KR100472730B1 - 원자층증착법을 이용한 반도체 소자의 금속전극 형성방법 - Google Patents

원자층증착법을 이용한 반도체 소자의 금속전극 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 니켈, 팔라듐 또는 백금 금속전극 형성시에 원자층증착법을 적용하여, 불순물이 거의 없으며 파티클 문제를 해결한 금속전극 형성방법에 관한 것으로 이를 위한 본 발명은, MX2 또는 MX4 (M = Ni, Pd 또는 Pt의 중심원자이고, X는 리간드) 선구물질을 반응챔버로 공급하여 상기 금속선구물질을 기판표면에 흡착시키는 단계; 상기 반응챔버를 제1 퍼지시키는 단계; 상기 반응챔버로 반응기체를 공급하여 상기 기판표면에 흡착된 금속선구물질과 반응시켜 상기 리간드가 제거된 중심원자들을 기판에 형성하는 단계; 및 상기 반응챔버를 제2 퍼지시키는 단계를 하나의 싸이클로 하고, 상기 싸이클을 다수번 반복하는 것을 특징으로 하여 이루어 진다.

Description

원자층증착법을 이용한 반도체 소자의 금속전극 형성방법{Method for fabricating metal electrode with Atomic Layer Deposition in semiconductor device}
본 발명은 원자층증착법(Atomic Layer Deposition : ALD)을 이용한 반도체 소자의 금속전극 형성방법에 관한 것으로, 특히 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 또는 백금(Pt)의 금속전극을 형성하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 니켈, 팔라듐, 또는 백금을 이용하여 금속전극을 형성하고자 할때, 상기 금속들의 산화상태가 +2가 또는 +4가인 선구물질과 산소나 수소 등의 반응기체를 이용하여 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD)으로 금속전극을 형성하였다.
일반적으로 화학적기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)은 실리콘웨이퍼 또는 웨이퍼상의 노출된 막 표면과 같은 기판상에 박막을 증착하기 위해 이용되며, 화학적기상증착법에 있어서 전구체(Precursor)는 전구체의 분해온도 이상의 온도로 가열된 기판상에 콘택되는 열분해 휘발성 화합물이다. 그리고, 화학적기상증착법에 의해 증착되는 막, 예컨대 금속, 금속혼합물, 금속합금, 세라믹, 금속화합물 및 이들의 혼합물로 구성되는 막들은 전구체의 선택 및 반응 조건에 의존하여 기판상에 형성된다.
종래기술에 따른 니켈, 팔라듐 또는 백금 등의 금속전극을 화학기상증착법으로 형성하는 방법에 대해 설명하면, 상기 금속들의 산화상태가 +2가 또는 +4가인 선구물질(MX2, MX4)과 산소나 수소 등의 반응기체를 이용하여 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition : CVD)으로 금속전극을 형성하였다(선구물질 MX2, MX4 에서 M은 니켈, 팔라듐 또는 백금 중 어느 하나이고 X는 음이온성 리간드를 나타낸다).
이때 산소를 반응기체로 하는 경우에는, 산소기체는 금속 선구물질과 반응하여 산화된 금속을 환원시키며, 음이온성 리간드(Ligand)와 반응하여 반응 생성물을 만들게 된다.
여기서 리간드 X는 수소, F, Cl, Br, I, C1-C10 알킬(alkyl), C2-C10 알케닐(alkenyl), C1-C8 알콕시(alkoxy), C6-C12 아릴(aryl), β-디케토네이트 (β-diketonates), 시클로펜타디에닐 (cyclopentadienyl), C1-C8 알킬시클로펜타디에닐 (alkylcyclopentadienyl) 또는 상기의 물질들에 할로겐이 첨가된 유도체들 중 어느 하나이다.
이와 같이 산소기체와 금속선구물질간의 산화, 환원 반응을 통하여 만들어진 반응생성물중에서 중성인 반응생성물들은 진공으로 쉽게 제거가 되지만, 음이온성 또는 양이온성 반응생성물들은 제거되기 어렵기 때문에 금속전극 내부에 불순물로 남게 된다.
또한, 산소와 리간드의 분해반응이 매우 복잡할 뿐 아니라, 짧은 시간에 분해반응이 일어나므로 탄소, 수소, 산소 등의 불순물이 금속전극 내부에 잔류하게 된다. 이러한 불순물은 후속 열처리 공정등에서 확산되어 금속전극의 특성을 저하시킨다.
산소를 반응기체로 사용하는 경우에 발생하는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 환원성 기체인 수소를 반응기체로 사용할 수 있는데, 이 경우에는 수소를 활성화시키기 위하여 금속전극의 증착온도가 700℃ 이상으로 높아져야 하므로 금속 선구물질 스스로 분해가 일어나 탄산염(carbonate)을 형성하여 여전히 막 내에 불순물이 존재하는 문제가 있다.
