KR20050075632A - 박막 증착율 재현성을 확보할 수 있는 원자층 증착 장치와이를 이용한 박막 증착 방법 - Google Patents

박막 증착율 재현성을 확보할 수 있는 원자층 증착 장치와이를 이용한 박막 증착 방법 Download PDF

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Abstract

박막 증착율 재현성을 확보할 수 있는 원자층 증착 장치와 이를 이용한 박막 증착 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 원자층 증착 장치는, 인젝터를 사용해 액체원료를 기화기 내부로 분사하여 기화시킨 후 기판이 장입된 공정챔버 내로 공급하는 장치 구성을 가진 것으로, 박막 증착율을 일정하게 하기 위해 매번 일정량의 액체원료를 기화기 내부에 분사하기 위한 목적으로, 운반기체 공급관과 밸브, 바이패스관과 바이패스 밸브를 기화기에 연결되게 설치한 것이 특징이다.

Description

박막 증착율 재현성을 확보할 수 있는 원자층 증착 장치와 이를 이용한 박막 증착 방법{Atomic layer deposition apparatus and method for obtaining reproducibility of film deposition rate}
본 발명은 반도체 제조용 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 장치에 관한 것으로, 특히 액체원료를 기화시켜 소스기체를 얻는 데에 인젝터와 기화기를 사용하는 ALD 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 ALD 장치를 이용하는 공정 진행 방법에 관한 것이기도 하다.
ALD 방식은 박막을 얻는 데 필요한 두 가지 이상의 공정 가스들을 기상에서 만나지 않도록 시간에 따라 순차적으로 분할하여 공정챔버 내로 공급하고, 이들 공정 가스의 공급을 주기적으로 반복하여 박막을 형성하는 것이다. 이 때, 공급되는 공정 가스간의 기상에서의 혼합을 억제하기 위해 첫 번째 공정 가스인 소스기체를 공급한 후 퍼지(purge)시킨 다음, 두 번째 공정 가스인 반응기체를 공급한다.
박막 증착 소스로써 액체원료를 사용하는 ALD 공정에서는 액체원료를 기화시켜 소스기체를 만들어 공정챔버 내로 공급하기 위해 다양한 구성이 제안되어 있다. 그 중 낮은 증기 압력을 가지는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 소스를 ALD 공정에 적용하기 위해 인젝터와 기화기가 사용되고 있다. 도 1은 종래 인젝터와 기화기를 사용하는 ALD 장치의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 액체원료 저장조(10)에는 액체원료가 저장된다. 가압기체 공급관(15)을 통하여 가압용 기체, 예컨대 아르곤(Ar) 기체를 액체원료 저장조(10)에 주입함으로써 액체원료 저장조(10)에 압력을 가하게 되면, 액체원료 저장조(10) 내의 액체원료가 액체원료 공급관(17)을 통해 인젝터(20)로 공급된다. 인젝터(20)는 기화기(25) 내부로 액체원료를 분사한다. 기화기(25)는 기체 공급관(30)을 통하여 공정챔버(35)에 연결되며, 기화기(25)에서의 액체원료의 기화에 의해 형성된 소스기체는 기체 공급관(30)을 통해 공정챔버(35)로 공급된다. 이 때, 소스기체의 운반이 원활하게 이루어지도록 기화기(25)에 제1 운반기체 공급관(40)을 설치하여 운반기체를 소스기체와 함께 공정챔버(35)로 흘려보낸다. 기체 공급관(30)에는 제2 운반기체 공급관(45)도 설치되는데, 이를 통해 공급되는 운반기체는 소스기체의 운반을 도울 뿐만 아니라, 소스기체의 공급이 중단되는 동안에는 공정챔버(35) 안의 소스기체를 퍼지하는 역할을 한다. 공정챔버(35) 내에는 서셉터(50)가 설치되어 있으며, 서셉터(50) 상에는 기판(W)이 안착된다. 소스기체는 공정챔버(35) 내에서 샤워헤드(55)를 통해 기판(W) 상으로 공급된다. ALD 방법에 의하므로, 소스기체 공급/퍼지/반응기체 공급/퍼지의 단계를 반복적으로 수행하게 된다. 이로써, 기판(W)의 표면에 소정 박막이 증착되는 것이다.
