WO2012093806A2 - 박막 증착 방법 및 박막 증착 장치 - Google Patents

박막 증착 방법 및 박막 증착 장치 Download PDF

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WO2012093806A2
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thin film
reaction
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조병철
박주환
이인환
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주식회사 원익아이피에스
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/06—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time
    • C23C16/45525—Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45544—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the apparatus
    • C23C16/45548—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the apparatus having arrangements for gas injection at different locations of the reactor for each ALD half-reaction
    • C23C16/45551—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the apparatus having arrangements for gas injection at different locations of the reactor for each ALD half-reaction for relative movement of the substrate and the gas injectors or half-reaction reactor compartments

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for depositing a thin film in a semiconductor manufacturing process, and more particularly, to a method for depositing a thin film on a plurality of substrates in one process.
  • atomic layer deposition ALD
  • cyclic chemical vapor deposition cyclic chemical vapor deposition
  • the principle of ALD is as follows.
  • the first source gas is supplied into the reactor in a vapor state, the monoatomic layer is chemisorbed through the reaction with the surface of the substrate.
  • the first source gas of the monoatomic layer or more is in a physical adsorption state due to non-reactivity between the same ligands.
  • the first source gas in the physical adsorption state is removed by the purge gas.
  • the second source gas is supplied, the second source gas is grown through the substitution reaction between ligands, and the second source gas which is not reacted with the first layer is in the physical adsorption state and is removed by the purge gas.
  • the surface of this second layer is in a state capable of reacting with the first source gas. This constitutes one cycle and thin films are deposited by repeating several cycles.
  • the first source gas and the second source gas In order for the ALD reaction to be stably maintained in the reactor, the first source gas and the second source gas must be separated from each other in the gas phase and supplied into the reactor.
  • the current general method is to supply the first source gas and the second source gas into the reactor at different times using different gas supply lines for this purpose. And a method of separately supplying a purge gas between the supply of the first source gas and the second source gas in order to remove the remaining gas in the reactor.
  • a valve is used to supply the first source gas, the second source gas, and the purge gas with a time difference.
  • the raw material gas In order to obtain a high deposition rate in the ALD and prevent waste of the raw material gas, it is preferable to supply the raw material gas only by the surface saturation time of the raw material gases.
  • surface saturation time is usually less than 1 second, so the valve must be operated several times within a short time.
  • the life of the valve is shortened.
  • the overall process time is also affected by whether or not to quickly exhaust the excess raw gas, there is a problem that the overall process time is long when using a poor exhaust gas.
  • the metal thin film used in the existing semiconductor device is low resistance value is deposited on the back of the substrate it is important not to be deposited on the back of the substrate because the lifting (lifting) and electrical degradation of the semiconductor device. Therefore, most metal deposition apparatuses are implemented in single chambers rather than furnace-type chambers so that deposition is performed only on the front side of the substrate. However, when the metal thin film is deposited by ALD or cyclic CVD in a single chamber, the deposition time is long and there is a problem of low productivity.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a thin film deposition method and apparatus capable of depositing a thin film with higher productivity than the conventional one can implement ALD or cyclic CVD without the need for valve operation.
  • the thin film deposition method according to the present invention is to deposit a thin film by using a thin film deposition apparatus for depositing a thin film while rotating the gas injection unit and the substrate support.
  • the thin film deposition method according to the present invention is provided in the reactor, the substrate support portion is provided with a plurality of substrate seating portion on which the substrate is mounted; And a source gas supplier disposed above the substrate support and supplying a source gas onto the substrate support, a reaction gas supply to supply a reaction gas reacting with the source gas onto the substrate support, and a reaction gas inert. And a gas injector for supplying a mixed gas of gas onto the substrate support, wherein the source gas supply, the reaction gas supply, and the mixed gas supply are radially disposed. It is a method of depositing a thin film using a thin film deposition apparatus which is installed to be rotatable additionally. In this case, the mixed gas supplier is disposed between the source gas supplier and the reaction gas supplier.
  • a plurality of substrates are mounted on the substrate seating part, and then the mixed gas, the reaction gas, and the mixed gas are simultaneously supplied through the gas injection part to rotate the substrate support part and the gas injection part to deposit a thin film.
  • the thin film deposition apparatus includes a plurality of purge gas supplies disposed between the source gas supply, the reaction gas supply, and the mixed gas supply to supply a purge gas onto the substrate support, and the source gas in the depositing of the thin film. And the purge gas together with at least one of the mixed gas and the reactant gas may be deposited on the substrate support to deposit a thin film on the substrate.
  • the plurality of substrates are symmetrically seated with respect to the center of the substrate support, and the source gas supplier and the reactant gas supplier may be symmetrically disposed with respect to the center of the gas injector, respectively.
  • the source gas supply, the reaction gas supply and the mixed gas supply may be arranged such that the source gas, the mixed gas, the reaction gas, and the mixed gas are sequentially supplied to each substrate in one rotation.
  • the raw material gas feeder and the reaction so that the raw material gas, purge gas, mixed gas, purge gas, reaction gas, purge gas, mixed gas and purge gas are supplied in one rotation with respect to each substrate.
  • Gas feeders, mixed gas feeders and purge gas feeders may be arranged.
  • Two or more source gas supplies may be disposed to face each other, a reaction gas supplier may be disposed between the source gas supplier, and the mixed gas supplier may be disposed between at least one of the source gas supplier and the reaction gas supplier. have. This allows more than one film deposition process in one rotation.
  • the source gas is a Ru source and the reaction gas is an oxidizing gas.
  • the reactor pressure is between 0.1torr and 10torr, the Ru source is an organic compound containing Ru, the oxidizing gas may be any one or more selected from O 2 , H 2 O, O 3 and H 2 O 2 .
  • the reaction gas in the mixed gas may be 1 to 50% of the inert gas in the mixed gas.
  • the thin film deposition apparatus comprises a reactor in which a space is formed; A substrate support provided in the reactor and provided with a plurality of substrate seats on which the substrate is mounted; And a gas supply unit including an upper plate provided above the substrate support unit and a plurality of gas supply units disposed along a circumferential direction of the upper plate, wherein the plurality of gas supply units supply source gas to a source gas region on the substrate support unit.
  • a mixed gas supplier is provided, wherein the source gas supplier, the reaction gas supplier, and the mixed gas supplier are radially disposed, and the mixed gas supplier is disposed between the source gas supplier and the reactive gas supplier.
