KR20070109453A - 가스분리형 샤워헤드 및 이를 이용한 펄스 ｃｖｄ 장치 - Google Patents

가스분리형 샤워헤드 및 이를 이용한 펄스 ｃｖｄ 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치에 관한 것으로, 반응 챔버 외부에 위치하며, 제1 전구체가 공급되는 제1 전구체 공급원과 제2 전구체가 공급되는 제2 전구체 공급원, 퍼지 가스가 공급되는 퍼지가스 공급원 및 각각의 가스의 개폐 및 유량을 조절하는 다수의 밸브를 구비하는 가스 공급원; 제1, 제2 전구체가 분리되어 공급되는 가스공급모듈과 공급된 제1, 제2 전구체를 분리하여 제공하는 가스분리모듈과 내부에 절연체를 포함하여 플라즈마의 영향을 차단하며 내부에 혼합 분사구를 구비하는 가스분사모듈을 구비하며, 가스분리모듈에 소정의 파워가 인가되어 제1, 제2 전구체가 반응 챔버 내부로 분사되는 가스분리형 샤워헤드; 및 퍼지 가스가 반응 챔버 내부로 분사될 때에 반응 챔버 내부의 잔류 가스를 반응 챔버 외부로 배출하는 배기부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치는 가스분리형 샤워헤드 내에서 제1 전구체와 제2 전구체가 별도의 경로를 가짐으로 인해 샤워헤드 내에서 부산물의 발생이 억제되고, 퍼지 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
박막 증착, pulsed CVD, 가스분리형 샤워헤드

Description

가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 ＣＶＤ 증착 장치{Appratus for pulsed chemical vapor deposition using showerhead having gas separative type}
도 1은 본 발명에 의한 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치를 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 의한 펄스 CVD 장치의 가스분리형 샤워헤드를 나타내는 도면.
도 3a 및 도 3b는 가스분리형 샤워헤드의 가스분사모듈을 상세하게 나타내는 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 펄스 CVD 장치를 이용한 펄스 CVD 공정의 일실시예들을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 반응 챔버 100 : 전구체 공급원
120 : 제1 전구체 공급원 140 : 제2 전구체 공급원
160 : 퍼지가스 공급원 200 : 가스분리형 샤워헤드
220 : 가스공급모듈 222 : 외부 공급 통로
224 : 내부 공급 통로 240 : 가스분리모듈
242 : 제1 전구체 영역 244 : 제2 전구체 영역
246 : 가스 분배판 250 : 파워인가부
260 : 가스분사모듈 262 : 홀
264 : 제2 전구체 분출구 265 : 절연체
266 : 제1 전구체 분출구 267 : 그라운드
270 : 혼합분사구 300 : 배기부
A : 제1 전구체 B : 제2 전구체
본 발명은 본 발명은 반도체 박막 증착 장치 중 펄스 CVD(pulsed chemical vapor deposition)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치에 관한 것이다.
종래의 반도체 박막 증착 공정은 가스의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착시킬 수 있는 화학기상증착(CVD) 장치를 이용한 공정이 주로 사용되어 왔다.
최근에는 이러한 CVD 방법의 증착속도를 높이기 위해 MOCVD 방법 또는 PECVD 방법을 이용하는 공정이 주로 사용된다.
펄스 CVD 방법(pulsed chemical vapor deposition)은 높은 증측속도를 갖는 종래의 MOCVD(metal organic CVD) 또는 PECVD(plasma enhanced CVD) 방법을 이용하면서 얇은 막의 두께 제어를 위하여 플라즈마 강화 순환 증착 방식으로 진행된다.
종래의 펄스 CVD 방법에서는 각 공정에 사용되는 전구체를 동일하게 적용하며, 퍼지단계의 추가를 통하여 공정사이클을 형성하고, 사이클의 반복횟수에 의해 막의 두께를 결정하여왔다.
