KR20000076763A - 기판 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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오구레나오아키
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아베마사히토
시바사키미츠나오
스즈키히데나오
아라키유지
츠카모토기와무
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마에다 시게루
가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

기판 처리 장치는 기판 상에 바륨/스트론튬 티타네이트와 같은 고-유전성 또는 강유전성 박막 또는 배선용 구리 막을 형성하고, 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하여 처리 기판을 향하여 분사하기 위한 가스 분사 헤드를 갖는다. 가스 분사 헤드는, 두 가스를 개별적으로 도입하기 위한 둘 이상의 가스 통로, 및 가스 통로를 통하여 흐르는 가스의 온도를 개별적으로 제어하기 위한 둘 이상의 온도 제어 기구를 갖는다.

Description

기판 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING SUBSTRATE}
본 발명은 기판 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 바륨/스트론튬 티타네이트와 같은 고-유전성 또는 강유전성 박막 또는 배선용 구리 막을 기판 상에 형성하거나 기판을 에칭하기 위한 기판 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조 산업에 있어서 집적 회로의 집적화가 크게 개선되었으며, 현재 사용되는 메가비트급 DRAM을 대체하는 기가비트급 DRAM이 요구됨에 따라 DRAM의 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 DRAM을 제조하기 위해서는 단위 면적당 고용량의 커패시터 소자가 필요하다. 이와 같은 단위 면적당 고용량인 소자를 제조하기 위한 유전성 박막 재료로서, 유전 상수가 10 미만인 산화 실리콘 또는 질화 실리콘 대신에, 유전 상수가 약 20인 탄탈 펜타옥사이드(Ta2O5)와 같은 금속성 산화물 막 재료, 또는 유전 상수가 약 300인 바륨 티타네이트(BaTiO3) 또는 스트론튬 티타네이트(SrTiO3) 또는 바륨 스트론튬 티타네이트가 박막 재료로 유망시된다. 고도의 유전 상수를 갖는 강유전성 재료도 박막 재료로 유망시된다.
또한, 배선 재료로서, 알루미늄보다는 저항값이 작고, 전기이동에 대한 저항이 우수한 구리가 재료로 유망시된다. 게이트 절연막용 재료로서, BiVO, Bi4Ti4O12, YMnO3, ZnO, ZnS 및 CdS가 재료로 유망시된다. 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 전극 재료로서, SrBuO3, BaRuO3, IrO 및 CaRuO3가 재료로 유망시된다. 배리어층 또는 버퍼층(buffer layer) 용 재료로서, MgO, Y2O3, YSZ 및 TaN이 재료로 유망시된다. 초전도도 재료로서, La-Ba-Cu-O, La-Sr-Cu-O, Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O 및 Hg-Ba-Ca-Cu-O가 재료로 유망시된다.
상기 재료의 막 형성 방법에는 플레이팅, 스퍼터링, 화학증착(CVD) 등이 포함된다. CVD 처리는 소폭의 배선과 같은 막을 형성하기 위하여 가장 바람직할 것으로 예상된다. 첨부 도면 중 도 9는, 기판 상에 바륨/스트론튬 티타네이트와 같은 고유전성 또는 강유전성 박막을 형성하기 위한 기판 처리 장치(화학 증착 장치)를 도시한다. 기판 처리 장치(증착 장치)는, 액상 재료를 증발시키기 위한 증발기(가스 발생기)(120), 증발기(120)의 하류에 위치하며 재료 가스 통로(122)를 통하여 증발기(120)에 연결되어 있는 용접 밀봉가능한 반응 챔버(처리 챔버)(124), 및 반응 챔버(124)의 하류에 위치하며 진공 통로(128) 안에 제공되어 있는 진공 펌프(126)를 포함하여 이루어진다. 산소와 같은 산화 가스를 공급하기 위한 산화 가스 파이프(130)를 반응 챔버(124)에 연결한다.
상기 구조의 증착 장치에서, 기판(W)을 기판(W)을 고정 및 가열하기 위한 기판 홀더(134) 상에 위치시키고, 기판(W)을 소정 온도로 유지시키면서, 재료 가스 및 산화 가스 혼합물을 가스 분사 헤드(138)의 가스 분사 포트(136)으로부터 기판(W) 상에 분사함으로써, 기판(W) 표면에 박막을 증착한다. 이런 경우, 반응 챔버(124) 내에서 안정되게 기판(W)에 재료 가스를 공급해야 한다. 재료 가스는, 실온에서 고체인 Ba(DPM)2, Sr(DPM)2등을 액화하고, 액화된 물질을 증발 성질을 안정화시키기 위한 테트라히드로퓨란(THF)과 같은 유기 용매와 혼합하고, 얻어진 혼합물을 증발기(120)를 사용하여 증발시켜 제조한다.
막을 형성하기 위하여 다수의 유기 금속 재료를 사용하는 경우, 기판 처리 장치에 어떤 문제가 발생할 수 있다. 특히, 유기 금속 재료는 고유한 증발 및 분해 온도를 가지므로, 유기 금속이 증기상으로 안정하게 존재할 수 있는 온도 범위는 일반적으로 좁다. 유기 용매와 혼합하는 단일의 유기 금속 재료 가스는 유기 용매 가스가 먼저 증발하면 증발할 수 없다. 따라서, 유기 금속 재료 가스 및 유기 용매를 동시에 증발시켜야 한다. 기판에 공급되는 동안 재료 가스의 온도가 일정하지 않으면, 재료 가스가 축합 또는 분해되기 쉽고, 몇가지 유기 금속 재료의 온도를 어느 한 재료의 증발 온도보다 낮게 제어해야 한다.
예를 들어, 유기 금속 재료(A)가 증발 온도 TKA및 분해 온도 TDA를 가지고, 유기 금속 재료(B)가 증발 온도 TKB및 분해 온도 TDB를 갖는 경우를 가정한다. TKB〈TKA〈TDB〈TDA인 경우, 재료 A, B가 증기상으로 안정하게 존재할 수 있는 온도 범위는 TKA에서 TDB까지이다. TKB〈TDB〈TKA〈TDA인 경우, 유기 금속 재료 B의 분해를 억제하기 위하여, 처리 온도를 유기 금속 재료(A)의 증발 온도 이하로 제어해야 한다.
본 발명의 발명자는 막 성장 속도과 기판 온도 간에 도 10에서와 같은 상관관계가 있다는 것을 알아내었다. 도 10에 도시된 바와 같이, 기판 홀더의 가열기로 기판(W)을 막 성장 온도(T1)로 가열하는 경우, 속도 대 온도 곡선은, 막 성장 온도 T1에 이를 때까지 막성장 속도가 기판 온도에 비례하여 증가하는 반응-율속 및 막 성장 온도(T1)를 지나서는 막 성장 속도가 실질적으로 상수인 공급-율속을 보인다. 재료 가스는 실질적으로 증발 온도와 같은 저온에서 반응 챔버에 도입하여 재료 가스의 반응 및 분해를 억제하고, 재료 가스와의 반응을 위한 산화 가스도 동일한 저온에서 도입한다. 따라서, 기판 표면이 막 성장 온도(T1)보다 낮은 온도(T2)로 유지되어, 기판 처리 장치는 최대 용량을 수행할 수 없게 된다.
반도체 장치는 더욱 고집적화되어 있으므로, 구조가 세부적으로 더욱 정교하여, 이의 불균일한 미세 표면에 더욱 균일한 막을 증착해야 한다. 예를 들어, 첨부 도면의 도 11에 도시한 바와 같이, 고유전성 또는 강유전성 박막(142)이 반도체 기판(W) 표면 안에 형성되는 미세한 홀 또는 트랜치(140)(경우에 따라 스택 구조도 가능하다.)에 성장되는 경우, 반도체 기판(W) 표면의 막 두께(A)에 대한 그루브(140) 바닥의 막 두께(B) 비, 즉 B/A 비(바닥 커버리지), 막 두께(A)에 대한 그루브(140) 가장자리의 막 두께(C) 비, 즉 C/A 비(가장자리 커버리지) 및 그루브(140) 가장자리 하부의 막 두께(C1)에 대한 그루브(140) 가장자리 상부의 막 두께(C2) 비, 즉 C2/C1(가장자리 커버리지 불균일도)를 포함하는 커버리지 특성(coverage characteristics)이 증가되어야 한다.
