KR101804127B1 - 박막 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

종래 ALD 또는 싸이클릭 CVD보다 높은 생산성으로 박막을 증착할 수 있는 박막 증착 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 1종 이상의 가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 분사부;를 구비하며, 상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로, (a) 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계; (b) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 원료 가스 및 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계; (c) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 불활성 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 퍼지하는 단계; 및 (d) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 후처리 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 후처리하는 단계;를 포함하는 박막 증착 방법이다.

Description

박막 증착 방법{Method of depositing thin film}
본 발명은 반도체 제조 공정 중 박막을 증착하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한 번의 공정으로 복수의 기판에 박막을 증착하는 방법에 관한 것이다.
박막 제조 공정에 있어서, 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 점점 더 물리적 한계치에 다다를 정도로 초미세화됨에 따라 박막의 물성을 더욱 향상시키고자 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD) 또는 싸이클릭 화학기상증착법(cyclic chemical vapor deposition, cyclic CVD)이 연구되고 있다.
ALD의 원리는 다음과 같다. 제1 원료 가스가 증기 상태로 반응기 내로 공급되면 기판 표면과의 반응을 통해 단원자층이 화학 흡착이 된다. 표면이 포화되면 단원자층 이상의 제1 원료 가스는 동일한 리간드간의 비반응성으로 인해 물리 흡착 상태에 있게 된다. 이 물리 흡착 상태의 제1 원료 가스는 퍼지 가스에 의해서 제거된다. 이 첫번째 층은 제2 원료 가스가 공급되면 리간드 상호간 치환반응을 통해 두번째 층이 성장하고 첫번째 층과 반응하지 못한 제2 원료 가스는 물리 흡착 상태에 있게 되어 퍼지 가스에 의해 제거된다. 그리고 이 두번째 층의 표면은 제1 원료 가스와 반응할 수 있는 상태에 있게 된다. 이것이 한 싸이클을 이루고 여러 싸이클의 반복에 의해 박막이 증착되는 것이다.
ALD 반응이 반응기 내에서 안정적으로 유지되기 위해서는 제1 원료 가스와 제2 원료 가스가 기상에서 서로 혼합하지 못하도록 분리되어서 반응기 내에 공급되어야 한다. 현재 일반적인 방법은 샤워헤드를 장착한 매엽식(single) 챔버에서 제1 원료 가스와 제2 원료 가스의 교호적 분사를 N번 반복하여 ALD를 진행하는 것이다. 이를 위해서 각각 다른 가스 공급 라인(line)을 이용하여 제1 원료 가스와 제2 원료 가스를 시간 차이를 두고 반응기 내로 공급해야 한다. 그리고 반응기 내부의 잔존가스를 제거하기 위해 제1 원료 가스와 제2 원료 가스의 공급 사이사이에 퍼지 가스를 별도로 공급하는 방법을 사용한다. 이와 같이 제1 원료 가스, 제2 원료 가스 및 퍼지 가스를 시간 차이를 두고 공급하기 위해 밸브(valve)를 이용하게 된다.
밸브의 복잡성과 빈번한 밸브의 작동은 밸브의 수명을 단축시키는 것과 함께 장치의 유지보수 비용을 증가시키며, 장치보수에 따른 장치의 셧다운(shot down) 시간이 증가하게 되어 생산성이 떨어지게 된다. 또한 종래의 매엽식 박막 증착 장치는 고정된 히터(또는 서셉터) 위에 기판을 올려놓고 ALD 또는 싸이클릭 CVD 단위 싸이클을 N번 반복함으로써 원하는 두께의 박막을 증착한다. 그러나 더욱 더 초미세화된 소자 패턴에서 요구되는 단차 도포성(step coverage)이나 박막의 순도를 맞추기도 어려울 뿐더러 설령 요구되는 스펙(spec)을 만족시켰다 하더라도 증착시간이 길어져 큰 생산성 손실을 감수해야만 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래 ALD 또는 싸이클릭 CVD보다 높은 생산성으로 박막을 증착할 수 있는 박막 증착 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 박막 증착 방법은 가스 분사부와 기판 지지부를 상대 회전시키면서 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 것이다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은, 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 1종 이상의 가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 분사부;를 구비하며, 상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로, (a) 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계; (b) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 원료 가스 및 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계; (c) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 불활성 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 퍼지하는 단계; 및 (d) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 반응 가스와 동일한 후처리 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 박막을 후처리하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 원하는 두께의 박막이 얻어질 때까지 상기 (b) 내지 (d) 단계로 이루어진 싸이클을 적어도 1회 반복할 수 있다.
