JP3742641B2 - ハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法 - Google Patents
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Description
本発明はハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法に係り、詳細にはTEMAH(Tetra Ethyl Methyl Amino Hafnium)及びTMDSO(Tetra Methyl Di Siloxane)やHMDS(Hexa Methyl Di Silane)とH2OやO3のような酸化剤を利用して基板上にハフニウムシリケート薄膜やハフニウムオキサイド薄膜を蒸着する薄膜蒸着方法に関する。
現在、半導体製造分野では単位素子の生産コストを下げるために大口径のウェーハ基板を使用し、設計ルールを微細化する研究開発が積極的に進行されている。このために、半導体素子をなすキャパシタやゲートに適用される薄膜はさらに高誘電率を有しなければならない。
本発明は前記のような趨勢を反映するために創出されたものであって、素子の超微細化を具現できるように高誘電率の薄膜を蒸着できるハフニウム(Hf)化合物を利用した薄膜蒸着方法を提供することを目的とする。
前記のような目的を達成するために、本発明の一態様は、ウェーハブロック15を収容するリアクターブロック12と、前記リアクターブロック12を覆って所定の圧力を一定に維持させるトップリッド13と、前記トップリッド13の下部に設置されるものとして、第1反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第1噴射ホール14aと、第2反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第2噴射ホール14bと、第3反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第3噴射ホール14cとを有するシャワーヘッド14とを含む反応容器10を利用して基板w上にハフニウムシリケート薄膜(以下、HfSixOy薄膜という)を蒸着する方法を提供する。その方法は前記ウェーハブロック15上に基板wを載置させる基板載置段階(S100)と、HfSixOy薄膜蒸着のための反応ガスを前記基板w上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階(S200)とを含む。前記薄膜蒸着段階(S200)は、前記第1反応ガスであるTEMAH(Hf((C2H5)(CH3)N)4)を前記第1噴射ホール14aを通じて前記基板wの上部に噴射する第1反応ガスフィーディング段階(S20−1)と第3反応ガスであるO3またはH2Oのうち何れか一つを第3噴射ホール14cを通じて前記基板wの上部に噴射する第3反応ガスフィーディング段階(S20−3)とを交互に行う段階と、前記第1反応ガスフィーディング段階(S20−1)と第3反応ガスフィーディング段階(S20−3)間に不活性ガスを前記シャワーヘッドの全ての噴射ホールを通じて噴射することによって前記反応容器10をパージさせる第1、3反応ガスパージ段階(S20−2,S20−4)を含んでなるサイクルをN回反復してなる1次薄膜蒸着段階(S20)と、前記N反復段階以後に前記第2反応ガスであるTMDSO(O(Si(CH3)2H)2)またはHMDS((CH3)3Si)2)のうち何れか一つを前記第2噴射ホール14bを通じて前記基板wの上部に噴射する第2反応ガスフィーディング段階(S21−1)と第3反応ガスであるO3またはH2Oのうち何れか一つを第3噴射ホール14cを通じて前記基板wの上部に噴射する第3反応ガスフィーディング段階(S21−3)を交互に行う段階と、前記第2反応ガスフィーディング段階(S21−1)と第3反応ガスフィーディング段階(S21−3)間に不活性ガスを前記シャワーヘッドの全ての噴射ホールを通じて噴射することによって前記反応容器10をパージさせる第2、3反応ガスパージ段階(S21−2,S21−4)を含んでなるサイクルをM回反復する2次薄膜蒸着段階(S21)とを含む総合的な段階(S20+S21)を少なくとも1回以上反復するものであり、第1、2、3噴射ホール14a,14b,14cのうち何れか一つから関連する反応ガスを噴射する時、他の噴射ホールから不活性ガスを噴射することを特徴とする。
シャワーヘッド14は、前記基板wの外周側(リアクターブロックの内側壁)に噴射する多数のガスカーテンホール14dをさらに含み、前記薄膜蒸着段階(S200)は前記ガスカーテンホール14dを通じた不活性ガスの噴射と共に行なわれるのが好ましい。
前記第1反応ガスを噴射する第1噴射ホール14aと前記第2反応ガスを噴射する第2噴射ホール14bとは同じであってもよい。