상기 커버리지 특성을 증가시키기 위하여, 첨부 도면의 도 12에 도시된 바와 같이, 막 성장 속도과 막 성장 온도의 역수와의 관계를 나타내는 아레니우스 곡선의 반응-율속에 따라 막을 성장시킬 수 있다. 막이 공급-율속에 따라 성장하면, 도 13A와 같이, 재료 가스(막 형성 가스)의 입자(분자)(144) 공급은 반응을 따라잡을 수 없고, 재료 가스의 입자(분자)(144)는, 이들이 최초로 도달한 표면에서 반응 및 증착될 것이다. 그 결과, 그루브(140) 안에는 재료 가스 입자(분자)(144)가 희박하게 되고, 그루브(140) 안의 막이 기판(W) 표면의 막보다 적게 성장하여, 커버리지 특성이 악화된다. 도 13B와 같이, 막이 반응-율속에 따라 성장하면, 재료 가스의 입자(분자)(144)의 반응은 입자(분자)(144)의 공급을 따라잡을 수 없어, 재료 가스 입자(분자)의 부착 가능성이 낮아진다. 따라서, 재료 가스 입자(분자)(144)는, 입자가 최초로 도달하는 지점(X)에서 막을 성장시키기 못하고, 다음 지점(Y)에 증착된다. 결과적으로, 막은 기판 표면 상에서와 같은 막 성장 특성에 따라 그루브(140)에서 성장할 수 있으므로, 우수한 커버리지 특성을 얻는다.
그러나, 반응-율속(입자(분자) 공급이 충분)은 막 성장 온도가 상승함에 따라 반응 속도가 증가하는 현상이고, 공급-율속(입자(분자) 공급이 불충분)은 막 성장 온도의 상승과 관계없이 반응 속도가 실질적으로 상수인 현상이다. 그러므로, 막이 반응-율속에 따라 성장할 때, 막 성장 속도는 느려진다. 따라서, 반응 속도 및 커버리지 특성은, 반응 속도 및 커버리지 특성 중 하나가 개선되면 다른 하나는 악화되는 상관관계가 있다.
기판을 차례로 처리하기 위한 기판 처리 장치는, 처리 챔버에서 기판 당 처리 시간을 단축함으로써, 장치를 사용하여 시간당 처리 기판의 수를 증가시킬 필요가 있다. 처리 챔버 내에서의 처리 시간은 대강 다음과 같이 나눌 수 있다.
1) 기판 가열을 위한 가열 기간(예비 가열 시간);
2) 실제로 기판 상에 막을 형성하거나 기판을 에칭하기 위한 처리 기간.
처리 기간 2)가 구리 막의 성장 처리에서와 같이 단기간인 경우에는, 가열 기간(예비 가열 시간)의 길이가 작업 처리량 증가에 장애요소(bottleneck)가 된다.
가열 수단을 사용하여 처리 챔버에서 기판을 가열(예비 가열)하는 통상의 방법에 따르면, 기판의 온도 안정성을 유지하기 위하여 실질적인 열용량이 필요하다. 온도 증가 또는 감소 시에 시간 상수가 큰 가열기를 일반적으로 가열 수단으로 사용하므로, 기판 온도가 목적하는 온도에 가까워질 때 기판 및 가열 수단(가열기) 간의 온도차가 감소되고, 이에 따라 기판이 목적하는 온도에 도달하기 위하여 매우 오랜 시간이 필요하다.
기판의 온도 상승 특성을 개선하기 위하여, 가열 수단은 가열기의 온도를 기판의 목적하는 온도보다 높게 설정하기 위한 온도 조절 수단을 구비할 수 있으며, 기판 온도가 목적하는 온도에 근접하게 될 때 큰 온도차를 제공할 수 있도록 가열기의 온도를 제어함으로써, 기판이 목적하는 온도에 도달하기 위하여 필요한 시간을 단축할 수 있다. 그러나, 이와 같이 해도, 기판 온도가 목적하는 온도에 근접할 때, 온도를 제어하여 가열기의 온도를 목적하는 온도에 도달하도록 낮추어야 하고, 기판에 강제 냉각을 실시하지 않는다면 가열 처리가 시간 낭비라는 점에서 불리하다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 목적은 증가된 막성장 속도로 안정하게 막재료를 공급하여, 둘 이상의 막재료를 사용하여 기판 위에 막을 형성하는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고도의 막성장 속도를 유지하면서 커버리지를 증가시킬 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 증가된 작업 처리용 처리 챔버에서 기판을 균일하고 신속하게 가열할 수 있는 기판 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 개략 단면도이고;
도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 가스 분사 헤드의 확대 단면도이고;
도 3은 도 1의 기판 처리 장치의 기판 홀더의 정면도로, 단면 일부가 도시되어 있고;
도 4는 Cu 배선을 위하여 Cu 시이드 층을 형성하기 위한 막 형성 처리를 도시한 블록 다이어그램이고;
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 가스 분사 헤드의 개략 단면도이고;
도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 가스 분사 헤드의 개략 단면도이고;
도 7은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 개략도이고;
도 8은 막 성장 속도, 커버리지 특성 및 막 성장 온도 간의 관계를 도시한 다이어그램이고;
도 9는 기판 처리 장치의 블록 다이어그램이고;
도 10은 막 성장 속도과 기판 온도간의 관계를 도시한 다이어그램이고;
도 11은 안에 홀이 형성되어 있는 기판 표면에 증착된 막의 일부 단면도이고;
도 12는 아레니우스 커브를 도시한 다이어그램이고;
도 13A는 공급-율속(supply-limited)에 따른 막의 성장 공정을 설명하는 개략도이고;
도 13B는 반응-율속(reaction-limited)에 따른 막의 성장 공정을 설명하는 개략도이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하여 처리할 기판을 향해 분사하는 가스 분사 헤드를 포함하여 이루어지는 기판 처리 장치가 제공된다. 가스 분사 헤드는 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하기 위한 둘 이상의 통로와, 가스 통로를 통해 흐르는 가스의 온도를 개별적으로 제어 및 유지하기 위한 둘 이상의 온도 제어 기구를 가진다.
상기의 구성에 의하여, 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스는 서로 무관하게 개별적으로 온도가 제어되거나 유지될 수 있고, 기판 처리(예를 들어, 기판 위에 막형성)를 위한 최적 온도로 설정될 수 있으며, 이어, 가스 분사 헤드로부터 기판을 향하여 분사될 수 있다.
둘 이상의 가스는 각각 둘 이상의 다른 유기 금속 재료를 포함하고 있다. 다른 유기 금속 재료를 포함하는 둘 이상의 가스들은 개별적으로 서로 무관하게 원하는 온도로 설정될 수 있다. 따라서, 원하는 온도로 설정된 가스들은 조기에 반응하지 않고, 통로에서 분해되지 않는다. 가스들이 최종적으로 서로 혼합될 때, 고온을 유지하여 막성장 반응속도를 증가시킬 수 있다.
둘 이상의 가스 중 하나는 산화 가스, N2, 및 불활성 가스 중 하나 이상을 포함하는 고온 가스를 포함하여 이루어진다. BST, Y1, 또는 PZT와 같은 산화물이 기판에 증착될 때, 가스 분사 헤드로부터 분사된 재료 가스는 산화 가스, N2, 및 불활성 가스 중 하나 이상을 포함하는 고온 가스에 의해 가열될 수 있으므로, 가스 혼합물의 온도는 막 성장에 최적 온도인 약 450℃에 근접할 수 있다.
