KR20190129612A - 기판 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 의한 기판 처리 장치는, 내부에 기판 처리 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착되는 기판 지지부와, 상기 기판 지지부 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 상기 기판 지지부에 대향되게 상기 챔버에 설치된 가스 공급부와, 상기 기판 지지부의 동작 및 상기 가스 공급부의 가스 공급을 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 가스 공급부는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부, 제 1 에치 가스 공급부, 제 1 퍼지부, 제 2 증착 가스 공급부, 제 2 에치 가스 공급부 및 제 2 퍼지부를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 및 원자층 에치(atomic layer etch; ALE)가 가능한 기판 처리 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화로 인해서, 반도체 소자에서 사용되는 박막의 두께가 얇아지고 있다. 특히, 원자층 증착(ALD) 공정이 적용되면, 박막의 두께 제어가 원자 또는 분자층 단위로 제어가 가능해지고 있다. 하지만, 박막이 얇아지면 요구되는 물성을 맞추기가 어려워진다. 예를 들어, 박막이 일정 두께 이하로 얇아지면 결정성이 나빠져 누설전류 특성이 나빠진다. 하지만, 누설전류 특성을 개선하기 위해서 박막의 두께를 높이면 요구되는 유전율이나 커패시턴스를 확보하기 어려워진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 얇은 두께의 박막으로 요구되는 박막 특성을 확보하기 위한 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 기판 처리 장치는, 내부에 기판 처리 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착되는 기판 지지부와, 상기 기판 지지부 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 상기 기판 지지부에 대향되게 상기 챔버에 설치된 가스 공급부와, 상기 기판 지지부의 동작 및 상기 가스 공급부의 가스 공급을 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 가스 공급부는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부, 제 1 에치 가스 공급부, 제 1 퍼지부, 제 2 증착 가스 공급부, 제 2 에치 가스 공급부 및 제 2 퍼지부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 기판들 상에 박막을 형성하기 위한 원자층 증착 시에는, 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 증착 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 증착용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어하고, 원자층 에치 공정 시에는 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 에치 가스 공급부 및 상기 제 2 에치 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 에치용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어한다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 증착 가스 공급부와 상기 제 2 증착 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 증착 가스 공급부와 상기 제 1 증착 가스 공급부 사이에 배치될 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 원자층 증착 공정 시, 상기 제 1 증착 가스 공급부는 소스 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 2 증착 가스 공급부는 상기 소스 가스와 반응하여 박막을 형성하기 위한 반응 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 소스 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 반응 가스를 퍼지할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 에치 가스 공급부와 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 에치 가스 공급부와 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이에 배치될 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 원자층 에치 공정 시, 상기 제 2 에치 가스 공급부는 박막을 표면처리하기 위한 표면처리 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 1 에치 가스 공급부는 상기 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 상기 박막을 제거하기 위한 에치 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고, 상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 표면처리 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 에치 가스를 퍼지할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제 2 에치 가스 공급부는 상기 표면처리 가스를 라디칼화 하기 위한 전자빔(E-beam) 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치는, 상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이의 제 1 이격부와, 상기 제 2 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이의 제 2 이격부를 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 원자층 증착 공정을 통해서 상기 기판들 상에 제 1 결정성을 갖는 제 1 두께의 박막을 형성하고, 상기 원자층 증착 공정 후, 인시츄로 상기 제 1 박막에 대해서 상기 원자층 에치 공정을 통해서 상기 제 1 박막을 소정 두께 식각하여 상기 제 1 결정성을 유지하면서 상기 제 1 두께보다 낮은 제 2 두께의 박막을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 원자층 증착 시. 상기 제 1 증착 가스 공급부에서 지르코늄 소스 가스를 공급하고, 상기 제 2 증착 가스 공급부에서 상기 지르코늄 소스 가스와 반응하여 지르코늄 산화물을 형성하는 산소계 반응 가스를 공급하여, 상기 기판들 상에 상기 지르코늄 산화물을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어할 수 있다.
상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 원자층 에치 시. 상기 제 2 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 산화물을 지르코늄 불화물로 표면처리하기 위한 불소계 표면처리 가스를 공급하고, 상기 제 1 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 불화물을 휘발성 지르코늄 화합물로 반응시키기 위한 유기 반응 가스를 공급하여, 상기 기판들 상의 상기 지르코늄 산화물을 소정 두께만큼 식각하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따르면, 원자층 증착 공정과 원자층 에치 공정이 인시츄로 가능한 기판 처리 장치를 이용하여 얇은 박막 두께에 대해서도 상충되는 물성을 확보할 수 있게 된다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 가스 공급부를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2의 가스 공급부의 변형된 예를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 증착 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 에치 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 증착 및 원자층 에치 공정을 이용한 박막 형성을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따라 형성한 박막의 결정성을 보여주는 엑스선회절(XRD) 분석 그래프이다.
