KR20040075375A - 원자층 증착 장치 - Google Patents

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KR20040075375A KR1020030010817A KR20030010817A KR20040075375A KR 20040075375 A KR20040075375 A KR 20040075375A KR 1020030010817 A KR1020030010817 A KR 1020030010817A KR 20030010817 A KR20030010817 A KR 20030010817A KR 20040075375 A KR20040075375 A KR 20040075375A
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정원영
김태경
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삼성전자주식회사
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Abstract

반도체 기판 상에 원자층 박막을 증착하기 위한 장치가 개시되어 있다. 반응 챔버의 상부는 개방되어 있으며, 개방된 상부에는 커버가 배치된다. 반응 챔버의 일측에는 반도체 기판과 평행한 방향으로 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급부가 연결되어 있고, 타측에는 반응 챔버로 공급된 반응 가스 및 반응 부산물을 배출하기 위한 배출 배관이 연결되어 있다. 커버의 하부면은 가스 공급부로부터 공급된 반응 가스의 플로우 방향을 따라 경사지게 형성되며, 반응 가스의 유로는 점차 감소된다. 따라서, 반응 챔버 내부에서의 반응 가스의 플로우 속도가 증가되고, 반도체 기판 상에 형성되는 원자층 박막의 균일도 및 증착 속도가 향상된다.

Description

원자층 증착 장치{Apparatus for depositing an atomic layer}
본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 펄스(pulse) 방식으로 반응 가스를 공급하여 반도체 기판 상에 원자층 박막을 증착하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 전기적인 회로를 형성하는 팹(Fab) 공정과, 상기 팹 공정에서 형성된 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하는 공정과, 상기 반도체 장치들을 각각 에폭시 수지로 봉지하고 개별화시키기 위한 패키지 조립 공정을 통해 제조된다.
상기 팹 공정은 반도체 기판 상에 막을 형성하기 위한 증착 공정과, 상기 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 연마 공정과, 상기 막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 포토리소그래피 공정과, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 막을 전기적인 특성을 갖는 패턴으로 형성하기 위한 식각 공정과, 반도체 기판의 소정 영역에 특정 이온을 주입하기 위한 이온 주입 공정과, 반도체 기판 상의 불순물을 제거하기 위한 세정 공정과, 상기 막 또는 패턴이 형성된 반도체 기판의 표면을 검사하기 위한 검사 공정 등을 포함한다.
상기 막 증착 공정은 반도체 기판 상에 다양한 막을 형성하는 공정으로, 화학 기상 증착 방법, 물리 기상 증착 방법 및 원자층 증착 방법이 있다. 최근, 반도체 기판의 집적도 향상에 따라 반도체 기판 상에 미세 패턴들을 형성하는 방법으로원자층 증착 방법이 주목받고 있다. 원자층 증착 방법은 반응 가스를 펄스 방식으로 반도체 기판 상에 공급하여 원자층 단위로 목적하는 막을 증착하는 방법으로 통상의 박막 형성 방법보다 낮은 온도에서 증착 공정을 수행할 수 있고, 우수한 스텝 커버리지를 갖는 장점이 있다.
상기 원자층 적층을 이용한 상기 탄탈륨 나이트라이드를 적층하는 방법에 대한 일 예는 미합중국 특허 제6,203,613호(issued to Gates) 및 문헌 (Kang et al.)(Electrochemical and Solid-State Letters, 4(4) C17-C19 (2001))에 개시되어 있다.
상기 강 등의 방법에 의하면, 상기 TBTDET를 사용하는 원자층 적층 방법에 의해 400μΩ·cm 정도의 비저항 값을 갖는 상기 탄탈륨 나이트라이드 층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 적층은 260℃ 정도의 온도에서 수행된다. 이와 같이, 상기 강 등의 방법에 의하면, 상대적으로 낮은 온도에서, 낮은 비저항을 갖는 상기 탄탈륨 나이트라이드 층을 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 미합중국 특허 제6,124,158호에 의하면, 제1 반응 물질을 도입하여 처리 표면 상에 반응시켜 반응종이 결합되는 모노층을 형성한다. 그리고, 제2 반응 물질을 도입하여 기판과 반응시켜 원하는 박막을 형성한다. 상기 각 단계들을 수행한 다음, 반응 챔버를 불활성 가스로 퍼지(purge)하여 처리 표면 이외에서의 반응을 저지한다.
