KR20210026898A - 가스 공급기 및 이를 포함하는 박막 증착 장치 - Google Patents

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KR20210026898A
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flow path
valve
filling
supply line
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한동훈
맹서영
지병훈
김민준
배종용
이규호
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삼성전자주식회사
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Abstract

박막 증착 장치용 가스 공급기는 제1 가스 공급원과 연결된 복수 개의 충전 분배 라인들, 상기 충전 분배 라인들에 각각 연결되며 상기 제1 가스 공급원으로부터 공급된 제1 가스를 충전시키기 위한 복수 개의 충전 탱크들, 제2 가스 공급원과 연결된 가스 공급 라인, 및 상기 충전 탱크들의 유출부들이 접속되고 상기 충전 탱크들로부터의 상기 제1 가스를 공정 챔버에 순차적으로 공급하기 위한 멀티-도징 밸브 조립체를 포함한다. 상기 멀티-도징 밸브 조립체는 상기 공정 챔버에 연결되는 메인 공급 라인을 구비하는 유로 블록에 체결되며 상기 충전 탱크들 각각으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 제1 가스의 배출을 제어하기 위한 복수 개의 방출 밸브들을 각각 구비하는 복수 개의 밸브 블록들을 포함한다.

Description

가스 공급기 및 이를 포함하는 박막 증착 장치{GAS SUPPLY LAYER DEPOSITION METHOD AND LAYER DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 가스 공급기 및 이를 포함하는 박막 증착 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 원자층 증착 공정에서 박막을 증착하기 위해 사용되는 가스 공급기 및 이를 포함하는 박막 증착 장치에 관한 것이다.
원자층 증착(ALD) 공정을 수행하는 데 있어서, 샤워 헤드를 이용하여 소스 가스, 반응 가스 등과 같은 증착 가스를 공정 챔버 내에 주입할 수 있다. 예를 들면, VNAND와 같은 메모리 장치의 고집적화를 위하여 게이트 전극들의 적층 수가 증가됨에 따라, 상기 증착 가스는 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 도달하기 전에 열분해되어 박막의 스텝 커버리지가 열화되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 우수한 특성을 갖는 박막을 형성하기 위한 가스 공급기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 가스 공급기를 포함하는 박막 증착 장치를 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치용 가스 공급기는 제1 가스 공급원과 연결된 복수 개의 충전 분배 라인들, 상기 충전 분배 라인들에 각각 연결되며 상기 제1 가스 공급원으로부터 공급된 제1 가스를 충전시키기 위한 복수 개의 충전 탱크들, 제2 가스 공급원과 연결된 가스 공급 라인, 및 상기 충전 탱크들의 유출부들이 접속되고 상기 충전 탱크들로부터의 상기 제1 가스를 공정 챔버에 순차적으로 공급하기 위한 멀티-도징 밸브 조립체를 포함한다. 상기 멀티-도징 밸브 조립체는 상기 공정 챔버에 연결되는 메인 공급 라인을 구비하는 유로 블록, 상기 유로 블록에 체결되며 상기 충전 탱크들 각각으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 제1 가스의 배출을 제어하기 위한 복수 개의 방출 밸브들을 각각 구비하는 복수 개의 밸브 블록들, 및 상기 유로 블록에 체결되며 상기 가스 공급 라인으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 제2 가스의 배출을 제어하기 위한 개폐 밸브를 구비하는 역류 방지 밸브 블록을 포함한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치는 기판을 수용하며 증착 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하는 공정 챔버, 적어도 하나의 제1 가스 공급원, 제2 가스 공급원, 상기 제1 가스 공급원으로부터 공급된 제1 가스를 충전시키기 위한 복수 개의 충전 탱크들, 및 상기 충전 탱크들의 유출부들이 접속되고 상기 충전 탱크들로부터의 상기 제1 가스를 공정 챔버에 순차적으로 공급하기 위한 멀티-도징 밸브 조립체를 구비하는 가스 공급기, 및 상기 방출 밸브들의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 포함한다. 상기 멀티-도징 밸브 조립체는, 상기 공정 챔버에 연결되는 메인 공급 라인을 구비하는 유로 블록, 상기 유로 블록에 체결되며 상기 충전 탱크들 각각으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 제1 가스의 배출을 제어하기 위한 복수 개의 방출 밸브들을 각각 구비하는 복수 개의 밸브 블록들, 및 상기 유로 블록에 체결되며 상기 제2 가스 공급원으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 제2 가스의 배출을 제어하기 위한 개폐 밸브를 구비하는 역류 방지 밸브 블록을 포함한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치는 기판을 수용하며 증착 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하는 공정 챔버, 적어도 하나의 소스 가스 공급원으로부터 공급된 소스 가스를 상기 공정 챔버에 공급하기 위한 소스 가스 공급기, 적어도 하나의 반응 가스 공급원으로부터 공급된 반응 가스를 상기 공정 챔버에 공급하기 위한 반응 가스 공급기, 및 적어도 하나의 퍼지 가스 공급원으로부터 공급된 퍼지 가스를 상기 공정 챔버에 공급하기 위한 퍼지 가스 공급기를 포함한다. 상기 소스 가스 공급기, 상기 반응 가스 공급기 및 상기 퍼지 가스 공급기 중 적어도 하나는, 상기 소스 가스 공급원, 상기 반응 가스 공급원 또는 상기 퍼지 가스 공급원과 연결된 복수 개의 충전 분배 라인들, 상기 충전 분배 라인들에 각각 연결되며 상기 가스를 충전시키기 위한 복수 개의 충전 탱크들, 상기 공정 챔버와 연결된 메인 공급 라인에 순차적으로 연결되고 상기 충전 탱크들로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 가스의 배출을 제어하기 위한 복수 개의 방출 밸브들, 및 상기 충전 분배 라인들에 각각 설치된 유량 제어기들을 포함한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 박막 증착 장치는 제1 가스 공급원으로부터 공급된 제1 가스를 충전시키기 위한 복수 개의 충전 탱크들 및 상기 충전 탱크들의 유출부들이 접속되고 상기 충전 탱크들로부터의 상기 제1 가스를 공정 챔버에 순차적으로 공급하기 위한 멀티-도징 밸브 조립체를 구비하는 가스 공급기를 포함할 수 있다. 상기 멀티-도징 밸브 조립체는 메인 공급 라인을 구비하는 유로 블록에 체결되며 상기 제1 가스의 배출을 제어하기 위한 복수 개의 방출 밸브들을 각각 구비하는 복수 개의 밸브 블록들 및 상기 유로 블록에 체결되며 제2 가스 공급원으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 제2 가스의 배출을 제어하기 위한 개폐 밸브를 구비하는 역류 방지 밸브 블록을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 충전 탱크들로부터의 상기 제1 가스(소스 가스, 반응 가스 또는 소스 가스)를 상기 멀티-도징 밸브 조립체를 통해 여러 단계로 순차적으로 공급하여 박막 증착 효율을 극대화할 수 있다. 상기 멀티-도징 밸브 조립체는 상기 밸브 조립체 내부의 유로들을 퍼지하기 위한 상기 제2 가스의 배출을 제어할 수 있는 개폐 밸브를 포함하여 상기 밸브 조립체의 오염을 방지하고, 상기 개폐 밸브를 통해 상기 제1 가스의 역류를 방지하여 상기 제1 가스의 주입 시 압력 강하를 최소화할 수 있다.
이에 따라, 많은 양의 가스를 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 충분하게 공급함으로써, 상기 반응 가스가 열분해되는 것을 방지하여 박막의 스텝 커버리지 특성 및 시간당 설비당 생산량(UPEH)를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 멀티-도징 밸브 조립체의 구성을 변경시켜, 설비의 구성을 개조하거나 변경하지 않고 다양한 공정 조건을 제공할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치를 나타내는 블록도면이다.
도 2는 도 1의 소스 가스 공급기 및 퍼지 가스 공급기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 소스 가스 공급기의 복수 개의 충전 탱크들이 연결된 멀티-도징 밸브 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 충전 탱크를 나타내는 사시도이다.
도 5 및 도 6은 예시적인 실시예들에 따른 멀티-도징 밸브 조립체들을 나타내는 단면도들이다.
도 7은 도 4의 충전 탱크 내의 소스 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 멀티-도징에 따른 도 3의 충전 탱크들 내의 소스 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10 및 도 11은 예시적인 실시예들에 따른 도 9의 박막 증착 방법에서의 방출 밸브들의 개폐에 따른 가스 공급 단계들을 나타내는 순서도들이다.
