KR20080084390A - 소스 가스 공급 장치 - Google Patents

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염승진
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김영대
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Abstract

본 발명은 기판 상에 박막을 형성하기 위한 액체 소스를 소스 가스로 변환시켜 공급하는 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 소스 가스 공급 장치는 액체 소스를 수용하기 위한 용기; 상기 액체 소스 내에서 버블링시키기 위한 운송 가스를 상기 용기로 공급하기 위한 운송 가스 유입관; 및 상기 액체 소스의 기화에 의해 생성되는 소스 가스를 반응 챔버로 공급하기 위한 소스 가스 배출관을 포함하고, 여기서, 상기 용기의 단면적은 상부에서 하부로 갈수록 연속적으로 증가하며, 상술한 본 발명에 의한 소스 가스 공급 장치는 액체 소스가 수용된 용기의 단면 면적이 상부에서 하부로 갈수록 증가하는 구조를 갖게 함으로써 소스 가스 공급 장치에서 발생하는 소스 가스의 양을 소정 임계값 이상에서 일정하게 유지하여 박막 증착시 스텝 커버리지 및 균일도를 향상시킬 수 있다.
소스 가스 공급 장치, 액체 소스, 운송 가스, 버블링, 반응 챔버

Description

소스 가스 공급 장치{APPARATUS FOR SUPPLYING A SOURCE GAS}
도1은 종래 기술에 따른 소스 가스 공급 장치를 도시한 도면.
도2는 도1에 도시된 소스 가스 공급 장치로부터 생성되는 소스 가스의 양을 액체 소스의 높이에 따라 나타낸 그래프.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 소스 가스 공급 장치를 도시한 도면.
도4는 도3에 도시된 소스 가스 공급 장치로부터 생성되는 소스 가스의 양을 액체 소스의 높이에 따라 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 액체 소스 300 : 소스 가스 공급 장치
310 : 용기 320 : 운송 가스 유입관
330 : 소스 가스 배출관
본 발명은 소스 가스 공급 장치에 관한 것으로, 특히 기판 상에 박막을 형성하기 위한 액체 소스를 소스 가스로 변환시켜 공급하는 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 소자가 고집적화되면서 반도체 기판 상에 형성되는 패턴이 미세화되고 패턴의 종횡비(aspect ratio)가 커짐에 따라 반도체 기판 상에 막을 형성하는 증착(deposition) 공정의 중요성이 더욱 커지고 있다.
증착 방법으로는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD), 단원자 증착법(Atomic Layer Deposition : ALD) 등이 있다. 이 증착 방법들에서는 막의 재료로서 필요한 원소를 기체 상태로 기판 상에 공급한다. 이를 위해서는 기판이 장착된 반응 챔버 내로 막의 재료로서 필요한 원소를 포함하는 소스 가스를 공급하는 것이 필요하다.
일반적으로 소스 가스는 액체 소스로부터 기화되며 운송(carrier) 가스에 의해 반응 챔버로 공급되고, 특히 소스 가스의 공급 효율을 향상시키기 위해서 운송 가스를 액체 소스 내부에서 버블링(bubbling)시키는 방법을 이용하고 있다. 이러한 방식에 의한 소스 가스 공급 장치는 도1에 도시되어 있다. 이를 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.
도1은 종래 기술에 따른 소스 가스 공급 장치를 도시한 도면이다.
도1에 도시된 바와 같이, 밀폐된 원통형 용기(110) 내부에는 액체 소스(10)가 수용되어 있다. 용기(110) 내부로 운송 가스를 공급하는 운송 가스 유입관(inlet line)(120)은 용기(110)의 상부를 관통하여 설치되며 운송 가스 유입관(120)의 단부는 용기(110)에 수용된 액체 소스(10)에 잠겨 있다.