원자층 적층을 이용하여 실리콘 나이트라이드(SiN) 박막을 증착할 경우, 기존의 780℃에서 실시하는 LPCVD 공정에 비해 100℃ 이상 온도를 감소시킬 수 있으며 등각성(conformality)이 매우 우수한 박막을 얻을 수 있다.
상기 원자층 적층 방법을 수행하기 위한 장치는 반도체 기판의 상부에 수평 방향으로 배치되는 샤워 헤드를 갖는 장치와, 반도체 기판의 측면에서 반도체 기판과 평행하게 반응 가스를 플로우시키는 장치가 있다. 원자층 적층 방법의 경우 낮은 증착 속도를 개선하기 위해 반응 챔버의 용적을 최대한 줄여야 하므로 최근에는 플로우 타입의 원자층 장착 장치가 주로 사용되고 있다. 상기 플로우 타입의 경우 반응 가스의 플로우 방향으로 박막의 증착 속도가 감소되어 박막의 두께가 균일하지 않다는 문제점이 있으며, 이는 반도체 기판의 대구경화에 따라 더욱 심각한 문제점으로 대두되고 있다.
상기 플로우 타입의 원자층 증착 장치에서, 반도체 기판과 반응 챔버로 공급된 반응 가스 및 캐리어 가스의 마찰에 의해 속도가 감소하는 경계층이 반응 챔버 내부에 형성되며, 상기 경계층 내부에서는 속도뿐만 아니라 반응물의 농도와 온도가 감소한다. 상기 경계층의 두께는 길이 방향으로 길이의 1/2승에 비례하여 증가하며 기체 속도의 1/2승에 반비례한다. 상기 반응물의 기판으로의 전달 속도는 박막 증착 속도에 중요한 요소가 되며, 이는 주로 확산에 의존한다. 따라서, 반응물의 공급 방향에 따라 발생하는 불균일한 속도 분포를 억제하기 위해 경계층의 두께를 균일하게 형성해야 한다. 그러나, 종래의 원자층 증착 장치의 경우, 낮은 압력과 반응 챔버의 용적 제한 등으로 인하여 경계층의 두께가 불균일하며, 이에 따라, 반도체 기판 상에 형성되는 박막의 두께 균일도가 저하되는 문제점이 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 반도체 기판 상에 반응 가스를 균일하게 공급하여 반도체 기판 상에 형성되는 박막의 두께를 균일하게 할 수 있는 원자층 증착 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 원자층 증착 장치의 반응 챔버를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4는 커버의 경사각에 따른 박막의 두께를 보여주기 위한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반도체 기판 100 : 원자층 증착 장치
110 : 반응 챔버 112 : 반응 공간
114 : 배출 배관 116 : 밀봉 부재
120 : 서셉터 122 : 히터
124 : 리프팅 부재 130 : 가스 공급부
132 : 제1공급 유로 134 : 제2공급 유로
140 : 커버 142 : 이동 패널
144 : 구동축
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상부가 개방된 반응 챔버와, 상기 반응 챔버의 내부에 배치되며, 기판을 지지하기 위한 서셉터와, 상기 반응 챔버의 일측에 연결되며, 상기 서셉터에 지지된 기판의 상부면과 평행한 방향으로 상기 기판 상에 원자층을 형성하기 위한 반응 가스를 펄스 방식으로 공급하기 위한 가스 공급부와, 상기 원자층을 형성하기 위한 반응 공간을 형성하기 위해 상기 반응 챔버의 개방된 부위를 커버하며, 상기 가스 공급부로부터 공급되어 상기 서셉터에 지지된 기판의 상부를 흐르는 반응 가스의 유로가 점차 감소되도록 상기 서셉터에 지지된 기판에 대하여 소정의 경사각을 갖는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치를 제공한다.
상기와 같이 반응 가스의 유로를 감소시킴으로써 반도체 기판 상에 형성되는 경계층의 두께가 일정하게 되며, 이에 따라 박막의 증착 속도와 박막의 두께 균일도가 일정하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 원자층 증착 장치의 반응 챔버를 설명하기위한 단면도이다.
