KR100455753B1 - Pulsed plasma enhanced thin layer dep0sition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펄스 플라즈마 발생장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법에 관한 것으로서, 상기 펄스 플라즈마 발생장치는 전원부, 슬라이드 변압기, 고전압 변압기, 플라즈마를 발생시키는 로드, 스파크 간극 스위치를 포함하여 구성되어 낮은 전력으로 순간적인 고밀도의 플라즈마를 발생시킬수 있고, 이를 이용한 박막 증착 방법은 증착장치에 교대로 유입되는 2 이상의 반응가스를 펄스 플라즈마로 분해하여 사이클 과정으로 웨이퍼에 증착시키므로써 균일한 박막층을 제공할 수 있고, 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 발생장치는 설계가 자유롭기 때문에 종래의 ALD 또는 CVD 장치에 용이하게 적용될 수 있다.The present invention relates to a pulsed plasma generator and a thin film deposition method using the same, wherein the pulsed plasma generator includes a power supply unit, a slide transformer, a high voltage transformer, a plasma generating rod, a spark gap switch, A high density plasma can be generated, and the thin film deposition method using the same can provide a uniform thin film layer by decomposing two or more reaction gases flowing into the deposition apparatus into pulsed plasma and depositing the same on a wafer in a cycle process. Pulse plasma generator according to the present invention can be easily applied to a conventional ALD or CVD apparatus because the design is free.
Description
본 발명은 펄스 플라즈마 발생장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법에 관한 것으로, 상세하게는 낮은 전력으로 순간적인 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 펄스 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용하는 박막 증착방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pulsed plasma generator and a thin film deposition method using the same, and more particularly, to a pulsed plasma generator and a thin film deposition method using the same that can generate instantaneous high density plasma with low power.
반도체 소자의 제조에 있어서는, 서로 인접하는 물질막간의 상호확산이나 화학반응을 억제하기 위해 인접하는 물질막을 직접적으로 접촉시키지 아니하고, 확산방지막(Ti막, TaN막, W-N막 등)을 매개로 간접적으로 접촉시킬 경우가 있다. 이러한 확산방지막은 장벽막(barrier)이라고도 하며 고집적 메모리 소자를 만드는데 기반이 된다.In the manufacture of semiconductor devices, in order to suppress mutual diffusion or chemical reaction between adjacent material films, the adjacent material films are not directly contacted, but indirectly through a diffusion barrier film (Ti film, TaN film, WN film, etc.). It may be in contact. Such diffusion barriers are also called barriers and are the basis for making highly integrated memory devices.
상기의 장벽막을 형성하는 방법에는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition;CVD)법 또는 최근에 개발된 원자층 증착(ALD)방법등이 이용된다. 다만, 화학기상증착법의 경우, 극히 얇은 박막의 경우 제어가 어렵고, 신뢰성을 얻을 수 없으며, 박막층이 불균일한 단점을 가지고 있다. 이러한 단점은 최근에 개발된 원자층 증착(ALD) 방법에 의하여 극복될 수 있다.As the method for forming the barrier film, a chemical vapor deposition (CVD) method or an recently developed atomic layer deposition (ALD) method is used. However, in the case of chemical vapor deposition, extremely thin films are difficult to control, reliability cannot be obtained, and the thin film layers have nonuniform disadvantages. This disadvantage can be overcome by the recently developed atomic layer deposition (ALD) method.
플라즈마를 이용하지 않는 종래의 ALD박막 증착방법은 고온에서 고진공을 유지한 상태에서 순간적으로 가스를 넣었다가 빼내는 동작의 반복을 통해 박막을 증착하는 것이다.Conventional ALD thin film deposition method that does not use a plasma is to deposit a thin film by repeating the operation of instantaneously adding and removing gas while maintaining a high vacuum at high temperature.
그러나, 이러한 증착방법으로는 증착온도에서 가스가 분해되는 경우에는 문제가 없지만, 증착온도에서 가스가 분해되지 않는 경우에는 원하는 박막을 증착할 수 없는 문제점이 있다.However, such a deposition method has no problem when gas is decomposed at a deposition temperature, but there is a problem that a desired thin film cannot be deposited when gas is not decomposed at a deposition temperature.
한편, 플라즈마 발생장치를 이용하는 종래의 CVD 장치나 ALD 장치의 경우에도 지속 또는 순간적으로 플라즈마를 발생시켜 박막을 증착하나, 지속적인 경우는 원하는 순간에만 플라즈마를 발생시켜 박막을 증착할 수 없고, 순간적인 경우는 안정된 플라즈마를 발생시킬 수 없는 문제점이 있다.On the other hand, even in the case of a conventional CVD apparatus or ALD apparatus using a plasma generator, the plasma is continuously or instantaneously generated to deposit a thin film. However, in the case of continuous, the thin film can not be deposited by generating a plasma only at a desired moment. There is a problem that can not generate a stable plasma.
