(57)【要約】  本発明の実施例は、気体相反応物質の表面反応を順に反復する原子層堆積方法によって基板上に薄膜を形成する原子層堆積反応器に関するものであって、本発明の実施例による原子層堆積反応器は、反応チャンバー、複数の気体流入口、そして一つの気体流出口を含む。反応チャンバーは反応空間を含む。反応器は、前記反応チャンバー内の気体流れ調節部を含む。気体流れ調節部は反応空間の上に位置し、前記複数の気体流入口と前記反応空間との間に位置する。気体流れ調節部は複数の気体流れチャンネルを持つが、各々の気体流れチャンネルは、気体流入口のうちのいずれか一つから反応空間の気体流入部に連結されている。各チャンネルは、気体流入口から反応空間へ向かうほど順に広くなる。反応器は反応空間内の基板支持台をさらに含む。
2008540840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子層堆積反応器であって、
反応空間、
複数の気体流入口、
気体流出口、
前記反応空間内に配置されている気体流れ調節部、及び
前記反応空間に基板を装着する基板支持台を含む反応チャンバーを含み、
前記気体流れ調節部は、前記複数の気体流入口と前記反応空間との間に配置され、複数の気体流入チャンネルを有し、
前記複数の気体流入チャンネルは、各々、前記複数の気体流入口のうちの一つの気体流入口から前記反応空間の周辺の第１部分に延びて、前記一つの気体流入口から前記反応空間の周辺の第１部分に行くほど面積が広くなる原子層堆積反応器。
【請求項２】
前記複数の気体流入口は前記反応チャンバーの上部に配置されている、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３】
前記複数の気体流入口は前記反応空間の中央部の上に配置され、
前記複数の流入チャンネルの各々は、前記反応空間の中央部の上から前記反応空間の周辺部の第１部分の上に、放射状で円周方向に拡張されている、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項４】
前記気体流れ調節部の下部表面と前記基板支持台の上部表面は、互いに対向して前記反応空間を定義する、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項５】
前記気体流れ調節部は、互いに幾重にも積まれている複数の気体流れ調節板を含み、前記気体流れ調節板の各々は、前記複数の気体流入チャンネルの各々の下部表面と側壁を定義する、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項６】
前記気体流れ調節板の各々は、前記気体流れ調節板の中央部から前記気体流れ調節板の周縁の少なくとも一部分に拡張されている気体流入溝を含み、前記気体流入溝は、前記気体流れ調節板の中央部から前記気体流れ調節板の周縁に行くほど面積が広くなる、請求項５に記載の原子層堆積反応器。
【請求項７】
前記複数の気体流れ調節板は、第１気体流れ調節板と、前記第１気体流れ調節板の真上に配置されている第２気体流れ調節板とを含み、
前記第１気体流れ調節板は、その上部表面に、前記第１気体流れ調節板の中央部から前記第１気体流れ調節板の周縁の少なくとも一部分に拡張されている気体流入溝を含み、
前記気体流入溝と前記第２気体流れ調節板の下部表面は、前記複数の気体流入チャンネルのうちの一つを定義するように構成された、請求項６に記載の原子層堆積反応器。
【請求項８】
前記複数の気体流れ調節板のうちの一つは垂直に貫く貫通孔を有し、
前記複数の気体流入チャンネルのうちの一つは、前記貫通孔を通して、前記複数の気体流入口のうちの一つと気体が流れるように連結されている、請求項５に記載の原子層堆積反応器。
【請求項９】
前記気体流れ調節部は接地されるように構成され、前記複数の気体流れ調節板のうちの二つの気体流れ調節板の間に配置された金属板をさらに含む、請求項５に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１０】
前記複数の気体流れ調節板のうちの少なくとも一つは、前記反応空間から前記気体流出口に連結された気体流出チャンネルの下部面と側壁を定義する、請求項５に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１１】
前記気体流出口の断面積は、前記複数の気体流入口の各々の断面積の合計と同じであったり大きいことを特徴とする、請求項１０に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１２】
前記気体流出チャンネルの断面積は、前記複数の気体流入チャンネルの各々の断面積の合計と同じであったり大きいことを特徴とする、請求項１０に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１３】
前記複数の気体流れ調節板は最上部気体流れ調節板を含み、
前記最上部気体流れ調節板は、前記気体流出チャンネルの下部面と側壁を定義し、
前記気体流出チャンネルは、前記反応空間の周辺部の第１部分の反対側に位置した前記反応空間の周辺部の第２部分の上から前記気体流出口に延びている、請求項１０に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１４】
前記気体流出口は前記反応空間の中央部の上に配置され、
前記気体流出チャンネルは、前記反応空間の周辺部の第２部分の上から前記反応空間の中央部の上に、放射状で円周方向から中心方向に形成されている、請求項１３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１５】
前記気体流出チャンネルは、前記反応空間の周辺部の第２部分の上から前記反応空間の中央部の上に行くほど狭くなる、請求項１４に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１６】
前記最上部気体流れ調節板は、その上部表面に気体流入溝を有し、
前記気体流入溝は、前記気体流出チャンネルの下部面と側壁を定義し、
前記気体流入溝は、前記反応空間の周辺部の第２部分の上から前記反応空間の中央部の上に行くほど狭くなる、請求項１３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１７】
前記気体流れ調節部は、前記反応空間の周辺部の第２部分に直接パージ気体を供給するように構成されたパージ気体チャンネルをさらに含む、請求項１３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１８】
前記複数の気体流入チャンネルの少なくとも一部は水平に延びている、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項１９】
前記複数の気体流入チャンネルは、前記反応空間の周辺部の同一な部分に気体が流れるように構成された、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２０】
前記気体流れ調節部はその下部面に配置されており、前記反応空間にプラズマを発生するように構成された電極をさらに含む、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２１】
前記気体流出口は前記反応チャンバーの上部に配置されている、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２２】
前記複数の気体流入口の各々は非活性気体供給源に連結されるように構成された、請求項１に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２３】
原子層堆積反応器であって、
複数の気体流入口と一つの気体流出口とを含む反応器蓋、
前記反応器蓋と共に反応空間を含む反応チャンバーを定義し、基板支持台を含む反応器支え、及び
前記反応チャンバー内に配置されている複数の気体流れ調節板を含み、
前記反応空間は、気体流入部と前記気体流入部の反対方向に位置する気体流出部とを含み、
前記複数の気体流れ調節板は前記反応空間の上に位置し、前記複数の気体流れ調節板は互いに幾重にも積もっている形態であり、前記複数の気体流れ調節板の各々は、前記複数の気体流入口のうちのいずれか一つから供給された一つの反応気体を前記反応空間の気体流入部に誘導するように構成された気体流入チャンネルを少なくとも部分的に定義する、原子層堆積反応器。
