KR20230153554A - 원자층 증착 공정을 활용한 박막 증착방법 및 이를 위한 박막 증착장치 - Google Patents

원자층 증착 공정을 활용한 박막 증착방법 및 이를 위한 박막 증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자층 증착 공정을 활용한 박막 증착방법 및 이를 위한 박막 증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대용량 소스가스와 반응가스를 공급하여 원자층 증착 공정을 통해 연속적으로 단위 증착막을 증착하는 경우 오염물 누적 현상에 의해 발생되는 막질 변화를 방지할 수 있어 박막 재현성이 우수한 박막 증착방법과 이를 위한 박막 증착장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 박막 증착방법은, 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되는 소스가스 흡착단계와, 제1 퍼지단계를 포함하는 제1 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제1 단계; 및 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계와, 제2 퍼지단계를 포함하는 제2 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제2 단계;를 포함하는 단위 사이클을 적어도 1회 이상 수행하되, 공정 챔버의 압력을 제어하기 위해 스로틀 밸브의 개도율을 조절하며, 소스가스 흡착단계에서의 스로틀 밸브의 개도율은 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 가지고, 반응단계에서의 스로틀 밸브의 개도율은 제1 퍼지단계 및 제2 퍼지단계 각각에서의 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

원자층 증착 공정을 활용한 박막 증착방법 및 이를 위한 박막 증착장치{Method for depositing thin film using atomic layer deposition process and apparatus for depositing thin film therefor}
본 발명은 원자층 증착 공정을 활용한 박막 증착방법 및 이를 위한 박막 증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대용량 소스가스와 반응가스를 공급하여 원자층 증착 공정을 통해 연속적으로 단위 증착막을 증착하는 경우 오염물 누적 현상에 의해 발생되는 막질 변화를 방지할 수 있어 박막 재현성이 우수한 박막 증착방법과 이를 위한 박막 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 원자층 증착 공정(atomic layer deposition, ALD process)은, 하나의 소스 성분을 포함하는 소스가스를 공정 챔버의 내부로 공급하여 기판에 화학적으로 흡착시킨다. 이후, 다른 소스 성분을 포함하는 반응가스를 공정 챔버에 공급하여 기판 상에 흡착된 소스가스의 성분과 반응가스에 포함된 소스 성분과의 화학 반응을 유도하여 생성물을 증착하도록 하여 기판 상에 박막을 증착할 수 있다.
상기 원자층 증착 공정은 다수의 기체 분자들을 동시에 챔버 내로 주입하여 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하는 통상적인 화학 기상 증착 장치와 달리, 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있고, 불순물 함량이 낮은 순수한 박막을 증착할 수 있다는 스텝 커버리지(step coverage)에 대한 장점이 있어 기판 상에 박막 증착을 위해 널리 활용되고 있다.
최근, 반도체 디바이스 회로에서 선폭의 초 미세화, 고 종횡비(high aspect ratio) 경향이 두드러짐에 따라, 우수한 스텝 커버리지, 고순도, 고밀도와 뛰어난 박막 증착 균일성(uniformity)을 갖는 박막의 구현 방법에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라, 상기와 같은 특성 들을 개선하기 위하여 칩 메이커들은 끊임없이 노력하고 있다.
그러나, 균일성, 스텝 커버리지 등의 특성은 20 nm 이하 선폭의 반도체 디바이스 시대로 접어들면서 그 어느 때 보다도 개선이 쉽지 않다. 특히, DRAM은 더욱 선폭의 미세화 추구 때문에 홀(hole)의 종횡비(aspect ratio)가 1:100을 상회하는 경우도 있으며, V-NAND 디바이스의 경우는 단수를 더욱 고층으로 쌓아 올림에 따라 스탭 커버리지는 물론 패턴의 하층부, 중층부, 상층부에 증착하는 막질의 품질을 균일하게 맞추는 것도 어려운 일이 되고 있다.
이에 따라, 최근에는, 박막 증착공정에서 펌핑 포트부에 스로틀 밸브를 설치하고, 스로틀 밸브의 개도율을 조절하는 방법을 통해 공정 챔버 내부의 압력과 배기를 조절하여 박막의 표면이나 패턴 내부에 잔존하는 미반응 가스와 부산물의 퍼지 효율을 증대시킬 수 있도록 하고 있다.
하지만, 상기와 같이 스로틀 밸브의 개도율을 조절하는 기존 방법은, 공정 챔버의 내부 압력을 구현하기 위해 스로틀 밸브의 제어 방식을 포지션 모드로 사용하고 있다. 즉, 기존에는 증착 공정에서 소스가스 공급과 반응가스 공급시 스로틀 밸브의 개구율을 동일하게 고정하도록 하고 있다.
하지만, 상기와 같이 공정 챔버의 압력을 고정한 상태로 장시간 박막 증착 공정을 수행하는 경우 포획 또는 펌핑 등에 의해 부산물이 포집되는 누적 현상이 발생하여 반응 공정 중 공정 챔버의 기본 압력이 상승하고, 이로 인해 막질의 특성이 변화하는 현상이 발생한다는 문제가 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
일 실시예에 따르면, 공정 초기 스로틀 밸브의 기준 개도율을 산출하고, 산출한 기준 개도율을 이용해 스로틀 밸브의 개도율을 박막 증착을 위한 세부 공정의 각 단계별로 가변적으로 조절하여 적용하는 방법을 사용하여 대용량의 소스가스와 반응가스를 공급하여 연속적으로 단위 증착막을 형성하는 경우에도 막질 변화가 없이 균일한 박막을 증착할 수 있는 박막 증착방법와 이를 위한 박막 증착장치에 대한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 복수 개의 단위 증착막을 연속하여 증착하는 경우 누적 현상으로 인해 발생되는 공정 챔버 내부의 압력 상승을 방지하여 공정 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있어 박막 재현성이 우수한 박막 증착방법와 이를 위한 박막 증착장치에 대한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
실시예에 따른 박막 증착방법은, 소스가스를 제공하여 공정 챔버 내의 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되는 소스가스 흡착단계와, 상기 기판 상에 제1 퍼지가스를 제공하는 제1 퍼지단계를 포함하는 제1 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제1 단계; 및 상기 기판 상에 반응가스를 제공하여 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계와, 상기 기판 상에 제2 퍼지가스를 제공하는 제2 퍼지단계를 포함하는 제2 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제2 단계;를 포함하는 단위 사이클을 적어도 1회 이상 수행하되, 상기 공정 챔버의 압력을 제어하기 위해 상기 공정 챔버의 펌핑 포트부에 설치된 스로틀 밸브의 개도율을 조절하며, 상기 소스가스 흡착단계에서의 스로틀 밸브의 개도율은 상기 반응단계에서의 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 가지고, 상기 반응단계에서의 스로틀 밸브의 개도율은 상기 제1 퍼지단계 및 제2 퍼지단계 각각에서의 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 소스가스 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율은, 상기 기판 상에 소스가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 측정하여 산출한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음, 상기 기판 상에 반응가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 산출하는 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율을 산출한 다음, 상기 공정 챔버 내의 기판 상에 소스가스를 제공하여 상기 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되는 조정 소스가스 흡착단계와 상기 기판 상에 상기 제1 퍼지가스를 제공하는 제3 퍼지단계를 포함하는 제3 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제3 단계; 및 상기 기판 상에 반응가스를 제공하여 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 조정 반응단계와 상기 기판 상에 제2 퍼지가스를 제공하는 제4 퍼지단계를 포함하는 제4 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제4 단계;를 포함하는 조정 단위 사이클을 적어도 1회 이상 수행하되, 상기 조정 소스가스 흡착단계에서 상기 스로틀 밸브의 개도율은, 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율인 것을 특징으로 하고, 상기 조정 소스가스 흡착단계에서 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율은 상기 조정 반응단계의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작고, 상기 조정 반응단계의 상기 스로틀 밸브의 개도율은 상기 제3 퍼지단계 및 제4 퍼지단계에서 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율 보다 작은 것을 특징으로 한다.
