분자의 경로를 가로지르는 자기장을 상기 반응 챔버 내에 생성하도록 구성된, 복수 개의 자석; 및
    상기 기판의 표면의 상이한 부분을 상기 전구체 분자에 노출시키기 위해, 상기 기판을 상기 기판의 표면과 평행한 방향으로 이동시키도록 상기 몸체의 상기 기판에 결합된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 몸체는, 상기 반응 챔버로 상기 전구체 분자를 공급하기 위한 채널, 상기 반응 챔버와 연결되며 상기 반응 챔버에 비해 낮은 높이를 갖는 협착 영역, 및 상기 협착 영역에 연결되며 여분의 전구체 분자를 상기 장치로부터 배출하도록 구성된 배기부를 더 구비하도록 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 자석 중 하나 이상이 상기 반응 챔버의 벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 자석 중 하나 이상이 상기 몸체의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 몸체는 비자성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 복수 개의 자석 중 하나가 상기 반응 챔버의 일 측면에 위치하며, 상기 복수 개의 자석 중 다른 하나가 상기 반응 챔버의 반대편 측면에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 챔버 내에 형성된 플라즈마 챔버를 따라 연장되는 전극을 더 포함하며,
    상기 전극 및 상기 몸체 사이에 전압을 인가함으로써 상기 플라즈마 챔버 내에 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 몸체는, 상기 플라즈마 챔버 내로 기체를 주입하기 위한 채널, 상기 반응 챔버 및 상기 플라즈마 챔버 사이의 천공, 상기 반응 챔버에 연결되며 상기 반응 챔버에 비해 낮은 높이를 갖는 협착 영역, 및 상기 협착 영역에 연결되며 여분의 전구체 분자를 상기 장치로부터 배출하도록 구성된 배기부를 더 구비하도록 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 8항에 있어서,
    상기 복수 개의 자석은 영구 자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 8항에 있어서,
    상기 전구체 분자는 메틸실란, 디메틸알루미늄하이드라이드(DMAH) 및 디메틸에틸아민 알란(DMEAA)으로 이루어지는 그룹으로 선택되는 물질인 것을 특징으로 하는 장치.
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