KR20150071724A - 원자층 증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 원자층 증착장치는 이송되는 기판에 원자층을 형성하는 원자층 증착용 소스를 포함하는 원자층 증착장치에 있어서, 상기 원자층 증착용 소스는, 상기 기판이 이송방향의 정방향으로 통과하면서 제1소스가스에 노출되는 제1소스영역; 상기 제1소스영역을 통과한 상기 기판이 퍼지가스에 노출되는 제1퍼지영역; 상기 제1퍼지영역을 통과한 상기 기판이 제2소스가스에 노출되는 제2소스영역; 및, 상기 제2소스영역을 통과한 상기 기판이 퍼지가스에 노출되는 제2퍼지영역;을 포함하여, 상기 기판의 이송방향의 정방향으로 복수 개가 배열되며, 상기 기판이 역방향으로 이송시 각 영역의 배열은 상기 기판의 정방향 이송시 각 영역의 배열과 동일하도록 배열되면서, 각 영역의 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간은 상기 정방향 이송시 각 영역의 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간과 동일하도록 각 영역이 재배열되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 공간분할방식의 원자층 증착용 소스에서, 기판이 각 소스가스 및 퍼지가스에 노출되는 배열되는 순서 및 기판 노출시간이 기판의 이송방향의 역방향에서도 기판의 정방향 이송방향에서와 동일하도록 하여, 기판의 양방향 이송에서도 사용가능하여 공정시간을 단축시킬 수 있는 원자층 증착용 소스가 제공된다.

Description

원자층 증착장치{ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS}

본 발명은 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공간분할방식의 원자층 증착용 소스에서 기판이 각 가스에 노출되는 시간을 기판의 이송방향이 정방향 및 역방향에서 동일하도록 하여, 기판의 양방향 이송에도 사용 가능하도록 할 수 있는 원자층 증착장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 기판이나 글래스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하기 위해서는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등을 이용한 박막 제조 방법이 사용된다.

여기서, 화학 기상 증착법으로는 상압 화학 기상 증착법(atmospheric pressure CVD, APCVD), 저압 화학 기상 증착법(low pressure CVD, LPCVD), 플라즈마 유기 화학 기상 증착법(plasma enhanced CVD, PECVD)등이 있으며, 이 중에서 저온 증착이 가능하고 박막 형성 속도가 빠른 장점 때문에 플라즈마 유기 화학 기상 증착법이 많이 사용되고 있다.

그러나 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐으로써 미세 패턴의 박막이 요구되었고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커지게 되었다. 이에 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 단원자층 증착 방법(atomic layer deposition, 이하 "ALD공정"이라고 함)의 사용이 증대되고 있다.

ALD공정은 기판 표면에서 반응물질의 표면 포화 반응(surface saturated reaction)에 의한 화학적 흡착(chemisorption)과 탈착(desorption) 과정을 이용하여 단원자층을 형성하는 방법으로, 원자층 수준에서 막 두께의 제어가 가능한 박막 증착 방법이다.

기존 ALD 공정에서 단차도포성 및 웨이퍼 내 균일성은 여러 요소에 의해 결정될 수 있는데 그 중 샤워헤드의 형태와 밀접한 관련을 갖는다.

ALD 공정은 두 가지 이상의 소스가스를 각각 교대로 유입시키고, 각 소스가스의 유입 사이에 불활성 기체인 퍼지가스를 유입시킴으로써 소스가스들이 기체 상태에서 혼합되는 것을 방지한다.

즉, 하나의 소스가스가 기판 표면에 화학적으로 흡착(chemical adsorption)된 상태에서 후속하여 다른 하나의 소스가스가 반응함으로써 기판 표면에 한층의 원자층이 생성된다.

그리고, 이와 같은 공정을 한 주기로 하여 원하는 두께의 박막이 형성될 때 까지 반복한다.

한편, 소스가스는 기판 표면에서만 화학적 흡착과 화학 반응이 일어나 하나의 원자층이 완전히 형성될 때까지 다른 표면 반응이 일어나지 않도록 억제되어야 한다.

상기 ALD공정은 시간분할방식과 공간분할방식으로 구분된다. 도 1은 시간분할방식의 원자층 증착장치의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 상기 시간분할방식은 기판이 투입된 챔버(100) 내의 공간에 분배기(110)를 통해 제1소스가스인 전구체를 주입한 후, 퍼지(purge)가스를 주입해서 전구체를 기판(120)에 단원층만 남기고 제거한다.

