KR100475899B1 - 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법에 관한 것으로, 유기금속 전구체를 화학기상증착방법을 이용해 웨이퍼 상에 증착하여 전극을 형성할 때, 웨이퍼의 표면에 전기 음성도차가 큰 할로겐화합물을 흡착시킴으로써, 전극 박막의 초기 핵의 표면유동성을 감소시켜, 핵간의 병합이나 그레인의 성장을 억제시키며, 이로 인해 작은 그레인을 가지는 형태로 연속적인 박막을 형성하여 웨이퍼 상에 증착된 전극의 표면이 매끄럽게 한다.
Description
본 발명은 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면이 매끄러운 박막을 얻을 수 있는 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 특히, 메모리 소자의 캐패시터(capacitor)에 하부 전극으로는 식각이 가능하고 후속공정에서 산화물 유전물질을 증착한 후에도 전도성을 잃지 않는 특성이 있는 Ru와 RuO2의 혼합물 박막이 사용된다.
이러한 Ru와 RuO2의 혼합물 박막은 좋은 계단도포(step coverage) 특성이 요구되므로 유기금속화학기상증착(Metalloganic Chemical Vapor Deposition; "MOCVD")의 방법으로 증착한다.
이때, 좋은 계단도포특성을 얻기 위해서는 표면반응 지배영역에서 증착을 실시해야 하는데, 대개 증착속도를 고려해 표면반응 지배영역과 물질확산 지배영역의 경계 즉, 표면반응 지배영역에서 온도가 가장 높은 부분에서 증착을 실시한다.
증착 방법에 대해 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.
Ru를 포함하는 전구체(precursor)를 비활성가스(예컨대, Ar)로 운반하여 반응가스(예컨대, O2)와 함께 고온으로 가열된 반도체의 웨이퍼 표면에 도달시키면, 도달된 전구체와 반응가스가 웨이퍼의 표면에서 반응을 일으켜 전극 박막이 증착된다.
여기서, 반응가스는 웨이퍼의 표면에서 전구체의 리간드(ligand)를 떼어내는 역할을 한다.
그런데, Ru와 RuO2의 혼합물 박막을 유기금속 화학기상증착의 방법으로 증착하면, 전구체에서 분해된 Ru 흡착종들이 저온에서도 서로 뭉쳐서 큰 그레인(grain)이 됨으로써, 거친 박막이 얻어진다. 대개 이들 박막은 두께가 대략 100 nm 정도로 증착되었을 때, rms(root mean square) 표면 거칠기가 대략 16 nm 정도가 되어 매우 거칠게 된다.
상기와 같이 박막의 표면거칠기가 거칠게 되면, 유전물질과 반도체 캐패시터의 상부전극을 3차원적인 패턴(pattern)에 채워 넣기가 매우 어렵게 되며, 캐패시터의 전기적 특성도 좋지 않아 캐패시터의 방전항복전압이 낮아지고 누설전류가 커지는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 점을 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로, Ru와 RuO2 등과 같은 유기금속 혼합물로 반도체 캐패시터의 전극 박막을 증착할 때 표면을 매끄럽게 할 수 있는 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법은, 증착 대상물인 반도체 웨이퍼를 반응기 내로 집어넣는 스텝과, 상기 반응기 내에서 상기 증착 대상물을 가열하는 스텝과, 비활성가스를 이용해 유기금속을 포함하는 전구체를 반응가스 및 할로겐화합물과 함께 반응기 내로 흘려주어 상기 증착 대상물의 표면에 증착시키는 스텝을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법은, 증착 대상물인 반도체 웨이퍼를 반응기 내로 집어넣는 스텝과, 상기 반응기 내에서 상기 증착 대상물을 가열하는 스텝과, 비활성가스를 이용해 유기금속을 포함하는 전구체를 반응가스와 함께 반응기 내로 흘려주어 증착 대상물의 표면에 증착시키는 스텝과, 설정시간 후 할로겐화합물을 반응기 내로 흘려주어 증착 대상물의 표면에 흡착시키는 스텝을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명을 수행하기 위한 하드웨어의 개략적인 블록 구성도로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명을 수행하기 위한 하드웨어는, 반응기(100)와, 유기금속을 담은 버블러(200)와, 복수의 가스공급장치(210, 211)와, 복수의 공급관로(220∼224)와, 복수의 밸브(230∼237)와, 복수의 히터구동부(240∼243)로 구성된다.