그러나, 종래의 펄스 CVD에 이용되는 장치는 2개 이상의 전구체가 샤워헤드 전에 혼합 공급되어 샤워헤드 내에서의 반응을 통한 부산물이 발생되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 전구체를 샤워헤드 내의 다른 경로로 격리 공급하여 샤워헤드 내에서의 부산물의 생성을 억제하고, 퍼지 시간의 단축할 수 있는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 공동 전극의 적용에 따라 저파워에서도 수소가 포함된 전구체에 대한 강력한 수소분리작용을 통한 막 내의 수소함량을 최소화하고 플라즈마에 의한 웨이퍼의 손상을 최소화할 수 있는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD(pulsed chemical vapor deposition) 장치는 반응 챔버 외부에 위치하며, 제1 전구체(precursor)가 공급되는 제1 전구체 공급원과 제2 전구체가 공급되는 제2 전구체 공급원, 퍼지 가스가 공급되는 퍼지가스 공급원 및 상기 각각의 가스의 개폐 및 유량을 조절하는 다수의 밸브를 구비하는 가스 공급원; 상기 제1 전구체 및 제2 전구체가 분리되어 공급되는 가스공급모듈과 공급된 제1, 제2 전구체를 분리하여 제공하는 가스분리모듈과 내부에 절연체를 포함하여 플라즈마의 영향을 차단하며 내부에 혼합 분사구를 구비하는 가스분사모듈을 구비하며, 상기 가스분리모듈에 소정의 파워가 인가되어 상기 제1, 제2 전구체가 반응 챔버 내부로 분사되는 가스분리형 샤워헤드; 및 배기펌프를 구비하며, 상기 퍼지 가스가 반응 챔버 내부로 분사될 때에 반응 챔버 내부의 잔류 가스를 반응 챔버 외부로 배출하는 배기부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치를 개략적으로 나타내는 것으로, 반응 챔버(1), 가스 공급원(100), 가스분리형 샤워헤드(200) 및 배기부(300)로 구성된다.
전구체(precursor)와 퍼지가스를 공급하는 가스 공급원(100)은 반응 챔버(1) 외부에 위치하며, 제1 전구체(A)를 공급하는 제1 전구체 공급원(120)과 제2 전구체(B)를 공급하는 제2 전구체 공급원(140), 그리고 퍼지 가스를 공급하는 퍼지가스 공급원(160)과 각각의 가스들의 개폐와 유량을 조절하는 다수의 밸브들(v/v 1 ~ v/v 4)로 구성된다.
제1 전구체 공급원(11) 및 제2 전구체 공급원(12)에 있는 제1, 제2 전구체는 가스 상태이다.
가스분리형 샤워헤드(200)는 제1 전구체(A) 및 제2 전구체(B)가 분리되어 공급되는 가스공급모듈(220)과 공급된 제1 전구체(A) 및 제2 전구체(B)를 분리하여 제공하는 가스분리모듈(240)과 내부에 절연체(265)를 포함하여 플라즈마의 영향을 차단하며 내부에 혼합 분사구(270)를 구비하는 가스분사모듈(260)을 구비하며, 가스분리모듈(240)에 소정의 파워가 인가되어 제1 전구체(A) 및 제2 전구체(B)가 반응 챔버(1) 내부로 분사된다.
배기펌프를 구비하는 배기부(300)는 퍼지 가스가 반응 챔버(1) 내부로 분사될 때에 반응 챔버(1) 내부의 잔류 가스 등을 외부로 배출하며, 또한 가스 공급원(100)의 제1 전구체 공급원(120) 및 제2 전구체 공급원(140)과 직접 연결되어, 퍼지가스 공급원(160)으로부터 퍼지가스가 분사되는 경우에 제1 전구체 공급원(120) 및 제2 전구체 공급원(140)으로부터 제1 전구체(A) 및 제2 전구체(B)를 반응 챔버를 통하지 않고 직접 배기부(300)로 흐르게 한다.