산화 가스 대신에, 재료 가스에 산소가 포함된 가스가 막형성 재료로 사용되는 경우, N2가스나 불활성 가스와 같은 가스가 고온으로 가열되고, 재료 가스와 혼합되는 처리를 고려할 수 있다.
둘 이상의 가스 중 하나는 환원 가스, N2, 및 불활성 가스의 하나 이상을 포함하는 고온 가스를 포함하여 이루어진다. 구리와 같은 금속이 증착되는 경우, 가스 분사 헤드로부터 분사되는 재료 가스는 환원 가스, N2, 및 불활성 가스의 하나 이상을 포함하는 고온 가스에 의해 가열될 수 있으므로, 가스 혼합물의 온도는 막성장의 최적 온도에 근접할 수 있다.
둘 이상의 가스 중 하나는 기판 가열 및/또는 기판 냉각용 온도-조절 가스를 포함하여 이루어진다. 가스 분사 헤드에서 온도-조절 가스용 가스 통로는 재료 가스가 흐르는 저온 가스 통로와 분리되어 제공될 수 있다. 온도-조절 가스용 가스 통로는 재료 가스용 가스 통로와는 무관하게 제공되므로, 온도-조절 가스가 재료 가스로 바뀔 때, 재료 가스에 대한 온도-조절 가스의 온도의 영향은 제거되고, 이러한 가스들은 함께 혼합되는 것이 방지된다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면,
재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하여 처리할 기판을 향하여 분사하는 가스 분사 헤드로서, 상기 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하기 위한 둘 이상의 가스 통로, 및 가스 통로를 통해 흐르는 가스의 온도를 개별적으로 제어 및 유지를 위한 둘 이상의 온도 제어 기구를 가지는 가스 분사 헤드를 가지는 처리 챔버; 상기 가스 분사 헤드에 가스를 공급하기 위한 가스 공급원; 및 처리 챔버 내에 상기 가스 분사 헤드와 대향 배치된 기판 홀더를 포함하여 이루어지는 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 내부에서 기판을 처리하기 위한 처리 챔버, 상기 처리 챔버 내에 배치된 기판 홀딩 및 가열용 기판 홀더, 및 상기 챔버 내 소정의 위치에서 온도-조절 가스를 처리 챔버로 도입하여 기판 가열 및 기판 냉각 중 하나 이상을 수행하기 위한 온도-조절 가스 도입 기구를 포함하여 이루어지는 기판 처리 장치가 제공된다.
가스들은 쉽게 제어되어 이들의 흐름을 틀고 잠글 수 있다. 목표 온도보다 고온인 온도-조절 가스를 기판을 가열하는데 사용할 수 있다. 기판의 온도가 목표 온도에 도달하는 경우, 온도-조절 가스의 공급이 중단되고, 또는 기판의 온도가 목표 온도에 근접한 온도에 도달하는 경우, 목표 온도에 근접한 온도를 갖는 가스를 공급하여, 신속하고 균일하게 가열(예열) 및/또는 냉각하여 기판의 온도를 목표 온도로 한다. 온도-조절 가스는 단시간에 기판의 온도를 증가 또는 감소시키기 위해 비열 및 열 전도도가 큰 H2가스 등으로 구성되는 것이 바람직하다. H2가스가 막형성 처리에서 문제시되면, 온도-조절 가스로 N2가스 또는 불활성 가스를 사용할 수 있다.
기판이 기판 홀더로부터 일정한 간격의 위치에서 냉각되면, 기판 홀더와 결합된 가열 메카니즘의 온도는 다양할 필요가 없다. 그 결과, 기판은 신속하게 냉각될 수 있고, 기판 처리에 필요한 시간이 단축되어 작업 처리량을 증가시킨다. 기판은 기판 홀더에 위치하는 동안 기판 홀더로부터 열전도 때문에 고효율로 가열될 수 있다. 그러나, 기판의 열쇼크를 피하기 위해, 기판은 기판 홀더 위에서 가열되는 것이 바람직하다. 기판이 기판 홀더 위에서 가열되면, 기판 홀더로부터의 복사열이 또한 기판을 가열하는데 이용될 수 있고, 기판의 취급이 용이하고, 여유 공간이 필요하지 않다. 특히, 기판은 기판 홀더와 결합된 핀에 의해 기판 홀더에서 떨어져올려질 수 있다. 이 위치에서 기판을 가열하게 되면,기판이 기판 홀더의 온도에 의해 영향을 받지 않으므로, 막형성 후에 막형성 온도와 다른 온도에서 일정 온도의 일정 가스의 흐름에 의해 기판의 어니일링과 같은 가열 처리를 실시할 수 있게 된다. 핀은, 이제까지 기판을 이송하는데 사용된 것과 같이, 기판 홀더에서 위로 돌출되는 핀을 포함하여 이루어질 수 있다.
링형상(ring-shaped) 가스 도입 파이프는 처리 챔버의 상부에 배치될 수 있고, 온도-조절 가스는 가스 도입 파이프의 원주 방향에서 주어진 피치로 가스 도입 파이프 내에 형성된 가스 분사구에서 분사될 수 있다. 링형상 가스 도입 파이프는 구조적 율속때문에 가스 분사 헤드를 갖지 못하는 기판 처리 장치(예를 들어, ECR 기판 처리용 기판 처리 장치)를 상기한 방법으로 기판 처리 가능하게 한다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스의 온도를 개별적으로 제어 또는 유지하는 단계; 및 상기한 가스를 처리 챔버로 도입하는 단계를 포함하여 이루어지는 기판 처리 방법을 제공한다.
상기 둘 이상의 가스는 각각 둘 이상의 다른 유기 금속 재료를 포함한다.
상기 둘 이상의 가스 중 하나는 산화 가스, N2, 및 불활성 가스 중 하나 이상을 포함하는 고온 가스를 포함하여 이루어진다.
상기 둘 이상의 가스 중 하나는 환원 가스, N2, 및 불활성 가스 중 하나 이상을 포함하는 고온 가스를 포함하여 이루어진다.
본 방법은 재료 가스의 온도 이하의 온도에서 재료 가스를 제외한 둘 이상의 가스 중 하나 이상을 처리 챔버로 도입하는 단계를 더욱 포함하여 이루어진다. 따라서, 재료 가스와는 다른 산화 가스 또는 수소 가스와 같은 첨가 가스의 온도는 불안정하고, 비교적 쉽게 축합하는 재료 가스의 온도를 변화시키지 않고 낮아질 수 있다. 따라서, 둘 이상의 가스 중 하나 이상의 반응성이 낮아져 커버리지를 개선하기 위한 반응에 기여하고, 기판은 고도의 막형성 속도를 유지하기 위한 고온을 유지할 수 있다.
본 방법은 재료 가스와 처리 챔버로 도입될 가스를 재료 가스의 온도 이하의 온도에서 서로 혼합되지 않는 상태로 이송하는 단계 및 상기 재료 가스와 상기 가스를 처리 챔버 내에서 또는 상기 처리 챔버로 도입하기 전에 상호 혼합하는 단계를 더욱 포함하여 이루어진다.
재료 가스의 온도 이하의 온도에서 처리 챔버로 도입되는 가스는 재료 가스의 축합 온도의 이하의 온도를 갖는다. 재료 가스 및 산화 가스 등의 가스는 이송되는 초기 단계에서 서로 혼합되는 것이 방지된다. 따라서, 물질의 분리와 물질의 축합도 방지된다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 유기 금속 재료로서 티탄을 함유하는 재료 가스 및 다른 유기 금속 재료를 함유하는 재료 가스를 처리 챔버에 도입하여 기판 상에 박막을 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지고;
상기 유기 금속 재료로서 티탄을 함유하는 재료 가스의 온도는 다른 유기 금속 재료를 함유하는 재료 가스의 온도 이하인 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법이 제공된다.
