KR20120081741A - 박막 증착 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 챔버 내에 리액턴트 가스 공급을 차단하고 소스 가스를 공급하는 A단계; 상기 챔버 내에 상기 소소 가스 공급을 차단하고 상기 리액턴트 가스를 공급하는 B단계; 및 상기 A단계와 B단계 사이에서, 상기 챔버 내에 소스 가스 및 리액턴트 가스 공급을 차단하고 상기 챔버 내부를 배기하는 C단계를 포함하여 이루어지고, 상기 A단계 및 B단계에서 상기 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 박막 증착 방법을 제공한다.
Description
실시예는 반도체 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 챔버 내에서 박막을 증착하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 공정이 더욱 미세화되면서 박막의 두께가 얇아져 이들의 정밀한 제어가 필요하게 되고, 특히 반도체 소자의 유전막, 액정 표시 소자의 투명한 도전체 또는 전자 발광 박막 표시 소자(electroluminescent thin film display)의 보호층 등 다양한 부분에서, 더욱 미세한 구조의 박막을 증착할 필요가 있다.
CVD(Chemical vapor deposition, 화학 기상 증착)법은 빠른 증착 속도를 가지고 있으나, 증착 물질의 화학양론적 성분비율이 올바르지 않게 형성될 수 있으며, 증착물질의 화학양론적 성분 비율이 올바르게 형성되지 않을 수 있으며, 단차 피복(Step coverage) 특성이 나쁜 단점이 있다.
CVD(Chemical vapor deposition, 화학 기상 증착법)의 이러한 한계를 극복하기 위하여, 원자층 단위의 미소한 두께를 가지는 박막을 형성하는 방법으로서 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: 이하 'ALD'라 함)법이 제안되었다.
ALD 증착법은 기판(웨이퍼)에 각각의 반응물을 분리 주입하여 반응물(reactant)이 화학적으로 기판 표면에 포화 흡착되는 반응 사이클을 수차례 반복하여 박막을 형성하는 방법이다. 그리고, ALD 증착법은 자기 표면 반응 제한 메카니즘(Self-surface reaction limited mechanism)을 이용한다.
ALD 증착법은 증착 물질의 화학 양론적 성분비가 매우 우수하여 우수한 박막특성을 보이고 단차 피복특성 또한 우수하나, 매우 낮은 증착 속도로 인해 양산에 적용하기에는 어려운 단점이 있다.
ALD 증착법의 상술한 문제점을 극복하기 위하여 Pseudo ALD 증착법이 도입되었다.
Pseudo ALD 증착법의 공정은 원료 물질을 챔버 내에 공급한 후에 연속하여 반응 물질을 챔버 내에 공급하고 있다. Pseudo ALD 증착법은 종래의 ALD 증착법에 비하여 매우 높은 증착 속도를 가지고 있으나, 원료 물질과 반응 물질 간의 불안정한 기상 반응에 의하여 헤이즈(haze)성 박막이 형성될 수 있다. 또한, 형성된 박막의 단차 피복특성도 단차 하부보다 단차 상부 부분에 높은 증착 속도를 보여서, 나쁜 단차 피복특성을 나타낼 수 있고, 또한 높은 증착 속도로 인해 표면 거칠기도 크게 나타날 수 있다.
실시예는, 상술한 CVD 증착법과 ALD 증착법 및 Pseudo 증착법의 장점을 함께 가지는 박막 증착 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로, CVD법에서 박막의 단차 피복 특성이 나쁜 점을 개선하고, ALD 증착법에서 박막 증착 속도의 지연을 개선하고, Pseudo ALD 증착법에서 원료 물질과 반응 물질 간의 불안정한 기상 반응에 의하여 헤이즈(haze)성 박막이 형성됨을 방지하고자 한다.
실시예는 챔버 내에 리액턴트 가스 공급을 차단하고 소스 가스를 공급하는 A단계; 상기 챔버 내에 상기 소소 가스 공급을 차단하고 상기 리액턴트 가스를 공급하는 B단계; 및 상기 A단계와 B단계 사이에서, 상기 챔버 내에 소스 가스 및 리액턴트 가스 공급을 차단하고 상기 챔버 내부를 배기하는 C단계를 포함하여 이루어지고, 상기 A단계 및 B단계에서 상기 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 박막 증착 방법을 제공한다.
여기서, 상기 C단계에서 상기 챔버 내에 상기 퍼지 가스를 공급할 수 있다.
