KR102184005B1 - Ald 박막 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ALD 박막 증착 방법에 관한 것으로서, 박막을 증착하기 위한 반응 공간이 형성되는 공정 챔버, 상기 공정 챔버에 설치되고 기판을 지지하는 기판 지지부, 상기 기판의 이너 존(inner zone)으로 제 1 소스 가스와 제 1 반응 가스 및 제 1 퍼지 가스를 공급하는 이너 존 가스 공급부, 상기 기판의 상기 이너 존을 둘러싸는 외측 영역인 상기 기판의 아우터 존(outer zone)으로 제 2 소스 가스와 제 2 반응 가스 및 제 2 퍼지 가스를 공급하는 아우터 존 가스 공급부를 포함하는 ALD 박막 증착 장치를 이용한 ALD 박막 증착 방법에 있어서, 상기 제 1 소스 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 제 2 소스 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 소스 가스 공급 단계; 상기 제 1 소스 가스 및 상기 제 2 소스 가스를 퍼지하기 위한 소스가스 퍼지 단계; 상기 제 1 반응 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 제 2 반응 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 반응 가스 공급 단계; 및 상기 제 1 반응 가스 및 상기 제 2 반응 가스를 퍼지하기 위한 반응가스 퍼지 단계;를 포함할 수 있다.

Description

ALD 박막 증착 방법 {Method of processing ALD}
본 발명은 ALD 박막 증착 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기판에 원자층 등의 박막을 증착할 수 있는 ALD 박막 증착 방법에 관한 것이다.
DRAM, Flash memory, V-NAND와 같은 반도체 디바이스 제조에 있어서, ALD(atomic layer deposition, 원자층 증착) 박막 증착 장치가 이용되고 있다. 최근 들어 ALD 공정 및 증착 장치는 적용 스텝 및 범위가 점점 더 확대되고 있다. 대표적으로 TiN, WN, TaN, W과 같은 금속 질화막이나 금속 박막, Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2와 같은 금속 산화막 증착 공정에 ALD 공정이 사용되고 있으며 디바이스 내 그 적용 스텝이 점점 더 확대되고 있는 추세이다.
ALD 공정에 대한 사용처가 많아지고 공정 난이도 또한 함께 높아지고 있는데 300mm 웨이퍼 내에서의 박막 증착 균일도, 박막의 순도, 밀도, 스텝커버리지 개선을 위하여 칩 메이커들은 끊임없이 노력하고 있으며 ALD 증착 설비의 공정 능력을 더욱 향상시키는 작업도 활발히 이루어지고 있다. 그런데 두께나 막질의 웨이퍼 내 균일성 개선, 스텝커버리지 개선은 20nm 이하 선폭의 반도체 디바이스 시대로 접어들면서 그 어느 때 보다도 개선이 쉽지 않다.
첫 번째로 해당 ALD process증착 전에 형성된 wafer pattern의 스텝커버리지 난이도가 웨이퍼 edge에서 더 난해하게 형성되어 있는 경우는 단순하게 두께나 step coverage의 균일도를 매우 좋게 형성한다고 해서 최외곽 edge step coverage 개선 문제가 해결되지는 않는다. 이런 경우는 wafer edge에 wafer center 대비 상대적으로 더 많고 강한 압력으로 분사하는 process gas의 주입이 필요하다. 두 번째로 동일한 ALD 박막을 증착하지만 device step별로 다른 showerhead구조나 chamber 구조가 필요한 경우이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 동일한 공정 챔버를 이용하여 보다 넓은 프로세스 윈도우(process window)를 가짐으로써 공정 마진을 넓혀서 낮은 선택비는 물론이고, 높은 선택비를 갖는 다양한 종류의 기판에 대한 대응을 가능하게 하는 ALD 박막 증착 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, ALD 박막 증착 방법이 제공된다. 상기 ALD 박막 증착 방법은, 박막을 증착하기 위한 반응 공간이 형성되는 공정 챔버, 상기 공정 챔버에 설치되고 기판을 지지하는 기판 지지부, 상기 기판의 이너 존(inner zone)으로 제 1 소스 가스와 제 1 반응 가스 및 제 1 퍼지 가스를 공급하는 이너 존 가스 공급부, 상기 기판의 상기 이너 존을 둘러싸는 외측 영역인 상기 기판의 아우터 존(outer zone)으로 제 2 소스 가스와 제 2 반응 가스 및 제 2 퍼지 가스를 공급하는 아우터 존 가스 공급부를 포함하는 ALD 박막 증착 장치를 이용한 ALD 박막 증착 방법에 있어서, 상기 제 1 소스 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 제 2 소스 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 소스 가스 공급 단계; 상기 제 1 소스 가스 및 상기 제 2 소스 가스를 퍼지하기 위한 소스가스 퍼지 단계; 상기 제 1 반응 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 제 2 반응 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 반응 가스 공급 단계; 및 상기 제 1 반응 가스 및 상기 제 2 반응 가스를 퍼지하기 위한 반응가스 퍼지 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법에서, 상기 소스 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 소스 가스의 공급과 상기 제 2 소스 가스의 공급은 동시에 수행될 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법에서, 상기 소스 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 소스 가스의 공급과 상기 제 2 소스 가스의 공급은 이 순서 또는 그 역순으로 순차적으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법에서, 상기 반응 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 