本発明の第2の態様は、ウェーハブロック15’を収容するリアクターブロック12’と、前記リアクターブロック12’を覆って所定の圧力を一定に維持させるトップリッド13’と、前記トップリッド13’の下部に設置されるものとして、第1反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第1噴射ホール14a’と、第2反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第2噴射ホール14b’と、不活性ガスを基板wの外側に噴射する多数のガスカーテンホール14d’とを有するシャワーヘッド14’とを含む反応容器10’を利用して基板w上にハフニウムオキサイド薄膜(以下、HfO2薄膜という)を蒸着する方法であって、ウェーハブロック15’上に基板wを載置させる基板載置段階(S1)と、HfO2薄膜蒸着のための反応ガスを前記基板w上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階(S2)とを含む。薄膜蒸着段階(S2)は、前記ガスカーテンホール14d’を通じて前記基板wの外側に不活性ガスを噴射しつつ、前記第1反応ガスであるTEMAH(Hf((C2H5)(CH3)N)4)を前記第1噴射ホール14a’を通じて前記基板wの上部に噴射する第1反応ガスフィーディング段階(S2−1)と前記第2反応ガスであるO3またはH2Oのうち何れか一つを前記第2噴射ホール14b’を通じて前記基板wの上部に噴射する第2反応ガスフィーディング段階(S2−3)とを交互に行う段階と、前記第1反応ガスフィーディング段階(S2−1)と第2反応ガスフィーディング段階(S2−3)間に不活性ガスを前記シャワーヘッドの全ての噴射ホールを通じて噴射することによって前記反応容器をパージさせる第1、2反応ガスパージ段階(S2−2,S2−4)とを含んでなる原子層蒸着サイクルを少なくとも1回以上反復することを含み、第1、2噴射ホール14a’,14b’のうち何れか一つから関連する反応ガスを噴射する時、他の噴射ホールから不活性ガスを噴射することを特徴とする。
本発明の第2の態様は、ウェーハブロック15’を収容するリアクターブロック12’と、前記リアクターブロック12’を覆って所定の圧力を一定に維持させるトップリッド13’と、前記トップリッド13’の下部に設置されるものとして、第1反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第1噴射ホール14a’と、第2反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第2噴射ホール14b’と、不活性ガスを基板wの外側に噴射する多数のガスカーテンホール14d’とを有するシャワーヘッド14’とを含む反応容器10’を利用して基板w上にハフニウムオキサイド薄膜(以下、HfO2薄膜という)を蒸着する方法であって、ウェーハブロック15’上に基板wを載置させる基板載置段階(S1)と、HfO2薄膜蒸着のための反応ガスを前記基板w上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階(S2)とを含む。薄膜蒸着段階(S2)は、前記ガスカーテンホール14d’を通じて前記基板wの外側に不活性ガスを噴射しつつ、前記第1反応ガスであるTEMAH(Hf((C2H5)(CH3)N)4)を前記第1噴射ホール14a’を通じて前記基板wの上部に噴射する第1反応ガスフィーディング段階(S2−1)と前記第2反応ガスであるO3またはH2Oのうち何れか一つを前記第2噴射ホール14b’を通じて前記基板wの上部に噴射する第2反応ガスフィーディング段階(S2−3)とを交互に行う段階と、前記第1反応ガスフィーディング段階(S2−1)と第2反応ガスフィーディング段階(S2−3)間に不活性ガスを前記シャワーヘッドの全ての噴射ホールを通じて噴射することによって前記反応容器をパージさせる第1、2反応ガスパージ段階(S2−2,S2−4)とを含んでなる原子層蒸着サイクルを少なくとも1回以上反復することを含み、第1、2噴射ホール14a’,14b’のうち何れか一つから関連する反応ガスを噴射する時、他の噴射ホールから不活性ガスを噴射することを特徴とする。
本発明によるハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法によれば、素子の超微細化を具現することによって高誘電率のHfSixOy薄膜やHfO2薄膜をさらに容易に蒸着できる。特に、HfSixOy薄膜の場合、薄膜内の全体的な組成比の制御、薄膜厚さの均一性の改善にさらに有利である。
以下、添付された図面を参照しつつ本発明によるハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法を詳細に説明する。
図1は、本発明によるハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第1実施例を行う薄膜蒸着装置の概略図であり、図2は、図1の薄膜蒸着方法のうち薄膜蒸着段階のフローチャートである。
図1は、本発明によるハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第1実施例を行う薄膜蒸着装置の概略図であり、図2は、図1の薄膜蒸着方法のうち薄膜蒸着段階のフローチャートである。
ハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第1実施例は、基板上にHfSixOy薄膜を蒸着するためのものであって、これを具現するための薄膜蒸着装置は、図1に示されたように、基板wが受納される反応容器10と、少なくとも2つ以上の反応ガス及び/または不活性ガスを反応容器10に供給するためのガス供給部20と、反応容器内のガスを排気させるための排気装置30と、反応容器10に基板wを供給または取出するための移送モジュール40とを含む。
