KR100469132B1 - 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치 및 방법 - Google Patents

주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체공정용 반응챔버 내부에 탑재되어 있는 실리콘(silicon) 기판상에서 반응기체들의 화학적 반응을 이용하여 박막을 증착하는 방법에 관한 것으로서, 반응기체를 플라즈마로 활성화시켜서 화학적 반응성이 높은 중성의 라디칼을 생성시키거나, 반응기체를 열적으로 활성화시키거나 또는 상기 두 과정을 모두 거친 후 기판에 공급함으로써, 상기 활성화된 반응기체를 반응챔버에 공급한 후 플라즈마를 인가할 때 에너지 강도가 서로 다른 두 단계의 제 1 및 제 2 플라즈마를 반응챔버 내에 공정주기 별로 각각 인가 함으로써 최소한의 플라즈마 에너지를 기판에 인가하면서도 고질(high quality)의 박막을 저온에서 증착하고 동시에 플라즈마에 의한 손상을 줄이며, 더 나아가서 반응챔버 내의 주(main) 플라즈마인 제 2 플라즈마의 인가 공정주기의 시점을 활성화된 반응기체의 공급주기의 시점보다 반응챔버 내의 압력이 안정될 때까지 늦춤(delayed)으로써 플라즈마 점화의 신뢰도와 플라즈마 발생의 재현성을 지속적으로 도모할 수 있는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법에 관한 것이다

Description

주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치 및 방법{CYCLICALLY PULSED TWO LEVEL PLASMA ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 플라즈마 원자층 증착방법에 관한 것으로, 특히, 실리콘 기판 상에 반도체소자를 형성하는데 있어서 반응챔버에 인가하는 플라즈마 에너지를 최소화함으로써 기판상에 발생하는 손상을 줄일 수 있는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체업계가 추구하는 회로 선폭의 초미세화에 따라 디램(DRAM)의 저장용 축전기(storage capacitor)의 전극막, 게이트 절연막 또는 전극막의 일부를 구성하고 있는 구리확산 방지막 등에 적용하기 위해 특성이 좋고 매우 얇은 박막을 저온에서 형성할 필요성이 높아지고 있다. 기체 상태의 원료들의 화학 반응을 이용하여 박막을 형성하는 방법에서 반응기체들을 순차적으로(sequentially) 공급하고 주기를 되풀이하는, 소위, 원자층 증착방법이 얇은 박막을 형성하기에 대단히 유리하다.
셔만(Sherman, Arthur)은 미국특허 US 5,916,365에서 저온에서도 고품질의 박막을 형성하기 위해 원자층 증착방법의 반응기체 공급주기에 플라즈마를 적용하는 펄스 플라즈마 원자층 증착방법(PULSED PLASMA ATOMIC LAYER DEPOSITION METHOD)을 제시(disclosed)하였다 [Sherman, Arthur, 미국특허 US 5,916,365, "SEQUENTIAL CHEMICAL VAPOR DEPOSITION"].
실리콘(silicon) 기판 표면상에 박막을 증착하기 위하여 기판이 탑재된 반응챔버(reaction chamber)내에 플라즈마를 인가하면 기판상에 형성되었거나 형성중인 반도체소자나 기판이 손상될 수 있다. 따라서 동일한 기판 온도 및 동일한 플라즈마 에너지 하에서 펄스 플라즈마 원자층 증착방법을 적용해도 반도체회로의 설계규칙(design rule)이 좁아지게 되면(tightened) 반도체소자가 더욱 작아지기 때문에 손상이 쉽게 일어나 반도체소자의 특성이 나빠지거나 반도체 제조원가와 직결되는 수율(yield)이 낮아질 수 있다.
이춘수 외 3 명은 대한민국특허 특10-0273473 와 미국특허 US 6,645,574 B1에서 시분할(time-divisional) 또는 펄스 플라즈마 환경하에서 원료를 공급하는 화학증착 방법을 제시(disclose)하였다 [이춘수 외 3 명, 대한민국특허 제 0273473호, "박막 형성 방법"], 또한[Lee, Chun-Soo et al., 미국특허US 6,645,574 B1, "METHOD OF FORMING A THIN FILM"]. 이춘수 등이 대한민국특허 제 0273473 또는 미국특허 US 6,645,574에서 제시한 펄스 플라즈마 원자층 증착 방법에서는 원료기체와 퍼즈기체의 공급을 멈추고 반응챔버에 반응기체의 공급과 동시에 RF 전력을 인가한다. 원료기체와 퍼즈기체의 공급을 멈추고 반응기체의 공급을 시작하는 공정과정 중에 반응챔버 내부의 압력과 온도는 난류상태(turbulence)를 거치게 된다. 이 때에, 반응챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위하여RF 전력을 인가하면 반응챔버 내부의 압력과 온도가 매 주기마다 일정하지 않을 경우가 발생하는데 이로 인하여 플라즈마 점화(ignition)의 신뢰성(reliability)과 플라즈마 발생의 재현성(repeatability)에 문제가 발생할 수 있다.
스네(Sneh, Ofer)는 미국특허 US 6,200,893 B1, "라디칼(radicals) 의 도움을 받는 순차적인 화학증착 방법(CVD)", 을 통해서 라디칼에 의해서 활성화된 분자형태의 선구제(molecular precursor)를 교대로(alternately) 적용하여 박막을 형성하는 방법을 제시하였는데, 여기에서 라디칼을 반응챔버 밖에서 생성해 주는 방법을 제안하였다. 하지만, 플라즈마의 사용과 같은 활성화 방법을 활용함으로써 기판상의 반도체소자 등에 발생하는 손상, 플라즈마 점화의 신뢰성 및 플라즈마 발생의 재현성 등의 실질적인 문제의 해결방법에 관해서는 아무런 제시를 하지 않았다.
따라서 본 발명은 주기적 펄스 두단계 플라즈마 원자층 증착 방법에서 반도체 기판이 손상되지 않도록 하기 위하여 낮은 플라즈마 에너지를 인가하여 저온에서도 고질(high quality)의 박막을 증착할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 종래의 방법에 따라 기판상의 반도체소자나 회로의 손상으로 반도체소자의 특성이 저하되고 반도체 제조원가와 직결되는 수율저하를 초래하게 되는 문제들을 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 종래의 플라즈마로 보강한 화학증착 방법(PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION, 또는 간단히, PECVD)이나 주기적 펄스 플라즈마 원자층 증착 방법(CYCLICALLY PULSED PLASMA ATOMIC LAYER DEPOSITION) 또는 플라즈마로 보강한 원자층 증착 방법 (PLASMA ENHANCED ATOMIC LAYER DEPOSITION, 또는 간단히, PEALD)보다 반응챔버 내에 인가되는 플라즈마 에너지의 강도를 최소화시키고 플라즈마 인가 시점 및 주기를 반응챔버 내부의 압력과 온도가 안정된 상태가 될 때까지 조절 함으로써 플라즈마 점화의 신뢰성(reliability) 및 매 주기마다의 플라즈마 발생의 재현성(repeatability)을 고도로 유지하고 공정온도를 낮추면서도고질의 박막을 형성하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 기판의 공정온도와 플라즈마 인가 에너지를 현저히 감소시키면서도 종래기술과 동등하거나 더 향상된 박막의 순도를 얻는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법의 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명에 의한 주기적 펄스 두단계 플라즈마 원자층 증착방법을 실현하기 위한 장치의 개념도의 일 예 이다.
도 3a는 본 발명에 의한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법을 실현하기 위한 반응기체 공급주기의 시간 별 공정순서를 도시하는 그래프이다.
도 3b 는 상기 도 3a 의 공정과정 중에 반응챔버 내의 압력의 불안정한 상태의 한 예를 보여주는 그래프이다.