여기서, 인젝터(20)를 통해 기화기(25) 내부로 주입되는 액체원료의 양은 인젝터(20)가 일정한 시간 동안 일정한 크기로 열려 있을 경우, 인젝터 밸브(V1)와 인젝터(20) 사이의 압력 P2와 기화기(25) 내부의 압력 P1의 차이에 의존하게 되며 그 양 Q = Cd×A×(2△P/ρ)로 나타낼 수 있다. 여기서, Q는 유량, Cd는 인젝터 밸브(V1)의 유량계수, A는 인젝터 밸브(V1)의 유통면적, ρ는 액체원료의 밀도, △P는 인젝터 밸브(V1) 전후의 압력차(= P2 - P1)이다. P2는 가압용 기체를 담고 있는 가스 봄베의 압력으로 항상 일정하게 유지되지만 P1은 흐르는 가스 분위기에 따라서 변하게 된다.
보다 개선된 특성을 가진 박막을 일정한 증착율로 구현하기 위해서는, 공정챔버(35) 내부로 소스기체를 일정한 적정량으로 공급하는 것이 가장 중요하다. 그러나 종래의 경우, 액체원료를 인젝터(20)로 제어하여 기화기(25) 내부로 주입시에 기화기(25) 내부 압력(P1)에 대해서는 고려되지 않았다. 결국, 매번 주입시에 기화기(25) 내부의 압력은 변하였고, 그에 따라 기화기(25)로 주입되는 액체원료의 양 Q는 변하게 된다. 그러므로 기화되는 양이 변하게 되고 박막의 증착율은 많은 편차를 가지게 되어, 증착율 재현성에 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박막 증착율 재현성을 확보할 수 있는 ALD 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 박막 증착율 재현성을 확보할 수 있는 ALD 공정 진행 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 ALD 장치는, 액체원료를 기화시키는 기화기; 상기 기화기 내부로 액체원료를 분사시켜 주는 인젝터; 상기 기화기에서 액체원료가 기화되어 형성된 소스기체가 공정챔버에 공급되도록 상기 기화기와 상기 공정챔버를 연결하는 기체 공급관; 상기 기체 공급관에 흐르는 소스기체의 유량을 조절하기 위해 상기 기체 공급관에 설치되는 기체공급 밸브; 상기 기화기에 운반기체를 공급하는 제1 운반기체 공급관과 제1 밸브; 상기 기화기 내부 압력을 일정하게 유지하기 위해 상기 기화기와 상기 기체공급 밸브 사이에 설치되는 바이패스(bypass)관과 바이패스 밸브; 상기 바이패스관과 상기 공정챔버의 배기를 담당하는 펌프; 상기 기체공급 밸브 후단의 기체 공급관에 연결되며 상기 소스기체의 운반이 원활하게 이루어지도록 상기 기체 공급관에 운반기체를 공급하는 제2 운반기체 공급관과 제2 밸브; 및 상기 인젝터로 공급되는 액체원료의 이동을 돕도록 상기 인젝터를 향해 운반기체를 공급하는 제3 운반기체 공급관과 제3 밸브를 포함한다.
여기서, 상기 액체원료는 La, Sr, Ba, Lu, Zr, Pr 또는 Gd의 단일 또는 복합성분으로 구성되어지는 산화물용 전구체일 수 있다. 상기 ALD 장치는 상기 기판 상에 SrTiO3, BaTiO3, BaSrTiO3, Ru 또는 Ta2O5 막을 증착하는 ALD 장치일 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 공정 진행 방법의 일 구성은 상기의 ALD 장치를 이용한 방법으로서, 상기 기체공급 밸브가 닫혀진 상태에서 상기 제1 밸브 및 바이패스 밸브로 일정한 압력의 운반기체를 흘려 상기 기화기 내부를 안정화시키는 단계; 및 상기 안정화된 기화기 내부로 액체원료를 분사하는 단계를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 공정 진행 방법의 다른 구성은 상기의 ALD 장치를 이용한 방법으로서, 상기 기체공급 밸브와 상기 제1 밸브가 닫혀진 상태에서 상기 바이패스 밸브를 열고 상기 펌프를 가동하여 상기 기화기 내부를 일정한 진공의 상태로 만드는 단계; 및 상기 진공 상태의 기화기 내부로 액체원료를 분사하는 단계를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 공정 진행 방법의 또 다른 구성은, 인젝터를 사용해 기화기 내부로 액체원료를 분사하여 기화시킨 후 공정챔버 내로 공급하는 인젝터 타입 원자층 증착 장치를 이용한 공정 진행 방법에 있어서, 상기 기화기 내부로 상기 액체원료를 분사하기 전에 상기 기화기 내부의 압력을 일정하게 유지하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
제1 실시예
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ALD 장치의 모식도이다.