도 12 내지 도 16은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 17 내지 도 23은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치를 나타내는 블록도면이다. 도 2는 도 1의 소스 가스 공급기 및 퍼지 가스 공급기를 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 2의 소스 가스 공급기의 복수 개의 충전 탱크들이 연결된 멀티-도징 밸브 조립체를 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 충전 탱크를 나타내는 사시도이다. 도 5 및 도 6은 예시적인 실시예들에 따른 멀티-도징 밸브 조립체들을 나타내는 단면도들이다. 도 7은 도 4의 충전 탱크 내의 소스 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8은 멀티-도징에 따른 도 3의 충전 탱크들 내의 소스 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 박막 증착 장치는 공정 챔버(10), 소스 가스 공급기(100), 반응 가스 공급기(110) 및 퍼지 가스 공급기를 포함할 수 있다. 상기 퍼지 가스 공급기는 제1 퍼지 가스 공급기(120) 및 제2 퍼지 가스 공급기(130)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 공정 챔버(10)는 기판(W)을 수용하며 증착 공정을 수행하기 위한 공간을 제공할 수 있다. 공정 챔버(10)는 원자층 증착(ALD) 공정을 위한 챔버일 수 있다.
기판(W)은 텅스텐 함유 박막이 형성되는 대상체일 수 있다. 기판(W)은 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 또는 게르마늄 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼로부터 제조될 수 있다. 한편, 기판(W) 상에는 각종 구조물들(도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다.
예를 들어, 기판(W) 상에 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드, 금속 산화물 등을 포함하는 도전막(도시되지 않음)이나 전극(도시되지 않음), 혹은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하는 절연막(도시되지 않음) 등이 더 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 내부에 홀 또는 개구부를 포함하는 상기 절연막이 기판(W) 상에 형성될 수 있으며, 상기 텅스텐 함유 박막은 후술하는 공정들을 통해 상기 홀 또는 개구부 내에 증착될 수 있다.
공정 챔버(10)는 챔버(20) 내부에 배치되며 기판(W)이 로딩되는 서셉터(susceptor)로서의 기판 지지부(30)를 포함할 수 있다. 기판 지지부(30) 상에는 하나 또는 복수 개의 기판들(W)이 배치될 수 있다. 기판 지지부(30)는 승하강 가능하도록 설치될 수 있다. 또한, 기판 지지부(30)는 회전 가능하도록 설치될 수 있다.
기판 지지부(30)는 내부에 히터(32)를 포함할 수 있다. 히터(32)는 히터 전원(도시되지 않음)에 접속되고 기판(W)을 소정의 온도로 가열할 수 있다.
챔버(20)의 일측벽에는 기판(W)의 반출입을 위한 출입구(22)가 형성되고, 출입구(22)를 개폐하는 게이트 밸브(24)가 설치될 수 있다. 또한, 챔버(20)의 측벽 상에는 히터(도시되지 않음)가 설치되어, 박막 증착 시에 챔버(20)의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 챔버(20) 내부의 온도는 약 200 ℃ 내지 약 600 ℃ 범위로 유지될 수 있다.
챔버(20)의 저벽에는 배기구(26)가 형성될 수 있다. 배기구(26)는 배기관을 통해 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 장치(50)가 접속될 수 있다. 배기 장치(50)는 챔버(20) 내부를 소정의 감압 상태로 유지할 수 있다.
챔버(20)의 상부벽에는 샤워 헤드(40)가 구비될 수 있다. 샤워 헤드(40)는 챔버(20)의 개방된 상단에 설치될 수 있다. 샤워 헤드(40)는 하부 공간(44) 및 상부 공간(45)을 포함할 수 있다. 하부 공간(44)은 제1 도입로(42)와 연결되고, 하부 공간(44)으로부터 제1 가스 토출로들(46)이 샤워 헤드(40)의 저면까지 연장 형성될 수 있다. 상부 공간(45)은 제2 도입로(43)와 연결되고, 상부 공간(45)으로부터 제2 가스 토출로들(47)이 샤워 헤드(40)의 저면까지 연장 형성될 수 있다.
샤워 헤드(40)는 박막 원료 가스로서의 소스 가스 및 반응 가스, 퍼지 가스, 캐리어 가스를 제1 가스 토출로들(46) 및 제2 가스 토출로들(47)과 같은 가스 통로를 통해 챔버(20) 내부로 공급할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 소스 가스 공급기(100)는 소스 가스 공급원들(102a, 102b, 120c)로부터 공급된 소스 가스를 원하는 충전 압력으로 각각 충전시키는 복수 개의 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)을 포함하고, 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터 동시에 또는 순차적으로 방출된 상기 소스 가스를 공정 챔버(10)에 공급할 수 있다.
상기 소스 가스 공급원은 버블러(bubbler)를 포함하여 금속 전구체를 기화시켜 상기 소스 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 소스 가스의 예로서는, WF6, WCl6, WBr6, W(Co)6, W(C2H2)6, W(PF3)6, (C2H5)WH2 등을 들 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 소스 가스 공급기(100)는 제1 내지 제3 소스 가스 공급원들(102a, 102b, 102c)과 각각 연결된 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(103a, 103b, 103c), 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(103a, 103b, 103c)에 각각 연결되는 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c), 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)에 각각 연결된 제1 내지 제3 방출 분배 라인들(105a, 105b, 105c), 및 제1 내지 제3 방출 분배 라인들(105a, 105b, 105c)이 병렬로 연결된 메인 공급 라인(107)을 포함할 수 있다. 메인 공급 라인(107)의 제1 단부는 소스 가스 공급 라인(108)에 연결되고, 소스 가스 공급 라인(108)은 공정 챔버(10)에 연결될 수 있다. 소스 가스 공급 라인(108)은 샤워 헤드(40)의 제1 도입로(42)에 연결될 수 있다.
소스 가스 공급기(100)는 제1 내지 제3 방출 분배 라인들(105a, 105b, 105c)에 각각 설치되어 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터의 상기 소스 가스의 배출을 제어하기 위한 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)을 포함할 수 있다.
또한, 소스 가스 공급기(100)는 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(103a, 103b, 103c)에 각각 설치되어 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로 공급되는 상기 소스 가스의 유량을 제어하기 위한 제1 내지 제3 유량 제어기들(104a, 104b, 104c)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 내지 제3 유량 제어기들은 질량 유량 제어기(MFC, mass flow controller)를 포함할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 소스 가스 공급기는 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(103a, 103b, 103c)에 각각 설치되어 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로의 상기 소스 가스의 흐름을 제어하기 위한 제1 내지 제3 충전 밸브들을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 소스 가스 공급기(100)는 캐리어 가스 공급원(102d)에 연결된 캐리어 가스 공급 라인(103d)을 포함할 수 있다. 캐리어 가스 공급 라인(103d)은 메인 공급 라인(107)의 상기 제1 단부에 반대하는 제2 단부에 연결될 수 있다. 소스 가스 공급기(100)는 캐리어 가스 공급 라인(103d)에 설치되어 메인 공급 라인(107)으로의 상기 캐리어 가스의 흐름을 제어하기 위한 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)를 포함할 수 있다. 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)는 후술하는 바와 같이 메인 공급 라인(107)에서의 상기 소스 가스의 역류를 방지하기 위한 역류 방지 개폐 밸브의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 소스 가스 공급기(100)는 캐리어 가스 공급 라인(103d)에 설치되어 메인 공급 라인(107)로 공급되는 캐리어 가스의 유량을 제어하기 위한 제4 유량 제어기(104d)를 포함할 수 있다. 상기 캐리어 가스는 후술하는 퍼지 가스와 동일한 가스를 포함할 수 있다.
상기 박막 증착 장치는 소스 가스 공급기(100)의 상기 소스 가스의 충전 및 배출, 그리고 상기 캐리어 가스의 공급을 제어하기 위한 제어기(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어기는 상기 제1 내지 제3 충전 밸브들, 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c) 및 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)의 개폐를 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어기는 상기 제1 내지 제4 유량 제어기들(104a, 104b, 104c, 104d)을 통해 상기 소스 가스의 유량 및 상기 캐리어 가스의 유량을 제어할 수 있다.
이하에서는, 상기 제1 내지 제3 충전 탱크들 및 상기 제1 내지 제3 충전 탱크들이 연결되는 멀티-도징 밸브 조립체(multi-dosing valve assembly)에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 상기 제1 충전 탱크에 대하여 설명하기로 한다. 상기 제2 및 제3 충전 탱크들은 상기 제1 충전 탱크와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로, 상기 제2 및 제3 충전 탱크들에 대한 설명을 생략하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 충전 탱크(150a)는 충전 챔버(151) 및 충전 챔버(151)의 양단부에 각각 연결된 유입부(152) 및 유출부(154)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 충전 챔버(151)는 튜브형 구조체일 수 있다. 상기 소스 가스는 유입부(152)를 통해 충전 챔버(151) 내로 유입되고 충전된 후, 충전 챔버(151) 내의 상기 충전된 가스는 유출구(154)를 통해 유출될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 충전 탱크(150a)의 충전 단계에서, 상기 제1 충전 밸브가 개방되고, 제1 방출 밸브(106a)가 폐쇄될 수 있다. 이에 따라, 상기 충전 챔버는 제1 소스 가스 공급원(102a)으로부터의 상기 소 가스에 의해 충전되어 기 설정된 충전 압력(P0), 즉, 상한 충전 압력을 가질 수 있다. 상기 충전 챔버 내의 충전 압력(P0)은 제1 소스 가스 공급원(102a)으로부터의 상기 소스 가스의 흐름에 노출된 시간 동안 상기 흐름과 평형화되는 압력일 수 있다.
