KR20050010689A - 원자층 증착을 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

원자층 증착을 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다층의 막 증착시 공정 시간을 줄일 수 있으면서 작업 처리량(through put)을 증대시킬 수 있는 ALD 장치 및 방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 ALD 장치에 적어도 4개의 웨이퍼를 로딩시키면서, 반응 가스 공급시 플라즈마를 제공하므로써, 가스의 반응을 촉진시켜, 증착 속도 및 쓰루풋을 개선할 수 있다.

Description

원자층 증착을 위한 장치 및 그 방법{Atomic layered deposition apparatus and method thereof}
본 발명은 원자층 증착 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 인시튜(insitu)로 다층의 막을 증착할 수 있는 원자층 증착 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 감소됨에 따라, 캐패시터의 유전막으로 보다 높은 유전율을 갖는 절연막이 요구되고 있다. 1기가 디램급에서는 알루미늄 산화막(Al2O3) 또는 하프늄 산화막(HfOx)/알루미늄 산화막의 적층막이 캐패시터 유전막으로 이용되고 있다.
하프늄 산화막과 알루미늄 산화막은 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 공정으로 진행할 때 증착 온도에 따른 증착 속도가 다르게 나타난다. 즉, 하프늄 산화막의 경우, 350℃의 온도에서 CVD(chemical vapor deposition) 특성이 강해 증착률이 급격히 증대되어 조절이 용이하지 않으므로, 증착 균일도를 확보하기 어렵다. 한편, 알루미늄 산화막은 300℃ 이하의 온도에서 증착율이 낮아, 캐패시터의 유전막으로 적용하는데 문제가 있다. 이에따라, 하프늄 산화막 및 알루미늄 산화막을 CVD 장비에서 동시에 제작하는 것은 어려움이 있다.
한편, 하프늄 산화막 및 알루미늄 산화막을 원자층 증착 방식(atomic layered deposition: 이하 ALD)으로 형성하는 방법이 제안되었다. ALD 방식은 도 2에 도시된 바와 같이 소오스 공급하는 단계, 퍼지하는 단계, 반응 가스를 공급하는 단계 및 퍼지하는 단계를 한 사이클로 하여 진행한다. 보다 구체적으로는 우선 소오스 가스를 웨이퍼 표면에 노출시켜 한 층의 원자층을 화학적 흡착시키고, 물리적으로 흡착된 가스 및 잔존하는 소오스 가스를 비활성 가스로 퍼지시킨다. 그후 반응 가스를 다시 웨이퍼 표면에 노출시켜 표면 화학 반응을 일으켜 원하는 박막을 형성한다음, 여분의 반응 가스 및 부산물을 비활성 가스로 퍼지시켜 한 주기(1 cycle)를 구성한다. 이때, 막의 두께는 사이클의 수로 결정된다. 이러한 자기 제한 표면 반응(self limited surface reaction) 메카니즘에 의해 균일한 두께의 박막을 얻을 수 있다. 또한, CVD에 비해 파티클 생성이 억제되며, 저온에서 증착될 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 이러한 ALD 방식은 막을 증착하는데 다수번의 주기를 거쳐야 하므로 공정 시간이 오래 걸리고, 동시에 여러 장의 웨이퍼를 처리하지 못하므로 양산성이 떨어진다.
따라서, 본 발명의 목적은 다층의 막 증착시 공정 시간을 줄일 수 있으면서작업 처리량(through put)을 증대시킬 수 있는 ALD 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 ALD 장치에 의한 ALD 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 알루미늄 산화막 및 하프늄 산화막의 온도에 따른 증착 속도를 보여주는 그래프이다.
도 2는 일반적인 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 시간별 가스 공급을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 원자층 증착 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 원자층 증착 장치의 샤워 헤드를 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 원자층 증착 장치의 메인 세라믹 튜브의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 메인 세라믹 튜브에 설치되는 원형 판을 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 원자층 증착 방법을 나타낸 설명하기 위한 시간별 가스 공급을 나타낸 도면이다.
-도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명-
10 : 웨이퍼 20 : 디스크
30 : 램프 40 : 샤워헤드
50 : 메인 세라믹 튜브 52 : 자석판
55 : 원형판 56 : 코일
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 ALD 장치는, 웨이퍼가 로딩되는 디스크, 상기 디스크와 소정 거리를 두고 이격되는 샤워 헤드, 상기 샤워 헤드와 연통되는 가스 주입구, 및 상기 가스 주입구 주변에 설치되는 플라즈마 발생 수단을 포함한다.
상기 플라즈마 발생 수단은, 상기 가스 주입구 외주에 형성되는 코일 및 상기 코일 외주에 설치되는 자석판을 포함한다.
상기 가스 주입구 내부에 상기 플라즈마를 구속시켜 플라즈마 효율을 증대시키기 위하여 미세의 홀이 구비된 원형판이 더 설치되어 있다.
