KR20160068986A - 원자층 증착에서 불활성 기체 플라즈마를 이용한 기판 표면의 처리 - Google Patents
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Abstract
원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 이용하여 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하되, 기판이 추가적인 층 증착을 거치기 전에 기판의 표면이 불활성 기체의 라디칼(radical)에 의하여 처리된다. 불활성 기체의 라디칼에 의하여 증착된 층의 표면 상태가 후속하는 원료전구체(source precursor) 분자와 흡착하기 더 쉬운 상태로 바뀌는 것으로 확인된다. 불활성 기체의 라디칼은 기판의 표면상의 분자들의 결합을 끊고, 표면상의 분자들이 불포화 결합(dangling bond)을 갖게 한다. 불포화 결합은 이어서 표면에 주입된 원료전구체 분자들의 흡착을 용이하게 한다. 따라서, 불활성 기체의 라디칼에 노출시킴으로써, 증착율이 증가되고 증착된 층의 특성이 향상된다.
Description
본 발명은 기판의 표면을 불활성 기체의 라디칼(radical)로 처리함으로써 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 수행하는 공정의 증착율을 증가시키는 것에 대한 것이다.
일반적으로, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 위한 반응기는 원료전구체(source precursor) 및 반응전구체(reactant precursor)를 교대로 기판상에 주입한다. ALD는 화학흡착층(chemisorbed layer)의 결합력이 물리흡착층(physisorbed layer )의 결합력과 상이한 것을 이용한다. ALD에서는, 전구체가 기판의 표면상에 흡착되고 불활성 기체로 퍼지(purge)된다. 그 결과, (반 데르 발스(Van der Waals) 힘에 의하여 결합된) 전구체의 물리흡착 분자들은 기판으로부터 탈착된다. 그러나, 전구체의 화학흡착 분자들은 공유 결합되며, 따라서, 이들 분자들은 기판에 강하게 흡착되어 기판으로부터 탈착되지 않는다. ALD는 (기판에 흡착된) 전구체의 화학흡착 분자가 반응전구체에 의하여 반응 및/또는 치환되는 특성을 이용하여 수행된다.
보다 구체적으로는, 원료전구체가 챔버 내로 주입되어 원료전구체가 기판상에 과잉 흡착된다. 다음으로, 퍼지 기체의 주입 및/또는 챔버의 펌핑(pumping)에 의하여 과잉 전구체 또는 물리흡착 분자가 제거되어, 기판상에는 화학흡착 분자만이 남게 된다. 화학흡착 분자는 단일 분자층이 된다. 이후, 반응전구체(또는 치환제)가 챔버 내로 주입된다. 다음으로, 퍼지 기체의 주입 및/또는 챔버의 펌핑에 의하여 과잉 전구체 또는 물리흡착 분자가 제거되어, 최종 원자층이 얻어진다.
ALD에서, 이들 4개의 공정(즉, 원료전구체의 주입, 퍼지, 반응전구체의 주입 및 또 한번의 퍼지)으로 이루어지는 기본 단위 공정이 통상 사이클(cycle)로 지칭된다. 포화 상태의 화학흡착층이 얻어지는 경우, 사이클 당 약 1Å의 증착율이 얻어진다. 그러나, 전구체가 포화 상태로 기판상에 흡착되지 않을 경우, 증착율은 사이클 당 약 1Å 보다 느려지게 된다. 물리흡착 분자가 완전히 제거되지 않고 물리흡착 분자의 일부가 기판상에 남아 있을 경우, 증착율은 증가된다.
단일 사이클당 하나의 얇은 층만이 얻어지므로, 필요한 두께의 층을 얻기 위해서는 여러 번의 ALD 사이클이 수행되어야 한다. 여러 번의 ALD 사이클을 반복하는 것은 관련 제조 시간을 증가시킬 수 있으며, 따라서 제조되는 기판의 전반적인 수율을 감소시킬 수 있다. 그러므로, 단일 ALD 사이클에서 증착되는 층의 두께를 증가시키는 공정의 개발이 요구된다.
기판의 표면을 후속 물질에 노출시키기 전에 표면을 불활성 기체의 라디칼(radical)에 노출시키는 물질 층의 증착이 개시된다.
실시예들은, 기판의 표면을 후속 물질에 노출시키기에 앞서 불활성 기체의 라디칼(radical)에 노출시킴으로써, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 것에 대한 것이다. 표면을 불활성 기체의 라디칼에 노출시킴으로써, 표면은 표면이 노출된 후속 물질을 끌어당기고 결합하기 쉬운 특성을 나타내게 된다. 따라서, 기판을 불활성 기체의 라디칼에 노출시킴으로써 증착율이 증가된다.
일 실시예에서, 기판이 제1 물질에 노출되고 이후 제2 물질에 노출되어 막이 형성된다. 제1 물질은 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)의 원료전구체(source precursor)일 수 있다. 제2 물질은 ALD의 반응전구체(reactant precursor)일 수 있다. 기판은 불활성 기체의 라디칼에 노출되고 이후 제3 물질에 노출된다. 제3 물질은 제1 물질과 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 불활성 기체의 라디칼의 적어도 일부는 기판상에 주입된 후 불활성 상태로 되돌아간다. 이와 같이 되돌아간 기체는, 과잉의 제2 물질을 기판의 표면으로부터 제거하는 퍼지(purge) 기체의 기능을 한다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 물질은 트리메틸알루미늄(trimethylaluminium)을 포함하고, 제2 물질은 O* 라디칼을 포함한다. 트리메틸알루미늄 및 O* 라디칼에 대한 노출의 결과, 표면상에 Al2O3 막이 형성된다.
