KR100390830B1 - 원자층 박막 증착장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소오스 및 리액턴트를 제트스트림 플라즈마를 통과시켜 활성화함으로써 ALD TiN박막의 단위 사이클당 증착박막두께를 향상시킬 수 있도록 하는 원자층 박막 증착장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 소오스 가스를 공급하기 위한 소오스 공급용 가스관과, 리액턴트 가스 공급을 위한 리액턴트 공급용 가스관과, 퍼지 가스 공급용 가스관 및 상기 소오스 공급용 가스관과 리액턴트 공급용 가스관의 일단에 각각 연결되며, 상기 소오스 가스와 상기 리액턴트 가스의 반응에 의해 소정의 원자층 박막의 증착이 이루어지는 리액터를 포함하는 원자층박막 증착장치에 있어서, 상기 소오스 공급용 가스관 또는 리액턴트 공급용 가스관 중의 적어도 어느 하나에 연결되는 석영 가스관; 상기 석영 가스관 양 끝에 위치하는 내부 플레이트; 및 상기 석영 가스관의 외부에 배치된 외부전극을 구비하여 상기 소오스 공급용 가스관 또는 리액턴트 공급용 가스관 중의 어느 하나에 공급되는 가스를 제트스트림의 형태로 상기 리액터로 제공하기 위한 제트스트림 플라즈마 발생장치를 더 포함하는 원자층박막 증착장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기한 원자층박막 증착장치를 이용한 원자층박막 증착방법을 제공한다.

Description

원자층 박막 증착장치 및 방법{Apparatus for and method of depositing atomic layer}

본 발명은 반도체소자의 박막 증착장치에 관한 것으로, 특히 원자층박막 증착장치에 관한 것이다.

반도체소자의 미세화에 따라 새로운 박막 증착장비가 필요하게 된다. 이에 따라 개발된 원자층 박막 증착장치는 우수한 스텝 커버리지, 낮은 증착온도, 얇은 두께 제어에 대한 요구를 만족시킬 수 있는 장비이다. 그러나 원자층 증착방법은 근본적으로 소오스(source)와 리액턴트(reactant) 가스의 자기제한적인(self-limited) 흡수 특성을 이용하기 때문에 화학증착장치에 비하여 근원적으로 증착율이 사용하는 소오스 및 리액턴트에 의존하여 일정하고, 매우 작은 값을 갖게 되어 생산량의 향상이 없다면 실제 소자에 적용하는데 많은 경제적 부담을 요구한다.

도1에 종래의 원자층 증착방법을 구현하기 위한 진행파(Traveling wave) 리액터에 대한 개략도와 반응기체를 주입하는 순서를 나타내었다.

도1에서 알 수 있듯이 진행파 리액터를 이용한 원자층 증착방법은 소오스에 노출시켜 표면에 한 층의 소오스를 화학적으로 흡수(chemical absorption)시키고 여분의 물리적 흡수된 소오스들은 이후 불활성가스를 공급하여 퍼지(purge)시킨다. 이러한 한 층의 소오스를 리액턴트 가스에 다시 노출시켜 화학반응을 일으켜 원하는 박막을 형성하고 여분의 리액턴트가스는 불활성가스를 공급하여 퍼지시키는 과정을 한 주기(cycle)로 하여 박막을 성장시킨다. 이러한 자기제한적인 표면반응메카니즘은 컨포멀(conformal)한 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 균일한 박막을 얻을 수 있다. 또한, 원자층 증착방법은 소오스와 리액턴트를 서로 분리하기 때문에 CVD(Chemical vapor deposition)에 비하여 가스 상 반응(Gas phase reaction)에 의한 이물질 생성을 억제한다.

아래의 반응식은 TiN박막 증착을 위한 반응식이다.

6TiN(s) + 24HCl(g) + N2(g)

이상의 원자층 증착을 위한 진행파 리액터는 소오스를 효과적으로 사용하고, 주기 시간을 줄일 수 있으나, 생산량은 TiN의 경우 약 3-4WPH(Wafer per hours)로 양산 적용시 많은 장비와 공간 및 유지비용이 필요하다.

소오스로 TiCl4를, 리액턴트로 NH3를 사용하여 ALD TiN박막을 증착하는 경우, 증착율과 두께는 온도, 반응압력 및 장치에 의존성이 매우 적고, 상술한 원자층 박막 증착방법의 근원적인 자기제한적인 표면반응메카니즘에 따라 약 0.2-0.5Å/주기 값을 보인다.