종래의 박막 증착장치의 문제점을 W-N 박막증착의 예를 들어 설명한다.Problems of the conventional thin film deposition apparatus will be described with an example of W-N thin film deposition.
플라즈마를 사용하지 않는 경우에 , Si 기판이 설치된 챔버 내에 WF6가스를 넣으면, WF6가스가 Si의 촉매반응에 의하여 WF6가스가 들어가는 2-5초 사이에 Si과 반응하여 Si 표면에 W이 증착되고, F는 환원된다. 그 다음, NH3가스를 챔버내에 공급하면, NH3는 WF6와 반응하여 W-N이 만들어져야 한다. 그러나, 실제로는 WF6가 이미 Si과 표면반응을 통해 W으로 남아있어서, W가 먼저 증착되고 그 표면에 NH3가 그냥 흡착해 있다가 반응가스를 뽑아내는 배기과정에서 NH3가 탈착해 버리게 된다. 따라서 다음에 다시 WF6가스가 들어가도 계속해서 Si의 촉매반응에 의하여 W만 증착되게 된다. 또한, NH3가스를 먼저 넣을 경우에도, NH3는 Si 표면에 흡착되었다가 바로 탈착해 버리기 때문에 WF6를 먼저 넣을 때와 동일한 결과가 도출된다.When the plasma is not used, when the WF 6 gas is placed in the chamber in which the Si substrate is installed, the WF 6 gas reacts with the Si for 2-5 seconds while the WF 6 gas enters by the catalytic reaction of Si, thereby causing W Is deposited and F is reduced. Then, when NH 3 gas is supplied into the chamber, NH 3 must react with WF 6 to produce WN. In reality, however, WF 6 remains as W through the surface reaction with Si, so that W 3 is deposited first and NH 3 is adsorbed on the surface, and NH 3 is desorbed in the exhaust process to extract the reaction gas. . Therefore, even after the WF 6 gas enters again, only W is deposited by the catalytic reaction of Si. In addition, even when NH 3 gas is added first, since NH 3 is adsorbed on the Si surface and immediately desorbs, the same result as when WF 6 is added first is obtained.
나아가, 종래의 플라즈마 발생장치는 가스 압력이 10-2Torr정도 에서는 플라즈마가 발생될 수가 없고, 3×10-1Torr 이상일 때만 플라즈마가 발생되며, 이러한 플라즈마를 안정화시키기 위하여 최소한 수내지 수십초의 시간이 소요된다. 한편, ALD 장치의 경우, 반응성 가스들이 1~5초 이내에 서로 교대로 반응챔버 내로 주입되며, 그 사이에는 고진공이거나, 아니면 수 Torr이내가 된다.Furthermore, in the conventional plasma generator, plasma cannot be generated when the gas pressure is about 10 -2 Torr, and plasma is generated only when 3 x 10 -1 Torr or more, and at least several to several tens of seconds are required to stabilize the plasma. It takes On the other hand, in the case of the ALD device, reactive gases are injected into the reaction chamber alternately within 1 to 5 seconds, between which the high vacuum or within a few Torr.
따라서, 종래의 플라즈마 발생장치를 반응가스가 교대로 주입되어 박막을 증착시키는 원자층 증착장치에 적용하는 경우에, 발생된 플라즈마가 대단히 불안한 상태가 되어 원하는 박막을 얻기가 대단히 어렵게 되는 문제점이 있다.Therefore, when the conventional plasma generator is applied to an atomic layer deposition apparatus in which reactive gases are alternately injected to deposit a thin film, there is a problem in that the generated plasma becomes very unstable and very difficult to obtain a desired thin film.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 플라즈마 발생장치의 경우 안정된 플라즈마를 발생하기 위해서는 빠른 시간내에 매칭(matching)을 자동으로 해 주어야 한다. 하지만, 매칭을 행하는 장비는 매우 고가이기 때문에 플라즈마 발생장치에 채용하기 곤란하다.In order to solve this problem, in the case of the conventional plasma generating apparatus, in order to generate stable plasma, matching must be automatically performed within a short time. However, the equipment for matching is very expensive, and thus it is difficult to employ the plasma generator.
