KR20110051433A - 다성분 박막의 원자층 증착방법 및 원자층 증착장치 - Google Patents

다성분 박막의 원자층 증착방법 및 원자층 증착장치 Download PDF

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Abstract

원자층 증착방법에서 2원소 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착하기 위한 소스가스 분배 방법 및 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치가 개시된다. 다성분 박막의 원자층 증착방법은, 서로 다른 전구체를 포함하는 3종 이상의 소스가스를 기판에 순차적으로 제공하여 2원소 이상의 다성분 박막을 증착하는 원자층 증착방법은, 상기 기판에 k(k는 소스가스의 수로, 4 이상 자연수)번째 제공되는 소스가스는 (k-1)번째 제공되는 소스가스 및 (k+1)번째 제공되는 소스가스와 서로 증착반응이 발생하지 않고, 나머지 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 소스가스가 제공된다.
원자층 증착방법(atomic layer deposition), ALD, precursor, 다성분 박막

Description

다성분 박막의 원자층 증착방법 및 원자층 증착장치{METHOD AND APPARATUS FOR MULTI COMPONENT LAYER DEPOSITION FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION}
본 발명은 원자층 증착방법에서 2원소 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착하기 위한 소스가스의 분배 방법을 제공하기 위한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판이나 글라스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하는 방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다. 최근 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐에 따라 미세 패턴의 박막이 요구되고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커졌다. 이러한 추세로 인해 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층 증착방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.
ALD는 기체 분자들 간의 화학반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착방법과 유사하다. 하지만, 통상의 CVD가 다수의 기체 분자들을 동시에 챔버 내로 주입하여 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하는 것과 달리, ALD는 하나의 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버 내로 주입하여 가열된 기판에 화학흡착시키고 이후 다른 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버에 주입함으로써 기판 표면에서 소스 물질 사이의 화학반응에 의한 생성물이 증착된다는 점에서 차이가 있다. 이러한 ALD는 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 증착하는 것이 가능하다는 장점을 갖고 있어 현재 널리 각광받고 있다.
원자층 증착장치 중에서 스루풋(throughput)을 향상시키기 위해 다수 장의 기판에 대해 동시에 증착 공정이 수행되는 세미 배치 타입(semi-batch type)이 개시되어 있다. 통상적으로 세미 배치 타입 원자층 증착장치는 서로 다른 종류의 증착가스가 분사되는 영역이 형성되고, 가스분사 유닛 또는 서셉터의 고속 회전에 의해 기판이 순차적으로 각 영역을 통과함에 따라 기판 표면에서 증착가스 사이의 화학반응이 발생하여 반응 생성물이 증착된다.
한편, 기존의 원자층 증착장치는 단일 성분 산화물이나 질화물을 증착하는데는 효과적인데 반해, 2원소 또는 그 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착하기가 어렵다. 즉, 다성분 박막을 증착하기 위해서는 적어도 3종 이상의 소스가스가 필요하다. 그런데 기존의 원자층 증착장치에서 3종 이상의 소스가스를 증착시키기 위해서 증착 사이클의 수를 증가시키거나 소스가스의 공급 펄스 길이를 증가시키는 방법으로는 다성분 박막을 증착하는 데 실질적으로 효과가 없으며, 증착 효율이 낮고 막질이 저하된다는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 2원소 이상 다성분 박막을 증착할 수 있으며 막질 저하를 방지할 수 있는 원자층 증착방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 서로 다른 전구체를 포함하는 3종 이상의 소스가스를 기판에 순차적으로 제공하여 2원소 이상의 다성분 박막을 증착하는 원자층 증착방법은, 상기 기판에 k(k는 소스가스의 수로, 4 이상 자연수)번째 제공되는 소스가스는 (k-1)번째 제공되는 소스가스 및 (k+1)번째 제공되는 소스가스와 서로 증착반응이 발생하지 않고, 나머지 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 소스가스가 제공된다.
