KR20100106614A - 원자층 성장 장치 및 원자층 성장 방법 - Google Patents

원자층 성장 장치 및 원자층 성장 방법 Download PDF

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Abstract

원자층 성장 장치는, 반응성 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 제1 실과, 원료 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 제2 실과, 제1 실 내에 설치된, 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 생성하기 위한, 막대상(狀)의 복수의 안테나 소자가 평행하게 배설(配設)된 안테나 어레이(array)와, 제2 실 내에 설치된, 기판이 재치(載置)되는 기판 스테이지와, 제1 실로부터 제2 실로, 안테나 어레이에 의하여 생성된 라디칼(radical)을 포함하는 가스를 공급하기 위하여, 제1 실과 제2 실을 접속하는 접속 부재를 구비하고 있다.

Description

원자층 성장 장치 및 원자층 성장 방법{ATOMIC DEPOSITION APPARATUS AND ATOMIC LAYER DEPOSITION METHOD}
본 발명은, 기판 상에 원자층 단위로 박막을 형성하는 원자층 성장(이하, 생략하여 ALD(Atomic Layer Deposition)라고도 한다) 장치 및 원자층 성장 방법에 관한 것이다.
ALD법은, 형성하려고 하는 막을 구성하는 원소를 주성분으로 하는 2종류의 가스를 성막(成膜) 대상 기판 상으로 번갈아 공급하고, 기판 상에 원자층 단위로 박막을 형성하는 것을 복수 회 반복하여 소망 두께의 막을 형성하는 박막 형성 기술이다. 예를 들어, 기판 상에 SiO2막을 형성하는 경우, Si를 포함하는 원료 가스와 O를 포함하는 산화 가스가 이용된다. 또한, 기판 상에 질화막을 형성하는 경우, 산화 가스 대신에 질화 가스가 이용된다.
ALD법에서는, 원료 가스를 공급하고 있는 동안에 1층 혹은 수층의 원료 가스만이 기판 표면에 흡착되고, 여분의 원료 가스는 성장에 기여하지 않는, 이른바, 성장의 자기 정지 작용(셀프 리밋(self limit) 기능)이 이용된다.
ALD법은, 일반적인 CVD(Chemical Vapor Deposition)법과 비교하여 높은 단차 피복성과 막 두께 제어성을 겸비하여, 메모리 소자의 커패시터(capacitor)나, 「high-k 게이트」라고 불리는 절연막의 형성으로의 실용화가 기대되고 있다. 또한, 300℃ 정도의 저온에서 절연막을 형성 가능하기 때문에, 액정 디스플레이 등과 같이, 유리 기판을 이용하는 표시 장치의 박막 트랜지스터의 게이트 절연막의 형성으로의 적용 등도 기대되고 있다.
이하, 종래의 ALD 장치에 관하여 설명한다.
도 4는, 종래의 ALD 장치의 구성을 도시하는 일례의 개략도이다. 동 도에 도시하는 ALD 장치(70)는, 성막 용기(성막 챔버, 12)와 가스 공급부(14)와 배기부(16)에 의하여 구성되어 있다.
성막 용기(12)는, 금속제의 중공(中空) 상자형이며, 접지되어 있다. 성막 용기(12)의 내부에는, 상벽(上壁) 측으로부터 하벽(下壁) 측을 향하여 순으로, 복수의 안테나 소자(26)로 이루어지는 안테나 어레이(array)(28), 히터(30)를 내장하는 기판 스테이지(32)가 배설(配設, 배치 설치되는 것)되어 있다. 안테나 어레이(28)는, 복수의 안테나 소자(26)를 소정의 간격으로 평행하게 배설하는 것에 의하여 구성되는 가상 평면(배열 방향)이 기판 스테이지(32)와 평행하게 배설되어 있다.
안테나 소자(26)는, 도 5에 상방(上方)으로부터의 평면도를 도시하는 바와 같이, 고주파 전력의 파장의 (2n+1)/4배(n은 0 또는 양의 정수)의 길이의 도전체로 이루어지는 막대상(狀)의 모노폴 안테나(안테나 본체, 39)가, 유전체로 이루어지는 원통 부재(40)에 수납된 것이다. 고주파 전력 공급부(34)에서 발생된 고주파 전력이 분배기(36)에서 분배되고, 각각의 임피던스(impedance) 정합기(38)를 통하여 각각의 안테나 소자(26)로 공급되면, 안테나 소자(26)의 주위에 플라스마가 발생된다.
각각의 안테나 소자(26)는, 본 출원인이 특허 문헌 1에서 제안한 것이며, 예를 들어, 공급 구멍(20b)으로부터 기판 스테이지(32)를 향하여 공급되는 산화 가스의 가스 흐름 방향에 대하여 직교하는 방향으로 연장되도록, 전기적으로 절연되어 성막 용기(12) 측벽(側壁)에 장착되어 있다. 또한, 각각의 안테나 소자(26)는, 소정의 간격으로 평행하게 배설되어 있고, 인접하여 배설된 안테나 소자(26) 사이의 급전(給電) 위치가 서로 대향하는 측벽이 되도록 배설되어 있다.
다음으로, ALD 장치(70)의 성막 시의 동작을 설명한다.
성막 시에는, 기판 스테이지(32) 상면(上面)에 기판(42)이 재치(載置, 물건의 위에 다른 것을 올리는 것)된다. 또한, 기판 스테이지(32)가 히터(30)로 가열되고, 기판 스테이지(32) 상에 재치된 기판(42)은, 성막이 종료할 때까지 소정의 온도로 보지(保持)된다.