일 실시예에서, 기판의 표면이 원료전구체에 노출된 후 반응전구체에 노출되기 전에, 기판의 표면은 표면상의 과잉 원료전구체를 제거하기 위한 퍼지 기체에 노출된다. 또한, 기판의 표면이 반응전구체에 노출된 후 불활성 기체의 라디칼에 노출되기 전에, 기판의 표면은 표면상의 과잉 반응전구체를 제거하기 위해 퍼지 기체에 노출된다.
일 실시예에서, 기판의 표면은 불활성 기체의 라디칼에 노출된 후 6초 내에 제3 물질에 노출된다.
일 실시예에서, 기판은 서셉터(susceptor)상에 위치되며, 제1 물질, 제2 물질, 불활성 기체의 라디칼 및 제3 물질에 노출되도록 진공 챔버 내에서 이동된다.
일 실시예에서, 표면이 후속 물질에 노출되기 전에 불활성 기체의 라디칼에 노출되면서 하나 이상의 물질 층을 증착함으로써 제조물품(article)이 제조된다.
실시예들은 또한, 기판의 표면을 후속 물질에 노출시키기 전에 표면을 불활성 기체의 라디칼에 노출시키는, 하나 이상의 물질 층을 증착하기 위한 장치에 대한 것이다. 후속 물질은 ALD 공정을 수행하기 위한 원료전구체일 수 있다.
기판의 표면을 불활성 기체의 라디칼(radical)로 처리함으로써 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 수행하는 공정의 증착율을 증가시킨다.
도 1은, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마(remote plasma) 보조(assisted) 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 수행하는 방법을 도시하는 순서도이다.
도 2는, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 보조 ALD를 수행하기 위한 장치를 도시하는 개략도이다.
도 3은, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 생성기를 포함하는 주입기의 단면도이다.
도 4는, 일 실시예에 따른, 동축(coaxial) 원격 플라즈마 생성기 및 퍼지(purge) 기체 주입기를 포함하는 주입기의 단면도이다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 생성기 및 퍼지 기체 주입기를 포함하는 주입기의 단면도이다.
도 6은, 일 실시예에 따른, 주입기들의 배치를 도시하는 도면이다.
도 2는, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 보조 ALD를 수행하기 위한 장치를 도시하는 개략도이다.
도 3은, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 생성기를 포함하는 주입기의 단면도이다.
도 4는, 일 실시예에 따른, 동축(coaxial) 원격 플라즈마 생성기 및 퍼지(purge) 기체 주입기를 포함하는 주입기의 단면도이다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 생성기 및 퍼지 기체 주입기를 포함하는 주입기의 단면도이다.
도 6은, 일 실시예에 따른, 주입기들의 배치를 도시하는 도면이다.
본 명세서의 실시예들은 첨부된 도면을 참조로 설명된다. 그러나, 본 명세서에서 기술되는 원칙들은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에서 기재된 실시예들에 한정되지 않는다. 명세서에서, 실시예들의 특징을 명확하게 하기 위하여 잘 알려진 특징 및 기술에 대한 불필요한 설명은 생략한다.
도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소들을 나타낸다. 도면의 형상, 크기 및 영역 등은 알기 쉽도록 과장될 수 있다.
실시예들은, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)에서 기판에 원자층이 증착되기에 앞서 기판의 표면을 불활성 기체(inert gas)의 라디칼(radical)에 의하여 처리하는, 기판상에 하나 이상의 원자층을 증착하는 것에 대한 것이다. 표면을 불활성 기체의 라디칼에 노출시키면, 증착된 층의 표면 상태가 후속하는 원료전구체(source precursor) 분자를 끌어들여 결합하기 쉬운 상태로 바뀌는 것으로 확인된다. 불활성 기체의 라디칼에 노출시킴으로써, 증착율이 증가되고 증착된 층의 특성이 향상될 수 있다.
본 명세서에서 원자층 증착(ALD)이란, 표면을 기체 상태의 일련의 화학 물질에 노출시킴으로써 표면상에 얇은 층을 증착하는 공정을 지칭한다.
본 명세서에서 원료전구체란, ALD를 이용하여 층을 형성하기 위해 다른 화학 물질(즉, 반응전구체(reactant precursor))에 앞서 표면에 주입되는 화학 물질을 지칭한다.
본 명세서에서 반응전구체란, ALD를 이용하여 층을 형성하기 위해 다른 화학 물질(즉, 원료전구체) 후에 표면에 주입되는 화학 물질을 지칭한다.
본 명세서에서 기판이란, 물질의 층이 증착되기 위한 노출된 표면을 갖는 물체를 지칭한다. 기판은 평평한 표면 또는 비평탄면(예컨대, 곡면)을 가질 수 있다. 기판은 견고하거나(예컨대, 반도체 웨이퍼(wafer)) 또는 유연할(예컨대, 직물(textile)) 수 있다. 기판은 다양한 형상 및 구성(예컨대, 원 형상 또는 튜브형상)을 가질 수 있다.
