KR102150361B1 - 원자층 증착 장치 - Google Patents

Abstract

하나의 포트에서 복수의 증착 가스를 제공할 수 있고, 포트에 증착 가스의 잔류를 방지하여 가스 분사 유닛의 구조를 단순화하고, 하나의 챔버에서 다성분 박막의 증착이 가능한 원자층 증착 장치가 개시된다. 원자층 증착 장치는, 기판을 지지하는 기판 지지부, 상기 기판에 박막을 형성하기 위한 소스 물질을 포함하는 기상 물질로서 복수의 증착 가스를 제공하는 복수의 공급원 및 상기 복수의 증착 가스를 상기 기판에 제공하기 위한 가스 분사 유닛을 포함하고, 여기서, 상기 가스 분사 유닛은, 적어도 2종 이상의 소스 가스를 제공하는 제1 주입 포트, 적어도 2종 이상의 반응 가스를 제공하는 제2 주입 포트, 퍼지 가스를 제공하는 제3 주입포트, 상기 제1 내지 제3 주입 포트에 각각 대응되어 상기 증착 가스를 상기 기판에 제공하는 복수의 제1 내지 제3 분사 노즐 및 상기 제1 주입 포트와 상기 제2 주입 포트에 각각 연결되어서 상기 제1 및 제2 주입 포트에서 잔류 가스를 제거하는 배기부를 포함하여 구성된다.

Description

원자층 증착 장치{ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS}

본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로, 가스 분사 유닛에서 증착 가스의 잔류를 방지하여 가스 분사 유닛의 구조를 단순화하고, 하나의 챔버에서 다성분 박막의 증착이 가능한 원자층 증착 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 기판이나 글라스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하는 방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다. 최근 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐에 따라 미세 패턴의 박막이 요구되고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커졌다. 이러한 추세로 인해 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층 증착방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.

ALD는 소스 물질을 포함하는 증착 가스에 포함된 기체 분자들 간의 화학반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착방법과 유사하다. 하지만, 통상의 CVD가 복수의 증착 가스를 동시에 공정 챔버 내로 주입하여 발생된 반응 생성물을 기판에 증착한다. 이와는 달리, ALD는 하나의 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버 내로 주입하여 가열된 기판에 화학흡착시키고 이후 다른 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버에 주입함으로써 기판 표면에서 소스 물질들 사이에서의 화학반응에 의한 생성물이 증착된다는 점에서 차이가 있다. 이러한 ALD는 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며, 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 형성하는 것이 가능하다는 장점을 갖고 있어 현재 널리 각광받고 있다.

한편, 기존의 ALD 장치는 단일 성분 산화물이나 질화물을 증착하는 데는 효과적인데 반해, 2원소 또는 그 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착하기가 어렵다. 일반적으로, 다성분 박막을 증착하기 위해서는 적어도 3종 이상의 증착 가스가 필요하다. 그런데 기존의 ALD 장치에서 3종 이상의 증착 가스를 제공하기 위해서는 증착 가스들이 서로 섞이거나 반응이 발생하는 것을 방지하기 위해서 각각의 증착 가스들을 별도의 포트를 사용하여 공급하여야 하기 때문에, 그만큼 많은 종류의 포트 및 노즐이 필요하다.

본 발명의 실시예들에 따르면 하나의 공정 챔버에서 다성분 박막(Multi Layer)을 증착할 수 있는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 구조가 단순하고 증착 가스들이 공급되는 과정에서 혼합되는 것을 방지할 수 있는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 원자층 증착 장치는, 기판을 지지하는 기판 지지부, 상기 기판에 박막을 형성하기 위한 소스 물질을 포함하는 기상 물질로서 복수의 증착 가스를 제공하는 복수의 공급원 및 상기 복수의 증착 가스를 상기 기판에 제공하기 위한 가스 분사 유닛을 포함하고, 여기서, 상기 가스 분사 유닛은, 적어도 2종 이상의 소스 가스를 제공하는 제1 주입 포트, 적어도 2종 이상의 반응 가스를 제공하는 제2 주입 포트, 퍼지 가스를 제공하는 제3 주입포트, 상기 제1 내지 제3 주입 포트에 각각 대응되어 상기 증착 가스를 상기 기판에 제공하는 복수의 제1 내지 제3 분사 노즐 및 상기 제1 주입 포트와 상기 제2 주입 포트에 각각 연결되어서 상기 제1 및 제2 주입 포트에서 잔류 가스를 제거하는 배기부를 포함하여 구성된다.