그리고, 상기 C단계에서 상기 챔버 내에 공급하는 퍼지 가스의 양은 상기 A단계 또는 B단계에서 상기 챔버 내에 공급하는 퍼지 가스의 양보다 적을 수 있다.
그리고, 상기 C단계에서 상기 챔버 내에 상기 퍼지 가스의 공급을 중단하고 상기 챔버를 배기할 수 있다.
그리고, 상기 C단계는 상기 A단계의 실행 후 상기 B단계의 실행 전에 실행될 수 있다.
그리고, 상기 C단계는 상기 B단계의 실행 후 상기 A단계의 실행 전에 실행될 수 있다.
그리고, 상기 A단계와 상기 B단계는 주기적으로 실행될 수 있다.
또한, 상기 챔버 내의 특정 영역에 상기 소스 가스와 리액턴트 가스 및 퍼지 가스를 교번하여 공급할 수 있다.
다른 실시예는 피처리물의 안치 수단이 구비된 챔버; 상기 챔버에 소스 가스를 공급하는 소스 가스 공급부; 상기 소스 가스 공급부와 교번하여 상기 챔버에 리액턴트 가스를 공급하는 리액턴트 가스 공급부; 및 상기 챔버에 상기 소스 가스 및 리액턴트 가스와 함께 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부를 포함하고, 상기 소스 가스 공급부와 상기 리액턴트 가스 공급부는 서로 기설정된 시간 간격을 갖고 상기 챔버에 소스 가스와 리액턴트 가스를 각각 공급하고, 상기 기설정된 시간에서 상기 챔버 내의 가스가 배기되는 박막 증착 장치를 제공한다.
여기서, 상기 기설정된 시간 간격에서 상기 챔버와 상기 퍼지 가스 공급부 사이의 밸브가 열릴 수 있다.
그리고, 상기 기설정된 시간 간격에서 상기 챔버와 상기 퍼지 가스 공급부 사이의 밸브가 일부 닫힐 수 있다.
그리고, 상기 기설정된 시간 간격에서 상기 챔버와 상기 퍼지 가스 공급부 사이의 밸브가 열릴 수 있다.
그리고, 상기 소스 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브와, 상기 리액턴트 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브는, 상기 기설정된 시간 간격을 갖고 열릴 수 있다.
그리고, 상기 소스 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브와 상기 리액턴트 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브는 주기적으로 열릴 수 있다.
그리고, 상기 소스 가스 공급부와 리액턴트 가스 공급부 및 퍼지 가스 공급부는 상기 챔버 내의 특정 영역에 각각의 가스를 교번하여 공급할 수 있다.
그리고, 상기 챔버 내에 가스 분사 유닛을 더 포함하고, 상기 가스 분사 유닛은 상기 소스 가스의 분사관과 리액턴트 가스의 분사관 및 퍼지 가스의 분사관이 서로 분리될 수 있다.
그리고, 박막 증착 장치는 상기 챔버 내에서 피처리물에 나란한 방향으로 상기 분사 유닛을 회전하는 회전 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 소스 가스의 분사관과 리액턴트 가스 분사관의 사이에, 상기 퍼지 가스의 분사관이 배치될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 따르면, 소스 가스의 공급과 리액턴트 가스의 공급에서 퍼지 가스가 함께 공급되고, 배기 공정에서 퍼지 가스의 공급량이 조절되며, 가스 공급 유닛의 회전에 의하여 챔버 내의 공간 분할이 이루어져서, 소스 가스와 리액턴트 가스 간의 불안정 기상반응이 효과적으로 억제되어 박막의 우수한 물성 특성을 확보할 수 있으며, 챔버 내부의 공간 전체에서 박막 증착 공정이 촉진되어 박막 증착 속도가 촉진될 수 있다.
도 1은 박막 증착 장치의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2a 및 도 2b는 챔버 내에서 공간을 분할하여 소스 가스와 리액턴트 가스 및 퍼지 가스를 공급하는 것을 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도3d는 박막 증착 방법의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 따라 증착된 박막을 종래와 비교한 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 따라 증착된 박막을, ALD 증착법으로 증착한 박막과 전기적 특성을 비교한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 챔버 내에서 공간을 분할하여 소스 가스와 리액턴트 가스 및 퍼지 가스를 공급하는 것을 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도3d는 박막 증착 방법의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 따라 증착된 박막을 종래와 비교한 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 따라 증착된 박막을, ALD 증착법으로 증착한 박막과 전기적 특성을 비교한 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 박막 증착 장치의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 챔버 내에서 공간을 분할하여 소스 가스와 리액턴트 가스 및 퍼지 가스를 공급하는 것을 나타낸 도면이며, 도 3a 내지 도3d는 박막 증착 방법의 일실시예들을 나타낸 도면이다.