  • the source gas supply and the reaction gas supply may be disposed to face each other with respect to the center of the upper plate and the mixed gas reactor may be disposed on both sides between the source gas supply and the reaction gas supply.
  • a purge gas supplier may be further disposed between the source gas supply and the mixed gas reactor and between the reaction gas supply and the mixed gas reactor.
  • the cross-sectional area of the mixed gas region may be larger than at least one of the source gas region and the reaction gas region.
  • the present invention it is possible to implement ALD or cyclic CVD without manipulating the valve.
  • ALD atomic layer deposition
  • cyclic CVD atomic layer deposition
  • the present invention there is an excellent effect in the deposition of RuO 2 thin film when the thin film is deposited using a mixed gas of source gas and reaction gas.
  • the initial inert gas and the oxidizing gas are mixed and supplied to the substrate, thereby preventing Ru from growing and controlling the amount of oxidizing gas in the oxidizing gas region to make the RuO 2 thin film.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a thin film deposition apparatus used in the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 for implementing the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 and FIG. 4 are graphs showing a sequence of gases supplied as the substrate rotates in time according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is another sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 to implement the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph illustrating a sequence of gases supplied as the substrate rotates in a second embodiment of the present invention over time.
  • FIG. 7 is another cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1 to implement a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 and according to the first embodiment of the present invention.
  • the thin film deposition apparatus 100 includes a reactor 110, a substrate supporter 120, and a gas injection unit 130.
  • the reactor 110 includes a bottom 111, an outer wall 112, and an upper plate 113.
  • the bottom portion 111 is formed in the shape of a disc
  • the outer wall portion 112 is formed extending vertically upward from the edge of the bottom portion 111 is made of a closed curved shape.
  • the outer wall part 112 is formed with a substrate transfer passage (not shown) through which the substrate enters and exits.
  • the upper plate 113 is formed in a disk shape, is detachably coupled to the upper surface of the outer wall portion 112. When the upper plate 113 is coupled to the upper surface of the outer wall portion 112, a predetermined space is formed in the reactor 110, and in particular, the upper portion of the substrate support portion 120 and the gas injector 130 is disposed above the substrate support portion 120.
  • the thin film deposition space 140 is formed therebetween.
  • a sealing member such as an O-ring (not shown) is interposed between the lower surface of the upper plate 113 and the upper surface of the outer wall portion 112.
  • An exhaust port (not shown) for discharging unnecessary gas and particles remaining in the reactor 110 is formed at the bottom 111 or the outer wall 112.
  • the substrate support part 120 is installed inside the reactor 110 and includes a susceptor 121, a substrate seating part 122, a shaft 123, and a heater (not shown).
  • the susceptor 121 is rotatably installed in the reactor 110 in the shape of a disc. Two or more substrate mounting portions 122 are formed on the upper surface of the susceptor 121. In this embodiment, six cases are used.
  • the substrate seating part 122 is disposed along the circumferential direction of the upper surface of the substrate support part 120, and the substrates w1 to w6 are seated on each substrate seating part 122.
  • One end of the shaft 123 is coupled to a lower surface of the susceptor 121, and the other end penetrates through the reactor 110, and is connected to a rotation driving means such as a motor (not illustrated). Therefore, as the shaft 123 rotates, the susceptor 121 rotates about the rotation center axis A shown in FIG. 1.
  • the shaft 123 is connected to the lifting drive means for allowing the susceptor 121 to lift.
  • Lifting drive means include, for example, a motor and a gear assembly (not shown).
  • a heater (not shown) is buried under the susceptor 121 to adjust the temperature of the substrates w1 to w6.
  • the gas injector 130 is coupled to the upper plate 113 installed above the substrate supporter 120, and includes gas supplies 151, 152, 153, 154, and 155.
  • the gas supplies 151, 152, 153, and 154 are arranged along the circumferential direction of the upper plate 113, and the number and positional relationship thereof may be changed.
  • the gas supplier 155 is a device capable of supplying a purge gas so that unreacted gas is not mixed through the central portion of the substrate support 120.
  • the substrates w1 to w6 mounted on the susceptor 121 rotate while the gas supplies 151, 152, 153, 154, 155) As you pass down, you meet each gas from it.
  • the time at which the substrates w1 to w6 meet each gas may be adjusted, and the rotation speed may be adjusted to control a thin film having a desired thickness.
  • the gas supplies 151, 152, 153, 154, and 155 may be formed of the precursor gas supplier 151 and the precursor to supply the source gas such as the precursor onto the substrate support 120 according to the type of the gas to be supplied.
  • Ar, N 2 , He may be used as the inert gas.
  • a unit having a block unit concept having the same shape and size in this embodiment, twelve units are disposed along the upper plate 113 circumferential direction, and two or more adjacent units, for example, three Bundled may be composed of one mixed gas supply (153).
  • Such a configuration may be equally applied to the source gas supplier 151 and the reaction gas supplier 152 as in the second embodiment described later. Even if a plurality of unit units for supplying gas are arranged in succession or a purge gas supply unit is disposed between the unit units for supplying gas, this may be defined as one gas supply unit as one group.
  • the cross sectional area of can be increased. This is to ensure a sufficient cross-sectional area of the mixed gas region for supplying the reaction gas and the inert gas together.
  • the cross-sectional area of the mixed gas area can be increased by increasing the size of a single mixed gas supply itself, and a plurality of adjacent units can be bundled into one mixed gas supply using a unit of a block unit concept having the same shape and size. It can also be configured to increase the cross-sectional area of the mixed gas region.
  • the area ratio of the source gas region, the reaction gas region and the mixed gas region is preferably in the range of 1: 1 to 1: 2. If the mixed gas region is smaller than the reaction gas region, unwanted thin films may be deposited.
  • a source of Ru is injected from a source gas supply, a mixed gas supply is supplied with an inert gas and an oxidizing gas (Ar + O gas) to deposit an initial RuO 2 thin film, and a reaction gas supply
  • an oxidizing gas capable of oxidizing Ru at it is possible to deposit a thin film of RuO 2 thin film.
  • the gas supplies 151, 152, 153, and 154 are disposed along the circumferential direction of the upper plate 113.
  • one source gas supplier 151 and one reaction gas supplier 152 are arranged to face each other, and two mixed gas suppliers 153 are disposed between them, one on each side.