일 측에 따르면, 상기 배기부는, 상기 제3 주입 포트를 통해 상기 퍼지 가스가 제공되는 동안 제1 주입 포트 또는 제2 주입 포트 중 하나에 연결된 배기부가 작동하여 상기 퍼지 가스 및 상기 기판 상부에서 배기 가스를 배출시키도록 한다.

일 측에 따르면, 하나의 주입 포트에 서로 다른 복수의 증착 가스를 공급하도록 복수의 공급원이 연결되고, 상기 복수의 공급원과 상기 주입 포트의 연결을 각각 개폐하는 밸브가 구비될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나의 공정 챔버에서 다성분 박막의 증착이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나의 포트에서 복수의 증착 가스를 제공할 수 있으므로, 포트 및 노즐의 수를 최소로 구성할 수 있으며, 이에 따라 가스 분사 유닛의 구조를 단순화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 원자층 증착 장치에서 가스 분사 유닛의 동작을 설명하기 위한 모식도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 블록 그래프이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(10)와 그 증착 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(10)의 단면도이다. 그리고 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분사 유닛(11)의 동작을 설명하기 위한 모식도들이다. 그리고 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 블록 그래프이다.

도면을 참조하면, 원자층 증착 장치(10)는 기판(1)을 지지하는 기판 지지부(15)와, 기판(1)에 다성분 박막을 증착하기 위한 복수 종류의 증착 가스를 제공하는 가스 분사 유닛(11)을 포함하여 구성된다.

참고적으로, 본 실시예에 따른 원자층 증착 장치(10)는 기판(1)이 수평으로 이동되거나 정지된 상태에서 복수의 기판(1)에 대해 동시에 증착이 수행되는 평판형 디스플레이 장치용 방식이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다수의 기판을 방사상 및 수평으로 수용한 상태에서 공정이 진행되는 세미배치 타입(semi-batch type)의 원자층 증착 장치에 대해서도 본 발명의 실시예들에 따른 가스 분사 유닛이 동일하게 적용 가능하다.

이하에서는, 원자층 증착 장치(10)를 구성하는 프로세스 챔버 등의 상세한 기술 구성은 공지의 기술로부터 이해 가능하므로 자세한 설명을 생략하고, 가스 분사 유닛(11)의 주요 구성요소에 대해서만 간략하게 설명한다.

또한, 본 실시예에서 증착 대상이 되는 기판(1)은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 글라스를 포함하는 투명 기판일 수 있다. 그러나 본 발명의 대상이 되는 기판(1)이 평판형으로 한정되는 것은 아니며, 실리콘 웨이퍼를 포함하는 반도체 장치용 기판일 수 있다. 또한, 기판(1)의 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 등 실질적으로 다양한 형상과 크기를 가질 수 있다.

본 실시예에서 '증착 가스(source gas)'라 함은 소정의 박막을 형성하기 위한 소스 물질들을 포함하는 가스를 말한다. 그리고 증착 가스는, 증착하고자 하는 박막의 구성 원료 물질을 포함하는 소스 가스(source gas), 상기 소스 가스와 화학적으로 반응하여 박막을 형성하는 반응 가스(reactant gas) 및 기판(1) 표면에서 소스 가스, 반응 가스의 잔류 가스를 제거하기 위한 퍼지 가스(purge gas)를 포함한다. 또한, 증착 가스는 적어도 2종 이상의 소스 가스(S1, S2, … Sn)와 적어도 2종 이상의 반응 가스(R1, R2, … Rn) 및 퍼지 가스(P)를 포함한다.

