KR20120079443A - 박막 증착 방법 및 박막 증착 장치 - Google Patents
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Abstract
밸브 조작이 필요 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있으면서 종래보다 높은 생산성으로 박막을 증착할 수 있는 박막 증착 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 원료가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되는 가스 분사부;를 구비하며, 상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법이다. 이 경우, 상기 혼합가스 공급기는 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이에 오도록 배치된다. 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시킨 다음, 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 혼합가스, 반응가스 및 혼합가스를 동시에 공급하여 박막을 증착한다.
Description
본 발명은 반도체 제조 공정 중 박막을 증착하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한 번의 공정으로 복수의 기판에 박막을 증착하는 방법에 관한 것이다.
박막 제조 공정에 있어서, 박막의 물성을 더욱 향상시키고자 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD) 또는 싸이클릭 화학기상증착법(cyclic chemical vapor deposition, cyclic CVD)이 연구되고 있다.
ALD의 원리는 다음과 같다. 제1 원료가스가 증기 상태로 반응기 내로 공급되면 기판 표면과의 반응을 통해 단원자층이 화학 흡착이 된다. 표면이 포화되면 단원자층 이상의 제1 원료가스는 동일한 리간드 간의 비반응성으로 인해 물리 흡착 상태에 있게 된다. 이 물리 흡착 상태의 제1 원료가스는 퍼지가스에 의해서 제거된다. 이 첫 번째 층은 제2 원료가스가 공급되면 리간드 상호간 치환반응을 통해 두 번째 층이 성장하고 첫번째 층과 반응하지 못한 제2 원료가스는 물리 흡착 상태에 있게 되어 퍼지가스에 의해 제거된다. 그리고 이 두번째 층의 표면은 제1 원료가스와 반응할 수 있는 상태에 있게 된다. 이것이 한 싸이클을 이루고 여러 싸이클의 반복에 의해 박막이 증착되는 것이다.
ALD 반응이 반응기 내에서 안정적으로 유지되기 위해서는 제1 원료가스와 제2 원료가스가 기상에서 서로 혼합하지 못하도록 분리되어서 반응기 내에 공급되어야 한다. 현재 일반적인 방법은 이를 위해서 각각 다른 가스 공급 라인(line)을 이용하여 제1 원료가스와 제2 원료가스를 시간 차이를 두고 반응기 내로 공급하는 것이다. 그리고 반응기 내부의 잔존가스를 제거하기 위해 제1 원료가스와 제2 원료가스의 공급 사이사이에 퍼지가스를 별도로 공급하는 방법을 사용한다. 이와 같이 제1 원료가스, 제2 원료가스 및 퍼지가스를 시간 차이를 두고 공급하기 위해 밸브(valve)를 이용하게 된다.
ALD에서 높은 증착 속도를 얻고 원료가스의 낭비를 막기 위해서는 원료가스들의 표면 포화시간(saturation time)만큼만 원료가스를 공급하는 것이 바람직하다. 그런데 표면 포화시간은 보통의 경우 1초 미만이므로 밸브를 짧은 시간 내에 여러 번 작동해야 한다. 이와 같이 밸브를 짧은 시간에 여러 번 작동하게 되면 밸브의 수명이 급격히 단축되는 문제점이 발생한다. 그리고 전체 공정 시간은 여분의 원료가스들을 빠르게 배기시킬 수 있는 가에도 영향을 받게 되는데 배기가 불량한 가스를 사용하게 되면 전체 공정시간이 길어지는 문제점이 있다.
원료가스의 종류가 증가하게 될 경우 원료가스를 반응기 안으로 공급하기 위하여 복잡한 가스 공급 라인과 이를 조절하기 위한 다수의 밸브를 설치해야 하므로 비용의 증가와 설치공간 확보의 문제가 발생하게 된다. 그리고 원료가스의 공급을 조절하기 위한 하드웨어와 소프트웨어의 용량이 증가해야 한다. 또한 반응기 내로 공급되는 각각의 원료가스의 양과 퍼지가스의 양이 달라 반응기 내의 압력이 수시로 변화하여 공정의 안정성이 문제가 될 수 있다.