예를 들어, 기판 표면에 SiO2막을 형성하는 경우, 성막 용기(12) 내가 배기부(16)에 의하여 수평 방향으로 공기 빼기된 후, Si 성분을 포함하는 원료 가스가, 가스 공급부(14)로부터, 공급관(18a), 성막 용기(12)의 좌벽(左壁)에 형성된 공급 구멍(20a)을 통하여 성막 용기(12) 내로 수평 방향으로 공급된다. 이것에 의하여, 기판(42) 표면에 원료 가스가 공급되어 흡착된다. 덧붙여, 이때, 안테나 소자(26)에 의하여 플라스마는 발생되지 않는다.
계속하여, 원료 가스의 공급이 정지되고, 기판(42) 표면에 흡착된 원료 가스 이외의 잉여의 원료 가스가, 배기부(16)에 의하여, 성막 용기(12)로부터, 성막 용기(12)의 우벽(右壁)에 형성된 배기 구멍(24), 배기관(22)을 통하여 수평 방향으로 배기된다.
계속하여, 산화 가스가, 가스 공급부(14)로부터, 공급관(18b), 성막 용기(12)의 좌벽에 형성된 공급 구멍(20b)을 통하여 성막 용기(12) 내로 수평 방향으로 공급된다. 이때 동시에, 고주파 전력 공급부(34)로부터 고주파 전력이 각각의 안테나 소자(26)로 공급된다. 이것에 의하여, 각각의 안테나 소자(26)의 주위에 산화 가스를 이용하여 플라스마가 발생되고, 기판(42) 표면에 흡착된 원료 가스가 산화된다.
그 후, 산화 가스의 공급 및 안테나 소자(26)로의 고주파 전력의 공급이 정지되고, 산화에 기여하지 않는 잉여의 산화 가스나 반응 생성물이, 배기부(16)에 의하여, 성막 용기(12)의 우벽에 형성된 배기 구멍(24), 배기관(22)을 통하여 수평 방향으로 배기된다.
이상과 같이, 원료 가스의 공급→잉여 원료 가스의 배기→산화 가스의 공급→잉여 산화 가스의 배기로 이루어지는 일련의 공정에 의하여, 기판(42) 상에 SiO2막이 원자층 단위로 형성된다. 이 공정을 수회 반복하는 것에 의하여, 기판(42) 상에 소정 막 두께의 SiO2막이 형성된다.
여기서, 본 발명에 관련성이 있는 선행 기술 문헌으로서, 예를 들어, 특허 문헌 2 ~ 4 등이 있다.
특허 문헌 2는, 본 출원인에 의한 제안이며, 플라스마원으로서 모노폴 안테나가 성막 용기 내에 배치된 매엽식(枚葉式) ALD 장치이다. 특허 문헌 3은, 반도체 웨이퍼(wafer)를 대상으로 한 매엽식 ALD 장치이며, 샤워 헤드와 기판 히터를 평행 평판(平板) 장치로 하여 이용하는 것이다. 특허 문헌 4는, 반도체 웨이퍼를 대상으로 한 배치(batch)식 ALD 장치이며, 평행 전극에 의한 리모트 플라스마 방식을 채용한 것이다.
일본국 공개특허공보 특개2003-86581호 일본국 공개특허공보 특개2006-310813호 일본국 공개특허공보 특개2007-173824호 일본국 공개특허공보 특개2002-280378호
특허 문헌 2의 방식에서는, 기판이 액정 기판과 같은 대형 기판이 되면, 샤워 헤드나 기판 히터도 대형화하여, 성막 용기도 대용량화하기 때문에, ALD 프로세스에 요구되는 고속 배기, 성막 가스 전환이 문제가 된다.
또한, 특허 문헌 3의 방식으로는, 성막 용기 내부에 플라스마원을 배치하고 있기 때문에, 성막 용기 내의 구조가 복잡(요철(凹凸) 형상)하게 되어, 플라스마원이 파티클(particle)의 발생 요인이 될 수 있다고 하는 문제가 있다. 또한, 특허 문헌 4에서는, 플라스마원을 격리하는 격벽을 설치한 구조도 제안되고 있지만, 성막 용기 내가 복잡한 구조가 되는 것에 변화는 없어, 역시 파티클의 발생 요인이 될 수 있다고 하는 문제가 있다.
상기 종래의 ALD 장치와 같이, 성막 가스(원료 가스, 및, 산화 가스 내지 질화 가스)의 활성을 높이기 위하여 성막 용기 내에 플라스마원을 배치하면, 성막 장치의 구조가 복잡하게 되어, 메인터넌스(maintenance)성이 저하한다고 하는 문제가 있었다. 또한, 성막 시에 플라스마원의 표면에도 막이나 반응 생성물로서 이루어지는 미립자도 퇴적한다. 플라스마원의 표면에 퇴적한 막의 일부나 미립자가 낙하하면 파티클로 되어, 기판 표면을 오염하여 성막 품질이 저하한다고 하는 문제도 있었다.
본 발명의 목적은, 상기 종래 기술의 문제점을 해소하여, 플라스마원을 이용하여 반응 가스를 활성화시키는 경우여도, 성막 용기의 메인터넌스성의 향상, 파티클에 의한 오염의 저감이 가능한 원자층 성장 장치 및 원자층 성장 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 산화 가스를 이용하여 플라스마를 생성하는 것에 의하여, 기판 상에 막을 생성하는 원자층 성장 장치이고,
반응성 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 제1 실과, 원료 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 제2 실과, 상기 제1 실 내에 설치된, 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 생성하기 위한, 막대상의 복수의 안테나 소자가 평행하게 배설된 안테나 어레이와, 상기 제2 실 내에 설치된, 상기 기판이 재치되는 기판 스테이지와, 상기 제1 실로부터 상기 제2 실로, 상기 안테나 어레이에 의하여 생성된 라디칼(radical)을 포함하는 가스를 공급하기 위하여, 상기 제1 실과 상기 제2 실을 접속하는 접속 부재를 구비하고 있는 원자층 성장 장치를 제공한다.
