KR100636037B1 - 티타늄 질화막 형성 방법 및 이를 수행하기 위한 장치 - Google Patents

티타늄 질화막 형성 방법 및 이를 수행하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

원자층 증착 방법을 이용하여 배치 타입 수직형 반응로 내에 배치된 기판 상에 티타늄 질화막을 형성하기 위한 방법 및 장치에 있어서, 티타늄 전구체를 포함하는 제1소스 가스는 제1시간 동안 상기 기판 상으로 공급되며, 제1퍼지 가스는 상기 제1시간보다 작은 제2시간 동안 공정 챔버로 공급된다. 질소를 포함하는 제2소스 가스는 상기 제1시간과 실질적으로 동일한 제3시간 동안 상기 기판 상으로 공급되며, 제2퍼지 가스는 상기 제2시간과 실질적으로 동일한 제4시간 동안 공정 챔버로 공급된다. 따라서, 균일한 두께와 낮은 비저항 및 높은 단차 피복성을 포함하는 개선된 특성을 갖는 티타늄 질화막을 형성하는데 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

Description

티타늄 질화막 형성 방법 및 이를 수행하기 위한 장치{Method of forming a titanium nitride layer and apparatus for performing the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 질화막 형성 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스 공급부를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 가스 공급부의 제1노즐 파이프, 제2노즐 파이프 및 제3노즐 파이프를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 가스 공급부의 다른 예를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 2에 도시된 가스 공급부로부터 공급되는 가스들의 공급 시간들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 티타늄 질화막 형성 장치를 이용하여 반도체 기판 상에 티타늄 질화막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반도체 기판 100 : 티타늄 질화막 형성 장치
102 : 공정 챔버 104 : 가열로
106 : 매니폴들 108 : 보트
110 : 리드 부재(lid member) 114 : 턴테이블
116 : 회전축 118 : 회전 구동 유닛
120 : 수직 구동 유닛 126 : 로드락 챔버
132 : 가스 공급부 134 : 제1가스 공급부
136 : 제2가스 공급부 138 : 제3가스 공급부
140a, 140b, 140c : 제1, 제2 및 제3노즐 파이프
142a, 142b, 142c : 제1, 제2 및 제3가스 공급 배관
144a, 144b, 144c, 144d, 144e, 144f : 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6연결 배관
146a, 146b, 146c, 146d : 제1, 제2, 제3 및 제4저장부
148a, 148b, 148c, 148d, 148e, 148f : 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6밸브
150 : 액체 질량 유량 제어기 152 : 기화기
156a, 156b, 256c : 제1, 제2 및 제3노즐
162 : 히터 164 : 제어부
본 발명은 기판 상에 막을 형성하기 위한 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 티타늄 질화막(TiN layer)을 형성하는 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치는 기판으로 사용되는 반도체 웨이퍼에 대한 다수의 공정들을 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 등으로 사용되며, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 실리콘 질화막은 마스크 패턴, 게이트 스페이서 등을 형성하기 위하여 사용되며, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 또한, 반도체 기판 상에는 금속 배선, 전극 등을 형성하기 위하여 다양한 금속막들이 형성될 수 있으며, 상기 금속막들은 CVD 공정, PVD 공정 또는 ALD 공정을 통해 형성될 수 있다.
특히, 티타늄 질화막은 금속 확산을 방지하기 위하여 금속 장벽막으로 사용될 수 있으며, CVD 공정, PVD 공정 또는 ALD 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 티타늄 질화막은 금속 배선, 콘택 플러그, 상부 전극 등에 채용될 수 있으며, 하부 영역으로 금속의 확산을 방지한다. 상기 하부 영역의 예로는 트랜지스터 게이트, 커패시터 유전막, 반도체 기판 등이 있을 수 있다. 상기 티타늄 질화막 의 형성 방법에 대한 예들은 미합중국 특허 제6,436,820호(Hu et al.), 제6,555,183호(issued to Wang et al.), 미합중국 특허공개 제2003/0186560호 등에 개시되어 있다.
상기 티타늄 질화막이 커패시터의 상부 전극에 채용되는 경우, 상기 커패시터의 유전막 상에 형성되는 티타늄 질화막은 장벽 금속막으로 기능하며, 상기 티타늄 질화막 상에 상부 전극으로 기능하는 폴리실리콘막 또는 금속막이 형성될 수 있다.
한편, 반도체 장치의 집적도가 향상됨에 따라 단위 셀이 차지하는 영역이 점차 축소되고 있으며, 이를 구현하기 위한 새로운 공정들이 다양하게 개발되고 있다. 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, ZrO 2막, Nb2O5막, BaTiO3막 또는 SrTiO3막 등이 있다. 특히, 하프늄 산화물(HfO2)로 이루어지는 유전막 상에 티타늄 질화막을 CVD 공정을 통해 형성하는 경우, 상기 티타늄 질화막을 형성하기 위한 소스 가스로 사용되는 TiCl4 가스와 상기 하프늄 산화물이 반응하여 사염화 하프늄(HfCl4)이 형성되며, 상기 사염화 하프늄은 유전막의 특성을 열화시키는 요인으로 작용한다. 또한, 상기 티타늄 질화막 내에 잔류하는 염소 성 분은 상기 티타늄 질화막의 비저항을 상승시키며, 결과적으로 접촉 저항을 상승시키게 된다. 일 예로써, 상기 TiCl4 가스와 NH3 가스의 반응에 의해 형성된 티타늄 질화막은 약 420μΩcm 정도의 비저항을 갖는다.
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, 상기 티타늄 질화막의 단차 피복성(step coverage)은 증착 온도를 낮춤으로써 개선된다.
한편, 상기 미합중국 특허공개 제2003/0186560호에 개시된 바와 같은 배치식 수직형 화학 기상 증착 장치의 경우, 소스 가스들의 공급 방향 및 가스 분출구로부터의 거리 등에 따라 기판 상에 형성되는 막의 두께가 불균일해질 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 상기 TiCl4 가스와 NH3 가스를 이용하는 원자층 증착을 채용할 경우, 공정 수행 시간이 너무 길어진다는 추가적인 문제점이 발생된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1목적은 균일한 두께와, 낮은 비저항 및 높은 단차 피복성을 포함하는 개선된 특성을 갖고, 하부막의 특성 열화를 방지할 수 있으며, 공정 수행 시간을 단축할 수 있는 티타늄 질화막의 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2목적은 상술한 바와 같은 티타늄 질화막의 형성 방법을 수행하 는데 적합한 티타늄 질화막 형성 장치를 제공하는데 있다.
상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 티타늄 전구체를 포함하는 제1소스 가스는 제1시간 동안 공정 챔버 내에 배치된 다수의 기판들 상으로 공급되며, 상기 기판들 상에는 티타늄 전구체 박막들이 각각 형성된다. 제1퍼지 가스는 상기 제1시간보다 짧은 제2시간 동안 상기 공정 챔버로 공급되며, 상기 티타늄 전구체 박막들 상에 물리적으로 흡착된 티타늄 전구체는 상기 퍼지 가스에 의해 제거되고, 상기 퍼지 가스와 잔여 제1소스 가스는 진공 챔버로부터 진공 배기된다. 제2소스 가스는 상기 제1시간과 실질적으로 동일한 제3시간 동안 상기 티타늄 전구체 박막들로 공급되며, 상기 티타늄 전구체 박막들은 상기 제2소스 가스와 반응하여 티타늄 질화막들로 전환된다. 제2퍼지 가스는 상기 제2시간과 실질적으로 동일한 제4시간 동안 공정 챔버로 공급되며, 상기 티타늄 전구체 박막과 상기 제2소스 가스 사이의 반응에 의한 반응 부산물과 잔여 제2소스 가스는 상기 제2퍼지 가스와 함께 진공 배기된다.