도 1은, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마(remote plasma) 보조 ALD를 수행하기 위한 방법을 도시하는 순서도이다. 먼저, 원료전구체가 기판의 표면상에 주입되어(110) 기판의 표면상에 전구체의 층을 형성한다. 다음으로 퍼지(purge) 기체(예컨대, 불활성 기체)가 기판의 표면상에 주입되어, 물리흡착된 원료전구체 분자를 표면으로부터 제거하고 화학흡착된 원료전구체 분자를 기판상에 남긴다.
이후 반응전구체가 기판의 표면상에 주입된다(118). 기판은 다시 퍼지 기체(예컨대, 불활성 기체)에 노출되어 여분의 반응전구체가 표면으로부터 제거된다(122). 반응전구체의 분자는 원료전구체 분자와 반응 및/또는 치환하여 증착된 물질의 층을 형성한다. 퍼지 기체는 물리흡착된 반응전구체 분자를 표면으로부터 제거하고 증착된 물질의 층만을 남긴다.
이후 기판이 불활성 기체(예컨대, Ar)의 라디칼을 거쳐 표면 처리가 수행된다(128). 라디칼은 기판으로부터 떨어진 플라즈마 생성기에서 생성된다(따라서, 상기 공정은 "원격 플라즈마 보조 ALD"로 지칭된다). 기판으로부터 떨어진 위치에서 라디칼을 생성하는 것은, 다른 점들 중에서도, 기판이 기판상에 형성된 다른 장치를 손상시키거나 이에 영향을 미칠 수 있는 전류에 노출되지 않는 점에서 이점이 있다.
표면을 불활성 기체의 라디칼에 의하여 처리함으로써 기판 표면상의 증착 층의 분자들은, 불활성 기체의 라디칼에 노출되지 않은 증착 층과 비교하여, 더 많은 원료전구체 분자를 끌어당기고 결합하는 불포화 결합(dangling bond)을 갖게 되는 것으로 나타난다. 불포화 결합은 뒤이어 표면에 주입된 원료전구체 분자의 흡착을 용이하게 하며, 따라서, ALD의 후속 사이클의 증착율을 증가시킨다.
증착 층의 두께가 목적하는 것보다 얇을 경우, 공정은 기판 표면에 원료전구체를 주입하는 단계(110)로 되돌아간다. 기판 표면에 주입하는 단계(110)로부터 불활성 기체의 라디칼을 이용한 표면 처리를 수행하는 단계(126)까지의 단계들은 목적하는 두께의 증착 층이 얻어질 때까지 다수의 사이클만큼 반복될 수 있다. 최종 층이 증착된 후 마지막 사이클에서 불활성 기체의 라디칼을 이용하여 표면 처리를 수행하는 단계(126)는 생략될 수 있다.
불활성 기체의 라디칼에 의해 처리된 기판의 표면은 조속히 원료전구체에 노출시키는 것이 유리하다. 불활성 기체의 라디칼에 노출된 후 라디칼에 의하여 처리된 기판의 특성은 이전(라디칼에 노출되기 전) 상태로 되돌아가기 시작한다.
표면이 이전 상태로 되돌아가는 시간과, 이러한 회귀(reversal) 공정이 일어나는 속도는 공정 챔버 내의 잔여 불순물의 정도와 같은 요인들에 의존한다. 공정 챔버가 높은 진공 상태에 있을 경우, 처리된 표면과 상호작용할 잔여 불순물이 적으므로 표면 처리가 오랜 기간 지속되며 느린 속도로 되돌아가는 경향이 있다. 반면, 반응 챔버가 낮은 진공 상태에 있을 경우, 더 많은 잔여 불순물들이 처리된 표면과 반응할 수 있으므로, 처리된 표면이 높은 속도로 더 빨리 이전 상태로 되돌아가게 된다. 하나 이상의 실시예에서, 공정 챔버는 1mTorr 이하의 진공 상태로 유지된다. 이러한 진공 상태의 정도에서, 불활성 기체의 라디칼에 의해 처리된 표면이 10초 내에 원료전구체에 노출된다. 몇몇 실시예에서, 라디칼에 의하여 처리된 표면은 3초 내에 원료전구체를 거치게 된다.
일 실시예에서, 불활성 기체의 라디칼을 이용한 표면 처리를 수행하는 단계(126) 전에, 원료전구체를 주입하는 단계(110)로부터 반응전구체를 제거하는 단계(122)까지의 단계들이 여러 번 반복된다. 기판상에 원료전구체를 여러 번 주입함으로써, 기판에서 원료전구체의 보다 복합적인 흡착이 이루어질 수 있다. 이와 같은 여러 번의 주입은 TiCl4와 같이 기판에 잘 흡착되지 않는 물질에 있어 더욱 유리하다.