도 2를 참조하면, 액체원료 저장조(110)에는 액체원료가 저장된다. 액체원료는 La, Sr, Ba, Lu, Zr, Pr 또는 Gd의 단일 또는 복합성분으로 구성되어지는 산화물용 전구체일 수 있다. 또는, 기판 상에 SrTiO3, BaTiO3, BaSrTiO3 , Ru 또는 Ta2O5막을 증착할 수 있도록 하는 적절한 전구체일 수 있다.
가압기체 공급관(115)을 통하여 가압용 기체, 예컨대 아르곤(Ar) 기체를 액체원료 저장조(110)에 주입함으로써 액체원료 저장조(110)에 압력을 가하게 되면, 액체원료 저장조(110) 내의 액체원료가 액체원료 공급관(117)을 통해 인젝터(120)로 공급된다. 인젝터(120)는 기화기(125)로 액체원료를 분사하며, 인젝터 밸브(V1)는 인젝터(120)의 개폐를 담당한다.
기화기(125)는 기체 공급관(130)을 통하여 공정챔버(135)에 연결되며, 기화기(125)에서의 액체원료의 기화에 의해 형성된 소스기체는 기체 공급관(130)을 통해 공정챔버(135)로 공급된다. 소스기체의 운반이 원활하게 이루어지도록 기화기(125)에 제1 운반기체 공급관(140)과 제1 밸브(V2)를 설치하여 아르곤과 같은 운반기체를 소스기체와 함께 공정챔버(135)로 흘려보낸다. 기체 공급관(130)에는 기체 공급관(130)에 흐르는 소스기체의 유량을 조절하기 위해 기체공급 밸브(V3)가 설치된다.
기화기(125)와 기체공급 밸브(V3) 사이에는 바이패스관(142)과 바이패스 밸브(V4)가 설치되며, 기화기(125) 내부 압력을 일정하게 유지하는 데에 사용된다. 펌프(P)는 바이패스관(142)을 통한 기화기(125)의 배기와 공정챔버(135)의 배기를 담당한다.
기체공급 밸브(V3) 후단의 기체 공급관(130)에는 제2 운반기체 공급관(145)과 제2 밸브(V5)도 설치된다. 이를 통해 공급되는 운반기체는 소스기체의 운반을 도울 뿐만 아니라, 소스기체의 공급이 중단되는 동안에는 공정챔버(135) 안의 소스기체를 퍼지하는 역할을 한다.
그리고, 인젝터(120)로 공급되는 액체원료의 이동을 돕도록 인젝터(120)를 향해 운반기체를 공급하는 제3 운반기체 공급관(160)과 제3 밸브(V6)도 설치된다.
공정챔버(135) 내에는 서셉터(150)가 설치되어 있으며, 서셉터(150) 상에는 기판(W')이 안착된다. 소스기체는 공정챔버(135) 내에서 샤워헤드(155)를 통해 기판(W') 상으로 공급된다. ALD 방법에 의하므로, 소스기체 공급/퍼지/반응기체 공급/퍼지의 단계를 반복적으로 수행하게 된다. 이로써, 기판(W')의 표면에 소정 박막이 증착된다.
이와 같이, 본 발명의 ALD 장치는 기화기(125)의 압력을 일정하게 유지하도록 바이패스관(142)과 바이패스 밸브(V4)를 포함한다. 기화기(125) 내부 압력을 일정하게 유지한 후 액체원료를 주입하면 항상 적정량을 일정하게 주입할 수 있으므로, 박막 증착율을 확보할 수 있게 된다. 바이패스관(142)과 바이패스 밸브(V4)를 사용하는 방법은 다음 실시예들에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
제2 실시예
상기의 ALD 장치를 이용하여 박막 증착율 재현성을 확보하여 박막을 증착하는 방법을 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 기화기(125) 내부 압력을 일정하게 유지시킨다(단계 201). 이를 위해서 본 실시예에서는, 기체공급 밸브(V3)가 닫혀진 상태에서 제1 밸브(V2) 및 바이패스 밸브(V4)로 일정한 압력의 운반기체를 흘린다. 소정 시간이 경과되면 기화기(125) 내부의 기체 흐름이 안정화되어 내부 압력이 일정해진다. 그런 다음, 안정화된 기화기(125) 내부로 액체원료를 분사한다(단계 202). 이 때, 제3 운반기체 밸브(V6)를 열어 액체원료의 공급을 원활히 한다. 주입되는 액체원료의 양은 인젝터(120)가 일정한 시간 동안 일정한 크기로 열려 있을 경우, 인젝터 밸브(V1)와 인젝터(120) 사이의 압력 P2와 기화기(125) 내부의 압력 P1의 차이에 의존한다. P2는 가압용 기체를 담고 있는 가스 봄베의 압력으로 항상 일정하게 유지되며, P1도 본 발명에 따라 일정하게 유지되므로, 액체원료의 양은 항상 적정량이 일정하게 공급된다. 이어, 바이패스 밸브(V4)를 닫고, 기체공급 밸브(V3)를 열어 공정챔버(135) 내로 소스기체를 공급하여 기판(W') 상에 공급한다(단계 203). 소스기체의 공급을 원활하게 하기 위하여, 제2 운반기체 밸브(V5)도 열어둔다.
