KR102071501B1 - 기판 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 두께 균일도를 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치에 관한 것으로서, 상기 기판 처리 장치는 샤워헤드를 구비하는 프로세스 챔버; 상기 샤워헤드로 소스가스 및 반응가스를 제공하기 위한 도관이 형성된 피딩 블록; 및 소스가스 및 반응가스를 믹싱하기 위하여, 상기 샤워헤드와 상기 피딩 블록 사이에 연통되는 유로를 형성하도록 배치된 믹싱 블록;을 구비하고, 상기 믹싱 블록은 상기 피딩 블록에 형성된 상기 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 갖는 내부 공간을 포함하고, 소스가스 및 반응가스의 혼합가스의 이송 경로 중에 상기 혼합가스와 충돌될 수 있는 충돌부를 포함한다.
Description
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소스가스와 반응가스를 이용하여 증착한 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화 됨에 따라 미세 선폭을 가지는 패턴이 요구되고 있다. 이에 따라, 현재 상용화된 노광 장비를 그대로 이용하면서 미세한 선폭을 갖는 패턴을 구현하기 위하여 DPT(Double Patterning Technology) 공정기술이 제안되고 있으며, 종횡비가 큰 단차 패턴 상에 단차도포율이 우수한 박막 증착 공정을 수행하기 위하여 원자층 증착(ALD) 공정기술이 제안되고 있다. 한편, 반도체 소자의 생산성 향상을 위하여 웨이퍼의 대구경화가 요구되고 있는 바, 웨이퍼 전면에 걸쳐 공정의 균일도가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 최근에는 대구경의 웨이퍼 상에 DPT 공정 또는 ALD 공정 등을 구현함에 있어서 박막 형성 공정의 균일도가 중요한 문제로 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 증착 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 기판 처리 장치를 제공한다. 상기 기판 처리 장치는 샤워헤드를 구비하는 프로세스 챔버; 상기 샤워헤드로 소스가스 및 반응가스를 제공하기 위한 도관이 형성된 피딩 블록; 및 소스가스 및 반응가스를 믹싱하기 위하여, 상기 샤워헤드와 상기 피딩 블록 사이에 연통되는 유로를 형성하도록 배치된 믹싱 블록;을 구비하고, 상기 믹싱 블록은 상기 피딩 블록에 형성된 상기 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 갖는 내부 공간을 포함하고, 소스가스 및 반응가스의 혼합가스의 이송 경로 중에 상기 혼합가스와 충돌될 수 있는 충돌부를 포함한다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 피딩 블록에 형성된 상기 도관은 소스가스가 제공될 수 있는 제 1 도관; 반응가스가 제공될 수 있는 제 2 도관; 및 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관과 직접 연결되어 상기 믹싱 블록의 상기 내부 공간으로 이어지도록 신장되며, 소스가스 및 반응가스가 제공될 수 있는, 제 3 도관;을 포함할 수 있고, 상기 믹싱 블록에서 상기 내부 공간은 상기 제 3 도관과 유체 연통되며 상기 제 3 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 가짐으로써 소스가스 및 반응가스의 혼합가스가 확산될 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은, 상기 제 3 도관과 수직으로 각각 교차하되, 상기 제 3 도관을 중심으로 서로 반대방향으로 신장할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 단차를 형성하도록 서로 다른 레벨(level)을 가질 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 동일한 레벨을 가질 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 충돌부는 상기 피딩 블록에서 상기 샤워헤드로 나아가는 방향에 대하여 나란하지 않고 비스듬하거나 수직한 충돌면을 가질 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 믹싱 블록에 형성된 상기 내부 공간은 단면적이 단계적으로 작아지도록 배치된 다단의 원통 형상 공간을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 믹싱 블록에 형성된 상기 내부 공간은 단면적이 연속적으로 작아지는 원뿔대 형상의 공간을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 믹싱 블록에 형성된 상기 내부 공간은 단면적이 일정한 원통 형상의 공간을 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 믹싱 블록은 상기 피딩 블록과 상기 샤워헤드 사이에 배치되는 절연 부재를 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 믹싱 블록은 세라믹 재질 또는 Al2O3 재질로 이루어질 수 있다.