상기 반응기(100)는 증착 대상물인 반도체 웨이퍼를 올려놓고 이를 가열하기 위한 가열판(110)과, Ar 등의 불활성 가스에 의해 공급되어오는 유기금속을 포함하는 전구체와 O2 등의 반응가스를 가열판(110)에 놓인 웨이퍼의 표면에 살포하는 제1 주입부(120)와, 할로겐화합물을 가열판(110)에 놓인 웨이퍼의 표면에 살포하는 제2 주입부(130)로 구성된다.
여기서, 제1 주입부(120)와 제2 주입부(130)는 각기 별도로 구비될 수 있으나, 전구체와 O2 등의 반응가스 및 할로겐화합물을 하나의 주입부로서 주입하도록 구성될 수 있다.
상기 버블러(bubbler)(200)는 히터를 포함하고 Ru 등의 유기금속(M0-source)을 포함하는 전구체를 가열하여 증발시키고 증발된 전구체를 가스공급장치(210)을 통해 공급되는 Ar 가스를 이용해 반응기(100)로 공급한다.
상기 가스 공급장치(210, 220)은 각각 Ar 가스와 O2 가스를 각각 버블러(200)와 반응기로 공급하며, 상기 복수의 공급관로(220∼224)에는 각각 히터가 설치되어있어 전구체와 가스 및 화합물 등이 공급되는 도중 냉각되지 않게 가열하도록 되어 있다.
상기 복수의 히터구동부(240∼243)은 각기 버블러(200)와 공급관로(220∼224)와 반응기(100)의 가열판(110) 및 제1 살포부(120)에 설치되어 있는 히터에 전원을 공급하여 구동시킨다.
이제 상기와 같이 구성된 본 발명의 동작예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 각 히터구동부(240∼242)를 동작시켜 각 공급관로(220~224)와 버블러(200)와 반응기(100)의 주입부(120)를 가열함과 더불어, 반응기(100) 내에 반도체 웨이퍼(W)를 집어넣어 가열판(110) 위에 올려놓은 다음, 히터구동부(243)를 동작시켜 가열판(110)을 가열함으로써, 가열판(110)에 놓인 반도체 웨이퍼(W)를 전구체에 포함된 유기금속(MO-source)의 분해온도 이상으로 가열한다(S10).
다음, 각 밸브(230∼237)와 가스 공급장치(210, 220)를 동작시켜 버블러(200) 내의 유기금속이 포함된 전구체를 Ar 가스를 이용해 반응기(100) 내로 주입함과 더불어 O2 가스와 할로겐화합물을 반응기(100) 내로 주입함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 전구체와 할로겐화합물을 흡착시킨다(S20).
여기서, 할로겐화합물은 원소주기율표 상에서 7족원소에 속하는 할로겐 원소를 포함하는 유기고체, 액체, 기체 등이 사용될 수 있고, 공정 상 액상의 화합물이 바람직하며, 예컨대, "CH3I" 또는 "C2H5I" 일 수 있다.
일예로, 상기 유기금속(MO-source)은 Ru와 RuO2 를 포함할 수 있다.
참고적으로, O2 가스는 웨이퍼(W)의 표면에서 전구체의 리간드를 떼어내는 역할을 한다.
이와 같이 전구체와 할로겐화합물을 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시킨 다음 설정된 공정시간동안 가열판(110)을 가열한 후 냉각시킴으로써, 반도체 웨이퍼(W)상에 전극 박막을 얻는다.
상기한 본 발명의 실시예에서는 유기금속을 포함하는 전구체와 할로겐화합물을 동시에 반도체 웨이퍼(W)에 흡착시켜 증착하는 공정에 대해 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 유기금속을 포함하는 전구체를 먼저 반도체 웨이퍼(W)에 흡착시켜 초기 증착을 실시한 후 할로겐화합물을 주입하여 최종 증착막을 얻는다.
이러한 본 발명의 다른 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 각 히터구동부(240∼242)를 동작시켜 각 공급관로(220~224)와 버블러(200)와 반응기(100)의 주입부(120)를 가열함과 더불어, 반응기(100) 내에 반도체 웨이퍼(W)를 집어넣어 가열판(110) 위에 올려놓은 다음, 히터구동부(243)를 동작시켜 가열판(110)을 가열함으로써, 가열판(110)에 놓인 반도체 웨이퍼(W)를 전구체에 포함된 유기금속(MO-source)의 분해온도 이상으로 가열한다(S110).
