KR20030011399A - 플라즈마 강화 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막형성방법 - Google Patents

플라즈마 강화 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 강화 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관하여 개시한다. 본 발명은, 원자층 증착을 수행하기 위해 필요한 공정기체의 전환이 수월하도록 반응기를 구성하면서도 플라즈마가 반응실내에서만 발생하도록 유도함으로써 연속적인 증착 과정에서도 전기적 단락이 없이 원자층 증착을 수행할 수 있는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법을 제공한다.

Description

플라즈마 강화 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막 형성방법{Plasma enhanced atomic layer deposition equipment and method of forming a thin film using the same}
본 발명은 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공정 기체들의 공급을 주기적으로 반복하여 기판 상에 원자층 단위로 막을 형성하는 원자층 증착 증착을 진행하되, 상기 공정기체들의 공급 주기동안 이를 활성화시키기 위한 플라즈마를 발생시켜 박막을 형성할 수 있는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관한 것이다.
반도체집적기술의 발달로 인하여 고순도, 고품질의 박막을 증착 시키는 공정은 반도체 제조공정 중에서 중요한 부분을 차지하게 되었다. 박막형성의 대표적인 방법으로 화학 증착(Chemical Vapour Deposition, CVD)법과 물리 증착(Physical Vapour Deposition, PVD)법이 있다. 스퍼터링(sputtering)법 등의 물리 증착법은 형성된 박막의 단차피복성(step coverage)이 나쁘기 때문에 요철이 있는 표면에 균일한 두께의 막을 형성하는 데에는 사용할 수 없다. 화학 증착법은 가열된 기판의 표면 위에서 기체상태의 물질들이 반응하고, 그 반응으로 생성된 화합물이 기판 표면에 증착되는 방법이다. 화학 증착법은 물리 증착법에 비하여 단차 피복성이 좋고, 박막이 증착되는 기판의 손상이 적고, 박막의 증착 비용이 적게 들며, 박막을 대량 생산할 수 있기 때문에 많이 적용되고 있다.
그러나, 최근 반도체 소자의 집적도가 서브 마이크론(sub-micron) 단위로까지 향상됨에 따라, 종래 방식의 화학 증착법 만으로는 웨이퍼 기판에서 서브 마이크론 단위의 균일한 두께를 얻거나, 우수한 단차피복성(step coverage)을 얻는데 한계에 이르고 있으며, 웨이퍼 기판에 서브 마이크론 크기의 콘택홀(contact hole), 비아(via) 또는 도랑(trench)과 같은 단차가 존재하는 경우에 위치에 상관없이 일정한 조성을 가지는 물질막을 얻는데도 어려움을 겪게 되었다.
따라서, 종래의 모든 공정 기체들을 동시에 주입하는 화학 증착법과 다르게 원하는 박막을 얻는데 필요한 두 가지 이상의 공정 기체들을 기상에서 만나지 않도록 시간에 따라 순차적으로 분할하여 공급하되, 이들 공급 주기를 주기적으로 반복하여 박막을 형성하는 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식이 새로운 박막 형성 방법으로 적용되고 있다. 상기한 원자층 증착 방식을 이용하면, 기판표면에 흡착되는 물질(일반적으로 박막의 구성원소를 포함하는 화학 분자)에 의해서만 증착이 발생하게 되며, 이들의 흡착량은 일반적으로 기판 상에서 자체 제한(self-limiting)되기 때문에 기상으로 공급되는 양에 크게 의존하지 않고 기판 전체에 걸쳐 균일하게 얻어지므로, 매우 높은 종횡비를 가지는 단차에서도 위치에 상관없이 일정한 두께의 막을 얻을 수 있으며, 수 나노미터 단위의 매우 얇은 막의 두께 조절이 가능해 진다. 또한, 공정기체의 공급주기당 증착되는 막의 두께가 일정하므로, 공급주기 횟수를 통하여 정확한 막 두께의 조절 및 평가가 가능해진다. 그런데, 원자층 증착 방식을 이루기 위해서는 공급되는 기체 원료들 간의 기상에서의 혼합을 억제하기 위해 첫째 원료 기체를 공급한 후 둘째 원료 기체를 공급하기 전에 첫째 원료 기체가 기체 상태에서 모두 제거되어야 하므로, 수초간 진공 배기(evacuation) 시키거나 불활성 기체를 이용하여 퍼지(purge)시켜야 하는 과정이 상기 기체 원료들의 공급 사이에 포함되어야 한다. 따라서, 수초단위의 빠른 공정기체의 전환을 고려하지 않고 구성된 종래의 매엽식 화학 증착(chemical vapor deposition) 장치를 이용하여서는 공정기체의 전환에 필요한 시간이 길어지게 되어 일정두께의 박막을 얻는데 필요한 증착 시간이 길어지는 단점이 있다. 증착 시간이 길어지면 하나의 장비가 단위 시간에 처리할 수 있는 웨이퍼의 수가 줄어들므로 공정 비용이 증가한다. 따라서 원자층 증착법을 반도체 생산에 적용하기 위해 증착시간을 줄일 필요가 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 매엽식 화학 증착 장치를 도시한 개략도들이다.
도 1a를 참조하면, 반응실(100)의 상부에는 공정기체를 공급하기 위한 유입구(120)가 있고, 측면에는 반응실(100)내의 공정기체를 배기하기 위한 유출구(122)가 있다. 그리고, 반응실(100) 내부에는 기판(110)이 안착되는 기판 지지대(116)와, 상부는 유입구(120)와 연결되고 하부는 기판(110)에 공정기체를 분사하기 위한 분사홀이 형성되어 있는 샤워헤드(112)가 설치된다. 그리고, 기판 지지대(116)를 상하로 구동시키기 위한 기판 지지대 구동부(118)가 설치되며, 구동부(118)의 상부는 기판 지지대(116)와 연결되므로 구동부(118)의 소정영역은 반응실(100) 내부에 위치하게 된다.
여기서, 반응실(100)의 공정기체는 반응실(114)과 기판 지지대(116) 사이의 틈을 거쳐 유출구(122)로 배기된다. 그러나, 유출구(122)가 유입구(120)와 대칭을 이루지 못하고 한쪽으로 편향되어 있으므로 공정기체의 유동이 유출구(122) 쪽으로 편중된다. 이와 같이, 기판(110)에 박막을 증착할 때에 반응실(114)에서 공정기체의 유동이 한쪽으로 편중되면, 그 공정기체들이 기판(110) 전면에 걸쳐서 균일하게 공급되지 못하므로, 공정 기체의 공급이 부족한 기판(110) 부위에 박막이 얇게 증착될 우려가 있다. 따라서, 반응실(114)에서 공정기체의 편중 현상을 없애기 위해서는 유출구(122)를 박막이 증착되는 기판(110)으로부터 멀리 이격시켜야 한다. 그러나, 유출구(122)를 박막이 증착되는 기판(110)으로부터 멀리 이격시키는 경우에는 반응실(114)의 부피가 커지게 된다. 반응실(114)의 부피가 커지면, 공정에 소요되는 공정기체의 양이 증가하여 공정 비용이 증가하고, 원자층 증착 공정에서 반응실(114)의 공정 기체들을 전환하는 데에 시간이 오래 걸린다. 따라서, 원자층 증착을 수행하는데 있어서 공정시간이 길어지는 문제점을 피할 수 없게 된다.