【請求項２４】
前記複数の気体流れ調節板は、前記反応空間の気体流出部から前記気体流出口に連結されている気体流出チャンネルの下部面と側壁を定義する、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２５】
前記気体流出チャンネルの断面積は、前記複数の気体流入チャンネルの各々の断面積の合計と同じである、又は大きい、請求項２４に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２６】
前記反応器蓋は、前記反応チャンバーの上部部分を定義する反応器蓋上板を含み、
前記反応器蓋上板は、前記気体流入チャンネルの上に位置している気体流入部と前記気体流出チャンネルの上に位置している気体流出部とを含み、
前記反応器蓋上板は、前記気体流出部でより前記気体流入部において更に厚い、請求項２５に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２７】
前記反応空間は、前記反応気体が前記基板支持台の上で、前記気体流入部から前記気体流出部に向かうように水平方向に流れるように構成された、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２８】
前記複数の気体流れ調節板は最下部の気体流れ調節板を含み、
前記最下部の気体流れ調節板の下部面と前記基板支持台の上部面は、前記反応空間を定義するように構成された、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項２９】
前記最下部の気体流れ調節板は、前記最下部の気体流れ調節板の下部面の上に形成された電極をさらに含む、請求項２８に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３０】
前記複数の気体流れ調節板は最上部気体流れ調節板を含み、
前記最上部気体流れ調節板は、その上部面に形成されている第１気体流入溝を有し、
前記第１気体流入溝と前記反応器蓋の下部面の第１部分は、前記複数の気体流入口のうちの一つから流入した一つの反応気体を前記反応空間の気体流入部に誘導するように構成された気体流入チャンネルを定義する、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３１】
前記最上部気体流れ調節板は、その上部に形成された第２気体流入溝を有し、
前記第２気体流入溝と前記反応器蓋の下部面の第２部分は、反応後に残っている反応気体及び/又は反応副産物を、前記反応空間の気体流出部から前記気体流出口に誘導するように構成された気体流出チャンネルを定義する、請求項３０に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３２】
前記反応器蓋と前記反応器支えを密閉するように構成された外壁をさらに含む、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３３】
前記反応器蓋の上に配置されている気体集配部をさらに含み、
前記気体集配部は、前記複数の気体流入口と前記気体流出口との間に気体が流れるように連結されている複数の開口部を含む、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３４】
前記反応器支えは前記反応器蓋から分離可能である、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３５】
前記反応器支えを垂直方向に移動可能であるように駆動する反応器支え駆動部をさらに含む、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３６】
前記反応器蓋と前記反応器支えとの間に形成されている第１非活性気体供給通路をさらに含み、
前記第１非活性気体供給通路は、前記反応空間の気体流入部にパージ気体を供給するように構成された、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３７】
前記反応器蓋と前記反応器支えとの間に形成されている第２非活性気体供給通路をさらに含み、
前記第２非活性気体供給通路は、前記反応空間の気体流出部にパージ気体を供給するように構成された、請求項２３に記載の原子層堆積反応器。
【請求項３８】
反応空間において基板上に反応物を堆積する原子層堆積方法であって、前記反応空間は気体流入部と気体流出部とを含み、前記方法は複数の原子層堆積サイクルを含み、
前記原子層堆積サイクルは、
前記反応空間に第１反応気体を供給する段階であって、前記第１反応気体供給段階は、前記第１反応気体を、第１垂直位置で、前記反応空間の気体流入部に向かって水平に、外側へ行くほど広くなる第１流れ経路を通して流れるようにする段階と、前記第１反応気体を、前記第１垂直位置から前記気体流入部に垂直に、前記反応空間に向かって流れるようにする段階とを順に含み、
前記第１反応気体が前記基板の表面と反応する段階、
前記反応空間から反応して残った第１反応気体を除去する段階、
前記反応空間に第２反応気体を供給する段階であって、前記第２気体供給段階は、前記第２反応気体を、第２垂直位置で、前記反応空間の気体流入部に向かって水平に行くほど広くなる第２流れ経路を通して流れるようにする段階と、前記第２反応気体を、前記第１垂直位置から前記気体流入部に垂直に、前記反応空間に向かって流れるようにする段階を順に含み、
前記第２反応気体が前記基板の表面と反応する段階、
前記反応空間から反応して残った第２反応気体を除去する段階を含む、原子層堆積方法。
【請求項３９】
前記反応空間に第１反応気体を供給する段階は、前記第２気体流れ経路に非活性気体を供給する段階をさらに含む、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４０】
前記反応空間に第２反応気体を供給する段階は、前記第１気体流れ経路に非活性気体を供給する段階をさらに含む、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４１】
前記原子層堆積サイクルを順次に少なくとも５回反復する段階をさらに含む、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４２】
前記原子層堆積サイクルのうちの少なくとも一つのサイクルで、第３反応気体を供給し、反応させて、除去する段階をさらに含む、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４３】
前記反応気体を反応させる段階は、前記反応空間にプラズマを発生する段階を含む、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４４】
前記反応空間は前記第１及び第２垂直位置より低い、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４５】
前記反応して残った第１反応気体を除去する段階は、
前記第１及び第２気体流れ経路に非活性気体を供給する段階、
前記反応して残った第１反応気体を、前記反応空間の気体流出部から前記反応空間より遠く垂直に流れるようにする段階、
前記反応して残った第１反応気体を、水平に行くほど狭くなる前記残余気体の第３気体流れ経路を通して流れるようにする段階、及び
前記第３気体流れ経路から前記残った第１反応気体を排気する段階を含む、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４６】
前記反応して残った第１反応気体を除去する段階は、
前記第１及び第２気体流れ経路に非活性気体を供給する段階、
前記反応して残った第１反応気体を、前記反応空間の気体流出部から前記反応空間より遠く垂直に流れるようにする段階、
前記反応して残った第１反応気体を、水平に行くほど狭くなる前記残余気体の第３気体流れ経路を通して流れるようにする段階、及び
前記第３気体流れ経路から前記残った第１反応気体を排気する段階を順に含む、請求項３８に記載の原子層堆積方法。
【請求項４７】
前記反応して残った第２反応気体を除去する段階は、