반응 가스의 공급과 상기 제 2 반응 가스의 공급은 동시에 수행될 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법에서, 상기 반응 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 반응 가스의 공급과 상기 제 2 반응 가스의 공급은 이 순서 또는 그 역순으로 순차적으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법에서, 상기 소스 가스 동시 공급 단계 이전에, 상기 이너 존 가스 공급부의 상기 제 1 소스 가스와 상기 제 1 반응 가스 및 상기 제 1 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하고, 상기 아우터 존 가스 공급부의 상기 제 2 소스 가스와 상기 제 2 반응 가스 및 상기 제 2 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하는 가스 공급량 설정 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법에서, 상기 제 2 소스 가스의 가스 공급량은 상기 제 1 소스 가스의 공급량보다 크거나 같을 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법에서, 상기 제 2 반응 가스의 가스 공급량은 상기 제 1 반응 가스의 공급량보다 크거나 같을 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법은, 상기 소스 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 소스 가스는 중심 유로를 따라 수직으로 배출될 수 있다.
또한, 상기 ALD 박막 증착 방법은, 상기 소스 가스 공급 단계에서, 상기 제 2 소스 가스는 상기 중심 유로를 둘러싸는 형상으로 형성되는 상부 환형 유로를 따라 1차 분산되고, 경사 유로를 따라 2차 분산되며, 하부 환형 유로를 따라 3차 분산되어 가스 배출구로 배출될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법에 따르면, 기판의 이너 존과 아우터 존에 각각 독립적으로 가스를 공급할 수 있어서 기판의 이너 존과 아우터 존 간의 공정 편차를 줄여서 패턴 형성의 정밀도와 신뢰도를 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 동일한 공정 챔버를 이용하여 보다 넓은 프로세서 윈도우(process window)를 가짐으로써 공정 마진을 넓혀서 낮은 선택비는 물론이고, 높은 선택비가 요구되는 다양한 종류의 기판에 대한 대응을 가능하게 하는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1의 ALD 박막 증착 장치의 공정 챔버를 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 ALD 박막 증착 장치의 공정 챔버를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치의 공정 챔버를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치의 이너 존 가스 공급부 및 아우터 존 가스 공급부를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치의 이너 존 가스 공급부 및 아우터 존 가스 공급부를 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 1의 ALD 박막 증착 장치의 경사 유로를 나타내는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치의 경사 유로를 나타내는 평면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치의 하부 환형 유로를 나타내는 평면도이다.
도 13은 도 1의 ALD 박막 증착 방법을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 2의 ALD 박막 증착 방법을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법은, 크게 가스 공급량 설정 단계(S11)와, 이너 존/아우터 존 소스 가스 동시 공급 단계(S12)와, 소스가스 퍼지 단계(S13)와, 이너 존/아우터 존 반응 가스 동시 공급 단계(S14) 및 반응가스 퍼지 단계(S15)를 포함할 수 있다.
이러한, 상기 단계들을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(100)는, 크게 공정 챔버(10)와, 기판 지지부(20)와, 이너 존 가스 공급부(30)와, 아우터 존 가스 공급부(40) 를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 공정 챔버(10)는 내부에 박막을 증착하기 위한 반응 공간이 형성되는 것으로서, 상기 기판 지지부(20)와, 상기 이너 존 가스 공급부(30)와, 상기 아우터 존 가스 공급부(40) 등을 지지할 수 있는 충분한 강도와 내구성을 가진 밀폐가 가능한 구조체일 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 상기 공정 챔버(10)는 일측에 기판(1)이 출입할 수 있는 게이트(G)(gate)가 형성될 수 있고, 이외에도, 도시하지 않았지만, 상기 반응 공간에 진공 압력 등 증착 환경을 제공하기 위한 각종 진공 펌프나 플라즈마 발생 장치 등 공정을 위해 필요한 다양한 장치들이 추가로 설치될 수 있다.
그러나, 이러한 상기 공정 챔버(10)의 형상은 도면에 반드시 국한되지 않고, 장비나 공정 환경이나 스팩 등에 따라서 화학 기상 증착용 챔버나 원자층 증착용 챔버 등 매우 다양한 형상 및 종류의 공정 챔버가 모두 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(200)의 공정 챔버(10)를 나타내는 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(200)는, 상기 샤워 헤드(31)의 상기 가스 확산 영역(A)을 이너 존 대응 영역(A1)과 아우터 존 대응 영역(A2)으로 구획할 수 있도록 상기 탑 플레이트(311)와 상기 분사판(312) 사이에 영역 구획 격벽(70)이 설치될 수 있다.