기판을 불활성 기체의 라디칼에 노출시킴으로써, (i) 증착율을 증가시키고, (ii) 증착된 막의 밀도를 증가시키며, (iii) 증착된 막의 질을 향상시키고(예컨대, 증착된 막의 굴절율 향상), (iv) 증착된 막의 어닐링(annealing) 효과를 달성할 수 있는 이점이 있으나, 이점들이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시된 공정은 도 2에 도시된 장치(200)에서 수행될 수 있다. 도 2는, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 보조 ALD를 수행하기 위한 장치(200)의 개략도이다. 장치(200)는, 비 한정적인 구성 요소로서, 제1 주입기(210), 제2 주입기(220), 진공 게이지(vacuum gauge)(214), 서셉터(susceptor)(230), 및 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma; ICP)형 원격 플라즈마 생성기(250)를 포함한다. 이들 구성요소들은 적어도 부분적으로 챔버(228)에 의하여 둘러싸여 있다. 서셉터(230)는 하나 이상의 기판(270)을 고정하기 위한 리세스(recess)를 갖는다. 일 실시예에서, 2인치 기판 및/또는 3인치 기판을 수용하기 위해 각각의 리세스의 깊이는 0.5 mm이다. 서셉터(230)는 서셉터(230) 아래에 위치하는 모터(234)(및 기어)를 이용하여 회전된다. 서셉터(270)는 원 형상일 수도 있으며 또는 다른 형상(예컨대, 사각형)을 가질 수도 있다.
장치(200)에서, 기판이 주입기(210, 220)를 통과함에 따라 기판(270)은 상이한 화학 물질(예컨대, 원료전구체, 반응전구체, 퍼지 기체 및 불활성 기체의 라디칼)에 노출된다. 전체 챔버(228)를 펌핑하여 비우고 상이한 화학 물질을 주입하는 것과 비교하면, 기판(270)과 주입기(210, 220)의 상대적인 이동에 의하여 층들을 더 빠르게 증착할 수 있으며 증착된 층의 높은 균일도의 품질을 유지하면서 공정에 사용되는 화학 물질을 줄일 수 있다.
제1 주입기(210)는 제1 주입기(210) 아래를 통과하는 기판(270)상에 하나 이상의 원료전구체, 반응전구체 및 불활성 기체의 라디칼을 주입하여 기판(270)상에 하나 이상의 분자 층을 증착할 수 있다. 제2 주입기(220) 또한 기판(270)상에 하나 이상의 원료전구체, 반응전구체 및 불활성 기체의 라디칼을 주입한다. 일 실시예에서, 제2 주입기(220)는 불활성 기체의 라디칼을 주입함으로써 도 1의 단계(126)을 수행한다. 이를 위하여, 제2 주입기는 도 3을 참조하여 후술하는 것과 같은 원격 플라즈마 생성기를 포함한다. 주입기(210, 220)는 챔버(228) 내에 에워싸여 위치하며 챔버(228)는 챔버(228) 내의 기체를 외부로 펌핑함으로써 진공 상태로 유지된다. 진공 게이지(214)가 챔버(228) 내의 압력을 측정한다.
ICP 원격 플라즈마 생성기(250)는, 비 한정적인 구성 요소로서, 석영 튜브(254) 및 플라즈마를 생성하기 위해 석영 튜브(254) 주위에 감겨진 코일(258)을 포함할 수 있다. ICP 원격 플라즈마 생성기(250)는 기체를 수용하며 코일에 전류를 인가함으로써 플라즈마를 생성한다. ICP 원격 플라즈마 생성기 외에 다양한 다른 형태의 플라즈마 생성기가 사용될 수도 있다.
서셉터(230)가 회전함에 따라, 기판(270)은 제1 주입기(210) 및 제2 주입기(220)의 아래를 차례로 통과하고 최종적으로 라디칼 처리를 위한 석영 튜브(63)의 아래를 통과한다. 기판(270)이 주입기(210)의 아래를 통과함에 따라, 기판(270)은 먼저 원료전구체에 노출된다. 원료전구체의 일부는 기판(270)의 표면 또는 기판(270)에 사전에 증착된 층상에 흡착된다. 이후, 기판(270)이 퍼지 기체(예컨대, 아르곤)에 노출되어 과잉 원료전구체 분자가 표면으로부터 제거된다. 과잉 원료전구체란 기판(270) 또는 증착된 층상에 (화학흡착되지 않고)물리흡착된 원료전구체 분자를 지칭한다. 기판(270)이 더 회전함에 따라, 기판(270)이 반응전구체에 노출되어 기판상에 원자층이 형성된다.
기판(270)에는 과잉 반응전구체 분자를 기판(270) 표면으로부터 제거하기 위한 퍼지 기체가 더 주입될 수 있다. 과잉 반응전구체란, 기판(270) 또는 증착된 층상에 (화학흡착되지 않고)물리흡착된 반응전구체 분자를 지칭한다.
또는, 반응전구체가 제1 주입기(210) 대신 제2 주입기(220)에 의하여 제공될 수도 있다. 서셉터(270)는 도 1에 화살표로 지시된 방향으로 회전할 수 있으나, 이의 역 방향으로 회전하거나 또는 회전 방향을 교대하면서 기판을 상이한 물질에 노출시킬 수도 있다. 일 실시예에서, 제1 주입기(210)는 도 1에 도시된 단계(110) 내지 단계(122)를 수행한다.
