KR102534502B1 - 반도체 디바이스 중의 가스 분배기 및 반도체 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 디바이스 중의 가스 분배기를 제공한다. 이의 분배기 본체 내에서 제1 흡기관로의 배기단은 가스 분배관로 세트의 흡기구와 연통된다. 복수의 제1 배기관로의 흡기단은 일대일 대응하도록 가스 분배관로 세트의 복수의 배기구와 연통된다. 상기 분배기 본체 내의 가스 분배 캐비티는 가스 분배관로 세트 상방에 위치하며 제1 흡기관로를 감싸도록 설치된다. 가스 분배 캐비티의 높이는 제1 흡기관로에 근접한 내주 에지로부터 제1 흡기관로에서 먼 외주 에지까지 점차 감소한다. 제2 흡기관로의 배기단은 가스 분배 캐비티의 흡기구와 연통된다. 복수의 제2 배기관로의 흡기단은 일대일 대응하도록 가스 분배 캐비티의 복수의 배기구와 연통된다. 제1 배기관로와 제2 배기관로는 교차 설치되며 이들 둘의 배기단은 모두 분배기 본체의 배기단면 상에 위치한다. 본 발명은 반도체 디바이스를 더 제공한다. 본 발명은 박막 증착의 균일성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 디바이스 중의 가스 분배기 및 반도체 디바이스
본 발명은 반도체 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 디바이스 중의 가스 분배기 및 반도체 디바이스에 관한 것이다.
원자층 증착 기술은 단일 원자층의 형태로 기판에 한 층씩 흡착하는 박막 제조 기술로, 원자층 증착 기술은 크게 두 가지 반응 과정을 포함한다. 첫 번째 반응 과정은, 제1 반응 전구체가 반응 챔버에 들어가며 기판에 충분히 흡착되어 포화 상태에 도달하는 것이다. 그 후 퍼지 가스가 반응 챔버에 들어가 나머지 반응 전구체 및 부생성물을 제거한다. 두 번째 반응 과정은, 제2 반응 전구체가 반응 챔버에 들어가며 기판 표면에 이미 흡착된 그룹과 반응하여 반응 부생성물을 방출하는 것이다. 포화 흡착이 형성된 후 퍼지 가스가 반응 챔버에 들어가 나머지 반응 전구체 및 그 부생성물을 제거한다.
도 1은 종래의 원자층 증착 디바이스의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(1)에는 베이스(3) 및 가스 분배기(4)가 설치된다. 상기 가스 분배기(4)에는 가스 분배관로(6)가 형성된다. 종래의 가스 분배관로(6)의 구체적인 구조는 도 2에 도시된 바와 같다. 상기 가스 분배관로(6)에서 4개의 주요 분배관로(8, 9, 10 및 11)의 내단은 함께 연결되며 서로 연통된다. 각 주요 분배관로의 양측에는 모두 분배 분기로가 설치되며, 구체적으로 분배 분기로 8-1 내지 8-8, 분배 분기로 9-1 내지 9-8, 분배 분기로 10-1 내지 10-8 및 분배 분기로 11-1 내지 11-8을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각 분배 분기로 하방에는 모두 균일하게 복수의 배기관로(7)가 분포된다. 원자층 증착 공정을 수행할 때, 가스 소스에서 공급하는 가스는 흡기관로(5)를 통해 가스 분배관로(6)로 유입된다. 또한 가스 분배관로(6)에서 확산된 후, 각 배기관로(7)를 경유해 증착할 박막의 기판(2) 상에 균일하게 분사된다.
현재 이중층의 상술한 가스 분배관로(6)를 구비한 가스 분배기를 채택하는 방안도 있다. 이중층의 가스 분배관로(6)는 두 가지 반응 가스를 각각 이송하는 데 사용된다. 여기에서 상술한 가스 분배관로(6)는 NH3, O2, Ar 및 N2와 같이 확산이 용이하고 퍼지가 용이한 반응 가스의 신속한 이송과 퍼지를 구현하기가 용이하다. 그러나 기화된 H2O, TMA, TiCl4, PDMAT 등과 같이 비교적 점성이 있고 응축되기 쉬우며 퍼지가 용이하지 않은 반응 가스의 경우, 이러한 가스는 상술한 가스 분배관로(6)를 사용할 경우, 관로 내에 잔류되기 매우 쉽다. 따라서 배기관로(7)의 배기구 주위에 화학 기상 증착이 일어나 박막을 형성하며, 상술한 가스 분배관로(6)의 중간 영역은 에지 영역보다 잔류 가스가 더 많기 때문에, 기판 상에 증착된 박막은 중간이 얇고 에지는 두꺼워지는 현상이 나타난다. 도 3은 종래의 가스 분배기를 기반으로 증착된 박막의 두께 분포도이다. 도 3에서 알 수 있듯이, 박막의 두께 균일성이 비교적 떨어진다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 존재하는 기술적 문제를 적어도 해결하기 위해, 반도체 디바이스 중의 가스 분배기 및 반도체 디바이스를 제공하는 데에 있다.
상술한 목적을 구현하기 위해, 본 발명은 반도체 디바이스 중의 가스 분배기를 제공한다. 여기에는 분배기 본체가 포함된다. 상기 분배기 본체는 배기단면을 구비한다. 상기 분배기 본체 내에는 가스 분배관로 세트, 제1 흡기관로 및 복수의 제1 배기관로가 포함된다. 여기에서 상기 제1 흡기관로의 배기단은 상기 가스 분배관로 세트의 흡기구와 연통된다. 상기 복수의 제1 배기관로의 흡기단은 일대일 대응하도록 상기 가스 분배관로 세트의 복수의 배기구와 연통된다.
