KR20060100961A - 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착설비 - Google Patents

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KR20060100961A
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Abstract

샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착설비를 제공한다. 이 원자층 증착설비는 챔버와, 챔버의 내부에 설치되어 기판을 지지하는 서셉터와, 서셉터 상에 지지된 기판 상에 원료가스를 분사하는 샤워헤드를 포함한다. 여기서, 샤워헤드는 몸체와, 몸체의 내부로 한 종류 이상의 원료가스가 유입되는 가스공급구와, 가스공급구로부터 유입된 원료가스를 몸체의 하부로 이동시키는 통로역할을 하는 가스이동통로 및 가스이동통로로부터 이동된 원료가스를 분사하며, 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 경사지는 다수의 가스분사부로 구성된다. 따라서, 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 경사진 가스분사부가 구성됨에 따라 기판의 가장자리에서도 균일한 두께의 박막을 증착할 수 있게 되는 것이다.

Description

샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착설비{Showerhead and atomic layer deposition equipment having the same}
도 1은 본 발명에 따른 원자층 증착설비의 일실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 샤워헤드를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 샤워헤드를 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 샤워헤드의 저면도이다.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
100 : 원자층 증착설비
110 : 챔버
120 : 서셉터
125 : 히터
130 : 샤워헤드
131 : 몸체
132 : 가스공급구
135 : 가스이동통로
140 : 가스분사부
143 : 수직통로
144 : 경사통로
본 발명은 반도체 제조설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막을 균일하게 증착시켜주는 원자층 증착설비에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체소자의 집적도가 점차 높아짐에 따라 우수한 스텝 커버러지(step coverage)와 큰 종횡비(aspect ratio)를 가지며, 균일한 두께의 박막을 증착시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.
이러한 박막증착방법 중 하나로서 원자층 증착법(atomic layer deposition ; ALD)이 이용되고 있다.
원자층 증착법은 박막을 이루는 원료가스들을 기판에 동시에 공급하여 박막을 증착하는 일반적인 화학기상증착법과는 달리 원료가스들을 기판에 교대로 공급하여 원자층 단위로 박막을 증착하는 기술로써 반도체소자의 박막형성에 널리 사용되고 있다.
이와 같은 원자층 증착법에 의하면 기판 표면의 화학반응에 의해서만 박막을 형성할 수 있기 때문에 기판 표면의 요철에 관계없이 균일한 박막을 성장시킬 수 있다. 그리고, 박막의 증착이 시간에 비례하는 것이 아니라 원료공급주기의 수에 비례하기 때문에 형성하는 막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다.
한편, 종래의 원자층 증착법이 사용되는 원자층 증착설비는 챔버와, 챔버의 하부에 설치되어 기판을 지지하는 서셉터와, 서셉터 상에 안착된 기판에 원료가스를 분사하는 샤워헤드로 구성된다.
여기서, 샤워헤드는 몸체와, 외부의 가스공급원으로부터 원료가스를 공급받도록 몸체에 마련된 가스공급구와, 가스공급구로부터 공급받은 원료가스가 분사되도록 몸체에 마련된 가스분사구를 포함한다. 그리고, 가스공급구로부터 유입된 원료가스가 이동되도록 몸체의 내부에 마련된 가스이동통로와, 가스이동통로와 연결되어 원료가스가 가스분사구를 통해 분사되도록 이동되는 가스분사부를 포함한다.
따라서, 종래의 원자층 증착설비에 있어서, 가스공급구를 통해 공급받은 원료가스는 가스이동통로와 가스분사부를 따라 몸체의 중앙에서 가장자리로 이동된다. 그리고, 이동된 원료가스는 가스분사구를 통해 외부로 분사된다.
그러나, 몸체의 내부에서 이동되는 원료가스의 가스유동량은 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 적어지고, 몸체 내부의 가스분사압도 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 가스분사압이 낮게 형성된다.
