KR100596495B1 - 금속 화합물의 증착 방법 및 이를 수행하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

금속 화합물 증착 방법 및 장치에 있어서, 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와, 상기 금속과 결합 가능한 물질과 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 공급하여 반도체 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한다. 이어서, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질(unwanted material)을 제거한다. 따라서 상기 원치 않는 물질에 의한 비저항 증가 및 하부막의 특성 열화를 방지할 수 있다.

Description

금속 화합물의 증착 방법 및 이를 수행하기 위한 장치 {Method of depositing a metal compound and apparatus for performing the same}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 가스 공급부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 5는 공정 온도와 소스 가스들의 공급 유량들에 따른 티타늄 질화막 증착율을 나타내는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 공정 압력과 소스 가스들의 공급 유량들에 따른 티타늄 질화막 증착율을 나타내는 그래프들이다.
도 8A, 8B 및 8C는 700℃의 온도와 5Torr의 압력에서 소스 가스들의 변화에 따른 티타늄 질화막의 증착 특성을 보여주는 전자 현미경 사진들이다.
도 9A, 9B 및 9C는 500℃의 온도와 2Torr의 압력에서 소스 가스들의 변화에 따른 티타늄 질화막의 증착 특성을 보여주는 전자 현미경 사진들이다.
도 10A 및 10B는 도 3에 도시된 금속 화합물 증착 방법 단계들의 반복 횟수에 따른 기판 상으로의 실질적인 가스 공급량들을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 12는 도 11에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 13은 도 12에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 12에 도시된 금속 화합물 증착 방법에서 기판 상으로의 실질적인 제1 소스 가스의 공급량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 종래의 SFD 공정의 사이클 반복 횟수에 따른 증착율을 나타내는 그래프이다.
도 16은 도 3에 도시된 금속 화합물 증착 방법의 사이클 반복 횟수에 따른 증착율을 나타내는 그래프이다.
도 17은 종래의 SFD 공정과 본 발명의 실시예들에 따른 TPD 공정을 각각 수행하는 경우 단위 시간당 단위 설비당 기판 처리량(unit per equipment hour; UPEH)을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 19는 도 18에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 20은 도 19에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 22는 도 21에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 23은 도 22에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 24는 본 발명의 제5 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 25는 도 24에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 26은 도 25에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 27은 본 발명의 제6 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 28은 도 27에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 29는 도 28에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 의해 형성된 티타늄 질화막을 포함하는 반도체 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반도체 기판 100 : 금속 화합물 증착 장치
102 : 공정 챔버 104 : 스테이지
106 : 샤워 헤드 110 : 진공 시스템
120 : 가스 공급부 130 : 제1 가스 공급부
140 : 제2 가스 공급부 150 : 제3 가스 공급부
160 : 제4 가스 공급부
170a, 170b, 170c, 170d, 170e : 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 배관
172a, 172b, 172c, 172d : 제1, 제2, 제3, 제4 분기 배관
174a, 174b, 174c, 174d : 제1, 제2, 제3, 제4 우회 배관
176a, 176b : 제1 , 제2 게이트 밸브
178a, 178b, 178c, 178d : 제1, 제2, 제3, 제4 유량제어 밸브
180a, 180b, 180c, 180d, 180e, 180f, 180g, 180h : 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8 연동 밸브
182a, 182b, 182c, 182d : 제1, 제2, 제3, 제4 질량 유량 제어기
190 : 밸브 제어부
본 발명은 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 티타늄 질화물과 같은 금속 화합물을 증착하기 위한 방법과 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치는 기판으로 사용되는 반도체 웨이퍼에 대한 일련의 단위 공정들을 순차적으로 반복 수행함으로써 제조될 수 있다. 예를 들면, 막 형성 공정은 상기 기판 상에 막을 형성하기 위해 수행되며, 산화 공정은 상기 기판 상에 산화막을 형성하기 위해 또는 상기 기판 상에 형성된 막을 산화시키기 위해 수행되고, 포토리소그래피(photolithography) 공정은 상기 기판 상에 형성된 막을 목적하는 패턴들로 형성하기 위해 수행되고, 평탄화 공정은 상기 기판 상에 형성된 막을 평탄화시키기 위해 수행된다.
상기 기판 상에는 다양한 막들이 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 물리 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 등을 통하여 형성된다. 예를 들면, 실리콘 산화막은 반도체 장치의 게이트 절연막, 층간 절연막, 유전막 등으로 사용되며, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 실리콘 질화막은 마스크 패턴, 게이트 스페이서 등으로 사용되며, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다.
또한, 반도체 기판 상에는 금속 배선, 전극, 콘택 플러그 등을 형성하기 위하여 다양한 금속막들이 형성될 수 있으며, 상기 금속막들은 CVD 공정, PVD 공정 또는 ALD 공정을 통해 형성될 수 있다.
특히, 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막은 커패시터의 전극들 또는 금속 배선과 단위 소자를 전기적으로 연결하기 위한 콘택 플러그 등으로 사용될 수 있으며, 또한 금속 확산을 방지하기 위하여 금속 장벽막으로 사용될 수도 있다. 상기 티타늄 질화막은 CVD 공정, PVD 공정 또는 ALD 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 티타늄 질화막의 형성 방법에 대한 예들은 일본 특허공개 평8-008212호, 미국 특허 제6,548,402호, 대한민국 특허 제0363088호 등에 개시되어 있다.
상기 티타늄 질화막은 약 680℃ 정도의 온도에서 TiCl4 가스와 NH3 가스의 반응에 의해 형성될 수 있다. 이때, 상기 티타늄 질화막에 잔류하는 염소의 함유량은 티타늄 질화막의 증착 온도를 상승시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 이와 반대로, 상기 티타늄 질화막의 단차 피복성(step coverage)은 증착 온도를 낮춤으로써 개선될 수 있다.
또한, 상기 티타늄 질화막 내의 염소 함유량을 낮추기 위하여 공정 온도를 상승시킬 경우, 반도체 기판 상에 기 형성된 하부막 또는 하부 패턴의 열적 스트레스를 상승시키는 문제점이 발생된다.
한편, 반도체 장치의 집적도가 향상됨에 따라 단위 셀이 차지하는 영역이 점차 축소되고 있으며, 이를 구현하기 위한 새로운 공정들이 다양하게 개발되고 있 다. 예를 들면, 유전막의 유전율과 관련하여, 셀 트랜지스터의 게이트 산화막 및 커패시터의 유전막을 고 유전율 물질로 형성하는 방법, 금속 배선과 관련한 기생 커패시턴스를 감소시키기 위하여 층간 절연막을 저 유전율 물질로 형성하는 방법 등이 활발하게 연구되고 있다.
상기 고 유전율 물질로 이루어지는 박막의 예로는 Y2O3막, HfO2막, ZrO2막, Nb2O5막, BaTiO3막 또는 SrTiO3막 등을 들 수 있다. 특히, 하프늄 산화물(HfO2) 또는 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함하는 유전막 상에 티타늄 질화막을 CVD 공정을 통해 형성하는 경우, 상기 티타늄 질화막을 형성하기 위한 소스 가스로 사용되는 TiCl4 가스와 상기 하프늄 산화물 또는 지르코늄 산화물이 반응하여 사염화 하프늄(HfCl4) 또는 사염화 지르코늄(ZrCl4)과 같은 반응 부산물들이 형성되며, 상기 반응 부산물들은 상기 유전막의 특성을 열화시키는 요인으로 작용한다. 구체적으로, 상기 반응 부산물들은 상기 유전막을 통한 누설 전류를 상승시킨다. 또한, 상기 반응 부산물들은 상기 유전막의 비저항을 상승시키며, 결과적으로 접촉 저항을 상승시키게 된다.
상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 방법이 적용될 수 있다. 상기 ALD 방식으로 티타늄 질화막을 형성할 경우, 600℃보다 낮은 공정온도에서 수행되므로 단차 피복성을 크게 개선할 수 있으며, 소스 가스들을 번갈아 공급함으로써 염소 함유량을 크게 감소시킬 수 있다. 그러나, ALD 방식을 적용할 경우, 일반적인 CVD 방식에 비하여 쓰루풋(throughput)이 크게 저하되는 단점이 있다.
상기 문제점들을 개선하기 위한 또 다른 예로서는 대한민국 특허공개 제2 004-0096402호에는 순차적 증착(sequential flow deposition; SFD) 방법이 개시되어 있다. 상기 SFD 방식은 TiCl4 가스와 NH3 가스를 공급하여 티타늄 질화막을 형성하는 단계, 제1 퍼지 단계, NH3 가스를 공급하여 상기 티타늄 질화막 내의 염소를 제거하는 단계 및 제2 퍼지 단계를 포함한다. 상기 SFD 방식은 ALD 방식에 비하여 쓰루풋을 다소 개선할 수는 있으나, 상기 CVD 방식에 비하여는 쓰루풋이 상대적으로 낮기 때문에, 새로운 공정 개발에 대한 요구가 여전히 남아있다.
본 발명의 목적은 하부막의 특성 열화를 방지할 수 있고 쓰루풋을 향상시킬 수 있으며, 낮은 비저항 및 향상된 단차 피복성을 포함하는 개선된 특성을 갖는 금속 화합물의 증착 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 바와 같은 금속 화합물의 증착 방법들을 수행하는데 적합한 금속 화합물 증착 장치들을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 본 발명의 제1 측면에 따르면, 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소 스 가스를 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질(unwanted material)을 제거한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 동안의 상기 제1 소스 가스의 공급 유량은 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안의 상기 제1 소스 가스의 공급 유량보다 작다. 또한, 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 동안의 상기 제2 소스 가스의 공급 유량은 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안의 제2 소스 가스의 공급 유량보다 현저하게 크다. 한편, 상기 복합막을 형성하는 동안 상기 기판의 온도는 약 400℃ 내지 600℃ 정도로 유지되는 것이 바람직하며, 상기 기판이 위치되는 공정 챔버의 내부 압력은 약 0.1Torr 내지 2.5Torr 정도로 유지되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따르면, 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 공정 챔버 내에 위치된 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 제2 소스 가스의 공급 유량을 증가시켜 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 증가된 공급 유량을 갖는 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 측면에 따르면, 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착한다.
이어서, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제3 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하고, 상기 제3 유량비와 다른 제4 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착하여 상기 금속 화합물들을 포함하는 복합 금속 화합물 막을 증착한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계와 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계는 목적하는 제1 두께의 제1 복합막을 얻기 위하여 순차적으로 반복 수행될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 복합막의 두께는 약 30Å 내지 100Å일 수 있다. 또한, 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 단계와 상기 제4 금속 화합물을 증착하는 단계는 목적하는 제2 두께의 제2 복합막을 얻기 위하여 순차적으로 반복 수행될 수 있다.
상기 제1 복합막과 제2 복합막은 커패시터의 전극들, 반도체 장치의 절연막과 금속 배선 사이에 위치되는 금속 장벽막, 반도체 장치의 하부 구조물과 상부 구조물을 전기적으로 연결하는 플러그 등으로 사용될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4 측면에 따르면, 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 공정 챔버 내에 위치된 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착한다.
이어서, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하고, 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 증착한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제5 측면에 따르면, 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 공정 챔버 내에 위치된 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제1 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거한다.
이어서, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 제2 금속 화합물을 증착하고, 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제6 측면에 따르면, 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 제1 유량 및 제2 유량으로 각각 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 작은 제3 유량 및 상기 제2 유량보다 큰 제4 유량으로 각각 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거한다.
이어서, 상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 큰 제5 유량 및 상기 제2 유량과 같거나 작은 제6 유량으로 각각 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하고, 상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 상기 제3 유량과 실질적으로 동일한 제7 유량 및 상기 제4 유량과 실질적으로 동일한 제8 유량으로 각각 공급하여 상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제7 측면에 따르면, 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 금속 화합물 증착을 위한 챔버 내부로 제1 유량 및 제2 유량으로 각각 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 제2 소스 가스를 상기 제2 유량보다 큰 제3 유량으로 공급하여 상기 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제3 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거한다.
이어서, 상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 큰 제4 유량 및 상기 제2 유량과 같거나 작은 제5 유량으로 각각 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착한다. 계속해서, 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제2 소스 가스를 상기 제3 유량과 실질적으로 동일한 제6 유량으로 공급하여 상기 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제6 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의한 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거한다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제8 측면에 따르면, 금속 화합물 증착 장치는 기판을 수용하며 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버와 상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 유량 조절 수단은 상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하며, 제2 유량 조절 수단은 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하기 위하여 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절한다.
또한, 상기 금속 화합물 증착 장치는 상기 공정 챔버의 상부에 배치되어 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 기판 상으로 균일하게 공급하기 위한 샤워 헤드를 더 포함할 수 있으며, 상기 가스 공급부는 상기 제1 소스 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부와 상기 제2 소스 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부를 포함할 수 있다.
상기 샤워 헤드는 제1 배관과 상기 제1배관으로부터 분기된 제1 분기 배관 및 제2 분기 배관에 의해 제1 가스 공급부와 연결되며, 제2 배관과 상기 제2배관으로부터 분기된 제3 분기 배관 및 제4 분기 배관에 의해 제2 가스 공급부와 연결될 수 있다.
상기 제1유량 조절 수단은 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 상기 제1 유량비로 조절하기 위하여 상기 제1 분기 배관 및 제2 분기 배관에 각각 설치된 제1 질량 유량 제어기와 제2 질량 유량 제어기를 포함하며, 상기 제2유량 조절 수단은 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 상기 제2 유량비로 조절하기 위하여 상기 제3 분기 배관 및 제4 분기 배관에 설치된 제3 질량 유량 제어기와 제3 질량 유량 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 유량 조절 수단은 상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하며, 제2 유량 조절 수단은 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 제2 소스 가스의 공급 유량을 증가시켜 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 증가된 공급 유량을 갖는 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 제1 유량 조절 수단은 상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하며, 제2 유량 조절 수단은 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절한다.
또한, 제3 유량 조절 수단은 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제3 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하며, 제4 유량 조절 수단은 상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제3 유량비와 다른 제4 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 유량 조절 수단은 상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하며, 제2 유량 조절 수단은 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량으로 상기 제2 소스 가스의 공급 유량으로 조절하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착시킨다.
또한, 제3 유량 조절 수단은 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어 지도록 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하며, 제4 유량 조절 수단은 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량으로 상기 제2 소스 가스의 공급 유량을 조절하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 증착시킨다.
상기 금속 화합물들 내에 잔류하는 원치 않는 물질은 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계 및 상기 제4 금속 화합물을 증착하는 단계에서 공급된 제2 소스 가스에 의해 충분히 제거될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 여러 측면들 및 실시예들에 따른 금속 화합물 증착 방법 및 장치에 의하면, 상기 원치 않는 물질이 충분히 제거될 수 있으므로 낮은 비저항을 갖는 금속 화합물을 증착할 수 있으며, 금속 화합물의 증착이 상대적으로 낮은 온도 및 압력에서 수행되므로 개선된 단차 피복성을 갖는 금속 화합물을 증착할 수 있을 뿐만 아니라 하부막 또는 하부 구조물에 대한 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 원치 않는 물질을 제거함과 동시에 상기 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 연속적으로 증착하며, 상기 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 연속적으로 증착함으로써 쓰루풋을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위 한 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 제1 가스 공급부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치(100)는 반도체 웨이퍼와 같은 기판(10) 상에 금속 화합물을 증착하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 상기 장치(100)는 기판(10) 상에 티타늄 질화막(titanium nitride layer)과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 사용될 수 있으며, 공정 챔버(102), 스테이지(104), 가스 공급부(120) 등을 포함할 수 있다.
상기 공정 챔버(102)는 기판(10) 상에 금속 화합물 막을 증착하는 공정을 수행하기 위하여 밀폐 공간을 제공하며, 상기 스테이지(104)는 상기 공정을 수행하는 동안 기판(10)을 지지하기 위하여 공정 챔버(102) 내에 배치된다. 또한, 상기 공정 챔버(102)는 반응 부산물, 잔여 가스들 및 퍼지 가스를 배출하기 위한 진공 시스템(110)과 연결되어 있다.
상기 가스 공급부(120)는 스테이지(104) 상에 지지된 기판(10) 상에 금속 화합물 막을 증착하기 위한 소스 가스들과, 상기 금속 화합물 막을 증착한 후 공정 챔버(102) 내부를 퍼지하기 위한 퍼지 가스를 공정 챔버(102) 내로 공급한다. 구체적으로, 공정 챔버(102)의 상부에는 상기 소스 가스들 및 퍼지 가스를 공정 챔버(102) 내로 균일하게 공급하기 위한 샤워 헤드(106)가 배치되며, 가스 공급부(120)는 샤워 헤드(106)와 연결되어 있다. 한편, 상기 퍼지 가스는 상기 공정 챔버(102) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절용 가스로도 사용될 수 있다.
상기 가스 공급부(120)는 상기 금속 화합물 막을 형성하기 위한 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급한다. 구체적으로, 상기 제1 소스 가스는 금속 및 할로겐 원소를 포함할 수 있으며, 상기 제2 소스 가스는 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 형성하기 위한 제1 소스 가스와 제2 소스 가스로는 TiCl4 가스 및 NH3 가스가 각각 사용될 수 있다.
상기 가스 공급부(120)는 상기 TiCl4 가스와 제1 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부(130)와, NH3 가스와 제2 캐리어 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부(140)와, 퍼지 가스를 공급하기 위한 제3 가스 공급부(150)를 포함하며, 다수의 배관들을 통해 샤워 헤드(106)와 연결되어 있다.