상기 분배기 본체 내에는,
가스 분배 캐비티, 제2 흡기관로 및 복수의 제2 배기관로가 더 설치된다. 여기에서 상기 가스 분배 캐비티는 상기 가스 분배관로 세트 상방에 위치하며 상기 제1 흡기관로를 감싸도록 설치된다. 상기 가스 분배 캐비티의 높이는 상기 제1 흡기관로에 근접한 내주 에지로부터 상기 제1 흡기관로에서 먼 외주 에지까지 점차 감소한다. 상기 제2 흡기관로의 배기단은 상기 가스 분배 캐비티의 흡기구와 연통된다. 상기 복수의 제2 배기관로의 흡기단은 일대일 대응하도록 상기 가스 분배 캐비티의 복수의 배기구와 연통된다. 상기 제1 배기관로와 상기 제2 배기관로는 교차 설치되며 이들 둘의 배기단은 모두 상기 분배기 본체의 배기단면 상에 위치한다.
선택적으로, 상기 가스 분배 캐비티는 상기 내주 에지 지점에서의 높이가 2mm 내지 4mm이다. 상기 가스 분배 캐비티는 상기 외주 에지 지점에서의 높이가 0.5mm 내지 1mm이다.
선택적으로, 상기 가스 분배관로 세트는 복수의 메인 관로를 포함한다. 복수의 상기 메인 관로는 상기 제1 흡기관로로부터 상기 제1 흡기관로에서 멀어지는 상이한 방향을 따라 방사상으로 분포된다. 복수의 상기 메인 관로의 상기 제1 흡기관로에 근접한 일단은 모두 상기 제1 흡기관로의 배기단과 연통된다.
상기 가스 분배관로 세트는 복수의 분기로 세트를 더 포함한다. 각 상기 분기로 세트는 각 상기 메인 관로와 일대일 대응하도록 설치된다. 각 상기 분기로 세트는 모두 대응하는 상기 메인 관로의 양측에 설치되며 대응하는 상기 메인 관로와 소정 협각을 이루는 복수의 분기로를 포함한다. 각 상기 분기로 세트 중 상기 메인 관로 동일측에 위치한 복수의 상기 분기로는 상기 메인 관로의 연장 방향을 따라 이격 배치된다. 각 상기 분기로의 상기 메인 관로에 근접한 일단은 상기 메인 관로와 연통된다. 상기 가스 분배관로 세트의 복수의 배기구는 상기 복수의 분기로 상에 설치된다.
선택적으로, 상기 가스 분배관로 세트는 적어도 하나의 연결관로를 더 포함한다.
상기 연결관로 및 그 연장 궤도와 서로 교차하는 상기 메인 관로 및/또는 상기 분기로는 서로 연통된다.
선택적으로, 각 상기 연결관로는 모두 링형 관로이다. 상기 링형 관로는 복수개이다. 상기 제1 흡기관로의 반경 방향 단면 상에서, 복수의 상기 링형 관로의 정투영의 내경은 상이하며, 상기 제1 흡기관로의 축선의 정투영을 원심으로 동심 설치된다. 임의 인접한 2개의 상기 링형 관로의 정투영 사이의 반경 방향 거리는 동일하다. 또한 각 상기 분기로 상의 상기 배기구는 모두 상기 분기로와 상기 연결관로가 서로 교차하는 지점에 위치한다.
선택적으로, 상기 메인 관로의 상기 제1 흡기관로에 근접한 일단으로부터 상기 제1 흡기관로에서 먼 타단까지 상기 메인 관로의 내경은 점차 감소한다. 상기 분기로의 상기 메인 관로에 근접한 일단으로부터 상기 메인 관로에서 먼 일단까지 상기 분기로의 내경은 점차 감소한다.
선택적으로, 임의 인접한 2개의 상기 메인 관로 사이의 모든 분기로는 서로 평행하다.
선택적으로, 동일한 상기 분기로 세트 중 상기 메인 관로 양측에 위치한 상기 분기로는 대칭 설치된다.
선택적으로, 상기 제2 흡기관로는 상기 제1 흡기관로를 감싸도록 설치된 링형 흡기관로이다.
상응하도록, 본 발명은 반도체 디바이스를 더 제공하며, 여기에는 상술한 가스 분배기가 포함된다. 상기 제1 흡기관로의 흡기단은 제1 반응 가스 공급 장치와 연통하는 데 사용된다. 상기 제2 흡기관로의 흡기단은 제2 반응 가스 공급 장치와 연통하는 데 사용된다. 상기 제1 반응 가스 공급 장치는 제1 반응 가스를 공급하는 데 사용된다. 상기 제2 반응 가스 공급 장치는 제2 반응 가스를 공급하는 데 사용된다. 상기 제1 반응 가스의 확산 계수는 상기 제2 반응 가스의 확산 계수보다 크다.
선택적으로, 상기 분배기 본체 상에 설치된 흡기 블록을 더 포함한다. 상기 흡기 블록 내에는 제1 이송 채널 및 제2 이송 채널이 설치된다. 상기 제1 이송 채널은 상기 제1 흡기관로와 상기 제1 반응 가스 공급 장치를 연통시키는 데 사용된다. 상기 제2 이송 채널은 상기 제2 흡기관로와 상기 제2 반응 가스 공급 장치를 연통시키는 데 사용된다.
상기 흡기 블록과 상기 분배기 본체 사이에는 제1 밀봉링 및 상기 제1 밀봉링을 감싸는 제2 밀봉링이 설치된다. 상기 제1 이송 채널과 상기 제1 흡기관로의 연결 지점은 상기 제1 밀봉링 내측에 위치한다. 상기 제2 이송 채널과 상기 제2 흡기관로의 연결 지점은 상기 제1 밀봉링과 상기 제2 밀봉링 사이에 위치한다.