도 2는 본 발명에 의한 가스분리형 샤워헤드(200)를 나타내는 것으로, 가스공급모듈(220), 가스분리모듈(240), 파워인가부(250) 및 가스분사모듈(260)로 구성된다.
가스공급모듈(220)에서는 전구체 공급원(100)으로부터 제1 전구체(A)와 제2 전구체(B) 중 어느 하나의 전구체가 외부의 공급 통로(222)로, 다른 하나의 전구체가 내부의 공급 통로(224)로 격리되어 공급되는데, 도 2의 실시예에서는 제1 전구체(A)가 외부의 공급 통로(222)로, 제2 전구체(B)가 내부의 공급 통로(224)로 격리되어 공급된다.
가스 공급원(100)의 퍼지가스 공급원(160)은 가스분리형 샤워헤드(200)의 외부 공급 통로(222) 또는 내부 공급 통로(224) 중에서 적어도 하나의 공급관과 연결되어 있으며, 증착시 제1 전구체 또는 제2 전구체가 분사된 후 소정의 퍼지 가스가 혼합 분사구를 통하여 챔버 내부로 분사된다.
가스분리모듈(240)은 가스공급모듈(220) 하부에 위치하며, 공급된 제 1 전구체(A)를 제공하는 제1 전구체 영역(242)과 공급된 제2 전구체(B)를 제공하는 제2 전구체 영역(244)을 구비한다.
제2 전구체 영역(244)은 제1 전구체 영역(242)의 하부에 제1 전구체 영역(242)과 분리되어 있으며, 제2 전구체 영역(244) 내부에 가스 분배판(246)에 의해 제2 전구체(B)가 고르게 분포된다.
각 가스 영역(242, 244)을 통과하는 각각의 제1 전구체(A)와 제2 전구체(B)는 가스별로 별도의 분사구를 통하지 않고, 두 가스 모두 혼합 분사구(270)를 통해 공정 목적에 따라 동시에 또는 순차적으로 분사된다.
파워인가부(250)는 가스분리모듈(240) 외부에 위치하며, 제1 전구체 영역(242) 및 제2 전구체 영역(244)으로부터 각각의 가스가 분사될 때에 가스 분리 모듈(240)에 소정의 파워를 인가하여 분사되는 제1 전구체(A)와 제2 전구체(B)가 분리 또는 혼합되어 플라즈마 상태가 되도록 한다.
이 경우 가스분리모듈(240)은 도전체로 형성되어 공동 전극(multi hollow cathode) 역할을 하게 된다.
파워는 플라즈마를 인가할 수 있는 파워로서, DC 파워, 마이크로 웨이 브(microwave) 파워 및 RF 파워 중에서 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
가스분사모듈(260)은 가스분리모듈(240) 하부에 위치하며 다수의 홀(262)을 구비하며, 다수의 홀 내부와 제2 전구체 영역(244) 하부 끝단의 다수의 제2 전구체 분출구(264) 하부 및 상기 다수의 제2 전구체 분출구(264)를 둘러싸는 공간에 형성되는 제1 전구체 분출구(266) 하부에 형성되는 혼합 분사구(270)를 구비한다.
제2 전구체 분출구(264)는 가스분사모듈(260)의 다수의 홀(262) 각각의 중앙에 위치하고, 제2 전구체 분출구(264)의 끝은 가스분사모듈(260)의 상판부터 하판까지 높이가 조절가능하다. 또한, 제2 전구체 분출구(264)의 끝의 조절에 따라서 제1 전구체 분출구(266)의 끝도 조절된다.
가스분사모듈은 일부 또는 전부가 절연체(265)로 구성되어 파워인가부(250)로부터 발생된 플라즈마의 영향을 차단하게 되어 웨이퍼 등에 플라즈마의 영향이 미치지 않도록 한다.
도 3a는 가스분사모듈의 일부가 절연체로 형성된 것을 나타내고, 도 3b는 가스분사모듈의 전부가 절연체로 형성된 것을 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 가스분사모듈(260)은 Al2O3와 같은 절연체(265)와 절연체(265) 하부에 위치하는 알루미늄 재질의 그라운드(267)로 구성되어 있고, 도 3b를 참조하면, 가스분사모듈(260)은 Al2O3와 같은 절연체로만 구성되어 있다.