상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2측면에 따른 티타늄 질화막 형성 장치는, 공정 챔버와, 상기 공정 챔버 내에 배치되며 다수의 기판을 지지하기 위한 보트와, 상기 기판들 상에 티타늄 전구체 박막들을 형성하기 위하여 티타늄 전구체를 포함하는 제1소스 가스를 공급하고, 상기 공정 챔버를 일차 퍼지하기 위하여 제1퍼지 가스를 상기 공정 챔버 내로 공급하며, 상기 티타늄 전구체 박막들을 티타늄 질화막으로 전환시키기 위하여 상기 티타늄 전구체 박막들 상으로 질소를 포함하는 제2소스 가스를 공급하고, 상기 공정 챔버를 이차 퍼지하기 위하여 제2퍼지 가스를 상기 공정 챔버 내로 공급하기 위한 가스 공급부와, 상기 제1소스 가스를 제1시간 동안 공급하고, 상기 제2퍼지 가스를 상기 제1시간보다 작은 제2시간 동안 공급하며, 상기 제1시간과 실질적으로 동일한 제3시간 동안 상기 제2소스 가스를 공급하고, 상기 제2시간과 실질적으로 동일한 제3시간 동안 상기 제2퍼지 가스를 공급하도록, 상기 가스 공급부의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판들은 수직 방향으로 일정 간격을 두고 보트에 지지되며, 각각의 기판들은 수평 방향으로 유지된다.
상기 공정 챔버 내에는 상기 기판들과 인접하여 수직 방향으로 평행하게 배치되는 제1노즐 파이프와 제2노즐 파이프가 구비되며, 상기 제1노즐 파이프는 상기 기판들 상으로 제1소스 가스를 공급하기 위한 다수의 제1노즐들을 가지며, 상기 제2노즐 파이프는 상기 기판들 상으로 제2소스 가스를 공급하기 위한 다수의 제2노즐들을 갖는다.
제3노즐 파이프는 상기 제1노즐 파이프 및 제2노즐 파이프 사이에서 수직 방향으로 배치되며, 상기 공정 챔버를 급속 퍼지하기 위한 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스를 공급하기 위한 제3노즐을 갖는다.
상기 제1노즐들 및 제2노즐들은 상기 제1노즐 파이프 및 제2노즐 파이프의 측면들을 관통하여 각각 형성되며, 제3노즐은 상기 제3노즐 파이프의 상단부를 관통하여 형성된다.
상기 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스는 상기 기판들 상으로부터 반응 부산물 들을 제거하기 위하여 제1노즐들 및 제2노즐들을 통해 기판들 상으로 공급되며, 공정 챔버를 급속 퍼지하기 위해 제3노즐을 통해 상기 공정 챔버 내의 상부 공간으로 공급된다. 즉, 제1노즐들과 제2노즐들은 수평 방향으로 상기 가스들을 공급하며, 제3노즐은 수직 방향으로 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스를 공급한다.
상기 티타늄 질화막을 형성하는 동안 상기 공정 챔버의 내부 온도는 약 350℃ 내지 550℃로 유지될 수 있으며, 압력은 약 0.3torr 내지 1torr 정도로 유지될 수 있다.
상기 티타늄 전구체로는 TiCl4이 사용될 수 있으며, 이밖에도 테트라 터셔리 부톡시 티타늄(tetra tertiary butoxy titanium, Ti(OtBu)4), 테트라키스 디메틸 아미노 티타늄(tetrakis dimethyl amino titanium; TDMAT, Ti(NMe2)4), 테트라키스 디에틸 아미노 티타늄(tetrakis diethyl amino titanium; TDEAT, Ti(NEt2)4), 테트라키스 에틸메틸 아미노 티타늄(tetrakis ethylmethyl amino titanium, Ti(NEtMe)4) 등이 사용될 수 있다. 상기 제2소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제1소스 가스 및 제2소스 가스는 제1캐리어 가스 및 제2캐리어 가스에 의해 각각 운반된다. 상기 퍼지 가스, 제1캐리어 가스 및 제2캐리어 가스로는 아르곤(Ar) 가스 또는 질소(N2) 가스가 각각 사용될 수 있다.
상기 제1시간, 상기 제2시간, 상기 제3시간 및 상기 제4시간 사이의 비율은 약 1:0.4~0.8:1:0.4~0.8로 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1시간, 상기 제2시 간, 상기 제3시간 및 상기 제4시간 사이의 비율은 1:0.5:1:0.5로 조절될 수 있다. 또한, 상기 제1퍼지 가스의 공급 유량은 상기 제1캐리어 가스의 공급 유량의 약 4 내지 10배로 조절될 수 있으며, 상기 제1퍼지 가스의 공급 유량은 상기 제2퍼지 가스의 공급 유량과 실질적으로 동일하고, 상기 제1캐리어 가스의 공급 유량은 상기 제2캐리어 가스의 공급 유량과 실질적으로 동일하게 조절될 수 있다. 상기 가스들의 공급 시간들 및 공급 유량들은 제어부에 의해 제어될 수 있다.
상기 공정 챔버는 수직 방향으로 연장하며 하부가 개방된 실린더 형상을 갖고, 상기 공정 챔버의 온도는 상기 공정 챔버를 감싸도록 배치되어 있는 가열로에 의해 조절된다.
상기와 같은 일 회의 공정 사이클을 수행함으로써 상기 기판들 상에는 약 0.2Å 내지 0.3Å 정도의 두께를 갖는 티타늄 질화막들이 형성된다. 목적하는 두께를 갖는 티타늄 질화막은 상기 공정 사이클을 반복적으로 수행함으로써 획득될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기와 같이 원자층 적층 방법을 이용하므로 균일한 두께를 갖는 티타늄 질화막을 형성할 수 있다. 또한, 상기 티타늄 전구체로서, TiCl4를 사용하는 경우, NH3 가스 공급에 의해 염소가 제거되므로 티타늄 질화막의 비저항을 감소시킬 수 있으며, 하프늄 산화막과 같은 하부막의 유전 특성 열화를 방지할 수 있다. 또한, 제3노즐에 의한 급속 퍼지를 수행함으로써 전체 공정 수행 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 질화막 형성 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가스 공급부를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같은 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 질화막 형성 장치(100)는 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 티타늄 질화막을 형성하는 공정을 수행하는데 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 공정 챔버(102)는 배치 타입 수직형 반응로(reaction furnace)를 포함한다. 구체적으로, 상기 공정 챔버(102)는 수직 방향으로 연장하며, 하부가 개방된 실린더 형상을 갖고, 석영(quartz)으로 이루어질 수 있다. 상기 공정 챔버(102)를 가열하기 위한 가열로(heating furnace, 104)는 공정 챔버(102)를 감싸도록 배치되어 있으며, 상기 공정 챔버(102)의 하부에는 금속 재질로 이루어지는 실린더형 매니폴드(106)가 결합되어 있다.