反応容器10は、ウェーハブロック15を収容するリアクターブロック12と、リアクターブロック12を覆って所定の圧力を一定に維持させるトップリッド13と、トップリッド13の下部に設置されて反応ガス及び/または不活性ガスを噴射するシャワーヘッド14とを有する。
シャワーヘッド14には流入される第1反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第1噴射ホール14aと、流入される第2反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第2噴射ホール14bと、流入される第3反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第3噴射ホール14cとが形成されている。さらに、シャワーヘッド14には流入される不活性ガスを基板wの外側(リアクターブロック12の内壁)に向けて噴射するガスカーテンホール14dが形成されている。ここで、第1、2、3噴射ホール14a,14b,14cの各々と、ガスカーテンホール14dとはシャワーヘッド14の内部で互いに会わない。従って、少なくとも2つ以上の反応ガスと不活性ガスとはシャワーヘッド14の内部で混ざり合わない。また、第1、2、3噴射ホール14a,14b,14cは、一定の間隔で形成される。また、ガスカーテンホール14dも一定の間隔で形成される。ガスカーテンホール14dから噴射される不活性ガスは、ガスカーテンを形成して薄膜が反応容器の内側壁の表面に蒸着されることを最小化または防止する。したがって、反応容器10のクリーニング周期をさらに延ばせる。
ウェーハブロック15は、薄膜が蒸着される基板wが載置される所であって、基板wを任意の温度に加熱させる。
ガス供給部20から分岐されて第1反応ガスを供給する第1ガスライン21は第1噴射ホール14aと連結される。第2反応ガスを供給する第2ガスライン22は第2噴射ホール14bと連結される。第3反応ガスを供給する第3ガスライン23は第3噴射ホール14cと連結される。また、不活性ガスを供給する不活性ガスライン24は、ガスカーテンホール14dと連結される。ガス供給部20にはMFC(マスフローコントローラ)とガス流れ開閉弁が設置されて反応ガスや不活性ガスを流量制御した後、所望のガスラインを通じて反応容器10に供給する。
ガス供給部20から分岐されて第1反応ガスを供給する第1ガスライン21は第1噴射ホール14aと連結される。第2反応ガスを供給する第2ガスライン22は第2噴射ホール14bと連結される。第3反応ガスを供給する第3ガスライン23は第3噴射ホール14cと連結される。また、不活性ガスを供給する不活性ガスライン24は、ガスカーテンホール14dと連結される。ガス供給部20にはMFC(マスフローコントローラ)とガス流れ開閉弁が設置されて反応ガスや不活性ガスを流量制御した後、所望のガスラインを通じて反応容器10に供給する。
反応容器10と移送モジュール40とはVAT弁(ゲートバルブ)11によって連結され、真空状態を維持した状態でロボットアームは移送モジュール40の基板wをVAT弁11を通じて反応容器10に移送させる。
次いで、前記薄膜蒸着装置を利用して基板上にHfSixOy薄膜を蒸着する方法を説明する。
ハフニウム化合物を利用して基板上にHfSixOy薄膜を蒸着するために、ウェーハブロック15上に基板wを載置させる基板載置段階(S100)と、HfSixOy薄膜の蒸着のための反応ガスを基板w上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階(S200)とを行う。
ハフニウム化合物を利用して基板上にHfSixOy薄膜を蒸着するために、ウェーハブロック15上に基板wを載置させる基板載置段階(S100)と、HfSixOy薄膜の蒸着のための反応ガスを基板w上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階(S200)とを行う。
基板載置段階(S100)では、ロボットアーム(図示せず)が移送モジュール40から基板を取り出して反応容器10に運び、ウェーハブロック15上に載置させる。この段階で、基板wは処理に必要な温度まで十分に予熱されていることが好ましい。
薄膜蒸着段階(S200)では、第1反応ガスにはHf((C2H5)(CH3)N)4を利用し、第2反応ガスにはシリコン原料としてTMDSO(O(Si(CH3)2H)2)またはHMDS(((CH3)3Si)2)のうち何れか一つを利用し、第3反応ガスとしてO3またはH2Oのうち何れか一つを利用する。例えば、第1、2反応ガスは、液状原料を各々収容する原料容器に不活性ガスを供給してバブリングさせることによって発生する。
薄膜蒸着段階(S200)では、大きく第1反応ガスフィーディング段階(S20−1)→第1反応ガスパージ段階(S20−2)→第3反応ガスフィーディング段階(S20−3)→第3反応ガスパージ段階(S20−4)をなすサイクルをN回行う1次薄膜蒸着段階(S20)と、1次薄膜蒸着段階(S20)以後、第2反応ガスフィーディング段階(S21−1)→第2反応ガスパージ段階(S21−2)→第3反応ガスフィーディング段階(S21−3)→第3反応ガスパージ段階(S21−4)をなすサイクルをM回行う2次薄膜蒸着段階(S21)とを含む総合的な段階を少なくとも1回以上行われる。