따라서, 상기 영역 구획 격벽(70)을 상기 샤워 헤드(31)의 가스 확산 영역(A)에 설치하여 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)과 상기 아우터 존(Z2)에 더욱 독립적으로 가스를 공급할 수 있다.
이외에도, 도 7에 도시된 바와 같이, 예컨대, 텅스텐 증착 공정의 경우, 상기 공정 챔버(10)는 상기 기판(1)의 출입 경로로부터 공정 공간을 구획할 수 있는 에지링(ER)이나 퍼지링(PR) 등이 추가로 설치될 수 있는 등 다양한 형태로 적용될 수 있다.
또한, 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판 지지부(20)는, 상기 공정 챔버(10)에 설치되고 기판(1)을 지지할 수 있는 서셉터나 테이블이나 턴테이블 등의 기판 지지 구조체일 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 상기 기판 지지부(20)는, 상면에 안착되는 상기 기판(1)을 일정 온도로 가열시킬 수 있고, 또는 공정 가스를 플라즈마화 하기 위한 하부 전극으로의 기능을 할 수 있다.
또한, 상기 기판 지지부(20)는, 상기 기판(1)이 안착되어 지지할 수 있는 적절한 강도와 내구성을 갖는 구조체일 수 있다. 예컨대, 이러한 상기 기판 지지부(20)는, 알루미늄 및 질화 알루미늄 등의 재질로 이루어지는 구조체일 수 있다. 그러나, 상기 기판 지지부(20)는, 도면에 반드시 국한되지 않고, 상기 기판(1)을 지지할 수 있는 매우 다양한 형태나 종류나 재질의 다양한 부재들이 모두 적용될 수 있다.
또한, 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이너 존 가스 공급부(30)는, 상기 기판(1)의 이너 존(Z1)(inner zone)으로 적어도 하나 이상의 제 1 가스가 공급될 수 있도록 상기 공정 챔버(10)에 설치되는 장치일 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 상기 이너 존 가스 공급부(30)는, 내부에 가스 확산 영역(A)이 형성되도록 상부에 탑 플레이트(311)가 설치되고, 하부에 분사판(312)이 형성되는 샤워 헤드(31)와, 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)과 대응되도록 상기 샤워 헤드(31)의 상기 탑 플레이트(311)의 중심부에 수직으로 형성되는 중심 유로(32) 및 상기 중심 유로(32)와 연결되고, 상기 제 1 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인(33)을 포함할 수 있다.
여기서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 샤워 헤드(31)는, 상기 탑 플레이트(311)는 상기 공정 챔버(10)의 상부 구조물의 역할을 담당할 수 있고, 상기 분사판(312)은 복수개의 가스 배출구가 형성되어 상기 가스 배출구를 통해 상기 기판(1)에 소스 가스나 반응 가스나 퍼지 가스 등 각종의 공정 가스를 공급함으로써 상기 기판(1)에 원자층 등의 박막이 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 상기 샤워 헤드(31)의 형상은 도면에 반드시 국한되지 않고, 장비나 공정 환경이나 스팩 등에 따라서 매우 다양한 형상 및 종류의 샤워 헤드가 모두 적용될 수 있다.
또한, 예컨대, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 중심 유로(32)는 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)과 대응되도록 상기 샤워 헤드(31)의 상기 탑 플레이트(311)의 중심부에 수직으로 형성되는 일종의 내부 중공부일 수 있다. 이러한 상기 중심 유로에는 각종의 분산판 등이 추가로 설치되어 상기 가스 확산 영역(A)으로 공급되는 각종 공정 가스들의 확산 범위를 보다 넓게 하고, 확산 속도를 더욱 신속하게 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(300)의 공정 챔버(10)를 나타내는 단면도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(400)의 이너 존 가스 공급부(30) 및 아우터 존 가스 공급부(40)를 나타내는 사시도이다.
또한, 예컨대, 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 가스 공급 라인(33)은, 상기 중심 유로(32)와 연결되는 제 1 메인 공급 라인(34)와, 제 1 ALD 밸브(V1)가 설치되고, 소스 가스 저장소(SG)와 연결되어 상기 제 1 메인 공급 라인(34)에 제 1 소스 가스를 공급하는 제 1 소스 가스 공급 라인(35)와, 제 2 ALD 밸브(V2)가 설치되고, 반응 가스 저장소(RG)와 연결되어 상기 제 1 메인 공급 라인(34)에 제 1 반응 가스를 공급하는 제 1 반응 가스 공급 라인(36) 및 퍼지 가스 저장소(PG)와 연결되어 상기 제 1 메인 공급 라인(34)에 제 1 퍼지 가스를 공급하는 제 1 퍼지 가스 공급 라인(37)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 퍼지 가스 공급 라인(37)은, 제 3 제어 밸브(V3)가 설치되고, 상기 제 1 소스 가스 공급 라인(35)에 상기 제 1 퍼지 가스를 공급하는 제 1-1 퍼지 가스 공급 라인(371) 및 제 4 제어 밸브(V4)가 설치되고, 상기 제 1 반응 가스 공급 라인(36)에 상기 제 1 퍼지 가스를 공급하는 제 1-2 퍼지 가스 공급 라인(372)을 포함할 수 있다. 그러나, 이에 반드시 국한되지 않고 상기 제 1 퍼지 가스 공급 라인(37)은 하나의 라인에서 분지되어 상기 제 1 소스 가스 공급 라인(35) 및 상기 제 1 반응 가스 공급 라인(36)에 각각 공급되는 것도 가능하다.