한편, 유출구(122)를 통하여 배기되는 공정기체에 기판 지지대(116) 및 기판 지지대 구동부(118)가 노출된다. 이와 같이, 기판 지지대(116) 및 기판 구동부(118)가 공정기체에 노출되면, 불필요한 박막이 증착되게 된다. 이렇게 불필요하게 증착된 막은 나중에 파티클(Particle)의 발생 원인이 될 뿐만 아니라, 반응실(114) 내부에 구비된 부품들의 오작동을 야기시켜 그 부품들의 수명을 단축시킬 수 있다.
도 1b는 도 1a에 의한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 유입구(220)와 유출구(222)가 대칭되도록 유출구(222)를 반응실(214)의 하부에 배치한 것이다.
도 1b를 참조하면, 도 1a의 경우와 달리 반응기(200) 내에서의 공정기체의 유동이 기판(210)에 대칭적으로 형성될 수 있지만, 여전히 기판 지지대(216) 및 기판 구동부(218)가 공정기체에 노출되는 문제를 가지고 있다. 또한, 기판 지지대(216)의 구동에 필요한 최소한의 공간이 있기 때문에 반응실(214)을 작게 구성하기가 어렵다. 따라서 원자층 증착 공정에서 공정 시간을 줄이기 어렵다.
도 2는 종래의 원자층 증착법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 원자층 증착을 위한 공정 주기는 첫째 원료 기체 공급(310)→퍼지(312)→둘째 원료 기체 공급(314)→퍼지(312)로 구성된다. 퍼지 단계에서는 반응실을 진공으로 배기하거나 불활성의 퍼지 기체를 반응실로 흘려서 그 전에 공급한 원료 기체를 반응실에서 제거한다. 종래의 원자층 증착법에서는 원료 기체들 사이의 반응성이 매우 높으면 기상에 잔류하는 약간의 원료 기체도 입자 발생의 원인이 될 수 있으므로 퍼지 시간을 길게 할 필요가 있다. 원료 기체들 사이의 반응성이 낮거나 반응에 시간이 오래 걸리면 원료 공급 시간을 충분히 길게 해야 하므로 증착 시간이 길어지는 문제가 있다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 최근에 본 발명의 발명자들에 의해 반응성을 높이고 퍼지 시간을 줄여서 증착 속도가 향상되고 증착 장치의 생산성을 높이는 플라즈마 강화 원자층 증착 방식(plasma enhanced atomic layer deposition)이 대한민국 특허 0273473호에 공개되었다.
플라즈마 강화 원자층 증착 방식이 상기한 원자층 증착 방식과 다른 점은 우선 서로 반응성이 낮은 원료 기체들을 사용하여서도 높은 증착 속도를 얻을 수 있다는 점이다. 종래에는 상기한 바와 같이 반응성이 낮은 기체 원료들을 사용하는 경우 기판 위에서도반응이 잘 이루어지지 않아서 박막이 증착되지 않는 문제점이 있었으나, 플라즈마 강화 원자층 증착에서는 공정기체의 플라즈마에 의해 반응성이 높은 라디칼(radical)과 이온(ion)들이 형성되고 이들이 반응에 참여함으로써 반응 속도를 높일 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원자층 증착을 수행하기 위해 필요한 공정기체의 전환이 수월하도록 반응기를 구성하면서도, 플라즈마가 반응실내에서만 발생하도록 유도함으로써 연속적인 증착 과정에서도 전기적 단락이 없이 원자층 증착을 수행할 수 있는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 기술적 과제에 의해 달성되는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치를 이용하여 원료 기체 사이에 반응성이 없거나 아주 약한 경우에도 효과적으로 박막을 형성시킬 수 있는 박막 형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 및 1b는 종래의 매엽식 화학 증착 장치를 도시한 개략도들이다.
도 2는 종래의 원자층 증착법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 플라즈마 강화 원자층 증착 장치를 이용한 박막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정흐름도이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착 장치는, 기판을 지지하기 위한 기판 지지대와; 상기 기판 지지대와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽과; 상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관과; 상기 기판 지지대와 함께 반응실을 규정하며, 상기 기체 유입관과 연결되어 상기 반응기벽 내에 설치되고, 상기 반응실 내로 기체를 공급하기 위한 복수개의 분사홀을 갖는 샤워헤드와; 상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 사이에 설치되며, 상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 간의 전위차에 의한 플라즈마 발생을 막으면서도 상기 기체 유입관으로부터의 기체 흐름은 유지할 수 있도록 좁은 배관들이 병렬로 연결되어 있는 절연소재로 이루어진 미세 천공관과; 상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및 교류 전위파를 가하기 위해 상기 샤워헤드에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함한다.
상기 미세 천공관의 배관들은 플라즈마가 발생하지 않을 정도의 직경 및 길이를 갖도록 한다.
상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 샤워헤드 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기 개구부에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비할 수 있다. 이 때, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기 반응기 몸체 및 상기 반응기벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기 몸체 및 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
상기 반응기 내부의 밀폐를 확보하기 위해 상기 기판 지지대와 상기 반응기벽의 연결부분에 게재되는 기체 밀폐링을 더 구비할 수 있다.
상기 반응기벽의 측벽을 감싸도록 설치되는 히터를 더 구비할 수 있다.
상기 기판 지지대에 상기 기판을 가열할 수 있는 히터를 더 구비할 수 있다.
상기 기판 지지대는 상하로 이동이 가능하여 상기 기판을 상기 반응실 내로 장입하거나 탈착할 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 플라즈마 강화원자층 증착 장치는, 기판을 지지하기 위한 기판 지지대와; 상기 기판 지지재와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽과; 상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관과; 상기 기판 지지대와 함께 반응실을 규정하며, 상기 기체 유입관과 연결되어 상기 반응기벽 내에 설치되고, 상기 반응실 내로 기체를 공급하기 위한 복수개의 분사홀을 갖는 샤워헤드와; 상기 샤워헤드의 상부 및 측부를 둘러싸는 샤워헤드 절연벽과; 상기 샤워헤드 절연벽과 상기 반응기벽 사이에 설치되고, 상기 반응기벽과 동일한 전위를 가지며, 상기 샤워헤드 절연벽과의 사이에 틈이 형성되도록 설치되는 플라즈마 발생 차단벽과; 상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및 교류 전위파를 가하기 위해 상기 샤워헤드에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함한다.
상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈을 통하여 불활성 기체가 흐르도록 함으로써 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이로 유입되는 것을 방지하여 상기 샤워헤드 절연벽 겉에 막이 형성되는 것을 억제한다.