상기 원자층 성장 장치는, 예비 용기와, 성막 용기를 구비하고, 상기 제1 실은 예비 용기의 실이고, 상기 제2 실은 성막 용기의 실이며, 상기 접속 부재는, 상기 예비 용기의 벽에 형성된, 상기 라디칼을 포함하는 가스의 배기 구멍과, 상기 성막 용기의 벽에 형성된, 상기 라디칼을 포함하는 가스의 공급 구멍을 접속하는 공급관인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 예비 용기의 배기 구멍은, 상기 안테나 어레이를 통하여, 상기 예비 용기의 공급 구멍이 형성된 측벽에 대향하는 측벽에 설치되고, 나아가, 상기 예비 용기의 배기 구멍은, 상기 예비 용기 하벽에 대하여 단차(段差)가 나는 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 공급관에는, 상기 예비 용기와 상기 성막 용기의 도통(導通, 전류, 유체 등을 유도하여 흐르게 하는 것)을 제어하는 개폐 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
그때, 상기 기판 스테이지는, 상기 성막 용기 내를 승강 가능하게 이동하고, 상기 성막 용기의 상기 제2 실에는, 상기 기판 스테이지를 소정의 위치로 위치 결정하는 스토퍼(stopper)가 돌출하여 설치되고, 상기 기판 스테이지의 기판을 재치하는 재치면은, 상기 기판 스테이지가 상승한 위치에 있을 때 상기 스토퍼의 면과 면일(面一, 단차가 없는 상태)이 되도록 위치 결정되어, 단차가 없는 면이 형성되는 것이 바람직하다.
혹은, 상기 원자층 성장 장치는, 성막 용기를 구비하고,
상기 제1 및 제2 공간은 모두 성막 용기 내의 공간이며, 상기 접속 부재는, 상기 안테나 어레이와 상기 기판 스테이지의 사이에 배설된, 상기 성막 용기 내의 공간을, 상기 제1 공간으로 되는 예비실과 상기 제2 공간으로 되는 성막실로 분리하는 벽의 역할을 완수하는 칸막이 판이며, 상기 칸막이 판에는 복수의 구멍이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 칸막이 판에 형성된 복수의 구멍은, 상기 예비실의 하벽에 대하여 단차가 나는 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 반응성 가스는, 예를 들어, 산화 가스 혹은 질화 가스이다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 생성하는 것에 의하여, 기판 상에 산화막을 생성하는 원자층 성장 방법이고, 제2 실로 원료 가스를 공급하는 것에 의하여, 기판에 원료 가스의 성분을 흡착시키는 스텝과, 제1 실에 설치된 막대상의 복수의 안테나 소자가 평행하게 배설된 안테나 어레이로 급전하여, 상기 제1 실로 공급된 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 발생시키고, 이 플라스마에 의하여 생성되는 라디칼을 포함하는 가스를, 상기 제2 실로 공급하는 스텝과, 제2 실로 공급된 라디칼을 포함하는 가스를 이용하여, 기판에 흡착된 원료 가스의 성분을 반응시키는 스텝을 가지는 원자층 성장 방법을 제공한다.
상기 반응성 가스는, 예를 들어, 산화 가스 혹은 질화 가스이다.
본 발명에 의하면, 플라스마원인 안테나 어레이와 기판이 재치되는 기판 스테이지가 분리된 실에 배치되어 있기 때문에, 성막 용기의 메인터넌스성을 저하시키는 것 없이 반응성 가스를 활성화할 수 있다. 즉, 안테나 어레이가 성막 용기 내에 배설되어 있지 않기 때문에, 성막 용기 내의 구조가, 안테나 어레이를 설치하고 장치 구성을 복잡화하는 것에 기인하는 파티클의 발생을 대폭으로 저감하여, 성막 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 원자층 성장 장치의 구성을 도시하는 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 안테나 어레이의 구성을 도시하는 평면 개략도이다.
도 3은 본 발명의 원자층 성장 장치의 구성을 도시하는 다른 실시예의 개략도이다.
도 4는 종래의 원자층 성장 장치의 구성을 도시하는 일례의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시하는 안테나 어레이의 구성을 도시하는 평면 개략도이다.
이하에, 첨부의 도면에 도시하는 호적 실시예에 기초하여, 본 발명의 원자층 성장 장치 및 원자층 성장 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 ALD 장치의 구성을 도시하는 일 실시예의 개략도이다. 동 도에 도시하는 ALD 장치(10)는, ALD법을 적용하여, 형성하려고 하는 막을 구성하는 원소를 주성분으로 하는 2종류의 성막 가스(원료 가스 및 반응성 가스)를 성막 대상 기판 상으로 번갈아 공급한다. 그때, 반응 활성을 높이기 위하여 플라스마를 생성하여 기판 상에 원자층 단위로 원료 가스의 산화막 내지 질화막을 형성한다. 상기 처리를 1 사이클로 하여, 처리를 복수 사이클 반복하는 것에 의하여 소망 두께의 막을 형성한다. 반응성 가스는, 예를 들어 산화 가스 혹은 질화 가스이다. 산화 가스는, 예를 들어, 산소 가스를 들 수 있다.
ALD 장치(10)는, 성막 용기(12)와, 예비실(13)과, 가스 공급부(14, 15)와, 진공 펌프 등의 배기부(16, 17)에 의하여 구성되어 있다. 이하, 기판(42) 상에 산화막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 질화막의 경우도 마찬가지이다. 질화막을 형성하는 경우, 질소 가스 등의 질화 가스가 이용된다.