도 2는 도 1의 기판 처리 장치의 가스 공급부를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2의 가스 공급부의 변형된 예를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 증착 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 에치 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용한 원자층 증착 및 원자층 에치 공정을 이용한 박막 형성을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따라 형성한 박막의 결정성을 보여주는 엑스선회절(XRD) 분석 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(100)는 챔버(110), 기판 지지부(105), 가스 공급부(120) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
침버(110)는 내부에 기판 처리 공간(112)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 챔버(110)의 기판 처리 공간(112)은 진공 환경을 제공하기 위하여 펌핑부(미도시)에 연결될 수 있다.
기판 지지부(105)는 챔버(110)에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들(50)이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지부(105)는 챔버(110)의 외부로부터 내부로 밀봉 가능하게 결합되며 회전 동력을 받아서 회전되는 샤프트부와 이러한 샤프트부에 결합되는 상부의 상판부를 포함할 수 있다. 이러한 상판부에는 기판들(50)이 안착될 수 있는 안착홈들이 방사상으로 배치될 수 있다. 기판들(50)이 웨이퍼들인 경우, 안착홈은 원형일 수 있다.
가스 공급부(120)는 기판 지지부(105) 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 기판 지지부(105)에 대향되게 챔버(110)에 설치될 수 있다. 예를 들어, 가스 공급부(120)는 샤워 헤드 형태의 몸체(122)를 포함할 수 있으며, 이러한 몸체(122)는 챔버(110)의 상부에 결합될 수 있다.
제어부(150)는 기판 처리 장치(100)의 전체적인 제어를 담당할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 기판 지지부(105)의 동작 및 가스 공급부(120)의 가스 공급을 제어할 수 있다.
도 2는 도 1의 기판 처리 장치(100)의 가스 공급부(120)를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 1과 도 2를 같이 참조하면, 가스 공급부(120)는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부(132), 제 1 에치 가스 공급부(134), 제 1 퍼지부(137), 제 2 증착 가스 공급부(133), 제 2 에치 가스 공급부(135) 및 제 2 퍼지부(136)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 가스 공급부(120)는 중심부에 커튼 가스 공급부(131)를 더 포함할 수 있다.
제 1 증착 가스 공급부(132)에는 다수의 제 1 증착 가스 공급홀들(132a)이 형성되고, 제 2 증착 가스 공급부(133)에는 다수의 제 2 증착 가스 공급홀들(133a)이 형성되고, 제 1 에치 가스 공급부(134)에는 다수의 제 1 에치 가스 공급홀들(134a)이 형성되고, 제 2 에치 가스 공급부(135)에는 다수의 제 2 에치 가스 공급홀들(135a)이 형성되고, 제 1 퍼지부(137)에는 다수의 제 1 퍼지홀들(137a)이 형성되고, 제 2 퍼지부(136)에는 다수의 제 2 퍼지홀들(136a)이 형성될 수 있다.
예를 들어, 가스 공급부(120)는 대략적으로 원형이고, 제 1 증착 가스 공급부(132), 제 1 에치 가스 공급부(134), 제 1 퍼지부(137), 제 2 증착 가스 공급부(133), 제 2 에치 가스 공급부(135) 및 제 2 퍼지부(136)는 원형의 가스 공급부(120)를 원호 형태로 분할한 형상을 가질 수 있다. 즉, 이러한 가스 공급부(120)는 회전하는 기판 지지부(105) 상의 기판들(50)에 공간적으로 분할하여 대응될 수 있게 된다. 이러한 의미에서, 기판 처리 장치(100)는 공간 분할식 설비로 불릴 수 있다.
이러한 기판 처리 장치(100)는 원자층 증착 공정과 원자층 에치 공정을 선택적으로 수행하기 위해서 제공될 수 있다.
이에 따라, 원자층 증착 공정 시에는 제 1 증착 가스 공급부(132) 및 제 2 증착 가스 공급부(133)가 선택적으로 동작하고, 원자층 에치 공정 시에는 제 1 에치 가스 공급부(134) 및 제 2 에치 가스 공급부(135)가 선택적으로 동작할 수 있다. 따라서, 원자층 증착 공정 시에 제 1 에치 가스 공급부(134) 및 제 2 에치 가스 공급부(135)는 동작되지 않도록 가스 공급이 차단되고, 원자층 에치 공정 시에 제 1 증착 가스 공급부(132) 및 제 2 증착 가스 공급부(133)는 동작되지 않도록 가스 공급이 차단될 수 있다.