상기 제1 가스 공급부(130)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어 가스를 저장하기 위한 제1 저장 용기(132)와, 액상의 TiCl4를 수용하기 위한 밀폐 용기(134)와, 제1 저장 용기(132)로부터 상기 밀폐 용기(134) 내부로 연장하는 침지 배관(136)을 포함한다. 구체적으로, 상기 침지 배관(136)의 제1 단부는 제1 저장 용기(132)와 연결되어 있으며, 제2 단부는 상기 밀폐 용기(134)에 수용된 상기 액상의 TiCl4에 침지된다. 상기 제1 소스 가스는 침지 배관(136)을 통해 전달된 제1 캐리어 가스의 버블링(bubbling)에 의해 형성된다.
그러나, 상기 제1 가스 공급부(130)는 기화기(vaporizer)를 사용하여 구성될 수도 있다. 상기 기화기는 액상의 TiCl4를 직접 가열하여 기상의 TiCl4를 형성하거나, 액상의 TiCl4를 캐리어 가스를 이용하여 미스트 형태로 형성하고 상기 미스트 형태의 TiCl4를 가열하여 기상의 TiCl4를 형성할 수 있다.
상기 제2 가스 공급부(140)는 제2 캐리어 가스를 저장하기 위한 제2 저장 용기(142)와, NH3 가스를 제공하기 위한 NH3 탱크(144)를 포함하며, 상기 제3 가스 공급부(150)는 퍼지 가스를 제공하기 위한 제3 저장 용기를 포함한다.
상기 공정 챔버(102)의 상부에는 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 반도체 기판(10) 상으로 공급하기 위하여 상기 가스 공급부(120)와 연결되는 샤워 헤드(106)가 배치되어 있다.
상기 샤워 헤드(106)는 상기 제1 소스 가스를 반도체 기판(10) 상으로 균일하게 공급하기 위한 다수의 제1 노즐들과 상기 제2 소스 가스를 반도체 기판(10) 상으로 균일하게 공급하기 위한 다수의 제2 노즐들을 갖는다. 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스는 샤워 헤드(106) 내에서 혼합되지 않으며, 개별적으로 상기 샤워 헤드(106)를 통해 반도체 기판(10) 상으로 공급된다. 상기 스테이지(104) 상에 지지된 반도체 기판(10) 상에는 상기 제1 소스 가스로 사용되는 TiCl4 가스와 상기 제2 소스 가스로 사용되는 NH3 가스의 반응에 의해 티타늄 질화막이 증착될 수 있다.
상기 샤워 헤드(106)와 제1 가스 공급부(130)의 밀폐 용기(134)는 제1 배관 (170a)과, 상기 제1 배관(170a)으로부터 분기된 제1 분기 배관(172a) 및 제2 분기 배관(172b)에 의해 연결되어 있다. 샤워 헤드(106)와 제2 가스 공급부(140)의 NH3 탱크(144)는 제2 배관(170b)과, 상기 제2 배관(170b)으로부터 분기된 제3 분기 배관(172c) 및 제4 분기 배관(172d)에 의해 연결되어 있다. 제3 가스 공급부(150)는 제3 배관(170c)에 의해 제1 배관(170a)에 연결되어 있으며, 제2 가스 공급부(140)의 제2 저장 용기(142)는 제4 배관(170d)을 통해 제2 배관(170b)에 연결되어 있다. 상기 공정 챔버(102) 내부를 세정하기 위하여 세정 가스를 공급하는 제4 가스 공급부(160)는 제5 배관(170e)을 통해 제3 배관(170c)에 연결되어 있다.
도면에서는, 상기 퍼지 가스를 제3 배관(170c) 및 제1 관(170a)을 통해 샤워 헤드(106)로 공급하는 것을 도시하였지만, 다른 실시예에 의하면, 상기 제3 배관(170c)은 제2 배관(170b)에 연결될 수도 있다.
한편, 상기 제1 분기 배관(172a), 제2 분기 배관(172b), 제3 분기 배관(172c) 및 제4 분기 배관(172d)에는 각각 제1 우회(bypass) 배관(174a), 제2 우회 배관(174b), 제3 우회 배관(174c) 및 제4 우회 배관(174d)이 각각 연결되어 있다.
상기 제1 배관(170a) 및 제2 배관(170b)에는 제1 게이트 밸브(176a) 및 제2 게이트 밸브(176b)가 설치되어 있으며, 제3 배관(170c), 제4 배관(170d), 제5 배관(170e) 및 침지 배관(136)에는 제1 유량제어 밸브(178a), 제2 유량제어 밸브(178b), 제3 유량제어 밸브(178c) 및 제4 유량제어 밸브(178d)가 설치되어 있다. 또한, 상기 제1 분기 배관(172a), 제1 우회 배관(174a), 제2 분기 배관(172b), 제2 우회 배관(174b), 제3 분기 배관(172c), 제3 우회 배관(174c), 제4 분기 배관(172d) 및 제4 우회 배관(174d)에는 각각 제1 연동 밸브(180a), 제2 연동 밸브(180b), 제3 연동 밸브(180c), 제4 연동 밸브(180d), 제5 연동 밸브(180e), 제6 연동 밸브(180f), 제7 연동 밸브(180g) 및 제8 연동 밸브(180h)가 설치되어 있다.
상기 제1 분기 배관(172a)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제1 유량으로 조절하기 위한 제1 질량 유량 제어기(182a)가 설치되며, 상기 제3 분기 배관(172c)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제2 유량으로 조절하기 위한 제2 질량 유량 제어기(182b)가 설치된다. 또한, 상기 제2 분기 배관(172b)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제3 유량으로 조절하기 위한 제3 질량 유량 제어기(182c)가 설치되며, 상기 제4 분기 배관(172d)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제4 유량으로 조절하기 위한 제4 질량 유량 제어기(182d)가 설치된다.
한편, 실질적으로 상기 제1 질량 유량 제어기(182a) 및 제3 질량 유량 제어기(182c)에 의해 제어되는 제1 유량 및 제3 유량은 제1 소스 가스와 제1 캐리어 가스의 혼합 가스의 유량들이며, 상기 제1 질량 유량 제어기(182a) 및 제3 질량 유량 제어기(182c)를 각각 통과하는 상기 혼합 가스들에서 상기 제1 소스 가스와 제1 캐리어 가스 사이의 비는 약 1:1 정도로 각각 추정될 수 있다.
상기 우회 배관들(174a, 174b, 174c, 174d)은 상기 소스 가스들의 유동 특성을 층류로 형성하기 위하여 설치된다. 예를 들면, 상기 우회 배관들(174a, 174b, 174c, 174d)은 상기 반도체 기판(10) 상에 금속 화합물 막을 증착하기 전, 상기 분기 배관들(172a, 172b, 172c, 172d) 내에서 소스 가스들의 흐름을 층류로 형성하기 위하여 개방된다.
구체적으로, 상기 반도체 기판(10) 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상에 공급하는 동안, 상기 제1 연동 밸브(180a) 및 제5 연동 밸브(180e)가 개방되고 상기 제2 연동 밸브(180b) 및 제6 연동 밸브(180f)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제3 유량 및 제4 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제3 연동 밸브(180c) 및 제7 연동 밸브(180g)가 닫히고 제4 연동 밸브(180d) 및 제8 연동 밸브(180h)가 개방된다.
이와 반대로, 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제3 유량 및 제4 유량으로 공정 챔버(10) 내부로 공급하는 동안, 상기 제3 연동 밸브(180c) 및 제7 연동 밸브(180g)가 개방되고 상기 제4 연동 밸브(180d) 및 제8 연동 밸브(180h)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(180a) 및 제5 연동 밸브(180e)가 닫히고 제2 연동 밸브(180b) 및 제6 연동 밸브(180f)가 개방된다. 이에 따라, 상기 제1 금속 화합물 상에는 제2 금속 화합물이 연속적으로 증착됨과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물로부터 염소와 같은 원치 않는 물질이 제거될 수 있다. 구체적으로, 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물 내의 염소 성분은 제4 유량으로 공급되는 제2 소스 가스와 반응하여 염화 수소(HCl)의 형태로 제거될 수 있다.
상기와 같은 제1연동 밸브(180a), 제2연동 밸브(180b , 제3연동 밸브(180c), 제4연동 밸브(180d), 제5연동 밸브(180e), 제6연동 밸브(180f), 제7연동 밸브(180g) 및 제8연동 밸브(180h)의 동작은 밸브 제어부(190)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 상기 밸브 제어부(190)는 상기 제1게이트 밸브(170a) 및 제2게이트 밸브(170b)와 제1유량제어 밸브(178a), 제2유량제어 밸브(178b), 제3유량제어 밸브(178c) 및 제4유량제어 밸브(178d)의 동작을 제어할 수 있다.
상기 제1 캐리어 가스, 제2 캐리어 가스 및 퍼지 가스로는 아르곤(Ar) 가스 또는 질소(N2) 가스가 사용될 수도 있다. 도시된 바에 의하면, 상기 가스 공급부(120)는 제1 캐리어 가스를 저장하기 위한 제1 저장 용기(132)와, 제2 캐리어 가스를 저장하기 위한 제2 저장 용기(142)와, 퍼지 가스를 저장하기 위한 제3 가스 공급부(150)를 채용하고 있으나, 하나의 저장 용기를 사용하여 제1 캐리어 가스, 제2 캐리어 가스 및 퍼지 가스를 공급할 수도 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 상기 침지 배관(136)에는 제1 저장 용기(132)로부터 전달되는 제1 캐리어 가스를 가열하기 위한 제1 히터(도시 안됨)가 설치될 수 있다. 상기 제1 히터는 TiCl4의 기화 효율을 향상시키기 위하여 설치되며, 상기 제1 캐리어 가스를 TiCl4 가스의 응축 온도보다 높은 온도로 가열한다. 예를 들면, 상기 제1 히터는 상기 제1 캐리어 가스를 약 100℃ 내지 180℃ 정도의 온도로 가열할 수 있다. 특히, 상기 제1 캐리어 가스를 약 150℃ 정도의 온도로 가열할 수 있다. 또한, 제1 소스 가스의 응축을 방지하기 위하여 제1 배관(170a), 제1 분기 배관(172a) 및 제2 분기 배관(172b)에는 각각 히팅 재킷(도시 안됨)이 설치될 수 있다.
또한, 상기 액상의 TiCl4의 기화 효율을 향상시키기 위하여 상기 밀폐 용기(134)를 가열하는 제2 히터(184)가 상기 밀폐 용기(134)와 연결되어 있다. 구체적으로, 상기 제2 히터(184)는 전기 저항 열선을 포함할 수 있으며, 상기 밀폐 용기(134)를 감싸도록 배치될 수 있다.
상기 스테이지(104)의 내부에는 기판(10)을 상기 공정 온도로 가열하기 위한 스테이지 히터(108)가 구비되어 있다. 상기 스테이지 히터(108)는 전기 저항 열선을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 스테이지 히터(108)로 다수의 램프들이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 다수의 할로겐 램프들과, 상기 할로겐 램프들로부터 발생된 광이 스테이지(104)로 조사되도록 상기 할로겐 램프들을 수용하는 램프 하우징과, 상기 할로겐 램프들과 상기 스테이지(104) 사이에 배치되어 상기 광을 투과시키는 투명창을 포함하는 램프 조립체가 사용될 수 있다.
한편, 공정 챔버(102)의 측벽에는 반도체 기판(10)의 반출입을 위한 게이트 도어(186)가 설치되어 있고, 상기 금속 화합물 막을 증착하는 동안 발생된 반응 부산물과, 잔여 가스 등은 공정 챔버(102)와 연결된 진공 시스템(110)에 의해 공정 챔버(102)로부터 제거될 수 있다. 상기 진공 시스템(110)은 진공 펌프(112), 진공 배관(114) 및 차단 밸브(116, isolation valve)를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 도 3에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 가스들의 공급 시간들을 나타내는 타이밍도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 제1 금속 화합물을 증착한다. (단계 S100) 구체적으로, 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와, 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공정 챔버(102) 내에 위치된 반도체 기판(10) 상으로 공급하여 상기 제1 금속 화합물을 증착한다. 상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다.
상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스의 유량들은 제1 질량 유량 제어기(180a) 및 제2 질량 유량 제어기(182b)에 의해 기 설정된 제1 유량비를 갖도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 소스 가스의 제1 유량 및 상기 제2 소스 가스의 제2 유량 사이의 비는 약 1:0.5 내지 1:10 정도로 설정될 수 있다. 특히, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스는 약 1:1 정도의 유량비로 공급될 수 있다. 달리 표현하면, 상기 제1 소스 가스의 제1 유량 및 상기 제2 소스 가스의 제2 유량 사이의 비는 약 0.1:1 내지 2:1 정도로 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스는 각각 약 30sccm 정도로 공급될 수 있다.
한편, 상기 제2 유량에 대한 제1 유량의 비가 0.1보다 작은 경우 제1 금속 화합물이 정상적으로 증착되지 않을 수 있으며, 상기 제2 유량에 대한 제1 유량의 비가 2를 초과할 경우, 기판(10) 상에 연속적인 제1 금속 화합물 막을 형성할 수는 있으나 상기 제1 소스 가스의 사용 효율이 저하되는 단점이 있다.
이어서, 상기 반도체 기판(10) 상으로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질(unwanted material)을 제거한다. (단계 S110)
구체적으로, 상기 제1 소스 가스를 상기 제1 유량보다 작은 제3 유량으로 공급하고, 상기 제2 소스 가스를 상기 제2 유량보다 큰 제4 유량으로 공급한다. 이때, 상기 제1 소스 가스의 제3 유량 및 상기 제2 소스 가스의 제4 유량은 제3 질량 유량 제어기(182c) 및 제4 질량 유량 제어기(182d)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 유량 및 제4 유량 사이의 제2 유량비는 상기 원치 않는 물질을 충분히 제거하기 위하여 약 1:100 내지 1:1000 정도로 설정되는 것이 바람직하다. 달리 표현하면, 상기 제3 유량 및 제4 유량 사이의 제2 유량비는 0.001:1 내지 0.01:1 정도일 수 있다. 또한, 상기 제2 유량 및 상기 제4 유량 사이의 제3 유량비는 약 1:10 내지 1:100 정도로 설정될 수 있다. 달리 표현하면, 상기 제2 유량 및 제4 유량 사이의 제3 유량비는 약 0.01:1 내지 0.1:1 정도로 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 금속 화합물을 형성하는 동안 상기 제1 소스 가스는 약 2sccm 정도로 공급될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스는 약 1000sccm 정도로 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 금속 화합물은 상기 제1 금속 화합물을 형성하는 동안 상기 공정 챔버(102)로 공급된 후 상기 공정 챔버(102) 내에서 잔류하는 제1 소스 가스의 일 부분과 상기 제3 유량으로 공급된 제1 소스 가스 및 상기 제4 유량으로 공급된 제2 소스 가스에 의해 형성되며, 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물에 함유된 염소 성분은 상대적으로 큰 유량으로 공급되는 제2 소스 가스에 의해 제거된다.
계속해서, 상기 S100 단계 및 S110 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 반도체 기판 상에 목적하는 두께를 갖는 금속 화합물 막을 형성한다. (단계 S120)
한편, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계는 제1 시간(t1) 동안 수행될 수 있으며, 제2 금속 화합물 증착하는 단계는 제2 시간(t2) 동안 수행될 수 있다. 상기 각각의 단계들은 수 내지 수십 초 동안 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물은 각각 6초 동안 증착될 수 있다.
상기와 같이 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물로부터 염소 성분을 충분히 제거할 수 있으므로, 상기 S100 단계 및 S110 단계는 상대적으로 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 금속 화합물 막의 단차 피복성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 화합물 막의 증착은 약 400℃ 내지 600℃의 온도와 약 0.1Torr 내지 2.5Torr의 압력에서 수행될 수 있다.
공정 온도와 소스 가스들의 공급 유량들에 따른 티타늄 질화막 증착율
공정 온도와 소스 가스들의 유량들에 따른 티타늄 질화물의 증착율을 평가하기 위하여 약 550℃ 및 700℃의 공정 온도에서 소스 가스들의 유량들의 변화에 따른 티타늄 질화막의 증착율들을 각각 측정하였다. 구체적으로, 반도체 기판(10)을 약 550℃의 공정 온도로 가열하여 일정하게 유지시키는 상태에서 NH3 가스를 60sccm으로 공급하고 TiCl4 가스의 공급 유량 변화에 따른 티타늄 질화막들의 증착율을 측정하였으며, 반도체 기판을 700℃의 공정 온도로 가열하여 일정하게 유지시키는 상태에서 NH3 가스를 60sccm으로 공급하고 TiCl4 가스의 유량 변화에 따른 티타늄 질화막들의 증착율을 측정하였고, 실험 결과는 도 5의 그래프에 나타내었다. 한편, 공정 챔버(102) 내부의 압력은 약 5Torr에서 유지되었다.
도 5를 참조하면, 700℃의 공정 온도에서, 티타늄 질화막의 증착율은 NH3 가스에 대한 TiCl4 가스의 유량비가 약 0.5 보다 큰 범위에서 포화(saturation)되었으며, NH3 가스에 대한 TiCl4 가스의 유량비가 0.5 이하의 범위에서 급격한 피크값을 갖는 것으로 측정되었다. 이와 대조적으로, 550℃의 공정 온도에서, 티타늄 질화막의 증착율은 NH3 가스에 대한 TiCl4 가스의 유량비가 약 0.17 이상의 범위에서 큰 변화가 없음을 알 수 있었다.