도 1은 종래의 박막 증착방법에 의한 W-N 박막의 오제 전자 분광분석의 결과이다. 플라즈마가 없기 때문에 0.2초 동안에 WF6가스를 유입한 후 정화(purge)를 하고, NH3가스를 1초동안 유입한 후 다시 정화를 하게 되며, 이러한 상태로 100회를 반복한 다음 결과이다. 증착 초기에 WF6가스와 Si 기판 사이에 빠르게 반응함으로 인하여 거의 W 박막만이 두껍게 형성되어 있음을 알 수 있다.1 is a result of Auger electron spectroscopy of a WN thin film by a conventional thin film deposition method. Since there is no plasma, purge after injecting WF 6 gas for 0.2 seconds, purging again after injecting NH 3 gas for 1 second, and repeating 100 times in this state is the result. Due to the rapid reaction between the WF 6 gas and the Si substrate at the beginning of the deposition, it can be seen that only the W thin film is thickly formed.
따라서 W-N 박막을 종래의 박막 증착방법으로는 증착할 수가 없다는 것이 문제점이다.Therefore, the problem is that the W-N thin film cannot be deposited by a conventional thin film deposition method.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반응가스의 분해를 효율적으로 행하여 원자층 증착장치 또는 화학증착 장치 등의 박막 증착장치에 이용될 수 있는 펄스 플라즈마의 발생장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide an apparatus for generating a pulsed plasma, which can be used in a thin film deposition apparatus such as an atomic layer deposition apparatus or a chemical deposition apparatus by efficiently decomposing a reaction gas.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 펄스 플라즈마 발생장치를 이용하는 박막 증착방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a thin film deposition method using the pulsed plasma generator.
도 1은 종래 박막 증착방법에 의한 W-N박막의 오제 전자 분광분석(Auger electron spectroscopy) 결과이다.1 is a result of Auger electron spectroscopy of the W-N thin film by a conventional thin film deposition method.
도 2a는 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 발생장치의 회로도이다.2A is a circuit diagram of a pulsed plasma generator according to the present invention.
도 2b는 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 발생장치도이다.Figure 2b is a pulse plasma generator according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 펄스 플라즈마의 시간에 따른 오실로스코프(Oscilloscope) 선도이다.3 is an oscilloscope diagram over time of a pulsed plasma according to the present invention.
도 4a는 상기 펄스 플라즈마 발생장치를 구비한 박막 증착장치의 종단면도이다.4A is a longitudinal sectional view of a thin film deposition apparatus including the pulsed plasma generator.
도 4b는 상기 펄스 플라즈마 발생장치를 구비한 박막 증착장치의 챔버 윗부분에 대한 평면도이다.4B is a plan view of an upper portion of a chamber of the thin film deposition apparatus including the pulsed plasma generator.
도 5는 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 박막 증착방법에 의한 W-N 박막의 오제 전자 분광분석(Auger electron spectroscopy) 결과이다.5 is Auger electron spectroscopy of the W-N thin film by the pulsed plasma thin film deposition method according to the present invention.
*** 도 4a, 4b의 주요부분에 대한 설명 ****** Description of the main parts of FIGS. 4A and 4B ***
41: 반응가스 A 유입구 42: 반응가스 B 유입구41: reaction gas A inlet 42: reaction gas B inlet
43: 웨이퍼 44: 가열기43: wafer 44: heater
45: 배기라인 46: 가스 가이드45: exhaust line 46: gas guide
47: 챔버 48: 유입라인47: chamber 48: inlet line
49: 반응가스 배기구49: reaction gas exhaust port
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 외부전원이 공급되는 전원부와; 상기 전원부로부터 인가된 전압을 인가된 전압 이하로 낮추는 슬라이드 변압기와; 상기 슬라이드 변압기에서 인가된 전압을 상승시키는 고전압 변압기와; 상기 고전압 변압기에서 인가된 전압을 사용하여 플라즈마를 발생시키는 로드 및; 상기 고전압 변압기와 상기 로드를 연결하는 회전식 스파크 간극 스위치를 포함하여 구성되는 펄스 플라즈마 발생장치를 제공한다.The present invention to achieve the above technical problem, the power supply unit is supplied with an external power; A slide transformer for lowering the voltage applied from the power supply unit below the applied voltage; A high voltage transformer for raising a voltage applied from the slide transformer; A load generating a plasma using a voltage applied from the high voltage transformer; It provides a pulsed plasma generator comprising a rotary spark gap switch connecting the high voltage transformer and the rod.
도 2a는 펄스 플라즈마 발생장치의 회로도를 나타낸다.2A shows a circuit diagram of a pulsed plasma generator.