  • the purge gas supplier 154 is disposed between the gas supplies 151, 152, and 153 to supply a purge gas for purging process gases such as precursors and reaction gases onto the substrate support 120 to form a thin film formation space. By discharging the unreacted gas remaining in the 140 to the outside of the reactor 110, the unreacted gas on the substrate support 120 is not mixed.
  • the purge gas supplier 154 may be used as a blank showerhead without purge gas supplied.
  • the substrate supporter 120 is rotated.
  • the substrates w1 to w6 that are seated pass sequentially below the respective gas supplies 151, 152, 153, and 154.
  • the gas is supplied in the order of source gas-> mixed gas of inert gas and reaction gas-> reactant gas-> mixed gas of inert gas and reaction gas through the respective gas supplier 151, 152 and 153.
  • purge gas may be supplied between the steps to implement ALD. If no purge gas is supplied to the purge gas supplier 154, cyclic CVD may be implemented.
  • the reaction gas in the mixed gas may be 1 to 50% of the inert gas in the mixed gas.
  • the thin film deposition apparatus 100 shown in FIG. 1 it is possible to implement ALD or cyclic CVD without operating a valve.
  • ALD atomic layer deposition
  • cyclic CVD cyclic CVD without operating a valve.
  • the device configuration and the thin film deposition method using the same have an excellent effect on the RuO 2 thin film deposition.
  • RuO 2 grows and Ru grows according to oxidant control. Therefore, the control of the oxidant is very important to form RuO 2 other than Ru using the Ru source.
  • the substrate w1 is supplied with the respective gas supplier 151, 152, 153)
  • Ru source-> mixed gas of inert gas and oxidizing gas-> oxidizing gas-> mixed gas of inert gas and oxidizing gas may be any one or more selected from O 2 , H 2 O, O 3, and H 2 O 2 .
  • the Ru source may be an organic compound containing Ru.
  • DER, Ru (EtCp) 2 , Ru (OD) 3, and the like. 3 and 4 are graphs showing the gas supply sequence in this case over time.
  • a Ru source is supplied (t1).
  • the substrate w1 rotates and passes through the purge gas supplier 154 provided between the source gas supplier 151 and the mixed gas supplier 153 (t2).
  • the purge gas is supplied, the ALD as shown in FIG. 4 is implemented, and if the purge gas is not supplied, the cyclic CVD as shown in FIG. 3 is implemented.
  • the substrate w1 comes under the mixed gas supply 153 while rotating.
  • a mixed gas of an inert gas and an oxidizing gas is supplied to the substrate w1 (t3).
  • the substrate w1 continues to rotate while passing through the purge gas supplier 154 provided between the mixed gas supplier 153 and the reaction gas supplier 152 (t4). Next, the substrate w1 comes under the reaction gas supplier 152 while rotating. At this time, the oxidizing gas is supplied to the substrate w1 (t5). Subsequently, the substrate w1 passes through the purge gas supplier 154 provided between the reaction gas supplier 152 and the mixed gas supplier 153 (t6). The substrate w1 keeps rotating and comes under the mixed gas supply 153. Again, a mixed gas of an inert gas and an oxidizing gas is supplied to the substrate w1 (t7). Subsequently, the substrate w1 passes through the purge gas supplier 154 provided between the mixed gas supplier 153 and the source gas supplier 151 (t8).
  • Ru source, inert gas and oxidizing gas are supplied at the same time, but according to the composition according to the space division and rotation of the substrate (w1 to w6), Ru source-> mixed gas of inert gas and oxidizing gas-> oxidizing gas-> inert gas Supplying to the substrate (w1 ⁇ w6) in order of mixed gas and oxidizing gas or Ru source-> purge gas-> mixed gas of inert gas and oxidizing gas-> purge gas-> oxidizing gas-> purge gas-> inert
  • the gas is supplied to the substrates w1 to w6 in the order of a mixture of gas and oxidizing gas-> purge gas.
  • the inert gas and the oxidizing gas are mixed and supplied to the substrates (w1 to w6), thereby preventing Ru from growing and controlling the amount of oxidizing gas in the oxidizing gas region to precisely make the RuO 2 thin film.
  • the Ru source, the inert gas and the oxidizing gas region can be adjusted according to the state of the reactor 110, and the oxidizing gas amount in the oxidizing gas region and the oxidizing gas in the inert gas + oxidizing gas region are mutually different according to the amount of inert gas. It can be the same or different.
  • FIG. 5 is another cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 and is a configuration according to the second embodiment.
  • the gas injector 130 includes only gas supplies 151, 152, 153, and 155 without the purge gas supplier 154 as shown in FIG. 2.
  • Each of the source gas supplier 151, the reaction gas supplier 152, and the mixed gas supplier 153 is configured as one gas supplier by tying three adjacent units together.
  • the substrate supporter 120 rotates relative to the gas injector 130, the substrates w1 to w6 seated on the substrate supporter 120 sequentially move downwards of the respective gas supplies 151, 152, and 153. Passed by.
  • the gas is supplied in the order of source gas-> mixed gas of inert gas and reaction gas-> reactant gas-> mixed gas of inert gas and reaction gas through the respective gas supplier 151, 152 and 153.
  • cyclic CVD can be implemented.
  • FIG. 6 is a graph showing a gas supply sequence according to a second embodiment of the present invention over time.
  • the Ru source is first supplied while the substrate w1 is under the source gas supplier 151 (s1).
  • the substrate w1 comes under the mixed gas supply 153 while rotating.
  • a mixed gas of an inert gas and an oxidizing gas is supplied to the substrate w1 (s2).
  • the substrate w1 keeps rotating and comes under the reaction gas supplier 152.
  • the oxidizing gas is supplied to the substrate w1 (s3).
  • the substrate w1 comes under the mixed gas supplier 153.
  • a mixed gas of an inert gas and an oxidizing gas is supplied to the substrate w1 (s4).
  • the source gas supplier 151 and the reaction gas supplier 152 of the present embodiment are wider than the first embodiment, so that the Ru source supply s1 and the oxidizing gas supply s3 of the present embodiment supply the Ru source of the first embodiment. It is longer than t1 and the oxidizing gas supply t5. Thus, the duration of each step can be changed accordingly according to the unit configuration of the gas supply.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1 and according to the third embodiment.