유기 금속 재료로서 티타늄(Ti)은 다른 유기 금속 재료인 바륨(Ba), 스트론튬(Sr) 등보다 낮은 증발 온도를 갖고, 개별적으로 다른 유기 금속 재료로부터 분리되어 온도가 낮아지고, 증발된 경우, 축합 없이 이송될 수 있다. 단지 티타늄 재료의 온도만이 다른 재료의 온도보다 낮아진 경우, 티타늄 재료의 반응은 커버리지를 개선하기 위해 지연된다. BST는 BTO 및 STO의 고용체이고, Ti와 Ba, Ti와 Sr사이의 반응 때문에 막을 형성한다. 따라서, 커버리지 특성은 Ti재료의 반응 온도를 제어함으로써 제어할 수 있다.
본 방법은 유기 금속 재료로서 티타늄을 포함하는 재료 가스와 다른 유기 금속 재료를 포함하는 재료 가스를 서로 혼합되지 않는 상태로 이송하는 단계; 및 유기 금속 재료로서 티타늄을 포함하는 재료 가스와 다른 유기 금속 재료를 포함하는 재료 가스를 처리 챔버 내에서 또는 처리 챔버에 도입하기 전에 서로 혼합하는 단계를 더욱 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또다른 실시 형태에 따르면, 처리 챔버 내에서 기판 홀더로 기판을 지지하고; 상기 기판으로 온도-조절 가스를 분사하여, 상기 처리 챔버 내 소정 위치에서 기판 가열 및 기판 냉각 중 하나 이상을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 기판 처리 방법이 제공된다.
본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적, 특징, 및 이점은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 보여주는 첨부 도면에 관련하여 하기의 기술로부터 명백해질 것이다.
바람직한 실시형태의 상세한 설명
이하에는, 본 발명의 실시형태에 따른 기판 처리 장치 및 방법을 도 1 내지 8을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 기판 처리 장치를 도시한다. 기판 처리 장치는, 용접 밀폐된 밀봉 반응 챔버(처리 챔버)(10)가 내부에 형성되어 있는 돔-형 케이싱(12), 상부 말단이 케이싱(12)의 케이싱 바닥(14)에서 개방되어 있는 튜브형 몸체(16) 안에서 수직 이동가능한 기판 홀더(서셉터)(18), 및 케이싱(12)의 상부 말단에 탑재되어 있는 분사 헤드(샤워 헤드)(20)를 포함하여 이루어진다.
케이싱(12), 케이싱 바닥(14) 및 튜브형 몸체(16)는 각각 오일과 같은 가열 매질이 통과할 수 있도록 그 자체 내부에 형성되어 있는 가열 매질 통로(22, 24, 26)를 갖는다. 가열 매질 통로(22, 24, 26)는, 펌프와 같은 이송 수단(32) 및 가열기와 같은 가열 수단(34)을 포함하여 이루어지는 주요 가열 매질 유닛(36)에 외부 파이프(30)에 의하여 연결된다. 기판 처리 장치는 기판 처리 장치의 특정한 일부를 냉각하기 위한 냉각제 순환 유닛(도시하지 않음)을 포함한다. 반응 챔버(10)로부터 발생된 가스를 배출하기 위한 배출 포트(38)는 케이싱 바닥(14)에서 개방되고 진공 펌프(도시하지 않음)에 연결되어 있다.
기판 홀더(18)는 지지 샤프트(40)에 의하여 반응 챔버(10) 밑에 위치하는 상승 하강 기구(lifting and lowering device, 42)에 연결된다. 기판 홀더(18)는 상승 하강 기구(42)에 의하여 튜브형 몸체(16) 안에서 수직으로 이동할 수 있다. 튜브형 몸체(16)는, 특정 높이에서 이의 측벽에 형성되어 있으며, 이송 로봇(44)을 내부에 수용하는 로봇 챔버(46)의 게이트(52)에 통로(50)에 의하여 연결되어 있는 기판 이송 포트(48)를 갖는다. 세정 가스(purge gas) 공급 포트(54)는 기판 이송 포트(48)로 개방된다. 기판 홀더(18)는 기판 홀더(18) 상에서 지지되는 기판(W)을 가열하도록 그 내부에 수용된 가열기(56)를 갖는다. 기판 홀더(18) 상의 기판(W)은 가열기(56)에 제공되는 전류를 조절함으로써 일정 온도로 유지된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 가스 분사 헤드(20)는, 기판 홀더(18) 상의 기판(W)과 마주보게 위치하고, 그 하부 말단에 연결되어 있는 노즐 디스크(60)를 가지는 윗쪽으로 연장되는 외부 배럴(62), 외부 배럴(62) 내에 배치되어 있으며 이로부터 안쪽으로 방사상 떨어져 있는 중간 배럴(64), 및 중간 배럴(64) 내에 배치되어 있는 내부 배럴(68)을 포함하여 이루어진다. 외부 배럴(62) 및 중간 배럴(64)은 이들간에 제 1 가스 통로(66)를 함께 형성하고, 내부 배럴(68)은 제 2 가스 통로(70)를 그 내부에 형성한다.
제 1 가열 매질 유닛(72)과 연통되어 있는 제 1 가열 매질 통로(74)는 외부 배럴(62) 및 중간 배럴(64)의 주변 벽 내에 형성되고, 제 2 가열 매질 유닛(76)과 연통되어 있는 제 2 가열 매질 통로(78)는 내부 배럴(68)의 주변벽에 형성된다. 열 절연 재료로 구성되는 열 절연층(80)은 중간 배럴(64) 및 내부 배럴(68) 사이에 개재된다. 제 1 및 제 2 가스 통로(66, 70)에 개별적으로 도입되어 흐르는 가스는 제 1 가열 매질 통로(74)를 유동하는 가열 매질로 가열 및 온도 제어되고, 제 2 가스 통로(70)에 흐르는 가스는 제 2 가열 매질 통로(78)를 유동하는 가열 매질로 가열 및 온도 제어된다. 열 절연층(80)은 진공 공간으로 대체될 수 있다.
노즐 디스크(60)는 일정 간격을 두고 떨어져 있는 다수의 가스 분사 홀(외부 노즐 홀)(82)을 갖는다. 중간 배럴(64) 및 내부 배럴(68)은, 각 바닥에 형성되어 있고, 노즐 디스크(60)의 가스 분사 홀(82)과 수직 정렬되어 있는 오프닝을 갖는다. 튜브형 노즐(내부 노즐)(84)은, 중간 배럴(64) 및 내부 배럴(68) 바닥의 오프닝에 고정되어 끼워맞춰진 상부 말단과, 가스 분사 홀(82)에 배치되어 있는 하부 말단을 갖는다. 환상 통로(86)는 튜브형 노즐(84)의 하부 말단의 외면과 가스 분사 홀(82)의 내면 사이에 형성되고, 제 1 가스 통로(66)와 연통된다. 튜브형 노즐(84)의 상부 말단은 직경이 그 하부 말단보다 크므로, 튜브형 노즐(84)의 가스가 더욱 빠른 속도로 흘러 가스 분사 홀(82)을 신속하게 통과할 수 있다. 튜브형 노즐(84)은 외부 배럴(62) 및 중간 배럴(64)로부터의 열의 영향을 최소화할 수 있도록 열전도도가 낮은 물질로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 핀(90)이 기판 홀더(18)를 통하여 수직으로 이동가능하도록 연장되어 있다. 핀(90)을 올리는 경우, 기판(W)은 기판 홀더(18) 상의 상승 위치에 고정된다. 방사형 온도 센서(92)는 예를 들어 핀(90)의 내부에 배치되고 기판 홀더(18)를 통과하여 수직으로 연장되어 기판(W) 배면의 온도를 검출한다.
상기 구조의 기판 처리 장치(막 증착 장치)를 사용한 기판 처리 방법(기판 상에 막 형성) 중 몇가지를 하기한다.