상기 기판 처리 장치에서, 상기 소스가스는 실리콘 함유 가스를 포함하며, 상기 반응가스는 산소 함유 가스를 포함하며, 상기 혼합가스는 아르곤 가스와 같은 비활성가스를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 증착 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 비교예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치에서 피딩 블록 내의 유로 구성을 도해하는 도면이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 박막을 형성하는 방법에서의 단위사이클을 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 도시하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 구성하는 다양한 형태의 믹싱 블록을 도해하는 도면들이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 믹싱 블록을 구비한 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 도시하는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 비교예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치에서 피딩 블록 내의 유로 구성을 도해하는 도면이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 박막을 형성하는 방법에서의 단위사이클을 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 도시하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 구성하는 다양한 형태의 믹싱 블록을 도해하는 도면들이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 믹싱 블록을 구비한 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 예시적으로 설명하기로 한다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 패턴, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 일부 실시예들에서 박막의 형성 방법은 화학적 기상 증착법(CVD) 또는 원자층 증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)으로 구현될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(10a)의 구성을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(10a)는 샤워헤드(350)를 구비하는 프로세스 챔버(300), 샤워헤드(350)로 소스가스(S) 및 반응가스(R)를 제공하기 위한 도관이 형성된 피딩 블록(100) 및 소스가스(S) 및 반응가스(R)를 믹싱하기 위하여 샤워헤드(350)와 피딩 블록(100) 사이에 연통되는 유로를 형성하도록 배치된 믹싱 블록(200)을 포함한다.
믹싱 블록(200)은 피딩 블록(100)에 형성된 상기 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 갖는 내부 공간(250)을 포함하고, 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스의 이송 경로 중에 상기 혼합가스와 충돌될 수 있는 충돌부(270)를 포함한다.
피딩 블록(100) 내에 형성된 도관은 소스가스(S)가 제공될 수 있는 제 1 도관(110); 반응가스(R)가 제공될 수 있는 제 2 도관(120); 및 제 1 도관(110) 및 제 2 도관(120)와 직접 연결되되 믹싱 블록(200)의 믹싱 유로(230)와 이어지도록 신장되며 소스가스(S) 및 반응가스(R)가 제공될 수 있는 제 3 도관(130);을 포함한다. 제 1 도관(110)에는 소스가스(S) 뿐만 아니라 소스가스(S)를 운반하는 캐리어 가스인 비활성가스도 함께 제공될 수 있으며, 제 2 도관(120)에는 반응가스(R) 뿐만 아니라 반응가스(R)를 운반하는 캐리어 가스인 비활성가스도 함께 제공될 수 있으며, 제 3 도관(130)에는 소스가스(S) 및 반응가스(R) 뿐만 아니라 비활성가스도 함께 제공될 수 있다.
소스가스(S)는 기판(W) 상에 형성하고자 하는 박막의 종류에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 형성하고자 하는 박막이 실리콘 산화막인 경우, 소스가스(S)는 SiH4, SiCl4, Si2Cl6, Si(NO2)4, Si(N2O2)2, SiF4, SiF6 또는 Si(CNO)4 등과 같은 실리콘 함유 가스를 포함할 수 있으며, 반응가스(R)는 O2 와 같은 산소 함유 가스를 포함할 수 있다. 그 외에 형성하고자 하는 박막의 종류에 따라서 소스가스(S)는 Si 및 H 혼합물, Si 및 N 혼합물, Si 및 F 혼합물, Si 및 O 혼합물, Si, N 및 O 혼합물을 포함할 있다. 물론, 상술한 박막과 소스가스, 반응가스의 종류는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상이 이러한 예시적인 물질의 종류에 한정되는 것은 아니다.
프로세스 챔버(300)는 샤워헤드(350) 및 샤워헤드(350)를 지지하는 챔버리드(345)를 구비한다. 샤워헤드(350)는 몸체부 내에 형성된 인입 유로(355)를 포함한다. 인입 유로(355)를 통하여 제공된 소스가스(S)와 반응가스(R)의 혼합가스는 확산 플레이트를 통하여 서셉터(360)에 장착된 기판(W) 상에 도달한다. 프로세스 챔버(300)에 고주파(RF) 전력을 인가함으로써 챔버벽(340) 내의 공간에서 플라즈마를 구현할 수 있다. 구체적으로, 샤워헤드(350)와 서셉터(360)에 실장된 기판(W) 사이에 플라즈마가 구현될 수 있다.
피딩 블록(100)과 샤워헤드(350) 사이에 믹싱 블록(200)이 개재된다. 믹싱 블록(200)은 몸체부(220)와 몸체부(220) 내에 형성된 믹싱 유로(230)를 포함한다. 믹싱 유로(230)는 피딩 블록(100)과 샤워헤드(350)를 연결하는 유로부 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 믹싱 유로(230)는 피딩 블록(100)의 제 3 도관(130)과 연통되며, 샤워헤드(350)의 인입 유로(355)와 연통될 수 있다.