도 3c 는 상기 도 3a 의 공정과정 중에 반응챔버 내에 두 단계 플라즈마를 인가해주기 위한 두 단계 RF 전력의 강도의 한 예를 보여주는 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착 방법에 관한 것으로써, 반응챔버에 공급되는 반응기체를 미리 활성화 함으로써 최소한으로 낮은 플라즈마 에너지를 반응챔버 내에 탑재되어 있는 실리콘(silicon) 기판에 인가함으로써, 상기 실리콘기판에 손상을 주지 않고도 저온에서 고질의 박막을 증착할 수 있는 방법을 제시(disclose)한다.
본 발명에 의하면, 반응기체 활성화 장치를 통해서 화학적 반응이 큰 중성의 라디칼(radical)이 생성되거나, 적어도 이 반응기체를 열 적으로(thermally) 활성화 시키거나 또는 두 가지가 모두 적용된 후에 반응챔버 내에 공급되는 반응기체에 강도가 낮은 플라즈마 에너지를 인가함으로써 원자층 증착 과정 중에 반응챔버에 종래기술에서 플라즈마 에너지를 인가할 때 보다 낮은 플라즈마 에너지를 인가하고도 낮은 공정온도에서 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있기 때문에 반도체소자나 기판상에 발생하는 손상(damages)을 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라 선폭이 초미세한 반도체소자의 특성저하를 방지하고 또 수율을 높이는데 매우 효과적이다.
또한, 본 발명은 원료기체(source gas)를 반응챔버에 공급하여 반응챔버 내부에 탑재(loaded)되어 있는 기판에 흡착(adsorption)시킨 후, 상기 원료기체의 공급을 중단하고, 반응챔버 내에 흡착되지 않고 잔류하는 원료기체를 퍼즈한다. 이때에 퍼즈기체(purge gas)를 반응챔버에 공급하여 퍼즈한다. 다음 단계에서, 상기 활성화된 반응기체를 반응챔버에 공급한 후 상기 기판에 흡착되어 있는 원료기체와 반응시키기 위해서 반응챔버내에 플라즈마를 인가한다. 여기에서, 본 발명에 의하면, 상기 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체를 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈하는 대신에, 상기 활성화된 반응기체를 직접 공급하여 상기 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체를 퍼즈하기도 한다. 이때에, 퍼즈기체를 공급하여 반응챔버에 잔류하는 원료기체를 퍼즈하거나, 또는 상기 반응기체 활성화 장치를 통해서 반응챔버에 공급되는 반응기체로 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체를 직접 퍼즈해도 된다. 이러한 기체들의 스윗칭(switching) 과정 중에 반응챔버 내부에서 압력과 온도의 난류(turbulence)현상이 일어나는데, 본 발명에 의하면, 이러한 난류상태를 피하기 위하여 상기 활성화된 반응기체의 공급을 시작한 후 반응챔버 내부의 압력과 온도가 안정된(settling) 상태가 된 후에 반응챔버 내에 플라즈마 에너지를 인가한다. 이렇게 하면, 플라즈마 점화(ignition)의 신뢰성(reliability)과 플라즈마 발생(generation) 의 재현성(repeatability)이 현저히 향상된다. 여기에서 반응챔버 내부 온도의 난류상태는 압력의 난류상태보다 상대적으로 급속히 안정이 되고 또 온도의 국부적 과도상태(local transient)는 플라즈마 점화와 발생에 미치는 영향이 압력의 과도현상에 비해서 적기 때문에 압력의 안정상태만 고려하면 된다.
그리고 상기 본 발명의 플라즈마는 두 단계(two levels)로 반응챔버 내에 인가를 하는데, 우선 종래의 기술에 비하여 상당히 낮은 에너지 강도의 플라즈마인제 1 플라즈마를 기본공정주기 동안에 처음부터 계속해서 반응챔버 내에 인가하고, 반응기체가 공급되어 반응챔버 내의 압력 안정된 상태에서부터 반응기체의 공급을 중단할 때까지 만은, 제 1 플라즈마 보다는 에너지 강도가 높고 종래기술 보다는 낮은 제 2 플라즈마를 반응챔버 내에 인가하여 상기 기판에 흡착되어 있는 원료기체와 상기 활성화된 반응기체가 반응챔버 내에서 반응하도록 한다. 이렇게 함으로써, 본 발명에 의하면, 전체적으로 종래기술 보다 에너지 강도가 낮은 플라즈마를 기판에 인가하게 되기 때문에 기판상에 발생하는 손상(damages)을 감소 시키는 것은 물론 반응챔버 내에 인가되는 플라즈마 에너지의 변화가 부드럽게(smoothly) 오기 때문에 플라즈마 점화(ignition)의 신뢰성과 플라즈마 발생(generation)의 재현성을 향상시키는데 상당히 도움이 된다. 더구나, 전술한 바와 같이, 낮은 에너지 강도의 플라즈마가 계속해서 반응챔버 내에 인가되기 때문에 원료기체와 반응기체의 반응 촉진에도 도움이 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 기술은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부한 도 1, 도 2, 도 3a, 도 3b와 도 3c를 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치 및 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 주기적 펄스 두 단계플라즈마 원자층 증착방법을 실현하기 위한 공정 순서도이고, 도 2는 본 발명에 의한 주기적 펄스 두단계 플라즈마 원자층 증착방법을 실현하기 위한 장치의 개념도의 일 예 이다. 그리고 도 3a는 본 발명에 의한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법을 실현하기 위한 반응기체 공급주기의 시간 별 공정순서를 도시하는 그래프이고, 도 3b 는 상기 도 3a 의 공정과정 중에 반응챔버 내의 압력의 불안정한 상태의 한 예를 보여주는 그래프이며, 도 3c 는 상기 도 3a 의 공정과정 중에 반응챔버 내에 두 단계 플라즈마를 인가해주기 위한 두 단계 RF 전력의 강도의 한 예를 보여주는 그래프이다
실리콘기판(218)을 반응챔버(200) 내에 있는 기판지지대(212)에 탑재한 후, 단계 1 (101, 301A) 에서, 원소 a 를 포함하는 원료기체(source gas)를 원료기체 공급관(220)을 통해서 반응챔버에 공급하여 기판에 흡착(adsorption)시킨다. 동시에 상기 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C)가 반응챔버 내에 인가된다. 여기에서 본 발명에 의하면, 단계 1 (101, 301A) 에서 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 중에서 첫 번째 인가주기(3001C)를 생략하고(skipping), 즉, 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 에서 플라즈마 인가주기 (3001C)를 생략하고(skipping) 다음 단계인 단계2 (102,302A) 에서 인가를 시작해도 된다. 도 3c에서 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 가 제 1 플리즈마 G' (3002C, 3003C) 로 바뀐다.
단계2 (102, 302A)에서는 기판에 흡착되지 않고 반응챔버 내부에잔류(remaining)하는 원료기체를 퍼즈기체(purge gas)를 공급하고 배기장치(208)를 통해서 퍼즈시킨다. 동시에 상기 제 1 플라즈마 G(3001C, 3002C, 3003C) (또는 제 1 플라즈마 G') 가 계속해서 반응챔버 내에 인가된다. 여기에서 퍼즈기체는 원료기체 공급관(220)을 이용해서 공급하거나 반응기체 공급관(222A, 222B)을 이용할 수도 있으며, 또한 별도의 공급관(미표시)을 사용할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 여기에서도 단계 2 (102, 302A) 에서 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 중에서 첫번째 인가주기(3001C) 와 두번째 인가주기(3002C)를 생략하고(skipping), 즉, 제 1 플라즈마G (3001C, 3002C, 3003C) 에서 플라즈마 인가주기 (3001C)와 (3002C)를 생략하고, 다음 단계인 단계 3 (103,303A) 에서 인가 해도 된다.
