KR100591508B1 - 산화물 박막의 원자층 증착 - Google Patents

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Abstract

산화물 박막을 증착시키는 원자층 증착 방법이 제공된다. 이 방법은 제 1 하프늄 전구체 내의 질산염 리간드를 제 2 하프늄 전구체에 대한 산화제로 채택하여, 산화 하프늄을 형성한다. 질산화 하프늄 전구체 및 염화 하프늄 전구체를 사용함으로써, 이 방법은 수소-종단 실리콘 표면 상에의, 게이트 유전체 또는 커패시터 유전체 애플리케이션에 대한, 높은 k 산화 하프늄의 증착에 적합하다.
산화물 박막, 원자층 증착, 질산염 리간드, 산화제, 수소-종단

Description

산화물 박막의 원자층 증착 {ATOMIC LAYER DEPOSITION OF OXIDE FILM}
도 1 은 종래의 나노층 박막 증착 공정의 흐름도.
도 2 는 산화제로 질산염 전구체를 사용하여 나노층 박막을 증착하는 공정의 흐름도.
도 3 은 산화제로 질산화 하프늄 전구체를 사용하여, 나노층 박막을 증착하는 공정의 흐름도.
도 4 는 질산화 하프늄 전구체 및 알루미늄 전구체를 사용하는 반도체 공정에 사용하기 위해, 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막을 증착하는 공정의 흐름도.
도 5a - 5d 는 반도체 게이트 유전체 응용에서의, 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막 또는 산화 하프늄 박막의 증착 공정의 단계들을 도시한 도면.
도 6 은 본 발명의 방법을 이용하여 증착된, 4 nm 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막의 커패시턴스 대 바이어스 전압의 선도.
도 7 은 동일한 4 nm 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막에 대한, 누설 전류 대 바이어스 전압의 선도.
도 8 은 질산화 하프늄 전구체를 산화제로 사용하는 산화 하프늄 박막 증착 공정의 흐름도이다.
도 9 는 질산화 하프늄 전구체 및 하프늄-함유 전구체을 사용하는 반도체 공정에 사용하기 위한 산화 하프늄 박막 증착 공정의 흐름도이다.
도 10 은 산화 하프늄 박막을 위한 증착 두께 대 증착 싸이클의 플롯을 도시한다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
140: 수소-종단 실리콘 표면 141: 실리콘 기판
142: 필드 산화물 143: 산화 하프늄 층
144: 산화 알루미늄 층 143': 산화 하프늄의 또다른 층
144': 산화 알루미늄의 또다른 층
발명의 분야
본 발명은, 질산화 금속-함유 전구체 (precursor) 를 또다른 금속-함유 전구체를 위한 산화제로 이용하여, 산화 금속 나노층 박막 (nanolaminate film) 을 증착시키는 원자층 증착 (ALD; atomic layer deposition) 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 야금술 및 생물의학 응용을 위한 전기-광학 구조, 광학 코팅, 및 패시베이션 코팅 (passivation coating) 을 포함한 다양한 응용에서 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 집적 회로 제조에 관한 것이로, 구체적으로는 반도체 트랜지스터용의 게이트 유전체 (gate dielectric) 및 메모리 회로에 대한 커패시터 유전체에 관한 것이다.
발명의 배경
집적 회로에서 반도체 장치 내의 유전체 물질은 전계 효과 트랜지스터 (FET; field effect transistor) 용의 게이트 유전체 및 동적 랜덤 액세스 메모리 (dynamic random access memory) 용의 커패시터 유전체로 분류된다. 이러한 유전체의 크기 (dimensions) 는 반도체 장치의 성능과 직접적으로 관련된다. 더 빠른 응답 및 더 복잡한 기능을 달성하기 위해, 오늘날의 집적회로 제조는 두께뿐만 아니라 측면 크기의, 모든 방향에 있어 더 작아지고 있다.
DRAM 장치의 성능은 커패시터에 저장된 전하와 관련되고, 이는 커패시터의 면적 및 유전 상수 k 에 정비례하고 커패시터의 두께에는 반비례한다. 커패시터의 크기가 줄어듬에 따라, 고 성능 DRAM 장치에 적합한 커패시턴스 전하를 유지하기 위해, 커패시터 유전체로서 높은 k 유전체가 매우 바람직하다.
반도체 장치의 속도는, 전압을 인가한 후 FET 내의 게이트 유전체의 응답에 정비례한다. 게이트 유전체의 응답은 유전 상수 k 에 정비례하고 유전체의 두께 t 에 반비례한다. 따라서, 얇고 높은 k 의 유전체에 대한 필요성이 게이트 유전체로서 매우 요망되고 있다.
게이트 유전체의 주 재료는 약 4 의 유전 상수를 갖는 산화 실리콘 (SiO2) 이다. 장치 크기가 계속적으로 줄어듬에 따라, 산화 실리콘 게이트 유전체의 두께는 1.5 ∼ 2 nm 의 터널링 한계 (tunneling limit) 까지 도달했다. 일반적 으로, 1.5 nm 보다 적은 산화 실리콘 막은, 직접 터널링 전류 (direct tunneling currents) 로부터의 높은 누설로 인한 과도한 전력 소비로 인해, FET 장치에서 게이트 유전체로서 주로 사용할 수 없다. 또한, 붕소 페너트레이션 (boron penetration), 전하 주입 손상 (charge injection damage) 과 같은, 이러한 초 박 산화 실리콘 막과 관련한 제조 및 신뢰성의 염려가 존재한다.
산화 실리콘에 대한, 가능한 대체물로서, 여러가지 높고 일정한 유전체 재료 (높은 k 유전체) 를 연구하였으나, 낮은 누설 전류, 실리콘 기판과의 양호한 계면의 형성, 제조 공정에서의 낮은 열 한계 (low thermal budget) 및 디바이스 하이 채널 이동도 (device high channel mobility) 와 같은 여러가지 엄격한 요구사항 때문에, 아직까지 적당한 대체물을 발견하지 못하고 있다. 잠재적인 후보는 산화 티타늄 (TiO2), 산화 탄탈륨 (9 내지 27 사이의 k 값을 갖는 Ta2O5), 산화 알루미늄 (약 9 의 k 값을 갖는 Al2O3), 산화 지르코늄 (10 내지 25 사이의 k 값을 갖는 ZrO2), 산화 하프늄 (10 내지 25 사이의 k 값을 갖는 HfO2) 과 다층 (multilayer), 멀티콤포넌트 및 나노층과 같은 다양한 조합물과 혼합물이다.
현재의, 게이트 유전체 응용을 위한 높은 k 유전체 재료로서 선도적인 후보는 산화 지르코늄 및 산화 하프늄이다. 이들 재료의 벌크 유전 상수의 크기는 약 20 내지 25 로서, 약 5 내지 6 nm 인 이러한 재료는 두께가 1 nm 인 산화 실리콘과 등가임을 의미한다.
ALD 를 통하여 증착된 지르코늄 산화 막은, 높은 유전 상수 및 낮은 누설을 포함하는, 양호한 절연 특성을 나타낸다. 그러나, 큰 문제는 수소-종단 표면 상에 부드럽게 직접 증착하지 못하며, 대신 균일한 시작 (uniform initiation) 을 위하여 산화 실리콘의 박층 (thin layer) 을 요구하는 것이다. 이의 예가, Electrochemical and Solid-State Letters, 5 (5), C57-59 (2002) 에 실린 Conley 등의 "Atomic layer deposition of hafnium oxide using anhydrous hafnium nitrate" 에 개시되어 있다. 얇은 산화 실리콘 계면 층이 존재한다면, 1 nm 의 등가 두께인 산화 실리콘을 얻는 것은 매우 어렵기 때문에, 그 존재는 바람직하지 않다. 수소-종단 실리콘 표면은, 실리콘의 댕글링 본드 (dangling bonds) 가 수소로 종단되어 있는, 어떠한 고유의 (native) 산화 실리콘도 없는, 실리콘 표면이다. 수소-종단 실리콘 표면은 표준 산업 반도체 세정 공정의 결과물이다. 이러한 표준 세정 공정은 통상적으로 실리콘 웨이퍼를 HF 용액에 급속 침적 (quick immersions) 하여, 수소 패시베이션 (hydrogen passivation) 으로도 알려진 수소로 종단된 실리콘 표면을 생성한다.
