KR100449645B1 - Method for depositing thin film using magnetic field - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기 ALD 박막증착방법에 관한 것으로서, 웨이퍼 이송구멍(21)을 통하여 이송된 웨이퍼(w)가 위치되는 리엑터블럭(20)과, 리엑터블럭(20) 내에 설치되며 웨이퍼(w)가 안착되는 웨이퍼블럭(30)과, 공급되는 제1반응가스와 공급되는 제2반응가스를 각각 웨이퍼 방향으로 분사하는 샤워헤드(50)와, 리엑터블럭(20) 내부의 가스를 외부로 배기시키는 배기부와, 웨이퍼블럭(30) 표면상으로 자기장을 인가하기 위한 자기장발생장치(60)를 포함하는 ALD 반응용기를 이용하며, 웨이퍼블럭(30) 상으로 웨이퍼(w)를 안착시키는 웨이퍼 안착단계(S1); 웨이퍼(w) 표면상으로 자기장을 형성하는 자기장 형성단계(S3); 불활성가스와 혼합된 제1반응가스를 웨이퍼(w)로 분사하는 제1반응가스 피딩단계(S4)와, 제1반응가스를 상기 반응용기로부터 퍼지하는 제1반응가스 퍼지단계(S5)와, 불활성가스와 혼합된 제2반응가스를 웨이퍼(w)로 분사하는 제2반응가스 피딩단계(S6)와, 제2반응가스를 반응용기로부터 퍼지하는 제2반응가스 퍼지단계(S7)를 반복하는 반응가스 피딩 및 퍼지 반복단계(S8);를 수행하는 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic ALD thin film deposition method, wherein a reactor block (20) in which a wafer (w) transferred through a wafer transfer hole (21) is located, is installed in the reactor block (20), and a wafer (w) is seated. The wafer block 30, the shower head 50 for injecting the supplied first reaction gas and the supplied second reaction gas in the wafer direction, and an exhaust unit for exhausting the gas inside the reactor block 20 to the outside. And an ALD reaction vessel including a magnetic field generating device 60 for applying a magnetic field onto the surface of the wafer block 30, and a wafer seating step S1 for seating the wafer w on the wafer block 30. ); A magnetic field forming step S3 for forming a magnetic field on the wafer w surface; A first reaction gas feeding step S4 of injecting a first reaction gas mixed with an inert gas onto the wafer w, a first reaction gas purge step S5 of purging the first reaction gas from the reaction vessel, Repeating the second reaction gas feeding step (S6) for injecting the second reaction gas mixed with the inert gas to the wafer (w), and the second reaction gas purge step (S7) for purging the second reaction gas from the reaction vessel Reaction gas feeding and purge iteration step (S8); characterized in that to carry out.
Description
본 발명은 박막을 증착하기 위한 박막증착방법에 관한 것으로서, 상세하게는 반도체 웨이퍼나 평판 표시 소자 등을 제조함에 있어 보다 낮은 온도에서 보다 고순도의 박막을 증착할 수 있는 자기 ALD 박막증착방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film deposition method for depositing a thin film, and more particularly, to a magnetic ALD thin film deposition method capable of depositing a higher purity thin film at a lower temperature in manufacturing a semiconductor wafer or a flat panel display device. .
ALD(Atom Layer Deposition) 박막증착방법은, CVD 박막증착방법에 비하여 보다 낮은 온도에서 박막 증착이 가능하기 때문에 고집적도의 칩을 제조하기 위한 방법으로 주로 사용되고 있다.The ALD (Atom Layer Deposition) thin film deposition method is mainly used as a method for manufacturing a high-density chip because the thin film can be deposited at a lower temperature than the CVD thin film deposition method.
도 2a 내지 도 2d 는 반응가스 입자들이 웨이퍼상에서 반응하는 상태를 도시한 도면으로서, 도 2a 는 제1반응가스피딩단계에 있어서 제1반응가스와 웨이퍼와의 반응상태를 도시한 도면이고, 도 2b는 제1반응가스의 퍼지 상태를 도시한 도면이며, 도 2c 는 제2반응가스피딩단계에 있어서 웨이퍼상에 흡착된 제1반응가스와 분사되는 제2반응가스의 반응 상태를 도시한 도면이고, 도 2d 는 박막의 한 원자층이 형성된 후 나머지 가스들의 퍼지 상태를 도시한 도면이다.2A to 2D are diagrams illustrating a state in which reactant gas particles react on a wafer, and FIG. 2A is a diagram illustrating a reaction state of a first reactant gas and a wafer in a first reactant gas feeding step, and FIG. 2B. 2 is a view showing a purge state of the first reaction gas, FIG. 2C is a view showing a reaction state of the first reaction gas adsorbed on the wafer and the second reaction gas injected in the second reaction gas feeding step, FIG. 2D illustrates a purge state of the remaining gases after one atomic layer of the thin film is formed.
박막을 증착하기 위하여 기판이나 웨이퍼(이하, 웨이퍼로 통일한다)를 예열시키는 단계를 수행한다. 예열 단계는 도 1에 도시된 ⓐ-ⓑ 단계이며, 이 단계에서 반응용기 내부를 CVD 에 비하여 낮은 온도로 웨이퍼를 예열시킨다. 이 단계에서, 퍼지가스로 불활성 가스를 반응용기로 일정하게 유입시킨다.Preheating the substrate or wafer (hereinafter referred to as wafer) to deposit a thin film is performed. The preheating step is a step ⓐ-ⓑ shown in FIG. 1, in which the wafer is preheated to a lower temperature than the CVD inside the reaction vessel. In this step, an inert gas is constantly introduced into the reaction vessel into the purge gas.
ⓑ-ⓒ 단계는 제1반응가스(ABn)를 반응용기로 피딩(feeding)시키는 단계이다. 여기서, A, B 는 특정 원소를 의미하고, n 은 2 로 하였다. 이 단계에서, 도 2a 에 도시된 바와 같이, 제1반응가스(ABn) 입자는 웨이퍼상에 흡착된다.Step ⓑ-ⓒ is a step of feeding the first reaction gas ABn to the reaction vessel. Here, A and B meant the specific element, n was set to 2. In this step, as shown in FIG. 2A, the first reaction gas (ABn) particles are adsorbed onto the wafer.
ⓒ- ⓓ 단계는 퍼지 단계로서, 도 2b 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(w)상에 흡착되지 않은 나머지 제1반응가스가 퍼지된다.Ⓒ- ⓓ step is a purge step, and as shown in FIG. 2B, the remaining first reaction gas which is not adsorbed on the wafer w is purged.
ⓓ-ⓔ 단계에서 제2반응가스를 반응용기로 피딩한다. 여기서 C, D 는 특정 원소를 의미하고, m 은 3 으로 하였다. 이 단계에서, 도 2c 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(w) 상으로 분사된 제2반응가스(CDm)는 웨이퍼(w)에 이미 흡착되어 있는 제1반응가스(ABn)와 치환반응(동그라미로 표시)하여 웨이퍼상에는 박막(AC)의 한 원자층이 형성된다. 한 원자층을 형성하는 박막(AC)은 도 2d 에 도시되고 있다.Feed the second reaction gas into the reaction vessel in step ⓓ-ⓔ. C and D mean a specific element here, and m was set to 3. In this step, as shown in FIG. 2C, the second reaction gas CDm injected onto the wafer w is substituted with the first reaction gas ABn already adsorbed on the wafer w (in a circle). On the wafer, an atomic layer of the thin film AC is formed. The thin film AC forming one atomic layer is shown in FIG. 2D.
ⓔ-ⓕ 단계는 제2반응가스(CDm)를 반응용기로부터 퍼지하는 단계이다. 이 단계에서는, 박막 형성에 사용되지 않은 제2반응가스(CDm)와 반응부산물(BD) 등이 반응용기 외부로 배출된다. 그리고, 실제적으로 이 단계까지 박막(AC) 형성은 계속된다.Ⓔ-ⓕ step is purging the second reaction gas (CDm) from the reaction vessel. In this step, the second reaction gas (CDm) and the reaction by-product (BD) and the like which are not used for forming the thin film are discharged to the outside of the reaction vessel. And practically, thin film AC formation continues to this stage.