여기서, 상기 기판에서 잔류 소스가스 및 증착반응 후 잔여물의 제거를 위한 퍼지 작용은 해당 소스가스에 대해 다음 단계에서 제공되는 소스가스에 의해 이루어진다. 그리고 상기 소스가스는 전구체와 상기 전구체의 유동을 위한 캐리어 가스를 포함하고, 상기 소스가스의 퍼지는 상기 캐리어 가스에 의해 이루어진다. 또한, 상기 다성분 박막에 포함된 원소의 농도에 따라 1회의 증착 사이클 동안 동일한 전구체를 포함하는 소스가스가 2회 이상 제공되되, 연속되지 않고 단속적으로 제공될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 2원소 이상 다성분 박막을 증착하기 위한 원자층 증착방법은, 서로 다른 전구체를 포함하는 다수의 소스가스와 서로 다른 다수의 솔벤트를 기판에 순차적으로 제공하되 하나의 소스가스와 하나의 솔벤트를 동시에 상기 기판에 제공하여 다성분 박막을 증착할 수 있다. 여기서, 상기 다수의 소스가스는 서로 증착반응이 발생하지 않는 소스가스가 사용되고, 상기 기판에 k(k는 소스가스의 수로, 4 이상 자연수)번째 제공되는 솔벤트는 해당 솔벤트와 같이 제공되는 소스가스와 반응이 발생하지 않고, 나머지 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 솔벤트가 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 기판에서 잔류 소스가스 및 증착반응 후 잔여물의 제거를 위한 퍼지 작용은 해당 소스가스가 제공된 다음 단계에서 제공되는 소스가스에 포함된 캐리어 가스에 의해 이루어진다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 2원소 이상 다성분 박막을 증착하기 위한 원자층 증착방법은, 기판에 제1 전구체를 포함하는 제1 소스가스를 제공하는 단계, 상기 기판에 제2 전구체를 포함하는 제2 소스가스를 제공하는 단계, 상기 기판에 제3 전구체를 포함하는 제3 소스가스를 제공하여 상기 제1 및 제3 전구체의 반응에 의한 반응 생성물이 증착되는 단계 및 상기 기판에 제4 전구체를 포함하는 제4 소스가스를 제공하여 상기 제2 및 제4 전구체의 반응에 의한 반응 생성물이 증착되는 단계로 이루어질 수 잇다. 여기서, 상기 제1 및 제3 소스가스는 상기 제2 및 제4 소스가스와 서로 반응하지 않는 가스를 사용할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 내지 제4 소스가스 제공 단계에서는 해당 단계의 바로 직전 단계에서 발생한 반응 잔여물과 잔류 소스가스가 퍼지되어 제거될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 2원소 이상 다성분 박막을 증착하기 위한 원자층 증착방법은, 기판에 제1 전구체를 포함하는 제1 소스가스와 제1 솔벤트를 제공하는 제1 단계, 상기 기판에 제2 전구체를 포함하는 제2 소스가스와 제2 솔벤트를 제공하는 제2 단계, 상기 기판에 제3 전구체를 포함하는 제3 소스가스와 제3 솔벤트를 제공하는 제3 단계 및 상기 제4 전구체를 포함하는 제4 소스가스와 제4 솔벤트를 제공하는 제4 단계로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 솔벤트는 상기 제3 전구체와 반응하고, 상기 제2 솔벤트는 상기 제4 전구체와 반응하고, 상기 제3 솔벤트는 상기 제1 전구체와 반응하고, 상기 제4 솔벤트는 상기 제2 전구체와 반응하는 솔벤트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제4 소스가스는 서로 반응하지 않는 소스가스가 사용되고, 상기 제1 내지 제4 단계에서는 상기 전구체와 상기 솔벤트가 서로 반응하여 반응 생성물이 증착될 수 있다. 그리고 상기 제1 내지 제4 단계에서는 상기 제1 내지 제4 소스가스에 의해 해당 단계의 바로 직전 단계에서 발생한 반응 잔여물과 잔류 소스가스가 퍼지되어 제거된다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 다수의 기판을 공전시킴에 따라 증착 공정이 수행되는 세미 배치 타입 원자층 증착장치를 이용하여 2원소 이상 성분을 포함하는 다성분 박막을 증착할 수 있다. 예를 들어, 원자층 증착장치는, 다수의 기판이 안착되어 공전하는 서셉터 및 상기 서셉터 상부에 구비되어 상기 다수의 기판에 서로 다른 전구체를 포함하는 2종 이상의 다수의 소스가스를 분사하는 분사부가 구비된 가스분사 유닛으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 가스분사 유닛의 일 분사부에서 분사되는 소스가스는 서로 인접한 분사부에서 분사되는 소스가스와 서로 반응이 발생하지 않는 소스가스가 분사되되, 나머지 분사부에서 분사되는 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 소스가스가 분사된다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 2원소 이상 성분을 포함하는 다성분 박막의 증착을 위한 세미 배치 타입 원자층 증착장치는, 다수의 기판이 안착되어 공전하는 서셉터 및 상기 서셉터 상부에 구비되어 상기 다수의 기판에 서로 다른 전구체를 포함하는 2종 이상의 다수의 소스가스와 2종 이상의 다수의 솔벤트 중 각각 하나의 소스가스와 하나의 솔벤트가 분사되는 분사부가 구비된 가스분사 유닛으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 솔벤트는 해당 솔벤트와 같이 분사되는 소스가스와 증착반응이 발생하지 않고 나머지 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 솔벤트가 분사된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 서로 반응하지 않는 소스가스와 서로 증착반응이 발생하는 소스가스를 서로 교번적으로 배치하여 제공함으로써 종래의 세미 배치 타입 원자층 증착장치에서 다성분 박막의 원자층 증착 공정을 수행할 수 있다.
