KR100621765B1 - 반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막형성장치 - Google Patents

반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막형성장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 프로세스 가스 및 퍼징 가스를 일정 온도로 미리 가열하여 공급함으로써 형성하고자 하는 박막의 구성 원소를 함유하고 있는 반응물을 원활하게 공급 및 제거할 수 있는 반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막 형성장치가 개시된다. 상기 박막 형성방법은 미리 가열되어 공급되는 제1 가스에 의하여 버블링된 제1 반응물을 챔버에 공급하여 기판 상에 상기 제1 반응물을 화학흡착시키는 단계와, 상기 챔버를 퍼징하여 상기 제1 반응물이 화학흡착된 결과물 상의 부산물을 제거하는 단계와, 상기 챔버에 제2 반응물을 공급하여 제2 반응물을 상기 기판 상에 화학흡착시켜 화학치환에 의하여 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
반도체 소자, 챔버, 박막, 제1 반응물, 제2 반응물, 가열부

Description

반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막 형성장치{Method for forming thin film in semiconductor device and apparatus thereof}
도 1 내지 도 4는 종래의 기술에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성방법을 보여주는 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성장치를 개략적으로 보여주는 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성장치를 개략적으로 보여주는 도면
도 7은 본 발명에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 스텝 커버러지를 보여주는 그래프
도 8a는 종래의 기술에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 두께를 보여주는 그래프
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도 8b는 종래의 기술에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 레인지를 보여주는 그래프
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 두께를 보여주는 그래프
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 레인지를 보여주는 그래프
<도면의 주요부분들에 대한 참조 부호들의 설명>
100 : 챔버 102 : 히터
104 : 기판 106 : 샤워 헤드
110 : 제1 반응물 공급부 115 : 제1 가스라인
120 : 제2 반응물 공급부 125 : 제2 가스라인
130 : 가스 공급부 135 : 제3 가스라인
140 : 펌프 145 : 제4 가스라인
155 : 제5 가스라인 165 : 제6 가스라인
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 방법을 사용하여 반도체 소자 제조시 필요한 박막 형성방법 및 그에 따른 박막 형성장치에 관한 것이다.
일반적으로, 박막은 반도체 소자의 유전막, 액정 표시 소자의 투명한 도전체 및 전자발광 박막 표시장치(electroluminescent thin film display)의 보호층 등으 로 다양하게 사용된다. 특히, 반도체 소자의 유전막으로 쓰이는 박막은 높은 커패시턴스를 확보하고 누설 전류를 억제하기 위하여 유전막 내부 및 계면에서 불순물 또는 결함이 없어야 한다. 또한, 형성된 박막의 스텝 커버리지(step coverage) 및 균일도(uniformity)가 좋아야 한다.
그러나, 통상의 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition, 이하 “CVD”) 또는 물리기상증착(PVD: Physical Vapor Deposition) 방법 등을 이용하여 박막을 형성하면 우수한 스텝 커버리지를 얻기가 어렵다. 다만, 통상의 화학기상증착(CVD) 방법에 있어서는, 서피스 카이네틱 모드(surface kinetic mode)를 활용하는 증착 공정에 의하여 비교적 우수한 스텝 커버리지를 갖는 유전막을 얻을 수는 있으나, 유전막 증착에 필요한 반응물들이 기판상에 동시에 전달되므로 특정한 부분에서의 스텝 커버리지를 필요에 따라 조절하기가 어렵다.
최근에, 상기와 같은 문제를 극복하기 위하여, 박막을 형성할 기판 표면에 반응물들을 주기적으로 공급하여 서피스 카이네틱 영역을 활성화시킴으로써 전체적으로 우수한 스텝 커버리지를 얻을 수 있는 박막 형성방법들이 제안되었다. 이들 방법으로는, 예컨대 원자층 증착(ALD), 사이클릭 화학기상증착(Cyclic CVD), 디지털 화학기상증착(Digital CVD), 어드밴스드 화학기상증착(Advanced CVD) 등과 같은 방법이 있다.
또한, 반도체 소자 제조시 필요한 박막을 형성하기 위하여 벌크 상태에서 우수한 특성을 제공하는 박막 재료를 반도체 소자의 제조 공정에 도입하기 위하여는 박막으로 형성된 후에도 그 물질의 우수한 특성을 유지시킬 수 있는 박막 제조 기 술이 필요하다. 그러나, 상기 방법들을 이용하여 박막을 제조하는 경우, 반응물을 구성하는 케미칼 리간드(chemical ligand)에 함유되어 있는 불필요한 원자가 박막 내에 잔류하여 불순물로 되거나 기판 표면에서 파티클을 유발시키는 원인이 된다. 박막 제조 과정에서 발생되는 부산물은 박막 내의 불순물 또는 파티클을 콘트롤하는 데 큰 영향을 준다.