상기 고주파 접속단자는 불활성 기체가 흐를 수 있도록 관형상을 가지며, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이에는 구멍이 형성되어 있고, 상기 구멍은 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 연결되어 불활성 기체의 통로를 제공할 수 있다. 게다가, 상기 고주파 접속단자를 통해 공급된 불활성 기체가 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 균일하게 흐르도록 상기 샤워헤드 절연벽의 윗면 또는 이와 마주하는 상기 플라즈마 발생 차단벽에 도랑을 파서 형성된 대칭형의 완충(buffer) 통로를 더 구비할 수 있다.
상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽 및 상기 샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기벽 및 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽, 상기 샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽 및 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치될 수 있다.
상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 플라즈마 발생 차단벽 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기 개구부에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착 장치는, 기판을 지지하기 위한 기판 지지대와; 상기 기판 지지대와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽과; 상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관과; 상기 기판 지지대의 대향면에 복수개의 분사홀이 천공된 기체 분산 그리드와; 상기 기체 분산 그리드와 연결되어 상기 기체 분산 그리드 상부에 설치되며, 내부의 기체가 차지하는 체적을 최소화하고 기체의 흐름을 원활히 하기 위한 나팔관 형태의 곡면 형상을 갖는 체적 조절판과; 상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및 교류 전위파를 가하기 위해 상기 체적 조절판에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함한다.
상기 체적 조절판과 상기 기체 분산 그리드를 절연시키기 위해 상기 체적 조절판의 상부 및 측부를 둘러싸는 샤워헤드 절연벽이 더 구비될 수 있다.
상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽을 관통하여 상기 체적 조절판에 연결되고, 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기 반응기 몸체 및 상기 반응기벽을 관통하여 상기 체적 조절판에 연결되며, 상기 반응기 몸체 및 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 체적 조절판 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기 개구부에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착 장치는, 기판을 지지하기 위한 기판 지지대와; 상기 기판 지지대와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽과; 상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관과; 상기 기판 지지대와 함께 반응실을 규정하며, 상기 기체 유입관과 연결되어 상기 반응기벽 내에 설치되고, 상기 반응실 내로 기체를 공급하기 위한 복수개의 분사홀을 갖는 샤워헤드와; 상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 사이에 설치되며, 상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 간의 전위차에 의한 플라즈마 발생을 막으면서도 상기 기체 유입관으로부터의 기체 흐름은 유지할 수 있도록 좁은 배관들이 병렬로 연결되어 있는 절연소재로 이루어진 미세 천공관과; 상기 샤워헤드의 상부 및 측부를 둘러싸는 샤워헤드 절연벽과; 상기 샤워헤드 절연벽과 상기 반응기벽 사이에 설치되고, 상기 반응기벽과 동일한 전위를 가지며, 상기 샤워헤드 절연벽과의 사이에 틈이 형성되도록 설치되는 플라즈마 발생 차단벽과; 상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및 교류 전위파를 가하기 위해 상기 샤워헤드에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함한다.
상기 샤워헤드는 상기 기판 지지대의 대향면에 복수개의 분사홀이 천공된 기체 분산 그리드와, 상기 기체 분산 그리드와 연결되어 상기 기체 분산 그리드 상부에 설치되며 상기 샤워헤드 내부의 기체가 차지하는 체적을 최소화하고 기체의 흐름을 원활히 하기 위한 나팔관 형태의 곡면 형상을 갖는 체적 조절판으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 미세 천공관의 배관들은 플라즈마가 발생하지 않을 정도의 직경 및 길이를 갖도록 한다.
상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈을 통하여 불활성 기체가 흐르도록 함으로써 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이로 유입되는 것을 방지하여 상기 샤워헤드 절연벽 겉에 막이 형성되는 것을 억제한다.
상기 고주파 접속단자는 불활성 기체가 흐를 수 있도록 관형상을 가지며, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이에는 구멍이 형성되어 있고, 상기 구멍은 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 연결되어 불활성 기체의 통로를 제공할 수 있다. 게다가, 상기 고주파 접속단자를 통해 공급된 불활성 기체가 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 균일하게 흐르도록 상기 샤워헤드 절연벽의 윗면 또는 이와 마주하는 상기 플라즈마 발생 차단벽에 도랑을 파서 형성된 대칭형의 완충(buffer) 통로를 더 구비할 수 있다.
상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 플라즈마 발생 차단벽 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기 개구부에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽 및 상기샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽 및 상기 샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽 및 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
상기 반응기 내부의 밀폐를 확보하기 위해 상기 기판 지지대와 상기 반응기벽의 연결부분에 게재되는 기체 밀폐링을 더 구비할 수 있다.
상기 반응기벽의 측벽을 감싸도록 설치되는 히터를 더 구비할 수 있다.
상기 기판 지지대에 상기 기판을 가열할 수 있는 히터를 더 구비할 수 있다.
상기 기판 지지대는 상하로 이동이 가능하여 상기 기판을 상기 반응실 내로 장입하거나 탈착할 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 박막을 형성하기 위한 방법에 있어서, 금속 원소를 포함한 원료 기체와 원료 기체와 단순히 섞여서는 반응하지 않지만 플라즈마로 활성화되면 원료 기체와 반응하여 막을 형성할 수 있는 퍼지 기체를 포함하는 공정기체들을 준비하는 단계; 상기 박막 형성을 위한 반응이 일어나는 상기 반응실 내로 상기 기판을 장입하는 단계; 기체 유입관을 통하여 상기 반응실에 상기 원료 기체를 공급하는 단계; 상기 원료 기체의 공급을 중단하고, 상기 기체 유입관을 통하여 상기 반응실에 상기 퍼지 기체를 공급하는 단계; 및 상기 퍼지 기체를 공급하는 기간 중 일부의 기간에서 상기 퍼지 기체를 활성화시키기 위한 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하되, 상기 원료 기체를 공급하는 단계, 상기 퍼지 기체를 공급하는 단계 및 상기 플라즈마 발생 단계를 소정의 횟수 반복하는 것을 특징으로 하는 도전성 박막 형성 방법을 제공한다.
상기 기체 유입관의 하부에는 좁은 배관들이 병렬로 연결된 미세 천공관이 구비되어 있고, 상기 공정기체들은 상기 기체 유입관으로부터 상기 미세 천공관을 거쳐 공급될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(556)을 지지하기 위한 기판 지지대(560)에는 기판(556)을 가열할 수 있는 히터(608)가 내장되어 있다. 금속 합금으로 이루어진 반응기벽(522)은 상부에는 개구부(516)가 형성되어 있고, 하부는 기판 지지대(560)와 연결된다. 기판 지지대(560)와 반응기벽(522)은 반응기 내부를 규정한다. 반응기벽(522)과 기판 지지대(560)의 연결 부위에서의 밀폐성을 확보하기 위하여 반응기벽(522)과 기판 지지대(560)의 연결 부위에 기체 밀폐링(558)이 더 구비될 수 있다. 반응기벽(522) 상부에는 공정 기체들을 공급할 수 있는 기체 유입관(510)이 구비된다. 기체 유입관(510)은 반응기벽(522) 상부에 형성된 개구부(516)에 내삽되어지며, 개구부(516)보다 작은 직경을 갖고 개구부(516)와의 사이에 공간(514)이 생기도록 구비될 수 있다.