산화 하프늄에 대한 연구는, 적합한 증착 조건하에서, 수소-종단된 실리콘 표면 상에, 매끄럽고 균일한 아몰퍼스 하프늄 산화 막을 직접 증착할 수 있음을 알려준다. 10.5 의 유전 상수 및 2.1 nm 의 커패시턴스 등가 두께를, 수소-종단 실리콘 표면 상에 5.7 nm 두께의 산화 하프늄을 직접 증착하여 달성하였다. 이는, 더 연구하면 등가 두께를 1 nm 이하로 줄일 수 있다는 것을 알려주기 때문에, 매우 바람직한 특성이다. 그러나, 증착된 하프늄 산화 막은 여전히 여러가지 문제점을 갖고 있다. 한 문제점은, 반도체 장치의 제조 공정에서 더 낮은 온도 한계 (lower thermal budget) 를 초래하는 낮은 결정화 온도이다. 또다른 문제점은 산화 하프늄과 실리콘 기판의 계면의 품질이 산화 실리콘과 실리콘 기판의 계면에 비해 상대적으로 열악하다는 것이다. 이것은 반도체 장치 구조로 집적될 때 낮은 채널 이동도를 초래한다.
얇은 교번 절연체 층 (alternating layers of insulators) 은, 그 특성이 조정될 수 있는 혼성 막 (즉, 나노층) 을 형성할 수 있음을 나타내고 있다. 2000 년 2 월 15 일에 Journal of Applied Physics, Vol. 87, No 4 에 실린 Zhang 등의 "high permittivity thin film nanolaminates" 의 종래 연구는, Ta2O5-HfO 2, ZrO2-HfO2, 및 Ta2O5-ZrO2 의 나노층은 나노층의 두께에 의존하여 다른 특성을 나타냄을 알려준다.
또한, 종래 연구는, 알루미늄을 도핑하여, 높은 k 유전체 막의 특성을 변경할 수 있음을 알려준다. 예를 들어, Ma 등의, 발명의 명칭이 "Aluminum-doped zirconium dielectric film transistor structure and deposition method for same" 인, 미국 특허 번호 제 6,060,755 호는, 산화 지르코늄과 같은 높은 유전 상수 재료에 알루미늄과 같은 3 가 금속의 도핑이 결정화 온도를 증가시켜, 결과물인 막이 높은 온도 처리 조건 하에서 아몰퍼스 존재한다는 내용을 개시하고 있다. 알루미늄으로 도핑된 지르코늄 산화 막은 더 나은 균일도를 갖지만 조금 더 낮은 유전 상수를 가지는 아몰퍼스 막을 형성한다.
공정의 측면에서, 현대 반도체 장치 구조의 기본적인 증착 공정의 하나는 화 학 증기 증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition) 이다. CVD 에서, 전구체 (precursor) 가스 또는 증기의 혼합물은 상승하는 온도에서 웨이퍼 표면 위로 흐른다. 그 후, 증착이 발생하는 고온 표면에서, 반응이 일어난다. 웨이퍼 표면의 온도는 전구체의 증착 반응과 큰 웨이퍼 표면에 대한 증착의 균일도에 영향을 미치기 때문에, CVD 증착에 있어서 중요한 요소이다. CVD 는 통상적으로 400 내지 800 ℃ 범위의 고온을 요구한다. 더 낮은 온도에서의 CVD 는 균일도와 불순물의 면에서 낮은 품질의 막을 형성하는 경향이 있다. 증착 온도를 낮추기 위해서, 전구체를 플라즈마 강화 화학 증기 증착 (PECVD; plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정에서 플라즈마 에너지에 의해 여기 (excite) 시킬 수 있다. CVD 공정의 전구체와 공정 조건은, 입자 형성을 유도하는 가스 상 반응 (gas phase reaction) 을 피하도록 주의깊게 선택한다. 또한, CVD 막의 균일도는 공정 조건의 함수이므로, 일반적으로 초박막에서는 좋지 않다.
원자층 침작 (ALD 또는 ALCVD) 으로 알려진 또다른 증착 기술은 가스 상 반응 및 박막 균일도의 면에서 CVD 기술에 비해 주목할만한 향상을 갖는다. ALD 에서는, 전구체 증기를, 전구체, 퍼지 가스 (purge gas), 반응물 (reactant), 기판 상으로의 전구체 흡착을 통한 퍼지 가스 및 그 후 반응물과 반응시키는, 교번 (alternating) 시퀀스로 공정 챔버에 주입한다. ALD 공정에는 다양한 변형이 있으나, 모든 기본적인 ALD 공정은 두 가지의 명백한 특성, 즉 전구체의 교번 주입 (alternating injection of precursors) 및 전구체 흡착의 포화 (the saturation of the precursor adsorption) 를 포함한다.
ALD 공정에 있어서, 전구체를 챔버로 운반하여 기판 표면상으로 흡착한다. 흡착 온도는 CVD 공정의 반응 온도보다 더 낮고, 흡착된 양은 웨이퍼 표면 온도에 다소 덜 민감하다. 그 후, 전구체를 차단 (shut off) 하고, 퍼지 가스를 챔버로 운반하여 챔버 부피 내에 있는 남아있는 모든 전구체를 퍼징한다. 그 후 반응물을 챔버로 운반하여, 흡착된 전구체와 반응시켜 원하는 막을 형성한다. 그 후 또다른 퍼지 가스를 챔버로 운반하여 챔버 용적 내에 남아 있는 모든 반응물 증기를 퍼징한다. 증기 스트림으로 전구체와 반응물을 교번 (alternating) 시킴으로써, 가스 상 반응의 가능성은 최소화하고, CVD 기술에서는 이용할 수 없는, 사용가능 전구체의 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 흡착 메커니즘으로 인하여, 일단 표면이 포화되면 추가 전구체 및 반응물은 더 이상 흡착되거나 반응하지 않고 단지 소모되기 때문에, 증착된 막이 매우 균일하다.
ALD 의 전구체 요건은, 증착 메커니즘이 다르기 때문에, CVD 의 전구체 요건과는 다르다. ALD 전구체는, 단지 전구체의 하나의 단원자층 (monolayer) 만을 기판 상에 흡착하는 자기-제한 효과 (self-limiting effect) 를 가지고 있어야 한다. 이러한 자기-제한 효과 때문에, 단지 하나의 단원자층 또는 부-단원자층 (sub-monolayer) 만을 매 사이클마다 증착하며, 심지어 과도한 전구체 또는 추가 시간이 제공되더라도, 추가 전구체를 성장 층 (grown layer) 상에 증착하지 않는다. ALD 용으로 디자인되는 전구체는, 자기-제한 모드에서 흡착된 표면 상의 본딩 사이트 (bonding sites) 에 쉽게 흡착해야 한다. 일단 흡착하면, 전구체는 반응물과 반응하여 원하는 막을 형성해야 한다. CVD 에서는, 전구체와 반응 물을 함께 기판에 도달시켜, 전구체와 반응물 간의 반응에 의해 연속적으로 박막 증착한다. CVD 공정에서의 증착 속도 (deposition rate) 는 전구체와 반응물의 유량 (flow rate) 및 기판 온도에 비례한다. CVD 에서, 전구체와 반응물은, 원하는 막을 형성하기 위해, 증착된 표면에서 동시에 반응하여야 한다.
따라서, ALD 전구체로는, 여러가지 유용한 CVD 전구체를 사용할 수 없으며, 그 역도 마찬가지이다. ALD 방법에 대한 전구체를 선택하는 것은 사소하거나 명백한 것이 아니다.
질산염 (NO3) 리간드는 강력한 산화제 (oxidizing agent) 및 질화제 (nitriding agent) 로서, 많은 화합물과 강하게 반응할 수 있다. Gates 등의 발명의 명칭이 "Atomic layer deposition with nitrate containing precursors" 인 미국 특허 번호 제 6,203,613 호는, 질산화 금속 전구체를 이용함과 동시에 공동-반응물 (co-reactants) 을 산화 (oxiding), 질화 (nitriding), 및 환원 (reducing) 시켜, 산화물, 질화물 및 금속 막을 각각 증착시키는 ALD 방법을 개시한다.