前記反応して残った第２反応気体を、前記反応空間の気体流出部から前記反応空間より遠く垂直に流れるようにする段階、
前記反応して残った第２反応気体を、水平に行くほど狭くなる前記第３気体流れ経路を通して流れるようにする段階、及び
前記第３気体流れ経路から前記残った第２反応気体を排気する段階を順に含む、請求項４６に記載の原子層堆積方法。
【請求項４８】
原子層堆積反応器の組立方法において、
上板と側壁を含む反応器蓋を供給する段階であって、前記上板は複数の気体流入口を含み、前記上板は反応チャンバーの上部面を定義し、前記側壁は前記反応チャンバーの側面を定義し、前記反応チャンバーは反応空間を含み、
気体流れ調節部の少なくとも一部が前記反応チャンバーの上部面と接触するように、前記反応チャンバー内に前記気体流れ調節部を位置させる段階であって、前記気体流れ調節部は複数の気体流入チャンネルを含み、前記複数の気体流入チャンネルの各々は、前記複数の気体流入口のうちの各々の一つから前記反応空間の周辺部の第１部分に連結されており、
前記気体流れ調節部の下部面と反応器支えの上部面が前記反応空間を定義するように、前記反応器蓋の側壁と接触して、密閉された前記反応器支えを提供する段階を含む、原子層堆積反応器の組立方法。
【請求項４９】
前記気体流れ調節部は、互いに幾重にも積まれている少なくとも二つの気体流れ調節板を含み、
前記少なくとも二つの気体流れ調節板は、各々、少なくとも二つの気体流入チャンネルを少なくとも部分的に定義する、請求項４８に記載の原子層堆積反応器の組立方法。
【請求項５０】
前記少なくとも二つの気体流れ調節板の最上部板は、気体流出チャンネルを少なくとも部分的に定義するように構成された、請求項４８に記載の原子層堆積反応器の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面に薄膜を堆積するための装置に係り、より具体的には、原子層堆積方法によって基板表面に薄膜を堆積するための原子層堆積装置の反応器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、韓国特許庁に２００５年５月９日提出された、韓国特許出願番号２００５−００３８６０６を優先権とするものであって、その内容は本出願に全て含まれており、また、本出願は、米国特許庁に２００３年４月１日公告された特許文献１に関連した出願であって、その内容は本出願に含まれている。
【０００３】
米国における半導体素子の製造において、半導体基板上に高品質の薄膜を形成しようとする装置や工程を改善する努力が続けられている。半導体基板の表面反応を利用して薄膜を形成するにはいくつかの方法が利用されてくる。このような方法としては、真空蒸発堆積（vacuum evaporation deposition）、分子線結晶成長（Molecular Beam Epitaxy: MBE）、低圧化学気相堆積（low-pressure Chemical Vapor Deposition）、有機金属化学気相堆積（organometallic Chemical Vapor Deposition）、プラズマ強化化学気相堆積（plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition）を含む多様な化学気相堆積（Chemical Vapor Deposition: CVD）、そして原子層結晶成長（Atomic Layer Epitaxy: ALE）などがある。このうち、原子層結晶成長（ＡＬＥ）は、半導体堆積及び無機物電界発光表示素子（electroluminescent display device）などに幅広く研究されてきており、最近は、多様な物質層を堆積するために利用されて原子層堆積（Atomic Layer Deposition: ALD）と呼ばれている。
【０００４】
原子層堆積法（ＡＬＤ）は、２種類以上の反応原料気体を互いに順次的、不連続的に半導体基板上に供給して基板表面に薄膜を堆積する方法であって、基板表面に吸着した複数の反応気体が表面反応によって原子層単位で薄膜を成長させ、これを反復的に行って、望む厚さの薄膜を形成する。例えば、基板上に第１反応気体を供給して、第１反応気体を基板上に吸着させる。第１反応気体を基板上に吸着させた後には、パージ気体を供給したり反応チャンバー内の気体を強制的に除去して、吸着して残っている第１反応気体や副産物を除去する。その後、第２反応気体を基板上に供給して、第２反応気体が基板上に吸着している第１反応気体と反応して、原子層を堆積する。この時の反応は、基板上に吸着した第１反応気体層全てが第２反応気体と反応した後に終了する。その後、再びパージ気体を供給したり反応チャンバー内の気体を強制的に除去して、反応して残っている第２反応気体や副産物を除去する。このようなサイクルを、望む厚さの薄膜が堆積されるまで繰り返す。このようなサイクルは２種類の反応気体のみでなく、三つ以上の反応気体が利用されることもでき、追加的なパージ段階を含むこともできる。
【特許文献１】米国特許第６５３９８９１号明細書
【特許文献２】米国特許第６６４５５７４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／００９３０７号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／００３７１５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的な化学気相堆積法に適した堆積装置は、反応気体を同時に供給して薄膜を形成するように設計されているため、反応気体を不連続的に供給して薄膜を形成したり、順に供給される反応気体を反応器内で気相反応を起こさないように、パージを通して除去しながら反応させる方法には不適であった。また、反応気体が上から下の方向に半導体基板上に供給される堆積装置では、一般的に、基板上に均一な反応気体を供給するためのシャワーヘッド（shower head）を用いる。しかし、このような構造は工程気体の流れを複雑にし、規模の大きい反応器を要求するため、反応気体の供給を急速に転換しにくい。
【０００６】
したがって、本発明が目的とする技術的課題は、半導体基板の表面全体で高品質の膜を形成しながらも、反応気体の供給を急速に転換することができる原子層堆積法に適した原子層堆積反応器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するための本発明の一実施例によって、原子層堆積装置を提供する。前記原子層堆積反応器は、反応空間、複数の気体流入口、気体流出口、そして気体流れ調節部を含んだ反応チャンバーを含む。前記気体流れ調節部は前記反応空間内に配置されている。前記気体流れ調節部は、前記複数の気体流入口と前記反応空間との間に配置される。前記気体流れ調節部は複数の気体流入チャンネルを有する。前記複数の気体流入チャンネルは、各々、前記複数の気体流入口のうちの一つの気体流入口から前記反応空間の周辺の第１部分に延びている。前記複数の気体流入チャンネルの各々は、前記一つの気体流入口から前記反応空間の周辺の第１部分に行くほどその面積が広くなる。前記反応器はまた、反応空間に支持された基板を露出するように配置されている基板支持台を含む。
【０００８】
本発明の他の一実施例では、原子層堆積反応器を提供する。前記原子層堆積反応器は、複数の気体流入口と一つの気体流出口を含む反応器蓋を含む。前記反応器はまた、基板支持台を含んだ反応器支えを含む。前記反応器蓋と前記反応器支えは共に反応チャンバーを定義する。前記反応チャンバーは反応空間を含む。前記反応空間は、気体流入部と前記気体流入部の反対方向に位置する気体流出部とを含む。前記反応器はまた、前記反応チャンバー内に配置されている複数の気体流れ調節板を含む。前記複数の気体流れ調節板は前記反応空間の上に配置される。前記複数の気体流れ調節板は、互いに幾重にも積まれている形態である。前記複数の気体流れ調節板の各々は、前記複数の気体流入口のうちのいずれか一つから供給された一つの反応気体を前記反応空間の気体流入部に誘導するように構成された、気体流入チャンネルを少なくとも部分的に定義する。
【０００９】