또는, 서로 반응하지 않는 소스가스와 특정 전구체에 반응하는 소정의 솔벤트를 같이 제공함으로써 전구체와 솔벤트의 반응에 의해 다성분 박막을 원자층 증착할 수 있다.
또한, 별도의 퍼지가스 없이 소스가스에 포함된 캐리어 가스가 퍼지가스의 역할을 하므로 가스분사 유닛에서 소스가스의 제공을 위한 분사부 수를 증가시키지 않고 다수의 전구체 및 소스가스를 제공할 수 있다.
또한, 가스분사 유닛의 분기 수를 줄임으로써 소스가스가 분사되는 분사부 면적 및 반응 시간을 충분히 확보할 수 있으며, 박막의 증착률과 속도를 증가시키고 막질을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
이하, 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 2원소 이상 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착방법에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착방법을 설명하기 위한 가스분사 유닛(103)의 평면도이고, 도 2는 도1의 변형 실시예에 따른 원자층 증착방법을 설명하기 위한 가스분사 유닛(103)의 평면도이다.
참고적으로, 본 실시예들에서 예를 들어 설명하는 원자층 증착장치(atomic layer deposition apparatus, ALD)는 다수의 기판이 가스분사 유닛(103)에 대해 증착될 표면이 평행하게 지지되어 공전하면서 가스분사 유닛에서 분사되는 서로 다른 종류의 소스가스를 통과함에 따라 소정의 박막이 증착되는 형태의 세미 배치 타입(semi-batch type)이 사용될 수 있다. 여기서, 원자층 증착장치의 상세한 기술구성은 본 발명의 요지가 아니므로, 자세한 설명 및 도시를 생략하고 주요 구성요소에 대해서만 간략하게 설명한다.
또한, 본 실시예에서 증착 대상이 되는 기판은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 그러나 본 발명의 대상이 실리콘 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 기판은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 글라스를 포함하는 투명 기판일 수 있다. 또한, 기판의 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 등 실질적으로 다양한 형상과 크기를 가질 수 있다.
가스분사 유닛(103)은 2원소 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착할 수 있도록 서로 다른 2종 이상의 소스가스를 분사하도록 형성되며, 특히, 공전하는 기판에 대해 동일한 시간 동안 소스가스를 제공할 수 있도록 가스분사 유닛(103)에서 소스가스가 분사되는 영역이 동일하게 분할 형성된다. 예를 들어, 가스분사 유닛(103)은 서로 다른 종류의 소스가스가 각각 분사되는 다수의 분사부가 형성되되, 동일한 면적 및 형태를 갖도록 가스분사 유닛(103)의 중심을 기준으로 동일한 각도로 분할된 부채꼴 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 가스분사 유닛(103)은 4개의 분사부가 형성되며, 각 분사부의 경계에는 기판의 상부에서 미반응 소스가스를 포함하는 배기가스를 흡입하여 배출시키기 위한 배기라인(104)이 구비될 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 도 1과 도2에서 예시한 가스분사 유닛(103)은 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 형태일 뿐이며, 서로 다른 종류의 소스가스를 영역 별로 분사할 수 있는 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있다.
본 실시예에서 '소스가스'라 함은 소정의 박막을 증착하기 위한 소스 물질을 포함하는 가스들로써, 박막을 조성하는 구성 원소를 포함하는 전구체(precursor)와 전구체를 기판에 유동시키기 위한 캐리어 가스(carrier gas)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에서는 2원소 이상의 성분을 포함하는 다성분 박막을 증착하기 위해서 적어도 2종 이상의 전구체가 사용되고, 적어도 2종 이상의 소스가스가 사용된다.