1次薄膜蒸着段階のうち第1反応ガスフィーディング段階(S20−1)は、不活性ガスと混合された第1反応ガスを第1噴射ホール14aを通じて基板w上に噴射する段階である。
1次薄膜蒸着段階のうち第1反応ガスパージ段階(S20−2)は、第1反応ガスのフィーディングを停止し、反応容器10の内部に既に流入された後に基板wに吸着されていない残りの第1反応ガスをパージする段階である。第1反応ガスパージ段階(S20−2)は、不活性ガスを全ての噴射ホールを通じて反応容器10内にフィーディングさせることによって行われ、パージされた第1反応ガスは排気装置30を経て外部に排気される。
1次薄膜蒸着段階のうち第3反応ガスフィーディング段階(S20−3)は、第3反応ガスを第3噴射ホール14cを通じて基板w上に噴射する段階である。
1次薄膜蒸着段階のうち第3反応ガスパージ段階(S20−4)は、不活性ガスを全ての噴射ホールを通じて反応容器10内にフィーディングさせることによって行われる。第3反応ガスパージ段階(S20−4)を通じて薄膜蒸着に使われていないガスと化学反応副生成物ガスとは反応容器10から排気される。
1次薄膜蒸着段階のうち第3反応ガスパージ段階(S20−4)は、不活性ガスを全ての噴射ホールを通じて反応容器10内にフィーディングさせることによって行われる。第3反応ガスパージ段階(S20−4)を通じて薄膜蒸着に使われていないガスと化学反応副生成物ガスとは反応容器10から排気される。
このように、1次薄膜蒸着段階(S20)は、第1反応ガスフィーディング、パージ段階(S20−1,S20−2)、第3反応ガスフィーディング、パージ段階(S20−3,S20−4)よりなる原子層蒸着(ALD)サイクルをN回反復することによって基板w上に1次薄膜を形成させる。
1次薄膜蒸着段階(S20)以後に行われる2次薄膜蒸着段階(S21)のうち第2反応ガスフィーディング段階(S21−1)は、第2反応ガスを第2噴射ホール14bを通じて基板w上に噴射する段階である。
2次薄膜蒸着段階のうち第2反応ガスパージ段階(S21−2)は、第2反応ガスのフィーディングを停止し、反応容器10の内部に既に流入された後、基板wに吸着されていない残りの第2反応ガスをパージする段階である。第2反応ガスパージ段階(S21−2)は、不活性ガスを第2噴射ホール14bを通じて反応容器10内にフィーディングさせることによって行われ、パージされた第2反応ガスは排気装置30を経て外部に排気される。
2次薄膜蒸着段階のうち第3反応ガスフィーディング段階(S21−3)は、第3反応ガスを第3噴射ホール14cを通じて反応容器10内にフィーディングさせることによって行われ、第3反応ガスパージ段階(S21−4)は、不活性ガスを全ての噴射ホールを通じて反応容器10内にフィーディングさせることによって行われる。
このように、2次薄膜蒸着段階(S21)は、第2反応ガスフィーディング、パージ段階(S21−1,S21−2)、第3反応ガスフィーディング、パージ段階(S21−3,S21−4)よりなるサイクルをM回反復することによって1次薄膜上に2次薄膜を形成させる。
従って、第1実施例では、HfO2単原子層がN回蒸着され、その上にSiO2単原子層がM回蒸着され、前記過程(M+N)が少なくとも1回以上繰り返される。
1次薄膜蒸着段階(S20)と2次薄膜蒸着段階(S21)とは連続的に行なわれる。所望の最終的な厚さの薄膜を形成するために前述した総合的な段階((S20)+(S21))を少なくとも1回以上反復する。本実施例では、1次薄膜蒸着段階(S20)の後に2次薄膜蒸着段階(S21)を行ったが、逆順で行なってもよい。
1次薄膜蒸着段階(S20)と2次薄膜蒸着段階(S21)とは連続的に行なわれる。所望の最終的な厚さの薄膜を形成するために前述した総合的な段階((S20)+(S21))を少なくとも1回以上反復する。本実施例では、1次薄膜蒸着段階(S20)の後に2次薄膜蒸着段階(S21)を行ったが、逆順で行なってもよい。
この時、シャワーヘッドのガスカーテンホール14dを通じて不活性ガスを基板wの外側に噴射することが望ましい。すなわち、不活性ガスをフィーディング及びパージが行われる間に噴射する。ガスカーテンホール14dから噴射される不活性ガスは反応容器の内側壁にガスカーテンを形成して薄膜が反応容器の内側壁の表面に蒸着されることを最小化または防止する。したがって、反応容器10のクリーニング周期をさらに延ばせる。
本実施例では、第1ガスライン21と第2ガスライン22とは独立的に区分された第1噴射ホール14aと第2噴射ホール14b各々に連結された構造を有している。しかし、第1噴射ホールと第2噴射ホールとを区分せずに第1、2ガスラインを連結してもよい。すなわち、反応ガス供給部から分岐された第1、2ガスラインが同じ噴射ホールに連結されてもよい。この場合にも、前述したALDサイクルを行うことができる。もちろん、この場合には3つの噴射ホール14a,14b,14cを利用する場合より、パーティクル発生を減らすためにパージタイムを長くすることが好ましい。
また、第1、2、3噴射ホール14a1,4b,14cのうち何れか一つから関連する反応ガスを噴射する時、他の噴射ホールから不活性ガスを噴射することによってガスラインへの逆流を防止し、薄膜厚さの均一性の側面で有利にする。