도시된 바에 의하면, 700℃의 공정 온도에서, 상기 TiCl4 가스의 공급 유량이 약 30sccm보다 큰 경우 티타늄 질화막의 증착율이 약 6.1Å/sec에서 일정하게 유지되었으며, 상기 TiCl4 가스의 공급 유량이 약 14sccm인 경우 약 10.6Å/sec의 증착율이 측정되었다. 이와 대조적으로, 550℃의 공정 온도에서, 상기 TiCl4 가스의 공급 유량이 약 30sccm 이상인 경우, 티타늄 질화막의 증착율이 약 3.8Å 정도로 일정하게 측정되었으며, 상기 TiCl4 가스의 공급 유량이 30sccm보다 작은 경우에도 큰 변화는 측정되지 않았다.
상기와 같은 결과로부터 약 700℃ 정도의 공정 온도에서, 0.5 이하의 NH3 가스에 대한 TiCl4 가스의 유량비로 티타늄 질화막 증착 공정을 수행하는 것이 바람직하지 않음을 알 수 있다. 즉, 상기 유량비가 0.5 이상인 경우, 티타늄 질화막은 소스 가스들의 표면 반응에 의하여 증착된다. 그러나 상기 유량비가 0.5 이하인 경우, 기판 상에 형성되는 티타늄 질화막 증착은 소스 가스들의 표면 반응보다는 물질 전달에 의한 영향이 크기 때문에 단차 피복성 측면에서 매우 불리하다. 상기 물질 전달은 공정 챔버(102) 내부로 유입된 제1 소스 가스와 제2 소스 가스가 기판(10)의 상부에서 반응한 후, 상기 반응에 의해 형성된 고상의 티타늄 질화물 입자가 기판(10) 상에 불균일하게 흡착되는 현상을 의미하고, 상기 표면 반응은 제1 소스 가스와 제2 소스 가스가 기판(10)의 표면 부위에서 반응하여 기판(10) 상에 균일한 두께를 갖는 연속적인 막을 형성하는 것을 의미한다.
즉, 티타늄 질화막의 증착 공정이 소스 가스들의 표면 반응보다는 물질 전달에 의해 더 큰 영향을 받는 경우, 도시된 바와 같이 상기 티타늄 질화막의 단차 피복성은 매우 열악해질 수 있다. 이와 반대로, 티타늄 질화막의 증착 공정이 소스 가스들의 표면 반응에 의해 이루어지는 경우, 상기 티타늄 질화막의 단차 피복성은 크게 향상될 수 있다.
도시된 바와 같이, 약 550℃ 정도의 공정 온도를 유지시킬 경우, NH3 가스에 대한 TiCl4 가스의 유량비 마진을 보다 넓게 확보할 수 있다. 즉, 상기 유량비가 약 0.5 이상에서 티타늄 질화막의 증착율이 매우 일정하게 나타나며, 약 0.17에서 0.5 사이에서 티타늄 질화막의 증착율이 다소 증가함을 알 수 있다. 이는 상대적으로 낮은 유량비에서 물질 전달 현상이 발생되기 때문이다. 그러나 증착율이 포화된 값과 피크값 사이의 차이가 약 0.9Å/sec 정도로 작기 때문에 상기 700℃에서의 티타늄 질화막 증착에 비하여 적용 가능한 유량비의 범위가 상대적으로 넓다. 이는 상기 약 0.17 내지 0.5 사이의 유량비 범위에서 티타늄 질화막의 증착 공정이 물질 전달보다는 소스 가스들의 표면 반응에 의존한다는 것을 의미하며, 또한 단차 피복성 측면에서 매우 유리하다는 것을 의미한다.
결과적으로, 상기와 같은 실험 결과로부터 티타늄 질화막 증착 공정에 상대적으로 낮은 공정 온도를 적용할 경우, 티타늄 질화막의 단차 피복성을 향상시킬 수 있으며, NH3 가스에 대한 TiCl4 가스의 유량비 마진을 넓게 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 상기 티타늄 질화막 하부의 반도체 구조물에 대한 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다.
공정 압력과 소스 가스들의 공급 유량들에 따른 티타늄 질화막 증착율
공정 압력과 소스 가스들의 유량들에 따른 티타늄 질화물의 증착율을 평가하기 위하여 약 2Torr 및 3Torr의 공정 챔버(102) 압력에서 소스 가스들의 유량들의 변화에 따른 티타늄 질화막의 증착율들을 각각 측정하였다. 구체적으로, 2Torr의 공정 압력에서 NH3 가스를 60sccm으로 공급하고 TiCl4 가스의 유량 변화에 따른 티타늄 질화막들의 증착율을 측정하였으며, 3Torr의 공정 온도에서 NH3 가스를 60sccm으로 공급하고 TiCl4 가스의 유량 변화에 따른 티타늄 질화막들의 증착율을 측정하였고, 실험 결과는 도 6의 그래프에 나타내었다. 한편, 공정 온도는 약 500℃에서 유지하였다.
또한, 공정 온도를 약 700℃로 유지시킨 상태에서 공정 챔버(102)의 압력을 각각 2Torr 및 5Torr로 다르게 적용한 경우 티타늄 질화막들의 증착율을 측정하였으며, 실험 결과는 도 7의 그래프에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 2Torr 및 3Torr 각각의 공정 압력에서, 약 1:1 정도의 소스 가스들의 유량비에서 티타늄 질화막의 증착율이 각각 포화되고 있으나, 3Torr의 압력에서 증착 공정을 수행한 경우가 2Torr의 압력에서 증착 공정을 수행한 경우보다 증착율이 더 빠르게 측정되었다. 이는 공정 압력이 낮을수록 티타늄 질화막의 단차 피복성이 개선될 수 있음을 의미한다.
도 7을 참조하면, 압력 변화에 따른 그래프 변화는 도 5에 도시된 온도 변화에 따른 그래프 변화와 매우 유사함을 알 수 있다. 구체적으로, 공정 챔버(102) 압력을 2Torr로 설정한 경우, 매우 넓은 유량 범위에서 소스 가스들의 표면 반응에 의한 증착 특성이 관찰되었으며, 이는 5Torr의 압력과 550℃의 공정 온도를 적용한 경우의 그래프 형태와 매우 유사하다. 이는 하부막 또는 하부 구조물에 대한 열적 스트레스를 고려할 필요가 없는 경우, 공정 온도와 공정 압력 중에서 하나만을 제 어함으로써 목적하는 단차 피복성을 구현할 수 있다는 것을 의미한다.
도 8A, 8B 및 8C는 700℃의 온도와 5Torr의 압력에서 소스 가스들의 변화에 따른 티타늄 질화막의 증착 특성을 보여주는 전자 현미경 사진들이며, 도 9A, 9B 및 9C는 500℃의 온도와 2Torr의 압력에서 소스 가스들의 변화에 따른 티타늄 질화막의 증착 특성을 보여주는 전자 현미경 사진들이다.
도 8A, 8B 및 8C를 참조하면, 700℃의 온도와 5Torr의 압력에서 NH3 가스를 60sccm의 유량으로 공급하고 TiCl4 가스의 유량을 각각 10sccm(도 8A), 30sccm(도 8B) 및 60sccm(도 8C)으로 각각 공급하여 실린더형 커패시터의 하부 전극 상에 티타늄 질화막의 증착 공정을 수행하였다. 도시된 바와 같이, TiCl4 가스를 10sccm의 유량으로 공급한 경우, 티타늄 질화막의 증착이 물질 전달에 크게 의존하므로 티타늄 질화막은 매우 불연속적으로 형성되었음을 알 수 있으며, TiCl4 가스를 30sccm의 유량으로 공급한 경우, 티타늄 질화막의 연속성은 다소 향상되었으나 여전히 불연속적인 프로파일을 보여주고 있다. 이와 대조적으로, TiCl4 가스의 유량을 NH3 가스의 유량과 동일한 60sccm의 유량으로 공급한 경우, 매우 연속적인 티타늄 질화막이 형성되었음을 알 수 있다.
도 9A, 9B 및 9C를 참조하면, 500℃의 온도와 2Torr의 압력에서 NH3 가스를 60sccm의 유량으로 공급하고 TiCl4 가스의 유량을 각각 10sccm(도 9A), 30sccm(도 9B) 및 60sccm(도 9C)으로 각각 공급하여 실린더형 커패시터의 하부 전극 상에 티 타늄 질화막의 증착 공정을 수행하였다. 도시된 바와 같이, 각각의 실험에서 티타늄 질화막은 모두 매우 연속적인 프로파일을 보여주었다. 이는 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 티타늄 질화막의 단차 피복성이 크게 향상된다는 것을 알 수 있다.
상기와 같은 실험들에서 티타늄 질화막은 상대적으로 낮은 온도 및 낮은 압력에서 수행되는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있으며, 상기와 같이 낮은 온도 및 낮은 압력에서 금속 화합물 증착 공정을 수행함으로써 단차 피복성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 하부막에 대한 열적 스트레스를 크게 감소시킬 수 있다. 특히, 상기와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 화합물 증착 방법을 통해 형성된 티타늄 질화막이 커패시터의 상부 전극, 게이트 구조물의 금속 장벽막 등으로 사용될 경우, 하부막을 통한 누설 전류를 크게 억제할 수 있다.
도 10A 및 10B는 도 3에 도시된 금속 화합물 증착 방법 단계들의 반복 횟수에 따른 기판 상으로의 실질적인 가스 공급량들을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 10A 및 10B를 참조하면, 공정 사이클을 2회 반복 수행하는 경우(A)보다 4회 반복하는 경우(B)가 상대적으로 더 많은 제1 소스 가스가 공급됨을 알 수 있다. 이는 S100 단계에서 공급된 제1 소스 가스가 S110 단계를 수행하는 동안에도 일부 공정 챔버(102) 내에 잔류하기 때문이다. 즉, 기 설정된 공정 시간 내에서 공정 사이클 반복 횟수를 증가시킬수록 제1 소스 가스의 공급량은 증가된다. 따라서 기 설정된 공정 시간 내에서 공정 사이클의 반복 횟수를 조절함으로써 상기 금속 화합물의 증착율(deposition rate)을 조절할 수 있으며, 상기 금속 화합물 증착 장치(100)의 쓰루풋을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 공정 사이클의 반복 횟수를 조절 함으로써 상기 금속 화합물 막의 비저항을 조절할 수 있다. 구체적으로, 공정 사이클의 반복 횟수가 증가할수록 상기 금속 화합물 막 내에 잔류하는 할로겐 원소를 제거하는 횟수가 증가되므로, 상기 금속 화합물 막의 비저항이 감소될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 11에 도시된 금속 화합물 증착 장치(200)는 반도체 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 사용될 수 있으며, 공정 챔버(202), 스테이지(204), 진공 시스템(210), 가스 공급부(220) 등을 포함할 수 있다.
상기 스테이지(204)는 공정 챔버(202) 내에서 반도체 기판(10)을 지지하기 위하여 사용되며, 상기 진공 시스템(210)은 공정 챔버(202) 내부의 압력을 설정된 공정 압력으로 유지시키기 위하여 사용된다.
상기 가스 공급부(220)는 상기 기판(10) 상에 금속 화합물 막을 형성하기 위하여 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 공정 챔버(202) 내부로 공급하기 위하여 상기 공정 챔버(202) 상부에 배치된 샤워 헤드(206)와 연결된다. 상기 샤워 헤드(206)는 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 스테이지(204) 상의 기판(10)으로 각각 공급하기 위한 다수의 제1 노즐들과 다수의 제2 노즐들을 갖는다.
상기 가스 공급부(220)는 상기 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 티타늄 및 염소를 포함하는 제1 소스 가스와 질소 및 수소를 포함하는 제2 소스 가스를 상기 기판(10) 상으로 공급한다. 상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 한편, 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스는 각각 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스에 의해 공정 챔버(202)로 운반되며, 상기 가스 공급부(220)는 상기 공정 챔버(202)를 퍼지하기 위한 퍼지 가스와 상기 공정 챔버(202) 내부를 세정하기 위한 세정 가스를 추가적으로 공급한다. 여기서, 상기 퍼지 가스는 상기 공정 챔버(202) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절용 가스로 사용될 수도 있다.
상기 가스 공급부(220)는 상기 TiCl4 가스와 제1 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부(230)와, NH3 가스와 제2 캐리어 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부(240)와, 퍼지 가스를 공급하기 위한 제3 가스 공급부(250)와, 상기 세정 가스를 공급하기 위한 제4 가스 공급부(260)를 포함하며, 다수의 배관들을 통해 샤워 헤드(206)와 연결되어 있다.
상기 제1 가스 공급부(230)는 제1 캐리어 가스를 저장하기 위한 제1 저장 용기(232)와, 액상의 TiCl4를 수용하기 위한 밀폐 용기(234)와, 제1 저장 용기(232)로부터 상기 밀폐 용기(234) 내부로 연장하는 침지 배관(236)을 포함한다. 상기 제1 소스 가스는 침지 배관(236)을 통해 전달된 제1 캐리어 가스의 버블링(bubbling)에 의해 형성될 수 있다. 그러나 상기 제1 가스 공급부(130)는 기화기(vaporizer)를 사용하여 구성될 수도 있다. 상기 제2 가스 공급부(240)는 제2 캐리어 가스를 저장하기 위한 제2 저장 용기(242)와, NH3 가스를 제공하기 위한 NH3 탱크(244)를 포함 한다.
상기 샤워 헤드(206)와 제1 가스 공급부(230)의 밀폐 용기(234)는 제1 배관(270a)에 의해 연결되어 있다. 상기 샤워 헤드(206)와 제2 가스 공급부(240)의 NH3 탱크(244)는 제2 배관(270b)과, 상기 제2 배관(270b)으로부터 분기된 제1 분기 배관(272a) 및 제2 분기 배관(272b)에 의해 연결되어 있다. 제3 가스 공급부(250)는 제3 배관(270c)에 의해 제1 배관(270a)에 연결되어 있으며, 제2 가스 공급부(240)의 제2 저장 용기(242)는 제4 배관(270d)을 통해 제2 배관(270b)에 연결되어 있다. 상기 공정 챔버(102) 내부를 세정하기 위하여 세정 가스를 공급하는 제4 가스 공급부(260)는 제5 배관(270e)을 통해 제3 배관(270c)에 연결되어 있다.
한편, 상기 제1 배관(270a), 제1 분기 배관(272a) 및 제2 분기 배관(272b)에는 각각 제1 우회 배관(274a), 제2 우회 배관(274b) 및 제3 우회 배관(274c)이 각각 연결되어 있다.
상기 제1 배관(270a) 및 제2 배관(270b)에는 제1 게이트 밸브(276a) 및 제2 게이트 밸브(276b)가 설치되어 있으며, 제3 배관(270c), 제4 배관(270d), 제5 배관(270e) 및 침지 배관(236)에는 제1 유량제어 밸브(278a), 제2 유량제어 밸브(278b), 제3 유량제어 밸브(278c) 및 제4 유량제어 밸브(278d)가 설치되어 있다. 또한, 상기 제1 배관(270a), 제1 우회 배관(274a), 제1 분기 배관(272a), 제2 우회 배관(274b), 제2 분기 배관(272b) 및 제3 우회 배관(274c)에는 각각 제1 연동 밸브(280a), 제2 연동 밸브(280b), 제3 연동 밸브(280c), 제4 연동 밸브(280d), 제5 연 동 밸브(280e) 및 제6 연동 밸브(280f)가 설치되어 있다.
상기 제1 배관(270a)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제1 유량으로 조절하기 위한 제1 질량 유량 제어기(282a)가 설치되며, 상기 제1 분기 배관(272a)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제2 유량으로 조절하기 위한 제2 질량 유량 제어기(282b)가 설치된다. 또한, 상기 제2 분기 배관(272b)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제3 유량으로 조절하기 위한 제3 질량 유량 제어기(282c)가 설치된다.
상기 반도체 기판(10) 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 반도체 기판 상에 공급하는 동안, 상기 제1 연동 밸브(280a) 및 제3 연동 밸브(280c)가 개방되고 상기 제2 연동 밸브(280b) 및 제4 연동 밸브(280d)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제2 소스 가스를 제3 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제5 연동 밸브(280e)가 닫히고 제6 연동 밸브(280f)가 개방된다.
상기 제1 금속 화합물을 형성한 후, 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 소스 가스를 제3 유량으로 공급하는 동안, 상기 제5 연동 밸브(280e)가 개방되고 상기 제6 연동 밸브(280f)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(280a) 및 제3 연동 밸브(280c)가 닫히고 제2 연동 밸브(280b) 및 제4 연동 밸브(280d)가 개방된다. 이에 따라, 상기 제1 금속 화합물을 형성하는 동안 상기 공정 챔버(202) 내부로 공급되어 상기 공정 챔버(202) 내에서 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제3 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의해 상기 제1 금속 화합물 상에는 제2 금속 화합물이 연속적으로 증착됨과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물로부터 염소와 같은 원치 않는 물질이 제거될 수 있다.
상기와 같은 연동 밸브들(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f), 게이트 밸브들(276a, 276b) 및 유량제어 밸브들(278a, 278b, 278c, 278d)의 동작은 밸브 제어부(290)에 의해 제어될 수 있다.
상기 스테이지(204)는 상기 반도체 기판(10)의 온도를 공정 온도로 가열하기 위한 히터(208)를 내장하며, 공정 챔버(202)의 측벽에는 반도체 기판(10)의 반출입을 위한 게이트 도어(286)가 설치되어 있다. 상기 금속 화합물 막을 증착하는 동안 발생된 반응 부산물과, 잔여 가스 등은 공정 챔버(202)와 연결된 진공 시스템(210)에 의해 공정 챔버(202)로부터 제거될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치의 구성 요소들은 도 1 및 도 2를 참조하여 기 설명된 바와 유사하므로 이들에 대한 추가적인 상세 설명은 생략한다.
