KR20110054833A - 샤워헤드 어셈블리 및 이를 구비한 박막증착장치 및 박막증착방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판상에 균일하면서도 빠른 속도로 박막을 증착할 수 있도록 구조가 개선된 샤워헤드 어셈블리 및 이를 구비한 박막증착장치 및 박막증착방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 샤워헤드 어셈블리는 기판이 안착되며 회전가능하게 설치되는 서셉터의 상방에 방사형으로 배치되며, 외부로부터 공급된 가스가 분사되는 복수의 가스분사기를 포함하되, 복수의 가스분사기는, 기판 상에 화학적 기상 증착법(Chemical vapor deposition : CVD)으로 박막이 증착되도록, 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스가 함께 분사되는 화학적 기상 증착용 가스분사기와, 기판 상에 원자층 증착법(Atomic layer deposition : ALD)으로 박막이 증착되도록, 원자층 증착에 이용되는 복수의 원료가스 중 서로 다른 종류의 원료가스가 각각 분사되는 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기와, 서셉터의 회전방향 상 원자층 증착용 원료가스분사기 사이에 배치되며, 퍼지가스가 분사되는 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기를 포함한다.
샤워헤드, 박막, 이중 샤워헤드, 원자층 증착법, 화학적 기상 증착법
Description
본 발명은 기판상에 박막을 증착시키기 위한 샤워헤드 어셈블리와, 이를 구비한 박막증착장치 및 박막증착방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응가스와 소스가스를 사용하여 박막을 증착하기 위한 샤워헤드 어셈블리와, 이를 구비한 박막증착장치 및 박막증착방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에는 웨이퍼 또는 기판 상에 박막을 증착하기 위한 박막 증착 공정이 있으며, 이 박막 증착 공정을 수행하는 장치로 원자층 증착 장치와 화학적 기상 증착 장치가 있다.
원자층 증착 장치는 기판(웨이퍼) 상에 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 순차적으로 분사함으로써 박막을 증착하는 장치이다. 이러한, 원자층 증착 장치는, 기판상에 박막을 균일하게 증착할 수 있다는 장점이 있으나, 박막 증착 속도가 낮아 생산성이 떨어지는 한계가 있다.
화학적 기상 증착 장치는 기판 상에 소스 가스와 반응 가스를 함께 분사함으로써, 박막을 증착하는 장치이다. 이러한 화학적 기상 증착 장치는, 원자층 증착 장치에 비하여 박막 증착 속도는 높으나, 증착되는 박막의 균일성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 박막 증착 공정의 특성에 따라, 원자층 증착법과 화학적 기상 증착법을 순차적으로 또는 동시에 진행함으로써, 기판 상에 균일하면서도 빠른 속도로 박막을 증착할 수 있는 장치 및 방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공정의 특성에 따라 원자층 증착법과 화학적 기상 증착법을 순차적으로 또는 동시에 진행할 수 있는 샤워헤드 어셈블리와, 이를 구비한 박막증착장치 및 박막증착방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막증착장치는 기판에 대한 증착 공정이 행해지는 공간부가 형성되어 있는 챔버와, 상기 챔버의 공간부에 회전 가능하게 설치되며, 기판이 안착되는 서셉터와, 샤워헤드 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 샤워헤드 어셈블리는 기판이 안착되며 회전가능하게 설치되는 서셉터의 상방에 방사형으로 배치되며, 외부로부터 공급된 가스가 분사되는 복수의 가스분사기를 포함하되, 상기 복수의 가스분사기는, 상기 기판 상에 화학적 기상 증착법(Chemical vapor deposition : CVD)으로 박막이 증착되도록, 상기 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스가 함께 분사되는 화학적 기상 증착용 가스분사기와, 상기 기판 상에 원자층 증착법(Atomic layer deposition : ALD)으로 박막이 증착되도록, 상기 원자층 증착에 이용되는 복수의 원료가스 중 서로 다른 종류의 원료가스가 각각 분사되는 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기와, 상기 서셉터의 회전방향 상 상기 원자층 증착용 원료가스분사기 사이에 배치되며, 퍼지가스 가 분사되는 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 박막증착방법은 상기 서셉터에 기판을 로딩하는 단계와, 상기 기판이 상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기 및 상기 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기의 하방을 순차적으로 통과하도록, 상기 서셉터를 회전시키는 단계와, 상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기 및 상기 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기를 통해 각각 상기 원자층 증착에 이용되는 원료가스 및 상기 퍼지가스를 분사하여 원자층 증착법으로 상기 기판에 제1박막을 증착하는 단계와, 상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기를 통해 분사되는 복수의 원료가스의 분사를 중단하고, 상기 화학적 기상 증착용 가스분사기를 통해 상기 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스를 분사하여 화학적 기상 증착법으로 상기 제1박막 상에 제2박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 하나의 장치 내에서 원자층 증착법과 화학적 기상 증착법을 함께 또는 교번적으로 사용할 수 있으므로, 기판상에 박막을 균일하면서도 빠른 속도로 증착할 수 있을 뿐 아니라 하나의 증착장치로 다양한 증착공정을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막증착장치의 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 샤워헤드 어셈블리의 평면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 원자층 증착용 원료가스분사기의 단면도이며, 도 4는 도 2에 도시된 화학적 기상 증착용 가스분사기의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 박막증착장치(1000)는 챔버(500)와, 서셉터(600)와, 히터부(700)와, 샤워헤드 어셈블리(300)를 포함한다.