상기 언급된 박막 형성 기술들에서는 박막 재료로서 필요한 원소를 높은 증기압 상태로 박막이 형성된 기판상에 전달한다. 따라서, 일반적으로 기판상에 필요한 요소만을 전달하는 것이 아니라 유기금속 전구체(metalorganic precursor), 금속 할로겐화물 (metal halides) 등과 같은 형태의 반응물로 증기를 기판 상에 전달한다. 형성하고자 하는 박막 내의 불순물을 최소화하기 위하여, 상기와 같이 기판상에 전달되는 반응물 중에서 금속 원소와 유기 리간드 (organic ligand) 또는 할로겐화물(halides)은 화학기상증착(CVD) 방법에서는 분해(decomposition)에 의하여 제거되지만, 원자층 증착(ALD) 방법에서는 화학치환(chemical exchange)에 의하여 제거된다. 즉, 원자층 증착(ALD) 방법에서는 필요한 소스 가스들이 반응 챔버 내에서 혼합되지 않고 한 종류씩 펄스(pulse) 방식으로 유입된다. 예컨대, 제1 반응물 및 제2 반응물을 사용하여 박막을 형성하는 경우에는, 먼저 반응 챔버 내에 제1 반응물만을 유입시켜서 기판 상에 상기 제1 반응 가스를 화학흡착(chemisorption)시키고, 이 후 제2 반응물을 반응 챔버 내에 공급하여 상기 제2 반응물을 기판상에 화학흡착시키는 방법에 의하여 원자층으로 이루어지는 박막을 형성한다. 이와 같이, 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법은 미국특허 제6620670호에 “PROCESS CONDITIONS AND PRECURSORS FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION(ALD) OF Al2O3”의 제목하에 개시되어 있다.
도 1 내지 도 4는 종래의 기술에 따른 원자층 증착법을 사용하여 기판 상에 박막을 형성하는 방법을 보여주는 도면으로서, 이를 참조하여 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 1에서 보여지는 바와 같이, 화합물 AXn(g)의 제1 반응물이 챔버 내에 로딩된 반도체 기판 상에 공급된다. 상기 A는 증착하고자 하는 박막을 이루는 제1 물질을 의미하며, 상기 Xn은 A물질과 화학적으로 결합된 물질을 의미한다. 이때, AXn의 제1 반응물은 버블링되어 가스라인을 통해서 챔버에 가스상태로 공급된다. 상기 공급된 AXn의 제1 반응물은 반도체 기판(10)의 표면에 화학적으로 흡착된다.
이어서, 도 2에서 보여지는 바와 같이, 상기 챔버 내에 퍼징(purging) 또는 펌핑(pumping) 공정을 진행하여 상기 반도체 기판 상에 화학흡착된 AXn(s)만이 잔류되도록 한다. 따라서, 챔버 내에 부유하거나 상기 반도체 기판(10) 상에 물리적으로 흡착된 부산물들은 챔버 외로 배출된다.
다음으로, 도 3에서 보여지는 바와 같이, 화합물 BYn(g)의 제2 반응물이 챔버 내에 공급된다. 상기 B는 증착하고자 하는 박막을 이루는 제2 물질을 의미하며, 상기 Yn은 B물질과 화학적으로 결합된 물질을 의미한다. 이때, BYn의 제2 반응물은 버블링되어 별도의 가스라인을 통해서 챔버에 가스상태로 공급된다. 상기 공급된 BYn의 제2 반응물는 상기 반도체 기판(10) 상에 화학적으로 흡착되어 화학치환에 의하여 AB(s)의 박막이 형성되도록 한다.
이어서, 도 4에서 보여지는 바와 같이, 상기 챔버 내에 퍼징(purging) 또는 펌핑(pumping) 공정을 진행하여 상기 반도체 기판 상에 형성된 AB(s)의 박막만이 잔류되도록 한다. 챔버 내에 부유하거나 물리적으로 흡착된 부산물들은 챔버 외로 배출된다. 따라서, 반도체 기판 상에는 화학적으로 흡착된 박막의 단일층, 즉 AB(s)로 이루진 단일층이 형성된다. 도 1 내지 도 4의 과정을 하나의 사이클로 하여 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 복수회 반복된다.