한편, 도면에서는 설명의 편의를 위해서 2종의 소스 가스(S1, S2)와 2종의 반응 가스(R1, R2)를 기재하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 적어도 2종 이상 복수의 소스 가스와 반응 가스를 각각 제공하도록 구성될 수 있다.

가스 분사 유닛(11)은 서로 다른 2종류 이상의 소스 가스(S1, S2)와 반응 가스(R1, R2) 및 퍼지 가스(P)를 각각 제공하는 복수의 주입 포트(121, 122, 123)와 기판(1)에 증착 가스를 제공하기 위한 복수의 분사 노즐(111, 112, 123)을 포함하여 구성된다. 한편, 도면에서는 가스 분사 유닛(11)에서 주입 포트(121, 122, 123)와 분사 노즐(111, 112, 113)만을 간략하게 생략하여 도시한 것으로, 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 가스 분사 유닛(11)에서 증착 가스가 주입되는 부분을 선으로 표시하고 이를 주입 포트(121, 122, 123)라 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 주입 포트(121, 122, 123)의 형상은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 도면에서 기판(1)에 대해서 증착 가스를 제공하는 쪽을 분사 노즐(111, 112, 123)이라 하지만, 본 발명이 도면에 한정되는 것은 아니며, 별도의 개체로 형성된 분사 노즐(111, 112, 123)이 구비되는 것도 가능하며, 분사 노즐(111, 112, 123)의 형상은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.

상세하게는, 가스 분사 유닛(11)은 소스 가스(S1, S2)가 주입되는 제1 주입 포트(121)와 반응 가스(R1, R2)가 주입되는 제2 주입 포트(122), 그리고 퍼지 가스(P)가 주입되는 제3 주입 포트(123)와, 상기 제1 내지 제3 주입 포트(121, 122, 123)에 각각 대응되어 증착 가스를 기판(1)에 제공하는 제1 내지 제3 분사 노즐(111, 112, 113)을 포함하여 구성된다.

가스 분사 유닛(11)에서, 제1 주입 포트(121)에는 각각 적어도 2종 이상의 소스 가스(S1, S2)가 제공되도록 공급원(131, 133)이 연결된다. 또한, 제1 주입 포트(121)는 복수의 제1 분사 노즐(111)에 연결된다. 마찬가지로 제2 주입 포트(122)에도 적어도 2종 이상의 반응 가스(R1, R2)가 제공되도록 공급원(137, 139)이 연결된다. 또한, 제2 주입 포트(122)는 복수의 제2 분사 노즐(112)에 연결된다.

제1 및 제2 주입 포트(121, 122)에는 각각 배기부(135, 141)가 연결된다.

그리고 제3 주입 포트(123)의 경우에는 퍼지 가스(P)를 제공하는 공급원(143)이 연결된다. 또한, 제3 주입 포트(123)에는 퍼지 가스(P)의 단일 가스만 제공되므로 배기부는 연결되지 않는다. 또한, 제3 주입 포트(123) 역시 복수의 제3 분사 노즐(113)에 연결된다.

배기부(135, 141)는 제1 및 제2 주입 포트(121, 122)에서 가스가 제공된 후 제1 및 제2 주입 포트(121, 122) 내부에 잔류하는 가스를 제거하는 역할을 한다. 더불어, 배기부(135, 141)는 제1 및 제2 주입 포트(121, 122)를 통해서 기판(1) 상부의 잔류 가스를 외부로 배기시키는 상부 배기 역할을 한다.

본 실시예에 따르면, 이와 같이 배기부(135, 141)를 제1 및 제2 주입 포트(121, 122)에 연결함으로써, 배기부(135, 141)를 통해서 증착 가스의 제공 후 잔류 가스를 신속하게 제거할 수 있다. 그리고, 배기부(135, 141)에서 제1 및 제2 주입 포트(121, 122) 내부에 잔류하는 가스를 제거함으로써 제1 및 제2 주입 포트(121, 122) 내부에서 가스들이 혼합되는 것을 방지하여, 복수의 가스를 하나의 주입 포트(121, 122, 123)를 통해서 제공할 수 있도록 한다.