예를 들어, 제어부(150)는 기판들(50) 상에 박막을 형성하기 위한 원자층 증착 시에는 상기 기판 지지부(105)를 회전시키면서 제 1 증착 가스 공급부(132), 제 1 퍼지부(137), 제 2 증착 가스 공급부(133) 및 제 2 퍼지부(136)를 선택적으로 동작시켜 기판들(50) 상에 증착용 가스들이 교번해서 노출되도록 가스 공급부(120)를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(150)는 원자층 에치 공정 시에는 기판 지지부(105)를 회전시키면서 제 1 에치 가스 공급부(134), 제 1 퍼지부(137), 제 2 에치 가스 공급부(135) 및 제 2 퍼지부(136)를 선택적으로 동작시켜 기판들(50) 상에 에치용 가스들이 교번해서 노출되도록 가스 공급부(120)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로 보면, 원자층 증착 공정을 위하여, 제 1 증착 가스 공급부(132)는 제 1 증착 가스 공급홀들(132a)을 통해서 소스 가스(S1)를 공급하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)는 제 2 증착 가스 공급홀들(133a)을 통해서 소스 가스(S1)와 반응하여 박막을 형성할 수 있는 반응 가스(S2)를 공급할 수 있다. 원자층 증착 공정에 의해 형성되는 박막이 플라즈마 손상을 피하고자 하는 경우, 소스 가스(S1)와 반응 가스(S2)는 비-플라즈마 상태로 공급될 수 있다.
제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136)는 소스 가스(S1) 또는 반응 가스(S2)를 퍼지 또는 펌핑하여 제거하기 위하여 이들 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136) 중 하나는 방사상 순서를 따라서 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 2 증착 가스 공급부(133) 사이에 배치되고, 다른 하나는 제 2 증착 가스 공급부(133)과 제 1 증착 가스 공급부(132) 사이에 배치될 수 있다.
도 2에는, 예시적으로 제 1 퍼지부(137)가 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 2 증착 가스 공급부(133) 사이에 배치되고, 제 2 퍼지부(136)가 제 2 증착 가스 공급부(133)와 제 1 증착 가스 공급부(132) 사이에 배치되도록 되었으나, 그 반대의 경우도 가능하다.
예를 들어, 원자층 에치 공정을 위하여, 제 2 에치 가스 공급부(135)는 제 2 에치 가스 공급홀들(135a)을 통해서 박막을 표면처리하기 위한 표면처리 가스(E2)를 공급하고, 제 1 에치 가스 공급부(134)는 제 1 에치 가스 공급홀들(134a)을 통해서 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 휘발성 화합물 생성하기 위한 에치 가스(E1)를 공급할 수 있다. 원자층 에치 공정에 의해 식각되는 박막이 플라즈마 손상을 피하고자 하는 경우, 표면처리 가스(E2)와 에치 가스(E1)은 비-플라즈마 상태로 공급될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 에치 가스 공급부(135)는 표면처리 효율 향상을 위하여 표면처리 가스(E2)를 라디칼화 하기 위한 전자빔(E-Beam) 공급부를 더 포함할 수도 있다.
제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136)는 표면처리 가스(E2) 또는 에치 가스(E1)를 퍼지하여 제거하기 위하여 이들 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136) 중 하나는 방사상 순서를 따라서 제 1 에치 가스 공급부(134)와 제 2 에치 가스 공급부(135) 사이에 배치되고, 다른 하나는 제 2 에치 가스 공급부(135)와 제 1 에치 가스 공급부(134) 사이에 배치될 수 있다.
도 2에는, 예시적으로 제 1 퍼지부(137)가 제 1 에치 가스 공급부(134)와 제 2 에치 가스 공급부(135) 사이에 배치되고, 제 2 퍼지부(136)가 제 2 에치 가스 공급부(135)와 제 1 에치 가스 공급부(134) 사이에 배치되도록 되었으나, 그 반대의 경우도 가능하다. 또한, 도 2에는 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 1 에치 가스 공급부(134)가 서로 인접하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)와 제 2 에치 가스 공급부(135)가 서로 인접하게 배치되었으나, 전술한 규정에 따르는 한 그 위치는 변경될 수 있다.