상술한 바와 같이, 반응물이 버블링되어 공급되는 경우에는 반응물의 증기압에 따라 형성되는 막의 특성이 변하게 되므로 반응물이 충분히 공급되기 위하여는 반응물을 가열시켜야 한다. 특히, 증기압이 매우 낮은 고유전 물질, 예컨대 HfO2, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Nb2O5, CeO2 , In2O3, RuO2 또는 IrO2 등을 사용하여 박막을 형성하는 경우에는 장시간 가열이 필수적인데, 반응물을 장시간 가열하게 되면 반응물의 관리가 어렵게 되고, 반응물이 변질되는 문제가 발생된다. 또한, 반응물의 공급시간 및 제거시간이 증가함으로써 반도체 수율을 저감시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 반응물의 버블링에 사용되는 프로세스 가스를 일정 온도로 미리 가열하여 공급함으로써 반응물의 가열효과를 상승시켜 반응물의 공급량을 증가시킬 수 있는 반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막 형성장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 챔버 내의 잔류 부산물 제거에 사용되는 퍼징 가스를 일정 온도로 가열하여 공급함으로써 퍼징효과를 높일 수 있는 반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막 형성장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 프로세스 가스 및 퍼징 가스를 일정 온도로 미리 가열하여 공급함으로써 형성하고자 하는 박막의 구성 원소를 함유하고 있는 반응물을 원활하게 공급 및 제거할 수 있는 반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막 형성장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성방법은 미리 가열되어 공급되는 제1 가스에 의하여 버블링된 제1 반응물을 챔버에 공급하여 기판 상에 상기 제1 반응물을 화학흡착시키는 단계와, 상기 챔버를 퍼징하여 상기 제1 반응물이 화학흡착된 결과물 상의 부산물을 제거하는 단계와, 상기 챔버에 제2 반응물을 공급하여 제2 반응물을 상기 기판 상에 화학흡착시켜 화학치환에 의하여 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 박막을 형성한 후에, 상기 챔버를 퍼징하여 상기 박막이 형성된 결과물 상의 부산물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 제1 가스는 제1 가열부를 통하여 미리 가열되어 공급되고, 상기 퍼징 공정은 제1 가열부를 통하여 미리 가열된 퍼징 가스가 상기 챔버에 공급되어 진행되며, 상기 챔버에 공급되는 제2 반응물은 제2 가열부를 통하여 미리 가열된 제2 가스에 의하여 버블링되어 공급된다. 상기 제1, 2 가열부는 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER), 코일 히터(COIL HEATER), 밴드 히터(BAND HEATER), 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 및 리본 히터(RIBBON HEATER )로 이루어진 히터군에서 선택된 어느 하나의 히터로 구성된다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성장치는 기판이 로딩되는 챔버와, 상기 챔버에 제1 반응물을 공급하는 제1 반응물 공급부와, 상기 챔버와 상기 제1 반응물 공급부를 연결하는 제1 가스라인과, 상기 챔버에 제2 반응물을 공급하는 제2 반응물 공급부와, 상기 챔버와 상기 제2 반응물 공급부를 연결하는 제2 가스라인과, 상기 챔버, 제1 반응물 공급부 및 제2 반응물 공급부에 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 제1 반응물 공급부와 상기 가스 공급부를 연결하고, 상기 프로세스 가스를 가열하는 제1 가열부를 포함하는 제3 가스라인과, 상기 제2 반응물 공급부와 상기 가스 공급부를 연결하는 제4 가스라인과, 상기 챔버와 상기 가스 공급부를 연결하는 제5 가스라인을 포함한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성장치는 버블링된 제1 반응물과 제2 반응물을 순차적으로 화학흡착시켜 화학치환에 의하여 기판 상에 박막을 형성하는 박막 형성장치에 있어서, 상기 제1 반응물을 버블링하기 위하여 공급되는 프로세스 가스를 미리 가열하는 제1 가열부를 더 포함한다. 또한, 상기 제1 반응물 또는 제2 반응물을 화학흡착시킨 후, 잔류 부산물을 제거하는 퍼징 공정을 진행하기 위하여 공급되는 퍼징 가스를 미리 가열하는 제3 가열부를 더 포함한다. 또한, 상기 제2 반응물을 버블링하기 위하여 공급되는 프로세스 가스를 미리 가열하는 제2 가열부를 더 포함한다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다양한 실시예에서의 설명들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명의 보다 철저한 이해를 돕기 위한 의도 이외에는 다른 의도없이 예를 들어 도시되고 한정된 것에 불과하므로, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 사용되어서는 아니될 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성장치를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 이를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성장치의 구조 및 박막 형성방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성장치의 구조를 살펴보면, 크게 기판이 로딩되는 챔버(100)와, 상기 챔버(100)에 제1 반응물을 공급하는 제1 반응물 공급부(110)와, 상기 챔버(100)에 제2 반응물을 공급하는 제2 반응물 공급부(120)와, 상기 챔버(100), 제1 반응물 공급부(110) 및 제2 반응물 공급부(120)에 프로세스 가스(process gas)를 공급하는 가스 공급부(130)와, 상기 챔버 내의 잔류 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 동작을 수행하는 펌프(140)를 포함한다. 또한, 상기 챔버(100)와 상기 제1 반응물 공급부(110)를 연결하는 제1 가스라인(115)과, 상기 챔버(100)와 상기 제2 반응물 공급부(120)를 연결하는 제2 가스라인(125)과, 상기 제1 반응물 공급부(110)와, 상기 가스 공급부(130)를 연결하는 제3 가스라인(135)과, 상기 제2 반응물 공급부(120)와 상기 가스 공급부(130)를 연결하는 제4 가스라인(145)과, 상기 챔버(100)와 상기 가스 공급부(130)를 연결하는 제5 가스라인(155)과, 상기 챔버(100)와 펌프(140)를 연결하는 제6 가스라인(165)을 포함한다.