또한, 기판 지지대(560)와 함께 반응실(554)을 규정하며, 기체 유입관(510)과 연결되어 반응기벽(522) 내에 설치되고, 반응실(554) 내로 기체를 공급하기 위한 복수개의 분사홀을 갖는 샤워헤드(542, 540)가 구비되어 있다. 샤워헤드(542, 540)는 고주파 접속단자(566)와 전기적으로 연결된다. 한편, 샤워헤드(542, 540)와 기체 유입관(510) 사이에는 미세 천공관(536)이 더 구비될 수 있다. 기체 유입관(510)과 샤워헤드(542, 540) 사이를 연결하는 절연체로 이루어진 미세 천공관(536)은 중간에 미세한 배관이 여럿이 있고, 이로 인해서 공정기체는 샤워헤드로 유입되지만 플라즈마는 이 관을 통해서 역류하거나 유출(leakage)되지 않으며, 이 미세 배관들의 길이와 직경은 플라즈마가 발생하지 않을 정도로 만든다. 이에 대하여는 후술한다. 이때, 샤워헤드(542, 540)는 미세 천공관(536)의 끝단에 연결되게 된다. 샤워헤드(542, 540)는 기체 분산 그리드(542)와 체적 조절판(540)으로 구성된다. 기체 분산 그리드(542)는 기판(556)과 대향하도록 수평 설치되며 복수개의 분사홀을 가진다. 체적 조절판(540)의 상부는 미세 천공관(536)의 직경에 맞추어지도록 구멍이 나있으며, 하부는 기체 분산 그리드(542)에 맞추어지도록 구멍난 원통형의 모양을 가지나, 내부는 나팔 모양의 곡면 형태로 가공되어 기체의 흐름을 원활히 분산시키면서도 기체 분산 그리드(542) 상부의 체적을 최소화하여 공정 기체의 전환이 수월하도록 설계된다. 이 경우, 순차적인 공정 기체의 공급과정에서 이전에 공급된 기체가 불필요하게 샤워헤드(540, 542) 내부에 누적되어 차후 공급되는 기체와 기상 반응을 일으키는 것을 최소화 할 수 있다. 샤워헤드(542, 540)의 상부 및 측부에는 샤워헤드(542, 540)를 절연시키기 위한 샤워헤드 절연벽(538)이 구비된다.
또한, 반응실(554) 내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관(518)이 구비되어 있고, 기체 유출관(518)은 진공펌프(598)에 연결된다. 기체 유출관(518)은 기체의 유출(배기) 흐름이 편중되지 않게 하기 위하여 기판(556)에 대하여 대칭이 되도록 설치한다. 본 실시예에서, 기체 유출관(518)은 반응기벽(522)의 개구부(516)와 기체 유입관(510) 사이의 틈(514)에 연결되도록 개구부(518)에 설치하였으나, 기판(556)에 대하여 대칭이 되도록 기판(556)의 주변부위에 설치할 수도 있음은 물론이다. 기체 분산 그리드(542)를 통하여 반응실(554)로 분사된 공정기체는 반응기벽(522)의 개구부(516)와 기체 유입관(510) 사이의 틈(514)을 통하여 기체 유출관(518)으로 유출된다. 도 3에서 '-??'는 공정기체의 흐름 방향을 나타낸 것이다.
또한, 반응기벽(522)을 용도에 따라 온벽 또는 열벽으로 구성할 수 있도록 반응기벽(522)의 측벽을 감싸는 히터(604)가 더 구비될 수 있다.
외부로부터 고주파 전력을 인가 받는 금속으로 된 고주파 접속단자(566)는 샤워헤드 체적 조절판(540) 및 기체 분산 그리드(542)와 전기적으로 연결되기 위해외부로부터 반응기벽(522)을 관통하여 설치되며, 반응기벽(522)과는 전기적으로 차단되어야 하므로 고주파 접속단자(566)를 감싸는 절연 덮개(568)가 동시에 부착 설치된다. 한편, 교류 파형 고주파 전위가 걸리는 샤워헤드(540, 542)의 대응극(opposite electrode)으로 작동하게 되는 기판(556) 및 기판 지지대(560)는 전기적으로 반응기벽(522)을 통해 접지(594) 처리된다. 고주파 접속단자(566)를 통하여 기체 분산 그리드(542)에 고주파 전력을 인가하면 반응실(554)내 존재하는 공정기체가 플라즈마로 변해서 기판(556)에 박막이 증착되는 것을 돕는다.
한편, 플라즈마가 기체 분산 그리드(542)와 기판(556) 사이의 반응실(554)에서만 발생하게 하기 위하여 반응기벽(522)과 동일한 전위를 갖는 플라즈마 발생 차단벽(528)을 더 구비할 수 있다. 플라즈마 발생 차단벽(528)은 샤워헤드 절연벽(538)과의 사이에 틈이 형성되도록 샤워헤드 절연벽(538)과 반응기벽(522) 사이에 설치된다. 이때, 고주파 접속 단자(566)는 반응기벽(522), 플라즈마 발생 차단벽(528) 및 샤워헤드 절연벽(538)을 관통하여 샤워헤드(542, 540)에 연결되고, 반응기벽(522) 및 플라즈마 발생 차단벽(528)과 전기적으로 절연되도록 설치된다.
한편, 공정 기체가 흐르는 기체 유입관(510)과 샤워헤드(542, 540) 사이에 전위차에 의해 플라즈마가 발생할 수 있어서 샤워헤드(542, 540)와 기체 유입관(510)을 잇는 샤워헤드 절연벽(538)의 구멍 안쪽에 도전성 막이 형성될 수 있다. 샤워헤드 절연벽(538)의 구멍 안쪽에 형성된 도전성 막은 샤워헤드(542, 540)와 접지된 기체 유입관(510) 사이에 전기적 단락을 일으킬 수 있다. 따라서, 목적하지 않는 상기 부위에서의 플라즈마 발생을 억제하기 위해 기체의 흐름은 유지하면서도, 플라즈마의 발생을 억제할 수 있도록 여러 개의 좁은 배관이 병렬로 연결된 미세 천공관(536)을 샤워헤드(540, 542)와 기체 유입관(510) 사이에 설치한다. 상기 미세 천공관(536)은 절연 소재로 형성한다. 미세 천공관(536)의 배관들은 플라즈마가 발생하지 않을 정도의 직경 및 길이를 갖도록 한다. 바람직하게는, 전체 직경이 6mm 정도이고, 길이가 20mm 정도인 미세 천공관에 직경이 0.6mm 정도인 천공들을 8개 정도 형성한다. 기체 유입관(510)과 샤워헤드(542, 540)를 연결하는 절연 소재로 형성한 관에 천공을 형성하지 않고 길이를 기체 분산 그리드(542)와 기판(556) 사이의 거리에 비해 충분히 길게 해서 이 관 내부에 플라즈마의 발생을 억제할 수도 있으나, 이렇게 하려면 샤워헤드 절연벽(538)의 상부도 이 길이만큼 두껍게 만들어야 하고 챔버의 다른 부분도 크게 만들어야 하기 때문에 장비 제작에 필요한 재료와 비용이 증가한다.