제1 충전 탱크(150a)의 방출 단계에서, 상기 제1 충전 밸브가 폐쇄되고, 제1 방출 밸브(106a)가 개방될 수 있다. 이에 따라, 상기 충전 챔버로부터의 상기 소스 가스는 메인 공급 라인(107)으로 유출되어 상기 충전 챔버의 압력은 감소될 수 있다.
이하에서는, 상기 멀티-도징 밸브 조립체에 대하여 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소스 가스 공급기(100)는 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터의 상기 소스 가스를 공정 챔버(10)에 순차적으로 공급하기 위한 멀티-도징 밸브 조립체(160)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 멀티-도징 밸브 조립체(160)는 메인 공급 라인(107)을 구비하는 유로 블록(161), 및 유로 블록(161)에 체결되며 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터 메인 공급 라인(107)으로의 상기 소스 가스의 배출을 제어하기 위한 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)을 각각 구비하는 제1 내지 제3 밸브 블록들(171a, 171b, 171c)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)은 메인 공급 라인(107)에 순차적으로 병렬로 연결될 수 있다.
유로 블록(161)의 상부면의 제1 측부를 따라 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)이 설치될 수 있다. 유로 블록(161)의 상부면의 상기 제1 측부와 반대하는 제2 측부를 따라 제1 내지 제3 밸브 블록들(171a, 171b, 171c)이 체결될 수 있다. 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)의 유출구들(154)은 제1 내지 제3 방출 분배 라인들(105a, 105b, 105c)로서의 역할을 하는 유로 블록(161) 내의 입구 유로들과 각각 연결될 수 있다. 상기 입구 유로들은 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)의 유입 포트들과 각각 연결될 수 있다. 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)의 유출 포트들은 제1 내지 제3 밸브 블록들(171a, 171b, 171c)의 출구 유로들과 각각 연결될 수 있다. 상기 출구 유로들은 유로 블록(161)의 메인 공급 라인(107)과 각각 연결될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 멀티-도징 밸브 조립체(160)는 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터 메인 공급 라인(107)으로의 상기 캐리어 가스의 배출을 제어하기 위한 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)를 구비하는 제4 밸브 블록(171d)을 포함할 수 있다. 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)는 메인 공급 라인(107)의 상류측 단부에 직렬로 연결될 수 있다.
유로 블록(161)의 상부면의 상기 제2 측부에 상기 제1 밸브 블록에 인접하게 상기 제4 밸브 블록이 체결될 수 있다. 캐리어 가스 공급 라인(103d)은 유로 블록(161) 내의 제2 퍼지 유로를 거쳐 상기 제4 밸브 블록 내의 입구 유로와 연결될 수 있다. 상기 입구 유로는 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)의 유입 포트와 연결될 수 있다. 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)의 유출 포트는 제4 밸브 블록(171d)의 출구 유로와 연결될 수 있다. 상기 출구 유로는 유로 블록(161)의 메인 공급 라인(107)과 연결될 수 있다.
제1 방출 밸브(106a)가 개방(ON)되면 제1 충전 탱크(150a) 내에 충전된 소스 가스는 메인 공급 라인(107)으로 유입된 후 소스 가스 공급 라인(108)을 거쳐 공정 챔버(10) 내로 공급될 수 있다. 한편, 제1 방출 밸브(106a)가 폐쇄(OFF)될 때 제1 소스 가스 공급원(102a)으로부터의 상기 소스 가스가 제1 충전 탱크(150a) 내에 충전될 수 있다.
제2 방출 밸브(106b)가 개방(ON)되면 제2 충전 탱크(150b) 내에 충전된 소스 가스는 메인 공급 라인(107)으로 유입된 후 소스 가스 공급 라인(108)을 거쳐 공정 챔버(10) 내로 공급될 수 있다. 한편, 제2 방출 밸브(106b)가 폐쇄(OFF)될 때 제2 소스 가스 공급원(102b)으로부터의 상기 소스 가스가 제2 충전 탱크(150b) 내에 충전될 수 있다.
제3 방출 밸브(106c)가 개방(ON)되면 제3 충전 탱크(150c) 내에 충전된 소스 가스는 메인 공급 라인(107)으로 유입된 후 소스 가스 공급 라인(108)을 거쳐 공정 챔버(10) 내로 공급될 수 있다. 한편, 제3 방출 밸브(106c)가 폐쇄(OFF)될 때 제3 소스 가스 공급원(102c)으로부터의 상기 소스 가스가 제3 충전 탱크(150c) 내에 충전될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 멀티-도징 밸브 조립체(160)는 유로 블록(161)에 체결되며 메인 공급 라인(107)의 상류측 단부에 연결되고 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터 메인 공급 라인(107)으로의 상기 캐리어 가스의 배출을 제어하기 위한 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)를 구비하는 제4 밸브 블록을 포함할 수 있다. 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)는 메인 공급 라인(107)의 상류측 제2 단부에 직렬로 연결될 수 있다.
캐리어 가스 개폐 밸브(106d)가 개방(ON)되면 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터 캐리어 가스는 메인 공급 라인(107)으로 유입된 후 소스 가스 공급 라인(108)을 거쳐 공정 챔버(10) 내로 공급될 수 있다. 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)가 폐쇄(OFF)되면 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터 캐리어 가스가 메인 공급 라인(107)으로의 공급이 차단될 수 있다.
한편, 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c) 중 적어도 어느 하나가 개방될 때 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)가 폐쇄(OFF)되어 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터 방출된 소스 가스가 메인 공급 라인(107)의 상류측으로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
예를 들면, 제1 내지 제3 개폐 밸브들(106a, 106b, 106c) 및 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 멀티-도징 밸브 조립체(160)의 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)이 순차적으로 개폐됨으로써, 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터의 소스 가스가 다단계로 공정 챔버(20)로 주입될 수 있다.
예를 들면, 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)의 개폐 시간들을 조절하여 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터의 소스 가스가 연속적으로 공급될 수 있다.
제1 충전 탱크(150a)로부터의 소스 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 제2 충전 탱크(150b)로부터의 소스 가스가 주입될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 충전 탱크(150b)로부터의 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 제3 충전 탱크(150c)로부터의 소스 가스가 주입될 수 있다. 제3 충전 탱크(150c)로부터의 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터의 캐리어 가스가 주입될 수 있다.
또한, 제1 충전 탱크(150a)로부터의 상기 소스 가스의 주입이 끝난 후에 제2 충전 탱크(150b)로부터의 소스 가스가 주입될 때, 제1 충전 탱크(150a)가 충진될 수 있다. 제2 충전 탱크(150b)로부터의 상기 소스 가스의 주입이 끝난 후에 제3 충전 탱크(150c)로부터의 소스 가스가 주입될 때, 제2 충전 탱크(150b)가 충진될 수 있다. 제3 충전 탱크(150c)로부터의 상기 소스 가스의 주입이 끝난 후에 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터의 캐리어 가스가 주입될 때, 제3 충전 탱크(150c)가 충진될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터의 소스 가스가 순차적으로 공급된 후, 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터 캐리어 가스가 메인 공급 라인(107)으로 유입된 후 소스 가스 공급 라인(108)을 거쳐 공정 챔버(10) 내로 공급될 수 있다. 상기 캐리어 가스가 메인 공급 라인(107)의 상기 제2 단부로부터 상기 제1 단부로 흐를 때, 메인 공급 라인(107)에 잔류하는 상기 소스 가스 및 파티클들을 배출하여 제거할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 충전 탱크들은 고압으로 충전되어 있다가 상기 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)이 열리면 상기 소스 가스는 제1 메인 유로(162)의 하류로 배출되거나 상류로 역류할 수 있다. 이러한 역류가 발생하게 되면 시간당 가스 공급량을 조절하는 게 어려워 지고, 유로 내에 오염이 발생할 수 있다. 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)는 역류 방지 밸브의 역할을 수행하여 이러한 역류를 방지할 수 있다.
이하에서는, 다양한 타입의 상기 멀티-도징 블록체들에 대하여 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 대용량 타입의 멀티-도징 밸브 조립체(160)가 도시되어 있다. 유로 블록(161)에는 제1 메인 유로(162), 제1 퍼지 유로(163a) 및 제2 퍼지 유로(163b)가 형성될 수 있다. 제1 메인 유로(162) 및 제1 퍼지 유로(163a)가 메인 공급 라인(107)으로 제공될 수 있다. 제1 퍼지 유로(163a)는 제1 메인 유로(162)의 상류측 단부에 연결될 수 있다. 제1 퍼지 유로(163a)는 메인 공급 라인(107)의 상류측 단부를 구성할 수 있다. 제1 내지 제3 분배 유로들(164a, 164b, 164c)은 제1 메인 유로(162)에 순차적으로 연결될 수 있다. 제2 퍼지 유로(163b)는 캐리어 가스 공급 라인(103d)에 연결될 수 있다. 제1 메인 유로(162)의 하류측 단부는 소스 가스 공급 라인(108)에 연결될 수 있다.