챔버(500)의 내부에는 기판에 대한 증착공정 등이 행해지는 공간부(501)가 형성되어 있다. 또한, 챔버(500)에는 기판의 로딩/언로딩을 위하여 기판이 출입되는 게이트(502) 및 챔버 내부의 가스를 배출하기 위한 배기유로(503)가 형성되어 있다.
서셉터(600)는 기판이 안착되는 곳으로 평판 형상으로 형성되며, 구동축(601)에 결합되어 승강 및 회전가능하도록 공간부(501)에 설치된다. 서셉터(600)의 상면에는 기판이 안착되는 복수의 안착부(미도시)가 형성되어 있다.
히터부(700)는 기판을 공정온도까지 가열하기 위한 것으로, 서셉터(600)의 하방에 배치되어 기판을 가열한다.
샤워헤드 어셈블리(300)는 화학적 기상 증착법(Chemical vapor deposition : CVD) 및 원자층 증착법(Atomic layer deposition : ALD)이 교번적 또는 함께 수행될 수 있도록 가스를 분사하는 장치로, 서셉터(600) 상방에 설치된다. 이를 위하여, 샤워헤드 어셈블리(300)는 화학적 기상 증착용 가스분사기(200)와, 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102)와, 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104)를 포함한다. 본 실시예의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 샤워헤드 어셈블리(300)는 4개의 화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)와, 2개의 원자 층 증착용 원료가스분사기(101,102)와, 2개의 원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104)로 이루어지며, 이 화학적 기상 증착용 가스분사기(200), 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102) 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104)는 서셉터(600)의 상방에 방사형으로 설치된다.
원자층 증착용 원료가스분사기(101,102) 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104)는 원자층 증착법으로 박막을 증착하기 위한 것이다.
원자층 증착용 원료가스분사기(101,102)는 단일 샤워헤드 구조를 가진다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102)에는 가스공급관(110)이 연결되며, 그 내부에는 공급된 가스가 수용되는 수용부(120)가 형성되어 있다. 그리고, 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102)의 바닥부(130)에는 공급된 가스가 분사되는 복수의 분사구(131)가 관통 형성되어 있다. 각 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102)에 연결된 가스공급관(110)으로는 원자층 증착에 이용되는 서로 다른 종류의 원료가스가 각각 공급된다. 여기서, 원료가스란 원자층 증착 공정에 이용되는 것으로, 이러한 원료가스에는 소스가스와, 반응가스와, 환원가스 등이 포함된다. 소스가스로는 Sr 전구체, Ti 전구체, Ge 전구체, Sb 전구체, W 전구체 등을 함유하는 가스가 사용될 수 있다. 반응가스로는 O2나 O3와, 디보레인(B2H6)과 같은 붕소 함유가스 등이 사용될 수 있다. 그리고, 환원가스로는 H2 나 NH3가 사용될 수 있다. 그리고, 특히, 본 실시예의 경우 하나의 원자층 증착용 원료가스분사기에는 디보레인(B2H6)과 같은 붕소 함유가스가 공급되고, 다른 하나의 원자층 증착용 원료가스분사기에는 불화텅스텐(WF6)과 같은 텅스텐 함유 전구체가 공급된다.
원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104)는 두 개 구비되며, 도 2에 도시된 바와 같이 서셉터의 회전방향 상 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102)의 사이에 하나씩 배치된다. 각 원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104)는, 도 3에 도시된 원자층 증착용 원료가스분사기와 같이 단일 샤워헤드 구조를 가지며, 각 원자층 증착용 원료가스분사기로는 퍼지가스가 공급된다. 퍼지가스로는 아르곤(Ar)이나 질소(N2)와 같은 비반응가스가 이용될 수 있다.