가스분사 유닛(103)은 기판에서 소스가스를 반응시켜 박막을 형성하기 위한 소정의 순서에 따라 소스가스를 순차적으로 제공할 수 있도록 분사부가 구비된다. 예를 들어, 가스분사 유닛(103)은 서로 다른 4종류의 전구체를 포함하는 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)를 분사할 수 있도록 4개의 부채꼴 형태의 제1 내지 제4 분사부가 구비된다. 그리고 가스분사 유닛(103)은 기판이 공전함에 따라 기판에 순차적으로 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)를 제공할 수 있도록 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)의 순서가 결정된다.
상세하게는, 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)가 제공되는 순서는 서로 반응이 발생하지 않는 소스가스와 서로 반응하는 소스가스가 서로 교번적으로 기판에 제공되도록 배치된다. 즉, 해당 소스가스는 해당 소스가스 이전 및 이후에 제공되는 소스가스와 서로 반응이 발생하지 않는 소스가스가 제공되고, 해당 소스가스의 차차회에 제공되는 소스가스는 해당 소스가스와 증착반응이 발생하는 소스가스가 배치된다. 그리고 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)는 순차적으로 제공되어 제1 내지 제4 소스가스의 선택적 반응에 의해 기판에는 한 층의 박막이 증착된다.
한편, 각 소스가스의 퍼지는 해당 소스가스에 후속하여 제공되는 소스가스에 의해 이루어진다. 즉, 후속하여 제공되는 소스가스에 포함된 캐리어 가스가 기판에서 잔류된 소스가스 및 반응 잔여물을 퍼지하여 제거하는 작용을 하게 된다.
여기서, 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)는 서로 다른 4종류의 전구체가 사용되는 것은 아니다. 즉, 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)는 각각 서로 다른 4종류의 전구체가 사용되거나 증착하고자 하는 박막에서 구성 원소의 농도에 따라 특정 전구체가 1회의 증착 사이클 동안 2회 이상 제공될 수 있도록 2종류나 3종류의 소스가스가 사용될 수 있다. 다만, 특정 전구체가 포함된 2 또는 3종류 이상의 소스가스는 동일한 소스가스가 사용되거나 또는 동일한 원소를 포함하는 전구체가 사용되되 서로 증착반응이 발생하는 전구체가 포함되는 소스가스가 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 및 제3 소스가스(PA1, PA2)는 제2 및 제4 소스가스(PB, PC)와 서로 반응이 발생하지 않는 반면, 제1 소스가스(PA1)와 제3 소스가스(PA2)가 서로 반응하면서 제1 증착반응이 발생하고, 제2 소스가스(PB)와 제4 소스가스(PC)는 서로 반응하여 제2 증착반응이 발생하여 소정의 막이 증착된다. 그리고 각 소스가스는 기판에서 먼저 제공된 소스가스의 잔류 가스나 제1 또는 제2 증착반응의 잔여물을 제거하는 퍼지 작용을 한다.
좀 더 상세하게 가스분사 유닛(103)의 각 분사부에서의 동작을 설명하면 다음과 같다. 우선, 제1 분사부에서는 제1 소스가스(PA1)가 제공되어 기판에 흡착되고, 제1 소스가스(PA1)의 퍼지 작용에 의해 기판에 증착되지 않고 잔류하는 제2 및 제4 소스가스(PB, PC)의 제2 증착반응 잔여물이 제거된다. 그리고 제2 분사부에서는 제2 소스가스(PB)가 제공되어 기판에 흡착되고, 제2 소스가스(PB)의 퍼지 작용에 의해 기판에서 잔류 제1 소스가스(PA1)가 제거된다. 그리고 제3 분사부에서는 제3 소스가스(PA2)가 제공되면서 기판에 흡착된 제1 소스가스(PA1)와 제1 증착반응이 발생하여 소정의 막이 증착되고, 제3 소스가스(PA2)의 퍼지 작용에 의해 기판에서 잔류 제2 소스가스(PB)가 제거된다. 다음으로 제4 분사부에서는 제4 소스가스(PC)가 제공되면서 기판에 흡착된 제2 소스가스(PB)와 제2 증착반응이 발생하여 소정의 막 이 증착되고, 제4 소스가스(PC)의 퍼지 작용에 의해 기판에 증착되지 않고 잔류하는 제1 및 제3 소스가스(PA1, PA2)의 제1 증착반응 잔여물이 제거된다.