また、前記段階を通じて基板w内で位置別に一定の組成の薄膜を得、薄膜組成を常に一定にしなければならない再現性の問題を克服できる。
本出願人は前記方法を発明する前に、第1反応ガス(Hfソース)フィーディング→第1反応ガスパージ→第2反応ガス(Siソース)フィーディング→第2反応ガスパージ→第3反応ガス(酸化ガス)フィーディング→第3反応ガスパージ順に薄膜蒸着を行い、その結果、組成比の制御、すなわち薄膜内のHfとSiとO元素の比を調整するのに多くの難しさがあり、さらに再現性に大きい問題があるということを見出した。すなわち、ALD方式では蒸着反応容器の構造、温度条件によってHf:Si:O元素の結合比がレシピ変更によって所望のまま制御できず、一定の結合比を求めることが非常に難しい。特に、3元系ALD方式によれば、Si元素比を上げるのに限界があり、さらに複数枚の基板wに連続的に蒸着する時に薄膜の組成を常に一定にしなければならない再現性の問題、薄膜の均一性の問題、基板内の位置によらず一定の組成比の薄膜を形成する点において基本的に2元系ALDよりは難易度が高い。
本出願人は前記方法を発明する前に、第1反応ガス(Hfソース)フィーディング→第1反応ガスパージ→第2反応ガス(Siソース)フィーディング→第2反応ガスパージ→第3反応ガス(酸化ガス)フィーディング→第3反応ガスパージ順に薄膜蒸着を行い、その結果、組成比の制御、すなわち薄膜内のHfとSiとO元素の比を調整するのに多くの難しさがあり、さらに再現性に大きい問題があるということを見出した。すなわち、ALD方式では蒸着反応容器の構造、温度条件によってHf:Si:O元素の結合比がレシピ変更によって所望のまま制御できず、一定の結合比を求めることが非常に難しい。特に、3元系ALD方式によれば、Si元素比を上げるのに限界があり、さらに複数枚の基板wに連続的に蒸着する時に薄膜の組成を常に一定にしなければならない再現性の問題、薄膜の均一性の問題、基板内の位置によらず一定の組成比の薄膜を形成する点において基本的に2元系ALDよりは難易度が高い。
前記問題点を改善するために、前述したように、第1反応ガスフィーディング段階(S20−1)→第1反応ガスパージ段階(S20−2)→第3反応ガスフィーディング段階(S20−3)→第3反応ガスパージ段階(S20−4)からなるサイクルをN回行う1次薄膜蒸着段階(S20)と、1次薄膜蒸着段階(S20)の後、第2反応ガスフィーディング段階(S21−1)→第2反応ガスパージ段階(S21−2)→第3反応ガスフィーディング段階(S21−3)→第3反応ガスパージ段階(S21−4)からなるサイクルをM回行う2次薄膜蒸着段階(S21)とを含む総合的な段階を少なくとも1回以上行うことによって、レシピを変更する時、Hf:Si:O元素の結合比の制御が可能であり、さらに薄膜内でSi元素比を制御できる。
ここで、第1反応ガスであるHf((C2H5)(CH3)N)4や、第2反応ガスであるO(Si(CH3)2H)2や((CH3)3Si)2の分解温度を考慮してウェーハブロック15上の基板wの温度は80℃から600℃範囲間の任意の温度に維持させる。本実施例で基板wの温度は200℃とした。
また、第1、2反応ガスの分解温度を考慮して第1、2反応ガスを反応容器に移送する第1ガスライン21の温度は、200℃以下に維持することが望ましい。さらに、第3反応ガスであるO3やH2Oを移送する第3ガスライン23の温度も200℃以下に維持する。本実施例では、ガスラインの温度は100℃とした。
一方、薄膜蒸着段階(S200)において反応容器10内の工程圧力は、0.1Torrないし10Torr範囲内にする。本実施例で、工程圧力は1Torrとした。
そして、第1、2反応ガスの液状原料が収容されたそれぞれの原料容器の温度は、18℃〜150℃範囲内にする。本実施例で、原料容器の温度は70℃とした。
そして、第1、2反応ガスの液状原料が収容されたそれぞれの原料容器の温度は、18℃〜150℃範囲内にする。本実施例で、原料容器の温度は70℃とした。
次いで、本発明によるハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第2実施例を説明する。
図3は、本発明によるハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第2実施例を行う薄膜蒸着装置の概略的な構成図である。ハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第2実施例は、基板上にHfO2薄膜を蒸着するためのものであって、これを具現するための薄膜蒸着装置は、図3に示されたように、基板wが収納されて薄膜が蒸着される反応容器10’と、少なくとも2つ以上の反応ガス及び/または不活性ガスを反応容器10’に供給するためのガス供給部20’と、反応容器内のガスを排気させるための排気装置30’と、反応容器10’に基板wを供給または取り出すための移送モジュール40’とを含む。
図3は、本発明によるハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第2実施例を行う薄膜蒸着装置の概略的な構成図である。ハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法の第2実施例は、基板上にHfO2薄膜を蒸着するためのものであって、これを具現するための薄膜蒸着装置は、図3に示されたように、基板wが収納されて薄膜が蒸着される反応容器10’と、少なくとも2つ以上の反応ガス及び/または不活性ガスを反応容器10’に供給するためのガス供給部20’と、反応容器内のガスを排気させるための排気装置30’と、反応容器10’に基板wを供給または取り出すための移送モジュール40’とを含む。