제1 내지 제3 밸브 블록들(171a, 171b, 171c)에는 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)의 상기 유출 포트들과 각각 연결된 출구 유로들(172a, 172b, 172c)이 형성될 수 있다. 출구 유로들(172a, 172b, 172c)은 유로 블록(161)의 제1 내지 제3 분배 유로들(164a, 164b, 164c)에 각각 연결될 수 있다.
제4 밸브 블록(171d)에는 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)의 상기 유입 포트와 연결된 입구 유로(173b) 및 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)의 상기 유출 포트와 연결된 출구 유로(173a)가 형성될 수 있다. 출구 유로(173a)는 제1 퍼지 유로(163a)에 연결되고, 입구 유로(173b)는 제2 퍼지 유로(163b)에 연결될 수 있다. 따라서, 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)는 제1 퍼지 유로(163a)와 제2 퍼지 유로(163b) 사이에 설치될 수 있다.
제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)은 제1 메인 유로(162)에 순차적으로 병렬로 연결될 수 있다. 따라서, 동시에 여러 개의 방출 밸브들을 개방하여 많은 양의 가스를 공급하기에 적합한 구조를 제공할 수 있다.
도 6을 참조하면, 퍼지 타입의 멀티-도징 밸브 조립체(160)가 도시되어 있다. 유로 블록(161)에는 제1 내지 제3 공급 유로들(162a, 162b, 162c), 제1 퍼지 유로(163a) 및 제2 퍼지 유로(163b)가 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 공급 유로들(162a, 162b, 162c) 및 제1 퍼지 유로(163a)가 메인 공급 유로(107)로 제공될 수 있다. 제2 퍼지 유로(163b)는 캐리어 가스 공급 라인(103d)에 연결될 수 있다. 제1 메인 유로(162)의 하류측 단부는 소스 가스 공급 라인(108)에 연결될 수 있다.
제1 밸브 블록(171a)에는 제1 방출 밸브(106a)의 상기 유출 포트와 연결된 2개의 제1 및 제2 출구 유로들(172a1, 172a2)이 형성될 수 있다. 제2 밸브 블록(171b)에는 제2 방출 밸브(106b)의 상기 유출 포트와 연결된 2개의 제3 및 제4 출구 유로들(172b1, 172b2)이 형성될 수 있다. 제3 밸브 블록(171c)에는 제3 방출 밸브(106c)의 상기 유출 포트와 연결된 2개의 제5 및 제6 출구 유로들(172c1, 172c2)이 형성될 수 있다. 제1 출구 유로(172a1)는 제1 공급 유로(162a)의 상류측 단부에 연결되고, 제2 출구 유로(172a2)는 제1 퍼지 유로(163a)의 하류측 단부에 연결될 수 있다. 제3 출구 유로(172b1)는 제2 공급 유로(162b)의 상류측 단부에 연결되고, 제4 출구 유로(172b2)는 제1 공급 유로(162a)의 하류측 단부에 연결될 수 있다. 제5 출구 유로(172c1)는 제3 공급 유로(162c)의 상류측 단부에 연결되고, 제6 출구 유로(172c2)는 제2 공급 유로(162b)의 하류측 단부에 연결될 수 있다.
제4 밸브 블록(171d)에는 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)의 상기 유입 포트와 연결된 입구 유로(173b) 및 캐리어 가스 개폐 밸브(106d)의 상기 유출 포트와 연결된 출구 유로(173a)가 형성될 수 있다. 출구 유로(173a)는 제1 퍼지 유로(163a)에 연결되고, 입구 유로(173b)는 제2 퍼지 유로(163b)에 연결될 수 있다.
유로 블록(161) 내의 유로들(162a, 162b, 162c, 163a)은 제1 내지 제3 밸브 블록들(171a, 171b, 171c) 내의 유로들(172a1, 172a2, 172b1, 172b2, 172c1, 172c2)와 연결될 수 있다. 따라서, 캐리어 가스는 상기 유로 블록뿐만 아니라 상기 밸브 블록들 내의 모드 유로들을 지나가므로 상기 소스 가스들의 정체를 방지하고 파티클들을 효율적으로 배출시킬 수 있다.
반응 가스 공급기(110)는 앞서 설명한 소스 가스 공급기와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 앞서 설명한 소스 가스 공급기와 유사하게 충전 탱크와 같은 구성을 가질 수 있다. 반응 가스 공급기(110)는 2개의 충전 탱크들 및 이에 대응하는 2개의 방출 밸브들을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 충전 탱크들 및 방출 밸브들의 개수는 이에 제한되지 않으며, 박막 증착 효율을 고려하여 다양한 개수를 포함할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
예시적인 실시예들에 있어서, 반응 가스 공급기(110)는 반응 가스 공급원으로부터 공급된 반응 가스를 공정 챔버(10)에 공급할 수 있다. 상기 반응 가스 공급원은 버블러(bubbler)를 포함하여 상기 반응 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 반응 가스의 예로서는 B2H6, Si2H6, SiH4, H2 등을 들 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 소스 가스는 텅스텐 전구체를 포함하고, 상기 반응 가스는 붕소를 포함할 수 있다. 상기 반응 가스는 고농도 B2H6를 포함할 수 있다. 상기 고농도 B2H6 반응 가스는 전체 중량의 적어도 10wt%의 B2H6를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 고농도 B2H6 반응 가스는 10wt%의 B2H6와 잔량의 H2를 포함할 수 있다.
퍼지 가스 공급기(120, 130)는 앞서 설명한 소스 가스 공급기와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다. 퍼지 가스 공급기(120, 130)는 2개의 충전 탱크들 및 이에 대응하는 2개의 방출 밸브들을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 충전 탱크들 및 방출 밸브들의 개수는 이에 제한되지 않으며, 박막 증착 효율을 고려하여 다양한 개수를 포함할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 2개의 퍼지 가스 공급기들(120, 130)이 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않으며, 하나의 퍼지 가스 공급기 또는 3개 이상의 퍼지 가스 공급기들이 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 퍼지 가스 공급기(120, 130)는 퍼지 가스 공급원으로부터 퍼지 가스를 공정 챔버(10) 내에 공급할 수 있다. 예를 들면, 상기 퍼지 가스를 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등을 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 퍼지 가스 공급기(120)는 제1 및 제2 퍼지 가스 공급원들(122a, 122b)과 각각 연결된 제1 및 제2 충전 분배 라인들(123a, 123b), 제1 및 제2 충전 분배 라인들(123a, 123b)에 각각 연결되는 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b), 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)에 각각 연결된 제1 및 제2 방출 분배 라인들(125a, 125b), 및 제1 및 제2 방출 분배 라인들(125a, 125b)이 병렬로 연결된 메인 공급 라인(127)을 포함할 수 있다. 메인 공급 라인(102)의 제1 단부는 퍼지 가스 공급 라인(128)에 연결되고, 퍼지 가스 공급 라인(128)은 공정 챔버(10)에 연결될 수 있다. 퍼지 가스 공급 라인(128)은 샤워 헤드(40)의 제2 도입로(43)에 연결될 수 있다.
퍼지 가스 공급기(120)는 제1 및 제2 방출 분배 라인들(125a, 125b)에 각각 설치되어 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)로부터의 상기 퍼지 가스의 배출을 제어하기 위한 제1 및 제2 방출 밸브들(126a, 126b)을 포함할 수 있다.
또한, 퍼지 가스 공급기(120)는 제1 및 제2 충전 분배 라인들(123a, 123b)에 각각 설치되어 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)로 공급되는 상기 퍼지 가스의 유량을 제어하기 위한 제1 및 제2 유량 제어기들(124a, 124b)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 유량 제어기들은 질량 유량 제어기(MFC, mass flow controller)를 포함할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 퍼지 가스 공급기는 제1 및 제2 충전 분배 라인들(123a, 123b)에 각각 설치되어 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)로의 상기 퍼지 가스의 흐름을 제어하기 위한 제1 및 제2 충전 밸브들을 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 1 및 도 2의 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착시키는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다. 도 10 및 도 11은 예시적인 실시예들에 따른 도 9의 박막 증착 방법에서의 방출 밸브들의 개폐에 따른 가스 공급 단계들을 나타내는 순서도들이다. 상기 박막 증착 방법은 원자층 증착 공정에 의해 웨이퍼 상에 텅스텐 박막을 형성하기 위해 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것을 아니다.