상기 가스 분사부와 기판 지지부의 상대 회전이란, 상기 가스 분사부는 고정한 채 상기 기판 지지부를 회전시키는 것, 반대로 상기 기판 지지부는 고정한 채 상기 가스 분사부를 회전시키는 것, 또한 상기 가스 분사부와 기판 지지부를 모두 회전시키는 것, 이 때 다른 속도를 갖고 같은 방향으로 회전시키거나 반대 방향으로 회전시키는 것까지 모두 포함된 개념이라 할 수 있다. 본 발명에 있어서는 특히 상기 가스 분사부는 고정한 채 상기 기판 지지부를 회전시키는 것이 바람직한데, 그 이유는 시스템의 안정성과 효율성 때문이다. 따라서, 바람직한 실시예에서는 상기 기판 지지부를 회전시키게 되며, 이에 따라 상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에 상기 기판 지지부의 회전속도를 가속하여 일정 RPM까지 도달하도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 박막을 증착하게 되는 (b) 단계는 CVD 방식으로 진행하거나 ALD 방식으로 진행할 수 있다.
CVD 방식으로 진행하는 경우, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 원료 가스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기이며 다른 하나 이상의 가스 공급기는 상기 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기로 구성할 수 있다. 그러한 경우, 상기 (b) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 한다. 그리고, 상기 (c) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 한다. 또한 상기 (d) 단계는 상기 원료 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 한다. 이것은 상기 후처리 가스가 상기 반응 가스와 동일한 경우이다.
ALD 방식으로 진행하는 경우, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급기이고, 다른 하나 이상의 가스 공급기는 상기 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급기이며, 또 다른 하나 이상의 가스 공급기는 상기 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기로 구성할 수 있다. 그러면 상기 (b) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 한다. 그리고, 상기 (c) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 한다. 또한, 상기 (d) 단계는 상기 원료 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 한다.
상기 원료 가스 공급기와 반응 가스 공급기는 각각 상기 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 퍼지 가스 공급기는 상기 원료 가스 공급기와 반응 가스 공급기 사이마다 오도록 배치되는 것이 바람직하다.
이러한 박막 증착 방법을 통하여, 단원자 금속 박막 또는 금속 나이트라이드 박막을 증착할 수가 있다. 상기 단원자 금속 박막의 예로는 Ta, Ti, W 등을 들 수 있고, 상기 금속 나이트라이드 박막의 예로는 이들의 질화물인 TaN, TiN, WN 등을 들 수 있다. 물론 2종 이상의 원료 가스를 사용하는 경우에는 이원 금속 박막 및 그 나이트라이드 박막도 형성할 수가 있다. 예컨대 CVD 방식으로 구성한 경우 2종 이상의 원료 가스는 하나의 공정 가스 공급기를 통하여 동시에 공급하는 방식에 의할 수 있다. 이 경우 2종 이상의 원료가스는 공정 가스 공급기 내에서 서로 혼합되지 않고 처리공간내로 분사되도록 공정가스 공급기를 구성할 수 있다. 그리고, ALD 방식으로 구성한 경우 2종 이상의 원료 가스는 하나의 원료 가스 공급기를 통하거나, 서로 다른 원료 가스 공급기를 통하여 공급하여 상기 기판의 회전에 따라 상기 기판 상에 순차적으로 공급되도록 하는 방식에 의할 수 있다. 즉, 단원자 금속 박막 또는 금속 나이트라이드 박막의 증착이 가능한 이상, 가스 분사부의 변경을 통하여 이원 혹은 그 이상의 금속 박막 및 그 나이트라이드 박막을 형성하는 것은 본 발명 안에서 당연히 가능하다.