결국 밸브의 복잡성과 빈번한 밸브의 작동은 밸브의 수명을 단축시키는 것과 함께 장비의 유지보수 비용을 증가시키며, 장비보수에 따른 장비의 셧다운(shut down) 시간이 증가하게 되어 생산성이 떨어지게 된다.
한편, 기존 반도체 소자에 사용되고 있는 금속 박막은 저항 값이 낮아 기판의 뒷면에 증착이 되면 리프팅(lifting) 및 반도체 소자의 전기적 저하를 야기하기 때문에 기판의 뒷면에 증착되지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 대부분의 금속 증착 장치는 기판의 앞면에만 증착이 행해지도록 퍼니스(furnace) 형태의 챔버가 아닌 매엽식(single) 챔버에서 구현되고 있다. 그러나 금속 박막을 매엽식 챔버에서 ALD 또는 싸이클릭 CVD로 증착하게 되면 증착시간이 길어져 낮은 생산성을 갖는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 밸브 조작이 필요 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있으면서 종래보다 높은 생산성으로 박막을 증착할 수 있는 박막 증착 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 박막 증착 방법은 가스 분사부와 기판 지지부를 상대 회전시키면서 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 것이다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 원료가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되는 가스 분사부;를 구비하며, 상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법이다. 이 경우, 상기 혼합가스 공급기는 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이에 오도록 배치된다.
먼저 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시킨 다음, 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 혼합가스, 반응가스 및 혼합가스를 동시에 공급하여 박막을 증착한다.
상기 박막 증착 장치는 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기 사이에 배치되어 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 복수의 퍼지가스 공급기를 구비하고, 상기 박막을 증착하는 단계에서 상기 원료가스 및 상기 혼합가스와 반응가스 중 적어도 어느 하나와 함께 상기 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착할 수도 있다.
상기 복수의 기판은 상기 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것이 바람직하며, 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기도 각각 상기 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 각각의 기판에 대하여 1회 회전으로 원료가스, 혼합가스, 반응가스 및 혼합가스 순으로 공급되도록 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기를 배치할 수 있다. 퍼지가스를 더 이용하는 경우에는, 각각의 기판에 대하여 1회 회전으로 원료가스, 퍼지가스, 혼합가스, 퍼지가스, 반응가스, 퍼지가스, 혼합가스 및 퍼지가스 순으로 공급되도록 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기, 혼합가스 공급기 및 퍼지가스 공급기를 배치할 수 있다.
상기 원료가스 공급기는 두 개 이상 구비되면서 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기 사이에 반응가스 공급기가 배치되며 상기 원료가스 공급기와 와 반응가스 공급기 사이 중 적어도 한 곳에 상기 혼합가스 공급기가 배치되도록 할 수 있다. 이렇게 하면 한번의 회전으로 두 번 이상의 막 증착 공정이 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 원료가스는 Ru 소스이고 상기 반응가스는 산화가스이다. 상기 반응기 압력은 0.1torr ~ 10torr 사이로 하고, 상기 Ru 소스는 Ru이 포함된 유기 화합물이며, 상기 산화가스는 O2, H2O, O3 및 H2O2 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 혼합가스 중 반응가스는 상기 혼합가스 중 불활성가스 대비 1~50%일 수 있다.
본 발명에 따른 박막 증착 장치는 내부에 공간이 형성되는 반응기; 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부의 상방에 설치된 상측 플레이트와 상기 상측 플레이트의 둘레 방향을 따라 배치되는 복수의 가스 공급기를 구비하는 가스 공급부를 포함하고, 상기 복수의 가스 공급기는 원료가스를 상기 기판 지지부 상의 원료가스 영역으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상의 반응가스 영역으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상의 혼합가스 영역으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기의 사이에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 원료가스 공급기와 상기 반응가스 공급기는 서로 상측 플레이트의 중심을 기준으로 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이의 양측에 각각 상기 혼합가스 반응기가 배치될 수도 있다.
또한, 상기 원료가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이 및 상기 반응가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이에 퍼지가스 공급기가 더 배치될 수도 있다.