전원부(21)는 외부 전원이 공급되는 부분으로서, 특별한 제한은 없지만 일반적으로 AC 220V의 전압이 공급된다.The power supply unit 21 is a portion to which external power is supplied, and there is no particular limitation, but a voltage of AC 220V is generally supplied.
슬라이드 변압기(Slide transformer)(22)는 전원부(21)로부터 인가된 전압을 0-220V 사이에서 조절하는 기능을 담당한다.The slide transformer 22 is responsible for adjusting the voltage applied from the power supply unit 21 between 0-220V.
고전압 변압기(high voltage transformer)(23)는 슬라이드 변압기(22)에서 인가된 전압을 고압으로 바꿔주는 장치로서, 최고 22KV까지 전압을 상승시킨다.The high voltage transformer 23 is a device that converts the voltage applied from the slide transformer 22 to a high voltage, and raises the voltage up to 22 KV.
회전식 스파크 간극 스위치(Rotating spark gap switch)(24)는 인가된 최고22KV의 전압을 지속적으로 유지하는 것이 아니라, 1초에 1-수백번이상 회로의 연결과 단절을 반복하는 기능을 수행한다. 이렇게 함으로써 가스를 분해하는 효율은 극대화 시킬 수 있고 소비되는 전력은 최소로 할 수 있다. 연결과 단절을 반복하는 시간간격이 좁아질수록 항상 고압으로 플라즈마 분해를 가능하게 한다.The rotating spark gap switch 24 does not continuously maintain the applied voltage of up to 22 KV, but performs the function of repeating the connection and disconnection of the circuit more than one-hundreds of times per second. This maximizes the efficiency of gas decomposition and minimizes power consumption. The narrower the time interval between the connection and disconnection, the higher the plasma decomposition at all times.
로드(Load)(25)는 고전압 변압기(23)로부터 인가된 전압으로 로드를 통과하는 반응가스를 플라즈마 상태로 분해하는 기능을 수행한다. 이 경우, 플라즈마 형태는 회전식 스파크 간극 스위치(24)에 의하여 펄스 전압이 가해지기 때문에 펄스 형태가 된다.The load 25 performs a function of decomposing the reaction gas passing through the load into a plasma state at a voltage applied from the high voltage transformer 23. In this case, the plasma form becomes a pulse form because the pulse voltage is applied by the rotary spark gap switch 24.
도 3은 펄스 플라즈마 발생장치에서 상기 로드(25)에 인가된 펄스 전압을 나타낸다. 여기에서는 40×10-3s 마다 펄스 전압이 일정하게 생성되는 것을 알 수 있다. Rotor의 회전수를 증가시키면 펄스 전압의 시간 간격을 더 작게 조절할 수 있다. 따라서, 상기 Rotor의 회전수가 증가함에 따라 시간당 더 많은 펄스 전압을 발생시킬 수 있기 때문에, 상기 로드(25)를 통과하는 반응가스를 순간적으로 안정적인 플라즈마로 분해할 수 있다.3 shows the pulse voltage applied to the rod 25 in the pulse plasma generator. Here, it can be seen that a pulse voltage is generated constantly every 40 × 10 −3 s. Increasing the number of rotations of the rotor can make the pulse voltage time step smaller. Therefore, since more pulse voltages can be generated per hour as the rotation speed of the rotor increases, the reaction gas passing through the rod 25 can be decomposed into instantaneously stable plasma.
상기의 펄스 플라즈마 발생장치는, 본 발명이 적용되는 증착장치에 따라 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 특정한 구조로 한정되는 것은 아니다.The pulse plasma generating apparatus may be modified in various forms according to the deposition apparatus to which the present invention is applied, and the scope of the present invention is not limited to a specific structure.
예를 들면, 상기 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 발생장치는 매우 작게 만들 수 있고, 적은 전력이 소모되기 때문에, 가스관 또는 증착장치의 챔버에 직접 부착할 수 있다. 이러한 경우에는, 반응가스를 반응성이 높은 플라즈마상태로 주입할수 있게 되어 증착을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 발생장치는 다양한 구조를 가지는 종래의 ALD 또는 CVD 장치에 용이하게 적용될 수 있다. 도 2b는 반응가스가 챔버에 유입되기 전에 플라즈마 분해하기 위하여 가스관에 부착된 펄스 플라즈마 발생장치의 예시도이다.For example, the pulsed plasma generator according to the present invention can be made very small and consumes little power, so that it can be directly attached to the chamber of the gas pipe or the deposition apparatus. In such a case, the reaction gas can be injected into a highly reactive plasma state to facilitate deposition. Therefore, the pulsed plasma generating apparatus according to the present invention can be easily applied to conventional ALD or CVD apparatuses having various structures. Figure 2b is an illustration of a pulsed plasma generating apparatus attached to the gas pipe for plasma decomposition before the reaction gas enters the chamber.