상기 불활성 가스는 Ar 또는 N2일 수 있다. 상기 후처리 가스는 N 원소를 포함한 질화가스인 것이 바람직하다. 이 때 상기 반응 가스와 상기 후처리 가스를 동일한 것을 이용하면 금속 나이트라이드 박막을 증착할 수가 있다.
상기 복수의 기판은 상기 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것이 기판별 차이를 없애 균일성을 도모하는 데 바람직하다.
종래에는 CVD의 단점을 보완하는 공정 방법인 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 매엽식 챔버에서 구현할 때 큰 생산성 손실을 감수해야만 한다. 이러한 생산성 손실을 극복하는 방법은 한 번에 기판 여러 장을 동시에 증착하는 배치(batch) 타입의 증착방법 이외에는 제안되어 있지 않은데, 퍼니스(furnace)를 적용할 수 있는 공정은 극히 제한적이라서 융통성 있고 공정조절이 용이한 장치로써 미니 배치(mini-batch) 타입이 적당하다.
본 발명에서는 생산성 이슈를 해결하기 위하여, 다수개의 기판을 회전하는 기판 지지부 상에 올려놓고 기판 상부면에 위치한 가스 분사부를 통하여 원료 가스 및 반응 가스와 같은 공정 가스 및 불활성 가스를 분사하면서 박막을 증착한다. 또한 이 방법은 기존 ALD나 싸이클릭 CVD가 도달할 수 없는 수준까지 박막의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 한 번에 여러 개의 기판을 처리할 수 있으면서도 배치 타입과는 다른 방식이므로 금속 박막과 같이 저항값이 낮은 박막을 증착할 때 기판 뒷면까지 증착되는 것을 방지할 수 있으며, 1장의 기판만을 처리하는 종래의 매엽식보다 높은 생산성으로 증착할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 이용되는 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 3은 이러한 도 2의 장치 구성을 이용한 박막 증착 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 또 다른 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
종래의 ALD나 싸이클릭 CVD는 가스 공급이 밸브의 조작을 통해 이루어지는 방식이므로, 공정이 복잡하게 되고, 밸브의 잦은 동작에 따라 밸브의 수명이 단축되는 것과 함께 장치의 유지보수 비용이 증가하게 된다. 이와 같은 단점을 개선하기 위해, 본 발명에서는 밸브의 동작 없이 ALD나 싸이클릭 CVD가 구현 가능한 박막 증착 장치를 이용한다. 이러한 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 도 1에 나타내었다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도로서 본 발명 제1 실시예에 따른 구성이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 박막 증착 장치(100)는 반응기(110), 기판 지지부(120) 및 가스 분사부(130)를 구비한다.
반응기(110)는 바닥부(111), 외벽부(112) 및 상측 플레이트(113)를 구비한다. 바닥부(111)는 반응기(110)의 하면을 형성하며, 외벽부(112)는 바닥부(111)의 가장자리로부터 상방으로 수직하게 연장 형성되어 폐곡면 형상으로 이루어져 있다. 그리고 외벽부(112)에는 기판이 출입하는 기판 이송통로(도면 미도시)가 형성되어 있다. 상측 플레이트(113)는 반응기(110)의 상면을 형성하며, 외벽부(112)의 상면에 분리 가능하게 결합된다. 상측 플레이트(113)가 외벽부(112)의 상면에 결합되면 반응기(110) 내부에 일정한 공간이 형성되며, 특히 기판 지지부(120)의 상방으로 기판 지지부(120)와 가스 분사부(130)의 사이에 박막 증착공간(140)이 형성된다. 상측 플레이트(113)의 하면과 외벽부(112)의 상면 사이에는 오링(O-ring)(도면 미도시) 등과 같은 밀폐부재가 개재된다. 그리고 반응기(110) 내부에 잔존하는 불필요 가스 및 파티클을 배출하기 위한 배기구(도면 미도시)가 바닥부(111) 또는 외벽부(112)에 형성되어 있다.