Gates 등과 유사하게, 또한 다른 공개도, 질산화 지르코늄 전구체와 함께 물 또는 메탄올과 같은 산화제를 이용한 산화 지르코늄 ALD 증착, 및 질산화 하프늄 전구체와 함께 물 또는 메탄올과 같은 산화제를 이용한 산화 하프늄 ALD 증착을 개시하고 있다. 예가, Ono 등의 발명의 명칭이 "Method of using atomic layer deposition to deposit a high dielectric constant material on a substrate" 인, 미국 특허 번호 제 6,420,279 호에 개시되어 있다. 그러나, 우리의 연구는, 질 산화 하프늄과 함께 산화제로 증착시킨 산화 하프늄이, 아마도 하프늄 산화제 막에 산소가 많은 (oxygen-rich) 특성 때문에, 기대한 것보다 더 낮은 유전 상수를 가짐을 나타내고 있다.
산화 하프늄 막의 품질을 향상하기 위해서는, 산화 하프늄의 산소 함유량을 줄이는 것이 바람직하다.
매끄럽고 균일한 산화 하프늄 층의 개시 (initiation) 를 위해서는, 수소-종단 실리콘 표면 상에 질산화 하프늄을 이용하는 것이 바람직하다.
조성의 변경을 통해 막의 특성을 개질하기 위해서는, 나노층을 형성하는 것이 바람직하다.
더 나은 계면 품질 및 더 낮은 누설 전류와 같은, 복합 막 특성의 변경을 위해서는, 산화 알루미늄을 산화 하프늄에 혼입 (incorporate) 하는 것이 바람직하다.
산화 금속의 결정화 온도를 증가시키기 위해서는, 알루미늄 불순물을 혼입하는 것이 바람직하다.
산화 금속 나노층의 형성중에 제 1 질산화 금속-함유 전구체를 제 2 금속-함유 전구체에 대한 산화제로 사용하는 방법은 같은 발명자에 의해 동시 계류중인 "Atomic layer deposition of nanolaminate film"에서 제공된다. 본 발명은 산화 하프늄 박막의 형성중에 질산화 하프늄-함유 전구체를 또 다른 하프늄-함유 전구체에 대한 산화제로 사용하는 방법을 제공한다.
본 발명의 한 목적은, 질산염-함유 전구체를 또 다른 전구체에 대한 산화제로 사용하여 산화물 나노층 박막을 증착시키는 원자층 침작 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 질산화 금속-함유 전구체를 또다른 금속-함유 전구체에 대한 산화제로 사용하여 산화 금속 나노층 박막을 증착시키는, 원자층 침작 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 질산화 하프늄-함유 전구체를 알루미늄-함유 전구체에 대한 산화제로 사용하여, 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막을 증착시키기 위한, 원자층 침작 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 질산화 하프늄 전구체를 알루미늄-함유 전구체에 대한 산화제로 사용하여, 반도체 애플리케이션에서 게이트 유전체 또는 커패시터 유전체로서 유용한 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막을 증착시키기 위한, 원자층 침작 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 애플리케이션에서 게이트 유전체 또는 커패시터 유전체로서 유용한 산화 하프늄 박막을 증착시키기 위하여 또 다른 하프늄-함유 전구체에 대한 산화제로서 하프늄 질산염 전구체를 사용하는 원자층 증착 공정을 제공하는 것이다.
본 발명은 임의의 ALD 공정에서 산화 금속 나노층 (nanolaminate) 을 증착시키기 위해, 질산화 금속-함유 전구체 (metal nitrate-containing precursor) 를 또 다른 금속 함유 전구체 (metal-containing precursor) 에 대한 산화제로 작용하도록 이용하는 방법을 개시한다. 본 발명의 금속은 1B 족 (Cu), 2B 족 (Zn), 3B 족 (Y), 4B 족 (Ti, Zr, Hf), 5B 족 (V, Nb, Ta), 6B 족 (Cr, Mo, W), 7B 족 (Mn) , 8B 족 (Co, Ni), 3A 족 (Al, Ga, In), 4A 족 (Ge, Sn), 또는 희토류 (rare earth group; La, Ce, Nd, Gd) 와 같은 여하한 금속 재료일 수 있다. 본 발명에서 나노층이라는 용어는 다른 재료의 박층 또는 동일한 금속의 박층을 포함하는 것으로 넓게 정의된다. 본 발명의 어떤 양태에서, 질산화 금속 함유 전구체로부터의 금속과, 금속-함유 전구체로부터의 금속은, 다른 금속이다. 따라서, 나노층 박막은 다른 재료를, 즉 질산화 금속-함유 전구체로부터의 산화 금속과 금속 함유 전구체로부터의 산화 금속으로 이루어진 다수의 박층을 포함한다. 본 발명의 어떤 양태에서, 질산화 금속-함유 전구체로부터의 금속과, 금속 함유 전구체로부터의 금속은, 동일한 금속이다. 따라서, 나노층 박막은 동일한 산화 금속 재료로 된 다수의 박층을 포함한다. 이러한 산화 금속의 박층들은 예를 들어, 증착 주기마다 하나의 박층을 증착하므로, 증착 시에만 구별이 가능하며, 예를 들어 증착을 완료한 후에는 하나의 박층을 다른 박층과 구별할 수 없어, 증착 후에는 구별이 불가능하다.
전형적인 질산화 금속은 M(NO3)x 의 화학식을 가지며, 여기서 M 은 금속 재료, 그리고 x 는 M 의 원자가이다. 예를 들어, M 이 원자가 4 인 하프늄 (hafnium) 이라면, 질산화 하프늄 화학식은 Hf(NO3)4 이다.
본 발명의 주요 목적은 공정 챔버에 도입되는 산소의 양을 제어하고 공정 흐름을 단순화하기 위해, 질산화 금속 함유 전구체를 산화제로 작용하도록 이용하는 것이다. 따라서, 질산화 금속 함유 전구체 내에 적어도 하나의 질산염 리간드를 함유하기만 하는 것도, 본 발명의 범위에 속한다. 전부는 아니나, 일부의 NO3 리간드는 본 방법의 효능에 영향을 미치지 않고 치환기 R 로 대체할 수 있다. 또한, 질산화 금속-함유 전구체에서 NO3 리간드의 감소에 의해, 공정 챔버에 도입되는 산소의 양을 제어하여 결과물인 나노층 박막의 특성을 조정하는 제어 메커니즘을 제공할 수 있다. 치환된 전구체는 휘발성, 및 열 안정성과 같은, 맞춤형 (tailored) 의 전구체의 성질을 제공할 수 있다.
치환기 R 은 수소 (hydrogen), 메틸 (CH3), 에틸(C2H5) 과 같은 탄화수소 (hydrocarbon), 산소 (oxygen), NO2, N2O5 와 같은 옥시니트레이트 (oxynitrate), 히드록실 (hydroxyl), 아로마틱 (aromatic), 아민 (amine), 알킬 (alkyl), 실릴 (silyl), 알콕사이드 (alkoxide), 디케톤 (diketone), 또는 이들의 혼합물과 같은 다수의 리간드일 수 있다.
제 2 금속-함유 전구체는 산소를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 산소-비함유 전구체의 선택은 산소의 양을 감소시키는 반면, 또다른 산소-함유 전구체의 선택은 더 많은 산소의 혼입을 유도한다. 금속-함유 전구체는, 다음 : 알킬화 금속 (metal alkyls), 할로겐화 금속 (metal halides), 디케톤화 금속 (metal diketonates), 알콕사이드 금속 (metal alkoxides), 수소화 금속 (metal hydrides), 실릴화 금속 (metal silyls), 아미드화 금속 (metal amides), 아세틸아세톤화 금속 (metal acetylacetonates), t-부톡사이드 금속 (metal t-butoxides), 에톡사이드 금속 (metal ethoxides) 및 혼합물 및 그 조합물 중 임의의 것일 수 있다.
제 1 전구체 / 퍼지 (purge) / 제 2 전구체 / 퍼지의 상기 ALD 증착 시퀀스는 원하는 두께에 도달할 때까지 반복할 수 있다. 최종 시퀀스는 제 1 전구체 / 퍼지 / 제 2 전구체 / 퍼지의 전체 시퀀스일 수도 있고, 또는 제 1 전구체 / 퍼지의 절반의 시퀀스 (half sequence) 일 수도 있다. 최종 시퀀스의 선택은 증착 막의 상부 표면을 다소 변경할 수 있다.