여기서, 상술된 상기 제 1 소스 가스 공급 라인(35)은 주로 액상의 유기물을 기상으로 만들어 주는 기화기 등을 포함하는 상기 소스 가스 저장소(SG)가 설치될 수 있고, 상기 제 1 소스 가스 공급 라인(35) 및 상기 제 1 반응 가스 공급 라인(36)는 각각 기화된 가스의 공급량을 조절할 수 있는 MFC(mass flow controller)나 기화된 가스가 저장되는 리저버(R) 등 각종의 장치들이 부수적으로 설치될 수 있다. 이외에도 이러한 가스 공급 라인들에는 압력계 등 각종 장치들이 추가로 설치될 수 있다.
그러나, 이러한 상기 제 1 가스 공급 라인(33)은 도면에 반드시 국한되지 않고, 공정 환경이나 설치 환경 등에 따라 다양한 형태와 종류의 가스 공급 라인이 적용될 수 있다.
따라서, 이러한 상기 제 1 가스 공급 라인(33)을 이용하여 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1) 방향으로 예컨대, 제 1 소스 가스-제 1 반응 가스의 순서로 교호적으로 공급될 수 있다.한편, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 아우터 존 가스 공급부(40)는, 상기 기판의 상기 이너 존(Z1)(inner zone)을 둘러싸는 테두리 영역인 상기 기판(1)의 아우터 존(Z2)(outer zone)으로 적어도 하나 이상의 제 2 가스가 공급될 수 있도록 상기 공정 챔버(10)에 설치되는 장치일 수 있다.
여기서, 상기 아우터 존 가스 공급부(40)는, 상기 기판(1)의 상기 아우터 존(Z2)으로 제 2 소스 가스, 제 2 반응 가스 및 어느 하나를 교호적으로 공급할 수 있다.
예컨대, 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 아우터 존 가스 공급부(40)는, 상기 기판(1)의 상기 아우터 존(Z2)과 대응되도록 상기 샤워 헤드(31)의 상기 탑 플레이트(311)에 상기 중심 유로(32)를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 하면에 다수 개의 가스 배출구(H1)가 형성되며, 상면에 다수 개의 가스 유입구(H2)가 형성되는 하부 환형 유로(41) 및 상기 하부 환형 유로(41)와 연결되고, 상기 제 2 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인(44)을 포함할 수 있다.
여기서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 가스 공급 라인(44)은, 상기 하부 환형 유로(41)의 상기 가스 유입구(H2)와 연결되고, 상기 가스 유입구(H2)로부터 상기 중심 유로(32) 방향으로 기울어지게 형성되는 다수 개의 경사 유로(42)와, 상기 중심 유로(32)를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 하면에 상기 경사 유로와 연결되는 다수 개의 가스 배출구(H3)가 형성되고, 상면에 가스가 유입되는 다수 개의 가스 유입구(H4)가 형성되는 상부 환형 유로(43)와, 상기 가스 유입구(H4)와 연결되는 제 2 메인 공급 라인(45)과, 제 5 ALD 밸브(V5)가 설치되고, 소스 가스 저장소(SG)와 연결되어 상기 제 2 메인 공급 라인(45)에 제 2 소스 가스를 공급하는 제 2 소스 가스 공급 라인(46)과, 제 6 ALD 밸브(V6)가 설치되고, 반응 가스 저장소(RG)와 연결되어 상기 제 2 메인 공급 라인(45)에 제 2 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급 라인(47) 및 퍼지 가스 저장소(PG)와 연결되어 상기 제 2 메인 공급 라인(45)에 제 2 퍼지 가스를 공급하는 제 2 퍼지 가스 공급 라인(48)을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 이러한, 상기 경사 유로(42)를 통해 상기 하부 환형 유로(41)로 유입되는 가스들의 분사 압력이 골고루 분산될 수 있도록 상기 하부 환형 유로(41)의 상기 가스 배출구(H1)와 이웃하는 가스 배출구(H1) 사이의 중간 지점의 상방에 상기 가스 유입구(H2)가 형성될 수 있다.
