KR100665846B1 - 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양질의 박막을 형성하기 위한 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법은, 반도체 기판의 결정구조를 변화시키기 위한 제1가스 및 상기 반도체 기판의 상부에 박막을 형성하기 위한 제2가스를 공급하는 단계와; 상기 제1가스를 플라즈마 상태로 유지하고, 온도와는 무관하게 자기장의 힘에 의하여 플라스마 상태인 상기 제1가스를 상기 반도체 기판에 스퍼터링함에 의하여 상기 반도체 기판을 구성하는 원자들을 일부 이탈시킴과 동시에 상기 반도체 기판 표면의 결정구조를 변화시키는 단계와; 반응성 가스인 상기 제2가스를 상기 이탈된 원자들 및 상기 반도체 기판 표면의 원자들과 반응시켜 상기 반도체 기판 상에 박막을 형성하는 단계를 구비한다. 본 발명에 따르면, 양질의 박막이 얻어지며 반도체 소자의 퍼포먼스 향상을 기대할 수 있다.
스퍼터링, 산화막, 박막, 아르곤, 자기장
Description
도 1 및 도 2는 종래의 산화막 형성공정 및 반도체 기판의 결정구조를 나타낸 도면
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화막 형성공정 및 반도체 기판의 결정구조를 나타낸 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
Ar+ : 아르곤 이온 O+ : 산소이온
Si : 실리콘 원자
본 발명은 반도체 소자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 반도체 기판에 박막을 형성하는 박막 형성방법에 관한 것이다.
현재의 반도체 장치에 대한 연구는 보다 많은 데이터를 단시간 내에 처리하기 위하여 고집적 및 고성능을 추구하는 방향으로 진행되고 있다. 반도체 장치의 고집적화 및 고성능화를 이루기 위해서는 반도체 기판 상에 박막 패턴을 정확하게 형성하는 박막 증착 기술이 무엇보다 중요하다.
일반적으로 웨이퍼 상에 박막을 형성하는 기술은 크게 물리적 방식을 이용하는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition;PVD) 기술과 화학적 방식을 이용한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition;CVD) 기술로 분류될 수 있다.
상기 물리 기상 증착 기술은 생성하려는 박막과 동일한 재료를 진공중에서 증발시켜, 마주보는 기판위에 증착시키는 기술이다. 상기 물리 기상 증착 기술은 진공 증발(Evaporation)과 스퍼터링(Sputtering) 기술 등으로 나뉘며, 물리적 수단에 의해서 화학반응이 관여하지 않는 방법으로 기판위에 원하는 박막을 증착시키는 기술이다.
상기 물리 기상 증착 기술 중 진공 증발 기술은, 진공 중에서 원하는 증착원을 열적으로 증발 또는 승화시켜 증착 입자를 만든 다음 기판으로 증착 입자를 수송하여 기판상에 증착 입자를 부착 또는 퇴적시켜 박막을 형성하는 기술이다.
상기 물리 기상 증착 기술 중 스퍼터링 기술은, 높은 에너지의 입자를 고체(타겟)에 조사하였을 때 타겟의 구성원자가 타겟표면에서 방출되는 스퍼터링 현상을 이용한 것이다. 즉, 에너지가 수백 eV 내지 수십 KeV인 이온이 타겟에 입사되면, 입사이온과 타겟원자의 핵 충돌로 야기되는 캐스캐이드(cascade) 현상에 의해서 타 겟표면에서 방출되는 방향의 운동량 성분을 가진 타겟원자가 나타나 타겟에서 방출된다. 이러한 스퍼터링 현상에 의해서 방출된 타겟원자를 기판위에 수송하여 박막을 형성하는 기술이 스퍼터링 기술이다.
상기 화학 기상 증착 기술은, 형성시키려고 하는 박막재료를 구성하는 원자로 된 제1종 또는 그 이상의 화합물, 단체의 가스를 기판 위에 공급해, 기판상 또는 기판 표면에서의 열분해, 광분해, 산화환원, 치환 등의 화학반응에 의해서 희망하는 박막을 형성시키는 방법이다. 상기 화학 기상 증착 기술은, 열 화학 기상 증착 기술(Thermal CVD), 플라즈마 화학 증착 기술(Plasma Enhanced CVD;PECVD) 등으로 구분된다.