믹싱 유로(230)는 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스가 확산될 수 있도록 상기 혼합가스가 피딩 블록(100)으로부터 이송되는 과정에서 단면적이 확대될 수 있는 내부 공간(250)을 포함한다. 예컨대, 내부 공간(250)은 제 3 도관(130)과 유체 연통되며 제 3 도관(130)의 단면적보다 더 큰 단면적을 가짐으로써 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스가 확산될 수 있다.
나아가, 믹싱 블록(200)은 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스의 이송 경로 중에 상기 혼합가스와 충돌될 수 있는 충돌부(270)를 포함한다. 충돌부(270)는 피딩 블록(100)에서 샤워헤드(350)로 나아가는 방향에 대하여 나란하지 않고 비스듬하거나 수직한 충돌면을 가질 수 있다. 내부 공간(250)에서 확산된 상기 혼합가스는 이송되는 동안 충돌부(270)와 충돌됨으로써 와류가 형성되어 상기 혼합가스의 믹싱을 향상시킬 수 있다.
상기 혼합가스의 이송 경로 상에서 내부 공간(250)은 충돌부(270) 보다 적어도 일부가 선행하여 배치될 수 있다. 상기 혼합가스의 이송 경로라 함은 피딩 블록(100)에서 샤워헤드(350)로 나아가는 경로를 포함하는 바, 예를 들어, 도 1a에서는 상기 혼합가스가 하방으로 하강하는 경로를 포함할 수 있다. 한편, 와류라 함은 유체의 회전운동에 의하여 주류(예컨대, 혼합가스가 하방으로 하강하는 흐름)와 반대방향으로 소용돌이치는 흐름을 포함한다. 예를 들어, 강하게 회전하면서 흐르는 유체의 형태를 와류의 일부로 이해할 수 있다.
소스가스(S) 및 반응가스(R)를 균일하게 믹싱한 혼합가스를 구현하여 프로세스 챔버(300) 내로 제공하는 것은 기판(W) 상에 증착된 박막의 두께 균일도에 중요한 공정인자로 이해되고 있다. 실제로, 본 발명자는 소스가스(S)와 반응가스(R)를 단순히 동일한 공간에 제공한다고 균일하게 믹싱된 혼합가스가 구현되는 것은 아님을 확인하였다. 본 발명자는 믹싱 블록(200)을 구성하는 내부 공간(250)에 의하여 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스를 먼저 확산시켜 밀도를 감소시킨 후에, 혼합가스가 나아가는 도중에 이송 경로 중에 배치된 충돌부(270)에 의하여 와류를 형성함으로써 혼합가스의 믹싱(mixing) 정도가 더욱 개선됨을 확인하였으며, 이에 의하여 기판(W) 상에 증착된 박막의 두께 균일도가 현저하게 개선됨을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 믹싱 블록(200)은 피딩 블록(100)과 샤워헤드(350) 사이에 제공되는 절연 부재를 포함할 수 있다. 피딩 블록(100)과 샤워헤드(350) 사이에는 플라즈마 절연을 위하여 세라믹 블록이 개재될 수 있는 바, 믹싱 블록(200)은 혼합가스의 균일한 믹싱을 구현하면서 동시에 플라즈마 절연을 위한 기능을 동시에 수행할 수도 있다.
그러나, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 믹싱 블록(200)은 피딩 블록(100)의 일부를 구성할 수 있다. 이 경우, 믹싱 블록(200)의 몸체부(220)는 피딩 블록(100)의 몸체부의 일부일 수 있으며, 믹싱 블록(200)의 믹싱 유로(230)는 피딩 블록(100) 내에 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 변형된 다른 실시예에 따르면, 믹싱 블록(200)은 샤워헤드(350)의 일부를 구성할 수 있다. 이 경우, 믹싱 블록(200)의 몸체부(220)는 샤워헤드(350)의 몸체부의 일부일 수 있으며, 믹싱 블록(200)의 믹싱 유로(230)는 샤워헤드(350) 내에 형성될 수도 있다.
도 1b는 본 발명의 비교예에 따른 기판 처리 장치(10b)의 구성을 개념적으로 도해하는 도면이다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 기판 처리 장치(10b)를 구성하는 믹싱 블록(200)은 몸체부(210)를 관통하는 직진 유로(211)를 포함할 수 있다. 직진 유로(211)는 피딩 블록(100)의 제 3 도관(130)과 동일한 단면적을 가지면서 연통되며 샤워헤드(350)의 인입 유로(355)와 동일한 단면적을 가지면서 연통되므로, 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스가 압력저하에 따라 확산되거나 충돌면에 의하여 와류가 형성될 여지가 없다. 이러한 구성을 가지는 기판 처리 장치(10b)에 의하여 기판(W) 상에 증착된 박막의 두께 균일도는 상대적으로 양호하지 않음을 확인할 수 있었다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치에서 피딩 블록 내의 도관 구성을 도해하는 도면이다.