액체 소스(10)는 기화(vaporization)되어 소스 가스를 생성한다. 이때, 기화는 두 가지 측면으로 나누어 생각할 수 있다. 제1 측면은 액체 소스(10)의 수면(liquid surface)으로부터의 기화이고, 제2 측면은 운송 가스 유입관(120)으로부터 유입된 운송 가스를 액체 소스(10) 내에서 버블링시키는 경우에 발생하는 버블 표면(bubble surface)으로부터의 기화이다. 제1 및 제2 측면의 기화에 의하여 생성되는 소스 가스의 양을 효율적으로 증가시킬 수 있다. 여기서, 액체 소스(10)의 높이(도면 부호 "h" 참조)는 기화에 의해 점점 감소하게 된다.
이러한 기화에 의해 생성된 소스 가스는 소스 가스 배출관(outlet line)(130)을 통하여 기판이 장착된 반응 챔버(미도시됨)로 공급됨으로써 박막 형성에 이용된다.
이와 같이, 액체 소스(10)가 수용된 용기(110), 운송 가스 유입관(120) 및 소스 가스 배출관(130)으로 구성된 장치를 소스 가스 공급 장치(100)라 한다.
한편, 증착 공정에서는 반도체 소자의 특성을 향상시키기 위한 요소로 스텝 커버리지(step coverage) 및 균일도(uniformity)의 향상이 매우 중요하며, 이를 위해서는 반응 챔버로 공급되는 소스 가스의 양을 소정 임계값 이상에서 일정하게 유지시킬 것이 요구된다.
그러나, 전술한 종래 기술에 따른 소스 가스 공급 장치(100)를 이용하는 경우 생성되는 소스 가스의 양을 일정하게 유지시키기 어렵다. 이는 용기(110)가 원통형 구조를 갖기 때문이다. 좀더 상세하게는, 액체 소스(10)의 수면으로부터 기화되는 양은 액체 소스(10)의 수면 면적에 비례하는데, 용기(110)가 원통형 구조를 가지므로 액체 소스(10)의 높이(h)와 관계없이 액체 소스(10)의 수면 면적은 거의 일정하며 그에 따라 액체 소스(10)의 수면으로부터 기화되는 소스 가스의 양도 거의 일정하다. 반면, 액체 소스(10) 내의 버블 표면으로부터 기화되는 양은 액체 소스(10)의 높이(h) 감소에 따라 액체 소스(10) 내의 버블의 수가 감소하기 때문에 연속적으로 감소한다. 따라서, 소스 가스 공급 장치(100)에서 발생하는 총 소스 가스의 양이 점차 감소한다. 아울러, 액체 소스(10)의 높이(h)가 감소함에 따라 용기(110) 내부의 액체 소스(10) 상부 공간에서의 분압이 연속적으로 감소하여 반응 챔버로 공급되는 소스 가스의 양을 더욱 감소시킨다. 이하, 도2의 그래프를 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도2는 도1에 도시된 소스 가스 공급 장치로부터 생성되는 소스 가스의 양을 액체 소스의 높이에 따라 나타낸 그래프이다.
도2를 참조하면, 액체 소스의 수면으로부터 기화되는 소스 가스의 양(Vs)은 액체 소스의 수면 면적(S)에 비례한다. 그런데, 액체 소스를 수용하는 용기가 원통형 구조를 갖기 때문에 액체 소스의 수면 면적(S)은 용기의 단면 면적과 같고 용기의 단면 면적은 일정하므로 결국 액체 소스의 수면으로부터 기화되는 소스 가스의 양(Vs)은 액체 소스의 높이(h)와 관계없이 거의 일정하다.
그러나, 운송 가스의 버블링에 의해 액체 소스 내의 버블 표면으로부터 기화되는 소스 가스의 양(Vb)은 액체 소스의 높이(h)에 비례하여 감소한다. 액체 소스 내부의 버블의 수가 감소하기 때문이다.
