KR20130130046A - 원료 전구체 및 반응 전구체의 순차 주입을 위한 결합 주입 모듈 - Google Patents
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Abstract
원료 전구체 및 반응 전구체를 순차적으로 기판상에 주입하는 결합 주입기를 이용하여 원자층 증착을 수행한다. 원료 전구체는 제1 채널을 통해 주입기 내로 주입되고, 기판상에 주입되며, 이후 제1 배기부를 통해 배출된다. 다음으로 반응 전구체는 제1 채널과 분리된 제2 채널을 통해 주입기 내로 주입되고, 기판상에 주입되며, 이후 제1 배기부와 분리된 제2 배기부를 통해 배출된다. 원료 전구체 또는 반응 전구체를 주입한 후, 퍼지 기체가 주입기 내로 주입되어 제1 또는 제2 채널로부터 제1 또는 제2 배기부로의 경로에 남아 있는 원료 전구체 또는 반응 전구체를 제거하도록 배출될 수 있다.
Description
본 발명은 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 이용하여 기판상에 하나 이상의 물질층을 증착하는 것에 대한 것이다.
원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)은 기판상에 하나 이상의 물질층을 증착하기 위한 박막 증착 기술이다. ALD는 두 종류의 화학 물질을 이용하는데, 하나는 원료 전구체(source precursor)이고 다른 하나는 반응 전구체(reactant precursor)이다. 일반적으로, ALD는 다음의 네 단계를 포함한다: (i) 원료 전구체 주입, (ii) 원료 전구체의 물리흡착층 제거, (iii) 반응 전구체 주입, 및 (iv) 반응 전구체의 물리흡착층 제거. ALD는 원하는 두께의 층이 얻어지기 전에 긴 시간 또는 많은 반복이 소요되는 느린 공정일 수 있다. 그러므로, 공정을 신속히 처리하기 위해, 미국 공개특허공보 제 2009/0165715 호에 기술된 유닛 모듈(소위 선형 주입기라 불리는)을 구비한 기상 증착 반응기 또는 다른 유사한 장치들이 ALD 공정을 신속히 처리하는데 사용된다. 유닛 모듈은 원료 물질을 위한 주입부 및 배기부(원료 모듈), 그리고 반응 물질을 위한 주입부 및 배기부(반응 모듈)를 포함한다.
종래의 ALD 기상 증착 챔버는 기판들에 ALD 층들을 증착하기 위한 하나 이상의 반응기 세트들을 갖는다. 기판이 반응기들 아래로 통과함에 따라, 기판은 원료 전구체, 퍼지 기체 및 반응 전구체에 노출된다. 기판에 증착된 원료 전구체 분자들이 반응 전구체 분자들과 반응하거나 원료 전구체 분자들이 반응 전구체 분자들에 의하여 치환됨으로써 기판상에 물질층을 증착시킨다. 원료 전구체 또는 반응 전구체에 기판을 노출시킨 후에, 과잉 원료 전구체 분자들 또는 반응 전구체 분자들을 기판으로부터 제거하기 위해 기판은 퍼지 기체에 노출될 수 있다.
종래에는, 증착 속도를 증가시키거나 기판상에 상이한 물질을 증착하기 위하여 다수의 반응기가 사용되었다. 반응기의 수가 증가함에 따라, 물질의 종류 및 증착 속도도 증가될 수 있다. 그러나, 반응기의 수가 증가한 것은 ALD를 수행하기 위한 증착 장치의 비용이 증가하는 결과가 된다.
원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 이용하여 기판상에 하나 이상의 물질층을 증착한다.
실시예들은 동일한 주입기를 통하여 원료 전구체(source precursor) 및 반응 전구체(reactant precursor)를 주입하는 것에 의해 기판상에 물질 층을 증착하는 것에 대한 것이다. 원료 전구체는 주입기에 형성된 제1 채널을 통하여 주입기의 반응 챔버 내로 주입된다. 기판은 반응 챔버 내의 원료 전구체에 노출된다. 기판이 주입된 원료 전구체에 노출된 후 남아있는 과잉 원료 전구체는 주입기에 형성된 제1 배기부로 이동된다. 반응 전구체는 주입기에 형성된 제2 채널을 통하여 주입기의 반응 챔버 내로 주입된다. 기판은 반응 챔버 아래에서 반응 전구체에 노출된다. 기판이 주입된 반응 전구체에 노출된 후 과잉 반응 전구체는 제2 배기부로 이동된다. 제2 배기부는 제1 배기부와 분리되어 있다.
일 실시예에서, 원료 전구체를 반응 챔버 내로 주입한 후 퍼지(purge) 기체가 제1 채널을 통하여 반응 챔버 내로 주입된다. 퍼지 기체는 또한 반응 전구체를 반응 챔버 내로 주입한 후 제2 채널을 통하여 반응 챔버 내로 주입된다.
일 실시예에서, 제2 배기부에 인접한 배기부의 부분에 형성된 제1 퍼지 기체 채널을 통해 퍼지 기체를 주입함으로써, 과잉 원료 전구체가 제1 배기부로 이동된다. 퍼지 기체는 제1 퍼지 기체 채널, 및 제1 배기부와 대향하는 제1 천공(perforation)을 통하여 주입된다.
일 실시예에서, 퍼지 기체는 기판과 대향하는 제2 천공을 통해 기판을 향하여 주입된다.
일 실시예에서, 원료 전구체는 제1 배기부 방향으로 반응 챔버 내로 주입된다.
일 실시예에서, 제1 배기부와 인접한 주입기의 부분에 형성된 제2 퍼지 채널 및 제2 배기부와 대향하는 제2 천공을 통해 퍼지 기체를 주입함으로써, 과잉 반응 전구체가 제2 배기부로 이동된다.