이후, ⓑ-ⓕ 단계를 1 싸이클로 하여 수십회 반복함으로써 원하는 두께의 박막을 웨이퍼(w)상에 증착할 수 있다. 이때, 제1반응가스와 제2반응가스 사이의 치환 반응은 반응용기 내부에서의 열분해 에너지에 의하여 이루어지는 것이다.Thereafter, the thin film having a desired thickness may be deposited on the wafer w by repeating the ⓑ-ⓕ step for several cycles several times. At this time, the substitution reaction between the first reaction gas and the second reaction gas is made by the thermal decomposition energy in the reaction vessel.
그런데, 상기와 같은 ALD 박막증착방법에 있어, 제1,2반응가스의 치환반응은 열분해 에너지만 의존하여 이루어지므로, 상대적으로 높은 온도에서 박막증착을 수행하는 CVD 법에 비하여, 박막증착속도가 낮을 수 밖에 없었다 . 따라서, ALD방식의 장점인 저온 공정능력의 장점을 유지하면서, 높은 박막증착속도를 얻기 위하여, 연구 개발이 한창 진행되고 있다.However, in the ALD thin film deposition method as described above, since the substitution reaction of the first and second reaction gases is performed only by pyrolysis energy, the thin film deposition rate is lower than that of the CVD method which performs thin film deposition at a relatively high temperature. I had no choice but to. Therefore, research and development is in full swing to obtain a high film deposition rate while maintaining the advantages of low temperature processing capability, which is an advantage of the ALD method.
본 발명은 상기와 같은 추세를 반영하여 안출된 것으로서, CVD 법에 비하여 낮은 온도에서 고순도 및 우수한 전기적 특성과 스텝커버리지를 구현하는 박막을 보다 빠르게 증착할 수 있는 자기 ALD 박막증착방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above-described trend, and an object of the present invention is to provide a magnetic ALD thin film deposition method capable of rapidly depositing a thin film that realizes high purity and excellent electrical properties and step coverage at a lower temperature than CVD. It is done.
도 1 은 종래 ALD 박막증착방법을 그래프로 도시한 도면이다.1 is a graph illustrating a conventional ALD thin film deposition method.
도 2a 내지 도 2d 는 반응가스 입자들이 웨이퍼상에서 반응하는 상태를 도시한 도면으로서, 도 2a 는 제1반응가스피딩단계에 있어서 제1반응가스와 웨이퍼와의 반응상태를 도시한 도면이고, 도 2b는 제1반응가스의 퍼지 상태를 도시한 도면이며, 도 2c 는 제2반응가스피딩단계에 있어서 웨이퍼상에 흡착된 제1반응가스와 분사되는 제2반응가스의 반응 상태를 도시한 도면이고, 도 2d 는 박막의 한 원자층이 형성된 후 나머지 가스들의 퍼지 상태를 도시한 도면이다.2A to 2D are diagrams illustrating a state in which reactant gas particles react on a wafer, and FIG. 2A is a diagram illustrating a reaction state of a first reactant gas and a wafer in a first reactant gas feeding step, and FIG. 2B. 2 is a view showing a purge state of the first reaction gas, FIG. 2C is a view showing a reaction state of the first reaction gas adsorbed on the wafer and the second reaction gas injected in the second reaction gas feeding step, FIG. 2D illustrates a purge state of the remaining gases after one atomic layer of the thin film is formed.
도 3 은 본 발명에 따른 ALD 박막증착방법을 수행하기 위한 반응용기의 제1실시예의 구성도이다.Figure 3 is a block diagram of a first embodiment of a reaction vessel for performing the ALD thin film deposition method according to the present invention.
도 4 는 도 3의 반응용기에 있어서, 자기장발생장치와 웨이퍼블럭을 발췌하여 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view showing an extract of the magnetic field generating device and the wafer block in the reaction container of FIG. 3.
도 5 는 도 3의 반응용기에 의한 ALD 박막증착방법을 그래프로 도시한 도면이다.FIG. 5 is a graph illustrating an ALD thin film deposition method using the reaction vessel of FIG. 3.
도 6 은 자기장이 인가된 상태에서, 웨이퍼상에 흡착된 제1반응가스와 분사되는 제2반응가스의 반응 상태를 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a reaction state of a first reaction gas adsorbed on a wafer and a second reaction gas injected in a state where a magnetic field is applied.
도 7 은 3 내지 도 6 의 ALD 박막증착방법을 순서대로 도시한 플로우이다.FIG. 7 is a flow diagram sequentially illustrating the ALD thin film deposition method of FIGS. 3 to 6.
도 8 은 본 발명에 따른 ALD 박막증착방법을 수행하기 위한 반응용기의 제2실시예의 구성도이다.Figure 8 is a block diagram of a second embodiment of a reaction vessel for performing the ALD thin film deposition method according to the present invention.
도 9 은 자기장과 플라즈마가 인가된 상태에서, 웨이퍼상에 흡착된 제1반응가스와 분사되는 제2반응가스의 반응 상태를 도시한 도면이다.9 is a diagram illustrating a reaction state of a first reaction gas adsorbed on a wafer and a second reaction gas injected in a state where a magnetic field and plasma are applied.
도 10 은 도 8의 반응용기에 의한 ALD 박막증착방법을 순서대로 도시한 플로우이다.FIG. 10 is a flow diagram sequentially illustrating an ALD thin film deposition method using the reaction vessel of FIG. 8.
도 11 은 웨이퍼상에서 수평 자기장이 전체적으로 회전되는 상태를 도시한 도면이다.11 is a view showing a state in which the horizontal magnetic field is rotated as a whole on the wafer.
도 12 는 본 발명에 따른 ALD 박막증착방법을 수행하기 위한 반응용기의 제3실시예의 구성도이다.12 is a configuration diagram of a third embodiment of a reaction vessel for performing the ALD thin film deposition method according to the present invention.
도 13 은 도 12의 반응용기에 의한 ALD 박막증착방법을 그래프로 도시한 도면이다.FIG. 13 is a graph illustrating an ALD thin film deposition method using the reaction vessel of FIG. 12.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명><Description of Signs of Major Parts of Drawings>
10 ... 이송모듈 20 ... 리엑터블럭10 ... transfer module 20 ... reactor block
21 ... 이송구멍 30, 130 ... 웨이퍼블럭21 ... feed hole 30, 130 ... wafer block
35 ... 웨이퍼블럭지지대 40 ... 탑플레이트35 ... Wafer Block Support 40 ... Top Plate
50 ... 샤워헤드 51. 52 ... 제1,2분사홀50 ... shower head 51. 52 ... 1st, 2nd injection hole
51a, 51b ... 제1,2반응가스 공급라인51a, 51b ... first and second reaction gas supply lines
60, 160 ... 자기장발생장치60, 160 ... magnetic field generator
61 ... 회전프레임 63 ... 자석61 ... rotating frame 63 ... magnet
65 ... 회전구동부 71 ... RF 전원65 ... rotary drive 71 ... RF power
73 ... RF 매칭박스 75 ... 콘덴서73 ... RF Matching Box 75 ... Capacitor
77 ... RF 극판 150 ... 가스분배기77 ... RF pole plate 150 ... Gas distributor
B ... 자기장 P ... 플라즈마B ... magnetic field P ... plasma
H ... 히터H ... heater
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 자기 ALD 박막증착방법은,In order to achieve the above object, the magnetic ALD thin film deposition method according to the present invention,
웨이퍼 이송구멍(21)을 통하여 이송된 웨이퍼(w)가 위치되는 리엑터블럭(20)과, 상기 리엑터블럭(20) 내에 설치되며 상기 웨이퍼(w)가 안착되는 웨이퍼블럭(30)과, 공급되는 제1반응가스와 공급되는 제2반응가스를 각각 상기 웨이퍼 방향으로 분사하는 샤워헤드(50)와, 상기 리엑터블럭(20) 내부의 가스를 외부로 배기시키는 배기부와, 상기 웨이퍼블럭(30) 표면상으로 자기장을 인가하기 위한자기장발생장치(60)를 포함하는 ALD 반응용기를 이용하는 것으로서,A reactor block 20 in which the wafer w transferred through the wafer transfer hole 21 is located, a wafer block 30 installed in the reactor block 20 and seated on the wafer w, and supplied A shower head 50 for injecting a first reaction gas and a supplied second reaction gas toward the wafer, an exhaust unit for exhausting gas inside the reactor block 20 to the outside, and the wafer block 30 As using the ALD reaction vessel including a magnetic field generating device 60 for applying a magnetic field on the surface,
상기 웨이퍼블럭(30) 상으로 웨이퍼(w)를 안착시키는 웨이퍼 안착단계(S1); 상기 웨이퍼(w) 표면상으로 자기장을 형성하는 자기장 형성단계(S3); 불활성가스와 혼합된 상기 제1반응가스를 상기 웨이퍼(w)로 분사하는 제1반응가스 피딩단계(S4)와, 상기 제1반응가스를 상기 반응용기로부터 퍼지하는 제1반응가스 퍼지단계(S5)와, 불활성가스와 혼합된 상기 제2반응가스를 상기 웨이퍼(w)로 분사하는 제2반응가스 피딩단계(S6)와, 상기 제2반응가스를 상기 반응용기로부터 퍼지하는 제2반응가스 퍼지단계(S7)를 반복하는 반응가스 피딩 및 퍼지 반복단계(S8); 박막증착이 완료된 후, 상기 웨이퍼 표면상에 자기장을 인가하면서 불활성가스와 반응가스를 분사하여 박막을 열처리하는 열처리 단계(S9)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1반응가스 피딩단계와 제2반응가스 피딩단계중 적어도 어느 하나의 단계동안 상기 웨이퍼상에 플라즈마를 형성할 수도 있다.A wafer seating step (S1) for seating the wafer (w) onto the wafer block (30); A magnetic field forming step (S3) of forming a magnetic field on the wafer (w) surface; A first reaction gas feeding step S4 of injecting the first reaction gas mixed with an inert gas to the wafer w and a first reaction gas purge step of purging the first reaction gas from the reaction vessel S5. ), A second reaction gas feeding step (S6) for injecting the second reaction gas mixed with an inert gas to the wafer (w), and a second reaction gas purge for purging the second reaction gas from the reaction vessel. Reaction gas feeding and purge repetition step S8 of repeating step S7; After the thin film deposition is completed, a heat treatment step (S9) of injecting an inert gas and a reaction gas while applying a magnetic field on the wafer surface to heat-treat the thin film. In this case, plasma may be formed on the wafer during at least one of the first reaction gas feeding step and the second reaction gas feeding step.