화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)는 화학적 기상 증착법으로 박막을 증착하기 위하여, 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스를 기판으로 함께 분사하기 위한 것이다. 여기서, 원료가스란 화학적 기상 증착 공정에 이용되는 것으로, 이러한 원료가스에는 소스가스와, 반응가스와, 환원가스 등이 포함된다. 소스가스로는 Sr 전구체, Ti 전구체, Ge 전구체, Sb 전구체, W 전구체 등을 함유하는 가스가 사용될 수 있다. 반응가스로는 O2나 O3와, 디보레인(B2H6)과 같은 붕소 함유가스 등이 사용될 수 있다. 그리고, 환원가스로는 H2 나 NH3가 사용될 수 있다. 본 실시예의 경우 화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)는 이중 샤워헤드 구조로 이루어지는데, 이하 도 4를 참조하여 화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)의 구조에 관하여 구체적으로 설명한다.
본 실시예에 따른 화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)는 샤워헤드 본 체(240)와, 구획판(250)과, 복수의 분사핀(270)과, 전원부(280)를 포함한다.
샤워헤드 본체(240)는 상부 플레이트(210)와, 하부 플레이트(220)와, 저면판(230)을 포함한다. 상부 플레이트(210)에는 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스 중 일부의 원료가스가 공급되는 제1주입구(211)과, 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스 중 나머지 원료가스가 공급되는 제2주입구(212)가 관통 형성된다. 본 실시예의 경우, 후술하는 바와 같이 화학적 기상 증착에 2개의 원료가스가 이용되는바, 제1주입구 및 제2주입구는 각각 하나씩 관통 형성된다. 제1주입구(211)에는 H2와 같은 환원가스가 공급되는 제1가스공급관(201)이 연결되고, 제2주입구(212)에는 불화텅스텐(WF6)이 공급되는 제2가스공급관(202)이 연결된다. 그리고, 상부 플레이트 내부에는 히터(213)가 매설되어 있다. 하부 플레이트(220)는 고리 형상으로 형성되며, 상부 플레이트(210)의 하단에 결합된다. 저면판(230)은 판 형상으로 형성된다. 저면판(230)에는 복수의 분사구가 관통 형성되어 있는데, 이 분사구는 후술할 분사핀이 연결되는 복수의 제1분사구(231)와, 복수의 제2분사구(232)를 포함한다. 이 저면판(230)은 샤워헤드 본체(240)의 바닥부에 해당하는 것으로, 하부 플레이트(220)의 하단부에 결합되어 하부 플레이트 내부에 배치되며, 상부 플레이트(210) 및 하부 플레이트(220)와 함께 수용부(241)를 형성한다.
구획판(250)은 평판 형상으로 형성되며, 복수의 삽입홀(251)과, 상부 플레이트의 제2주입구와 연통되는 유동공(252)이 관통 형성되어 있다. 이 구획판(250)은 수용부(241)의 내부에 설치되어, 수용부를 제1버퍼부(243)와, 제2버퍼부(242)로 구획한다. 제1버퍼부(243)는 구획판(250)의 상측에 형성되며, 제1주입구(211)와 연통된다. 그리고, 제2버퍼부(242)는 구획판(250)의 하측에 형성되며, 제2주입구(212)와 연통된다. 이 구획판(250)은 후술하는 바와 같이 수용부(241)의 내부에 플라즈마를 형성할 수 있도록, 도전성 소재로 이루어진다.
그리고, 상기 구획판(250)은 제1절연부재(261) 및 제2절연부재(262)에 의해 절연 및 지지된다. 제1절연부재(261)는 환형으로 형성되어 상부 플레이트(210)에 결합되며, 제1절연부재(261)에는 상부 플레이트의 제2주입구(212) 및 구획판의 유동공(252)과 연통되는 유동홀이 관통 형성되어 있다. 제2절연부재(262)는 환형으로 형성되어 하부 플레이트(220)에 결합되며, 제2절연부재에는 구획판의 유동공(252)과 연통되는 관통홀이 관통 형성되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 구획판은 제1절연부재(261)와 제2절연부재(262) 사이에 배치되어 지지되며, 이에 따라 상부 플레이트(210) 및 하부 플레이트(220)와 구획판(250)은 상호 절연된다.
분사핀(270)은 제1버퍼부(243)로 공급된 환원가스를 제2버퍼부(242)로 공급된 불화텅스텐(WF6)과 서로 분리된 상태로 기판으로 분사하기 위한 것이다. 분사핀(270)은 중공의 형상으로 형성되며, 분사핀(260)의 일단부는 구획판의 삽입홀(251)에 연결(삽입)되며, 분사핀의 타단부는 저면판의 제1분사구(231)에 연결(삽입)된다. 그리고, 이 분사핀(270)은 절연성 소재로 이루어진다.
전원부(280)는 수용부 내에 플라즈마가 발생하도록 구획판에 전원을 인가하 기 위한 것으로, 특히 본 실시예의 경우 전원부는 구획판(250)에 RF 전력을 인가한다. 전원부는 RF 로드(281)와, RF 커넥터(282)를 포함하여 구성된다. RF 로드(281)는 바 형상으로 형성되며, 상부 플레이트(210) 및 제1절연부재(261)를 관통하며 삽입되어 구획판(250)에 연결된다. 그리고, RF 로드(281)의 외주면에는 절연부재(283)가 결합되어 있다. RF 커넥터(282)는 RF 로드(281)에 연결되며, RF 전력을 RF 로드(281)로 인가한다.