일 실시예에서, 제2 배기부 및 반응 챔버 사이의 제1 셔터(shutter)를 닫음으로써 과잉 원료 전구체가 제1 배기부로 이동된다. 과잉 반응 전구체는, 제1 배기부 및 반응 챔버 사이의 제2 셔터를 닫음으로써 제2 배기부로 이동된다.
일 실시예에서, 원료 전구체는 트리메틸알루미늄(trimethylaluminium)을 포함하며, 반응 전구체는 오존(ozone)을 포함하고, 증착된 물질은 Al2O3를 포함한다.
일 실시예에서, 기판의 상이한 영역들에 물질을 증착하기 위하여 주입기 및 기판 사이에 상대적인 움직임이 유발된다.
실시예들은 또한, 원료 전구체 및 반응 전구체를 주입함으로써 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기에 대한 것이다. 주입기는, 제1 채널, 제2 채널, 반응 챔버, 및 제1 및 제2 배기부가 형성된 몸체를 포함한다. 제1 채널은 원료 전구체를 반응 챔버 내로 공급한다. 제2 채널은 반응 전구체를 반응 챔버 내로 공급한다. 반응 챔버는 원료 전구체 또는 반응 전구체를 받도록 제1 채널 및 제2 채널에 연결된다. 기판은 반응 챔버 아래에서 원료 전구체 및 반응 전구체에 노출된다. 제1 배기부는, 공급된 원료 전구체를 기판상에 주입한 후 남아 있는 과잉 원료 전구체를 배출하기 위하여, 주입기의 제1 측면에 형성된다. 제2 주입기는, 공급된 반응 전구체를 기판상에 주입한 후 남아 있는 과잉 반응 전구체를 배출하기 위하여, 제1 측면 반대편의 제2 측면에 형성된다.
원료 전구체 및 반응 전구체를 순차적으로 기판상에 주입하는 결합 주입기를 이용하여 원자층 증착을 수행한다.
도 1은 일 실시예에 따른 선형 증착 장치의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 선형 증착 장치의 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 회전 증착 장치의 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 주입기를 도시하는 도면이다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 도 4의 A-B를 잇는 직선을 따른 주입기의 단면도이다.
도 6a 및 6b는, 일 실시예에 따른, 도 5의 주입기의 부분 확대도이다.
도 7은 일 실시예에 따라 주입기를 통해 주입되는 물질의 순서를 나타내는 타이밍도이다.
도 8a는 일 실시예에 따라 원료 전구체가 주입되는 동안 주입기 내의 기체 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8b는 일 실시예에 따라 반응 전구체가 주입되는 동안 주입기 내의 기체 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 9e는 일 실시예에 따라 기판상에 증착된 분자를 나타내는 도면이다.
도 10a 내지 10c는, 일 실시예에 따라, 기판상에 증착된 물질을 기체 교환 속도에 대한 기판 속도에 따라 나타낸 도면이다.
도 11a 및 11b는 또 다른 실시예에 따른 주입기를 나타내는 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따라 결합 주입기를 이용하여 원자층 증착을 수행하는 공정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 선형 증착 장치의 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 회전 증착 장치의 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 주입기를 도시하는 도면이다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 도 4의 A-B를 잇는 직선을 따른 주입기의 단면도이다.
도 6a 및 6b는, 일 실시예에 따른, 도 5의 주입기의 부분 확대도이다.
도 7은 일 실시예에 따라 주입기를 통해 주입되는 물질의 순서를 나타내는 타이밍도이다.
도 8a는 일 실시예에 따라 원료 전구체가 주입되는 동안 주입기 내의 기체 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8b는 일 실시예에 따라 반응 전구체가 주입되는 동안 주입기 내의 기체 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 9e는 일 실시예에 따라 기판상에 증착된 분자를 나타내는 도면이다.
도 10a 내지 10c는, 일 실시예에 따라, 기판상에 증착된 물질을 기체 교환 속도에 대한 기판 속도에 따라 나타낸 도면이다.
도 11a 및 11b는 또 다른 실시예에 따른 주입기를 나타내는 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따라 결합 주입기를 이용하여 원자층 증착을 수행하는 공정을 나타내는 순서도이다.
본 명세서에서 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 그러나, 여기서 개시된 원칙들은 많은 다른 형태로 구현될 수 있고, 여기서 기술된 실시 예에 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 본 명세서에서, 실시 예의 특징들을 필요이상으로 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 특징들 및 기술들에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다.
도면들에서, 도면들에 있는 유사한 참조 번호들은 유사한 구성 요소를 나타낸다. 도면의 모양, 크기 및 영역, 그리고 유사한 것들은 명확성을 위해 과장될 수 있다.
실시예들은, 원료 전구체(source precursor) 및 반응 전구체(reactant precursor)를 기판상에 순차적으로 주입하는 결합 주입기(combined injector)를 이용하여 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 수행하는 것에 대한 것이다. 원료 전구체는 제1 채널을 통해 주입기 내로 주입되고, 기판상에 주입되며, 이후 제1 배기부를 통해 배출된다. 이후 반응 전구체가 제1 채널과 분리된 제2 채널을 통해 주입기 내로 주입되며, 기판상에 주입되고, 이후 제1 배기부와 분리된 제2 배기부를 통해 배출된다. 원료 전구체 또는 반응 전구체를 주입한 후, 퍼지(purge) 기체가 주입기 내로 주입되고 배출되어, 제1 또는 제2 채널로부터 제1 또는 제2 배기부로의 경로에 남아 있는 원료 전구체 또는 반응 전구체를 제거할 수 있다. 원료 전구체 및 반응 전구체의 배출에 별도의 경로를 제공함으로써, 원료 전구체 또는 반응 전구체를 배출하기 위한 경로에 입자가 형성되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 선형 증착 장치(100)의 단면도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 선형 증착 장치(100)의 사시도이다(설명의 편의를 위해 챔버 벽은 생략함). 선형 증착 장치(100)는 다른 구성 요소들 중에서 지지 기둥(118), 공정 챔버(110) 및 하나 이상의 반응기(136)를 포함할 수 있다. 반응기(136)는 하나 이상의 주입기 및 라디칼(radical) 반응기를 포함할 수 있다. 주입기 각각은 원료 전구체, 반응 전구체, 퍼지 기체 또는 이들 물질의 조합을 기판(120) 상에 주입한다.