따라서, 이와 같은 종래의 원자층 증착설비를 이용하면, 기판의 중앙에는 균일한 두께의 박막을 확보할 수 있으나, 기판의 가장자리로 갈수록 분사되는 반응가스의 유량이 적어지기 때문에 기판의 가장자리에는 균일한 두께의 박막이 증착되지 않는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명의 목적은 기판의 가장자리에도 균일한 박막을 증착할 수 있는 샤워헤드와 이를 구비한 원자층 증착설비에 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따르면, 원료가스가 유입되는 가스공급구가 상부에 형성되고, 가스공급구로 유입된 원료가스가 분사되도록 하부에 가스분사구가 형성된 몸체와, 가스공급구로 유입된 원료가스가 몸체의 하부로 이동되도록 몸체의 내부에 형성된 가스이동통로 및, 가스이동통로로 이동된 원료가스가 가스분사구로 분사되도록 가스이동통로와 가스분사구를 연결하며, 몸체의 수직방향으로 형성된 수직통로와 이 수직통로에서 소정각도로 경사지게 형성된 경사통로를 갖는 가스분사부를 포함하는 샤워헤드를 제공한다.
여기서, 상기 수직통로는 몸체의 중앙에서 형성되고, 상기 경사통로는 몸체의 중앙과 가장자리 사이에 다수개 배치된다.
그리고, 상기 경사통로는 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 더 경사지게 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 경사통로는 상기 몸체의 중앙으로부터 외향경사지게 형성된 것이 바람직하다.
이때, 상기 경사통로는 최대 경사각도가 30도 이하인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 가스분사구는 상기 몸체의 중심을 기준으로 방사상 구조로 배치된다.
한편, 본 발명의 제 2관점에 따르면, 챔버와, 챔버의 하부에 설치되어 기판을 지지하는 서셉터 및 서로 다른 두 종류의 원료가스를 각각 격리시켜 분사되도록 챔버의 상부에 설치되며, 기판의 수직방향으로 형성된 수직통로와 이 수직통로에서 소정 각도로 경사지게 형성된 경사통로를 갖는 샤워헤드를 포함하는 원자층 증착설비를 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 원자층 증착설비의 일실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
또한, 비록 다른 도면에 속하더라도 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하였음을 주의하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 원자층 증착설비의 일실시예를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 샤워헤드를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 샤워헤드를 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 샤워헤드의 저면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 원자층 증착설비(100)는 기판(W) 상에 박막이 형성되도록 공정환경이 구현되는 챔버(110)를 구비한다.
이때, 챔버(110)의 하부에는 박막이 형성될 기판(W)이 안착되도록 서셉터(120)가 마련된다. 여기서, 서셉터(120)의 내부에는 공정진행 시 기판(W)을 가열하기 위한 히터(125)가 내장될 수도 있다.
그리고, 챔버(110)의 상부에는 기판(W) 상에 원료가스를 분사하는 샤워헤드(130)가 마련된다. 이때, 샤워헤드(130)는 서셉터(120)의 상부에 안착된 기판(W)과 서로 대향되게 배치된다.
한편, 샤워헤드(130)는 원료가스가 유입되는 가스공급구(132)와 원료가스가 분사되는 가스분사구(145)가 마련된 몸체(131)와, 가스공급구(132)로부터 유입된 원료가스가 이동되도록 몸체(131)의 내부에 마련된 가스이동통로(135)와, 가스이동통로(135)와 연결되어 원료가스가 가스분사구(145)를 통해 분사되도록 이동되는 가스분사부(140)로 구성된다.
구체적으로, 몸체(131)는 중공의 원반형상으로써, 몸체(131)의 상부 중앙은 소정 부분 돌출된 형상으로 이루어진다. 그리고, 몸체(131)의 돌출된 상부에는 가스공급구(132)가 마련되고, 몸체(131)의 저면에는 가스분사구(145)가 마련된다.
여기서, 가스공급구(132)는 상호 격리되며, 제 1 원료가스를 공급받는 제 1 가스공급구(133)와, 제 2 원료가스를 공급받는 제 2 가스공급구(134)로 구성된다. 이때, 제 1 가스공급구(133)와 제 2 가스공급구(134)는 각각 제 1 가스공급라인(141)과 제 2 가스공급라인(142)과 연결됨으로써, 몸체(131)의 내부로 각 원료가스를 공급받게 된다.
그리고, 몸체(131)의 내부에는 가스공급구(132)를 통해 유입된 원료가스들이 상호 분리된 채로 몸체(131)의 저면을 향해 이동되는 가스이동통로(135)가 마련된다. 여기서, 가스이동통로(135)는 제 1 가스공급구(133)와 연결되는 제 1 가스이동통로(136)와, 제 2 가스공급구(134)와 연결되는 제 2 가스이동통로(137)로 구성되 며, 상호 격리된다.