도 1 및 도2를 참조하면, 도시된 원자층 증착 장치(100)는 반응 챔버(110), 서셉터(120), 가스 공급부(130) 및 커버(140)를 포함한다.
반응 챔버(110)의 상부는 개방되어 있으며, 반응 챔버(110)의 내부에는 반도체 기판(10)을 지지하기 위한 서셉터(120)가 배치되어 있다. 서셉터(120)의 상부면에는 반도체 기판(10)을 지지하기 위한 지지부가 형성되어 있다. 상기 지지부는 반도체 기판의 형성과 유사한 원형 그루브 형상을 갖는다.
서셉터(120)의 내부에는 반도체 기판(10)의 온도를 기 설정된 반응 온도로 상승시키기 위한 히터(122)가 내장되어 있다. 그러나, 히터(122)는 도시된 것과 다른 구성을 가질 수도 있다.
가스 공급부(130)는 반응 챔버(110)의 일측에 연결되어 있으며, 서셉터(120)에 지지된 반도체 기판(10)의 상부면과 평행한 방향으로 반응 가스를 펄스 방식으로 공급한다. 가스 공급부(130)는 반도체 기판(10) 상에 소정의 박막을 형성하기 위한 제1반응 가스와 제2반응 가스를 공급하며, 제1반응 가스 및 제2반응 가스는 질소 가스와 같은 불활성 가스를 캐리어 가스로 하여 반응 챔버(110)로 공급된다. 즉, 가스 공급부(130)는 제1반응 가스, 제1퍼지 가스, 제2반응 가스 및 제2퍼지 가스의 순으로 기 설정된 공급 시간에 따라 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급한다. 퍼지 가스로는 질소 가스와 같은 불활성 가스가 사용될 수 있다.
가스 공급부(130)를 통해 반도체 기판(10) 상으로 공급된 제1반응 가스에 포함된 제1반응 물질은 반도체 기판(10)의 상부면에 화학적으로 흡착되어 단일 원자층을 형성한다. 이어서, 반응 챔버(110)로 공급되는 퍼지 가스는 반도체 기판(10) 상에 화학적으로 흡착되지 않은 제1반응 물질을 제거한다. 여기서, 화학적으로 흡착되지 않은 제1반응 물질은 반도체 기판(10) 상에 물리적으로 흡착된 제1반응 물질을 의미한다. 이때, 반응 챔버(110)와 연결된 진공 펌프(미도시)에 의해 상기 물리적으로 흡착된 제1반응 물질과 반응 챔버로 공급된 퍼지 가스가 반응 챔버(110)로부터 배출된다.
계속해서, 가스 공급부(130)는 반응 챔버(110)로 제2반응 물질을 포함하는 제2반응 가스를 공급하고, 상기 제2반응 물질은 반도체 기판(10) 상에 형성된 단일 원자층과 반응하여 목적하는 원자층 단위의 박막을 형성한다. 상기 단일 원자층 상에 물리적으로 흡착된 제2반응 물질은 후속하는 퍼지 가스의 공급 및 진공 펌프의 작동에 의해 반응 챔버(110)로부터 배출된다.
가스 공급부(130)의 내부에는 제1반응 가스 및 제1퍼지 가스를 공급하기 위한 제1공급 유로(132)와, 제2반응 가스 및 제2퍼지 가스를 공급하기 위한 제2공급 유로(134)가 형성되어 있다. 제1, 제2반응 가스 및 제1, 제2 퍼지 가스는 통합 가스 공급 유닛(Integrated Gas Supply unit ; IGS unit, 미도시)에 의해 공급 유량 및 공급 시간이 조절되며, 제1반응 가스 및 제2반응 가스는 통상의 버블링(bubbling) 방식으로 형성될 수 있다.
반응 챔버(110)의 개방된 상부는 커버(140)에 의해 커버되며, 반응 챔버(110)의 내부에는 반도체 기판(10) 상에 원자층 박막을 형성하기 위한 반응 공간(112)이 형성된다. 커버(140)의 하부면은 반도체 기판(10)의 상부면에 대하여 반응 가스의 공급 방향에 따라 소정의 경사각을 갖도록 형성되어 있다. 상기와 같이 경사진 커버(140)의 하부면에 의해 반응 챔버(110)의 내부에서 형성되는 반응 가스의 유로는 반응 가스의 진행 방향에 따라 점차 감소되므로, 반응 챔버(110) 내부에서의 반응 가스 플로우 속도가 증가된다. 이에 따라, 반도체 기판(10) 상에 형성되는 박막의 두께가 균일해지고, 박막의 증착 속도가 증가된다. 즉, 경사진 커버(140)의 내측면은 반도체 기판(10) 상으로 균일하게 반응 가스를 공급하게 되고, 이에 따라 박막의 증착 속도가 반도체 기판(10)의 전체 면적에 대하여 균일해진다.