도 1 내지 도 3, 도 9, 도 10 및 도 11을 참조하면, 먼저, 공정 챔버(10) 내에 기판(W)을 로딩할 수 있다(S10).
예시적인 실시예들에 있어서, 공정 챔버(10)는 ALD 공정을 위한 챔버일 수 있다. 기판(W)은 텅스텐 함유 박막이 형성되는 대상체일 수 있다. 기판(W)은 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 또는 게르마늄 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼로부터 제조될 수 있다. 한편, 기판(W) 상에는 각종 구조물들(도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다.
이어서, 공정 챔버(10) 내에 소스 가스를 도입하여 기판(W) 상에 전구체 박막을 형성할 수 있다.
예를 들면, 소스 가스 공급기(100)는 금속 전구체를 기화시켜 상기 소스 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 소스 가스의 예로서는, WF6, WCl6, WBr6, W(Co)6, W(C2H2)6, W(PF3)6, (C2H5)WH2 등을 들 수 있다.
S20 단계에서, 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)에 상기 소스 가스를 충전시키고, 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c) 내에 충전된 소스 가스를 공정 챔버(10) 내에 순차적으로 공급할 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 방출 밸브들(106a, 106b, 106c)(밸브#1, 밸브#2, 밸브#3)이 순차적으로 개폐됨으로써, 제1 내지 제3 충전 탱크들(150a, 150b, 150c)로부터의 소스 가스가 다단계로 공정 챔버(20)로 주입될 수 있다.
제1 충전 탱크(150a)로부터의 소스 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 제2 충전 탱크(150b)로부터의 소스 가스가 주입될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 충전 탱크(150b)로부터의 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 제3 충전 탱크(150c)로부터의 소스 가스가 주입될 수 있다. 제3 충전 탱크(150c)로부터의 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터의 캐리어 가스가 주입될 수 있다. 상기 캐리어 가스는 예를 들면, 아르곤(Ar) 가스를 포함할 수 있다.
또한, 제1 충전 탱크(150a)로부터의 상기 소스 가스의 주입이 끝난 후에 제2 충전 탱크(150b)로부터의 소스 가스가 주입될 때, 제1 충전 탱크(150a)가 충진될 수 있다. 제2 충전 탱크(150b)로부터의 상기 소스 가스의 주입이 끝난 후에 제3 충전 탱크(150c)로부터의 소스 가스가 주입될 때, 제2 충전 탱크(150b)가 충진될 수 있다. 제3 충전 탱크(150c)로부터의 상기 소스 가스의 주입이 끝난 후에 캐리어 가스 공급원(102d)으로부터의 캐리어 가스가 주입될 때, 제3 충전 탱크(150c)가 충진될 수 있다.
이후, 제1 퍼징(purging) 공정을 수행할 수 있다(S30).
퍼지 가스 공급기(120, 130)는 공정 챔버(10) 내에 제1 퍼지 가스를 공급하여 기판(W) 표면 상에 미흡착된 금속 전구체들 또는 기판(W) 표면에 물리 흡착된 금속 전구체들을 공정 챔버(10)로부터 배출시킬 수 있다. 상기 제1 퍼징 공정에 사용되는 상기 제1 퍼지 가스는 예를 들면, 아르곤(Ar) 가스를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 방출 밸브들(126a, 126b)(밸브#1, 밸브#2)이 순차적으로 개폐됨으로써, 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)로부터의 퍼지 가스가 다단계로 공정 챔버(20)로 주입될 수 있다.
제1 충전 탱크(150a)로부터의 퍼지 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 제2 충전 탱크(150b)로부터의 퍼지 가스가 주입될 수 있다. 제1 충전 탱크(150a)로부터의 상기 퍼지 가스의 주입이 끝난 후에 제2 충전 탱크(150b)로부터의 퍼지 가스가 주입될 때, 제1 충전 탱크(150a)가 충진될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 방출 밸브들(126a, 126b)(밸브#1, 밸브#2)이 동시에 개폐됨으로써, 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)로부터의 퍼지 가스가 동시에 공정 챔버(20)로 주입될 수 있다. 이 경우에 있어서, 퍼지 가스 공급 라인(127)을 통해 공급되는 상기 퍼지 가스의 압력은 하나의 충전 탱크 내의 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 퍼지 가스가 공정 챔버(20) 내로 주입될 때, 상기 캐리어 가스 공급원으로부터의 캐리어 가스가 공정 챔버(20) 내로 주입될 수 있다.
이어서, 공정 챔버(10) 내에 반응 가스를 도입하여 상기 전구체 박막을 금속막으로 변환시킬 수 있다(S40).
예를 들면, 반응 가스 공급기(100)는 환원 가스로 사용되는 상기 반응 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 반응 가스의 예로서는, 상기 반응 가스의 예로서는 B2H6, Si2H6, SiH4, H2 등을 들 수 있다. 상기 반응 가스는 고농도 B2H6를 포함할 수 있다. 상기 고농도 B2H6 반응 가스는 전체 중량의 적어도 10wt%의 B2H6를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 고농도 B2H6 반응 가스는 10%B2H6/H2를 포함할 수 있다.
S40 단계에서, 제1 및 제2 충전 탱크들 내에 상기 반응 가스를 충전시키고, 제1 및 제2 충전 탱크들 내에 충전된 반응 가스를 공정 챔버(10) 내에 순차적으로 공급할 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 방출 밸브들(밸브#1, 밸브#2)이 순차적으로 개폐됨으로써, 상기 제1 및 제2 충전 탱크들로부터의 반응 가스가 다단계로 공정 챔버(20)로 주입될 수 있다.
상기 제1 충전 탱크로부터의 반응 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 상기 제2 충전 탱크로부터의 반응 가스가 주입될 수 있다. 상기 제1 충전 탱크로부터의 상기 반응 가스의 주입이 끝난 후에 상기 제2 충전 탱크로부터의 반응 가스가 주입될 때, 상기 제1 충전 탱크가 충진될 수 있다.
B2H6와 같은 환원 가스는 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 도달하여 흡착되기 전에 열분해되어 텅스텐 박막의 스텝 커버리지가 열화될 수 있다. 하지만, 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원 가스는 복수 개의 충전 탱크들에 충전된 후 연속적으로(또는 다단계로) 공정 챔버(10) 내로 공급되므로, 더 높은 압력을 갖는 많은 양의 상기 환원 가스를 상기 개구부의 저면까지 충분하게 공급하여 열분해되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 텅스텐 박막의 스텝 커버리지 특성 및 시간당 설비당 생산량(UPEH)를 향상시킬 수 있다.
이후, 제2 퍼징(purging) 공정을 수행할 수 있다(S50).
상기 퍼지 가스 공급기는 공정 챔버(10) 내에 제2 퍼지 가스를 공급하여 공정 챔버(10) 내에 잔류하는 물질들을 배출시킬 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 방출 밸브들(126a, 126b)(밸브#1, 밸브#2)이 순차적으로 개폐됨으로써, 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)로부터의 퍼지 가스가 다단계로 공정 챔버(20)로 주입될 수 있다.
제1 충전 탱크(150a)로부터의 퍼지 가스가 주입되는 동안 또는 주입이 끝나는 시점에서 제2 충전 탱크(150b)로부터의 퍼지 가스가 주입될 수 있다. 제1 충전 탱크(150a)로부터의 상기 퍼지 가스의 주입이 끝난 후에 제2 충전 탱크(150b)로부터의 퍼지 가스가 주입될 때, 제1 충전 탱크(150a)가 충진될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 방출 밸브들(126a, 126b)(밸브#1, 밸브#2)이 동시에 개폐됨으로써, 제1 및 제2 충전 탱크들(150a, 150b)로부터의 퍼지 가스가 동시에 공정 챔버(20)로 주입될 수 있다. 이 경우에 있어서, 퍼지 가스 공급 라인(127)을 통해 공급되는 상기 퍼지 가스의 압력은 하나의 충전 탱크 내의 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 퍼지 가스가 공정 챔버(20) 내로 주입될 때, 상기 캐리어 가스 공급원으로부터의 캐리어 가스가 공정 챔버(20) 내로 주입될 수 있다.
이어서, 상술한 S20 내지 S50 단계들을 복수 개의 사이클들로 반복하여 원하는 두께의 금속막을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 11에서는, 복수 개의 충전 탱크들을 갖는 가스 공급기를 이용하여 공정 챔버에 소스 가스, 반응 가스 또는 퍼지 가스를 공급하는 것으로 예시적으로 설명하였으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스 이외에 텅스텐 핵생성층을 형성하기 위한 환원 가스를 공급하는 경우에도 상기 충전 탱크 구성을 갖는 가스 공급기가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하에서는, 상술한 박막 증착 방법을 이용하여 반도체 장치를 제조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 12 내지 도 16은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다. 예를 들면, 도 12 내지 도 16은 상술한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 활용한 반도체 장치의 도전 구조물의 형성 방법을 도시하고 있다.