본 발명에 있어서, 상기 자기장의 세기를 변화시켜 상기 웨이퍼 표면상에서 상기 제1반응가스와 제2반응가스 사이의 치환반응 활성화 에너지의 크기를 조절한다.In the present invention, the magnitude of the substitution reaction activation energy between the first reaction gas and the second reaction gas is adjusted on the wafer surface by changing the intensity of the magnetic field.
본 발명에 있어서, 박막 증착에 필요한 총 싸이클을 A + B 싸이클로 나누어 증착할 경우 A 싸이클시에 인가되는 자기장의 세기를 a 라 하고, B 싸이클시에 인가되는 자기장의 세기를 b 라 할 때 자기장의 세기를 a>b로 하여 하지막과 접촉되는 박막의 순도를 더 좋게 한다.In the present invention, when the total cycle required for thin film deposition is deposited by dividing A + B cycles, the strength of the magnetic field applied during the A cycle is referred to as a, and the strength of the magnetic field applied during the B cycle is referred to as b. The intensity of a> b makes the purity of the thin film in contact with the underlying film better.
본 발명에 있어서, 상기 샤워헤드로부터 분사되는 불활성 가스의 흐름량은 박막이 증착되는 도중에 항상 일정하다.In the present invention, the flow amount of the inert gas injected from the showerhead is always constant during the deposition of the thin film.
본 발명에 있어서, 인가되는 자기장이 웨이퍼 표면상에서 한결같은 균일한 분포를 갖도록 한다.In the present invention, the applied magnetic field has a uniform distribution on the wafer surface.
본 발명에 있어서, 상기 자기장 발생장치(60)가 그 반응용기 주위에서 회전함으로써, 상기 웨이퍼(w) 표면상에 수펑되게 형성된 자기장의 방향이 회전된다.In the present invention, as the magnetic field generating device 60 rotates around the reaction vessel, the direction of the magnetic field formed on the surface of the wafer w is rotated.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 자기 ALD 박막증착방법은, 웨이퍼(w)가 안착되는 웨이퍼블럭(130)과, 공급되는 제1반응가스와 공급되는 제2반응가스를 각각 상기 웨이퍼의 측방으로 분사하는 가스분배기(150)와, 유입된 가스를 외부로 배기시키는 배기부와, 상기 웨이퍼블럭(130) 표면상으로 자기장을 인가하기 위한 자기장발생장치(160)를 포함하는 ALD 반응용기를 이용하는 것으로서,In order to achieve the above object, the magnetic ALD thin film deposition method according to the present invention, the wafer block on which the wafer w is seated 130, the first reaction gas supplied and the second reaction gas supplied respectively An ALD reaction including a gas distributor 150 for ejecting to the side of the wafer, an exhaust unit for exhausting the introduced gas to the outside, and a magnetic field generator 160 for applying a magnetic field onto the surface of the wafer block 130 In using a container,
상기 웨이퍼블럭(130) 상으로 웨이퍼(w)를 안착시키는 웨이퍼 안착단계; 상기 웨이퍼(w) 표면상으로 자기장을 형성하는 자기장 형성단계; 불활성가스와 혼합된 상기 제1반응가스를 상기 웨이퍼(w)로 분사하는 제1반응가스 피딩단계와, 상기 제1반응가스를 상기 반응용기로부터 퍼지하는 제1반응가스 퍼지단계와, 불활성가스와 혼합된 상기 제2반응가스를 상기 웨이퍼(w)로 분사하는 제2반응가스 피딩단계와, 상기 제2반응가스를 상기 반응용기로부터 퍼지하는 제2반응가스 퍼지단계를 반복하는 반응가스 피딩 및 퍼지 반복단계; 박막증착이 완료된 후, 상기 웨이퍼 표면상에 자기장을 인가하면서 불활성가스와 반응가스를 분사하여 박막을 열처리하는 열처리 단계(S9)를 포함하는 것을 특징으로 한다.A wafer seating step of mounting a wafer (w) onto the wafer block 130; A magnetic field forming step of forming a magnetic field on a surface of the wafer (w); A first reaction gas feeding step of injecting the first reaction gas mixed with an inert gas to the wafer w, a first reaction gas purge step of purging the first reaction gas from the reaction vessel, an inert gas and Reaction gas feeding and purging which repeats the second reaction gas feeding step of injecting the mixed second reaction gas to the wafer w and the second reaction gas purging step of purging the second reaction gas from the reaction vessel. Repeating step; After the thin film deposition is completed, a heat treatment step (S9) of injecting an inert gas and a reaction gas while applying a magnetic field on the wafer surface to heat-treat the thin film.
본 발명에 있어서, 상기 제1반응가스 피딩단계와 제2반응가스 피딩단계중 적어도 어느 하나의 단계동안 상기 웨이퍼상에 플라즈마를 형성한다.In the present invention, plasma is formed on the wafer during at least one of the first reaction gas feeding step and the second reaction gas feeding step.
본 발명에 있어서, 박막 증착에 필요한 총 싸이클을 A + B 싸이클로 나누어 증착할 경우 A 싸이클시에 인가되는 자기장의 세기를 a 라 하고, B 싸이클시에 인가되는 자기장의 세기를 b 라 할 때 자기장의 세기를 a>b로 하여 하지막과 접촉되는 박막의 순도를 더 좋게 한다.In the present invention, when the total cycle required for thin film deposition is deposited by dividing A + B cycles, the strength of the magnetic field applied during the A cycle is referred to as a, and the strength of the magnetic field applied during the B cycle is referred to as b. The intensity of a> b makes the purity of the thin film in contact with the underlying film better.
본 발명에 있어서, 상기 반응용기로 유입되는 불활성 가스의 흐름량은 박막이 증착되는 도중에 항상 일정하다.In the present invention, the flow rate of the inert gas flowing into the reaction vessel is always constant during the deposition of the thin film.
본 발명에 있어서, 상기 반응용기 상부에 위치된 자기장 발생장치(160)가 회전함으로써, 상기 웨이퍼 표면상에 수평되게 형성된 자기장의 방향이 회전된다.In the present invention, by rotating the magnetic field generating device 160 located above the reaction vessel, the direction of the magnetic field formed horizontally on the wafer surface is rotated.