本発明のまた他の一実施例は、反応空間で反応物を堆積する原子層堆積方法を提供する。前記反応空間は気体流入部と気体流出部とを含む。前記方法は複数の原子層堆積サイクルを含むが、各原子層堆積サイクルは、前記反応空間に第１反応気体を供給する段階、前記第１反応気体が前記基板の表面と反応する段階、前記反応空間から反応して残った第１反応気体を除去する段階、前記反応空間に第２反応気体を供給する段階、前記第２反応気体が前記基板の表面と反応する段階、そして前記反応空間から反応して残った第２反応気体を除去する段階を含む。前記第１反応気体供給段階は、前記第１反応気体を、第１垂直位置で、前記反応空間の気体流入部に向かって水平に外側へ行くほど広くなる第１流れ経路を通して流れるようにする段階と、前記第１反応気体を前記第１垂直位置から前記気体流入部に垂直に、前記反応空間に向かって流れるようにする段階を順に含む。前記第２気体供給段階は、前記第２反応気体を、第２垂直位置で、前記反応空間の気体流入部に向かって水平に行くほど広くなる第２流れ経路を通して流れるようにする段階と、前記第２反応気体を前記第１垂直位置から前記気体流入部に垂直に、前記反応空間に向かって流れるようにする段階を順に含む。
【００１０】
本発明のまた他の一実施例は、原子層堆積反応器の組立方法を提供する。前記原子層堆積反応器の組立方法において、上板と側壁を含む反応器蓋が提供される。前記上板は複数の気体流入口を含み、前記上板は反応チャンバーの上部面を定義する。前記側壁は前記反応チャンバーの側面を定義する。前記反応チャンバーは反応空間を含む。その後、気体流れ調節部の少なくとも一部が前記反応チャンバーの上部面と接触するように、前記反応チャンバー内に前記気体流れ調節部を位置させる。前記気体流れ調節部は複数の気体流入チャンネルを含む。前記複数の気体流入チャンネルの各々は、前記複数の気体流入口のうちの各々の一つから前記反応空間の周辺部の第１部分に連結されている。次に、前記気体流れ調節部の下部面と反応器支えの上部面が前記反応空間を定義するように、前記反応器蓋の側壁と接触して密閉された前記反応器支えを提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による原子層堆積反応器によれば、反応気体を不連続に又は順次に半導体基板表面に供給する原子層堆積法で、各々の反応気体を反応器内部に各々別個の通路を通して流入させることによって、通路で薄膜が堆積し剥がれる問題が少なく、したがって、これによって汚染粒子が半導体基板に接近することが減少するので、品質が向上し安定して半導体基板を生産することができ、また反応器の洗浄が容易で汚染程度が軽減するので、反応器の使用寿命を延長させることができる。また、反応器の体積が小さくて気体の流れが速いので、反応器内部の気体転換性能が向上して、単位時間当りの膜成長速度を高め、工程時間を大きく短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限られるわけではなく、互いに異なる多様な形態に具現されるが、単に、本実施例は、本発明の開示が完全なものになるようにし、本発明が属する技術分野にて通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供させるものであり、本発明は特許請求の範囲によって定義される。
【００１３】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１４】
まず、従来技術のより詳細な説明のために、図１に、従来の原子層堆積装置の反応器及び気体流れを示す断面図を示したが、これは特許文献１に開始されたものと類似している。図１を参照すれば、従来の原子層堆積装置の反応器１００は、反応器蓋１０１、反応器支え１０２、そして気体流れ調節板１４０を含む。
【００１５】
反応器蓋１０１は反応器１００の上部に配置されており、上部が遮断されている短いシリンダー形態の構造を有する。反応器蓋１０１は、気体流入口１１０及び気体流出口１２０を含む。反応器蓋１０１の側壁の一部は反応器蓋加熱部１３０に囲まれている。
【００１６】
反応器支え１０２は反応器蓋１０１の下に配置される。反応器支え１０２は、反応器蓋１０１を基準に上下に移動可能である。反応器支え１０２が反応器蓋１０１から分離された場合、基板１５０は装着及び脱着することができる。堆積段階の間、反応器支え１０２は上に移動して、反応器蓋１０１と密着して、完全密閉される。反応器支え１０２は、反応器蓋１０１と共に反応チャンバー１０３を定義するように構成される。反応器支え１０２は、基板支持台１６０及び基板加熱部１７０を含む。基板１５０の上に薄膜が堆積される間、基板１５０は基板支持台１６０に設置されている。
【００１７】
反応チャンバー１０３内には気体流れ調節板１４０が装着されており、そして反応器蓋１０１に付着されている。気体流れ調節板１４０の下部表面と基板支持台１６０の上部表面は、基板１５０が処理される反応空間１５１を定義する。気体流れ調節板１４０の上部表面の一部及び反応器蓋１０１の内部の下部表面の一部は気体流入チャンネル又は通路１１１を定義するが、このような気体流入チャンネル１１１は、気体流入口１１０に供給された気体を、反応空間１５１の気体流入部１５１ａに流れるように構成される。気体流れ調節板１４０の上部表面の一部と反応器蓋１０１の内部の下部表面の他の一部は気体流出チャンネル又は通路１２１を定義するが、このような気体流出チャンネル１２１は、気体が反応空間１５１の気体流出部１５１ｂから気体流出口１２０に流れるように構成される。図１に示したように、反応空間１５１の気体流出部１５１ｂは気体流入部１５１ａと反対側に位置する。気体流れ調節板１４０は、気体流入口１１０から流入した気体が気体流入チャンネル１１１を通して反応空間１５１に供給された後、気体流出チャンネル１２１を通過して、気体流出口１２０に流れるように構成される。
【００１８】
図１に示した原子層堆積反応器１００は、反応気体の速い転換のために反応空間１５１を最小化するように構成された。また、反応器は、気体流れ調節板を含むことによって、反応気体が反応空間に装着された基板に供給される前に均一に分布するようにする。このような構造を通じて、気体は基板上で水平に流れることができる。また、このような構造を通じて、反応気体は基板と表面反応しながら基板上を急速に流れることができる。したがって、反応気体とパージ気体の供給時間を最小化することができる。したがって、薄膜を形成する工程時間全体を十分に減らせることができる。
【００１９】
互いに異なる反応気体を個別的なチャンネルを通して、反応空間に供給することによって、反応気体が気体状態で互いに会うことを最小化すると同時に、反応空間での反応気体の転換を容易に行うことができる。
【００２０】
次に、本発明の望ましい実施例について、添付した図面を参照して具体的に説明する。図面において、類似な部分については同一図面符号を付けた。
【００２１】
本発明の一実施例において、原子層堆積反応器は、反応チャンバー、複数の気体流入口、気体流出口、気体流れ調節部、基板支持台、そして外壁を含む。反応チャンバーは、基板が処理される反応空間を含む。複数の気体流入口は、外部の反応気体供給源から反応気体を反応空間に個別的に供給できるように構成される。気体流れ調節部は、複数の気体流入口と反応空間との間に配置されるのが望ましい。気体流れ調節部は複数の気体流入チャンネル又は通路を含むが、各気体流入チャンネルは、複数の気体流入口のうちの一つから反応空間の気体流入部に連結されている。望ましくは、気体流入チャンネルの各々は、互いに異なる気体流れ調節板により部分的に定義され、気体流入口から反応空間に行くほど徐々に広くなる。
【００２２】
気体流入チャンネルの各々は反応気体を均一に拡散するようにして、扇形形態に平たくなるように反応空間の気体流入部に供給されるように構成される。このような構成を通じて、反応気体は基板上に均一に供給される。
【００２３】
図２は、本発明の一実施例による原子層堆積器２００を示す。原子層堆積器２００は、反応器蓋２０１、反応器支え２０２、反応器支え駆動部２９２、気体流れ調節部２０５、プラズマ発生電極２９０、そして外壁２９８を含む。反応器蓋２０１及び反応器支え２０２は、互いに接触して、密閉されたり分離できるように構成されるが、互いに接触して密閉され、反応チャンバーを定義する。反応チャンバーは、基板２５０が処理される反応空間２５１を含む。反応空間２５１は、反応器支え２０２の上部表面と気体流れ調節部２０５の下部表面との間の空間に定義される。反応空間２５１は、反応気体が流入される気体流入部２５１ａと、反応して残った超過反応気体と反応副産物が排気される気体流出部２５１ｂとを含む。反応器支え２０２は、後述する基板２５０を装着したり脱着するために、反応器蓋２０１から分離されることができる。外壁２９８は、反応器蓋２０１と反応器支え２０２を低い圧力、真空状態に維持するように構成されるが、真空ポンプに連結された外部排気部２９９を通して、真空を維持することができる。