본 발명의 실시예에서 제공하는 반도체 디바이스 중의 가스 분배기를 이용하여 박막 증착을 수행할 때, 확산 및 퍼지가 용이한 반응 가스의 경우, 이를 제1 흡기관로로부터 가스 분배관로 세트로 붓는다. 반응 가스는 가스 분배관로 세트를 거쳐 분배된 후 각 제1 배기관로로부터 이송되어 나간다. 점성이 있고 응축되기 쉬우며 퍼지가 용이하지 않은 반응 가스의 경우, 이를 제2 흡기관로로부터 가스 분배 캐비티로 붓는다. 이러한 반응 가스는 가스 분배 캐비티 내에서 확산된 후 각 제2 배기관로로부터 이송되어 나간다. 가스 분배 캐비티는 종래의 가스 분배관로에 비해 가스 확산에 더욱 유리하고 잔류물이 쉽게 발생하지 않는다. 이는 가스 분배 캐비티 중의 가스가 관로 내에 남은 가스로 인해 배기구에서 화학 기상 증착을 발생시키는 현상을 방지할 수 있다. 따라서 가스 분배 캐비티 중 상이한 영역의 가스를 각 제2 배기관로를 통해 균일하게 유출시킬 수 있으므로, 기판 상에서 박막 증착의 균일성을 향상시킬 수 있다. 동시에, 가스 분배 캐비티의 높이가 제1 흡기관로에 근접한 내주 에지로부터 제1 흡기관로에서 먼 외주 에지까지 점차 감소하도록 만들어, 가스 분배 캐비티의 부피를 내부에서 외부로 점진 감소시킬 수 있다. 따라서 가스 분배 캐비티 중의 가스 압력이 균형을 이루도록 보장할 수 있으며, 나아가 가스 확산 속도를 향상시키는 데 도움이 된다. 또한 가스 분배 캐비티는 일체형 캐비티로 사각 지대가 존재하지 않는다. 따라서 반응 가스 잔류물이 쉽게 발생하지 않으므로 가스 분배기의 청소가 용이하고 가스 분배기의 사용 수명이 향상된다.
첨부 도면은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위한 것으로 명세서의 일부분을 구성한다. 이하의 구체적인 실시방식을 함께 참조하여 본 발명을 해석하나 이는 본 발명을 제한하지 않는다. 첨부 도면은 하기와 같다.
도 1은 종래의 원자층 증착 디바이스에서 개략도이다.
도 2는 종래의 가스 분배기 중의 가스 분배관로의 개략도이다.
도 3은 종래의 가스 분배기 기반으로 증착한 박막의 두께 분포도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 제공하는 가스 분배기의 평면도이다.
도 5는 도 4의 A-A'선을 따르는 단면도이다.
도 6은 도 4의 B-B'선을 따르는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제공하는 가스 분배관로 세트의 구조도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 제공하는 반도체 디바이스의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 제공하는 반도체 디바이스 증착의 박막 두께 분포도이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시방식을 상세하게 설명한다. 본원에 설명된 구체적인 실시방식은 본 발명을 설명하고 해석하기 위한 것으로, 본 발명을 제한하지 않음에 유의한다.
제1 양상에 있어서, 본 발명의 실시예는 반도체 디바이스 중의 가스 분배기를 제공한다. 선택적으로 반도체 디바이스는 박막 증착 디바이스이다. 도 4는 본 발명의 실시예에서 제공하는 가스 분배기의 평면도이다. 도 5는 도 4의 A-A'선을 따르는 단면도이다. 도 6은 도 4의 B-B'선을 따르는 단면도이다. 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 가스 분배기는 분배기 본체(110)를 포함한다. 상기 분배기 본체(110)는 배기단면(111)을 구비한다. 분배기 본체(110) 내에는 가스 분배관로 세트(120), 제1 흡기관로(130) 및 복수의 제1 배기관로(140)가 포함된다. 여기에서 제1 흡기관로(130)의 배기단은 가스 분배관로 세트(120)의 흡기구와 연통된다. 복수의 제1 배기관로(140)의 흡기단은 일대일 대응하도록 가스 분배관로 세트(120)의 복수의 배기구와 연통된다. 또한 분배기 본체(110) 내에는 가스 분배 캐비티(150)(도 5 및 도 6에서 음영 영역으로 도시), 제2 흡기관로(160) 및 복수의 제2 배기관로(170)가 더 설치된다. 여기에서 가스 분배 캐비티(150)는 가스 분배관로 세트(120) 상방에 위치하며 제1 흡기관로(130)를 감싸도록 설치된다. 제2 흡기관로(160)의 배기단은 가스 분배 캐비티(150)의 흡기구와 연통된다. 복수의 제2 배기관로(170)의 흡기단은 일대일 대응하도록 가스 분배 캐비티(150)의 복수의 배기구와 연통된다. 제1 배기관로(140)와 제2 배기관로(170)는 교차 설치되며 이들 둘의 배기단은 모두 분배기 본체(110)의 배기단면(111) 상에 위치한다. 가스 분배 캐비티(150)가 가스 분배관로 세트(120) 상방에 위치한다는 것은, 가스 분배 캐비티(150)가 가스 분배관로 세트(120)의 배기단면(111)에서 먼 일측에 위치한다는 것임을 이해해야 한다.
가스 분배 캐비티(150)는 제1 흡기관로(130)를 감싸는 캐비티이다. 상기 캐비티는 연속적인 일체형 캐비티 구조이다. 가스 분배 캐비티(150)에는 가스 유동에 영향을 미치는 구조 부재를 설치하지 않는다. 가스 분배 캐비티는 종래의 가스 분배관로에 비해 가스 확산에 더욱 유리하고 잔류물이 쉽게 발생하지 않는다. 점성이 있고 응축되기 쉬우며 퍼지가 용이하지 않은 반응 가스의 경우, 가스 분배 캐비티 중의 가스가 관로 내에 남은 가스로 인해 배기구에서 화학 기상 증착을 발생시키는 현상을 방지할 수 있다. 따라서 가스 분배 캐비티 중 상이한 영역의 가스를 각 제2 배기관로를 통해 균일하게 유출시킬 수 있으므로, 기판 상에서 박막 증착의 균일성을 향상시킬 수 있다.