이하, 본 발명에 따른 자기 ALD 박막증착방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the magnetic ALD thin film deposition method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3 은 본 발명에 따른 자기 ALD 박막증착방법을 수행하기 위한 반응용기의 제1실시예의 구성도이고, 도 4 는 도 3 의 반응용기에 있어서, 자기장발생장치와 웨이퍼블럭을 발췌하여 도시한 도면이다. 또, 도 5 는 도 3 의 반응용기에 의한 자기 ALD 박막증착방법을 그래프로 도시한 도면이고, 도 6 은 자기장이 인가된 상태에서, 웨이퍼상에 흡착된 제1반응가스와 분사되는 제2반응가스의 반응 상태를 도시한 도면이며, 도 7 은 3 내지 도 6 의 자기 ALD 박막증착방법을 순서대로 도시한플로우이다.3 is a configuration diagram of a first embodiment of a reaction vessel for carrying out a magnetic ALD thin film deposition method according to the present invention, Figure 4 is a view showing an extract of the magnetic field generating device and the wafer block in the reaction vessel of FIG. to be. 5 is a diagram illustrating a method of depositing a magnetic ALD thin film by the reaction vessel of FIG. 3, and FIG. 6 is a second reaction injected with a first reaction gas adsorbed onto a wafer while a magnetic field is applied. FIG. 7 is a flow diagram illustrating a reaction state of a gas, and FIG. 7 is a flow diagram sequentially illustrating the magnetic ALD thin film deposition method of FIGS. 3 to 6.
도시된 바와 같이, 반응용기는, 이송모듈(10)을 통하여 공급되는 웨이퍼(w)가 유입되는 이송구멍(21)이 형성된 리엑터블럭(20)과, 리엑터블럭(20) 내에 설치되며 웨이퍼(w)가 안착되는 웨이퍼블럭(30)과, 리엑터블럭(20)을 덮도록 결합되는 탑플레이트(40)와, 탑플레이트(40)의 하단에 결합되며 공급되는 제1반응가스와 제2반응가스 각각을 웨이퍼 방향으로 분사할 수 있도록 일정한 간격으로 형성된 제1분사홀(51) 및 제2분사홀(52)을 가지는 샤워헤드(50)와, 리엑터블럭(20) 내부의 가스를 외부로 배기시키는 배기부와, 웨이퍼블럭(30) 표면상으로 자기장을 인가하기 위한 자기장발생장치(60)를 포함한다. 이때, 제1분사홀(51) 및 제2분사홀(52)은 일정한 간격을 가지고, 웨이퍼 방향으로 형성되어 있다.As shown in the drawing, the reaction vessel includes a reactor block 20 having a transfer hole 21 into which a wafer w supplied through the transfer module 10 is introduced, and a reactor w installed in the reactor block 20. ) Is mounted on the wafer block 30, the top plate 40 coupled to cover the reactor block 20, and the first reaction gas and the second reaction gas supplied and coupled to the lower end of the top plate 40. To exhaust the gas inside the shower head 50 and the reactor block 20 having the first injection hole 51 and the second injection hole 52 formed at regular intervals so as to spray the gas toward the wafer. And a magnetic field generating device 60 for applying a magnetic field onto the surface of the wafer block 30. At this time, the first injection hole 51 and the second injection hole 52 are formed in the wafer direction at regular intervals.
자기장발생장치(60)는, 리엑터블럭(20)의 외주측에 위치되는 회전프레임(61)과, 회전프레임(61)상에 설치된 적어도 2 개 이상의 자석(63)과, 회전프레임(61)을 회전시키기 위한 회전구동부(65)를 가진다. 이때, 자석들은 영구자석 또는 전자석으로 구현할 수 있다. 도 4 에는 자기장발생장치(60)의 자석(63)들과 웨이퍼블럭(30)을 발췌하여 그 위치관계를 도시하고 있는데, 자기장이 웨이퍼블럭(30)의 표면상에서 고르게 분포될 수 있도록, 회전프레임(61)에서의 자석들의 배치 간격은 일정하지 않게 한다. 또, 자석(63)들에 의하여 웨이퍼 표면상에 인가되는 자기장(B)의 방향은 모두 일정한 한방향을 이루면서 균일한 분포를 가지며, 회전프레임(61)이 회전구동부(65)에 의하여 회전할 경우에 도 11 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(w) 상에서의 자기장의 방향이 연속적으로 동시에 바뀔 수 있게된다(B' →B). 그리고, 자석들에 의하여 발생되는 자기장이 웨이퍼 표면상에 인가될 수 있도록, 자석들은 반응용기의 측부의 특정 높이에 설치되어야 한다.The magnetic field generating device 60 includes a rotating frame 61 positioned on the outer circumferential side of the reactor block 20, at least two magnets 63 installed on the rotating frame 61, and a rotating frame 61. It has a rotation drive part 65 for rotating. In this case, the magnets may be implemented as a permanent magnet or an electromagnet. 4 shows the positional relationship between the magnets 63 of the magnetic field generating device 60 and the wafer block 30, and shows a positional relationship of the magnetic field so that the magnetic field can be evenly distributed on the surface of the wafer block 30. The spacing of the magnets at 61 is not constant. In addition, the directions of the magnetic field B applied on the wafer surface by the magnets 63 have a uniform distribution while forming a constant one direction, and when the rotating frame 61 is rotated by the rotation driving unit 65. As shown in FIG. 11, the direction of the magnetic field on the wafer w can be changed continuously and simultaneously (B ′ → B). And, the magnets must be installed at a certain height on the side of the reaction vessel so that the magnetic field generated by the magnets can be applied on the wafer surface.
웨이퍼블럭(30)은 웨이퍼블럭지지대(35)에 연결된 승강장치(미도시)에 의하여 이송구멍(21)에 대응되는 위치, 즉 웨이퍼를 이송모듈로부터 받을 수 있는 공정위치로 승강 가능하며, 박막공정이 진행되기 전에 승강장치는 웨이퍼블럭(30)을 공정 효율이 가장 좋은 위치까지 승강시킨다.The wafer block 30 may be lifted and lowered to a position corresponding to the transfer hole 21 by a lifting device (not shown) connected to the wafer block support 35, that is, a process position to receive the wafer from the transfer module. Before this progress, the lifting device lifts and lowers the wafer block 30 to the position where the process efficiency is the best.
또, 리엑터블럭(20)과 웨이퍼블럭(30)에는 다수개의 히터(H)가 설치되는데, 웨이퍼블럭내 히터(H)는 제1반응가스와 제2반응가스가 치환반응하기 위한 열분해 에너지를 공급하게 되며, 다른 히터들은 반응용기 내부 표면의 온도를 적정수준으로 유지하는 동시에 박막증착 부산물이 파우더 형태로 반응용기 표면에 적층 되는 것을 최소화 한다.In addition, a plurality of heaters H are installed in the reactor block 20 and the wafer block 30, and the heater H in the wafer block supplies pyrolysis energy for the substitution reaction between the first reaction gas and the second reaction gas. The other heaters keep the temperature of the inner surface of the reaction vessel at an appropriate level while minimizing the deposition of thin film deposition by-products on the surface of the reaction vessel in powder form.
상기와 같은 구조의 반응용기를 이용한 박막증착방법을 설명한다.The thin film deposition method using the reaction vessel of the above structure will be described.
먼저, 이송구멍(21)으로 부터 유입된 웨이퍼(w)를 웨이퍼블럭(30) 상으로 이동하여 안착시키는 웨이퍼단계(S1)를 수행한다. 웨이퍼(w)는 로봇(미도시)에 의하여 웨이퍼블럭(30) 상으로 이송된다.First, a wafer step S1 of moving the wafer w introduced from the transfer hole 21 onto the wafer block 30 to be seated is performed. The wafer w is transferred onto the wafer block 30 by a robot (not shown).
다음, 승강장치가 웨이퍼블럭(30)을 상승시켜 웨이퍼(w)를 적정 공정 위치까지 이동시키는 이송단계(S2)를 수행한다.Next, the lifting apparatus lifts the wafer block 30 to perform a transfer step S2 of moving the wafer w to a proper process position.