본 실시예에 따르면, 가스 분사 유닛(11)은 상술한 바와 같이 각각의 증착 가스를 제공하기 위한 제1 내지 제3 주입 포트(121, 122, 123)만으로 구성될 수 있으며, 증착 가스의 종류가 많아지더라도 주입 포트(121, 122, 123)의 수는 제1 내지 제3 주입 포트(121, 122, 123)만으로 구성할 수 있어서, 주입 포트(121, 122, 123)의 구성을 최소화할 수 있고, 가스 분사 유닛(11)의 구조를 단순화시킬 수 있다. 또한, 각 주입 포트(121, 122, 123)에 연결된 배기부(135, 141)가, 기판(1)에 증착 가스의 제공 후 빠르게 잔류 가스를 회수할 수 있어서 상부 배기의 역할을 수행할 수 있다.

공급원(13)은 주입 포트(121, 122, 123)에 증착 가스를 제공할 수 있도록 연결되며, 증착 가스가 공급되는 각각의 공급라인 상에는 증착 가스의 공급을 선택적으로 차단시킬 수 있는 밸브(132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)가 구비된다.

원자층 증착 공정은 일반적으로, 소스 가스->퍼지 가스->반응 가스->퍼지 가스가 순서대로 공급되면서 공정이 수행된다. 본 실시예에서는 다성분 박막을 증착하기 위해서, 제1 소스 가스(S1)->퍼지 가스(P)-> 제1 반응 가스(R1)->퍼지 가스(P)->제2 소스 가스(S2)->퍼지 가스(P)->제2 반응 가스(R2)->퍼지 가스(P)의 순서에 따라 증착 가스가 제공된다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 가스 분사 유닛(11)의 동작에 대해서 설명한다.

우선, 도 2에 도시한 바와 같이, ① 제1 주입 포트(121)에서 제1 소스 가스(S1)를 분사한다.

다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, ② 제3 주입 포트(123)에서 퍼지 가스(P)를 분사하면서, 동시에 제1 주입 포트(121)에는 제1 배기부(135)가 작동하여 제1 주입 포트(121)에 진공을 형성하여 제1 주입 포트(121) 내부의 잔류 제1 소스 가스(S1)를 회수한다. 그리고 제3 주입 포트(123)에서 제공되는 퍼지 가스(P)는 기판(1) 상부에서 제1 주입 포트(121)를 통해 제1 배기부(135)로 배출된다.

다음으로, 도 4에 도시한 바와 같이, ③ 제2 주입 포트(122)에서 제1 반응 가스(R1)를 분사한다.

다음으로, 도 5에 도시한 바와 같이, ④ 제3 주입 포트(123)에서 퍼지 가스(P)를 분사한다. 이 단계에서는, 제2 주입 포트(122)에 제2 배기부(141)가 작동하면서 제2 주입 포트(122) 내부의 잔류 제1 반응 가스(R1)를 회수하게 된다. 마찬가지로, 제3 주입 포트(123)를 통해 제공되는 퍼지 가스(P)는 제2 주입 포트(122)를 통해 작동하는 제2 배기부(141)를 통해 외부로 배출된다.

이상과 같이 ① 내지 ④ 번 공정을 n 회 반복 수행하여서 원하는 두께의 박막을 형성한다.

다음으로, 제2 소스 가스(S2)와 제2 반응 가스(R2)를 제공하면서, 상술한 ① 내지 ④ 번 공정과 유사하게 진행함으로써 소정 두께의 박막을 형성한다.

상세하게는, ⑤ 제1 주입 포트(121)에서 제2 소스 가스(S2)를 분사한다.

다음으로, ⑥ 제3 주입 포트(123)에서 퍼지 가스(P)를 분사하면서, 동시에 제1 주입 포트(121)에는 제1 배기부(135)가 작동하여 제1 주입 포트(121) 내부의 잔류 제2 소스 가스(S2)를 회수한다. 그리고 기판(1) 상부에서 배기 가스 및 퍼지 가스(P)가 제1 주입 포트(121)를 통해서 제1 배기부(135)의 작동으로 외부로 배출된다.

다음으로, ⑦ 제2 주입 포트(122)에서 제2 반응 가스(R2)를 분사한다.