그 결과, 소스 가스 공급 장치에서 발생하는 총(total) 소스 가스의 양(Vt) 은 액체 소스의 높이(h)에 비례하여 감소한다. 이 때문에, 반응 챔버로 공급되는 소스 가스의 양이 일정하지 않고, 게다가 박막 형성을 위해 반응 챔버로 공급하여야 할 소스 가스의 최소량을 임계 소스량(V*)이라 할 때 액체 소스의 높이가 어느 정도(h*) 이하로 낮아지면 총 소스 가스의 양(Vt)이 임계 소스량(V*)보다 작아지게 되어 형성되는 박막의 두께 및 균일도가 급격히 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서, 소스 가스의 양을 소정 임계값 이상에서 일정하게 생성할 수 있는 소스 가스 공급 장치의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 액체 소스가 수용된 용기의 단면 면적이 상부에서 하부로 갈수록 증가하는 구조를 갖게 함으로써 소스 가스 공급 장치에서 발생하는 소스 가스의 양을 소정 임계값 이상에서 일정하게 유지하여 박막 증착시 스텝 커버리지 및 균일도를 향상시킬 수 있는 소스 가스 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 소스 가스 공급 장치는, 기판 상에 박막을 형성하기 위해 액체 소스를 소스 가스로 변환시켜 공급하는 장치에 있어서, 액체 소스를 수용하기 위한 용기; 상기 액체 소스 내에서 버블링시키기 위한 운송 가스를 상기 용기로 공급하기 위한 운송 가스 유입관; 및 상기 액 체 소스의 기화에 의해 생성되는 소스 가스를 반응 챔버로 공급하기 위한 소스 가스 배출관을 포함하고, 여기서, 상기 용기의 단면적은 상부에서 하부로 갈수록 연속적으로 증가한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 소스 가스 공급 장치를 도시한 도면이다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 소스 가스 공급 장치(300)는 액체 소스(30)가 수용된 밀폐된 용기(310), 운송 가스 유입관(320) 및 소스 가스 배출관(330)을 포함한다. 이때, 용기(310)는 예를 들어 SUS 재질의 금속으로 만들어지거나 이를 표면 처리한 금속으로 만들어지고, 운송 가스 유입관(320) 및 소스 가스 배출관(330)은 예를 들어 SUS 재질의 금속으로 만들어질 수 있다.
용기(310) 내부로 운송 가스(예를 들어, N2, Ar 등)를 공급하는 운송 가스 유입관(320)은 용기(310)의 상부를 관통하여 설치되며, 운송 가스 유입관(320)의 단부는 용기(310)에 수용된 액체 소스(30)에 잠겨 있거나 또는 액체 소스(30)의 수면 위에 위치한다. 이때, 운송 가스의 공급 효율을 향상시키기 위해 운송 가스 유입관(320)은 운송 가스를 가열하기 위한 히터(미도시됨)를 포함할 수도 있다. 또한, 운송 가스의 공급 여부는 밸브(미도시됨)의 개폐에 의하여 조절되고, 공급되는 운송 가스의 양은 MFC(Mass Flow Controller)(미도시됨)를 통하여 조절될 수 있다.
용기(310) 내부의 액체 소스(30)는 기화되어 소스 가스를 생성한다. 액체 소스(30)는 예를 들어 Al, Hf, Ti, Zr, Ta, Nb, Ru, Pt, Ir, W 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이때, 기화는 두 가지 측면으로 나누어 생각할 수 있다. 제1 측면은 액체 소스(30)의 수면으로부터의 기화이고, 제2 측면은 운송 가스 유입관(320)으로부터 유입된 운송 가스를 액체 소스(30) 내에서 버블링시키는 경우에 발생하는 버블 표면으로부터의 기화이다. 소스 가스의 발생 효율을 향상시키기 위해 용기(310) 외벽에 용기(310)를 가열하기 위한 히터(미도시됨)을 더 포함할 수도 있다.
생성된 소스 가스는 소스 가스 배출관(330)을 통하여 기판이 장착된 반응 챔버(미도시됨)로 공급됨으로써 박막 형성에 이용된다. 소스 가스 배출관(330)의 단부는 액체 소스(30)의 수면 위에 위치한다.