다음, 자기장발생장치(60)를 작동시켜 웨이퍼(w) 표면상으로 자기장을 형성하는 자기장형성단계(S3)를 수행한다. 이러한 자기장형성단계(S3)는, 도 5 에 도시된 ⓐ'-ⓑ '단계에서 시작된다. 즉, ⓐ'-ⓑ '단계에서는 웨이퍼블럭내에 의해 반응용기 내의 웨이퍼(w)가 예열될 뿐만 아니라, 자기장발생장치(60)가 자기장을 발생하여 도 6 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(w) 상에 자기장(B)이 형성되도록 한다. 이때, 자기장 발생장치의 자석(63)이 영구자석일 경우는, 이송단계(S2)에서 웨이퍼(w)가 공정위치까지 승강됨으로써, 웨이퍼(w)에 자기장이 자연스럽게 인가되게 된다. 또, 이 단계에서는 퍼지가스로 불활성 가스가 반응용기로 유입된다.Next, the magnetic field generating device 60 is operated to perform a magnetic field forming step S3 of forming a magnetic field on the wafer w surface. This magnetic field forming step (S3) begins at step ⓐ′-ⓑ ′ shown in FIG. 5. That is, in step ⓐ'-ⓑ ', not only the wafer w in the reaction vessel is preheated by the inside of the wafer block, but also the magnetic field generating device 60 generates a magnetic field, as shown in FIG. Magnetic field (B) is formed in the. At this time, when the magnet 63 of the magnetic field generating device is a permanent magnet, the magnetic field is naturally applied to the wafer w by lifting the wafer w to the process position in the transfer step S2. In this step, an inert gas flows into the reaction vessel as a purge gas.
한편, 웨이퍼(w)의 예열단계인 이 단계에서는 웨이퍼블럭(30)에 웨이퍼(w)가 안착된 후 박막형성 공정에 필요한 온도까지 상승되어 안정화될 때까지 제1,2반응가스를 반응용기 내로 피딩(feeding)하지 않는다. 왜냐하면, ⓑ' 단계 이전에 반응가스가 분사되면 적절한 온도보다 낮은 상태에서 박막 증착이 이루어지는 것이므로, 이때 형성되는 ALD 박막층의 순도와 특성이 떨어지게 되기 때문이다.Meanwhile, in this step, which is a preheating step of the wafer w, the first and second reaction gases are introduced into the reaction vessel until the wafer w is seated on the wafer block 30 and then raised to a temperature necessary for the thin film forming process and stabilized. Do not feed. Because, when the reaction gas is injected before the ⓑ 'step, since the thin film is deposited at a lower temperature than the proper temperature, the purity and characteristics of the ALD thin film layer formed at this time are deteriorated.
다음, 불활성가스와 혼합된 제1반응가스(ABn)를 제1분사홀(51)을 통하여 웨이퍼(w)로 분사하는 제1반응가스피딩단계(S4)를 수행한다. 이는 ⓑ'-ⓒ' 단계로서, 반응용기로 피딩된 제1반응가스(ABn) 입자가 웨이퍼(w) 표면에 흡착된다. 여기서, A, B 는 특정 원소를 의미하고, n 은 2로 하였다.Next, a first reaction gas feeding step S4 of injecting the first reaction gas ABn mixed with the inert gas to the wafer w through the first injection hole 51 is performed. This is ⓑ'-ⓒ 'step, in which the first reaction gas ABn particles fed into the reaction vessel are adsorbed onto the wafer w surface. Here, A and B meant a specific element, n was set to 2.
다음, 제1반응가스의 피딩을 정지함으로써, 반응용기 내부에 이미 유입된 후 웨이퍼(w)에 흡착되지 않은 제1반응가스가 불활성가스에 의하여 퍼지(purge)되게 하는 제1반응가스퍼지단계(S5)를 수행한다. 제1반응가스퍼지단계(S5)는 ⓒ'- ⓓ' 단계에서 수행되는 것이다.Next, by stopping the feeding of the first reaction gas, the first reaction gas purge step to purge the first reaction gas that has already flowed into the reaction vessel and has not been adsorbed to the wafer (w) by the inert gas ( S5) is performed. The first reaction gas purge step S5 is performed in step ⓒ'-ⓓ '.
다음, 불활성가스와 혼합된 제2반응가스(CDm)를 제2분사홀(52)을 통하여 웨이퍼(w)로 분사하는 제2반응가스피딩단계(S6)를 수행한다. 이는, ⓓ'-ⓔ' 단계로서, 반응용기로 피딩된 제2반응가스(CDm)는 웨이퍼(w)에 이미 흡착되어 있는 제1반응가스(ABn)와 치환반응(도 6 참조, 동그라미로 표시)한다. 본 실시예에서 C, D 는 특정 원소를 의미하고, m 은 3 이 된다.Next, a second reaction gas feeding step S6 of injecting the second reaction gas CDm mixed with the inert gas to the wafer w through the second injection hole 52 is performed. This is a step ⓓ'-ⓔ ', in which the second reaction gas CDm fed into the reaction vessel is replaced with the first reaction gas ABn already adsorbed on the wafer w (see FIG. 6, circled). )do. In the present embodiment, C, D means a specific element, m is 3.
이 단계에서, 자기장(B)은 웨이퍼(w) 표면상에 이미 흡착된 제1반응가스(ABn)와 제2반응가스(CDm) 사이에 치환반응이 보다 잘 일어날 수 있도록 한다. 치환 반응은 분자들끼리 상호 전자(Electron)들을 교환하면서 이루어지는 것이기 때문에, 전자들의 교환은 열분해 에너지뿐만 아니라 자기장(B)에 의하여 더욱 활성화될 수 있다. 자기장(B)은 전자들의 모멘텀을 증가시킴으로써 치환 반응을 더 활성화시키며, 따라서 웨이퍼(w)상에 고르게 단원자층을 형성하기 위한 포화 표면반응속도를 높이게 된다. 결국, 자기장(B)에 의하여 웨이퍼 온도를 올리지 않으면서 피딩 및 퍼지 타임을 줄일 수 있고 동일한 박막순도를 얻을 수 있게 된다. 이는, 도 5 와 도 1 을 비교하면 알 수 있는데, 도 5 에서는 자기장(B)을 이용하여 기존 ALD 박막증착방법(도 1)에 비하여 싸이클 타임을 줄일 수 있음을 나타낸다. 이러한 과정을 통하여, 웨이퍼상에는 보다 고순도의 박막(AC)이 빠르게 증착시킬 수 있는 것이다.In this step, the magnetic field B allows a substitution reaction to occur more preferably between the first reaction gas ABn and the second reaction gas CDm already adsorbed on the wafer w surface. Since the substitution reaction is performed by exchanging electrons between molecules, the exchange of electrons can be further activated by the magnetic field B as well as the thermal decomposition energy. The magnetic field B further activates the substitution reaction by increasing the momentum of the electrons, thereby increasing the saturation surface reaction rate for forming monoatomic layers evenly on the wafer w. As a result, the feeding and purge times can be reduced without increasing the wafer temperature by the magnetic field B, and the same thin film purity can be obtained. This can be seen by comparing FIG. 5 with FIG. 1, which shows that the cycle time can be reduced by using the magnetic field B as compared with the conventional ALD thin film deposition method (FIG. 1). Through this process, a higher purity thin film AC can be rapidly deposited on the wafer.
다음, 제2반응가스의 피딩을 정지함으로써, 반응용기 내부에 이미 유입된 후 웨이퍼(w)에 흡착되지 않은 제2반응가스가 불활성가스에 의하여 퍼지되게 하는 제2반응가스퍼지단계(S7)를 수행한다. 이러한 제2반응가스퍼지단계(S7)는 ⓔ'-ⓕ' 단계에서 수행되는 것이다. 이 단계에서, 박막 형성에 사용되지 않은 제2반응가스(CDm)와 반응부산물(BD)이 반응용기 외부로 배출된다. 그리고, 실제적으로 이 단계까지 박막(AC)이 형성된다.Next, by stopping the feeding of the second reaction gas, the second reaction gas purge step S7 which causes the second reaction gas which has already flowed into the reaction vessel and has not been adsorbed onto the wafer w is purged by the inert gas. Perform. This second reaction gas purge step (S7) is to be carried out in the ⓔ '-ⓕ' step. In this step, the second reaction gas CDm and the reaction byproduct BD which are not used to form the thin film are discharged out of the reaction vessel. And the thin film AC is actually formed up to this stage.
이와 같이, ⓑ'-ⓕ' 단계를 1 싸이클로 하였을 때 웨이퍼(w)상에 한층의 박막층이 형성되며, 이러한 싸이클을 수십회 반복함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다. 한층의 박막을 형성하는 한 싸이클은 ⓑ'- ⓕ' 단계가 되며, 이를 4 단계를 요약하면 다음과 같다. 첫 번째 ⓑ'~ ⓒ' 단계는, 제1반응가스 피딩단계(S4)이고, 두 번째 ⓒ'~ⓓ' 단계는 제1반응가스 퍼지단계(S5)이며, 세 번째 ⓓ'~ ⓔ' 단계는 제2반응가스의 피딩단계(S6)이고, ⓔ'~ ⓕ' 단계는 제2반응가스의 퍼지단계(S7)가 된다.As described above, when one step of ⓑ '-ⓕ' is formed, one thin film layer is formed on the wafer w, and a thin film having a desired thickness may be formed by repeating the cycle several dozen times. One cycle to form a thin film is a step ⓑ '-ⓕ' step, which is summarized as follows. The first step ⓑ '~ ⓒ' is the first reaction gas feeding step (S4), the second step ⓒ '~ ⓓ' is the first reaction gas purge step (S5), and the third step ⓓ '~ ⓔ' is Feeding step (S6) of the second reaction gas, ⓔ '~ ⓕ' step is the purge step (S7) of the second reaction gas.