【００２４】
反応器蓋２０１は、一般的に、シリンダー板形態を有する上板２０３と、上板２０３の周辺部からの下に延びている側壁２０４とを有する。示した実施例において、上板２０３及び側壁２０４は一体に形成されて、反応器蓋２０１は、一般的に上板２０３によって一端が密閉されている短いシリンダー形態を有する。反応器蓋２０１は、第１及び第２気体流入口２１０、２１２、気体流出口２２０、そして気体集配部２１５を含む。反応器蓋２０１は金属で形成されるのが望ましいが、セラミック物質で形成されることもできる。
【００２５】
第１及び第２気体流入口２１０、２１２は上板２０３を通して延びており、上板２０３の中央部に配置されるのが望ましい。第１及び第２気体流入管２１０、２１２は反応ソース（図示せず）に連結されている。第１及び第２気体流入管２１０、２１２は、各々、第１反応気体（Ｘ）及び第２反応気体（Ｙ）を供給するように構成されるが、望ましくは、反応気体（Ｘ、Ｙ）は気体流入管２１０、２１２を通して、気体相で流入する。反応気体（Ｘ）の例として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、反応気体（Ｙ）の例としてＨ２Ｏ、又はその反対の場合を例に挙げられる。プラズマ強化原子層堆積法では、トリメチルアルミニウムと酸素気体（Ｏ２）が反応気体（Ｘ、Ｙ）として使用されることができる。プラズマ強化原子層堆積法で、酸素気体（Ｏ２）が供給される間、高周波（ＲＦ）電圧がプラズマ生成電極２９０に供給されて、反応空間２５１にプラズマを発生させることができる。同様に、他の金属揮発性種（metal volatile species）が金属酸化膜を堆積することに用いられることができる。プラズマ強化原子層堆積法において、気体供給周期とプラズマパルス発生順序の例は、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に開示されており、これは本明細書で参考文献として引用された。また、第１及び第２気体流入口２１０、２１２は不活性気体ソース（図示せず）に連結されて、反応空間２５１に不活性気体を供給するのに利用される。不活性気体の例として、ヘリウム、アルゴン、キセノン、窒素などが挙げられる。反応気体と反応条件によって、不活性気体は、Ｎ２やＯ２のように、相対的な高温やプラズマ電力下で反応性を有する気体を含むことができる。気体流入管２１０、２１２の上部にはバルブが備えられて、反応気体とパージ不活性パージ気体の流れを調節することができる。例えば、三方向（three-way）バルブが利用されて、各気体流入管２１０、２１２に不活性気体と反応気体のうちのいずれか一つを供給するように調節することもできる。また、原子層堆積反応器２００は、バルブを調節するためのスイッチング機械装置を含むこともできる。例えば、プログラム化されたコンピュータがスイッチング機械装置として利用されて、原子層堆積法の気体供給周期に合わせて、反応気体と不活性パージ気体を順次に供給するのに利用されることもできる。
【００２６】
反応器蓋２０１はまた、上板２０３を通して延びている気体流出口２２０を含む。示した実施例において、気体流出口２２０は、気体流入口２１０、２１２に隣接した上板２０３の中央部に配置されている。他の実施例では、気体流出口が上板２０３の周辺部に配置されたり、反応器蓋２０１の側壁２０４に配置されていることもできる。
【００２７】
また、反応器蓋２０１は気体集配部２１５を含むが、示した実施例では、上板２０３の中央部の上に形成されている管形態のシリンダー気体集配部２１５を含む。気体集配部２１５は垂直の貫通孔を含んで、気体流入口２１０、２１２及び気体流出口２２０に連結される。気体集配部２１５は外壁２９８の外部に向かって、上に延びている。
【００２８】
反応器蓋２０１はまた、反応器蓋２０１の表面に装着された反応器蓋加熱部２３０を含む。反応器蓋加熱部２３０は、反応器蓋２０１を一定の温度まで加熱して、反応器蓋２０１の内部表面で反応気体が凝縮することを防止する。熱が外壁２９８へ失われるのを防止するために、反応器蓋２０１は外壁２９８と最小の熱伝導経路を有するのが望ましいが、例えば、反応器蓋２０１は、管形態のシリンダー模様の気体集配部２１５を通して外壁２９８に固定されることができる。追加的な加熱部（図示せず）が気体集配部２１５に付着されたり気体集配部２１５の中に挿入されることができる。他の実施例では、反応器蓋加熱部が他の所に配置されていることもでき、又はチャンバーが遠隔で発生するエネルギー、例えば、誘導熱、放射熱、マイクロ波エネルギーなどのエネルギーを吸収するように構成されることもできる。
【００２９】
また、反応器蓋２０１は、反応器蓋２０１が反応器支え２０２と接触する側壁２０４の下部表面の上に、丸く囲む形態に凹溝が形成されて、反応気体遮断通路２８０を定義する。反応気体遮断通路２８０は、反応器蓋２０１と反応器支え２０２との間の接触面全体に沿って形成されるのが望ましい。反応気体遮断通路２８０は不活性気体ソース（図示せず）に連結されて、不活性気体が供給されることができる。側壁２０４の内部の周縁は、反応器支え２０２と小さい隙間２８０ａ（例えば、約０.５ｍｍ）を有して離隔されていることができるが、このような隙間２８０ａは、反応気体遮断通路２８０のような周辺を囲む環形態（リング形態）であることができる。反応気体遮断通路２８０は、反応チャンバーの工程圧力より気体圧力がより高くなるように維持することができるが、これによって、不活性気体が隙間２８０ａを通して、反応チャンバーに均一に流れることができる。図示した反応器蓋２０１は、不活性気体を供給するように構成された反応気体遮断通路２８０を有する。不活性気体は堆積工程の期間中、継続して隙間２８０ａを通して流れて、反応器蓋２０１と反応器支え２０２との間の接触位置に薄膜が形成されるのを防止するが、このような接触位置は例えば、基板２５０を連続的に装着したり脱着するために、反応器蓋２０１から反応器支え２０２が反復的に分離される側壁２０４の外部周縁であることができる。このような接触位置に堆積された薄膜は、チャンバーを開放したり密閉するために反応器支え２０２を反応器蓋２０１と接触したり脱着する過程で剥がれることもあるが、このように剥がれた薄膜は反応器チャンバーの内部に汚染粒子を発生させる恐れがある。
【００３０】
示してはいないが、反応器蓋２０１は、基板２５０の周辺部を覆う突出部を含むこともできる。突出部は、基板の周辺部が反応気体と接触することを防止して、周辺部に薄膜が形成されることを防止することができる。
【００３１】
反応器支え２０２は、基板支持台２６０と基板加熱部２７０を含む。基板支持台２６０は基板２５０を支持するように構成されるが、基板２５０を装着できる凹部を持つことによって、基板２５０の上部表面のみを露出するように構成されるのが望ましい。基板加熱部２７０は基板支持台２６０の下部表面に一体に付着されており、堆積工程の間、基板２５０の温度を工程に必要な温度まで加熱するように構成される。基板支持台２６０は金属からなることができ、電気的に接地されているのが望ましい。しかし、反応器支え２０２の構成及び物質は、反応器の設計により変更可能である。
【００３２】
反応器支え駆動部２９２は、反応器支え２０２を上下に移動するように構成される。反応器支え駆動部２９２は、中央支持ピン２７２、上下移動手段２８４を含む。図２に示したように、中央支持ピン２７２は基板支持台２６０の中央部に位置して、基板加熱部２７０の下に延びている。望ましくは、上下移動手段２８４は、基板加熱部２７０の下部表面に連結された三個の棒の形の連結部を含む。図２において、三個の連結部のうちの一つは示されていない。上下移動手段２８４は、モータのような駆動装置（図示せず）を利用して、反応器支え２０２が上下に移動できるように構成される。
【００３３】