도 12를 참조하면, 도전 패턴(210)이 내부에 형성된 하부 구조물(200) 상에 층간 절연막(220)을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 하부 구조물(200)은 예를 들면, 도 1에 도시된 기판(W) 상에 형성된 하부 절연막을 포함할 수 있다. 기판(W) 상에는 워드 라인(word line), 게이트 구조물, 다이오드, 소스/드레인 층, 콘택, 배선 등을 포함하는 회로 소자가 형성될 수 있다.
이 경우, 하부 구조물(200)은 기판(100) 상에 형성되어 상기 회로 소자를 커버할 수 있다. 도전 패턴(210)은 하부 구조물(200) 내에 형성되며, 상기 회로 소자의 적어도 일부와 전기적으로 연결되는 플러그로 제공될 수 있다.
하부 구조물(200)은 실리콘 산화물 계열 물질을 포함하도록 예를 들면, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 도전 패턴(210)은 텅스텐(W), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등의 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 및/또는 도핑된 폴리실리콘을 포함하도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 하부 구조물(200)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하부 구조물(200)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, 또는 GaP, GaAs, GaSb 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 하부 구조물(200)은 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-On-Insulator: SOI) 기판, 또는 게르마늄-온-인슐레이터(Germanium-On-Insulator: GOI) 기판일 수 있다. 이 경우, 도전 패턴(210)은 하부 구조물(200) 내에 형성된 n-타입 또는 p-타입의 불순물 영역일 수 있다
층간 절연막(220)은 실리콘 산화물 계열 물질 또는 저유전 유기 산화물을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 층간 절연막(220)은 CVD 공정 또는 스핀 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 층간 절연막(220)을 부분적으로 제거하여 도전 패턴(210)을 적어도 부분적으로 노출시키는 개구부(225)를 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 개구부(225)는 도전 패턴(210)의 상면이 전체적으로 노출시키는 홀(hole) 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 개구부(225)는 도전 패턴(210)의 상기 상면을 노출시키며 선형으로 연장되는 트렌치 형상을 가질 수도 있다.
도 14를 참조하면, 층간 절연막(220) 표면, 및 개구부(225)의 측벽 및 저면을 따라, 배리어 도전막(230)을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 배리어 도전막(230)은 유기 금속 전구체를 활용하여, ALD 공정 또는 플라즈마 강화 ALD 공정(Plasma Enhanced ALD: PEALD) 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 배리어 도전막(230)은 텅스텐 질화물, 텅스텐 탄화물 또는 텅스텐 탄질화물을 포함하도록 형성될 수도 있다.
도 15를 참조하면, 배리어 도전막(230) 상에 개구부(225)를 충분히 채우는 금속막(240)을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 금속막(240)은 도 9 내지 도 11을 참조로 설명한 박막 증착 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 소스 가스 공급 공정, 제1 퍼징 공정, 반응 가스 공급 공정 및 제2 퍼징 공정의 증착 사이클을 반복 수행하여 원하는 두께의 금속막을 형성할 수 있다. 예를 들면, WF6를 소스 가스로 사용하고 B2H6를 반응 가스로 사용하여 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
이 경우, 배리어 도전막(230) 및 금속막(240)은 실질적으로 동일한 증착 챔버 내에서 인-시투(in-situ)로 증착될 수 있다.
도 16을 참조하면, 예를 들면 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polish: CMP) 공정을 통해 층간 절연막(220)의 상면이 노출될 때까지 금속막(240) 및 배리어 도전막(230)의 상부를 평탄화할 수 있다.
상기 평탄화 공정에 의해 개구부(225) 내부에는 도전 패턴(210)과 전기적으로 연결되며, 배리어 도전 패턴(232) 및 금속 충진 패턴(242)을 포함하는 도전 구조물이 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 도전 구조물은 텅스텐 질화물/텅스텐(WNx/W) 적층 구조를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배리어 도전막(230)을 형성한 후에, 전처리 공정을 수행할 수 있다. 상기 전처리 공정은 도 9를 참조로 설명한 박막 증착 방법의 반응 가스 공정 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 배리어 도전막(230)이 형성된 기판(W) 상에 B2H6를 반응 가스로 공급할 수 있다. 상기 반응 가스는 상기 충전 탱크 구성을 갖는 반응 가스 공급기를 이용하여 공급되어 핵생성층을 형성할 수 있다. B2H6 반응 가스는 기판 표면에서 분해되어 단일의 보론으로 흡착되거나 다양한 보론 수소화물(boron hydride)로 흡착되어 텅스텐 박막의 빠른 핵생성을 돕게 된다.
도 17 내지 도 23은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 예를 들면, 도 17 내지 도 23은 3차원 구조의 비휘발성 메모리 장치 또는 수직 채널을 포함하는 수직형 메모리 장치의 제조 방법을 도시하고 있다.
도 17 내지 도 23에서 기판의 상면으로부터 수직하게 연장하는 방향 제1 방향으로 정의한다. 또한, 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 두 방향을 제2 방향 및 제3 방향으로 정의한다. 예를 들면, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향은 서로 수직하게 교차할 수 있다.
도 17을 참조하면, 기판(300) 상에 층간 절연막들(302, 예를 들면 302a 내지 302g) 및 희생막들(304, 예를 들면 304a 내지 304f)을 교대로 반복으로 적층하여 몰드 구조물을 형성할 수 있다. 이후, 상기 몰드 구조물을 부분적으로 식각하여 기판(300)의 상면을 노출시키는 채널 홀들(310)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 층간 절연막(302)은 실리콘 산화물을 포함하도록 형성될 수 있다. 희생막들(304)은 층간 절연막(302)에 대해 높은 식각 선택비를 가지며, 습식 식각 공정에 의해 용이하게 제거될 수 있는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 희생막들(304)은 실리콘 질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
희생막들(304)은 후속 공정을 통해 제거되어 그라운드 선택 라인(Ground Selection Line: GSL), 워드 라인 및 스트링 선택 라인(String Selection Line: SSL)이 형성되는 공간을 제공할 수 있다. 따라서, 층간 절연막들(302) 및 희생막들(304)이 적층되는 수는 이후 형성되는 상기 GSL, 워드 라인 및 SSL이 적층되는 수에 따라 달라질 수 있다.
예를 들면, 상기 GSL 및 SSL은 각각 1개의 층에 형성되고, 상기 워드 라인은 4개의 층에 형성될 수 있다. 이 경우, 도 16에 도시된 바와 같이 희생막들(304)은 모두 6개의 층으로 적층되며 층간 절연막들(302)은 모두 7개의 층으로 적층될 수 있다. 그러나, 도 16에 도시된 층간 절연막(302) 및 희생막(304)의 적층 수는 예시적인 것이며, 상기 반도체 장치의 집적도에 따라 보다 증가될 수 있다.
예를 들면, 상기 몰드 구조물을 건식 식각 공정을 통해 부분적으로 제거하여 복수의 채널 홀들(310)이 형성될 수 있다. 상기 제3 방향을 따라 복수의 채널 홀들(310)이 형성되어 채널 홀 열이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 방향을 따라, 복수의 상기 채널 홀 열들이 형성될 수 있다.
도 18을 참조하면, 각 채널 홀(310) 내부에 유전막 구조물(322), 채널(324) 및 충진 패턴(326)을 포함하는 수직 채널 구조체(320)를 형성할 수 있다. 수직 채널 구조체(320) 상에는 캡핑 패드(330)가 형성될 수 있다.
예를 들면, 채널 홀들(310)의 측벽 및 저면들과 최상층의 층간 절연막(302g) 상면을 따라 유전막을 형성할 수 있다. 상기 유전막은 구체적으로 도시하지는 않았으나, 블로킹 막, 전하 저장막 및 터널 절연막을 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다.
상기 블로킹 막은 실리콘 산화물과 같은 산화물을 사용하여 형성될 수 있고, 상기 전하 저장막은 실리콘 질화물과 같은 질화물 또는 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있으며, 상기 터널 절연막은 실리콘 산화물과 같은 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유전막은 ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 에치-백 공정을 통해 상기 유전막의 상부 및 저부를 부분적으로 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 유전막의 최상층의 층간 절연막(302g) 상기 상면 및 기판(300)의 상기 상면 상에 형성된 부분들이 실질적으로 제거되어 유전막 구조물(322)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전막 구조물(322)은 채널 홀(310)의 측벽 상에 형성되며, 실질적으로 스트로우(straw) 형상 또는 실린더 쉘(shell) 형상을 가질 수 있다.
이어서, 최상층의 층간 절연막(302g) 및 유전막 구조물(322)의 표면들, 및 기판(300)의 상기 상면을 따라 채널막을 형성하고, 상기 채널막 상에 채널 홀들(310) 나머지 부분을 채우는 충진막을 형성할 수 있다.