도 12는 도 11에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 13은 도 12에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이며, 도 14는 도 12에 도시된 금속 화합물 증착 방법에서 기판 상으로의 실질적인 제1 소스 가스의 공급량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 실리콘웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와, 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 제1 유량비로 공급하여 제1 금속 화합물을 상기 기판(10) 상에 형성한다. (단계 S200)
상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스의 제1 유량 및 제2 유량은 각각 제1 질량 유량 제어기(282a) 및 제2 질량 유량 제어기(282b)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 TiCl4 가스의 제1 유량과 상기 NH3 가스의 제2 유량 사이의 제1 유량비는 1:0.5 내지 1:10 정도로 제어될 수 있다. 특히, 상기 제1 금속 화합물의 증착 공정이 상기 소스 가스들의 표면 반응에 의해 이루어지도록 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스 사이의 제1 유량비는 1:1로 제어될 수 있다.
이어서, 상기 제1 소스 가스의 공급을 중단시키고 상기 제1 금속 화합물 상으로 공급되는 제2 소스 가스의 공급 유량을 증가시켜 상기 공정 챔버(102) 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 증가된 공급 유량을 갖는 제2 소스 가스를 이용하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 연속적으로 형성함과 동시에 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 할로겐 원소, 즉 염소를 제거한다. (단계 S210)
상기 제2 금속 화합물을 증착하고 상기 염소를 제거하기 위한 상기 제2 소스 가스의 제3 유량은 제3 질량 유량 제어기(282c)에 의해 제어될 수 있으며, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 공급되는 제2 소스 가스의 제2 유량보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제2 유량과 제3 유량 사이의 제2 유량비는 1:10 내지 1:100 정도인 것이 바람직하다.
계속해서, 상기 S200 단계 및 S210 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 반도체 기판(10) 상에 목적하는 두께를 갖는 금속 화합물 막을 형성한다. (단계 S220)
한편, S200 단계에서, 상기 제1 소스 가스는 제1 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제1 시간(t1) 동안 공급되며, 상기 제2 소스 가스는 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제1 시간(t1) 동안 공급된다. S210 단계에서, 상기 제1 소스 가스의 공급은 차단되며, 상기 제2 소스 가스는 제3 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제2 시간(t2) 동안 공급된다. 상기 S200 단계를 수행하는 동안 공정 챔버(102) 내로 공급된 제1 소스 가스는 S210 단계에서 제1 소스 가스의 공급이 중단된 후에도 소정 시간 동안 공정 챔버(102) 내에 잔류하며, 제3 유량으로 공급되는 제2 소스 가스와 반응하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 연속적으로 증착한다.
예를 들면, 상기 S200 단계를 수행하는 동안 상기 TiCl4 가스와 NH3 가스는 각각 약 60sccm으로 공급될 수 있으며, S210 단계를 수행하는 동안 상기 NH3 가스는 약 1000sccm으로 공급될 수 있다.
특히, 상기 S210 단계에서, 상기 제1 소스 가스는 제1 연동 밸브(280a)의 닫힘에 의해 중단될 수 있다. 그러나 도 14에 도시된 바와 같이, 실질적으로 기판(10)의 측면에서 보면, 상기 S200 단계에서 이미 공정 챔버(202) 내부로 공급되어 공정 챔버(202) 내에 잔류하는 제1 소스 가스가 S210 단계에서도 계속적으로 기판(10) 상으로 공급되고 있음을 알 수 있다. 즉, 기판(10)의 측면에서 제1 소스 가스는 제1 유량으로부터 점차 감소되며, 이어서 완전히 기판(10) 상으로의 공급이 중단된다. 이는, 상기 S210 단계를 수행하는 제2 시간(t2)이 제1 소스 가스의 완전 배기에 소요되는 시간보다 짧은 경우, 기판(10) 상으로의 제1 소스 가스의 공급량은 제1 유량으로부터 점차 감소되며, 상기 S210 단계를 수행하는 제2 시간(t2)이 충분히 긴 경우, 기판(10) 상으로의 제1 소스 가스의 공급량은 제1 유량으로부터 점차 감소된 후, 완전히 중단된다는 것을 의미한다.
한편, 상기 S200 단계와 S210 단계를 수행하는 동안 상기 반도체 기판(10)의 온도는 약 400℃ 내지 600℃에서 유지될 수 있으며, 공정 챔버(202)의 내부 압력은 약 0.1Torr 내지 2.5Torr 정도에서 유지될 수 있다. 특히, 반도체 기판(10)의 온도는 약 500℃에서 유지될 수 있으며, 공정 챔버(202)의 내부 압력은 약 2Torr 정도에서 유지될 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 금속 화합물 증착 방법을 이용하여 기판 상에 티타늄 질화막을 형성하는 공정을 TPD(TiCl4 pulsed deposition) 공정으로 명명할 수 있다. 상기 TPD 공정을 적용하여 반도체 기판(10) 상에 형성된 티타늄 질화막은 종래의 SFD 공정을 적용하여 형성된 티타늄 질화막에 비하여 개선된 전기적 특성을 갖는다.
SFD에 의한 티타늄 질화막과 TPD에 의한 티타늄 질화막의 특성 비교
반도체 기판 상에 SFD 방법을 적용하여 티타늄 질화막을 형성하였다. 구체적으로, TiCl4 가스와 NH3 가스를 각각 60sccm으로 6초 동안 공급하여 티타늄 질화막을 형성하고, 질소 가스를 3초 동안 공급하여 공정 챔버를 퍼지하였다. 이어서, NH3 가스를 1000sccm으로 6초 동안 공급하여 티타늄 질화막 내의 염소를 제거하고, 질소 가스를 3초 동안 공급하여 공정 챔버를 퍼지하였다. 계속해서, 상기와 같은 SFD 공정 사이클을 24회 반복하여 수행하였다. 여기서, 반도체 기판의 온도는 약 500℃에서 유지되었으며, 공정 챔버의 내부 압력은 약 3Torr에서 유지되었다.
또한, 반도체 기판(10) 상에 TPD 방법을 적용하여 티타늄 질화막을 형성하였다. 구체적으로, TiCl4 가스와 NH3 가스를 각각 60sccm으로 6초 동안 공급하여 제1 티타늄 질화막을 형성하였다. 이어서, TiCl4 가스의 공급을 중단하고, NH3 가스를 1000sccm으로 6초 동안 공급하여, 공정 챔버(202) 내에 잔류하는 TiCl4 가스와 NH3 가스의 반응을 이용하여 상기 제1 티타늄 질화막 상에 제2 티타늄 질화막을 연속적으로 형성함과 동시에 제1 티타늄 질화막과 제2 티타늄 질화막에 포함된 염소를 제거하였다. 계속해서 상기와 같은 TPD 공정 사이클을 24회 반복하였다. 여기서, 반 도체 기판(10)의 온도는 약 500℃에서 유지되었으며, 공정 챔버의 내부 압력은 약 2Torr에서 유지되었다.
상기 SFD 공정을 적용하여 형성된 티타늄 질화막의 비저항은 329μΩcm로 측정되었으며, 상기 TPD 공정을 적용하여 형성된 티타늄 질화막의 비저항은 283μΩcm로 측정되었다. 또한, 상기 SFD 공정을 적용하여 형성된 티타늄 질화막의 두께 균일도는 12.1%로 산출되었으며, 상기 TPD 공정을 적용하여 형성된 티타늄 질화막의 두께 균일도는 6%로 산출되었다. 상기와 같은 결과로부터, 본 발명의 실시예들에 따른 TPD 공정을 적용하여 형성된 티타늄 질화막은 종래의 SFD 공정을 적용하여 형성된 티타늄 질화막에 비하여 낮은 비저항과 개선된 두께 균일도를 갖는 것이 입증되었다. 또한, 종래의 SFD 공정에 비하여 공정 수행 시간이 크게 단축되므로, 금속 화합물 증착 장치의 쓰루풋을 크게 향상시킬 수 있다.
도 15는 종래의 SFD 공정의 사이클 반복 횟수에 따른 증착율을 나타내는 그래프이며, 도 16은 도 3에 도시된 금속 화합물 증착 방법의 사이클 반복 횟수에 따른 증착율을 나타내는 그래프이다. 도 17은 종래의 SFD 공정과 본 발명의 실시예들에 따른 TPD 공정을 각각 수행하는 경우 단위 시간당 단위 설비당 기판 처리량(unit per equipment hour; UPEH)을 나타내는 그래프이다.
종래의 SFD 공정에 따라서, TiCl4 가스와 NH3 가스를 각각 60sccm으로 제1 시간 동안 공급하여 반도체 기판 상에 티타늄 질화막을 형성하고, 질소 가스를 1000sccm으로 제2 시간 동안 공급하여 공정 챔버 내부를 퍼지하였다. 이어서, NH3 가스를 1000sccm으로 제3 시간 동안 공급하여 상기 티타늄 질화막에 포함된 염소를 제거하고, 질소 가스를 1000sccm으로 제4 시간 동안 공급하여 공정 챔버를 퍼지하였다. 이어서, 상기 단계들을 반복적으로 수행하여 약 150Å 정도의 목표 두께를 갖는 티타늄 질화막을 형성하였다. 또한, 상기 단계들의 반복 횟수를 변화시키면서 상기 목표 두께를 갖는 티타늄 질화막들을 형성하고, 상기 반복 횟수에 따른 티타늄 질화막들의 증착율을 도 15의 그래프에 나타내었다. 여기서, 반도체 기판의 온도는 약 500℃에서 유지되었으며, 공정 챔버의 내부 압력은 약 3Torr에서 유지되었다. 또한, 상기 제1 시간, 제2 시간, 제3 시간 및 제4 시간은 각각 6초, 3초, 6초 및 3초로 하였다.
도 15를 참조하면, 상기 SFD 공정에서 공정 사이클 반복 횟수는 티타늄 질화막의 증착율에 거의 변화를 주지 않는다. 이는 제1 시간 동안 공급된 제1 소스 가스와 제2 소스 가스가 제2 시간 동안 공급되는 질소 가스에 의해 공정 챔버로부터 충분히 제거되기 때문이다. 즉, 기 설정된 전체 공정 시간 내에서 공정 사이클 반복 횟수를 증가시켜도, 공정 챔버 내에서 티타늄 질화막의 증착에 기여하는 제1 소스 가스의 총량은 변화되지 않는다. 따라서 공정 사이클 반복 횟수를 증가시키는 경우에도 티타늄 질화막의 증착율은 거의 일정하게 유지된다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 TPD 공정에 따라서, 반도체 기판(10) 상으로 제1 시간 동안 TiCl4 가스와 NH3 가스를 각각 60sccm으로 공급하여 제1 티타늄 질화막을 형성하고, TiCl4 가스와 NH3 가스를 2sccm 및 1000sccm으로 제2 시간 동안 각각 공급하여 제1 티타늄 질화막 상에 제2 티타늄 질화막을 형성함과 동시에 제1 티타늄 질화막과 제2 티타늄 질화막에 포함된 염소를 제거하였다. 이어서, 상기 단계들을 반복적으로 수행하여 약 150Å 정도의 목표 두께를 갖는 티타늄 질화막을 형성하였다. 또한, 상기 단계들의 반복 횟수를 변화시키면서 상기 목표 두께를 갖는 티타늄 질화막들을 형성하고, 상기 반복 횟수에 따른 티타늄 질화막들의 증착율을 도 16의 그래프에 나타내었다. 여기서, 반도체 기판(10)의 온도는 약 500℃에서 유지되었으며, 공정 챔버(102)의 내부 압력은 약 2Torr에서 유지되었다. 또한, 상기 제1 시간 및 제2 시간은 각각 6초로 하였다.
또한, 상기 제2 시간 동안 공급되는 TiCl4 가스의 유량을 3.5sccm 및 5sccm으로 변화시키면서 각각 티타늄 질화막들을 형성하였으며, 증착율을 도 16의 그래프에 나타낸다.
도 16을 참조하면, 상기 제2 시간 동안 TiCl4 가스를 2sccm(a), 3.5sccm(b) 및 5sccm(c)으로 공급하는 경우, 기 설정된 전체 공정 시간 내에서 사이클 반복 횟수를 증가시킴에 따라 티타늄 질화막의 증착율이 점차 증가하는 것을 알 수 있다.
상기와 같은 결과는, 제1 티타늄 질화막은 제1 시간 동안 공급된 TiCl4 가스와 NH3 가스의 표면 반응에 의해 증착되며, 제2 티타늄 질화막은 상기 제1 시간 동안 공정 챔버(102) 내부로 공급되어 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 시간 동안 상대적으로 작은 유량으로 공급된 TiCl4 가스 및 상대적으로 큰 유량으로 공급된 NH3 가스 사이의 표면 반응과 물질 전달에 의해 상기 제1 티타늄 질화막 상에 제2 티타늄 질화막이 연속적으로 증착되기 때문이다.
상기와 같이 제2 티타늄 질화막을 형성하는 동안 소스 가스들의 유량비 변화에 기인하여 발생되는 소스 가스들의 물질 전달에 의한 영향이 있음에도 불구하고, 상기 티타늄 질화막의 단차 피복성은 열화되지 않는다. 이는 상기 제2 시간 동안 공급되는 TiCl4 가스의 유량이 NH3 가스의 유량에 비하여 매우 작고 상기 제1 티타늄 질화막과 제2 티타늄 질화막이 번갈아 반복적으로 증착되기 때문이다. 또한, 공정 온도와 공정 압력을 상대적으로 낮게 유지함으로써 상기 소스 가스들의 물질 전달이 억제되기 때문이다.
따라서 티타늄 질화막의 단차 피복성을 저해하지 않는 범위 내에서 상기 제2 시간 동안 TiCl4 가스를 공급할 경우, 티타늄 질화막의 증착율을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 공정 온도와 공정 압력에 상관없이 상기 제2 시간 동안 공급되는 TiCl4 가스와 NH3 가스의 유량비만을 조절함으로써 티타늄 질화막의 단차 피복성을 저해하지 않는 범위에서 상기 티타늄 질화막의 증착율을 상승시킬 수도 있다. 구체적으로, 상기 TiCl4 가스와 NH3 가스의 유량비를 약 1:100 내지 1000 정도로 조절함으로써 물질 전달에 의한 증착율이 표면 반응에 의한 증착율과 실질적으로 동일한 정도로 조절할 수 있다.
도 15를 참조하면, 기 설정된 전체 공정 시간 내에서 SFD 공정의 사이클 반복 횟수를 증가시킬 경우, 티타늄 질화막의 증착율은 거의 일정하게 유지되므로 종래의 티타늄 질화막 증착 장치의 쓰루풋은 일정하게 유지된다. 그러나 도 17을 참조하면, 티타늄 질화막의 비저항을 크게 감소시키기 위하여 NH3 공급 시간을 증가시킬 경우, 단위 시간당 단위 설비당 기판 처리량(UPEH)이 크게 감소된다. 즉, 상기 종래의 티타늄 질화막 증착 장치의 쓰루풋이 크게 감소된다.
이와는 다르게, 도 16에 도시된 바와 같이 기 설정된 시간 내에서 TPD 공정의 사이클 반복 횟수를 증가시킬 경우, 티타늄 질화막의 증착율이 증가되므로 금속 화합물 증착 장치(100)의 쓰루풋이 증가된다. 또한, 도 17에 도시된 바와 같이, 티타늄 질화막의 비저항을 크게 감소시키기 위하여 NH3 공급 시간을 증가시킬 경우에도, 단위 시간당 단위 설비당 기판 처리량(UPEH)은 크게 변하지 않는다. 이는 상기 제2 시간 동안에 제2 티타늄 질화막이 연속적으로 증착되기 때문이며, 이로 인하여 금속 화합물 증착 장치(100)의 쓰루풋은 거의 일정하게 유지될 수 있다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 18에 도시된 금속 화합물 증착 장치(300)는 반도체 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 사용될 수 있으며, 공정 챔버(302), 스테이지(304), 진공 시스템(310), 가스 공급부(320) 등을 포함할 수 있다.
상기 스테이지(304)는 공정 챔버(302) 내에서 반도체 기판(10)을 지지하기 위하여 사용되며, 상기 진공 시스템(310)은 공정 챔버(302) 내부의 압력을 설정된 공정 압력으로 유지시키기 위하여 사용된다.
상기 가스 공급부(320)는 상기 기판(10) 상에 금속 화합물 막을 형성하기 위하여 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 공정 챔버(302) 내부로 공급하기 위하여 상기 공정 챔버(302) 상부에 배치된 샤워 헤드(306)와 연결된다. 상기 샤워 헤드(306)는 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 스테이지(304) 상의 기판(10)으로 각각 공급하기 위한 다수의 제1 노즐들과 다수의 제2 노즐들을 갖는다.
상기 가스 공급부(320)는 상기 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 티타늄 및 염소를 포함하는 제1 소스 가스와 질소 및 수소를 포함하는 제2 소스 가스를 상기 기판(10) 상으로 공급한다. 상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 한편, 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스는 각각 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스에 의해 공정 챔버(302)로 운반되며, 상기 가스 공급부(320)는 상기 공정 챔버(302)를 퍼지하기 위한 퍼지 가스와 상기 공정 챔버(302) 내부를 세정하기 위한 세정 가스를 추가적으로 공급한다. 여기서, 상기 퍼지 가스는 상기 공정 챔버(302) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절용 가스로 사용될 수도 있다.
상기 가스 공급부(320)는 상기 TiCl4 가스와 제1 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부(330)와, NH3 가스와 제2 캐리어 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부(340)와, 퍼지 가스를 공급하기 위한 제3 가스 공급부(350)와, 상기 세정 가 스를 공급하기 위한 제4 가스 공급부(360)를 포함하며, 다수의 배관들을 통해 샤워 헤드(306)와 연결되어 있다.