최근 이러한 근본적인 ALD TiN 증착율의 한계를 극복하기 위하여 Zn을 TiCl4 감소제(reducing agent)로 사용하여 깁스에너지(Gibbs energy)를 감소시켜 증착율을 증가시키려는 노력이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 소오스 및 리액턴트를 제트스트림 플라즈마를 통과시켜 활성화함으로써 ALD TiN박막의 단위 사이클당 증착박막두께를 향상시킬 수 있도록 하는 원자층 박막 증착장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.

도1은 종래의 원자층박막 증착장비 및 가스공급 개략도.

도2는 본 발명에 의한 원자측박막 증착장비의 가스관 연결도.

도3은 본 발명에 의한 원자층박막 증착장비의 제트스트림 플라즈마 발생장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10:제트스트림 플라즈마 발생장치 11:가스관

12:내부플레이트 13:외부전극

14:구멍 15:접지

16:AC전원

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 소오스 가스를 공급하기 위한 소오스 공급용 가스관과, 리액턴트 가스 공급을 위한 리액턴트 공급용 가스관과, 퍼지 가스 공급용 가스관 및 상기 소오스 공급용 가스관과 리액턴트 공급용 가스관의 일단에 각각 연결되며, 상기 소오스 가스와 상기 리액턴트 가스의 반응에 의해 소정의 원자층 박막의 증착이 이루어지는 리액터를 포함하는 원자층박막 증착장치에 있어서, 상기 소오스 공급용 가스관 또는 리액턴트 공급용 가스관 중의 적어도 어느 하나에 연결되는 석영 가스관; 상기 석영 가스관 양 끝에 위치하는 내부 플레이트; 및 상기 석영 가스관의 외부에 배치된 외부전극을 구비하여 상기 소오스 공급용 가스관 또는 리액턴트 공급용 가스관 중의 어느 하나에 공급되는 가스를 제트스트림의 형태로 상기 리액터로 제공하기 위한 제트스트림 플라즈마 발생장치를 더 포함하는 원자층박막 증착장치를 제공한다.또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 원자층박막 증착장치의 가스관을 통해 소정의 소오스가스를 주입하는 단계; 상기 주입된 소오스가스를 제트스트림 플라즈마에 통과시켜 활성화된 래디컬로 만드는 단계; 상기 활성화된 래디컬을 상기 원자층박막 증착장치의 리액터로 공급하여 리액터 안에 장착된 웨이퍼상에 화학적흡수시키는 단계; 상기 소오스가스의 주입을 중단하는 단계; 소정의 퍼지용 가스를 상기 원자층박막 증착장치에 주입하여 남아 있는 상기 활성화 래디컬을 퍼지시키는 단계; 상기 퍼지용 가스의 주입을 중단하는 단계; 소정의 리액턴트가스를 상기 원자층박막 증착장치에 주입하는 단계; 상기 리액턴트가스의 주입을 중단하는 단계; 및 상기 퍼지용 가스를 다시 주입하여 반응하지 않고 남아 있는 리액턴트가스와 반응부산물을 퍼지시키는 단계를 포함하는 원자층박막 증착방법을 제공한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도2는 본 발명에 의한 원자층 박막 증착장비에 연결되는 가스관의 개략도이다. 도2를 참조하면, 밸브(V1)와 밸브(V3)를 열어 소오스인 TiCl4를 공급한다. TiCl4의 유량은 제1유량제어장치(mass flow control;MFC1)로 세팅한다. 이와 같이 공급된 TiCl4는 제트스트림 플라즈마 발생장치(10)에 의해 발생되는 제트스트림 플라즈마를 통과하여 TiCl4, 활성화된 TiCl4(TiCl4*), TiCl3가 되어 원자층 박막 증착장비의 리액터로 공급된다. 이 리액터는 진행파 형태이거나 샤워형태일 수 있다. 또한, 리액터는 수직으로 쌓거나 한 챔버에 2장 이상의 웨이퍼를 장착하여 한 번에 여러 장의 웨이퍼를 처리할 수 있도록 할 수도 있다.