다음으로, ⑧ 제3 주입 포트(123)에서 퍼지 가스(P)를 분하면서, 제2 주입 포트(122)에 제2 배기부(141)가 작동하면서 제2 주입 포트(122) 내부의 잔류 제2 반응 가스(R2)를 회수하게 된다. 또한, 기판(1) 상부에서 배기 가스 및 퍼지 가스(P)가 제2 주입 포트(122)를 통해서 제2 배기부(141)의 작동으로 외부로 배출된다.

이상과 같이, 제2 소스 가스(S2) 및 제2 반응 가스(R2)를 제공하면서 ⑤ 내지 ⑧ 번 공정을 m 회 반복 수행함으로써 소정 두께의 박막을 형성할 수 있다.

물론 본 실시예에서는 2종의 소스 가스(S1, S2)와 2종의 반응 가스(R1, R2)를 예시하였기 때문에, 위 순서를 따르는 것이고, 소스 가스 및 반응 가스의 수가 많아지면 더 많은 수의 단계가 수행됨은 이해 가능하다.

한편, 상술한 실시예에서는 ① 내지 ④ 번 공정을 n 회 반복 수행한 후에 ⑤ 내지 ⑧ 번 공정을 m 회 반복 수행하는 것을 예시하였으나, 이와는 달리, ① 내지 ⑧ 번 공정을 연속적으로 수행하고, 이를 원하는 두께의 박막을 형성하기 위해서 소정 횟수 반복 수행하는 것도 가능하다.

또한, 제1 및 제2 주입 포트(121, 122)에서 잔류 가스를 제거하는 단계인 ②, ④, ⑥, ⑧ 번 공정은 ①, ③, ⑤, ⑦ 번 공정보다 긴 시간 동안 수행될 수 있다. 이는 제1 및 제2 주입 포트(121, 122)에서 잔류 가스를 충분히 제거하면서, 기판(1) 상부에서 배기 가스를 충분히 제거하기 위해서이다. 그러나 이와는 달리, ① 내지 ⑧ 번 공정이 동일 시간 동안 수행되는 것도 가능하다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10: 원자층 증착 장치
11: 가스 분사 유닛
111, 112, 113: 분사 노즐
121, 122, 123: 주입 포트
13: 공급원
131, 133: 소스 가스 공급부
135, 141: 배기부
137, 139: 반응 가스 공급부
143: 퍼지 가스 공급부
15: 기판 지지부

Claims (3)

1. 기판을 지지하는 기판 지지부;
   상기 기판에 박막을 형성하기 위한 소스 물질을 포함하는 기상 물질로서 복수의 증착 가스를 제공하는 복수의 공급원; 및
   상기 복수의 증착 가스를 상기 기판에 제공하기 위한 가스 분사 유닛;
   을 포함하고,
   상기 가스 분사 유닛은,
   적어도 2종 이상의 소스 가스를 제공하는 제1 주입 포트, 적어도 2종 이상의 반응 가스를 제공하는 제2 주입 포트, 퍼지 가스를 제공하는 제3 주입포트;
   상기 제1 내지 제3 주입 포트에 각각 대응되어 상기 증착 가스를 상기 기판에 제공하는 복수의 제1 내지 제3 분사 노즐; 및
   상기 제1 주입 포트와 상기 제2 주입 포트에 각각 연결되어서 상기 제1 및 제2 주입 포트에서 잔류 가스를 제거하는 배기부;
   를 포함하는 원자층 증착 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 배기부는, 상기 제3 주입 포트를 통해 상기 퍼지 가스가 제공되는 동안 제1 주입 포트 또는 제2 주입 포트 중 하나에 연결된 배기부가 작동하여 상기 퍼지 가스 및 상기 기판 상부에서 배기 가스를 배출시키는 원자층 증착 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   하나의 주입 포트에 서로 다른 복수의 증착 가스를 공급하도록 복수의 공급원이 연결되고, 상기 복수의 공급원과 상기 주입 포트의 연결을 각각 개폐하는 밸브가 구비되는 원자층 증착 장치.

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