反応容器10’は、ウェーハブロック15’を収容するリアクターブロック12’と、リアクターブロック12’を覆って所定の圧力を一定に維持させるトップリッド13’と、トップリッド13’の下部に設置されて反応ガス及び/または不活性ガスを噴射するシャワーヘッド14’とを有する。
シャワーヘッド14’には流入される第1反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第1噴射ホール14a’と、流入される第2反応ガスを基板wの上部に噴射する多数の第2噴射ホール14b’と、流入される不活性ガスを基板wの外側に噴射するガスカーテンホール14d’と、が形成されている。それぞれの第1、2噴射ホール14a’,14b’とガスカーテンホール14d’とはシャワーヘッド14’の内部で互いに会わず、それぞれのホールは一定の間隔で形成される。
ウェーハブロック15’は、第1実施例で使われたものと同じであり、ガス供給部20’から分岐された第1ガスライン21’と第2ガスライン22’とは、各々第1噴射ホール14a’と第2噴射ホール14b’とに連結され、不活性ガスライン24’はガスカーテンホール14d’と連結される。ガス供給部20’には第1実施例と同様にMFCとガス流れ開閉弁が設置されて反応ガスや不活性ガスを流量制御した後、所望のガスラインを通じて反応容器10’に供給できる。そして、反応容器10’と移送モジュール40’とは第1実施例のようにVAT弁11’によって連結される。
次いで、図3の薄膜蒸着装置を利用して基板上にHfO2薄膜を蒸着する方法を説明する。
ハフニウム化合物を利用して基板上にHfO2薄膜を蒸着する方法は、ウェーハブロック15’上に基板wを載置させる基板載置段階(S1)と、HfO2薄膜の蒸着のための反応ガスを基板w上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階(S2)とを含む。
ハフニウム化合物を利用して基板上にHfO2薄膜を蒸着する方法は、ウェーハブロック15’上に基板wを載置させる基板載置段階(S1)と、HfO2薄膜の蒸着のための反応ガスを基板w上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階(S2)とを含む。
基板載置段階(S1)では、ロボットアーム(図示せず)が移送モジュール40から基板を取り出して反応容器10’に運び、ウェーハブロック15’上に載置させる。この段階では、基板wの予熱が共に行われる。
薄膜蒸着段階(S2)は、ガスカーテンホール14d’を通じて不活性ガスを基板wの外側に噴射しながら行われる。第1反応ガスにHf((C2H5)(CH3)N)4を利用し、第2反応ガスにO3またはH2Oのうち何れか一つを選択して利用する。ここで、第1反応ガスは液状原料が収容された原料容器に不活性ガスを供給してバブリングさせることによって発生する。これを詳細に説明すれば、次の通りである。
薄膜蒸着工程に必要な温度まで基板wが十分に予熱された後、薄膜蒸着段階(S2)の第1段階として、不活性ガスと混合された第1反応ガス(TEMAH)を反応容器10’内にフィーディングして第1噴射ホール14a’を通じて基板w上に噴射する第1反応ガスフィーディング段階(S2−1)を行う。
次いで、薄膜蒸着段階(S2)の第2段階として、第1反応ガスのフィーディングを停止し、反応容器10’の内部に既に流入された後基板wに吸着されていない残りの第1反応ガスをパージさせる第1反応ガスパージ段階(S2−2)を行う。第1反応ガスパージ段階(S2−2)は、不活性ガスを全ての噴射ホールを通じて反応容器10’内にフィーディングさせることによって行われ、パージされた第1反応ガスは排気装置30’を経て外部に排気される。
次いで、薄膜蒸着段階(S2)の第3段階として、第2反応ガスを反応容器10’内にフィーディングして第2噴射ホール14b’を通じて基板w上に第2反応ガスを噴射する第2反応ガスフィーディング段階(S2−3)を行う。第2反応ガスフィーディング段階(S2−3)で、第2反応ガスは第1反応ガスと反応して基板w上にHfO2薄膜が蒸着され、薄膜蒸着に使われていないガスと化学反応副生成物ガスとが反応容器10’に存在する。
次いで、薄膜蒸着段階(S2)の第4段階として、第2反応ガスを反応容器10’からパージする第2反応ガスパージ段階(S2−4)を行う。第2反応ガスパージ段階(S2−4)は、不活性ガスを全ての噴射ホールを通じて反応容器10’内にフィーディングさせることによって行われる。第2反応ガスパージ段階(S2−4)を通じて薄膜蒸着に使われていない第2反応ガスと化学反応副生成物ガスとは反応容器10’から排気される。