그리고, 샤워헤드 본체의 내부에는 분리판(290)이 더 설치되어 있다. 분리판은 평판 형상으로 형성되며, 복수의 유동홀(291)이 관통 형성되어 있다. 이 분리판은 제1버퍼부(243) 내에 설치되어, 제1버퍼부를 제1공간부(2431)와 제2공간부(2432)로 구획한다. 그리고, 분리판(290)의 양측에는 분리판을 지지하기 위한 지지핀(292)이 결합되어 있다. 제1주입구(211)를 통해 유입된 환원가스는 제1공간부(2431)에서 일차적으로 확산되며, 이후 유동홀(291)을 통해 제2공간부(2432)로 유입되어 다시 한번 더 균일하게 확산된 후 분사핀(270)을 통해 분사된다. 따라서, 환원가스가 기판을 향해 균일하게 분사된다.
상술한 바와 같이 구성된 화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)에 있어서, 환원가스는 제1가스공급관(201)을 통해 제1버퍼부(243)로 공급된 후 분사핀(270)을 통해 분사되며, 불화텅스텐은 제2가스공급관(202)을 통해 제2버퍼부(242)로 공급된 후 제2분사구(232)를 통해 분사된다. 분사된 불화텅스텐 및 반응가스는 기판의 상측에서 서로 반응하여 기판에 화학적 기상 증착법으로 증착된다. 이때, 환원가스와 불화텅스텐이 샤워헤드 본체의 외부로 분사된 후 서로 혼합 된다. 따라서, 샤워헤드 본체의 내부에서 이 가스들이 혼합된 후 반응함에 따라 발생되는 파티클이 샤워헤드 본체의 내부에 증착되는 것이 방지된다. 또한, 전원부(280)에서 RF 파워를 인가하면, RF 파워가 인가된 구획판(250)과 접지 상태의 저면판(230) 사이 즉 제2버퍼부(242)에 플라즈마가 발생하게 되고, 이에 따라 반응이 활성화되어 박막증착속도가 향상되게 된다.
한편, 본 실시예의 경우에는, 화학적 기상 증착용 가스분사기가 이중 샤워헤드 구조로 이루어졌으나, 화학적 기상 증착용 가스분사기는 단일 샤워헤드 구조로 이루어질 수도 있다. 또한, 본 실시예의 경우, 각 화학적 기상 증착용 가스분사기로 2개의 원료가스가 공급되었으나, 화학적 기상 증착 공정에 따라서 3개 이상의 원료가스가 공급될 수도 있다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 박막증착장치(1000)로 텅스텐 박막을 증착하는 실시예에 관하여 설명한다.
먼저, 서셉터의 각 안착부에 기판을 로딩한 후 서셉터를 회전시키면, 안착된 기판이 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102), 원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104) 및 화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)의 하방을 통과하게 된다. 이 상태에서, 각 원자층 증착용 원료가스분사기 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기로 해당 가스, 즉 디보레인, 불화텅스텐 및 퍼지가스를 공급하면, 기판이 디보레인, 퍼지가스, 불화텅스텐, 퍼지가스에 순차적으로 반복노출되며, 이에 따라 원자층 증착법으로 기판 상에 시드층(seed layer)(제1박막)에 해당하는 텅스텐 핵형성층이 증착된다.
텅스텐 핵형성층이 적절한 두께로 증착된 이후에는 원자층 증착용 원료가스분사기(101,102) 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기(103,104)에서의 가스 분사를 중단하고, 화학적 기상 증착용 가스분사기(200a~200d)를 통해 불화텅스텐 및 환원가스를 함께 분사하면, 텅스텐 핵형성층 상에 화학적 기상 증착법으로 텅스텐 박막(제2박막)이 증착된다. 이때, 서셉터를 지속적으로 회전할 수도 있고, 기판이 화학적 기상 증착용 가스분사기의 하방에 위치한 상태에서 서셉터의 회전을 중단할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 원자층 증착법으로 기판 상에 텅스텐 핵형성층을 균일하게 증착한 이후, 이 텅스텐 핵형성층 상에 화학적 기상 증착법을 통해 빠른 속도록 텅스텐 박막을 증착할 수 있다.
한편, 필요에 따라서는 화학적 기상 증착용 가스분사기만을 이용하여 화학적 기상 증착법만으로 박막을 증착할 수도 있고, 원자층 증착용 원료가스분사기 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기를 이용하여 원자층 증착법만으로 박막을 증착할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 샤워헤드 어셈블리의 평면도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 샤워헤드 어셈블리(1300A)는 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)와, 2개의 원자층 증착용 원료가스분사기(801,803)와, 3개의 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802,804,805)로 이루어진다.
