KR20110076386A

KR20110076386A - 반도체 제조에 사용되는 원자층 증착 장치

Info

Publication number: KR20110076386A
Application number: KR1020090133085A
Authority: KR
Inventors: 윤병진
Original assignee: 세메스 주식회사
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-07-06

Abstract

본 발명은 증착 공정에 사용되는 원자층 증착 장치에 관한 것으로, 본 발명의 원자층 증착 장치는 공정 챔버; 상기 공정 챔버에 설치되는 그리고 복수의 기판이 놓여지는 지지부재; 및 상기 지지부재에 놓여진 복수의 기판들 각각으로 가스를 분사하는 분사부재를 포함하되; 상기 분사부재는 구동부에 의해 회전되는 샤프트; 상기 샤프트의 일단으로부터 연장되는 지지대들; 상기 지지대들 각각에 설치되고, 외부의 가스 공급부로부터 제공받은 가스들을 기판들 각각에 대응하는 위치에서 기판의 처리면 전체에 분사하는 샤워헤드들; 상기 샤워헤드들 각각에 설치되고 가스가 기판으로 제공되도록 가스를 안내하는 원통형상의 인젝터 가이드를 포함한다.

원자층,증착,샤워헤드

Description

반도체 제조에 사용되는 원자층 증착 장치{ATOMIC LAYER DEPOSITON APPARATUS USED IN MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체 소자 제조에 사용되는 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 특히 원자층 증착 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 소자의 박막을 증착할 경우 우수한 스텝 커버리지 특성을 얻기 위하여 화학적 기상증착(CVD;Chemical vapor deposition) 방법을 이용하고 있다. 그러나 박막이 증착될 반도체 기판의 표면에 형성된 막의 종횡비(aspect ratio)가 클 경우, 스텝 커버리지 특성이 저하되는 문제점이 발생한다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 원자층 단위로 박막 형성 제어가 가능한 원자층 증착(ALD; Atomic layer deposition) 방법이 제안되어 있다.

원자층 증착 방법은 기상반응은 억제시키고 기판이나 시료의 표면으로부터 한 원자층씩 순차적으로 부착하여 원하는 분자를 형성시키는 기술이다. 이를 위해서는 소스 가스를 공급한 후에는 반드시 불활성기체를 공급하여 잔존하는 모든 기체들을 증착기 밖으로 배기시킨다. 그 후에 표면에 부착된 소스 분자와 화학반응을 일으키는 다른 반응가스를 공급하여 단원자층을 형성한다. 그리고 불활성기체로 증 착기 속에 잔존하는 모든 기체들을 배기시킨 후, 상기 공정을 반복하게 되므로 기체주입 주기(cycle)에 비례한 박막성장이 가능하여 증착되는 박막의 두께를 정확하게 제어할 수 있다.

원자층 증착 방법은 표면에서만 반응이 일어나고, 반응대상이 있는 곳에서만 전구체의 부착과 반응이 일어나므로 자기 제한적(self-limited)성질을 갖고 있다. 그러므로 어떤 구조의 표면에서도 동일한 두께의 박막을 만들 수 있고 스텝 커버리지 특성이 좋다. 이에 따라 원자층 증착 방법이 점차 많이 이용되고 있다.

도 1은 종래 배치 타입의 원자층 증착 장치의 인젝터를 보여주는 도면이다.

도 1에서와 같이, 종래의 배치 타입의 원자층 증착 장비는 막대 형상의 인젝터(1)들이 회전하면서 지지부재(2)에 놓여진 기판(w)들로 가스를 분사하기 때문에 가스가 기판 뿐만 아니라 지지부재(2) 표면으로도 분사됨으로써 가스 소모량이 많다.