벽에 의하여 둘러싸인 공정 챔버는 오염 물질이 증착 공정에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 진공 상태로 유지될 수 있다. 공정 챔버(110)는 기판(120)을 받는 서셉터(susceptor)(128)을 포함한다. 서셉터(128)는 미끄러져 움직이기 위해 지지판(124)상에 위치된다. 지지판(124)은 기판(120)의 온도를 제어하기 위한 온도 제어기(예컨대, 가열기 또는 냉각기)를 포함할 수 있다. 선형 증착 장치(100)는 또한 서셉터(128) 위로 기판(120)을 적재하거나 서셉터(128)에서 기판(120)을 내리는 것을 용이하게 하는 리프트 핀(lift pin)들(미도시)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 서셉터(128)는 나사(screw)가 형성된 연장 바(138)를 가로질러 움직이는 브래킷(bracket)(210)에 고정된다. 브래킷(210)은 확장 바(138)를 수납하는 구멍 안에 형성된 대응하는 나사를 갖는다. 확장 바(138)는 모터(114)의 스핀들(spindle)에 고정되고, 따라서, 모터(114)의 축이 회전함에 따라 확장 바(138)가 회전한다. 확장 바(138)의 회전은 브래킷(210)이(그리고 따라서 서셉터(128)가) 지지판(124) 위에서 선형 운동하도록 한다. 모터(114)의 속도 및 회전 방향을 제어함으로써, 서셉터(128)의 선형 운동의 속도 및 방향이 제어될 수 있다. 모터(114) 및 확장 바(138)를 사용하는 것은 서셉터(128)를 움직이기 위한 메커니즘의 단지 일 예이다. 서셉터(128)를 움직이는 다양한 다른 방법(예컨대, 서셉터(128)의 바닥, 상부 및 측면에 기어(gear) 및 피니온(pinion)을 사용하는 것)이 사용될 수 있다. 또한, 서셉터(128)를 움직이는 대신, 서셉터(128)는 정지 상태를 유지하고 반응기(136)가 움직일 수도 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 회전 증착 장치(300)의 사시도이다. 도 1의 선형 증착 장치를 사용하는 대신, 또 다른 실시예에 따라 증착 공정을 수행하기 위해 회전 증착 장치(300)가 사용될 수 있다. 회전 증착 장치(300)는 다른 구성요소들 중 반응기(320, 334, 364, 384), 서셉터(318), 및 이러한 구성요소들을 둘러싸는 컨테이너(324)를 포함할 수 있다. 서셉터(318)는 기판(314)을 제자리에 고정한다. 반응기(320, 334, 364, 368)는 기판(314) 및 서셉터(318) 위에 위치한다. 서셉터(318) 또는 반응기(320, 334, 364, 368)는 기판(314)이 다른 공정들을 겪도록 회전한다.
하나 이상의 반응기들(320, 334, 364, 368)은 원료 전구체, 반응 전구체, 퍼지 기체 또는 다른 물질들을 공급하는 기체 파이프(미도시)에 연결된다. 기체 파이프에 의해 공급되는 물질들은 (i) 반응기(320, 334, 364, 368)에 의해 직접적으로 기판(314)에 주입될 수 있고, 이는 (ii) 반응기(320, 334, 364, 368) 내부의 챔버에서 혼합된 후 또는 (iii) 반응기(320, 334, 364, 368) 내부에서 생성된 플라즈마에 의해 라디칼들로 변환된 후에 수행된다. 물질들이 기판(314)에 주입된 후에, 여분의 물질들은 배출구(330, 338)를 통해 배기될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 선형 증착 장치(100), 회전 증착 장치(300) 또는 다른 유형의 증착 장치에 사용될 수 있다. 선형 증착 장치(100) 및 회전 증착 장치(300)를 예로 들면, 기판(120)(또는 314)을 반응기에 대해 일 방향으로 이동시키고 이후 반대 방향으로 이동시킴으로써, 기판(120)(또는 314)이 상이한 순서의 공정을 거칠 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 주입기(136A)를 도시하는 도면이다. 주입기(136A)는 배출 파이프(412A, 412B)에 연결된 몸체(410)를 갖는다. 복수의 채널, 홀 또는 슬릿 및 반응 챔버가 몸체(410)에 형성되어, 원료 전구체, 반응 전구체 및 퍼지 기체를 기판(120)상에 주입한다. 주입기(136A)는 과잉 원료 전구체 및 과잉 반응 전구체를 배출 파이프(412A, 412B)에 연결된 상이한 배기부(도 5 참조)로 이동시키기 위한 메커니즘을 포함한다. 따라서, 배출 파이프(412A, 412B) 각각은 과잉 원료 전구체 또는 과잉 반응 전구체를 운반하다 양 전구체를 모두 운반하지는 않으며, 이는 도 5를 참조하여 상세히 후술한다. 여기서 과잉 원료 전구체 및 과잉 반응 전구체란, 원료 전구체 및 반응 전구체가 기판(120)상에 주입된 후 남아 있는 원료 전구체 및 반응 전구체를 지칭한다.
과잉 원료 전구체 또는 과잉 반응 전구체를 이동시키기 위한 메커니즘은, 다른 구성요소들 중에서, 슬릿 또는 홀과 조합된 기체 주입 채널, 및 배출 파이프(412A 또는 412B)로의 경로를 차단하는 기계적인 셔터(shutter) 메커니즘을 포함할 수 있다. 이러한 메커니즘의 실시예는 도 6a, 6b, 11a 및 11b를 참조하여 상세히 후술한다. 그러나, 다른 실시예에서는 배출 파이프(412A 또는 412B)로의 경로를 닫기 위해 상이한 방법들이 사용될 수 있다.