선택적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 가스 분배 캐비티(150)의 흡기구는 가스 분배 캐비티(150)의 내주 에지에 근접한 지점에 위치한다. 이는 가스가 가스 분배 캐비티(150)의 내주 에지에 근접한 위치로부터 외주 에지를 향해 확산되도록 만들 수 있다.
가스 분배 캐비티(150)의 높이는 제1 흡기관로(130)에 근접한 내주 에지로부터 제1 흡기관로(130)에서 먼 외주 에지까지 점차 감소한다. 이는 가스 분배 캐비티의 부피를 내부에서 외부로 점진 감소시킬 수 있다. 따라서 가스 분배 캐비티 중의 가스 압력이 균형을 이루도록 보장할 수 있으며, 나아가 가스 확산 속도를 향상시키는 데 도움이 된다. 가스 분배 캐비티(150)의 높이는 가스 분배 캐비티(150)의 그 축방향 상에서의 치수이거나, 가스 분배 캐비티(150)의 꼭대기면과 바닥면 사이의 수직 간격임을 이해해야 한다.
본 발명의 실시예에서 제공하는 가스 분배기는 반응 챔버 내의 기판을 향해 반응 가스를 이송시키는 데 사용된다. 여기에서 본 발명의 실시예는 가스 분배관로 세트(120)의 구조를 구체적으로 한정하지 않는다. 예를 들어, 반응 가스를 반응 챔버의 각 위치로 신속하고 균일하게 이송시키기 위해, 가스 분배관로 세트(120)는 도 2와 동일하거나 유사한 망상 관로 구조를 채택할 수 있다. 박막 증착을 수행할 때, 확산 및 퍼지가 용이한 반응 가스(예를 들어, NH3, O2, Ar 및 N2 등)의 경우, 이를 제1 흡기관로(130)로부터 가스 분배관로 세트(120)로 붓는다. 상기 반응 가스는 가스 분배관로 세트(120)를 거쳐 분배된 후 각 제1 배기관로(140)로부터 이송되어 나간다.
점성이 있고 응축되기 쉬우며 퍼지가 용이하지 않은 반응 가스(예를 들어, 기화된 H2O, TMA, TiCl4, PDMAT 등)의 경우, 이를 제2 흡기관로(160)를 거쳐 가스 분배 캐비티(150)로 붓는다. 이러한 반응 가스는 가스 분배 캐비티(150) 내에서 확산된 후 각 제2 배기관로(170)로부터 이송되어 나간다. 도 2의 가스 분배관로(6)에 비해, 가스 분배 캐비티(150)가 가스 확산에 더욱 유리하고 잔류물이 쉽게 발생하지 않으므로, 이는 가스 분배 캐비티 중의 가스가 관로 내에 남은 가스로 인해 배기구에서 화학 기상 증착을 발생시키는 현상을 방지할 수 있다. 따라서 가스 분배 캐비티(150) 중 상이한 영역의 가스를 각 제2 배기관로(170)를 통해 균일하게 유출시킬 수 있으므로, 기판 상에서 박막 증착의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한 가스 분배 캐비티(150)는 일체형 캐비티로 사각 지대가 존재하지 않는다. 따라서 반응 가스 잔류물이 쉽게 발생하지 않으므로 가스 분배기의 청소가 용이하고 가스 분배기의 사용 수명이 향상된다.
가스 분배기에서 이송되는 가스의 균일성을 향상시키기 위해, 제1 배기관로(140) 및 제2 배기관로(170)는 분배기 본체(110) 내에 균일하게 분포된다. 따라서 이들 둘의 배기단을 분배기 본체의 배기단면(111)에 대해 균일하게 분포시킬 수 있다. 또한 제1 배기관로(140)와 제2 배기관로(170)의 내경은 동일하다. 구체적으로, 제1 배기관로(140)와 제2 배기관로(170)의 내경은 모두 0.5mm 내지 1mm이다. 바람직하게는, 제1 배기관로(140)와 제2 배기관로(170)의 내경은 모두 1mm이다.
일부 실시예에 있어서, 가스 분배 캐비티(150)는 그 내주 에지 지점에서의 높이가 2mm 내지 4mm이고, 가스 분배 캐비티(150)는 그 외주 에지 지점에서의 높이가 0.5mm 내지 1mm이다. 바람직하게는, 가스 분배 캐비티(150)는 그 내주 에지 지점에서의 높이가 3mm이고, 그 외주 에지 지점에서의 높이가 1mm이다. 여기에서 가스 분배 캐비티(150)의 바닥면은 가스 분배기의 배기단면(111)과 대체적으로 평행할 수 있다. 가스 분배 캐비티(150)의 꼭대기면과 상술한 바닥면 사이의 수직 간격은 제1 흡기관로(130)에 근접한 내주 에지로부터 제1 흡기관로(130)에서 먼 외주 에지까지 점진적으로 감소한다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 일부 실시예에 있어서, 제2 흡기관로(160)는 제1 흡기관로(130)를 감싸도록 설치된 링형 흡기관로이다. 즉, 제2 흡기관로(160)는 상술한 배기단면(111)에 평행한 횡단면 형상이 링형이다. 이에 대응하여, 가스 분배 캐비티(150)의 흡기구는 링형 흡기구이다. 이처럼 상기 링형 흡기구로부터 가스 분배 캐비티(150)로 유입되는 가스가 외주 에지를 향해 확산되는 거리를 동일하게 만들 수 있어, 가스 유동 균일성을 향상시키는 데 도움이 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제공하는 가스 분배관로 세트의 구조도이다. 도 4, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 가스 분배관로 세트(120)는 복수의 메인 관로(121) 및 복수의 메인 관로를 포함한다. 여기에서 복수의 메인 관로(121)는 제1 흡기관로(130)로부터 상기 제1 흡기관로(130)에서 멀어지는 상이한 방향을 따라 방사상으로 분포된다. 