KR20020019270A - 원자층 박막 증착장치 - Google Patents

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Abstract

원자층 박막 증착장치가 개시된다. 개시된 증착장치는: 일측에 배기구가 마련된 진공용기와; 상기 진공용기 내에 마련되는 것으로, 상기 진공용기 외부로 부터의 2종 이상의 반응가스가 도입되는 도입부와, 상기 도입부로부터의 반응가스들이 유입되는 하나의 반응실을 갖는 반응용기와; 상기 도입부에 마련되어 가스별 도입부분을 구획하는 분리판과; 상기 각 반응가스가 통과하는 가스통과영역을 제공하도록 상기 분리판에 소정간격으로 형성되는 돌출부에 의한 가스확산부를; 구비한다. 진공 용기 안에 터널 형상의 반응실을 만들어 그 내부에 2종 이상의 반응 원료기체를 일정시간동안 순차적으로 주입할 때 주입되는 원료기체의 공간 분포를 균일하게 하여 증착되는 박막의 균일도를 개선할수 있으며, 반응실의 공간을 최소화하여 반응원료기체와 퍼지기체의 사용을 최소화함으로서 기체의 주입시간을 단축할수 있어 공정의 소요시간을 줄일 수 있게 된다.

Description

원자층 박막 증착장치{Atomic thin layer deposition appratus}
본 발명은 원자층 박막 증착장치에 관한 것으로, 상세히는 반응 원료 기체의 각각에 대해서 기체 공급 관에서의 난류나 배기시 잔류되는 것을 억제하고 기판 상에서 균일한 기체의 흐름을 유도할 수 있는 원자층 박막 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조나 평판 디스플레이 등의 제조에는 웨이퍼나 유리를 기판에 필요한 박막을 증착시키게 되는데 주로 스퍼터링(sputtering)이나 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)이 이용된다.
화학 기상 증착법은 기체 상태의 원료를 혼합하여 기판 상에 균일하게 분사시켜 기판에서의 화학반응에 의해 박막이 증착 되게 한다. 반도체 등의 소자에서는 더 높은 집적도를 요구하고 있어서, 미세한 선폭에 균일한 박막의 증착이 필수적인 요구로 대두되고 있다.
일반적으로 원자층 박막 증착 장치는 반응 원료물질의 가스들을 일정한 시간 간격으로 교차하여 주기적으로 반응관 안으로 흘려 보내줌으로써, 각 반응 단계에서 하나의 원자층이 순차적으로 성장되는 방식으로 물질이 성장된다.
이와 같은 원자층 박막성장 장치는 기판 위에서 기체를 균일하게 분사시켜 증착하는 샤워 헤드 방식과 기판의 한쪽 끝에서 분사되어 기판의 다른 한쪽 끝으로 배기되는 트래블링 웨이브 방식이 있다.
샤워 헤드 방식이나 트래블링 웨이브 방식에 있어서, 기판 상에서 기체의 균일한 흐름을 유도하는 것은 박막의 균일한 증착에 필수 조건이라 할 수 있다.
원자층 증착 방법에서는 2종 이상의 원료 기체를 교대로 기판 위에 흘려보내게 되는데 기존의 트래블링 웨이브 방식에서는 가스를 짧은 펄스 시간동안 기판 위로 균일하게 흘리고, 잔류 가스를 제거하는 역할을 할 수 있는 가스 주입부의 설계가 어려워, 실제 공정진행 시 가스들의 충분히 배기되지 못하고 기체 공급 관에 갇혀 빠져 나오지 못해 기체 공급 관에서 화학 반응 등이 일어나 균일한 박막의 증착을 어렵게 하거나 오염입자의 발생 원인이 되기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 특히 반응 원료 기체의 각각에 대해서 기체 공급 관에서의 난류나 배기시 잔류되는 것을 방지하고 기판 상에서 균일한 기체의 흐름을 유도할 수 있는 반응실을 구비하는 원자층 박막 증착 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명의 원자층 증착 장치에 따른 실시예의 개략적 구조를 보인 단면도이다.
도 2 는 도 1에 도시된 상기 원자층 박막 증착장치의 A 부분의 확대 도면으로서, 반응가스의 상부 도입부에 대한 가스 분배 구조를 보인 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 상기 원자층 증착장치의 A 부분의 확대 도면으로서, 반응가스의 하부 도입부에 대한 가스 분배 구조를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 원자층 증착장치에 있어서, 가스도입부에 위치하는 분리판의 돌출부를 확대해 보인 도면이다.