한편, 실시예에 따른 박막 증착장치는, 상기에 기재된 박막 증착방법을 수행하며, 이를 위해, 박막 증착을 위한 반응 공간을 제공하는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내부에 퍼지가스, 소스가스 및 반응가스 중 적어도 어느 하나의 가스를 공급하는 가스 분사부; 상기 반응 공간의 내부에 설치되어 기판을 지지하는 기판 지지부; 상기 공정 챔버의 내부 압력을 조절하는 스로틀 밸브를 포함하는 펌핑 포트부; 및 상기 공정 챔버, 가스 분사부, 기판 지지부 및 펌핑 포트부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 기판 상에 박막을 증착하는 각 단계에서 상기 공정 챔버의 압력을 제어하기 위해 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하며, 상기 공정 챔버의 기판 상에 소스가스를 공급하는 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율이 상기 공정 챔버의 기판 상에 반응가스를 공급하는 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖도록 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하고, 상기 공정 챔버의 기판 상에 반응가스를 공급하는 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율이 상기 기판 상에 퍼지가스를 공급하는 퍼지단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖도록 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 박막 증착방법은, 공정 초기 스로틀 밸브의 기준 개도율을 산출하고, 산출한 기준 개도율을 이용해 스로틀 밸브의 개도율을 박막 증착을 위한 세부 공정의 각 단계별로 가변적으로 상이하게 조절하는 방법을 사용하여 공정 챔버 내부의 압력을 균일하게 조절하여 대용량의 소스가스와 반응가스를 장시간 동안 공급하는 경우에도 단시간에 막질이 우수한 박막을 증착할 수 있다.
또한, 소스가스와 반응가스를 교번으로 공급하여 기판 상에 박막을 증착하는 공정을 반복하는 경우 반응 공간 내부에 부산물의 누적으로 인해 발생하는 압력 증가를 방지할 수 있어 박막 재현성이 우수하다.
도 1은 실시예에 따른 박막 증착방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 실시예에 따른 박막 증착방법의 단위 사이클에서, 소스가스, 반응가스, 퍼지가스의 공급과 스로틀 밸브의 개도율 조절을 나타낸 타이밍도이다.
도 3은 실시예에 따른 박막 증착장치를 나타낸 구조도이다.
본 명세서에 표기된 "스로틀 밸브의 개도율(throttle open rate, %)"은, 펌핑 포트부에 설치된 스로틀 밸브(throttle valve)가 개방된 정도를 백분율로 나타낸 것이다. 스로틀 밸브의 개도율이 0%면 스로틀 밸브가 완전히 폐쇄된(closed) 상태인 것을 의미하며, 스로틀 밸브의 개도율이 100%면 스로틀 밸브가 완전히 개방된(opened) 상태인 것을 의미한다.
상기 스로틀 밸브는 가스의 배출량을 조절하기 위해 사용되는 통상적인 다양한 형태의 스로틀 밸브를 이용해 구현할 수 있다.
이하, 실시예에 따른 박막 증착방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
먼저, 실시예에 따른 박막 증착방법은, 기판 상에 다양한 소재의 박막을 증착할 수 있다.
일례로, 실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 상기 기판 상에, 질화티타늄(TiN), 질화탄탈럼(TaN), 질화텅스텐(WN) 등과 같은 금속 질화막, 텅스텐(W) 등과 같은 금속 박막, 알루미늄 산화물(Al2O3), 이산화실리콘(SiO2), 산화지르코늄(ZrO2) 등과 같은 금속 산화막을 증착할 수 있다.
상기 기판(S)은 정전기로 대전될 수 있는 유리 또는 실리콘, 폴리머 소재로 제조한 것일 수 있다. 구체적으로, 기판은 결정질 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 질화물, 스트레인드 실리콘, 실리콘 게르마늄, 텅스텐, 티타늄 질화물, 도핑된 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘, 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼, 패터닝된 또는 패터닝되지 않은 웨이퍼, SOI(silicon on insulator), 탄소 도핑된 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 도핑된 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소, 유리, 사파이어, 저 k 유전체들 또는 이들의 혼합물을 포함하는 소재로 제조한 것을 사용할 수 있다. 상기 기판은 소정의 디바이스가 형성된 반도체 기판 결과물일 수 있고, 혹은 베어(bare) 웨이퍼일 수도 있다.
도 1은 실시예에 따른 박막 증착방법을 나타낸 공정도이고, 도 2는 실시예에 따른 박막 증착방법의 단위 사이클에서, 소스가스, 반응가스, 퍼지가스의 공급과 스로틀 밸브의 단계별 개도율 조절을 나타낸 타이밍도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 박막 증착방법은, 공정 챔버 내의 기판 상에 소스가스를 제공하여 상기 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되는 소스가스 흡착단계(S110)와 상기 기판 상에 제1 퍼지가스를 제공하는 제1 퍼지단계(S130)를 포함하는 제1 서브 사이클(S100)을 적어도 1회 이상 수행하는 제1 단계; 및 상기 기판 상에 반응가스를 제공하여 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계(S210)와 상기 기판 상에 제2 퍼지가스를 제공하는 제2 퍼지단계(S230)를 포함하는 제2 서브 사이클(S200)을 적어도 1회 이상 수행하는 제2 단계;를 포함하는 단위 사이클(S10)을 적어도 1회 이상 수행하며, 상기 공정 챔버의 압력을 제어하기 위해 상기 공정 챔버의 펌핑 포트부에 설치된 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 제1 단계 및 제2 단계를 수행하도록 한다.