前記第1反応ガスフィーディング段階(S2−1)、第1反応ガスパージ段階(S2−2)、第2反応ガスフィーディング段階(S2−3)、第2反応ガスパージ段階(S2−4)は、順次的なALDサイクルであって、これを少なくとも1回以上反復することによって必要な厚さの薄膜を蒸着する。この時、前記フィーディング及びパージが行われる間に、ガスカーテンホール14d’から噴射される不活性ガスはガスカーテンを形成して薄膜が反応容器の内側壁の表面に蒸着されることを最小化することによって、反応容器10のクリーニング周期をさらに延ばせる。また、第1、2噴射ホール14a’,14b’のうち何れか一つに当該反応ガスを噴射する時、他の噴射ホールから不活性ガスを噴射させてガスラインへの逆流を防止し、薄膜厚さの均一性の側面で有利にできる。
ここで、第1反応ガスであるHf((C2H5)(CH3)N)4の分解温度及び必要なパージタイムを考慮してウェーハブロック15’上の基板wの温度は80℃から600℃の範囲間の任意の温度に維持させる。本実施例で、基板wの温度は200℃とした。
また、第1反応ガスの分解温度を考慮して第1ガスライン21’の温度は、200℃以下に維持することが望ましい。さらに、O3やH2Oを移送する第2ガスライン22’の温度も200℃以下に維持する。本実施例で、第1ガスライン21’の温度は100℃とした。
一方、薄膜蒸着段階(S2)において、反応容器10’内の工程圧力は、0.1Torrないし10Torrの範囲内にする。本実施例で、工程圧力は1Torrとした。
また、第1反応ガスの液状原料が収容された原料容器の温度は、0℃〜150℃の範囲内にする。本実施例で、原料容器の温度は70℃とした。
また、第1反応ガスの液状原料が収容された原料容器の温度は、0℃〜150℃の範囲内にする。本実施例で、原料容器の温度は70℃とした。
前記のようなALDサイクルを反復することによって基板w上に蒸着されるHfO2薄膜は、図4に示されたように、サイクル数に比例して厚さが増す線形性を有する。
次いで、前記のような工程条件下で行われる化学反応機構を説明する。
次いで、前記のような工程条件下で行われる化学反応機構を説明する。
下記反応式(1−1)及び(1−2)はHfO2薄膜蒸着のための第2反応ガスとしてO3を使用する。
下記反応式(2−1)及び(2−2)は第2反応ガスとしてH2Oを使用する。
本発明のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法は、ウェーハ基板に高誘電物であるHfSixOy薄膜やHfO2薄膜を容易に蒸着できるので設計ルールを微細化できて、結果的に単位素子の生産コストを下げろうとする半導体の製造に有用に適用できる。
10…反応容器
11…VAT弁
12…リアクターブロック
13…トップリッド
14…シャワーヘッド
14a…第1噴射ホール
14b…第2噴射ホール
14c…第3噴射ホール
14d…ガスカーテンホール
15…ウェーハブロック
20…ガス供給部
21…第1ガスライン
22…第2ガスライン
23…第3ガスライン
24…不活性ガスライン
30…排気装置
40…移送モジュール
w…基板
11…VAT弁
12…リアクターブロック
13…トップリッド
14…シャワーヘッド
14a…第1噴射ホール
14b…第2噴射ホール
14c…第3噴射ホール
14d…ガスカーテンホール
15…ウェーハブロック
20…ガス供給部
21…第1ガスライン
22…第2ガスライン
23…第3ガスライン
24…不活性ガスライン
30…排気装置
40…移送モジュール
w…基板
Claims (11)
- ウェーハブロックを収容するリアクターブロックと、前記リアクターブロックを覆って前記リアクターブロック内の圧力を一定に維持させるトップリッドと、前記トップリッドの下部に設置されるものであって、第1反応ガスを前記ウェーハブロック上に配置された基板の上部に噴射する多数の第1噴射ホールと、第2反応ガスを前記基板の上部に噴射する多数の第2噴射ホールと、第3反応ガスを前記基板の上部に噴射する多数の第3噴射ホールとを有するシャワーヘッドと、を含む反応容器を利用して前記基板上にハフニウムシリケート薄膜を蒸着する方法において、
前記ウェーハブロック上に基板を載置させる基板載置段階と、ハフニウムシリケート薄膜蒸着のための反応ガスを前記基板上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階とを含み、前記薄膜蒸着段階は、
前記第1反応ガスであるHf((C2H5)(CH3)N)4を前記第1噴射ホールを通じて前記基板の上部に噴射する第1反応ガスフィーディング段階と、第3反応ガスであるO3またはH2Oのうち何れか一つを第3噴射ホールを通じて前記基板の上部に噴射する第3反応ガスフィーディング段階とを交互に行う段階と、前記第1反応ガスフィーディング段階と第3反応ガスフィーディング段階との間に不活性ガスを前記シャワーヘッドの全ての噴射ホールを通じて噴射することによって前記反応容器をパージさせる第1、3反応ガスパージ段階とを含むサイクルをN回反復する1次薄膜蒸着段階と、