예를 들어, 제1 흡기관로(130)의 반경 방향 단면 상에서, 복수의 메인 관로(121)는 상기 제1 흡기관로(130)의 축선의 정투영을 중심으로, 제1 흡기관로(130)의 상이한 반경 방향을 따라 방사상으로 분포된다. 또한 복수의 메인 관로(121)의 내단(즉, 제1 흡기관로(130)에 근접한 일단)은 모두 제1 흡기관로(130)의 배기단과 연통된다. 제1 흡기관로(130)에서 유출되는 가스는 동시에 각 메인 관로(121)를 향해 확산될 수 있다. 메인 관로(121)의 수량은 예를 들어 3 내지 6개이며, 제1 흡기관로(130)의 원주 방향을 따라 균일하게 분포된다.예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 메인 관로(121)의 수량은 4개이며, 각 인접한 2개의 메인 관로(121)는 서로 수직을 이룬다.각 분기로 세트와 각 메인 관로(121)는 일대일 대응하도록 설치되며, 각 분기로 세트는 대응하는 메인 관로(121)의 양측에 설치되며 대응하는 메인 관로(121)와 소정 협각을 이루는 복수의 분기로(122)를 포함한다. 또한 각 분기로 세트 중 메인 관로(121) 동일측에 위치한 복수의 상기 분기로(122)는 상기 메인 관로(121)의 연장 방향을 따라 이격 배치된다. 선택적으로, 각 분기로 세트 중 메인 관로(121) 동일측에 위치한 복수의 분기로(122)는 서로 평행할 수 있다. 또한 각 분기로(122)의 내단(즉, 메인 관로(121)에 근접한 일단)은 메인 관로(121)와 연통된다. 가스 분배관로 세트(120)의 복수의 배기구는 분기로(122) 상에 설치된 배기구(122a)이며, 도 7에서 검은색의 둥근 점으로 도시한 바와 같다. 여기에서 상술한 소정 협각은 30°, 45° 또는 60° 등 예각일 수 있다.
선택적으로, 임의 인접한 2개의 메인 관로(121) 사이에 위치한 모든 분기로(122)는 모두 서로 평행하다. 즉, 임의 인접한 2개의 메인 관로(121)는 각각 제1 메인 관로 및 제2 메인 관로로 칭한다. 여기에서 제1 메인 관로에 대응하는 분기로 세트 중의 제2 메인 관로 일측에 근접한 복수의 분기로는, 제2 메인 관로에 대응하는 분기로 세트 중의 제1 메인 관로 일측에 근접한 복수의 분기로와 평행하다. 이는 가스 분배관로 세트(120)가 반응 챔버를 향해 균일하게 반응 가스를 이송시키는 데 도움이 된다.인접한 2개의 메인 관로(121) 사이의 복수의 분기로(122)는 바람직하게는 균일하게 분포된다.
선택적으로, 동일한 분기로 세트 중 대응하는 메인 관로(121) 양측에 위치한 분기로(122)는 대칭 설치된다. 예를 들어, 메인 관로(121)의 상이한 측에 위치한 분기로(122)의 내단은 일대일 대응하도록 메인 관로(121)의 동일 위치에 연결된다. 따라서 가스 분배관로 세트(120)가 반응 챔버를 향해 균일하게 반응 가스를 이송시키는 데 도움이 된다. 구체적으로 인접한 2개의 메인 관로(121) 사이에서, 각 인접한 2개의 분기로(122) 사이의 간격은 동일하다. 상기 간격은 예를 들어 모두 21mm가량이다.
또한 메인 관로(121)의 내단(제1 흡기관로(130)에 근접한 일단)으로부터 외단(제1 흡기관로(130)에서 먼 일단)까지, 메인 관로(121)의 내경은 점차 감소한다. 분기로(122)의 내단(메인 관로(121)에 근접한 일단)으로부터 외단(메인 관로(121)에서 먼 일단)까지, 분기로(122)의 내경은 점차 감소한다. 따라서 가스 분배관로 세트(120) 중의 가스 압력이 균형을 이루도록 보장한다. 구체적으로 메인 관로(121) 내단의 내경은 2mm 내지 4mm이고, 메인 관로(121) 외단의 직경은 1mm 내지 2mm이다. 분기로(122) 외단의 내경은 1mm 내지 2mm이다. 분기로(122) 내단의 내경은 메인 관로(121)와 상기 분기로(122) 연결 지점의 내경에 따라 설정한다. 예시적으로 메인 관로(121) 내단의 내경은 2.5mm이며, 메인 관로(121) 외단의 내경과 분기로(122) 외단의 내경은 모두 1.5mm이다.
가스 분배관로 세트(120) 중의 가스 확산 속도를 향상시키고 퍼지 효율을 개선하기 위해, 본 발명 실시예 중의 가스 분배관로 세트(120)는 적어도 하나의 연결관로를 더 포함한다. 상기 연결관로 및 그 연장 궤도와 서로 교차하는 메인 관로(121) 및/또는 분기로(122)는 서로 연통된다.
바람직하게는, 각 연결관로는 모두 링형 관로이며, 상기 링형 관로는 복수개이다. 예를 들어, 도 7은 5개 링형 관로(1231 내지 1235)를 도시하였다. 제1 흡기관로의 반경 방향 단면 상에서, 5개 링형 관로(1231 내지 1235)의 정투영의 내경은 상이하며, 제1 흡기관로(130)의 축선의 정투영을 원심으로 동심 설치된다. 또한 임의 인접한 2개의 링형 관로의 정투영 사이의 반경 방향 거리는 동일하다. 또한 각 분기로(122) 상의 배기구(122a)는 모두 상기 분기로(122)와 연결관로가 서로 교차하는 지점에 위치한다. 도 7에서 알 수 있듯이, 일부 배기구(122a)는 분기로(122)가 링형 관로와는 교차하나 메인 관로(121)와는 교차하지 않는 지점에 위치한다. 일부 배기구(122a)는 분기로(122)가 링형 관로와 교차하는 동시에 메인 관로(121)와 교차하는 지점에 위치한다.