가스 공급부(14)는, 공급관(19)을 통하여, 예비 용기(13)의 일방(一方)의 측벽(도 중 좌벽(左壁))에 형성된 공급 구멍(21a)에 접속되어 있다. 가스 공급부(14)는, 공급관(19) 및 공급 구멍(21a)을 통하여, 예비 용기(13) 내(예비실(47))로, 예를 들어, 산소 가스나 오존 가스 등의 산화 가스를 수평 방향으로 공급한다. 또한, 가스 공급부(15)는, 공급관(18a)을 통하여, 성막 용기(12)의 일방의 측벽(도 중 좌벽)에 형성된 공급 구멍(20a)에 접속되어 있다. 가스 공급부(15)는, 공급관(18a) 및 공급 구멍(20a)을 통하여, 성막 용기(12) 내(성막실(48))로 원료 가스를 수평 방향으로 공급한다. 원료 가스와 산화 가스의 공급은 번갈아 행하여진다.
한편, 배기부(16)는, 배기관(22)을 통하여, 성막실(48)의 일방의 측벽(도 중 우벽)에 형성된 배기 구멍(24)에 접속되어 있다. 배기부(16)는, 배기 구멍(24) 및 배기관(22)을 통하여, 예비실(47)과 성막실(48) 내의 압력을 일정하게 유지하고, 성막실(48) 내로 번갈아 공급된 원료 가스 및 산소 라디칼 등을 수평 방향으로 배기한다. 또한, 배기부(17)는, 배기관(23)을 통하여, 성막 용기(12)(후술하는 진공실(로드락 실, 50)의 하벽에 형성된 배기 구멍(25)에 접속되어 있다. 배기부(17)는, 기본적으로, 배기 구멍(25) 및 배기관(23)을 통하여 진공실(50)을 공기 빼기한다.
도시 생략하고 있지만, 공급관(19)의 도중에는, 가스 공급부(14)와 예비실(47)의 도통을 제어하는 개폐 밸브(예를 들어, 전자 밸브)가 설치되고, 공급관(18a)의 도중에는, 가스 공급부(15)와 성막실(48)의 도통을 제어하는 개폐 밸브가 설치되어 있다. 또한, 배기관(22, 23)의 도중에는, 각각, 배기부(16, 17)와 성막실(48) 및 진공실(50)의 도통을 제어하는 개폐 밸브가 설치되어 있다.
가스 공급부(14)로부터 예비 용기(13)의 예비실(47) 내로 가스를 공급하는 경우, 공급관(19)의 개폐 밸브가 개방되고, 가스 공급부(15)로부터 성막 용기(12)의 성막실(48) 내로 원료 가스를 공급하는 경우에는 공급관(18a)의 개폐 밸브가 개방된다. 배기관(22)의 개폐 밸브는 통상 개방되어 있고, 성막실(48) 내로 공급된 가스는 항상 배기되고 있다. 또한, 성막 용기(12)의 진공실(50)을 공기 빼기하는 경우에는 배기관(23)의 개폐 밸브가 개방된다.
예비 용기(13)와 성막 용기(12)는, 예비 용기(13)의 좌벽에 대향하는 측벽(도 중 우벽)에 형성된 배기 구멍(21b)과, 이 우벽에 대향하는, 성막 용기(12)의 측벽(도 중 좌벽)에 형성된 공급 구멍(20b)이, 공급관(18b, 본 발명의 접속 부재)을 통하여 접속되어 있다. 예비실(47) 내에서 안테나 어레이(28)에 의하여 생성된 산화 가스의 플라스마로부터 생성된 산소 라디칼(산소의 중성 라디칼)을 포함하는 가스가, 예비실(47)로부터, 예비 용기(13)의 배기 구멍(21b), 공급관(18b) 및 성막 용기(12)의 공급 구멍(20b)을 통하여 성막실(48) 내로 공급된다.
여기서, 공급관(18b)의 도중에도, 예비실(47)과 성막실(48)의 도통을 제어하는 개폐 밸브가 설치되어 있다. 그리고, 예비실(47)로부터 성막실(48) 내로, 산소 라디칼을 포함하는 가스를 공급할 때에만 개폐 밸브는 개방된다. 이것에 의하여, 가스 공급부(15)로부터 성막실(48) 내로 원료 가스를 공급할 때에, 예비실(47) 내에 잔류하고 있는 산화 가스나 산화 가스의 플라스마가 성막실(48) 내로 공급되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
예비 용기(13)는, 금속제의 중공 상자형이며, 접지되어 있다. 예비 용기(13)의 내부(예비실(47) 내)에는, 2개의 안테나 소자(26a, 26b)로 이루어지는 안테나 어레이(28)가 배설되어 있다. 예비 용기(13)의 내부 공간은, 산화 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 본 발명의 제1 실에 상당한다.
도 2에 상방으로부터의 개략 평면도를 도시하는 바와 같이, 고주파 전력 공급부(34)에서 발생된 VHF(Very High Frequency)대(예를 들어, 80MHz)의 고주파 전력(고주파 전류)이 분배기(36)에서 분배되고, 임피던스 정합기(38a, 38b)를 통하여, 각각의 안테나 소자(26a, 26b)로 공급된다. 임피던스 정합기(38a, 38b)는, 고주파 전원 공급부(34)가 발생하는 고주파 전력의 주파수의 조정과 함께 이용되고, 플라스마의 생성 중에 안테나 소자(26a, 26b)의 부하의 변화에 의하여 생기는 임피던스의 부정합을 시정한다.
안테나 소자(26a, 26b)는, 예를 들어, 동, 알루미늄, 백금 등의 도전체로 이루어지는 막대상의 모노폴 안테나(안테나 본체, 39a, 39b)가, 예를 들어, 석영이나 세라믹스 등의 유전체로 이루어지는 원통 부재(40a, 40b)에 수납되어 구성되어 있다. 안테나 본체(39a, 39b)를 유전체로 덮는 것에 의하여, 안테나로서의 용량과 임피던스가 조정되고, 그 긴쪽 방향을 따라 고주파 전력을 효율 좋게 전파시킬 수 있어, 안테나 소자(26a, 26b)로부터 주위로 전자파를 효율 좋게 방사시킬 수 있다.