도 1a 및 도 1c를 참조하면, 제 1 도관(110)은 제 3 도관(130)과 수직으로 교차하며, 제 2 도관(120)도 제 3 도관(130)과 수직으로 교차한다. 제 1 도관(110)과 제 2 도관(120)은 제 3 도관(130)의 높이 방향으로 단차(ΔH)를 가지도록 서로 다른 레벨(level)을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 것처럼, 소스가스(S)가 제공될 수 있는 제 1 도관(110)의 레벨은 반응가스(R)가 제공될 수 있는 제 2 도관(120)의 레벨보다 더 높을 수 있다. 변형된 실시예에서는, 소스가스(S)가 제공될 수 있는 제 1 도관(110)의 레벨이 반응가스(R)가 제공될 수 있는 제 2 도관(120)의 레벨보다 더 낮을 수 있다. 다른 변형된 실시예에서는, 소스가스(S)가 제공될 수 있는 제 1 도관(110)의 레벨과 반응가스(R)가 제공될 수 있는 제 2 도관(120)의 레벨은 서로 동일할 수 있다. 이 경우, 제 1 도관(110)과 제 2 도관(120)은 동일 평면에 배치될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 제 1 도관(110)과 제 2 도관(120)은 제 3 도관(130)을 중심으로 180도의 각을 형성하며 배치될 수도 있다. 즉, 제 1 도관(110)과 제 2 도관(120)은 제 3 도관(130)을 중심으로 반대방향으로 신장한다. 이 경우, 기판 처리 장치(10a)의 상부에서 바라보았을 때, 제 1 도관(110)과 제 2 도관(120)은 제 3 도관(130)을 기준으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 만약, 제 1 도관(110)과 제 2 도관(120)가 동일한 레벨을 가진다면, 제 1 도관(110)을 통과하는 소스가스(S)와 제 2 도관(120)을 통과하는 반응가스(R)는 제 3 도관(130)을 중심으로 서로 마주보는 방향으로 제공될 수 있다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에서, 제 1 도관(110)과 제 2 도관(120)은 제 3 도관(130)을 중심으로 90도의 각을 형성하며 배치될 수도 있다.
도 1a 및 도 1c를 참조하여 설명한 피딩 블록(100)의 구조에 따르면, 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스의 균일한 믹싱 수준이 효과적으로 개선될 수 있다. 즉, 소스가스(S) 및 반응가스(R)가 프로세스 챔버(300)에 공급되기 이전에 혼합되는 구성을 가지며, 특히, 제 1 도관(110)을 통과한 소스가스(S)와 제 2 도관(120)을 통과한 반응가스(R)는 제 3 도관(130)에서 각각의 유동이 서로 간섭되면서 혼합되는 구성을 가진다. 이에 따라 소스가스(S) 및 반응가스(R)에 대한 컨덕턴스(conductance)와 플로우(flow) 양상을 조절할 수 있어 기판(W) 상에 형성되는 박막의 두께 균일도를 개선할 수 있다는 유리한 효과를 기대할 수 있다.
다만, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 상술한 믹싱 블록(200)이 주요한 구성이며, 상술한 피딩 블록(100)의 구성은 필요에 따라 선택적으로 채용될 수 있다.
이하에서는, 상술한 기판 처리 장치(10a)를 이용하여 박막을 형성하는 예시적인 방법을 설명한다.
도 1a 및 도 1d를 참조하면, 상기 박막의 형성 방법에서는 프로세스 챔버(300) 내부에 배치된 기판(W) 상에 소스가스(S)의 적어도 일부가 흡착되도록 기판(W) 상에 소스가스(S)를 제공하는 단계; 및 기판(W) 상에 단위증착막을 형성하도록 기판(W) 상에 반응가스(R)를 제공하는 단계; 를 포함하는 단위사이클(T)을 적어도 1회 이상 수행할 수 있다.
예를 들어, 기판(W) 상에 단위증착막을 형성하기 위하여 적어도 1회 이상 수행되는 단위사이클(T)은 프로세스 챔버(300) 내부에 배치된 기판(W) 상에 소스가스(S)의 적어도 일부가 흡착되도록 기판(W) 상에 소스가스(S)를 제공하는 단계(S1); 기판(W) 상에 반응가스(R)를 제공하는 단계(S2); 반응가스(R)를 기판(W) 상에서 플라즈마 상태로 활성화하는 단계(S3); 기판(W) 상에 제 1 비활성가스를 제공하는 단계(S4); 및 기판(W) 상에 제 2 비활성가스를 제공하는 단계(S5); 를 포함할 수 있다. 상기 단계들 중의 적어도 일부는 중복되어 동시에 수행될 수도 있다.