또한 선택적으로 제1 흡기관로(130)의 반경 방향 단면 상에서, 임의 인접한 2개의 링형 관로의 정투형 사이의 반경 방향은 거리가 동일하다. 따라서 반응 가스가 가스 분배관로 세트(120)에서 확산되는 균일성을 더욱 향상시킨다.
도 7은 5개 링형 관로(1231 내지 1235)의 상태를 개략적으로 도시하였으나, 링형 관로의 설치 수량이 다를 수도 있음을 이해해야 한다. 예를 들어 도 7 중 3개의 링형 관로(1231, 1233 및 1235)만 설치할 수도 있다.
제2 양상에 있어서, 본 발명의 실시예는 반도체 디바이스를 더 제공한다. 여기에서 상기 반도체 디바이스는 박막 증착을 수행하는 데 사용될 수 있다. 도 8은 본 발명의 실시예에서 제공하는 반도체 디바이스의 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같아. 반도체 디바이스는 반응 챔버(300) 및 상술한 실시예에 따른 가스 분배기를 포함한다. 가스 분배기는 제1 고정핀(430)을 통해 반응 챔버(300) 꼭대기부에 고정된다. 반응 챔버(300) 내에는 베이스(301)가 더 설치된다. 베이스(301)는 증착할 박막의 기판(302) 운반하는 데 사용된다. 여기에서 가스 분배기의 제1 흡기관로(130)는 제1 반응 가스 공급 장치와 연통하는 데 사용된다. 가스 분배기의 제2 흡기관로(160)의 흡기단은 제2 반응 가스 공급 장치와 연통하는 데 사용된다. 제1 반응 가스 공급 장치는 제1 반응 가스를 제공하는 데 사용된다. 제2 반응 가스 공급 장치는 제2 반응 가스를 제공하는 데 사용된다. 제1 반응 가스의 확산 계수는 제2 반응 가스의 확산 계수보다 크다.
여기에서, 확산 계수는 가스 확산 정도를 나타내는 매개변수이다. 확산 계수가 클수록 가스가 확산 및 퍼지되기 용이함을 나타낸다. 확산 계수가 작을수록 가스가 비교적 점성이 있고 응축되기 쉬우며 퍼지가 용이하지 않음을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 있어서, 확산이 용이하고 쉽게 응축되지 않는 제1 반응 가스를 가스 분배관로 세트(120)에 붓는다. 신속하고 균일하게 가스 분배관로 세트(120)에서 확산시키며, 나아가 반응 챔버(300)의 각 위치에 균일하게 이송한다. 가스 분배 캐비티(150)에는 다른 차폐 구조가 없다. 따라서 비교적 점성이 있고 응축되기 쉬우며 퍼지가 용이하지 않은 제2 반응 가스를 가스 분배 캐비티(150)에 붓는다. 이를 통해 가스 분배기에서 제2 반응 가스의 확산 속도를 향상시키고, 가스 분배기에서 제2 반응 가스가 잔류물을 발생시키는 것을 방지하며, 박막 증착의 균일성을 향상시킬 수 있다. 가스 분배 캐비티(150)에는 사각 지대가 없으므로 세척하기가 용이하고 가스 분배기의 사용 수명을 향상시킨다.
일부 실시예에 있어서, 반도체 디바이스는 흡기 블록(200)을 더 포함한다. 흡기 블록(200)은 제2 고정핀(440)을 통해 분배기 본체(110) 상에 고정 설치된다. 여기에서 흡기 블록(200) 내에는 제1 이송 채널(210) 및 제2 이송 채널(220)이 더 설치된다. 제1 이송 채널(210)은 제1 흡기관로(130)를 제1 반응 가스 공급 장치와 연통시키는 데 사용된다. 제2 이송 채널(220)은 제2 흡기관로(160)를 제2 반응 가스 공급 장치와 연통시키는 데 사용된다.
흡기 블록(200)과 분배기 본체(110) 사이에는 제1 밀봉링(410) 및 상기 제1 밀봉링(410)을 감싸는 제2 밀봉링(420)이 설치된다. 제1 이송 채널(210)과 제1 흡기관로(130)의 연결 지점은 제1 밀봉링 내측에 위치한다(즉, 제1 이송 채널(210)과 제1 흡기관로(130)의 연결 지점은 제1 밀봉링에 의해 둘러싸인다). 제2 이송 채널(220)과 제2 흡기관로(160)의 연결 지점은 제1 밀봉링(410)과 제2 밀봉링(420) 사이에 위치한다. 제1 밀봉링(410)은 제1 반응 가스와 제2 반응 가스가 흡기 블록(200)과 분배기 본체(110)의 상호 연결 위치에서 반응을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 제2 밀봉링(420)은 제2 반응 가스와 외부 대기를 이격시킬 수 있다.
이하에서는 TiN 박막을 예로 들어 반도체 디바이스의 막 형성 과정을 소개한다. 여기에서 TiN 박막은 제1 반응 가스(예를 들어, NH3) 및 제2 반응 가스(Ti 할로겐화물 또는 Ti 금속 유기물, 예를 들어 TiCl4)에서 반응하여 생성된다. 도 5, 도 6 및 도 8을 함께 참조하면, 막 형성 과정은 하기와 같다.
1단계: 관련 성장 매개변수를 설정한다. 구체적으로, 반응 챔버(300)의 온도는 300 내지 550℃이며, 반응 압력은 0.5 내지 10torr이다. 채택한 퍼지 가스는 고순도 질소 가스 또는 불활성 가스이며, 퍼지 가스의 유량은 10 내지 5000sccm(표준 밀리리터/분)이다.