이하에서, 도 1 내지 도 3d를 참조하여 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법의 일실시예들을 설명한다.
실시예에 따른 박막 증착 장치는 반응 공간이 마련된 박막 증착부(100), 상기 박막 증착부(100)와 연결되어 상기 박막 증착부(100)로 박막 형성을 위한 가스들을 공급하는 원료 물질 공급 유닛(200), 원료 물질 공급 유닛(200)과 연결된 기화기 배기 유닛(300) 및 반응 공간 내부를 배기하는 배기 유닛(400)을 포함하여 이루어진다.
상기 박막 증착부(100)는 반응 공간을 가지는 챔버(110), 기판 등의 피처리물이 안치되는 안치 수단(130), 상기 안치 수단(130)과 대향 배치되어 소스 가스, 리액턴트 가스 및 퍼지가스를 분사하는 가스 분사 유닛(120)을 포함하여 이루어진다.
또한, 박막 증착 장치는 상기 가스 분사 유닛(120)과 연결되어 챔버(110) 내에 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부(250) 및 리액턴트 가스를 공급하는 리액턴트 가스 공급부(260)를 포함할 수 있다.
여기서, 챔버(110)는 내부가 비어있는 육면체 형상으로 제작되나, 이에 한정되지 않고 피처리물의 형상에 대응되도록 다양하게 제작될 수 있다.
원료 물질 공급 유닛(200)은 액상의 원료 물질을 공급하는 원료 물질 공급부(210), 상기 원료 물질 공급부(210)로부터 액상의 원료 물질을 기화시키는 기화기(231)를 포함하며, 이를 박막 증착부(100)로 공급하는 소스 가스 공급부(230), 원료 물질 공급부(210)로부터 공급되는 액상의 원료 물질을 기화기(231)로 이동시키기 위한 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부(240)를 포함하여 이루어진다.
원료 물질 공급부(210)는 액상의 원료 물질을 소스 가스 공급부(230)의 기화기(231)로 공급한다. 상기 원료 물질 공급부(210)는 액상의 원료 물질을 저장하는 원료 물질 저장부(211), 일단이 원료 물질 저장부(211)에 연결되고 타단이 소스 가스 공급부(230)와 연결되는 제1 파이프(212) 및 제1 파이프(212)에 설치되어 원료 물질 저장부(211)와 소스 가스 공급부(230) 사이의 연통을 제어하는 제1 밸브(213)를 포함하여 이루어진다. 또한, 원료 물질 저장부(211)와 제1 밸브(213) 사이에 배치되어 원료 물질의 양을 조절하는 유량 조절부(미도시)를 포함할 수 있다.
그리고, 제1 밸브(213)를 및 제1 파이프(212)를 이용하여 원료 물질 저장부(211)와 소스 가스 공급부(230) 사이를 연통시키면, 원료 저장부(211)의 원료 물질이 제1 파이프(212)를 통해 소스 가스 공급부(230)로 공급된다.
상기 캐리어 가스 공급부(240)는 캐리어 가스가 저장된 캐리어 가스 저장부(241), 일단이 캐리어 가스 저장부(241)에 연결되고 타단이 소스 가스 공급부(230)와 연결된 제2 파이프(242) 및 제2 파이프(242)에 설치되어 캐리어 가스 저장부(241)와 소스 가스 공급부(230) 사이의 연통을 제어하는 제2 밸브(243)를 포함하여 이루어진다.
그리고, 제2 밸브(243) 및 제2 파이프(242)를 이용하여 캐리어 가스 저장부(241)와 소스 가스 공급부(230) 사이를 연통시키면, 캐리어 가스 저장부(241)의 캐리어 가스가 제2 파이프(242)를 거쳐 소스 가스 공급부(230)로 이동한다.
그리고, 소스 가스 공급부(230)는 상기 원료 물질 공급부(210)로부터 액상의 원료 물질을 제공받아 기화시키고, 기화된 원료 물질을 박막 증착부(100)로 공급한다.