바람직한 실시형태에서는, 제 1 금속은 하프늄 또는 지르코늄 금속이다. 본 발명은 질산화 하프늄-함유 전구체를 금속-함유 전구체에 대한 산화제로 이용하는, 산화 하프늄 / 산화 금속 나노층의 원자층 (atomic layer) 증착 방법을 제공한다. 본 방법은 질산화 하프늄-함유 전구체를 제공하는 단계, 그 후 질산화 하프늄 전구체를 퍼징하는 단계, 그 후 금속-함유 전구체를 제공하는 단계, 및 그 후 금속-함유 전구체를 퍼징하는 단계를 포함한다. 전구체의 교번 도입 (alternating precursor introduction) 으로, 질산화 하프늄과 금속 함유 전구체 사이의 반응을 생성하여 산화 하프늄과 산화 금속의 나노층을 형성한다.
또다른 바람직한 실시형태에서는, 제 1 금속은 하프늄 또는 지르코늄 금속이며 제 2 금속은 알루미늄이다. 본 발명은 질산화 하프늄-함유 전구체를 알루미늄 함유 전구체에 대한 산화제로 이용하는, 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층의 원자층 증착 방법을 제공한다. 본 방법은 질산화 하프늄 함유 전구체를 제공하는 단계, 그 후 질산화 하프늄 전구체를 퍼징하는 단계, 그 후 알루미늄 함유 전구체를 제공하는 단계, 및 그 후 알루미늄 함유 전구체를 퍼징하는 단계를 포함한다. 전구체의 교번 도입으로, 질산화 하프늄과 알루미늄 전구체 사이의 반응을 생성하여, 산화 하프늄과 산화 알루미늄의 나노층을 형성한다.
반도체 애플리케이션 용의 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막 증착의 또다른 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 제 1 단계는, 질산화 하프늄 전구체에 노출시키기 전에 수소-종단 (hydrogen-terminated) 실리콘 표면을 제공하는 것이다. 질산화 하프늄 전구체와 수소-종단 실리콘 표면의 조합은, 배양 기간 (incubation period) 또는 얇은 산화 실리콘 계면 층을 필요로 하지 않고, 수소-종단 실리콘 표면 상에 직접 산화 하프늄의 증착을 유발할 수 있다. 그 후, 기판을 질산화 하프늄 펄스, 그 후 챔버 퍼지, 및 그 후 알루미늄-함유 전구체, 그 후 또다른 챔버 퍼지의 시퀀스에 노출된다. 시퀀스를 원하는 두께에 도달할 때까지 반복하고, 최종 단계는 알루미늄-함유 전구체 펄스 / 챔버 퍼지 또는 질산화 하프늄 펄스 / 챔버 퍼지 중 하나로 한다. 그 후, 제조 공정은 증착 후 어닐링과 게이트 전극 재료의 증착으로 진행한다.
수분 함량을 최소화하기 위해, 질산화 하프늄 전구체는 무수 (anhydrous) 질산화 하프늄일 수 있다. 알루미늄 함유 전구체는, 염화 알루미늄 또는 요오드화 알루미늄과 같은 할로겐화 알루미늄일 수 있다. 알루미늄 함유 전구체는 트리메틸 알루미늄 (trimethyl aluminium) 또는 트리에틸 알루미늄 (triethyl aluminium) 과 같은 유기 금속 전구체일 수 있다.
산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막의 증착은, 기판을 200 ℃ 이하로, 바람직하게는 150 ℃ 내지 200 ℃ 로, 특히 170 ℃ 로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시형태에서, 제 1 금속은 하프늄 금속이고 제 2 금속도 하프늄 금속이다. 본 발명은 또 다른 하프늄-함유 전구체를 위한 산화제로서 질산화 하프늄-함유 전구체를 사용하는 산화 하프늄 박막의 원자층 증착의 방법을 제공한다. 이 방법은 질산화 하프늄-함유 전구체를 제공하여, 그 후, 질산화 하프늄 전구체를 제거하고, 그 후, 하프늄-함유 전구체를 제공하여, 그후, 하프늄-함유 전구체를 제거하는 단계로 구성된다. 전구체의 교번 (alternating) 도입은 질산화 하프늄 과 하프늄 전구체 사이에의 반응을 생성하여 산화 하프늄을 형성한다.
반도체 애플리케이션을 위한 산화 하프늄 박막을 증착시키는 또 다른 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 제 1 단계는 수소-종단 실리콘 표면을 질산화 하프늄 전구체에 노출시키기 전에 수소-종단 실리콘 표면을 제공하는 것이다. 질산화 하프늄 전구체 및 수소-종단 실리콘 표면의 결합에 의해, 배양 기간(incubation period) 의 필요 또는 얇은 실리콘 2산화물층의 필요없이, 직접 수소-종단 실리콘 표면에 산화 하프늄의 증착이 개시될 수 있다. 그 후, 이 기판은 질산화 하프늄 펄스, 챔버 퍼지 (chamber purge), 하프늄 함유 전구체, 및 다른 챔버의 시퀀스에 노출된다. 이러한 일련의 시퀀스는 원하는 두께에 이를 때까지 반복되며, 마지박막 단계는 하프늄-함유 전구체 펄스/챔버 퍼지 또는 질산화 하프늄 펄스/챔버 퍼지중 하나이다. 그 후, 제조 공정은 증착 후 어닐링 (post deposition anneal) (선택적) 및 게이트 전극 (electrode) 재료의 증착을 진행한다.
질산화 하프늄 전구체는 수분함량 (water content) 을 최소화하기 위하여 무수 질산화 하프늄일 수 있다. 하프늄-함유 전구체는 플루오르화 하프늄, 염화 하프늄, 브롬화 하프늄, 또는 요오드화 하프늄과 같은 할로겐화 하프늄일 수 있다. 또한, 하프늄-함유 전구체는 터트-부톡사이드 (tert-butoxide) 하프늄, 옥시클로라이드 (oxychloride) 하프늄, 트리플레이트 (triflate) 하프늄, 디클로라이드 (dichloride) 비스:싸이클로펜타디엔닐 (bis:cyclopentadienyl) 하프늄 , 디하이드라이드 (dihydride) 비스:싸이클로펜타디엔닐 (bis:cyclopentadienyl) 하프늄, 디클로라이드 비스:에틸싸이클로펜타디엔닐 (bis:ethylcyclopentadienyl) 하프늄, 디클로라이드 비스:이소프로필싸이클로펜타디엔닐 (bis:isopropylcyclopentadienyl) 하프늄, 디클로라이드 비스:펜타메틸싸이클로펜타디엔닐 (bis:pentamethylcyclopentadienyl) 하프늄, 디클로라이드 비스:터트-부틸싸이클로펜타디엔닐 (bis:tert-butylcyclopentadienyl) 하프늄, 디메틸비스:싸이클로펜타디엔닐 (dimethylbis:cyclopentadienyl) 하프늄, 디클로라이드 디:싸이클로펜타디엔닐 (di:cyclopentadienyl) 하프늄, 테트라키스:1-메톡시-2-메틸-프록시 (tetrakis:1-methoxy-2-methyl-propoxy) 하프늄, 테트라키스:디에틸라미노 (tetrakis:diethylamino) 하프늄, 테트라키스:디메틸라미노 (tetrakis:dimethylamino) 하프늄, 테트라키스:에틸라미노 (tetrakis:ethylmethylamino) 하프늄일 수 있다.
챔버 퍼징 단계는 아르곤과 같은 비활성 기체, 또는 질소와 같은 비반응성 기체로 행할 수 있다.