주입기(136A)는 바람직하게는 기판(120)을 이동시키지 않고 층들(420)의 증착을 가능하게 한다. 일 실시예에서, 기판(120)은 수평 방향(예컨대, 도 4에서 좌측 또는 우측으로)으로 이동되어 기판(120)의 상이한 부분들상에 ALD를 수행한다. ALD는 (기판(120)의 전체 표면 대신) 기판(120)의 선택된 부분상에만 수행될 수도 있으며, 이는 도 10A를 참조하여 상세히 후술한다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 도 4의 A-B를 잇는 직선을 따른 주입기(136A)의 단면도이다. 주입기(136A)의 몸체(410)에는, 배기부(510, 514), 기체 채널(522A, 522B), 슬릿 또는 홀(524A, 524B), 반응 챔버(520) 및 퍼지 기체 채널(526A, 526B)이 형성된다. 일 실시예에서, 원료 전구체는 기체 채널(522A) 및 슬릿/홀(524A)을 통하여 반응 챔버(520) 내로 주입된다. 또한, 반응 전구체는 기체 채널(522B) 및 슬릿/홀(524B)을 통하여 반응 챔버(520) 내로 주입된다. 반응 챔버(520)의 아래에서, 원료 전구체 및 반응 전구체가 기판(120)과 접촉한다.
원료 전구체 및 반응 전구체는, 원료 전구체 및 반응 전구체 각각의 주입 후 선택적으로 반응 챔버(520)를 청소하는 퍼지 기체와 함께, 선택적으로 반응 챔버(520) 내로 주입된다. 이러한 방법에 의하여, 주입기(136A) 내에서 원료 전구체 및 반응 전구체의 반응이 일어나는 것이 방지된다. 주입기(136A) 내의 원료 전구체 및 반응 전구체의 반응은 다른 공정에의 오염 물질이 되거나 경로를 막는 입자들을 생성할 수 있다. 주입기(136A) 내에서의 원료 전구체 및 반응 전구체의 원치 않는 반응을 피하기 위하여, 원료 전구체 및 반응 전구체는 반응 챔버(520)만을 제외하고 상이한 경로를 따라 이동한다.
불활성 기체(예컨대, 퍼지 기체)는 퍼지 기체 채널(526A, 526B)을 통하여 기판(120)으로 주입될 수 있다. 일 실시예에서, 각 퍼지 기체 채널(526A, 526B)로 주입되는 기체의 양은 반응 챔버(520) 내로 원료 전구체 또는 반응 전구체가 주입되고 있는지 여부에 따라 달라지며, 이는 도 8a 및 8b를 참조하여 상세히 후술한다. 퍼지 기체 채널(526A, 526B)을 통해 주입된 기체의 양에 따라, 과잉 원료 전구체 또는 과잉 반응 전구체가 배기부(510 또는 514)로 이동된다.
도 5에 도시된 것과 같이, 기판(120)은 반응 영역(R1)에서 원료 전구체 및 반응 전구체에 노출된다. 이때 주입되는 기체의 양에 따라, 원료 전구체 또는 반응 전구체의 층이 협착 영역(R2A, R2B)에서 기판(120)상에 증착된다. 협착 영역(R2A, R2B)에서 과잉 원료 전구체 또는 반응 전구체는 반응 영역(R1) 대비 간격(Z2)으로 인해 더 빠른 속도로 움직이며, 그 결과 기판(120)의 표면으로부터 물리흡착된 원료 전구체 또는 반응 전구체를 제거하는 것을 용이하게 한다. 원료 전구체 또는 반응 전구체의 주입 후에 주입되는 퍼지 기체에 의하여, 물리흡착된 원료 전구체 또는 반응 전구체가 더욱 완전하게 제거된다.
몸체(410) 및 기판(120) 사이에는 작은 간격(Z1)이 있으나, 배기부에 형성된 진공 상태로 인하여, 과잉 원료 전구체 또는 과잉 반응 전구체의 대부분은 배기부(510, 514)를 통하여 주입기(136A) 밖으로 배출된다.
채널(522A, 522B)을 통해 원료 전구체 또는 반응 전구체를 주입한 후, 반응 챔버(520)에서 원료 전구체 또는 반응 전구체를 청소하기 위하여 퍼지 기체가 반응 챔버(520) 내로 주입되고 배기부(510, 514)를 통해 배출된다. 전구체 분자는 배기부(510, 514)를 통해 배출되므로, 배기 영역(R3A, R3B)에서 원료 전구체 또는 반응 전구체가 기판(120)에 흡착되지 않는다.
주입기(136A)에는 과잉 원료 전구체를 일 배기부(예컨대, 배기부(514))로 운반시키고 반응 전구체를 다른 배기부(예컨대, 배기부(510))로 운반시키기 위한 메커니즘이 제공될 수 있다. 도 6a 및 6b는, 일 실시예에 따른, 과잉 원료 전구체 및 반응 전구체를 배기부(510, 514)로 이동시키기 위한 퍼지 기체 주입 메커니즘을 도시하는 부분 확대도이다.
도 6a는 퍼지 기체 채널(526A) 및 퍼지 기체 채널(526A)에 연결된 천공(예컨대, 슬릿 또는 홀)(610A, 620A)을 나타낸다. 반응 챔버(520) 내로 주입된 기체가 배기부(514)를 통해 배출되어야 할 때, 퍼지 기체 채널(526B)에 비해 다량의 퍼지 기체가 퍼지 기체 채널(526A)을 통해 주입된다. 퍼지 기체가 퍼지 기체 채널(526A)에 제공됨에 따라, 퍼지 기체의 일부는 홀/슬릿(610A)을 통해 우측 하단을 향해 흐르고 반응 챔버(520) 내의 기체를 배기부(514)로 밀어낸다. 퍼지 기체 채널(526) 내로는 소량의 퍼지 기체가 주입되고(또는 퍼지 기체가 주입되지 않고), 따라서, 배기부(514)를 향한 기체 흐름이 형성된다. 퍼지 기체 채널(526A) 내로 공급된 남은 퍼지 기체는 620A를 통해 아래로 흘러, 반응 챔버(520) 내의 기체가 배기부(510)로 들어오는 것을 막는 기체 커튼을 형성한다.