그라운드(267)는 없어도 무방하지만, 그라운드(267)가 존재하는 경우 절연체(265)에 의해 차단된 플라즈마의 영향을 더욱 낮도록 하여 제1, 제2 전구체 분사 시 웨이퍼 등에 플라즈마의 영향이 미치지 않도록 한다.
본 발명에서 이용되는 절연체(265)는 Al2O3, AlN 등의 세라믹 물질 계열과 테프론(Teflon) 등의 고분자물질 계열을 포함한다. 즉, Al2O3, AlN 등의 세라믹 물질 또는 테프론(Teflon) 등의 고분자 물질 중에서 어느 하나일 수도 있고, 또는 세라믹 물질과 고분자 물질의 복합체일 수도 있다.
또한, 가스분리모듈(240)과 가스분사모듈(260) 사이에 절연체링(도면 미표시)을 더 포함하여 위치하여 가스분리모듈(240)과 가스분사모듈(260)을 전기적으로 더욱더 절연시킬 수 있다.
표 1은 도 1에 기재된 다수의 밸브(v/v 1 ~ v/v 4)의 펄스 CVD 공정에서의 동작의 일예를 나타낸 것이다.
구 분 v/v 1 v/v 2 v/v 3 v/v 4
증착 RUN RUN CLOSE CLOSE
퍼지 DIVERT DIVERT OPEN OPEN
여기서 RUN은 반응 챔버(1)로 흐르는 것을, OPEN은 밸브가 열려있는 것을, CLOSE는 밸브가 닫혀있는 것을, 그리고 DIVERT는 반응 챔버(1)로 흐르지 않고 배기펌프(30)로 직접 흐르는 것을 의미한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 펄스 CVD 장치를 이용한 펄스 CVD 공정의 일실시예들을 나타낸 것이다.
도 4a를 참조하면 증착시에는 제1 전구체(A)와 제2 전구체(B)가 반응 챔버(1) 내부로 공급되고, 퍼지가스는 배기부(300)로 직접 흐르게 된다.
반면 퍼지(purge)시에는 제1 전구체(A)와 제2 전구체(B)의 공급이 중단되고 퍼지가스가 반응 챔버(1) 내부로 공급되게 된다. 증착 속도를 높이기 위하여 도 4b와 같이 퍼지시에 제1 전구체(A)와 제2 전구체(B)의 공급이 계속해서 공급되는 가운데 퍼지가스를 반응 챔버(1) 내부로 공급될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치는 가스분리형 샤워헤드 내에서 제1 전구체와 제2 전구체가 별도의 경로를 가짐으로 인해 샤워헤드 내에서 부산물의 발생이 억제되고, 퍼지 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치는 샤워헤드의 구조상 가스분리모듈이 공동 전극의 역할을 하게 되어 공동 전극에 의한 멀티 할로우 캐소드 효과로 인해 저파워에서도 수소함량이 최소화되는 막질의 형성이 가능하며, 가스 공급 및 퍼지의 사이클을 반복함으로써 원하는 막의 두께 조절이 가능한 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD(pulsed chemical vapor deposition) 장치에 있어서,
    반응 챔버 외부에 위치하며, 제1 전구체(precursor)가 공급되는 제1 전구체 공급원과 제2 전구체가 공급되는 제2 전구체 공급원, 퍼지 가스가 공급되는 퍼지가스 공급원 및 상기 각각의 가스의 개폐 및 유량을 조절하는 다수의 밸브를 구비하는 가스 공급원;
    상기 제1 전구체 및 제2 전구체가 분리되어 공급되는 가스공급모듈과 공급된 제1, 제2 전구체를 분리하여 제공하는 가스분리모듈과 내부에 절연체를 포함하여 플라즈마의 영향을 차단하며 내부에 혼합 분사구를 구비하는 가스분사모듈을 구비하며, 상기 가스분리모듈에 소정의 파워가 인가되어 상기 제1, 제2 전구체가 반응 챔버 내부로 분사되는 가스분리형 샤워헤드; 및
    배기펌프를 구비하며, 상기 퍼지 가스가 반응 챔버 내부로 분사될 때에 반응 챔버 내부의 잔류 가스를 반응 챔버 외부로 배출하는 배기부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스분리형 샤워헤드는