그리고, 챔버(100) 내로 제2소스가스인 반응제를 분배기(110)를 통해 주입하여 먼저 주입된 전구체 단원자층과 반응제가 반응해서 단원자층의 새로운 물질이 형성된 후, 상기 반응제는 퍼지가스를 이용하여 제거한다.

상기와 같은 과정을 반복하면서, 주입된 가스는 소정의 반응 후에 그 다음 공정을 위해 배출구로 배기되면서 기판 상에 원자층을 증착한다.

도 2는 공간분할방식의 원자층 증착장치의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 상기 공간분할방식은 전구체가 주입되어 위치하는 공간과 반응제가 주입되어 위치하는 공간이 동시에 존재하고 두 공간의 사이마다 퍼지가스가 주입되어 위치하는 공간이 위치한다.

상기된 바와 같은 각 가스들이 위치하는 공간들이 반복적으로 배열된 상태에서, 기판은 전구체가 위치하는 공간과 반응제가 위치하는 공간을 순차적으로 이동하면서 노출되어 원자층이 증착된다.

상술한 바와 같은 ALD공정에서는, 원자층 증착을 위해, 전구체가 노출된 후 퍼지가스에 의해 노출되는 시간과, 반응제가 노출된 후 퍼지가스에 의해 노출되는 시간이 다르도록 설정된다.

상기 시간분할 방식에는 각각의 소스가스를 주입하고 퍼지가스에 노출되는 시간을 다르게 하여 퍼지 시간 조절이 가능하며, 상기 공간분할방식에서는 물리적인 크기에 따라 퍼지 시간의 조절이 가능하다.

가령, 임의의 조건에서 전구체 노출 시간 10초, 전구체 퍼지 시간 10초, 반응제 노출 시간 10초, 반응제 퍼지 시간 30초가 필요하다고 가정하면 시간분할방식과 공간분할방식에서 아래와 같이 나타날 수 있다.

상기 시간 분할 방식에서는 챔버 내에 투입되는 각 가스의 주입시간을 "전구체 주입 10초 -> 퍼지가스 주입 10초 -> 반응제 주입 10초 -> 퍼지가스 주입 30초" 로 하는 1사이클로 하여 다수 회 반복한다.

즉, 전구체, 반응제 및 퍼지가스를 주입하는 각 단계에서의 시간을 임의로 조절이 가능하다.

상기 공간분할 방식에서는 원자층 증착용 소스를 "전구체가 노출되는 구간 크기(길이) 100mm, 퍼지 구간의 크기(길이) 100mm, 반응제가 노출되는 구간의 크기(길이) 100mm, 퍼지 구간의 크기(길이) 300mm" 로 하는 1사이클을 반복 배열되도록 배치한다.

이와 같이 반복 배열된 원자층 증착용 소스에 기판을 10mm/s의 속도로 이송한다고 하면, 기판은 "전구체 10초 -> 퍼지가스 10초 -> 반응제 10초 -> 퍼지가스 30초"를 1사이클로 하여 반복적으로 해당 소스가스에 각각 노출되게 된다.

그런데, 공간분할방식에서 상기와 같은 방법을 적용하는 경우에는, 전구체와 반응체 이후의 퍼지가스에 노출되는 시간이 각각 다르게 설정됨에 따라, 기판을 일 방향으로만 이송시켜야만 하는 문제점이 있었다.

본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공간분할방식의 원자층 증착용 소스에서, 기판이 각 소스가스 및 퍼지가스에 노출되는 배열되는 순서 및 기판 노출시간이 기판의 이송방향의 역방향에서도 기판의 정방향 이송방향에서와 동일하도록 하여, 기판의 양방향 이송에서도 사용가능한 원자층 증착용 소스를 제공함에 있다.

또한, 기판의 양방향 이송에서도 사용가능함에 따라 공정시간을 단축시킬 수 있는 원자층 증착용 소스를 제공함에 있다.