도 3C에서 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 는 제 1 플라즈마 G"(3003C) 으로 바뀐다. 단계 3 (103, 303A) 에서는, 원소 b 를 포함하는 반응기체(reaction gas)를 반응기체 공급관(222A, 222B) 과 반응기체 활성화 장치(reaction gas activation unit)(206)를 통과시킨 후 반응챔버(200)로 계속해서 공급하여 a 또는ab 박막을 형성하는 제 1 부분 증착공정(the first part of the deposition process)이 실시되는데 이것은 주로 상기 반응기체 활성화 장치를 통해서 활성화된 반응기체와 상기 기판에 흡착되어 있는 원료기체가 상기 제 1 플라즈마의 도움을 받아서 진행되는 증착반응에 기인하는 것이다. 동시에 상기 제 1 플라즈마 G(3001C, 3002C, 3003C) (또는 제 1 플라즈마 G', 또는 제 1 플라즈마 G") 는 계속해서 반응챔버 내에 인가된다. 여기에서, ab 박막을 형성하는 대신에 a 박막을 형성하는 경우의 예를 들면, a 원소가 티타늄(Ti) 이고 원료기체가 염화티타늄(TiCl4) 이며, 원소 b 가 수소원소(H) 이고 반응기체가 수소(H2)기체인 경우에 형성되는 박막은 티타늄 원소(Ti)를 포함하는 티타늄(Ti) 박막이다. 단계 3 은 주로 반응챔버 내에 공급되는 반응기체의 압력상태가 안정되는(settling) 주기이다.
다음에, 단계 4 (104, 304A) 에서는, 상기 반응기체 활성화 장치(206)를 통과한 원소 b 를 포함하는 반응기체(reaction gas)를 상기 반응챔버(200)에 계속해서 공급하면서 상기 제2 플라즈마(3004C)를 상기 반응챔버 내에 인가함으로써 플라즈마 이온과 라다칼(radical)등이 생성되도록 하여 a 또는ab 박막형성의 제 2 부분 증착공정(the second part of the deposition process)을 실시한다. 이 단계에서, 상기 원료기체가 상기 활성화된 반응기체와 반응챔버 내에서 플라즈마의 도움없이 반응을 하지 않거나 또는 반응을 거의 하지 않을 경우에는 상기 단계 2 (102, 302A)를 생략함(skipping)으로서 반응챔버 내에 잔류(remaining)하는 원료기체를 활성화된 반응기체로 퍼즈(purge)해도 된다.
마지막으로, 단계 5 (105, 305A) 에서는 공정시점 t5 에서 반응기체의 공급을 중단하고 제 2 플라즈마의인가를 중지하며 반응챔버에 잔류하는 반응기체를 퍼즈기체를 사용하여 배기장치(208)를 통해서 퍼즈한다. 동시에 상기 제1 플라즈마 H(3005C) 를 반응챔버 내에 인가한다. 여기에서, 단계 2 (102, 302A) 에서 공급하는 퍼즈기체는 단계 5 (105, 305A) 가 종료될 때까지 계속해서 공급함으로써, 전에 설명한 바와 같이, 단계 2 와 단계 3 에서 퍼즈하는 역할을 할 수도 있고, 퍼즈기체를 계속 공급함으로써 단계 2 (102, 302A) 와 단계 4 (104, 304A) 에서만 공급 및 공급중단을 시행 함으로써 반응챔버에 잔류하는 원료기체와 반응기체를 각각 퍼즈할 수도 있다.
끝으로, 원하는 두께만큼의 박막을 형성하기 위해서는 상기 단계 1 (101, 301A) 에서부터 단계 5 (105, 305A) 까지를 원하는 대로 N 번 반복 시행한다. 상기 공정단계들에서 원료기체(source gas), 반응기체(reaction gas) 및 퍼즈기체(purge gas)를 공정기체(process gas)라고 부른다.
도 2에는 본 발명을 실시하기 위한 박막 증착장치 구조의 개념도가 도시되어 있다. 상기 박막 증착장치는 박막 증착과정이 직접 진행되는 공간을 마련해 주는 반응챔버(200), 원료기체, 반응기체, 퍼즈기체 등의 공정기체들을 공급해주는 공정기체 공급 및 제어장치(210), 반응기체를 미리 활성화 해주는 반응기체 활성화 장치(206), 공정기체를 배기해주는 배기펌프(208), 반응챔버 내에 플라즈마를 인가하기 위한 RF 전력 발전장치(204) 와 정합기(202), 원료기체를 반응챔버에 공급하기 위하여 공정기체 공급 및 제어장치(210)와 반응챔버(200)를 연결해주는 원료기체 공급관(220), 반응기체를 공급하기 위하여 공정기체 공급 및 제어장치(210)와 반응기체 활성화 장치(206)를 반응챔버(200)에 연결해주는 반응기체 공급관(222A, 222B) 그리고 공정기체를 반응챔버(200)에서 퍼즈하기 위하여 반응챔버(200)와 배기펌프(208)를 연결해 주는 배기관(226) 등으로 구성이 되어있다.
도 2, 도 3a, 도 3b 그리고 도 3c를 참조하여 본 발명에 의한 박막증착 장치와 박막 증착 방법을 구체적으로 설명하면, 실리콘 기판(silicon substrate) 또는 웨이퍼(wafer)(218)를 탑재할 수 있는 기판지지대(substrate supporting platform)(212)가 반응챔버(200) 내부에 설치되어 있다. 또한 반응챔버 내에 플라즈마를 인가하기 위하여 RF 전력을 공급해 주는 RF 전력 발전장치(RF power generation unit)(204) 와 정합기(matcher)(202)가 반응챔버에 연결되어 있는데, RF 전력 발전장치(204)와 정합기(matcher)(202)를 합쳐서RF 전력 공급장치(RF power supply unit)라 부르며 플라즈마 에너지 강도를 조절할 수 있도록 구성되어있다. 여기에서, 전극의 하나인 접지(214)는 반응챔버(200) 내에 탑재되어 있는 기판지지대(212)에 연결 될 수도 있고 반응챔버(200) 내에 별도로(미표시) 설치될 수도 있다.
반응챔버(200) 내에 인가되는 플라즈마는 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C)와 제 1 플라즈마 H (3005C) 그리고 제 2 플라즈마 (3004C)의 두(2) 군으로 나누어져 있는데 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C)와 제 1 플라즈마H (3005C)는 낮은 에너지 강도의 플라즈마로써 단계 1 (101, 301A), 단계 2 (102,302A), 단계 3 (103,303A) 그리고 단계 5 (105, 305A) 주기 동안에 연속적으로 반응챔버(200) 내에 인가되고, 제 2 플라즈마(3004C)는 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C)와 제 1 플라즈마 H (3005C) 보다는 높은 에너지 강도의 플라즈마로써 원료기체와 반응기체를 반응시키기 위하여 단계 4 (104, 304A) 주기 동안에만 반응챔버(200) 내에 인가된다. 이 두 가지 서로 다른 에너지 강도의 플라즈마들을 발생시키기 위해서 두 개의 독립된 RF 전력 공금장치를 사용할 수도 있고,1 개의 RF 전력 공급장치를 사용하여 두 가지 강도의 에너지를, 공정주기에 따라서, 가변적으로 조절 인가하도록 할 수도 있다. 이와 같은 두 단계 플라즈마와 반응기체 활성화 장치를 활용함으로써 박막 증착 반응 온도도 낮추고 기판상에서 플라즈마에 의해서 발생하는 손상도 줄이면서도 고질(high quality)의 박막을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 점화(ignition)의 신뢰도(reliability)와 플라즈마 발생(generation)의 재현성(repeatability)을 높일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 반응챔버(200)에는 공정기체의 공급을 각각 제어할 수 있는 공정기체공급 및 제어장치(210)가 원료기체 공급관(220)을 통해서 연결되어 있고, 또 반응기체가 활성화 된 후에 반응챔버(200)에 공급되도록 공정기체공급 및 제어장치(210)와 반응챔버(200)는 반응기체 활성화 장치(206)와 반응기체 공급관(222A, 222B)을 통해서 연결되어있다. 상기 공정기체공급 및 제어장치(210)는 퍼즈가스의 공급 및 제어도 할 수 있도록 구성할 수도 있다. 통상적으로 퍼즈기체는 별도의 공급관(미표시)을 사용하여 반응챔버(200)에 공급한다. 여가에서 반응기체를 활성화 해주는 반응기체 활성화 장치(reaction gas activation unit)(206)는 반응기체 공급관(222A, 222B) 중간에 설치되어 있는데, 상기 반응기체 활성화 장치(206) 내에는 단순히 열에 의한 반응기체 활성화 기능, 플라즈마에 의한 반응기체 활성화 기능 또는 이 두 가지 기능을 모두 구비되도록 구성할 수도 있으며, 활성화에 필요한 열 또는 플라즈마 에너지 쏘스(energy sources)는 가변형으로 구성될 수 있다. 또한, 반응챔버에는 공정기체를 배기하기 위한 배기장치(208)가 배기관(226)을 통해서 연결되어있다.