이때, 반응 챔버는 CVD 챔버 또는 ALD 챔버일 수 있다. 소스 가스는 이러한 반응 챔버 내에서 소정 반응 가스(예를 들어, H2O, O3, NH3, O2 등)와 반응하여 반응 챔버 내의 기판 상에 소스 가스의 일부 성분을 갖는 소망 박막(예를 들어, Al2O3, HfO2, TiO2, ZrO2, Ta2O5, TiN, TaN, AlN, Ru, Pt, Ir, WN 등)을 형성한다.
여기서, 액체 소스(30)를 수용하는 용기(310)는 그 단면적이 상부에서 하부로 갈수록 연속적으로 증가하는 입체 구조를 갖는다. 예를 들어, 용기(310)는 도3에 도시된 바와 같이 단면이 원이고 측면이 사다리꼴인 입체 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것이 아니며 용기(310)의 단면이 사각형이거나 측면이 삼각 형일 수도 있다.
이러한 구조의 용기(310)를 이용하면, 액체 소스(30)가 기화되어 소스 가스를 생성하면서 액체 소스(30)의 높이(h)가 점점 낮아지는 경우에, 운송 가스에 의해 생성되는 버블 수의 감소로 인하여 버블 표면으로부터 기화되는 소스 가스의 양이 감소하더라도, 액체 소스(30)의 수면으로부터 기화되는 양은 액체 소스(30)의 수면 면적 증가로 인하여 오히려 증가되어 버블 수의 감소로 인한 영향을 보상할 수 있다. 이때, 액체 소스(30)의 높이 감소에 따라 버블 표면으로부터 기화되는 소스 가스의 양 감소를 액체 소스(30)의 수면으로부터 기화되는 소스 가스의 양 증가로 정확히 보상하기 위해서 용기(310) 측면 사다리꼴(또는 삼각형)의 하측의 각(θ) 즉, 용기(310)의 밑면과 옆면이 이루는 각을 적절히 조절하는 방법을 이용할 수 있다. 이하, 도4의 그래프를 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도4는 도3에 도시된 소스 가스 공급 장치로부터 생성되는 소스 가스의 양을 액체 소스의 높이에 따라 나타낸 그래프이다.
도4를 참조하면, 액체 소스의 수면으로부터 기화되는 소스 가스의 양(Vs)은 액체 소스의 수면 면적(S)에 비례한다. 그런데, 액체 소스를 수용하는 용기는 그 단면적이 상부에서 하부로 갈수록 연속적으로 증가하는 입체 구조를 갖기 때문에 기화가 진행되어 액체 소스의 수면의 높이(h)가 낮아질수록 액체 소스의 수면 면적(S)이 증가하게 된다. 따라서, 액체 소스의 수면으로부터 기화되는 소스 가스의 양(Vs)은 액체 소스의 높이(h)에 반비례하여 기화가 진행되면서 점차 증가한다.
반면, 운송 가스의 버블링에 의해 액체 소스 내의 버블 표면으로부터 기화되 는 소스 가스의 양(Vb)은 액체 소스의 높이(h)에 비례하여 기화가 진행되면서 점차 감소한다. 액체 소스 내부의 버블의 수가 감소하기 때문이다.
그 결과, 본 발명에 의한 소스 가스 공급 장치에서 발생되는 총 소스 가스의 양(Vt)은 액체 소스의 높이(h)에 관계없이 거의 일정하게 되고, 그에 따라 박막 형성을 위해 반응 챔버로 공급하여야 할 소스 가스의 최소량을 임계 소스량(V*)이라 할 때 총 소스 가스의 양(Vt)을 임계 소스량(V*) 이상으로 유지하는 것이 보다 용이하다.