보트(108)는 다수의 반도체 기판(10)을 수직 방향으로 소정 간격을 두고 지지하며, 매니폴드(106)의 하부 개구를 통해 공정 챔버(102)의 내부로 반입된다. 상기 하부 개구는 반도체 기판들(10)이 공정 챔버(102)로 로딩된 후 리드 부재(lid member, 110)에 의해 닫힌다. 상기 공정 챔버(102)와 매니폴드(106) 사이 및 매니폴드(106)와 리드 부재(110) 사이에는 각각 밀봉을 제공하기 위한 밀봉 부재들(seal member, 112)이 개재되어 있다.
상기 보트(108)는 턴테이블(turntable, 114) 상에 배치되며, 상기 턴테이블(114)은 회전축(116)의 상부에 결합된다. 상기 회전 구동 유닛(118)은 수직 구동 유닛(120)의 수평 암(122)의 하부에 장착되며, 상기 리드 부재(110)는 상기 수직 구동 유닛(120)의 수평 암(122)의 상부에 배치되어 있다.
한편, 상기 회전축(116)과 리드 부재(110) 사이의 갭을 통한 누설(leakage)을 방지하기 위한 기계적 밀봉부(mechanical seal, 124)가 상기 리드 부재(110)와 수평 암(122) 사이에 배치되며, 상기 회전축(116)은 상기 리드 부재(110), 기계적 밀봉부(124) 및 수평 암(122)을 통하여 상기 턴테이블(114)과 회전 구동 유닛(118)과 연결한다.
상기 매니폴드(106)는 로드락 챔버(또는 트랜스퍼 챔버, 126)의 상부에 배치되며, 보트(108)는 공정 챔버(102)와 로드락 챔버(126) 사이에서 수직 방향으로 이동한다.
상기 수직 구동 유닛(120)은 수평 암(122)과 수평 암(122)을 수직 방향으로 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 수직 구동부(128)와 상기 구동력을 전달하기 위한 구동축(130)을 포함한다. 상기 수직 구동부(128)는 제1모터를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 구동축(130)으로는 상기 제1모터로부터 제공되는 회전력에 의해 회전하는 리드 스크루(lead screw)가 사용될 수 있다. 상기 수평 암(122)은 상기 구동축(130)과 결합되며, 구동축(130)의 회전에 의해 수직 방향으로 이동한다.
상기 회전 구동 유닛(118)은 제2모터를 포함하여 구성될 수 있다. 상세히 도시되지는 않았으나, 상기 제2모터부터 제공된 회전력은 상기 제2모터와 연결된 구 동 기어와 상기 회전축(116)과 연결된 종동 기어 및 상기 구동 기어와 종동 기어 사이를 연결하는 타이밍 벨트를 통해 회전축(116)으로 전달될 수 있다. 그러나, 상기 구동 기어와 종동 기어는 직접적으로 연결될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 가스 공급부(132)는 보트(108)에 의해 공정 챔버(102) 내에 위치된 다수의 반도체 기판들(10) 상에 각각 막을 형성하기 위한 소스 가스들과 공정 챔버(102) 내부를 퍼지하기 위한 퍼지 가스를 공정 챔버(102) 내부로 공급한다.
구체적으로, 가스 공급부(132)는 상기 반도체 기판들(10) 상에 티타늄 질화막을 형성하기 위하여 티타늄 전구체를 포함하는 제1소스 가스와 질소를 포함하는 제2소스 가스를 각각 공급하기 위한 제1가스 공급부(134)와 제2가스 공급부(136), 그리고 상기 퍼지 가스를 공급하기 위한 제3가스 공급부(138)를 포함한다.
상기 티타늄 전구체로는 TiCl4이 사용될 수 있으며, 이밖에도 테트라 터셔리 부톡시 티타늄(tetra tertiary butoxy titanium, Ti(OtBu)4), 테트라키스 디메틸 아미노 티타늄(tetrakis dimethyl amino titanium; TDMAT, Ti(NMe2)4), 테트라키스 디에틸 아미노 티타늄(tetrakis diethyl amino titanium; TDEAT, Ti(NEt2)4), 테트라키스 에틸메틸 아미노 티타늄(tetrakis ethylmethyl amino titanium, Ti(NEtMe)4) 등이 사용될 수 있다. 상기 제2소스 가스로는 NH3 가스가 사용될 수 있다. 상기 제1소스 가스 및 제2소스 가스는 제1캐리어 가스 및 제2캐리어 가스에 의해 각각 운반 된다. 상기 퍼지 가스, 제1캐리어 가스 및 제2캐리어 가스로는 아르곤(Ar) 가스 또는 질소(N2) 가스가 각각 사용될 수 있다.
상기 가스 공급부(132)는 가스 공급 배관들을 통해 매니폴드(106) 내에 배치된 노즐 파이프들(140a, 140b, 140c)과 연결되어 있다. 구체적으로, 제1가스 공급부(134)는 제1가스 공급 배관(142a)을 통해 매니폴드(106) 내에 배치된 제1노즐 파이프(140a)의 하단부에 연결되어 있으며, 제2가스 공급부(136)는 제2가스 공급 배관(142b)을 통해 매니폴드(106) 내에 배치된 제2노즐 파이프(140b)의 하단부에 연결되어 있다. 상기 제3가스 공급부(138)는 제1연결 배관(144a) 및 제2연결 배관(144b)을 통해 제1가스 공급 배관(142a) 및 제2가스 공급 배관(142b)에 연결되어 있으며, 또한 제3가스 공급 배관(142c)을 통해 매니폴드(106) 내에 배치된 제3노즐 파이프(140c)의 하단부에 연결되어 있다. 즉, 상기 퍼지 가스는 제1연결 배관(144a), 제1가스 공급 배관(142a), 제1노즐 파이프(140a), 제2연결 배관(144b), 제2가스 공급 배관(142b), 제2노즐 파이프(140b), 제3가스 공급 배관(142c) 및 제3노즐 파이프(140c)를 통해 공정 챔버(102) 내부로 공급된다.
상기 제1가스 공급부(134)는 상기 제1캐리어 가스를 공급하기 위한 제1저장부(146a)와, 상기 제1캐리어 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제1밸브(148a)와, 액상의 티타늄 전구체를 저장하기 위한 제2저장부(146b)와, 상기 액상의 티타늄 전구체의 공급 유량을 조절하기 위한 액체 질량 유량 제어기(liquid mass flow controller, 150)와, 상기 액상의 티타늄 전구체를 기화시키기 위한 기화기 (vaporizer, 152)를 포함하여 구성될 수 있다. 이와는 다르게, 상기 제1공급부(134)는 액상의 티타늄 전구체를 기화시키기 위한 버블러를 포함하여 구성될 수도 있다.
구체적으로, 제1저장부(146a)와 기화기(152)는 제3연결 배관(144c)을 통해 연결되며, 제3연결 배관(144c)에는 상기 제1밸브(148a)가 설치되어 있다. 제2저장부(146b)와 기화기(152)는 제4연결 배관(144d)을 통해 연결되며, 제4연결 배관(144d)에는 상기 액체 질량 유량 제어기(150)가 설치되어 있다.