다음, 상기와 같은 네 단계를 한 싸이클로 거침으로써 하나의 단원자층 박막을 형성하며, 상기한 싸이클을 반복함으로써 원하는 두께의 박막을 증착하는 반응가스 피딩 및 퍼지 반복단계(S8)를 수행한다.Next, a single monolayer layer thin film is formed by performing the above four steps in one cycle, and the reaction gas feeding and purge repetition step S8 of depositing a thin film having a desired thickness by repeating the cycle is performed.
다음, 원하는 두께의 박막이 형성된 이후에, H2, NH3, N2등의 반응가스를 불활성가스와 웨이퍼상에 분사하는 이른바 열처리 단계(S9)를 수행한다. 열처리 단계는 형성된 박막 순도를 더 좋게 하기 위한 것으로, 바꾸어 말하면 박막내 불순물 함유도를 더 떨어뜨리기 위한 것이다.Next, after the thin film having a desired thickness is formed, a so-called heat treatment step (S9) of spraying reaction gases such as H 2 , NH 3 , and N 2 onto the inert gas and the wafer is performed. The heat treatment step is to improve the formed thin film purity, in other words, to further reduce the impurity content in the thin film.
열처리 단계의 효율 즉, 불순물 농도를 떨어뜨려 박막의 품질을 높이기 위한 효율은 일반적으로 기판온도가 더 높을수록 크다. 그러나 웨이퍼 온도가 더 높아질수록 고온에 의한 웨이퍼의 손상가능성 역시 커진다. 따라서, 불순물 농도를 떨어뜨려 박막의 품질을 높이는 동시에 웨이퍼의 손상 가능성을 줄이기 위하여, 더 낮은 온도에서 자기장(B)을 인가한 상태로 열처리를 수행하는 것이다. 자기장을 이용함으로써 박막내의 불순물 함유도를 줄이고 박막의 품질을 개선할 수 있는 것이다.The efficiency of the heat treatment step, that is, the efficiency for reducing the impurity concentration to improve the quality of the thin film, is generally higher at higher substrate temperatures. However, the higher the wafer temperature, the greater the likelihood of damage to the wafer due to high temperatures. Therefore, in order to reduce the impurity concentration to improve the quality of the thin film and reduce the possibility of damage to the wafer, the heat treatment is performed with the magnetic field B applied at a lower temperature. By using the magnetic field it is possible to reduce the content of impurities in the thin film and improve the quality of the thin film.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에서 열분해 에너지 외에 자기장(B)을 부가적으로 인가하고, 그 자기장의 세기를 조절에 변화시킴으로써 제1반응가스와 제2반응가스 사이의 치환반응 활성화 에너지의 크기를 조절한다.As described above, in the present invention, the magnitude of the substitution reaction activation energy between the first reaction gas and the second reaction gas is increased by additionally applying the magnetic field B in addition to the pyrolysis energy and changing the intensity of the magnetic field. Adjust
한편, 원하는 두께의 박막을 증착하기 위하여 상기한 싸이클(ⓑ'- ⓕ' 단계)을 수십회정도 반복 수행하여야 한다. 예를 들어 100Å 의 박막을 형성하기 위하여, 상기한 싸이클을 대략 30회정도 반복 수행하여야 한다고 가정할 때, 총 싸이클 중 5 회의 싸이클을 A 싸이클이라 하고 이때 인가되는 자기장의 세기를 a 라 하면, 나머지 25회의 싸이클을 B 싸이클이라 하였을 때 이때 인가되는 자기장의 세기를 b 라 할 수 있다. 이 경우, a > b로 함으로써 하지막과 접촉되는 박막의 순도를 더 좋게 할 수 있다.On the other hand, in order to deposit a thin film of a desired thickness, the cycle (ⓑ'-ⓕ 'step) should be repeated several times. For example, in order to form a thin film of 100 μs, assuming that the above cycles should be repeated about 30 times, five cycles out of the total cycles are called A cycles. When 25 cycles are referred to as B cycles, the strength of the magnetic field applied at this time can be referred to as b. In this case, by making a> b, the purity of the thin film in contact with the underlying film can be further improved.
또한, 박막증착 단계에 있어, 반응용기 내로 피딩되는 불활성 가스의 흐름량을 항시 일정하게 하는 것이 반응용기내의 공정압력을 일정하게 유지하는데 바람직하다.In addition, in the thin film deposition step, it is preferable to keep the flow rate of the inert gas fed into the reaction vessel at all times to keep the process pressure in the reaction vessel constant.
상기한 제1실시예에서 자기장발생장치에 의하여 발생되는 자기장은 웨이퍼 표면상에서 회전될 수 있다. 그러나, 제1실시예는 플라즈마를 이용하는 경우가 아니므로 자장에 의한 플라즈마 밀도의 불균형 문제가 없다. 따라서, 제1실시예에서는 자장의 회전이 필수적 요소는 아니다.In the above first embodiment, the magnetic field generated by the magnetic field generating device can be rotated on the wafer surface. However, since the first embodiment does not use plasma, there is no problem of unbalance of plasma density due to the magnetic field. Therefore, the rotation of the magnetic field is not essential in the first embodiment.
도 8 은 본 발명에 따른 자기 ALD 박막증착방법을 수행하기 위한 반응용기의 제2실시예의 구성도이고, 도 9 은 자기장과 플라즈마가 인가된 상태에서, 웨이퍼상에 흡착된 제1반응가스와 분사되는 제2반응가스의 반응 상태를 도시한 도면이며,도 10 은 도 8의 반응용기에 의한 자기 ALD 박막증착방법을 순서대로 도시한 플로우이고, 도 11 은 웨이퍼상에서 수평 자기장이 전체적으로 회전되는 상태를 도시한 도면이다. 여기서, 도 3 내지 도 6 에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.FIG. 8 is a configuration diagram of a second embodiment of a reaction vessel for performing a magnetic ALD thin film deposition method according to the present invention, and FIG. 9 is a view showing the injection of a first reaction gas adsorbed onto a wafer in a state where a magnetic field and plasma are applied. FIG. 10 is a flow diagram illustrating a method of depositing a magnetic ALD thin film by the reaction vessel of FIG. 8 in sequence, and FIG. 11 illustrates a state in which a horizontal magnetic field is rotated as a whole on a wafer. Figure is shown. Here, the same reference numerals as in FIGS. 3 to 6 are the same members having the same function.
제2실시예를 수행하는 반응용기가 제1실시예에서와 다른 점은, 제1반응가스 피딩단계와 제2반응가스 피딩단계중 적어도 어느 하나의 단계동안 웨이퍼상에 플라즈마를 형성하는 것이다. 본 실시예에서는 설명을 위하여, 제2반응가스 피딩단계중에 플라즈마를 형성한 것을 예로 든다.The reaction vessel carrying out the second embodiment is different from the first embodiment in that plasma is formed on the wafer during at least one of the first reaction gas feeding step and the second reaction gas feeding step. In this embodiment, for the sake of explanation, the plasma is formed during the second reaction gas feeding step as an example.
웨이퍼블럭(30)과 샤워헤드(50) 사이에 플라즈마(P)를 형성하기 위한 전기적 에너지를 인가시킨다. 즉, 전기적 에너지에 의하여 형성되는 플라즈마(P)는 제1실시예에서와 같이 열분해 에너지와 자기장에 의하여도 원하는 순도의 박막을 얻을 수 없는 경우에 인가됨으로써 박막 증착을 수행할 수 있도록 한다. 플라즈마(P)를 형성케 함으로써 제1반응가스와 제2반응가스 사이의 치환반응을 활성화시킨다.Electrical energy for forming the plasma P is applied between the wafer block 30 and the shower head 50. That is, the plasma P formed by the electrical energy is applied when the thin film having the desired purity is not obtained even by the pyrolysis energy and the magnetic field as in the first embodiment so that the thin film deposition can be performed. By forming the plasma P, the substitution reaction between the first reaction gas and the second reaction gas is activated.