본 발명에 의한 소스 가스 공급 장치를 이용하면 반응 챔버로 임계 소스량 이상의 소스 가스를 일정하게 공급할 수 있기 때문에 기판 상에 박막 증착시 스텝 커버리지 및 균일도 특성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서는 도시되지 않았으나, 본 발명의 일실시예에 따른 소스 가스 공급 장치는 소스 가스의 발생량을 일정하게 조절하는 것을 돕기 위하여 액체 소스의 높이를 측정하는 센서(미도시됨)를 더 포함할 수도 있다. 이러한 센서에서는 부력을 이용하는 방식, 액체의 정전용량을 측정하는 방식, 초음파를 이용하는 방식 등을 이용하여 액체 소스의 높이를 측정할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명에 의한 소스 가스 공급 장치는, 액체 소스가 수용된 용기의 단면 면적이 상부에서 하부로 갈수록 증가하는 구조를 갖게 함으로써 소스 가스 공급 장치에서 발생하는 소스 가스의 양을 소정 임계값 이상에서 일정하게 유지하여 박막 증착시 스텝 커버리지 및 균일도를 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 기판 상에 박막을 형성하기 위해 액체 소스를 소스 가스로 변환시켜 공급하는 장치에 있어서,
    액체 소스를 수용하기 위한 용기;
    상기 액체 소스 내에서 버블링시키기 위한 운송 가스를 상기 용기로 공급하기 위한 운송 가스 유입관; 및
    상기 액체 소스의 기화에 의해 생성되는 소스 가스를 반응 챔버로 공급하기 위한 소스 가스 배출관
    을 포함하고,
    여기서, 상기 용기의 단면적은 상부에서 하부로 갈수록 연속적으로 증가하는
    소스 가스 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 소스의 기화는,
    상기 액체 소스 내에서의 상기 운송 가스의 버블링에 의해 발생하는 버블 표면으로부터의 기화 및 상기 액체 소스의 수면으로부터의 기화를 포함하는
    소스 가스 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용기의 단면은 원 또는 사각형이고,
    상기 용기의 측면은 삼각형 또는 사다리꼴인
    소스 가스 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용기의 밑면과 옆면이 이루는 각을 조절함으로써 상기 액체 소스의 기화에 의해 생성되는 소스 가스의 양을 조절하는
    소스 가스 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액체 소스는,
    Al, Hf, Ti, Zr, Ta, Nb, Ru, Pt, Ir, W 중 어느 하나를 포함하는
    소스 가스 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용기는 SUS 재질의 금속 또는 이를 표면 처리한 금속으로 만들어지는
    소스 가스 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용기 외벽에 용기를 가열하기 위한 히터를 더 포함하는
    소스 가스 공급 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 운송 가스 유입관의 단부는 상기 액체 소스 내부에 잠겨 있거나 또는 상기 액체 소스의 수면 위에 위치하는
    소스 가스 공급 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 운송 가스 유입관은 상기 운송 가스의 공급을 조절하는 밸브부를 포함하는
    소스 가스 공급 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 운송 가스 유입관은 상기 운송 가스의 유량을 조절하는 MFC를 포함하는
    소스 가스 공급 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 운송 가스 유입관은 상기 운송 가스를 가열하기 위한 히터를 포함하는
    소스 가스 공급 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 운송 가스는 Ar 또는 N2인
    소스 가스 공급 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 소스 가스 배출관의 단부는 상기 액체 소스의 수면 위에 위치하는
    소스 가스 공급 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 운송 가스 유입관 또는 상기 소스 가스 배출관은 SUS 재질의 금속으로 만들어지는
    소스 가스 공급 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 CVD 챔버 또는 ALD 챔버인
    소스 가스 공급 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반응 챔버에서 형성되는 박막은 Al2O3, HfO2, TiO2, ZrO2, Ta2O5, TiN, TaN, AlN, Ru, Pt, Ir, WN 중 어느 하나인
    소스 가스 공급 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 반응 챔버에서 상기 소스 가스와 반응하는 반응 가스로 H2O, O3, NH3, O2 중 어느 하나를 이용하는
    소스 가스 공급 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 액체 소스의 높이를 측정하는 센서
    를 더 포함하는 소스 가스 공급 장치.
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