배기부(514)를 통한 원료 전구체의 배출을 용이하게 하기 위하여, 반응 챔버(520) 내로 원료 전구체를 주입하기 위한 홀/슬릿(524A)은 제한 영역(R2B)을 향하여 기울어진다. 원료 전구체는 제한 영역(R2B)을 향하여 주입되므로, 퍼지 기체 채널(526A)을 통해 주입되는 퍼지 기체가 없더라도 원료 전구체는 배기부(514)를 통해 배출되는 경향을 갖게 된다. 퍼지 기체 채널(526A)을 통해 주입된 퍼지 기체와 홀/슬릿(524A)의 방향의 조합된 작용으로 인해, 원료 전구체의 대부분은 배기부(514)를 통해 배출된다.
도 6b는 퍼지 기체 채널(526B) 및 퍼지 기체 채널(526B)에 연결된 천공(슬릿 또는 홀)(610B, 620B)을 나타낸다. 퍼지 기체 채널(526B) 및 슬릿 또는 홀(610B, 620B)의 구조는, 퍼지 기체 채널(526A) 및 슬릿 또는 홀(610A, 620A)의 거울상이다. 반응 챔버(510) 내로 주입된 기체가 배기부(510)를 통해 배출되어야 할 때, 퍼지 기체 채널(526A)에 비해 다량의 퍼지 기체가 퍼지 기체 채널(526B)을 통해 주입된다. 퍼지 기체 채널(526B)을 통해 주입된 퍼지 기체에 의해 반응 챔버(520) 내의 기체를 배기부(510)로 밀어내는 원리는, 채널(526A) 내로 주입된 퍼지 기체의 설명과 동일하다. 퍼지 기체 채널(52B) 내로 공급된 퍼지 기체의 일부는 620B를 통해 아래로 흘러, 반응 챔버(520) 내의 기체가 배기부(514) 내로 들어오는 것을 방지하는 퍼지 기체 커튼을 형성한다.
홀/슬릿(524B) 또한 제한 영역(R2A)을 통해 기울어져 배기부(510)를 통한 과잉 반응 전구체의 배출을 용이하게 한다.
도 7은, 일 실시예에 따른, 주입기를 통해 주입되는 물질의 순서를 나타내는 타이밍도이다. 도 7의 실시예는 원료 전구체로서 트리메틸알루미늄(trimethylaluminium; TMA)을 사용하고 반응 전구체로서 오존(O3)을 사용하여 기판(120)상에 하나 이상의 Al2O3 층을 형성하는 것에 대한 것이다. 도 7의 예에서, 동일한 공정의 두 사이클(cycle)이 반복되어 기판(120) 상에 두 개의 Al2O3 층을 형성한다.
시간 구간(t1) 동안, 원료 전구체(TMA)가 채널(522A) 및 슬릿 또는 홀(524A)을 통해 반응 챔버(520) 내로 주입되고, 이후 배기부(514)를 통해 배출된다. 이는 도 8a를 참조하여 상세히 후술한다. 시간 구간(t1) 동안, 반응 전구체(오존)은 반응 챔버(520) 내로 주입되지 않고 아르곤(argon) 기체가 퍼지 기체 채널(526A, 526B)로 주입된다(퍼지 기체 채널(526A) 내로 주입되는 아르곤 기체의 양은 퍼지 기체 채널(526B) 내로 주입되는 아르곤 기체의 양보다 많다). 도 8a는, 일 실시예에 따른, 원료 전구체의 주입 동안 주입기(136A) 내의 기체 흐름을 나타내는 도면이다. 퍼지 기체 채널(526B)과 비교하여 퍼지 기체 채널(526A)을 통해 주입되는 아르곤 기체의 부피가 크므로, 과잉 원료 전구체(810)는 배기부(514)를 통해 배출된다. 퍼지 기체 채널(526A)을 통해 주입된 아르곤 기체(814)의 일부는 배기부(510)를 통해 배출된다.
도 7을 다시 참조하면, 원료 전구체(TMA)의 공급은 시간 구간(t2) 동안 중단된다. 대신, 채널(522A) 및 슬릿 또는 홀(524A)을 통하여 아르곤 기체가 반응 챔버(520) 내로 주입된다. 아르곤 기체는 반응 챔버(520) 내에 남아 있는 원료 전구체는 배기부(514)를 통해 배출시킨다. 또한, 상기 구간 동안, 채널(520)을 통해 공급된 아르곤은 (퍼지 기체 채널(526A, 526B)을 통해 공급된 아르곤과 더불어) 기판(520)의 표면상에 물리흡착된 원료 전구체 분자를 제거한다.
시간 구간(t3) 동안, 채널(522B) 및 슬릿 또는 홀(524B)을 통하여 반응 전구체(오존)가 반응 챔버(520) 내로 주입되고, 이후 배기부(510)를 통해 배출된다. 도 8b는, 일 실시예에 따른, 반응 전구체의 주입 동안 주입기(136A) 내의 기체 흐름을 나타내는 도면이다. 퍼지 기체 채널(526A)과 비교하여 퍼지 기체 채널(526B)을 통해 주입되는 아르곤 기체의 부피가 크므로, 과잉 원료 전구체(820)는 배기부(510)를 통해 배출된다. 퍼지 기체 채널(526B)을 통해 주입된 아르곤 기체(824)의 일부는 배기부(514)를 통해 배출된다.