각각의 안테나 소자(26a, 26b)는, 가스 공급부(14)로부터 예비실(47) 내를 향하여 공급되는 산화 가스의 가스 흐름 방향에 대하여 직교하는 방향으로 연장되도록, 전기적으로 절연되어 예비 용기(13)의 측벽에 장착되어 있다. 또한, 각각의 안테나 소자(26a, 26b)는, 소정의 간격, 예를 들어, 50mm 간격으로 평행하게 배설되어 있고, 인접하여 배설된 안테나 소자(26a, 26b) 사이의 급전 위치가 서로 대향하는 측벽이 되도록(급전 방향이 서로 반대 방향이 되도록) 배설되어 있다. 이것에 의하여, 전자파는 안테나 어레이(28)의 가상 평면에 걸쳐 균일하게 형성된다.
안테나 소자(26a, 26b)의 긴쪽 방향의 전계(電界) 강도는, 고주파 전력의 공급단(供給端)에서 제로, 선단부(先端部, 공급단의 반대쪽 단)에서 최대로 된다. 따라서, 안테나 소자(26a, 26b)의 급전 위치가 서로 대향하는 측벽으로 되도록 배설하고, 각각의 안테나 소자(26a, 26b)에, 서로 반대 방향으로부터 고주파 전력을 공급하는 것에 의하여, 각각의 안테나 소자(26a, 26b)로부터 방사되는 전자파가 합성되어 균일한 플라스마가 형성된다.
또한, 각각의 안테나 소자(26a, 26b)는 산화 가스의 가스 흐름 방향에 대하여 평행하게 배치되고, 복수의 안테나 소자(26a, 26b)의 배열 방향도 산화 가스의 가스 흐름 방향에 대하여 평행한 방향이다.
안테나 소자(26a, 26b)는, 본 출원인이 특허 문헌 1에서 제안한 것이다. 예를 들어, 안테나 본체(39a, 39b)의 직경은 약 6mm, 원통 부재(40a, 40b)의 직경은 약 12mm이다. 성막실(48) 내의 압력이 20Pa 정도인 경우, 고주파 전력 공급부(34)로부터 약 1500W의 고주파 전력을 공급하면, 안테나 소자(26a, 26b)의 안테나 길이가, 고주파 전력의 파장의 (2n+1)/4배(n은 0 또는 양의 정수)로 동일한 경우에 정재파(定在波)가 생겨 공진하여, 안테나 소자(26a, 26b)의 주위에 플라스마가 발생된다.
성막 시에, 가스 공급부(14)로부터 예비실(47) 내로 산화 가스를 공급하는 기간만큼, 고주파 전력 공급부(34)로부터 각각의 안테나 소자(26a, 26b)로 고주파 전원이 공급된다. 이때, 예비 용기(13)(예비실(47)) 내에서는, 안테나 어레이(28)에 의하여, 가스 공급부(14)로부터 공급된 산화 가스를 이용하여 플라스마가 발생되고, 플라스마에 의하여 생성되는 산소 라디칼(산소의 중성 라디칼)을 포함하는 가스가, 리모트 플라스마 방식과 같이 공급관(18b)을 통하여 성막실(48) 내로 공급되어, 기판(42)의 전역에 걸쳐 확산된다.
안테나 어레이(28)를 이용하는 것에 의하여, 안정적으로 고밀도인 플라스마를 발생시켜, 대면적의 기판(42)에 산소 라디칼을 포함하는 가스를 대략 균일하게 공급할 수 있어, ALD법에 의한 성막에서 산화 반응 활성을 높일 수 있다.
또한, 플라스마원인 안테나 어레이(28)와 기판(42)이 재치되는 기판 스테이지(32)가 분리된 공간에 배치되어 있기 때문에, 성막 용기(12)의 메인터넌스성을 저하시키는 것 없이 산화 가스를 활성화할 수 있다. 즉, 안테나 어레이(28)가 성막 용기(12) 내에 배설되어 있지 않기 때문에, 성막 용기(12) 내의 구조가, 안테나 어레이(28)를 설치하여 장치 구성을 복잡화하는 것에 기인하는 파티클의 발생을 대폭으로 저감하여, 성막 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 기판이 액정 기판과 같은 대형 기판인 경우여도, 안테나 어레이(28)가 성막 용기(12) 내에 배설되어 있지 않기 때문에, 성막 용기(12)를 소형화(박형화)할 수 있어, ALD 프로세스에 요구되는 고속 배기, 성막 가스 전환이 가능하다.
안테나 소자(26a, 26b)는 좁은 공간이라도 설치 가능하기 때문에, 예비 용기(13)의 공간(예비실(47))을 넓게 할 필요는 없어, 예를 들어, 평행 평판형과 같은 다른 방식의 플라스마원을 설치하는 경우와 비교하여 장치 전체의 전유 면적 및 코스트를 저감하는 것이 가능하다. 또한, 성막 용기(12)도, 안테나 어레이(28)를 설치하는 공간이 불필요하기 때문에, 상술한 바와 같이 성막 용기(12)를 박형화할 수 있어, 마찬가지로 코스트 다운이 가능하다.