일 예로, 이하에서는 상변화 메모리 소자(phase-change random access memory, PRAM)에 사용되는 GeSbTe와 같은 상변화(phase-change) 박막을 증착하는 방법을 설명한다. GeSbTe 박막을 증착하기 위해서 소스가스는 Ge 전구체, Sb 전구체, Te 전구체를 포함하는 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC)가 사용된다.
예를 들어, Ge 전구체는 (CH3)4Ge, (C2H5)4Ge, (n-C4H9)4Ge, (i-C4H9)4Ge, (C6H5)4Ge, (CH2=CH)4Ge, (CH2CH=CH2)4Ge, (CF2=CF)4Ge, (C6H5CH2CH2CH2)4Ge, (CH3)3(C6H5)Ge, (CH3)3(C6H5CH2)Ge, (CH3)2(C2H5)2Ge, (CH3)2(C6H5)2Ge, CH3(C2H5)3Ge, (CH3)3(CH=CH2)Ge, (CH3)3(CH2CH=CH2)Ge, (C2H5)3(CH2CH=CH2)Ge, (C2H5)3(C5H5)Ge, (CH3)3GeH, (C2H5)3GeH, (C3H7)3GeH, Ge(N(CH3)2)4, Ge(N(CH3)(C2H5))4, Ge(N(C2H5)2)4, Ge(N(i-C3H7)2)4, Ge[N(Si(CH3)3)2]4으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, Sb 전구체는 Sb(CH3)3, Sb(C2H5)3, Sb(i-C3H7)3, Sb(n-C3H7)3, Sb(i-C4H9)3, Sb(t-C4H9)3, Sb(N(CH3)2)3, Sb(N(CH3)(C2H5))3, Sb(N(C2H5)2)3, Sb(N(i-C3H7)2)3, Sb[N(Si(CH3)3)2]3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 Te 전구체는 Te(CH3)2, Te(C2H5)2, Te(n-C3H7)2, Te(i- C3H7)2, Te(t-C4H9)2, Te(i-C4H9)2, Te(CH2=CH)2, Te(CH2CH=CH2)2, Te[N(Si(CH3)3)2]2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 상술한 바와 같이 서로 반응하지 않는 소스가스와 서로 반응하는 소스가스를 교번적으로 배치하여 증착 공정을 수행하기 위해서, 제1 및 제3 소스가스(PA1, PA2)는 Te 전구체를 포함하는데 제1 소스가스(PA1)는 Te 전구체 중 소정의 Te-1 전구체를 포함하고 제3 소스가스(PA2)는 Te-1 전구체와 서로 다른 종류의 Te-2 전구체를 포함한다. 여기서, Te-1 전구체와 Te-2 전구체는 서로 반응하여 증착반응이 발생하는 전구체가 사용된다. 그리고 제2 소스가스(PB)는 Ge 전구체를 포함하고, 제4 소스가스(PC)는 Sb 전구체를 포함한다.
증착 공정을 설명하면, 우선, 제1 분사부에서 제1 소스가스(PA1)가 제공되면 Te-1전구체가 기판에 흡착되고, 제1 소스가스(PA1)에 포함된 캐리어 가스에 의해 제4 분사부를 지나는 동안 발생한 Ge 전구체와 Sb 전구체의 반응 후 잔여물 및 제4 소스가스(PB)의 잔류 가스가 퍼지되어 제거된다.
다음으로, 제2 분사부에서는 제2 소스가스(PB)가 제공되면 Ge 전구체가 기판에 흡착되고, 제1 분사부에서 제공된 제1 소스가스(PA1)의 잔류 가스가 퍼지되어 제거된다.
다음으로, 제3 분사부에서는 제3 소스가스(PA2)가 제공되어 기판에 Te-1 전 구체와 Te-2 전구체의 반응 생성물이 증착되고, 제2 소스가스(PB)의 잔류 가스가 퍼지되어 제거된다.
그리고 제4 분사부에서는 제4 소스가스(PB)가 제공되어 기판에 흡착된 Ge 전구체와 반응하여 Ge 및 Sb 전구체의 반응 생성물이 증착되고, 제3 분사부를 지나는 동안 기판에 잔류된 제3 소스가스(PA2)의 잔류 가스와 Te-1 전구체와 Te-2 전구체의 반응 후 잔여물이 퍼지되어 제거된다.