또한, 금속전극이 캐패시터의 유전체막(특히, Ta2O5, (Bi,La)4Ti3O12 (이하 BLT), SrBi2Ta2O9 (이하 SBT), SrxBiy(TaiNbj)2O9 (이하 SBTN), BaxSr(1-x)TiO3 (이하, BST), Pb(Zr,Ti)O3 (이하 PZT) 등) 상에 형성되는 캐패시터의 상부전극으로 적용될 경우, 고온에서 수소를 사용하면 유전체막을 환원시키게 되어 원하는 전기적 특성을 얻을 수 없게 된다.
이러한 단점 이외에도 화학기상증착법을 이용하여 니켈, 팔라듐 또는 백금 등의 금속전극을 형성하는 경우, 기체상태인 금속선구물질과 반응기체를 동시에 반응기로 공급하여 주기 때문에 기체상태에서 반응기체와 선구물질이 만나게 되고 기상(vapor)에서 분해반응이 일어난다.
이러한 반응에 의해 비휘발성 물질 특히, 탄산염과 산화물이 형성되어 막 위에 덩어리 형태로 존재하면서 파티클(particle) 발생의 주원인이 된다.
예를 들어, 니켈 금속전극을 화학기상증착법으로 형성하는 경우, 기상에서 발생한 니켈 파티클은 사이즈가 0.1 ∼ 1.0㎛ 인 입자이다. 반면에 전술한 유전체막의 두께는 0.03㎛ 정도인데, 0.1 ∼ 1.0㎛ 인 파티클이 얇은 유전체막에 달라붙게 되면 단차피복성에 심각한 문제를 초래하며 또한 유전체의 특성이 저하된다.
메모리 소자의 경우에는 이러한 파티클이 발생한 메모리 셀(cell)에서 동작 페일(fail)이 유발되므로 수율을 저하시키는 요인이 된다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원자층증착법을 이용하여 불순물이 거의 없으며 파티클 문제를 해결한 금속전극 형성방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, MX2 또는 MX4 형태의 선구물질을 반응챔버 내에 공급하여 기판표면에 흡착시키는 단계 - 여기서, M은 Ni, Pd, Pt 중 선택된 중심금속이며, X는 수소, F, Cl, Br, I, C1-C10 알킬, C2-C10 알케닐, C1-C8 알콕시, C6-C12 아릴, β-디케토네이트, 시클로펜타디에닐, C1-C8 알킬시클로펜타디에닐, 이상의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체 중 어느 하나의 리간드임 - ; 흡착되지 않은 상기 선구물질을 퍼지시키는 단계; 상기 반응챔버에 히드라진, NR3, C1-C10 알킬히드라진, C1-C10 디알킬히드라진, NH3, NH2R, NHR2 중 선택된 적어도 어느 하나의 반응기체를 공급하여 상기 기판표면에 흡착된 상기 선구물질과 반응시켜 상기 리간드가 제거된 중심금속 원자층을 상기 기판 상에 형성하는 단계 - 여기서, R은 H, C1-C10 알킬, C2-C10 알케닐, C1-C8 알콕시, C6-C12 아릴, 이상의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체 중 어느 하나임- ; 및 미반응 반응기체 및 반응생성물을 퍼지시키는 단계를 포함하는 원자층증착법을 이용한 반도체 소자의 금속전극 형성방법이 제공된다.
본 발명은 금속(M)의 산화상태가 +2 또는 +4인 선구물질(MX2, MX4)과 반응기체로 환원성이 강한 히드라진(hydrazine) 등을 사용하여 원자층증착법으로 금속전극을 제조하는 방법이다. 여기서 M는 니켈, 팔라듐 또는 백금 중 어느 하나이며 X는 음이온성 리간드(ligand) 이다.
본 발명은 금속전극내의 불순물을 최소화 할 수 있는 발명이다. 종래기술에서는 반응생성물이 이온성이었기 때문에 쉽게 제거되지 못하고 다시 반응하여 일부는 기체상태로 제거되나 일부는 막내에 불순물로 남게 된다.
그러나 본 발명에서는 반응생성물들이 기화압이 높은 중성물질이므로 진공배기로 반응기에서 쉽게 제거되므로 탄소, 수소, 산소 등의 불순물이 거의 없는 순도 높은 금속전극을 증착할 수 있다.
또한, 본 발명은 파티클 발생을 억제한 금속전극 형성방법이다. 종래기술에서는 기상에서 반응기체와 선구물질이 일부 화학반응을 일으켜서 비휘발성 물질을 형성하므로 파티클 발생의 주원인으로 작용했으나 본 발명에서는 기판표면에서만 증착반응이 일어나므로 파티클이 거의 발생하지 않는다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도1a 내지 도1c는 본 발명의 일실시예에 따른 금속전극 증착과정을 도시한 도면이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 원자층증착법의 진행과정을 보여주는 순서도이다.