도 5a는 본 발명에 따른 원자층 증착장치에 적용되는 분리판의 평면도이며, 도 5b는 그 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 원자층 증착장치에 있어서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 분리판이 설치된 상태를 보인 반응판의 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 원자층 증착장치에 있어서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 분리판이 설치된 상태에서 반응가스의 유동상태를 보인 반응판의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 원자층 증착장치에 적용되는 다른 유형의 분리판의 평면도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 원자층 증착장치는:
일측에 배기구가 마련된 진공용기와;
상기 진공용기 내에 마련되는 것으로, 상기 진공용기 외부로부터의 2종 이상의 반응가스가 도입되는 도입부와, 상기 도입부로 부터의 반응가스들이 유입되는 하나의 반응실을 갖는 반응용기와;
상기 도입부에 마련되어 가스별 도입부분을 구획하는 분리판과;
상기 각 반응가스가 통과하는 가스통과영역을 제공하도록 상기 분리판에 소정간격으로 형성되는 돌출부에 의한 가스확산부를; 구비한다.
상기 원자층 증착장치에 있어서, 상기 반응용기는 상기 도입부와 반응실에 대응하는 내부 채널을 가지는 적어도 두개의 반응판을 구비하며, 상기 분리판은 상기 반응판의 사이의 도입부에 마련되는 것이 바람직하며, 특히, 상기 분리판에 형성되는 돌출부의 정상면은 각 돌출부의 정상면에 대응하는 반응판의 내면에 접촉되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 돌출부는 상기 반응가스 진행 방향으로 2 열 이상 배치되어 이에 대응하는 2 이상의 확산부가 형성되어 있는 것이 바람직하며, 특히, 상기 확산부에 있어서, 가스유입(upstream)측에 위치한 확산부에 비해 가스유출(downstream)측에 인접한 확산부의 가스통과영역의 전체 면적이 더 큰 값을 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 가스유입측에 마련되는 확산부의 돌출부의 개수는 가스유출측에 마련되는 확산부의 돌출부의 수에 비해 적고, 상기 가스유입측에 마련되는 확산부의 돌출부의 크기는 가스유출측에 마련되는 돌출부에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 원자층 증착장치에 있어서, 상기 확산부는 소정간격을 유지하는 두개의 확산부를 가지며, 가스유입측의 제1확산부는 대략 삼각형 또는 반달형의 돌출부를 다수 구비하며, 각 돌출부의 장변은 상기 가스유동방향에 수직인 방향으로 정렬되며, 가스유출측의 제2확산부는 나란한 두 장변을 가지는 대략 사각형 또는 타원형의 돌출부를 가지며, 두 장변방향의 각 면이 가스유동방향에 나란하게 배치되어 있고, 제 1 확산부에 마련된 돌출부들 사이의 가스통과영역이 상기 제 2확산부에 마련된 돌출부들 사이의 가스통과영역이 가스유동방향에 수직인 방향으로 상호 어긋나게 위치해 있는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 원자층 박막 증착장치의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명에 따른 원자층 증착장치는 제 1 반응원료기체를 일정 시간동안 반응실로 주입하고, 일정시간동안 펌핑이나 불활성 기체를 이용하여 반응실을 퍼지하고, 제 2 반응원료기체를 일정 시간동안 주입한 후 다시 펌핑이나 불활성기체를 이용하여 다시 퍼지하는 공정을 반복하여 원하는 두께의 박막을 웨이퍼 또는 유리 기판등에 증착시키는 장치이다.
도 1 에는 본 발명에 따른 원자층 증착 장치의 반응실의 개략적 구조를 보이며, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 상기 원자층 증착장치의 A 부분의 확대 도면으로서, 도 2는 후술하는 상부 도입부(311a, 321a)에 대한 가스 분배 구조를 보인 단면도이며, 도 3은 하부 도입부(311b, 321b)에 대한 가스 분배 구조를 보인 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일측에 배기구(2)가 마련된 진공용기(1) 내에 반응용기(3)가 마련되어 있다. 상기 반응용기(3)로는 진공용기(1) 외부로 부터의 2종의 반응가스(Source A, Source B)가 공급된다.