또한, 인젝터(1)가 회전을 하면서 반응가스와 퍼지가스를 분사하기 때문에 기판 상부에 인젝터(1)의 회전에 의한 기류가 발생됨으로써 인젝터(1)에서 분사되는 가스가 기판 표면으로 수직하게 다운 플로우되지 않고 인젝터(1)의 회전 방향으로 휩쓸리게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 기판으로 가스를 균일하게 분사할 수 있는 원자층 증착 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 불필요한 가스 사용을 줄일 수 있는 원자층 증착 장치를 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 복수개의 기판을 동시에 처리할 수 있는 원자층 증착 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 원자층 증착 장치는 공정 챔버; 상기 공정 챔버에 설치되는 그리고 복수의 기판이 놓여지는 지지부재; 및 상기 지지부재에 놓여진 복수의 기판들 각각으로 가스를 분사하는 분사부재를 포함하되; 상기 분사부재는 구동부에 의해 회전되는 샤프트; 상기 샤프트의 일단으로부터 연장되는 지지대들; 상기 지지대들 각각에 설치되고, 외부의 가스 공급부로부터 제공받은 가스들을 기판들 각각에 대응하는 위치에서 기판의 처리면 전체에 분사하는 샤워헤드들; 상기 샤워헤드들 각각에 설치되고 가스가 기판으로 제공되도록 가스를 안내하는 원통형상의 인젝터 가이드를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 분사부재는 상기 인젝터 가이드와 기판 간의 간격을 조절하기 위해 상기 인젝터 가이드를 업다운 시키는 가이드 승강부를 더 포함한다.

본 발명에 의하면, 인젝터 가이드가 가스를 가이드하여 기판 이외의 부분으로 흩어지는 현상을 최소화하고, 인젝터 가이드로 인해 구성된 공간이 별도의 챔버 역을 함으로써 가스의 반응도를 높일 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면 도 2 내지 도 10을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 증착 공정에 사용되는 원자층 증착 장치에서 4개의 기판을 처리할 수 있는 배치식 장치를 예를 들어 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 구성도이다. 도 3 및 도 4는 지지부재와 분사부재를 보여주는 사시도 및 평면도이다. 도 5는 제1샤워헤드에 설치된 인젝터 가이드를 보여주는 사시도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치(10)는 공정 챔버(process chamber)(100), 지지부재(support member)(120), 분사부재30), 그리고 구동부(400)를 포함한다.

공정 챔버(100)는 일측에 출입구(112)가 제공된다. 출입구(112)는 공정 진행시 기판(W)들의 출입이 이루어진다. 또한, 공정 챔버(100)는 하부에 공정 챔버로 공급된 반응가스와 퍼지 가스 및 원자층 증착 공정 중에 발생된 반응 분산물을 배기하기 위한 배기관(120)이 연결되는 배기포트(114)를 포함한다. 도시되지는 않았 으나, 배기관(120)은 진공 펌프와 연결되어 있고, 배기관에는 압력 제어 밸브, 유량 제어 밸브 등이 설치된다는 것은 당업자에게 자명한 사실이다.

지지부재(200)는 공정 챔버(100)의 내부 공간에 설치된다. 지지부재(200)는 4장의 기판들이 놓여지는 배치 타입으로 이루어진다. 지지부재(200)는 상부면에 기판들이 놓여지는 제1 내지 제4스테이지(212a-212d)들이 형성된 원판형상의 테이블(210)과, 테이블(210)을 지지하는 지지기둥(220)을 포함한다. 제1 내지 제4스테이지(212a-212d)는 기판의 형상과 유사한 원형의 그루브로 이루어질 수 있다. 제1 내지 제4스테이지(212a-212d)는 지지부재(200)의 중앙을 중심으로 동심원상에 90도 간격으로 배치된다.

지지부재(200)는 각각의 스테이지에서 기판(W)을 승강 및 하강시키는 복수의 리프트 핀(미도시됨)이 구비될 수 있다. 리프트 핀은 기판(W)을 승하강함으로써, 기판(W)을 지지부재(200)의 스테이지들로부터 이격시키거나, 스테이지에 안착시킨다. 또한, 지지부재(200)에는 안착된 기판(W)을 가열하는 히터(미도시됨)가 구비될 수 있다. 히터는 기판(W)의 온도를 기 설정된 온도(공정 온도)로 상승시키기 위해 기판을 가열한다.