플라즈마(P)는, RF 전원(71)에 의하여 발생하는 전기적인 에너지가 RF 매칭박스(73)와 콘덴서(75)를 거쳐 웨이퍼블럭내의 RF 극판(77)에 인가됨으로써 웨이퍼블럭(30)과 샤워헤드(50) 사이에 형성된다. 플라즈마(P)는 자기장에 의하여 웨이퍼 중앙부로 모아지게 되며, 이에 따라 웨이퍼 중앙부에서 플라즈마 밀도가 높아지게 된다. 이때, 제1반응가스 및 제2반응가스가 흐르는 가스라인(51a)(52a)으로 플라즈마 에너지가 전달되면 원치 않는 영향이 발생되므로, 가스라인(51a)(52a)들로 플라즈마 에너지가 전달되지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 샤워헤드(50)는, 탑플레이트(40)와 접촉되는 부분이 석영등의 절연체로 만들어진 제1샤워헤드판과, 접지되는 것으로서 알루미늄등의 재질로 된 제2샤워헤드판로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 샤워헤드 외부를 감싸는 부분은 석영, 세라믹 재질등으로 만들어서 플라즈마에 의한 원하지 않는 영향이 발생하는 것이 방지하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 샤워헤드판과 반응용기벽을 전기적으로 절연시키게 되고, 웨이퍼의 상부에 형성된 플라즈마 운(구름)을 보다 웨이퍼상에 한정시킬 수 있게 된다.In the plasma P, electrical energy generated by the RF power source 71 is applied to the RF electrode plate 77 in the wafer block through the RF matching box 73 and the condenser 75, thereby showering with the wafer block 30. It is formed between the head (50). The plasma P is collected by the magnetic field toward the center of the wafer, thereby increasing the plasma density at the center of the wafer. At this time, when plasma energy is delivered to the gas lines 51a and 52a through which the first and second reaction gases flow, unwanted effects are generated, so that plasma energy is not transmitted to the gas lines 51a and 52a. It is important to do. Therefore, the showerhead 50 is preferably composed of a first showerhead plate made of an insulator such as quartz, and a second showerhead plate made of a material such as aluminum that is grounded at a portion in contact with the top plate 40. Do. In addition, the portion surrounding the outside of the shower head is preferably made of quartz, ceramic material, etc. to prevent unwanted effects caused by plasma. In this way, the showerhead plate and the reaction vessel wall are electrically insulated, and the plasma cloud (cloud) formed on the top of the wafer can be more limited on the wafer.
상기와 같은 구조의 반응용기를 이용한 박막증착방법은 실질적으로 제1실시예에서와 유사하다. 다른 점은 박막증착공정이 진행되는 동안 플라즈마(P)가 상기한 싸이클과 같은 주기로 형성 및 소멸되는 것이다. 이때, 플라즈마(P)의 형성 및 소멸은 적어도 어느 하나의 반응가스 공급시간동안 이루어지는데, 본 실시예에서는 도 13 에 도시된 바와 같이, 제1반응가스의 퍼지단계(S5') 도중(ⓒ''∼ⓓ'')이나 제2반응가스의 피딩단계(S6') 직전에 형성되고, 제2반응가스의 퍼지단계(S7') 도중(ⓔ''∼ⓕ'')에 플라즈마(P)가 소멸된다. 이와 같이 제2반응가스의 피딩 직전과 직후까지 플라즈마(P)를 형성시키는 것은 제2반응가스가 박막형성을 위해 웨이퍼 표면상에서 최대한 많이 소모되도록 하기 위하여이다. 이러한 플라즈마(P)의 펄스인가는 박막 형성이 완료될 때까지 이루어진다.The thin film deposition method using the reaction vessel of the above structure is substantially similar to that in the first embodiment. The difference is that the plasma P is formed and dissipated at the same cycle as the cycle described above during the thin film deposition process. At this time, the formation and disappearance of the plasma (P) is made during at least one reaction gas supply time, in the present embodiment, as shown in Figure 13, during the purge step (S5 ') of the first reaction gas (©' '~ Ⓓ') or immediately before the feeding of the second reaction gas (S6 '), and the plasma P is formed during the purge step (S7') of the second reaction gas (ⓔ " -ⓕ "). It is destroyed. As such, the plasma P is formed until immediately before and after the second reaction gas is fed so that the second reaction gas is consumed as much as possible on the wafer surface for thin film formation. The pulse application of the plasma P is performed until the thin film formation is completed.
플라즈마가 동기화될 때 분사되는 제2반응가스는 대표적으로 수소(H2)가스가 될 수 있다. 이때 제1반응가스는 금속유기 화합물이 될 수 있으며, 금속유기 화합물의 분사시 플라즈마 형성을 배제시키는 것은 가스 상태에서 금속유기 화합물 원료의 분해를 최대한 막기 위해서이다. 그리하여 피티클 발생이나 박막의 불량 증착을 최소화시키는 것이다.The second reaction gas injected when the plasma is synchronized may typically be hydrogen (H 2) gas. In this case, the first reaction gas may be a metal organic compound, and the purpose of excluding plasma formation during the injection of the metal organic compound is to prevent decomposition of the metal organic compound raw material in the gas state. This minimizes the occurrence of footage and poor deposition of thin films.
웨이퍼상에 형성되는 플라즈마(P)가 균일하게 하기 위하여 인가되는 자기장이 웨이퍼(w) 표면상에서 한결 같은 방향성을 갖도록 하여야 한다. 또한, 박막의 두께 및 특성 균일성 그리고 형성된 플라즈마의 안정성, 공정 안정성 측면에서 공정압력의 안정적인 유지가 매우 중요하다. 이를 위하여 반응용기로 유입되는 불활성 가스의 흐름량이 항시 일정하도록 한다. 제1실시예에서와 마찬가지로, 원하는 두께로 박막을 증착한 후, 웨이퍼 표면상에 자기장을 인가하면서 불활성가스와 반응가스를 분사함으로써 박막의 열처리 단계(S9)를 더 거칠 수 있다.In order for the plasma P formed on the wafer to be uniform, the applied magnetic field must have a uniform directionality on the surface of the wafer w. In addition, the stable maintenance of the process pressure is very important in terms of the thickness and uniformity of the thin film, the stability of the formed plasma, and the process stability. To this end, the flow rate of the inert gas flowing into the reaction vessel is always constant. As in the first embodiment, after the thin film is deposited to a desired thickness, the thin film may be subjected to the heat treatment step S9 by spraying an inert gas and a reactive gas while applying a magnetic field on the wafer surface.
웨이퍼상에 플라즈마(P)가 형성되었을 때 그 공간에는 수많은 이온화 된 가스분자들과 전자들의 구름이 형성되었다고 볼 수 있다. 이러한 플라즈마 운(구름)이 웨이퍼상에 밀도있고 균일하게 집중되어야 박막증착의 균일성을 기대 할 수 있으며, 플라즈마 운의 밀도 증가는 자기장의 인가로 이루어지는 것이다. 자기장인가는 E ×B 힘을 이온들에 전달함으로써 이온들이 도 9 에서 도시한 싸이클로이드 운동을 하게되어 플라즈마 운의 밀도를 증가시키는 것이다. 따라서, 웨이퍼상에서 반응기체들간에 충돌확률, 즉, 반응성이 커져 더 밀도있는 박막증착이 이루어진다.When plasma P is formed on the wafer, a large number of ionized gas molecules and clouds of electrons are formed in the space. When the plasma cloud (cloud) is concentrated and uniformly concentrated on the wafer, the uniformity of thin film deposition can be expected, and the increase in the density of the plasma cloud is caused by the application of a magnetic field. The magnetic field application is to transfer the E x B force to the ions, thereby causing the cycloidal motion shown in FIG. 9 to increase the density of the plasma cloud. Therefore, the collision probability, that is, the reactivity between the reactants on the wafer becomes high, resulting in denser thin film deposition.