상기의 TiCl4 소오스를 공급함에 있어서, N2,Ar, He와 같은 캐리어가스를 이용하거나 TiCl4 앰플을 일정온도(10℃) 가열하여 자체 TiCl4증기압을 이용하거나 또는 TiCl4를 액체형태로 공급할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 제트스트림 플라즈마 발생장치는 도3과 같이 구성된다. 제트스트림 플라즈마 발생장치의 가스관(11)은 석영(Quartz)으로 되어 있고, 플라즈마를 발생시키기 위한 전극은 원반형의 내부플레이트(12)와 외부전극(13)으로 되어 있다. 내부플레이트(12)는 석영관(11)의 양끝에 위치하며 재질은 금속(예컨대 Ni)으로 만들어진다. 원반형 내부플레이트(12)는 다수개(1개 이상)의 구멍(14)을 가진다. 이 구멍의 지름은 5mm이하로서 발생된 플라즈마가 석영관(11) 밖으로 형성되는 것을 막아준다. 상기 원반형 내부플레이트(12)는 접지(15)로 연결된다. 상기 내부플레이트는 원반형이 아닌 다른 형태를 가질 수 있으며, 내부플레이트의 구멍도 원형이 아닌 다른 형태를 가질 수 있다.

외부전극(13)은 석영관(11)의 외면을 따라 감겨진 코일로 구성된다. 또는 실린더 형태를 가질 수도 있다. 외부전극에는 플라즈마가 형성될 수 있도록 AC전원(16)을 이용하여 고주파(13.56MHz-GHz) 전력(1000W이상)을 AC로 인가한다. 제트스트림 플라즈마에는 항상 고주파 전력을 인가하여 TiCl4가 통과하는 경우에 플라즈마가 생성되도록 한다.

제트스트림 플라즈마를 발생시키기 위해 석영관(11)의 내부압력은 mTorr 범위로 한다.

다시 도2로 돌아가면, 밸브(V1)와 밸브(V3)를 닫고, 밸브(V5)를 열어 퍼지용 가스인 N2와 Ar을 주입한다. 퍼지용 가스 N2와 Ar의 유량은 제4 및 제5유량제어장치(MFC4, MFC5)로 결정한다.

이와 같이 퍼지용 가스를 주입하여 표면에 화학적 흡수가 되지 않은 여분의 TiCl4, 활성화된 TiCl4(TiCl4*), TiCl3를 퍼지한다.

다음에 밸브(V5)를 닫고, 밸브(V7)와 밸브(V8)를 열어 제2유량제어장치 (MFC2)에 의해 유량이 결정된 NH3를 리액터로 공급한다.

이어서 밸브들(V7,V8)을 닫고 제4유량제어장치(MFC4)로 유량이 세팅된 Ar, N2를 밸브(V6)를 열어 이 밸브를 통해 공급하여 반응하지 않은 여분의 NH3와 반응부산물인 HCl, N2를 퍼지한다.

즉, 본 발명의 원자층 박막 증착방법은 먼저, TiCl4 공급용 가스관에 제트스트림 플라즈마를 도입시켜 이 도입된 제트스트림 플라즈마에 TiCl4를 통과시키면 다음과 같이 활성화된 래디컬이 된다.

TiCl4* + TiCl3 + Cl*

이와 같이 활성화된 TiCl4*, TiCl3(래디컬)은 같은 공정조건하에서 NH3와의 반응 깁스 프리 에너지(Gibbs free energy)가 더 작아 강한 반응성을 보인다. 또한, 이러한 래디컬은 NH3 흡수지점에 대한 반응이 강하여 Ti 흡수율을 증가시켜 증착율의 향상을 가져온다.

본 발명의 다른 실시예들로서, 상기 제트스트림 플라즈마를 소오스가 아닌 NH3 가스관에 도입하는 것도 가능하다. 그리고 TiN박막 이외에도 TiOx, BST, STO, PZT, TiSiN, Ti박막 등을 증착하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 이러한 박막들을 증착하는 경우, 박막증착의 활성화 에너지원(activation energy source)으로 열적(thermal) 에너지원, 플라즈마 이용(plasma enhanced) 에너지원, 광 이용(photo-assistent) 에너지원, 리모트 플라즈마(remote plasma) 에너지원 등을 이용할 수 있다. 열적 에너지원을 사용할 경우에는 저항성 히터와 할로겐 램프 등을 증착장치에 적용하고, 플라즈마를 이용하는 에너지원의 경우에는 리모트 RF(Radio frequency)를 이용하여 플라즈마를 구현한다.

TiN, TiOx, TiSiN, Ti박막을 증착하고자 하는 경우에는 소오스로 TiCl4, TDMAT, TEMAT를 사용하고, 리액턴트로 NH3, N2를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 소오스가스, 리액턴트가스, 퍼지용 가스의 유량의 균일성을 확보하기 위하여 리액턴트 외곽의 펌핑포트를 10개 이상 또는 이하로 할 수 있으며, 펌핑포트용 구멍을 원형 또는 다른 형태로 할 수 있다.

또한, TiCl4의 환원을 추가로 확보하기 위해 제트스트림 플라즈마에 H2를 흘려줄 수도 있다.