  • the gas injector 130 includes gas supplies 151, 152, 153, 154, and 155.
  • the gas supplies 151, 152, 153, and 154 are arranged along the circumferential direction of the upper plate 113.
  • two source gas supplies 151 are disposed to face each other and a mixed gas supply ( A total of two 153 and a reaction gas supplier 152 are arranged on both sides, one each.
  • the substrates w1 to w6 seated on the substrate supporter 120 move downward of the respective gas supplies 151, 152, 153, and 154. Passed sequentially.
  • the two substrates w1 and w4 are supplied in the order of source gas-> mixed gas of inert gas and reaction gas-> reactive gas through the respective gas supply units 151, 152 and 153.
  • a region that is repeated in the gas injection unit 130 is implemented so that the process may be repeated twice when the substrates w1 to w6 rotate once.
  • the number of regions to be repeated in the gas injection unit 130 it is also possible to repeat three or more times around one turn.
  • the thin film deposition method according to the present invention is not limited to the thin film deposition apparatus 100 shown in FIG. 1, and other thin film deposition apparatuses may be used as long as the substrate support unit and the gas injection unit are rotatably installed.
  • the substrate support is provided in the reactor and a plurality of substrate seats on which the substrate is mounted is provided.
  • the gas injection unit includes a source gas supplier, a reaction gas supplier, a mixed gas supplier for supplying a mixed gas of an inert gas and a reactive gas, and a purge gas supplier arranged radially.
  • the source gas supplier is a gas supply device for supplying source gas onto the substrate support
  • the reaction gas supply device is a gas supply device for supplying reaction gas reacting with the source gas onto the substrate support.
  • the purge gas supplier is a gas supply device for supplying a purge gas for purging the source gas and the reaction gas onto the substrate support, and is disposed between each of the source gas supply, the mixed gas supply, and the reaction gas supply.
  • the gas injectors are provided with the same number of source gas supplies and the reactive gas supplies, and the source gas supplies and the reactive gas supplies are symmetrically arranged with respect to the center of the gas injectors, respectively, and the mixed gas supplies are connected with the source gas supplies. It is desirable to be between the reaction gas supply.
  • the source gas supplies are symmetrically arranged with respect to the center of the gas injector, respectively, and a reaction gas supplier comes between the source gas suppliers, and at least one of the source gas supplier and the reactive gas supplier. It is desirable to have the mixed gas feeder in one place.
  • the substrate mounting portion is preferably formed symmetrically with respect to the center of the substrate support.

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Abstract

밸브 조작이 필요 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있으면서 종래보다 높은 생산성으로 박막을 증착할 수 있는 박막 증착 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 원료가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되는 가스 분사부;를 구비하며, 상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법이다. 이 경우, 상기 혼합가스 공급기는 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이에 오도록 배치된다. 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시킨 다음, 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 혼합가스, 반응가스 및 혼합가스를 동시에 공급하여 박막을 증착한다.

Description

박막 증착 방법 및 박막 증착 장치
본 발명은 반도체 제조 공정 중 박막을 증착하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한 번의 공정으로 복수의 기판에 박막을 증착하는 방법에 관한 것이다.
박막 제조 공정에 있어서, 박막의 물성을 더욱 향상시키고자 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD) 또는 싸이클릭 화학기상증착법(cyclic chemical vapor deposition, cyclic CVD)이 연구되고 있다.
ALD의 원리는 다음과 같다. 제1 원료가스가 증기 상태로 반응기 내로 공급되면 기판 표면과의 반응을 통해 단원자층이 화학 흡착이 된다. 표면이 포화되면 단원자층 이상의 제1 원료가스는 동일한 리간드 간의 비반응성으로 인해 물리 흡착 상태에 있게 된다. 이 물리 흡착 상태의 제1 원료가스는 퍼지가스에 의해서 제거된다. 이 첫 번째 층은 제2 원료가스가 공급되면 리간드 상호간 치환반응을 통해 두 번째 층이 성장하고 첫번째 층과 반응하지 못한 제2 원료가스는 물리 흡착 상태에 있게 되어 퍼지가스에 의해 제거된다. 그리고 이 두번째 층의 표면은 제1 원료가스와 반응할 수 있는 상태에 있게 된다. 이것이 한 싸이클을 이루고 여러 싸이클의 반복에 의해 박막이 증착되는 것이다.
ALD 반응이 반응기 내에서 안정적으로 유지되기 위해서는 제1 원료가스와 제2 원료가스가 기상에서 서로 혼합하지 못하도록 분리되어서 반응기 내에 공급되어야 한다. 현재 일반적인 방법은 이를 위해서 각각 다른 가스 공급 라인(line)을 이용하여 제1 원료가스와 제2 원료가스를 시간 차이를 두고 반응기 내로 공급하는 것이다. 그리고 반응기 내부의 잔존가스를 제거하기 위해 제1 원료가스와 제2 원료가스의 공급 사이사이에 퍼지가스를 별도로 공급하는 방법을 사용한다. 이와 같이 제1 원료가스, 제2 원료가스 및 퍼지가스를 시간 차이를 두고 공급하기 위해 밸브(valve)를 이용하게 된다.
ALD에서 높은 증착 속도를 얻고 원료가스의 낭비를 막기 위해서는 원료가스들의 표면 포화시간(saturation time)만큼만 원료가스를 공급하는 것이 바람직하다. 그런데 표면 포화시간은 보통의 경우 1초 미만이므로 밸브를 짧은 시간 내에 여러 번 작동해야 한다. 이와 같이 밸브를 짧은 시간에 여러 번 작동하게 되면 밸브의 수명이 급격히 단축되는 문제점이 발생한다. 그리고 전체 공정 시간은 여분의 원료가스들을 빠르게 배기시킬 수 있는 가에도 영향을 받게 되는데 배기가 불량한 가스를 사용하게 되면 전체 공정시간이 길어지는 문제점이 있다.
원료가스의 종류가 증가하게 될 경우 원료가스를 반응기 안으로 공급하기 위하여 복잡한 가스 공급 라인과 이를 조절하기 위한 다수의 밸브를 설치해야 하므로 비용의 증가와 설치공간 확보의 문제가 발생하게 된다. 그리고 원료가스의 공급을 조절하기 위한 하드웨어와 소프트웨어의 용량이 증가해야 한다. 또한 반응기 내로 공급되는 각각의 원료가스의 양과 퍼지가스의 양이 달라 반응기 내의 압력이 수시로 변화하여 공정의 안정성이 문제가 될 수 있다.