또한, 몸체(131)의 하부에는 가스이동통로(135)로부터 이동된 원료가스들이 각각 분사되도록 가스분사부(140)가 마련된다. 여기서, 가스분사부(140)는 몸체(131)의 수직방향으로 형성된 수직통로(143)와 이 수직통로(143)에서 소정 각도로 경사지게 형성된 다수의 경사통로(144)로 이루어진다. 또한, 가스분사부(140)는 제 1 가스이동통로(136)와 연결되는 제 1 가스분사부(143)와, 제 2 가스이동통로(137)와 연결되는 제 2 가스분사부(144)로 구성되며, 상호 격리된다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 가스분사부(143)는 몸체(131)의 수직방향으로 형성된 수직통로(143)와 이 수직통로(143)에서 소정 각도로 경사지게 형성된 경사통로(144)로 이루어진다. 그리고, 제 2 가스분사부(142)는 상기 수직통로(143)에서 소정각도로 경사진 경사통로(144)로 이루어진다. (여기서, 본 발명의 실시예에서는 제 1 가스분사부에서 수직통로와 경사통로로 이루어졌으나, 제 2 가스분사부에서도 수직통로와 경사통로로 이루어질 수 있다.)
이때, 이 경사통로들(144)을 통해 이동된 원료가스가 기판(W)의 가장자리에서도 균일하게 증착되도록, 각 경사통로(144)는 몸체(131)의 중앙에서 가장자리의 사이에 다수개 배치된다. 이때의 경사통로(144)의 각도는 0도에서 30도 사이의 각도로써, 몸체(131)의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 더 외향 경사지게 형성된다. 즉, 경사통로(144)의 최대각도는 몸체(131)의 가장자리에 형성된 경사통로에서 대략 30도의 각도로 이루어진다.
한편, 각 가스분사부(141,142)와 연결되어 원료가스가 분사되는 가스분사구 (146,147)들은 몸체(131)의 저면 중심점을 기준으로 방사상구조로 배치되되, 몸체(131)의 저면 중앙부로부터 가장자리까지 상호 번갈아가며 위치하도록 동심원구조로 배치된다.
따라서, 경사통로(144)의 경사각도(θ) 즉, 수직통로에서 외향 경사진 각도가 몸체(131)의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 경사짐이 커짐에 따라, 기판(W)의 가장자리로 분사되는 원료가스의 양이 많아진다. 이로 인해 기판(W) 상에 증착되는 박막은 기판(W)의 가장자리 부분에서도 균일한 두께로 증착될 수 있는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 샤워헤드 및 이를 구비한 원자층 증착설비의 동작과 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
한편, 이하에서 설명하는 증착공정은 산화알루미늄(Al2O3)를 기판 상에 증착시키는 공정으로써, 제 1 원료가스로 TMA(Tri Methyl Aluminum)를 사용하고 제 2 원료가스로는 오존가스를 사용한다.
먼저, 챔버(110)의 내부에 설치된 서셉터(120) 상에 기판(W)을 안착시킨다.
이후, 원자층 증착설비(100)의 일측에 마련되어 원자층 증착설비(100)를 제어하는 제어부(미도시)는 제 1 원료가스(TMA)를 제 1 가스공급라인(148)을 통하여 샤워헤드 몸체(131)의 상부에 형성된 제 1 가스공급구(133)로 공급한다. 이때의 제 1 원료가스(TMA)는 액체상태로써 아르곤가스와 동반 공급되며, 이 아르곤가스로 인 하여 기체상태로 제 1 가스공급구(133)에 공급된다.
그리고, 제 1 가스공급구(133)로 공급된 제 1 원료가스(TMA)는 몸체(131)의 내부에 형성된 제 1 가스이동통로(136)를 통해 몸체(131) 내부의 중앙에서 가장자리로 이동된다. 여기서, 이동된 제 1 원료가스(TMA)는 제 1 가스분사부(141)의 수직통로(143)와 다수의 경사통로(144)를 통해 서셉터(120)에 안착된 기판(W)의 상부에 분사된다.