또한, 제트스트림 플라즈마 발생장치가 연결된 TiCl4 공급관과 제트스트림 플라즈마 발생장치가 연결되지 않은 기존의 TiCl4 공급관을 병렬로 연결하여 사용할 수도 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 기존의 원자층 증착방법에 제트스트림 플라즈마를 도입하여 다음과 같은 효과를 얻는다. 먼저, 기존의 리액터로 TiN박막을 증착하는 경우, 0.2-0.5Å/cycle의 증착율만 가능하여 300Å 두께의 TiN박막이 필요한 TaON(Ta2O5) MIS(Metal insulator semionductor) 커패시터구조에서는 한 공정모듈당 약 3-4WPH 정도의 생산량이 가능하여 30000장 용량의 공장에서는 2개의 공정모듈을 가진 시스템이 약 6대 필요하지만 본 발명의 리액터를 이용할 경우에는 한 공정모듈당 약 8-10WPH가 가능하여 30000장 용량의 공장을 유지하는데 필요한 시스템은 약 4대면 충분하다. 또한, 장비구입 비용의 절감 뿐만 아니라 상대적으로 작은 시스템을 유지하기 때문에 공장내의 공간 절감 및 장비 유지관리 비용의 절감도 예상된다.

Claims (15)

1. 소오스 가스를 공급하기 위한 소오스 공급용 가스관과, 리액턴트 가스 공급을 위한 리액턴트 공급용 가스관과, 퍼지 가스 공급용 가스관 및 상기 소오스 공급용 가스관과 리액턴트 공급용 가스관의 일단에 각각 연결되며, 상기 소오스 가스와 상기 리액턴트 가스의 반응에 의해 소정의 원자층 박막의 증착이 이루어지는 리액터를 포함하는 원자층박막 증착장치에 있어서,

   상기 소오스 공급용 가스관 또는 리액턴트 공급용 가스관 중의 적어도 어느 하나에 연결되는 석영 가스관;

   상기 석영 가스관 양 끝에 위치하는 내부 플레이트; 및

   상기 석영 가스관의 외부에 배치된 외부전극

   을 구비하여 상기 소오스 공급용 가스관 또는 리액턴트 공급용 가스관 중의 어느 하나에 공급되는 가스를 제트스트림의 형태로 상기 리액터로 제공하기 위한 제트스트림 플라즈마 발생장치

   를 더 포함하는 원자층박막 증착장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 상기 내부 플레이트는 다수의 구멍이 형성되어 있으며, 접지에 연결된 것을 특징으로 하는 원자층박막 증착장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 외부전극은 상기 가스관의 외면을 따라 감겨진 코일로 구성된 것을 특징으로 하는 원자층박막 증착장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 외부전극은 실린더 형태로 된 것을 특징으로 하는 원자층박막 증착장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 외부전극에는 플라즈마를 발생시키도록 고주파 AC 전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 원자층박막 증착장치.
9. 제1항에 있어서,

   제트스트림 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 가스관의 내부압력은 mTorr 범위로 된 것을 특징으로 하는 원자층박막 증착장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 원자층박막 증착장치의 가스관을 통해 소정의 소오스가스를 주입하는 단계;

    상기 주입된 소오스가스를 제트스트림 플라즈마에 통과시켜 활성화된 래디컬로 만드는 단계;

    상기 활성화된 래디컬을 상기 원자층박막 증착장치의 리액터로 공급하여 리액터 안에 장착된 웨이퍼상에 화학적흡수시키는 단계;

    상기 소오스가스의 주입을 중단하는 단계;

    소정의 퍼지용 가스를 상기 원자층박막 증착장치에 주입하여 남아 있는 상기 활성화 래디컬을 퍼지시키는 단계;

    상기 퍼지용 가스의 주입을 중단하는 단계;

    소정의 리액턴트가스를 상기 원자층박막 증착장치에 주입하는 단계;

    상기 리액턴트가스의 주입을 중단하는 단계; 및

    상기 퍼지용 가스를 다시 주입하여 반응하지 않고 남아 있는 리액턴트가스와 반응부산물을 퍼지시키는 단계

    를 포함하는 원자층박막 증착방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 퍼지용 가스로 Ar, N2, He등의 불활성가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 원자층박막 증착방법.
15. 제13항에 있어서,

    상기 소오스가스를 제트스트림 플라즈마에 통과시키지 않고, 상기 리액턴트가스를 제트스트림 플라즈마에 통과시키는 것을 특징으로 하는 원자층박막 증착방법.