상기 소스 가스 공급부(230)는 원료 물질을 기화시키는 기화기(231), 일단이 원료 물질 공급부(210)의 제1 파이프(212) 및 캐리어 가스 공급부(240)의 제2 파이프(242)와 연결되고 타단이 기화기(231)와 연결된 원료 물질 주입 배관(232), 일단이 기화기(231)와 연결되고 타단이 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)과 연결된 제3 배관(소스 가스 공급 배관, 233) 및 상기 제3 배관(233)에 설치되어 기화기(231)와 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120) 사이의 경로를 제어하는 제3 밸브(234)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 원료 물질 공급부(210)로부터 제공된 원료 물질은 캐리어 가스 공급부(240)로부터 공급된 캐리어 가스에 의해 원료 물질 주입 배관(232)으로 이동한다. 원료 물질 주입 배관(232)을 통해 기화기(231) 내부로 원료 물질이 주입되면 상기 원료 물질은 필터부(미도시)를 통과하게 통과된다.
여기서, 상기 필터부는 복수의 미세한 홀을 가지도록 형성되어 있고, 원료 물질 주입 배관(232)을 통해 기화기(231)의 내부로 주입되는 액상의 원료 물질은 t상기 필터부의 복수의 미세한 홀을 통과하여 미립자(mist) 상태가 된다.
그리고, 제3 밸브(234) 및 제3 배관(233)을 이용하여 기화기(231)와 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120) 사이가 연결된다. 따라서, 기화기(231)에서 기화된 원료 물질은 상기 제2 배관(233)을 통해 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)으로 이동한다.
상기 리액턴트 가스 공급부(260)는 리액턴트 가스가 저장된 리액턴트 가스 저장부(261), 일단이 리액턴트 가스 저장부(261)와 연결되고 타단이 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)과 연결된 제4 파이프(262) 및 제4 파이프(262)에 설치되어 퍼지가스 저장부(251)와 가스 분사 유닛(120) 사이의 연통을 제어하는 제4 밸브(264)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 리액턴트 가스는 상기 리액턴트 가스 저장부(261)로부터 상기 제4 파이프(262)를 통하여 상기 챔버(110)로 공급된다.
그리고, 상기 소스 가스 공급부(230)와 리액턴트 가스 공급부(260)는 상기 챔버(100)에 연속하여 각각 소스 가스와 리액턴트 가스를 공급할 수 있으나, 기설정된 시간 간격을 갖고 상기 챔버에 소스 가스와 리액턴트 가스를 각각 공급할 수 있는데 이때, 상기 제3 밸브(234)와 제4 밸브(263)는 상기 기설정된 시간 간격을 두고 개폐되어야 한다.
그리고, 퍼지가스 공급부(250)는 퍼지가스가 저장된 퍼지가스 저장부(251), 일단이 퍼지가스 저장부(251)와 연결되고 타단이 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)과 연결된 제5 파이프(252) 및 제5 파이프(252)에 설치되어 퍼지가스 저장부(251)와 가스 분사 유닛(120) 사이의 연통을 제어하는 제5 밸브(253)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 제5 파이프(252)를 통하여 상기 챔버(110) 내로 퍼지 가스가 공급됨은 당연하다.
상기 기화기(231) 내에서 원료 물질이 완전히 기화되지 못하면 열분해되어 파티클을 형성할 수 있다. 따라서, 기화기 배기 유닛(300)을 이용하여 기화기(231) 내부의 파티클을 제거할 수 있다. 여기서, 기화기 배기 유닛(300)은 기화기 배기 펌프(310)과 상기 기화기 배기 펌프(310)를 기화기(231)과 연결하는 제6 밸브(320)를 포함하여 이루어진다.
그리고, 배기 유닛(400)은 상기 챔버(110) 내부를 배기할 수 있는데, 배기 장치(410)과 제7 밸브(420)를 포함하여 이루어진다. 상기 배기 유닛(400)은 후술하는 바와 같이 상기 챔버(110) 내로 소스 가스와 리액턴트 가스를 공급하는 시간 사이에서 작동할 수 있으므로, 상기 제7 밸브(420)는 상기 소스 가스를 공급하는 제3 밸브(234)와 상기 리액턴트 가스를 공급하는 제4 밸브(263)이 클로징(closing)된 상태에서 오픈(open)될 수 있다.
도 2a와 2b는 챔버 내부를 간략히 나타낸 도면이다.
안치 수단(130) 상에 복수 개의 기판(S)가 배치되어 있으며, 상기 안치 수단(130)과 대향하여 챔버의 상부에 가스 분사 유닛(120)이 배치되어 있다. 상기 가스 분사 유닛(120)은 소스 가스와 퍼지 가스 및 리액턴트 가스를 모두 분사할 수 있어야 하는데, 본 실시예에서는 퍼지 가스 분사관(120P)가 일직선으로 배치되고, 상기 퍼지 가스 분사관(120P) 사이에 각각 소스 가스 분사관(120S)와 리액턴트 가스 분사관(120R)이 배치되어 있다.