또한, 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 메인 공급 라인(45) 및 상기 가스 유입구(H4)를 통해 유입되는 가스들의 분사 압력이 골고루 분산될 수 있도록 상기 상부 환형 유로(43)의 상기 가스 배출구(H3)와 이웃하는 가스 배출구(H3) 사이의 중간 지점의 상방에 상기 가스 유입구(H4)가 형성되고, 상기 제 2 메인 공급 라인(45)은 상기 상부 환형 유로(43)의 복수개의 상기 가스 유입구(H4)와 각각 연결되도록 분지된 제 2-1 메인 공급 라인(451) 및 제 2-2 메인 공급 라인(452)을 포함할 수 있다.
또한, 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 퍼지 가스 공급 라인(48)은, 제 8 제어 밸브(V8)가 설치되고, 상기 제 2 소스 가스 공급 라인(46)에 상기 제 2 퍼지 가스를 공급하는 제 2-1 퍼지 가스 공급 라인(482) 및 제 7 제어 밸브(V7)가 설치되고, 상기 제 2 반응 가스 공급 라인(47)에 상기 제 2 퍼지 가스를 공급하는 제 2-2 퍼지 가스 공급 라인(481)을 포함할 수 있다.
따라서, 이러한 상기 제 2 메인 공급 라인(45)을 이용하여 상기 기판(1)의 상기 아우터 존(Z2) 방향으로 예컨대, 제 2 소스 가스-제 2 반응 가스가 교호적으로 공급될 수 있다.
그러므로, 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)과 상기 아우터 존(Z2)에 각각 독립적으로 가스들을 공급할 수 있어서 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)과 상기 아우터 존(Z2) 간의 공정 편차를 줄여서 패턴 형성의 정밀도와 신뢰도를 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 동일한 공정 챔버를 이용하여 보다 넓은 프로세서 윈도우(process window)를 가짐으로써 공정 마진을 넓혀서 낮은 선택비는 물론이고, 높은 선택비가 요구되는 다양한 종류의 기판에 대한 대응을 가능하게 할 수 있다.
도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(500)의 이너 존 가스 공급부(30) 및 아우터 존 가스 공급부(40)를 나타내는 사시도이다.
예컨대, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 가스 공급 라인은, 상기 중심 유로(32)를 둘러싸는 형상으로 형성되고, 하면에 상기 경사 유로(42)와 연결되는 다수 개의 가스 배출구(H3)가 형성되고, 상면에 가스가 유입되는 다수 개의 가스 유입구(H4)가 형성되는 상부 환형 유로(43)와, 제 9 ALD 밸브(V9)가 설치되고, 소스 가스 저장소(SG)와 연결되어 상기 상부 환형 유로(43)에 제 2 소스 가스를 공급하는 제 2 소스 가스 공급 라인(49)과, 제 10 ALD 밸브(V10)가 설치되고, 반응 가스 저장소(RG)와 연결되어 상기 상부 환형 유로(43)에 제 2 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급 라인(50)과, 제 11 제어 밸브(V11)가 설치되고, 상기 제 2 소스 가스 공급 라인(49)에 상기 제 2 퍼지 가스를 공급하는 제 2-1 퍼지 가스 공급 라인(51) 및 제 12 제어 밸브(V12)가 설치되고, 상기 제 2 반응 가스 공급 라인(50)에 상기 제 2 퍼지 가스를 공급하는 제 2-2 퍼지 가스 공급 라인(52)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 소스 가스 공급 라인(49)은 상기 상부 환형 유로(43)의 복수개의 상기 가스 유입구(H4)들 중 일부분과 각각 연결되도록 분지된 제 2-1 소스 가스 공급 라인(491) 및 제 2-2 소스 가스 공급 라인(492)을 포함할 수 있고, 상기 제 2 반응 가스 공급 라인(50)은 상기 상부 환형 유로(43)의 복수개의 상기 가스 유입구(H4)들 중 타부분과 각각 연결되도록 분지된 제 2-1 반응 가스 공급 라인(501) 및 제 2-2 반응 가스 공급 라인(502)을 포함할 수 있다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 소스 가스와 상기 제 2 반응 가스가 각각 동일한 경로를 통해서 2 갈래로 분지되어 상기 상부 환형 유로(43)로 균등하게 유입될 수도 있고, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 소스 가스와 상기 제 2 반응 가스가 각각 별도의 경로를 통해서 2 갈래씩 총 4 갈래로 교차 분지되어 상기 상부 환형 유로(43)로 더욱 균등하게 유입될 수 있다. 그러나, 이에 반드시 국한되지 않고, 매우 다양한 경로를 통해 상기 상부 환형 유로(43)로 유입되게 할 수 있다.