상기 과제는, 본 발명에 따라, 이송되는 기판에 원자층을 형성하는 원자층 증착용 소스를 포함하는 원자층 증착장치에 있어서, 상기 원자층 증착용 소스는, 상기 기판이 이송방향의 정방향으로 통과하면서 제1소스가스에 노출되는 제1소스영역; 상기 제1소스영역을 통과한 상기 기판이 퍼지가스에 노출되는 제1퍼지영역; 상기 제1퍼지영역을 통과한 상기 기판이 제2소스가스에 노출되는 제2소스영역; 및, 상기 제2소스영역을 통과한 상기 기판이 퍼지가스에 노출되는 제2퍼지영역;을 포함하여, 상기 기판의 이송방향의 정방향으로 복수 개가 배열되며, 상기 기판이 역방향으로 이송시 각 영역의 배열은 상기 기판의 정방향 이송시 각 영역의 배열과 동일하도록 배열되면서, 각 영역의 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간은 상기 정방향 이송시 각 영역의 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간과 동일하도록 각 영역이 재배열되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 기판의 이송방향이 역방향일 때의 각 영역의 배열은, 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때의 배열과 다른 구성이 선택되어 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때와 동일하도록 재배열되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판의 이송방향이 역방향일 때의 상기 제1소스영역과 상기 제1퍼지영역, 상기 제2소스영역 및 상기 제2퍼지영역의 배열은, 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때의 n번째 제2소스영역이 제2퍼지영역으로 변경되고, 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때의 n번째 제2퍼지영역은 적어도 3개의 파트 영역으로 분할되어, 첫 번째 파트 영역과 마지막 파트 영역 사이의 중간부 파트 영역은 제2소스영역으로 변경되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착용 소스에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 공간분할방식의 원자층 증착용 소스에서, 기판이 각 소스가스 및 퍼지가스에 노출되는 배열되는 순서 및 기판 노출시간이 기판의 이송방향의 역방향에서도 기판의 정방향 이송방향에서와 동일하도록 하여, 기판의 양방향 이송에서도 사용가능한 원자층 증착용 소스가 제공된다.

또한, 기판의 양방향 이송에서도 사용가능함에 따라 공정시간을 단축시킬 수 있는 원자층 증착용 소스가 제공된다.

도 1은 시간분할방식의 원자층 증착장치의 개략도,
도 2는 종래 공간분할방식의 원자층 증착장치의 개략도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자층 증착장치의 개략도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 원자층 증착용 소스에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자층 증착장치의 개략도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 원자층 증착장치는 원자층 증착용 소스와 양방향 이송가능한 기판을 포함하여 구성된다.

상기 기판은 소정의 이송수단에 의해 상기 원자층 증착용 소스를 따라 정방향 및 역방향으로 이동가능하도록 설치된다.

상기 원자층 증착용 소스는 기판의 정방향 이송방향에 따라 반복배열되는 복수 개의 사이클을 포함하며, 상기 사이클은 기판의 이송방향에 따라 순차적으로 제1소스영역(10), 제1퍼지영역(20), 제2소스영역(30) 및 제2퍼지영역(40)으로 구성된다.

상기 제1소스영역(10)은 제1소스가스에 노출되는 영역이고, 상기 제1퍼지영역(20)은 제1소스가스를 통과한 기판이 퍼지가스에 노출되는 영역이며, 상기 제2소스영역(30)은 제1퍼지영역(20)을 통과한 기판이 제2소스가스에 노출되는 영역이고, 상기 제2퍼지영역(40)은 상기 제2소스영역(30)을 통과한 기판이 퍼지가스에 노출되는 영역이다.

이때, 각 영역은 해당 영역에서 해당 가스를 기판 측으로 분사하는 노즐부가 기판과 대면하고 있는 부분의 길이일 수 있다.

또한, 제1퍼지영역(20)의 길이와 제2퍼지영역(40)의 길이는 해당 소스가스에 따라 다른 길이를 가지도록 마련된다. 즉, 제1퍼지영역(20)의 길이는 제2퍼지영역(40)의 길이와 다르게 형성된다.

제1소스가스가 전구체이고, 제2소스가스가 반응체인 경우, 제1퍼지가스에 노출되는 기판 노출시간은 제2퍼지가스에 노출되는 기판 노출시간과 다르다.

상기와 같이 배열되는 경우에는 상기 기판이 정방향(우측방향)으로 이송시, 기판은 순차적으로 제1소스영역(10), 제1퍼지영역(20), 제2소스영역(30) 및 제2퍼지영역(40)을 통과하고, 이어 반복 배열되는 제1소스영역(10), 제1퍼지영역(20), 제2소스영역(30) 및 제2퍼지영역(40)을 순차적으로 계속 통과하게 된다.

그리고, 상기 기판이 역방향(좌측방향)으로 이송시에는, 각 영역에서 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간은 상기 정방향 이송시 각 영역의 배열과 동일한 배열을 갖도록 하면서, 각 영역에서 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간과 동일하도록 각 영역이 재배열된다.

즉, 기판의 이송방향이 역방향일 때의 상기 제1소스영역(10), 상기 제1퍼지영역(20), 상기 제2소스영역(30) 및 상기 제2퍼지영역(40)의 배열은, 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때의 상기 제1소스영역(10), 상기 제1퍼지영역(20), 상기 제2소스영역(30) 및 상기 제2퍼지영역(40)의 배열과 다른 배열구성을 선택하여 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때와 동일하도록 재배열된다.