선택적으로, 커트 가스 공급부(131)에는 다수의 커튼 가스 공급홀들(131)이 형성되어, 중심부에서 인접한 가스들이 섞이는 것을 방지하기 위하여 커튼 가스(C1)를 공급할 수 있다. 이러한 커튼 가스는 불활성 가스를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 공급부(120a)에는 제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)이 더 부가될 수 있다. 예를 들어, 제 1 이격부(138)는 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 1 에치 가스 공급부(134) 사이에 부가되어 이 둘 사이를 이격시키고, 제 2 이격부(139)는 제 2 증착 가스 공급부(133)와 제 2 에치 가스 공급부(135) 사이에 부가되어 이 둘 사이를 이격시킬 수 있다.
제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)은 가스가 섞이는 것을 방지하기 위한 스페이서의 기능을 위한 것으로서, 별도로 가스를 공급하지 않거나 또는 불활성 가스를 공급할 수도 있다. 제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)의 폭은 제 1 퍼지부(137) 및 제 2 퍼지부(136)의 폭보다는 작을 수 있다.
도 3에는 제 1 및 제 2 이격부들(138, 139)만 도시되었지만, 그 외에도 다양하게 부가될 수 있으며, 예컨대 제 1 증착 가스 공급부(132)와 제 2 퍼지부(136)이 사이, 제 1 에치 가스 공급부(134)와 제 1 퍼지부(137)의 사이 중 어느 하나 또는 둘 다에 부가될 수도 있다.
전술한 실시예에들에서, 원자층 증착 공정과 원자층 에치 시 제 1 퍼지부(137)와 제 2 퍼지부(136)가 공용되는 것으로 서술되었으나, 제 1 및 제 2 퍼지부들(137, 136)이 분할되어 사용되거나 또는 복수개로 분리되어, 원자층 증착 공정과 원자층 에치 시 퍼지부가 분리되어 사용될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용한 원자층 증착 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 1, 도 2 및 도 4를 같이 참조하면, 원자층 증착 공정 시, 가스 공급부(120)에서 제 1 증착 가스 공급부(132)는 소스 가스(S1)를 지속적으로 분사하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)는 반응 가스(S2)를 지속적으로 분사하고, 제 1 퍼지부(137)는 제 1 퍼지 가스(P1)를 지속적으로 분사하고, 제 2 퍼지부(136)는 제 2 퍼지 가스(P2)를 지속적으로 공급할 수 있다.
하지만, 공간분할 방식의 특성상, 기판 지지부(105)가 회전하고 있기 때문에, 하나의 기판(50)은 이러한 가스들을 지속적으로 받는 것이 아니라 순차적으로 공급받게 된다. 따라서, 도 4는 원자층 증착 공정 동안 기판(50) 입장에서 기판(50)이 가스를 공급받는 사이클을 도시하고 있다.
원자층 증착 한 사이클 동안, 하나의 기판(50)은 소스 가스(S1), 제 1 퍼지 가스(P1), 반응 가스(S2), 제 2 퍼지 가스(P2)를 순차적으로 공급받게 된다. 즉, 소스 가스(S1)가 기판(50) 상에 공급되어 흡착되고, 제 1 퍼지 가스(P1)에 의해서 흡착되지 않은 소스 가스(S1)가 퍼지되어 제거되고, 반응 가스(S2)가 공급되어 흡착된 소스 가스(S1)와 반응하여 단위 박막을 형성하게 된다. 이러한 사이클이 반복됨에 따라서 소정 두께의 박막을 형성할 수 있다.
예를 들어, 반도체 메모리 소자에서 고유전율 유전막으로 사용되거나 또는 낸드 플래시 메모리에서 블로킹 절연막으로 사용되는 지르코늄 산화막을 형성하고자 하는 경우, 제 1 증착 가스 공급부(132)는 지르코늄 소스 가스를 공급하고, 제 2 증착 가스 공급부(133)는 지르코늄 소스 가스와 반응하여 지르코늄 산화물을 형성하는 산소계 반응 가스를 공급할 수 있다. 일 예로, 지르코늄 소스 가스는 Cp Zr을 포함하고, 산소계 반응 가스는 오존(ozone) 가스를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용한 원자층 에치 공정의 개략적인 기판으로의 가스 공급을 보여주는 개략도이다.
도 1, 도 2 및 도 5를 같이 참조하면, 원자층 에치 공정 시, 가스 공급부(120)에서 제 2 에치 가스 공급부(135)는 표면처리 가스(E2)를 지속적으로 분사하고, 제 1 에치 가스 공급부(134)는 에치 가스(E1)을 지속적으로 분사할 수 있다.