서셉터(230)가 더 회전함에 따라, 기판(270)은 제1 주입기(220) 아래를 통과한다. 제2 주입기(220)는 불활성 기체(예컨대, Ar)의 라디칼 및/또는 반응제를 기판(270)의 표면상에 주입한다. 반응제는 기판상에 증착된 원료전구체 물질과 반응하거나 또는 원료전구체 물질을 치환하여 증착된 물질의 층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 주입기(220)는 불활성 기체의 라디칼을 생성하기 위해 동축(coaxial) 용량형(capacitive type) 플라즈마 생성기를 포함하며, 이는 도 3을 참조하여 상세히 후술한다. 동축 용량형 플라즈마 생성기 대신 유도 결합 플라즈마(induction coupled plasma; ICP)와 같은 다른 형태의 플라즈마 생성기가 사용될 수도 있다. 이어서, 기판(270)은 ICP 원격 플라즈마 생성기에 의하여 생성된 플라즈마에 의하여 처리되거나 또는 처리되지 않을 수 있다. 다음으로, 기판(230)이 더 회전함에 따라, 기판(270)은 다시 제1 주입기(210)의 아래를 통과하여 ALD의 또 다른 사이클을 거치게 된다.
상기 공정은 다른 형태의 장치에서 수행될 수도 있다. 회전하는 서셉터를 사용하는 대신, 서셉터가 전후로 선형 이동하면서 물질의 여러 층이 증착될 수도 있다. 또는, 주입기는 곡면상에 물질 층을 증착하도록 적용되는 튜브형(tubular form)일 수도 있다.
도 3은, 일 실시예에 따른, 도 2의 주입기(220)의 단면도이다. 주입기(220)는, 비 한정적인 구성 요소로서, 몸체(310), 외부 전극(320) 및 내부 전극(330)을 포함할 수 있다. 외부 전극(320) 및 내부 전극(330) 사이에는 밸브(V1, V2, V3)를 통해 기체가 주입되는 공동(cavity)(340)이 형성된다. 공동(120)에 공급되는 기체는 밸브(V1, V2)를 열고 닫음으로써 변화될 수 있으며, 불활성 기체(Ar)나, O2, H2 또는 NH3와 같은 반응제 기체를 포함할 수 있다. 밸브(V3)는 공동(340) 내로의 기체의 유량(flow rate)을 제어한다.
양 전극(320, 330)은 주입기(220)의 길이 방향을 따라 연장된다. 각각의 전극(320, 330)은 고압 소스의 상이한 단자에 결합되어 있다. 일 실시예에서, 외부 전극(320)과 내부 전극(330) 사이에 500V 내지 1500V의 전압이 인가되어 공동(340) 내에 플라즈마를 생성한다. 생성된 플라즈마는 슬릿(350)을 통과하여 주입 공동(360) 내로 주입된다. 슬릿(350)의 폭은 2mm 이상일 수 있다. 공동(340)의 하단과 제2 주입기(220) 아래를 통과하는 기판(270) 사이의 거리는 대략 15mm 내지 20 mm일 수 있다. 외부 전극(320)의 직경은 약 10 내지 20 mm이다.
주입기(220)는 공동(340) 내에 불활성 기체(예컨대, Ar)를 수용할 수 있다. 내부 및 외부 전극(320, 330) 사이에 전압이 인가될 경우, 불활성 기체의 라디칼(예컨대, Ar*)이 공동(340) 내에 생성된다. 이후 불활성 기체의 라디칼이 슬릿(350)을 통해 주입되어 기판의 표면을 처리한다.
주입기(220)는 불활성 기체 대신 O2, H2 또는 NH3와 같은 반응제 기체를 수용하여 반응제 기체의 라디칼(예컨대, O* 라디칼, H* 라디칼 또는 N* 라디칼)을 생성할 수도 있다.
기판(270)의 일부가 주입 공동(360)을 통과하는 동안, 상기 기판(270)의 일부는 불활성 기체 또는 반응제 기체의 라디칼에 노출된다. 라디칼이 공동(340)을 통해 기판상에 주입된 후, 라디칼은 협착(constriction) 영역(364)을 통과한 후 주입기(220)의 몸체(310)에 형성된 배기 영역(368)을 통해 배기된다. 이때 짧은 수명을 갖는 라디칼(예컨대, Ar* 라디칼, H* 라디칼 또는 N* 라디칼)은 이들 라디칼이 불활성 상태로 돌아간 후 퍼지 기체의 기능을 할 수도 있다. 기판의 표면에 흡착된 반응제 분자 또는 라디칼의 적어도 일부는, 협착 영역(364)을 통과하는 라디칼에 의하여 기판으로부터 탈착된다. 즉, 기판의 표면상에 주입된 후, 라디칼들은 짧은 기간 후에 불활성 상태로 돌아갈 수 있다. 이후 불활성 기체는 기판의 표면으로부터 과잉 반응제를 제거하는 퍼지 기체의 기능을 할 수 있다.
도 4는, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 생성기(414) 및 기체 주입기(450)를 갖는 주입기(400)를 도시하는 단면도이다. 불활성 기체(예컨대, Ar 또는 He)가 밸브(V2)를 통해 원격 플라즈마 생성기(414) 내로 주입되는 동안, O2, N2O, H2 및 NH3와 같은 불활성 기체 반응전구체 기체가 밸브(V1)를 통해 원격 플라즈마 생성기(414) 내로 주입된다. 일 실시예에서, 원격 플라즈마 생성기(414)로 공급되는 기체는 밸브(V1) 및 밸브(V2)를 켜거나 끄도록 제어함으로써 교대된다. 원격 플라즈마 생성기(414)는 내부 전극(410) 및 외부 전극(420)을 포함한다. 내부 전극(410) 및 외부 전극(420) 사이에는, 밸브(V3)를 통해 주입된 기체를 수용하기 위한 공동(cavity)(430)이 형성된다. 밸브(V3)는 반응전구체 및 불활성 기체가 혼합된 기체의 공동(430) 내로의 공급을 제어한다.