결국 밸브의 복잡성과 빈번한 밸브의 작동은 밸브의 수명을 단축시키는 것과 함께 장비의 유지보수 비용을 증가시키며, 장비보수에 따른 장비의 셧다운(shut down) 시간이 증가하게 되어 생산성이 떨어지게 된다.
한편, 기존 반도체 소자에 사용되고 있는 금속 박막은 저항 값이 낮아 기판의 뒷면에 증착이 되면 리프팅(lifting) 및 반도체 소자의 전기적 저하를 야기하기 때문에 기판의 뒷면에 증착되지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 대부분의 금속 증착 장치는 기판의 앞면에만 증착이 행해지도록 퍼니스(furnace) 형태의 챔버가 아닌 매엽식(single) 챔버에서 구현되고 있다. 그러나 금속 박막을 매엽식 챔버에서 ALD 또는 싸이클릭 CVD로 증착하게 되면 증착시간이 길어져 낮은 생산성을 갖는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 밸브 조작이 필요 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있으면서 종래보다 높은 생산성으로 박막을 증착할 수 있는 박막 증착 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 박막 증착 방법은 가스 분사부와 기판 지지부를 상대 회전시키면서 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 것이다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 원료가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되는 가스 분사부;를 구비하며, 상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법이다. 이 경우, 상기 혼합가스 공급기는 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이에 오도록 배치된다.
먼저 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시킨 다음, 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 혼합가스, 반응가스 및 혼합가스를 동시에 공급하여 박막을 증착한다.
상기 박막 증착 장치는 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기 사이에 배치되어 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 복수의 퍼지가스 공급기를 구비하고, 상기 박막을 증착하는 단계에서 상기 원료가스 및 상기 혼합가스와 반응가스 중 적어도 어느 하나와 함께 상기 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착할 수도 있다.
상기 복수의 기판은 상기 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것이 바람직하며, 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기도 각각 상기 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 각각의 기판에 대하여 1회 회전으로 원료가스, 혼합가스, 반응가스 및 혼합가스 순으로 공급되도록 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기를 배치할 수 있다. 퍼지가스를 더 이용하는 경우에는, 각각의 기판에 대하여 1회 회전으로 원료가스, 퍼지가스, 혼합가스, 퍼지가스, 반응가스, 퍼지가스, 혼합가스 및 퍼지가스 순으로 공급되도록 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기, 혼합가스 공급기 및 퍼지가스 공급기를 배치할 수 있다.
상기 원료가스 공급기는 두 개 이상 구비되면서 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기 사이에 반응가스 공급기가 배치되며 상기 원료가스 공급기와 와 반응가스 공급기 사이 중 적어도 한 곳에 상기 혼합가스 공급기가 배치되도록 할 수 있다. 이렇게 하면 한번의 회전으로 두 번 이상의 막 증착 공정이 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 원료가스는 Ru 소스이고 상기 반응가스는 산화가스이다. 상기 반응기 압력은 0.1torr ~ 10torr 사이로 하고, 상기 Ru 소스는 Ru이 포함된 유기 화합물이며, 상기 산화가스는 O2, H2O, O3 및 H2O2 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 혼합가스 중 반응가스는 상기 혼합가스 중 불활성가스 대비 1~50%일 수 있다.
본 발명에 따른 박막 증착 장치는 내부에 공간이 형성되는 반응기; 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부의 상방에 설치된 상측 플레이트와 상기 상측 플레이트의 둘레 방향을 따라 배치되는 복수의 가스 공급기를 구비하는 가스 공급부를 포함하고, 상기 복수의 가스 공급기는 원료가스를 상기 기판 지지부 상의 원료가스 영역으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상의 반응가스 영역으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상의 혼합가스 영역으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기의 사이에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 원료가스 공급기와 상기 반응가스 공급기는 서로 상측 플레이트의 중심을 기준으로 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이의 양측에 각각 상기 혼합가스 반응기가 배치될 수도 있다.
또한, 상기 원료가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이 및 상기 반응가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이에 퍼지가스 공급기가 더 배치될 수도 있다.
상기 원료가스 영역 및 상기 반응가스 영역 중 적어도 어느 하나의 면적 보다 상기 혼합가스 영역의 단면적이 더 클 수도 있다.
본 발명에 따르면, 밸브의 조작 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있게 된다. 또한, 한 번에 여러 개의 기판을 처리할 수 있으면서도 배치 타입과는 다른 방식이므로 금속 박막과 같이 저항 값이 낮은 박막을 증착할 때 기판 뒷면이 오염될 우려가 없으며 1장의 기판만을 처리하는 종래의 매엽식보다 높은 생산성으로 증착할 수 있게 된다.
특히 본 발명에 따르면, 원료가스와 반응가스의 혼합가스를 이용해 박막을 증착하는 경우에 RuO2 박막 증착에 있어 탁월한 효과가 있다. 소스 영역이 아닌 부분에서는 초기 불활성 가스와 산화가스를 섞어서 기판에 공급하게 되므로 Ru이 성장하는 것을 방지하고 산화가스 영역에서는 산화가스의 양을 조절하여 RuO2 박막을 치밀하게 만들 수 있다.
도 1은 본 발명에 이용되는 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에서 기판이 회전하면서 공급받게 되는 가스 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에서 기판이 회전하면서 공급받게 되는 가스 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 또 다른 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
종래의 ALD나 싸이클릭 CVD는 가스 공급이 밸브의 조작을 통해 이루어지는 방식이므로, 공정이 복잡하게 되고, 밸브의 잦은 동작에 따라 밸브의 수명이 단축되는 것과 함께 장비의 유지보수 비용이 증가하게 된다. 이와 같은 단점을 개선하기 위해, 본 발명에서는 밸브의 동작 없이 ALD나 싸이클릭 CVD가 구현 가능한 박막 증착 장치를 이용한다. 이러한 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 도 1에 나타내었다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도로서 본 발명 제1 실시예에 따른 구성이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 박막 증착 장치(100)는 반응기(110), 기판 지지부(120) 및 가스 분사부(130)를 구비한다.