예를 들면, 상기 단위사이클(T)이 제 1 시간(t1), 제 2 시간(t2), 제 3 시간(t3) 및 제 4 시간(t4)으로 순차적으로 구성되는 경우, 기판(W) 상에 소스가스(S)를 제공하는 단계(S1)는 제 1 시간(t1) 동안 수행되며, 기판(W) 상에 반응가스를 제공하는 단계(S2)는 제 1 시간(t1) 내지 제 4 시간(t4) 동안 연속적으로 수행되며, 반응가스를 기판(W) 상에서 플라즈마 상태로 활성화하는 단계(S3)는 제 3 시간(t3) 동안 수행되며, 기판(W) 상에 제 1 비활성가스를 제공하는 단계(S4)는 제 1 시간(t1) 내지 제 4 시간(t4) 동안 연속적으로 수행되며, 기판(W) 상에 제 2 비활성가스를 제공하는 단계(S5)는 상기 제 1 시간(t1) 내지 제 4 시간(t4) 동안 연속적으로 수행될 수 있다.
이하에서, 각 단계들을 구체적으로 살펴본다.
소스가스(S)를 제공하는 단계(S1)에서는 기판(W) 상에 소스가스를 제공함으로써 기판(W) 상에 소스가스의 적어도 일부가 흡착될 수 있다. 소스가스(S)는 프로세스 챔버(300) 외부에 배치된 제 1 도관(110), 제 3 도관(130), 믹싱 유로(230) 및 인입 유로(355)를 통하여 프로세스 챔버(300) 내부로 제공된다. 소스가스(S)를 운반하기 위하여 제 1 비활성가스가 소스가스(S)와 함께 제공될 수도 있다.
기판(W)은, 예를 들어, 반도체 기판, 도전체 기판 또는 절연체 기판 등을 포함할 수 있으며, 선택적으로는, 박막을 형성하기 이전에, 기판(W) 상에 임의의 패턴이나 층이 이미 형성되어 있을 수 있다. 상기 흡착은 원자층 증착법에서 널리 알려진 화학적 흡착(Chemical Adsorption)을 포함할 수 있다.
반응가스(R)를 제공하는 단계(S2)에서 반응가스는 프로세스 챔버(300) 외부에 배치된 제 2 도관(120), 제 3 도관(130), 믹싱 유로(230) 및 인입 유로(355)를 통하여 프로세스 챔버(300) 내부로 제공된다. 반응가스(R)를 운반하기 위하여 제 2 비활성가스가 반응가스(R)와 함께 제공될 수도 있다.
반응가스(R)를 기판(W) 상에서 플라즈마 상태로 활성화하는 단계(S3)에서, 기판(W) 상에 흡착된 소스가스(S)의 적어도 일부는 플라즈마 상태의 반응가스(R)와 반응하여 단위증착막을 형성할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 반응가스(R)는 플라즈마 상태가 아닌 경우에는 소스가스(S)와 반응하지 않는 물질로 구성될 수 있다.
본원에서 언급하는 플라즈마는, 예를 들어, 다이렉트 플라즈마(direct plasma) 방식에 의하여 형성될 수 있다. 상기 다이렉트 플라즈마 방식은, 예를 들어, 반응가스(R)를 전극과 기판 사이의 처리공간에 공급하고 고주파 전력을 인가함으로써, 반응가스(R)의 플라즈마가 프로세스 챔버(300) 내부의 처리공간에서 직접 형성되는 방식을 포함한다.
상기 단위증착막은 형성하고자 하는 박막을 구성하는 단위요소로서, 예를 들어, 단위사이클(T)을 N회(N은 1 이상의 양의 정수)만큼 반복하여 수행하는 경우 최종적으로 형성되는 상기 박막은 N개의 상기 단위증착막으로 구성될 수 있다.
기판(W) 상에 제 1 비활성가스를 제공하는 단계(S4)에서, 제 1 비활성가스는 반응기(140) 외부에 배치된 제 1 도관(110), 제 3 도관(130), 믹싱 유로(230) 및 인입 유로(355)를 통하여 프로세스 챔버(300) 내부로 제공된다. 제 1 비활성가스는 소스가스 및 반응가스와 화학적으로 반응하지 않은 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 비활성가스는 질소가스이거나, 아르곤가스이거나, 또는 질소가스와 아르곤가스로 이루어진 혼합가스일 수 있다. 제 1 비활성가스는 적어도 보조적으로 소스가스를 운반할 수 있으며, 나아가, 기판(W) 상에 존재하는 비반응 잔류물을 퍼징(purging)할 수도 있다.