상기 열 화학 기상 증착 기술은 열에너지에 의해서 적당한 온도로 가열된 기판 표면에 원료가스를 열분해하고 분해 생성물이나 화학반응에 의해서 박막을 형성하는 기술을 말하는 것으로 박막 형성시의 압력에 따라 압력이 대기압인 상압 화학 기상 증착 기술(Atmospheric Pressure CVD;APCVD)과 수 토르(Torr) 정도로 감압인 경우의 저압 화학 기상 증착 기술(Low Pressure CVD;LPCVD)로 대별된다.
상기 플라즈마 화학 기상 증착 기술은 원료가스 플라즈마 속에서 생성된 활성입자가 기판 표면에서의 화학 반응을 촉진하여 박막을 형성하는 기술이다.
이러한 화학 기상 증착 기술은 웨이퍼 상에 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등과 같은 다양한 박막들을 증착하기 위해 사용된다.
현재 대부분의 산화막 등의 증착시 사용되는 증착기술인 저압 화학 증착 기술에 의한 산화막 증착 공정 및 결정구조가 도 1 내지 도 2에 나타나 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 들(Si)의 결정 구조를 가지는 반도체 기판이 챔버내에 준비되고 산소 이온(O+)이 주입된다. 상기 산소 이온(O+)은 상기 반도체 기판의 내부에 도 2에 도시된 바와 같이 확산되어, 상기 반도체 기판을 구성하는 실리콘(Si)과 결합하여 산화막(Oxide)을 형성한다. 상기 산화막은 단지 높은 온도에 의해 형성되기 때문에 불순물 가스들이 고온 상태에서 화학적 반응을 일으켜 실리콘 웨이퍼 표면을 오염시키게 된다. 이는 증착될 박막의 질을 떨어뜨리게 된다. 즉, 산소 이온(O+)과 결합하지 못하는 실리콘(Si)의 댕글링 본드(dangling bond)에 다른 이온(예를 들면 브론(Boron)이온 등)이 결합하여 모바일 차아지(mobile charge)를 발생하여 반도체 소자의 퍼포먼스(performance) 향상을 저해하는 문제를 발생시키고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 양질의 박막을 형성할 수 있는 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 소자의 퍼포먼스를 향상시킬 수 있는 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 양상(aspect)에 따라, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법은, 반도체 기판의 결정구조를 변화시키기 위한 제1가스 및 상기 반도체 기판의 상부에 박막을 형성하기 위한 제2가스를 공급하는 단계와; 상기 제1가스를 플라즈마 상태로 유지하고, 온도와는 무관하게 자기장의 힘에 의하여 플라스마 상태인 상기 제1가스를 상기 반도체 기판에 스퍼터링함에 의하여 상기 반도체 기판을 구성하는 원자들을 일부 이탈시킴과 동시에 상기 반도체 기판 표면의 결정구조를 변화시키는 단계와; 반응성 가스인 상기 제2가스를 상기 이탈된 원자들 및 상기 반도체 기판 표면의 원자들과 반응시켜 상기 반도체 기판 상에 박막을 형성하는 단계를 구비한다.
상기 제1가스는 아르곤(Ar) 이온을 포함할 수 있으며, 상기 박막은 산화막일 수 있다. 또한, 상기 제2가스는 산소이온을 포함할 수 있으며, 상기 반도체 기판은 실리콘으로 이루어질 수 있다.
상기한 구성에 따르면, 양질의 산화막을 얻을 수 있어 반도체 소자 퍼포먼스의 향상을 기대할 수 있다.
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이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성 장치 및 상기 박막 형성 장치에 의해 반도체 기판 상에 박막을 형성하는 공정을 실리콘 산화막(SiO2)을 예로 들어 나타낸 도면이다
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성 장치는, 기판 상에 박막이 형성될 수 있도록 하기 위한 프로세스 챔버부, 상기 프로세스 챔버부의 일단에 장착되어 제1가스 및 제2가스를 주입시키는 가스 주입부, 주입된 제1가스 및 제2가스를 고밀도의 플라즈마 상태로 유지하기 위한 RF 코일을 장착한 플라즈마 생성부, 상기 프로세스 챔버 내부에 열을 가하기 위한 히터부, 박막이 형성되는 반도체 기판, 및 상기 반도체 기판의 하부에 위치되며 플라즈마 상태인 제1가스에 의해 상기 반도체 기판을 구성하는 원자들이 스퍼터링되도록 하기 위한 자기장을 발생시키는 위한 자기장 발생부를 구비한다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성 장치는 종래의 일반적인 화학 기상증착 장치에 스퍼터링 효과를 위한 자기장 발생부가 추가로 구비된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 용이하게 상기 박막 형성 장치의 구조에 대한 이해가 가능하므로 그에 따른 도면 및 설명을 생략한다.