이때, 제 1 가스분사부(141)의 경사통로(144)는 몸체(131)의 수직방향으로 형성된 수직통로(143)에서 몸체(131)의 가장자리쪽으로 갈수록 점차 경사진 각도를 이루며, 수직통로(143)와 경사통로(144)를 통해 분사된 제 1 원료가스(TMA)는 몸체(131)의 가장자리로 갈수록 원료가스 유량이 적어짐에도 관계없이 기판(W)의 가장자리에도 균일한 두께의 원료가스를 분사시킬 수 있다.
다음으로, 제어부(미도시)는 오존가스를 제 2 가스공급라인(149)을 통하여 샤워헤드 몸체(131)의 상부에 형성된 제 2 가스공급구(134)로 공급한다.
그리고, 제 2 가스공급구(134)를 통해 공급된 오존가스는 몸체(131)의 내부에 형성된 제 2 가스이동통로(137)를 통해 몸체(131) 내부의 중앙에서 가장자리로 이동된다. 여기서, 이동된 오존가스는 몸체(131)의 하부에 형성된 다수의 제 2 가스분사부(142)를 통해 TMA가스가 증착된 기판(W) 상에 분사된다.
이때, 제 2 가스분사부(142)는 제 1 가스분사부(141)와 마찬가지로 몸체(131)의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 경사진 각도를 이루어 기판(W)의 가장자리에도 균일한 두께의 오존가스를 분사시킨다.
이후, 기판(W) 상에 분사된 원료가스들(TMA,오존가스)은 화학적 흡착 및 탈착작용에 의해 균일한 두께의 박막(Al2O3)이 증착되는 것이다.
한편, 본 발명은 산화알루미늄(Al2O3)박막을 증착시키는 공정을 참고로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 산화알루미늄 이외의 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범의 범위와 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 샤워헤드 및 이를 이용한 증착설비는 가스분사부의 경사통로가 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 경사진 각도를 가짐으로써, 기판의 가장자리에도 균일한 두께의 박막을 증착시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 원료가스가 유입되는 가스공급구가 상부에 형성되고, 상기 가스공급구로 유입된 원료가스가 분사되도록 하부에 가스분사구가 형성된 몸체;
    상기 가스공급구로 유입된 원료가스가 상기 몸체의 하부로 이동되도록 상기 몸체의 내부에 형성된 가스이동통로; 및,
    상기 가스이동통로로 이동된 원료가스가 상기 가스분사구로 분사되도록 상기 가스이동통로와 상기 가스분사구를 연결하며, 상기 몸체의 수직방향으로 형성된 수직통로와 상기 수직통로에서 소정각도로 경사지게 형성된 경사통로를 갖는 가스분사부를 포함하는 샤워헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수직통로는 상기 몸체의 중앙에서 형성되고, 상기 경사통로는 상기 몸체의 중앙과 가장자리 사이에 다수개 배치된 것을 된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 경사통로는 상기 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 더 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 경사통로는 상기 몸체의 중앙으로부터 외향경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 경사통로는 최대 경사각도가 30도 이하인 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 가스분사구는 상기 몸체의 중심을 기준으로 방사상 구조로 배치된 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
  7. 챔버;
    상기 챔버의 하부에 설치되어 기판을 지지하는 서셉터; 및
    서로 다른 두 종류의 원료가스를 각각 격리시켜 분사되도록 상기 챔버의 상부에 설치되며, 상기 기판의 수직방향으로 형성된 수직통로와 상기 수직통로에서 소정 각도로 경사지게 형성된 경사통로를 갖는 샤워헤드를 포함하는 원자층 증착설비.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 수직통로는 상기 몸체의 중앙에서 형성되고, 상기 경사통로는 상기 몸체의 중앙과 가장자리 사이에 다수개 배치된 것을 된 것을 특징으로 하는 원자층 증착설비.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 경사통로는 상기 몸체의 중앙에서 가장자리로 갈수록 점차 더 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착설비.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 경사통로는 상기 몸체의 중앙으로부터 외향경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착설비.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 경사통로는 최대 경사각도가 30도 이하인 것을 특징으로 하는 원자층 증착설비.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 샤워헤드에는 상기 수직통로와 상기 경사통로에 연결되어 상기 원료가스가 분사되도록 가스분사구가 형성되며, 상기 가스분사구는 상기 샤워헤드의 중심을 기준으로 방사상 구조로 배치된 것을 특징으로 하는 원자층 증착설비.
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