기판(W) 상에 제 2 비활성가스를 제공하는 단계(S5)에서, 제 2 비활성가스는 프로세스 챔버(300) 외부에 배치된 제 2 도관(120), 제 3 도관(130), 믹싱 유로(230) 및 인입 유로(355)를 통하여 프로세스 챔버(300) 내부로 제공된다. 제 2 비활성가스는 소스가스 및 반응가스와 화학적으로 반응하지 않은 물질로 구성된다. 예를 들어, 제 2 비활성가스는 질소가스이거나, 아르곤가스이거나, 또는 질소가스와 아르곤가스로 이루어진 혼합가스일 수 있다. 제 2 비활성가스는 적어도 보조적으로 반응가스를 운반할 수 있으며, 나아가, 기판(W) 상에 존재하는 비반응 잔류물을 퍼징(purging)할 수도 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 소스가스(S) 및 반응가스(R)는 혼합가스의 형태로 프로세스 챔버(300) 내부로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상술한 제 1 시간(t1) 동안, 제 1 도관(110)을 통과한 소스가스(S)와 제 2 도관(120)을 통과한 반응가스(R)는 제 3 도관(130)에서 각각의 유동이 서로 간섭되면서 일차적으로 혼합되고, 계속하여, 내부 공간(250) 및 충돌부(270)를 포함하는 믹싱 블록(200)을 거치면서 상기 혼합가스의 믹싱 수준이 더욱 균일하게 개선되어 프로세스 챔버(300) 내로 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 도시하는 도면이다.
도 2의 상단에 있는 6 개의 두께 균일도 맵은 도 1b에 도시된 본 발명의 비교예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 나타낸다. 한편, 도 2의 하단에 있는 6 개의 두께 균일도 맵은 도 1a에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 나타낸다. 장치의 유의차까지 감안하기 위하여, 각각 다른 3 대의 장치로 테스트하여 각각 (a), (b), (c)로 구분하였다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도는 각각 0.47%, 0.54%, 0.53%, 0.47%, 0.51%, 0.45% 임에 반하여, 본 발명의 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도는 각각 0.36%, 0.37%, 0.38%, 0.33%, 0.29%, 0.32%로 상대적으로 더 양호한 균일도가 구현될 수 있음을 확인하였다.
나아가, 기판 상에 증착된 두께 균일도 맵의 형태를 살펴보면, 본 발명의 비교예 보다는 실시예에서 동심원 형태의 양상이 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있다. 기판 상의 좌우상하의 대칭성을 확보하기 위해서 두께 맵이 동심원 형태로 나타나는 것은 바람직하다. 반대로, 좌우상하의 적어도 어느 한 쪽이 비대칭인 두께 맵은 제품 수율에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 실제 공정에서는 챔버 내의 압력이나 가스 조건 등을 조절함에 따라 두께 균일도의 평균값을 개선하는 것은 용이하나, 동심원 형태의 양상을 구현하는 것은 장치의 하드웨어적 구성과 관련되기 때문에 용이하지 않을 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 내부 공간(250) 및 충돌부(270)를 포함하는 믹싱 블록(200)을 도입함으로써 동심원 형태의 두께 균일도를 용이하게 구현할 수 있음을 확인하였다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 구성하는 다양한 형태의 믹싱 블록의 구성을 살펴본다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 기판 처리 장치는 도 1a에 도시된 믹싱 블록(200)을 도 3a 내지 도 3f에 도시된 믹싱 블록으로 대체하여 구현할 수 있다.
도 1a 및 도 3a를 참조하면, 믹싱 블록은 믹싱 유로(230)를 포함하는 몸체부(220)를 포함한다. 믹싱 유로(230)는 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스가 확산될 수 있도록 상기 혼합가스가 피딩 블록(100)으로부터 이송되는 과정에서 단면적이 확대될 수 있는 내부 공간(250)을 포함한다. 예를 들어, 피딩 블록(100)의 제 3 도관(130) 보다 내부 공간(250)의 단면적이 더 크므로 혼합가스가 이송되는 과정에서 혼합가스는 압력이 갑자기 감소되고 급격하게 확산될 수 있다. 또한, 믹싱 블록(200)은 상기 혼합가스의 와류를 형성할 수 있도록, 확산된 상기 혼합가스의 이송 경로 중에 충돌부(270)를 가진다. 충돌부(270)는 피딩 블록(100)에서 샤워헤드(350)로 나아가는 방향에 대하여 나란하지 않고 수직한 충돌면을 가질 수 있다.