도 10은 도 1의 ALD 박막 증착 장치(100)의 경사 유로(42)를 나타내는 평면도이고, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(600)의 경사 유로(42)를 나타내는 평면도이고, 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 장치(700)의 하부 환형 유로(41)를 나타내는 평면도이다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 예컨대, 상기 하부 환형 유로(41)는, 상기 중심 유로(32)의 축을 중심으로 일정한 거리에 형성되는 전체적으로 원형인 원형링 유로(411)일 수 있다. 그러나, 이에 반드시 국한되지 않고, 공정 환경이나 장비 환경 등에 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 하부 환형 유로(41)는 상기 중심 유로(32)의 축을 중심으로 일정한 거리에 형성되는 부분적으로 원형인 부분링 유로(412)일 수 있다.
또한, 예컨대, 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 경사 유로(42)는, 상기 중심 유로(32)를 기준으로 방사 형태로 배치되는 일자형 직선 유로(421)일 수 있다. 그러나, 이에 반드시 국한되지 않고, 공정 환경이나 장비 환경 등에 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 중심 유로(32)를 기준으로 방사 형태로 배치되고, 가스를 보다 균일하게 분산시킬 수 있도록 복수개(도면에서는 2 갈래)로 분지된 형태의 분지 유로(422)일 수 있다
여기서, 이러한 상기 유로들의 형상은 공정 종류 및 사용되는 가스에 따라 최소 요구되는 퍼지 시간 및 퍼지 속도가 다르기 때문에 각 케이스 마다 짧은 퍼지시간을 유지하고 박막의 공정 산포를 좋게 하기 위하여 예컨대, 도6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예 중에서 선택적으로 적용될 수 있다.
이하에서는 전술한 ALD 박막 증착 장치(100)(200)(300)(400)(500)(600)(700)들을 이용한 ALD 박막 증착 방법에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
예를 들어, 상술된 바와 같이, 본 발명의 일 실시에에 따른 ALD 박막 증착 방법은 상기 이너 존 가스 공급부(30)를 이용하여 상기 제 1 소스 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 아우터 존 가스 공급부(40)를 이용하여 상기 제 2 소스 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 소스 가스 공급 단계와, 상기 제1 소스 가스 및 상기 제2 소스 가스를 퍼지하기 위한 소스가스 퍼지 단계, 상기 이너 존 가스 공급부(30)를 이용하여 상기 제 1 반응 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 아우터 존 가스 공급부(40)를 이용하여 상기 제 2 반응 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 반응 가스 공급 단계와, 상기 제1 반응 가스 및 상기 제2 반응 가스를 퍼지하기 위한 반응가스 퍼지 단계를 포함할 수 있다.
이러한 소스 공급 단계에서, 제 1 소스 가스와 제 2 소스 가스는 동시에 공급되거나, 또는 이 순서 또는 그 역순으로 순차적으로 공급될 수 있다. 또한, 이러한 반응 가스 공급 단계에서 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스는 동시에 공급되거나, 또는 이 순서 또는 그 역순으로 순차적으로 공급될 수 있다.
예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법은, 크게 가스 공급량 설정 단계(S11)와, 이너 존/아우터 존 소스 가스 동시 공급 단계(S12)와, 소스가스 퍼지 단계(S13)와, 이너 존/아우터 존 반응 가스 동시 공급 단계(S14) 및 반응가스 퍼지 단계(S15)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 이너 존/아우터 존 소스 가스 동시 공급 단계(S12)와, 상기 이너 존/아우터 존 반응 가스 동시 공급 단계(S14)에서 이너 존과 아우터 존에는 각각 소스 가스와 반응 가스가 동시에 공급될 수 있다.
나아가, 제 1 소스 가스와 제 2 소스 가스의 가스 공급량은 별도로 제어될 수 있고, 예컨대 박막의 균일성을 높이기 위해서 아우터 존으로 공급되는 제 2 소스 가스의 가스 공급량을 이너 존으로 공급되는 제 1 소스 가스의 가스 공급량보다 크게 할 수 있다. 또한, 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스의 가스 공급량은 별도로 제어될 수 있고, 예컨대 박막의 균일성을 높이기 위해서 아우터 존으로 공급되는 제 2 반응 가스의 가스 공급량을 이너 존으로 공급되는 제 1 반응 가스의 가스 공급량보다 크게 할 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 가스 공급량 설정 단계(S11)는 상기 이너 존 가스 공급부(30)의 상기 제 1 소스 가스와 상기 제 1 반응 가스 및 상기 제 1 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하고, 상기 아우터 존 가스 공급부(40)의 상기 제 2 소스 가스와 상기 제 2 반응 가스 및 상기 제 2 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하는 단계일 수 있다.
도 13은 도 1의 ALD 박막 증착 방법을 나타내는 그래프이다.
이어서, 상기 이너 존/아우터 존 소스 가스 동시 공급 단계(S12)는, 도 13의 실선으로 예시된 바와 같이, 상기 이너 존 가스 공급부(30)를 이용하여 상기 제 1 소스 가스를 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)으로 공급하는 동시에, 도 13의 점선으로 예시된 바와 같이, 상기 아우터 존 가스 공급부(40)를 이용하여 상기 제 2 소스 가스를 상기 기판(1)의 상기 아우터 존(Z2)으로 공급할 수 있다.