堆積工程の前後には、反応器支え２０２が下へ移動して、反応器支え２０２が反応器蓋２０１から分離されることによって、反応チャンバーが開放される。反応チャンバーが開放されている間、中央支持ピン２７２は、支持ピン駆動手段２７３によって基板２５０を基板支持台２６０から分離したり、基板２５０を基板支持台２６０に装着できるように構成されるが、例えば、基板２５０を装着及び脱着するために、中央支持ピン２７２は基板支持台２６０より高く位置していることができ、この間、外壁２９８のゲートバルブ（図示せず）を通して、ロボットを利用して、基板２５０を装着及び脱着することもできる。
【００３４】
装着位置に基板を位置させた後に、中央支持ピン２７２は下へ移動して、基板２５０を基板支持台２６０の上に装着する。その後、反応器蓋２０２が、上下移動手段２８４によって、反応器蓋２０１に隣接するように上に移動することによって、反応チャンバーが閉じられるようになる。
【００３５】
気体流れ調節部２０５は、上部気体流れ調節板２４０及び下部気体流れ調節板２４２を含む。上部気体流れ調節板２４０は下部気体流れ調節板２４２の上に積まれている。上部気体流れ調節板２４０の中央部は、反応器蓋２０１の内部の下部表面に付着される。他の実施例において、気体流れ調節部２０５は、反応器内部に供給される反応気体の数に応じて、追加的な気体流れ調節板をさらに含むこともできる。気体流れ調節板２４０、２４２は反応器蓋２０１に一体に組立てられることができ、又は反応器蓋２０１から分離されることもできる。このような構成により、補修管理や洗浄などが容易であることが可能になる。しかし、上部気体流れ調節板２４０と下部気体流れ調節板２４２は反応器蓋２０１の一つの構成要素として一つのボディーを成すことができる。気体流れ調節部２０５は、第１流入チャンネル２１１、第２流入チャンネル２１３、そして流出チャンネル２２１を定義し、このようなチャンネルについては後述する。
【００３６】
プラズマ発生電極２９０は、堆積工程の間、反応空間２５１にプラズマを発生するように構成される。プラズマ発生電極２９０は、反応チャンバーを洗浄する間にも又は反応チャンバーを洗浄する間にのみプラズマを発生することもできる。示した実施例において、プラズマ発生電極２９０は基板支持台２６０と対向し、下部気体流れ調節板２４２の一部から構成される。他の実施例において、プラズマ発生電極は、下部気体流れ調節板２４２の下部表面に付着された板形態であることができる。プラズマ発生電極２９０は導電性物質、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、銅、ニッケル、チタニウム、又はこれらの合金からなることができる。プラズマ発生電極２９０は外部のＲＦ電圧ソース（図示せず）に連結されることができる。示したプラズマ発生電極２９０は、反応器２００の外部に向かって上に延びている導電性管２９１に連結されている。導電性管２９１は絶縁体２９１ａに囲まれていて、導電性管２９１を上部下部気体流れ調節板２４０及び２４２、反応器蓋２０１から絶縁させる。プラズマ発生電極２９０はプラズマが使用されない場合、省略可能である。
【００３７】
外壁２９８は、反応器蓋２０１と反応器支え２０２を低い圧力、真空状態に維持するように構成される。外壁２９８は、管形態のシリンダー気体集配部２１５を設置するために上部が開放されており、下部は上下移動手段２８４が設置されるように開放されており、２種以上の反応物が生じる複合汚染粒子を最小化するために、このような汚染粒子をチャンバー外部に排出するための外部排気部２９９と、基板を装着及び脱着することができるゲートバルブ（図示せず）とを含むことができる。
【００３８】
図３を参照すれば、上部気体流れ調節板２４０は、中央部に向かって、先細の（tapered）第１及び第２気体流入溝２４１ａ、２４１ｂを有する。つまり、第１及び第２流入溝２４１ａ、２４１ｂは、上部気体流れ調節板２４０の中央部分から周縁に行くほど広くなるが、示した第１及び第２流入溝２４１ａ、２４１ｂは扇形形態を有する。第１流入溝２４１ａは、反応器蓋２０１の内部の下部表面の一部と共に、図２に示したように、第１気体流入管２１０を通して、供給された反応気体（Ｘ）の第１気体流入チャンネル又は通路２１１を定義する。第２流入溝２４１ｂは、反応器蓋２０１の内部の下部表面の他の一部と共に、図２に示したように、反応して残った反応気体及び反応副産物の気体流出チャンネル又は通路２２１を定義する。上部気体流れ調節板２４０は、上部気体流れ調節板２４０を垂直に貫く貫通孔２４５を有する。貫通孔２４５は、図２の第２気体流入管２１２と図４を参照しての後述する下部気体流れ調節板２４２の中央溝２４６が互いに連結されて、気体が流れるように構成される。上部気体流れ調節板２４０は金属又はセラミック物質で形成される。
【００３９】
複数個の気体流れ調節板を含む他の実施例において、最下部の気体流れ調節板を除いた各気体流れ調節板は、全て前述のような少なくとも一つの垂直貫通孔を有することができる。また、ｎ個の気体流れ調節板を含む他の実施例において、ｎ個の気体流れ調節板は互いに幾重にも積まれており、最下方からｎ番目の気体流れ調節板はｎ-１個の貫通孔を有することができる。例えば、三個の気体流れ調節板を含む実施例において、三個の気体流れ調節板は幾重にも積まれており、最上部の気体流れ調節板（最下方から三番目位置）は二個の貫通孔を有し、中の気体流れ調節板（最下方から二番目位置）は一つの貫通孔及び、図４の中央溝２４６に類似した一つの気体流入溝を有する。また、最下部の気体流れ調節板は貫通孔を持たず、図４の中央溝２４６と類似した一つの気体流入溝を有する。複数個の貫通孔を有する気体流れ調節板で、貫通孔は、水平的に互いに異なる位置に配置されていて、各気体流入チャンネルが各気体流入口と個別的に連結できるようにする。また、幾重にも積まれている気体流れ調節板の貫通孔は互いに垂直に整列されていて、気体流入チャンネルと気体流入口との間に気体が流れるようにする。
【００４０】
上部気体流れ調節板２４０は、また、第１及び第２流入溝２４１ａ、２４１ｂの間を囲む中央部に凸部２４０ａを含む。凸部２４０ａは、第１及び第２流入溝２４１ａ、２４１ｂの側壁を定義し、第１流入管２１０から流入した気体を上部気体流れ調節板２４０の外周方向に流れるようにして、反応空間に流れるようにし、反応空間を通過した気体を他の外周方向に流れるようにして、つまり、気体流出管２２０側に流れるようにする。
【００４１】
図４を参照すれば、下部気体流れ調節板２４２は、中央部に先細の下部流入溝２４３を有する。下部流入溝２４３は扇形形態である。下部流入溝２４３は、図２に示したように、上部気体流れ調節板２４０の下部表面と共に、第２気体流入管２１２から供給された反応気体（Ｙ）に対する第２流入チャンネル２１３を定義する。図４に示したように、下部流入溝２４３は、下部気体流れ調節板２４２の中央溝２４６にさらに延びていて、第２流入チャンネル２１３は、上部気体流れ調節板２４０の貫通孔２４５を通して第２気体流入管２１２に互いに連結されて、気体が流れることができる。また、下部気体流れ調節板２４２の下部表面と基板支持台２６０の上部表面は、基板２５０が処理される反応空間２５１を定義する。下部気体流れ調節板２４２の下部表面と基板支持台２６０の上部表面との間の間隔は、反応空間２５１に反応気体を適切に供給するための最適の空間構成により調節されることができる。本発明の実施例において、このような下部気体流れ調節板２４２の下部表面と基板２５０表面との間の間隔は、位置によって約１ｍｍ乃至約１０ｍｍ程度であることができる。下部気体流れ調節板２４２はセラミック物質のような絶縁体からなるのが望ましい。上部気体流れ調節板２４０と下部気体流れ調節板２４２の模様及び流入溝２４１ａ、２４１ｂ、２４３の形態は、反応器の設計により変化可能である。
【００４２】
下部気体流れ調節板２４２もまた、下部流入溝２４３と中央溝２４６の周辺に形成されている凸部２４２ａを有する。凸部２４２ａは、下部流入溝２４３と中央溝２４６の側壁を形成し、第２気体流入管２１２から供給された気体を下部気体流れ調節板２４２の外周方向に流れるようにして、反応空間に流れるようにし、反応空間を通過した気体を他の外周方向に流れるようにして、上部気体流れ調節板２４０によって定義される気体流出管２２０の内部に流れるようにする。
【００４３】