    서로 격리된 내부 공급 통로 및 외부 공급 통로를 구비하며, 상기 가스 공급원으로부터 상기 제1 전구체와 제2 전구체가 이들에 각각 격리되어 공급되는 가스 공급모듈;
    상기 가스공급모듈 하부에 위치하며, 상기 공급된 제 1 전구체를 제공하는 제1 전구체 영역과 상기 공급된 제2 전구체를 제공하는 제2 전구체 영역을 구비하되, 상기 제2 전구체 영역은 상기 제1 전구체 영역의 하부에 상기 제1 전구체 영역과 분리되어 있으며, 상기 제2 전구체 영역 내부에 가스 분배판에 의해 상기 제2 전구체가 고르게 분포되는 가스분리모듈;
    상기 가스분리모듈 외부에 위치하며, 상기 제1, 제2 전구체 영역으로부터 각각의 가스가 분사될 때에 상기 가스 분리 모듈에 소정의 파워를 인가하여 분사되는 제1 전구체와 제2 전구체가 분리 또는 혼합되어 플라즈마 상태가 되도록 하는 파워인가부; 및
    상기 가스분리모듈 하부에 위치하며 소정 모양의 다수의 홀을 구비하며, 상기 다수의 홀 내부와 상기 제2 전구체 영역 하부 끝단의 다수의 제2 전구체 분출구 하부 및 상기 다수의 제2 전구체 분출구를 둘러싸는 공간에 형성되는 제1 전구체 분출구 하부에 형성되는 혼합 분사구를 구비하는 가스분사모듈;을 포함하고,
    상기 가스분사모듈은 일부 또는 전부가 절연체로 구성되어 상기 파워인가부로부터 발생된 플라즈마의 영향을 차단하는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스분리모듈과 가스분사모듈 사이에 위치하여 가스 분리모듈과 가스 분사모듈을 전기적으로 절연시키는 절연체링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 가스 공급원은
    상기 제1 전구체 공급원 및 상기 제2 전구체 공급원 중에서 적어도 하나와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 가스는
    상기 제1 전구체 또는 상기 제2 전구체가 분사된 후 혹은 상기 제1 전구체 및 상기 제2 전구체가 분사된 후에 상기 혼합 분사구를 통하여 반응 챔버 내부로 분사되는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배기부는
    상기 제1 전구체 공급원 및 제2 전구체 공급원과 직접 연결되어, 상기 퍼지가스가 분사되는 경우에 상기 제1 전구체 공급원 및 제2 전구체 공급원으로부터 제1 전구체 및 제2 전구체를 상기 반응 챔버를 통하지 않고 직접 상기 배기부로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전구체 및 제2 전구체는
    상기 퍼지가스가 상기 반응 챔버 내부로 공급될 때에는 공급이 중단되는 것 을 특징으로 하는 펄스 CVD 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 전구체 및 제2 전구체는
    상기 퍼지가스가 상기 반응 챔버 내부로 공급될 때에도 계속해서 상기 반응챔버 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 펄스 CVD 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파워는
    DC, RF 및 마이크로웨이브(microwave) 파워 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스분사모듈은
    절연체로만 구성되어 내부에 다수의 혼합 분사구를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스분사모듈은
    절연체 및 상기 절연체 아래에 위치하는 알루미늄 재질의 그라운드를 포함하여 내부에 다수의 혼합 분사구를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스분리형 샤워헤드를 이용한 펄스 CVD 장치.
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