본 발명에 의하면, 전술한 바와 같이, 상기 반응챔버 내에서 기판에 가해지는 플라즈마 에너지의 강도를 낮춤(lower)으로써 공정온도를 낮추고 기판상에 발생하는 손상을 현저히 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 도 1 과 도 3a 에서 단계 4 (104, 304A)를 실행하는 과정에서 제 2 플라즈마(3004C)의 에너지 강도를 종래의 기술보다 1/3 내지 1/2로 낮추어서 공급함으로써 플라즈마에 의해서 기판에 발생하는 손상을 현저히 감소시킨다. 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 와 제 1 플라즈마 H (3005C)의 에너지 강도는 제 2 플라즈마 (3004C)의 에너지 강도의 1/2 이하로 한다.
원료기체는 일반적으로(typically) 금속원소를 포함한다. 구체적으로 박막증착 공정의 실현 예를 들면, 질화물 박막을 형성하기 위해서는 반응기체(reaction gas)를 질소를 포함하도록 한다. 즉, 원료기체(source gas)를 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 또는 텅스텐(W) 금속의 화합물 중의 하나를 포함하도록 구성하고 반응기체를 질소(N2), 암모니아(NH3), 또는 히드라진(N2H4)기체 중의 하나로 구성하면, 본 발명에서 제시하는 방법을 사용 함으로서, 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN), 또는 질화텅스텐(WN) 등의 질화물 박막이 각각 형성된다.
본 발명에 의한 또 다른 실현 예를 들면, 반응기체를 원소 b를 포함하는 기체와 수소(H2)기체의 혼합물로 구성한다. 즉, 반응기체를 질소(N2)기체와 수소(H2)기체의 혼합물, 암모니아(NH3)기체와 수소(H2)기체의 혼합물, 또는 히드라진(N2H4)기체와 수소(H2)기체의 혼합물로 구성한다. 이 때에 단계 3 (103, 303A) 및 단계4 (104, 304A) 에서 기판상에 NH, NH2 또는 H 라디칼이 공급되어 금속 질화물 박막이형성된다. 또한, 반응기체를 산소(O2)를 포함하는 기체 또는 산소를 포함하는 기체와 수소(H2)기체의 혼합물로 구성하면 산화물 박막이 형성된다. 반응기체를 수소(H2)기체를 포함하도록 구성하면, 단계 3 (103, 303A) 과 단계 4 (104, 304A) 에서 원료기체의 금속화합물을 환원시킴으로써 금속박막이 형성된다.
이하 실시 예를 통해서, 본 발명의 구성 및 동작원리를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 이하의 실시 예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명의 기본원리를 이해하도록 하기 위해서 제공한 것에 불과 하고 본 발명의 기본 사상이나 그 응용들을 제한하기 위한 의도는 아니며, 실제로, 이 분야에 통상적인 지식을 갖은 자가 본 발명의 기본사상이나 그 응용의 여러 가지 다른 형태의 변형을 쉽게 구상할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위가 다음에 기술한 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
( 제1 실시 예)
반응챔버(200) 내에 위치한 기판지지대(substrate supporting platform)(212)에 탑재된(loaded) 실리콘기판(218)의 표면에 원소 a 와 원소b를 포함하는 박막을 본 발명에 의한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착 방법으로 형성하는 과정들을 설명하는 공정 순서도(flowchart)는 도 1 에 도시한 바와 같고 도 2 는 본 발명을 실시하기 위한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착 장치의 개념도 이다. 도 1, 도 2, 도 3a, 도 3b 그리고 도 3c를 참조하여 실시 예를 다음에 설명한다. 단계 1 (101, 301A) 에서는 원소a를 포함하는 원료기체를 원료기체 공급관(220)을 통해서 반응챔버(200)에 공급하여 실리콘기판(218) 표면상에 흡착시키고, 동시에, 상기 반응챔버 내에 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 의 인가를 시작한다. 단계 2 (102, 302A) 에서는 상기 원료기체의 공급을 멈추고 상기 반응챔버(200)에 퍼즈기체(purge gas)를 공급함으로써 기판에 흡착(adsorption)되지 않고 반응챔버 내부에 잔류(remaining)하는 원료기체를 퍼즈한다. 상기 퍼즈기체로는 알곤(Ar), 힐륨(He), 질소(N2) 또는 수소(H2)기체 등을 사용한다. 동시에, 상기 제 1 플라즈마G (3001C, 3002C, 3003C) 를 계속해서 인가한다. 단계 3 (103, 303A) 에서는 퍼즈기체의 공급을 멈추고 원소b를 포함하는 반응기체를 반응기체 공급관(222A, 222B)을 통해서 반응챔버(200)에 공급한다. 반응챔버에 공급되는 반응기체는 반응기체 활성화 장치(reaction gas activation unit)(206)를 통과하게 되는데 이 때에 반응기체 활성화 장치 내의 플라즈마 발생기능을 통해서 라디칼을 얻게(pick up) 되거나, 반응기체 활성화 장치 내에서 열 적으로 활성화 되거나 또는 상기 두 기능을 모두 거쳐서 활성화 된다. 동시에, 상기 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 는 이 단계 3 공정주기 동안에도 계속 인가된다. 이때에 제 1 부분 증착 과정(the first part of the deposition process)이 진행이 되는데(takes place) 반응챔버 내의 기판에 흡착되어 있는 원료기체와 반응챔버 내에 공급되어 있는 반응기체가 반응챔버 내에 인가되고 있는 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 의 도움으로 기판상에 증착 반응이 일어나며, 동시에, 이 공정주기 동안에 반응챔버에 반응기체가 공급되는 동안에 발생하는 압력의 난류상태가 안정이 된다. 단계 4 (104, 304A) 에서는 원소b를 포함하는 반응기체가 반응챔버에 계속해서 공급되고, 상기 제 1 플라지마 G 보다 에너지 강도가 높은 제 2 플라즈마 (3004C) 가 반응챔버 내에 인가되는데 이때에는 반응챔버 내의 반응기체 압력이 이미 안정되어 있어서, 반응챔버 내에 인가되고 있는 제 2 플라즈마의 도움으로 박막 증착 공정이 활발히 진행되어 상기 실리콘 기판상에 a 또는ab박막이 형성된다. 더구나, 이 때에 기판상에 공급되는 반응기체는 반응기체 활성화 장치(206)를 통과 하는 동안에 얻는(gained) 라디칼과 이온 뿐만 아니라 이때에 반응챔버 내에 인가되는 에너지 강도가 높은 제 2 플라즈마에 의해서 생성된 라디칼과 이온이 혼합이 되어 활발히 일어 나는 박막 증착 현상인 제 2 부분 증착 공정(the second part of the deposition process)가 진행된다. 마지막 공정주기인 단계 5 (105, 305A) 에서는 반응기체의 공급을 중단하고, 제 2 플라즈마를 중지하며, 퍼즈기체를 반응챔버에 공급함으로써 반응챔버 내부에 잔류(remaining)하는 반응기체를 퍼즈한다. 일반적으로, 상술한 원자층 증착 방법으로 형성되는 한 층의 박막 두께는 고질(high quality)이지만 너무 얇기 때문에 원하는 두께의 박막을 얻기 위해서 단계 1 (101, 301A) 에서부터 단계 5 (105, 305A) 까지를 원하는 대로 N번 반복한다.