상기 원료가스 영역 및 상기 반응가스 영역 중 적어도 어느 하나의 면적 보다 상기 혼합가스 영역의 단면적이 더 클 수도 있다.
본 발명에 따르면, 밸브의 조작 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있게 된다. 또한, 한 번에 여러 개의 기판을 처리할 수 있으면서도 배치 타입과는 다른 방식이므로 금속 박막과 같이 저항 값이 낮은 박막을 증착할 때 기판 뒷면이 오염될 우려가 없으며 1장의 기판만을 처리하는 종래의 매엽식보다 높은 생산성으로 증착할 수 있게 된다.
특히 본 발명에 따르면, 원료가스와 반응가스의 혼합가스를 이용해 박막을 증착하는 경우에 RuO2 박막 증착에 있어 탁월한 효과가 있다. 소스 영역이 아닌 부분에서는 초기 불활성 가스와 산화가스를 섞어서 기판에 공급하게 되므로 Ru이 성장하는 것을 방지하고 산화가스 영역에서는 산화가스의 양을 조절하여 RuO2 박막을 치밀하게 만들 수 있다.
도 1은 본 발명에 이용되는 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에서 기판이 회전하면서 공급받게 되는 가스 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에서 기판이 회전하면서 공급받게 되는 가스 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 또 다른 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에서 기판이 회전하면서 공급받게 되는 가스 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에서 기판이 회전하면서 공급받게 되는 가스 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 또 다른 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
종래의 ALD나 싸이클릭 CVD는 가스 공급이 밸브의 조작을 통해 이루어지는 방식이므로, 공정이 복잡하게 되고, 밸브의 잦은 동작에 따라 밸브의 수명이 단축되는 것과 함께 장비의 유지보수 비용이 증가하게 된다. 이와 같은 단점을 개선하기 위해, 본 발명에서는 밸브의 동작 없이 ALD나 싸이클릭 CVD가 구현 가능한 박막 증착 장치를 이용한다. 이러한 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 도 1에 나타내었다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도로서 본 발명 제1 실시예에 따른 구성이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 박막 증착 장치(100)는 반응기(110), 기판 지지부(120) 및 가스 분사부(130)를 구비한다.
반응기(110)는 바닥부(111), 외벽부(112) 및 상측 플레이트(113)를 구비한다. 바닥부(111)는 원판의 형상으로 이루어져 있고, 외벽부(112)는 바닥부(111)의 가장자리로부터 상방으로 수직하게 연장 형성되어 폐곡면 형상으로 이루어져 있다. 그리고 외벽부(112)에는 기판이 출입하는 기판 이송통로(도면 미도시)가 형성되어 있다. 상측 플레이트(113)는 원판 형상으로 이루어져 있고, 외벽부(112)의 상면에 분리 가능하게 결합된다. 상측 플레이트(113)가 외벽부(112)의 상면에 결합되면 반응기(110) 내부에 일정한 공간이 형성되며, 특히 기판 지지부(120)의 상방으로 기판 지지부(120)와 가스 분사부(130)의 사이에 박막 증착공간(140)이 형성된다. 상측 플레이트(113)의 하면과 외벽부(112)의 상면 사이에는 오링(O-ring)(도면 미도시) 등과 같은 밀폐부재가 개재된다. 그리고 반응기(110) 내부에 잔존하는 불필요 가스 및 파티클을 배출하기 위한 배기구(도면 미도시)가 바닥부(111) 또는 외벽부(112)에 형성되어 있다.