다음, 각 밸브(230∼237)와 가스 공급장치(210, 220)를 동작시켜 버블러(200) 내의 유기금속이 포함된 전구체를 Ar 가스를 이용해 반응기(100) 내로 주입함과 더불어 O2 가스를 반응기(100) 내로 주입함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 전구체를 흡착시킨다(S120).
일예로, 상기 유기금속(MO-source)은 Ru와 RuO2 를 포함할 수 있다.
설정된 제1공정시간 동안 가열판(110)을 가열하여 초기증착을 한 다음, 밸브(234)를 동작시켜 할로겐화합물을 반응기(100)내로 주입함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 할로겐화합물을 흡착시킨다(S130).
여기서, 할로겐화합물은 원소주기율표 상에서 7족원소에 속하는 할로겐 원소를 포함하는 유기고체, 액체, 기체 등이 사용될 수 있고, 공정 상 액상의 화합물이 바람직하며, 예컨대, "CH3I" 또는 "C2H5I" 일 수 있다.
상기와 같이 할로겐화합물을 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 흡착시킨 다음 설정된 제2공정시간동안 가열판(110)을 가열한 후 냉각시킴으로써, 반도체 웨이퍼(W)상에 전극 박막을 얻는다.
도 4는 전극 증착 공정 중 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때와 본 발명에 따라 할로겐화합물인 "CH3I"와 할로겐화합물인 "C2H5I"을 각각 첨가하였을 때의 아레니우스(arrhenius) 그래프로서, 이 그래프를 살펴보면 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 할로겐화합물을 첨가하였을 때 증착속도와 표면반응 지배영역과 물질확산 지배영역의 경계온도에는 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
도 5는 Ru와 RuO2의 유기금속 원소에 의한 전극 증착 공정 중 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때와 본 발명에 따라 할로겐화합물인 "CH3I"와 할로겐화합물인 "C2H5I"을 각각 첨가하였을 때의 표면형상을 나타내는 AFM(Atomic Force Microscopy) 분석 결과로서, 동 도면을 참조하면 알 수 있듯이, 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때는 웨이퍼의 표면형상이 매우 거친 것에 반해, 할로겐화합물을 첨가하였을 대는 표면이 매우 매끄럽게 되어 표면형상이 개선되었음을 알 수 있다.
도 6의 (a) 내지 (f)는 Ru와 RuO2의 유기금속 원소에 의한 전극 증착 공정 중 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때와 본 발명에 따라 할로겐화합물인 "CH3I"와 할로겐화합물인 "C2H5I"을 각각 첨가하였을 때 웨이퍼 표면 박막의 초기 핵생성 단계 및 박막이 두꺼워졌을 때의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석결과이다.
도 6의 (a) 내지 (c)를 참조하면 알 수 있듯이, 공정 중 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때에 비해 할로겐화합물을 첨가하였을 때 전극의 초기 핵생성 단계에서 표면의 핵이 월등하게 많고 작으면서 조밀하게 생성되었음을 알 수 있다.
그리고, 도 6의 (d) 내지 (f)를 참조하면 알 수 있듯이, 공정 중 초기 핵생성 단계를 지나 박막이 두꺼워진 시점에도 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때에 비해 할로겐화합물을 첨가하였을 때 핵생성이 조장되어 박막이 보다 균일하고 매끈해짐을 알 수 있다.
상기한 도 4 내지 도 6은 하기의 표1에 나타난 조건에 따라 실험한 결과이다.
[표 1]
| 전구체 | Ru와 RuO2의 합성물 |
| 시료 | Sputterd TiN 웨이퍼 |
| 시료의 온도 | 270∼400 ℃ |
| 비활성가스(Ar)의 flow rate | 200 sccm |
| 반응가스(O2)의 flow rate | 50 sccm |
| 공정압력 | 5.7 Torr |
| 기본압력 | 15 mTorr |
| 버블러 온도 | 75℃ |
| 할로겐화합물 공급관로 온도 | 60℃ |
| 할로겐화합물 flow rate | ∼700 sccm |
| 가스 공급관로 온도 | 150℃ |
| 반응기의 제1 주입부 온도 | 150℃ |
참고적으로, 도 4 내지 도 6에서 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때는 "no addition"으로, 할로겐화합물인 "CH3I"을 첨가하였을 때는 "CH3I addiciton"으로, 할로겐화합물인 "C2H5I"을 첨가하였을 때는 "C2H5
I addition"으로 표기하였다.