제 1 막 형성법에 따르면, 다른 종류의 유기 금속 재료를 포함하는 재료 가스의 온도를 개별적으로 제어 또는 유지하고, 제 1 및 제 2 가스 통로(66, 70)에 흘려보낸다. 예를 들어, 재료 Sr, Bi 및 Ta를 사용하여 강유전성 Yl 막을 형성한다. 재료 Sr 및 산화 가스의 혼합물을 제공하여 제 1 가스 통로(66)를 흐르도록 하고, 재료 Bi, Ta 및 산화가스의 혼합물을 제공하여 제 2 가스 통로(70)를 흐르도록 한다.
특히, Sr을 함유하는 재료를 증발기를 사용하여 증발시키고, 증발된 재료 및 산화 가스의 혼합물을 제 1 가스 통로(66)에 도입한다. 혼합 가스의 온도는, 예를 들어 Sr을 함유하는 재료의 증발 온도 이상이고 Sr 함유 재료의 분해 온도 이하인 250℃로 유지된다. Bi 및 Ta를 함유하는 재료는 증발기를 사용하여 증발시키고, 증발된 재료 및 산화 가스의 혼합물을 제 2 가스 통로(70)에 도입한다. 혼합 가스의 온도를, 예를 들어 Bi 및 Ta를 함유하는 재료의 증발 온도 이상이고 Bi 및 Ta을 함유하는 재료의 분해 온도 이하인 180℃로 유지한다. 산화 가스는 O2, N2O, H2O 등과 같은 산소-함유 가스 또는 이러한 산소-함유 가스 및 오조나이저(ozonizer)로 생성시킨 오존(O3)의 혼합물을 포함하여 이루어진다.
가스 분사 헤드(20)의 여러 부분은 하기와 같이 온도를 제어한다: 제 1 가스 통로(66)의 벽 역할을 하는 외부 배럴(62) 및 중간 배럴(64)의 온도를, 제 1 가열 매질 통로(74)를 통하여 흐르는 가열 매질을 사용하여, 제 1 가스 통로(66)를 통하여 흐르는 Sr-함유 재료의 온도와 같은 250℃로 제어한다. 제 2 가스 통로(70)의 벽 역할을 하는 내부 배럴(68)은, 제 2 가열 매질 통로(78)를 통하여 흐르는 가열매질을 사용하여, Bi, Ta-함유 재료의 온도와 같은 180℃로 제어한다.
제 1 가스 통로(66)를 통하여 흐르는 Sr-함유 재료 가스는 가스 분사 홀(82) 및 튜브형 노즐(84) 사이의 환상 통로(86)를 통하여 흐르고, 반응 챔버(10) 내에서 하강하면서, 제 2 가스 통로(70)를 통하여 흐르는 Bi, Ta-함유 재료 가스는 튜브형 노즐(84)을 통하여 반응 챔버(10)로 분사된다. 가스 분사 홀(82) 및 환상 통로(86)에서 흘러나가는 이러한 재료 가스는 반응 챔버(10)에 내려가므로, 함께 균일하게 섞여, 반응 챔버(10)의 하류로 기판(W)을 향하여 흘러간다. 이런 방식으로, 유기 금속 재료는 반응 챔버(10)에 안정하게 공급될 수 있으며, 이들의 온도는 증발 온도 이상이고 분해 온도 이하로 개별적으로 제어되어, 반응 챔버(10)에 이르는 통로에서의 축합 및 분해가 억제될 수 있다.
제 2 막 형성법에 따르면, 고온 산화 가스는 개별적으로 온도가 제어되고 제 1 가스 통로(66)를 흐르도록 제공되며, 재료 가스는 개별적으로 온도가 제어되고 제 2 가스 통로(70)를 흐르도록 제공된다. 재료 가스는, 예를 들어 Ba(DPM)2, Sr(DPM)2, 및 Ti(i-OC3H7)4와 같은 유기 금속 화합물을 용매에 용해시키고, 이 용액을 증발시키고, 증기를 Ar 등과 같은 캐리어 가스(carrier gas)와 혼합하여 제조된다. 재료 가스의 온도는, 예를 들어 그 구성 성분이 함께 안정하게 존재할 수 있는 최적온도 250℃로 유지된다.
가스 분사 헤드(20)의 여러 부분의 온도는 하기와 같이 제어한다: 제 1 가스 통로(66)의 벽 역할을 하는 외부 배럴(62) 및 중간 배럴(64)의 온도는, 예를 들어 제 1 가열 매질 통로(74)를 통하여 흐르는 가열 매질을 사용하여 500℃로 제어함으로써, 고온 산화 가스를 반응 챔버(10)에 도입한다. 산화 가스는 500℃ 또는 이와 근접한 온도로 예비 가열할 수 있다. 제 2 가스 통로(70)의 벽 역할을 하는 내부 배럴(68)은, 제 2 가열 매질 통로(78)를 통하여 흐르는 가열 매질을 사용하여 Ba, Sr, Ti-함유 재료 가스의 온도와 같은 250℃로 제어한다.
제 2 막 형성법에 따르면, 혼합된 가스의 온도를 막을 형성하기에 최적 온도인 약 500℃ 정도로 하여, 막 성장 속도를 증가시킬 수 있다. 가열 매질이 액체인 경우, 가열 매질이 제 1 가열 매질 통로(74)에 제공될 수 있는 속도에는 일정한 제한이 있으므로, 혼합 가스가 실제로 쉽게 가열될 수 있는 온도는 약 300℃이다. 가열 매질이 가스인 경우, 혼합 가스의 온도를 이론적으로 500℃ 정도로 가열할 수 있다.
상기 실시형태에서는 산화 가스 자체를 가열하고 있으나, 가열된 산화 가스 대신에, 가열된 비활성 가스 또는 N2가스를 산화 가스에 첨가하여 제조되는 고온 가스를 사용할 수 있다. 이러한 고온 가스는 하기 실시형태에도 사용될 수 있다.
도 10의 점선에서와 같이, 기판 온도가 동일하더라도, 막성장 속도는 V1에서 V2로 증가할 수 있다. 튜브형 노즐(84)에서 분사된 재료 가스를 고온 산화 가스와 접촉시키므로, 재료 가스는 가스 분사 헤드(20)에서의 반응 및 분해가 억제되고, 따라서 가스 분사 헤드(20)가 막히거나, 입자 형성으로 인하여 생성물의 질이 악화되는 것이 억제된다. 산화 가스 및 재료 간의 친화도에 따라 재료 가스의 반응성이 다르므로, 산화 가스의 종류 및 온도를 파라미터로서 변화시켜, 막 성장 일치성(conformability) 및 막 성장 속도를 변화시킬 수 있다. 초기 단계에서 재료 가스 및 산화 가스 간의 반응이 일어나지 않으면, 산화 가스의 온도를 기판(W)이 가열되는 온도 이상으로 증가시키고, 온도가 상승된 이 산화 가스를 반응 챔버(10)에 공급할 수 있다.
재료는 하기한 바와 같이 이들의 상이한 온도 특성에 따라 분류할 수 없으나, 이들의 상이한 반응성에 따라 분류할 수 있다. 예를 들어, Sr-계 유기 재료 및 Ta-계 유기 재료는 액상에서 서로 쉽게 반응할 수 있다. 이들 재료는 고온에서 기상으로 서로 반응할 수 있으나, 이러한 기상 반응이 완전히 공지되어 있지는 않다. 따라서, 이들 재료를 상호 개별적으로 공급하고, 가스 분사 헤드에서 분사시킨 후 상호 결합시킬 수 있다.
제 3 막 형성법에 따르면, 제 2 막 형성법에서와 같이, 유기 금속 재료 가스를 함유하는 금속 가스는 개별적으로 온도가 제어되고 제 2 가스 통로(70)를 흐르도록 공급되며, 산화 가스는 개별적으로 온도가 제어되고 제 1 가스 통로(66)를 흐르도록 공급된다. 제 3 막 형성법에서, 강유전성 막(예를 들어, 바륨 스트론튬 티타네이트)이 형성된다. 예를 들어, Ti, Sr(DPM)2및 Ti(i-OC3H7)4를 함유하는 Ba(DPM)2과 같은 유기 금속 화합물을 용매에 용해시키고, 이 용액을 증발시키고, 증기를 Ar 등과 같은 캐리어 가스와 혼합하여 재료 가스를 제조한다. 산화 가스는 저온의 산화 가스를 포함하여 이루어진다.