믹싱 유로(230)의 출구에 배치된 유출구(257)는 샤워헤드(350)의 인입 유로(355)와 연통될 수 있다.
특히, 도 3a에 도시된 믹싱 유로(230)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 따라 유로의 단면적이 단계적으로 좁아지는 영역을 포함한다. 예컨대, 내부 공간(250)은 단면적이 단계적으로 작아지도록 배치된 다단의 원통 형상 공간을 포함할 수 있다. 이 경우 다단의 원통 형상 공간의 단면적 중에서 적어도 최상단의 원통 형상 공간의 단면적은 제 3 도관(130)의 단면적 보다 더 클 수 있다.
충돌부(270)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 대하여 수직한 면으로서, 상기 단면적이 단계적으로 좁아지는 영역의 각각의 말단에 배치된 단턱(270a 내지 270d)을 포함한다.
한편, 도 3a에서는 단턱(270a 내지 270d)을 연결하는 측면(275)이 상기 혼합가스가 이송되는 방향과 나란하게 구성되었으나, 필요에 따라서는 상기 혼합가스가 이송되는 방향과 비스듬한 각도를 형성하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 비스듬한 각도를 형성하는 측면(275)도 혼합가스의 와류를 형성하기 위한 충돌면으로 기능할 수 있다.
도 1a 및 도 3b를 참조하면, 믹싱 블록은 믹싱 유로(230)를 포함하는 몸체부(220)를 포함한다. 믹싱 유로(230)는 소스가스(S) 및 반응가스(R)의 혼합가스가 확산될 수 있도록 상기 혼합가스가 피딩 블록(100)으로부터 이송되는 과정에서 단면적이 확대될 수 있는 내부 공간(250)을 포함한다. 예를 들어, 피딩 블록(100)의 제 3 도관(130) 보다 내부 공간(250)의 유입구 측의 단면적이 더 크므로 혼합가스가 이송되는 과정에서 혼합가스는 압력이 갑자기 감소되고 급격하게 확산될 수 있다. 또한, 믹싱 블록은 상기 혼합가스의 와류를 형성할 수 있도록, 확산된 상기 혼합가스의 이송 경로 중에 충돌부(270)를 가진다.
특히, 도 3b에 도시된 믹싱 유로(230)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 따라 유로의 단면적이 점진적으로 좁아지는 영역을 포함한다. 예컨대, 내부 공간(250)은 단면적이 연속적으로 작아지는 원뿔대 형상의 공간을 포함할 수 있다. 이 경우 원뿔대 형상의 공간의 단면적 중에서 적어도 최상단의 단면적은 제 3 도관(130)의 단면적 보다 더 클 수 있다.
충돌부(270)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 대하여 비스듬한 면(270a)과 수직한 면(270b)을 포함한다. 수직한 면(270b)은 상기 단면적이 점진적으로 좁아지는 영역의 말단에 배치된 단턱을 포함한다.
이 외에도 믹싱 블록의 다양한 형태의 변형이 가능하다.
도 3c에 도시된 믹싱 유로(230)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 따라 유로의 단면적이 일정하게 유지되는 영역으로서 내부 공간(250)을 포함한다. 충돌부(270)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 대하여 수직한 면을 포함하는 바, 예를 들어, 상기 단면적이 일정하게 유지되는 영역의 말단에 배치된 단턱을 포함한다.
도 3d에 도시된 믹싱 유로(230)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 따라 유로의 단면적이 점진적으로 좁아지는 영역인 내부 공간(250)을 포함하며, 충돌부(270)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 대하여 비스듬한 면을 포함한다. 도 3d에서는 혼합가스가 이송되는 방향에 대하여 수직한 면으로 구성되는 충돌면은 없다.
도 3e에 도시된 믹싱 유로(230)는 유입구(256) 보다 단면적이 확대된 내부 공간(250)을 포함한다. 내부 공간(250)은 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 따라 유로의 단면적이 일정하게 유지된다. 내부 공간(250)의 단면적은 제 3 도관(130)의 단면적 보다 더 크다. 충돌부(270)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 대하여 수직한 충돌면을 포함하며, 상기 충돌면은 상기 단면적이 일정하게 유지되는 영역의 말단에 배치된 단턱으로 이해될 수 있다.
도 3f에 도시된 믹싱 유로(230)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 따라 유로의 단면적이 점진적으로 증가하는 영역으로서 내부 공간(250)을 포함한다. 충돌부(270)는 상기 혼합가스가 이송되는 방향에 대하여 수직한 충돌면을 포함한다. 수직한 충돌면은 상기 단면적이 점진적으로 증가하는 영역의 말단에 배치된 단턱을 포함한다.