반응전구체의 라디칼이 원격 플라즈마 생성기(414)에서 생성될 경우, 반응전구체 기체의 라디칼이 슬릿(440)을 통해 기판상에 공급되어 공동(462)을 통해 기판(270)에 흡착된다. 반응전구체 기체가 협착 영역(464)을 통과함에 따라, 기판(270)에 흡착된 반응전구체 분자 또는 라디칼의 일부가 벗겨져 배기부(466)를 통해 배출된다. 도 3을 참조하여 상세히 전술한 것과 같이, 불활성 기체의 라디칼이 원격 플라즈마 생성기(414)에서 생성되면, 라디칼은 표면 처리를 수행한 후 불활성 상태로 돌아가 퍼지 기체의 기능을 할 수 있다.
기체 주입기(450)는 퍼지 기체 또는 다른 기체를 기판(270)의 표면상에 주입한다. 밸브(V4) 및 밸브(V5)는 기체 주입기(450)에 특정 종류의 기체를 제공하도록 켜지거나 꺼진다. 기체 주입기(450)에 제공되는 기체의 양은 밸브(V6)에 의하여 제어될 수 있다. 기체 주입기(450)에 제공되는 기체는, 예컨대, 원료전구체, 반응전구체 또는 퍼지 기체를 포함한다. 기체 주입기(450)는 길이 방향으로 연장되고 다수의 홀 또는 슬릿(476)을 통해 공동(470) 내로 기체를 제공하기 위한 기체 채널(474)을 갖는다. 기판(270)의 표면상에 주입된 퍼지 기체는 원격 플라즈마 생성기(414)에 의하여 제거되지 않은 과잉 원료전구체, 반응전구체 또는 라디칼을 더 제거한다.
퍼지 기체가 기체 주입기(450)에 제공되면, 기체 주입기(450)는 퍼지 동작을 수행하여 기판(270) 부분이 협착 영역(468)을 통과하는 동안 기판(270) 부분으로부터 반응전구체 분자 또는 원료전구체 분자를 제거할 수 있다. 과잉 기체는 배기 영역(466)을 통해 배출된다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 원격 플라즈마 생성기(510) 및 퍼지 기체 주입기(520)를 갖는 주입기(500)를 도시하는 단면도이다. 주입기(500)는 배기부(544)가 주입기의 끝에 제공되며 협착 영역이 도 3a의 실시예에서에 비해 더 큰 점을 제외하면 주입기(400)와 유사하다. 주입기(500)는, 비 한정적인 구성요소로서, 서로 인접한 플라즈마 생성기(510) 및 기체 주입기(520)를 포함할 수 있다. 주입기(500) 내에는, 공동(532), 협착 영역(536, 538), 공동(540), 협착 영역(542) 및 배기부(544)가 주입기의 아래 부분에 순차적으로 형성된다.
원격 플라즈마 생성기(510)는 불활성 기체의 라디칼을 생성하고 기판(270)이 도 5의 좌측으로부터 우측으로 이동하는 동안 공동(532) 아래를 통과하는 기판(270) 부분의 표면 처리를 수행한다. 불활성 기체의 라디칼은 불활성 기체가 협착 영역(536, 538)을 통과하는 시간 정도에 불활성 상태로 되돌아가, 협착 영역(536, 538)의 아래를 통과하는 기판(270) 부분으로부터 과잉 라디칼을 제거한다. 기체 주입기(520)는 기판(270)의 표면에 추가적인 불활성 기체를 제공하여 기판(270) 표면으로부터 과잉 분자 또는 라디칼을 더 제거한다.
일 실시예에서, 공동(532) 내의 압력은 공동(540) 내의 압력보다 커 기체가 다시 공동(532) 내로 흘러들어오는 것을 방지한다. 또는, 홀(440)을 통한 기체의 유량이 홀(476)을 통한 기체의 유량보다 커야 한다.
도 6은, 일 실시예에 따른, 기판상에 증착 층을 형성하기 위한 주입기(600, 610)를 도시하는 도면이다. 주입기(600)는 두 개의 기체 주입기(602, 606)를 포함하며, 이들 각각은 기체 채널 및 다수의 슬릿을 갖는 몸체를 갖는다. 기판이 기체 주입기(602) 아래를 통과함에 따라, 원료전구체(예컨대, 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminium; TMA))이 기판(270)상에 주입된다. 그 결과 원료전구체는 부분적으로 기판(270)에 흡착된다. 일 실시예에서, 원료전구체(예컨대, TMA)를 주입하기 위한 캐리어 기체로 아르곤이 사용된다. 아르곤 기체는 10 sccm으로 제공되며, 3℃ 온도의 캐니스터(canister)에 저장된다. 기판이 기체 주입기(606) 아래를 통과함에 따라, 기판(270)은 퍼지 기체(예컨대, Ar)를 거쳐 과잉 원료전구체가 기판(270)으로부터 제거된다.