제 2 가스 통로(70)에서, 금속 가스는 예를 들어 Sr, Ba 및 Ti의 증발 온도 이상 및 이의 분해 온도 이하인 240 내지 250℃의 온도 범위로 제 2 가열 매질 통로(78)를 통하여 흐르는 가열 매질을 사용하여 가열된다. 제 1 가스 통로(66)에서, 산화 가스는 예를 들어 재료 가스의 온도 이하인 100 내지 200℃의 온도 범위로 제 1 가열 매질 통로(74)를 통하여 흐르는 가열 매질을 사용하여 가열된다. 산화 가스의 온도는 재료 가스의 축합 온도보다 약간 낮을 수 있으나, 서로 혼합 후 축합되지 않는 값이어야 한다.
제 1 가스 통로(66)를 통하여 흐르는 산화 가스는, 가스 분사 홀(82) 및 튜브형 노즐(84) 사이의 환상 통로(86)를 통과하여 반응 챔버(10)에 분사되고, 이와 동시에, 제 2 가스 통로(70)를 통하여 흐르는 재료 가스는 튜브형 노즐(84)을 통하여 반응 챔버(10)에 분사된다. 이들 가스는 튜브형 노즐(84) 아래 영역(혼합 영역)으로 내려감에 따라, 균일하게 함께 혼합되어, 반응 챔버(10) 내에서 기판(W)을 향하여 아랫쪽으로 흘러간다. 기판 홀더(18)로 고정되어 있는 기판(W)은 예를 들어 약 500℃로 가열되어, 가열된 기판(W) 상에 박막이 형성된다.
상기한 바와 같이, 막 성장 온도가 반응-율속에 따라 낮아지면 막 성장 속도가 감소하고, 막 성장 온도가 낮아지면 커버리지 특성이 개선된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 공급-율속이 반응-율속으로 변하는 온도(T1) 부근에서 커버리지 특성이 크다. 재료 가스의 온도를 변화시키지 않고 산화 가스의 온도를 재료 가스의 온도보다 낮게 조절하여 막 성장 온도가 공급-율속이 반응-율속으로 변하는 온도(T1)보다 약간 높게 하면, 고도의 막 성장 속도를 유지시키면서 커버리지 특성을 개선할 수 있다.
제 3 막 형성 방법으로서 BST 막 성장 방법을 상기하였으나, Cu의 배선을 위한 시이드층(seed layer) 형성 방법에도 제 3 막 형성법이 적용될 수 있다. 이러한 방법에서, O2또는 H2O와 같은 첨가 가스의 온도는 재료 가스의 온도보다 약간 낮춘다.
제 4 막 형성법에 따르면, 제 1 막 형성법에서와 같이, 다른 종류의 유기 금속 재료를 함유하는 재료 가스를 개별적으로 온도를 제어하고 제 1 및 제 2 가스 통로(66, 70)를 흐르도록 공급한다. 제 4 막 형성법은 예를 들어 Ti를 포함하는 고-유전성 재료의 BST 재료 시스템에 적용된다. Ba, Sr의 재료 가스의 혼합물을 제 1 가스 통로(66)를 흐르도록 공급하고, Ti 재료 가스 및 산화 가스의 혼합물을 제 2 가스 통로(70)를 흐르도록 공급한다. 특히, Ba, Sr 재료를 증발기로 증발시켜 생성한 증기를 제 1 가스 통로(66)에 도입하고, Ti 재료를 증발기로 증발시켜 생성한 증기와 및 산화 가스의 혼합물을 제 2 가스 통로(70)에 도입한다.
제 2 가스 통로(70)에서는, 혼합 가스를 예를 들어 Sr, Ba의 증발 온도 이상및 이의 분해 온도 이하인 240 내지 250℃의 온도 범위로 제 2 가열 매질 통로(78)을 통하여 흐르는 가열 매질을 사용하여 가열한다. 제 1 가스 통로(66)에서, 혼합 가스는 예를 들어 Ti의 증발 온도 이상 및 이의 분해 온도 이하이고 또한 제 2 가스 통로(70)를 통하여 흐르는 혼합 가스 온도 이하인 150 내지 200℃로, 제 1 가열 매질 통로(74)를 통하여 흐르는 가열 매질을 사용하여 가열한다. 이들 혼합 가스는 가스 분사 헤드(20)로부터 반응 챔버(10)로 공급되어, 기판 홀더(18)에 고정되어 있는 기판(W) 표면에 박막을 형성한다.
BST, STO, BTO 등의 막을 형성할 때, Ti로 처리하므로, Ti 재료가 커버리지 특성에 큰 영향을 준다. 유기 금속 재료 Ti는 다른 유기 금속 재료, Ba, Sr 등보다 증발 온도가 낮으므로, 유기 금속 재료 Ti를 각각 다른 유기 금속 재료와 개별적으로 온도를 낮추어 증발시켜도, 유기 금속 재료 Ti를 축합되지 않은 상태로 이송할 수 있다. 따라서, 티탄 재료의 온도만을 다른 재료보다 낮추면, 티탄 반응이 지연되어 커버리지 특성을 개선할 수 있다.
제 5 막 형성법에 따르면, 하기 방법이 상기 제 1 내지 제 4 막형성법 각각에 추가된다. 기판 홀더(18)를 소정의 막 성장 온도로 유지하고 핀(90)을 올린다. 이어서, 막을 성장시키려는 기판(W)을 이송 로봇(44)으로 반응 챔버(10)에 이송하고, 기판 홀더(18)로부터 돌출되어 있는 핀(90) 상에 위치시킨다. 이 때, 비교적 저온인 기판(W)은 기판 홀더(18)와 직접 접촉할 때 발생하는 열 충격을 피할 수 있다. 기판 홀더(18)로 핀(90)으로 고정된 기판(W)을 들어올려, 기판(W)을 가스 분사 헤드(20)에 가까이 운반한다.
이어서, 목적하는 기판(W) 가열 온도 또는 이보다 높은 온도로 가열한 가열 가스(온도-조절 가스)를 가스 분사 헤드(20)에 도입하고, 제 1 가스 통로(66)를 통하여 흐르도록 하여, 환상 통로(86)로부터 기판(W) 쪽으로 분사함으로써, 기판(W)을 예비 가열한다. 가열 가스는, 막 형성법에서 문제가 발생하지 않는 N2가스 또는 불활성 가스를 포함하여 이루어진다. 막 형성 후에 어닐링을 실시할 수 있다. 이러한 어닐링을 실시하기 위해서는, 예를 들어 기판을 N2가스를 사용하여 특정 온도로 가열하고, N2가스를 어닐링용 가스로 전환한다. 막 형성법에 문제를 일으키지 않는다면, 비열 및 열 전도도가 큰 H2가스를 사용하여 기판(W)의 온도 상승 능력을 향상시킬 수 있다. 가열 가스의 압력을 증가시켜, 기판(W)의 온도가 증가되는 속도를 증가시킬 수도 있다.
기판(W) 표면 온도를 온도 센서(92)를 사용하여 검출하고, 검출 온도가 목적하는 온도에 도달할 때 가열 가스 공급을 중단한다. 목적하는 온도보다 고온의 가열 가스를 사용하면, 검출 온도가 목적하는 온도 부근값에 도달할 때, 가열 가스를 목적하는 온도와 같은 온도를 가진 가열 가스로 전환할 수 있다. 기판(W)의 배면 온도를 검출하는 동안 가열 가스의 속도, 온도, 압력 등을 제어함으로써, 기판(W)을 소정 시간 내에 원하는 온도로 가열할 수 있다.