나아가, 예비 용기(13)(예비실(47))의 배기 구멍(21b)은, 안테나 어레이(28)를 통하여, 예비 용기(13)의 공급 구멍(21a)이 형성된 측벽(도 중 좌벽)에 대향하는 측벽(동 우벽)에, 예비 용기(13)의 하벽에 대하여 단차가 나는 위치에 형성되어 있다. 이 단차에 의하여, 안테나 어레이(28)의 주위에 확산한 플라스마의 수송 거리(수송 시간)가 길어지기 때문에, 예비실(47)로부터 성막실(48) 내로, 대전한 플라스마가 공급되는 것을 억제하여, 대전한 플라스마로부터 생성되는 산소의 중성 라디칼이 공급되는 것을 촉진할 수 있다. 이것에 의하여, 기판(42) 상에 형성되는 막의 플라스마에 의한 데미지를 대폭으로 저감할 수 있다.
계속하여, 성막 용기(12)는, 금속제의 중공 상자형이며, 접지되어 있다. 성막 용기(12)의 내부에는, 상벽과 하벽의 사이의 공간에, 히터(30)를 내장하는 기판 스테이지(32)가 수평으로 배설되어 있다. 성막 용기(12)의 내부 공간은, 원료 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 본 발명의 제2 실에 상당한다.
기판 스테이지(32)는, 성막 용기(12)의 내벽면보다도 작은 치수의, 예를 들어 직사각형의 금속판이며, 파워 실린더 등의 승강 기구(44)에 의하여 상하로 승강된다. 성막 용기(12) 내부에는, 측벽의 내벽면으로부터 중심부를 향하여 돌출하는 히터 스토퍼(즉, 기판 스테이지(32)의 스토퍼(46))가 돌출하여 설치되어 있다. 기판 스테이지(32)의 가장자리부 상면에는, 히터 스토퍼(46)의 측면의 높이에 상당하는 L자형의 단차가 설치되어 있다.
기판 스테이지(32)가 상승되면, 히터 스토퍼(46) 하면과 기판 스테이지(32) 가장자리부 상면의 단차부가 당접(當接, 부딪는 상태로 접함)하여, 기판 스테이지(32) 상면의 높이가, 히터 스토퍼(46) 상면의 높이와 대략 동일 높이(면일)로 되도록 위치 결정되어, 단차가 없는 면이 형성된다. 이때, 성막 용기(12)의 내부는, 기판 스테이지(32)보다도 상측의 공간인 성막실(48)과, 기판 스테이지(32)의 하측의 공간인 진공실(50)로 분리되고, 진공실(50) 내가 배기부(17)에 의하여 공기 빼기되는 것에 의하여, 성막실(48)은 밀폐된다. 기판 스테이지(32)와 히터 스토퍼(46)와의 사이에 단차가 없는 면이 형성되기 때문에, 기판 상을 흐르는 가스가 단차에 의하여 난류를 일으키는 것 없이, 기판에 균일한 산화막을 형성할 수 있다.
즉, 도 1에 도시하는 바와 같이, 성막실(48) 상벽은 면일하게 형성되어 있고, 또한, 기판 스테이지(32)의 상면을 포함하는, 성막실(48)의 하벽은, 기판(42) 상에 소정의 막을 형성할 때에 면일로 되도록 형성되어 있다. 덧붙여, 성막실(48)의 상벽을 면일하게 형성하는 것은 필수는 아니다. 그러나, 기판에 균일한 산화막을 형성하는 점에서는 바람직하다.
한편, 기판 스테이지(32)가 하강되면, 히터 스토퍼(46) 하면과 기판 스테이지(32) 가장자리부 상면의 단차부와의 사이에는 소정 간격의 간극(51)이 생긴다. 성막실(48)로 공급된 원료 가스 등의 배기 시에 기판 스테이지(32)를 하강시키는 것에 의하여, 성막실(48) 내로 공급된 성막 가스를, 이 간극(51)으로부터, 혹은, 이 간극(51) 및 배기 구멍(24)의 양방(兩方)으로부터 배기시키는 것도 가능하다. 간극(51)의 치수는 배기 구멍(24)의 치수에 비하여 크기 때문에, 성막 가스를 성막실(48)로부터 고속으로 배기할 수 있다.
다음으로, ALD 장치(10)의 성막 시의 동작, 즉 원자층 성장 방법을 설명한다.
이하의 설명은, 세로 370mm × 가로 470mm 네모의 기판(42) 표면에 SiO2막(산화막)을 형성한 경우의 일례이다.
성막 시에는, 승강 기구(44)에 의하여, 기판 스테이지(32)가 하강되고, 진공실(50) 내에 있어서 기판 스테이지(32) 상면에 기판(42)이 재치된다. 그 후, 기판 스테이지(32)는, 기판 스테이지(32) 가장자리부 상면이 히터 스토퍼(46) 하면에 당접하는 위치까지 상승되고, 배기부(17)에 의하여 진공실(50)이 공기 빼기되어 성막실(48)이 밀폐된다. 또한, 기판 스테이지(32)가 히터(30)로 가열되고, 기판 스테이지(32) 상에 재치된 기판(42)은, 성막이 종료할 때까지 소정의 온도, 예를 들어, 400℃ 정도로 보지된다.
성막실(48) 내가 배기부(16)에 의하여 수평 방향으로 공기 빼기되어, 2 ~ 3Pa 정도의 압력으로 된 후, 가스 공급부(15)로부터 성막실(48) 내로, Si를 포함하는 원료 가스가 약 1초간 수평 방향으로 공급되어, 20Pa 정도의 압력으로 된다. 이것에 의하여, 기판(42) 표면에 원료 가스가 흡착된다. 덧붙여, 이때, 안테나 소자(26)에 의하여 플라스마는 발생되지 않는다.
계속하여, 원료 가스의 공급이 정지되고, 기판(42) 표면에 흡착된 원료 가스 이외의 잉여의 원료 가스가, 배기부(16)에 의하여 성막실(48)로부터 약 1초간 수평 방향으로 배기된다. 이때, 가스 공급부(15)로부터, 공급관(18a) 및 공급 구멍(20a)을 통하여 성막실(48) 내에 퍼지(purge) 가스(불활성 가스)를 공급하면서, 배기부(16)에 의하여, 성막실(48) 내로 공급된 원료 가스를 배기하여도 무방하다.