그리고, 상기 퍼지 가스 분사관(120P)은 상기 제5 밸브(253)과 연결되어 퍼지 가스를 공급받을 수 있고, 상기 소스 가스 분사관(120S)은 제3 밸브(234)와 연결되어 소스 가스를 공급받을 수 있으며, 상기 리액턴트 가스 분사관(120R)은 제4 밸브(263)과 연결되어 리액턴트 가스를 공급받을 수 있다.
따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이 안치 수단(130) 상의 기판(S)이 배치된 영역은 각각 소스 가스가 공급되는 영역(Source), 리액턴트 가스가 공급되는 영역(Reactant) 및 퍼지 가스가 공급되는 영역(Purge)로 나뉘어질 수 있다. 단, 상기 가스들이 다른 분사관으로부터 분사되어도 단일의 챔버(110) 내에서 분사되므로, 상기 영역들이 완전히 분리되지는 않는다.
또한, 상기 가스 분사 유닛(120)은 상기 챔버(110) 내에서 피처리물, 즉 기판(S)에 나란한 방향으로 회전할 수 있는데 회전속도는 1 내지 200 rpm일 수 있다. 따라서, 챔버(110) 내의 공간에서 퍼지 가스 분사관(120P)과 소스 가스 분사관(120S) 및 리액턴트 가스 분사관(120R)이 각각 회전하게 되므로, 챔버(110) 내에서 소스 가스가 공급되는 영역(Source), 리액턴트 가스가 공급되는 영역(Reactant) 및 퍼지 가스가 공급되는 영역(Purge)가 계속 변화하여 복수 개의 기판(S)의 박막 증착을 촉진시킬 수 있다.
즉, 챔버(110) 내의 하나의 기판(S) 상에서 가스 분사 유닛(120)이 회전하므로, 소스 가스, 퍼지 가스, 리액턴트 가스 및 퍼지 가스가 차례로 공급되고, 다시 소스 가스가 공급될 수 있다. 그리고, 소스 가스와 리액턴트 가스가 함께 섞이는 영역이 존재하기 때문에 기판에서 CVD 반응도 함께 일어날 수 있다. 상기 가스 분사 유닛(120)의 회전 속도가 너무 느리면 가스의 혼합에 불리하고, 너무 빠르면 영역 분할의 효과를 기대하기 어렵다.
상술한 박막 증착 장치를 사용한 박막 증착 방법의 일실시예가 도 3a에 도시되어 있다. 3개의 그래프는 각각 소스 가스(Source)과 퍼지 가스(Purge) 및 리액턴트 가스(Reactant)의 챔버로의 공급량을 나타낸 것이다.
A 단계에서 기상의 원료 물질이 포함된 기화기에 캐리어 가스 공급부에서 캐리어 가스의 밀도를 증가시켜 상기 기상의 원료 물질을 챔버 내로 공급하여 상기 챔버 내의 피처리물 상에 소스 가스를 흡착시킨다(S1).
구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기화기 내에 원료 물질과 캐리어 가스를 공급하는데, 본 실시예에서는 원료 물질로 액상의 TEMAZr을 사용하나, 이에 한정되지 않고 액상의 다양한 원료 물질을 사용할 수 있음은 당연하다. 그리고, 캐리어 가스는 상기 원료 물질 등과 반응하지 않는 것이 바람직하며, 일 예로 불활성 가스인 Ar(아르곤)을 사용한다.
그리고, 기화기 내에서 원료 물질을 기화시키는데, 캐리어 가스에 의하여 원료 물질이 기화기 내부로 공급되면, 원료 물질은 필터를 통과하게 되는데 필터에 형성된 복수 개의 미세한 홀(hole)을 통과하여 미립자(mist) 상태가 된다.
이어서, 히터 등으로 상기 원료 물질을 기화기 내에서 가열하면, 액상의 원료 물질이 기화된다. 여기서, 상기 미립자 상태의 원료 물질은 기화가 용이하므로 기화율이 향상될 수 있다.
그리고, 캐리어 가스의 밀도를 증가시키고 원료 물질의 공급을 중단한 후, 상기 원료 물질을 챔버로 공급한다. 이때, 가스 공급 수단 등으로 상기 기화된 원료 물질을 챔버 내로 분사하면, 기상의 원료 물질이 챔버 내의 피터리물 상에 흡착된다.