반응 챔버(110)의 타측에는 반응 챔버(110)로 공급된 반응 가스와 퍼지 가스 및 원자층 증착 공정 중에 발생된 반응 부산물을 배출하기 위한 배출 배관(114)이 연결되어 있다. 도시되지는 않았으나 배출 배관(114)은 진공 펌프와 연결되어 있고, 배출 배관(114) 중에는 압력 제어 밸브, 유량 제어 밸브 등이 설치되어 있다.
한편, 반도체 기판(10)을 반응 챔버(110)로 로딩하는 경우 또는 반응 챔버(110)로부터 언로딩하는 경우, 커버(140)는 상하로 이동된다. 커버(140)의 상부면에는 커버(140)를 이동시키기 위한 이동 패널(142)이 연결되어 있고, 이동 패널(142)의 주연 부위에는 구동력을 전달하기 위한 다수의 구동축(144)들이 연결되어 있으며, 구동축(144)들은 구동력을 제공하기 위한 제1구동부(미도시)와 연결되어 있다. 또한, 서셉터(120)에는 반도체 기판(10)을 서셉터(120) 상으로 로딩 또는 서셉터로부터 언로딩하기 위한 리프팅 부재(124)가 서셉터(120)를 관통하여 설치되어 있고, 리프팅 부재(124)는 제2구동부(미도시)와 연결되어 있다. 그러나, 도시된바와 다른 구성을 갖는 기판 로딩 유닛이 설치될 수도 있다.
또한, 반응 챔버(110)와 커버(140) 사이에는 원자층 증착 공정이 수행되는 동안 반응 챔버(110)를 외부와 차단하기 위한 밀봉 부재(116)가 개재되어 있다. 상기 밀봉 부재(116)로는 오 링 또는 다양한 단면 형상을 갖는 패킹들이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3에 도시된 원자층 증착 장치(200)는 반응 챔버(210), 서셉터(220), 가스 공급부(230), 커버(240) 및 커버 경사각 조절 유닛(250)을 포함한다.
반응 챔버(210)의 내부에는 반도체 기판(10)을 지지하기 위한 서셉터(220)가 배치되어 있고, 서셉터(220)의 내부에는 반도체 기판(10)의 온도를 조절하기 위한 히터(222)가 내장되어 있다. 반응 챔버(210)의 일측에는 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(230)가 연결되어 있고, 반응 챔버(210)의 타측에는 반응 챔버(210)로 공급된 반응 가스와 퍼지 가스 및 반응 부산물을 배출하기 위한 배출 배관(214)이 연결되어 있다.
개방된 반응 챔버(210)의 상부를 커버하기 위한 커버(240)의 하부면은 반도체 기판(10)의 상부면에 대하여 소정의 경사각을 갖도록 배치된다. 커버(240)는 이동 패널(242)의 하부면에 힌지 결합되어 있으며, 이동 패널(242)의 상부면에는 커버(240)의 경사각을 조절하기 위한 경사각 조절 유닛(250)이 배치되어 있다. 경사각 조절 유닛(250)은 이동 패널(242)과 힌지 결합된 커버(240)의 일측 부위에 대향하는 타측 부위와 연결되어 있다. 커버(240)의 경사각은 상기 경사각 조절 유닛(250)에 의해 조절 가능하므로, 박막 증착 공정의 다양한 공정 조건에 따라 박막의 증착 속도를 유연하게 제어할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 다른 구성 요소들에 대한 추가적인 상세 설명은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 구성 요소들과 유사하므로 생략하기로 한다.
이하, 도 1에 도시된 원자층 증착 장치를 사용하여 반도체 기판 상에 산화 알루미늄(Al2O3) 박막을 증착하는 공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판의 로딩을 위해 커버가 수직 방향으로 상승하고, 반도체 기판이 서셉터에 안착된 후 다시 수직 방향으로 하강하여 반응 챔버를 밀폐시킨다.