2단계: 제2 반응 가스(TiCl4)를 반응 챔버(300)에 붓는다. 구체적으로, 제2 반응 가스를 희석 가스(예를 들어, 고순도 질소 가스 또는 불활성 가스)와 혼합한 후 가스 분배 캐비티(150)에 붓는다. 가스 분배 캐비티(150)에서, 제2 반응 가스는 희석 가스를 따라 빠르게 분산된다. 나아가 제2 배기관로(170)로부터 기판(302)을 향해 이송되어 나가며, 기판(302) 상에 균일하게 분포된다. 여기에서 제2 반응 가스 공급 장치의 증기압은 1torr로 제어한다. 제2 반응 가스의 가스 유량은 20 내지 500sccm을 선택하며, 바람직하게는 20 내지 80sccm이다. 희석 가스 유량은 400 내지 5000sccm를 선택하며, 바람직하게는 500 내지 1000sccm이다. 제2 반응 가스는 기판(302) 상에서의 흡착 시간이 0.05 내지 1s이며, 바람직하게는 0.1 내지 0.5s이다. 즉 포화 흡착을 구현할 수 있다.
이와 동시에 제1 흡기관로(130)에서 가스 분배관로 세트(120)를 향해 희석 가스를 붓는다. 희석 가스는 가스 분배관로 세트(120)에서 빠르게 분산된 후, 제1 배기관로(140)로부터 이송되어 나간다. 여기에서 희석 가스가 제1 흡기관로(130)에 유입되는 유량은 400 내지 5000sccm이며, 바람직하게는 3000sccm이다. 가스 분배관로 세트(120)에 희석 가스를 붓는 것은 제2 반응 가스가 가스 분배관로 세트(120)에 유입되어 잔류물을 형성하는 것을 방지하기 위해서이다.
3단계: 가스 분배 캐비티(150) 중의 잔류 가스에 대해 퍼지를 수행한다. 구체적으로, 2단계를 기반으로 가스 분배 캐비티(150)에 제2 반응 가스를 주입하는 것을 정지하고, 가스 분배 캐비티(150)와 가스 분배관로 세트(120)에 희석 가스가 주입되도록 유지한다. 상기 상태는 0.1 내지 5s, 바람직하게는 0.5 내지 2s 유지한다. 즉, 잔류한 제2 반응 가스를 깨끗하게 퍼지한다.
4단계: 제1 반응 가스(NH3)를 반응 챔버에 붓는다. 구체적으로, 3단계를 기반으로, 제1 반응 가스와 희석 가스를 혼합한 후, 제1 흡기관로(130)에서 가스 분배관로 세트(120)로 유입시킨다. 가스 분배관로 세트(120)에서 제1 반응 가스는 희석 가스를 따라 빠르게 분산된 후, 제1 배기관로(140)으로부터 이송되어 나간다. 따라서 기판(302) 상에 균일하게 분포된다. 동시에 가스 분배 캐비티(150)에 희석 가스가 주입되도록 유지한다. 이 과정에서 제1 반응 가스의 유량은 500 내지 5000sccm이며, 바람직하게는 2000 내지 4000sccm이다. 희석 가스 유량은 400 내지 5000sccm를 선택하며, 바람직하게는 500 내지 1000sccm이다. 제1 반응 가스는 기판(302) 상에서의 흡착 시간이 1 내지 5s이며, 바람직하게는 1 내지 3s이다. 즉, 포화 흡착을 구현할 수 있다.
5단계: 가스 분배관로 세트(120) 중의 잔류 가스에 대해 퍼지를 수행한다. 구체적으로, 4단계를 기반으로 가스 분배관로 세트(120)에 제1 반응 가스를 주입하는 것을 중단하고, 가스 분배 캐비티(150) 및 가스 분배관로 세트(120)에 희석 가스가 주입되도록 유지한다. 상기 상태는 0.1 내지 5s 지속하며, 바람직하게는 0.5 내지 1s 지속한다. 즉, 가스 분배관로 세트(120)에 잔류된 제1 반응 가스를 깨끗하게 퍼지한다.
6단계: 박막 증착 완료 여부를 판단한다. 완료되었으면 공정을 종료하며, 그렇지 않으면 2단계로 돌아간다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 제공하는 반도체 디바이스 증착의 박막 두께 분포도이다. 여기에서 횡축은 박막 각 위치의 가로 좌표를 나타내며, 종축은 박막 각 위치의 세로 좌표를 나타낸다. 도면에서 상이한 그레이 스케일로 막층의 두께를 나타냈다. 도 3의 두께 분포에 비해, 본 발명 실시예에 형성된 박막의 두께 균일성이 현저하게 향상되었음을 알 수 있다.
또한 실험에 따르면, 가스 분배관로 세트(120)에 링형 관로를 설치하지 않은 경우, 4단계에서 제1 반응 가스(NH3) 주입 시간이 2s이고, 5단계에서 퍼지 시간이 1s 이상일 때, 증착된 박막의 균일성은 1%가량이다. 5단계에서 퍼지 시간이 1s 미만일 때, 증착된 박막의 균일성은 2 내지 10%이다. 가스 분배기에 도 7과 같은 구조를 채택한 경우, 4단계에서 제1 반응 가스(NH3) 주입 시간이 2s이고, 5단계에서 퍼지 시간이 0.7s가량일 때, 박막 균일성은 1%가량에 도달할 수 있다. 링형 관로를 설치하면, 가스 분배관로의 퍼지 효율이 약 30% 향상될 수 있음을 알 수 있다.
상기 실시예는 본 발명의 원리를 설명하기 위해 사용된 예시적인 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이에 한정되지 않음을 이해할 수 있다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 사상과 본질을 벗어나지 않고 다양한 수정 및 개선을 진행할 수 있다. 이러한 수정 및 개선은 본 발명의 보호 범위로 간주된다.