먼저, 실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 공정 챔버(100)에 기판을 안착하여 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 공정 챔버(100)의 내부에는 기판 지지부(300)가 설치된 구조를 가질 수 있으며, 기판 지지부(300)에 기판을 안착하고, 기판 상에 박막을 증착하도록 한다.
이를 위해, 실시예에 따른 박막 증착방법은, 박막 증착을 위한 반응 공간을 제공하는 공정 챔버(100), 상기 공정 챔버(100) 내부에 가스를 공급하는 가스 분사부(200), 상기 반응 공간의 내부에 설치되어 기판(S)을 지지하는 기판 지지부(300), 상기 공정 챔버의 내부 압력을 조절하는 스로틀 밸브가 구비된 펌핑 포트부(500)와 상기 공정 챔버(100), 가스 분사부(200), 기판 지지부(300)와 펌핑 포트부(500)의 구동을 제어하는 제어부(600)를 포함하는 박막 증착장치(10)를 이용해 수행할 수 있다. 상기 박막 증착장치는 하기에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
실시예에 따른 박막 증착방법의 각 공정에 대해 상세히 살펴보면, 상기 제1 단계는 제1 서브 사이클(S100)을 수행하는 단계이다.
상기 제1 서브 사이클(S100)은 소스가스 흡착단계(S110)와 제1 퍼지단계(S130)를 포함한다. 실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 제1 서브 사이클(S100)을 1회 이상 수행할 수 있다.
상기 소스가스 흡착단계(S110)는 공정 챔버(100) 내의 기판 상에 소스가스를 제공하여 상기 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되도록 하는 단계이다.
상기 제1 퍼지단계(S130)는 공정 챔버(100) 내의 기판 상에 제1 퍼지가스를 제공하여 반응 공간의 미흡착 소스가스, 퍼지가스와 불순물을 외부로 배출할 수 있다.
또한, 상기 제2 단계는 제2 서브 사이클(S100)을 적어도 1회 이상 수행하는 단계이다. 상기 제2 서브 사이클(S200)은 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계(S210)와 제2 퍼지단계(S230)를 포함한다.
상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계(S210)는 공정 챔버(100) 내의 기판 상에 반응가스를 제공하고, 반응가스를 기판 상에 흡착된 소스가스의 성분과 반응시켜 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하도록 한다.
상기 제2 퍼지단계(S230)는 공정 챔버(100) 내의 기판 상에 제2 퍼지가스를 제공하여 반응 공간의 미흡착 반응가스, 퍼지가스와 불순물을 외부로 배출할 수 있다.
실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 상기와 같은 제1 서브 사이클(S100) 및 제2 서브 사이클(S200)을 수행하여 기판 상에 박막을 증착할 수 있다. 상기 제1 서브 사이클(S100) 및 제2 서브 사이클(S200)은 각각 적어도 1회 수행하도록 구성할 수 있다. 이에 의해, 소스가스의 기판으로의 흡착량 또는 반응가스와 소스가스의 반응량 증가로 인한 단위 증착막의 두께 증가 등을 구현할 수 있도록 하며, 이에 제한받는 것은 아니다.
또한, 상기 소스가스 흡착단계(S110), 제1 퍼지단계(S130), 반응단계(S210) 및 제2 퍼지단계(S230)에서는 각각 퍼지가스를 공정 챔버(100)의 반응 공간 내부에 지속적으로 공급하는 상태에서 수행할 수 있다.
제1 퍼지가스 및 제2 퍼지가스는 각각 질소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스 등과 같이 박막 형성을 위해 통상적으로 사용하는 퍼지가스를 사용할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 퍼지단계에서는 배기 유로의 일측에 설치된 배기펌프를 작동하여 반응 공간에 잔류하는 미흡착 소스가스, 미반응 반응가스, 퍼지가스와 불순물을 제거하도록 구성할 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 퍼지단계에서는, 각각 펄스 퍼지가스를 추가로 공급하여 수행할 수 있다. 상기 펄스 퍼지가스는, 퍼지가스를 펄스 형태로 제공하는 것을 의미하며, 반응 공간에 소스가스 응집물, 파우더 등을 분산시켜 퍼지가스의 공급에 비해 배출을 더욱 촉진시킬 수 있다.
실시예에 따른 박막 증착방법에서, 상기 소스가스는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 함유하고, 상기 반응가스는 질소(N)를 함유하여 기판 상에 질화막을 형성할 수 있다. 특히, 상기 소스가스는 염화티타늄(TiCl3)을 소스 원료로 포함하고, 상기 반응가스는 암모니아(NH3)를 반응 원료로 포함하여 질화티타늄 박막을 기판 상에 형성할 수 있다.
또한, 상기 소스가스는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr) 및 실리콘(Si) 중 적어도 어느 하나를 함유하고, 상기 반응가스는 산소(O)를 함유하여 기판 상에 산화막을 형성할 수도 있다.
그리고, 상기 소스가스는 텅스텐(W)을 함유할 수 있고, 상기 반응가스는 보론을 포함하여 기판 상에 텅스텐막을 형성할 수도 있다.
이에 따라, 상기 박막은, 질화티타늄(TiN), 질화탄탈럼(TaN), 질화텅스텐(WN) 등과 같은 금속 질화막, 텅스텐(W) 등과 같은 금속 박막, 알루미늄 산화물(Al2O3), 이산화실리콘(SiO2), 산화지르코늄(ZrO2) 등과 같은 금속 산화막일 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 박막 증착방법은, 디램(DRAM), 플래시 메모리(flash memory), 3D V-낸드(3D V-NAND) 등과 같은 반도체 소자 제조에 이용할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 상기 공정 챔버의 압력을 제어하기 위해 상기 공정 챔버의 펌핑 포트부에 설치된 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 각 단계를 수행하도록 한다.
구체적으로, 상기 소스가스 흡착단계(S110)에서의 스로틀 밸브의 개도율은 상기 반응단계(S210)에서의 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 가지고, 상기 반응단계(S210)에서의 스로틀 밸브의 개도율은 상기 제1 퍼지단계(S130) 및 제2 퍼지단계(S230) 각각에서의 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖도록 조절하여 수행하도록 한다.
보드 구체적으로, 소스가스 흡착단계(S110)에서 스로틀 밸브의 개도율을 제1 개도율(α%)로 조절한 상태에서 수행하도록 한다. 상기 제1 퍼지단계(S130) 및 제2 퍼지단계(S230)에서는 각각 스로틀 밸브의 개도율을 제2 개도율(β%)로 조절한 상태에서 수행하도록 한다. 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계(S210)에서는 스로틀 밸브의 개도율을 제3 개도율(γ%)로 조절한 상태에서 수행하도록 한다.