발명의 상세한 설명
도 1 은 산화물 나노층 박막을 증착하는 단계들을 도시하는, 종래 기술 공정의 흐름도를 도시한다. 단계 10 에서, 공정 챔버 내에 기판을 제공한다. 기판 및 챔버를 산화물 계면 층의 성장과 같은 증착 공정에 맞게 조절한다 (단계 10a). 단계 11 내지 14 에서, 2-산화물 나노층 박막의 제 1 산화 금속을 제공한다. 단계 11 에서, 기판 상에의 전구체의 흡착을 위한, 염화 하프늄 (HfCl4) 과 같은 제 1 금속 전구체를 제공한다. 단계 12 는 질소와 같은 비반응성 기체를 이용하여 공정 챔버로부터 전구체를 제거하는 퍼지 단계를 제공한다. 단계 13 에서, 물, 알코올, 산소 또는 오존과 같은 제 1 산화제를 공정 챔버에 제공한다. 산화제는 흡착된 제 1 금속 전구체와 반응하여, 산화 하프늄과 같은 제 1 산화 금속을 형성한다. 단계 14 는 산화제 및 임의의 부산물을 제거하는, 질소를 이용한 퍼지 단계를 제공한다. 그 후, 단계 15 내지 18 에서 2-산화물 나노층 박막의 제 2 산화 금속을 제공한다. 단계 15 에서, 이전에 증착된 기판 표면 상으로의 전구체의 흡착 또는 반응을 위한, 염화 알루미늄 (AlCl3) 과 같은 제 2 금속 전구체를 제공한다. 단계 16 은 공정 챔버로부터 전구체를 제거하는 질소를 이용한 퍼지 단계를 제공한다. 단계 17 에서, 물, 알코올, 산소, 또는 오존 과 같은 제 2 산화제를 공정 챔버에 제공한다. 산화제는 흡착된 제 2 금속 전구체와 반응하여, 산화 알루미늄과 같은 제 2 산화 금속을 형성한다. 단계 18 은 산화제 및 임의의 부산물을 제거하는, 질소를 이용한 퍼지 단계를 제공한다. 단계 19 에서 원하는 두께에 도달할 때까지 단계 11 내지 18 을 반복하며, 그 후 막 고밀화와 같은 성질 향상을 위해 나노층 박막을 선택적인 어닐링 단계 20 를 처리한다.
도 2 는 본 발명의, 질산염-함유 전구체를 제 2 전구체에 대한 산화제로 사용하는, 산화물 나노층 박막 증착 단계들을 도시하는 흐름도이다. 단계 110 에서, 공정 챔버 내에 기판을 제공한다. 증착을 시작하기 전에 기판을 적합하게 처리한다. 증착이 일반적으로 저온, 통상적으로 1 토르의 압력에서 이루어지므로, 발생할 수 있는 오염 (contamination) 을 줄이기 위해, 챔버를 약 밀리토르 범위 내에서 바닥 압력 (base pressure) 으로 감압 (pumped down) 시켜야 한다. 기판 온도는 제 1 전구체의 흡착에 맞게 준비되어야 한다. 최적의 흡착을 위한 통상적인 온도는 150 내지 200 ℃ 이다. 챔버 벽 상에의 증착을 막기 위해, 챔버 벽의 설정은 기판 온도보다 훨씬 낮아야 한다. 또한, 전구체의 응축 (condensation) 을 막기 위해, 챔버 벽은 전구체 증기의 온도, 50 ℃ 내지 100 ℃ 와 거의 같은 온도일 필요가 있다. 질산화 하프늄 전구체에 대해 적합한 온도는 약 88 ℃ 이다. 챔버에 대한 특별한 설정은 없다. 이 공정은 원자층 증착 기술, 즉 전구체 펄스의 시퀀스를 이용하기 때문에, 챔버의 부피 내에 전구체의 포화와 전구체의 빠른 퍼지를 촉진하기 위해서, 챔버의 부피는 작은 것이 바람직하 다.
또한, 전구체가 준비되어야 한다. 증착 기술은, 공정 챔버에 순차적으로 (sequentially) 운반되는 전구체의 화학적 증기를 이용한다. 따라서, 적당한 증기 압력이 공정 챔버에 가해지게 하기 위해서, 전구체는 적합한 온도로 유지할 필요가 있다. 기체 전구체, 즉 실온에서 기체 상태에 있는 전구체에 대해서는, 실온이 적합하다. 액체 전구체, 즉 실온에서 액체 상태에 있는 전구체에 대해 전구체의 온도 설정은 액체 전구체의 평형 증기압에 의존한다. 알코올 및 아세톤과 같은, 고 휘발성의 액체 전구체는 높은 평형 증기압을 가지므로, 대략 실온에서 적합한 증기압을 유지하기 위해서는 낮은 온도 설정이 적절하다. 저 휘발성 액체 전구체에 대해서는, 높은 온도 설정이 필요하다. 온도가 높을수록 증기압이 높아지므로, 전구체의 운반이 쉬워진다. 그러나, 온도는, 열분해 등에 의해 전구체가 손상되는 최대 온도보다는 더 낮게 설정할 필요가 있다.
공정 챔버 및 기판의 준비 후에, 다음 단계 111 은 제 1 질산화 금속-함유 전구체의 도입이다. 이 전구체는 제 1 금속과 결합하는, 다수의 질산염 리간드 NO3 를 함유한다. 제 1 금속의 원자가에 따라, 질산염 리간드의 수는 1 질산염 리간드에서 금속의 원자가를 채우는 최대 숫자의 리간드까지 변할 수 있다. 예를 들어, 하프늄의 원자가는 4 이다. 따라서, 질산화 하프늄 함유 전구체는 1 에서 4 까지의 질산염 리간드를 함유할 수 있다. 본 발명의 기본 개념은 질산염 리간드를 산화제로 이용하는 것이므로, 단 하나의 질산염 리간드만이 필수적 (essential) 이다. 전구체 내의 실제 질산염 리간드의 수는 나노층 박막에 혼입되는 산소의 양을 최적화하는 제어 인자 (control factor) 로 이용할 수 있다.
기판 상에의 제 1 질산화 금속-함유 전구체의 흡착이 가능한 적합한 시간이 경과한 후에, 전구체를 공정 챔버로부터 퍼징한다. 흡착 특성은 자기-제한적이므로, 전구체는 기판 표면 상에서 2 이상의 단원자층 (monolayer) 을 흡착할 수 없고 통상적으로 단 하나의 부-단원자층 (sub-monolayer) 을 흡착할 수 있다. 이 단계를 위한 통상적인 시간은 수초 내지 수분이며, 챔버의 디자인, 챔버의 부피, 및 기판 형태의 복잡도에 의존한다. 샤워헤드 운반을 이용하는 챔버 디자인에서는, 전구체의 이동 거리가 짧고 모든 기판의 영역에 대해 거의 일정하므로, 기판 상에의 전구체의 완전 흡착 시간 공정이 짧다. 이와 대조적으로, 전구체가 한쪽 끝에서 공급되어 챔버의 다른 쪽 끝에서 소진되도록 디자인하면, 전구체의 소진 작용이 흡착 시간을 연장시킬 수 있다. 이와 유사하게, 챔버 용적이 작으면, 챔버 포화가 빠르기 때문에 더 짧은 흡착 시간을 제공할 수 있다. 또한, 기판의 형태는 흡착 시간에 영향을 미친다. 깊은 트렌치 (trenches) 를 갖는 구조에서, 전구체 소진 작용 및 전구체 공급 작용은 흡착 시간을 연장시킬 수 있다.
제 1 질산화 금속-함유 전구체를 기판 상에 흡착시킨 후, 제 2 전구체를 도입하기 위한 준비로서 단계 112 에서, 전구체를 턴 오프 (turned off) 하고, 공정 챔버로부터 퍼징한다. 이 퍼징은 공정 챔버에 존재하는 전구체를 배기하는 펌핑 단계에 의해 행할 수 있다. 펌핑 단계의 특징은 챔버의 압력을 감소시켜 모든 기체를 배기하는 것이다. 또한, 퍼징은, 모든 전구체를 공정 챔버에서 배출 하기 위해, 질소와 같은 비반응성 기체 또는 비활성 기체를 사용하는 대체 단계 (replacement step) 에 의해 이루어질 수도 있다. 대체 단계의 특성은 전구체를 턴 오프하고 퍼지 기체를 턴 온 (turn on) 한 상태에서, 챔버의 압력을 유지하는 것이다. 퍼징 단계에서 이 두 단계의 조합이 이용될 수도 있으며, 이는 펌핑 단계 후에 질소 또는 아르곤 대체 단계가 행해짐을 의미한다.