도 7을 다시 참조하면, 반응 전구체의 공급은 시간 구간(t4) 동안 중단된다. 대신, 채널(522B) 및 슬릿 또는 홀(524B)을 통하여 아르곤 기체가 반응 챔버(520) 내로 주입된다. 아르곤 기체는 반응 챔버(520) 내에 남아있는 반응 전구체를 배기부(510)를 통해 배출시킨다. 나아가, 상기 시간 구간 동안, 채널(520)을 통해 공급된 아르곤이 (퍼지 기체 채널(526A, 526B)을 통해 공급된 아르곤과 더불어) 기판(520)의 표면상에 물리 흡착된 원료 전구체 분자를 제거한다. 구간(t2)이 종료됨으로써 첫 번째 사이클이 끝난다. 도 7의 실시예에서, 두 번째 사이클이 반복되어 Al2O3의 제2 층이 증착된다.
도 9a 내지 9e는, 일 실시예에 따라 기판상에 증착된 분자를 나타내는 도면이다. 도 9a는 도 7의 구간(t1) 후 기판(120)상에 증착된 TMA 분자를 나타낸다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 기판(120)의 반응 영역(R1) 및 협착 영역(R2B)에는 물리흡착된 TMA 분자 일부(제1 층 위의 TMA 분자 층)가 남아 있다. 도 7의 구간(t2)에서 채널(522A)과 홀 또는 슬릿(524A)을 통해 퍼지 기체(아르곤 기체)가 기판(120)상에 주입됨에 따라, 물리흡착된 TMA 분자가 기판(120)의 표면으로부터 제거된다. 따라서, 구간(t2) 후에는, 도 9b에 도시된 것과 같이 화학흡착된 TMA 분자의 단일 층이 기판(120)상에 남게 된다.
구간(t3) 동안, 반응 전구체(오존)가 기판(120)상에 주입된다. 그 결과, 기판(120)의 반응 영역(R1)에서 반응 전구체가 화학흡착된 원료 전구체와 반응하여 Al2O3 단일 층을 형성한다. 반응 전구체를 더 주입함에 따라, 도 9c에 도시된 바와 같이, H2O, OH 또는 O* 분자가 기판의 표면 및 반응 영역(R1) 및 협착 영역(R2A)의 층상에 증착된다. 도 7의 구간(t4)에서 퍼지 기체(아르곤 기체)가 채널(522B)과 홀 또는 슬릿(524B)을 통해 기판(120)상에 주입됨에 따라, 물리흡착된 H2O, OH 또는 O* 분자가 반응 영역(R1)의 기판(120)의 표면으로부터 제거된다. 따라서, 구간(t4) 후에는, 화학흡착된 TMA 분자의 단일 층이 반응 영역(R1)의 기판(120)상에 남게 된다. 화학흡착된 H2O, OH 또는 O* 분자의 단일 층 또한 협착 영역(R2A)에 남게되는 한편, 화학흡착된 TMA 분자의 단일 층도 기판(120)의 협착 영역(R2B)에 남게 된다.
도 9e는 도 9a 내지 9d를 참조하여 전술한 4개의 공정 사이클을 거치는 기판(120)을 도시한다. 그 결과, 기판(120)의 반응 영역(R1)에 Al2O3의 4개 층이 형성되는 한편, 기판의 협착 영역(R2A)에는 H2O, OH 또는 O* 분자의 단일 층이 남아 있으며, 기판(120)의 협착 영역(R2B)에는 TMA 분자의 단일 층이 남아 있게 된다.
주입기(136A)는 기판(120)을 움직이지 않고 기판(120)의 동일한 장소에 Al2O3의 여러 층이 증착될 수 있게 한다. 둘 이상의 주입기가 각각 원료 전구체 및 반응 전구체를 주입하기 위하여 사용되는 경우에는, 기판(120)의 동일한 영역을 상이한 전구체 분자에 노출시키기 위하여 기판(120)이 수평으로 이동하여야 한다. 반면, 주입기(136A)는 원료 전구체 및 반응 전구체 모두를 주입하므로, 주입기(136A)에 의하면 기판(120)을 움직이지 않고도 기판(120)상의 소정의 영역상에 ALD를 수행할 수 있다. 따라서, 주입기(136A)에 의하면 기판(120)상에 물질을 증착하기 위한 기판(120)의 왕복 또는 회전을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기판(120)상에서 보다 국부적인 증착을 수행할 수 있다. 또한, 추가적인 주입기를 제거함으로써, 증착 장치의 비용이 감소될 수 있다.
도 10a 내지 10c는, 일 실시예에 따라, 기판상에 증착된 물질의 레이아웃을 기체 교환의 속도에 대한 기판의 속도에 따라 나타낸 도면이다. 도 10a는 기판(120)의 이동이 기판(120)상에 원자 층을 형성하기 위해 적시 조절되지 않은 예를 나타낸다. 결과적으로, 원료 전구체 분자가 영역(130)에 폭(L1)만큼 증착되고, 이어서 분자가 형성되지 않은 영역이 폭(L2)만큼 증착되고, 이어서 반응 전구체가 증착된 영역(122)이 위치한다.
도 10b는 원료 전구체 및 반응 전구체가 검은 박스로 표시된 기판(120)의 영역(126)상에서만 반응하도록 기판(120)의 이동이 조절된 예를 나타낸다. 기판(120)의 나머지 영역(124, 128)은 원료 전구체 또는 반응 전구체 분자에 의하여 덮인다.
도 10c는 기판(120)의 실질적으로 전체 표면(142)이 원료 전구체 및 이후 반응 전구체를 겪게 되는 예를 나타낸다. 일 실시예에서, 기판(120)은 기판(120)의 반응 영역(R1)이 원료 전구체 및 반응 전구체를 겪은 후에만 이동된다.