주입기(610)의 원격 플라즈마 생성기(612)에는, 원격 플라즈마 생성기(612)의 전극 사이에 전압을 인가함으로써 라디칼(예컨대, O* 라디칼)을 생성하기 위한 기체(예컨대, O2)가 제공된다. 주입기(612)에서 생성된 라디칼은 반응전구체의 기능을 한다. 일 실시예에서, 50W 내지 200W에서 1000V의 전압이 원격 플라즈마 생성기(612)의 전극 사이에 인가된다. 라디칼은 원격 플라즈마 생성기(612) 내에서 형성되어 기판(270)상에 주입된다. 원격 플라즈마 생성기(612)로부터의 라디칼이 기판(270)상의 원료전구체 분자와 반응하거나 이를 치환함으로써, 증착 층(예컨대, Al2O3)이 기판(270)상에 형성된다.
이후 증착 층을 갖는 기판(270)은 주입기(610)의 제2 원격 플라즈마 생성기(616)를 거친다. 제2 원격 플라즈마 생성기(616)는 제2 플라즈마 생성기(616)의 두 전극 사이에 전압을 인가함으로써 불활성 기체(예컨대, Ar)의 플라즈마를 생성한다. 기판(270)을 불활성 기체의 라디칼에 노출시킴으로써, 기판의 표면 상태가 변화하며, 예컨대, 결합을 끊고 이들 분자들이 불포화 결합(dangling bond)을 갖도록 한다. 증착 층으로서 Al2O3의 예를 들면, 불활성 기체의 라디칼에 노출시킴으로써 Al-O 결합이 끊어진다. 따라서, 다음 사이클에서 기판(270)에 다시 주입기(602)에 의하여 원료전구체가 주입될 경우, 표면의 흡착 계수 및 반응 계수가 증가한다. 흡착 계수 및 반응 계수의 증가는 ALD의 증착율의 증가로 이어진다. 또한, 기판(270)의 표면을 처리함으로써 형성된 층들은 더 우수한 품질(예컨대, 밀도)을 갖는다.
하나 이상의 실시예에서, 불활성 기체의 라디칼에 의해 표면이 처리된 후 기판(270)에는 6초 내에 원료전구체가 주입된다. 몇몇 실시예에서, 불활성 기체의 라디칼에 의해 표면이 처리된 후 기판(270)에는 3초 내에 원료전구체가 주입된다. 짧은 시간 내에 기판(270)을 원료전구체에 노출시킴으로써, 기판(270)의 표면이 높은 흡착 계수 및 반응 계수를 유지하는 동안 기판(270)의 표면이 원료전구체에 노출된다. 증가된 흡착 계수 및 반응 계수는 높은 증착율에 기여한다.
나아가, 표면을 불활성 기체의 라디칼로 처리함으로써 형성된 ALD 층은, 불활성 기체의 라디칼에 의한 표면 처리 없이 형성된 ALD 층과 비교하여 다른 유리한 특성을 나타낸다. 예를 들어, Ar 기체의 라디칼에 의해 표면을 처리하여 형성된 Al2O3는, Ar 기체의 라디칼에 의한 표면 처리 없이 형성된 Al2O3와 비교하여 더 높은 밀도 및 더 높은 광학 굴절률을 갖는다.
본 발명은 몇몇 실시예와 관련하여 기술되었으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술은 본 발명의 범위를 단지 예시적으로 나타내고 이를 한정하는 것으로 의도되지 않으며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 기술된다.
Claims (13)
- 기판의 표면의 부분을 제1 물질에 노출시키는 단계;
상기 제1 물질에 노출시킨 후 상기 기판의 표면의 상기 부분을 제2 물질에 노출시키는 단계;
주입기에 형성되며 상기 기판의 표면으로부터 이격되어 위치한 챔버 내에, Ar* 라디칼 및 H* 라디칼 중 하나 이상을 포함하는, 불활성 기체의 라디칼을 생성하는 단계;
상기 기판의 표면의 상기 부분을 상기 제1 물질 및 상기 제2 물질에 노출시킨 후 상기 챔버에 연결된 상기 주입기의 주입 공동을 통해 상기 불활성 기체의 라디칼을 상기 기판의 표면의 상기 부분상에 주입하는 단계로서, 상기 주입 공동 아래의 처리 영역에 위치하는 상기 기판의 표면의 상기 부분을 처리하기 위한, 상기 불활성 기체의 라디칼을 상기 기판의 표면의 상기 부분상에 주입하는 단계;
상기 불활성 기체의 라디칼로부터 불활성 상태로 되돌아간 퍼지 기체를 상기 기판의 표면 위의 상기 퍼지 기체의 흐름이 협착되는 크기를 갖는 협착 영역에 통과시킴으로써 상기 기판의 표면으로부터 과잉 제2 물질을 제거하는 단계로서, 상기 협착 영역은 상기 챔버로부터 상기 처리 영역보다 더 멀리 위치하는, 상기 기판의 표면으로부터 과잉 제2 물질을 제거하는 단계; 및
상기 기판의 상기 부분을 상기 불활성 기체의 라디칼에 노출시킨 후, 처리된 상기 기판의 표면을 제3 물질에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 제3 물질은 상기 제1 물질과 동일한 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 제1 물질 및 상기 제3 물질은 원자층 증착을 위한 원료전구체이며,
상기 제2 물질은 원자층 증착을 위한 반응전구체인 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 제1 물질은 원료전구체를 포함하며,
상기 제2 물질은 상기 원료전구체와 반응하여 박막을 형성하는 라디칼을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 기판의 표면을 상기 제1 물질에 노출시킨 후 상기 표면을 상기 제2 물질에 노출시키기 전에, 상기 표면상의 과잉 제1 물질을 제거하기 위해 상기 기판의 표면을 제2 퍼지 기체에 노출시키는 단계; 및
상기 표면을 상기 제2 물질에 노출시킨 후 상기 표면을 불활성 기체의 라디칼에 노출시키기 전에, 상기 표면상의 과잉 제2 물질을 제거하기 위해 상기 표면을 제3 퍼지 기체에 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 기판의 표면은 상기 불활성 기체의 라디칼에 노출된 후 6초 내에 상기 제3 물질에 노출되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
진공 챔버 내에서 상기 기판이 장착된 서셉터를 회전시키는 단계를 더 포함하되,
상기 서셉터가 상기 기판과 함께 회전하는 동안 상기 기판의 표면이 상기 제1 물질, 상기 제2 물질, 상기 불활성 기체의 라디칼 및 상기 제3 물질에 노출되는 것을 특징으로 하는, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하는 방법.