본 제 1 실시 예 에서 설명한 주기적 펄스 두 단계플라즈마 원자층 박막 증착 방법에 의하면, 본 발명에 의한 박막 증착 장치를 사용하여 반응챔버 내에 인가하는 플라즈마 에너지의 강도를 1/3 내지 1/2까지 감소함으로써, 반응챔버 내에 인가되는 제 2 플라즈마에 의해서 기판상에 발생하는 손상을 현저히 줄인다. 또한,단계 3을 통해서 반응챔버 내의 플라즈마 인가 공정주기의 시점을 활성화된 반응기체의 공급주기의 시점보다 반응챔버 내의 압력이 안정될 때까지 느춤(delayed)으로써 제 2플라즈마 점화의 신뢰도(reliability)와 제 2플라즈마 발생의 재현성(repeatability)을 지속적으로 높인다.
상기 본 발명의 구성에서 설명한 바와 같이 공정과정 중에서 반응챔버 내부의 온도의 난류상태에 의해서 제 2플라즈마 점화의 신뢰성이나 제 2 플라즈마 발생의 재현성에 미치는 영향은 압력의 난류상태에 의한 영향에 비해서 상대적으로 적기 때문에 본 실시 예 에서는 반응챔버 내부에서 발생하는 압력의 난류상태에 기인한 플라즈마의 불안정성 만을 고려하였다. 물리적으로, 온도의 난류현상이 압력의 난류현상보다 빨리 안정이 된다.
(제 2 실시 예)
상기 제 1 실시 예 에서 실행한 공정과정을 반복하고 반응챔버 내에 가해지는 플라즈마 인가 과정만을 달리 한다. 즉, 도 1, 도 2, 도 3a, 도 3b 그리고 도 3c를 참조하여 설명하면, 단계 1 (101, 301A) 에서는 원소a를 포함하는 원료기체를 원료기체 공급관(220)을 통해서 반응챔버(200)에 공급하여 실리콘 기판(218) 표면상에 흡착(adsorption)시킨다. 단계 2 (102, 302A) 에서 원료기체의 공급을 멈추고 퍼즈기체(purge gas)를 반응챔버(200)에 공급함으로써 기판에 흡착되지 않고 반응챔버 내부에 잔류(remaining)하는 원료기체를 퍼즈한다. 상기 퍼즈기체로는 알곤(Ar), 힐륨(He), 질소(N2) 또는 수소(H2)기체 등을 사용한다. 단계 3 (103,303A) 에서는 퍼즈기체의 공급을 멈추고 원소b를 포함하는 반응기체를 반응기체 공급관(222A, 222B)을 통해서 반응챔버(200)에 공급한다. 이 때에 반응챔버에 공급되는 반응기체는 반응기체 활성화 장치(reaction gas activation unit)(206)를 통과하게 되는데 이 때에 반응기체 활성화 장치 내의 플라즈마를 통해서 라디칼을 얻게(pick up)되거나, 반응기체 활성화 장치 내에서 열 적으로 활성화 되거나 또는 상기 두가지 과정을 모두 거쳐서 활성화된다.
상기 단계 1 (101, 301A) 에서부터 단계 3 (103, 303A) 까지의 공정주기 동안에 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 를 반응챔버 내에 계속해서 인가한다. 이때에 단계 3 (103, 303A) 에서 제 1 부분 증착공정이 상기 제 1 플라즈마 G 에 의해서 진행이 되고 동시에 상기 반응챔버 내의 반응기체압력의 난류상태가 안정이 된다. 단계 4 (104, 304A) 에서는 원소b를 포함하는 반응기체가 반응기체 공급관(222A, 222B)을 통해서 반응챔버(200)에 계속해서 공급되고, 동시에 제 2 플라즈마 (3004C) 가 반응챔버 내에 인가된다. 이때에 반응챔버 내에서는 반응기체의 압력이 안정된 상태가 된 후 이기때문에 상기 기판에 흡착되어 있는 원료기체와 반응기체 사이에 기판상에서의 박막 증착 현상이 활발히 진행이 되어 상기 실리콘 기판상(218)에 a 또는ab박막이 형성된다. 이 때에, 상기 한 바와 같이, 반응챔버내에 있는 반응기체는 반응기체 활성화 장치(206)를 통과 하는 동안에 얻는(gained) 라디칼과 이온뿐만 아니라 반응챔버 내부에 인가되는 제 2플라즈마(3004C)에 의해서 생성되는 라디칼과 이온의 혼합에 의해서 증착 반응이 활발히 일어남으로써 제 2 부분 증착 공정 과정(the second part of deposition process)이 진행된다. 단계1, 단계 2, 단계 3 그리고 단계 5 에서 반응챔버 내에 인가되는 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C)와 제 1 플라즈마 H (3005C)도 직접 또는 간접적으로 상기 원료기체와 반응기체와의 증착 반응에 기여를 한다.
여기에서 도 3c를 참조하여 자세히 설명하면, 반응챔버 내에 인가되는 플라즈마는 두 단계 에너지 강도의 플라즈마 (3001C, 3002C, 3003C, 3004C, 3005C)이다. 여기에서 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 와 제 1 플라즈마 H (3005C) 는 에너지의 강도가 같고 그 에너지 강도는 제 2 플라즈마(3004C)의 1/2 정도 이며 제 2 플라즈마(3004C)의 에너지 강도는 종래기술의 1/3 내지 1/2 정도이다. 단계 5 (105, 305A) 에서는 그 공정주기 초기(t5)에 반응기체의 공급을 중단하고, 제 2 플라즈마 인가를 중단하며(turned off) 또 퍼즈기체를 공급함으로써 반응챔버 내부에 잔류(remaining)하는 반응기체를 퍼즈한다. 동시에 제 1 플라즈마 H (3005C) 가 반응챔버 내에 계속해서 인가된다. 마지막으로, 원하는 두께의 박막을 얻기 위해서 단계 1 (101, 301A) 에서부터 단계 5 (105, 305A) 까지를 원하는 대로 N번 반복한다.
전술한 바와 같이, 상기 반응챔버 내에 인가되는 플라즈마 에너지는 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 와 제 1 플라즈마H (3005C) 그리고 제 2 플리즈마(3004C)의 두(2) 단계로 인가된다. 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 와 제 1 플라즈마 H (3005C) 는 그 에너지의 강도가 같고 단계 1 (101, 301A), 단계 2 (102, 302A), 단계 3 (103, 303A) 그리고 단계 5 (105, 305A) 에 걸쳐서 반응챔버에 인가되고 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 의 인가 시점은단계 1 (101, 301A) 의 시점인 t1 에서 시작 할 수도 있고, 단계 2 (102, 302A) 의 시점인t2에서 시작할 수도 있으며(이때에 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C)는 제 1 플라즈마 G'(3002C, 3003C)(미표시)로 바뀐다.), 또는 단계 3 (103, 303A) 의 시점인 t3 에서 시작 할 수도 있다(이때에는 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 가 제 1 플라즈마 G"(3003C)(미표시)로 바뀐다).