본 발명의 일실시예에서 반응기체로 사용된 히드라진(N2H4)은 아래의 반응식 1과 같이 금속 선구물질(MX2, MX4)과 반응하여 금속전극을 만들고 휘발성이 강한 중성의 반응부산물들(HX, NH3, N2)을 생성하는데, 중성의 반응부산물은 휘발성이 강하므로 진공으로 쉽게 제거된다.
여기서 히드라진은 질소와 수소의 화합물로서 공기속에서 발연하는 무색의 액체로 암모니아와 비슷한 냄새를 가지고 녹는점 2℃, 끓는점 113.5℃, 비중 1.011을 갖는다.
반응식 1은 금속의 산화상태가 +2 가인 경우의 반응식을 나타낸 것이다.
MX2 + 2N2H4 → M + 2HX + 2NH3 + N2
반응식 1에서 M은 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중 어느 하나이며, X는 음이온성 리간드이다. 여기서 X는 수소, F, Cl, Br, I, C1-C10 알킬(alkyl), C2-C10 알케닐(alkenyl), C1-C8 알콕시(alkoxy), C6-C12 아릴(aryl), β-디케토네이트 (β-diketonates), 시클로펜타디에닐 (cyclopentadienyl), C1-C8 알킬시클로펜타디에닐 (alkylcyclopentadienyl) 또는 상기의 물질들에 할로겐이 첨가된 유도체들 중 어느 하나이다.
반응식 1에 나타난 것과 같이 히드라진(N2H4)은 금속선구물질(MX2)과 반응하여 금속전극(M)을 생성하고 휘발성이 강한 중성 반응생성물(HX, 2NH3, N2)을 형성한다. 이들 중성 반응생성물들은 진공상태에서 쉽게 제거된다.
본 발명의 일 실시예에서는 반응식 1과 같은 반응원리를 이용하여 분자수준의 반응조절이 용이한 원자층증착법을 이용하여 금속전극을 형성한다.
일반적으로, 원자층증착법은 먼저 소스가스를 공급하여 기판 표면에 한 층의 소스를 화학적으로 흡착(Chemical Adsorption)시키고 여분의 물리적 흡착된 소스들은 퍼지가스를 흘려보내어 퍼지시킨 다음, 소스가 흡착된 기판에 반응가스를 공급하여 소스와 반응가스를 화학반응시켜 원하는 원자층 박막을 증착하고 여분의 반응가스는 퍼지가스를 흘려보내 퍼지시키는 과정을 한 주기로 하여 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 여러 주기를 반복한다.상술한 바와 같은 원자층 증착방법은 표면 반응 메카니즘(Surface Reaction Mechanism)을 이용하므로써 안정된 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 균일한 박막을 얻을 수 있다. 또한, 소스가스와 반응가스를 서로 분리시켜 순차적으로 주입 및 퍼지시키기 때문에 화학적기상증착법(CVD)에 비해 가스 위상 반응(Gas Phase Reaction)에 의한 파티클(Particle) 생성을 억제하는 것으로 알려져 있다.
삭제
도1a 내지 도1c를 참조하여 원자층증착법을 이용한 본 발명의 일실시예를 기술하면, 먼저 금속전극이 형성될 기판(1)을 반응기로 로딩(loding)한 후, 상기 기판을 100 ∼ 700℃로 가열한다. 반응기체로 히드라진을 사용할 경우에는 기판온도가 500℃ 이하인 경우에도 활성화가 이루어지므로, 금속전극이 캐패시터의 유전체 상에 형성되는 상부전극으로 사용하고자 할 때 유전체의 환원을 방지하여 유전체의 특성을 유지할 수 있다.
기판(1)을 상기 온도로 가열한 이후에, 도1a에 도시된 바와 같이 Ar, N2 등의 운반기체(미도시)를 사용하여 기화된 금속선구물질(2)을 반응기로 공급하여 금속선구물질을 기판(1) 표면에 흡착시킨다.
이후에 금속선구물질(2)의 공급을 중단하고 N2, He, Ne, Ar 또는 이들의 혼합기체인 퍼지기체를 공급하여 기판 표면에 흡착된 금속선구물질(3) 이외에 기상에 존재하는 금속선구물질 등의 부산물을 진공으로 제거한다. 도2에 퍼지기체는 도시되어 있지 않다.