기판(W)이 목적하는 온도에 도달할 때, 핀(90)을 내려 기판(W)을 기판 홀더(18) 상에 위치시키고, 기판(W)의 온도가 가열기(56)로 일정하게 제어되는 동안 기판(W)에 막 성장 방법을 실시한다. 특히, 예를 들어, 고온 산화 가스는 개별적으로 온도를 제어하여 제 1 가스 통로(66)를 흐르도록 공급되고, 재료 가스는 개별적으로 온도를 제어하여 제 2 가스 통로(70)를 흐르도록 공급된다. 재료 가스는, 예를 들어 Ba(DPM)2, Sr(DPM)2, 및 Ti(i-OC3H7)4와 같은 유기 금속 화합물을 용매에 용해시키고, 이 용액을 증발시키고, 이 증기를 Ar 등과 같은 캐리어 가스와 혼합하여 제조한다. 이들 가스는 기판(W)을 향하여 분사되어 기판(W) 표면 상에 박막을 성장시킨다.
막이 형성된 후, 핀(90)을 올리고, 기판 홀더(18) 위로 처리 기판(W)을 고정한다. 이어서, 목적하는 온도 또는 이보다 낮은 온도로 냉각시킨 냉각 가스(온도-조절 가스)를 가스 분사 헤드(20)에 도입하고, 제 1 가스 통로(66)로 흐르게 하여 환상 통로(86)로부터 기판(W)을 향하여 분사함으로써, 기판(W)을 냉각한다. 상기 가열 가스에서와 같이, 냉각 가스는 막 형성법에서 문제가 발생하지 않는 N2가스 또는 불활성 가스를 포함하여 이루어진다. 막 형성법에 문제를 일으키지 않는다면, H2가스를 사용하여 기판(W)의 온도 하강 능력을 향상시킬 수 있다.
기판(W) 배면 온도를 온도 센서(92)를 사용하여 검출하고, 검출 온도가 목적하는 온도에 도달할 때, 기판 홀더(18)를 내리고 기판(W)을 이송 로봇(44)에 이동시킨다. 이 때, 기판(W)을 신속하게 냉각시켜 이송 로봇(44)의 핸드와 기판(W) 간의 온도 차로 인한 열 충격을 피할 수 있다. 반응 챔버(10)에서 꺼낸 기판(W)을 냉각 챔버를 통해 되돌려 보내거나, 예를 들어 로드-록 챔버(load-lock chamber)에 위치한 수지 카세트에 바로 되돌려보낼 수 있다. 개별 냉각 챔버를 사용하여 작업 처리량을 증가시키는 동안에, 기판(W)에 의하여 로봇 핸드에 미치는 열의 영향을 낮추기 위하여, 상기 냉각법에 따른 1차 냉각을 통하여 기판(W)을 냉각시킴으로써 로봇 핸드의 수명을 늘릴 수 있다.
이러한 막 형성법에서, 재료가 전혀 함유되어 있지 않는 산화 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 통로(66)를 사용하여 가열 가스 및 냉각 가스 모두를 공급한다. 그러나, 가열 가스 및 냉각 가스를 모두 공급하기 위한 제 3 가스 통로를 추가로 사용할 수 있다. 도입 기판(W)이 특정한 온도를 가지며 열 충격을 일으키지 않는다면, 기판(W)이 핀(90)에 의하여 고정되어 있는 동안 기판(W)을 가열하는 대신에, 기판 홀더(18) 상에서 바로 기판(W)을 가열할 수 있다. 상기와 같이 고-유전성 재료 막을 형성하는 동안, 구리 배선 금속을 기판의 배선 그루브에 함침시키기 위한 막 형성법을 실시할 수 있다.
상기한 막형성 처리에서, 산화 가스 분위기에서 기판 위에 형성된 막이 산화물로 구성되는 처리가 설명되었다. 다음으로, 환원 가스 분위기에서 기판 위에 형성된 막이 예를 들어, 금속으로 구성되는 처리가 도 4를 참고하여 기재된다. 예로써, 구리선용 구리 시드층이 기재될 것이다. 먼저, 구리(hfac(헥사플루오로아세틸아세톤)) tmvs(트리메틸비닐실란), tmvs(5%) 및 수소(hfac)는 혼합되어 액체 재료(200)를 생성하고, 용기(200)에 저장된 액체 재료(202)는 헬륨 등의 가스로 액체 수준이 가압되어 액체 흐름 제어기(204)를 통해 증발기(206)에 공급되고, 동시에, He, H2, 또는 Ar와 같은 캐리어 가스는 가스 흐름 제어기(208)을 통해 증발기(206)에 공급된다. 증발기(206)에서 액체 재료 및 캐리어 가스는 예를 들어, 증발되어 재료 가스를 생성하기 위하여, 50 내지 70℃ 범위의 온도로 가열된다. 그리고 나서, 재료 가스는 개별적으로 온도가 제어되고, 제 1 가스 통로(66)에 공급되어 흐르고, H2, Ar, N2또는 H2와 같은 첨가 가스는 개별적으로 온도가 제어되고, 제 2 가스 통로(70)에 공급되어 흐른다. 이러한 가스들은, 예를들어, 140 내지 200℃ 범위의 온도로 가열된, 기판 홀더(18)에 위치한 기판(W)을 향해 분사된다. 반응 챔버에서 방출된 가스들 및 일부 재료 가스는 각각의 트랩(210a, 210b)으로 도입되어, 방출된 가스들 및 재료 가스에 포함된 성분들의 일부는 트랩(trap)되고, 트랩되지 않은 성분들은 진공 펌프(212)를 통해 먼지 제거 기구(214)로부터 방출된다.
이러한 방법에서, 하기 반응식 (1) 및 (2)에 따라, 구리는 기판(W)의 표면에 증착된다.
Cu(hfac)tmvs →Cu(hfac) + tmvs
2Cu(hfac) →Cu(hfac)2+ Cu
이러한 경우, 식(1)으로 나타낸 반응은 흡열반응이고, 이런 반응이 증기상에서 실행된다는 점에서 바람직하다. 따라서, 가열된 첨가 가스가 공급되어, 재료 가스 및 첨가 가스는 가스 분사 헤드(20)로부터 분사된 후 즉시 서로 혼합되고, 식(1)으로 나타낸 반응은 가속된다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 가스 분사 헤드(20)를 나타낸다. 도 5에서 보는 바와 같이, 제 2 실시형태에 따르면, 제 1 실시형태에 따른 가스 분사 헤드의 중간 배럴은 불필요하고, 제 1 가스 통로(66)는 외부 배럴(62)과 내부 배럴(68) 사이에 형성되고, 제 2 가스 통로(70)는 내부 배럴(68)의 외부에 원주 표면이 단열층(80)으로 피복된 내부 배럴(68) 내에 형성된다. 단열층(80)은 가스 분사 헤드(20)의 구조를 단순화하고, 가열 매질의 흐름 속도를 감소시키는 단열 라이너 또는 단열 코팅을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 기판 처리 장치의 가스 분사 헤드(20)를 나타낸다. 도 6에서 보는 바와 같이, 가스 분사 헤드(20)는 상부에 결합기(94), 제 1 가스 통로를 형성하고 결합기(94)에 접선으로 연결된 제 1 가스 파이프(96), 제 2 가스 통로를 형성하고 결합기(94)에 접선으로 연결된 제 2 가스 파이프(98), 결합기(94)의 하류로 연장되고 기판 홀더(18)쪽으로 뻗은 아랫쪽으로 벌어지는 플레어링 분사 가스 가이드 파이프(100)를 갖는다. 제 3 실시형태에 따른 가스 분사 헤드(20)는 막을 형성하는 두번째 처리를 실시하는데 특히 적합하다. 단열 메카니즘(96a,98a)은 각각 가스 파이프(96,98)의 주위에 증착되어, 이들 가스 파이프(96,98)를 통해 단열 가스가 흐르게 된다.