- 기판의 표면상에 증착된 하나 이상의 물질 층을 포함하는 제조 물품으로서, 상기 하나 이상의 물질 층은,
상기 기판의 표면의 부분을 제1 물질에 노출시키는 단계;
상기 제1 물질에 노출시킨 후, 상기 기판의 표면의 상기 부분을 제2 물질에 노출시키는 단계;
주입기에 형성되며 상기 기판의 표면으로부터 이격되어 위치한 챔버 내에, Ar* 라디칼 및 H* 라디칼 중 하나 이상을 포함하는, 불활성 기체의 라디칼을 생성하는 단계;
상기 기판의 표면의 상기 부분을 상기 제1 물질 및 상기 제2 물질에 노출시킨 후 상기 챔버에 연결된 상기 주입기의 주입 공동을 통해 상기 불활성 기체의 라디칼을 상기 기판의 표면의 상기 부분상에 주입하는 단계로서, 상기 주입 공동 아래의 처리 영역에 위치하는 상기 기판의 표면의 상기 부분을 처리하기 위한, 상기 불활성 기체의 라디칼을 상기 기판의 표면의 상기 부분상에 주입하는 단계;
상기 불활성 기체의 라디칼로부터 불활성 상태로 되돌아간 퍼지 기체를 상기 기판의 표면 위의 상기 퍼지 기체의 흐름이 협착되는 크기를 갖는 협착 영역에 통과시킴으로써 상기 기판의 표면으로부터 과잉 제2 물질을 제거하는 단계로서, 상기 협착 영역은 상기 챔버로부터 상기 처리 영역보다 더 멀리 위치하는, 상기 기판의 표면으로부터 과잉 제2 물질을 제거하는 단계; 및
상기 기판의 상기 부분을 상기 불활성 기체의 라디칼에 노출시킨 후, 처리된 상기 기판의 표면을 제3 물질에 노출시키는 단계를 포함하는 방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 표면상에 증착된 하나 이상의 물질 층을 포함하는 제조 물품.
- 제 8항에 있어서,
상기 제3 물질은 상기 제1 물질과 동일한 것을 특징으로 하는, 표면상에 증착된 하나 이상의 물질 층을 포함하는 제조 물품.
- 제 9항에 있어서,
상기 제1 물질 및 상기 제3 물질은 원자층 증착을 위한 원료전구체이며,
상기 제2 물질은 원자층 증착을 위한 반응전구체인 것을 특징으로 하는, 표면상에 증착된 하나 이상의 물질 층을 포함하는 제조 물품.
- 제 9항에 있어서,
상기 제1 물질은 원료전구체를 포함하며,
상기 제2 물질은 상기 원료전구체와 반응하여 박막을 형성하는 라디칼을 포함하는 것을 특징으로 하는, 표면상에 증착된 하나 이상의 물질 층을 포함하는 제조 물품.
- 제 8항에 있어서,
상기 방법은,
상기 기판의 표면을 상기 제1 물질에 노출시킨 후 상기 표면을 상기 제2 물질에 노출시키기 전에, 상기 표면상의 과잉 제1 물질을 제거하기 위해 상기 표면을 제2 퍼지 기체에 노출시키는 단계; 및
상기 표면을 상기 제2 물질에 노출시킨 후 상기 표면을 상기 불활성 기체의 라디칼에 노출시키기 전에, 상기 표면상의 과잉 제2 물질을 제거하기 위해 상기 표면을 제3 퍼지 기체에 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 표면상에 증착된 하나 이상의 물질 층을 포함하는 제조 물품.
- 제 8항에 있어서,
상기 표면은 상기 불활성 기체의 라디칼에 노출된 후 6초 내에 상기 제3 물질에 노출되는 것을 특징으로 하는, 표면상에 증착된 하나 이상의 물질 층을 포함하는 제조 물품.
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