먼저, 제1 개도율(α%)은 소스가스 흡착단계(S110)에서 상기 스로틀 밸브의 개도율을 의미한다. 상기 제1 개도율(α%)은 소스가스 흡착단계, 퍼지단계 및 반응단계에서 공정 챔버(100)의 내부 압력을 조절하기 위한 기준 개도율이 된다. 이에 따라, 실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 상기 소스가스 흡착단계(S110)에서의 스로틀 밸브의 개도율, 즉, 제1 개도율(α%)을 기준으로 각각의 단계에서 스로틀 밸브의 개도율을 조절할 수 있도록 한다.
상기 제1 개도율(α%)은 다음과 같은 방법을 통해 산출할 수 있다.
먼저, 퍼지가스를 상기 공정 챔버(100)의 반응 공간에 공급하는 상태에서, 공정 챔버(100) 내부의 목표 압력값을 입력하고, 스로틀 밸브(410)의 개도율을 조절하여 공정 챔버(100) 내부의 압력이 목표 압력값에 도달한 다음 변화되지 않는 시점에 스로틀 밸브(410)의 개도율을 소스가스 흡착단계(S110)에서는 스로틀 밸브의 개도율(α%)로 설정할 수 있다.
상기 공정 챔버(100)의 반응 공간에 퍼지가스를 공급하고 일정시간이 경과하면, 공급되는 퍼지가스에 의해 공정 챔버(100)의 내부 압력이 서서히 상승하게 된다. 이에 따라, 상기 스로틀 밸브(410)를 개방하여 퍼지가스를 반응 공간의 외부로 배출시킴으로써 공정 챔버(100)의 내부 압력을 일정하게 조절할 수 있다. 상기 스로틀 밸브(410)의 소스가스 흡착단계에서는 스로틀 밸브의 개도율(α%)은 상기 반응 공간으로 퍼지가스를 지속적으로 공급하는 상태에서 공정 챔버(100) 내부의 압력이 목표 압력값과 일치하도록 조절하는 상태에서의 스로틀 밸브의 개도율을 측정하여 산출할 수 있다.
구체적으로, 공정 챔버(100) 내부의 목표 압력값을 1 mtorr로 설정하고, 반응 공간에 퍼지가스를 공급하는 상태에서 스로틀 밸브(410)를 특정 개도율로 개방하여 공정 챔버(100) 내부의 압력을 측정한다. 이때, 공정 챔버(100) 내부의 압력이 1 mtorr를 초과하는 것으로 확인될 경우 스로틀 밸브(410)의 개도율을 기존 보다 높이도록 한다. 반대로 공정 챔버(100) 내부의 압력이 1 mtorr 미만인 것으로 확인될 경우 스로틀 밸브(410)의 개도율을 기존의 개도율 보다 낮은 개도가 되도록 조절하여 하여 공정 챔버 내부의 압력을 조절하도록 한다. 이와 같은 과정을 통해 공정 챔버(100) 내부의 압력이 1 mtorr를 유지하는 시점에서의 해당 개도율을 제1 개도율로 산출한다. 이후, 박막을 증착하기 위한 단위 사이클에서는 상기와 같은 제1 개도율(α%)이 되도록 스로틀 밸브의 개도율을 셋팅할 수 있다.
이에 따라, 소스가스 흡착단계(S110)에서는 제1 개도율(α%)이 되도록 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 수행하며, 제1 개도율(α%)을 유지하는 상태에서, 반응 공간에 소스가스를 공급하도록 하고, 반응 공간의 압력이 목표 압력값과 일치하여 기판 상에 소스가스의 성분을 과량 흡착시킬 수 있다.
상기 목표 압력값은 단위 증착막 형성을 위해 활용하는 성분과 방법에 따라 상이하게 조절하여 수행할 수 있다. 일례로, 상기 목표 압력값은 0.01 내지 100 torr일 수 있으며, 특히, 상기 목표 압력값은 1 내지 50 mtorr일 수 있다.
상기 제1 퍼지단계(S130)에서는 제2 개도율(β %)이 되도록 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 수행할 수 있다. 상기 제2 개도율(β %)은 제1 개도율(α%)보다 큰 개도값(angle ratio value)을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 퍼지단계에서 반응 공간 내부의 미흡착 소스가스, 퍼지가스와 불순물을 외부로 배출할 수 있다.
상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계(S210)는 제3 개도율(γ%)이 되도록 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 수행할 수 있다. 제3 개도율(γ%)은 제1 개도율(α%) 보다 작은 개도값을 가질 수 있으며, 이에 따라, 반응 공간 내부의 압력이 상승하여 기판 상에 흡착된 소스가스의 성분과 반응가스의 성분간 반응을 촉진시켜 단위 증착막이 형성되도록 한다.
다음, 상기 제2 퍼지단계에서는 제2 개도율(β %)이 되도록 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 수행할 수 있다. 상기 제2 개도율(β %)은 제1 개도율(α%)보다 큰 값을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 퍼지단계(S230)에서 반응 공간 내부의 미반응 반응가스, 퍼지가스와 불순물을 외부로 배출할 수 있다.
상기 제2 개도율(β %)은 상기 제1 개도율(α%) + a로 표시할 수 있고, 제1 개도율(α%)에서 특정 개도율 a를 가산하여 산출한 것일 수 있다. 다. 상기 제3 개도율(γ%)은 상기 제1 개도율(α%) + b로 표시할 수 있고, 제1 개도율(α%)에서 특정 개도율 b를 가산하여 산출한 것일 수 있다. 상기 a 및 b는 미리 설정된 고정값일 수 있다.
특히, 상기 제1 개도율(α%)은 5 내지 20%일 수 있다. 상기 제2 개도율(β%)은 50 내지 80%일 수 있다. 상기 제3 개도율(γ%)은 10 내지 30%일 수 있다. 이때, 상기 a는 40 내지 60%일 수 있고, 상기 b는 5 내지 10%일 수 있다.
이에 따라, 공정 단계에서의 개도율은 α<γ<β의 관계를 만족하도록 조절하여 각각의 공정을 수행할 수 있도록 한다.
실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 소스가스를 기판 상에 제공하는 흡착단계(A), 퍼지단계(P), 반응가스를 기판 상에 제공하는 반응단계(B), 퍼지단계(P)를 순차적으로 수행하는 것을 예로 들어 설명하였다. 하지만, 하지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않고 다양한 변형 실시예가 가능하다. 즉, 상기 단위 사이클에서 단계(A)를 n번(n은 양의 정수) 수행하고, 단계(B)를 m번(m은 양의 정수) 수행하되, 단계(A)와 단계(B) 사이에 단계(P)를 수행하는 임의의 조합이 가능하다. 일례로, 원자층 증착 공정을 구성하는 단위 사이클은 단계(A), 단계(P), 단계(B), 단계(P), 단계(B), 단계(P)가 순차적으로 수행되어 구현되거나, 단계(A), 단계(P), 단 계(A), 단계(P), 단계(B), 단계(P)가 순차적으로 수행되어 구현되거나, 단계(A), 단계(P), 단계(A), 단계(P), 단계(A), 단계(P), 단계(B), 단계(P), 단계(B), 단계(P), 단계(B), 단계(P)가 순차적으로 수행되어 구현될 수 있다. 이 경우에서도, 단계(P)에서 쓰로틀 밸브의 개도율은 β% 이며, 단계(A)에서의 개도율은 α%이며, 단계(B)에서 개도율은 γ%를 유지하도록 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예에 따른 박막 증착방법에서는 박막 증착을 위한 세부 공정 단계별로 공정 챔버(100)의 압력을 제어하기 위해 펌핑 포트부(500)에 설치된 스로틀 밸브의 개도율을 각 단계별로 조절하여 수행하도록 한다. 이에 따라, 공정 챔버(100) 내부의 압력과 배기를 각 단계별로 조절하여 박막의 표면이나 패턴 내부에 잔존하는 미반응가스와 부산물의 퍼지 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 대용량의 소스가스와 반응가스를 공급하는 경우에도 막질 변화가 없이 균일한 박막을 기판 상에 증착할 수 있다.