상기 액상의 티타늄 전구체는 상기 기화기(152)의 내부에서 기화되며, 기화된 티타늄 전구체 가스와 상기 제1캐리어 가스는 제1가스 공급 배관(142a)과 제1노즐 파이프(140a)의 제1노즐들을 통해 반도체 기판들(10) 상으로 공급된다.
제2가스 공급부(136)는 제2캐리어 가스를 제공하기 위한 제3저장부(146c)와 상기 NH3 가스를 제공하기 위한 제4저장부(146d)를 포함하며, 제2가스 공급 배관(142b)을 통해 제2노즐 파이프(140b)에 연결되어 있다.
구체적으로, 제2가스 공급 배관(142b)은 제5연결 배관(144e) 및 제6연결 배관(144f)을 통해 제3저장부(146c) 및 제4저장부(146d)에 각각 연결되며, 제1연결 부재(154a)는 제2가스 공급 배관(142b), 제5연결 배관(144e) 및 제6연결 배관(144f)을 서로 연결한다. 상기 제5연결 배관(144e)에는 제2캐리어 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제2밸브(148b)가 설치되며, 제6연결 배관(144f)에는 상기 NH3 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제3밸브(148c)가 설치된다.
제3가스 공급부(138)는 퍼지 가스를 제공하기 위한 제5저장부를 포함하며, 상기 제1연결 배관(144a)은 제3가스 공급부(138)로부터 연장하며 제2연결 부재(154b)에 의해 제1가스 공급 배관(142a)에 연결되고, 상기 제2연결 배관(144b)은 제3가스 공급부(138)로부터 연장하며 제3연결 부재(154c)에 의해 제2가스 공급 배관(142b)에 연결되어 있다. 상기 제1연결 배관(144a)에는 제1노즐 파이프(140a)를 통해 공급되는 퍼지 가스의 유량을 조절하기 위한 제4밸브(148d)가 설치되며, 제2연결 배관(144b)에는 제2노즐 파이프(140b)를 통해 공급되는 퍼지 가스의 유량을 조절하기 위한 제5밸브(148e)가 설치된다. 또한, 제3가스 공급부(138)는 공정 챔버(102)를 급속 퍼지하기 위하여 제3가스 공급 배관(142c)을 통하여 제3노즐 파이프(140c)에 연결되어 있다. 제3가스 공급 배관(142c)에는 제3노즐 파이프(140c)를 통해 공급되는 퍼지 가스의 유량을 조절하기 위한 제6밸브(148f)가 설치되어 있다.
상기 제1가스 공급 배관(142a), 제2가스 공급 배관(142b) 및 제3가스 공급 배관(142c)은 매니폴드(106) 내에서 제4연결 부재(154d), 제5연결 부재(154e) 및 제6연결 부재(154f)에 의해 제1노즐 파이프(140a), 제2노즐 파이프(140b) 및 제3노즐 파이프(140c)에 각각 연결된다.
한편, 도시된 바와 같이, 상기 기화기(152)와 제2연결 부재(154b) 사이의 제1가스 공급 배관(142a)에는 상기 제1소스 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제7밸브(148g)가 더 설치될 수 있으며, 제1연결 부재(154a)와 제3연결 부재(154c) 사이의 제2가스 공급 배관(142b)에는 제2소스 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제8밸브(148h)가 더 설치될 수 있다. 또한, 도시된 바에 의하면, 상기 제1캐리어 가스, 제2캐리어 가스 및 퍼지 가스는 개별적으로 공급되고 있으나, 하나의 저장 용기로부터 공급될 수도 있다.
상기 제1가스 공급 배관(142a)은 티타늄 전구체 가스의 응축을 방지하기 위하여 소정의 온도로 유지될 있다. 예를 들면, 상기 TiCl4 가스는 약 70℃ 이하의 온도에서 응축되며, 상기 응축된 TiCl4는 오염원으로서 작용할 수 있으며, 약 130℃ 이하의 온도에서 NH3와 반응하여 NH4Cl 파우더를 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 TiCl4 가스를 전달하기 위한 제1가스 공급 배관(142a)은 약 150℃ 내지 250℃ 정도의 온도에서 유지될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 제1가스 공급 배관(142a)의 둘레에는 상기 제1소스 가스를 기 설정된 온도, 예를 들면 약 200℃ 정도의 온도로 유지하기 위한 제1히팅 재킷이 설치될 수 있다.
또한, 상기 제2소스 가스의 온도가 제1소스 가스의 온도보다 낮은 경우, 공정 챔버(102) 내에서 온도 변화에 의한 이상 반응이 발생될 수 있으므로, 상기 제2소스 가스의 온도는 상기 제1소스 가스의 온도와 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 제2소스 가스를 약 200℃ 정도로 유지하기 위하여 제2히팅 재킷이 제2가스 공급 배관(142b)의 둘레에 설치될 수 있다.
이와 유사하게, 상기 퍼지 가스의 온도 역시 상기 제1소스 가스의 온도와 동일하게 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1연결 배관(144a), 제2연결 배관(144b) 및 제3가스 공급 배관(142c)의 둘레에는 각각 제3히팅 재킷, 제4히팅 재킷 및 제5히팅 재킷이 설치될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 가스 공급부의 제1노즐 파이프, 제2노즐 파이프 및 제3노즐 파이프를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 제1노즐 파이프(140a)는 보트(108)에 적재된 반도체 기판(10)들과 인접하게 배치되어 제1가스 공급 배관(142a)으로부터 수직 상방으로 연장하며, 제1소스 가스를 분사하기 위한 다수의 제1노즐들(156a)을 갖는다. 상기 제1노즐들(156a)은 보트(108)에 지지된 반도체 기판들(10)의 표면들을 따라 상기 제1소스 가스가 흐르도록 상기 제1노즐 파이프(140a)의 연장 방향을 따라 일정 간격으로 제1노즐 파이프(140a)의 측면을 관통하여 형성되어 있다. 부언하면, 상기 제1노즐들(156a)은 상기 반도체 기판들(10) 사이의 공간들로 제1소스 가스를 공급하며, 상기 제1소스 가스는 상기 제1노즐들(156a)을 통해 반도체 기판들(10)의 중심들을 향하여 분사된다.
제2노즐 파이프(140b)는 상기 보트(108)에 적재된 반도체 기판들(10)과 인접하게 배치되어 상기 제1노즐 파이프(140a)와 평행하게 연장하며, 제2소스 가스를 분사하기 위한 다수의 제2노즐들(156b)을 갖는다. 상기 제2노즐들(156b)은 보트(108)에 지지된 반도체 기판들(10)의 표면을 따라 상기 제2소스 가스가 흐르도록 상기 제2노즐 파이프(140b)의 연장 방향을 따라 일정 간격으로 제2노즐 파이프(140b)의 측면을 관통하여 형성되어 있다. 부언하면, 상기 제2노즐들(156b)은 상기 반도체 기판들(10) 사이의 공간들로 제2소스 가스를 공급하며, 상기 제2소스 가스는 상기 제2노즐들(156b)을 통해 반도체 기판들(10)의 중심들을 향하여 분사된다.