도 13의 “Purge Gas”그래프로 예시된 바와 같이, 상기 소스가스 퍼지 단계(S13)는, 상기 제1 소스가스 및 상기 제2 소스가스가 공급되는 동안 지속적으로 공급될 수 있다.
이어서, 상기 이너 존/아우터 존 반응 가스 동시 공급 단계(S14)는, 도 13의 일점 쇄선으로 예시된 바와 같이, 상기 이너 존 가스 공급부(30)를 이용하여 상기 제 1 반응 가스를 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)으로 공급하는 동시에, 도 13의 이점 쇄선으로 예시된 바와 같이, 상기 아우터 존 가스 공급부(40)를 이용하여 상기 제 2 반응 가스를 상기 기판(1)의 상기 아우터 존(Z2)으로 공급하는 단계일 수 있다.
이어서, 도 13의 “Purge Gas”그래프로 예시된 바와 같이, 상기 반응가스 퍼지 단계(S15)는, 상기 제1 반응가스 및 상기 제2 반응가스가 공급되는 동안 지속적으로 공급될 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른ALD 박막 증착 방법을 나타내는 그래프이다.
도 2 및 도 14에 도시된 바와 같이, 상술된 본 발명의 여러 실시예들에 따른 ALD 박막 증착 장치(100)(200)(300)(400)(500)(600)(700)들을 이용한 ALD 박막 증착 방법은 상술된 상기 공정 챔버(10), 상기 기판 지지부(20), 상기 이너 존 가스 공급부(30), 상기 아우터 존 가스 공급부(40)를 포함하는 ALD 박막 증착 장치(100)를 이용한 ALD 박막 증착 방법으로서, 크게 공급량 설정 단계(S21)와, 이너 존/아우터 존 소스 가스 순차 공급 단계(S22)와, 소스가스 퍼지 단계(S23)와, 이너 존/아우터 존 반응 가스 순차 공급 단계(S24) 및 반응가스 퍼지 단계(S25)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 이너 존/아우터 존 소스 가스 순차 공급 단계(S22)와, 상기 이너 존/아우터 존 반응 가스 순차 공급 단계(S24)에서 먼저 이너 존에 제 1 소스 가스가 공급된 후, 나중에 아우터 존에 제 2 소스 가스가 순차적으로 공급될 수 있고, 이너 존에 제 1 반응 가스가 공급된 후, 나중에 아우터 존에 제 2 반응 가스가 순차적으로 공급될 수 있다.
여기서, 상기 가스 공급량 설정 단계(S21)는 상기 이너 존 가스 공급부(30)의 상기 제 1 소스 가스와 상기 제 1 반응 가스 및 상기 제 1 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하고, 상기 아우터 존 가스 공급부(40)의 상기 제 2 소스 가스와 상기 제 2 반응 가스 및 상기 제 2 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하는 단계일 수 있다.
이어서, 상기 이너 존/아우터 존 소스 가스 순차 공급 단계(S22)는, 도 14의 실선으로 예시된 바와 같이, 상기 이너 존 가스 공급부(30)를 이용하여 상기 제 1 소스 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고, 도 14의 점선으로 예시된 바와 같이, 그 이전 또는 그 이후에 상기 아우터 존 가스 공급부를 이용하여 상기 제 2 소스 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 순차적으로 공급하는 단계일 수 있다.
이어서, 도 14의 “Purge Gas”그래프로 예시된 바와 같이, 상기 소스 가스 퍼지 단계(S23)는, 상기 제1 소스가스 및 상기 제2 소스가스가 공급되는 동안 지속적으로 공급될 수 있다.
이어서, 상기 반응 가스 순차 공급 단계(S24)는, 도 14의 일점 쇄선으로 예시된 바와 같이, 상기 이너 존 가스 공급부(30)를 이용하여 상기 제 1 반응 가스를 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)으로 공급하고, 도 12의 이점 쇄선으로 예시된 바와 같이, 그 이전 또는 그 이후에 상기 아우터 존 가스 공급부(40)를 이용하여 상기 제 2 반응 가스를 상기 기판(1)의 상기 아우터 존(Z2)으로 순차적으로 공급하는 단계일 수 있다.
이어서, 도 14의 “Purge Gas”그래프로 예시된 바와 같이, 상기 반응가스 퍼지 단계(S25)는, 상기 제1 반응가스 및 상기 제2 반응가스가 공급되는 동안 지속적으로 공급될 수 수 있다.