한편, 상술한 실시예에서는 각 소스가스는 서로 반응하지 않는 전구체와 서로 증착반응이 발생하는 전구체를 교번적으로 제공하며, 전구체가 서로 반응하여 박막이 증착되는 증착방법에 대해 설명하였다. 상술한 실시예와는 달리 전구체 자체가 반응하는 것이 아니라 전구체와 반응하는 솔벤트(solvent)를 소스가스와 같이 제공할 수 있다.
이하에서도 도 1에서 설명한 실시예와 같이 4개의 분사부에서 4종류의 소스가스 및 4종류의 솔벤트를 제공하는 예를 들어 설명하지만, 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 분사부의 수와 전구체 및 솔벤트의 종류는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다. 또한, GeSbTe 박막을 증착하기 위해서 Ge 전구체, Sb 전구체, Te 전구체를 포함하는 제1 내지 제4 소스가스(PA1, PB, PA2, PC) 및 제1 내지 제4 솔벤트(SA2, SC, SA1, SB)가 사용되는 증착방법에 대해 설명한다. 그러나 본 실시예 는 본 발명의 예시적인 한 형태일 뿐으로, 본 발명은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제3 소스가스(PA1, PA2)는 서로 다른 종류의 Te-1 전구체와 Te-2 전구체를 포함하고, 제2 소스가스(PB)는 Ge 전구체를 포함하고, 제4 소스가스(PC)는 Sb 전구체를 포함한다.
여기서, 제1 내지 제4 솔벤트(SA2, SC, SA1, SB)는 특정 전구체에 대해서만 반응이 발생한다. 즉, 제1 솔벤트(SA2)는 제3 소스가스(PA2)에 포함된 전구체에 반응하고, 제2 솔벤트(SC)는 제4 소스가스(PB)에 포함된 전구체와, 제3 솔벤트(SA1)는 제1 소스가스(PA1)에 포함된 전구체와, 제4 솔벤트(SB)는 제2 소스가스(PB)에 포함된 전구체에 각각 반응한다. 또한, 제1 내지 제4 소스가스(SA2, SC, SA1, SB) 사이에서는 서로 증착반응이 발생하지 않고, 제1 내지 제4 솔벤트(SA2, SC, SA1, SB) 사이에서도 서로 반응이 발생하지 않는다. 그리고 퍼지작용은 각 소스가스에 포함된 캐리어 가스에 의해 이루어진다.
예를 들어, 도 2를 참조하여 GeSbTe 박막의 증착 공정을 설명하면 다음과 같다. 우선, 제1 분사부에서는 제1 소스가스(PA1)와 제3 소스가스(PA2)에 포함된 Te-2 전구체와 증착반응이 발생하는 제1 솔벤트(SA2)가 제공된다. 즉, 제1 분사부에서는 제1 솔벤트(SA2)와 제3 소스가스(PA2)의 Te-2 전구체가 서로 반응하여 증착반응에 의한 반응 생성물이 기판에 증착되고, 제1 소스가스(PA1)에 의해 제4 분사부를 지나는 동안 발생한 제4 솔벤트(SB)와 Ge 전구체의 반응 후 잔여물 및 제4 소스가스(PB)의 잔류 가스가 퍼지되어 제거된다.
다음으로, 제2 분사부에서는 제2 소스가스(PB)와 제4 소스가스(PB)에 포함된 Sb 전구체와 증착반응이 발생하는 제2 솔벤트(SC)가 제공된다. 그리고 제2 솔벤트(SC)와 Sb 전구체의 반응에 따른 반응 생성물이 기판에 증착되고, 제2 소스가스(PB)에 의해 제1 솔벤트(SA2)와 Te-2 전구체의 반응 후 잔여물과 잔류 제1 소스가스(PA1)가 퍼지되어 제거된다.
다음으로, 제3 분사부에서는 제3 소스가스(PA2)와 제1 소스가스(PA1)에 포함된 Te-1 전구체와 증착반응이 발생하는 제3 솔벤트(SA1)가 제공된다. 그리고 제3 솔벤트(SA1)와 Te-1 전구체의 반응에 따른 반응 생성물이 기판에 증착되고, 제3 소스가스(PA2)에 의해 제2 솔벤트(SC)와 Sb 전구체의 반응 후 잔여물과 제2 소스가스(PB)가 퍼지되어 제거된다.