화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)는, 앞서 도 4에서 설명한 바와 같이 이중 샤워헤드 구조로 이루어지며, 화학적 기상 증착에 이용되는 2개의 원료가스가 공급된다.
2개의 원자층 증착용 원료가스분사기, 즉 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(801)와 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(803)는, 앞서 도 3에서 설명한 바와 같이 단일 샤워헤드 구조로 이루어진다. 각 원자층 증착용 원료가스분사기(801,803)로는 원자층 증착에 이용되는 서로 다른 원료가스가 공급되는데, 본 실시예의 경우 후술하는 바와 같이, 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(801)로는 전구체를 함유하는 소스가스가 공급되며, 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(803)로는 이 전구체와 반응하는 반응가스가 공급된다.
원자층 증착용 퍼지가스분사기(802,804,805)는 3개 구비되며, 각 원자층 증착용 퍼지가스분사기는 단일 샤워헤드 구조로 이루어져 내부로 퍼지가스가 공급된다. 3개의 원자층 증착용 퍼지가스분사기 중 하나의 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802)는 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(801)와 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(803) 사이에 배치되며, 도 5에 점선(A)으로 표시된 바와 같이 연속적으로 배치된 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(801), 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802) 및 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(803)는 원자층 증착용 분사그룹(800)을 형성한다. 후술하는 바와 같이 기판이 이 원자층 증착용 분사그룹(800)의 하방을 통과하는 동안, 원자층 증착법에 의해 단일 박막이 증착된다. 그러고, 나머지 두 개의 원자층 증착용 퍼지가스분사기(804,805)는, 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)와, 원자층 증착용 분사그룹(800)의 사이에 하나씩 배치된다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 샤워헤드 어셈블리(1300A)를 이용하여 STO 박막을 증착하는 실시예에 관하여 설명한다.
STO(Sr-Ti-O) 박막의 증착에는 Sr 전구체와, Ti 전구체와, O2나 O3와 같은 반응가스가 이용된다. Sr 전구체로는, Sr(thd)2(thd = 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione), Sr(i-O-Pr)2, Sr(C8H15O2)2 등이 이용될 수 있다. 그리고, Ti 전구체로는 TiCl4, TDEAT(tetrakis diethylamido titanium), TDMAT(tetrakis dimethylamido titanium), TEMAT(tetrakis ethylmethylamido titanium), Ti(i-OPr)4, Ti(i-OPr)2(acetylacetonate)2, Ti(OBu)4, Ti(OEt)2(i-OPr)2 및 Ti(OEt)4Ti(OEt)4 등이 이용될 수 있다.
이때, Sr 전구체와 Ti 전구체 중, 전구체가 분해되는 속도가 상대적으로 낮은 전구체에 의해 형성되는 박막을 화학적 기상 증착법으로 증착시키는 것이 바람직하다. 전구체가 분해되는 속도가 낮으면, 이 전구체에 의해 형성되는 박막의 증착속도(deposition rate) 역시 낮게 되는데, 증착속도가 낮은 전구체를 이용하여 원자층 증착법으로 박막을 증착하게 되면, 전체 박막 증착 공정에 많이 시간이 소요될 뿐 아니라, 최종적으로 증착되는 STO 박막의 조성비를 원하는 조성비로 맞추기가 어려워진다. 따라서, 분해되는 속도가 낮은 전구체를 이용하여 증착되는 박막은 원자층 증착법 보다 증착속도가 빠른 화학적 기상 증착법으로 증착하고, 분해되는 속도가 상대적으로 높은 전구체를 이용하여 증착되는 박막은 원자층 증착법으로 증착하면, 전체 박막 증착 공정에 소요되는 시간이 단축될 뿐 아니라, 조성비를 맞추기가 용이해진다.
상술한 이유로, 본 실시예의 경우 Sr 전구체가 Ti 전구체보다 분해되는 속도가 낮으므로, 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)로 Sr 전구체 및 반응가스를 공급하고, 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(801)로는 Ti 전구체를 공급하며, 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(803)로는 반응가스를 공급한다. 그리고, 각 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802,804,805)로는 퍼지가스가 공급된다.