제 3 실시형태에 따른 가스 분사 헤드(20)에 의해 막을 형성하는 두번째 처리가 실행되는 경우, 재료 가스 및 고온 산화 가스는 각각 가스 파이프(96,98)를 통해 흐르고, 결합기(94)에 의해 서로 결합된다. 그리고 나서, 결합 가스는 분사 가스 가이드 파이프(100)를 통해 선회 운동(swirling motion)하여 하류로 흐르고, 서로 혼합되고, 최종적으로 분사 가스 가이드 파이프(100)의 바로 밑에 있는 기판(W)의 표면에 도달한다. 도 6에 나타낸 가스 분사 헤드(20)는 재료 가스가 가스 분사 헤드(20) 내에서 증착되고 반응하는 것을 방지하면서 막 성장 반응 속도를 증가시키는데 효과적이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 기판 처리 장치를 나타낸다. 도 7에서 보는 바와 같이, 예를 들어, 2.45GHz의 주파수를 갖는 마이크로파 도입용 마이크로파 도입 기구(104)는 반응 챔버(102)의 상부 벽에 장착되고, 예를 들어, 875G의 자기 코일(106)은 반응 챔버(102)의 주위에 배치되어 플라즈마로 기판 홀더(108)에 위치한 기판(W)을 처리한다. 링형상의 가스 입구 파이프(110)는 반응 챔버(10)의 상부에 배치되고, 이들의 가로 방향으로 연장된다. 링형상의 가스 입구 파이프(110)는, 내부에 형성되어 있고 원주 방향으로 일정 피치를 두고 이격된 다수의 가스 분사구(112)를 갖는다. 가스 분사구(112)는 기판 홀더(108) 상에 위치한 기판(W)을 향해 비스듬히 하류로 온도-조절 가스를 분사한다.
제 4 실시형태에 따른 기판 처리 장치는 상기 막형성의 다섯번째 처리를 실시하는데 적합하다. 제 4 실시형태에 따른 기판 처리 장치가 구조적 율속으로 가스 분사 헤드를 갖지 못하지만, 반응 챔버의 상부에 배치된 링형상의 가스 입구 파이프 내에 형성된 가스 분사구는 온도-조절 가스를 균일하게 반응 챔버 내로 도입할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스는 상호 무관하게 각각 개별적으로 온도가 제어될 수 있고, 기판 처리(예를 들어, 기판 위에서 막형성)를 위한 최적 온도에 놓일 수 있고, 그 다음 가스 분사 헤드로부터 기판으로 분사될 수 있다. 둘 이상의 다른 유기 금속 재료를 포함하는 가스들은 재료 가스 등의 성질에 제한 받지 않고, 상호 무관하게 각각 개별적으로 원하는 온도에 놓일 수 있다. 따라서, 원하는 온도에 놓인 가스들은 조기에 반응하지 않고, 통로에서 분해되지 않는다. 가스들이 최종적으로 서로 혼합되는 경우, 고온을 유지하여 막 성장 반응 속도를 증가시킬 수 있다.
또한, 축합되기 어려운 산화 가스 및 유기 금속으로서 티타늄(Ti)을 포함하는 재료 가스는 온도가 내려가고, 막 성장 온도가 반응-율속에서 공급-율속으로 전환되는 범위의 온도에 근접한 온도로 내려간다. 따라서, 막 성장의 커버리지 특성은 막 성장 속도를 낮추지 않고 개선될 수 있다.
또한, 기판의 온도를 목표온도로 균일하고 신속하게 가열(예열) 및/또는 냉각하여, 작업 처리량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내고, 상세하게 기재하였으나, 첨부한 청구항의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 변화 및 변형이 가능하다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (17)

  1. 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하고, 이 가스를 처리한 기판에 분사하기 위한 가스 분사 헤드를 포함하여 이루어지고;
    상기 가스 분사 헤드는 상기 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하는 둘 이상의 가스 통로, 및 상기 가스 통로를 통하여 흐르는 가스의 온도를 개별적으로 제어 또는 유지하기 위한 둘 이상의 온도 제어 기구를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 각각은 둘 이상의 상이한 유기 금속 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 중 하나는 산화 가스, N2및 불활성 가스 중 하나 이상을 함유하는 고온 가스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 중 하나는 환원 가스, N2및 불활성 가스 중 하나 이상을 함유하는 고온 가스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 중 하나는 기판 가열 및 기판 냉각 중 하나 이상을 수행하기 위한 온도-조절 가스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  6. 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하고 이 가스를 처리할 기판에 분사하기 위한 가스 분사 헤드로서, 상기 둘 이상의 가스를 개별적으로 도입하기 위한 둘 이상의 가스 통로 및 상기 가스 통로를 통하여 흐르는 가스의 온도를 개별적으로 제어 또는 유지하기 위한 둘 이상의 온도 제어 장치를 가지는 가스 분사 헤드를 가지는 처리 챔버;
    상기 가스 분사 헤드에 가스를 공급하기 위한 가스 공급원; 및
    상기 처리 챔버 내에 상기 가스 분사 헤드와 대향 배치되어 있는 기판 홀더를 포함하여 이루어지는 기판 처리 장치.
  7. 안에서 기판을 처리하기 위한 처리 챔버;
    상기 처리 챔버 내에 배치되어 있으며, 상기 기판을 고정 및 가열하기 위한 기판 홀더; 및
    온도-조절 가스를 상기 처리 챔버에 도입하여, 상기 처리 챔버 내 소정 위치에서 기판 가열 및 기판 냉각 중 하나 이상을 수행하기 위한 온도-조절 가스 도입 기구를 포함하여 이루어지는 기판 처리 장치.
  8. 재료 가스를 포함하는 둘 이상의 가스의 온도를 개별적으로 제어 또는 유지하는 단계; 및
    상기 가스를 처리 챔버에 도입하는 단계를 포함하여 이루어지는 기판 처리 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 각각은 둘 이상의 상이한 유기 금속 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 중 하나는 산화 가스, N2및 불활성 가스 중 하나 이상을 함유하는 고온 가스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 중 하나는 환원 가스, N2및 불활성 가스 중 하나 이상을 함유하는 고온 가스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 둘 이상의 가스 중 상기 재료 가스를 제외한 하나 이상을 상기 재료 가스의 온도 이하의 온도에서 상기 처리 챔버 내에 도입하는 단계를 더욱 포함하여 이루어지는 기판 처리 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 재료 가스 및 처리 챔버 내로 도입할 가스를 상기 재료 가스의 온도 이하의 온도에서 상호 혼합하지 않은 상태로 이송하는 단계; 및
    상기 재료 가스 및 상기 가스를 상기 처리 챔버 내에서 또는 상기 처리 챔버내에 도입하기 전에 서로 혼합하는 단계를 더욱 포함하여 이루어지는 기판 처리 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 재료 가스의 온도 이하의 온도에서 상기 처리 챔버 내에 도입되는 가스는, 상기 재료 가스의 축합 온도 이하인 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  15. 유기 금속 재료로서 티탄을 함유하는 재료 가스 및 다른 유기 금속 재료를 함유하는 금속 가스를 처리 챔버에 도입하여 기판 상에 박막을 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 유기 금속 재료로서 티탄을 함유하는 재료 가스의 온도는 다른 유기 금속 재료를 함유하는 재료 가스의 온도 이하의 온도인 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 유기 금속 재료로서 티탄을 함유하는 재료 가스 및 상기 다른 유기 금속 재료를 함유하는 재료 가스를 서로 혼합하지 않은 상태로 이송하는 단계; 및
    상기 유기 금속 재료로서 티탄을 함유하는 재료 가스 및 상기 다른 유기 금속 재료를 함유하는 재료 가스를 상기 처리 챔버 내에서 또는 상기 처리 챔버 내에 도입 전에 서로 혼합하는 단계를 더욱 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  17. 처리 챔버 내에서 기판 홀더로 기판을 고정하는 단계; 및
    상기 기판에 온도-조절 가스를 분사하여, 상기 처리 챔버 내 소정 위치에서 상기 기판 가열 및 기판 냉각 중 하나 이상을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 기판 처리 방법.
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