도 11a 및 11b는 또 다른 실시예에 따른 주입기(136B)를 도시하는 단면도이다. 퍼지 기체 채널 및 이들 퍼지 기체 채널에 연결된 슬릿/홀 대신에, 주입기(136B)는 셔터(1134A, 1134B)의 세트를 포함한다. 셔터(1134A, 1134B)가 내려져 소정의 경로가 닫힘으로써, 과잉 원료 전구체 또는 반응 전구체를 배기부(1154) 또는 배기부(1158)로 이동시킨다. 셔터(1134A, 1134B)를 올리거나 내리기 위한 모터 또는 다른 연결 구조도 제공되나 도 11a 및 11b에는 도시되지 않는다.
도 11a에 도시된 것과 같이, 원료 전구체가 채널(1114) 및 홀 또는 슬릿(1118A)을 통해 반응 챔버(1130) 내로 주입될 때, 좌측 셔터(1134A)가 내려진다. 좌측 셔터(1134A)가 내려지면, 기판(120)과 셔터(1134A) 사이의 간격(Z2)이 좁아지고, 따라서, 반응 챔버(1130)로부터 배기부(1154)로의 경로가 사실상 닫혀진다. 따라서, 만약 있더라도 소량의 원료 전구체만이 셔터(1134) 아래를 통과하여 배기부(1154)를 통해 배출된다. 원료 전구체 대부분은 (기판(120)에 대해 간격(Z3)을 갖는) 올려진 셔터(1134B) 아래를 통과하며, 배기부(118)를 통해 배출된다. 이어서, 원료 전구체를 반응 챔버(1130)로부터 배출시키기 위해 퍼지 기체가 채널(1114A) 및 홀 또는 슬릿(1118A)을 통하여 반응 챔버(113) 내로 주입될 수 있다.
반대로, 반응 전구체가 채널(1114B) 및 홀 또는 슬릿(1118B)을 통하여 반응 챔버(1130) 내로 주입될 때, 좌측 셔터(1134A)가 올려지고 우측 셔터(1134B)가 내려진다. 우측 셔터(1134B)를 내림으로써 반응 챔버(1130)로부터 배기부(1158)로의 경로가 사실상 닫히고, 따라서 과잉 반응 전구체는 배기부(1154)를 통하여 배출된다. 이어서, 퍼지 기체가 채널(1114B) 및 홀 또는 슬릿(1118B)을 통하여 반응 챔버(1130) 내로 주입되어 반응 전구체를 반응 챔버(1130)로부터 배출시킬 수 있다.
원료 전구체 및 반응 전구체를 상이한 배기부로 이동시킴으로써, 원료 전구체 및 반응 전구체가 기판의 표면 외에 다른 영역에서 반응하지 않는다. 이러한 방법에 의하여, 기판상에 원료 전구체 및 반응 전구체 모두를 주입하는 결합 주입기가 사용되더라도 주입기 내부에 입자가 형성되지 않는다.
도 12는, 일 실시예에 따른, 결합 주입기(136A, 136B)를 이용하여 ALD를 수행하는 공정을 도시하는 순서도이다. 제1 채널(예컨대, 채널(522A, 1118A))을 통해 반응 챔버 내로 공급된 원료 전구체는 기판(120)상에 주입된다(1210). 다음으로 과잉 원료 전구체가 이동 메커니즘에 의하여 제1 배기부(예컨대, 배기부(514, 1158))로 이동된다(1220). 이동 메커니즘은 (도 6a 및 6b를 참조하여 전술한 것과 같이) 퍼지 기체 채널 및 퍼지 기체 채널에 연결된 슬릿 또는 홀을 포함할 수 있다. 이후 퍼지 기체가 제1 채널을 통해 반응 챔버 내로 주입되어 원료 전구체를 반응 챔버로부터 배출시킨다(1230).
이후, 반응 전구체가 제2 채널(예컨대, 채널(522B, 1118B))을 통해 반응 챔버 내로 공급된다. 다음으로 반응 전구체기 기판(120)상에 주입된다(1240). 과잉 반응 전구체는 이동 메커니즘에 의하여 제2 배기부(예컨대, 배기부(510, 1154))로 이동된다. 이후 퍼지 기체가 제2 채널을 통해 반응 챔버 내로 주입되어 반응 전구체를 반응 챔버로부터 배출시킨다.
이후, 기판(120)상에 증착된 물질이 원하는 만큼의 두께를 갖는지 여부를 결정한다(1270). 증착된 물질의 두께가 원하는 두께일 경우, 공정을 종료한다. 증착된 물질의 두께가 원하는 것보다 얇으면, 공정은 원료 전구체의 주입(1210)으로 돌아가 후속 단계들이 반복된다.
비록 본 발명이 앞서 몇몇 실시 예들에 대해서 설명되었지만, 다양한 변경들이 본 발명의 범위 내에서 행해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 개시된 내용은 예시적인 것이며, 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아닌 것으로 의도되고, 발명의 범위는 이후의 청구항들에서 제시된다.