또한, 상기의 펄스 플라즈마 발생장치는 컴퓨터를 이용한 동기화를 통하여 수 10-3s이하의 짧은 시간 간격에서 챔버에 주입되는 반응가스를 안정한 플라즈마로 분해할 수 있기 때문에, 둘 이상의 반응가스가 교대로 주입되는 공정조건에도 적용될 수 있다.In addition, the above-described pulsed plasma generator can decompose the reaction gas injected into the chamber into a stable plasma at a short time interval of several 10 -3 s or less through computer synchronization, so that two or more reaction gases are alternately injected. It can also be applied to process conditions.
또한, 상기 펄스 플라즈마 발생장치는 펄스 형태의 순간적인 강한 전압을 사용할 수 있기 때문에, 종래 플라즈마 발생장치와는 달리 별도의 압력에 따른 매칭 시스템을 필요로 하지 않으며, 103Torr에서 10-2Torr사이의 어떠한 압력조건에서도 플라즈마가 플라즈마가 발생될 수 있다.In addition, since the pulsed plasma generator can use the instantaneous strong voltage in the form of a pulse, unlike the conventional plasma generator, does not require a matching system according to a separate pressure, between 10 3 Torr and 10 -2 Torr The plasma can be generated under any pressure conditions of the plasma.
한편, 본 발명은, (1) 상기 펄스 플라즈마 발생장치를 이용하여 반응가스 A를 플라즈마 분해하고, 상기 반응가스 A의 플라즈마를 박막 증착장치 내부에 투입하여 박막을 증착하는 단계와; (2) 정화가스(purge gas)를 이용하여 상기 박막 증착장치 속에 남아있는 상기 반응가스 A의 플라즈마를 배출하는 단계와; (3) 상기 펄스 플라즈마 발생장치를 이용하여 반응가스 B를 플라즈마 분해하고, 상기 반응가스 B의 플라즈마를 상기 박막 증착장치 내부에 투입하여 박막을 증착하는 단계와; (4) 정화가스(purge gas)를 이용하여 상기 박막 증착장치 속에 남아있는 상기 반응가스 B의 플라즈마를 배출하는 단계가 사이클 과정으로 이루어지는 박막 증착방법을 제공한다.On the other hand, the present invention comprises the steps of (1) plasma decomposition of the reaction gas A using the pulsed plasma generator, the plasma of the reaction gas A is deposited into a thin film deposition apparatus to deposit a thin film; (2) discharging the plasma of the reaction gas A remaining in the thin film deposition apparatus by using a purge gas; (3) plasma decomposing reaction gas B using the pulsed plasma generator, and depositing a thin film by introducing plasma of the reaction gas B into the thin film deposition apparatus; (4) providing a thin film deposition method comprising discharging the plasma of the reaction gas B remaining in the thin film deposition apparatus using a purge gas as a cycle process.
도 4a는 상기 펄스 플라즈마 발생 장치를 박막 증착장치에 적용하여 연결한 장치의 종단면도이고, 도 4b는 상기 펄스 플라즈마 발생장치를 구비한 박막 증착장치의 챔버 윗부분에 대한 평면도를 나타낸다.FIG. 4A is a longitudinal cross-sectional view of a device in which the pulsed plasma generator is connected to the thin film deposition apparatus, and FIG. 4B is a plan view of an upper portion of the chamber of the thin film deposition apparatus including the pulse plasma generator.
본 발명에 따른 펄스 플라즈마를 이용한 박막 증착방법은 다음과 같다. 증착과정은 사이클을 형성하고 각 사이클은 네개의 단계로 구성된다.A thin film deposition method using a pulsed plasma according to the present invention is as follows. The deposition process forms a cycle and each cycle consists of four steps.
첫 번째 단계로, 반응 가스 A가 가스 유입구(41)와 챔버(47)를 연결하는 유입라인(48)을 통과하는 과정에서 상기 도 2a의 펄스 플라즈마 발생장치에 의하여 플라즈마 상태로 분해되어 챔버(47)내로 유입된다. 가스 가이드(46)는 유입되는 가스가 균일하게 챔버(47)내로 유입되도록 유도하는 역할을 수행한다. 유입된 상기 반응 가스 A의 플라즈마는 상하로 이동가능한 가열기(44)위에 놓여 있는 웨이퍼(43)에 증착된다.In the first step, the reaction gas A is decomposed into a plasma state by the pulsed plasma generator of FIG. 2A while passing through the inlet line 48 connecting the gas inlet 41 and the chamber 47 to the chamber 47. Flows into). The gas guide 46 serves to guide the incoming gas uniformly into the chamber 47. The introduced plasma of the reaction gas A is deposited on the wafer 43 placed on the heater 44 movable up and down.