그리고, 상기 챔버와 상기 기화기 사이의 밸브가 개방되어 상기 기화기 내의 기상의 원료 물질이 상기 챔버 내로 모두 공급되어, 상기 기화기 내에는 원료 물질이 더 이상 존재하지 않으며 더 이상 공급되지도 않는다.
상술한 바와 같이 A 단계에서 피처리물 상에 원료 물질이 충분히 흡착되고, 기상의 원료 물질과 피처리물의 표면 간의 반응이 포화상태를 이루면, 과잉의 (기상의) 원료 물질은 더 이상 반응을 하지 않게 된다.
그리고, 상술한 바와 같이 기상의 원료 물질과 피처리물의 표면 간의 반응이 포화상태를 이루면, B 단계에서 리액턴트 가스를 챔버에 공급한다. 이때, 박막 증착 장치는 B 단계에서 리액턴트 가스 공급부에서 상기 피처리물 상에 리액턴트 가스를 분사하여 상기 기상의 원료 물질과 리액턴트 가스를 반응시켜 박막을 형성한다. 이때, 상기 A 단계와 B 단계는 주기적으로 반복될 수 있다.
본 실시예에서는 원료 물질로 TEMAZr를 사용하였고, 만약 리액턴트 가스로 오존(O3)를 사용하면, 피처리물 상에 ZrO2의 박막이 형성된다. 즉, 원료 물질과 리액턴트 가스가 화학 결합하여 피처리물(기판) 상에 원자층 단위의 박막이 형성된다.
그리고, 불활성기체인 퍼지 가스를 사용하여 과잉의 상기 원료 물질과 반응 물질을 챔버의 외부로 퍼지한다(C 단계). 퍼지 가스의 양이 증가할수록 챔버 내에서 소스 가스와 리액턴트 가스가 분사되는 영역이 잘 분리될 수 있는데, 300 sccm 이상의 퍼지 가스면 충분하다. 이때, 상기 A 단계와 B 단계의 진행중에도 계속하여 챔버 내로 퍼지 가스를 공급하여 C 단계는 상기 A 단계 또는 B 단계와 중첩될 수 있고, 상기 A 단계와 상기 B 단계가 서로 중복되지 않고 교번하여 1회씩 반복되는 점과 상이하다.
즉, A 단계에서는 상기 리액턴트 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브(263)가 클로징되고, 상기 소스 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브(234)가 오픈되며, 상기 B 단계에서는 상기 소스 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브(234)가 클로징되고, 상기 리액턴트 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브(263)가 오픈된다. 여기서, 상기 퍼지 가스는 상기 리액턴트 가스의 공급 단계와 소스 가스의 공급 단계에서 각각 챔버로 함께 공급될 수 있다.
이때, C단계에서 상기 챔버 내에 소스 가스 및 리액턴트 가스의 공급은 완전히 차단되고, 상기 퍼지 가스의 공급은 전부 또는 일부 차단될 수 있는데, 이때 챔버 내부는 소량의 퍼지 가스 또는 퍼지 가스의 공급 없이 배기될 수 있다.
이때, 상기 B 단계의 실행 후 상기 A 단계의 실행 이전에, 즉 챔버 내에 리액턴트 가스의 공급을 중단하고 다시 소스 가스를 공급하기 이전에, 상기 챔버 내의 가스를 배기할 수 있다(C 단계, g1). 상기 배기 단계 이후에 상기 챔버 내에 소스 가스를 다시 공급하는 A 단계(S2)가 이어진다.
도 3b에 도시된 실시예에서는 상기 A 단계의 실행(소스 가스를 챔버에 공급)하고 상기 B 단계의 실행(리액턴트 가스를 챔버에 공급)하기 이전에, 상기 배기하는 C 단계(g1)을 실행하는 점에서 도 3a에 도시된 실시예와 상이하다. 그리고, 상기 B 단계에서 챔버에 리액턴트 가스를 공급(R1)한 후, 시간 간격 없이 상기 챔버에 소스 가스를 공급(S2)하는 A단계가 반복된다.
상기 배기는 효과적으로 소스 가스와 리액턴트 가스의 분사 영역을 분리할 수 있는데, 적어도 0.5 초 이상 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 배기 장치(410)의 용량이 증가하고 공정 압력이 낮을수록 효과가 뛰어날 수 있는데, 배기 장치(410)의 용량은 20,000 리터/분 이상이고, 공정 압력은 2 Torr 이하이면 충분하다.