図２及び図３を参照すれば、上部気体流れ調節板２４０の第２流入溝２４１ｂによって定義される流出チャンネル２２１は、気体流出管２２０に行くほど内部が狭くなる。したがって、仮に、気体流れが位置（Ｂ）で停滞すれば、反応気体は気体流出管２２０近傍のボトルネック地点（Ｂ）で互いに反応したり内部壁に堆積する恐れがある。しかし、本発明の実施例による原子層堆積器で気体流出管２２０の断面積は、第１流入管２１０と第２流入管２１２の断面積の合計より少なくとも同じであるか又は大きく形成し、流出チャンネル２２１の断面積は、第１流入チャンネル２１１と第２流入チャンネル２１３断面積の合計より少なくとも同じであるか又は大きく形成する。また、図２に示したように、反応器蓋２０１の上板２０３は、気体流入口側より気体流出口側でさらに薄くて、広い気体流出チャンネル２２１を形成することができる。このような構成を通じて、気体流れが位置（Ｂ）で停滞しないようにして、所望でない反応や堆積を最小化することができる。
【００４４】
図５は、反応器２００内の反応気体と排気気体の流れを示す。堆積過程では、反応気体（Ｘ）は第１流入管２１０から供給され、不活性気体は第２流入管２１２から供給される。反応気体（Ｘ）は第１流入チャンネル２１１を通過して流れながら、扇形に平たく拡散する。その後、反応気体（Ｘ）は、上部気体流れ調節板２４０の周縁から下へ向かって、反応空間の流入部２５１ａに向かって流れる。不活性気体は、第２流入チャンネル２１３によって反応気体（Ｘ）と類似に流れる。不活性気体は、反応気体（Ｘ）が第２流入チャンネル２１３に流入することを防止する。その後、反応気体（Ｘ）は反応空間に継続して流れた後、反応空間の流出部２５１ｂに至る。図５に示したように、反応気体（Ｘ）と不活性気体に対する流入溝２４１ａ、２１３は、気体流れ誘導板の下部に設けられた反応空間と気体の流れに関わって連結されている広い部分を有しているので、反応気体（Ｘ）と不活性気体は、反応空間に流入する際に広く拡散するようになり、したがって、基板２５０の上で均一な堆積を容易にする。
【００４５】
その後、図２に示したように、反応気体（Ｘ）は、反応空間２５１を通して、基板２５０の上を流入部２５１ａから流出部２５１ｂの方へ、基板に平行な方向に流れる。堆積後残った反応気体（Ｘ）と反応副産物などのような排気気体は、流出部２５１ｂで流出チャンネル２２１を通して、気体流出管２２０に向かって上に移動するようになる。排気気体は流出チャンネル２２１を通して流れた後、気体流出管２２０に排気される。示したように、気体流出管２２０は気体流入管２１０、２１２より広い断面積を有し、気体流入管２１０、２１２の断面積の合計よりもっと大きい断面積を有するのが望ましい。
【００４６】
再び図５を参照すれば、次の気体供給段階では、反応気体（Ｙ）が第２気体流入管２１２を通して供給され、不活性気体は第１気体流入管２１０を通し供給される。反応気体（Ｙ）は、上部気体流れ調節板２４０の貫通孔２４５と下部気体流れ調節板２４２の中央溝２４６を通して、第２流入チャンネル２１３に流れる。その後、前述の工程気体（Ｘ）と類似に、図２の反応空間２５１を通して流れる。この時、第１気体流入管２１１から供給された不活性気体は、反応気体（Ｙ）が第１流入チャンネル２１１に流入することを防止する。
【００４７】
以下では、図２及び図６を参照して、本発明の実施例による原子層堆積反応器２００を利用して薄膜を堆積する方法について説明する。本実施例による方法によれば、２種類の反応気体を利用したが、他の実施例では２種類以上の反応気体を用いることができ、追加された反応気体に対する追加的な気体供給段階を含むことができる。このような場合、原子層堆積反応器２００は、各追加反応気体に対する、下部気体流れ調節板２４２と類似した追加的な気体流れ調節板を含むのが望ましい。
【００４８】
図６の段階５１０で、反応気体（Ｘ）は第１気体流入管２１０を通して供給され、不活性気体は第２気体流入管２１２を通して供給される。反応気体（Ｘ）は第１流入チャンネル２１１に沿って反応空間２５１に流れ、不活性気体によって第２流入チャンネル２１３に流入することが防止される。これによって反応気体（Ｘ）は、反応空間２５１に装着されている基板２５０の上に吸着する。
【００４９】
このような段階５１０は、基板の表面が反応気体（Ｘ）で飽和するまで十分な時間の間行われるのが望ましい。この時、吸着は、自己制御方式により、単に分子単一層で行われる。次に、段階５２０で、吸着して残った反応気体（Ｘ）と反応副産物はパージ（又は除去）される。このようなパージ段階は、第１及び第２気体流入管２１０、２１２の全てを通して、パージ気体又は不活性気体を供給して遂行するのが望ましい。
【００５０】
次に、段階５３０で、反応気体（Ｙ）が第２気体流入管２１２を通して供給され、不活性気体が第１気体流入管２１０を通して供給される。反応気体（Ｙ）は、第２流入チャンネル２１３を通して反応空間２５１に流れ、不活性気体によって、第１流入チャンネル２１１に流れることが防止される。これによって、反応気体（Ｙ）は、基板２５０の上に吸着した反応気体（Ｘ）と反応する。この時、段階５４０に示されているように、選択的に反応気体（Ｙ）が供給される間、電極２９０を活性化して、プラズマを基板２５０の上に直接発生させることができる。段階５４０は、吸着した単一層が完全に反応するまで、十分な時間行われる。仮に、プラズマが不要であれば、段階５４０は省略されることができ、段階５３０は、吸着した単一層が完全に反応するまでに、十分な時間の間行われる。
【００５１】
次に、段階５５０で反応して残った反応気体（Ｙ）と反応副産物はパージされる。このようなパージ段階５５もまた、第１及び第２気体流入管２１０、２１２の全てを通して、パージ気体又は不活性気体を供給して行う。その後、段階５６０で、仮に、追加的な堆積が必要であれば、前述の気体供給段階５１０〜５５０を複数回繰り返す。このような気体供給段階５１０〜５５０は、少なくとも５回以上連続して繰り返すのが望ましい。仮に、追加的な堆積が必要でなければ、堆積は完了する。前述の気体供給段階の間、気体流入管２１０、２１２の入口に位置しているバルブは、反応気体と不活性気体の供給を調節することに使用される。
【００５２】
本発明の他の一実施例による原子層堆積方法において、仮に、反応気体（ＸとＹ）が熱的に互いに反応しなければ、反応気体（Ｙ）は、継続して、連続的に供給されることもできる。例えば、第１気体流入口２１０を通してトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が供給される間、酸素気体（Ｏ２）や不活性気体と酸素気体の混合気体は第２気体流入口２１２を通して、継続して供給される。このような実施例において、段階５３０は省略されることができ、段階５１０、５２０、５４０、５５０が反復される。段階５１０で、第１気体流入口２１０を通して、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が供給される。段階５２０で、第１気体流入口２１０を通して、不活性気体が供給される。段階５４０で、反応空間にプラズマを発生する。段階５５０で、第１気体流入口２１０を通して、不活性気体が供給される。この時、プラズマ発生を止めた後には、プラズマによって発生した化学的活性種が急速に無くなるので、段階５５０は非常に短く持続するか又は省略可能である。
【００５３】
本発明の他の一実施例による原子層堆積方法は、非吸着性反応物質供給から始まることができる。このような場合は、追加的な反応物質が薄膜形成に用いられることができる。例えば、反応空間に反応気体（Ｘ）を供給するに先立ち、基板表面を初期表面処理する場合、例えば、水や他の水酸化作用剤に処理する場合である。又は、前述の工程を自己制御方式にするために、各気体供給段階で還元剤が使用されて、吸着種からリガンド（配位子）を除去することができる。また、膜形成に寄与できる追加的な反応気体が各気体供給サイクル又は気体供給サイクルのうちの一部で用いられることができる。
【００５４】
前述の過程を行うために、原子層堆積反応器２００は制御システムを含むことができる。制御システムは、反応気体と不活性気体の供給を制御して、所望の通りに反応気体と不活性気体を順に及び/又は交互に供給する。制御システムは、工程を行うように構成されたプロセッサー、メモリ、そしてソフトウェアプログラムを含むことができる。また、他の形態の制御システムを含むことができる。又は凡庸コンピュータが制御システムとして用いられることができる。制御システムは、メモリに貯蔵されているプログラムにより、反応気体及び不活性気体配管のバルブを自動的に開けたり閉じることができる。
【００５５】