상기 채널막은 선택적으로 불순물이 도핑된 폴리실리콘 혹은 비정질 실리콘을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 폴리실리콘 혹은 비정질 실리콘을 사용하여 상기 채널 막을 형성한 후 열처리 또는 레이저 빔 조사에 의해 이를 단결정 실리콘으로 전환시킬 수도 있다. 상기 충진막은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
최상층의 층간 절연막(302g)이 노출될 때까지 상기 충진막 및 상기 채널막을 평탄화하여 유전막 구조물(322)의 내측벽으로부터 순차적으로 적층되어 채널 홀(310) 내부를 채우는 채널(324) 및 충진 패턴(326)을 형성할 수 있다. 상기 평탄화 공정은 CMP 공정 및/또는 에치-백 공정을 포함할 수 있다.
채널(324)은 실질적으로 컵(cup) 형상을 가지며, 채널 홀(310)에 의해 노출된 기판(300)의 상기 상면과 접촉될 수 있다. 충진 패턴(326)은 채널(324)의 내부 공간에 삽입된 필라(pillar) 혹은 속이 찬 원기둥 형상을 가질 수 있다.
각 채널 홀(310) 마다 채널(324)이 형성됨에 따라, 상술한 채널 홀 열의 배열 형태에 대응되는 채널 열이 형성될 수 있다.
수직 채널 구조체(320) 상에는 채널 홀(310)의 상부를 캡핑하는 캡핑 패드(330)를 더 형성할 수 있다. 예를 들면, 유전막 구조물(322), 채널(324) 및 충진 패턴(326)의 상부를 에치-백 공정을 통해 제거하여 리세스를 형성할 수 있다. 이후, 상기 리세스를 채우는 패드막을 최상층의 층간 절연막(302g) 상에 형성하고, 최상층의 층간 절연막(302g)의 상면이 노출될 때까지 상기 패드막의 상부를 CMP 공정을 통해 평탄화하여 캡핑 패드(330)를 형성할 수 있다. 상기 패드막은 폴리실리콘 또는 예를 들면 n형 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 사용하여 형성될 수 있다.
최상층의 층간 절연막(302g) 상에는 캡핑 패드들(330)을 덮는 제1 상부 절연막(340)을 형성할 수 있다. 제1 상부 절연막(440)은 예를 들면, 실리콘 산화물을 포함하도록 CVD 공정, 스핀 코팅 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
도 19를 참조하면, 상기 제1 상부 절연막(340) 및 상기 몰드 구조물을 부분적으로 식각하여 개구부(350)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 이웃하는 일부 상기 채널 열들 사이의 제1 상부 절연막(340) 및 상기 몰드 구조물 부분들을 건식 식각 공정을 통해 식각하여 개구부(350)가 형성될 수 있다.
개구부(350)는 상기 제1 방향을 따라 상기 몰드 구조물을 관통하여 기판(300)의 상면을 노출시킬 수 있다. 또한, 개구부(350)는 상기 제3 방향으로 연장되며, 복수의 개구부들(350)이 상기 제2 방향을 따라 형성될 수 있다.
개구부(350)는 게이트 라인 컷 영역으로 제공될 수 있다. 제2 방향을 따라 이웃하는 개구부들(350) 사이에 소정의 개수의 상기 채널 열들이 배열될 수 있다.
한편, 개구부들(350)이 형성됨에 따라, 층간 절연막들(302) 및 희생막들(304)은 각각 층간 절연 패턴들(306, 예를 들면, 306a 내지 306g) 및 희생 패턴들(308, 예를 들면, 308a 내지 308f)로 변환될 수 있다. 층간 절연 패턴(306) 및 희생 패턴(308)은 상기 소정의 개수의 채널 열들에 포함된 수직 채널 구조체들(320)을 감싸며 연장하는 플레이트(plate) 형상을 가질 수 있다.
도 20을 참조하면, 개구부(350)에 의해 측벽이 노출된 희생 패턴들(308)을 제거할 수 있다.
희생 패턴(308)이 실리콘 질화물을 포함하며 층간 절연 패턴(306)이 실리콘 산화물을 포함하는 경우, 실리콘 질화물에 선택비를 갖는 인산과 같은 식각액을 사용하여 희생 패턴들(308)을 습식 식각 공정을 통해 제거할 수 있다.
희생막 패턴들(308)이 제거됨에 따라, 각 층의 층간 절연 패턴들(306) 사이에서 갭(gap)(360)이 형성되며, 갭(360)에 의해 유전막 구조물(322)의 외측벽이 노출될 수 있다.
도 21을 참조하면, 노출된 유전막 구조물(322)의 상기 외측벽 및 갭(360)의 내벽, 층간 절연 패턴들(306)의 표면, 제1 상부 절연막(340)의 표면, 및 노출된 기판(300)의 상기 상면을 따라 배리어 도전막(363)을 형성할 수 있다. 배리어 도전막(363) 상에는 금속 게이트막(365)을 형성할 수 있다. 금속 게이트막(365)은 각 층의 갭들(360)을 완전히 채우며, 개구부(350) 역시 적어도 부분적으로 채우도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 배리어 도전막(363)은 유기 금속 전구체를 활용하여, ALD 공정 또는 플라즈마 강화 ALD 공정(Plasma Enhanced ALD: PEALD) 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 배리어 도전막(363)은 텅스텐 질화물, 텅스텐 탄화물 또는 텅스텐 탄질화물을 포함하도록 형성될 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배리어 도전막(363)이 형성된 기판(400) 상에 B2H6와 같은 반응 가스를 공급하여 핵생성층을 형성할 수 있다. 상기 반응 가스는 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한 충전 탱크 구성을 갖는 반응 가스 공급기를 이용하여 공급될 수 있다. B2H6 반응 가스는 기판 표면에서 분해되어 단일의 보론으로 흡착되거나 다양한 보론 수소화물(boron hydride)로 흡착되어 텅스텐 박막의 빠른 핵생성을 돕게 된다.
개구부(350)는 상기 반도체 장치의 집적도에 따라 높은 종횡비를 가질 수 있다. B2H6와 같은 환원 가스는 높은 종횡비를 갖는 개구부(350)의 저면까지 도달하여 흡착되기 전에 열분해되어 텅스텐 박막의 스텝 커버리지가 열화될 수 있다. 하지만, 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 반응 가스는 충전 압력(P0)보다 큰 압력으로 승압됨에 따라, 많은 양의 반응 가스를 개구부(350)의 저면의 갭(360) 내부까지 충분하게 공급할 수 있다.
이어서, 도 9 내지 도 11을 참조로 설명한 박막 증착 방법을 사용하여 배리어 도전막(363) 상에는 금속 게이트막(365)을 형성할 수 있다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 소스 가스 공급 공정, 제1 퍼징 공정, 반응 가스 공급 공정 및 제2 퍼징 공정의 증착 사이클을 반복 수행하여 원하는 두께의 금속막을 형성할 수 있다. 예를 들면, WF6를 소스 가스로 사용하고 B2H6를 반응 가스로 사용하여 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
도 22를 참조하면, 배리어 도전막(363) 및 금속 게이트막(365)을 부분적으로 식각하여 각 층의 갭(360) 내부에 배리어 도전 패턴(367) 및 금속 게이트(370, 예를 들면 370a 내지 370f)를 형성할 수 있다. 금속 게이트(370)은 상기 소정의 개수의 채널 열들에 포함된 수직 채널 구조체들(320)의 측벽을 감싸며 연장하는 라인 형상 또는 플레이트 형상을 가질 수 있다.
예를 들면, 배리어 도전막(363) 및 금속 게이트막(365)의 상부를 제1 상부 절연막의(340) 상면이 노출될 때까지, 예를 들면 CMP 공정을 통해 평탄화할 수 있다. 이 후, 개구부(350) 내부에 형성된 배리어 도전막(363) 및 금속 게이트막(365) 부분을 예를 들면, 등방성 식각 공정을 통해 부분적으로 식각함으로써 각 층의 갭(360) 내부에 배리어 도전 패턴(367) 및 금속 게이트(370)를 형성할 수 있다. 배리어 도전 패턴(367)은 갭(360)의 내벽을 따라 형성되며, 금속 게이트(370)는 배리어 도전 패턴(367) 상에 형성되어, 각 층의 갭(360)을 채울 수 있다.
금속 게이트들(370)은 기판(300)의 상기 상면으로부터 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 이격되어 형성된 GSL, 워드 라인 및 SSL을 포함할 수 있다. 예를 들면, 최하층의 금속 게이트(370a)는 상기 GSL로 제공될 수 있다. 상기 GSL 상부의 4개 층의 금속 게이트들(370b 내지 370e)은 상기 워드 라인으로 제공될 수 있다. 상기 워드 라인 상부의 최상층의 금속 게이트(370f)는 상기 SSL로 제공될 수 있다.