본 실시예에 있어서는 상기 반응용기(3)는 3매의 반응판(31, 32, 33)을 구비한다. 상기 제 1, 제 2, 제 3 반응판(31, 32, 33)들의 각 내면에는 이들 각각의 사이에 2종의 가스가 유입되는 업스트림 측의 가스 도입부(311, 321) 및 이에 공간적으로 연결되는 것으로 웨이퍼(W)가 장착되는 다운스트림 측의 반응실(312, 322)을 제공하기 위한 채널이 형성된다. 상기 가스도입부(311, 321)들 각각은, 상부 도입부(311a, 321a) 및 하부 도입부(311b, 321b)를 구비한다. 상기 각 가스 도입부(311, 321)의 상부 가스도입부(311a, 321a) 및 하부 도입부(311b, 321b)들의 사이에는 이들을 공간적으로 격리하는 분리판(35a, 35b)이 마련된다.
상기 분리판(35, 36)은 상기 도입부(311, 321)로부터 각 반응실(312, 322)의 전단에 까지 연장된다. 따라서, 상기와 같이 분리판(35a, 35b)에 의해 격리된 상부 가스도입부(311a, 321a)에는 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 반응가스(Source A)가 유입되고 하부 도입부(311b, 321b)에는 제 2 반응가스(Source B)가 유입되며, 웨이퍼(W)가 위치하는 반응실(312, 322)에서는 혼합되게 된다. 상기 반응용기(3)의 전방에는 상기 각 도입부(311, 321)로 반응가스를 공급하는 반응가스 분배기(34)가 마련된다. 그리고, 제 1 반응판(31)의 상면에와 제 3 반응판(33)의 저면 각각에 상부 히이터(36a) 및 하부 히이터(36b)가 설치된다.
도 4는 상기 가스도입부(311, 321)에 위치하는 분리판(35a, 35b)에 형성되는 돌출부(351)를 확대해 보인 상기 반응용기의 부분발췌 확대 단면도이며, 도 5는 상기 분리판(35a, 35b)의 평면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분리판(35a, 35b)의 상하면에는 가스도입부(311a, 321b),(321a, 321b)로 도입된 가스를 고르게 확산시키는 돌출부(351)가 형성되어 있다. 상기 돌출부(351)의 상기 분리판(35a, 35b)의 상하면에 형성되며, 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 반응가스의 유동방향에 수직인방향으로 다수 일정간격으로 배치되어, 가스가 통과하는 가스통과영역(352)를 마련한다. 상기 분리판(35a, 35b)의 상하면에 형성된 돌출부(351)의 정상면은 각각 반응판(31, 32, 33)의 내면에 접촉된다.
도 6은 상기 분리판(35a)이 결합된 제 1 반응판(31)의 평면도이다.
제 1 반응판(31)의 테두리 부분에 일측이 개방된 'ㄷ' 자형 벽체(313)가 마련된다. 그리고, 상기 상부 도입부(311a)에 인접한 상기 벽체의 안쪽 가장자리 부분에 분리판(35a)의 가장자리 부분이 안착되는 계단부(314)가 형성된다. 상기 벽체(313)의 개방된 부분에 인접하여 웨이퍼(W)가 장착되는 반응실(312)이 형성된다. 상기 계단부(314)에 인접하는 반응가스 도입부(311)의 한 요소인 상부 도입부(311a)가 형성된다. 상부 도입부(311a)과 상기 반응실(312)의 사이에는 상기 돌출부(361)에 의해 본발명을 특징지우는 반응가스 확산부(316)가 마련된다. 상기 확산부(316)는 상기한 바와 같이 일렬로 마련된 대략 타원형 돌출부(361)들에 마련된다.
상기 돌출부(361)들에 의한 확산부는 반응가스가 돌출부(361)들 사이의 가스통과영역을 통과하면서 반응판(31, 32,33) 내면 전체적으로 골고루 확산되어 웨이퍼(W)에 돌달했을 때에는 웨이퍼(W) 전면에 대해 고른 분포를 가지게 된다.
즉, 반응가스가 가스도입부(311, 321)에 도입된 후 상기 돌출부(361)들 사이의 가스통과영역(316)을 높은 속도와 낮은 압력으로 통과하면서 고른 분포로 확산되게 된다. 반응가스의 확산은 도 7에 도시된 바와 같이, 업스트림 측의 상기 가스도입부(311, 321)에서 일차적으로 확산되며, 일차 확산된 반응가스가 상기확산부(316)의 돌출부(361)들에 분산된 후 웨이퍼(W)의 표면에 도달하기 전에 반응가스의 다운스트림 측에서 2차 확산되게 된다.