좁은 공간에서는 전기장에 의해 가속된 전자들이 전극을 향해 이동하면서 기체 원자 또는 분자들과 부딪히는 회수가 작다. 플라즈마의 상태가 유지되려면 전기장 내에서 충분히 빠르게 가속된 전자가 중성 기체 입자들과 충돌하면서 원자 또는 분자들을 이온화시키고 이들에 구속되어 있던 전자들을 떼어내고 이 전자들이 다시 충분히 가속된 후 다른 중성 기체 입자들과 충돌하여 다시 전자들을 떼어내는 과정이 계속 일어나야 한다. 좁은 공간에서는 중성 기체 입자에서 전자를 떼어내기에 충분한 에너지를 얻을 만큼 전자가 가속되기 전에 전자가 고체에 부딪혀 에너지를 잃기 때문에 중성 기체 입자를 이온화하는 과정이 효과적으로 일어나지 못하므로 좁은 공간에서는 플라즈마의 발생이 억제된다.
또한, 반응기벽(522)과 샤워헤드 절연벽(538) 사이에 전위차가 존재하므로 여기에 플라즈마가 발생할 수 있고 반응실(554)을 지난 공정 기체가 이 곳을 통과하므로 반응기벽(522) 안쪽과, 샤워헤드 절연벽(538) 바깥쪽에도 도전성 막이 형성될 수 있다. 샤워헤드 절연벽(538) 겉에 형성된 도전성 막은 샤워헤드(542, 540)와 접지된 반응기벽(522) 사이에 전기적 단락을 일으킬 수 있다.
도전성의 플라즈마 발생 차단벽(528)을 반응기벽(522)과 샤워헤드 절연벽(538) 사이에 설치하고 반응기벽(522)과 전기적으로 연결하면 플라즈마 발생 차단벽(528)과 반응기벽(522) 사이에 전위차가 없으므로 플라즈마가 발생하지 않는다. 플라즈마 발생 차단벽(528)과 샤워헤드 절연벽(538) 사이의 간격을 좁히면 이 부분에서 플라즈마가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이 경우 교류 파형 고주파 전위가 걸리는 샤워헤드(540, 542)와 접지된 부분 사이의 공간 중 상대적으로 넓은 기체 분산 그리드(542)와 기판(556) 사이의 반응실(554)에서 주로 플라즈마가 발생한다. 또한 플라즈마 발생 차단벽(528)과 샤워헤드 절연벽(538) 사이에 아르곤 등의 불확성 기체의 흐름(→로 표시)을 유지해서 공정 기체가 이 틈(548)으로 들어오는 것을 막을 수 있다. 이에 필요한 불활성 기체를 관 모양의 고주파 접속단자(566)를 통해 흘릴 수 있다. 불활성 기체는 고주파 접속 단자의 구멍(564)을 나와서 샤워헤드 절연벽(538)과 플라즈마 발생 차단벽(528) 사이의 틈(544, 548) 사이를 흐른다. 이 때, 샤워헤드 절연벽(538) 윗면을 마주보는 플라즈마 발생 차단벽(528)에 기체가 흐르기 쉬운 통로(624, 626, 628)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 고주파 접속단자(566)를 통해 공급된 불활성 기체가 플라즈마 발생 차단벽(528)과 샤워헤드 절연벽(538) 사이의 틈에 균일하게 흐르도록 샤워헤드 절연벽(538)의 윗면 또는 이와 마주하는 플라즈마 발생 차단벽(528)에 도랑(624, 626)을 파서 대칭형의 완충(buffer) 통로를 제공하는 것이 바람직하다. 이렇게 해서 고주파 접속 단자(568)가 샤워 헤드(542, 540)의 중앙에 위치하지 않아도 샤워헤드 절연벽(538)과 플라즈마 발생 차단벽(528) 사이의 틈(544, 548)을 흐르는 불활성 기체의 흐름을 균일하고 대칭적이게 할 수 있다. 이 틈(544, 548) 사이가 0.4mm 이고 샤워헤드 절연벽(538)의 외경이 210mm인 경우, 20sccm의 기체를 흘리면 이 틈(544, 548)에서 기체의 유속은 25℃, 5 torr에서 19 mm/s이고, 온도가 더 높으면 더 빠르다.
공정 기체가 공급되고 플라즈마가 발생하는 부분에서만 도전성 박막이 형성되므로 플라즈마 발생 차단벽(528)과 반응기벽(522) 사이에는 플라즈마가 발생하지 않고, 플라즈마 발생 차단벽(528)과 샤워헤드 절연벽(538) 사이에는 공정 기체가 공급되지 않아서 도전성 박막이 형성되지 않는다. 결과적으로 반응실(554)에만 도전성 박막이 형성되고 그 밖의 부분에는 도전성 박막이 형성되지 않기 때문에 기판(556)에 도전성 박막을 형성하는 공정을 반복하여도 전기적인 단락을 방지할 수 있다.
또한, 반응기벽(522)의 소정영역 및 기판 지지대(560)를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가 가능한 불활성기체 유입구(590) 및 불활성기체 유출구(592)를 갖는 반응기 몸체(600)를 더 구비할 수 있다. 이때, 고주파 접속 단자(566)는 반응기 몸체(600) 및 반응기벽(522)을 관통하여 샤워헤드(542, 540)에 연결되고, 반응기 몸체(600) 및 반응기벽(522)과 전기적으로 절연되도록 설치된다. 또한, 본 발명의 플라즈마 강화 원자층 증착 장치가 앞서 설명한 샤워헤드 절연벽(538) 및 플라즈마 발생 차단벽(528)을 더 구비하는 경우에, 고주파 접속 단자(566)는 반응기 몸체(600), 반응기벽(522), 플라즈마 발생 차단벽(528) 및 샤워헤드 절연벽(538)을 관통하여 샤워헤드(542, 540)에 연결되고, 반응기 몸체(600), 반응기벽(522) 및 플라즈마 발생 차단벽(528)과 전기적으로 절연되도록 설치된다. 그리고, 반응기 몸체(600)는 표시되지는 않았으나, 상부 덮개와 하부 몸체로 이분되어 있다. 불활성기체 유입구(590)를 통하여 반응기 몸체(600)로 유입된 불활성 기체에 의하여 반응기 몸체(600) 내부의 압력이 기판(556) 상부에 형성된 반응실(554)의 압력과 비슷하거나 높으면 반응실(554) 내의 기체가 밖으로 빠져나오지 못한다.