도 4는 도 3a 내지 도 3e에 도시된 믹싱 블록을 구비한 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도를 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 믹싱 블록을 구비하는 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 증착한 박막의 두께 균일도의 맵은 동심원 형태가 나타남을 확인할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 내부 공간(250) 및 충돌부(270)를 포함하는 믹싱 블록(200)을 도입함으로써 동심원 형태의 두께 균일도를 용이하게 구현할 수 있음을 확인하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (12)
- 샤워헤드를 구비하는 프로세스 챔버;
상기 샤워헤드로 소스가스 및 반응가스를 제공하기 위한 도관이 형성된 피딩 블록; 및
소스가스 및 반응가스를 믹싱하기 위하여, 상기 샤워헤드와 상기 피딩 블록 사이에 연통되는 유로를 형성하도록 배치된 믹싱 블록;을 구비하고,
상기 믹싱 블록은 상기 피딩 블록에 형성된 상기 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 갖는 내부 공간을 포함하고, 소스가스 및 반응가스의 혼합가스의 이송 경로 중에 상기 혼합가스와 충돌될 수 있는 충돌부를 포함하고,
상기 피딩 블록에 형성된 상기 도관은 소스가스가 제공될 수 있는 제 1 도관; 반응가스가 제공될 수 있는 제 2 도관; 및 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관과 직접 연결되어 상기 믹싱 블록의 상기 내부 공간으로 이어지도록 신장되며, 소스가스 및 반응가스가 제공될 수 있는, 제 3 도관; 을 포함하고,
상기 믹싱 블록에서 상기 내부 공간은 상기 제 3 도관과 유체 연통되며 상기 제 3 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 가짐으로써 소스가스 및 반응가스의 혼합가스가 확산될 수 있는 것을 특징으로 하며,
상기 믹싱 블록에 형성된 상기 내부 공간은 단면적이 연속적으로 작아지는 원뿔대 형상의 공간을 포함하는,
기판 처리 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 충돌부는 상기 피딩 블록에서 상기 샤워헤드로 나아가는 방향에 대하여 나란하지 않고 비스듬하거나 수직한 충돌면을 가지는, 기판 처리 장치. - 샤워헤드를 구비하는 프로세스 챔버;
상기 샤워헤드로 소스가스 및 반응가스를 제공하기 위한 도관이 형성된 피딩 블록; 및
소스가스 및 반응가스를 믹싱하기 위하여, 상기 샤워헤드와 상기 피딩 블록 사이에 연통되는 유로를 형성하도록 배치된 믹싱 블록;을 구비하고,
상기 믹싱 블록은 상기 피딩 블록에 형성된 상기 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 갖는 내부 공간을 포함하고, 소스가스 및 반응가스의 혼합가스의 이송 경로 중에 상기 혼합가스와 충돌될 수 있는 충돌부를 포함하고,
상기 피딩 블록에 형성된 상기 도관은 소스가스가 제공될 수 있는 제 1 도관; 반응가스가 제공될 수 있는 제 2 도관; 및 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관과 직접 연결되어 상기 믹싱 블록의 상기 내부 공간으로 이어지도록 신장되며, 소스가스 및 반응가스가 제공될 수 있는, 제 3 도관; 을 포함하고,
상기 믹싱 블록에서 상기 내부 공간은 상기 제 3 도관과 유체 연통되며 상기 제 3 도관의 단면적보다 더 큰 단면적을 가짐으로써 소스가스 및 반응가스의 혼합가스가 확산될 수 있는 것을 특징으로 하며,
상기 믹싱 블록에 형성된 상기 내부 공간은 단면적이 단계적으로 작아지도록 배치된 다단의 원통 형상 공간을 포함하는, 기판 처리 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 믹싱 블록에 형성된 상기 내부 공간은 단면적이 일정한 원통 형상의 공간을 포함하는, 기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은, 상기 제 3 도관과 수직으로 각각 교차하되, 상기 제 3 도관을 중심으로 서로 반대방향으로 신장하는, 기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 단차를 형성하도록 서로 다른 레벨(level)을 가지는, 기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 동일한 레벨(level)을 가지는, 기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 믹싱 블록은 상기 피딩 블록과 상기 샤워헤드 사이에 배치되는 절연 부재를 포함하는, 기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 믹싱 블록은 세라믹 재질 또는 Al2O3 재질로 이루어진, 기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 소스가스는 실리콘 함유 가스를 포함하며, 상기 반응가스는 산소 함유 가스를 포함하며, 상기 혼합가스는 비활성가스를 더 포함하는, 기판 처리 장치.
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