Claims (11)

  1. 반도체 디바이스 중의 가스 분배기에 있어서,
    배기단면을 구비한 분배기 본체를 포함하고,
    상기 분배기 본체 내에는 가스 분배관로 세트, 제1 흡기관로 및 복수의 제1 배기관로가 포함되고,
    상기 제1 흡기관로의 배기단은 상기 가스 분배관로 세트의 흡기구와 연통되고, 상기 복수의 제1 배기관로의 흡기단은 상기 가스 분배관로 세트의 복수의 배기구와 일대일 대응하여 연통되고,
    상기 분배기 본체 내에는 가스 분배 캐비티, 제2 흡기관로 및 복수의 제2 배기관로가 더 설치되고,
    상기 가스 분배 캐비티는 상기 가스 분배관로 세트 상방에 위치하며 상기 제1 흡기관로를 감싸도록 설치되고, 상기 가스 분배 캐비티의 높이는 상기 제1 흡기관로에 근접한 내주 에지로부터 상기 제1 흡기관로에서 이격된 외주 에지까지 점차 감소하고,
    상기 제2 흡기관로의 배기단은 상기 가스 분배 캐비티의 흡기구와 연통되고,
    상기 복수의 제2 배기관로의 흡기단은 상기 가스 분배 캐비티의 복수의 배기구와 일대일 대응하여 연통되고,
    상기 제1 배기관로와 상기 제2 배기관로는 교차 설치되며 이들 둘의 배기단은 모두 상기 분배기 본체의 배기단면 상에 위치하고,
    상기 가스 분배관로 세트는 복수의 메인 관로를 포함하고,
    상기 복수의 메인 관로는 상기 제1 흡기관로로부터 상기 제1 흡기관로에서 멀어지는 상이한 방향을 따라 방사상으로 분포되고, 상기 복수의 메인 관로의 상기 제1 흡기관로에 근접한 일단은 모두 상기 제1 흡기관로의 배기단과 연통되고,
    상기 가스 분배관로 세트는 복수의 분기로 세트를 더 포함하고,
    상기 분기로 세트의 각각은 상기 메인 관로의 각각과 일대일 대응하도록 설치되고, 상기 분기로 세트의 각각은 모두 대응하는 상기 메인 관로의 양측에 설치되며, 대응하는 상기 메인 관로와 소정 협각을 이루는 복수의 분기로를 포함하고,
    상기 분기로 세트 중 상기 메인 관로의 동일측에 위치한 복수의 상기 분기로의 각각은 상기 메인 관로의 연장 방향을 따라 이격 배치되고, 상기 분기로 각각의 상기 메인 관로에 근접한 일단은 상기 메인 관로와 연통되고, 상기 가스 분배관로 세트의 복수의 배기구는 상기 복수의 분기로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 캐비티는 상기 내주 에지 지점에서의 높이가 2mm 내지 4mm이고, 상기 가스 분배 캐비티는 상기 외주 에지 지점에서의 높이가 0.5mm 내지 1mm인 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배관로 세트는 적어도 하나의 연결관로를 더 포함하고,
    상기 연결관로는 그 연장 궤도와 서로 교차하는 상기 메인 관로 및 상기 분기로 중 적어도 하나와 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연결관로는 모두 링형 관로이고, 상기 링형 관로는 복수개이고,
    상기 제1 흡기관로의 반경 방향 단면 상에서, 복수의 상기 링형 관로의 정투영의 내경이 상이하고, 상기 제1 흡기관로의 축선의 정투영을 원심으로 동심 설치되고, 임의의 인접한 2개의 상기 링형 관로의 정투영 사이의 반경 방향 거리가 동일하고, 각 상기 분기로 상의 상기 배기구는 모두 상기 분기로와 상기 연결관로가 서로 교차하는 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메인 관로의 상기 제1 흡기관로에 근접한 일단으로부터 상기 제1 흡기관로에서 먼 타단까지 상기 메인 관로의 내경이 점차 감소하고,
    상기 분기로의 상기 메인 관로에 근접한 일단으로부터 상기 메인 관로에서 먼 일단까지 상기 분기로의 내경이 점차 감소하는 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  6. 제1항에 있어서,
    임의의 인접한 2개의 상기 메인 관로 사이의 모든 분기로는 모두 서로 평행한 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  7. 제1항에 있어서,
    동일한 상기 분기로 세트 중 상기 메인 관로의 양측에 위치한 상기 분기로는 대칭 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 흡기관로는 상기 제1 흡기관로를 감싸도록 설치된 링형 흡기관로인 것을 특징으로 하는 가스 분배기.
  9. 반도체 디바이스에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 분배기를 포함하고,
    상기 제1 흡기관로의 흡기단은 제1 반응 가스 공급 장치와 연통하는 데 사용되고, 상기 제2 흡기관로의 흡기단은 제2 반응 가스 공급 장치와 연통하는 데 사용되고, 상기 제1 반응 가스 공급 장치는 제1 반응 가스를 공급하는 데 사용되고, 상기 제2 반응 가스 공급 장치는 제2 반응 가스를 공급하는 데 사용되고, 상기 제1 반응 가스의 확산 계수가 상기 제2 반응 가스의 확산 계수보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분배기 본체 상에 설치된 흡기 블록을 더 포함하고,
    상기 흡기 블록 내에는 제1 이송 채널 및 제2 이송 채널이 설치되고,
    상기 제1 이송 채널은 상기 제1 흡기관로와 상기 제1 반응 가스 공급 장치를 연통시키는 데 사용되고, 상기 제2 이송 채널은 상기 제2 흡기관로와 상기 제2 반응 가스 공급 장치를 연통시키는 데 사용되고,
    상기 흡기 블록과 상기 분배기 본체 사이에는 제1 밀봉링 및 상기 제1 밀봉링을 감싸는 제2 밀봉링이 설치되고, 상기 제1 이송 채널과 상기 제1 흡기관로의 연결 지점은 상기 제1 밀봉링 내측에 위치하고, 상기 제2 이송 채널과 상기 제2 흡기관로의 연결 지점은 상기 제1 밀봉링과 상기 제2 밀봉링 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
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