퍼징 시간이 길수록 전구체는 더 완전하게 제거되지만, 처리량이 감소한다. 경제적 이유로 가장 짧은 퍼징 시간이 요구되므로, 최적의 퍼징 시간은 전구체 잔여분의 압력이 전체 공정에 영향을 주지 않을 정도의 시간이며, 전구체를 완전히 제거할 필요는 없다.
챔버에 질산염 함유 전구체가 없어진 후, 단계 113 에서 제 2 금속 함유 전구체가 공정 챔버에 도입된다. 흡착된 재료, 제 1 산화 금속 또는 제 1 전구체로부터의 질산염 리간드 또는 둘 모두는, 제 2 전구체 내의 제 2 금속과 반응하여, 2 산화물 나노층 박막 구조 내에 제 1 산화 금속과 제 2 산화 금속을 형성한다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 통상적인 산화물 나노층 박막 공정은, 산화 금속을 형성하기 위해 물, 산소, 알코올 또는 오존과 같은 산화제를 이용하므로, 본 발명에서의 산화제-가능 (oxidizer-capable) 전구체 / 퍼지 / 전구체 / 퍼지의 단지 4 펄스 대신에, 전구체 / 퍼지 / 산화제 / 퍼지 / 전구체 / 퍼지 / 산화제 / 퍼지의 8 개의 별개 펄스가 필요하다.
나노층의 형성 후에, 단계 114 에서 제 2 전구체가 공정 챔버로부터 퍼지 된다. 또한, 퍼징 단계는 펌핑 단계, 또는 대체 단계, 또는 펌핑 단계와 대체 단계 조합 단계일 수 있다.
상술한 111, 112, 113 그리고 114 의 4 단계는, 단계 115 에서 원하는 두께에 도달할 때까지 반복될 수 있다. 그 후, 결과물인 나노층 박막은, 단계 116 에서, 막의 품질을 향상시키기 위해 400 ℃ 내지 1000 ℃ 와 같은 고온에서 어닐링될 수 있다.
도 3 은, 질산화 하프늄 전구체를 산화제로 사용하여 나노층 박막을 증착시키는 공정의 흐름도이다. 단계 120 에서, 공정 챔버 내에 기판을 제공한다. 기판 및 공정 챔버는 원자층 증착 공정에 적합하게 준비된다. 다음 단계 121 은, 4 질산염 리간드를 포함하는 질산화 하프늄 전구체, Hf(NO3)4, 의 도입이다. 질산화 하프늄 전구체가 기판 상에 흡착된 후에, 전구체는 턴 오프되며 그 후 단계 122 에서 공정 챔버로부터 퍼징된다. 적합한 조건 하에서, 질산화 하프늄은 산화 하프늄을 형성할 수 있다. 그 후, 단계 123 에서, 금속-함유 전구체가 공정 챔버로 도입된다. 금속-함유 전구체 내의 금속이, 흡착된 재료와 반응하면, 산화 하프늄 / 산화 금속 나노층 박막 구조를 형성한다.
금속-함유 전구체는, 질산화 하프늄과 반응시키기 위해 선택된다. 통상적인 금속-함유 전구체는, 염화 알루미늄 또는 요오드화 알루미늄과 같은 할로겐화 알루미늄이다. 다른 가능한 알루미늄 전구체로는, 트리메틸 알루미늄, 또는 트리에틸 알루미늄과 같은 유기 금속 전구체이다.
산화 하프늄 / 산화 금속 나노층의 형성 후에, 금속-함유 전구체는 단계 124 에서 공정 챔버로부터 퍼징된다. 단계 125 에서, 상술한 4 개의 단계 121, 122, 123 및 124 는 원하는 두께에 도달할 때까지 반복될 수 있다. 그 후, 단계 126 에서, 결과물인 산화 하프늄 / 산화 금속 나노층 박막은 400 ℃ 내지 1000 ℃ 사이와 같은, 더 높은 온도에서 어닐링되어 막의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 4 는, 질산화 하프늄 전구체 및 알루미늄 전구체를 사용하여, 반도체 공정에 사용하기 위하여 산화 하프늄 / 산화 금속 나노층 박막을 증착시키는 공정의 흐름도이다. 단계 130 은, 원자층 증착 공정 챔버 내에서, 반도체 기판 상에 수소-종단 실리콘 표면을 제공한다.
반도체 기판은, 높은 k 유전체 막에 대한 필요에 따른 모든 회로 제조 공정을 거친다. 높은 k 커패시터 유전체의 경우, 기판은 하부 전극 (bottom electrode) 이 제조된 상태로 준비된다. 높은 k 게이트 유전체의 경우, 기판은 게이트 유전체를 수용할 준비가 되어 있다. 금속 게이트 공정 (metal gate process) 이 사용된다면, 이 준비는 장치 절연 구조의 형성 및 게이트 패터닝 단계를 포함할 수도 있다. 그 후, 반도체 기판은 수소-종단 실리콘 표면을 갖도록 제작된다. 수소-종단 실리콘 표면은, 여러가지 표준 산업 반도체 클리닝 공정의 결과이다. 이러한 표준 클리닝 공정은 통상적으로, HF 용액에 실리콘 웨이퍼를 급속 침적 (quick immersion) 하여, 실리콘 표면에 존재하는 고유의 산화물을 제거하고 수소 종단된 실리콘 표면을 형성한다. 수소-종단 실리콘 표면은, 높은 k 유전체의 k 값을 낮출 수 있는, 미량의 원래 있던 산화 실리콘을 제거하는 데 필수적이다. 실험은, 질산화 하프늄 전구체와 수소-종단 실리콘 표면의 결합 이, 배양 기간 (incubation period) 이 필요없이 또는 얇은 산화 실리콘 계면 층이 필요없이, 직접 수소-종단 실리콘 표면 상에의 산화 하프늄 증착의 시작을 초래한다는 것을, 나타냈었다.
원자층 증착 공정에 적합하게 기판 및 챔버가 제작된 후에, 다음 단계 131 은 질산화 하프늄, Hf(NO3)4 의 도입이다. 질산화 하프늄 전구체가 기판 상에 흡수된 후, 전구체는 턴 오프되며, 그 후 단계 132 에서 공정 챔버로부터 퍼징된다. 그 후, 단계 133 에서, 알루미늄-함유 전구체가 공정 챔버에 도입된다. 알루미늄-함유 전구체 내의 알루미늄이, 흡수된 재료와 반응하면, 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막 구조를 생성한다. 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층의 형성 후에, 단계 134 에서 알루미늄-함유 전구체는 공정 챔버로부터 퍼징된다. 위의 4 개의 단계 131, 132, 133 및 134 는 원하는 두께에 도달할 때까지 단계 135 에서 반복될 수 있다. 그 후, 결과물인 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막은 단계 136 에서, 400 ℃ 내지 1000 ℃ 와 같은, 더 높은 온도에서 어닐링되어 막의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 5a - 5d 는, 반도체 게이트 유전체 응용을 위한 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층의 증착 공정에서의 단계를 도시한다. 도 5a 는, 게이트 유전체의 증착에 앞서, 부분적으로 처리된 집적 회로 (IC) 장치 구조를 도시한다. 도시된 구조는 어떠한 제조 방법으로도 형성될 수 있다. 도 5a 에 도시된 구조는 대체 게이트 공정 (replacement gate process) 에 대한 것으로, 실리콘 기판 (141), 게이트 스택 패턴 (gate stack pattern) 을 한정하는 필드 산화물 (142), 및 수소-종단 실리콘 표면 (140) 을 포함한다. 높은 k 게이트 유전체의 증착 전 최종 단계는, 실리콘 표면을 HF 에 노출시켜서 수소-종단 표면을 형성하는 것이다. HF 에의 노출은 액체 HF 탱크에의 침적 (immersion) 일 수도 있고, 또는 HF 증기에의 노출일 수도 있다. HF 는 원래 있던 모든 산화 실리콘을 에칭하고, 수소-종단 실리콘 표면을 남긴다.