하지만, 공간분할 방식의 특성상, 기판 지지부(105)가 회전하고 있기 때문에, 하나의 기판(50)은 이러한 가스들을 지속적으로 받는 것이 아니라 순차적으로 공급받게 된다. 따라서, 도 5는 원자층 에치 공정 동안 기판(50) 입장에서 기판(50)이 가스를 공급받는 사이클을 도시하고 있다.
원자층 에치 한 사이클 동안, 하나의 기판(50)은 표면처리 가스(E2), 제 1 퍼지 가스(P1), 에치 가스(E1), 제 2 퍼지 가스(P2)를 순차적으로 공급받게 된다. 즉, 표면처리 가스(E2)가 기판(50) 상에 공급되어 박막 상에 흡착되어 박막의 표면을 표면처리시키고, 제 1 퍼지 가스(P1)에 의해서 흡착되지 않은 표면처리 가스(E2)가 퍼지되어 제거되고, 에치 가스(E1)가 공급되어 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 단위 박막을 식각하게 된다. 이러한 사이클이 반복됨에 따라서 소정 두께의 박막을 식각할 수 있다.
예를 들어, 지르코늄 산화물을 식각하고자 하는 경우, 제 2 에치 가스 공급부(135)는 지르코늄 산화물을 지르코늄 불화물로 표면처리하기 위한 불소계 표면처리 가스를 공급하고, 제 1 에치 가스 공급부(134)는 지르코늄 불화물을 휘발성 지르코늄 화합물로 반응시키기 위한 유기 반응 가스를 공급할 수 있다. 일 예로, 불소계 표면처리 가스는 HF를 포함하고, 유기 반응 가스는 디메틸아세테이드아미드(Dimetyacetamide, DMAC)을 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용한 원자층 증착 및 원자층 에치 공정을 이용한 박막 형성을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 6을 참조하면, 기판 처리 장치(100)에서 원자층 증착 공정을 이용하여, 기판(50) 상에 제 1 결정성을 갖는 제 1 두께(H1)의 박막(60)을 형성할 수 있다.
도 7을 참조하면, 기판 처리 장치(100)에서 원자층 증착 후, 인시츄(in-situ)로 원자층 에치 공정을 이용하여, 박막(60)을 소정 두께 식각하여 제 1 결정성을 유지하면서 제 1 두께(H1)보다 작은 제 2 두께(H2)의 박막(60)을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따라 형성한 박막의 결정성을 보여주는 엑스선회절(XRD) 분석 그래프이다.
도 6 내지 도 8을 같이 참조하면, 원자층 증착 공정으로 제 1 두께(H1)로 박막을 형성하는 경우(G2)가 그 보다 낮은 제 2 두께(H2)로 박막을 형성하는 경우(G1)보다 결정성이 더 높은 것을 알 수 있다. 나아가, 원자층 증착 공정으로 제 1 두께(H1) 형성 후 원자층 에치 공정으로 식각하여 제 2 두께(H2)로 낮춘 경우(G3)가 원래 결정성을 유지하여 처음부터 제 2 두께(H1)로 형성한 경우보다 더 결정성이 높은 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 고유전막에서 두께를 낮춰 커패시턴스를 유지하면서도 결정성을 높여서 누설전류를 낮추고자 하는 경우 유용하다. 즉, 처음부터 낮은 두께로 고유전막을 형성하면 박막의 결정성이 나빠서 누설전류 특성을 맞추기가 어렵기 때문에, 소정 두께로 형성하여 결정성을 높인 상태에서 식각하여 두께를 맞추면 결정성을 유지하면서 커패시턴스를 유지할 수 있다. 따라서, 전술한 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 이용하면 고집적 소자에서 요구되는 낮은 두께의 박막에서도 상충되는 특성을 만족시킬 수 있는 박막을 형성할 수 있게 된다.