도 3c에 도시된 실시예는 도 3a에 도시된 실시예와 동일하나, 상기 배기하는 단계에서 챔버 내에 퍼지 가스의 공급을 중단할 수 있다. 그리고, 도 3d에 도시된 실시예는 도 3b에 도시된 실시예와 동일하나, 상기 배기하는 단계에서 상기 챔버 내에 퍼지 가스의 공급을 중단할 수 있으며 이때, 상술한 퍼지 가스 공급부와 챔버 사이의 제5 밸브(253)는 클로징될 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이 상기 가스 분사 유닛(120)이 회전하므로, 챔버 내의 특정 영역의 기판(S)에는 소스 가스, 퍼지 가스, 리액턴트 가스 및 퍼지 가스가 차례로 공급되어 박막의 증착속도의 향상을 기대할 수 있고, 또한 박막의 우수한 물성특성 및 단차 피복특성을 동시에 확보할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 따라 증착된 박막을 종래와 비교한 도면이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 종래의 방법에 따라 피처리물의 상에 형성된 박막은 상부의 두께가 하부에 비하여 두껍게 형성되나, 도 4a에 도시된 본 실시예에 따른 방법으로 피처리물에 형성된 박막은 종래에 비하여 박막의 두께가 얇아지고 상부와 하부에서 두께의 차이가 거의 없다.
이러한 효과는 상술한 공정에서 소스 가스의 공급과 리액턴트 가스의 공급 및 배기가 순차적으로 이루어지고, 가스 공급 유닛의 회전에 의하여 챔버 내의 공간 분할이 이루어져서, 소스 가스와 리액턴트 가스 간의불안정 기상반응이 효과적으로 억제되어 우수한 공정특성이 확보된 것에 기인한다.
즉, 종래의 Pseudo ALD 증착법으로 증착된 ZrO 박막에서 단차 상부에 집중된 높은 증착 속도로 인해 나쁜 단차 피복특성 및 큰 표면 거칠기 증착 특성을 지니는 ZrO 박막이 형성되었다. 그리고, 실시예에 따른 방법으로 증착된 ZrO 박막은 단차 피복특성이 개선되었는데, 이는 상술한 배기 시간으로 불안정 기상반응이 효과적으로 제거되었기 때문이다.
따라서, 피처리물 상의 박막에 오버행 현상이 발생하지 않으므로, 반도체 박막의 스텝 커버리지와 전기적 특성의 악화가 발생하지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 따라 증착된 박막을, ALD 증착법으로 증착한 박막과 전기적 특성을 비교한 도면이다.
도시된 바와 같이 실시예에 따른 방법, 즉 공간 분할 CVD 증착법(Space Divided Chemical Vapor Deposition)에 의하여 증착된 박막이 종래의 방법에 의한 박막에 비하여 전기적 특성이 저하되지 않으며, 따라서 실시예에 따른 박막 증착 방법은 양산성 개선과 동시에 박막의 물성도 확보할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 박막 증착 장치 및 방법은 반도체 소자의 기판 상의 박막 증착 공정 외에, 평면표시장치 및 태양전지 등을 제조하는 공정 등에서 사용할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 박막 증착부 110 : 챔버
120 : 가스 분사 유닛 120P : 퍼지 가스 분사 유닛
120R : 리액턴트 가스 분사 유닛 120S : 소스 가스 분사 유닛
200 : 원료 물질 공급 유닛 210 : 원료 물질 공급부
211 : 원료 물질 저장부 212 : 제1 파이프
213 : 제1 밸브 230 : 소스 가스 공급부
231 : 기화기 232 : 원료 물질 주입 배관
233 : 제3 파이프 234 : 제3 배관
240 : 캐리어 가스 공급부 241 : 캐리어 가스 저장부
242 : 제2 파이프 243 : 제3 밸브
250 : 퍼지 가스 공급부 251 : 퍼지 가스 저장부
252 : 제5 파이프 253 : 제5 밸브
260 : 리액턴트 가스 공급부 261 : 리액턴트 가스 저장부
262 : 제4 파이프 263 : 제4 밸브
300 : 기화기 배기 유닛 310 : 기화기 배기 펌프
320 : 제6 밸브 400 : 배기 유닛
410 : 배기 장치 420 : 제7 밸브
120 : 가스 분사 유닛 120P : 퍼지 가스 분사 유닛
120R : 리액턴트 가스 분사 유닛 120S : 소스 가스 분사 유닛
200 : 원료 물질 공급 유닛 210 : 원료 물질 공급부
211 : 원료 물질 저장부 212 : 제1 파이프
213 : 제1 밸브 230 : 소스 가스 공급부
231 : 기화기 232 : 원료 물질 주입 배관
233 : 제3 파이프 234 : 제3 배관
240 : 캐리어 가스 공급부 241 : 캐리어 가스 저장부
242 : 제2 파이프 243 : 제3 밸브
250 : 퍼지 가스 공급부 251 : 퍼지 가스 저장부
252 : 제5 파이프 253 : 제5 밸브
260 : 리액턴트 가스 공급부 261 : 리액턴트 가스 저장부
262 : 제4 파이프 263 : 제4 밸브
300 : 기화기 배기 유닛 310 : 기화기 배기 펌프
320 : 제6 밸브 400 : 배기 유닛
410 : 배기 장치 420 : 제7 밸브
Claims (18)
- 챔버 내에 리액턴트 가스 공급을 차단하고 소스 가스를 공급하는 A단계;