상기 샤워 헤드는, 중앙에 배치되며 제 1 반응 가스가 주입되는 제 1 개구, 상기 제 1 개구 주변에 서로 두 개씩 마주보며 90°각도로 배치되는 제 2 개구, 상기 제 2 개구 주변에 90° 각도로 각각 1개씩 배치되는 제 3 개구, 및 상기 제 3 개구 외곽에 방사상으로 배치되는 제 4 개구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 디스크는 적어도 4장의 웨이퍼를 로딩할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 견지에 따른 ALD 방법은, 웨이퍼 표면에 제 1 반응 가스를 공급하는 단계, 상기 웨이퍼 표면에 퍼지 가스를 공급하는 단계, 상기 제 2반응 가스를 공급하여 상기 제 1 반응 가스와 반응시켜 제 1 막을 형성하는 단계, 상기 웨이퍼 표면에 퍼지 가스를 공급하는 단계, 상기 제 1 막 표면에 제 3 반응 가스를 공급하면서 플라즈마를 인가하는 단계, 상기 제 3 반응 가스와 반응하도록 제 4 반응 가스를 공급하여, 제 2 막을 형성하는 단계, 및 상기 결과물 표면에 퍼지 가스를 공급하는 단계를 포함한다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명에 따른 ALD 장치의 단면도이다.
본 발명의 ALD 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(10)가 놓여지는 디스크(20)를 포함한다. 디스크(20)는 지지대(25)에 의해 지지되어 있으며, 지지대(25)는 웨이퍼 로딩시 웨이퍼(10)를 회전시킬 수 있도록 회전하는 기능을 가지고 있다.
디스크(20)의 하단에는 웨이퍼(10)를 가열시킬 수 있는 램프(30)가 설치된다. 램프(30)는 웨이퍼에 고르게 열을 전달할 수 있도록 3개의 가열 존(zone 1∼3)으로 구동되며, 3개의 가열 존을 구비함에 따라 웨이퍼 상의 막 증착시 증착 균일도를 증대시킬 수 있다.
디스크(20) 상단에 소정 거리를 두고 샤워 헤드(40)가 배치되어 있다. 샤워 패드(40)는 도 4에 도시된 바와 같이 중앙에 단일의 제 1 개구(41)가 위치되어 있고, 제 1 개구(41) 주변에 8개의 제 2 개구(43)가 서로 2개씩 마주보며 90°각도로 형성되어 있어, 방사상으로 가스를 공급하게끔 한다. 또한 제 2 개구(43) 주변에90°각도로 제 3 개구(45)가 위치하며, 제 3 개구(45)의 외곽으로 다수의 제 4 개구(47)가 원형을 이루며 배치된다. 이때, 가스 흐름에 의한 간섭 및 가스 차단 현상을 감소시켜 가스가 중앙으로부터 방사상으로 원활히 흘러가도록 상기 개구들을 90°각도로 배치시켰다. 여기서, 제 1 개구(41)에는 제 1 반응 가스가 흐르고, 제 2 개구(43)에는 플라즈마로부터 여기된 제 2 반응 가스의 라디칼 분자(radical molecules)가 흐르고, 제 3 개구(45)에는 퍼지 가스가 흐르며, 제 4 개구(47)에는 제 3 반응 가스가 흐르도록 설계된다. 샤워 헤드(40)의 제 1 개구(41)는 실린더 형태의 세라믹 튜브로 구성되며, 메인 세라믹 튜브(50)를 관통하도록 설계된다.
이때, 메인 세라믹 튜브(50)는 도 5에 도시된 바와 같이 그 외벽에 자석판(52)이 설치되어, 메인 세라믹 튜브(50)에 RF 파워 인가시, 메인 세라믹 튜브(50)내에 플라즈마를 형성시킨다. 이러한 플라즈마는 가스의 반응성을 활성화시켜 공정 속도 및 쓰루풋을 증대시키는 역할을 한다. 자석판(52)은 플라즈마 내의 전자를 구속하여 플라즈마 밀도를 향상시킨다.
또한, 메인 세라믹 튜브(50)내에 플라즈마를 구속하기 위한 원형 판(55)이 설치되어 있다. 원형판(55)은 도 6에 도시된 바와 같이, 내부에 미세한 홀(55a)들이 설치되어 있다. 이는 형성된 플라즈마가 RF 파워로 유지되는 동안 라디칼들만 반응 챔버로 이동할 수 있도록 해주기 위함이며, 미세홀(55a)의 사이즈는 플라즈마 공정 조건 예컨대 압력, 가스 유량 및 플라즈마 밀도 등에 따라 결정된다.
또한, 메인 세라믹 튜브(50)의 외벽에는 RF 코일(56)이 적어도 3 내지 4회정도 감겨있으며, 이러한 RF 코일은 냉각수에 의해 냉각될 수 있도록 설계되었다.
이하 이와 같은 ALD 장비에 의해 다수의 막을 증착하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 7을 참조하여, 먼저, 제 1 반응 가스를 웨이퍼에 노출시켜 표면에 흡착시키고, 비활성 가스를 퍼지하여 반응기 내에 잔류하는 가스를 퍼지시킨다. 그후, 제 3 반응 가스를 일정시간 플로우하여 표면 반응을 일으켜 제 1 ALD막, 예컨대 알루미늄 산화막을 형성한다.
다시 퍼지 가스를 공급하여 부산물 및 잔류하는 가스를 퍼지한다음, 비활성 가스 예컨대 Ar 가스에 의해 플라즈마를 형성하고 나서 제 2 반응 가스를 공급한다. 이에따라, 반응 라디칼들을 웨이퍼 표면에 일정 시간 노출시키고 나서, 제 4 반응 가스를 일정시간 플로우시켜 표면 반응 일으켜 제 2 ALD막 예컨대 하프늄 산화막을 형성한다. 그후 플라즈마를 오프시킨다음, 비활성 가스를 공급하여 잔류 가스를 퍼지한다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 가스 주입구에 플라즈마 발생부를 설치하여, 반응성이 강한 라디칼 분자에 의해 표면 반응을 일으키므로, 증착온도를 낮출 수 있고, 인시튜로 다층막을 증착할 수 있을 뿐만 아니라, 공정 속도 역시 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈마 소스를 ALD 장치(반응 챔버)에서 분리시켜 라디칼만을 이용하므로 플라즈마 관련된 데미지를 근본적으로 제어할 수 있으므로 소자의 신뢰성이개선된다.
또한, 본 발명의 ALD 장치는 4장의 웨이퍼를 동시에 로딩시킬 수 있으므로, 쓰루풋을 개선할 수 있다.
기타, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경실시할 수 있다.