기판 지지부(120)는 반응기(110) 내부에 설치되며, 서셉터(121), 기판 안착부(122), 샤프트(123) 및 히터(도면 미도시)를 구비한다. 서셉터(121)는 원판의 형상으로 반응기(110) 내부에 회전 가능하게 설치되어 있다. 서셉터(121)의 상면에는 기판 안착부(122)가 2개 이상의 복수 개 형성되어 있으며 본 실시예에서는 6개인 경우를 예로 들었다. 기판 안착부(122)는 기판 지지부(120) 상면의 둘레방향을 따라 배치되고, 각 기판 안착부(122)에는 기판(w1 ~ w6)이 안착된다. 샤프트(123)는 양단부 중 일단부가 서셉터(121)의 하면과 결합되어 있고, 타단부가 반응기(110)를 관통하여 예컨대, 모터(도면 미도시) 등의 회전 구동수단과 연결되어 있다. 따라서 샤프트(123)가 회전함에 따라 서셉터(121)가 도 1에 도시된 회전 중심축(A)을 중심으로 회전하게 된다. 또한 샤프트(123)는 서셉터(121)가 승강이 가능하도록 하는 승강 구동수단과 연결되어 있다. 승강 구동수단으로는 예컨대, 모터 및 기어 조립체(도면 미도시) 등이 있다. 히터(도면 미도시)는 서셉터(121) 아래에 매설되어 기판(w1 ~ w6)의 온도를 조절한다.
가스 분사부(130)는 기판 지지부(120)의 상방에 설치된 상측 플레이트(113)에 결합되며, 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155)를 구비한다. 가스 공급기(151, 152, 153, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되며 그 개수 및 위치 관계 등은 변경이 가능하다. 가스 공급기(155)는 기판 지지부(120)의 중앙부분을 통해 미반응된 가스가 혼합되지 않도록 퍼지가스를 공급할 수 있는 장치이다.
가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155) 영역별로 가스 종류를 다르게 할 경우 서셉터(121)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)은 회전하면서 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155) 하방을 지나게 되면서 그로부터 각각의 가스를 만나게 된다. 기판 지지부(120)의 회전을 제어할 경우 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스와 만나는 시간을 조절할 수 있으며, 또한 회전수를 조절하여 원하는 두께의 박막을 제어할 수 있게 된다.
본 실시예에서 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155)는 공급되는 가스의 종류에 따라, 전구체와 같은 원료가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 원료가스 공급기(151)와 전구체의 중심원소와 반응하여 반응물을 형성하는 반응가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 반응가스 공급기(152), 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 혼합가스 공급기(153)와 퍼지가스를 공급하거나 아니면 가스를 아무 것도 공급하지 않는 퍼지가스 공급기(154, 155)로 구분된다. 불활성 가스로 Ar, N2, He가 사용될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 모양과 크기가 동일한 블록 단위 개념의 유닛, 본 실시예에서는 12개의 유닛이 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되고, 인접한 유닛을 두 개 이상, 예컨대 3개를 묶어 하나의 혼합가스 공급기(153)로 구성할 수 있다. 이러한 구성은 후술하는 제2 실시예에서와 같이 원료가스 공급기(151)와 반응가스 공급기(152)에도 동일하게 적용될 수 있다. 가스를 공급하는 단위 유닛이 여러 개 연이어 배열되어 있거나, 가스를 공급하는 단위 유닛 사이에 퍼지가스 공급기가 배치된 경우에도 이를 하나의 군으로 보아 하나의 가스 공급기라고 정의할 수도 있다.
한편, 원료가스 공급기(151)를 통해 공급되는 원료가스 영역이나 반응가스 공급기(152)를 통해 공급되는 반응가스 영역의 단면적(수평면의 면적)보다 혼합가스 공급기(153)를 통해 공급되는 혼합가스 영역의 단면적을 크게 할 수 있다. 이는 반응가스와 불활성 가스를 함께 공급하는 혼합가스 영역의 단면적을 충분히 확보하기 위함이다. 예를 들어, 단일 혼합가스 공급기의 크기 자체를 크게 하여 혼합가스 영역의 단면적을 증가시킬 수 있고, 모양과 크기가 동일한 블록 단위 개념의 유닛을 사용하여 인접한 유닛을 복수 개 묶어 하나의 혼합가스 공급기로 구성하여 혼합가스 영역의 단면적을 증가시킬 수도 있다. 이때, 원료가스 영역이나 반응가스 영역과 혼합가스 영역의 면적비는 1:1 내지 1:2 범위인 것이 바람직하다. 만약, 혼합가스 영역이 반응가스 영역보다 작을 경우, 원치 않은 박막이 증착될 수 있다. 예를 들어 RuO2 박막을 형성하는 경우, 원료가스 공급부에서 Ru 소스를 분사하고, 혼합가스 공급부에서는 불활성가스와 산화가스(Ar + O 가스)를 공급하여RuO2 초기 박막을 증착하고, 반응가스 공급부에서 Ru를 산화시킬 수 있는 산화가스를 공급함으로써 막질이 단단한 RuO2 박막을 증착할 수 있다.또한, 가스 공급기(151, 152, 153, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되는데, 본 실시예에서는 하나의 원료가스 공급기(151)와 하나의 반응가스 공급기(152)가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이에 혼합가스 공급기(153)가 양측으로 하나씩 총 2개 배치되어 있다. 그리고 퍼지가스 공급기(154)는 각각의 가스 공급기(151, 152, 153) 사이에 배치되어, 전구체 및 반응가스와 같은 공정가스를 퍼지하는 퍼지가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하여 박막형성공간(140)에 잔류하는 미반응된 가스를 반응기(110) 외부로 배출시킴으로써, 기판 지지부(120) 상에서 미반응된 가스가 혼합되지 않도록 한다. 그러나 퍼지가스 공급기(154)는 앞서 언급한 바와 같이 퍼지가스가 공급되지 않은 채 블랭크 샤워헤드(blank showerhead) 개념으로 이용될 수도 있다.
