KR100642400B1 - 반도체 장치의 유전막 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 장치의 유전막 제조방법에 관한 것으로, 특히, 다수의 가스 유입관을 구비하며, 회전이 가능한 인젝터를 이용하여 인젝터가 회전하는 상태에서 상기 가스 유입관 중 대칭인 가스 유입관을 통해 Hf, Al 소스가 공급되도록 하고, 나머지 가스 유입관을 통해서는 정화 가스가 유입되는 상태에서 상기 인젝터를 회전시켜 다수의 웨이퍼에 Hf와 Al을 증착하는 제1단계와, 상기 인젝터가 회전되는 상태에서 모든 가스 유입관을 통해 정화가스가 유입되도록 하는 제2단계와, 상기 인젝터가 회전되는 상태에서 일부의 가스 유입관을 통해 산소 소스가 유입되도록 하여 상기 증착된 Hf, Al를 산화시키는 제3단계와, 상기 인젝터가 회전하는 상태에서 모든 가스 유입관을 통해 정화가스가 유입되도록 하는 제4단계로 구성된다. 이와 같은 본 발명은 알루미늄 하프늄 산화막의 제조에 필요한 Hf소스와 Al소스를 동시에 유입시켜 처리함으로써, 공정의 1사이클에 필요한 시간을 단축하여 제조공정 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
유전막, 회전식 인젝터, 알루미늄, 하프늄

Description

반도체 장치의 유전막 제조방법{manufacturing method for dielectric film in semiconductor device}
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 장치의 유전막 제조공정을 나타낸 흐름도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 유전막 제조공정을 나타낸 공정 모식 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 유전막 제조공정을 나타낸 흐름도.
-- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 --
1:웨이퍼 로더 2:회전식 인젝터
본 발명은 반도체 장치의 유전막 제조방법에 관한 것으로, 특히 회전식 인젝터를 이용하여 알루미늄 하프늄 산화막(AlHfO2)를 형성하는 과정에서 두 종류의 전구체를 동시에 주입하여 공정시간을 단축하며, 알루미늄 하프늄 산화막의 누설전류 를 감소시킬 수 있는 반도체 장치의 유전막 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 장치의 집적도가 증가함에 따라 커패시터는 보다 적은 면적에 형성되나, 커패시터의 정전용량은 일정 수준 이상 확보해야만 한다.
이러한 이유로 커패시터의 유전막은 보다 유전율이 높은 물질을 사용하고 있다. 상기 고유전율의 유전막으로 대표적인 것이 하프늄 산화막(HfO2)이다.
그러나, 상기 하프늄 산화막은 기존의 알루미늄 산화막에 비하여 2배 이상의 유전율을 가지고 있는 반면에, 그 두께가 증가하면 비정질구조에서 결정질로의 변화가 있어, 누설전류의 발생이 증가하는 특성이 있기 때문에 소자의 리플레쉬 특성이 감소하는 문제가 있다.
또한, 상기 하프늄 산화막을 3차원 구조의 커패시터에 적용하는 경우엔 스텝 커버리지(step coverage) 특성이 나쁘기 때문에 3차원 구조의 하부에는 상대적으로 얇게 형성되며, 이는 누설전류를 더욱 증가시키는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 현재는 하프늄 산화막에 알루미늄 산화막을 삽입하는 알루미늄-하프늄 산화막에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이와 같은 종래 반도체 장치의 유전막 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 단원자 증착법(ALD)을 이용한 알루미늄-하프늄 산화막의 제조 공정 흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 Hf 소스 공급, 정화, O 소스 공급, 정화, Al 소스 공급, 정화, O 소스 공급, 정화를 1공정 사이클로 하여 그 공정 사이클을 반복하여 하프늄 산화막에 알루미늄 산화막을 삽입하여 알루미늄-하프늄 산화막을 제조한다.
그러나, 상기와 같은 종래 단원자 증착법을 이용한 알루미늄-하프늄 산화막의 제조과정은 공정에 요구되는 시간이 증가하게 되어 소자의 제조 수율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 유전율이 높은 동시에 스텝 커버리지 또한 우수한 유전막인 알루미늄-하프늄 산화막을 단원자 증착법을 이용하여 형성하되, 종래 기술에 비해 제조공정 시간을 단축하여 소자의 제조 수율을 향상시키도록 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 가스 유입관을 구비하며, 회전이 가능한 인젝터를 이용하여 인젝터가 회전하는 상태에서 상기 가스 유입관 중 대칭인 가스 유입관을 통해 Hf, Al 소스가 공급되도록 하고, 나머지 가스 유입관을 통해서는 정화 가스가 유입되는 상태에서 상기 인젝터를 회전시켜 다수의 웨이퍼에 Hf와 Al을 증착하는 제1단계와, 상기 인젝터가 회전되는 상태에서 모든 가스 유입관을 통해 정화가스가 유입되도록 하는 제2단계와, 상기 인젝터가 회전되는 상태에서 일부의 가스 유입관을 통해 산소 소스가 유입되도록 하여 상기 증착된 Hf, Al를 산화시키는 제3단계와, 상기 인젝터가 회전하는 상태에서 모든 가스 유입 관을 통해 정화가스가 유입되도록 하는 제4단계를 하나의 공정 사이클로 하고, 그 공정 사이클을 반복하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 인젝터는 5 내지 120rpm으로 회전하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Hf 소스는 TEMAHf, TDMAHf, TDEAHf를 사용하며, Al 소스는 TMA를 사용하며, 캐리어 가스로 Ar 또는 N2를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산소 소스는 1000~5000sccm의 O2, O3 또는 수증기를 사용하며, O3를 사용하는 경우에는 챔버 내의 O3 농도가 150 내지 300g/cm3이 되도록 유지하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명을 적용하기 위한 회전식 인젝터의 구조와 그 회전식 인젝터를 이용한 유전막의 제조공정 순서를 보인 공정 흐름도이다.