제3노즐 파이프(140c)는 제1노즐 파이프(140a) 및 제2노즐 파이프(140b) 사이에 배치되어 제1노즐 파이프(140a) 및 제2노즐 파이프(140b)에 평행하게 연장하며, 제3노즐 파이프(140c)는 공정 챔버(102) 내부를 급속 퍼지하기 위한 제3노즐(156c)을 갖는다. 상기 제3노즐(156c)은 제3노즐 파이프(140c)의 상단부에 형성되며, 수직 상방으로 상기 퍼지 가스를 분사한다.
구체적으로, 상기 퍼지 가스는 제1노즐들(156a), 제2노즐들(156b) 및 제3노즐(156c)을 통해 공정 챔버(102)로 공급된다. 제1노즐들(156a)을 통해 공급되는 퍼지 가스의 공급 유량은 제1캐리어 가스의 공급 유량과 동일하게 조절될 수 있으며, 제2노즐들(156b)을 통해 공급되는 퍼지 가스의 공급 유량은 제2캐리어 가스의 공급 유량과 동일하게 조절될 수 있다. 제3노즐(156c)을 통해 공급되는 퍼지 가스의 유량은 급속 퍼지를 위해 제1캐리어 가스 또는 제2캐리어 가스의 공급 유량의 약 2 내지 8배로 조절될 수 있다. 한편, 상기 제1캐리어 가스의 공급 유량은 제2캐리어 가스의 공급 유량과 동일하게 조절될 수 있다. 결과적으로, 제1노즐들(156a), 제2노즐들(156b) 및 제3노즐(156c)을 통해 공급되는 퍼지 가스의 총 공급 유량은 상기 제1캐리어 가스 또는 제2캐리어 가스의 공급 유량의 약 4 내지 10 정도로 조절될 수 있다.
상기 제1소스 가스의 분사 방향과 상기 제2소스 가스의 분사 방향이 이루는 사이각은 약 20°내지 80°정도일 수 있으며, 상기 제1노즐 파이프(140a), 제2노즐 파이프(140b) 및 제3노즐 파이프(140c)는 반도체 기판들(10)의 중심축으로부터 동일한 거리에 각각 위치될 수 있다. 또한, 상기 제1노즐 파이프(140a)와 제2노즐 파 이프(140b) 및 제3노즐 파이프(140c)는 각각 약 2.5mm 내지 15mm 정도의 내경을 가지며, 상기 각각의 제1노즐(156a)과 제2노즐(156b)은 약 0.5mm 내지 2mm 정도의 내경을 갖는다. 예를 들면, 제1노즐 파이프(140a)와 제2노즐 파이프(140b)는 각각 약 5mm 정도의 내경을 가지며, 상기 각각의 제1노즐(156a)과 제2노즐(156b)은 약 1.5mm 정도의 내경을 갖는다. 제3노즐(156c)은 제3노즐 파이프(140c)의 내경과 동일한 내경을 가질 수 있다. 예를 들면, 제3노즐(156c)은 약 5mm 정도의 내경을 가질 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 가스 공급부의 다른 예를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 가스 공급부(132)는 액상의 티타늄 전구체를 저장하기 위한 제1저장부(202)와, NH3 가스를 제공하기 위한 제2저장부(204)와, 아르곤 가스 또는 질소 가스를 제공하기 위한 제3저장부(206)와, 상기 액상의 TiCl4를 기화시키기 위한 기화기(208) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제3저장부(206)로부터 공급되는 아르곤 가스 또는 질소 가스는 상기 기화기(208)에서 생성된 티타늄 전구체 가스 및 NH3 가스를 각각 운반하기 위한 제1캐리어 가스 및 제2캐리어 가스로 사용될 수 있으며, 공정 챔버(102) 내부를 퍼지하기 위한 퍼지 가스로도 사용될 수 있다.
상기 제1저장부(202)는 제1연결 배관(210a)을 통해 기화기(208)와 연결되어 있으며, 제3저장부(206)는 제2연결 배관(210b)을 통해 기화기(208)와 연결되어 있 다. 기화기(208)는 제1가스 공급 배관(212a)을 통해 제1노즐 파이프(214a)와 연결되어 있다. 제1연결 배관(210a)을 통해 공급된 액상의 티타늄 전구체는 기화기(208) 내에서 기화되며, 기화된 티타늄 전구체 가스는 제3저장부(206)로부터 공급된 아르곤 가스 또는 질소 가스와 함께 제1가스 공급 배관(212a) 및 제1노즐 파이프(214a)를 통해 반도체 기판들(10) 상으로 공급된다.
제2저장부(204)는 제3연결 배관(210c)과 제2가스 공급 배관(212b)을 통해 제2노즐 파이프(214b)와 연결되며, 제3저장부(206)는 제4연결 배관(210d)과 제2가스 공급 배관(212b)을 통해 제2노즐 파이프(214b)와 연결되어 있다. 즉, 제3연결 배관(210c)과 제4연결 배관(210d)은 제2가스 공급 배관(212b)에 제2저장부(204)와 제3저장부(206)를 각각 연결시킨다. 한편, 제3연결 배관(210c), 제4연결 배관(210d) 및 제2가스 공급 배관(212b)은 제1연결 부재(216a)에 의해 서로 연결되어 있으며, 제1가스 공급 배관(212a)과 제2가스 공급 배관(212b)은 제2연결 부재(216b) 및 제3연결 부재(216c)에 의해 제1노즐 파이프(214a) 및 제2노즐 파이프(214b)에 각각 연결되어 있다.
제3저장부(206)는 공정 챔버(102)를 급속 퍼지하기 위하여 제3가스 공급 배관(212c)을 통해 제3노즐 파이프(214c)에 연결되어 있으며, 제3가스 공급 배관(212c)에는 퍼지 가스의 유량을 조절하기 위한 제1밸브(218a)가 설치되어 있다. 제3가스 공급 배관(212c)은 제4연결 부재(216d)에 의해 제3노즐 파이프(214c)에 연결되어 있다.
한편, 제1연결 배관(210a)에는 상기 액상의 TiCl4의 공급 유량을 조절하기 위한 액체 질량 유량 제어기(220)가 설치되어 있으며, 제2연결 배관(210b)에는 제1캐리어 가스 또는 퍼지 가스로 사용되는 아르곤 가스 또는 질소 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제2밸브(218b)가 설치되어 있다. 제3연결 배관(210c)에는 NH3 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제3밸브(218c)가 설치되어 있으며, 제4연결 배관(210d)에는 제2캐리어 가스 또는 퍼지 가스로 사용되는 아르곤 가스 또는 질소 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제4밸브(218d)가 설치되어 있다.
또한, 도시된 바와 같이 제1소스 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제4밸브(218e)와, 제2소스 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 제5밸브(218f)가 제1가스 공급 배관(212a)과 제2가스 공급 배관(212b)에 각각 설치될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 공정 챔버(102)를 진공 배기하기 위한 진공 펌프(미도시)는 진공 배관(160) 및 격리 밸브(isolation valve, 미도시)를 통해 매니폴드(106)와 연결되어 있으며, 가열로(104)는 공정 챔버(102)의 측벽 및 천정과 인접하게 배치되어 있다. 예를 들면, 상기 티타늄 질화막을 형성하는 동안 공정 챔버(102)의 내부 압력은 약 0.3Torr 내지 1Torr 정도로 유지될 수 있으며, 공정 챔버(102)의 내부 온도는 약 350℃ 내지 550℃ 정도로 유지될 수 있다. 예를 들면, 상기 공정 챔버(102)의 내부 온도는 약 450℃ 정도에서 유지될 수 있다.