기판 지지대(560)를 구동하기 위한 기판 지지대 구동부는 반응기 몸체(600) 하단 외부에 고정되어 있는 공압실린더(584)와, 공압실린더(584)와 기판 지지대(560)를 연결하는 구동축(580)과, 구동축(580)간의 평형을 조절해 주는 이동판(578)으로 구성된다. 기판(556)의 장입 및 탈착시에는 공압실린더(584)에 연결된 기판 지지대(560)가 아래로 이동하여 반응기벽(522)과 기판 지지대(560)가 분리되며 반응실(554)이 개방된다. 이때, 기판 지지대(560)의 가운데에 설치된 중앙지지핀(572)은 중앙축(574)과 연결되어, 특정 높이에서 더 이상의 하강을 멈추게 된다. 기판 지지대(560)는 계속 하강하는데, 기판(556)은 중앙지지핀(572)에 의하여 지지되므로 기판(556)은 기판 지지대(560)와 분리된다. 기판(556)이 정지하는 높이는 외부에 설치된 기판 이송 장치의 로봇팔(robot arm)에 의해 기판(556) 이송이 가능하도록 미리 맞추어 지는데, 이를 위해 중앙축(574)과 중앙지지핀(572)의 길이는 조절할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착 장치에 의하면, 나팔 모양의 곡면 형태를 갖는 체적 조절판(540)에 의해 기체의 흐름을 원활히 분산시키면서도 샤워헤드(542, 540) 내부의 체적을 최소화하여 공정 기체의 전환이 수월하고, 따라서 순차적인 공정 기체의 공급과정에서 이전 공급 기체가 불필요하게 샤워헤드(540, 542) 내부에 누적되어 차후 공급되는 기체와 기상 반응을 일으키는 것을 최소화 할 수 있다. 또한, 여러 개의 좁은 배관이 병렬로 연결된 미세 천공관(536)을 구비함으로써 샤워헤드(542, 540)와 기체 유입관(510) 사이에 플라즈마 발생을 억제할 수 있다. 또한, 접지한 플라즈마 발생 차단벽(528)과 샤워헤드 절연벽(538) 사이의 틈을 통하여 불활성 기체를 흘림으로써 기체 분산 그리드(542)와 기판(556) 사이의 반응실(554)에서만 막이 형성되고, 기체가 흐르는 다른 부분에서는 막이 증착되지 않기 때문에 전기적인 단락의 문제 없이 도전성 박막을 플라즈마 강화 원자층 증착법으로 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, 공정기체는 반응기 내부에서만 흐르고 반응기 몸체(600)와는 만나지 않는다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 원료기체(440)와 퍼지기체(442)는 440→442의 주기(Tcycle)로 공급된다. 여기서 퍼지기체(442)의 공급 중간에 일정 시간 동안 고주파전위(446)가 인가되어 플라즈마(446)가 발생된다. 원료기체(440)는 사염화티타늄(TiCl4)처럼 막을 이루는 금속 원소를 포함하는 기체이고, 퍼지기체(442)는 증착기체(440)와 단순히 섞여서는 반응하지 않지만 플라즈마(446)로 활성화되면 반응하여 막을 형성하는 기체이다.
도 5는 도 3의 플라즈마 강화 원자층 증착 장치를 이용한 본 발명의 바람직한 따른 박막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정흐름도이다.
도 5를 참조하면, 반응실(554)로 기판(556)을 장입하여 기판 지지대(560)에 기판(556)을 안착시킨다(850). 그리고, 기판(556)을 미리 설정된 증착온도로 가열한다(852). 다음에, 반응실(554)에 원료기체(440)를 공급한다. 이어서, 퍼지기체(442)를 공급하여 잔류하는 증착기체(440)를 제거한다(860). 그리고 고주파 접속 단자를 통해 반응실에 RF 전력을 공급하여 퍼지기체(442)를 플라즈마(446) 상태로 바꾼다(864). 이 플라즈마(446)는 기판(556) 위에 흡착된 증착기체(440)와 반응하여 박막을 형성한다. 그 다음, RF 전력을 차단한다. RF 전력을 차단한 후에는 활성화된 퍼지 기체의 라디칼이나 이온의 농도가 매우 빨리 감소하므로 RF 전력을 차단한 후에 퍼지 기체를 공급하는 시간을 최소화할 수 있다. 그리고, 이와 같은 과정을 미리 설정한 주기만큼 반복하여 원하는 두께의 박막을 형성한다(866).
두 종류의 기체만으로도 원자층 증착을 행할 수 있으므로 기체 공급부의 구성을 간단하게 할 수 있고, 기체 공급 주기에 필요한 시간(Tcycle)을 줄일 수 있다. 또한, 이 방법에서는 원료기체(440)와 퍼지기체(442)가 반응기와 유출구(516)가 포함된 배기부에서 혼합되어도 서로 반응하지 않으므로 입자가 발생하지 않는다. 증착이 완료된 후에는 기판(556)을 냉각한 후(868), 반응실(554)로부터 기판(556)을 외부로 꺼낸다(870).
<실험예 1>
상기 실시예에 따른 도전성 박막 형성 방법에 따라 질화티타늄(TiN) 막을 형성하였다. 이때, 원료기체 공급 단계에서 아르곤(Ar) 기체 160sccm과 사염화티타늄(TiCl4) 버블러를 통과시킨 아르곤 100sccm을 샤워헤드를 통해 흘렸다. 퍼지기체 공급 단계에서 수소(H2) 기체 100sccm과 질소(N2) 기체 60sccm과 아르곤 기체 100sccm을 흘렸다. 고주파 접속 단자의 구멍을 통해서는 아르곤 기체 20sccm을 계속 흘렸다. 기판 온도는 350℃로 설정하였고, RF 파워는 150 W로 설정하였으며, 압력은 3 torr로 설정하였다. 원료기체의 공급 시간은 0.2초로 하였고, 퍼지기체 공급 시간은 5.8초로 하였다. 5.8초 중 처음 2.0초 동안은 RF 파워를 가하지 않고 퍼지기체만을 공급하고 다음 2.0초간은 퍼지기체를 공급하며 RF 파워를 가하여 플라즈마를 발생시켰고 마지막 1.8초간은 RF 파워를 가하지 않고 퍼지기체만을 공급하였다. 이렇게 6.0초의 공정기체 공급 주기를 반복하여 균질의 질화티타늄 막을 형성하였다.