구체적으로, 기판의 이송방향이 역방향일 때는 기판의 이송방향이 정방향일 때의 n번째 제2소스영역(30)이 제2퍼지영역(40)으로 변경된다.

그리고, 기판의 이송방향이 정방향일 때의 n번째 제2퍼지영역(40)은 적어도 3개의 파트 영역으로 분할되어, 첫 번째 파트 영역과 마지막 파트 영역 사이의 중간부 파트 영역(41)은 제2소스영역(30)으로 변경된다.

본 실시예에서는 제2퍼지영역(40)이 3개의 파트 영역으로 분할되고, 중간부 파트 영역(41)이 제2소스영역(30)으로 변경된 것이 도시되어 있다.

한편, 변경되는 부분의 영역에 해당되는 노즐은 역방향으로 이송시에 선택적으로 해당 가스를 분사하도록 설치될 수도 있고, 해당 가스를 분사하는 노즐이 교체되도록 설치할 수도 있다.

기판이 역방향으로 이송시에 상기와 같은 배열구조를 갖게 되면, 기판이 이송방향이 정방향이든 역방향이든 상관없이 각 영역이 동일한 배열 하에 각 영역에서의 해당 가스에 노출되는 시간이 동일해질 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이 기판이 역방향으로 이송시, 선택적으로 배열구조가 일부 변경됨으로써 정방향 및 역방향에서 모두에서 각 영역에서의 가스 노출시간은 동일해질 수 있다.

가령, 도 4를 참조하면, 기판의 이송속도가 10mm/s이고, 제1소스영역(10)이 100mm, 제1퍼지영역이 100mm, 제2소스영역이 100mm, 제2퍼지영역이 300mm라고 설정된 상태에서, 기판의 이송방향에 따른 각 영역의 배열과 기판 노출시간은 아래와 같다.

(정방향) 제1소스영역 10초 -> 제1퍼지영역 10초 -> 제2소스영역 10초 -> 제2퍼지영역 30초 순으로 반복

(역방향) 제1소스영역 10초 -> 제1퍼지영역 10초 -> 제2소스영역 10초 -> 제2퍼지영역 30초 순으로 반복

결과적으로, 종래 기판 이송방향이 일방향으로 적용되도록 설계된 원자층 증착용 소스의 구조를 부분적으로 개선하여 양방향으로 적용가능하도록 할 수 있어, 공정시간을 단축시킬 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 제1소스영역 20 : 제1퍼지영역
30 : 제2소스영역 40 : 제2퍼지영역
41 : 중간부 파트 영역

Claims (3)

1. 이송되는 기판에 원자층을 형성하는 원자층 증착용 소스를 포함하는 원자층 증착장치에 있어서,
   상기 원자층 증착용 소스는,
   상기 기판이 이송방향의 정방향으로 통과하면서 제1소스가스에 노출되는 제1소스영역;
   상기 제1소스영역을 통과한 상기 기판이 퍼지가스에 노출되는 제1퍼지영역;
   상기 제1퍼지영역을 통과한 상기 기판이 제2소스가스에 노출되는 제2소스영역; 및,
   상기 제2소스영역을 통과한 상기 기판이 퍼지가스에 노출되는 제2퍼지영역;을 포함하여, 상기 기판의 이송방향의 정방향으로 복수 개가 배열되며,
   상기 기판이 역방향으로 이송시 각 영역의 배열은 상기 기판의 정방향 이송시 각 영역의 배열과 동일하도록 배열되면서, 각 영역의 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간은 상기 정방향 이송시 각 영역의 해당 가스에 노출되는 기판 노출시간과 동일하도록 각 영역이 재배열되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기판의 이송방향이 역방향일 때의 각 영역의 배열은, 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때의 배열과 다른 구성이 선택되어 상기 기판의 이송방향이 정방향일 때와 동일하도록 재배열되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 기판의 이송방향이 역방향일 때의 상기 제1소스영역과 상기 제1퍼지영역, 상기 제2소스영역 및 상기 제2퍼지영역의 배열은,
   상기 기판의 이송방향이 정방향일 때의 n번째 제2소스영역이 제2퍼지영역으로 변경되고,
   상기 기판의 이송방향이 정방향일 때의 n번째 제2퍼지영역은 적어도 3개의 파트 영역으로 분할되어, 첫 번째 파트 영역과 마지막 파트 영역 사이의 중간부 파트 영역은 제2소스영역으로 변경되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.

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