한편, 매니폴드(106)의 내부 공간은 공정 챔버(102)의 내부 공간에 비하여 상대적으로 온도가 낮게 형성될 수 있다. 이러한 온도 차이를 보상하기 위하여 리 드 부재(110) 내에는 히터(162)가 구비된다. 즉, 상기 히터(162)는 매니폴드(106) 내부를 가열함으로써 공정 챔버(102)의 내부와 매니폴드(106)의 내부의 온도 분포가 균일하게 형성될 수 있도록 한다. 상기 히터(162)로는 전기 저항 열선이 사용될 수 있다. 그러나, 상기 히터(162)는 매니폴드(106)의 측벽 내에 배치될 수도 있으며, 매니폴드(106)의 내측면 상에 배치될 수도 있다.
제어부(164)는 가스 공급부(132), 수직 구동 유닛(120) 및 회전 구동 유닛(118)의 동작들을 제어한다. 구체적으로, 제어부(164)는 다수의 반도체 기판들(10)이 적재된 보트(108)가 수직 구동 유닛(120)에 의해 공정 챔버(102) 내부로 반입된 후, 가스 공급부(132)로부터 공급되는 가스들의 공급 유량들 및 공급 시간을 조절하며, 반도체 기판들(10) 상에 균일한 두께를 갖는 티타늄 질화막을 형성하기 위하여 반도체 기판들(10)의 회전 속도를 조절한다.
도 5는 도 2에 도시된 가스 공급부로부터 공급되는 가스들의 공급 시간들을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 제1노즐들(156a)을 통해 제1시간(t1) 동안 제1소스 가스를 반도체 기판들(10) 상으로 공급하여 반도체 기판들(10) 상에 화학적으로 흡착된 티타늄 전구체 박막들을 형성한다.
이어서, 제1노즐들(156a), 제2노즐들(156b) 및 제3노즐(156c)을 통해 제2시간(t2) 동안 제1퍼지 가스를 공정 챔버(102) 내부로 공급하여 공정 챔버(102) 내부를 일차 급속 퍼지시킨다. 상기 제1노즐들(156a) 및 제2노즐들(156b)을 통해 공급되는 제1퍼지 가스는 반도체 기판들(10) 상으로 공급되며, 제3노즐(156c)을 통해 공급되는 제1퍼지 가스는 공정 챔버(102)의 천장을 향해 수직 방향으로 공급된다. 상기 제3노즐(156c)을 통해 공급된 제1퍼지 가스는 공정 챔버(102)의 천장과 측벽을 따라 흐르며, 진공 배관(160)을 통해 진공 배기된다. 한편, 상기 티타늄 전구체 박막들 상에 물리적으로 흡착된 티타늄 전구체는 제1노즐들(156a) 및 제2노즐들(156b)을 통해 공급된 제1퍼지 가스에 의해 제거된다.
상기 티타늄 전구체 박막들 상으로 제2소스 가스를 제2노즐들(156b)을 통해 제3시간(t3) 동안 공급하여 상기 티타늄 전구체 박막들을 티타늄 질화막으로 전환시킨다. 예를 들면, 상기 제1소스 가스로 TiCl4 가스가 사용되는 경우, TiCl4 박막들은 NH3 가스와 반응하여 티타늄 질화막들로 전환되며, 상기 티타늄 전구체 박막들에 결합된 염소는 상기 TiCl4 박막들과 NH3 가스의 반응에 의해 티타늄 전구체 박막들로부터 제거된다.
이어서, 상기 티타늄 질화막들 상에 제2퍼지 가스를 제1노즐들(156a), 제2노즐들(156b) 및 제3노즐(156c)을 통해 제4시간(t4) 동안 공급하여 공정 챔버(102) 내부를 이차 급속 퍼지시킨다. 공정 챔버(102) 내에 잔류하는 반응 부산물 및 잔여 제2소스 가스는 제2퍼지 가스와 함께 진공 배기된다.
상술한 바와 같이, 제1퍼지 시간(t2) 및 제2퍼지 시간(t4)은 제3노즐(156c)을 통한 급속 퍼지에 의해 크게 단축될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1소스 가스의 공급 시간(t1), 제1퍼지 시간(t2), 제2소스 가스의 공급 시간(t3) 및 제2퍼지 시간(t4) 사이의 비율은 약 1:0.4~0.8:1:0.4~0.8 정도로 조절될 수 있다. 한편, 상기와 같이 퍼지 시간들(t2, t4)을 단축하기 위하여 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스의 공급 유량은 제1캐리어 가스 또는 제2캐리어 가스의 공급 유량의 4 내지 10배로 조절될 수 있다. 상기와 같이 가스들의 공급 시간들 및 공급 유량들을 조절하기 위하여 제어부(164)는 상기 액체 질량 유량 제어기(150) 및 상기 밸브들(148a, 148b, 148c, 148d, 148e, 148f)의 동작을 제어한다.
티타늄 질화막의 형성
도 6은 상술한 바와 같은 티타늄 질화막 형성 장치를 이용하여 반도체 기판 상에 티타늄 질화막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
첨부된 도면들을 참조하여 다수의 반도체 기판들(10) 상에 티타늄 질화막을 각각 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판들(10)을 공정 챔버(102) 내에 위치시킨다. (단계 S100) 구체적으로, 반도체 기판들(10)은 수직 방향으로 일정 간격을 두고 보트(108)에 적재되며, 각각의 반도체 기판들(10)은 수평 방향으로 유지된다. 상기 보트(108)는 수직 구동 유닛(120)의 동작에 의해 매니폴드(106)를 통해 공정 챔버(102) 내부로 이동된다.
상기 반도체 기판(10) 상에는 반도체 장치를 구성하는 반도체 구조물들이 형성되어 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 구조물들은 트랜지스터와 커패시터의 하부 전극 및 유전막을 포함할 수 있다. 상기 트랜지스터는 게이트 구조물과 소스/드레인으로 기능하는 불순물 영역들을 포함하며, 상기 커패시터의 하부 전극은 상기 불순물 영역들 중 하나에 연결된다. 상기 유전막은 상기 커패시터의 하부 전극 상에 형성되어 있다. 상기 하부 전극은 도프트 폴리실리콘으로 이루어질 수 있으며, 상기 유전막은 하프늄 산화물(HfO2)로 이루어질 수 있다.
반도체 기판들(10) 상에 상기 제1소스 가스를 제1노즐들(156a)을 통하여 공급함으로써 상기 반도체 기판들(10) 상에 티타늄 전구체 박막들을 형성한다. (단계 S110) 일 예로, 액상의 TiCl4의 유량은 액체 질량 유량 제어기(150)에 의해 약 200mgm 정도로 조절되며, 제1캐리어 가스의 유량은 제1밸브(148a)에 의해 약 0.5slm 정도로 조절될 수 있다. 상기 제1소스 가스는 약 10초 동안 공급될 수 있다.