도 23을 참조하면, 개구부(350)에 의해 노출된 기판(300) 상부에 불순물 영역(305)을 형성하고, 개구부(305)를 채우는 스페이서(380) 및 커팅 패턴(385)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 이온 주입 공정을 통해 예를 들면, 인 또는 비소와 같은 n형 불순물을 개구부(350)를 통해 주입함으로써 불순물 영역(305)을 형성할 수 있다. 불순물 영역(305)은 기판(300)의 상기 상부에 형성되어 상기 제3 방향으로 연장할 수 있다.
개구부(350)의 측벽 상에 스페이서(380)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 산화물과 같은 절연 물질을 포함하는 스페이서 막을 제1 상부 절연막(340)의 상면, 및 개구부(350)의 측벽 및 저면을 따라 ALD 공정을 통해 형성할 수 있다. 예를 들면, 이방성 식각 공정 또는 에치-백 공정을 통해 상기 스페이서 막을 부분적으로 제거하여 개구부(350)의 상기 측벽 상에 선택적으로 스페이서(380)를 형성할 수 있다.
이후, 개구부(350)의 나머지 부분을 채우는 커팅 패턴(385)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 개구부(350)를 충분히 채우는 도전막을 제1 상부 절연막(340) 상에 형성할 수 있다. 상기 도전막의 상부를 제1 상부 절연막(340)의 상면이 노출될 때까지 CMP 공정을 통해 평탄화하여 개구부(350) 내에서 연장하는 커팅 패턴(385)이 형성될 수 있다.
상기 도전막은 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 및/또는 도핑된 폴리실리콘을 포함하도록 ALD 공정 또는 스퍼터링 공정을 통해 형성될 수 있다. 커팅 패턴(385)은 상기 반도체 장치의 CSL로 제공될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 도전막은 상술한 예시적인 실시예들에 따른 유기 금속 전구체를 사용하여 형성될 수도 있다. 이 경우, 커팅 패턴(385)은 텅스텐을 포함할 수 있다.
제1 상부 절연막(340) 상에 커팅 패턴(385) 및 스페이서(380)를 덮는 제2 상부 절연막(390)을 형성할 수 있다. 제2 상부 절연막(390)은 제1 상부 절연막(340)과 실질적으로 동일하거나 유사한 실리콘 산화물을 포함하도록 예를 들면, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다.
이후, 제1 및 제2 상부 절연막들(390, 340)을 관통하여 캡핑 패드(330)와 접촉하는 비트 라인 콘택(395)을 형성할 수 있다. 이어서, 비트 라인 콘택(395)과 전기적으로 연결되는 비트 라인(397)을 제2 상부 절연막(390) 상에 형성할 수 있다. 비트 라인 콘택(395) 및 비트 라인(397)은 금속, 금속 질화물, 도핑된 폴리실리콘 등을 포함하도록 PVD 공정, ALD 공정, 스퍼터링 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
비트 라인 콘택(395)은 캡핑 패드(330)와 대응하도록 복수 개로 형성되어 비트 라인 콘택 어레이를 형성할 수 있다. 또한, 비트 라인(397)은 예를 들면, 상기 제2 방향으로 연장하며, 복수의 캡핑 패드들(330)과 비트 라인 콘택(395)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 복수의 비트 라인들(397) 상기 제3 방향을 따라 형성될 수 있다.
전술한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치 및 박막 증착 방법은 플래시 메모리 장치의 게이트 패턴 등과 같은 도전성 구조물을 형성하는 데 이용될 수 있다. 또한, 상기 박막 증착 장치 및 박막 증착 방법은 엠렘(MRAM) 장치, 알램(ReRAM) 장치, 피램(PRAM) 장치, 로직 소자 등과 같은 각종 반도체 소자의 전극, 게이트, 콘택 등의 형성을 위해 확장 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 공정 챔버 20: 챔버
22: 출입구 24: 게이트 밸브
26: 배기구 30: 기판 지지부
32: 히터 40: 샤워 헤드
42: 제1 도입로 43: 제2 도입로
44: 상부 공간 45: 하부 공간
46: 제1 가스 토출로 47: 제2 가스 토출로
50: 배기 장치 100: 소스 가스 공급기
102a, 102b, 102c: 소스 가스 공급원 102d: 캐리어 가스 공급원
103a, 103b, 103c, 123a, 123b: 충전 분배 라인
103d: 캐리어 가스 공급 라인
104a, 104b, 104c, 104d, 124a, 124b: 유량 제어기
105a, 105b, 105c, 125a, 125b: 방출 분배 라인
106a, 106b, 106c, 126a, 126b: 방출 밸브
106d: 캐리어 가스 개폐 밸브 107: 메인 공급 라인
108: 소스 가스 공급 라인 110: 반응 가스 공급기
120, 130: 퍼지 가스 공급기 122a, 122b: 퍼지 가스 공급원
128: 퍼지 가스 공급 라인 150a, 150b, 150c: 충전 탱크
151: 충전 챔버 152: 유입부
154: 유출부 160: 멀티-도징 밸브 조립체
161: 유로 블록 162: 제1 메인 유로
162a, 162b, 162c: 공급 유로 163a: 제1 퍼지 유로
163b: 제2 퍼지 유로 164a, 164b, 164c: 분배 유로
171a, 171b, 171c, 171d: 밸브 블록
172a, 172a, 172a, 172b, 172b1, 172b2, 172c, 172c1, 172c2: 출구 유로
173a: 출구 유로 173b: 입구 유로
200: 하부 구조물 210: 도전 패턴
220, 302: 층간 절연막 225, 350: 개구부
240: 금속막 232, 367: 배리어 도전 패턴
242: 금속 충진 패턴 304: 희생막
305: 불순물 영역 306: 층간 절연 패턴
308: 희생 패턴 310: 채널 홀
320: 수직 채널 구조체 322: 유전막 구조물
324: 채널 326: 충진 패턴
330: 캡핑 패드 340: 제1 상부 절연막
360: 갭 380: 스페이서
385: 커팅 패턴 390: 제2 상부 절연막
395: 비트 라인 콘택

Claims (10)

  1. 제1 가스 공급원과 연결된 복수 개의 충전 분배 라인들;
    상기 충전 분배 라인들에 각각 연결되며 상기 제1 가스 공급원으로부터 공급된 제1 가스를 충전시키기 위한 복수 개의 충전 탱크들;
    제2 가스 공급원과 연결된 가스 공급 라인; 및
    상기 충전 탱크들의 유출부들이 접속되고 상기 충전 탱크들로부터의 상기 제1 가스를 공정 챔버에 순차적으로 공급하기 위한 멀티-도징 밸브 조립체를 포함하고,
    상기 멀티-도징 밸브 조립체는,
    상기 공정 챔버에 연결되는 메인 공급 라인을 구비하는 유로 블록;
    상기 유로 블록에 체결되며, 상기 충전 탱크들 각각으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 제1 가스의 배출을 제어하기 위한 복수 개의 방출 밸브들을 각각 구비하는 복수 개의 밸브 블록들; 및
    상기 유로 블록에 체결되며, 상기 가스 공급 라인으로부터 상기 메인 공급 라인으로의 상기 제2 가스의 배출을 제어하기 위한 개폐 밸브를 구비하는 역류 방지 밸브 블록을 포함하는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방출 밸브들은 상기 메인 공급 라인에 순차적으로 병렬로 연결되고, 상기 개폐 밸브는 상기 메인 공급 라인의 상류측 단부에 직렬로 연결되는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유로 블록에는 제1 퍼지 유로 및 제2 퍼지 유로가 형성되고, 상기 제1 퍼지 유로는 상기 메인 공급 유로의 상류측 단부를 구성하고, 상기 제2 퍼지 유로는 상기 가스 공급 라인에 연결되고,
    상기 개폐 밸브는 상기 제1 퍼지 유로와 상기 제2 퍼지 유로 사이에 설치되는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유로 블록에는 복수 개의 공급 유로들이 형성되고, 상기 밸브 블록들에는 상기 방출 밸브의 유출 포트와 연결된 2개의 출구 유로들이 각각 형성되고, 상기 출구 유로들은 상기 공급 유로들과 상기 제1 퍼지 유로와 연결되는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 충전 분배 라인들에 각각 설치된 유량 제어기들을 더 포함하는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유로 블록의 외측면의 제1 측부을 따라 상기 충전 탱크들이 설치되고, 상기 유로 블록의 외측면의 상기 제1 측부와 마주하는 제2 측부를 따라 상기 밸브 블록들이 체결되는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 역류 방지 밸브 블록은 상기 유로 블록의 외측면의 상기 제2 측부에 상기 밸브 블록과 인접하게 체결되는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 가스는 소스 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 가스는 캐리어 가스를 포함하는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 퍼지 가스 및 상기 캐리어 가스는 동일한 가스를 포함하는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 소스 가스는 텅스텐 전구체를 포함하고, 상기 반응 가스는 붕소를 포함하는 박막 증착 장치용 가스 공급기.
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