서셉터(600)에 기판을 로딩한 후 서셉터를 회전시키면, 기판이 원자층 증착용 분사그룹(800) 및 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)의 하방을 순차적으로 반복하여 통과하게 된다. 이 상태에서, 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A), 원자층 증착용 원료가스분사기(801,803) 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802,804,805)에서 해당 가스를 분사하면, 기판에 STO 박막이 증착된다. 즉, 기판이 원자층 증착용 분사그룹(800)의 하방을 통과하는 동안 기판으로 Ti 전구체, 퍼지가스, 반응가스가 순차적으로 분사되며, 이에 따라 원자층 증착법으로 TiOx 박막이 증착된다. 이후 기판이 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)의 하방을 지나는 동안 기판으로 Sr 전구체 및 반응가스가 함께 공급되어 TiOx 박막 상에 화학적 기상 증착법으로 SrOy 박막이 증착된다. 그런 다음, 다시 기판이 원자층 증착용 분사그룹(800)의 하방을 지나는 동안 SrOy 박막 상에 TiOx 박막이 증착된다. 그리고, 이 과정을 반복하면 기판 상에 STO 박막이 증착되게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 샤워헤드 어셈블리(1300A)를 이용하면, 텅스텐(W) 박막 역시 증착할 수 있다.
이 경우, 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)로는 불화텅스텐(WF6)과 같은 W 함유 전구체 및 수소(H2)와 같은 환원가스가 공급되며, 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(801)로는 디보레인(B2H6)과 같은 붕소 함유가스가 공급되며, 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(803)로는 불화텅스텐이 공급된다. 그리고, 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802,804,805)로는 퍼지가스가 공급된다.
먼저, 서셉터(600)의 각 안착부에 기판을 로딩한 후 서셉터를 회전시키면, 기판이 원자층 증착용 분사그룹(800) 및 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)의 하방을 순차적으로 통과하게 된다. 이 상태에서, 각 원자층 증착용 원료가스분사기(801,803) 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802,804,805)로 해당 가스, 즉 디보레인, 불화텅스텐 및 퍼지가스를 공급하면, 기판이 디보레인, 퍼지가스, 불화텅스텐, 퍼지가스에 순차적으로 반복노출되며, 이에 따라 원자층 증착법으로 기판 상에 시드층(seed layer)에 해당하는 텅스텐 핵형성층이 증착된다.
텅스텐 핵형성층이 적절한 두께로 증착된 이후에는 원자층 증착용 원료가스분사기(801,803) 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기(802,804,805)에서의 가스 분사를 중단하고, 화학적 기상 증착용 가스분사기(200A)를 통해 불화텅스텐 및 환원가스를 함께 분사하면, 텅스텐 핵형성층 상에 화학적 기상 증착법으로 텅스텐 박막이 증착된다. 이때, 서셉터(600)를 지속적으로 회전할 수도 있고, 서셉터의 회전을 중단할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 샤워헤드 어셈블리의 평면도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 샤워헤드 어셈블리(1300B)는 화학적 기상 증착용 가스분사기(200B)와, 복수의 원자층 증착용 분사그룹(810,820)을 가진다.
화학적 기상 증착용 가스분사기(200B)는, 앞서 도 4에서 설명한 바와 같이 이중 샤워헤드 구조로 이루어지며, 화학적 기상 증착에 이용되는 2개의 원료가스가 공급된다.
원자층 증착용 분사그룹은 원자층 증착법으로 박막을 증착하기 위한 것으로, 복수 구비된다. 본 실시예의 경우, 2개의 원자층 증착용 분사그룹, 즉 제1 원자층 증착용 분사그룹(810) 및 제2 원자층 증착용 분사그룹(820)이 구비되며, 후술하는 바와 같이 이 2개의 원자층 증착용 분사그룹(810,820)은 서로 다른 종류의 박막을 증착한다. 각 원자층 증착용 분사그룹은 2개의 원자층 증착용 원료가스분사기, 즉 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(811,821)와 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(813,823)와, 이 두 개의 원자층 증착용 원료가스분사기 사이에 배치된 원자층 증착용 퍼지가스분사기(812,822)로 구성된다. 각 원자층 증착용 원료가스분사기 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기는, 앞서 도 3에서 설명한 바와 같이 단일 샤워헤드 구조로 이루어진다. 그리고, 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(811,821)로는 전구체를 함유하는 소스가스가 공급되고, 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(813,823)로는 전구체와 반응하는 반응가스가 공급된다.
그리고, 원자층 증착용 분사그룹(810,820)과 화학적 기상 증착용 가스분사기(200B)의 사이 및 원자층 증착용 분사그룹(810,820) 사이에 원자층 증착용 퍼지 가스분사기(806,807,808)가 하나씩 더 설치된다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 샤워헤드 어셈블리(1300B)를 이용하여 GST(Ge-Sb-Te) 박막을 증착하는 실시예에 관하여 설명한다.
GST 박막의 증착에는, Ge 전구체와, Sb 전구체와, Te 전구체와, 이 전구체들을 환원하는 H2나 NH3와 같은 환원가스가 이용된다. Ge 전구체로는, (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 등이 이용가능하다. Sb 전구체로는 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, 등이 이용가능하다. Te 전구체로는 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]2 등이 이용가능하다.