두 번째 단계로, 정화 가스(PURGE GAS)가 가스 유입구(41)를 통하여 챔버(47)내로 유입되어, 챔버(47)에 남아있는 반응가스 A의 플라즈마가 가스 배기라인 (45)과 가스 배기구(49)를 통하여 외부로 방출된다. 가스 배기구(49)는 반응 가스의 유입방향과 반대로 배출되도록 대칭적으로 설계되어 균일한 박막의 증착을 가능하게 한다.In a second step, purge gas is introduced into the chamber 47 through the gas inlet 41, so that the plasma of the reaction gas A remaining in the chamber 47 is discharged from the gas exhaust line 45 and the gas exhaust port ( Through 49). The gas exhaust port 49 is symmetrically designed to be discharged in a direction opposite to the inflow direction of the reaction gas to enable deposition of a uniform thin film.
세 번째 단계로, 반응 가스 B가 가스 유입구(42)와 챔버(47)를 연결하는 유입라인(48)을 통과하는 과정에서 상기 도 2a의 펄스 플라즈마 발생장치에 의하여플라즈마 상태로 분해되어 챔버(47)내로 유입된다. 가스 가이드(46)는 유입되는 가스가 균일하게 챔버(47)내로 유입되도록 유도하는 역할을 수행한다. 유입된 상기 반응 가스 B의 플라즈마는 상하로 이동 가능한 가열기(44)위에 놓여 있는 웨이퍼(43)에 증착된다.In the third step, the reaction gas B is decomposed into a plasma state by the pulsed plasma generator of FIG. 2A while passing through the inlet line 48 connecting the gas inlet 42 and the chamber 47 to the chamber 47. Flows into). The gas guide 46 serves to guide the incoming gas uniformly into the chamber 47. The introduced plasma of the reaction gas B is deposited on the wafer 43 placed on the heater 44 movable up and down.
이 단계에서, 반응 가스 B의 유입구(42)와 상기 반응 가스 A의 유입구(41)의 경로가 서로 다르기 때문에 양자가 혼합되는 것이 방지된다.In this step, since the paths of the inlet port 42 of the reaction gas B and the inlet port 41 of the reaction gas A are different from each other, the mixing is prevented.
네 번째 단계로, 정화 가스가 가스 유입구(42)를 통하여 챔버(47)내로 유입되어, 챔버(47)에 남아있는 반응가스 B의 플라즈마가 배기라인(45)과 가스 배기구(49)를 통하여 외부로 방출된다.In a fourth step, the purge gas is introduced into the chamber 47 through the gas inlet 42, and the plasma of the reaction gas B remaining in the chamber 47 is externally discharged through the exhaust line 45 and the gas exhaust port 49. Is released.
상기 본 발명에 따른 박막 증착방법에서 펄스 플라즈마 발생장치를 이용하는 이유는, 반응가스 자체로는 웨이퍼(43)상에 증착이 곤란한 경우에 표면흡착이 용이한 플라즈마 상태로 분해하기 위함이다. 따라서, 상기 세 번째 단계의 경우 반응가스 B가 웨이퍼(43)와 표면흡착력이 우수하면 플라즈마 분해를 하지 아니하고 증착과정을 행할 수 있다. 이는, 반응가스 B가 챔버(47)내로 주입되는 동안에는 상기의 펄스 플라즈마 발생장치가 동작하지 아니하도록 컴퓨터를 이용한 동기화로 이루어진다.The reason why the pulse plasma generator is used in the thin film deposition method according to the present invention is to decompose the plasma into a plasma state where surface adsorption is easy when the reaction gas itself is difficult to deposit on the wafer 43. Therefore, in the third step, if the reaction gas B has excellent surface adsorption force with the wafer 43, the deposition process may be performed without plasma decomposition. This is achieved by synchronization using a computer such that the pulsed plasma generator is not operated while the reaction gas B is injected into the chamber 47.