공정 챔버(102) 내부로 상기 제1퍼지 가스를 제1노즐들(156a), 제2노즐들(156b) 및 제3노즐(156c)을 통해 공급하여 잔여 제1소스 가스와 상기 티타늄 전구체 박막들 상에 물리적으로 부착된 티타늄 전구체를 제거한다. (단계 S120) 일 예로, 질소 가스를 공정 챔버(102) 내로 약 5초 동안 공급한다. 구체적으로, 제1노즐들(156a)을 통해 질소 가스를 약 0.5slm의 유량으로 공급하고, 제2노즐들(156b)을 통해 질소 가스를 약 0.5slm의 유량으로 공급하며, 제3노즐(156c)을 통해 질소 가스를 약 2slm의 유량으로 공급하여 공정 챔버(102)를 일차 급속 퍼지시킨다.
반도체 기판들(10) 상에 상기 제2소스 가스를 제2노즐들(156b)을 통하여 공급함으로써 상기 반도체 기판들(10) 상에 형성된 티타늄 전구체 박막들을 티타늄 질화막으로 전환시킨다. (단계 S130) 일 예로, 제2캐리어 가스의 유량은 제2밸브 (148b)에 의해 0.5slm 정도로 조절되며, NH3 가스의 유량은 제3밸브(148c)에 의해 약 0.5slm 정도로 조절될 수 있다. 상기 제2소스 가스는 약 10초 동안 공급될 수 있다.
상기 티타늄 질화막들을 형성한 후, 공정 챔버(102) 내부에 잔류하는 제2소스 가스 및 반응 부산물을 제거하기 위하여 제1노즐들(156a), 제2노즐들(156b) 및 제3노즐(156c)을 통해 제2퍼지 가스를 공급한다. (단계 S140) 일 예로, 질소 가스를 공정 챔버(102) 내로 약 5초 동안 공급한다. 구체적으로, 제1노즐들(156a)을 통해 질소 가스를 약 0.5slm의 유량으로 공급하고, 제2노즐들(156b)을 통해 질소 가스를 약 0.5slm의 유량으로 공급하며, 제3노즐(156c)을 통해 질소 가스를 약 2slm의 유량으로 공급하여 공정 챔버(102)를 이차 급속 퍼지시킨다.
상기와 같은 원자층 증착 방법을 이용하여 형성된 티타늄 질화막은 약 120μΩcm 정도의 비저항을 가지며, 일 회의 공정 사이클의 수행에 의해 약 0.2Å 내지 0.3Å의 두께를 갖는 티타늄 질화막이 형성되므로 우수한 단차 도포성을 가질 수 있다. 또한, 다수의 공정 사이클들을 반복적으로 수행하는 동안 반도체 기판들(10)은 회전 구동 유닛(118)에 의해 일정한 속도로 회전하므로, 반도체 기판들(10) 상에는 균일한 두께를 갖는 티타늄 질화막들이 형성될 수 있다.
또한, TiCl4 가스를 이용하여 형성된 티타늄 전구체 박막의 염소와 유전막 사이의 불필요한 반응에 기인하는 불순물 생성을 억제할 수 있다. 예를 들면, 상기 하프늄 산화물과 염소의 반응에 의한 사염화 하프늄(HfCl4)의 생성을 억제할 수 있 다. 따라서, 상기 유전막의 유전 특성 열화를 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 일 회의 공정 사이클을 수행하는 동안 상기 가스들을 공급하기 위한 액체 질량 유량 제어기(150) 및 밸브들(148a, 148b, 148c, 148d, 148e, 148f)의 동작은 제어부(164)에 의해 제어되며, 공정 챔버(102)의 내부 압력은 약 0.3torr 내지 1torr 정도로 조절되며, 공정 챔버(102)의 내부 온도는 약 450℃ 정도로 조절될 수 있다.
계속해서, 목적하는 두께를 갖는 티타늄 질화막들을 반도체 기판들(10) 상에 각각 형성하기 위하여 상기 공정 사이클(단계 S110 내지 S140)을 반복적으로 수행한다. (단계 S150)
상기 목적하는 두께를 갖는 티타늄 질화막들의 형성이 종료되면, 상기 반도체 기판들(10)을 공정 챔버(102)로부터 언로딩시킨다. (단계 S160) 상기 보트(108)는 수직 구동 유닛(120)의 동작에 의해 공정 챔버(102)로부터 로드락 챔버(126)로 반출된다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 티타늄 질화막은 원자층 증착 방법을 이용하여 수행되므로, 높은 단차 도포성을 갖는 티타늄 질화막을 형성할 수 있다. 또한, 상기 티타늄 질화막의 형성하는 동안 반도체 기판들을 일정 속도로 회전시킴으로써 균일한 두께를 갖는 티타늄 질화막을 형성할 수 있다.
한편, 상기 TiCl4 가스와 NH3 가스를 이용하여 티타늄 질화막을 형성하는 경 우, 상기 TiCl4 박막과 NH3 가스의 반응에 의해 염소가 제거되므로 낮은 비저항을 갖는 티타늄 질화막을 형성할 수 있으며, 하프늄 산화막과 같은 하부막의 유전 특성 열화를 방지할 수 있다. 또한, 제3노즐에 의한 급속 퍼지를 수행함으로써 전체 공정 수행 시간을 크게 단축시킬 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 (27)

  1. 다수의 기판들이 수직 방향으로 배열되며, 각각 수평 방향으로 유지되도록, 상기 기판들을 공정 챔버 내에 위치시키는 단계;
    티타늄 전구체를 포함하는 제1소스 가스를 제1시간 동안 상기 기판들 상으로 공급하여 상기 기판들 상에 티타늄 전구체 박막들을 각각 형성하는 단계;
    상기 제1시간보다 짧은 제2시간 동안 제1퍼지 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내부를 급속 퍼지하는 단계;
    질소를 포함하는 제2소스 가스를 상기 제1시간과 실질적으로 동일한 제3시간 동안 상기 티타늄 전구체 박막들 상으로 공급하여 상기 티타늄 전구체 박막들을 티타늄 질화막들로 전환시키는 단계; 및
    상기 제2시간과 실질적으로 동일한 제4시간 동안 제2퍼지 가스를 공급하여 상기 공정 챔버 내부를 급속 퍼지하는 단계를 포함하되,
    상기 제1소스 가스 및 상기 제2소스 가스는 상기 기판들과 인접하여 수직 방향으로 평행하게 배열된 다수의 제1노즐들 및 제2노즐들을 통해 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1퍼지 가스 및 상기 제2퍼지 가스는 상기 제1노즐들, 상기 제2노즐들 및 상기 제1노즐들과 상기 제2노즐들 사이에 배치된 제3노즐을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1노즐들 및 상기 제2노즐들로부터 공급되는 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스는 상기 기판들의 표면들을 따라 흐르도록 공급되며, 상기 제3노즐을 통해 공급되는 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스는 상기 공정 챔버 내의 상부 공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공정 챔버의 내부 온도는 350℃ 내지 550℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 전구체는 TiCl4, Ti(OtBu)4, Ti(NMe2)4 , Ti(NEt2)4 또는 Ti(NEtMe)4인 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2소스 가스는 NH3 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1시간, 상기 제2시간, 상기 제3시간 및 상기 제4시간 사이의 비율은 1:0.4~0.8:1:0.4~0.8인 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1시간, 상기 제2시간, 상기 제3시간 및 상기 제4시간 사이의 비율은 1:0.5:1:0.5인 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1소스 가스는 제1캐리어 가스에 의해 운반되며, 상기 제2소스 가스는 제2캐리어 가스에 의해 운반되는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1퍼지 가스의 공급 유량은 상기 제1캐리어 가스의 공급 유량의 4 내지 10배인 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1퍼지 가스의 공급 유량은 상기 제2퍼지 가스의 공급 유량과 실질적으로 동일하며, 상기 제1캐리어 가스의 공급 유량은 상기 제2캐리어 가스의 공급 유량과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1노즐들을 통해 공급되는 제1퍼지 가스의 공급 유 량, 상기 제2노즐들을 통해 공급되는 제1퍼지 가스의 공급 유량, 상기 제2노즐들을 통해 공급되는 제1퍼지 가스의 공급 유량 및 상기 제2노즐들을 통해 공급되는 제2퍼지 가스의 공급 유량은 상기 제1캐리어 가스의 공급 유량 또는 상기 제2캐리어 가스의 공급 유량과 각각 동일한 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 방법.