소정 시간동안 소스기체가 공급되면, 기체공급 밸브(V3)를 닫고 제2 운반기체만 계속 공급하여 공정챔버(135) 내를 퍼징한다(단계 204). 이어, 반응기체를 소정 시간 공급한다. 반응기체 공급라인은 통상의 방식으로 구성된 것을 이용할 수 있다. 그런 다음, 제2 운반기체로 공정챔버(135) 내를 퍼징한다(단계 205).
이렇게 하여 한 주기가 완료되면, 소정 두께의 박막을 얻을 때까지 기화기(125) 내부를 안정화시키는 상기의 방법을 실시한다. 즉, 소정 두께의 박막이 증착되었는지를 단계 206에서 판단하여, 소정 두께의 박막이 증착되었으면 증착 공정을 종료하고, 그렇지 않으면 기화기(125) 내부 압력을 일정하게 유지시키는 단계 201로 돌아가 일련의 단계들을 반복한다. 이렇게 기화기(125) 내부 압력을 일정하게 하는 단계를 매 번의 공정 단계에 포함시킴으로써 기화기(125)로 주입되는 액체원료의 양을 매번 일정하게 유지할 수 있다. 이로써, 박막 증착율 재현성이 확보된다.
제3 실시예
상기의 ALD 장치를 이용하여 박막 증착율 재현성을 확보하여 박막을 증착하는 다른 방법은 다음과 같다. 도 2와 도 3을 참조하여, 본 실시예에서는 기화기(125) 내부 압력을 일정하게 유지시키기 위해서, 기체공급 밸브(V3)와 제1 밸브(V2)가 닫혀진 상태에서 바이패스 밸브(V4)를 열고 펌프(P)를 가동하여 기화기(125) 내부를 일정한 진공의 상태로 만든다(단계 201). 그런 다음, 진공 상태의 기화기(125) 내부로 액체원료를 분사한다(단계 202). 이 때, 제3 운반기체 밸브(V6)를 열어 액체원료의 공급을 원활히 한다. 이어, 바이패스 밸브(V4)를 닫고, 기체공급 밸브(V3)를 열어 공정챔버(135) 내로 소스기체를 공급하여 기판(W') 상에 공급한다(단계 203). 소스기체의 공급을 원활하게 하기 위하여, 제2 운반기체 밸브(V5)도 열어둔다. 이후의 공정은 상기 제2 실시예에서 설명한 바와 유사하다.
상기 제2 실시예에서와 마찬가지로, 기화기(125) 내부를 진공으로 만들어 내부 압력을 일정하게 하는 단계를 매 번의 공정 단계에 포함시킴으로써 기화기(125)로 주입되는 액체원료의 양을 매번 일정하게 유지할 수 있다. 이로써, 박막 증착율 재현성이 확보된다.
한편, 본 발명에서와 같은 박막 증착율 재현성 확보를 위해, 매번 기화기 내부 압력을 일정하게 만드는 단계는 반드시 본 발명 장치 구성으로만 구현할 수 있는 것은 아니다. 따라서, 일반적으로 인젝터를 사용해 기화기 내부로 액체원료를 분사하여 기화시킨 후 공정챔버 내로 공급하는 인젝터 타입 원자층 증착 장치를 이용하여 공정을 진행할 때에, 기화기 내부로 액체원료를 분사하기 전에 어떠한 방법으로든 기화기 내부의 압력을 일정하게 유지하는 단계를 포함하면 되는 것이다.