그리고, 이때 앞서 설명한 바와 같이, 3개의 전구체 중 분해되는 속도가 상대적으로 가장 느린 Ge 전구체를 포함하는 박막이 화학적 기상 증착법으로 증착되는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 화학적 기상 증착용 가스분사기에는 Ge 전구체와 NH3와 같은 환원가스가 공급되고, 제1 원자층 증착용 분사그룹의 제1 원자층 증착용 원료가스 분사기(811)에는 Te 전구체가 공급되고, 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(813)에는 H2와 같은 환원가스가 공급된다. 그리고, 제2 원자층 증착용 분사그룹의 제1 원자층 증착용 원료가스분사기(821)에는 Sb 전구체가 공급되고, 제2 원자층 증착용 원료가스분사기(823)에는 H2와 같은 환원가스가 공급되며, 각 원자층 증착용 퍼지가스분사기(806,807,808,812,822)에는 퍼지가스가 공급된다.
먼저, 서셉터(600)에 기판을 로딩한 후 서셉터를 회전시키면, 기판이 2개의 원자층 증착용 분사그룹(810,820) 및 화학적 기상 증착용 가스분사기(200B)의 하방을 순차적으로 반복하여 통과하게 된다. 이 상태에서, 화학적 기상 증착용 가스분사기, 원자층 증착용 원료가스분사기 및 퍼지가스분사기에서 해당 가스를 분사하면, 기판에 GST 박막이 증착된다. 즉, 기판이 제1 원자층 증착용 분사그룹(810)의 하방을 통과하는 동안 기판으로 Te 전구체, 퍼지가스, 환원가스가 순차적으로 분사되며, 이에 따라 원자층 증착법으로 Te 박막이 증착된다. 이후, 제2 원자층 증착용 분사그룹(820)의 하방을 통과하는 동안 기판으로, Sb 전구체, 퍼지가스, 환원가스가 순차적으로 분사되며, 이에 따라 원자층 증착법으로 Sb 박막이 증착된다. 그런 다음, 기판이 화학적 기상 증착용 가스분사기(200B)의 하방을 통과하는 동안, 기판으로 Ge 전구체와 환원가스가 함께 분사되며, 이에 따라 화학적 기상 증착법으로 Ge 박막이 증착된다. 그리고, 이러한 과정을 반복하면, 기판 상에 GST 박막이 증착된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발 명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
예를 들어, 화학적 기상 증착용 가스분사기, 원자층 증착용 원료가스분사기 및 원자층 증착용 퍼지가스분사기의 개수, 크기(면적) 및 배치형태는 박막증착공정의 특성에 따라 최적화되도록 변경될 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우 화학적 기상 증착용 가스분사기는 소스가스와 반응가스가 분리된 상태로 기판으로 분사되도록 이중 샤워헤드 구조로 구성하였다. 하지만, 소스가스와 반응가스의 반응성이 높지 않은 경우에는, 소스가스와 반응가스가 화학적 기상 증착용 가스분사기 내에서 혼합된 후 기판으로 분사되도록 단일 샤워헤드로 구성할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 제2버퍼부에 플라즈마가 발생되도록 전원부를 연결하고 샤워헤드 본체를 접지하였으나, 제1버퍼부에 플라즈마가 발생하도록 전원부의 연결 및 샤워헤드 본체의 접지상태를 변경할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막증착장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 샤워헤드 어셈블리의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 원자층 증착용 원료가스분사기의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 화학적 기상 증착용 가스분사기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 샤워헤드 어셈블리의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 샤워헤드 어셈블리의 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1000...박막증착장치 101,102...원자층 증착용 원료가스분사기
200a~200d...화학적 기상 증착용 가스분사기 300...샤워헤드 어셈블리
500...챔버 600...서셉터
700...히터부 210...상부 플레이트
220...하부 플레이트 230...저면판
240...샤워헤드 본체 250...구획판
270...분사핀 280...전원부
290...분리판
800,810,820...원자층 증착용 분사블럭
Claims (11)
- 기판이 안착되며 회전가능하게 설치되는 서셉터의 상방에 방사형으로 배치되며, 외부로부터 공급된 가스가 분사되는 복수의 가스분사기를 포함하되,상기 복수의 가스분사기는,상기 기판 상에 화학적 기상 증착법(Chemical vapor deposition : CVD)으로 박막이 증착되도록, 상기 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스가 함께 분사되는 화학적 기상 증착용 가스분사기와,상기 기판 상에 원자층 증착법(Atomic layer deposition : ALD)으로 박막이 증착되도록, 상기 원자층 증착에 이용되는 복수의 원료가스 중 서로 다른 종류의 원료가스가 각각 분사되는 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기와,상기 서셉터의 회전방향 상 상기 원자층 증착용 원료가스분사기 사이에 배치되며, 퍼지가스가 분사되는 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기 중 전구체를 함유하는 원료가스를 분사하는 제1 원자층 증착용 원료가스분사기와, 상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기 중 상기 전구체와 반응하는 반응가스 또는 상기 전구체를 환원시키는 환원가스를 분사하는 제2 원자층 증착용 원료가스분사기와, 상기 복수의 원자층 증 착용 퍼지가스분사기 중 상기 제1 원자층 증착용 원료가스분사기와 상기 제2 원자층 증착용 원료가스분사기 사이에 배치된 원자층 증착용 퍼지가스분사기는 연속적으로 배치되어 원자층 증착용 분사그룹을 형성하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 어셈블리.