상기 본 발명에 따른 펄스 플라즈마를 이용한 박막 증착방법에서는 반응가스를 주입하는 동안에 펄스 전압으로 플라즈마 분해를 하고, 주입되는 반응가스의 유량을 임의로 조절이 가능하다. 따라서, 반응가스 유량을 크게 하여 압력을 순간적으로 크게 증가시키게 되면(≥10+1Torr) 아크 및 코로나 방전을 동시에 발생될 수있다. 이러한 아크 및 코로나 방전은 특히 열적으로 분해가 어려운 가스들을 분해하는데 이용될 수 있다. 또한, 가스 유량을 적절히 조절함으로써(~100Torr) 코로나 방전만을 일으키게 함으로써 일반적으로 열적으로 분해하기 어려운 가스들을 분해할 수 있게 한다.In the thin film deposition method using the pulsed plasma according to the present invention, the plasma decomposition is performed at a pulse voltage while the reaction gas is injected, and the flow rate of the injected reaction gas can be arbitrarily adjusted. Therefore, when the pressure of the reaction gas is increased to increase the pressure momentarily (≥ 10 +1 Torr), arc and corona discharge can be simultaneously generated. Such arc and corona discharges can be used to decompose gases that are particularly difficult to thermally decompose. In addition, by appropriately adjusting the gas flow rate (~ 10 0 Torr), only corona discharge is generated, which makes it possible to decompose gases which are generally difficult to thermally decompose.
본 발명에 따른 박막 증착방법을 W-N 박막증착의 예를 들어 설명한다. 종래의 플라즈마를 이용한 증착방법에 의한 반응식은,The thin film deposition method according to the present invention will be described with an example of W-N thin film deposition. The reaction scheme by the deposition method using a conventional plasma,
WF6--> WF*+ bF2 WF 6- > WF * + bF 2
aNH3(g) --> NH + H2(g) + bNH3(g)aNH 3 (g)-> NH + H 2 (g) + bNH 3 (g)
이 되어 NH3가스의 분해효율은 낮다. 따라서 종래의 플라즈마를 이용한 증착방법의 경우에는,As a result, the decomposition efficiency of NH 3 gas is low. Therefore, in the case of a deposition method using a conventional plasma,
Si + WF6--> SiF4+ W + bF2 Si + WF 6- > SiF 4 + W + bF 2
가 되어 SiF4가 etching 작용이 일어나게 되어 박막을 부식시키는 문제가 생기고, 또한 박막내에 WFX의 성분이 그대로 증착되어 F 함량이 증가되어 contact 저항을 증가시킨다. 한편 NH3가스를 주입하는 경우에도, 계속 플라즈마 분해가 일어나기 때문에 계속 박막이 증착되게 되고, 또한 플라즈마에 의한 가스 분해율이 낮으며 증착된 박막내에 F의 함량이 증가하게 된다.The SiF 4 is etched to cause corrosion of the thin film, and WF X is deposited in the thin film as it is, so that the F content is increased to increase the contact resistance. On the other hand, even when the NH 3 gas is injected, since plasma decomposition continues, the thin film is continuously deposited, and the gas decomposition rate by plasma is low, and the content of F in the deposited thin film is increased.
이에 대하여, 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 경우에는, 짧은 시간간격(수초)으로 WF6와 NH3에 넣을 때 펄스 플라즈마 발생장치를 이용하여 순간적으로 플라즈마가 발생되도록 한다. 반응식을 살펴보면,On the other hand, in the case of the thin film deposition method according to the present invention, the plasma is instantaneously generated by using the pulsed plasma generator when the WF 6 and the NH 3 are put in a short time interval (several seconds). Looking at the reaction,
WF6--> W + 3F2 WF 6- > W + 3F 2
2NH3(g) --> 2NH*(g) + 2H2(g)2NH 3 (g)-> 2NH * (g) + 2H 2 (g)
로 각각 완전히 분해가 일어나게 된다. 따라서 NH3가스를 먼저 주입하는 경우에 펄스 플라즈마에 의해 분해되어 NH*가 Si 기판에 증착된다. WF6가스는 완전히 분해되어 챔버내에 공급되기 때문에, Si 기판의 박막내에는 W-N만 존재하게 되고 불소(F) 가스는 기체상태로 또는 휘발성이 강한 SiF6로 빠져나가게 된다. 따라서, 불소(F)가 박막내에 전혀 존재하지 않게 되어 contact 저항에 영향을 주지 않게 된다. 즉, 순간적으로 펄스 플라즈마를 발생시켜 먼저 주입되는 NH3를 완전히 분해하여 Si표면에 N 을 증착시키므로써, 나중에 주입되는 WF6가 Si와 촉매반응을 막아줄 수 있게 된다.Each complete decomposition occurs. Therefore, when NH 3 gas is injected first, it is decomposed by pulsed plasma, and NH * is deposited on the Si substrate. Since the WF 6 gas is completely decomposed and supplied into the chamber, only WN is present in the thin film of the Si substrate, and the fluorine (F) gas is released into the gas state or the highly volatile SiF 6 . Therefore, fluorine (F) does not exist in the thin film at all and does not affect the contact resistance. That is, by instantaneously generating a pulsed plasma to completely decompose the NH 3 injected first to deposit N on the Si surface, the WF 6 injected later can prevent the catalytic reaction with Si.