또한, 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ALD 박막 증착 방법은, 크게 가스 공급량 설정 단계(S31)와, 아우터 존/이너 존 소스 가스 순차 공급 단계(S32)와, 퍼지 가스 공급 단계(S33)와, 아우터 존/이너 존 반응 가스 순차 공급 단계(S34) 및 퍼지 가스 공급 단계(S35)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 아우터 존/이너 존 소스 가스 순차 공급 단계(S32)와, 상기 아우터 존/이너 존 반응 가스 순차 공급 단계(S34)에서 먼저 아우터 존에 제 1 소스 가스가 공급된 후, 나중에 이너 존에 제 2 소스 가스가 순차적으로 공급될 수 있고, 아우터 존에 제 1 반응 가스가 공급된 후, 나중에 이너 존에 제 2 반응 가스가 순차적으로 공급될 수 있다.
그러므로, 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)과 상기 아우터 존(Z2)에 각각 독립적으로 가스들을 공급할 수 있어서 상기 기판(1)의 상기 이너 존(Z1)과 상기 아우터 존(Z2) 간의 공정 편차를 줄여서 패턴 형성의 정밀도와 신뢰도를 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 동일한 공정 챔버를 이용하여 보다 넓은 프로세서 윈도우(process window)를 가짐으로써 공정 마진을 넓혀서 낮은 선택비는 물론이고, 높은 선택비가 요구되는 다양한 종류의 기판에 대한 대응을 가능하게 할 수 있다.
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.
1: 기판
10: 공정 챔버
20: 기판 지지부
30: 이너 존 가스 공급부
31: 샤워 헤드
32: 중심 유로
40: 아우터 존 가스 공급부
41: 하부 환형 유로
42: 경사 유로
43:상부 환형 유로
70: 영역 구획 격벽
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700: ALD 박막 증착 장치

Claims (10)

  1. 박막을 증착하기 위한 반응 공간이 형성되는 공정 챔버, 상기 공정 챔버에 설치되고 기판을 지지하는 기판 지지부, 상기 기판의 이너 존(inner zone)으로 제 1 소스 가스와 제 1 반응 가스 및 제 1 퍼지 가스를 공급하는 이너 존 가스 공급부, 상기 기판의 상기 이너 존을 둘러싸는 외측 영역인 상기 기판의 아우터 존(outer zone)으로 제 2 소스 가스와 제 2 반응 가스 및 제 2 퍼지 가스를 공급하는 아우터 존 가스 공급부를 포함하는 ALD 박막 증착 장치를 이용한 ALD 박막 증착 방법에 있어서,
    상기 제 1 소스 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 제 2 소스 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 소스 가스 공급 단계;
    상기 제 1 소스 가스 및 상기 제 2 소스 가스를 퍼지하기 위한 소스가스 퍼지 단계;
    상기 제 1 반응 가스를 상기 기판의 상기 이너 존으로 공급하고 상기 제 2 반응 가스를 상기 기판의 상기 아우터 존으로 공급하는 반응 가스 공급 단계; 및
    상기 제 1 반응 가스 및 상기 제 2 반응 가스를 퍼지하기 위한 반응가스 퍼지 단계;
    를 포함하는, ALD 박막 증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 소스 가스의 공급과 상기 제 2 소스 가스의 공급은 동시에 수행되는, ALD 박막 증착 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 소스 가스의 공급과 상기 제 2 소스 가스의 공급은 이 순서 또는 그 역순으로 순차적으로 수행되는, ALD 박막 증착 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 반응 가스의 공급과 상기 제 2 반응 가스의 공급은 동시에 수행되는, ALD 박막 증착 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스 공급 단계에서, 상기 제 1 반응 가스의 공급과 상기 제 2 반응 가스의 공급은 이 순서 또는 그 역순으로 순차적으로 수행되는, ALD 박막 증착 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 가스 공급 단계 이전에,
    상기 이너 존 가스 공급부의 상기 제 1 소스 가스와 상기 제 1 반응 가스 및 상기 제 1 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하고, 상기 아우터 존 가스 공급부의 상기 제 2 소스 가스와 상기 제 2 반응 가스 및 상기 제 2 퍼지 가스 각각의 가스 공급량을 독립적으로 설정하는 가스 공급량 설정 단계;
    를 포함하는, ALD 박막 증착 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 소스 가스의 가스 공급량은 상기 제 1 소스 가스의 공급량보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 ALD 박막 증착 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 반응 가스의 가스 공급량은 상기 제 1 반응 가스의 공급량보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 ALD 박막 증착 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 가스 공급 단계에서,
    상기 제 1 소스 가스는 중심 유로를 따라 수직으로 배출되는, ALD 박막 증착 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 소스 가스 공급 단계에서,
    상기 제 2 소스 가스는 상기 중심 유로를 둘러싸는 형상으로 형성되는 상부 환형 유로를 따라 1차 분산되고, 경사 유로를 따라 2차 분산되며, 하부 환형 유로를 따라 3차 분산되어 가스 배출구로 배출되는, ALD 박막 증착 방법.
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