- 제2항에 있어서,상기 원자층 증착용 분사그룹은 복수 구비되며, 서로 다른 종류의 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드 어셈블리.
- 제1항에 있어서,상기 화학적 기상 증착용 가스분사기는,상기 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스 중 일부의 원료가스가 공급되는 제1주입구와, 상기 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스 중 나머지 원료가스가 공급되는 제2주입구와, 상기 제1주입구 및 상기 제2주입구를 통해 공급된 원료가스가 수용되는 수용부가 마련되어 있으며, 바닥부에 복수의 제1분사구 및 복수의 제2분사구가 관통 형성되어 있는 샤워헤드 본체와,평판 형상으로 복수의 삽입홀이 관통 형성되어 있으며, 상기 샤워헤드 본체의 수용부에 설치되어 상기 수용부를 상기 제1주입구와 연통되는 제1버퍼부 및 상기 제2주입구와 연통되는 제2버퍼부로 구획하는 구획판과,중공의 형상으로 형성되며, 일단부는 상기 삽입홀에 연결되고 타단부는 상기 제1분사구에 연결되는 복수의 분사핀을 포함하며,상기 제1주입구로 유입된 원료가스는 상기 제1버퍼부로 공급된 후 상기 분사핀을 통해 상기 기판으로 분사되며, 상기 제2주입구로 유입된 원료가스는 제2버퍼부로 공급된 후 상기 제2분사구를 통해 상기 기판으로 분사되는 이중 샤워헤드 구조인 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
- 기판에 대한 증착 공정이 행해지는 공간부가 형성되어 있는 챔버;상기 챔버의 공간부에 회전 가능하게 설치되며, 기판이 안착되는 서셉터; 및제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 샤워헤드 어셈블리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 샤워헤드 어셈블리를 이용하여 상기 기판에 박막을 증착하기 위한 박막증착방법으로,상기 서셉터에 기판을 로딩하는 단계;상기 기판이 상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기 및 상기 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기의 하방을 순차적으로 통과하도록, 상기 서셉터를 회전시키는 단계;상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기 및 상기 복수의 원자층 증착용 퍼지가스분사기를 통해 각각 상기 원자층 증착에 이용되는 원료가스 및 상기 퍼지가스를 분사하여 원자층 증착법으로 상기 기판에 제1박막을 증착하는 단계; 및상기 복수의 원자층 증착용 원료가스분사기를 통해 분사되는 복수의 원료가스의 분사를 중단하고, 상기 화학적 기상 증착용 가스분사기를 통해 상기 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스를 분사하여 화학적 기상 증착법으로 상기 제1박막 상에 제2박막을 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제6항에 있어서,상기 제1박막은 시드층(seed layer)인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제6항에 있어서,상기 제2박막을 증착하는 단계는 상기 퍼지가스의 분사를 중단한 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제6항에 있어서,상기 제2박막을 증착하는 단계는 상기 서셉터의 회전을 중단한 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제2항 또는 제3항에 기재된 샤워헤드 어셈블리를 이용하여 상기 기판 상에 박막을 증착하기 위한 박막증착방법으로,상기 서셉터에 기판을 로딩하는 단계;상기 기판이 상기 화학적 기상 증착용 가스분사기 및 상기 원자층 증착용 분사그룹의 하방을 순차적으로 통과하도록, 상기 서셉터를 회전시키는 단계;상기 화학적 기상 증착용 가스분사기, 상기 원자층 증착용 원료가스분사기 및 상기 원자층 증착용 퍼지가스분사기에서 각각 상기 화학적 기상 증착에 이용되는 복수의 원료가스, 상기 원자층 증착에 이용되는 원료가스 및 상기 퍼지가스를 함께 분사하여, 상기 기판 상에 상기 원자층 증착법으로 증착되는 박막과 상기 화학적 기상 증착법으로 증착되는 박막을 순차적으로 반복하여 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
- 제10항에 있어서,상기 화학적 기상 증착용 가스분사기를 통해 분사되는 복수의 원료가스에 포함된 전구체가 분해되는 속도는, 상기 원자층 증착용 원료가스분사기를 통해 분사된 전구체가 분해되는 속도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
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