이와 같이, 가스 분사부(130)가 고정되어 있고, 기판 지지부(120)가 회전 가능하게 설치되어, 기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153, 154)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 기판(w1)의 경우 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)를 통해 원료가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 -> 반응가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 순으로 공급을 받게 되며 퍼지가스 공급기(154)를 통해 퍼지가스를 공급하는 경우에는 각 단계 사이에 퍼지가스가 공급되어 ALD를 구현할 수 있다. 퍼지가스 공급기(154)에 퍼지가스를 공급하지 않는 경우에는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있다. 혼합가스 중 반응가스는 혼합가스 중 불활성가스 대비 1~50%일 수 있다.
따라서 도 1에 도시된 박막 증착 장치(100)를 이용하면, 밸브의 조작 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있게 된다. 또한, 한 번에 여러 개의 기판을 처리할 수 있으면서도 배치 타입과는 다른 방식이므로 금속 박막과 같이 저항값이 낮은 박막을 증착할 때 기판 뒷면이 오염될 우려가 없으며 1장의 기판만을 처리하는 종래의 매엽식보다 높은 생산성으로 증착할 수 있게 된다.
특히 이러한 장치 구성과 이를 이용한 박막 증착 방법은 RuO2 박막 증착에 있어 탁월한 효과가 있다. Ru 소스의 경우 산화제 조절에 따라서 RuO2도 성장하고 Ru도 성장할 수 있는 특성을 가지고 있다. 이에 Ru 소스를 사용하여 Ru이 아닌 RuO2를 형성시키기 위해서는 산화제의 조절이 매우 중요하다.
반응기(110) 압력을 0.1torr ~ 10torr 사이로 하고, 원료가스로는 Ru 소스를, 반응가스로는 Ru 소스를 산화시킬 수 있는 산화제로서 산화가스를 공급하면, 기판(w1)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153) 하방을 순차적으로 통과할 때 Ru 소스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 산화가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 순으로 공급을 받게 된다. 산화가스는 O2, H2O, O3 및 H2O2 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. Ru 소스는 Ru이 포함된 유기 화합물일 수 있다. 예컨대 DER, Ru(EtCp)2, Ru(OD)3 등이 될 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 이러한 경우의 가스 공급 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
기판(w1)이 원료가스 공급기(151) 하방을 지나는 동안 먼저 Ru 소스를 공급받는다(t1). 기판(w1)은 회전하면서 원료가스 공급기(151)와 혼합가스 공급기(153) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t2). 이 때 퍼지가스를 공급하면 도 3b와 같은 ALD가 구현되고 퍼지가스를 공급하지 않으면 도 3a와 같은 싸이클릭 CVD가 구현된다. 계속하여 기판(w1)은 회전하면서 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 이 때 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(t3). 기판(w1)은 계속 회전하면서 혼합가스 공급기(153)와 반응가스 공급기(152) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t4). 다음에 기판(w1)은 회전하면서 반응가스 공급기(152) 하방에 온다. 이 때 산화가스가 기판(w1)에 공급된다(t5). 다음에 기판(w1)은 반응가스 공급기(152)와 혼합가스 공급기(153) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t6). 기판(w1)은 계속 회전하면서 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 다시 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(t7). 그런 다음 기판(w1)은 혼합가스 공급기(153)와 원료가스 공급기(151) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t8).