구체적으로, 실시예에 따른 박막 증착방법에서, 공정 초기 스로틀 밸브의 흡착 개도율을 산출하고, 산출한 흡착 개도율을 이용해 스로틀 밸브의 개도율을 박막 증착을 위한 세부 공정 단계별로 각각 가변적으로 적용하는 방법을 사용하여 대용량의 소스가스와 반응가스를 공급하는 경우에도 막질 변화가 없이 균일한 박막을 증착할 수 있다. 이는, 상기 공정 챔버(100)는 동일한 방법으로 제조되는 경우라 할지라도 용량, 클리닝 정도, 오염물 부착 등에 따라 상이한 특성을 나타내며, 스로틀 밸브의 개도율 만을 조절하여 박막 증착공정을 수행할 경우 서로 상이한 공정 챔버(100)에서 균일한 물성의 박막을 증착하기 어려운 문제가 있다. 이에 따라, 소스가스 흡착단계(S110)를 수행하기에 적합한 압력인 목표 압력값을 입력하고, 공정 챔버(100)의 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태에서의 개도율을 산출하고 이를 소스가스 흡착단계(S110)에서 스로틀 밸브가 해당 개도율을 유지하도록 한다. 즉, 상기 목표 압력값은 기판 상에 소스가스의 흡착을 충분히 유도할 수 있는 공정 챔버(100)의 압력을 의미하며, 소스가스의 종류, 공급량, 공급 시간에 따라 목표 압력값을 조절할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 박막 증착방법은, 상기와 같은 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음, 상기 스로틀 밸브의 제1 조정 개도율(α′%)을 산출하는 조정 산출단계 및 상기 반응 공간 내부에 준비된 기판 상에 박막을 증착하는 조정 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행하는 단계를 더 포함하도록 구성할 수 있다. 이때, 상기 제1 조정 개도율(α′%)은 상기 제1 개도율(α%)과 동일한 개도값을 가지거나, 불순물 등의 부착에 의한 공정 챔버 내부 압력 증가를 방지하기 위해 제1 개도율(α%) 대비 높은 개도값을 가질 수 있다.
구체적으로, 기판 상에 연속적으로 박막을 증착하는 단위 사이클을 반복적으로 수행할 경우 반응가스와 소스가스가 공정 챔버(100)에 부착되거나 잔류하게 되는 누적 현상이 발생하여 공정 챔버(100) 내부의 압력이 증가하게 될 우려가 있다. 이때, 상기와 같은 제1 내지 제3 개도율(α%, β%, γ%) 들을 각 단계별로 지속적으로 동일하게 유지하여 박막을 증착할 경우 누적 현상에 의해 공정 챔버(100)의 내부 압력이 증가하여 박막 재현성이 저하된다는 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 박막 증착방법은, 상기와 같은 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음, 상기 스로틀 밸브의 제1 조정 개도율(α′%)을 산출하는 조정 산출단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 조정 개도율(α′%)은, 상기 단위 사이클을 반복 수행한 상태의 공정 챔버의 반응 공간에 퍼지가스를 지속적으로 공급하는 상태에서 공정 챔버(100) 내부의 압력이 목표 압력값과 일치하도록 조절하는 상태에서의 스로틀 밸브의 개도율을 산출하고, 해당 스로틀 밸브의 개도율을 제1 조정 개도율(α′%)로 산출할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 조정 개도율(α′%)은 소스가스 흡착단계에서는 스로틀 밸브의 개도율(α%) 보다 높은 개방 면적비(angle ratio value)을 나타낼 수 있다.
상기 제1 조정 개도율(α′%)의 산출은 전술한 제1 개도율(α%) 산출방법과 동일한 방법을 통해 산출할 수 있으며, 반응가스와 소스가스가 과량 누적된 경우 반응 공간 내부의 압력이 동일하거나 증가할 수 있기 때문에 제1 조정 개도율(α′%)은 제1 개도율(α%)보다 높거나 같은 개도값을 가질 수 있다.
상기와 같이 제1 조정 개도율(α′%)을 산출한 다음 실시예에 따른 박막 증착방법에서는, 제3 단계 및 제4 단계를 수행하도록 구성할 수 있다.
상기 제3 단계는, 제3 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하도록 구성할 수 있다. 제3 서브 사이클은 조정 소스가스 흡착단계와 제3 퍼지단계를 포함할 수 있다.
상기 조정 소스가스 흡착단계에서는, 제1 조정 개도율(α′%)을 산출한 다음, 산출한 제1 조정 개도율(α′%)로 스로틀 밸브의 개도값을 조절하고, 기판 상에 소스가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되도록 한다.
상기 제3 퍼지단계는 기판 상에 상기 제1 퍼지가스를 제공하여 수행할 수 있다.
상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 조정 반응단계는 상기 기판 상에 반응가스를 제공하여 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하도록 한다.
상기 제4 퍼지단계는 기판 상에 상기 제2 퍼지가스를 제공하여 수행할 수 있다.
이때, 상기 제3 퍼지단계 및 제4 퍼지단계는 각각 제2 조정 개도율(β′%)로 스로틀 밸브의 개도값을 조절하여 수행할 수 있다. 아울러, 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 조정 반응단계에서는, 제3 조정 개도율(γ′%)로 스로틀 밸브의 개도값을 조절하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 제2 조정 개도율(β′%) 및 제3 조정 개도율(γ′%)은 각각 제2 개도율(β%) 및 제3 개도율(γ%)보다 개방 면적비가 동일한 비율로 높거나 같을 수 있다.
특히, 상기 제2 조정 개도율(β′%)은 상기 제1 조정 개도율(α′%)에서 특정 개도율 a를 가산하여 산출한 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 조정 개도율(β′%)은 제1 개도율(α′%) + a로 표시할 수 있다. 또한, 상기 제3 조정 개도율(γ′%)은 상기 제1 조정 개도율(α′%)에서 특정 개도율 b를 가산하여 산출한 것일 수 있다. 즉, 상기 제3 조정 개도율(γ′%)은 제1 조정 개도율(α′%) + b로 표시할 수 있다. 이때, 상기 a는 40 내지 60%일 수 있고, 상기 b는 5 내지 10%일 수 있다.