계속하여, 가스 공급부(14)로부터 예비실(47) 내로 산화 가스가 약 1초간 수평 방향으로 공급된다. 이때 동시에, 고주파 전력 공급부(34)로부터 각각의 안테나 소자(26a, 26b)로 약 1500W의 고주파 전력이 공급된다. 이것에 의하여, 각각의 안테나 소자(26a, 26b)의 주위에 산화 가스를 이용하여 플라스마가 발생되고, 이 플라스마로부터 산소 라디칼이 생성된다. 산소 라디칼을 포함하는 가스는, 예비실(47)로부터 성막실(48) 내로 공급되어 기판(42) 표면의 전역으로 확산되고, 기판(42) 표면에 흡착된 원료 가스가 산화되어 SiO2막이 형성된다.
그 후, 산화 가스의 공급 및 안테나 소자(26a, 26b)로의 고주파 전력의 공급(즉, 플라스마의 발생)이 정지되고, 산화에 기여하지 않는 예비실(47) 내의 잉여의 산화 가스나 플라스마, 성막실(48) 내의 산소 라디칼, 반응 생성물 등이 배기부(16)에 의하여 약 1초간 수평 방향으로 배기된다. 이때, 가스 공급부(14)로부터, 공급관(19), 예비실(47), 및, 공급관(18b)을 통하여 성막실(48) 내로 퍼지 가스를 공급하면서, 배기부(16)에 의하여, 예비실(47) 및 성막실(48)로부터 배기하여도 무방하다.
이상과 같이, 원료 가스의 공급→잉여 원료 가스의 배기→산화 가스의 공급→잉여 산화 가스의 배기로 이루어지는 일련의 공정에 의하여, 기판(42) 상에 SiO2막이 원자층 단위로 형성된다. 이 공정을 수회 반복하는 것에 의하여, 기판(42) 상에 소정 막 두께의 SiO2막이 형성된다.
덧붙여, 본 발명에 있어서 형성하는 막은 전혀 한정되지 않는다. 또한, 원료 가스는, 형성하는 막에 따라 적의하게 결정해야 할 것이다.
예를 들어, 기판 상에 산화막을 형성하는 경우, 반응 가스의 하나로서 O를 포함하는 산화 가스가 이용되고, 질화막을 형성하는 경우, 반응 가스의 하나로서 N을 포함하는 질화 가스가 이용된다. 원료 가스는, 산화막을 형성하는 경우, 형성하는 산화막을 구성하는 원소 중, O 이외의 원소를 주성분으로 하는 반응 가스이다. 또한, 원료 가스는, 질화막을 형성하는 경우, 형성하는 질화막을 구성하는 원소 중, N 이외의 원소를 주성분으로 하는 반응 가스이다.
원료 가스는, 성막 용기의 측벽 측으로부터 기판으로 공급하여도 무방하고, 성막 용기의 상벽 측으로부터 샤워 헤드를 통하여 기판으로 공급하여도 무방하다. 원료 가스를 성막 용기의 상벽 측으로부터 수직 방향으로 공급하는 경우, 성막 용기의 상벽과 기판 스테이지와의 사이의 공간에 샤워 헤드를 설치하고, 원료 가스를 균등하게 확산시키는 것과 함께, 원료 가스가 기판에 직접 뿜어지지 않도록(닿지 않도록) 하는 것이 바람직하다.
한편, 원료 가스의 배기는, 성막 용기의 측벽 측으로부터 배기하여도 무방하고, 하벽 측으로부터 배기하여도 무방하며, 측벽 측 및 하벽 측의 양방으로부터 배기하는 구성으로 하여도 무방하다.
또한, 도 2에 도시하는 예에서는, 예비실(47)과 성막실(48)이, 산화 가스를 공급하는 6개의 공급관(18b)으로 접속되어 있지만, 그 개수는 전혀 제한되지 않는다. 원료 가스의 공급관, 배기관의 개수도 전혀 제한되지 않는다.
또한, 기판 상에 막을 형성하는 경우, 성막 용기 내의 압력, 온도, 처리 시간, 가스 유량 등은, 형성하는 막의 막 종류, 성막 용기 및 기판의 치수 등에 따라 적의하게 결정해야 하는 것이며, 상기 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 성막 용기 및 기판 스테이지의 재질, 형상, 치수도 전혀 한정되지 않는다.
안테나 소자의 개수에 제한은 없지만, 발생되는 플라스마의 균일성을 고려하여, 인접하는 안테나 소자 사이에서 급전 위치가 서로 대향하는 측벽으로 되도록 배설하는 것이 바람직하다. 또한, 안테나 소자의 배치, 치수 등도 특별히 제한은 없다.
예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 안테나 소자의 각각을 수평 방향으로 일행으로 배치하여도 무방하고, 수직 방향으로 일렬로 배설하여도 무방하다. 또한, 안테나 소자의 각각을 수평 방향으로 2행 이상으로 나누어 배치하여도 무방하고, 수직 방향으로 2열 이상으로 나누어 배치하여도 무방하다. 이때, 인접하는 안테나 소자의 행 내지 열은, 안테나 소자의 위치가 다르게 되도록 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 예비 용기 내에 안테나 어레이를 배설하는 대신에, 도 3에 도시하는 바와 같이, 성막 용기 내(도 1에 도시하는 성막실(48))를, 본 발명의 제1 실로 되는 예비실과 본 발명의 제2 실로 되는 성막실로 분리하는 벽의 역할을 완수하는 칸막이 판(52)을 안테나 어레이(28)와 기판 스테이지(32)와의 사이에 설치하는 구성으로 하여도 무방하다. 이 경우, 칸막이 판(52)은, 샤워 헤드와 같이, 중성 라디칼을 포함하는 가스를, 예비실로부터 성막실 내로 공급하기 위한 복수의 구멍이 형성된 것을 사용한다. 또한, 칸막이 판(52)에 형성된 복수의 구멍은, 예비실의 하벽에 대하여 단차가 나는 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 ALD 장치에 있어서, 승강 기구(44) 및 진공실(50)은 필수의 구성 요소는 아니다. 승강 기구(44)와 진공실(50)이 없을 경우, 성막 용기(12)는 성막실(48)로 된다.