기판 지지부(120)는 반응기(110) 내부에 설치되며, 서셉터(121), 기판 안착부(122), 샤프트(123) 및 히터(도면 미도시)를 구비한다. 서셉터(121)는 원판의 형상으로 반응기(110) 내부에 회전 가능하게 설치되어 있다. 서셉터(121)의 상면에는 기판 안착부(122)가 2개 이상의 복수 개 형성되어 있으며 본 실시예에서는 6개인 경우를 예로 들었다. 기판 안착부(122)는 기판 지지부(120) 상면의 둘레방향을 따라 배치되고, 각 기판 안착부(122)에는 기판(w1 ~ w6)이 안착된다. 샤프트(123)는 양단부 중 일단부가 서셉터(121)의 하면과 결합되어 있고, 타단부가 반응기(110)를 관통하여 예컨대, 모터(도면 미도시) 등의 회전 구동수단과 연결되어 있다. 따라서 샤프트(123)가 회전함에 따라 서셉터(121)가 도 1에 도시된 회전 중심축(A)을 중심으로 회전하게 된다. 또한 샤프트(123)는 서셉터(121)가 승강이 가능하도록 하는 승강 구동수단과 연결되어 있다. 승강 구동수단으로는 예컨대, 모터 및 기어 조립체(도면 미도시) 등이 있다. 히터(도면 미도시)는 서셉터(121) 하부에 설치되어 기판(w1 ~ w6)의 온도를 조절한다. 기판(w1 ~ w6)은 기판 지지부(120)의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것이 기판별 차이를 없애 균일성을 도모하는 데 바람직하다.
가스 분사부(130)는 기판 지지부(120)의 상방에 설치된 상측 플레이트(113)에 결합되며, 가스 공급기(151, 152, 154, 155)를 구비한다. 가스 공급기(151, 152, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 방사형으로 배치되며 그 개수 및 위치 관계 등은 변경이 가능하다. 가스 공급기(155)는 기판 지지부(120)의 중앙부분을 통해 미반응된 가스가 혼합되지 않도록 퍼지 가스를 공급할 수 있는 장치로써 샤워헤드의 역할을 가지며, 플레이트에 홀이 형성되어 있다.
가스 공급기(151, 152, 154, 155) 영역별로 가스 종류를 다르게 할 경우 서셉터(121)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)은 회전하면서 가스 공급기(151, 152, 154, 155) 하방을 지나게 되면서 그로부터 각각의 가스를 만나게 된다. 기판 지지부(120)의 회전을 제어할 경우 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스와 만나는 시간을 조절할 수 있으며, 또한 회전수를 조절하여 원하는 두께의 박막을 제어할 수 있게 된다.
본 실시예에서 가스 공급기(151, 152, 154, 155)는 공급되는 가스의 종류에 따라, 전구체와 같은 원료 가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 원료 가스 공급기(151)와 전구체의 중심원소와 반응하여 반응물을 형성하는 반응 가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 반응 가스 공급기(152), 불활성 가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 퍼지 가스 공급기(154, 155)로 구분된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 모양과 크기가 동일한 블록 단위 개념의 유닛, 본 실시예에서는 10개의 유닛이 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되고, 인접한 유닛을 두 개 이상, 예컨대 3개를 묶어 하나의 원료 가스 공급기(151)로 구성하고 4개를 묶어 하나의 반응 가스 공급기(152)로 구성할 수 있다. 가스를 공급하는 단위 유닛이 여러 개 연이어 배열되어 있거나, 가스를 공급하는 단위 유닛 사이에 퍼지 가스 공급기가 배치된 경우에도 이를 하나의 군으로 보아 하나의 가스 공급기라고 정의할 수도 있다. 또한 원료 가스가 2종 이상인 경우 원료 가스 공급기는 2개 이상 포함될 수 있다. 마찬가지로 반응 가스 공급기도 2개 이상일 수 있다.
가스 공급기(151, 152, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되는데, 본 실시예에서는 하나의 원료 가스 공급기(151)와 하나의 반응 가스 공급기(152)가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이마다 퍼지 가스 공급기(154)가 배치되어 있다. 퍼지 가스 공급기(154)는 전구체 및 반응 가스와 같은 공정 가스를 퍼지하는 불활성 가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하여 박막형성공간(140)에 잔류하는 미반응된 가스를 반응기(110) 외부로 배출시킴으로써, 기판 지지부(120) 상에서 미반응된 가스가 혼합되는 것을 최소화 시킨다.