상기 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성 장치에 의한 박막 형성방법은 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 우선 실리콘(Si)으로 구성되는 반도체 기판을 박막 증착 장치의 챔버 내부로 이동시킨다. 다음으로 상기 챔버내에 제1가스인 아르콘 이온(Ar+) 가스를 주입하고 상기 반도체 기판 상에 상기 아르곤 이온(Ar+)가스의 플라즈마를 형성한다. 다음으로 플라즈마 상태의 상기 아르곤 이온(Ar+)을 상기 반도체 기판에 스퍼터링 한다. 상기 아르곤 이온(Ar+)에 의한 스퍼터링 효과로 도 4에 도시된 바와 같이 상기 반도체 기판의 실리콘들(Si)들의 결합을 깨뜨리게 되어 일부 실리콘 원자들(Si)이 상기 반도체 기판을 이탈하게 되고 상기 반도체 기판의 결정구조를 이루는 실리콘(Si)들의 결합력이 약해지게 된다.
상기 아르곤 이온(Ar+)의 스퍼터링은 상기 반도체 기판이 놓이는 스테이지의 하부에 설치되는 자기장 발생기에 의해 형성된 자기장에 의하여 가능해진다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 박막 형성 장치의 챔버 내부로 상기 가스 주입구를 통하여 제2가스인 산소 이온(O+)을 포함하는 가스가 주입되게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 반응성 가스인 플라즈마 상태의 상기 산소 이온 (O+)을 포함하는 제2가스와 상기 반도체 기판을 이탈한 실리콘(Si) 및 상기 반도체 기판 표면의 실리콘 원자들이 반응하여 상기 반도체 기판 상에 박막을 형성한다. 상기 박막은 상기 산소이온(O+)들이 확산되어 실리콘들(Si)과 결합되는 것이 아니라 증착(deposition)되어 실리콘들(Si)과 결합되어 형성된다.
도 5는 상기 박막이 형성된 반도체 기판의 결정구조를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 효과로 인하여 상기 반도체 기판을 이루는 실리콘 원자들(Si)의 댕글링 본딩(dangling bonding) 감소로 인하여 기존의 산화막 대비 양질의 산화막을 얻을 수 있다. 또한 고온을 사용할 필요가 없어 고온에 의해 발생되는 문제점의 방지 또는 최소화가 가능하다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 스퍼터링 효과에 의해 반도체 기판의 결정구조를 변화시켜 박막을 형성함에 의해 양질의 산화막을 얻을 수 있으며, 고온에 의한 박막 형성에 비해 고온의 의해 파생되는 문제점을 방지 또는 최소화하여 반도체 소자의 퍼포먼스 향상이 가능하다.
Claims (10)
- 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법에 있어서:반도체 기판의 결정구조를 변화시키기 위한 제1가스 및 상기 반도체 기판의 상부에 박막을 형성하기 위한 제2가스를 공급하는 단계와;상기 제1가스를 플라즈마 상태로 유지하고, 온도와는 무관하게 자기장의 힘에 의하여 플라스마 상태인 상기 제1가스를 상기 반도체 기판에 스퍼터링함에 의하여 상기 반도체 기판을 구성하는 원자들을 일부 이탈시킴과 동시에 상기 반도체 기판 표면의 결정구조를 변화시키는 단계와;반응성 가스인 상기 제2가스를 상기 이탈된 원자들 및 상기 반도체 기판 표면을 이루는 원자들과 반응시켜 상기 반도체 기판 상에 박막을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1가스는 아르곤(Ar) 이온을 포함함을 특징으로 하는 반도체소자 제조를 위한 박막 형성방법.
- 제2항에 있어서,상기 제2가스는 산소 이온이며, 상기 박막은 산화막임을 특징으로 하는 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법.
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- 제3항에 있어서,상기 반도체 기판은 실리콘으로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 소자 제조를 위한 박막 형성방법.
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