상기와 같은 돌출부(361)에 의한 확산부는 다른 형태로의 변형도 가능한다.
도 8은 본 발명의 원자층 박막 증착 장치의 다른 실시예에 따른 분리판(35c)의 평면구조를 가진다.
도 8은 참조하면, 반응가스의 보다 효과적인 확산을 위하여 2 열로 돌출부(361, 363)이 형성된다. 제1확산부를 구성하는 첫번째 열의 제1돌출부(363)의 삼각형 또는 반달형으로서, 제2확산부를 구성하는 그 다음열의 제2돌출부(361)에 비해 큰 크기를 가지고, 이들에 의한 가스통과영역(364)의 전체 개구량이 상기 제2돌출부(361)에 의한 가스통과영역(362)들 전체 개구량에 비해 작다. 이러한 구조는 반응가스를 다단으로 점증적으로 확산시키기 위한 구조이다.
전술한 계단부(314)에 의해 지지되는 분리판(35a, 35b)의 제1, 제2돌출부(361, 363)들의 정상면은 각각에 대응하는 반응판의 내면에 접촉된다.
본 실시예에 의하면, 상기 제 1 확산부의 제1돌출부(363)은 7개가 마련되며, 그리고 제 2 확산부의 제2돌출부(361)은 그 보다 많은 수로 마련된다., 상기 제1돌출부(363)들에 의한 가스 통과영역(364)의 면적에 비해 상기 제1돌출부(361)들에 의한 가스통과영역(362)의 면적에 비해 작다. 특히 상기 제1돌출부(363)의 장변이 가스 유입방향에 수직인 방향으로 정렬이 되어 있고, 따라서, 상기 삼각형 또는 반달형의 제1돌출부(363)들의 사이의 가스통과영역의 면적은 가스 진행방향으로 점차 확대된다. 상기 제2돌출부(361)들 각각의 장변이 상호 나란하며, 가스 진행방향으로 배치된다. 따라서, 상기 제 1 확산부의 제1돌출부(363)들의 사이를 통과한 반응가스는 점차 확대되는 가스통과영역(364)을 통과하면서 제 1 확산부와 제2 확산부 사이의 공간(36)으로 전체적으로 고르게 분포로 확산되게 된다. 상기 공간(36)에서 고르게 분포되어 있는 반응가스는 다시 제2확산부를 이루는 제2돌출부(361)들 사이의 가스통과영역(362)를 통해 반응실(312)로 유입되게 된다.
이상의 실시예에서는 3 매의 반응판에 의해 동시에 두개의 웨이퍼 또는 기판에 대한 박막 성장이 가능한 구조의 원자층 박막 성장장치가 설명되었다. 그러나, 상기와 같은 구조를 배경으로 2 매 이상의 웨이퍼 또는 기판에 대한 박막 성장이 가능한 구조, 또는 하나의 웨이퍼나 기판에 대한 박막 성장 구조가 용이하게 도출될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 원자층 박막 증착 장치에 있어서, 상기 확산 공간은 가스주입관의 면적보다 3배 이상되도록 설계하여 반응가스 분배기를 거쳐 나온 기체가 충분히 확산이 일어나도록 하는 것이 바람직하고, 분배기에서 나온 원료기체와 제 1 확산부의 섬과의 거리가 가장 멀리 위치하도록 하고 점차 제 1 확산부의 돌출부와의 거리를 가깝게 하는 구조로 하는 것이 바람직하다. 이때 가스분배기에서 나온 반응가스는 제1확산부의 제1돌출부의 중심에 부딪치도록 하는 것이 바람직하다.
상기 삼각형 또는 반달형의 제1돌출부들 사이의 가스통과영역의 확대각도 즉 분사각은 90도 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제2돌출부는 직사각형 또는 타원형으로 제작되는 것이 바람직하고, 상기 삼각형 또는 반달형의 제1돌출부들 사이의 기체통과영역의 면적과 같거나 큰 최종 기체 통과영역이 마련되도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 원자층 박막증착 장치는 가스 도입부와 반응실의 사이에 가스를 웨이퍼 또는 기판의 전면에 대해 고른 분포로 반응가스가 공급될 수 있도록 하는 반응가스 확산부를 가짐으로써, 웨이퍼 또는 기판에 대한 박막 성장시 국부적인 두께의 편차를 극히 줄일 수 있게 된다.