한편, 웨이퍼상에 형성되는 플라즈마(P) 밀도의 불균일성은 E ×B 힘에 기인한다. E ×B 힘은 이온들의 싸이클로이드운동을 유도하여 플라즈마 밀도를 높이는데 기여하지만 플라즈마 운(구름)내의 수많은 전자들을 웨이퍼상에 인가된 자속선에 90 도 직교하는 방향으로 드리프트 운동시켜 전자들의 존재 밀도를 기판상에서 불균일하게 만든다. 이는 곳 기판상의 플라즈마 밀도 균일성이 나빠지게 됨을 의미하며 박막증착 균일성이 나빠지는 것으로 귀결된다.On the other hand, the nonuniformity of the plasma P density formed on the wafer is due to the E x B force. The E x B force induces cycloidal motion of ions and contributes to the increase of plasma density, but the density of electrons is caused by the drift motion of numerous electrons in the plasma cloud in a direction orthogonal to the magnetic flux line applied on the wafer. Makes it uneven on the substrate. This means that the plasma density uniformity on the substrate becomes worse, resulting in poor film deposition uniformity.
이 문제를 극복하기 위하여, 도 4 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼상에서 형성되는 자기장(B)의 방향은 모두 일정한 한 방향을 이루면서 균일한 분포를 가지도록 하여야 하며, 이는 회전프레임(61)에 자석(63)들의 적절한 배치를 통하여 이루어진다. 그 다음 어느 한 방향으로 전자들이 계속 드리프트되지 못하도록 수평 자기장을 회전시켜 주어야 하므로, 회전구동부(65)에 의하여 회전프레임(61)을 회전시켜 주어야 한다. 이렇게 함으로써 자석들이 전체적으로 회전하고, 이에 따라 도 11에 도시된 바와 같이, 수평 자기장(B)은 한 방향을 이루며 서서히 회전하게 된다. 이러한 제2실시예에서는 자기장의 회전은 필수 사항이다.In order to overcome this problem, as shown in FIG. 4, the directions of the magnetic field B formed on the wafer should all have a uniform distribution while forming a constant one direction. 63) through proper placement. Then, the horizontal magnetic field must be rotated to prevent electrons from continuing to drift in either direction, and thus, the rotation frame 61 must be rotated by the rotation driving unit 65. In this way, the magnets rotate as a whole, and as shown in FIG. 11, the horizontal magnetic field B rotates slowly in one direction. In this second embodiment, the rotation of the magnetic field is essential.
도 12 는 본 발명에 따른 자기 ALD 박막증착방법을 수행하기 위한 반응용기의 제3실시예의 구성도이고, 도 13 은 도 12의 반응용기에 의한 자기 ALD 박막증착방법을 그래프로 도시한 도면이다. 여기서, 도 3 내지 도 11 에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.12 is a configuration diagram of a third embodiment of a reaction vessel for performing the magnetic ALD thin film deposition method according to the present invention, Figure 13 is a graph showing the magnetic ALD thin film deposition method by the reaction vessel of FIG. Here, the same reference numerals as in FIGS. 3 to 11 are the same members having the same function.
제3실시예의 반응용기는 플로우 타입으로서, 웨이퍼(w)가 안착되는 웨이퍼블럭(130)과, 공급되는 제1반응가스와 공급되는 제2반응가스를 각각 상기 웨이퍼의 측방으로 분사하는 가스분배기(150)와, 유입된 가스를 외부로 배기시키는 배기부와, 상기 웨이퍼블럭(130) 표면상으로 자기장을 인가하기 위한자기장발생장치(160)를 포함한다. 즉, 제1,2실시예의 반응용기와 다른 점은 반응가스들의 웨이퍼(w)의 측면에서 분사되는 것이고, 웨이퍼(w)상에 수평 자기장을 형성할 수 있는 전자석 또는 영구자석이 반응용기 상부에 위치하고 있는 점이다. 자기장발생장치가 반응용기 상부에 위치하고 있지만 본질적으로 구성의 목적은 제1,2실시예에서의 반응용기와 같으며, 웨이퍼상에 한결 같은 방향성을 가지며 균일한 분포를 가지도록 수평 자기장(B)을 형성하고 회전시키는 것이다. 한결 같은 방향성을 가지게 하는 코일로 감겨진 전자석 구조나 영구자석의 배열등은 이미 PVD 장치분야에서 많이 알려져 있기 때문에 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.The reaction vessel of the third embodiment is a flow type, and is a gas distributor for injecting the wafer block 130 on which the wafer w is seated, the first reaction gas supplied and the second reaction gas supplied to the side of the wafer, respectively. 150, an exhaust unit for exhausting the introduced gas to the outside, and a magnetic field generating device 160 for applying a magnetic field on the surface of the wafer block 130. That is, the difference from the reaction vessels of the first and second embodiments is that the reaction gases are injected from the side of the wafer w, and an electromagnet or permanent magnet capable of forming a horizontal magnetic field on the wafer w is placed on the reaction vessel. It is located. Although the magnetic field generating device is located above the reaction vessel, essentially the purpose of the construction is the same as the reaction vessel in the first and second embodiments, and the horizontal magnetic field B is arranged to have a uniform orientation and uniform distribution on the wafer. To form and rotate. The structure of electromagnets and permanent magnets wound by coils having constant directionality is already well known in the field of PVD devices, and thus detailed descriptions thereof will be omitted.
제3실시예의 반응용기를 이용한 박막증착방법은 제1,2실시예에서의 박막증착방법과 거의 유사하다. 즉, 플라즈마를 인가함으로써, 제1반응가스와 제2반응가스 사이의 치환반응을 활성화시킨다.The thin film deposition method using the reaction vessel of the third embodiment is almost similar to the thin film deposition method in the first and second embodiments. That is, by applying the plasma, the substitution reaction between the first reaction gas and the second reaction gas is activated.
또, 원하는 두께의 박막을 증착하기 위하여, 예를 들어 100Å 의 박막을 형성하기 위하여 상기한 싸이클을 대략 30회정도 반복 수행하여야 한다고 가정할 경우에, 총 싸이클 중 5 회의 싸이클을 A 싸이클이라 하고 이때 인가되는 자기장의 세기를 a 라 하면, 나머지 25 회의 싸이클을 B 싸이클이라 하고 이때 인가되는 자기장의 세기를 b 라 할 수 있다. 이 경우, a > b로 함으로써 하지막과 접촉되는 박막의 순도를 더 좋게 할 수 있다.In addition, assuming that the above cycles should be repeated about 30 times in order to deposit a thin film having a desired thickness, for example, 100 μs, five cycles of the total cycles are called A cycles. If the intensity of the applied magnetic field is a, the remaining 25 cycles may be referred to as B cycles, and the strength of the applied magnetic field may be referred to as b. In this case, by making a> b, the purity of the thin film in contact with the underlying film can be further improved.
한편, 웨이퍼(w) 표면상에 자기장은 수평하게 형성되어야 하며, 반응용기 상부에 위치된 자기장 발생장치(160)가 회전함으로써 자기장은 웨이퍼 표면상에서 회전한다.On the other hand, the magnetic field on the surface of the wafer (w) should be formed horizontally, the magnetic field is rotated on the wafer surface by rotating the magnetic field generating device 160 located on the reaction vessel.
또한, 박막증착 단계에 있어, 반응용기 내로 피딩되는 불활성 가스의 흐름량을 항시 일정하게 하는 것이 반응용기내의 공정압력을 일정하게 유지하는데 바람직하다.In addition, in the thin film deposition step, it is preferable to keep the flow rate of the inert gas fed into the reaction vessel at all times to keep the process pressure in the reaction vessel constant.
그리고, 또, 제1,2실시예에서와 마찬가지로, 원하는 두께로 박막을 증착한 후, 웨이퍼 표면상에 자기장을 인가하면서 불활성가스와 반응가스를 분사함으로써 박막의 열처리 단계를 더 거칠 수 있다. 열처리 단계에서 사용되는 반응가스로는 H2, NH3, N2등을 이용할 수 있다.Further, as in the first and second embodiments, after the thin film is deposited to a desired thickness, the heat treatment step of the thin film may be further performed by spraying an inert gas and a reactive gas while applying a magnetic field on the wafer surface. As the reaction gas used in the heat treatment step, H 2 , NH 3 , N 2, or the like may be used.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 자기 ALD 박막증착방법에 따르면, 자기장 단독 내지는 자기장과 플라즈마를 동시에 인가함으로써 CVD 에 비하여 낮은 온도에서도 고순도 및 우수한 전기적 특성과 스텝커버리지를 구현하는 박막을 보다 빠르게 증착할 수 있다는 효과가 있다.As described above, according to the magnetic ALD thin film deposition method according to the present invention, by applying the magnetic field alone or the magnetic field and the plasma at the same time, it is possible to deposit a thin film that realizes high purity and excellent electrical properties and step coverage at a lower temperature than CVD. There is an effect.
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