그리고 제4 분사부에서는 제4 소스가스(PB)와 제2 소스가스(PB)에 포함된 Ge 전구체와 증착반응이 발생하는 제4 솔벤트(SB)가 제공된다. 그리고 제4 솔벤트(SB) 와 Ge 전구체의 반응에 따른 반응 생성물이 기판에 증착되고, 제4 소스가스(PB)에 의해 제3 솔벤트(SA1)와 Te-1 전구체의 반응에 따른 반응 후 잔여물과 잔류 제3 소스가스(PA2)가 퍼지되어 제거된다.
본 실시예들에 따르면, 서로 반응하지 않는 소스가스와 서로 증착반응이 발생하는 소스가스를 서로 교번적으로 배치하여 제공함으로써 기존의 세미 배치 타입 원자층 증착장치와 같이 4분기 원자층 증착장치를 이용하여 다성분 박막의 원자층 증착이 가능하다. 여기서, 해당 소스가스에 대해 후속하여 제공되는 소스가스는 서로 반응하지 않는 가스들이므로 후속하여 제공되는 소스가스가 퍼지가스의 역할을 하여 별도의 퍼지가스를 생략할 수 있다.
또는, 서로 반응하지 않는 소스가스와 특정 전구체에 반응하는 소정의 솔벤트를 같이 제공함으로써 전구체와 솔벤트의 반응에 의해 다성분 박막을 원자층 증착할 수 있다. 마찬가지로, 소스가스들 사이에서는 서로 반응이 발생하지 않으며 솔벤트 사이에서도 반응이 발생하지 않으므로 별도의 퍼지 가스를 제공하지 않고 후속하여 제공되는 소스가스에 의해 퍼지 작용이 수행될 수 있다. 그리고 솔벤트는 특정 전구체에 대해서만 반응이 발생하므로 분사부 중 특정 분사부에서 특정 반응이 발생하도록 제어할 수 있으며, 2원소 이상의 성분을 포함하는 다성분 박막을 증착할 수 있다.
또한, 솔벤트에 의해 전구체 및 증착반응을 제어하기가 용이하고, 전구체의 반응성을 향상시킬 수 있다. 또한, 가스분사 유닛의 분기 수를 줄임으로써 소스가 스 및 전구체가 기판에 제공되는 시간을 충분히 확보할 수 있어서 박막의 증착률과 속도를 증가시키고 막질을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착방법을 설명하기 위한 가스분사 유닛의 평면도;
도 2는 도 1의 변형 실시예에 따른 원자층 증착방법을 설명하기 위한 가스분사 유닛의 평면도이다.

Claims (13)

  1. 서로 다른 전구체를 포함하는 3종 이상의 소스가스를 기판에 순차적으로 제공하여 2원소 이상의 다성분 박막을 증착하는 원자층 증착방법은,
    상기 기판에 k(k는 소스가스의 수로, 4 이상 자연수)번째 제공되는 소스가스는 (k-1)번째 제공되는 소스가스 및 (k+1)번째 제공되는 소스가스와 서로 증착반응이 발생하지 않고, 나머지 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 소스가스가 제공되는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판에서 잔류 소스가스 및 증착반응 후 잔여물의 제거를 위한 퍼지 작용은 해당 소스가스에 대해 다음 단계에서 제공되는 소스가스에 의해 이루어지는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소스가스는 전구체와 상기 전구체의 유동을 위한 캐리어 가스를 포함하고, 상기 소스가스의 퍼지는 상기 캐리어 가스에 의해 이루어지는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다성분 박막에 포함된 원소의 농도에 따라 1회의 증착 사이클 동안 동일한 전구체를 포함하는 소스가스가 2회 이상 제공되되, 연속되지 않고 단속적으로 제공되는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  5. 2원소 이상 다성분 박막을 증착하기 위한 원자층 증착방법은,
    서로 다른 전구체를 포함하는 다수의 소스가스와 서로 다른 다수의 솔벤트를 기판에 순차적으로 제공하되 하나의 소스가스와 하나의 솔벤트를 동시에 상기 기판에 제공하여 다성분 박막을 증착하고,
    상기 다수의 소스가스는 서로 증착반응이 발생하지 않는 소스가스가 사용되고,
    상기 기판에 k(k는 소스가스의 수로, 4 이상 자연수)번째 제공되는 솔벤트는 해당 솔벤트와 같이 제공되는 소스가스와 반응이 발생하지 않고, 나머지 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 솔벤트가 제공되는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기판에서 잔류 소스가스 및 증착반응 후 잔여물의 제거를 위한 퍼지 작용은 해당 소스가스가 제공된 다음 단계에서 제공되는 소스가스에 포함된 캐리어 가스에 의해 이루어지는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  7. 2원소 이상 다성분 박막을 증착하기 위한 원자층 증착방법은,