실시예에 따른 박막 증착방법은, 상기와 같은 제3 단계 및 제4 단계를 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음, 상기 스로틀 밸브의 제1 조정 개도율을 산출하는 단계 및 상기 반응 공간 내부에 준비된 기판 상에 박막을 증착하는 조정 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행하는 단계를 적어도 1회 이상 더 포함하도록 구성하여 누적 현상에 의한 반응 공간 내부의 압력 증가로 인한 기판 재현성 저하를 방지하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 제3 서브 사이클과 제4 서브 사이클을 각각 1회 이상 수행하도록 구성할 수 있음은 물론이다.
아울러, 상기 제3 단계 및 제4 단계를 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음, 상기 제1 조정 개도율을 재조정하기 위한 스로틀 밸브의 조정 개도율을 산출하는 단계를 더 수행하도록 구성할 수 있으며, 이후, 제3 단계 및 제4 단계를 반복적으로 수행하도록 구성할 수 있다.
상기와 같은 실시예에 따른 박막 형성방법은, 누적막이 증가하여 공정 챔버의 압력이 상승하는 경우에도 증착 공정 진행시 균일한 챔버 압력을 유지하도록 설계하였다. 이를 위해, 박막을 증착하기 전 단계에 스로틀 밸브의 제어를 압력 모드로 사용하여 스로틀 밸브의 초기 개도율을 도출한다. 스로틀 밸브의 초기 개도율을 유지하도록 한 상태에서 소스가스를 공급한다. 이후, 스로틀 밸브의 개도율을 베타값으로 조절하여 반응가스를 공급하도록 하였다.
이때, 스로틀 밸브의 제1 조정 개도율을 산출하면, 누적 두께의 증가에 따라 기존의 제1 개도율이 가변적으로 변화하게 된다. 이에 따라, 자동적으로 제2 조정 개도율과 제3 조정 개도율이 지정되도록 하여 누적 두께가 증가하는 경우에도 박막 특성의 재현성을 개선할 수 있다.
그리고, 퍼지 효율 및 박막 특성을 개선하기 위해서 스로틀 밸브의 독특한 움직임을 구현하여 소스가스 공급, 반응가스 공급, 퍼지가스 공급시 스로틀 밸브의 위치를 가변적으로 적용하였다.
반대로, 챔버 내부에 반응가스가 체류하도록 하기 위해서 반응가스 공급시에는 소스가스 공급시보다 스로틀 밸브를 적게 열어 챔버 내부에 소스가스가 체류하도록 하여 반응을 활성화시키도록 제어할 수도 있다.
공통적으로 소스가스 공급과 반응가스 공급시 스로틀 밸브 개도율을 퍼지가스 공급시보다 높여 궁극적으로 퍼지 효율을 향상시키고 박막의 특성을 개선하도록 구성할 수도 있다.
또한, 미리 설정된 횟수만큼 단위 사이클을 반복 수행하도록 한 다음, 소스가스 흡착단계에서의 스로틀 밸브의 개도율을 조정하여 설정하도록 함에 따라, 기판 상에 박막을 반복 증착하는 과정에 의해 발생되는 누적 현상으로 인해 발생되는 공정 챔버 내부의 압력 상승을 방지하여 공정 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있어 기존 방법에 비해 두꺼운 두께의 박막을 형성하는 경우에도 우수한 박막 재현성을 달성할 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예에 따른 박막 증착방법은, 스로틀 밸브의 개도율을 반응단계별로 각각 상이하게 가변적으로 조절하는 방법을 통해 반응 공간 내부의 압력을 균일하게 조절하여 대용량의 소스가스와 반응가스를 장시간 동안 공급하여 단시간에 막질이 우수한 박막을 증착할 수 있다.
또한, 소스가스와 반응가스를 교번으로 공급하여 기판 상에 박막을 증착하는 공정을 반복하는 경우 반응 공간 내부에 발생하는 누적 현상으로 인한 압력 증가를 방지할 수 있어 박막 재현성이 우수하다.
한편, 도 3은, 실시예에 따른 박막 제조방법에 활용할 수 있는 기판 처리장치(10)를 나타낸 구조도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 기판 처리장치(10)는, 원자층 증착 공정을 수행하기 위한 장치로서, 기판에 박막을 증착할 수 있도록 한다.
이를 위해, 상기 기판 처리장치는, 공정 챔버(100), 가스 분사부(200), 기판 지지부(300), 가스 공급부(400), 펌핑 포트부(500), 제어부(600)를 포함하는 구조를 갖는다.
상기 공정 챔버(100)는 내부에 기판 처리를 위한 반응 공간을 형성할 수 있다. 상기 공정 챔버(100)는 기판에 박막 증착 등과 같은 기판 처리를 위한 공간을 형성하는 통상적인 다양한 구조의 챔버를 이용해 구현할 수 있다.
상기 가스 분사부(200)는 기판 상에 소스가스, 반응가스, 퍼지가스 등을 공급하기 위해 공정 챔버(100)의 내부에 설치될 수 있다. 상기 가스들은 공정 챔버(100)의 외부에 설치되는 가스 공급부(400)와 배관을 통해 연결되어 복수 개의 가스를 공정 챔버(100)에 공급할 수 있다.
상기 가스 분사부(200)는 기판 지지부(300) 상에 안착된 기판에 가스를 분사하도록 공정 챔버의 상부에 기판 지지부(300)에 대향되는 위치에 설치될 수 있다. 가스 분사부(200)는 외부로부터 각각의 가스를 공급받기 위해 상측 또는 측부에 형성된 적어도 하나의 유입홀과, 기판 상에 가스를 분사하기 위해서 기판을 바라보는 하방으로 형성된 복수의 분사홀을 포함할 수 있으며, 원자층 증착 공정을 위해 활용되는 통상적인 구조의 샤워 헤드(shower head)를 이용해 구현할 수 있다.
상기 기판 지지부(300)는 가스 분사부(200)에 대향되게 공정 챔버(100) 상에 설치되며, 그 상부에 기판이 안착될 수 있다. 상기 기판 지지부(300)는 대체로 기판의 모양에 대응되나 이에 한정되지 않고 기판을 안정적으로 안착시킬 수 있도록 기판보다 크고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 일례로, 기판 지지부(300)는 승하강이 가능하도록 외부 모터(미도시)에 연결될 수 있으며, 이 경우 기밀 유지를 위하여 하부에 벨로우즈관(미도시)이 연결된 구조를 가질 수도 있다.