前記サイクルをN回反復した後に、前記第2反応ガスであるO(Si(CH3)2H)2または((CH3)3Si)2のうち何れか一つを前記第2噴射ホールを通じて前記基板の上部に噴射する第2反応ガスフィーディング段階と第3反応ガスであるO3またはH2Oのうち何れか一つを第3噴射ホールを通じて前記基板の上部に噴射する第3反応ガスフィーディング段階とを交互に行う段階と、前記第2反応ガスフィーディング段階と第3反応ガスフィーディング段階間に不活性ガスを前記シャワーヘッドの全ての噴射ホールを通じて噴射することによって前記反応容器をパージさせる第2、3反応ガスパージ段階とを含むサイクルをM回反復する2次薄膜蒸着段階と、を含む総合的な段階を少なくとも1回以上反復することを含み、 前記第1、2、3噴射ホールのうち何れか一つから関連する反応ガスを噴射する時、他の噴射ホールからは不活性ガスを噴射することを特徴とするハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。 - ウェーハブロックを収容するリアクターブロックと、前記リアクターブロックを覆って前記リアクターブロック内の圧力を一定に維持するトップリッドと、前記トップリッドの下部に設置され、第1反応ガスを、前記ウェーハブロックに支持された基板の上部に噴射する多数の第1噴射ホールと、第2反応ガスを前記基板の上部に噴射する多数の第2噴射ホールと、不活性ガスを前記基板の外側に噴射する多数のガスカーテンホールとを有するシャワーヘッドと、を含む反応容器を利用して前記基板上にハフニウムオキサイド薄膜を蒸着する方法において、
前記ウェーハブロック上に前記基板を載置させる基板載置段階と、HfO2薄膜蒸着のための反応ガスを前記基板上に噴射して薄膜を蒸着する薄膜蒸着段階とを含み、
前記薄膜蒸着段階は、前記ガスカーテンホールを通じて前記基板の外側に不活性ガスを噴射しつつ、
前記第1反応ガスであるHf((C2H5)(CH3)N)4を前記第1噴射ホールを通じて前記基板の上部に噴射する第1反応ガスフィーディング段階と、前記第2反応ガスであるO3またはH2Oのうち何れか一つを前記第2噴射ホールを通じて前記基板の上部に噴射する第2反応ガスフィーディング段階とを交互に行う段階と、前記第1反応ガスフィーディング段階と第2反応ガスフィーディング段階との間に不活性ガスを前記シャワーヘッドの全ての噴射ホールを通じて噴射することによって前記反応容器をパージさせる第1、2反応ガスパージ段階と、を含んでなる原子層蒸着サイクルを少なくとも1回以上反復することを含み、
前記第1、2噴射ホールのうち何れか一つから関連する反応ガスを噴射する時、他の噴射ホールから不活性ガスを噴射することを特徴とするハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。 - 前記シャワーヘッドは、前記基板の外側に向けて不活性ガスを噴射する多数のガスカーテンホールをさらに有し、前記薄膜蒸着段階は、前記ガスカーテンホールを通じた不活性ガスの噴射と共に行なわれることを特徴とする請求項1に記載のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。
- 前記ウェーハブロック上の基板の温度を、80℃〜600℃の範囲内に維持する工程を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。
- 前記第1、2、3反応ガスを前記反応容器に移送するガスラインの温度を、200℃以下に維持する工程を更に備えることを特徴とする請求項1または3に記載のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。
- 前記薄膜蒸着段階における前記反応容器内の圧力は、0.1ないし10Torrの範囲内であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。
- 前記第1反応ガスの原料容器の温度を18℃〜150℃の範囲内に維持する工程を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。
- 前記第1反応ガスを噴射する第1噴射ホールと前記第2反応ガスを噴射する第2噴射ホールとは同じであることを特徴とする請求項1または3に記載のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。
- 前記第1反応ガス及び第2反応ガスを前記反応容器に移送するガスラインの温度は、200℃以下の範囲内であることを特徴とする請求項2に記載のハフニウム化合物を利用した薄膜蒸着方法。
- 反応容器内で基板上にハフニウムシリケート薄膜を蒸着する方法において、
Hf((C2H5)(CH3)N)4ガスを前記基板の上部に供給する工程と、不活性ガスを前記反応容器に供給してHf((C2H5)(CH3)N)4ガスをパージする工程と、O3ガスまたはH2Oガスのうち何れか一つを前記基板の上部に供給する工程とを複数回繰り返して、複数のHfO2単原子層を積層する工程と、
O(Si(CH3)2H)2ガスまたは((CH3)3Si)2ガスのうち何れか一つを前記基板の上部に供給する工程と、不活性ガスを前記反応容器に供給して前記O(Si(CH3)2H)2ガスまたは((CH3)3Si)2ガスのうち何れか一つをパージする工程と、O3ガスまたはH2Oガスのうち何れか一つを前記基板の上部に供給する工程とを複数回繰り返して、複数のSiO2単原子層を積層する工程と、
前記複数のHfO2単原子層を積層する工程と、前記複数のSiO2単原子層を積層する工程とを繰り返す工程とを備える方法。 - 前記複数のHfO2単原子層を積層する工程と、前記複数のSiO2単原子層を積層する工程は、前記基板の外側に不活性ガスを噴射しながら行われることを特徴とする請求項10に記載の方法。
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