도 5는 펄스 플라즈마 박막 증착방법에 의한 W-N 박막의 오제 전자 분광분석(Auger electron spectroscopy) 결과이다. 기판 온도가 350℃인 상태에서 100 사이클을 수행한 것으로서, 각 사이클은 1초동안에 NH3가스를 흘리면서 펄스 플라즈마를 발생시키고 정화(purge)한 다음, 0.2초 동안 WF6가스를 흘리면서 다시펄스 플라즈마를 발생시키고 정화하는 것으로 구성된다. 도 5가 나타내는 바와 같이, W-N 박막내에 W와 N의 원소 함량비가 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다.FIG. 5 shows Auger electron spectroscopy of WN thin films by pulsed plasma thin film deposition. 100 cycles were performed at a substrate temperature of 350 ° C., each cycle generating and purging a pulsed plasma by flowing NH 3 gas for 1 second, and then again generating a pulsed plasma by flowing WF 6 gas for 0.2 seconds. Consists of generating and purifying. As shown in FIG. 5, it can be seen that the element content ratio of W and N is uniformly distributed in the WN thin film.
본 발명이 제시하는 바와 같이 펄스 플라즈마 발생장치를 사용하면, 반응가스에 가해주는 에너지의 크기가 월등하게 크므로 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.As the present invention suggests, when the pulsed plasma generator is used, a high-density plasma can be generated because the amount of energy applied to the reaction gas is extremely large.
또한, 펄스로 플라즈마를 발생시키기 때문에 실제 걸어주는 전압이 낮아도 반응가스를 플라즈마 분해하기에 필요한 에너지는 충분하게 되어 전력소모가 아주 작다.In addition, since the plasma is generated by the pulse, even if the actual voltage is low, the energy required for plasma decomposition of the reaction gas is sufficient, and the power consumption is very small.
또한, 종래의 플라즈마 화학기상증착(Plazma Enhanced Chemical Vaper Deposition : PECVD) 장치에서는 13.56 MHz의 rf power를 사용하지만 이러한 경우에는 가스를 수초동안 넣을 경우에는 플라즈마가 발생되지 않아서 박막 증착을 할 수 없다. 이에 대하여, 본 발명은 AC 220V 전원을 고압의 펄스로 발생시킬 수 있기 때문에 원하는 순간에만 플라즈마를 발생시킬 수 있다.In addition, although a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) apparatus uses a rf power of 13.56 MHz, in this case, when gas is added for several seconds, plasma is not generated and thin film deposition cannot be performed. In contrast, the present invention can generate an AC 220V power supply with a high voltage pulse, so that plasma can be generated only at a desired moment.
또한, 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 발생장치는 설계가 자유롭기 때문에 종래의 ALD 또는 CVD 장치에 용이하게 적용될 수 있다.In addition, the pulsed plasma generator according to the present invention can be easily applied to a conventional ALD or CVD apparatus because the design is free.
상기 펄스 플라즈마 발생장치를 이용한 증착방법은 증착이 잘 일어나지 않는 가스를 먼저 수초 정도의 짧은 시간 동안에 고밀도의 플라즈마 분해반응을 통해 흡착반응이 높은 상태로 만들어서 균일한 박막을 제조할 수 있다.In the deposition method using the pulsed plasma generator, a uniform thin film may be prepared by first making a gas which is not easily deposited by a high density plasma decomposition reaction in a short time of several seconds.
또한, 본 발명에 따른 증착방법은 컴퓨터 동기화로 증착과정에 대한 제어가용이하다. 따라서, 교대로 유입되는 반응가스에 대하여 선택적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 반응가스의 압력을 조절하여 아크 또는 코로나 방전등을 수반하여 열분해를 촉진할 수 있다.In addition, the deposition method according to the present invention is easy to control the deposition process by computer synchronization. Therefore, the plasma can be selectively generated with respect to the reaction gas flowing in alternately. In addition, the pressure of the reaction gas may be adjusted to promote pyrolysis accompanied by an arc or corona discharge.
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