이렇게 하여 Ru 소스, 불활성 가스 그리고 산화가스가 동시에 공급되지만 공간 분할에 따른 구성과 기판(w1 ~ w6)의 회전에 따라 Ru 소스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 산화가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 순으로 기판(w1 ~ w6)에 공급이 이루어지거나 Ru 소스 -> 퍼지가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 퍼지가스 -> 산화가스 -> 퍼지가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 퍼지가스 순으로 기판(w1 ~ w6)에 공급이 이루어진다. 따라서, 소스 영역이 아닌 부분에서는 초기 불활성 가스와 산화가스를 섞어서 기판(w1 ~ w6)에 공급하게 되므로 Ru이 성장하는 것을 방지하고 산화가스 영역에서는 산화가스의 양을 조절하여 RuO2 박막을 치밀하게 만들 수 있다. 여기에서 반응기(110)의 상태에 따라서 각각 Ru 소스, 불활성 가스와 산화가스의 영역을 조절할 수 있으며, 산화가스 영역의 산화가스량과 불활성 가스 + 산화가스 영역의 산화가스는 불활성 가스의 양에 따라서 서로 같을 수도 다를 수도 있다.
단계 t1 내지 t8로 이루어진 싸이클을 반복하여, 기판(w1 ~ w6)의 회전수를 조절하면 원하는 두께의 RuO2를 성장시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도로서 제2 실시예에 따른 구성이다.
도 4를 참조하면, 가스 분사부(130)는 도 2에서와 같은 퍼지가스 공급기(154)없이 가스 공급기(151, 152, 153, 155)만 구비한다.
원료가스 공급기(151), 반응가스 공급기(152) 및 혼합가스 공급기(153) 각각은 인접한 유닛을 3개 묶어 하나의 가스 공급기로 구성한 것이다. 기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 기판(w1)의 경우 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)를 통해 원료가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 -> 반응가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 순으로 공급을 받게 되며 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 가스 공급 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
원료가스로 Ru 소스, 반응가스로 Ru 소스를 산화시킬 수 있는 산화가스를 공급하는 경우, 기판(w1)이 원료가스 공급기(151) 하방에 있는 동안 먼저 Ru 소스를 공급받는다(s1). 기판(w1)은 회전하면서 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 이 때 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(s2). 기판(w1)은 계속 회전하면서 반응가스 공급기(152) 하방에 온다. 이 때 산화가스가 기판(w1)에 공급된다(s3). 다음에 기판(w1)은 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 다시 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(s4).
본 실시예의 원료가스 공급기(151)와 반응가스 공급기(152)가 제1 실시예에 비하여 넓어져, 본 실시예의 Ru 소스 공급(s1) 및 산화가스 공급(s3)이 제1 실시예의 Ru 소스 공급(t1) 및 산화가스 공급(t5)에 비하여 길다. 이와 같이 가스 공급기의 유닛 구성에 따라 각 단계의 지속 시간은 적절히 변경될 수 있다.
도 6은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 또 다른 단면도로서 제3 실시예에 따른 구성이다.
도 6을 참조하면, 가스 분사부(130)는 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155)를 포함한다. 가스 공급기(151, 152, 153, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되는데, 본 실시예에서는 두 개의 원료가스 공급기(151)가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이에 혼합가스 공급기(153)와 반응가스 공급기(152)가 각각 하나씩 양측으로 총 2개 배치되어 있다.
기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153, 154)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 두 기판(w1, w4)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)를 통해 원료가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 -> 반응가스 순으로 공급을 받게 된다. 바꾸어 말하면 가스 분사부(130)에 반복되는 영역을 구현하여 기판(w1 ~ w6)이 한 바퀴 돌 때 공정이 두 번 반복이 될 수 있도록 변경한 것이다. 물론 가스 분사부(130)에 반복되는 영역의 수를 조절하면 한 바퀴 돌 때 세 번 이상 반복이 되도록 하는 것도 가능하다.