Claims (20)
- 주입기에 형성된 제1 채널을 통하여, 상기 주입기의 반응 챔버 내로 원료 전구체를 주입하는 단계;
기판을 상기 반응 챔버 아래에서 상기 원료 전구체에 노출시키는 단계;
상기 기판이 주입된 상기 원료 전구체에 노출된 후 남아 있는 과잉 원료 전구체를, 상기 주입기에 형성된 제1 배기부로 이동시키는 단계;
상기 주입기에 형성된 제2 채널을 통하여, 상기 주입기의 상기 반응 챔버 내로 반응 전구체를 주입하는 단계;
상기 기판을 상기 반응 챔버 아래에서 상기 반응 전구체에 노출시키는 단계; 및
상기 기판이 주입된 상기 반응 전구체에 노출된 후 남아 있는 과잉 반응 전구체를, 상기 주입기에 형성되며 상기 제1 배기부와 분리된 제2 배기부로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 반응 챔버 내로 상기 원료 전구체를 주입한 후, 상기 제1 채널을 통하여 상기 반응 챔버 내로 퍼지 기체를 주입하는 단계; 및
상기 반응 챔버 내로 상기 반응 전구체를 주입한 후, 상기 제2 채널을 통하여 상기 반응 챔버 내로 퍼지 기체를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 주입기에서 상기 제2 배기부에 인접한 부분에 형성되는 제1 퍼지 기체 채널 및 상기 제1 배기부와 대향하는 제1 천공을 통하여 퍼지 기체를 주입함으로써, 상기 과잉 원료 전구체가 상기 제1 배기부로 이동되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 기판과 대향하는 제2 천공을 통하여, 상기 기판을 향해 상기 퍼지 기체를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 원료 전구체는 상기 제1 배기부 방향으로 상기 반응 챔버 내로 주입되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 주입기에서 상기 제1 배기부에 인접한 부분에 형성되는 제2 퍼지 기체 채널 및 상기 제2 배기부와 대향하는 제2 천공을 통하여 퍼지 기체를 주입함으로써, 상기 과잉 반응 전구체가 상기 제2 배기부로 이동되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 제2 배기부와 상기 반응 챔버 사이의 제1 셔터를 닫음으로써 상기 과잉 원료 전구체가 상기 제1 배기부로 이동되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 제1 배기부와 상기 반응 챔버 사이의 제2 셔터를 닫음으로써 상기 과잉 반응 전구체가 상기 제2 배기부로 이동되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 원료 전구체는 트리메틸알루미늄을 포함하며, 상기 반응 전구체는 오존을 포함하고, 증착된 상기 물질은 Al2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 기판의 상이한 영역상에 상기 물질을 증착하기 위해, 상기 주입기 및 상기 기판 사이의 상대적인 이동을 유발하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하는 방법.
- 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기로서, 몸체를 포함하며,
상기 몸체에는,
원료 전구체를 공급하기 위한 제1 채널;
반응 전구체를 공급하기 위한 제2 채널;
상기 원료 전구체 또는 상기 반응 전구체를 받도록 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널에 연결된 반응 챔버로서, 상기 기판은 상기 반응 챔버 아래에서 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체에 노출되는, 상기 반응 챔버;
상기 주입기의 제1 측면에 위치하며, 공급된 상기 원료 전구체가 상기 기판상에 주입된 후 남아 있는 과잉 원료 전구체를 배출하도록 구성된 제1 배기부; 및
상기 제1 측면 반대편의 제2 측면에 위치하며, 공급된 상기 반응 전구체가 상기 기판상에 주입된 후 남아 있는 과잉 반응 전구체를 배출하도록 구성된 제2 배기부가 형성된 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 제 11항에 있어서,
상기 주입기의 상기 몸체에는,
상기 주입기의 상기 제1 배기부를 향해 퍼지 기체를 주입하기 위한 제1 천공; 및
상기 주입기의 상기 제2 배기부를 향해 퍼지 기체를 주입하기 위한 제2 천공이 더 형성된 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 제 12항에 있어서,
상기 주입기의 상기 몸체에는,
상기 제1 천공에 연결되며, 상기 기판상에 상기 퍼지 기체를 주입하기 위해 상기 기판과 대향하는 제3 천공; 및
상기 제2 천공에 연결되며, 상기 기판상에 상기 퍼지 기체를 주입하기 위해 상기 기판과 대향하는 제4 천공이 더 형성된 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 제 11항에 있어서,
상기 제2 배기부 및 상기 반응 챔버 사이의 제1 셔터를 더 포함하되,
상기 제1 셔터가 닫힘으로써 상기 과잉 원료 전구체가 상기 제1 배기부로 이동되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 제 14항에 있어서,
상기 제1 배기부 및 상기 반응 챔버 사이의 제2 셔터를 더 포함하되,
상기 제2 셔터가 닫힘으로써 상기 과잉 반응 전구체가 상기 제2 배기부로 이동되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 제 11항에 있어서,
상기 원료 전구체는 트리메틸알루미늄을 포함하며, 상기 반응 전구체는 오존을 포함하고, 증착된 상기 물질은 Al2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 제 11항에 있어서,
상기 제1 채널은 상기 원료 전구체를 공급한 후 상기 반응 챔버에 퍼지 기체를 공급하며,
상기 제2 채널은 상기 반응 전구체를 공급한 후 상기 반응 챔버에 상기 퍼지 기체를 공급하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 제 11항에 있어서,
상기 기판의 상이한 영역상에 상기 물질 층을 증착하도록 상기 기판이 상기 주입기에 대하여 이동되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 물질 층을 증착하기 위한 주입기.
- 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하기 위한 증착 장치로서,
몸체를 포함하는 주입기; 및
상기 주입기 및 기판 사이의 상대적인 이동을 유발하도록 구성된 구동기를 포함하되,
상기 몸체에는,
원료 전구체를 공급하기 위한 제1 채널;
반응 전구체를 공급하기 위한 제2 채널;
상기 원료 전구체 또는 상기 반응 전구체를 받도록 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널에 연결된 반응 챔버로서, 상기 기판은 상기 반응 챔버 아래에서 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체에 노출되는, 상기 반응 챔버;
상기 주입기의 제1 측면에 위치하며, 공급된 상기 원료 전구체가 상기 기판상에 주입된 후 남아 있는 과잉 원료 전구체를 배출하도록 구성된 제1 배기부; 및
상기 제1 측면 반대편의 제2 측면에 위치하며, 공급된 상기 반응 전구체가 상기 기판상에 주입된 후 남아 있는 과잉 반응 전구체를 배출하도록 구성된 제2 배기부가 형성된 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하기 위한 증착 장치.
- 제 19항에 있어서,
진공 상태에서 상기 주입기의 적어도 일부를 에워싸기 위한 챔버 벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하기 위한 증착 장치.
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