본 발명은, 기본적으로 이상과 같은 것이다.
이상, 본 발명의 원자층 성장 장치에 관하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지의 개량이나 변경을 하여도 무방한 것은 물론이다.
10, 70: 원자층 성장 장치(ALD 장치) 12: 성막 용기
13: 예비 용기 14, 15: 가스 공급부
16, 17: 배기부 18a, 18b, 19: 공급관
20a, 20b, 21a: 공급 구멍 22, 23: 배기관
21b, 24, 25: 배기 구멍 26, 26a, 26b: 안테나 소자
28: 안테나 어레이 30: 히터
32: 기판 스테이지 34: 고주파 전력 공급부
36: 분배기 38, 38a, 38b: 임피던스 정합기
39, 39a, 39b: 안테나 본체 40, 40a, 40b: 원통 부재
42: 성막 대상 기판(기판) 44: 승강 기구
46: 히터 스토퍼 47: 예비실
48: 성막실 50: 진공실
51: 간극 52: 칸막이 판

Claims (10)

  1. 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 생성하는 것에 의하여, 기판 상에 막을 생성하는 원자층 성장 장치이고,
    반응성 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 제1 실과,
    원료 가스의 공급 구멍이 형성된 벽에 의하여 둘러싸인 제2 실과,
    상기 제1 실 내에 설치된, 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 생성하기 위한, 막대상(狀)의 복수의 안테나 소자가 평행하게 배설(配設)된 안테나 어레이(array)와,
    상기 제2 실 내에 설치된, 상기 기판이 재치(載置)되는 기판 스테이지와,
    상기 제1 실로부터 상기 제2 실로, 상기 안테나 어레이에 의하여 생성된 반응성 가스의 라디칼(radical)을 포함하는 가스를 공급하기 위하여, 상기 제1 실과 상기 제2 실을 접속하는 접속 부재를 구비하고 있는, 원자층 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    예비 용기와, 성막 용기를 구비하고,
    상기 제1 실은 예비 용기의 실이며, 상기 제2 실은 성막 용기의 실이며,
    상기 접속 부재는, 상기 예비 용기의 벽에 형성된, 상기 라디칼을 포함하는 가스의 배기 구멍과, 상기 성막 용기의 벽에 형성된, 상기 라디칼을 포함하는 가스의 공급 구멍을 접속하는 공급관인, 원자층 성장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 예비 용기의 배기 구멍은, 상기 안테나 어레이를 통하여, 상기 예비 용기의 공급 구멍이 형성된 측벽에 대향하는 측벽에 설치되고, 나아가, 상기 예비 용기의 배기 구멍은, 상기 예비 용기의 하벽(下壁)에 대하여 단차가 나는 위치에 형성되어 있는, 원자층 성장 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 공급관에는, 상기 예비 용기와 상기 성막 용기의 도통(導通)을 제어하는 개폐 밸브가 설치되는, 원자층 성장 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 스테이지는, 상기 성막 용기 내를 승강 가능하게 이동하고,
    상기 성막 용기의 상기 제2 실에는, 상기 기판 스테이지를 소정의 위치로 위치 결정하는 스토퍼(stopper)가 돌출하여 설치되고,
    상기 기판 스테이지의 기판을 재치하는 재치면은, 상기 기판 스테이지가 상승한 위치에 있을 때 상기 스토퍼의 면과 면일(面一)이 되도록 위치 결정되어, 단차가 없는 면이 형성되는, 원자층 성장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    성막 용기를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 실은 모두 성막 용기의 실이며, 상기 접속 부재는, 상기 안테나 어레이와 상기 기판 스테이지와의 사이에 배설된, 상기 성막 용기의 실을, 상기 제1 실로 되는 예비실과 상기 제2 실로 되는 성막실로 분리하는 벽의 역할을 완수하는 칸막이 판이며, 상기 칸막이 판에는 복수의 구멍이 형성되어 있는, 원자층 성장 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 칸막이 판에 형성된 복수의 구멍은, 상기 예비실의 하벽에 대하여 단차가 나는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 원자층 성장 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응성 가스는, 산화 가스 혹은 질화 가스인, 원자층 성장 장치.
  9. 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 생성하는 것에 의하여, 기판 상에 막을 생성하는 원자층 성장 방법이고,
    제2 실로 원료 가스를 공급하는 것에 의하여, 기판에 원료 가스의 성분을 흡착시키는 스텝과,
    제1 실에 설치된 막대상의 복수의 안테나 소자가 평행하게 배설된 안테나 어레이로 급전(給電)하여, 상기 제1 실로 공급된 반응성 가스를 이용하여 플라스마를 발생시키고, 이 플라스마에 의하여 생성되는 라디칼을 포함하는 가스를, 상기 제2 실로 공급하는 스텝과,
    상기 제2 실로 공급된 라디칼을 포함하는 가스를 이용하여, 기판에 흡착된 원료 가스를 반응시키는 스텝을 가지는, 원자층 성장 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반응성 가스는, 산화 가스 혹은 질화 가스인, 원자층 성장 방법.
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