Claims (7)

  1. 웨이퍼가 로딩되는 디스크;
    상기 디스크와 소정 거리를 두고 이격되는 샤워 헤드;
    상기 샤워 헤드와 연통되는 가스 주입구; 및
    상기 가스 주입구 주변에 설치되는 플라즈마 발생 수단을 포함하는 원자층 증착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 수단은, 상기 가스 주입구 외주에 형성되는 코일 및 상기 코일 외주에 설치되는 자석판을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 주입구 내부에 상기 플라즈마를 구속시켜 플라즈마 효율을 증대시키기 위하여 미세의 홀이 구비된 원형판이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 샤워 헤드는,
    중앙에 배치되며 제 1 반응 가스가 주입되는 제 1 개구;
    상기 제 1 개구 주변에 서로 두 개씩 마주보며 90°각도로 배치되는 제 2 개구;
    상기 제 2 개구 주변에 90° 각도로 각각 1개씩 배치되는 제 3 개구; 및
    상기 제 3 개구 외곽에 방사상으로 배치되는 제 4 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 디스크는 적어도 4개의 웨이퍼가 로딩되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 디스크 하단에는 웨이퍼를 3개의 존으로 나눠 고르게 가열할 수 있는 램프가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  7. 웨이퍼 표면에 제 1 반응 가스를 공급하는 단계;
    상기 웨이퍼 표면에 퍼지 가스를 공급하는 단계;
    상기 제 2 반응 가스를 공급하여 상기 제 1 반응 가스와 반응시켜 제 1 막을형성하는 단계;
    상기 웨이퍼 표면에 퍼지 가스를 공급하는 단계;
    상기 제 1 막 표면에 제 3 반응 가스를 공급하면서 플라즈마를 인가하는 단계;
    상기 제 3 반응 가스와 반응하도록 제 4 반응 가스를 공급하여, 제 2 막을 형성하는 단계; 및
    상기 결과물 표면에 퍼지 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착방법.
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