분사부재(300)는 지지부재(200)에 놓여진 4장의 기판 각각으로 가스를 분사한다. 분사부재(300)는 제1,2반응가스 및 퍼지가스를 공급하는 가스 공급부(310)와, 가스 공급부(310)로부터 제공받은 가스들을 기판들 각각에 대응하는 위치에서 정지된 상태로 기판의 처리면 전체에 분사하는 제1 내지 제4샤워헤드(320a-320d), 공정챔버(100)의 상부 중앙에 관통되어 설치되는 샤프트(330), 샤프트(330)의 일단 으로부터 연장되어 제1 내지 제4샤워헤드(320a-320d) 각각을 지지하는 지지대(332)들, 그리고 샤워헤드들 각각에 설치되고 가스가 기판으로 제공되도록 가스를 안내하는 원통형상의 인젝터 가이드(380)를 포함한다.

가스 공급부(310)는 기판(10) 상에 소정의 박막을 형성하기 위한 제1반응 가스를 제1샤워헤드(320a)로 공급하며, 제2반응 가스를 제3샤워헤드(320c)로 공급하고, 퍼지가스를 제2 및 제4샤워헤드(320b,320d)로 공급한다. 즉, 가스 공급부(310)는 제1 내지 제4샤워헤드(320a-320d) 각각으로 제1반응 가스, 퍼지 가스, 제2반응가스 및 퍼지 가스를 기 설정된 공급 시간에 따라 공급한다. 퍼지 가스로는 질소가스와 같은 불활성 가스가 사용될 수 있다. 제1, 제2반응 가스 및 퍼지 가스는 통합 가스 공급 유닛(Integrated Gas Supply unit ; IGS unit, 미도시)에 의해 공급 유량 및 공급 시간이 조절되며, 제1반응 가스 및 제2반응 가스는 통상의 버블링(bubbling) 방식으로 형성될 수 있다.

제1 내지 제4샤워헤드(320a-320d)는 기판의 크기와 동일한 크기로 이루어지며, 저면에 다수의 분사구(324)들이 형성된 분사면(322)을 갖는다. 제1 내지 제4 샤워헤드(320a-320d)는 샤프트(330)의 회전 중심을 기준으로 동심원상에 90도 간격으로 배치된다.

한편, 분사부재(300)의 샤프트(330)는 구동부(400)와 연결되고, 구동부(400)에 의해 샤프트(330)가 회전됨으로써 제1 내지 제4샤워헤드(320a-320d)가 4장의 기판 각각으로 순회 이동하면서 순서에 따라 가스를 분사하게 된다. 즉, 제1 내지 제4샤워헤드(320a-320d)는 구동부(400)에 의해 90도씩 회전되어 지지부재(200)에 놓여진 4장의 기판들 각각으로 순차 이동하면서 기판으로 제1반응가스, 퍼지가스, 제2반응가스 그리고 제2반응가스를 순차적으로 분사하게 된다.

제1샤워헤드(320a)를 통해 제1위치의 기판(10) 상으로 분사된 제1반응 가스에 포함된 제1반응 물질은 기판(w)의 상부면에 화학적으로 흡착되어 단일 원자 층을 형성한다. 제2샤워헤드(320b)를 통해 기판상으로 분사되는 퍼지 가스는 기판(w) 상에 화학적으로 흡착되지 않은 제1반응 물질을 제거한다. 여기서, 화학적으로 흡착되지 않은 제1반응 물질은 기판(w) 상에 물리적으로 흡착된 제1반응 물질을 의미한다. 계속해서, 제3샤워헤드(320c)는 기판상으로 제2반응 물질을 포함하는 제2반응 가스를 공급하고, 제2반응 물질은 기판(w) 상에 형성된 단일 원자층과 반응하여 목적하는 원자층 단위의 박막을 형성한다. 단일 원자층 상에 물리적으로 흡착된 제2반응 물질은 후속하는 퍼지 가스의 공급 및 진공 펌프의 작동에 의해 공정 챔버(110 )로부터 배출된다.