본 실시 예에서는, 제 2 플라즈마(3004C)의 에너지 강도는 종래기술의 1/3 내지 1/2 정도이고 반응기체가 공급된 후 안정된 상태인 단계 4 (104,304A) 동안에만 인가된다. 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C)와 제 1 플라즈마 H (3005C)는 단계 4 (104, 304A) 공정구간만 제외 하고 연속적으로 인가된다. 단, 제 1 플라즈마 G'(3002C, 3003C) 와 제 1 플라즈마 G"(3003C) 를 인가할 경우에는 해당이 안 되는 플라즈마 인가주기를 생략한다. 반응챔버 내의 플라즈마 에너지 인가장치는 두(2) 쌍의 독립된 전극으로 구성하여도 되고 한 쌍(1)의 전극을 사용하고 플리즈마 에너지 강도와 인가 시간대(timing)를 조절 하도록 하여도 된다. 여기에서 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003)와 제 1 플라즈마 H (3004C)의 인가로 인하여 제 2플라즈마 (3004C) 점화(ignition)의 신뢰성(reliability)과 제 2 플라즈마 (3004C) 발생(generation)의 재현성(repeatability)이 향상된다. 제 1 플라즈마 G'(3002C, 3003C) 와 제 1 플라즈마 G"(3003C) 를 인가하여도 된다. 더 나아가서, 상기 설명한 바와 같이, 단계 3 (103,303A)의 공정주기를 거쳐 반응챔버 내의 압력의 난류상태가 안정된 후에, 단계 4 (104, 304A)에서 계속해서 반응기체를 공급하면서 제 2 플리즈마(3004C)를 반응챔버 내에 인가해 줌으로써 증착반응을 시켜주는주 플라즈마(main plasma)인 제 2 플리즈마(3004C)의 점화(ignition)시의 신뢰성 과 제 2 플리즈마(3004C)의 발생(generation)시의 재현성을 더욱 향상시킨다.
구체적으로 박막증착 공정의 실현 예로써, 질화물 박막을 형성하기 위해서는 반응기체를 질소를 포함하는 공정기체로 구성한다. 즉, 원료기체를 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 또는텅스텐(W) 금속의 화합물 중의 하나를 포함하도록 구성하고 반응기체를 질소(N2), 암모니아(NH3), 또는 히드라진(N2H4)기체 중의 하나로 구성하면, 본 발명에서 제시하는 방법을 사용 함으로서, 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN), 또는 질화텅스텐(WN) 등의 질화물 박막이 각각 형성된다. 다른 예로써, 반응기체를 질소(N2)기체와 수소(H2)기체의 혼합물, 암모니아(NH3)기체와 수소(H2)기체의 혼합물, 또는 히드라진(N2H4)기체와 수소(H2)기체의 혼합물로 구성하면, 이 때에는 단계 3 (103, 303A) 및 단계4 (104, 304A) 에서 기판상에 NH, NH2 또는 H 라디칼이 공급되어 금속 질화물 박막이 형성된다. 또 다른 예로써, 반응기체를 산소(O2)를 포함하는 기체 또는 산소를 포함하는 기체와 수소(H2)기체의 혼합물로 구성하면 산화물 박막이 형성되고, 반응기체를 수소(H2)기체를 포함하도록 구성하면, 단계 3 (103, 303A) 과 단계 4 (104, 304A) 에서 원료기체의 금속화합물을 환원시킴으로써 금속박막이 형성된다.
좀더 자세히 설명 하면, 도 3a에는 도 1의 공정 순서도(flowchart)의 단계 1에서 단계 5까지의 공정단계를 공정시간 순서대로 그래프로 도시 하였다. 도1, 도 2, 도3A, 도3B 그리고 도 3c를 참조하면, 단계 1 (101, 301A) 에서는 원료기체를 반응챔버(200)에 공급하여 반응챔버(200) 내의 기판지지대(212)에 탑재되어 있는실리콘 기판(218)에 흡착(adsorption) 되도록 하고, 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 를 반응챔버 내에 인가한다. 단계 2 (102, 302A) 에서는 퍼즈기체(purge gas)를 반응챔버(200)에 공급하여 흡착되지 않고 반응챔버(200)내에 잔류(remaining)하는 원료기체를 배기장치(208)를 통해서 퍼즈한다. 전술한 바와 같이, 여기에서 단계 1 (101, 301A) 에서 인가가 시작되는 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 를 단계 1 (101, 301A) 에서 인가하지 않고 단계 2 (102, 302A) 나 단계 3 (103, 303A) 에서 인가를 할 수 도 있다.
단계3 (103, 303A) 이 시작될 때 반응챔버에 유입되는 퍼즈기체의 공급이 중단되고 반응기체의 공급이 즉시로 시작되면, 공정기체 제어 및 공급장치(210) 내부의 제어밸브의 위치, 공정기체 공급라인(220, 222A, 222B) 등의 길이와, 또 공급라인 길이 간의 차이, 그리고 공정기체 전환(switching) 등에 의해서 반응챔버 내부의 압력변화에 과도현상(transient phenomena)이 일어나 불안정하게 되는 상태(313B)가 발생한다. 이러한 이유로, 본 발명에 의하면, 반응챔버를 퍼즈한 후에 퍼즈기체의 공급을 중단하지 않고 계속해서 공급한다. 이 때에도 단계 3 (103, 303A) 에서 반응기체가 유입이 됨으로 반응챔버 내부의 난류상태(turbulence)(313B)는 역시 일어나는데 퍼즈기체를 중단할 때 보다는 그 난류상태의 정도가 낮다. 하지만, 본 발명에 의하면, 종래기술에서와 같이 단계 3 (103,303A) 이 시작될 때, 반응챔버 내에 유입되는 퍼즈기체의 공급을 중단할 수도 있다. 반응챔버에 공급되는 공정기체들의 스윗칭(switching)과 동시에 플라즈마를 인가하면 반응챔버 내의 압력이 난류상태(turbulence)(313B)에 들어가기 때문에 단계 4 (104,304A) 에서 인가되는 제 2 플라즈마(3004C) 의 강도가 압력의 변화와 함께 불안정한 상태로 되거나 또는 제 2 플라즈마의 점화가 실패할 가능성이 있다. 본 발명에 의하면, 단계 3 (103, 303A, 313B)에서 반응기체를 반응챔버에 공급하여 반응챔버 내의 압력이 안정된 상태가 된 후에 계속해서 단계 4 (104, 304A, 314B, 3004C) 에서 반응기체가 반응챔버에 공급되기 때문에 반응기체의 유속(flow rate)을 바꾸지 않고 제 2 플라즈마(3004C)를 인가할 때에 제2플라즈마(3004C)의 점화조건이 안정되어 점화의 실패를 방지하여 신뢰성 (reliability)을 높일 뿐만 아니라 이 과정을 공정주기 마다 반복하면 반응기체의 공급주기 마다 매번 반복되는 제 2 플라즈마(3004C) 발생의 재현성(repeatability)을 고도로 유지한다.