  15. 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 내에 배치되며 다수의 기판들이 수직 방향으로 배열되도록 그리고 각각의 기판들이 수평 방향으로 유지되도록 상기 기판들을 지지하기 위한 보트;
    상기 기판들 상에 티타늄 전구체 박막들을 형성하기 위하여 티타늄 전구체를 포함하는 제1소스 가스를 공급하고, 상기 공정 챔버를 일차 퍼지하기 위하여 제1퍼지 가스를 상기 공정 챔버 내로 공급하며, 상기 티타늄 전구체 박막들을 티타늄 질화막으로 전환시키기 위하여 상기 티타늄 전구체 박막들 상으로 질소를 포함하는 제2소스 가스를 공급하고, 상기 공정 챔버를 이차 퍼지하기 위하여 제2퍼지 가스를 상기 공정 챔버 내로 공급하기 위한 가스 공급부; 및
    상기 제1소스 가스를 제1시간 동안 공급하고, 상기 제2퍼지 가스를 상기 제1시간보다 작은 제2시간 동안 공급하며, 상기 제1시간과 실질적으로 동일한 제3시간 동안 상기 제2소스 가스를 공급하고, 상기 제2시간과 실질적으로 동일한 제3시간 동안 상기 제2퍼지 가스를 공급하도록, 상기 가스 공급부의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하되,
    상기 가스 공급부는,
    상기 공정 챔버 내에 배치되며 상기 기판들과 인접하여 수직 방향으로 연장하고, 상기 제1소스 가스, 상기 제1퍼지 가스 및 상기 제2퍼지 가스를 상기 기판들 상으로 공급하기 위한 다수의 제1노즐들을 갖는 제1노즐 파이프; 및
    상기 공정 챔버 내에 배치되며 상기 제1노즐 파이프와 평행하게 연장하고, 상기 제2소스 가스, 상기 제1퍼지 가스 및 상기 제2퍼지 가스를 상기 기판들 상으로 공급하기 위한 다수의 제2노즐들을 갖는 제2노즐 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 공정 챔버는 수직 방향으로 연장하며 하부가 개방된 실린더 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 공정 챔버를 감싸도록 배치되어 상기 공정 챔버를 공정 온도로 가열하기 위한 가열로;
    상기 공정 챔버 하부에 연결되며 상하 개방된 실린더 형상을 갖는 매니폴드; 및
    상기 매니폴드를 통해 상기 공정 챔버 내부로/로부터 상기 보트를 반입/반출하기 위한 수직 구동 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 수직 구동 유닛은, 회전력을 제공하기 위한 모터와, 상기 회전력에 의해 회전하는 리드 스크루와, 상기 리드 스크루와 결합하며 상기 리드 스크루의 회전에 의해 수직 방향으로 이동하는 수평 암을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 수평 암 상에 배치되어 상기 매니폴드의 하부 개구를 개폐하기 위한 리드 부재와, 상기 리드 부재 상에 배치되어 상기 보트를 지지하기 위한 턴테이블과, 상기 보트를 회전시키기 위하여 상기 턴테이블과 연결된 회전 구동 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 회전 구동 유닛은 상기 수평 암에 장착되어 상기 보트를 회전시키기 위한 제2회전력을 제공하는 제2모터와, 상기 수평 암 및 상기 리드 부재를 통해 상기 턴테이블과 결합되며 상기 제2회전력을 전달하기 위한 회전축을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 매니폴드의 내부를 가열하기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  22. 제15항에 있어서, 상기 기판들은 수직 방향으로 소정 간격을 두고 상기 보트에 적재되는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 가스 공급부는,
    상기 제1소스 가스를 제공하기 위한 제1가스 공급부;
    상기 제2소스 가스를 제공하기 위한 제2가스 공급부;
    상기 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스를 제공하기 위한 제3가스 공급부;
    상기 제1소스 가스를 상기 공정 챔버로 공급하기 위하여 상기 제1가스 공급부와 상기 제1노즐 파이프 사이를 연결하는 제1가스 공급 배관;
    상기 제2소스 가스를 상기 공정 챔버로 공급하기 위하여 상기 제2가스 공급부와 상기 제2 노즐 파이프 사이를 연결하는 제2가스 공급 배관;
    상기 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스를 공정 챔버로 공급하기 위하여 상기 제3가스 공급부에 연결된 제3가스 공급 배관; 및
    상기 제3가스 공급 배관을 상기 제1 및 제2가스 공급 배관들에 각각 연결하기 위한 연결 배관들을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 가스 공급부는, 상기 제3가스 공급부와 연결되며, 상기 제1노즐 파이프와 상기 제2노즐 파이프 사이에 배치되어 상기 제1노즐 파이프와 평행하게 연장하고, 상기 제1퍼지 가스 및 상기 제2퍼지 가스를 공정 챔버 내부로 공급하기 위한 제3노즐을 갖는 제3노즐 파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제3노즐은 상기 제3노즐 파이프의 상단부를 관통하여 형성되어 있으며 상기 공정 챔버의 천장을 향해 수직 방향으로 상기 제1퍼지 가스 및 제2퍼지 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 제3노즐은 상기 제1노즐들 및 제2노즐들보다 큰 내경 을 갖는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
  27. 제23항에 있어서, 상기 제1가스 공급부는,
    캐리어 가스를 공급하기 위한 제1저장부;
    액상의 티타늄 전구체를 저장하기 위한 제2저장부;
    상기 제1저장부 및 제2저장부와 연결되며 상기 액상의 티타늄 전구체를 기화시키기 위한 기화기(vaporizer);
    상기 제1저장부와 상기 기화기를 연결하는 제1연결 배관에 설치되어 상기 캐리어 가스의 공급 유량을 조절하기 위한 밸브; 및
    상기 제2저장부와 상기 기화기를 연결하는 제2배관에 설치되어 상기 액상의 티타늄 전구체의 공급 유량을 조절하기 위한 액체 질량 유량 제어기(liquid mass flow controller)를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 질화막 형성 장치.
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