상기 제1 가스 공급부(330)는 제1 캐리어 가스를 저장하기 위한 제1 저장 용기(332)와, 액상의 TiCl4를 수용하기 위한 밀폐 용기(334)와, 제1 저장 용기(332)로부터 상기 밀폐 용기(334) 내부로 연장하는 침지 배관(336)을 포함한다. 상기 제1 소스 가스는 침지 배관(336)을 통해 전달된 제1 캐리어 가스의 버블링(bubbling)에 의해 형성될 수 있다. 그러나 상기 제1 가스 공급부(130)는 기화기(vaporizer)를 사용하여 구성될 수도 있다. 상기 제2 가스 공급부(340)는 제2 캐리어 가스를 저장하기 위한 제2 저장 용기(342)와, NH3 가스를 제공하기 위한 NH3 탱크(344)를 포함한다.
상기 샤워 헤드(306)와 제1 가스 공급부(330)의 밀폐 용기(334)는 제1 배관(370a) 및 상기 제1 배관(370a)으로부터 분기된 제1 분기 배관(372a) 및 제2 분기 배관(372b)에 의해 연결되어 있다. 상기 샤워 헤드(306)와 제2 가스 공급부(340)의 NH3 탱크(344)는 제2 배관(370b)에 의해 연결되어 있다. 제3 가스 공급부(350)는 제3 배관(370c)에 의해 제1 배관(370a)에 연결되어 있으며, 제2 가스 공급부(340)의 제2 저장 용기(342)는 제4 배관(370d)을 통해 제2 배관(370b)에 연결되어 있다. 상기 공정 챔버(102) 내부를 세정하기 위하여 세정 가스를 공급하는 제4 가스 공급부(360)는 제5 배관(370e)을 통해 제3 배관(370c)에 연결되어 있다.
한편, 상기 제1 배관(370a), 제1 분기 배관(372a) 및 제2 분기 배관(372b)에 는 각각 제1 우회 배관(374a), 제2 우회 배관(374b) 및 제3 우회 배관(374c)이 각각 연결되어 있다.
상기 제1 배관(370a) 및 제2 배관(370b)에는 제1 게이트 밸브(376a) 및 제2 게이트 밸브(376b)가 설치되어 있으며, 제3 배관(370c), 제4 배관(370d), 제5 배관(370e) 및 침지 배관(336)에는 제1 유량제어 밸브(378a), 제2 유량제어 밸브(378b), 제3 유량제어 밸브(378c) 및 제4 유량제어 밸브(378d)가 설치되어 있다. 또한, 상기 제1 분기 배관(372a), 제1 우회 배관(374a), 제2 분기 배관(372b), 제2 우회 배관(374b), 제2 배관(370b) 및 제3 우회 배관(374c)에는 각각 제1 연동 밸브(380a), 제2 연동 밸브(380b), 제3 연동 밸브(380c), 제4 연동 밸브(380d), 제5 연동 밸브(380e) 및 제6 연동 밸브(380f)가 설치되어 있다.
상기 제1 분기 배관(372a)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제1 유량으로 조절하기 위한 제1 질량 유량 제어기(382a)가 설치되며, 상기 제2 배관(370b)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제2 유량으로 조절하기 위한 제2 질량 유량 제어기(382b)가 설치된다. 또한, 상기 제2 분기 배관(372b)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제3 유량으로 조절하기 위한 제3 질량 유량 제어기(382c)가 설치된다.
상기 반도체 기판(10) 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 반도체 기판 상에 공급하는 동안, 상기 제1 연동 밸브(380a) 및 제5 연동 밸브(380e)가 개방되고 상기 제2 연동 밸브(380b) 및 제6 연동 밸브(380f)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가 스를 제3 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제3 연동 밸브(380c)가 닫히고 제4 연동 밸브(380d)가 개방된다.
상기 제1 금속 화합물을 형성한 후, 상기 제1 금속 화합물 상에 제1 소스 가스를 제3 유량으로 공급하고 제2 소스 가스를 제2 유량으로 공급하는 동안, 상기 제3 연동 밸브(380c) 및 제5 연동 밸브(380e)가 개방되고 상기 제4 연동 밸브(380d) 및 제6 연동 밸브(380f)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(380a)가 닫히고 제2 연동 밸브(380b)가 개방된다. 이에 따라, 상기 제1 금속 화합물을 형성하는 동안 상기 공정 챔버(302) 내부로 공급되어 상기 공정 챔버(302) 내에서 잔류하는 제1 소스 가스와 제3 유량으로 공급된 제1 소스 가스 및 상기 제2 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의해 상기 제1 금속 화합물 상에는 제2 금속 화합물이 연속적으로 증착됨과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물로부터 염소와 같은 원치 않는 물질이 제거될 수 있다.
상기와 같은 연동 밸브들(380a, 380b, 380c, 380d, 380e, 380f), 게이트 밸브들(376a, 376b) 및 유량제어 밸브들(378a, 378b, 378c, 378d)의 동작은 밸브 제어부(390)에 의해 제어될 수 있다.
상기 스테이지(304)는 상기 반도체 기판(10)의 온도를 공정 온도로 가열하기 위한 히터(308)를 내장하며, 공정 챔버(302)의 측벽에는 반도체 기판(10)의 반출입을 위한 게이트 도어(386)가 설치되어 있다. 상기 금속 화합물 막을 증착하는 동안 발생된 반응 부산물과, 잔여 가스 등은 공정 챔버(302)와 연결된 진공 시스템(310) 에 의해 공정 챔버(302)로부터 제거될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치의 구성 요소들은 도 1 및 도 2를 참조하여 기 설명된 바와 유사하므로 이들에 대한 추가적인 상세 설명은 생략한다.
도 19는 도 18에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 20은 도 19에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 실리콘웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와, 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 제1 유량비로 공급하여 제1 금속 화합물을 상기 기판(10) 상에 형성한다. (단계 S300)
상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스의 제1 유량 및 제2 유량은 각각 제1 질량 유량 제어기(382a) 및 제2 질량 유량 제어기(382b)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 TiCl4 가스의 제1 유량과 상기 NH3 가스의 제2 유량 사이의 제1 유량비는 1:0.5 내지 1:10 정도로 제어될 수 있다. 특히, 상기 제1 금속 화합물의 증착 공정이 상기 소스 가스들의 표면 반응에 의해 이루어지도록 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스 사 이의 제1 유량비는 1:1로 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스는 각각 약 60sccm으로 공급될 수 있다.
이어서, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거한다. (단계 S310)
구체적으로, 상기 제1 소스 가스의 유량은 상기 제1 유량보다 작은 제3유량으로 조절하고, 상기 제2 소스 가스의 유량을 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 제1소스 가스의 제3 유량에 대한 제2 소스 가스의 제2 유량의 비는 100 이상으로 설정될 수 있으며, 상기 제3 유량은 제3 질량 유량 제어기(382c)에 의해 조절될 수 있다.
계속해서, 상기 S300 단계 및 S310 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 반도체 기판(10) 상에 목적하는 두께를 갖는 금속 화합물 막을 형성한다. (단계 S320)
한편, S300 단계에서, 상기 제1 소스 가스는 제1 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제1 시간(t1) 동안 공급되며, 상기 제2 소스 가스는 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제1 시간(t1) 동안 공급된다. S310 단계에서, 상기 제1 소스 가스는 제3 유량으로 공급되며, 상기 제2 소스 가스는 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제2 시간(t2) 동안 공급된다. 즉, 상기 제2 소스 가스는 전체 공정을 수행 하는 동안 일정하게 상기 제2 유량으로 유지될 수 있다.
한편, 상기 S300 단계와 S310 단계를 수행하는 동안 상기 반도체 기판(10)의 온도는 약 400℃ 내지 600℃에서 유지될 수 있으며, 공정 챔버(302)의 내부 압력은 약 0.1Torr 내지 2.5Torr 정도에서 유지될 수 있다. 특히, 반도체 기판(10)의 온도는 약 500℃에서 유지될 수 있으며, 공정 챔버(302)의 내부 압력은 약 2Torr 정도에서 유지될 수 있다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 21에 도시된 금속 화합물 증착 장치(400)는 반도체 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 사용될 수 있으며, 공정 챔버(402), 스테이지(404), 진공 시스템(410), 가스 공급부(420) 등을 포함할 수 있다.
상기 스테이지(404)는 공정 챔버(402) 내에서 반도체 기판(10)을 지지하기 위하여 사용되며, 상기 진공 시스템(410)은 공정 챔버(402) 내부의 압력을 설정된 공정 압력으로 유지시키기 위하여 사용된다.
상기 가스 공급부(420)는 상기 기판(10) 상에 금속 화합물 막을 형성하기 위하여 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 공정 챔버(402) 내부로 공급하기 위하여 상기 공정 챔버(402) 상부에 배치된 샤워 헤드(406)와 연결된다. 상기 샤워 헤드(406)는 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 스테이지(404) 상의 기판(10)으로 각각 공급하기 위한 다수의 제1 노즐들과 다수의 제2 노즐들을 갖는다.
상기 가스 공급부(420)는 상기 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화 합물 막을 증착하기 위하여 티타늄 및 염소를 포함하는 제1 소스 가스와 질소 및 수소를 포함하는 제2 소스 가스를 상기 기판(10) 상으로 공급한다. 상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 한편, 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스는 각각 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스에 의해 공정 챔버(402)로 운반되며, 상기 가스 공급부(420)는 상기 공정 챔버(402)를 퍼지하기 위한 퍼지 가스와 상기 공정 챔버(402) 내부를 세정하기 위한 세정 가스를 추가적으로 공급한다. 여기서, 상기 퍼지 가스는 상기 공정 챔버(402) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절용 가스로 사용될 수도 있다.
상기 가스 공급부(420)는 상기 TiCl4 가스와 제1 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부(430)와, NH3 가스와 제2 캐리어 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부(440)와, 퍼지 가스를 공급하기 위한 제3 가스 공급부(450)와, 상기 세정 가스를 공급하기 위한 제4 가스 공급부(460)를 포함하며, 다수의 배관들을 통해 샤워 헤드(406)와 연결되어 있다.
상기 제1 가스 공급부(430)는 제1 캐리어 가스를 저장하기 위한 제1 저장 용기(432)와, 액상의 TiCl4를 수용하기 위한 밀폐 용기(434)와, 제1 저장 용기(432)로부터 상기 밀폐 용기(434) 내부로 연장하는 침지 배관(436)을 포함한다. 상기 제1 소스 가스는 침지 배관(436)을 통해 전달된 제1 캐리어 가스의 버블링(bubbling)에 의해 형성될 수 있다. 그러나 상기 제1 가스 공급부(130)는 기화기(vaporizer)를 사용하여 구성될 수도 있다. 상기 제2 가스 공급부(440)는 제2 캐리어 가스를 저장 하기 위한 제2 저장 용기(442)와, NH3 가스를 제공하기 위한 NH3 탱크(444)를 포함한다.
상기 샤워 헤드(406)와 제1 가스 공급부(430)의 밀폐 용기(434)는 제1 배관(470a)에 의해 연결되어 있으며, 상기 샤워 헤드(406)와 제2 가스 공급부(440)의 NH3 탱크(444)는 제2 배관(470b)에 의해 연결되어 있다. 제3 가스 공급부(450)는 제3 배관(470c)에 의해 제1 배관(470a)에 연결되어 있으며, 제2 가스 공급부(440)의 제2 저장 용기(442)는 제4 배관(470d)을 통해 제2 배관(470b)에 연결되어 있다. 상기 공정 챔버(102) 내부를 세정하기 위하여 세정 가스를 공급하는 제4 가스 공급부(460)는 제5 배관(470e)을 통해 제3 배관(470c)에 연결되어 있다.
한편, 상기 제1 배관(470a) 및 제2 배관(470b)에는 각각 제1 우회 배관(474a) 및 제2 우회 배관(474b)이 각각 연결되어 있다.
상기 제1 배관(470a) 및 제2 배관(470b)에는 제1 게이트 밸브(476a) 및 제2 게이트 밸브(476b)가 설치되어 있으며, 제3 배관(470c), 제4 배관(470d), 제5 배관(470e) 및 침지 배관(436)에는 제1 유량제어 밸브(478a), 제2 유량제어 밸브(478b), 제3 유량제어 밸브(478c) 및 제4 유량제어 밸브(478d)가 설치되어 있다. 또한, 상기 제1 배관(470a), 제1 우회 배관(474a), 제2 배관(470b) 및 제2 우회 배관(474b)에는 각각 제1 연동 밸브(480a), 제2 연동 밸브(480b), 제3 연동 밸브(480c) 및 제4 연동 밸브(480d)가 설치되어 있다.
상기 제1 배관(470a)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제1 유량으로 조절하기 위한 제1 질량 유량 제어기(482a)가 설치되며, 상기 제2 배관(470b)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제2 유량으로 조절하기 위한 제2 질량 유량 제어기(482b)가 설치된다.
상기 반도체 기판(10) 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 반도체 기판 상에 공급하는 동안, 상기 제1 연동 밸브(480a) 및 제3 연동 밸브(480c)가 개방되고 상기 제2 연동 밸브(480b) 및 제4 연동 밸브(480d)가 닫힌다.
상기 제1 금속 화합물을 형성한 후, 상기 제1 소스 가스의 공급을 중단시키고 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 소스 가스를 제2 유량으로 공급하는 동안, 상기 제3 연동 밸브(480c)가 개방되고 상기 제4 연동 밸브(480d)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(480a)가 닫히고 제2 연동 밸브(480b)가 개방된다. 이에 따라, 상기 제1 금속 화합물을 형성하는 동안 상기 공정 챔버(402) 내부로 공급되어 상기 공정 챔버(402) 내에서 잔류하는 제1 소스 가스와 제2 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의해 상기 제1 금속 화합물 상에는 제2 금속 화합물이 연속적으로 증착됨과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물로부터 염소와 같은 원치 않는 물질이 제거될 수 있다.
상기와 같은 연동 밸브들(480a, 480b, 480c, 480d), 게이트 밸브들(476a, 476b) 및 유량제어 밸브들(478a, 478b, 478c, 478d)의 동작은 밸브 제어부(490)에 의해 제어될 수 있다.
상기 스테이지(404)는 상기 반도체 기판(10)의 온도를 공정 온도로 가열하기 위한 히터(408)를 내장하며, 공정 챔버(402)의 측벽에는 반도체 기판(10)의 반출입을 위한 게이트 도어(486)가 설치되어 있다. 상기 금속 화합물 막을 증착하는 동안 발생된 반응 부산물과, 잔여 가스 등은 공정 챔버(402)와 연결된 진공 시스템(410)에 의해 공정 챔버(402)로부터 제거될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제4 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치의 구성 요소들은 도 1 및 도 2를 참조하여 기 설명된 바와 유사하므로 이들에 대한 추가적인 상세 설명은 생략한다.
도 22는 도 21에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 23은 도 22에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 실리콘웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와, 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 제1 유량비로 공급하여 제1 금속 화합물을 상기 기판(10) 상에 형성한다. (단계 S400)
상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스의 제1 유량 및 제2 유량은 각각 제1 질량 유량 제어기(482a) 및 제2 질량 유량 제어기(482b)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 TiCl4 가스의 제1 유량과 상기 NH3 가스의 제2 유량 사이의 제1 유량비는 1:0.5 내지 1:10 정도로 제어될 수 있다. 특히, 상기 제1 금속 화합물의 증착 공정이 상기 소스 가스들의 표면 반응에 의해 이루어지도록 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스 사이의 제1 유량비는 1:1로 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스는 각각 약 60sccm으로 공급될 수 있다.
이어서, 상기 제1 소스 가스의 공급을 중단시키고 상기 제1 금속 화합물 상으로 공급되는 제2 소스 가스의 공급 유량을 일정하게 유지시켜 상기 공정 챔버(402) 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 이용하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 연속적으로 형성함과 동시에 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거한다. (단계 S410)
계속해서, 상기 S400 단계 및 S410 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 반도체 기판(10) 상에 목적하는 두께를 갖는 금속 화합물 막을 형성한다. (단계 S420)
한편, S400 단계에서, 상기 제1 소스 가스는 제1 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제1 시간(t1) 동안 공급되며, 상기 제2 소스 가스는 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제1 시간(t1) 동안 공급된다. S410 단계에서, 상기 제1 소스 가스의 공급은 차단되며, 상기 제2 소스 가스는 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상으로 제2 시간(t2) 동안 공급된다. 상기 S400 단계를 수행하는 동안 공정 챔버(102) 내로 공급된 제1 소스 가스는 S410 단계에서 제1 소스 가스의 공급이 중단된 후에도 소정 시간 동안 공정 챔버(402) 내에 잔류하며, 제2 유량으로 공급되는 제2 소스 가스와 반응하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 연속적으로 증착한다.
예를 들면, 상기 S400 단계 및 S410 단계를 수행하는 동안 상기 TiCl4 가스는 간헐적으로 약 60sccm으로 공급될 수 있으며, NH3 가스는 일정하게 약 60sccm으로 공급될 수 있다.
특히, 상기 S410 단계에서, 상기 제1 소스 가스는 제1 연동 밸브(480a)의 닫힘에 의해 중단될 수 있다. 그러나 실질적으로 기판(10)의 측면에서 보면, 상기 S400 단계에서 이미 공정 챔버(402) 내부로 공급되어 공정 챔버 내에 잔류하는 제1 소스 가스가 S410 단계에서도 계속적으로 기판(10) 상으로 공급되어 제2 금속 화합물 증착에 기여한다. 즉, 상기 S410 단계를 수행하는 제2 시간(t2)이 제1 소스 가스의 완전 배기에 소요되는 시간보다 짧은 경우, 기판(10) 상으로의 제1 소스 가스의 공급량은 제1 유량으로부터 점차 감소되며, 상기 S410 단계를 수행하는 제2 시간(t2)이 충분히 긴 경우, 기판(10) 상으로의 제1 소스 가스의 공급량은 제1 유량으로부터 점차 감소된 후, 완전히 중단된다.