본 발명에 의하면, 여기에서 플라즈마를 반응챔버 내에 인가하기 위한 RF 전력의 강도는 제 2 플라즈마(3004C)인 경우에 300내지 1200왓트(watts)이며, 이 값은 사용하는 원료기체, 반응기체 그리고 공정조건에 따라서 많이 달라지는데 이 값은 종래기술의 1/3 내지 1/2 정도이고, 제 1 플라즈마 G (3001C, 3002C, 3003C) 와 제 1 플라즈마 H (3005C) 의 에너지 강도(제 1 플라즈마 G'및 제 1 플라즈마 G"의 강도도 같다.)는 제 2 플라즈마(3004C) 에너지 강도의 1/2 정도이다. 따라서, 본 발명에 의하면, 반응챔버 내의 제 2 플라즈마(3004C) 에 의해서 기판상에 일어나는 손상을 현저히 줄인다. 또한, 본 발명에 의하면, 이 공정과정에서 반응챔버 내에 제 2플라즈마(3004C) 를 인가하는 동안에 퍼즈기체를 반응챔버에 계속해서 공급할 수도 있다. 마지막 단계로써, 단계 5 (105, 305A)에서는 반응기체의 공급을 중단하고, 계속해서 공급되고 있는 퍼즈기체(purge gas)로 반응챔버 내에 잔류하는 반응기체를 퍼즈(purge)한다. 단계 2 (102, 302A) 에서 퍼즈기체의 공급을 중단하는 경우에는 단계 5 (105, 305A) 에서 반응기체의 공급을 중단한 후, 퍼즈기체를 다시 공급하여 반응챔버 내에 잔류하는 반응기체를 퍼즈한다. 마지막으로, 퍼즈기체의 공급이 단계 2 (102, 302A) 에서 시작되는 경우에는 단계 5 (105, 305A) 의 끝인 t6 에서 퍼즈기체의 공급을 중단하거나, 그렇지 않으면 퍼즈기체의 공급을 계속한다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
본 발명은 원자층 증착 방법에서 반응기체를 미리 활성화하여 반도체 기판상에 손상을 주지 않도록 종래의 기술 보다는 현저히 낮은 RF 전력을 인가함으로써 박막을 증착할 수 있는 방법과 또 에너지 강도가 다른 두 가지의 플라즈마를 인가함으로써 플라즈마 에너지 강도를 감소시켜 저온에서도 고질(high quality)의 박막을 형성하고, 더구나 기판상에 발생하는 플라즈마에 의한 손상을 현저히 감소시키는 박막 증착 방법을 제시한다. 즉, 반응기체를 미리 활성화된 상태로 기판에 공급하고 에너지 강도가 낮은 플라즈마를 반응챔버 내에 계속해서 인가함으로써 반응기체를 반응시키기 위하여 반응챔버 내에 인가하는 플라즈마의 에너지 강도를 현저히낮추고도 고질의 박막을 형성하며, 또한 매 반응기체 공급주기마다 플라즈마 인가 시점을 반응기체 공급시점 보다 늦춤(delayed)으로써 플라즈마 점화의 신뢰도와 플라즈마 발생의 재현성을 높이고, 또 더욱 순도가 높고 고밀도의 원자층 증착이 보다 낮은 온도에서도 가능하다. 이것은 초미세 선폭으로 형성된 반도체소자의 특성저하를 방지 하고 수율을 높이는데 매우 효과적이다

Claims (38)

  1. 기판상에 박막을 증착하기 위한 주기적 펄스 두단계 플라즈마 원자층 증착장치에 있어서,
    상기 기판을 탑재 및 지지하기 위한 기판지지대;
    상기 기판지지대를 포함하고 반응공간을 마련해주는 반응챔버;
    상기 반응챔버에 원료기체, 반응기체 및 퍼즈기체 등의 공정기체를 공급해주는 공정기체 공급 및 제어장치;
    원료기체를 상기 공정기체 공급 및 제어장치에서 상기 반응챔버에 공급해주는 원료기체 공급관;
    반응기체를 활성화시켜주는 반응기체 활성화 장치;
    상기 반응기체를 상기 공정기체 공급 및 제어장치에서부터 상기 반응기체 활성화 장치를 통해서 상기 반응챔버로 공급해주는 반응기체 공급관;
    상기 반응챔버 내에 적어도 두 단계 에너지 강도의 플라즈마를 발생시켜 주는 기능이 있는 가변 RF 전력 공급장치; 및
    상기 반응챔버에서 상기 공정기체를 퍼즈하기 위한 배기장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기체 활성화 장치가 플라즈마 인가기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기체 활성화 장치가 열처리에 의한 활성화 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기체 활성화 장치가 플라즈마 발생기능과 열처리에 의한 활성화 기능을 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치.
  5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 플리즈마 발생기능이 RF 전력의 강도 조절이 가능한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착장치.
  6. 반응챔버 내에서 기판표면에 박막을 증착하기 위한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법에 있어서,
    원료기체를 반응챔버에 공급하여 상기 반응챔버 내에 탑재되어 있는 상기 기판표면에 흡착시키는 단계;
    상기 반응챔버 내에 제 1 플라즈마를 인가하는 단계;
    상기 원료기체의 공급을 중단하고, 퍼즈기체를 공급하여 상기 반응챔버 내부에 흡착되지 않고 잔류하는 원료기체를 퍼즈하고 계속해서 퍼즈기체를 공급하는 단계;
    반응기체를 반응기체 활성화 장치를 통과시킨 후 상기 반응챔버에 공급하는 단계;
    상기 활성화된 반응기체를 상기 반응챔버 내부의 압력이 안정된 상태가 되도록 상기 반응챔버에 계속해서 공급한 후 에너지의 강도가상기 제 1 플라즈마 보다는 높고 1200왓트보다 낮은 제 2 플라즈마를 상기 반응챔버내에 인가하는 단계;
    상기 반응기체의 공급을 중단하고 상기 제 2 플라즈마 인가를 중지하며 계속해서 공급되고 있는 퍼즈기체에 의해서 반응챔버 내부에 잔류하는 반응기체를 퍼즈하는 단계;
    퍼즈기체의 공급을 중단하는 단계; 및
    원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 상기 단계들을 반복하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 원료기체와 반응기체를 각각 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈한 후 퍼즈기체의 공급을 각각 중단하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 인가되는 제 1 플라즈마의 에너지 강도를 상기 제 2 플라즈마의 에너지 강도의 1/2 이하로 하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체를 퍼즈기체로 퍼즈하는 대신에 다음단계에서 상기 반응기체를 직접 공급하여 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 원료기체를 퍼즈함과 동시에 상기 반응기체를 반응챔버에 공급하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 퍼즈기체가 알곤(Ar), 힐륨(He), 질소(N2) 또는 수소(H2)로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계플라즈마 원자층 증착방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 반응기체가 수소(H2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  13. 반응챔버 내에서 기판표면에 박막을 증착하기 위한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법에 있어서,
    원료기체를 반응챔버에 공급하여 상기 반응챔버 내에 탑재되어 있는 상기 기판표면에 흡착시키는 단계;
    상기 반응챔버 내에 제 1 플라즈마를 인가하는 단계;
    상기 원료기체의 공급을 중단하고 퍼즈기체를 공급하여 상기 반응챔버 내부에 흡착되지 않고 잔류하는 원료기체를 퍼즈하고 계속해서 퍼즈기체를 공급하는 단계;
    질소원소(N)를 포함하는 반응기체를 반응기체 활성화 장치를 통과시킨 후 상기 반응챔버에 공급하는 단계;
    상기 활성화된 반응기체를 상기 반응챔버 내부의 압력이 안정된 상태가 되도록 상기 반응챔버에 계속해서 공급하고 상기 반응챔버 내에 상기 제 1 플라즈마 보다는 높고 1200왓트보다 낮은 에너지 강도의 제 2 플라즈마 를 인가하는 단계;
    상기 반응기체의 공급을 중단하고 제 2 플라즈마의 인가를 중지하며계속해서 공급되고 있는 퍼즈기체에 의해서 반응챔버 내부에 잔류하는 반응기체를 퍼즈하는 단계;
    퍼즈기체의 공급을 중단하는 단계; 및
    원하는 두께의 질화물 박막이 형성될 때까지 상기 단계들을 반복하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체와 반응기체를 각각 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈한후 퍼즈기체의 공급을 각각 중단하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  15. 삭제
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 인가되는 제 1 플라즈마의 에너지 강도를 상기 제 2 플라즈마의 에너지 강도의 1/2 이하로 하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 원료기체를 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈하는 대신에 다음단계에서 상기 반응기체를 직접 공급하여 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 원료기체를 퍼즈함과 동시에 상기 반응기체를 상기 반응챔버에 공급하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 반응기체가 질소(N2)를 포함하는 기체와 수소기체(H2)의 혼합물로 구성된 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 원료기체가 티타늄(Ti), 탄타륨(Ta) 그리고 텅스텐(W)과 같은 전이금속의 화합물이고, 상기 반응기체는 질소(N2), 암모니아(NH3) 또는 히드라진(N2H4)으로 이루어진 군 중에서 선택된 한 기체를 포함하도록 함으로써, 증착되는 박막이 상기 전이금속의 질화물로 조성이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  20. 제 13항에 있어서, 상기 퍼즈기체가 알곤(Ar), 힐륨(He), 질소(N2) 또는 수소(H2)로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계플라즈마 원자층 증착방법.