<실험예 2>
상기 실시예에 따른 도전성 박막 형성 방법에 따라 티타늄(Ti) 막을 형성하였다. 이때, 원료기체 공급 단계에서 아르곤 기체 230sccm과 사염화티타늄(TiCl4)버블러를 통과시킨 아르곤 100sccm을 샤워헤드를 통해 흘렸다. 퍼지기체 공급 단계에서 수소(H2) 기체 100sccm과 아르곤 기체 230sccm을 흘렸다. 고주파 접속 단자의 구멍을 통해서는 아르곤 기체 20sccm을 계속 흘렸다. 기판 온도는 380℃로 설정하였고, RF 파워는 200 W로 설정하였으며, 압력은 3 torr로 설정하였다. 원료기체의 공급 시간은 0.2초로 하였고, 퍼지기체 공급 시간은 5.8초로 하였다. 5.8초 중 처음 2.0초 동안은 RF 파워를 가하지 않고 퍼지기체만을 공급하고 다음 2.0초간은 퍼지기체를 공급하며 RF 파워를 가하여 플라즈마를 발생시켰고 마지막 1.8초간은 RF 파워를 가하지 않고 퍼지기체만을 공급하였다. 이렇게 6.0초의 공정기체 공급 주기를 반복하여 균질의 티타늄 막을 형성하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 강화 원자층 증착 장치에 의하면, 나팔 모양의 곡면 형태를 갖는 체적 조절판에 의해 기체의 흐름을 원활히 분산시키면서도 샤워헤드 내부의 체적을 최소화하여 공정 기체의 전환이 수월하고, 따라서 순차적인 공정 기체의 공급과정에서 이전 공급 기체가 불필요하게 샤워헤드 내부에 누적되어 차후 공급되는 기체와 기상 반응을 일으키는 것을 최소화 할 수 있다. 또한, 여러 개의 좁은 배관이 병렬로 연결된 미세 천공관을 구비함으로써 샤워헤드와 기체 유입관 사이에서의 전위차에 의한 플라즈마 발생을 억제할 수 있다. 또한, 플라즈마 발생 차단벽과 샤워헤드 절연벽 사이의 틈을 통하여 불활성 기체를 흘림으로써 기체 분산 그리드와 기판 사이의 반응실에서만 막이 형성되고, 기체가 흐르는다른 부분에서는 막이 증착되지 않기 때문에 전기적인 단락의 문제 없이 도전성 박막을 플라즈마 강화 원자층 증착법으로 형성할 수 있다. 따라서, 플라즈마가 기체 분산 그리드와 기판 사이의 반응실에서만 발생되고, 기타의 기체 유동 영역에서는 박막의 증착이 억제됨으로써 도전성 있는 박막도 플라즈마 강화 원자층 증착을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 기체 유입관과 기체 유출관을 동일한 위치에 이중 배관 형태로 구비함으로써, 반응실 내의 공정기체가 기체 유출관쪽으로 편중되어 흐르는 것을 방지할 수 있고, 반응실 내에서 공정기체의 유동이 기판에 대하여 대칭적으로 유지되어 기판에 균일한 박막을 증착할 수 있다. 그리고, 공정기체의 유동이 기판에 대하여 대칭적으로 유지되므로 샤워헤드 및 반응실을 종래보다 작게 구성할 수 있다. 따라서, 여러 종류의 공정기체들이 순차적으로 유입되는 공정에서 공정기체의 전환이 용이하다.
나아가, 공정기체가 2중 챔버 형태로 구성하고, 공정기체는 반응기 내부에서만 흐르도록 구성함으로써 기판 지지대 하부에 불필요한 박막이 증착되는 것이 방지된다.
또한, 본 발명에 의하면, 원자층 증착법에서 공정기체들이 반응성이 없거나 아주 약한 경우에서도 효과적으로 박막을 형성할 수 있다.
나아가, 원자층 증착법에서 공정기체 공급 주기 중 퍼지기체의 공급시간을 최소화하여 공정 시간을 단축할 수 있다.
더 나아가, 원자층 증착법이 이루어지는 장치의 배기부에서 오염 입자의 발생을 줄일 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (40)

  1. 기판 상에 박막을 증착시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 기판을 지지하기 위한 기판 지지대;
    상기 기판 지지대와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽;
    상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관;
    상기 기판 지지대와 함께 반응실을 규정하며, 상기 기체 유입관과 연결되어 상기 반응기벽 내에 설치되고, 상기 반응실 내로 기체를 공급하기 위한 복수개의 분사홀을 갖는 샤워헤드;
    상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 사이에 설치되며, 상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 간의 전위차에 의한 플라즈마 발생을 막으면서도 상기 기체 유입관으로부터의 기체 흐름은 유지할 수 있도록 좁은 배관들이 병렬로 연결되어 있는 절연소재로 이루어진 미세 천공관;
    상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및
    교류 전위파를 가하기 위해 상기 샤워헤드에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세 천공관의 배관들은 플라즈마가 발생하지 않을 정도의 직경 및 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 샤워헤드 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기 개구부에 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기반응기 몸체 및 상기 반응기벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기 몸체 및 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응기 내부의 밀폐를 확보하기 위해 상기 기판 지지대와 상기 반응기벽의 연결부분에 게재되는 기체 밀폐링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반응기벽의 측벽을 감싸도록 설치되는 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판 지지대에 상기 기판을 가열할 수 있는 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기판 지지대는 상하로 이동이 가능하여 상기 기판을 상기 반응실 내로 장입하거나 탈착할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  11. 기판 상에 박막을 증착시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 기판을 지지하기 위한 기판 지지대;
    상기 기판 지지재와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽;
    상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관;
    상기 기판 지지대와 함께 반응실을 규정하며, 상기 기체 유입관과 연결되어 상기 반응기벽 내에 설치되고, 상기 반응실 내로 기체를 공급하기 위한 복수개의 분사홀을 갖는 샤워헤드;
    상기 샤워헤드의 상부 및 측부를 둘러싸는 샤워헤드 절연벽;
    상기 샤워헤드 절연벽과 상기 반응기벽 사이에 설치되고, 상기 반응기벽과 동일한 전위를 가지며, 상기 샤워헤드 절연벽과의 사이에 틈이 형성되도록 설치되는 플라즈마 발생 차단벽;
    상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및
    교류 전위파를 가하기 위해 상기 샤워헤드에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈을 통하여 불활성 기체가 흐르도록 함으로써 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이로 유입되는 것을 방지하여 상기 샤워헤드 절연벽 겉에 막이 형성되는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 불활성 기체가 흐를 수 있도록 관형상을 가지며, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이에는 구멍이 형성되어 있고, 상기 구멍은 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 연결되어 불활성 기체의 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고주파 접속단자를 통해 공급된 불활성 기체가 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 균일하게 흐르도록 상기 샤워헤드 절연벽의 윗면 또는 이와 마주하는 상기 플라즈마 발생 차단벽에 도랑을 파서 형성된 대칭형의 완충(buffer) 통로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽 및 상기 샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기벽 및 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽, 상기 샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽 및 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  18. 제11항에 있어서, 상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 플라즈마 발생 차단벽 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기 개구부에 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  19. 기판 상에 박막을 증착시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 기판을 지지하기 위한 기판 지지대;