상기 챔버 내에 상기 소소 가스 공급을 차단하고 상기 리액턴트 가스를 공급하는 B단계; 및
상기 A단계와 B단계 사이에서, 상기 챔버 내에 소스 가스 및 리액턴트 가스 공급을 차단하고 상기 챔버 내부를 배기하는 C단계를 포함하여 이루어지고,
상기 A단계 및 B단계에서 상기 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 박막 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 C단계에서 상기 챔버 내에 상기 퍼지 가스를 공급하는 박막 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 C단계에서 상기 챔버 내에 공급하는 퍼지 가스의 양은 상기 A단계 또는 B단계에서 상기 챔버 내에 공급하는 퍼지 가스의 양보다 적은 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 C단계에서 상기 챔버 내에 상기 퍼지 가스의 공급을 중단하고 상기 챔버를 배기하는 박막 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 C단계는 상기 A단계의 실행 후 상기 B단계의 실행 전에 실행되는 박막 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 C단계는 상기 B단계의 실행 후 상기 A단계의 실행 전에 실행되는 박막 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 A단계와 상기 B단계는 주기적으로 실행되는 박막 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 챔버 내의 특정 영역에 상기 소스 가스와 리액턴트 가스 및 퍼지 가스를 교번하여 공급하는 박막 증착 방법. - 피처리물의 안치 수단이 구비된 챔버;
상기 챔버에 소스 가스를 공급하는 소스 가스 공급부;
상기 소스 가스 공급부와 교번하여 상기 챔버에 리액턴트 가스를 공급하는 리액턴트 가스 공급부; 및
상기 챔버에 상기 소스 가스 및 리액턴트 가스와 함께 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부를 포함하고,
상기 소스 가스 공급부와 상기 리액턴트 가스 공급부는 서로 기설정된 시간 간격을 갖고 상기 챔버에 소스 가스와 리액턴트 가스를 각각 공급하고, 상기 기설정된 시간에서 상기 챔버 내의 가스가 배기되는 박막 증착 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 기설정된 시간 간격에서 상기 챔버와 상기 퍼지 가스 공급부 사이의 밸브가 열리는 박막 증착 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 기설정된 시간 간격에서 상기 챔버와 상기 퍼지 가스 공급부 사이의 밸브가 일부 닫히는 박막 증착 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 기설정된 시간 간격에서 상기 챔버와 상기 퍼지 가스 공급부 사이의 밸브가 열리는 박막 증착 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 소스 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브와, 상기 리액턴트 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브는, 상기 기설정된 시간 간격을 갖고 열리는 박막 증착 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 소스 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브와 상기 리액턴트 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 밸브는 주기적으로 열리는 박막 증착 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 소스 가스 공급부와 리액턴트 가스 공급부 및 퍼지 가스 공급부는 상기 챔버 내의 특정 영역에 각각의 가스를 교번하여 공급하는 박막 증착 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 챔버 내에 가스 분사 유닛을 더 포함하고, 상기 가스 분사 유닛은 상기 소스 가스의 분사관과 리액턴트 가스의 분사관 및 퍼지 가스의 분사관이 서로 분리된 박막 증착 장치 - 제 9 항에 있어서,
상기 챔버 내에서 피처리물에 나란한 방향으로 상기 분사 유닛을 회전하는 회전 장치를 더 포함하는 박막 증착 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 소스 가스의 분사관과 리액턴트 가스 분사관의 사이에, 상기 퍼지 가스의 분사관이 배치된 박막 증착 장치.
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| KR1020110003037A KR20120081741A (ko) | 2011-01-12 | 2011-01-12 | 박막 증착 장치 및 방법 |
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