  21. 반응챔버 내에서 기판표면에 박막을 증착하기 위한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법에 있어서,
    원료기체를 반응챔버에 공급하여 상기 반응챔버 내에 탑재되어 있는 상기 기판표면에 흡착시키는 단계;
    상기 반응챔버 내부에 제 1 플라즈마를 인가하는 단계;
    상기 원료기체의 공급을 중단하고 퍼즈기체를 공급하여 상기 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체를 퍼즈하고 계속해서 퍼즈기체를 공급하는 단계;
    산소원소(O)를 포함하는 반응기체를 반응기체 활성화 장치를 통과시킨 후 상기 반응챔버에 공급하는 단계;
    상기 활성화된 반응기체를 상기반응챔버 내부의 압력이 안정된 상태가 되도록 상기 반응챔버에 계속해서 공급하고 상기 반응챔버 내에 에너지의 강도가 제 1 플라즈마 보다는 1200왓트보다 낮은 제 2 플라즈마를 인가하는 단계;
    상기 반응기체의 공급을 중단하고 상기 제 2 플라즈마 인가를 중지하며 계속해서 공급되고 있는 퍼즈기체에 의해서 반응챔버 내부에 잔류하는 반응기체를 퍼즈하는 단계;
    퍼즈기체의 공급을 중단하는 단계; 및
    원하는 두께의 산화물 박막이 형성될 때까지 상기 단계들을 반복하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체와 반응기체를 각각 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈한 후 퍼즈기체의 공급을 각각 중단하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  23. 삭제
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 인가되는 제 1 플라즈마의 에너지 강도를 상기 제 2 플라즈마의 에너지 강도의 1/2 이하로 하는 것을 특징으로 하는주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 상기 원료기체를 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈하는 대신에, 다음단계에서 상기 반응기체를 직접 공급하여 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 원료기체를 직접 퍼즈함과 동시에 상기 반응기체를 상기 반응챔버에 공급하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 반응기체가 산소(O2)를 포함하는 기체와 수소(H2)기체의 혼합물로 구성된 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  27. 제 21 항에 있어서, 상기 퍼즈기체가 알곤(Ar), 힐륨(He), 질소(N2) 또는 수소(H2)로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  28. 반응챔버 내에서 기판표면에 박막을 증착하기 위한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법에 있어서,
    원료기체를 반응챔버에 공급하여 상기 반응챔버 내에 탑재되어 있는 상기 기판표면에 흡착시키는 단계;
    상기 반응챔버 내에 제 1 플라즈마를 인가하는 단계;
    상기 원료기체의 공급을 중단하고 퍼즈기체를 공급하여 상기 반응챔버 내부에 흡착되지 않고 잔류하는 원료기체를 퍼즈하고 계속해서 퍼즈기체를 공급하는 단계;
    수소원소(H)를 포함하는 반응기체를 반응기체 활성화 장치를 통과시킨 후 상기 반응챔버에 공급하는 단계;
    상기 활성화된 반응기체를 상기 반응챔버 내부의 압력이 안정된 상태가 되도록 반응챔버에 계속해서 공급하고 상기 반응챔버 내부에 상기 제 1 플라즈마의 에너지 강도 보다는 높고 1200왓트보다 낮은 제 2 플라즈마를 상기 반응챔버에 인가하는 단계;
    상기 반응기체의 공급을 중단하고 제 2 플라즈마 인가를 중지하며 계속 공급되고 있는 퍼즈기체에 의해서 상기반응챔버 내부에 잔류하는 반응기체를 퍼즈하는 단계;
    퍼즈기체의 공급을 중단하는 단계; 및
    원하는 두께의 금속 박막이 형성될 때까지 상기 단계들을 반복하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 잔류하는 원료기체와 반응기체를 각각 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈한 후 퍼즈기체의 공급을 각각 중단하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  30. 삭제
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 반응챔버 내에 인가되는 제 1 플라즈마의 에너지 강도를 상기 제 2 플라즈마의 에너지 강도의 1/2 이하로 하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  32. 제 28 항에 있어서, 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 원료기체를 퍼즈기체를 공급하여 퍼즈하는 대신에 다음단계에서 상기 반응기체를 직접 공급하여 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 원료기체를 직접 퍼즈함과 동시에 상기 반응기체를 상기 반응챔버에 공급하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  33. 제 28 항에 있어서, 상기 퍼즈기체가 알곤(Ar), 힐륨(He), 질소(N2) 또는 수소(H2)로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  34. 반응챔버 내에서 기판표면에 박막을 증착하기 위한 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법에 있어서,
    원료기체를 반응챔버에 공급하여 상기 반응챔버 내에 탑재되어 있는 상기 기판표면에 흡착시키는 단계;
    상기 반응챔버 내에 제 1 플라즈마를, 반응기체가 반응챔버에 공급되는 기간 동안을 제외하고, 원료기체가 다음공정주기에서 반복해서 다시 공급되기 전까지 계속 인가하는 단계;
    상기 원료기체의 공급을 중단하고 퍼즈기체를 공급하여 상기 반응챔버 내부에 흡착되지 않고 잔류하는 원료기체를 퍼즈하고 계속해서 퍼즈기체를 공급하는 단계;
    반응기체를 반응기체 활성화 장치를 통과시킨 후 상기 반응챔버에 공급하는 단계;
    상기 활성화된 반응기체를 상기 반응챔버 내부의 압력이 안정된 상태가 되도록 상기 반응챔버에 계속해서 공급하면서 상기 반응챔버에 제 1 플리즈마 보다는 에너지 강도가 높고 1200왓트보다 낮은 제 2 플라즈마 를 반응챔버 내에 인가하는 단계;
    상기 제 2 플라즈마의 인가를 중지하고 상기 반응기체의 공급을 중단하여, 계속해서 공급되고 있는 퍼즈기체에 의해서, 상기 반응챔버 내부에 잔류하는 반응기체를 퍼즈하는 단계;
    퍼즈기체의 공급을 중단하는 단계; 및
    상기 공정 단계들로 구성된 기본공정주기를 원하는 두께의 박막이 증착 될 때 까지 N ( N = 1 ) 번 반복하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 제 1 플라즈마의 에너지 강도를 제 2 플라즈마의 에너지 강도 보다 1/2 이하로 해서 상기 반응챔버 내에 인가 하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  36. 제 34 항에 있어서, 상기 원료기체를 퍼즈기체로 퍼즈하는 대신에 다음단계에서 반응기체를 공급하여 상기 반응챔버에 잔류하는 원료기체를 직접 퍼즈하는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계플라즈마 원자층 증착방법.
  37. 제34항에 있어서, 상기 원료기체가 금속 화합물이고, 상기 반응기체는 수소(H2)기체로 이루어진 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
  38. 제34항에 있어서, 상기 퍼즈기체가 알곤(Ar), 힐륨(He), 질소(N2) 또는 수소(H2)기체로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 주기적 펄스 두 단계 플라즈마 원자층 증착방법.
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