상기한 도 4 내지 도 6의 실험결과에 나타나 있는 바와 같이, 유기금속 전구체를 이용해 웨이퍼 상에 전극을 증착할 때, 웨이퍼의 표면에 전기 음성도차가 큰 할로겐화합물을 흡착시키면 박막의 초기 핵(nuclei)의 표면유동성(surface mobility)이 감소됨으로써, 핵간의 병합이나 그레인(grain)의 성장이 억제되고 이로 인해 작은 그레인을 가지는 형태로 연속적인 박막이 형성되어 웨이퍼 상에 증착된 전극의 표면이 매끄럽게 된다.
상기에서 본 발명은 특정 실시예를 예시하여 설명하지만 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명에 대한 다양한 변형, 수정을 용이하게 만들 수 있으며, 이러한 변형 또는 수정이 본 발명의 특징을 이용하는 한 본 발명의 범위에 포함된다는 것을 명심해야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 할로겐화합물의 주입에 의해 동일한 조건에서도 보다 매끄러운 표면형상의 전극 박막을 얻게 되며, 이로 인해 전극의 전기적 특성이 좋아질 뿐만 아니라 누설전류가 감소하고 항복전압이 증가되는 효과가 있다.
이에 따라 본 발명을 이용해 반도체 캐패시터의 하부전극을 형성할 때 유용한데, 본 발명에 의해 반도체 캐패시터의 하부전극을 증착하면 표면이 매끄럽게 형성되어 유전물질과 상부전극을 채워 넣기가 보다 수월해지며 보다 작은 선폭으로 만들어진 패턴으로도 확장이 가능하다.
또한, 본 발명을 이용하면, 전극의 표면 거칠기를 온도와 무관하게 작게 할 수 있어 고온 증착이 가능하고 증착속도를 증가시킬 수 있다. 그리고, 고온 증착이 가능함에 따라 유기물이나 카본의 함유량을 줄일 수 있고, 후속 열처리 공정이 불필요하여 공정을 단순화시킬 수 있고 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명을 수행하기 위한 하드웨어의 개략적인 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법을 설명하기 위한 플로우챠트,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법을 설명하기 위한 플로우챠트,
도 4은 전극 증착 공정 중 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때와 본 발명에 따라 할로겐화합물인 "CH3I"와 할로겐화합물인 "C2H5I"을 각각 첨가하였을 때의 아레니우스(arrhenius) 그래프,
도 5는 Ru와 RuO2의 유기금속 원소에 의한 전극 증착 공정 중 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때와 본 발명에 따라 할로겐화합물인 "CH3I"와 할로겐화합물인 "C
2H5I"을 각각 첨가하였을 때의 표면형상을 나타내는 AFM(Atomic Force Microscopy) 분석 결과,
도 6의 (a) 내지 (f)는 Ru와 RuO2의 유기금속 원소에 의한 전극 증착 공정 중 할로겐화합물을 첨가하지 않았을 때와 본 발명에 따라 할로겐화합물인 "CH3I"와 할로겐화합물인 "C2H5I"을 각각 첨가하였을 때 웨이퍼 표면 박막의 초기 핵생성 단계 및 박막이 두꺼워졌을 때의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석결과.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 반응기 110: 가열판
120, 130: 주입부 200: 버블러
210, 211: 가스공급장치 220∼224: 공급관로
230∼237: 밸브 240: 243: 히터구동부
Claims (4)
- 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법에 있어서,증착 대상물인 반도체 웨이퍼를 반응기 내로 집어넣는 스텝과,상기 반응기 내에서 상기 증착 대상물을 가열하는 스텝과,비활성가스를 이용해 유기금속을 포함하는 전구체를 각각의 반응가스 및 할로겐화합물과 함께 반응기 내로 흘려주어 상기 증착 대상물의 표면에 증착시키는 스텝을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법.
- 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법에 있어서,증착 대상물인 반도체 웨이퍼를 반응기 내로 집어넣는 스텝과,상기 반응기 내에서 상기 증착 대상물을 가열하는 스텝과,비활성가스를 이용해 유기금속을 포함하는 전구체를 별도의 반응가스와 함께 반응기 내로 흘려주어 증착 대상물의 표면에 증착시키는 스텝과,설정시간 후 할로겐화합물을 반응기 내로 흘려주어 증착 대상물의 표면에 흡착시키는 스텝을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 할로겐화합물은, CH3I인 것을 특징으로 하는 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 할로겐화합물은, C2H5I인 것을 특징으로 하는 반도체의 캐패시터 전극 증착 방법.
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- 2002-03-08 KR KR10-2002-0012424A patent/KR100475899B1/ko not_active IP Right Cessation
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