반응기(110)는 바닥부(111), 외벽부(112) 및 상측 플레이트(113)를 구비한다. 바닥부(111)는 원판의 형상으로 이루어져 있고, 외벽부(112)는 바닥부(111)의 가장자리로부터 상방으로 수직하게 연장 형성되어 폐곡면 형상으로 이루어져 있다. 그리고 외벽부(112)에는 기판이 출입하는 기판 이송통로(도면 미도시)가 형성되어 있다. 상측 플레이트(113)는 원판 형상으로 이루어져 있고, 외벽부(112)의 상면에 분리 가능하게 결합된다. 상측 플레이트(113)가 외벽부(112)의 상면에 결합되면 반응기(110) 내부에 일정한 공간이 형성되며, 특히 기판 지지부(120)의 상방으로 기판 지지부(120)와 가스 분사부(130)의 사이에 박막 증착공간(140)이 형성된다. 상측 플레이트(113)의 하면과 외벽부(112)의 상면 사이에는 오링(O-ring)(도면 미도시) 등과 같은 밀폐부재가 개재된다. 그리고 반응기(110) 내부에 잔존하는 불필요 가스 및 파티클을 배출하기 위한 배기구(도면 미도시)가 바닥부(111) 또는 외벽부(112)에 형성되어 있다.
기판 지지부(120)는 반응기(110) 내부에 설치되며, 서셉터(121), 기판 안착부(122), 샤프트(123) 및 히터(도면 미도시)를 구비한다. 서셉터(121)는 원판의 형상으로 반응기(110) 내부에 회전 가능하게 설치되어 있다. 서셉터(121)의 상면에는 기판 안착부(122)가 2개 이상의 복수 개 형성되어 있으며 본 실시예에서는 6개인 경우를 예로 들었다. 기판 안착부(122)는 기판 지지부(120) 상면의 둘레방향을 따라 배치되고, 각 기판 안착부(122)에는 기판(w1 ~ w6)이 안착된다. 샤프트(123)는 양단부 중 일단부가 서셉터(121)의 하면과 결합되어 있고, 타단부가 반응기(110)를 관통하여 예컨대, 모터(도면 미도시) 등의 회전 구동수단과 연결되어 있다. 따라서 샤프트(123)가 회전함에 따라 서셉터(121)가 도 1에 도시된 회전 중심축(A)을 중심으로 회전하게 된다. 또한 샤프트(123)는 서셉터(121)가 승강이 가능하도록 하는 승강 구동수단과 연결되어 있다. 승강 구동수단으로는 예컨대, 모터 및 기어 조립체(도면 미도시) 등이 있다. 히터(도면 미도시)는 서셉터(121) 아래에 매설되어 기판(w1 ~ w6)의 온도를 조절한다.
가스 분사부(130)는 기판 지지부(120)의 상방에 설치된 상측 플레이트(113)에 결합되며, 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155)를 구비한다. 가스 공급기(151, 152, 153, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되며 그 개수 및 위치 관계 등은 변경이 가능하다. 가스 공급기(155)는 기판 지지부(120)의 중앙부분을 통해 미반응된 가스가 혼합되지 않도록 퍼지가스를 공급할 수 있는 장치이다.
가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155) 영역별로 가스 종류를 다르게 할 경우 서셉터(121)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)은 회전하면서 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155) 하방을 지나게 되면서 그로부터 각각의 가스를 만나게 된다. 기판 지지부(120)의 회전을 제어할 경우 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스와 만나는 시간을 조절할 수 있으며, 또한 회전수를 조절하여 원하는 두께의 박막을 제어할 수 있게 된다.
본 실시예에서 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155)는 공급되는 가스의 종류에 따라, 전구체와 같은 원료가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 원료가스 공급기(151)와 전구체의 중심원소와 반응하여 반응물을 형성하는 반응가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 반응가스 공급기(152), 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하는 혼합가스 공급기(153)와 퍼지가스를 공급하거나 아니면 가스를 아무 것도 공급하지 않는 퍼지가스 공급기(154, 155)로 구분된다. 불활성 가스로 Ar, N2, He가 사용될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 모양과 크기가 동일한 블록 단위 개념의 유닛, 본 실시예에서는 12개의 유닛이 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되고, 인접한 유닛을 두 개 이상, 예컨대 3개를 묶어 하나의 혼합가스 공급기(153)로 구성할 수 있다. 이러한 구성은 후술하는 제2 실시예에서와 같이 원료가스 공급기(151)와 반응가스 공급기(152)에도 동일하게 적용될 수 있다. 가스를 공급하는 단위 유닛이 여러 개 연이어 배열되어 있거나, 가스를 공급하는 단위 유닛 사이에 퍼지가스 공급기가 배치된 경우에도 이를 하나의 군으로 보아 하나의 가스 공급기라고 정의할 수도 있다.
한편, 원료가스 공급기(151)를 통해 공급되는 원료가스 영역이나 반응가스 공급기(152)를 통해 공급되는 반응가스 영역의 단면적(수평면의 면적)보다 혼합가스 공급기(153)를 통해 공급되는 혼합가스 영역의 단면적을 크게 할 수 있다. 이는 반응가스와 불활성 가스를 함께 공급하는 혼합가스 영역의 단면적을 충분히 확보하기 위함이다. 예를 들어, 단일 혼합가스 공급기의 크기 자체를 크게 하여 혼합가스 영역의 단면적을 증가시킬 수 있고, 모양과 크기가 동일한 블록 단위 개념의 유닛을 사용하여 인접한 유닛을 복수 개 묶어 하나의 혼합가스 공급기로 구성하여 혼합가스 영역의 단면적을 증가시킬 수도 있다. 이때, 원료가스 영역이나 반응가스 영역과 혼합가스 영역의 면적비는 1:1 내지 1:2 범위인 것이 바람직하다. 만약, 혼합가스 영역이 반응가스 영역보다 작을 경우, 원치 않은 박막이 증착될 수 있다. 예를 들어 RuO2 박막을 형성하는 경우, 원료가스 공급부에서 Ru 소스를 분사하고, 혼합가스 공급부에서는 불활성가스와 산화가스(Ar + O 가스)를 공급하여RuO2 초기 박막을 증착하고, 반응가스 공급부에서 Ru를 산화시킬 수 있는 산화가스를 공급함으로써 막질이 단단한 RuO2 박막을 증착할 수 있다.또한, 가스 공급기(151, 152, 153, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되는데, 본 실시예에서는 하나의 원료가스 공급기(151)와 하나의 반응가스 공급기(152)가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이에 혼합가스 공급기(153)가 양측으로 하나씩 총 2개 배치되어 있다. 그리고 퍼지가스 공급기(154)는 각각의 가스 공급기(151, 152, 153) 사이에 배치되어, 전구체 및 반응가스와 같은 공정가스를 퍼지하는 퍼지가스를 기판 지지부(120) 상으로 공급하여 박막형성공간(140)에 잔류하는 미반응된 가스를 반응기(110) 외부로 배출시킴으로써, 기판 지지부(120) 상에서 미반응된 가스가 혼합되지 않도록 한다. 그러나 퍼지가스 공급기(154)는 앞서 언급한 바와 같이 퍼지가스가 공급되지 않은 채 블랭크 샤워헤드(blank showerhead) 개념으로 이용될 수도 있다.