이와 같이, 가스 분사부(130)가 고정되어 있고, 기판 지지부(120)가 회전 가능하게 설치되어, 기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 154)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 기판(w1)의 경우 각각의 가스 공급기(151, 152, 154)를 통해 원료 가스 -> 불활성 가스 -> 반응 가스 -> 불활성 가스 순으로 공급을 받게 되어 ALD를 구현할 수 있다.
따라서 도 1에 도시된 박막 증착 장치(100)를 이용하면, 밸브의 조작 없이 ALD를 구현할 수 있게 된다. 또한, 한 번에 여러 개의 기판을 처리할 수 있으면서도 배치 타입과는 다른 방식이므로 금속 박막과 같이 저항값이 낮은 박막을 증착할 때 기판 뒷면이 오염될 우려가 없으며 1장의 기판만을 처리하는 종래의 매엽식보다 높은 생산성으로 증착할 수 있게 된다.
도 3은 이러한 도 2의 장치 구성을 이용한 박막 증착 방법의 순서도를 도시한다.
먼저 도 3의 단계 s1을 참조하면, 기판 안착부(122)에 복수의 기판(w1 ~ w6)을 안착시킨다.
다음 기판 지지부(120)의 회전속도가 일정 RPM까지 도달하도록 가속한다(단계 s2).
기판 지지부(120) 회전에 따라 기판 지지부(120)와 가스 분사부(130)를 상대 회전시키면서, 가스 분사부(130)를 통해 원료 가스 및 반응 가스를 기판 지지부(120) 상에 공급하여 기판(w1 ~ w6) 상에 박막을 증착한다(단계 s3). 이 단계는 원료 가스와 반응 가스 및 불활성 가스가 가스 분사부(130)로 공급되는 상태에서 기판(w1 ~ w6)이 원료 가스 공급기(151), 퍼지 가스 공급기(154), 반응 가스 공급기(152) 및 다른 퍼지 가스 공급기(154) 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지게 된다. 기판(w1 ~ w6)은 이렇게 각각의 가스 공급기(151, 152, 154)를 통해 원료 가스 -> 불활성 가스 -> 반응 가스 -> 불활성 가스 순으로 공급을 받게 되므로 ALD를 구현할 수 있다. 이와 같은 ALD 방식으로 예컨대 기판 지지부(120)를 a번 회전을 시켜 박막을 증착한다(예를 들어 5RPM으로 4번 돌린다면 48sec가 소요됨). 불활성 가스는 Ar 또는 N2일 수 있다.
이러한 박막 증착 방법을 통하여, 단원자 금속 박막 또는 금속 나이트라이드 박막을 증착할 수가 있다. 상기 단원자 금속 박막의 예로는 Ta, Ti, W 등을 들 수 있고, 상기 금속 나이트라이드 박막의 예로는 이들의 질화물인 TaN, TiN, WN 등을 들 수 있다. 물론 2종 이상의 원료 가스를 사용하는 경우에는 이원 금속 박막 및 그 나이트라이드 박막도 형성할 수가 있다. 2종 이상의 원료 가스는 하나의 원료 가스 공급기를 통하여 동시에 공급하는 방식 또는 서로 다른 원료 가스 공급기를 통하여 순차적으로 공급하는 방식에 의할 수 있다.
다음, 기판 지지부(120) 회전에 따라 기판 지지부(120)와 가스 분사부(130)를 상대 회전시키면서, 가스 분사부(130)를 통해 불활성 가스를 기판 지지부(120) 상에 공급하여 퍼지한다(단계 s4). 이 단계는 원료 가스와 반응 가스의 공급을 중단하고 불활성 가스는 계속 공급하는 상태에서 기판(w1 ~ w6)이 각 가스 공급기(151, 152, 154) 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 예컨대 기판 지지부(120)를 b번 회전을 시켜 실시한다.