제1-4샤워헤드(320a-320d)는 90도씩 6회전을 하면서 가스를 4회 분사하게 된다. 즉, 제1샤워헤드(320a)는 처음 시작부터 제3회전까지 가스 분사가 이루어지고, 제2샤워헤드(320b)는 제1회전부터 제4회전까지 가스 분사가 이루어지며, 제3샤워헤드(320c)는 제2회전부터 제5회전 그리고 제4샤워헤드(320d)는 제3회전부터 제6회전까지 가스 분사가 이루어지며, 가스 분사는 정지된 상태에서 이루어진다. 이처럼, 4장의 기판에는 제1반응가스와 퍼지가스, 제2반응가스 그리고 퍼지가스 순으로 가스가 분사된다.

인젝터 가이드(380)는 제1-4샤워헤드(320a-320d) 각각에 설치된다. 제1샤워 헤드(320a)에 설치된 인젝터 가이드(380)을 일예로 설명하면, 도 5 및 도 6에서와 같이 인젝터 가이드(380)는 원통형상으로 제1샤워헤드(320a)에 업다운 가능하게 설치되며, 제1샤워헤드(320a)에는 인젝터 가이드(380)를 업다운 시키기 위한 가이드 승강부(390)가 설치되어 있다. 즉, 인젝터 가이드(380)는 가이드 승강부(390)에 의해 업다운되어 기판과의 간격을 조정할 수 있다. 인젝터 가이드(380)는 샤워헤드로부터 분사되는 가스가 기판으로 제공되도록 하고 주변으로 확산되어 흩어지는 것을 방지하여 가스의 반응도를 높일 수 있다. 인젝터 가이드(380)는 기판보다 약간 크게 구성하여 기판을 완전히 감쌀 수도 있다.

본 발명은 적어도 상이한 2개의 기체(가스)를 기판상에 순차적으로 분사하여 기판 표면을 처리하는 설비에도 적용 가능하다. 그러한 실시예 중에서 바람직한실시예로 원자층 증착 공정에서 사용되는 배치식 원자층 증착 장치를 예를 들어 설명한 것으로, 본 발명은 고밀도 플라즈마(HDP)를 이용한 박막 증착 장치에도 적용할 수 있으며, 플라즈마를 사용한 증착 장치에 사용되기 위해서는 공정 챔버의 상부에 플라즈마 발생 수단이 추가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 구동부가 분사부재에 연결되어 제1 내지 제4샤워헤드를 회전시키는 것으로 도시하고 설명하였으나, 구동부는 분사부재가 아닌 지지부재에 연결되어 지지부재를 회전시킬 수 도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 구성도이다.

도 3 및 도 4는 지지부재와 분사부재를 보여주는 사시도 및 평면도이다.

도 5는 제1샤워헤드에 설치된 인젝터 가이드를 보여주는 사시도이다.

도 6은 제1샤워헤드에 설치된 인젝터 가이드를 보여주는 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 공정 챔버

200 : 지지부재

300 : 분사부재

380 : 인젝터 가이드

400 : 구동부

Claims

원자층 증착 장치에 있어서:

공정 챔버;

상기 공정 챔버에 설치되는 그리고 복수의 기판이 놓여지는 지지부재; 및

상기 지지부재에 놓여진 복수의 기판들 각각으로 가스를 분사하는 분사부재를 포함하되;

상기 분사부재는

구동부에 의해 회전되는 샤프트;

상기 샤프트의 일단으로부터 연장되는 지지대들;

상기 지지대들 각각에 설치되고, 외부의 가스 공급부로부터 제공받은 가스들을 기판들 각각에 대응하는 위치에서 기판의 처리면 전체에 분사하는 샤워헤드들;

상기 샤워헤드들 각각에 설치되고 가스가 기판으로 제공되도록 가스를 안내하는 원통형상의 인젝터 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 분사부재는

상기 인젝터 가이드와 기판 간의 간격을 조절하기 위해 상기 인젝터 가이드를 업다운 시키는 가이드 승강부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.