도 5b 는, 질산화 하프늄 Hf(NO3)4 전구체의 펄스 후의 IC 장치 구조를 도시한다. 질산화 하프늄 펄스는, 배양 기간이 필요없이 또는 얇은 산화 실리콘 계면 층이 필요없이, 산화 하프늄을 직접 수소-종단 표면에 증착시키는 것을 시작한다. 이 도는 단지 산화 하프늄 층 (143) 의 개략적인 형태만을 도시한다. 실제적인 산화 하프늄 층은, 전체 표면에 걸쳐 연속적일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 또한 질산염 리간드는, 산화 하프늄 층 상에 존재할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
도 5c 는, 질산화 하프늄의 공정 챔버를 클리닝하기 위한 질소 퍼지 (nitrogen purge) 후, 및 염화 알루미늄 AlCl3 전구체의 펄스 후의 IC 장치 구조를 도시한다. 산화 알루미늄 층 (144) 은 염화 알루미늄 펄스 후에 형성된다. 염화 알루미늄 전구체의 목적은, 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막을 만드는 것이다.
도 5d 는, 또다른 질산화 하프늄의 펄스를 통하여 증착된 산화 하프늄의 또 다른 층 (143') 및 또다른 산화 알루미늄의 펄스를 통하여 증착된 산화 알루미늄의 또다른 층 (144') 후의 IC 장치 구조를 도시한다. 이 시퀀스는 나노층 박막이 원하는 두께에 도달할 때까지 반복된다. 그리고, 제조 공정에 이어, 증착 후 어닐링 (post deposition anneal) 및 게이트 금속과 같은 게이트 재료의 증착이 행해진다. 그 후, 이 공정에 이어 화학적 기계적 연마 (CMP; Chemical Mechanical Polishing) 단계가 행해져서 게이트 스택 구조를 패턴화한다.
산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막은, 도 5a - 5d 에서 설명된 공정에 따라 10 Hf(NO3)4/AlCl3 사이클로 증착된다. 증착 후 어닐링 조건은 질소에서 60 초 동안 850 ℃ 였다. 증착 후 어닐링 단계 뿐만 아니라 증착 후에도, 막은 시각적으로 균일했다. 분광기 엘립소메트리 (ellipsometry) 측정은 4 nm 의 어닐링 후 두께를 보여주며, 이는 0.4 nm/cycle 성장을 나타내는 것이다. 20 사이클 및 어닐링에 의해 증착된 또다른 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막은 약 15.2 nm 의 두께였으며, 이는 0.76 nm/cycle 성장에 상당한다. 이 증착 속도 범위는, Hf(NO3)4 또는 Al(CH3)3/H2O 증착에 대해 종래 보고된 것보다 약 3 내지 5 배 높다.
도 6 은, 본 발명의 방법을 이용하여 증착된, 4 nm 산화 하프늄 / 산화 알루미늄에 대한 커패시턴스 대 바이어스 전압 선도이다. 이 커패시터는 소량의 백금 (Pt) 을 섀도우 마스크를 통해 스퍼터링하여 형성되었다. 백금 금속 게이트의 일 함수 때문에, 문턱 전압은 쉬프트된다. Pt 일 함수를 고려하여, (-1.2 V 의 바이어스 전압에서) Cmax 로부터 2.6 nm 의 커패시티브 등가 두께 (CET; capacitive equivalent thickness) 를 감산한다. 이 CET 는 나노층 박막에 대한 유효 유전 상수가 약 5.9 임을 나타낸다. 이 유전 상수는 산화 실리콘의 유전 상수보다 약 50 % 높다. Hf(NO3)4/H2O 의 ALD 를 통하여 증착된, 유사한 물리적 두께의 산화 하프늄 막은 약 10 의 범위에서 유효 유전 상수를 갖는다. 산화 알루미늄의 벌크 유전 상수 (즉, 9) 는 산화 하프늄 벌크 유전 상수 (즉, 25) 보다 낮기 때문에, 산화 하프늄 / 산화 알루미늄 나노층 박막의 유전 상수는 더 낮을 것으로 예상된다. 도 6 에서 CV 곡선의 약간의 뒤틀림은 계면 트래핑 (interface trapping) 을 나타내며, 공정 최적화를 통해 제거될 수 있다. 바이어스 전압에 대해 순방향 151, 역방향 152 방향을 따라가는 거의 동일한 곡선에 의해 증명되는 바와 같이, CV 곡선은 낮은 이력현상 (hysteresis) 효과를 나타낸다. 이 낮은 이력현상은 나노층 박막의 고품질을 나타내며, 낮은 전하 트래핑을 암시한다.
도 7 은, 도 6 에서 도시된 동일한 4 nm 막에 대한 누설 전류 대 바이어스 전압의 선도를 도시한다. 누설 전류가, 유사한 CET 의 HfO2 보다 3 크기 차수 (orders of magnitude) 크다고 할지라도, 유사한 CET 의 산화 실리콘보다는 여전히 2 크기 차수 작다. 4 nm 막은, 약 5 V 에서 전압 브레이크다운을 나타낸다.
도 8 은, 질산화 하프늄 전구체를 산화제로 사용하여 산화 하프늄 박막을 증착시키는 공정의 흐름도이다. 이 단계 220 은 공정 챔버 내에 기판을 준비한다. 기판 및 공정 챔버는 원자층 증착 공정에 적합하게 제작된다. 다음 단계 221 은 질산화 하프늄 전구체, Hf(NO3)4, 의 도입이다. 질산화 하프늄 전구체가 기판 상에 흡착된 후에, 전구체는 턴 오프되며, 그 후 단계 222 에서 공정 챔버로부터 퍼징된다. 적합한 조건 하에서, 질산화 하프늄은 산화 하프늄을 형성할 수 있다. 그 후, 단계 223 에서, 하프늄-함유 전구체가 공정 챔버로 도입된다. 하프늄-함유 전구체 내의 하프늄이, 흡착된 재료와 반응하면, 산화 하프늄 박막을 형성한다.
하프늄-함유 전구체는, 질산화 하프늄과 반응시키기 위해 선택된다. 통상적인 하프늄-함유 전구체는, 플루오르화 하프늄, 염화 화프늄, 브롬화 하프늄, 요오드화 하프늄과 같은 할로겐화 하프늄이다. 또한, 하프늄-함유 전구체는 터트-부톡사이드 (tert-butoxide) 하프늄, 옥시클로라이드 (oxyxhloride) 하프늄, 트리플레이트 (triflate) 하프늄일 수 있다.
단계 224에서, 산화 하프늄의 형성 후에, 하프늄-함유 전구체는 공정 챔버로부터 퍼징된다. 단계 225에서, 상술한 4 개의 단계 221, 222, 223, 및 224는 원하는 두께에 도달할 때까지 반복될 수 있다. 그 후, 단계 226에서, 결과물인 산화 하프늄 박막은 400 ℃ 내지 1000 ℃ 사이와 같은, 더 높은 온도에서 어닐링되어 박막의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 9 는, 질산화 하프늄 전구체 및 하프늄 전구체를 사용하여, 반도체 공정에 사용하기 위하여 산화 하프늄 박막을 증착시키는 공정의 흐름도이다. 단계 230 은, 원자층 증착 공정 챔버 내에서, 반도체 기판 상에 수소-종단 실리콘 표면을 제공한다.
원자층 증착 공정에 적합하게 기판 및 챔버가 제작된 후에, 다음 단계 231 은 질산화 하프늄, Hf(NO3)4 의 도입이다. 질산화 하프늄 전구체가 기판 상에 흡착된 후, 전구체는 턴 오프되며, 그 후, 단계 232 에서 공정 챔버로부터 퍼징된다. 그 후, 단계 233 에서, 하프늄-함유 전구체가 공정 챔버에 도입된다. 하프늄-함유 전구체 내의 하프늄이, 흡수된 재료와 반응하면, 산화 하프늄 박막 구조를 생성한다. 산화 하프늄의 형성 후에, 단계 234에서 하프늄-함유 전구체는 공정 챔버로부터 퍼징된다. 단계 235에서, 위의 4 개의 단계 231, 232, 233 및 234 는 원하는 두께에 도달할 때까지 반복될 수 있다. 그 후, 단계 236에서, 결과물인 산화 하프늄 박막은 400 ℃ 내지 1000 ℃ 와 같은, 더 높은 온도에서 어닐링되어 박막의 품질이 향상될 수 있다.
도 5a - 5d 는 염화 알루미늄 (AlCl3) 전구체를 염화 하프늄 (HfCl4) 전구체로 대체함으로써, 반도체 게이트 유전체 애플리케이션을 위한 산화 하프늄 박막의 증착 공정에서의 단계를 도시하는데 사용할 수 있다.