상기 가스 공급부(130)는 상기 제1 반응물 공급부(110)와 연결된 제3 가스라인(135)을 통하여 가열된 프로세스 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar) 등과 같은 불활성 가스를 상기 제1 반응물 공급부(110)에 제공한다. 상기 제3 가스라인(135)은 프로세스 가스를 효과적으로 가열하기 위하여 충분한 길이를 갖도록 형성될 수 있고, 코일형으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제3 가스라인(135)은 프로세스 가스를 가열할 수 있는 제1 가열부를 포함한다. 상기 제1 가열부는 예컨대, 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER), 밴드 히터(BAND HEATER) 또는 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 등의 히터로 형성될 수 있다. 또한, 상기 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER) 또는 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER)를 상기 코일형의 제3 가스라인(135)에 감은 형태의 코일 히터(COIL HEATER) 또는 리본 히터(RIBBON HEATER) 등으로 형성될 수 있다. 상기 제3 가스라인(135)은 상기 제1 반응물 공급부(110)에 제공되는 프로세스 가스를 제어할 수 있는 제어 밸브(133)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부(130)는 상기 챔버(100) 내의 잔류 부산물을 제거하기 위한 퍼징 공정을 수행하기 위하여 상기 챔버(100)와 연결된 제5 가스라인(155)을 통하여 프로세스 가스, 즉 아르곤 가스(Ar) 또는 질소 가스(N2) 등과 같은 불활성 가스인 퍼징 가스(pruging gas)를 상기 챔버(100)에 제공한다. 상기 제5 가스라인(155)은 상기 제3 가스라인(135)과 마찬가지로 퍼징 가스를 가열하여 상기 챔버(100)에 제공할 수 있다. 상기 퍼징 가스를 가열하여 챔버(100)에 제공할 경우에는 상기 제5 가스라인(155)은 퍼징 가스를 효과적으로 가열하기 위하여 충분한 길이를 갖도록 형성될 수 있고, 코일형으로 형성될 수 있으며, 제3 가열부를 포함할 수 있다. 상기 제3 가열부는 예컨대, 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER), 밴드 히터(BAND HEATER) 또는 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 등의 히터로 형성될 수 있다. 또한, 상기 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER) 또는 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER)를 상기 코일형의 제5 가스라인(155)에 감은 형태의 코일 히터(COIL HEATER) 또는 리본 히터(RIBBON HEATER) 등으로 형성될 수 있다. 상기 제5 가스라인(155)은 상기 챔버(100)에 제공되는 퍼징 가스를 제어할 수 있는 제어 밸브(153a, 153b)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부(130)는 상기 제2 반응물 공급부(120)와 연결된 제4 가스라인(145)을 통하여 프로세스 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar) 등과 같은 불활성 가스를 상기 제2 반응물 공급부(120)에 제공한다. 상기 제4 가스라인(145)은 상기 제3 가스라인(135)과 마찬가지로 프로세스 가스를 가열하여 상기 제2 반응물 공급부(120)에 제공할 수 있다. 또한, 상기 제4 가스라인(145)은 상기 제2 반응물 공급부(120)에 제공되는 프로세스 가스를 제어할 수 있는 제어 밸브(143)를 포함할 수 있다.
상기 제1 반응물 공급부(110)는 상기 제3 가스라인(135)을 통하여 미리 가열된 프로세스 가스를 제공받아 액체상태의 제1 반응물(117)을 버블링(bubbling), 즉 가스상태로 변경시킨 후, 제1 가스라인(115)을 통하여 제1 반응 가스를 챔버(100)에 제공한다. 상기 제1 반응물(117)은 박막의 종류에 따라 달라지며, 형성하고자 하는 박막의 구성 원소 및 화학 리간드를 포함한다. 또한, 제1 반응 가스로는, 예컨대 TEMAH(Tetrakis Ethyl Methyl Amino Hafnium), TiCl4, TDMAT(Tetrakis DeMethyl Amino Titanium), TDEAT(Tetrakis DeEthyl Amino Titanium), TMA(TriMethyl Aluminum), TEA(TriEthyl Aluminum) 등이 제공될 수 있다. 상기 제1 가스라인(115)은 상기 챔버(100)에 제공되는 제1 반응 가스 및 퍼징 가스를 제어할 수 있는 제어 밸브(111, 113)를 포함할 수 있다.
상기 제2 반응물 공급부(120)는 상기 제4 가스라인(145)을 통하여 프로세스 가스를 제공받아 액체상태의 제2 반응물(127)을 버블링(bubbling), 즉 가스상태로 변경시킨 후 제2 가스라인(125)을 통하여 제2 반응 가스를 챔버(100)에 제공한다. 상기 제2 반응 가스는 산화제로서 H2O, H2O2, O2 또는 O3 , 수산화기 제거를 위한 플라즈마 가스로서 NH3, N2, O2 또는 N2O 등이 제공될 수 있다. 상기 제2 가스라인(125)은 상기 챔버(100)에 제공되는 제2 반응 가스 및 퍼징 가스를 제어할 수 있는 제어 밸브(121, 123)를 포함할 수 있다.