다음으로 도1b에 도시된 바와 같이, 반응기체인 히드라진(4) 등을 공급하여 기판 표면에 흡착되어 있는 금속선구물질(3)과 반응시켜 금속층(5)을 형성한다. 이때 반응식 1에서와 같이 HX, NH3, N2 같은 반응생성물이 생성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 반응기체로는 히드라진(N2H4) 외에도, NR3, C1-C10 알킬히드라진(alkylhydrazine), C1-C10 디알킬히드라진 (dialkylhydrazine), NH3, NH2R, NHR2 또는 이들의 혼합기체가 사용될 수 있다. 여기서 R은 H, C1-C10 알킬(alkyl), C2-C10 알케닐(alkenyl), C1-C8 알콕시(alkoxy), C6-C12 아릴(aryl) 또는 이들에 할로겐이 첨가된 유도체들중 어느 하나이다.
다음으로 반응기체의 공급을 중단하고, 다시 N2, He, Ne, Ar 또는 이들의 혼합기체인 퍼지기체를 공급하여 반응생성물(HX, NH3, N2) 및 반응하지 않은 반응기체를 제거한다.
이와 같은 과정을 한 싸이클로 하여 반복하여 수행하면 도1c에 도시된 바와 같은 금속전극(6)을 얻을 수 있다.
도2는 증착시간에 따른 금속선구물질, 반응기체, 퍼지기체의 공급 싸이클을 도시한 도면으로, 도2에 도시된 바와 같이 금속선구물질 - 퍼지기체 - 반응기체 - 퍼지기체를 연속적으로 공급하는 것을 하나의 싸이클(cycle)로 설정하고, 이러한 싸이클을 연속적으로 실행하면 원하는 두께로 금속전극을 형성하는 것이 가능하다.
이와 같은 원자층증착법으로 형성된 니켈, 팔라듐 또는 백금 금속전극은 반도체 메모리 소자의 게이트 전극, 비트라인, 캐패시터의 전극 등에 응용가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속전극 형성방법은 금속전극내의 불순물을 최소화할 수 있는 금속전극 형성방법이다. 즉, 반응식 1과 같이 금속선구물질과 반응기체의 반응으로 생성된 반응생성물들은 기화압이 높은 중성의 반응생성물이므로 진공배기로 반응기에서 쉽게 제거할 수 있어 금속전극 내에 불순물이 거의 잔류하지 않는다.
또한, 종래의 화학기상증착법에서는 기체상태에서 반응기체와 금속선구물질이 반응하여 비휘발성 반응생성물들을 생성하였으나, 본 발명의 일실시예에서는 기판 표면에서만 증착반응이 일어나므로 이러한 비휘발성 반응생성물의 생성을 억제할 수 있어 파티클로 문제도 최소화 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 니켈,팔라듐 또는 백금 금속전극 형성에 적용하면 불순물이 거의 없는 순수한 금속전극을 얻을 수 있으며, 파티클로 인한 문제도 방지하여 소자의 신뢰성과 수율을 높일 수 있다.
도1a 내지 도1c는 본 발명의 일실시예에 따른 금속전극 형성과정을 도시한 도면.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속전극 형성공정에서 금속선구물질, 반응기체, 퍼지기체의 공급순서를 도시한 도면,
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 기판
2 : 금속선구물질
3 : 흡착된 금속선구물질
4 : 반응기체
5 : 금속층
6 : 금속전극

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. MX2 또는 MX4 형태의 선구물질을 반응챔버 내에 공급하여 기판표면에 흡착시키는 단계 - 여기서, M은 Ni, Pd, Pt 중 선택된 중심금속이며, X는 수소, F, Cl, Br, I, C1-C10 알킬, C2-C10 알케닐, C1-C8 알콕시, C6-C12 아릴, β-디케토네이트, 시클로펜타디에닐, C1-C8 알킬시클로펜타디에닐, 이상의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체 중 어느 하나의 리간드임 - ;
    흡착되지 않은 상기 선구물질을 퍼지시키는 단계;
    상기 반응챔버에 히드라진, NR3, C1-C10 알킬히드라진, C1-C10 디알킬히드라진, NH3, NH2R, NHR2 중 선택된 적어도 어느 하나의 반응기체를 공급하여 상기 기판표면에 흡착된 상기 선구물질과 반응시켜 상기 리간드가 제거된 중심금속 원자층을 상기 기판 상에 형성하는 단계 - 여기서, R은 H, C1-C10 알킬, C2-C10 알케닐, C1-C8 알콕시, C6-C12 아릴, 이상의 물질에 할로겐이 첨가된 유도체 중 어느 하나임- ; 및
    미반응 반응기체 및 반응생성물을 퍼지시키는 단계
    를 포함하는 원자층증착법을 이용한 반도체 소자의 금속전극 형성방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선구물질을 상기 반응챔버 내에 공급하기 위한 운반기체로서 Ar 또는 N2 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 원자층증착법을 이용한 반도체 소자의 금속전극 형성방법.
  8. 삭제
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