그러나 본 발명에 따른 박막 증착방법은 도 1에 도시된 박막 증착 장치(100)에 한정된 것은 아니고, 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치된 박막 증착 장치이면 다른 박막 증착 장치를 이용할 수 있다. 이때, 기판 지지부는 반응기 내부에 설치되고 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있다. 그리고 가스 분사부는 방사형으로 배치된 원료가스 공급기, 반응가스 공급기, 불활성가스와 반응가스의 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급기 및 퍼지가스 공급기를 구비한다. 원료가스 공급기는 원료가스를 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 공급장치이고, 반응가스 공급기는 원료가스와 반응하는 반응가스를 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 공급장치이다. 퍼지가스 공급기는 원료가스와 반응가스를 퍼지하는 퍼지가스를 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 공급장치로서, 원료가스 공급기, 혼합가스 공급기 및 반응가스 공급기 각각의 사이에 배치된다. 바람직하게는 가스 분사부는 동일한 개수의 원료가스 공급기와 반응가스 공급기를 구비하고, 원료가스 공급기와 반응가스 공급기는 각각 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되며, 혼합가스 공급기는 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이에 오도록 하는 것이 바람직하다. 두 개 이상의 원료가스 공급기가 구비되는 경우 원료가스 공급기들은 각각 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되며, 원료가스 공급기들 사이에 반응가스 공급기가 오고, 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이 중 적어도 한 곳에 혼합가스 공급기가 오도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 기판안착부는 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 형성되는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 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.
100 : 박막 증착 장치 110 : 반응기
120 : 기판 지지부 130 : 가스 분사부
151, 152, 153, 154, 155 : 가스 공급기
120 : 기판 지지부 130 : 가스 분사부
151, 152, 153, 154, 155 : 가스 공급기
Claims (12)
- 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및
상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 원료가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기의 사이에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 가스 분사부;를 구비하며,
상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로,
상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계; 및
상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 원료가스, 혼합가스 및 반응가스를 동시에 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. - 제1항에 있어서,
상기 박막 증착 장치는 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기 사이에 배치되어 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 복수의 퍼지가스 공급기를 구비하고, 상기 박막을 증착하는 단계에서 상기 원료가스, 혼합가스 및 반응가스와 함께 상기 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 기판은 상기 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. - 제3항에 있어서,
상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기는 각각 상기 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 원료가스 공급기는 두 개 이상 구비되면서 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기 사이에 반응가스 공급기가 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이 중 적어도 한 곳에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. - 제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 원료가스는 Ru 소스이고 상기 반응가스는 산화가스인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. - 제6항에 있어서,
상기 Ru 소스는 Ru이 포함된 유기 화합물이며, 상기 산화가스는 O2, H2O, O3 및 H2O2 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. - 제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 혼합가스 중 반응가스는 상기 혼합가스 중 불활성 가스 대비 1~50%인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. - 내부에 공간이 형성되는 반응기;
반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및
상기 기판 지지부의 상방에 설치된 상측 플레이트와 상기 상측 플레이트의 둘레 방향을 따라 배치되는 복수의 가스 공급기를 구비하는 가스 공급부를 포함하고,
상기 복수의 가스 공급기는 원료가스를 상기 기판 지지부 상의 원료가스 영역으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상의 반응가스 영역으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상의 혼합가스 영역으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기의 사이에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치. - 제9항에 있어서,
상기 원료가스 공급기와 상기 반응가스 공급기는 서로 상측 플레이트의 중심을 기준으로 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이의 양측에 각각 상기 혼합가스 반응기가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치. - 제9항에 있어서,
상기 원료가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이 및 상기 반응가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이에 퍼지가스 공급기가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치. - 제9항 내지 제11항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 원료가스 영역 및 상기 반응가스 영역 중 적어도 어느 하나의 면적 보다 상기 혼합가스 영역의 단면적이 더 큰 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
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