상기와 같은 기판 지지부(300)는 상부에 기판을 안착하도록 구성되기 때문에, 기판 안착부, 기판 지지대, 서셉터 등으로 불릴 수도 있다. 상기 기판 지지부(300)는 기판을 가열하기 위한 히터를 포함할 수 있으며, 히터에 전원을 공급하는 히터 전원부를 포함할 수 있다.
상기 가스 공급부(400)는 가스 분사부(200)와 적어도 한 개 이상의 공급 배관을 통해 연결되어 상기 공정 챔버(100)의 반응공간에 소스가스, 반응가스, 퍼지가스를 각각 공급할 수 있다. 상기 가스 공급부(400)는 상기 가스들을 공급하기 위한 적어도 한 개 이상의 가스 저장탱크(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 가스 공급부(400)는 상기 공급 배관 상에 설치되어 가스 공급을 조절하는 유량 제어기(MFC) 및 유량 조절 밸브(valve)가 설치된 구조를 가질 수 있으며, 상기 유량 조절 밸브는 후술할 제어부(600)에 의해 제어되어 가스의 공급을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 가스 공급부(400)는 상기 가스 분사부(200)와 일단이 연결되고, 타단은 소스가스 저장탱크(미도시)와 연결되는 공급 배관과 상기 공급 배관 상에 각각 설치되는 제1 유량 제어기(410)를 포함할 수 있다. 상기 소스가스는 상기 제1 유량 제어기(410)를 거쳐 공정 챔버(100) 내에 안착된 기판 상에 제공될 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부(400)는, 가스 분사부(200)와 일단이 연결되고, 타단은 퍼지가스 저장탱크(미도시)와 연결되는 공급 배관과 공급 배관에 설치되는 제2 유량 제어기(420)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 퍼지가스가 제2 유량 제어기(420)를 거쳐 공정 챔버 내부로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 가스 공급부(400)는, 가스 분사부(200)와 일단이 연결되고, 타단은 펄스 퍼지가스 저장탱크(미도시)와 연결되는 공급 배관과 공급 배관에 설치되는 제3 유량 제어기(430)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 펄스 퍼지가스가 제3 유량 제어기(430)를 거쳐 공정 챔버 내부로 공급될 수 있다. 이로 인해, 미반응 소스가스와 부산물을 효과적으로 제거하는 구조를 형성할 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부(400)는, 상기 가스 분사부(200)와 일단이 연결되고, 타단은 반응가스 저장탱크(미도시)와 연결되는 공급 배관과 공급 배관에 설치되는 제4 유량 제어기(440)를 포함할 수 있다. 상기 반응가스는 상기 제2 유량 제어기(440)를 거쳐 공정 챔버(100) 내에 안착된 기판 상에 제공될 수 있다. 상기 반응가스는 상기 기판 상에 흡착된 소스가스의 적어도 일부와 반응하여 단위 증착막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부(400)는, 가스 분사부(200)와 일단이 연결되고, 타단은 퍼지가스 저장탱크(미도시)와 연결되는 공급 배관과 공급 배관에 설치되는 제5 유량 제어기(450)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 퍼지가스가 제5 유량 제어기(450)를 거쳐 공정 챔버 내부로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 가스 공급부(400)는, 가스 분사부(200)와 일단이 연결되고, 타단은 펄스 퍼지가스 저장탱크(미도시)와 연결되는 공급 배관과 공급 배관에 설치되는 제6 유량 제어기(460)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 펄스 퍼지가스가 제6 유량 제어기(460)를 거쳐 공정 챔버 내부로 공급될 수 있다. 이로 인해, 미반응 반응가스와 부산물을 효과적으로 제거하는 구조를 형성할 수 있다.
상기 펌핑 포트부(500)는 공정 챔버(100)의 하부 일측에 형성되는 배기 유로(미도시)를 포함하여 소스가스, 반응가스, 퍼지가스를 외부로 배출하고, 공정 챔버의 내부 압력을 조절할 수 있다. 상기 배기 유로의 형성 위치는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 공정 챔버(100)의 바닥면에 설치될 수 있다.
상기 펌핑 포트부(500)는 배기 유로 상에 설치되어 공정 챔버 내부의 가스 배출 속도와 공정 챔버의 내부 압력을 조절할 수 있는 스로틀 밸브(throttle valve)를 포함할 수 있다. 상기 스로틀 밸브는 배기구의 개방 및 폐쇄 정도, 즉, 개도율의 조절이 가능하여 공정 챔버의 내부 압력을 일정하게 조절할 수 있다. 상기 스로틀 밸브는 압력 조절을 위해 사용하는 통상적인 다양한 형태의 스로틀 밸브를 이용해 구현할 수 있다.
상기 펌핑 포트부(500)는 박막의 표면이나 패턴 내부에 잔존하는 미흡착 가스, 미반응가스 및 부산물의 퍼지 효율을 증대시키기 위하여, 원자층 증착 공정을 구성하는 각각의 단계들에서 배기 유로에 설치된 스로틀 밸브의 개도율을 가변적으로 조절할 수 있다.
상기 펌핑 포트부(500)는 배기 속도를 증가시킬 수 있도록 배기 유로 상에 설치되는 배기 펌프가 구비될 수 있다.
상기 제어부(600)는, 기판 상에 박막을 증착할 수 있도록 상기 가스 분사부(200), 기판 지지부(300), 가스 공급부(400) 및 펌핑 포트부(500)의 구동을 각각 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(600)는, 상기 스로틀 밸브의 제1 개도율을 산출하고, 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행하도록 상기 가스 분사부(200), 기판 지지부(300), 펌핑 포트부(500)의 구동을 각각 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제어부(600)는, 상기 기판 상에 박막을 증착하는 각 단계에서 상기 공정 챔버(100)의 압력을 제어하기 위해 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하며, 상기 공정 챔버(100)의 기판 상에 소스가스를 공급하는 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율이 상기 공정 챔버(100)의 기판 상에 반응가스를 공급하는 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖도록 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하고, 상기 공정 챔버(100)의 기판 상에 반응가스를 공급하는 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율이 상기 기판 상에 퍼지가스를 공급하는 퍼지단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖도록 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하도록 펌핑 포트부(500)의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는, 상기 기판 상에 소스가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버(100)에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버(100)의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 측정하여 상기 소스가스 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율을 산출하고, 산출한 개도율로 소스가스 흡착단계를 수행하도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 상기 제어부(600)는 상기 스로틀 밸브가 제1 개도율을 유지하는 상태에서 상기 공정 챔버(100)의 반응공간 소스가스를 공급하는 흡착단계 및 상기 스로틀 밸브가 상기 제1 개도율 보다 큰 값을 갖는 제2 개도율을 유지하도록 조절하는 제1 퍼지단계를 포함하는 제1 서브 사이클과, 상기 제1 서브 단위 사이클을 수행한 다음, 상기 스로틀 밸브가 상기 제1 개도율 보다 낮은 제3 개도율을 유지하는 상태에서 상기 반응 공간에 반응가스를 공급하여 상기 기판 상에 단위 증착막을 증착하는 반응단계 및 상기 스로틀 밸브가 상기 제2 개도율을 유지하도록 조절하는 제2 퍼지단계를 포함하는 제2 서브 사이클을 포함하는 단위 사이클을 수행하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는, 상기 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음, 상기 기판 상에 반응가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버(100)에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버(100)의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 측정하여 상기 소스가스 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율을 산출할 수 있다.