한편, 상기 S400 단계와 S410 단계를 수행하는 동안 상기 반도체 기판(10)의 온도는 약 400℃ 내지 600℃에서 유지될 수 있으며, 공정 챔버(402)의 내부 압력은 약 0.1Torr 내지 2.5Torr 정도에서 유지될 수 있다. 특히, 반도체 기판(10)의 온도는 약 500℃에서 유지될 수 있으며, 공정 챔버(402)의 내부 압력은 약 2Torr 정도 에서 유지될 수 있다.
도 24는 본 발명의 제5 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 24에 도시된 금속 화합물 증착 장치(500)는 반도체 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 사용될 수 있으며, 공정 챔버(502), 스테이지(504), 진공 시스템(510), 가스 공급부(520) 등을 포함할 수 있다.
상기 가스 공급부(520)는 상기 기판 상에 금속 화합물 막을 형성하기 위하여 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 공정 챔버(502) 내부로 공급하기 위하여 상기 공정 챔버(502) 상부에 배치된 샤워 헤드(506)와 연결된다.
상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 한편, 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스는 각각 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스에 의해 공정 챔버(502)로 운반되며, 상기 가스 공급부(520)는 상기 공정 챔버(502)를 퍼지하기 위한 퍼지 가스와 상기 공정 챔버(502) 내부를 세정하기 위한 세정 가스를 추가적으로 공급한다.
상기 가스 공급부(520)는 상기 TiCl4 가스와 제1 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부(530)와, NH3 가스와 제2 캐리어 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부(540)와, 퍼지 가스를 공급하기 위한 제3 가스 공급부(550)와, 상기 세정 가스를 공급하기 위한 제4 가스 공급부(560)를 포함하며, 다수의 배관들을 통해 샤워 헤드(506)와 연결되어 있다.
상기 제1 가스 공급부(530)는 제1 캐리어 가스를 저장하기 위한 제1 저장 용기(532)와, 액상의 TiCl4를 수용하기 위한 밀폐 용기(534)와, 제1 저장 용기(532)로부터 상기 밀폐 용기(534) 내부로 연장하며 상기 제1 캐리어 가스의 버블링에 의해 제1 소스 가스를 형성하는 침지 배관(536)을 포함한다. 상기 제2 가스 공급부(540)는 제2 캐리어 가스를 저장하기 위한 제2 저장 용기(542)와, NH3 가스를 제공하기 위한 NH3 탱크(544)를 포함한다.
상기 샤워 헤드(506)와 제1 가스 공급부(530)의 밀폐 용기(534)는 제1 배관(570a)과, 상기 제1 배관(570a)으로부터 분기된 제1 분기 배관(572a), 제2 분기 배관(572b) 및 제3 분기 배관(572c)에 의해 연결되어 있다. 상기 샤워 헤드(506)와 제2 가스 공급부(540)의 NH3 탱크(544)는 제2 배관(570b)과, 상기 제2 배관(570b)으로부터 분기된 제4 분기 배관(572d), 제5 분기 배관(572e) 및 제6 분기 배관(572f)에 의해 연결되어 있다. 제3 가스 공급부(550)는 제3 배관(570c)에 의해 제1 배관(570a)에 연결되어 있으며, 제2 가스 공급부(540)의 제2 저장 용기(542)는 제4 배관(570d)을 통해 제2 배관(570b)에 연결되어 있다. 상기 공정 챔버(502) 내부를 세정하기 위하여 세정 가스를 공급하는 제4 가스 공급부(560)는 제5 배관(570e)을 통해 제3 배관(570c)에 연결되어 있다.
한편, 상기 제1 분기 배관(572a), 제2 분기 배관(572b), 제3 분기 배관(572c), 제4 분기 배관(572d), 제5 분기 배관(572e) 및 제6 분기 배관(572f)에는 각각 제1 우회 배관(574a), 제2 우회 배관(574b), 제3 우회 배관(574c), 제4 우회 배관(574d), 제5 우회 배관(574e) 및 제6 우회 배관(574f)이 각각 연결되어 있다.
상기 제1 배관(570a) 및 제2 배관(570b)에는 제1 게이트 밸브(576a) 및 제2 게이트 밸브(576b)가 설치되어 있으며, 제3 배관(570c), 제4 배관(570d), 제5 배관(570e) 및 침지 배관(536)에는 제1 유량제어 밸브(578a), 제2 유량제어 밸브(578b), 제3 유량제어 밸브(578c) 및 제4 유량제어 밸브(578d)가 설치되어 있다. 또한, 상기 제1 분기 배관(572a), 제1 우회 배관(574a), 제2 분기 배관(572b), 제2 우회 배관(574b), 제3 분기 배관(572c), 제3 우회 배관(574c), 제4 분기 배관(572d), 제4 우회 배관(574d), 제5 분기 배관(572e), 제5 우회 배관(574e), 제6 분기 배관(572f) 및 제6 우회 배관(574f)에는 각각 제1 연동 밸브(580a), 제2 연동 밸브(580b), 제3 연동 밸브(580c), 제4 연동 밸브(580d), 제5 연동 밸브(580e), 제6 연동 밸브(580f), 제7 연동 밸브(580g), 제8 연동 밸브(580h), 제9 연동 밸브(580i), 제10 연동 밸브(580j), 제11 연동 밸브(580k) 및 제12 연동 밸브(580m)가 설치되어 있다.
상기 제1 분기 배관(572a)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제1 유량으로 조절하기 위한 제1 질량 유량 제어기(582a)가 설치되고, 상기 제4 분기 배관(572d)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제2 유량으로 조절하기 위한 제2 질량 유량 제어기(582b)가 설치된다. 상기 제2 분기 배관(572c)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제3 유량으로 조절하기 위한 제3 질량 유량 제어기(582c)가 설치되고, 상기 제5 분기 배관(572e)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제4 유량으로 조절하기 위한 제4 질량 유량 제어기(582d)가 설치된다. 상기 제3 분기 배관 (572c)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제5 유량으로 조절하기 위한 제5 질량 유량 제어기(582e)가 설치되고, 상기 제6 분기 배관(572f)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제6 유량으로 조절하기 위한 제6 질량 유량 제어기(582f)가 설치된다.
상기 반도체 기판(10) 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상에 공급하는 동안, 상기 제1 연동 밸브(580a) 및 제7 연동 밸브(580g)가 개방되고 상기 제2 연동 밸브(580b) 및 제8 연동 밸브(580h)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제3 유량 및 제5 유량으로 각각 우회시키기 위하여 상기 제3 연동 밸브(580c) 및 제5 연동 밸브(580e)가 닫히고 상기 제4 연동 밸브(580d) 및 제6 연동 밸브(580f)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제4 유량 및 제6 유량으로 우회시키기 위하여 제9 연동 밸브(580i) 및 제11 연동 밸브(580k)가 닫히고 상기 제10 연동 밸브(580j) 및 제12 연동 밸브(580m)가 개방된다.
상기 제1 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제3 유량 및 제4 유량으로 상기 공정 챔버(502) 내부로 공급하는 동안, 상기 제3 연동 밸브(580c) 및 제9 연동 밸브(580i)가 개방되고 상기 제4 연동 밸브(580d) 및 제10 연동 밸브(580j)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량 및 제5 유량으로 각각 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(580a) 및 제5 연동 밸브(580e)가 닫히고 상기 제2 연동 밸브(580b) 및 제6 연동 밸브(580f)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제2 유량 및 제6 유량으로 우회시키기 위하여 제7 연동 밸브(580g) 및 제11 연동 밸브(580k)가 닫히고 상기 제8 연동 밸브(580h) 및 제12 연동 밸브(580m)가 개방된다.
상기 제2 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제5 유량 및 제6 유량으로 상기 공정 챔버(502) 내부로 공급하는 동안, 상기 제5 연동 밸브(580e) 및 제11 연동 밸브(580k)가 개방되고 상기 제6 연동 밸브(580f) 및 제12 연동 밸브(580m)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량 및 제3 유량으로 각각 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(580a) 및 제3 연동 밸브(580c)가 닫히고 상기 제2 연동 밸브(580b) 및 제4 연동 밸브(580d)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제2 유량 및 제4 유량으로 우회시키기 위하여 제7 연동 밸브(580g) 및 제9 연동 밸브(580i)가 닫히고 상기 제8 연동 밸브(580h) 및 제10 연동 밸브(580j)가 개방된다.
상기 제3 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제3 유량 및 제4 유량으로 상기 공정 챔버(502) 내부로 공급하는 동안, 상기 제3 연동 밸브(580c) 및 제9 연동 밸브(580i)가 개방되고 상기 제4 연동 밸브(580d) 및 제10 연동 밸브(580j)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량 및 제5 유량으로 각각 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(580a) 및 제5 연동 밸브(580e)가 닫히고 상기 제2 연동 밸브(580b) 및 제6 연동 밸브(580f)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제2 유량 및 제6 유량으로 우회시키기 위하여 제7 연동 밸브(580g) 및 제11 연동 밸브(580k)가 닫히고 상기 제8 연동 밸브(580h) 및 제12 연동 밸브(580m)가 개방된다.
상기와 같은 연동 밸브들(580a, 580b, 580c, 580d, 580e, 580f, 580g, 580h, 580i, 580j, 580k, 580m), 게이트 밸브들(576a, 576b) 및 유량제어 밸브들(578a, 578b, 578c, 578d)의 동작은 밸브 제어부(590)에 의해 제어될 수 있다.
상기 스테이지(504)는 상기 반도체 기판(10)의 온도를 공정 온도로 가열하기 위한 히터(508)를 내장하며, 공정 챔버(502)의 측벽에는 반도체 기판(10)의 반출입을 위한 게이트 도어(586)가 설치되어 있다. 상기 금속 화합물 막을 증착하는 동안 발생된 반응 부산물과, 잔여 가스 등은 공정 챔버(502)와 연결된 진공 시스템(510)에 의해 공정 챔버(502)로부터 제거될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치의 구성 요소들은 도 1 및 도 2를 참조하여 기 설명된 바와 유사하므로 이들에 대한 추가적인 상세 설명은 생략한다.
도 25는 도 24에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 26은 도 25에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 실리콘웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와, 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 제1 유량비로 공급하여 제1 금속 화합물을 상기 기판(10) 상에 형성한다. (단계 S500)
상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스의 제1 유량 및 제2 유량은 각각 제1 질량 유량 제어기(582a) 및 제2 질량 유량 제어기(582b)에 의해 제어될 수 있다. 상기 제1 유량비는 제1 금속 화합물의 단차 피복성을 향상시키기 위하여 물질 전달에 의한 증착율보다 표면 반응에 의한 증착율이 더 큰 범위에서 결정되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 제1 소스 가스의 제1 유량과 상기 제2 소스 가스의 제2 유량 사이의 제1 유량비는 1:2 내지 1:10 정도로 제어될 수 있다. 달리 표현하면, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스 사이의 제1 유량비는 0.1:1 내지 0.5:1 정도로 제어될 수 있다. 이는 상기 제2 소스 가스의 제2 유량보다 제1 소스 가스의 제1 유량을 상대적으로 작게 함으로써 제1 금속 화합물 내에서의 원치 않는 물질, 즉 염소의 함량을 감소시키기 위함이다.
예를 들면, 상기 제1 질량 유량 제어기(582a)를 이용하여 제1 소스 가스의 제1 유량을 약 20sccm으로 제어하고, 상기 제2 질량 유량 제어기(582b)를 이용하여 제2 소스 가스의 제2 유량을 약 60sccm으로 제어할 수 있다.
상기 제1 금속 화합물 상에 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 공급하여 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물 내의 원치 않는 물질을 제거한다. (단계 S510)
구체적으로, 상기 제1 소스 가스를 상기 제1 유량보다 작은 제3 유량으로 공급하고, 상기 제2 소스 가스를 상기 제2 유량보다 큰 제4 유량으로 공급한다. 이때, 상기 제1 소스 가스의 제3 유량 및 상기 제2 소스 가스의 제4 유량은 제3 질량 유량 제어기(582c) 및 제4 질량 유량 제어기(582d)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 유량 및 제4 유량 사이의 제2 유량비는 상기 원치 않는 물질을 충분히 제거하기 위하여 약 1:100 내지 1:1000 정도로 설정되는 것이 바람직하다. 달리 표현하면, 상기 제3 유량 및 제4 유량 사이의 제2 유량비는 0.001:1 내지 0.01:1 정도일 수 있다. 또한, 상기 제2 유량 및 상기 제4 유량 사이의 비는 약 1:10 내지 1:100 정도로 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 금속 화합물을 형성하는 동안 상기 제1 소스 가스는 약 2sccm 정도로 공급될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스는 약 1000sccm 정도로 공급될 수 있다.
상기 S500 단계 및 S510 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 반도체 기판(10) 상에 목적하는 두께를 갖고 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물을 포함하는 제1 복합막을 형성한다. (단계 S520)
상기 제1 복합막 상에 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비와 다른 제3 유량비로 공급하여 제3 금속 화합물을 증착한다. (단계 S530) 구체적으로, 상기 제1 소스 가스의 제5 유량에 대한 상기 제2 소스 가스의 제6 유량의 제3 유량비는 제5 질량 유량 제어기(582e) 및 제6 질량 유량 제어기(582f)에 의해 약 0.5보다 크거나 같으며 2보다 작게 제어될 수 있다. 특히, 제3 금속 화합물의 증착 공정이 소스 가스들의 표면 반응에 의하여 안정적으로 수행될 수 있도록 상기 제3 유량비는 약 1:1 정도로 제어되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 제1 소스 가스의 제5 유량 및 제2 소스 가스의 제6 유량은 제5 질량 유량 제어기(582e) 및 제6 질량 유량 제어기(582f)에 의해 약 30sccm으로 각각 제어될 수 있다.
상기 제3 금속 화합물 상에 상기 제3 유량비와 다른 제4 유량비로 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 연속적으로 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물 및 제4 금속 화합물에 잔류하는 염소 성분을 제거한다. (단계 S540)
상기 제4 유량비는 실질적으로 상기 제2 유량비와 동일하게 제어될 수 있다. 즉, 상기 제1 소스 가스의 제7 유량과 제2 소스 가스의 제8 유량 사이의 제4 유량비는 제3 질량 유량 제어기(582c)와 제4 질량 유량 제어기(582d)에 의해 약 1:100 내지 1000 정도로 제어될 수 있다.
상기 S530 단계 및 S540 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 제1 복합막 상에 목적하는 두께를 갖고 상기 제3 금속 화합물 및 제4 금속 화합물을 포함하는 제2 복합막을 형성한다. (단계 S550)
한편, 상기 제1 복합막을 증착하는 동안 상기 할로겐 원소와 하부막 사이에서 화학적인 반응이 발생될 수 있으며, 상기 반응에 의한 반응 부산물은 하부막의 전기적 특성을 열화시킬 수 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 제1 복합막을 증착하는 동안 제2 소스 가스의 제2 유량에 대하여 상대적으로 제1 소스 가스의 제1 유량을 상기와 같이 작은 범위에서 제어한다.
상기 제2 복합막을 증착하는 동안에는 상기 제1 복합막에 의해 상기 하부막과 상기 할로겐 원소 사이의 반응이 방지될 수 있으므로, 상기한 바와 같이 제1 소스 가스의 제5 유량을 상기 제1 유량보다 상대적으로 크게 제어할 수 있다. 따라서 제2 복합막은 소스 가스들의 표면 반응에 의해 연속적으로 균일하게 형성될 수 있다.
상기 제1 복합막을 증착하는 동안 공정 온도와 챔버 내부 압력은 상대적으로 낮게 유지되는 것이 바람직하다. 이는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상대적으로 낮은 온도 및 압력에서 물질 전달에 의한 증착이 억제될 수 있기 때문이며, 이에 따라 상기 제1 복합막의 단차 피복성이 개선될 수 있으며, 하부막에 대한 열적 스트레스가 감소될 수 있다. 또한, 상대적으로 낮은 온도에서 상기 할로겐 원소와 하부막 사이의 반응이 억제될 수 있으며, 상대적으로 낮은 압력에서 상기 제1 소스 가스가 공정 챔버(502) 내에서 체류하는 시간이 상대적으로 짧아질 수 있으므로 상기 할로겐 원소와 하부막 사이의 반응이 감소될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 복합막을 증착하는 동안 공정 온도는 약 400℃ 내지 약 600℃ 정도에서 유지되는 것이 바람직하며, 상기 챔버 내부 압력은 약 0.1Torr 내지 2.5Torr 정도로 유지되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 약 500℃의 공정 온도와 약 2Torr 정도의 공정 압력이 적용될 수 있다. 또한, 상기 제2 복합막을 증착하는 동안의 공정 온도와 챔버 내부 압력은 상기 제1 복합막을 증착하는 동안과 실질적으로 동일하게 유지되는 것이 바람직하다.
상기 하부막의 예로는 커패시터의 유전막, 게이트 구조물의 게이트 산화막, 불휘발성 메모리 셀에서의 블록킹 산화막 등이 있으며, 상기 하부막이 하프늄 산화물(HfO2) 또는 지르코늄 산화물(ZrO2)과 같은 고유전 물질을 포함하는 경우, 상기와 같은 공정 조건들을 적용함으로써 사염화 하프늄(HfCl4) 또는 사염화 지르코늄(ZrCl4)과 같은 반응 부산물 생성을 억제할 수 있으며, 이에 따라 누설 전류 증가 및 비저항 증가를 크게 억제할 수 있다.