상기 챔버(100)는 챔버 내의 온도를 유지시키는 히터(102) 및 챔버에 공급되는 가스들을 챔버 내에 주입하는 샤워 헤드(106)를 포함한다. 상기 히터(102)는 상기 챔버에 로딩된 기판(104)의 온도를 약 150℃ 내지 375℃ 정도로 유지되도록 동작되며, 상기 샤워 헤드(106)는 챔버에 공급되는 가스들을 약 0.1sec 내지 10sec 정도 동안 챔버 내에 주입되도록 동작된다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 살펴보면, 챔버에 기판(104)이 로딩된 후, 히터(102)를 이용하여 상기 기판(104)이 일정 온도로 유지되도록 한다. 이어서, 가열수단을 포함하는 제3 가스라인(135)을 통하여 일정 온도로 가열된 프로세스 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar)가 제1 반응물 공급부에 공급되어 액체상태의 제1 반응물(117)을 가스상태로 변환시킨 후, 상기 제1 가스라인에 부착된 제어 밸브(111, 113)를 선택적으로 작동시켜 제1 가스라인(115) 및 샤워 헤드(106)를 통하여 상기 제1 반응 가스가 챔버 내에 주입된다. 그 결과로서, 챔버(100) 내에 공급된 제1 반응 가스는 기판(104) 상에 화학흡착되거나 화학흡착된 제1 반응물 상에 물리흡착된다.
이어서, 상기 챔버(100)와 가스 공급부(130)를 연결하는 제5 가스라인(155)에 부착된 제어밸브(153a 또는 153b)를 동작시켜 가열수단을 포함하는 제5 가스라인(155)을 통하여 일정 온도로 가열된 퍼징 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar) 또는 질소 가스(N2)가 챔버(100)에 공급되어 챔버 내에 부유하거나 기판 상에 물리흡착된 부산물들이 챔버 외로 배출된다. 상기 부산물을 제거하기 위하여 퍼지 공정 대신 펌프(140)에 의한 펌핑(pumping) 공정이 사용될 수도 있다.
다음으로, 제4 가스라인(145)을 통하여 프로세스 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar)가 제2 반응물 공급부(120)에 공급되어 액체상태의 제2 반응물(127)을 가스상태로 변환시킨 후, 상기 제2 가스라인에 부착된 제어 밸브(121, 123)를 선택적으로 작동시켜 제2 가스라인(125) 및 샤워 헤드(106)를 통하여 상기 제2 반응 가스가 챔버 내에 주입된다. 그 결과로서, 챔버 내에 공급된 제2 반응 가스는 상기 기판 상에 화학흡착되거나 화학흡착된 제1 반응물 및 제2 반응물 상에 물리흡착된다. 또한, 상기 화학흡착된 제1 반응물과 제2 반응물은 화학치환 방법에 의하여 기판 상에 고체 박막을 형성한다. 상기 제4 가스라인(145)에 가열수단이 포함된 경우에는 상기 제2 반응물 공급부(120)에 가열된 프로세스 가스가 공급될 수 있다.
상기 고체 박막은 단원자 박막, 단원자 산화물, 복합 산화물, 단원자 질화막 또는 복합 질화막 등으로 형성될 수 있다. 상기 단원자 박막은, 예컨대 Ti, Ta, Ru, Ir, Rh, Mo, Al, Cu, Pt, W 또는 Ag 등으로 형성될 수 있으며, 상기 단원자 산화물은, 예컨대 HfO2, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Nb2O5, CeO2, In2O3, RuO2, IrO2 및 Al2O3로 형성될 수 있다. 또한, 상기 복합 산화물은 SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb.La)(Zr,Ti)O3, (Sr,Ca)RuO3, Sn이 도핑된 In2O3, Fe가 도핑된 In2O3 및 Zr이 도핑된 In2O3로 형성될 수 있고, 상기 단원자 질화막은 TiN, TaN, NbN, ZrN, SiN, AlN, GaN, WN 또는 BN으로 형성될 수 있으며, 상기 복합 질화막은 TiSiN, TaSiN, AlTiN, WBN, WSiN 또는 AlSiN으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 챔버(100)와 가스 공급부(130)를 연결하는 제5 가스라인(155)에 부착된 제어밸브(153a 또는 153b)를 동작시켜 가열수단을 포함하는 제5 가스라인(155)을 통하여 일정 온도로 가열된 퍼징 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar)또는 질소 가스(N2)가 챔버(100)에 공급되어 챔버 내에 부유하거나 기판 상에 물리흡착된 부산물들이 챔버 외로 배출된다. 따라서, 기판 상에는 화학적으로 흡착된 박막의 단일층이 마침내 형성된다. 상기 부산물을 제거하기 위하여 퍼지 공정 대신 펌프(140)에 의한 펌핑(pumping) 공정이 사용될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성장치를 개략적으로 보여주는 도면으로서, 이를 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 다만, 전술한 도 5의 박막 형성장치와 동일 또는 유사부분은 이하에서 간략히 설명되므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 다른 실시예에 따른 박막 형성장치의 구조는 크게 기판이 로딩되는 챔버(100)와, 상기 챔버(100)에 제1 반응물을 공급하는 제1 반응물 공급부(110)와, 상기 챔버(100)에 제2 반응물을 공급하는 제2 반응물 공급부(120)와, 상기 챔버(100), 제1 반응물 공급부(110) 및 제2 반응물 공급부(120)에 프로세스 가스(process gas)를 공급하는 가스 공급부(130)와, 상기 챔버(100) 내의 잔류 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 동작을 수행하는 펌프(140)를 포함한다. 또한, 상기 챔버(100)와 상기 제1 반응물 공급부(110)를 연결하는 제1 가스라인(115)과, 상기 챔버(100)와 상기 제2 반응물 공급부(120)를 연결하는 제2 가스라인(125)과, 상기 제1 반응물 공급부(110)와 상기 가스 공급부(130)를 연결하는 제3 가스라인(135)과, 상기 제2 반응물 공급부(120)와 상기 가스 공급부(130)를 연결하는 제4 가스라인(146)과, 상기 챔버(100)와 상기 가스 공급부(130)를 연결하는 제5 가스라인(155)과, 상기 챔버(100)와 펌프(140)를 연결하는 제6 가스라인(165)을 포함한다.