以下では、図７を参照して、本発明の他の一実施例による原子層堆積反応器６００について説明する。図７は、本発明の他の一実施例による保護接地板を有する反応器を示す断面図である。図７において、図２に示した原子層堆積反応器と類似の部分については同一図面符号を付け、類似な部分に関する説明は省略する。示した実施例において、下部気体流れ調節板２４２は、絶縁物、例えば、セラミックで形成され、上部気体流れ調節板２４０及び反応器蓋２０１は、金属や金属合金からなるのが望ましい。上部気体流れ調節板２４０及び反応器蓋２０１は接地するのが望ましい。
【００５６】
反応器６００は、接地された保護接地板６０６を含む。保護接地板６０６は、反応器６００をプラズマ強化原子層堆積法で用いる場合、気体流入口２１０、２１２及び気体流出口２２０で発生し得る寄生（parasitic）プラズマを防止する役割を果たす。
【００５７】
保護接地板６０６の第１部分６０６ａは、気体流入口側から、下部気体流れ調節板２４２の気体流入溝の下部表面に位置する。保護接地板６０６の第２部分６０６ｂは、気体排出口側から、上部気体流れ調節板２４０と下部気体流れ調節板２４２との間に位置する。保護接地板６０６は、金属、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、チタニウム、ステンレススチール又はその合金からなるのが望ましい。保護接地板６０６は、上部気体流れ調節板２４０と下部気体流れ調節板２４２の上に積層された板形態であることもでき、又は上部気体流れ調節板２４０と下部気体流れ調節板２４２の上に組立てられていることもできる。他の実施例による原子層堆積器において、保護接地板６０６の代わりに、保護接地膜が形成されていることができる。保護接地膜は、下部気体流れ調節板２４２の上部表面の上に、金属物質をコーティングして形成することができる。上部気体流れ調節板２４０が金属からなって電気的に接地された場合、保護接地板６０６は上部気体流れ調節板２４０と接触することによって、簡単に接地されることができる。したがって、このような場合、気体排気口側から、保護接地板又は保護接地膜を電気的に接地するための追加的な電気的連結は必要でない。
【００５８】
以下、図８を参照して、本発明の他の一実施例による原子層堆積反応器７００について説明する。図８は、本発明の他の実施例によるパージ気体流れチャンネルを含む原子層堆積装置の反応器を示す断面図である。図８において、図２に示した原子層堆積反応器と類似な部分については同一図面符号を付け、類似の部分に関する説明は省略する。
【００５９】
本実施例において、パージ気体は基板２５０の上を通過せず、気体流出部２５１ｂに直接供給される。このパージ気体は、超過反応気体を希釈し、反応空間２５１から反応副産物を除去する。このようなパージ気体は、反応気体と反応副産物が互いに反応したり、気体流出口２２０とその近所に蓄積することを防止して、不要な堆積と汚染物の発生を防止する。
【００６０】
反応器７００はまた、電気的に接地された保護接地板又は保護接地膜６５０を含むことができる。保護接地板６５０は、反応器７００をプラズマ強化原子層堆積法で用いる場合、気体流入口２１０、２１２及び気体流出口２２０で発生し得る寄生プラズマを防止する役割を果たす。
【００６１】
保護接地板６５０の第１部分６５０ａは、気体流入口側から、下部気体流れ調節板２４２の気体流入溝の下部表面に位置する。保護接地板６５０の第２部分６５０ｂは気体排出口側から、下部気体流れ調節板２４２の上部表面の一部であるパージ気体チャンネル７０７の下部面の上に位置する。保護接地板６５０の役割及び物質などは図７に示した保護接地板６０６と類似しているので、具体的な説明は省略する。
【００６２】
前述の実施例において、単に２種類の反応気体が原子層堆積法に使用されており、酸素プラズマパルスとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をその例に挙げて説明したが、本発明の実施例による原子層堆積法では、三つ以上の反応気体が用いられることができる。この時、前述のように、バルブや板を利用して、三つ以上の反応気体は時間及び空間的に分離されて、順に周期的に反応空間に供給されることができる。任意の一つの反応気体が一つの気体流入口に供給される間、残りの気体流入口には全てパージ気体が供給されるのが望ましい。また、各反応気体の供給周期の間には、全ての気体流入口がパージされるのが望ましい。一つ以上の反応気体の供給周期の間、プラズマは選択的に供給されることができる。また、完全に分離された原子層堆積反応が行われる条件下では、反応気体のうちの一部は同時に供給されることもできる。また、前述の本発明の実施例による原子層堆積反応器は、多様な種類の堆積工程に適用されることができる。
【００６３】
本発明の範囲は前記実施例に限定されず、本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有する者によって、自明な多くの変形が行われることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は高品質の薄膜を形成すると同時に、反応気体を急速に転換できる原子層堆積法に適した反応器を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来の一つの気体流れ調節板を含む原子層堆積装置の反応器及び気体の流れを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例による複数の反応気体流入口及び複数の気体流れ調節板を含む原子層堆積装置の反応器を示す断面斜視図である。
【図３】図２に示した原子層堆積装置の気体流れ調節板を示す斜視図である。
【図４】図２に示した原子層堆積装置の気体流れ調節板を示す斜視図である。
【図５】図２に示した原子層堆積装置の反応器を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施例による原子層堆積装置を利用して薄膜を堆積する方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の他の一実施例による保護接地板を有する反応器を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施例によるパージ気体流れチャンネルを含む原子層堆積装置の反応器を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１００  原子層堆積反応器
１０１  反応器蓋
１０２  反応器支え
１０３  反応チャンバー
１１０  気体流入口
１１１  気体流入チャンネル
１２０  気体流出口
１２１  気体流出チャンネル
１３０  反応器蓋加熱部
１４０  気体流れ調節板
１５０  基板
１５１  反応空間
１５１ａ  気体流入部
１５１ｂ  気体流出部
１６０  基板支持台
１７０  基板加熱部
２００  原子層堆積器
２０１  反応器蓋
２０２  反応器支え
２０３  上板
２０４  側壁
２０５  気体流れ調節部
２１０  第１気体流入口
２１１  第１流入チャンネル
２１２  第２気体流入口
２１３  第２流入チャンネル
２１５  気体集配部
２２０  気体流出口
２２１  流出チャンネル
２３０  反応器蓋加熱部
２４０  上部気体流れ調節板
２４１ａ  第１気体流入溝
２４１ｂ  第２気体流入溝
２４２  下部気体流れ調節板
２４２ａ  凸部
２４３  下部流入溝
２４５  貫通孔
２４６  中央溝
２５０  基板
２５１  反応空間
２５１ａ  気体流入部
２５１ｂ  気体流出部
２６０  基板支持台
２７０  基板加熱部
２７２  中央支持ピン
２７３  支持ピン駆動手段
２８０  反応気体遮断通路
２８０ａ  隙間
２８４  上下移動手段
２９０  プラズマ発生電極
２９１  導電性管
２９１ａ  絶縁体
２９２  反応器支え駆動部
２９８  外壁
２９９  外部排気部
６００  原子層堆積反応器
６０６  保護接地板
６０６ａ  第１部分
６０６ｂ  第２部分
６５０  保護接地板
６５０ａ  第１部分
６５０ｂ  第２部分
７００  原子層堆積反応器
７０７  パージ気体チャンネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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