    상기 기판 지지대와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽;
    상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관;
    상기 기판 지지대의 대향면에 복수개의 분사홀이 천공된 기체 분산 그리드;
    상기 기체 분산 그리드와 연결되어 상기 기체 분산 그리드 상부에 설치되며,내부의 기체가 차지하는 체적을 최소화하고 기체의 흐름을 원활히 하기 위한 나팔관 형태의 곡면 형상을 갖는 체적 조절판;
    상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및
    교류 전위파를 가하기 위해 상기 체적 조절판에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 체적 조절판 및 상기 기체 분산 그리드를 절연시키기 위해 상기 체적 조절판의 상부 및 측부를 둘러싸는 샤워헤드 절연벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽을 관통하여 상기 체적 조절판에 연결되고, 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  22. 제19항에 있어서, 상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기 반응기 몸체 및 상기 반응기벽을 관통하여 상기 체적 조절판에 연결되며, 상기 반응기 몸체 및 상기 반응기벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  24. 제19항에 있어서, 상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 체적 조절판 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기 개구부에 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  25. 기판 상에 박막을 증착시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 기판을 지지하기 위한 기판 지지대;
    상기 기판 지지대와 함께 반응기 내부를 규정하며, 개구부가 형성된 상부면을 포함하는 반응기벽;
    상기 반응기 내부에 기체를 유입하기 위한 기체 유입관;
    상기 기판 지지대와 함께 반응실을 규정하며, 상기 기체 유입관과 연결되어 상기 반응기벽 내에 설치되고, 상기 반응실 내로 기체를 공급하기 위한 복수개의 분사홀을 갖는 샤워헤드;
    상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 사이에 설치되며, 상기 기체 유입관과 상기 샤워헤드 간의 전위차에 의한 플라즈마 발생을 막으면서도 상기 기체 유입관으로부터의 기체 흐름은 유지할 수 있도록 좁은 배관들이 병렬로 연결되어 있는 절연소재로 이루어진 미세 천공관;
    상기 샤워헤드의 상부 및 측부를 둘러싸는 샤워헤드 절연벽;
    상기 샤워헤드 절연벽과 상기 반응기벽 사이에 설치되고, 상기 반응기벽과 동일한 전위를 가지며, 상기 샤워헤드 절연벽과의 사이에 틈이 형성되도록 설치되는 플라즈마 발생 차단벽;
    상기 반응실내의 기체를 배출하기 위한 기체 유출관; 및
    교류 전위파를 가하기 위해 상기 샤워헤드에 연결되도록 설치되는 고주파 접속단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 샤워헤드는 상기 기판 지지대의 대향면에 복수개의 분사홀이 천공된 기체 분산 그리드와, 상기 기체 분산 그리드와 연결되어 상기 기체 분산 그리드 상부에 설치되며 상기 샤워헤드 내부의 기체가 차지하는 체적을 최소화하고 기체의 흐름을 원활히 하기 위한 나팔관 형태의 곡면 형상을 갖는 체적 조절판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 미세 천공관의 배관들은 플라즈마가 발생하지 않을 정도의 직경 및 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  28. 제25항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈을 통하여 불활성 기체가 흐르도록 함으로써 상기 반응실 내로 공급된 기체가상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이로 유입되는 것을 방지하여 상기 샤워헤드 절연벽 겉에 막이 형성되는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 불활성 기체가 흐를 수 있도록 관형상을 가지며, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이에는 구멍이 형성되어 있고, 상기 구멍은 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 연결되어 불활성 기체의 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 고주파 접속단자를 통해 공급된 불활성 기체가 상기 플라즈마 발생 차단벽과 상기 샤워헤드 절연벽 사이의 틈에 균일하게 흐르도록 상기 샤워헤드 절연벽의 윗면 또는 이와 마주하는 상기 플라즈마 발생 차단벽에 도랑을 파서 형성된 대칭형의 완충(buffer) 통로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  31. 제25항에 있어서, 상기 기체 유입관은 상기 반응기벽 상부의 개구부보다 작은 직경을 갖고 상기 개구부 내부로 내삽되어 설치되며, 상기 기체 유출관은 상기 반응실 내로 공급된 기체가 상기 반응기벽과 상기 플라즈마 발생 차단벽 사이의 공간을 거쳐 상기 반응기벽과 상기 기체 유입관 사이의 틈을 통해 배출되도록 상기개구부에 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  32. 제25항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽 및 상기 샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  33. 제25항에 있어서, 상기 반응기벽의 소정영역과 상기 기판 지지대를 둘러싸 외관을 형성하며, 개폐가능한 기체 유출입구를 가진 반응기 몸체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 고주파 접속단자는 교류 전위파를 가하기 위해 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽, 상기 플라즈마 발생 차단벽 및 상기 샤워헤드 절연벽을 관통하여 상기 샤워헤드에 연결되며, 상기 반응기 몸체, 상기 반응기벽 및 상기 플라즈마 발생 차단벽과 전기적으로 절연되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  35. 제25항에 있어서, 상기 반응기 내부의 밀폐를 확보하기 위해 상기 기판 지지대와 상기 반응기벽의 연결부분에 게재되는 기체 밀폐링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  36. 제25항에 있어서, 상기 반응기벽의 측벽을 감싸도록 설치되는 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  37. 제25항에 있어서, 상기 기판 지지대에 상기 기판을 가열할 수 있는 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  38. 제25항에 있어서, 상기 기판 지지대는 상하로 이동이 가능하여 상기 기판을 상기 반응실 내로 장입하거나 탈착할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 강화 원자층 증착 장치.
  39. 기판 상에 박막을 형성하기 위한 방법에 있어서,
    금속 원소를 포함한 원료 기체와 원료 기체와 단순히 섞여서는 반응하지 않지만 플라즈마로 활성화되면 원료 기체와 반응하여 막을 형성할 수 있는 퍼지 기체를 포함하는 공정기체들을 준비하는 단계;
    상기 박막 형성을 위한 반응이 일어나는 상기 반응실 내로 상기 기판을 장입하는 단계;
    기체 유입관을 통하여 상기 반응실에 상기 원료기체를 공급하는 단계;
    상기 증착기체의 공급을 중단하고, 상기 기체 유입관을 통하여 상기 반응실에 상기 퍼지기체를 공급하는 단계; 및
    상기 퍼지기체를 공급하는 기간 중 일부의 기간에 있어서 상기 퍼지기체를 활성화시키기 위한 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하되,
    상기 원료기체를 공급하는 단계, 상기 퍼지기체를 공급하는 단계 및 상기 플라즈마 발생 단계를 소정의 횟수 반복하는 것을 특징으로 하는 도전성 박막 형성 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 기체 유입관의 하부에는 좁은 배관들이 병렬로 연결된 미세 천공관이 구비되어 있고, 상기 공정기체들은 상기 기체 유입관으로부터 상기 미세 천공관을 거쳐 공급되는 것을 특징으로 하는 도전성 박막 형성 방법.
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