이와 같이, 가스 분사부(130)가 고정되어 있고, 기판 지지부(120)가 회전 가능하게 설치되어, 기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153, 154)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 기판(w1)의 경우 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)를 통해 원료가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 -> 반응가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 순으로 공급을 받게 되며 퍼지가스 공급기(154)를 통해 퍼지가스를 공급하는 경우에는 각 단계 사이에 퍼지가스가 공급되어 ALD를 구현할 수 있다. 퍼지가스 공급기(154)에 퍼지가스를 공급하지 않는 경우에는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있다. 혼합가스 중 반응가스는 혼합가스 중 불활성가스 대비 1~50%일 수 있다.
따라서 도 1에 도시된 박막 증착 장치(100)를 이용하면, 밸브의 조작 없이 ALD 또는 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있게 된다. 또한, 한 번에 여러 개의 기판을 처리할 수 있으면서도 배치 타입과는 다른 방식이므로 금속 박막과 같이 저항값이 낮은 박막을 증착할 때 기판 뒷면이 오염될 우려가 없으며 1장의 기판만을 처리하는 종래의 매엽식보다 높은 생산성으로 증착할 수 있게 된다.
특히 이러한 장치 구성과 이를 이용한 박막 증착 방법은 RuO2 박막 증착에 있어 탁월한 효과가 있다. Ru 소스의 경우 산화제 조절에 따라서 RuO2도 성장하고 Ru도 성장할 수 있는 특성을 가지고 있다. 이에 Ru 소스를 사용하여 Ru이 아닌 RuO2를 형성시키기 위해서는 산화제의 조절이 매우 중요하다.
반응기(110) 압력을 0.1torr ~ 10torr 사이로 하고, 원료가스로는 Ru 소스를, 반응가스로는 Ru 소스를 산화시킬 수 있는 산화제로서 산화가스를 공급하면, 기판(w1)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153) 하방을 순차적으로 통과할 때 Ru 소스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 산화가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 순으로 공급을 받게 된다. 산화가스는 O2, H2O, O3 및 H2O2 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. Ru 소스는 Ru이 포함된 유기 화합물일 수 있다. 예컨대 DER, Ru(EtCp)2, Ru(OD)3 등이 될 수 있다. 도 3 및 도 4는 이러한 경우의 가스 공급 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
기판(w1)이 원료가스 공급기(151) 하방을 지나는 동안 먼저 Ru 소스를 공급받는다(t1). 기판(w1)은 회전하면서 원료가스 공급기(151)와 혼합가스 공급기(153) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t2). 이 때 퍼지가스를 공급하면 도 4와 같은 ALD가 구현되고 퍼지가스를 공급하지 않으면 도 3과 같은 싸이클릭 CVD가 구현된다. 계속하여 기판(w1)은 회전하면서 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 이 때 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(t3). 기판(w1)은 계속 회전하면서 혼합가스 공급기(153)와 반응가스 공급기(152) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t4). 다음에 기판(w1)은 회전하면서 반응가스 공급기(152) 하방에 온다. 이 때 산화가스가 기판(w1)에 공급된다(t5). 다음에 기판(w1)은 반응가스 공급기(152)와 혼합가스 공급기(153) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t6). 기판(w1)은 계속 회전하면서 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 다시 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(t7). 그런 다음 기판(w1)은 혼합가스 공급기(153)와 원료가스 공급기(151) 사이에 구비된 퍼지가스 공급기(154)를 지나게 된다(t8).
이렇게 하여 Ru 소스, 불활성 가스 그리고 산화가스가 동시에 공급되지만 공간 분할에 따른 구성과 기판(w1 ~ w6)의 회전에 따라 Ru 소스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 산화가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 순으로 기판(w1 ~ w6)에 공급이 이루어지거나 Ru 소스 -> 퍼지가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 퍼지가스 -> 산화가스 -> 퍼지가스 -> 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스 -> 퍼지가스 순으로 기판(w1 ~ w6)에 공급이 이루어진다. 따라서, 소스 영역이 아닌 부분에서는 초기 불활성 가스와 산화가스를 섞어서 기판(w1 ~ w6)에 공급하게 되므로 Ru이 성장하는 것을 방지하고 산화가스 영역에서는 산화가스의 양을 조절하여 RuO2 박막을 치밀하게 만들 수 있다. 여기에서 반응기(110)의 상태에 따라서 각각 Ru 소스, 불활성 가스와 산화가스의 영역을 조절할 수 있으며, 산화가스 영역의 산화가스량과 불활성 가스 + 산화가스 영역의 산화가스는 불활성 가스의 양에 따라서 서로 같을 수도 다를 수도 있다.
단계 t1 내지 t8로 이루어진 싸이클을 반복하여, 기판(w1 ~ w6)의 회전수를 조절하면 원하는 두께의 RuO2를 성장시킬 수 있다.
도 5는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도로서 제2 실시예에 따른 구성이다.
도 5를 참조하면, 가스 분사부(130)는 도 2에서와 같은 퍼지가스 공급기(154)없이 가스 공급기(151, 152, 153, 155)만 구비한다.