한편, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 금속 화합물 막의 단차 피복성만을 고려할 경우, 공정 온도와 공정 압력 중 하나만을 제어함으로써 목적하는 단차 피복성을 얻을 수도 있다.
예를 들면, 상기 제1 복합막을 증착하는 동안 약 5Torr 정도의 상대적으로 높은 압력과 약 500℃ 정도의 상대적으로 낮은 공정 온도를 유지하는 경우, 공정 압력과 크게 상관없이 목적하는 단차 피복성 및 하부막에 대한 열적 스트레스를 개선할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 복합막을 형성하는 동안 제1 소스 가스가 공정 챔버 내부에서 체류하는 시간이 상대적으로 길어질 수 있기 때문에 상기 할로겐 원소와 하부막 사이의 반응이 증가될 수도 있으나, 목적하는 단차 피복성의 구현은 충분히 달성될 수 있다.
이와 다르게, 상기 제1 복합막을 증착하는 동안 약 2Torr 정도의 상대적으로 낮은 압력과 약 700℃의 상대적으로 높은 공정 온도를 유지하는 경우, 하부막에 대한 열적 스트레스를 개선할 수는 없으나, 목적하는 단차 피복성의 구현은 충분히 달성될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 동안 공급되는 제1 소스 가스의 제5 유량은 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 공급되는 제1 소스 가스의 제1 유량보다 크게 설정될 수 있다. 그러나 이와는 반대로, 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 동안 공급되는 제2 소스 가스의 제6 유량은 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 공급되는 제2 소스 가스의 제2 유량보다 작거나 같게 설정될 수 있다. 이는 상기 제3 금속 화합물을 형성하는 동안 상기 제3 금속 화합물의 증착에서 물질 전달에 의한 영향을 충분히 배제시킴으로써 상기 제3 금속 화합물의 증착이 소스 가스들의 표면 반응에 의해서만 이루어지도록 하기 위함이다. 즉, 상기 제5 유량을 제1 유량보다 증가시킴과 동시에 상기 제6 유량을 제2 유량보다 작게 함으로써 상기 제1 금속 화합물과 제3 금속 화합물의 증착 단계들에서 실질적인 유량비 차이를 상대적으로 크게 할 수 있다. 따라서, 제3 금속 화합물의 증착 단계에서 물질 전달에 의한 영향을 충분히 배제할 수 있으며, 소스 가스들의 표면 반응에 의한 단차 피복성 개선 효과를 안정적으로 확보할 수 있다.
또 한편으로, 상기 제1 복합막 및 제2 복합막을 포함하는 금속 화합물 막은 반복적으로 수행되는 단계들에 의해 형성된 복합 구조를 가지므로, 후속하는 식각 공정에서 식각액의 침투를 방지할 수 있다. 따라서, 상기 금속 화합물 막의 하부에 위치되는 기판 또는 하부막에서 발생될 수 있는 상기 식각액 침투에 의한 손상을 방지할 수 있다.
도 27은 본 발명의 제6 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 27에 도시된 금속 화합물 증착 장치(600)는 반도체 기판(10) 상에 티타늄 질화막과 같은 금속 화합물 막을 증착하기 위하여 사용될 수 있으며, 공정 챔버(602), 스테이지(604), 진공 시스템(610), 가스 공급부(620) 등을 포함할 수 있다.
상기 가스 공급부(620)는 상기 기판(10) 상에 금속 화합물 막을 형성하기 위하여 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 공정 챔버(602) 내부로 공급하기 위하여 상기 공정 챔버(602) 상부에 배치된 샤워 헤드(606)와 연결된다.
상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 한편, 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스는 각각 제1 캐리어 가스 및 제2 캐리어 가스에 의해 공정 챔버(602)로 운반되며, 상기 가스 공급부(620)는 상기 공정 챔버(602)를 퍼지하기 위한 퍼지 가스와 상기 공정 챔버(602) 내부를 세정하기 위한 세정 가스를 추가적으로 공급한다.
상기 가스 공급부(620)는 상기 TiCl4 가스와 제1 캐리어 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부(630)와, NH3 가스와 제2 캐리어 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부(640)와, 퍼지 가스를 공급하기 위한 제3 가스 공급부(650)와, 상기 세정 가스를 공급하기 위한 제4 가스 공급부(660)를 포함하며, 다수의 배관들을 통해 샤워 헤드(606)와 연결되어 있다.
상기 제1 가스 공급부(630)는 제1 캐리어 가스를 저장하기 위한 제1 저장 용기(632)와, 액상의 TiCl4를 수용하기 위한 밀폐 용기(634)와, 제1 저장 용기(632)로 부터 상기 밀폐 용기(634) 내부로 연장하며 상기 제1 캐리어 가스의 버블링에 의해 제1 소스 가스를 형성하는 침지 배관(636)을 포함한다. 상기 제2 가스 공급부(640)는 제2 캐리어 가스를 저장하기 위한 제2 저장 용기(642)와, NH3 가스를 제공하기 위한 NH3 탱크(644)를 포함한다.
상기 샤워 헤드(606)와 제1 가스 공급부(630)의 밀폐 용기(634)는 제1 배관(670a)과, 상기 제1 배관(670a)으로부터 분기된 제1 분기 배관(672a) 및 제2 분기 배관(672b)에 의해 연결되어 있다. 상기 샤워 헤드(606)와 제2 가스 공급부(640)의 NH3 탱크(644)는 제2 배관(670b)과, 상기 제2 배관(670b)으로부터 분기된 제3 분기 배관(672c), 제4 분기 배관(672c) 및 제5 분기 배관(672e)에 의해 연결되어 있다. 제3 가스 공급부(650)는 제3 배관(670c)에 의해 제1 배관(670a)에 연결되어 있으며, 제2 가스 공급부(640)의 제2 저장 용기(642)는 제4 배관(670d)을 통해 제2 배관(670b)에 연결되어 있다. 상기 공정 챔버(602) 내부를 세정하기 위하여 세정 가스를 공급하는 제4 가스 공급부(660)는 제5 배관(670e)을 통해 제3 배관(670c)에 연결되어 있다.
한편, 상기 제1 분기 배관(672a), 제2 분기 배관(672b), 제3 분기 배관(672c), 제4 분기 배관(672d) 및 제5 분기 배관(672e)에는 각각 제1 우회 배관(674a), 제2 우회 배관(674b), 제3 우회 배관(674c), 제4 우회 배관(674d) 및 제5 우회 배관(674e)이 각각 연결되어 있다.
상기 제1 배관(670a) 및 제2 배관(670b)에는 제1 게이트 밸브(676a) 및 제2 게이트 밸브(676b)가 설치되어 있으며, 제3 배관(670c), 제4 배관(670d), 제5 배관(670e) 및 침지 배관(636)에는 제1 유량제어 밸브(678a), 제2 유량제어 밸브(678b), 제3 유량제어 밸브(678c) 및 제4 유량제어 밸브(678d)가 설치되어 있다. 또한, 상기 제1 분기 배관(672a), 제1 우회 배관(674a), 제2 분기 배관(672b), 제2 우회 배관(674b), 제3 분기 배관(672c), 제3 우회 배관(674c), 제4 분기 배관(672d), 제4 우회 배관(674d), 제5 분기 배관(672e) 및 제5 우회 배관(674e)에는 각각 제1 연동 밸브(680a), 제2 연동 밸브(680b), 제3 연동 밸브(680c), 제4 연동 밸브(680d), 제5 연동 밸브(680e), 제6 연동 밸브(680f), 제7 연동 밸브(680g), 제8 연동 밸브(680h), 제9 연동 밸브(680i) 및 제10 연동 밸브(680j)가 설치되어 있다.
상기 제1 분기 배관(672a)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제1 유량으로 조절하기 위한 제1 질량 유량 제어기(682a)가 설치되고, 상기 제3 분기 배관(672c)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제2 유량으로 조절하기 위한 제2 질량 유량 제어기(682b)가 설치된다. 제4 분기 배관(672d)에는 상기 제2 소스 가스를 기 설정된 제3 유량으로 조절하기 위한 제3 질량 유랑 제어기(682c)가 설치된다. 상기 제2 분기 배관(672b)에는 제1 소스 가스의 유량을 기 설정된 제4 유량으로 조절하기 위한 제4 질량 유량 제어기(682d)가 설치되고, 상기 제5 분기 배관(672e)에는 제2 소스 가스의 유량을 기 설정된 제5 유량으로 조절하기 위한 제5 질량 유량 제어기(682e)가 설치된다.
상기 반도체 기판(10) 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가 스와 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 반도체 기판(10) 상에 공급하는 동안, 상기 제1 연동 밸브(680a) 및 제5 연동 밸브(680e)가 개방되고 상기 제2 연동 밸브(680b) 및 제6 연동 밸브(680f)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제4 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제3 연동 밸브(680c)가 닫히고 상기 제4 연동 밸브(680d)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제3 유량 및 제5 유량으로 우회시키기 위하여 제7 연동 밸브(680g) 및 제9 연동 밸브(680i)가 닫히고 상기 제8 연동 밸브(680h) 및 제10 연동 밸브(680j)가 개방된다.
상기 제1 금속 화합물을 증착한 후, 제1 소스 가스의 공급을 중단시키고 상기 제2 소스 가스를 제3 유량으로 공급하기 위하여 제7 연동 밸브(680g)가 개방되고 제8 연동 밸브(680h)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량 및 제4 유량으로 각각 우회시키기 위하여 제1 연동 밸브(680a) 및 제3 연동 밸브(680c)가 닫히고 제2 연동 밸브(680b) 및 제4 연동 밸브(680d)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제2 유량 및 제5 유량으로 각각 우회시키기 위하여 상기 제5 연동 밸브(680e) 및 제9 연동 밸브(680i)가 닫히고 제6 연동 밸브(680f) 및 제10 연동 밸브(680h)가 개방된다. 상기 제1 금속 화합물 상에는 상기 공정 챔버(602) 내에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제3 유량으로 공급되는 제2 소스 가스의 반응에 의해 제2 금속 화합물이 연속적으로 증착되며, 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물에 포함된 염소 성분은 상기 제3 유량으로 공급되는 제2 소스 가스에 의해 제거된다.
상기 제2 금속 화합물을 증착한 후, 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화 합물을 증착하기 위하여 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 각각 제4 유량 및 제5 유량으로 상기 공정 챔버(602) 내부로 공급하는 동안, 상기 제3 연동 밸브(680c) 및 제9 연동 밸브(680i)가 개방되고 상기 제4 연동 밸브(680d) 및 제10 연동 밸브(680j)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량으로 우회시키기 위하여 상기 제1 연동 밸브(680a)가 닫히고 상기 제2 연동 밸브(680b)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제2 유량 및 제3 유량으로 우회시키기 위하여 제5 연동 밸브(680e) 및 제7 연동 밸브(680g)가 닫히고 상기 제6 연동 밸브(680f) 및 제8 연동 밸브(680h)가 개방된다.
상기 제3 금속 화합물을 증착한 후, 제1 소스 가스의 공급을 중단시키고 상기 제2 소스 가스를 제3 유량으로 공급하기 위하여 제7 연동 밸브(680g)가 개방되고 제8 연동 밸브(680h)가 닫힌다. 이와 동시에, 상기 제1 소스 가스를 제1 유량 및 제4 유량으로 각각 우회시키기 위하여 제1 연동 밸브(680a) 및 제3 연동 밸브(680c)가 닫히고 제2 연동 밸브(680b) 및 제4 연동 밸브(680d)가 개방되며, 상기 제2 소스 가스를 제2 유량 및 제5 유량으로 각각 우회시키기 위하여 상기 제5 연동 밸브(680e) 및 제9 연동 밸브(680i)가 닫히고 제6 연동 밸브(680f) 및 제10 연동 밸브(680h)가 개방된다. 상기 제3 금속 화합물 상에는 상기 공정 챔버(602) 내에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제3 유량으로 공급되는 제2 소스 가스의 반응에 의해 제4 금속 화합물이 연속적으로 증착되며, 상기 제3 금속 화합물 및 제4 금속 화합물에 포함된 염소 성분은 상기 제3 유량으로 공급되는 제2 소스 가스에 의해 제거된다.
상기와 같은 연동 밸브들(680a, 680b, 680c, 680d, 680e, 680f, 680g, 680h, 680i, 680j), 게이트 밸브들(676a, 676b) 및 유량제어 밸브들(678a, 678b, 678c, 678d)의 동작은 밸브 제어부(690)에 의해 제어될 수 있다.
상기 스테이지(604)는 상기 반도체 기판의 온도를 공정 온도로 가열하기 위한 히터를 내장하며, 공정 챔버(602)의 측벽에는 반도체 기판(10)의 반출입을 위한 게이트 도어(686)가 설치되어 있다. 상기 금속 화합물 막을 증착하는 동안 발생된 반응 부산물과, 잔여 가스 등은 공정 챔버(602)와 연결된 진공 시스템(610)에 의해 공정 챔버(602)로부터 제거될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제4 실시예에 따른 금속 화합물 증착 장치의 구성 요소들은 도 1 및 도 2를 참조하여 기 설명된 바와 유사하므로 이들에 대한 추가적인 상세 설명은 생략한다.
도 28은 도 27에 도시된 금속 화합물 증착 장치를 이용하여 기판 상에 금속 화합물을 증착하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 29는 도 28에 도시된 금속 화합물 증착 방법에 따른 소스 가스들의 공급 시간들을 나타내는 그래프이다.
도 28 및 도 29를 참조하면, 실리콘웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와, 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 제1 유량비로 공급하여 제1 금속 화합물을 상기 기판 상에 형성한다. (단계 S600)
상기 제1 소스 가스로는 TiCl4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 제2 소스 가 스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 TiCl4 가스와 상기 NH3 가스의 제1 유량 및 제2 유량은 각각 제1 질량 유량 제어기(680a) 및 제2 질량 유량 제어기(680b)에 의해 제어될 수 있다. 상기 제1 유량비는 제1 금속 화합물의 단차 피복성을 향상시키기 위하여 물질 전달에 의한 증착율보다 표면 반응에 의한 증착율이 더 큰 범위에서 결정되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 제1 소스 가스의 제1 유량과 상기 제2 소스 가스의 제2 유량 사이의 제1 유량비는 1:2 내지 1:10 정도로 제어될 수 있다. 달리 표현하면, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스 사이의 제1 유량비는 0.1:1 내지 0.5:1 정도로 제어될 수 있다. 이는 상기 제2 소스 가스의 제2 유량보다 제1 소스 가스의 제1 유량을 상대적으로 작게 함으로써 제1 금속 화합물 내에서의 원치 않는 물질, 즉 염소의 함량을 감소시키기 위함이다.
예를 들면, 상기 제1 질량 유량 제어기(680a)를 이용하여 제1 소스 가스의 제1 유량을 약 20sccm으로 제어하고, 상기 제2 질량 유량 제어기(680b)를 이용하여 제2 소스 가스의 제2 유량을 약 60sccm으로 제어할 수 있다.
상기 제1 소스 가스의 공급을 중단시키고 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 소스 가스를 상기 제2 유량보다 큰 제3 유량으로 공급하여 상기 공정 챔버(602) 내에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제3 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응을 통해 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물 내의 원치 않는 물질을 제거한다. (단계 S610)
구체적으로, 상기 제2 소스 가스의 제3 유량은 제3 질량 유량 제어기(680c)에 의해 제어될 수 있으며, 상기 제2 유량 및 상기 제3 유량 사이의 비는 약 1:10 내지 1:100 정도로 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 제2 소스 가스는 약 1000sccm 정도로 공급될 수 있다.
특히, 상기 S610 단계에서, 상기 제1 소스 가스는 제1 연동 밸브(680a) 및 제3 연동 밸브(680c)의 닫힘에 의해 중단될 수 있다. 그러나, 실질적으로 기판(10) 상에는, 상기 S200 단계에서 이미 공정 챔버(202) 내부로 공급되어 공정 챔버(202) 내에 잔류하는 제1 소스 가스가 S210 단계에서도 계속적으로 기판(10) 상으로 제공되며, 상기 제2 금속 화합물 증착에 기여한다. 즉, 상기 S610 단계를 수행하는 시간이 충분히 긴 경우, 기판(10)의 측면에서 제1 소스 가스는 제1 유량으로부터 점차 감소되며, 이어서 완전히 기판(10) 상으로의 공급이 중단될 수 있다. 이와는 다르게, 상기 S610 단계를 수행하는 시간이 상대적으로 짧은 경우, 상기 공정 챔버(602)에 잔류하는 제1 소스 가스는 상기 S610 단계를 수행하는 동안 지속적으로 제2 금속 화합물 증착에 기여할 수 있다.
상기 S600 단계 및 S610 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 반도체 기판(10) 상에 목적하는 두께를 갖고 상기 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물을 포함하는 제1 복합막을 형성한다. (단계 S620)
상기 제1 복합막 상에 제1 소스 가스를 상기 제1 유량보다 큰 제4 유량으로 공급하고 상기 제2 소스 가스를 상기 제2 유량보다 작거나 같은 제5 유량으로 공급하여 제3 금속 화합물을 증착한다. (단계 S630) 구체적으로, 상기 제1 소스 가스의 제4 유량은 제4 질량 유량 제어기(680d)에 의해 제어되며, 상기 제2 소스 가스의 제5 유량은 제5 질량 유량 제어기(680e)에 의해 제어된다. 상기 제4 유량에 대한 제5 유량의 비는 0.5보다 크거나 같으며 2보다 작게 제어될 수 있다.