이러한 고른 분포의 반응가스의 확산은 전술한 바와 같이 삼각형 또는 반달형 섬에 의한 제1확산부, 사각형 또는 타원형 섬에 의한 제1확산부에 의해 보다 효과적으로 이루어 질 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 원자층 박막 증착 장치는 진공 용기안에 터널 형상의 반응실을 만들어 그 내부에 2종 이상의 반응 원료기체를 일정시간동안 순차적으로 주입할 때 주입되는 원료기체의 공간 분포를 균일하게 하여 증착되는 박막의 균일도를 개선할 수 있으며, 반응실의 공간을 최소화하여 반응원료기체와 퍼지기체의 사용을 최소화함으로서 기체의 주입시간을 단축할 수 있어 공정의 소요시간을 줄일 수 있게 된다.
또한 반응실에 주입되는 2종의 반응원료기체가 서로 다른 주입 경로를 따라 이동하므로 서로 반응할 수 있는 기회를 줄여 기판 이외의 반응실 내에서 반응에 의한 오염입자의 생성을 방지할수 있다.

Claims (11)

  1. 일측에 배기구가 마련된 진공용기와;
    상기 진공용기 내에 마련되는 것으로, 상기 진공용기 외부로 부터의 2종 이상의 반응가스가 도입되는 도입부와, 상기 도입부로부터의 반응가스들이 유입되는 하나의 반응실을 갖는 반응용기와;
    상기 도입부에 마련되어 가스별 도입부분을 구획하는 분리판과;
    상기 각 반응가스가 통과하는 가스통과영역을 제공하도록 상기 분리판에 소정간격으로 형성되는 돌출부에 의한 가스확산부를; 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응용기는 상기 도입부와 반응실에 대응하는 내부 채널을 가지는 적어도 두개의 반응판을 구비하며,
    상기 분리판은 상기 반응판의 사이의 도입부에 마련되는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분리판에 형성되는 돌출부의 정상면은 각 돌출부의 정상면에 대응하는 반응판의 내면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 반응가스 진행 방향으로 2 열이상 배치되어 이에 대응하는 2 이상의 확산부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 확산부에 있어서, 가스유입(upstream)측에 위치한 확산부에 비해 가스유출(downstream)측에 인접한 확산부의 가스통과영역의 전체 면적이 더 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스유입측에 마련되는 확산부의 돌출부의 개수는 가스유출측에 마련되는 확산부의 돌출부의 수에 비해 적고, 상기 가스유입측에 마련되는 확산부의 돌출부의 크기는 가스유출측에 마련되는 돌출부에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스유입측에 마련되는 확산부의 돌출부의 개수는 가스유출측에 마련되는 확산부의 돌출부의 수에 비해 적고, 상기 가스유입측에 마련되는 확산부의 돌출부의 크기는 가스유출측에 마련되는 돌출부에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 확산부는 소정간격을 유지하는 두개의 확산부를 가지며, 가스유입측의 제1확산부는 대략 삼각형 또는 반달형의 돌출부를 다수 구비하며, 각 돌출부의 장변은 상기 가스유동방향에 수직인 방향으로 정렬되며, 가스유출측의 제2확산부는 나란한 두 장변을 가지는 대략 사각형 또는 타원형의 돌출부를 가지며, 두 장변방향의 각 면이 가스유동방향에 나란하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  9. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산부는 소정간격을 유지하는 두개의 확산부를 가지며, 가스유입측의 제1확산부는 대략 삼각형 또는 반달형의 돌출부를 다수 구비하며, 각 돌출부의 장변은 상기 가스유동방향에 수직인 방향으로 정렬되며, 가스유출측의 제2확산부는 나란한 두 장변을 가지는 대략 사각형 또는 타원형의 돌출부를 가지며, 두 장변방향의 각 면이 가스유동방향에 나란하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 박막 증착장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    제 1 확산부에 마련된 돌출부들 사이의 가스통과영역이 상기 제 2 확산부에 마련된 돌출부들 사이의 가스통과영역이 가스유동방향에 수직인 방향으로 상호 어긋나게 위치해 있는 것을 특징으로 하는 원자층 박막증착장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    제 1 확산부에 마련된 돌출부들 사이의 가스통과영역이 상기 제 2 확산부에 마련된 돌출부들 사이의 가스통과영역이 가스유동방향에 수직인 방향으로 상호 어긋나게 위치해 있는 것을 특징으로 하는 원자층 박막증착장치.
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