다음, 기판 지지부(120) 회전에 따라 기판 지지부(120)와 가스 분사부(130)를 상대 회전시키면서, 가스 분사부(130)를 통해 후처리 가스를 기판 지지부(120) 상에 공급하여 후처리한다(단계 s5). 이 단계는 원료 가스의 공급만 중단한 상태에서 반응 가스와 불활성 가스는 공급하여 기판(w1 ~ w6)이 각 가스 공급기(151, 152, 154) 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지도록 예컨대 기판 지지부(120)를 c번 회전을 시켜 실시한다. 금속 나이트라이드 박막을 증착하는 경우에, 후처리 가스는 N 원소를 포함한 질화가스인 것이 바람직하며 이것은 반응 가스와 동일한 것일 수 있다.
원하는 두께의 박막이 증착될 때까지 상기 단계 s3 내지 s5로 이루어진 싸이클을 적어도 1회 반복한다(단계 s6).
상기와 같은 장치 구성을 이용한 박막 증착 방법은 기본적으로 기판(w1 ~ w6) 상에서 박막이 형성된 반응 부산물 가스를 기판(w1 ~ w6) 바깥쪽으로 밀어내는 이른바 퍼지 효율이 높다. 그것은 기판(w1 ~ w6)이 정지한 상태가 아니라 회전하기 때문이다.
예컨대 a번 회전하여 박막을 형성한 다음, 그 다음으로 박막 내에 포함되는 불순물을 최소화하기 위하여 추가적인 방법을 사용하는데, 그 방법은 박막 증착 단계인 단계 s3 이후 공정 가스는 차단(off)하고 예컨대 b번 회전하며 불활성 가스만 분사하면서 퍼지를 진행하는 단계 s4를 수행하는 것이다. 그 다음에 앞의 a번 회전동안 성장한 박막 내 불순물을 빼내기 위하여 후처리 가스를 분사하면서 단계 s5동안 c번을 회전시키는 것이다.
이 방법을 이용하면 상기 미니-배치 타입의 박막 증착 장치를 활용하여 박막의 품질을 더욱 극대화할 수 있다. 즉, ALD a번을 회전시키면서 박막을 성장시킨 후 퍼지 회전 b번을 진행하면서 상기 b번 회전동안 막의 성장은 멈추는 대신에 막내에 포함되어 있는 반응 부산물 가스를 회전하는 원심력과 불활성 가스의 힘에 의하여 원활히 기판 바깥쪽으로 빼낸다. 특히 실제로 반도체 소자 패턴은 매우 깊은 종횡비(aspect ratio)를 가진 홀(hole)들을 포함하는데 소자가 초미세화되면서 상기 홀 내부에서 생성된 반응 부산물 가스를 원활히 배출시키는 것이 더욱 어려워지고 있으며 마찬가지로 단차 도포성 좋게 홀 내부 구석 구석에 증착시키는 것도 어렵다.
따라서, 상기 박막 증착 장치를 이용하여 단차 도포성을 좋게 할 수 있는 요인 중 하나는 기판을 회전시킴에 있는데, 1번의 회전이 실행될 때 증착뿐만이 아니라 기판 상면에 배치된 불활성 가스 공급기(154)에 의하여 퍼지 기능이 포함되지만 더 나아가 퍼지 효율을 더욱 극대화시키는 요인은 퍼지만을 실시하는 단계 s4의 b번 회전에 있다. 이어서 후처리 가스를 분사하면서 후처리 단계동안 c번 회전시킴으로써 막내 불순물을 궁극적인 최저 수준까지 빼냄과 동시에 막을 더욱 질화시키는 과정을 거치게 된다.
도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도로서 제2 실시예에 따른 구성이다.
도 4를 참조하면, 가스 분사부(130)는 서로 같은 크기의 가스 공급기(151, 152, 154)를 구비한다.