나아가, 이러한 결과는 임계 두께 이상에서 입계(grain)가 성장하여 결정성이 높아지는 박막, 예컨대 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막 등에 적용될 수 있다. 나아가, 이러한 결과는 두께가 증가하면서 입계가 커지는 막, 예컨대 폴리실리콘, 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막에 적용될 수 있다. 더 나아가, 이러한 결과는 임계 두께 이상에서 저항율이 낮아지는 박막, 예컨대 텅스텐막, TiN막 등의 금속막에도 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 기판 처리 장치
105: 기판 지지부
110: 챔버
120 : 가스 공급부
105: 기판 지지부
110: 챔버
120 : 가스 공급부
Claims (10)
- 내부에 기판 처리 공간을 제공하는 챔버;
상기 챔버에 회전 가능하도록 설치되며, 상부에 복수의 기판들이 회전 방향을 따라서 방사상으로 안착되는 기판 지지부;
상기 기판 지지부 상으로 복수의 가스들을 공급하도록 상기 기판 지지부에 대향되게 상기 챔버에 설치된 가스 공급부; 및
상기 기판 지지부의 동작 및 상기 가스 공급부의 가스 공급을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 가스 공급부는 방사상으로 분리된 제 1 증착 가스 공급부, 제 1 에치 가스 공급부, 제 1 퍼지부, 제 2 증착 가스 공급부, 제 2 에치 가스 공급부 및 제 2 퍼지부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 기판들 상에 박막을 형성하기 위한 원자층 증착 시에는, 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 증착 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 증착용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어하고,
원자층 에치 공정 시에는 상기 기판 지지부를 회전시키면서 상기 제 1 에치 가스 공급부, 및 상기 제 2 에치 가스 공급부를 선택적으로 동작시켜 상기 기판들 상에 에치용 가스들이 교번해서 노출되도록 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판 처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 증착 가스 공급부와 상기 제 2 증착 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 증착 가스 공급부와 상기 제 1 증착 가스 공급부 사이에 배치되는,
기판처리장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 원자층 증착 공정 시,
상기 제 1 증착 가스 공급부는 소스 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 2 증착 가스 공급부는 상기 소스 가스와 반응하여 박막을 형성하기 위한 반응 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 소스 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 반응 가스를 퍼지하는,
기판처리장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 방사상 순서를 따라서 상기 제 1 에치 가스 공급부와 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이에 배치되고, 다른 하나는 상기 제 2 에치 가스 공급부와 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이에 배치되는,
기판처리장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 원자층 에치 공정 시,
상기 제 2 에치 가스 공급부는 박막을 표면처리하기 위한 표면처리 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 1 에치 가스 공급부는 상기 박막의 표면처리된 부분과 반응하여 상기 박막을 제거하기 위한 에치 가스를 상기 기판 지지대 상의 상기 기판들에 공급하고,
상기 제 1 퍼지부 및 상기 제 2 퍼지부 중 하나는 상기 표면처리 가스를 퍼지하고, 다른 하나는 상기 에치 가스를 퍼지하는,
기판처리장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 에치 가스 공급부는 상기 표면처리 가스를 라디칼화 하기 위한 전자빔(E-beam) 공급부를 더 포함하는,
기판처리장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 증착 가스 공급부 및 상기 제 1 에치 가스 공급부 사이의 제 1 이격부; 및
상기 제 2 증착 가스 공급부 및 상기 제 2 에치 가스 공급부 사이의 제 2 이격부를 포함하는,
기판처리장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 원자층 증착 공정을 통해서 상기 기판들 상에 제 1 결정성을 갖는 제 1 두께의 박막을 형성하고,
상기 원자층 증착 공정 후, 인시츄로 상기 제 1 박막에 대해서 상기 원자층 에치 공정을 통해서 상기 제 1 박막을 소정 두께 식각하여 상기 제 1 결정성을 유지하면서 상기 제 1 두께보다 낮은 제 2 두께의 박막을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판처리장치. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 원자층 증착 시.
상기 제 1 증착 가스 공급부에서 지르코늄 소스 가스를 공급하고,
상기 제 2 증착 가스 공급부에서 상기 지르코늄 소스 가스와 반응하여 지르코늄 산화물을 형성하는 산소계 반응 가스를 공급하여,
상기 기판들 상에 상기 지르코늄 산화물을 형성하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판처리장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 원자층 에치 시.
상기 제 2 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 산화물을 지르코늄 불화물로 표면처리하기 위한 불소계 표면처리 가스를 공급하고,
상기 제 1 에치 가스 공급부에서 상기 지르코늄 불화물을 휘발성 지르코늄 화합물로 반응시키기 위한 유기 반응 가스를 공급하여,
상기 기판들 상의 상기 지르코늄 산화물을 소정 두께만큼 식각하도록 상기 기판 지지부 및 상기 가스 공급부를 제어하는,
기판처리장치.
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-
2018
- 2018-05-11 KR KR1020180054513A patent/KR102475844B1/ko active IP Right Grant
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