상기 가스 공급부(130)는 상기 제1 반응물 공급부와 연결된 제3 가스라인(135)을 통하여 가열된 프로세스 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar) 등과 같은 불활성 가스를 상기 제1 반응물 공급부(110)에 제공하고, 상기 챔버(100) 내의 잔류 부산물을 제거하기 위한 퍼징 공정을 수행하기 위하여 상기 챔버(100)와 연결된 제5 가스라인(155)을 통하여 프로세스 가스, 즉 아르곤 가스(Ar) 또는 질소 가스(N2) 등과 같은 퍼징 가스를 상기 챔버(100)에 제공한다. 또한, 상기 제2 반응물 공급부와 연결된 제4 가스라인(146)을 통하여 가열된 프로세스 가스, 예컨대 아르곤 가스(Ar) 등과 같은 불활성 가스를 상기 제2 반응물 공급부(120)에 제공한다.
상기 제3 내지 제5 가스라인(135, 146, 155)은 프로세스 가스 또는 퍼징 가스를 효과적으로 가열하기 위하여 충분한 길이를 갖도록 형성될 수 있고, 코일형으로 형성될 수 있으며, 프로세스 가스 또는 퍼징 가스를 가열할 수 있는 제1, 2, 3 가열부를 각각 포함한다. 상기 제1, 2, 3 가열부는 예컨대, 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER), 밴드 히터(BAND HEATER) 또는 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 등의 히터로 형성될 수 있다. 또한, 상기 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER) 또는 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER)를 상기 코일형의 제3 내지 제5 가스라인(135, 146, 155)에 감은 형태의 코일 히터(COIL HEATER) 또는 리본 히터(RIBBON HEATER) 등으로 형성될 수 있다. 상기 제3 내지 제5 가스라인(135, 146, 155)은 프로세스 가스 또는 퍼징 가스를 제어할 수 있는 제어 밸브(133, 143, 153a, 153b)를 각각 포함할 수 있다.
상기 제1 반응물 공급부(110)는 상기 제3 가스라인(135)을 통하여 미리 가열된 프로세스 가스를 제공받아 액체상태의 제1 반응물을 버블링(bubbling), 즉 가스상태로 변경시킨 후, 제1 가스라인(115)을 통하여 제1 반응 가스를 챔버(100)에 제공한다. 또한, 상기 제2 반응물 공급부(120)는 상기 제4 가스라인(146)을 통하여 프로세스 가스를 제공받아 액체상태의 제2 반응물을 버블링(bubbling), 즉 가스상태로 변경시킨 후 제2 가스라인(125)을 통하여 제2 반응 가스를 챔버(100)에 제공한다. 상기 제1 및 제2 가스라인(115, 125)은 상기 챔버(100)에 제공되는 반응 가스 및 퍼징 가스를 제어할 수 있는 제어 밸브(111, 113, 121, 123)를 포함할 수 있다.
상기 챔버(100)는 챔버 내의 온도를 유지시키는 히터(102) 및 챔버에 공급되는 가스들을 챔버 내에 주입하는 샤워 헤드(106)를 포함한다. 상기 히터(102)는 상기 챔버에 로딩된 기판(104)의 온도를 약 150℃ 내지 375℃ 정도로 유지되도록 동작되며, 상기 샤워 헤드(106)는 챔버에 공급되는 가스들을 약 0.1sec 내지 10sec 정도 동안 챔버 내에 주입되도록 동작된다.
도 7은 본 발명에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 스텝 커버리지(step coverage)를 보여주는 그래프로서, 소오스 가스로는 하프늄 아미드(Hafnium Amide) 계열의 화합물 중에서 가장 휘발성이 높은 액체 화합물인 TEMAH를 사용하고, 프로세스 가스로는 80℃로 가열한 아르곤 가스(Ar)를 사용하여 하프늄 옥사이드(HfO2)막을 기판 상에 형성한 실험의 결과를 보여주고 있다. 상기 그래프의 가로축은 웨이퍼의 위치를 나타내고, 세로축은 해당 웨이퍼 위치에서의 바닥부분의 스텝 커버리지를 나타내고 있다. 도 7의 TT는 웨이퍼의 최상부를 나타내고, C는 웨이퍼의 중심을 나타내며, LL은 웨이퍼의 최측면(좌측면)을 나타낸다. 그리고, T는 웨이퍼의 최상부와 중심의 중간지점을 나타내며, CBL은 웨이퍼의 최측면과 중심의 중심지점에서 최하부 방향으로 45°이동한 지점을 나타낸다.