    기판에 제1 전구체를 포함하는 제1 소스가스를 제공하는 단계;
    상기 기판에 제2 전구체를 포함하는 제2 소스가스를 제공하는 단계;
    상기 기판에 제3 전구체를 포함하는 제3 소스가스를 제공하여 상기 제1 및 제3 전구체의 반응에 의한 반응 생성물이 증착되는 단계; 및
    상기 기판에 제4 전구체를 포함하는 제4 소스가스를 제공하여 상기 제2 및 제4 전구체의 반응에 의한 반응 생성물이 증착되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제3 소스가스는 상기 제2 및 제4 소스가스와 서로 반응하지 않는 가스를 사용하는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 소스가스 제공 단계에서는 해당 단계의 바로 직전 단계에서 발생한 반응 잔여물과 잔류 소스가스가 퍼지되어 제거되는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  9. 2원소 이상 다성분 박막을 증착하기 위한 원자층 증착방법은,
    기판에 제1 전구체를 포함하는 제1 소스가스와 제1 솔벤트를 제공하는 제1 단계;
    상기 기판에 제2 전구체를 포함하는 제2 소스가스와 제2 솔벤트를 제공하는 제2 단계;
    상기 기판에 제3 전구체를 포함하는 제3 소스가스와 제3 솔벤트를 제공하는 제3 단계; 및
    상기 제4 전구체를 포함하는 제4 소스가스와 제4 솔벤트를 제공하는 제4 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 솔벤트는 상기 제3 전구체와 반응하고, 상기 제2 솔벤트는 상기 제4 전구체와 반응하고, 상기 제3 솔벤트는 상기 제1 전구체와 반응하고, 상기 제4 솔벤트는 상기 제2 전구체와 반응하는 솔벤트를 사용하는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 소스가스는 서로 반응하지 않는 소스가스가 사용되고,
    상기 제1 내지 제4 단계에서는 상기 전구체와 상기 솔벤트가 서로 반응하여 반응 생성물이 증착되는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 단계에서는 상기 제1 내지 제4 소스가스에 의해 해당 단계의 바로 직전 단계에서 발생한 반응 잔여물과 잔류 소스가스가 퍼지되어 제거되는 다성분 박막의 원자층 증착방법.
  12. 다수의 기판을 공전시킴에 따라 증착 공정이 수행되는 세미 배치 타입 원자층 증착장치에 있어서,
    다수의 기판이 안착되어 공전하는 서셉터; 및
    상기 서셉터 상부에 구비되어 상기 다수의 기판에 서로 다른 전구체를 포함하는 2종 이상의 다수의 소스가스를 분사하는 분사부가 구비된 가스분사 유닛;
    을 포함하고,
    상기 가스분사 유닛의 일 분사부에서 분사되는 소스가스는 서로 인접한 분사부에서 분사되는 소스가스와 서로 반응이 발생하지 않는 소스가스가 분사되되, 나머지 분사부에서 분사되는 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 소스가스가 분사되는 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치.
  13. 다수의 기판을 공전시킴에 따라 증착 공정이 수행되는 세미 배치 타입 원자층 증착장치에 있어서,
    다수의 기판이 안착되어 공전하는 서셉터; 및
    상기 서셉터 상부에 구비되어 상기 다수의 기판에 서로 다른 전구체를 포함하는 2종 이상의 다수의 소스가스와 2종 이상의 다수의 솔벤트 중 각각 하나의 소스가스와 하나의 솔벤트가 분사되는 분사부가 구비된 가스분사 유닛;
    을 포함하고,
    상기 솔벤트는 해당 솔벤트와 같이 분사되는 소스가스와 증착반응이 발생하 지 않고 나머지 소스가스 중 적어도 하나의 소스가스와 증착반응이 발생하는 솔벤트가 분사되는 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치.
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