염화 하프늄 전구체로 도면 5a-5d에서 설명된 공정후에 2개의 산화 하프늄 박막은 100 Hf(NO3)4/HfCl4 싸이클 및 6 Hf(NO3)4/HfCl 4 싸이클로 증착되었다. 어느 한 박막을 위한 증착 후 어닐링은 없었다. 산화 하프늄 박막은 170 ℃에서 약 10초의 펄스 길이로 증착되었다. 양 박막은 증착 단계 후에 시각적으로 균일하다. 또한, X-ray 반사성 측정은 부드럽고 균일한 증착된 박막을 지시하였다. 분광기 엘립소메트리 (ellipsometry) 측정은 100 Hf(NO3)4/HfCl4 싸이클을 갖는 산화 하프늄이 굴절율 n0=1.80, n1=181, 및 n2=-0.70, 파장 λ=632.8에서 n=1.84 를 갖는 투명박막으로 모델링될 수 있음을 나타내었다. 또한, 분광기 엘립소메트리 측정은 100 Hf(NO3)4/HfCl4 싸이클을 갖는 산화 하프늄이 평균 두께 72.3 nm (±0.2 nm) 을 가지며 0.7 nm/싸이클 의 성장을 나타내고, 6 Hf(NO3)4/HfCl4 싸이클은 평균 두께 5.4 nm (±0.07 nm) 을 가지며 0.9 nm/싸이클을 나타내는 것을 의미한다. 이 증착율 범위는 Hf(NO3)4/H2O 또는 HfCl 4/H2O 증착 중 어느 하나를 대해 이전에 보고된 것에 비해 대략 5내지 9배이다.
도 10 은 본 발명 방법을 사용하여 증착된 산화 하프늄 박막을 위한 증착 두께 대 증착 싸이클의 플롯이다. 데이타 포인트를 연결한 곧은 점선은 음값에서 시간축을 통과하여, Hf(NO3)4/HfCl4 싸이클로 증착된 산화 하프늄 박막이 거의 즉시 증착됨을 의미한다. 높은 증착율, 증착된 박막들의 높은 균일성과 함께, 두께 대 싸이클 수의 상기 플롯은 Hf(NO3)4/H2O ADL에 정형적인 "배양" 싸이클이 본 발명 Hf(NO3)4/HfCl4 ADL 증착 방법으로 부터 제거됨을 암시한다.
ALD 는 증착 기술의 순차적인 (sequential) 특징으로 인해, 나노층 박막을 증착하는데 적합한 방법이다. 산화 금속 나노층 증착을 위한 통상적인 ALD 방 법은, 제 1 금속 전구체 도입 (introducing), 그 후 제 1 산화 금속을 제공하기 위한 산화제의 도입, 그 후 제 2 금속 전구체의 도입, 및 그 후 제 2 산화 금속을 제공하기 위한 또다른 산화제 도입으로 된 (적절한 퍼징 단계 (purging steps) 를 갖는) 4 가지의 분리된 전구체 운반을 요구한다. 제 1 산화 금속 및 제 2 산화 금속은 함께 산화 금속 나노층 박막을 형성한다.
본 발명은, 제 1 질산화 금속-함유 전구체의 도입 및 그 후 제 2 금속-함유 전구체 도입의 (적절한 퍼징 단계를 갖는) 단지 2 개의 별개의 전구체 운반만을 요구하는, 산화 금속 나노층 증착을 위한 ALD 방법을 제공한다. 질산화 금속-함유 전구체는 제 2 금속에 대한 산화제로 작용하여, 나노층 박막의 산화 금속을 형성한다.
산화 단계를 제거함으로써, 본 발명은 증착 방법을 매우 단순화한다. 공정 시간 및 시스템 운반 복잡도는 거의 절반으로 삭감된다.
또한, 별개의 산화 단계의 제거에 의해 산화 금속 혼합물을 더 잘 제어할 수 있고, 따라서 나노층 박막의 품질이 향상된다. 종전 기술 공정의 여분의 산화 단계는, 특히 질산염 전구체와 관련하여 풍부한 산소 때문에, 산화 금속을 산소-풍부 (oxygen-rich) 하게 만든다.

Claims (20)

  1. 산화 하프늄 박막 형성을 위한 원자층 증착 공정에서, 질산화 하프늄-함유 전구체를 하프늄-함유 전구체에 대한 산화제로 사용하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    a. 질산화 하프늄-함유 전구체를 도입하는 단계;
    b. 상기 질산화 하프늄-함유 전구체를 퍼징하는 단계;
    c. 하프늄-함유 전구체를 도입하는 단계; 및
    d. 상기 하프늄-함유 전구체를 퍼징하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질산화 하프늄-함유 전구체의, 전체가 아닌 일부의 질산염 리간드가 치환기 R 로 대체되며, 상기 치환기 R 은 수소 (hydrogen) , 산소 (oxygen) , 산화질산염 (oxynitrates), 하이드록실 (hydroxyl), 방향족 (aromatic), 아민 (amine), 알킬 (alkyl), 실릴 (silyl), 알크옥사이드 (alkoxide), 디케톤 (diketone), 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하프늄-함유 전구체는 산소 비함유 전구체 (non oxygen containing precursor) 인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하프늄-함유 전구체는 알킬화 하프늄 (hafnium alkyls), 할로겐화 하프늄 (hafnium halides), 디케톤화 하프늄 (hafnium diketonates), 알크옥사이드 하프늄 (hafnium alkoxides), 수소화 하프늄 (hafnium hydrides), 실릴화 하프늄 (hafnium silyls), 아미드화 하프늄 (hafnium amides), 아세틸아세톤화 하프늄 (hafnium acetylacetonates), t-부톡사이드 하프늄 (hafnium t-butoxides), 에톡사이드 하프늄 (hafnium ethoxides) 및 그 혼합물 및 결합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    단계 a 전에 기판을 200 ℃ 미만으로 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼징 단계는 질소 또는 비활성 기체를 상기 챔버로 흘려보냄으로써 수행되는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼징 단계는 상기 챔버에서 모든 기체를 배출함으로써 수행되는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계들은 원하는 두께에 이를 때까지 반복되는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 원하는 두께에 이른 후에 증착 후 어닐링 (post deposition anneal) 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 반도체 기판 상에의 산화 하프늄 박막 형성을 위한 원자층 증착 공정에서, 질산화 하프늄 전구체를 하프늄-함유 전구체에 대한 산화제로 사용하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    a. 원자층 증착 챔버 내의 반도체 기판 상에 수소-종단 실리콘 표면을 제공하는 단계;
    b. 상기 챔버 내에 질산화 하프늄 전구체를 도입하는 단계;
    c. 상기 챔버를 퍼징하는 단계;
    d. 상기 챔버 내에 하프늄-함유 전구체를 도입하는 단계; 및
    e. 상기 챔버를 퍼징하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 질산화 하프늄 전구체는 무수 (anhydrous) 질산화 하프늄 전구체인 방 법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 하프늄-함유 전구체는 할로겐화 하프늄 전구체인 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 하프늄-함유 전구체는, 더트-부톡사이드 하프늄 (hafnium tert-butoxide), 옥시클로라이드 하프늄 (hafnium oxychloride), 트리플레이트 하프늄 (hafnium triflate) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 금속 전구체인 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    단계 a 후 단계 b 전에 상기 기판을 200 ℃ 미만으로 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버 퍼징 단계 (chamber purging step) 는 질소 또는 비활성 기체를 상기 챔버 내로 흘려보냄으로써 수행되는 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버 퍼징 단계는 상기 챔버에서 모든 기체를 배출함으로써 수행되는 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    최종 단계가 단계 b 또는 단계 c 가 되도록 하여, 원하는 두께에 도달할 때까지 단계 b 내지 e 를 반복하는 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    최종 단계가 단계 d 또는 단계 e 가 되도록 하여, 원하는 두께에 도달할 때까지 단계 b 내지 e 를 반복하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 원하는 두께에 도달한 후에 증착 후 어닐링 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 증착 후 어닐링 시간은 10 초 내지 5 분 이며, 증착 후 어닐링 온도는 400 ℃ 내지 1000 ℃인 방법.
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