도 7에서 보여지는 바와 같이, 종래의 기술에 따라 가열하지 아니한 프로세스 가스를 공급하여 박막을 형성한 경우에는 TT지점의 바닥부분 스텝 커버리지는 80인데 반하여 본 발명의 실시예에 따라 일정 온도로 가열한 프로세스 가스를 공급하여 박막을 형성한 경우에는 동일지점의 스텝 커버리지가 150으로 향상된 모습이 보여진다. 마찬가지로 종래의 기술에 의하는 경우, T지점은 178, C지점은 180, LL지점은 60, CBL지점은 140의 스텝 커버러지를 갖는 반면, 본 발명의 실시예에 의하는 경우에는 TT지점은 150, T지점은 200, C지점은 200, LL지점은 110, CBL지점은 180으로 스텝 커버리지가 종래의 기술에 비하여 현저히 향상될 뿐만 아니라 스텝 커버리지의 편차가 현저히 줄어든 모습이 보여진다.
도 8a는 종래의 기술에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 두께를 보여주는 그래프이고, 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 두께를 보여주는 그래프이다.
삭제
도 8a 및 도 9a에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 두께는 종래의 기술에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 두께 보다 균일성이 상당히 높음을 알 수 있다.
도 8b는 종래의 기술에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 레인지(range)를 보여주는 그래프이고, 9b는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 레인지를 보여주는 그래프이다.
도 8b 및 도 9b에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 레인지는 종래의 기술에 따른 박막 형성방법을 사용하여 형성된 박막의 레인지 보다 상당히 낮음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법에 의하면, 반응물의 버블링에 사용되는 프로세스 가스를 일정 온도로 미리 가열하여 공급함으로써 반응물의 가열효과를 상승시켜 반응물의 공급량을 증가시킬 수 있다. 특히, 증기압이 매우 낮은 고유전 물질을 사용하여 박막을 형성하는 경우에 장시간 가열하지 아니하고도 반응물의 공급량을 증가시킬 수 있는 특징이 있다. 또한, 챔버 내의 잔류 부산물 제거에 사용되는 퍼징 가스를 일정 온도로 가열하여 공급함으로써 공정 진행후 잔류하여 가스라인의 내부에 흡착되는 케미컬 소스를 제거하는 퍼징 공정에 의한 케미컬 소스의 잔류물 제거 효과 또는 효율인 퍼징 효과가 개선될 수 있다. 따라서, 원자층 증착법에 의하여 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 형성하고자 하는 박막의 구성 원소를 함유하고 있는 반응물의 원활한 공급과 제거를 실현할 수 있는 본 발명의 특징이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에서의 박막 형성방법 및 그에 따른 박막 형성장치는 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 설계되고, 응용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게는 자명한 사실이라 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 반응물의 버블링에 사용되는 프로세스 가스를 일정 온도로 미리 가열하여 공급함으로써 반응물의 가열효과를 상승시켜 반응물의 공급량을 증가시키는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 챔버 내의 잔류 부산물 제거에 사용되는 퍼징 가스를 일정 온도로 가열하여 공급함으로써 퍼징효과를 높이는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 기판 상에 박막을 형성함에 있어서 프로세스 가스 및 퍼징 가스를 일정 온도로 미리 가열하여 공급함으로써 형성하고자 하는 박막의 구성 원소를 함유하고 있는 반응물을 원활하게 공급 및 제거하는 효과를 갖는다.