이를 참조하면 4개의 웨이퍼를 장착할 수 있는 웨이퍼 로더(1)와, 웨이퍼 로더(1)의 상부측에서 각각의 웨이퍼에 다른 소스 가스 또는 정화 가스를 공급할 수 있으며, 회전이 가능한 인젝터(2)를 포함하여 구성된다.
상기 인젝터(2)는 각 웨이퍼에 Hf, Al, O 또는 정화를 수행할 수 있도록 4개의 가스유입관을 구비하고 있으며, 설정된 공정시간에 따라 90도씩 회전하여 각각 의 웨이퍼에 유전막을 증착할 수 있다.
즉, 4개의 웨이퍼에 동시에 유전막을 증착할 수 있다.
도 3은 상기와 같은 본 발명의 회전식 인젝터를 이용한 유전막 제조과정의 흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 Hf, Al 소스를 공급하는 단계와, 정화, 산소(O) 소스 공급, 정화 단계를 1사이클로 하여 4개의 웨이퍼에 알루미늄-하프늄 산화막을 제조한다.
상기 도 2a 내지 도 2d와 도 3을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 회전식 인젝터는 각기 다른 소스를 제공할 수 있는 대칭의 가스 유입관을 가지는 인젝터(2)를 이용하여 웨이퍼 로더(1) 상에 위치하는 4개의 웨이퍼 각각에 서로 다른 소스 가스를 공급한다.
상기 회전식 인젝터(2)의 4개의 가스 유입관 중 대칭인 두 가스 유입관에서는 Hf 소스와, Al 소스가 유입되며, 나머지 두 가스 유입관에서는 정화 가스가 유입된다.
이와 같은 상태에서 회전식 인젝터(2)는 회전하게 되며, 모든 웨이퍼에 Hf와 Al이 증착되도록 한다.
이때 회전식 인젝터(2)의 회전속도는 5 내지 120rpm으로 한다.
상기 Hf 소스는 TEMAHf, TDMAHf, TDEAHf를 사용하며, 25 내지 150℃의 온도에서, Ar 또는 N2를 캐리어 가스로 이용한다.
또한, Al 소스는 TMA를 사용하며, 역시 Ar 또는 N2를 캐리어 가스로 이용한 다.
그 다음, 도 2b와 같이 상기 회전식 인젝터(2)의 모든 가스 유입관을 통해 정화가스가 유입되도록 하여 Hf와 Al의 증착후 정화단계를 수행한다.
그 다음, 도 2c에 도시한 바와 같이 상기 정화가 완료되면 다시 인젝터(2)의 대칭된 두 가스 유입관을 통해 산소 소스로 O2, O3 또는 수증기가 공급되도록 하며, 나머지 두 가스 유입관에서는 정화 가스가 유입되도록 하여 Hf와 Al을 산화시킨다.
상기 O2, O3 또는 수증기 유량은 1000~5000sccm을 공급한다.
또한, 상기 산소 소스로 O3를 사용하는 경우에는 챔버 내의 O3 농도가 150 내지 300g/cm3이 되도록 유지한다.
그 다음, 도 2d와 같이 인젝터(2)의 모든 가스 유입관을 통해 정화 가스가 공급되도록 한다.
본 발명은 이와 같은 과정의 단원자 증착법(ALD)을 통해 4개의 웨이퍼에 동시에 알루미늄-하프늄 산화막을 형성할 수 있게 되기 때문에 소자의 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기의 공정과정에서 웨이퍼의 온도는 200 내지 450℃를 유지하며, 챔버 내의 압력은 0.01 내지 1Torr로 유지하는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예들을 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않으며 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의 해 다양한 변경과 수정이 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명은 회전이 가능한 인젝터를 이용하여 동시에 4개의 웨이퍼에 알루미늄-하프늄 산화막을 제조할 수 있어 제조공정 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 알루미늄 하프늄 산화막의 제조에 필요한 Hf소스와 Al소스를 동시에 유입시켜 처리함으로써, 공정의 1사이클에 필요한 시간을 단축하여 제조공정 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 다수의 가스 유입관을 구비하며, 회전이 가능한 인젝터를 이용하여 인젝터가 회전하는 상태에서 상기 가스 유입관 중 대칭인 가스 유입관을 통해 Hf, Al 소스가 공급되도록 하고, 나머지 가스 유입관을 통해서는 정화 가스가 유입되는 상태에서 상기 인젝터를 회전시켜 다수의 웨이퍼에 Hf와 Al을 증착하는 제1단계와,
    상기 인젝터가 회전되는 상태에서 모든 가스 유입관을 통해 정화가스가 유입되도록 하는 제2단계와,
    상기 인젝터가 회전되는 상태에서 일부의 가스 유입관을 통해 산소 소스가 유입되도록 하여 상기 증착된 Hf, Al를 산화시키는 제3단계와,
    상기 인젝터가 회전하는 상태에서 모든 가스 유입관을 통해 정화가스가 유입되도록 하는 제4단계를 하나의 공정 사이클로 하고, 그 공정 사이클을 반복하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 인젝터는 5 내지 120rpm으로 회전하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 Hf 소스는 TEMAHf, TDMAHf, TDEAHf 중 어느 하나를 사용하며, Al 소스는 TMA를 사용하며, 캐리어 가스로 Ar 또는 N2를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 산소 소스는 1000~5000sccm의 O2, O3 또는 수증기를 사용하며, O3를 사용하는 경우에는 챔버 내의 O3 농도가 150 내지 300g/cm3이 되도록 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 유전막 제조방법.
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