예를 들면, 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 동안 상기 제1 소스 가스의 제4 유량 및 제2 소스 가스의 제5 유량은 약 30sccm으로 각각 제어될 수 있다.
상기 제1 소스 가스의 공급을 중단시키고, 상기 제3 금속 화합물 상에 상기 제2 소스 가스를 상기 제3 유량과 실질적으로 동일한 제6 유량으로 공급하여 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 연속적으로 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물 및 제4 금속 화합물에 잔류하는 염소 성분을 제거한다. (단계 S640)
상기 제6 유량은 제3 질량 유량 제어기(680c)에 의해 제어될 수 있으며, 상기 제4 금속 화합물 증착은 상기 제2 금속 화합물 증착의 경우와 실질적으로 동일하게 이루어질 수 있다.
상기 S630 단계 및 S640 단계를 번갈아 반복적으로 수행하여 상기 제1 복합막 상에 목적하는 두께를 갖고 상기 제3 금속 화합물 및 제4 금속 화합물을 포함하는 제2 복합막을 형성한다. (단계 S650)
도 30은 본 발명의 실시예들에 의해 형성된 티타늄 질화막을 포함하는 반도체 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 30을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에는 다수의 전계 효과 트랜지스터들(20)이 형성되어 있으며, 상기 트랜지스터들(20) 상에는 비트 라인 구조물(30)이 형성되어 있으며, 상기 비트 라인 구조물(30) 상에는 데이터 저장을 위한 커패시터 들(40)이 형성되어 있다.
상기 트랜지스터들(20) 중 셀 영역에 위치된 일부는 상기 비트 라인 구조물(30) 및 상기 커패시터들(40)과 전기적으로 연결되며, 각각의 커패시터들(40)은 하부 전극과 유전막 및 상부 전극을 포함한다. 또한, 상기 트랜지스터들(20) 중 다른 일부는 신호 전달을 위한 금속 배선 구조물들(50)과 콘택 플러그(60)를 통하여 연결되어 있으며, 상기 금속 배선 구조물들(50)은 커패시터들(40)의 상부에 형성된다.
상세히 도시되지는 않았으나, 상기와 같은 구조물들은 층간 절연막들(70)에 의해 전기적으로 절연되며, 다양한 단위 공정들을 반복적으로 수행함으로써 형성될 수 있다.
특히, 상기 커패시터들(40)의 하부 전극들(42)과 상부 전극들(44)은 본 발명의 실시예들에 따른 금속 화합물 증착 방법들과 장치들을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 유전막(46)이 고유전 물질을 포함하는 경우, 상대적으로 낮은 온도에서 상대적으로 작은 유량의 TiCl4 가스를 이용하므로 상기 고유전 물질과 할로겐 원소 사이의 반응을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 유전막(46)의 전류 누설 특성을 개선할 수 있으며, 상기 하부 전극(42) 및 상부 전극(44)의 비저항을 개선할 수 있다.
상기 비트 라인 및 금속 배선과 같은 도전성 구조물들(30, 50)과 상기 층간 절연막(70) 사이에는 금속 장벽막들(32, 52)이 형성되어 있으며, 상기 금속 장벽막 들(32, 52)은 본 발명의 실시예들에 따른 금속 화합물 증착 방법들과 장치들을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 금속 장벽막들(32, 52)은 상대적으로 낮은 온도에서 형성되므로 기판(10) 상의 하부 구조물들에 대한 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다. 또한, 비트 라인 및 금속 배선 구조물들(30, 50)과 하부 구조물들 사이에서 전기 저항을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 콘택 플러그(60)는 하부의 트랜지스터 구조물(20)과 상부의 금속 배선 구조물(50)을 전기적으로 연결하며, 본 발명의 실시예들에 따른 금속 화합물 증착 방법들과 장치들을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 콘택 플러그(60)는 상대적으로 낮은 온도에서 형성되므로 기판(10) 상의 하부 구조물들에 대한 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다. 또한, 비트 라인 및 금속 배선 구조물들(30, 50)과 하부 구조물들 사이에서 전기 저항을 감소시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명 실시예들에 따르면, 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 이용하여 제1 금속 화합물을 증착하고, 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량을 조절하여 상기 제1 금속 화합물 상에 연속적으로 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 제1 금속 화합물 및 제2 금속 화합물에 포함된 원치 않는 물질을 제거한다. 따라서, 금속 화합물 막의 비저항을 낮출 수 있으며, 종래의 ALD 방법 및 SFD 방법에 비하여 공정 시간을 크게 단축시킬 수 있으므로 금속 화합물 증착 장치의 쓰루풋이 크게 향상될 수 있다.
또한, 금속 화합물 증착 공정을 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 수행하므 로 하부 구조물에 대한 열적 스트레스를 감소시킬 수 있으며, 금속 화합물 막의 단차 피복성을 크게 개선할 수 있다.
특히, 하부막이 고유전 물질을 포함하는 경우, 상대적으로 낮은 온도에서 소스 가스들의 공급 유량을 조절함으로써 상기 고유전 물질과 소스 가스의 할로겐 원소 사이의 반응을 억제할 수 있으며, 이에 따라 하부막을 통한 전류 누설을 크게 억제할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 실시예들에 의해 증착된 금속 화합물 막은 다수의 금속 화합물이 반복적으로 적층된 복합막의 형태를 가지므로, 후속하는 식각 공정에서 식각액의 침투를 억제할 수 있다. 따라서, 하부막에 대한 식각 손상을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (46)

  1. 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질(unwanted material)을 제거하는 단계를 포함하는 금속 화합물 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 소스 가스는 TiCl4를 포함하고, 상기 제2 소스 가스는 NH3를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 소스 가스에 대한 상기 제2 소스 가스의 제1 유량비는 0.5 내지 10이고, 상기 제1 소스 가스에 대한 상기 제2 소스 가스의 제2 유량비는 100 내지 1000인 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서 공급되는 상기 제1 소스 가스의 유량은 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계에서 공급되는 상기 제1 소스 가스의 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계에서 공급되는 상기 제2 소스 가스의 유량은 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서 공급되는 상기 제2 소스 가스의 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제2 소스 가스의 공급 유량에 대한 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제2 소스 가스의 공급 유량의 제3 유량비는 10 내지 100인 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물은 400℃ 내지 600℃의 온도에서 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물은 0.1Torr 내지 2.5Torr의 압력에서, 그리고 400℃ 내지 700℃의 온도에서 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  9. 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 공정 챔버 내에 위치된 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 제2 소스 가스의 공급 유량을 증가시켜 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 증가된 공급 유량을 갖는 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하는 단계를 포함하는 금속 화합물 증착 방법.
  10. 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하는 단계;
    상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착하는 단계;
    상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제3 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하는 단계; 및
    상기 제3 유량비와 다른 제4 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착하는 단계를 포함하는 금속 화합물 증착 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 소스 가스는 TiCl4를 포함하고, 상기 제2 소스 가스는 NH3를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서 상기 제1 소스 가스의 공급 유량은 상기 제2 소스 가스의 공급 유량보다 작은 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 소스 가스에 대한 상기 제2 소스 가스의 제1 유량비는 2 내지 10인 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제1 소스 가스의 공급 유량은 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제1 소스 가스의 공급 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 동안 표면 반응에 의한 증착율은 물질 전달에 의한 증착율과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 소스 가스에 대한 상기 제2 소스 가스의 제2 유 량비는 100 내지 1000인 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제2 소스 가스의 공급 유량은 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제2 소스 가스의 공급 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제2 소스 가스의 공급 유량과 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제2 소스 가스의 공급 유량 사이의 비는 1:10 내지 100인 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  19. 제10항에 있어서, 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제1 소스 가스의 유량은 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제1 소스 가스의 유량보다 큰 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  20. 제10항에 있어서, 상기 제1 소스 가스에 대한 상기 제2 소스 가스의 제3 유량비는 0.5보다 크거나 같으며 2보다 작은 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  21. 제10항에 있어서, 상기 제2 유량비는 상기 제4 유량비와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제1 소스 가스의 공급 유량은 상기 제4 금속 화합물을 증착하는 단계에서의 상기 제1 소스 가스의 공급 유량과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  23. 제10항에 있어서, 상기 금속 화합물들은 400℃ 내지 600℃의 온도에서 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  24. 제10항에 있어서, 상기 금속 화합물들은 0.1Torr 내지 2.5Torr의 압력에서, 그리고 400℃ 내지 700℃의 온도에서 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  25. 제10항에 있어서, 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계 및 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계를 순차적으로 반복 수행하여 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물을 포함하는 복합막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 반복 수행 단계는 상기 복합막의 두께가 30Å 내지 100Å의 두께를 갖도록 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 단계 및 상기 제4 금속 화합물을 증착하는 단계를 순차적으로 반복 수행하여 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물을 포함하는 제2 복합막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 복합막 및 상기 제2 복합막은 커패시터의 하부 전극 또는 상부 전극으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 복합막 및 상기 제2 복합막은 반도체 장치의 절연막과 금속 배선 사이에서 금속 장벽막으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 복합막 및 상기 제2 복합막은 반도체 장치의 하부 구조물과 상부 구조물을 전기적으로 연결하는 플러그로서 기능하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  31. 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 공정 챔버 내에 위치된 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하는 단계;
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착하는 단계;
    상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 증착하는 단계를 포함하는 금속 화합물 증착 방법.
  32. 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하여 공정 챔버 내에 위치된 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하는 단계;
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제1 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하는 단계;
    상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 공급하여 제2 금속 화합물을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제2 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량을 갖는 제2 소스 가스를 공급하여 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하는 단계를 포함하는 금속 화합물 증착 방법.
  33. 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 제1 유량 및 제2 유량으로 각각 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하는 단계;
    상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 작은 제3 유량 및 상기 제2 유량보다 큰 제4 유량으로 각각 공급하여 상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하는 단계;
    상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 큰 제5 유량 및 상기 제2 유량과 같거나 작은 제6 유량으로 각각 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 상기 제3 유량과 실질적으로 동 일한 제7 유량 및 상기 제4 유량과 실질적으로 동일한 제8 유량으로 각각 공급하여 상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하는 단계를 포함하는 금속 화합물 증착 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제1 유량에 대한 상기 제2 유량의 비는 2 내지 10이고, 상기 제3 유량에 대한 상기 제4 유량의 비는 100 내지 1000이고, 상기 제5 유량에 대한 상기 제6 유량의 비는 0.5 내지 2인 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 방법.
  35. 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 금속 화합물 증착을 위한 챔버 내부로 제1 유량 및 제2 유량으로 각각 공급하여 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하는 단계;
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고, 제2 소스 가스를 상기 제2 유량보다 큰 제3 유량으로 공급하여 상기 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제3 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하는 단계;
    상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 큰 제4 유량 및 상기 제2 유량과 같거나 작은 제5 유량으로 각각 공급하여 상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고, 상기 제2 소스 가스를 상기 제3 유량과 실질적으로 동일한 제6 유량으로 공급하여 상기 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제6 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의한 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하는 단계를 포함하는 금속 화합물 증착 방법.
  36. 기판을 수용하며, 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버;
    상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제1 유량 조절 수단; 및
    상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하기 위하여 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제2 유량 조절 수단을 포함하는 금속 화합물 증착 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제1유량 조절 수단은 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 상기 제1 유량비로 조절하기 위한 제1 질량 유량 제어기와 제2 질량 유량 제어기를 포함하며, 상기 제2 유량 조절 수단은 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 상기 제2 유량비로 조절하기 위한 제3 질량 유량 제어기와 제3 질량 유량 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 공정 챔버의 상부에 배치되어 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 기판 상으로 균일하게 공급하기 위한 샤워 헤드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 가스 공급부는 상기 제1 소스 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급부와 상기 제2 소스 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급부를 포함하며, 다수의 배관들에 의해 상기 샤워 헤드에 연결되고, 상기 다수의 배관들은,
    상기 제1 소스 가스를 공급하기 위하여 상기 샤워 헤드와 연결된 제1 배관;
    상기 제2 소스 가스를 공급하기 위하여 상기 샤워 헤드와 연결된 제2 배관;
    상기 제1 배관과 상기 제1 가스 공급부를 연결하는 제1 분기 배관 및 제2 분기 배관;
    상기 제2 배관과 상기 제2 가스 공급부를 연결하는 제3 분기 배관 및 제4 분 기 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 분기 배관들과 각각 연결되어 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 각각 우회시키기 위한 다수의 우회 배관들과, 상기 분기 배관들 및 우회 배관들에 각각 설치된 다수의 연동 밸브들을 더 포함하며,
    상기 연동 밸브들은,
    상기 제1 분기 배관과 제3 분기 배관을 통하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스가 상기 제1 유량비로 공급되는 동안 상기 제2 분기 배관과 제4 분기 배관을 통하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제2 유량비로 우회되도록 동작하며,
    상기 제2 분기 배관과 제4 분기 배관을 통하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스가 상기 제2 유량비로 공급되는 동안 상기 제1 분기 배관과 제3 분기 배관을 통하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량비로 우회되도록 동작하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 증착 장치.
  41. 기판을 수용하며, 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버;
    상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착 율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제1 유량 조절 수단; 및
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 제2 소스 가스의 공급 유량을 증가시켜 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 증가된 공급 유량을 갖는 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하기 위한 제2 유량 조절 수단을 포함하는 금속 화합물 증착 장치.
  42. 기판을 수용하며, 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버;
    상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제1 유량 조절 수단;
    상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제2 유량 조절 수단;
    상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소 스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제3 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제3 유량 조절 수단; 및
    상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제3 유량비와 다른 제4 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제4 유량 조절 수단을 포함하는 금속 화합물 증착 장치.
  43. 기판을 수용하며, 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버;
    상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제1 유량 조절 수단;
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제1 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량으로 상기 제2 소스 가스의 공급 유량으로 조절하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착하기 위한 제2 유량 조절 수단;
    상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소 스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제3 유량 조절 수단; 및
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제3 금속 화합물을 증착하는 단계보다 증가된 유량으로 상기 제2 소스 가스의 공급 유량을 조절하여 상기 공정 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스의 반응에 의한 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 증착하기 위한 제4 유량 조절 수단을 포함하는 금속 화합물 증착 장치.
  44. 기판을 수용하며, 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버;
    상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속을 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 표면 반응에 의한 증착율이 물질 전달에 의한 증착율보다 큰 제1 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제1 유량 조절 수단;
    상기 제1 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하기 위하여 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제1 금속 화합물을 증착하기 위한 제2 소스 가스보다 증가된 유량으로 상기 제2 소스 가스의 공급 유량을 조절하는 제2 유량 조절 수단;
    상기 제1금속 화합물 상에 제2금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스에 의한 표면 반응이 이루어지도록 상기 제1 유량비와 다른 제2 유량비로 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 공급 유량들을 조절하는 제3 유량 조절 수단; 및
    상기 제2 금속 화합물로부터 원치 않는 물질을 제거하기 위하여 상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고 상기 제2 금속 화합물을 증착하기 위한 제2 소스 가스보다 증가된 유량으로 제2 소스 가스의 공급 유량을 조절하는 제4 유량 조절 수단을 포함하는 금속 화합물 증착 장치.
  45. 기판을 수용하며, 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버;
    상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 조절하는 제1 유량 조절 수단;
    상기 제1 금속 화합물 상에 제2 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물과 상기 제2 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 작은 제3 유량 및 상기 제2 유량보다 큰 제4 유량으로 각각 조절하는 제2 유량 조절 수단;
    상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 유량보다 큰 제5 유량 및 상기 제2 유량과 같거나 작은 제6 유량으로 각각 조절하는 제3 유량 조절 수단; 및
    상기 제3 금속 화합물 상에 제4 금속 화합물을 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물과 상기 제4 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스를 상기 제3 유량과 실질적으로 동일한 제7 유량 및 상기 제4 유량과 실질적으로 동일한 제8 유량으로 각각 조절하는 제4 유량 조절 수단을 포함하는 금속 화합물 증착 장치.
  46. 기판을 수용하며, 상기 기판 상에 금속 화합물을 증착하기 위한 공정 챔버;
    상기 기판 상에 상기 금속 화합물을 증착하기 위하여 금속 및 할로겐 원소를 포함하는 제1 소스 가스와 상기 금속과 결합 가능한 물질 및 상기 할로겐 원소와 결합 가능한 물질을 포함하는 제2 소스 가스를 공급하기 위한 가스 공급부;
    상기 기판 상에 제1 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 각각 제1 유량 및 제2 유량으로 조절하는 제1 유량 조절 수단;
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고, 상기 제2 소스 가스의 공급 유량을 상기 제2 유량보다 큰 제3 유량으로 조절하여 상기 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제3 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의한 제2 금속 화합물을 상기 제1 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제1 금속 화합물 및 상기 제2 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하기 위한 제2 유량 조절 수단;
    상기 제2 금속 화합물 상에 제3 금속 화합물을 증착하기 위하여 상기 제1 소스 가스와 상기 제2 소스 가스를 상기 제1 유량보다 큰 제4 유량 및 상기 제2 유량과 같거나 작은 제5 유량으로 각각 조절하는 제3 유량 조절 수단; 및
    상기 제1 소스 가스의 공급을 감소 또는 중단시키고, 상기 제2 소스 가스의 공급 유량을 상기 제3 유량과 실질적으로 동일한 제6 유량으로 조절하여 상기 챔버 내부에 잔류하는 제1 소스 가스와 상기 제6 유량으로 공급된 제2 소스 가스의 반응에 의한 제4 금속 화합물을 상기 제3 금속 화합물 상에 증착함과 동시에 상기 제3 금속 화합물 및 상기 제4 금속 화합물로부터 할로겐 원소를 제거하기 위한 제4 유량 조절 수단을 포함하는 금속 화합물 증착 장치.
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