가스 공급부는 반응 챔버의 내부로 트리 메틸 알루미늄(TMA, Al(CH3)3) 가스를 공급한다. 트리 메틸 알루미늄 가스는 통상의 버블링 방식으로 형성되며, 질소 가스를 캐리어 가스로 하여 반응 챔버로 공급된다. 반응 챔버로 공급된 트리 메틸 알루미늄 가스는 반도체 기판의 상부면과 평행한 플로우를 형성하며, 반도체 기판 상에 트리 메틸 알루미늄을 화학적으로 흡착시킨다.
가스 공급부는 제1퍼지 가스로 질소 가스를 공급하여 반도체 기판 상에 물리적으로 흡착된 트리 메틸 알루미늄을 반응 챔버로부터 제거한다.
가스 공급부는 트리 메틸 알루미늄 단일 원자층이 형성된 반도체 기판 상에 H2O, O3, 플라즈마 O2또는 N2O 등과 같은 산화 가스를 공급하여 반도체 기판 상에산화 알루미늄 박막을 형성시킨다.
이어서, 제2퍼지 가스로 질소 가스를 공급하여 반응 부산물을 제거하여 반도체 기판 상에 단일 원자층 산화 알루미늄 박막을 형성한다.
상기와 같이 반응 가스를 펄스 방식으로 공급하여 단일 원자층 산화 알루미늄 박막을 형성하는 공정을 반복적으로 수행하여 목적하는 두께를 갖는 산화 알루미늄 박막을 형성할 수 있다.
표 1은 커버의 경사각에 따른 박막의 평균 두께를 보여주는 표이고, 도 4는 커버의 경사각에 따른 박막의 두께를 보여주기 위한 그래프이다.
h2 1.8mm 2.4mm 3.0mm
박막 두께 평균(Å) 59.3 52.2 47.0
표준 편차(Å) 7.4 9.2 10.0
균일도(%) 12.5 17.7 21.3
표 1 및 도 4에 있어서, h2는 배출 배관과 인접한 커버의 하부면과 반도체 기판의 상부면 사이의 간격을 의미한다. 이때, 가스 공급부와 인접한 커버의 하부면과 반도체 기판의 상부면 사이의 간격은 h1이며, 표 1의 결과는 h1을 3.0mm로 고정시키고, h2를 변화시켜가며 산화 알루미늄 박막을 형성한 결과를 보여준다. 여기서, h1 및 h2는 도 2에 도시되어 있다.
표 1의 결과와 도 4를 참조하면, h2를 1.8mm로 줄인 경우 h1과 h2가 동일한 경우보다 균일도가 두 배 정도 향상되었음을 알 수 있고, 박막 증착 속도가 약 25% 정도 증가함을 알 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 플로우 타입의 원자층 증착 장치의 커버의 하부면은 가스 공급부로부터 공급되는 반응 가스의 공급 방향으로 경사지게 형성된다. 즉, 반응 가스의 유로 면적이 점차 감소하므로 반응 가스의 플로우 속도가 증가되며, 이에 따라 반도체 기판 상에 형성되는 원자층 박막의 균일도 및 증착 속도가 향상된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 상부가 개방된 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 내부에 배치되며, 기판을 지지하기 위한 서셉터;
    상기 반응 챔버의 일측에 연결되며, 상기 서셉터에 지지된 기판의 상부면과 평행한 방향으로 상기 기판 상에 원자층을 형성하기 위한 반응 가스를 펄스 방식으로 공급하기 위한 가스 공급부; 및
    상기 원자층을 형성하기 위한 반응 공간을 형성하기 위해 상기 반응 챔버의 개방된 부위를 커버하며, 상기 가스 공급부로부터 공급되어 상기 서셉터에 지지된 기판의 상부를 흐르는 반응 가스의 유로가 점차 감소되도록 상기 서셉터에 지지된 기판에 대하여 소정의 경사각을 갖는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서셉터와 연결되며, 상기 서셉터에 지지된 기판을 가열하기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응 챔버로 공급된 반응 가스를 배출하기 위한 배출 배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 커버의 경사각을 조절하기 위한 경사각 조절 유닛을더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
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