Claims (28)

  1. 가스공급부와 제1 반응물 공급부를 연결하는 가스라인에서 가열되어 상기 제1 반응물 공급부로 공급되는 제1 가스에 의하여 버블링된 제1 반응물을 챔버에 공급하여 기판 상에 상기 제1 반응물을 화학흡착시키는 단계와;
    상기 챔버를 퍼징하여 상기 제1 반응물이 화학흡착된 결과물 상의 부산물을 제거하는 단계와;
    상기 챔버에 제2 반응물을 공급하여 제2 반응물을 상기 기판 상에 화학흡착시켜 화학치환에 의하여 박막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 박막을 형성한 후에, 상기 챔버를 퍼징하여 상기 박막이 형성된 결과물 상의 부산물을 제거하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가스라인은 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE), 코일 히터(COIL HEATER), 밴드히터(BAND HEATER), 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 및 리본 히터(RIBBON HEATER)로 이루어진 히터군에서 선택된 어느 하나의 히터를 구비하여 상기 제1 가스를 가열하여 상기 제1 반응물 공급부로 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 퍼징 공정은 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE), 코일 히터(COIL HEATER), 밴드히터(BAND HEATER), 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 및 리본 히터(RIBBON HEATER)로 이루어진 히터군에서 선택된 어느 하나의 히터를 통하여 미리 가열된 퍼징 가스가 상기 챔버에 공급되어 진행됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버에 공급되는 제2 반응물은 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE), 코일 히터(COIL HEATER), 밴드히터(BAND HEATER), 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 및 리본 히터(RIBBON HEATER)로 이루어진 히터군에서 선택된 어느 하나의 히터를 통하여 미리 가열된 제2 가스에 의하여 버블링되어 공급됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  6. (삭제)
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 가스는 불활성 가스임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반응물 및 제2 반응물은 각각 상기 박막을 구성하는 원소 및 화학 리간드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 박막은 단원자 박막, 단원자 산화물, 복합 산화물, 단원자 질화막 및 복합 질화막으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는 박막 형성방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단원자 박막은 Ti, Ta, Ru, Ir, Rh, Mo, Al, Cu, Pt, W 및 Ag로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 단원자 산화물은 HfO2, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Nb2O5, CeO2, In2O3, RuO2, IrO2 및 Al2O3로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 복합 산화물은 SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO 3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb.La)(Zr,Ti)O3, (Sr,Ca)RuO3, Sn이 도핑된 In2O 3, Fe가 도핑된 In2O3 및 Zr이 도핑된 In2O3로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 단원자 질화막은 TiN, TaN, NbN, ZrN, SiN, AlN, GaN, WN 및 BN으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 복합 질화막은 TiSiN, TaSiN, AlTiN, WBN, WSiN, 및 AlSiN으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  15. 제 4항에 있어서,
    상기 퍼징 가스는 불활성 가스임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  16. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 가스는 불활성 가스임을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성방법.
  17. (삭제)
  18. 기판이 로딩되는 챔버;
    상기 챔버에 제1 반응물을 공급하는 제1 반응물 공급부;
    상기 챔버와 상기 제1 반응물 공급부를 연결하는 제1 가스라인;
    상기 챔버에 제2 반응물을 공급하는 제2 반응물 공급부;
    상기 챔버와 상기 제2 반응물 공급부를 연결하는 제2 가스라인;
    상기 챔버, 제1 반응물 공급부 및 제2 반응물 공급부에 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 제1 반응물 공급부와 상기 가스 공급부를 연결하고, 상기 가스 공급부에 의해 내부로 공급되는 프로세스 가스를 가열하여 상기 제1 반응물 공급부로 제공하기 위한 제1 가열부를 포함하는 제3 가스라인;
    상기 제2 반응물 공급부와 상기 가스 공급부를 연결하는 제4 가스라인; 및
    상기 챔버와 상기 가스 공급부를 연결하는 제5 가스라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제4 가스라인은 상기 가스 공급부에 의해 내부로 공급되는 프로세스 가스를 가열하는 제2 가열부를 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제5 가스라인은 상기 가스 공급부에 의해 내부로 공급되는 프로세스 가스를 가열하는 제3 가열부를 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 제1, 2, 3 가열부는 시즈 히터(SHEATH HEATER), 튜브라 히터(TUBULAR HEATER), 카드리지 히터(CARTRIDGE HEATER), 코일 히터(COIL HEATER), 밴드 히터(BAND HEATER), 쟈켓 히터(JACKET HEATER) 및 리본 히터(RIBBON HEATER )로 이루어진 히터군에서 선택된 어느 하나의 히터로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기 제3 가스라인은 코일형으로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 제3 내지 제5 가스라인은 코일형으로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  24. 제 18항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 가스라인들을 제어하는 제어 밸브들이 각 가스라인에 더 포함됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  25. 제 18항에 있어서,
    상기 챔버의 부산물을 제거하기 위하여 펌핑 동작을 수행하는 펌프가 더 포함됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  26. 공정 챔버 내에서 버블링된 제1 반응물과 제2 반응물을 순차적으로 화학흡착시켜 화학치환에 의하여 기판 상에 박막을 형성하는 박막 형성장치에 있어서:
    상기 제1 반응물을 버블링하기 위하여 공급되는 프로세스 가스를 미리 가열하기 위하여 가스 공급부와 내부에서 상기 제1 반응물을 버블링하기 위한 제1 반응물 공급부를 연결하는 제1 가스라인 내에 제1 가열부가 구비됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 제1 반응물 또는 제2 반응물을 화학흡착시킨 후, 잔류 부산물을 제거하는 퍼징 공정을 진행하기 위하여 공급되는 퍼징 가스를 미리 가열하기 위하여 상기 챔버와 상기 가스 공급부를 연결하는 제3 가스라인 내에 제3 가열부가 구비됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
  28. 제 26항에 있어서,
    상기 제2 반응물을 버블링하기 위하여 공급되는 프로세스 가스를 미리 가열하기 위하여 상기 가스 공급부와 내부에서 상기 제2 반응물을 버블링하기 위한 제2 반응물 공급부를 연결하는 제2 가스라인 내에 제2 가열부가 구비됨을 특징으로 하는 반도체 소자에서의 박막 형성장치.
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