이후, 조정 개도율을 기준으로 제3 서브 사이클과 제4 서브 사이클을 포함하는 조정 단위 사이클을 1회 이상 수행하도록 구성할 수 있다. 상기 제3 서브 사이클과 제4 서브 사이클은 또한 각각 1회 이상 수행할 수 있음은 물론이다.
이에 따라, 상기 제어부(600)는 누적막이 증가하여 공정 챔버의 압력이 상승하는 경우에도 증착 공정 진행시 균일한 챔버 압력을 유지할 수 있도록 한다. 또한, 미리 설정된 횟수만큼 단위 사이클을 반복 수행하도록 한 다음, 소스가스 흡착단계에서의 스로틀 밸브의 개도율을 조정하여 설정하도록 함에 따라, 기판 상에 박막을 반복 증착하는 과정에 의해 발생되는 누적 현상으로 인해 발생되는 공정 챔버 내부의 압력 상승을 방지하여 공정 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있어 기존 방법에 비해 두꺼운 두께의 박막을 형성하는 경우에도 우수한 박막 재현성을 달성할 수 있도록 한다.
10 : 박막 증착장치
100 : 공정 챔버
200 : 가스 분사부
300 : 기판 지지부
400 : 가스 공급부
500 : 펌핑 포트부
600 : 제어부

Claims (14)

  1. 소스가스를 제공하여 공정 챔버 내의 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되는 소스가스 흡착단계와, 상기 기판 상에 제1 퍼지가스를 제공하는 제1 퍼지단계를 포함하는 제1 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제1 단계; 및
    상기 기판 상에 반응가스를 제공하여 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 반응단계와, 상기 기판 상에 제2 퍼지가스를 제공하는 제2 퍼지단계를 포함하는 제2 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제2 단계;를 포함하는 단위 사이클을 적어도 1회 이상 수행하되,
    상기 공정 챔버의 압력을 제어하기 위해 상기 공정 챔버의 펌핑 포트부에 설치된 스로틀 밸브의 개도율을 조절하며,
    상기 소스가스 흡착단계에서의 스로틀 밸브의 개도율은 상기 반응단계에서의 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 가지고,
    상기 반응단계에서의 스로틀 밸브의 개도율은 상기 제1 퍼지단계 및 제2 퍼지단계 각각에서의 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스가스 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율은,
    상기 기판 상에 소스가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 측정하여 산출한 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 목표 압력값은 1 내지 50 mtorr인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소스가스 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율은 5 내지 20%이고, 상기 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율은 10 내지 30%이며, 상기 제1 퍼지단계 및 제2 퍼지단계에서의 스로틀 밸브의 개도율은 각각 50 내지 80%인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡착단계 및 상기 반응단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 퍼지가스를 더 공급하는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 퍼지단계 및 제2 퍼지단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 펄스 퍼지가스를 더 공급하는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음,
    상기 기판 상에 반응가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 산출하는 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율을 산출하는 단계를 더 포함하는 박막 증착방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스로틀 밸브의 조정 개도율을 산출한 다음,
    상기 공정 챔버 내의 기판 상에 소스가스를 제공하여 상기 기판 상에 상기 소스가스의 적어도 일부가 흡착되는 조정 소스가스 흡착단계와 상기 기판 상에 상기 제1 퍼지가스를 제공하는 제3 퍼지단계를 포함하는 제3 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제3 단계; 및
    상기 기판 상에 반응가스를 제공하여 상기 기판 상에 단위 증착막을 형성하는 조정 반응단계와 상기 기판 상에 제2 퍼지가스를 제공하는 제4 퍼지단계를 포함하는 제4 서브 사이클을 적어도 1회 이상 수행하는 제4 단계;를 포함하는 조정 단위 사이클을 적어도 1회 이상 수행하되,
    상기 조정 소스가스 흡착단계에서 상기 스로틀 밸브의 개도율은, 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율인 것을 특징으로 하고,
    상기 조정 소스가스 흡착단계에서 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율은 상기 조정 반응단계의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작고,
    상기 조정 반응단계의 상기 스로틀 밸브의 개도율은 상기 제3 퍼지단계 및 제4 퍼지단계에서 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율 보다 작은 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 소스가스는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 함유하고, 상기 반응가스는 질소(N)를 함유하되, 상기 박막은 질화막인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 소스가스는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr) 및 실리콘(Si) 중 적어도 어느 하나를 함유하고, 상기 반응가스는 산소(O)를 함유하되, 상기 박막은 산화막인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 소스가스는 텅스텐(W)을 함유하고, 상기 반응가스는 보론(B) 및 수소(H)를 함유하되, 상기 박막은 텅스텐막인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 박막 증착방법을 수행하기 위한 박막 증착장치에 있어서,
    박막 증착을 위한 반응 공간을 제공하는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내부에 퍼지가스, 소스가스 및 반응가스 중 적어도 어느 하나의 가스를 공급하는 가스 분사부; 상기 반응 공간의 내부에 설치되어 기판을 지지하는 기판 지지부; 상기 공정 챔버의 내부 압력을 조절하는 스로틀 밸브를 포함하는 펌핑 포트부; 및 상기 공정 챔버, 가스 분사부, 기판 지지부 및 펌핑 포트부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 기판 상에 박막을 증착하는 각 단계에서 상기 공정 챔버의 압력을 제어하기 위해 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하며,
    상기 공정 챔버의 기판 상에 소스가스를 공급하는 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율이 상기 공정 챔버의 기판 상에 반응가스를 공급하는 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖도록 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하고, 상기 공정 챔버의 기판 상에 반응가스를 공급하는 반응단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율이 상기 기판 상에 퍼지가스를 공급하는 퍼지단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율 보다 작은 값을 갖도록 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하는 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기판 상에 소스가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 측정하여 상기 소스가스 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 개도율을 산출하는 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단위 사이클을 미리 설정된 횟수만큼 수행한 다음,
    상기 기판 상에 반응가스를 제공하기 전에 상기 공정 챔버에 퍼지가스를 공급하고, 상기 스로틀 밸브의 개도율을 조절하여 상기 공정 챔버의 내부 압력이 목표 압력값과 일치하는 상태의 개도율을 측정하여 상기 소스가스 흡착단계에서의 상기 스로틀 밸브의 조정 개도율을 산출하는 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
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