원료가스 공급기(151), 반응가스 공급기(152) 및 혼합가스 공급기(153) 각각은 인접한 유닛을 3개 묶어 하나의 가스 공급기로 구성한 것이다. 기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 기판(w1)의 경우 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)를 통해 원료가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 -> 반응가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 순으로 공급을 받게 되며 싸이클릭 CVD를 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예의 가스 공급 순서를 시간 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
원료가스로 Ru 소스, 반응가스로 Ru 소스를 산화시킬 수 있는 산화가스를 공급하는 경우, 기판(w1)이 원료가스 공급기(151) 하방에 있는 동안 먼저 Ru 소스를 공급받는다(s1). 기판(w1)은 회전하면서 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 이 때 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(s2). 기판(w1)은 계속 회전하면서 반응가스 공급기(152) 하방에 온다. 이 때 산화가스가 기판(w1)에 공급된다(s3). 다음에 기판(w1)은 혼합가스 공급기(153) 하방에 온다. 다시 불활성 가스와 산화가스의 혼합가스가 기판(w1)에 공급된다(s4).
본 실시예의 원료가스 공급기(151)와 반응가스 공급기(152)가 제1 실시예에 비하여 넓어져, 본 실시예의 Ru 소스 공급(s1) 및 산화가스 공급(s3)이 제1 실시예의 Ru 소스 공급(t1) 및 산화가스 공급(t5)에 비하여 길다. 이와 같이 가스 공급기의 유닛 구성에 따라 각 단계의 지속 시간은 적절히 변경될 수 있다.
도 7은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 또 다른 단면도로서 제3 실시예에 따른 구성이다.
도 7을 참조하면, 가스 분사부(130)는 가스 공급기(151, 152, 153, 154, 155)를 포함한다. 가스 공급기(151, 152, 153, 154)는 상측 플레이트(113) 둘레방향을 따라 배치되는데, 본 실시예에서는 두 개의 원료가스 공급기(151)가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이에 혼합가스 공급기(153)와 반응가스 공급기(152)가 각각 하나씩 양측으로 총 2개 배치되어 있다.
기판 지지부(120)가 가스 분사부(130)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(120)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153, 154)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 두 기판(w1, w4)이 각각의 가스 공급기(151, 152, 153)를 통해 원료가스 -> 불활성 가스와 반응가스의 혼합가스 -> 반응가스 순으로 공급을 받게 된다. 바꾸어 말하면 가스 분사부(130)에 반복되는 영역을 구현하여 기판(w1 ~ w6)이 한 바퀴 돌 때 공정이 두 번 반복이 될 수 있도록 변경한 것이다. 물론 가스 분사부(130)에 반복되는 영역의 수를 조절하면 한 바퀴 돌 때 세 번 이상 반복이 되도록 하는 것도 가능하다.
그러나 본 발명에 따른 박막 증착방법은 도 1에 도시된 박막 증착 장치(100)에 한정된 것은 아니고, 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치된 박막 증착 장치이면 다른 박막 증착 장치를 이용할 수 있다. 이때, 기판 지지부는 반응기 내부에 설치되고 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있다. 그리고 가스 분사부는 방사형으로 배치된 원료가스 공급기, 반응가스 공급기, 불활성가스와 반응가스의 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급기 및 퍼지가스 공급기를 구비한다. 원료가스 공급기는 원료가스를 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 공급장치이고, 반응가스 공급기는 원료가스와 반응하는 반응가스를 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 공급장치이다. 퍼지가스 공급기는 원료가스와 반응가스를 퍼지하는 퍼지가스를 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 공급장치로서, 원료가스 공급기, 혼합가스 공급기 및 반응가스 공급기 각각의 사이에 배치된다. 바람직하게는 가스 분사부는 동일한 개수의 원료가스 공급기와 반응가스 공급기를 구비하고, 원료가스 공급기와 반응가스 공급기는 각각 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되며, 혼합가스 공급기는 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이에 오도록 하는 것이 바람직하다. 두 개 이상의 원료가스 공급기가 구비되는 경우 원료가스 공급기들은 각각 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되며, 원료가스 공급기들 사이에 반응가스 공급기가 오고, 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이 중 적어도 한 곳에 혼합가스 공급기가 오도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 기판안착부는 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 형성되는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (12)

  1. 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 원료가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기의 사이에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 가스 분사부;를 구비하며,
    상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로,
    상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계; 및
    상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 상기 원료가스, 혼합가스 및 반응가스를 동시에 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막 증착 장치는 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기 사이에 배치되어 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 복수의 퍼지가스 공급기를 구비하고, 상기 박막을 증착하는 단계에서 상기 원료가스, 혼합가스 및 반응가스와 함께 상기 퍼지가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 기판은 상기 기판 지지부의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기는 각각 상기 가스 분사부의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원료가스 공급기는 두 개 이상 구비되면서 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기 사이에 반응가스 공급기가 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이 중 적어도 한 곳에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 원료가스는 Ru 소스이고 상기 반응가스는 산화가스인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 Ru 소스는 Ru이 포함된 유기 화합물이며, 상기 산화가스는 O2, H2O, O3 및 H2O2 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 혼합가스 중 반응가스는 상기 혼합가스 중 불활성 가스 대비 1~50%인 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  9. 내부에 공간이 형성되는 반응기;
    반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부의 상방에 설치된 상측 플레이트와 상기 상측 플레이트의 둘레 방향을 따라 배치되는 복수의 가스 공급기를 구비하는 가스 공급부를 포함하고,
    상기 복수의 가스 공급기는 원료가스를 상기 기판 지지부 상의 원료가스 영역으로 공급하는 원료가스 공급기와, 상기 원료가스와 반응하는 반응가스를 상기 기판 지지부 상의 반응가스 영역으로 공급하는 반응가스 공급기와, 상기 반응가스와 불활성 가스의 혼합가스를 상기 기판 지지부 상의 혼합가스 영역으로 공급하는 혼합가스 공급기를 구비하고, 상기 원료가스 공급기, 반응가스 공급기 및 혼합가스 공급기가 방사형으로 배치되며 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기의 사이에 상기 혼합가스 공급기가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 원료가스 공급기와 상기 반응가스 공급기는 서로 상측 플레이트의 중심을 기준으로 서로 대향하게 배치되고 상기 원료가스 공급기와 반응가스 공급기 사이의 양측에 각각 상기 혼합가스 반응기가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 원료가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이 및 상기 반응가스 공급기와 상기 혼합가스 반응기 사이에 퍼지가스 공급기가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료가스 영역 및 상기 반응가스 영역 중 적어도 어느 하나의 면적 보다 상기 혼합가스 영역의 단면적이 더 큰 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
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