원료 가스 공급기(151), 반응 가스 공급기(152) 및 퍼지 가스 공급기(154)는 서로 같은 크기로 구성되며, 원료 가스 공급기(151)와 반응 가스 공급기(152)는 마주 보는 상태에서 원료 가스 공급기(151)와 반응 가스 공급기(152) 사이마다 퍼지 가스 공급기(154)가 구비된다. 기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 154)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 각각의 가스 공급기(151, 152, 154)를 통해 원료 가스 -> 불활성 가스 -> 반응 가스 -> 불활성 가스 순으로 공급을 받게 되므로, 이러한 장치 구성을 이용하여 도 3에 도시한 순서도를 따라 ALD 방식으로 박막을 증착할 수 있다.
도 5는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도로서 제3 실시예에 따른 구성이다.
도 5를 참조하면, 가스 분사부(130)는 가스 공급기(151', 154, 155)를 포함한다. 가스 공급기(151', 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 방사형으로 배치되는데, 가스 공급기(151')는 원료 가스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기이고, 가스 공급기(154, 155)는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기이다. 본 실시예에서는 두 개의 공정 가스 공급기(151')가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이에 퍼지 가스 공급기(154)가 배치된 예를 도시하지만 공정 가스 공급기(151')와 퍼지 가스 공급기(154) 각각은 하나 이상이며 개수는 변경될 수 있다.
기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151', 154)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 원료 가스와 반응 가스가 함께 기판(w1 ~ w6) 상으로 공급되므로 CVD 방식의 박막 증착이 이루어지게 된다.
이러한 장치 구성을 이용해 도 3에 도시한 것과 같은 순서도에 따라 박막을 증착할 수 있다. 그러면 박막 증착 후에 후처리 단계가 오는 싸이클릭 CVD 구현이 가능해진다.
도 3의 단계 S3는 원료 가스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 기판(w1 ~ w6)이 공정 가스 공급기(151')와 퍼지 가스 공급기(154) 하방을 연속적으로 지나가며 이루어진다. 그리고 단계 s4는 원료 가스와 반응 가스의 공급을 중단한 상태에서 기판(w1 ~ w6)이 공정 가스 공급기(151')와 퍼지 가스 공급기(154) 하방을 연속적으로 지나가며 이루어진다. 또한 단계 s5는 원료 가스의 공급을 중단한 상태에서 기판(w1 ~ w6)이 공정 가스 공급기(151')와 퍼지 가스 공급기(154) 하방을 연속적으로 지나가며 이루어진다. 이것은 후처리 가스는 반응 가스와 동일한 경우이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (19)

  1. 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 1종 이상의 가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 분사부;를 구비하고,
    상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급기이고, 다른 하나 이상의 가스 공급기는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급기이며, 또 다른 하나 이상의 가스 공급기는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기이며,
    상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로,
    (a) 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계;
    (b) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 원료 가스 및 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계;
    (c) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 불활성 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 퍼지하는 단계; 및
    (d) 상기 박막 내 불순물을 제거하고 상기 박막을 질화시키도록 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 반응 가스와 동일한 후처리 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상부에 증착된 박막을 후처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 (d) 단계는 상기 원료 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 박막 증착 방법.
  2. 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 1종 이상의 가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 분사부;를 구비하고,
    상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 원료 가스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기이며 다른 하나 이상의 가스 공급기는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기이며,
    상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로,
    (a) 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계;
    (b) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 원료 가스 및 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계;
    (c) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 불활성 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 퍼지하는 단계; 및
    (d) 상기 박막 내 불순물을 제거하고 상기 박막을 질화시키도록 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 반응 가스와 동일한 후처리 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상부에 증착된 박막을 후처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 (d) 단계는 상기 원료 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (b) 내지 (d) 단계로 이루어진 싸이클을 적어도 1회 반복하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에 상기 기판 지지부의 회전속도를 가속하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스를 동시에 공급하여 CVD 방식으로 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 원료 가스와 반응 가스의 공급을 중단한 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서, 상기 원료 가스 공급기와 반응 가스 공급기는 각각 상기 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 퍼지 가스 공급기는 상기 원료 가스 공급기와 반응 가스 공급기 사이마다 오도록 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서, 상기 박막은 단원자 금속 박막 또는 금속 나이트라이드 박막인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar 또는 N2인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 후처리 가스는 N 원소를 포함한 질화가스인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 복수의 기판은 상기 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
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