또한, 상기 실시예에서는 기화기가 1개만 채용되는 예를 들었으나, 본 발명 장치 구성은 여러 개의 기화기를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 고유전막인 SrTiO3, BaTiO3, BaSrTiO3막 등을 증착하기 위해, Ba, Sr, Ti 소스 등을 사용해야 할 경우, 기화기를 여러 개 사용하여 각 소스를 별도로 기화시켜 박막 증착하는 구성을 취할 수도 있다. 그러나, 여러 개의 소스를 혼합한 칵테일 소스를 만들어 하나의 기화기로 기화시키는 구성을 취할 수 있음은 물론이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상술한 본 발명에 의하면, ALD 공정 중에 인젝터에서 기화기로 주입되는 액체원료의 양을 정확하게 제어할 수 있는 장치 및 과정을 도입함으로써 박막의 증착율 재현성을 확보하고 박막 증착 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 종래 인젝터와 기화기를 사용하는 원자층 증착 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공정 진행 방법의 순서도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110...액체원료 저장조 120...인젝터
125...기화기 130...기체 공급관
135...공정챔버 140...제1 운반기체 공급관
142...바이패스관 P...펌프
145...제2 운반기체 공급관 160...제3 운반기체 공급관
V1...인젝터 밸브 V2...제1 밸브
V3...기체공급 밸브 V4...바이패스 밸브
V5...제2 밸브 V6...제3 밸브

Claims (7)

  1. 액체원료를 기화시키는 기화기;
    상기 기화기 내부로 액체원료를 분사시켜 주는 인젝터;
    상기 기화기에서 액체원료가 기화되어 형성된 소스기체가 기판이 장입된 공정챔버내에 공급되도록 상기 기화기와 상기 공정챔버를 연결하는 기체 공급관;
    상기 기체 공급관에 흐르는 소스기체의 유량을 조절하기 위해 상기 기체 공급관에 설치되는 기체공급 밸브;
    상기 기화기에 운반기체를 공급하는 제1 운반기체 공급관과 제1 밸브;
    상기 기화기 내부 압력을 일정하게 유지하기 위해 상기 기화기와 상기 기체공급 밸브 사이에 설치되는 바이패스관과 바이패스 밸브;
    상기 바이패스관과 상기 공정챔버의 배기를 담당하는 펌프;
    상기 기체공급 밸브 후단의 기체 공급관에 연결되며 상기 소스기체의 운반이 원활하게 이루어지도록 상기 기체 공급관에 운반기체를 공급하는 제2 운반기체 공급관과 제2 밸브; 및
    상기 인젝터로 공급되는 액체원료의 이동을 돕도록 상기 인젝터를 향해 운반기체를 공급하는 제3 운반기체 공급관과 제3 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체원료는 La, Sr, Ba, Lu, Zr, Pr 또는 Gd의 단일 또는 복합성분으로 구성되어지는 산화물용 전구체인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 SrTiO3, BaTiO3, BaSrTiO3, Ru 또는 Ta 2O5막을 증착하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  4. 제1항 기재의 원자층 증착 장치를 이용한 공정 진행 방법으로서,
    상기 기체공급 밸브가 닫혀진 상태에서 상기 제1 밸브 및 바이패스 밸브로 일정한 압력의 운반기체를 흘려 상기 기화기 내부를 안정화시키는 단계; 및
    상기 안정화된 기화기 내부로 액체원료를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 진행 방법.
  5. 제1항 기재의 원자층 증착 장치를 이용한 공정 진행 방법으로서,
    상기 기체공급 밸브와 상기 제1 밸브가 닫혀진 상태에서 상기 바이패스 밸브를 열고 상기 펌프를 가동하여 상기 기화기 내부를 진공의 상태로 만드는 단계; 및
    상기 진공 상태의 기화기 내부로 액체원료를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 진행 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 기판 상에 SrTiO3, BaTiO3, BaSrTiO3 , Ru 또는 Ta2O5막을 증착하는 것을 특징으로 하는 공정 진행 방법.
  7. 인젝터를 사용해 기화기 내부로 액체원료를 분사하여 기화시킨 후 공정챔버 내로 공급하는 인젝터 타입 원자층 증착 장치를 이용한 공정 진행 방법에 있어서, 상기 기화기 내부로 상기 액체원료를 분사하기 전에 상기 기화기 내부의 압력을 일정하게 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 진행 방법.
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