KR100668738B1 - Forming method of titanium nitride layer and deposition apparatus of titanium nitride layer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자층 증착 방식을 이용한 티타늄 질화막의 형성 방법 및 티타늄 질화막의 증착 장치에 관한 것으로, 티타늄 질화막의 증착 속도를 현저히 향상시킬 수 있는 티타늄 질화막의 형성 방법과, 이러한 방법을 통한 티타늄 질화막의 형성을 가능케 하는 티타늄 질화막의 증착 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for forming a titanium nitride film and an apparatus for depositing a titanium nitride film using an atomic layer deposition method, and a method of forming a titanium nitride film that can significantly improve the deposition rate of a titanium nitride film, and to form a titanium nitride film through such a method. It relates to a deposition apparatus of a titanium nitride film to enable.
본 발명에 따른 티타늄 질화막의 형성 방법은, 티타늄 테트라클로라이드 (TiCl4) 기체에 대한 환원 반응을 통해 티타늄 트리클로라이드 (TiCl3) 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 형성하는 단계, 웨이퍼 기판의 소정 영역에 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 공급하는 단계, 및 상기 웨이퍼 기판의 소정 영역에 공급된 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 암모니아 기체와 반응시켜 티타늄 질화막을 형성하는 단계를 포함한다.The method of forming a titanium nitride film according to the present invention may include forming titanium trichloride (TiCl 3 ) or titanium hexachloride gas through a reduction reaction with titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas, and forming the titanium on a predetermined region of the wafer substrate. Supplying a trichloride or titanium hexachloride gas, and reacting the titanium trichloride or titanium hexachloride gas supplied to a predetermined region of the wafer substrate with ammonia gas to form a titanium nitride film.
티타늄 질화막, 원자측 증착 방식, 티타늄 트리클로라이드, 티타늄 헥사클로라이드Titanium nitride film, atomic side deposition method, titanium trichloride, titanium hexachloride
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 질화막 증착 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a titanium nitride film deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 부호에 대한 간략한 설명 *Brief description of the symbols in the drawing
100 : 티타늄 질화막 증착 장치 102 : 제 1 공급관100 titanium nitride
104 : 제 1 공급관 개폐수단 106 : 제 2 공급관104: opening and closing means of the first supply pipe 106: second supply pipe
108 : 제 2 공급관 개폐수단 110 : 샤워헤드108: second supply pipe opening and closing means 110: shower head
본 발명은 원자층 증착 방식을 이용한 티타늄 질화막의 형성 방법 및 티타늄 질화막의 증착 장치에 관한 것으로, 티타늄 질화막의 증착 속도를 현저히 향상시킬 수 있는 티타늄 질화막의 형성 방법과, 이러한 방법을 통한 티타늄 질화막의 형성 을 가능케 하는 티타늄 질화막의 증착 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for forming a titanium nitride film and an apparatus for depositing a titanium nitride film using an atomic layer deposition method, and a method of forming a titanium nitride film that can significantly improve the deposition rate of a titanium nitride film, and to form a titanium nitride film through such a method. It relates to a deposition apparatus of a titanium nitride film to enable.
반도체 소자의 고집적화·초미세화가 진행됨에 따라 티타늄 질화막은 갈수록 그 쓰임새가 증가하고 있다. As the integration and ultra miniaturization of semiconductor devices progress, the use of titanium nitride films is increasing.
먼저, 상기 티타늄 질화막은 전통적으로 알루미늄을 배선 물질로 사용하는 경우에 확산 장벽층 또는 캡핑막으로 사용되어 최고의 특성을 나타내 왔으며, CVD 텅스텐막의 점착력을 증대시키는 글루막으로도 널리 활용되어 왔다. 또한, 최근에는 DRAM에서 캐퍼시터의 성능 향상을 위해 도입한 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조에서 상기 티타늄 질화막이 금속 전극으로까지 사용되고 있다. First, the titanium nitride film has traditionally been used as a diffusion barrier layer or a capping film in the case of using aluminum as a wiring material, and has been used as a glue film to increase the adhesive force of the CVD tungsten film. In recent years, the titanium nitride film has been used as a metal electrode in a metal-insulator-metal (MIM) structure introduced to improve the performance of a capacitor in DRAM.
이러한 티타늄 질화막의 다양한 쓰임새로 인하여, 이러한 티타늄 질화막을 증착·형성하는 방법 역시 여러 가지로 나뉘어 질 수 있는데, 티타늄 질화막이 상기 알루미늄 배선과 함께 사용되는 경우에는 주로 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)을 통해 증착하는 것이 일반적이며, 콘택홀 또는 캐퍼시터 전극으로 이용되는 경우에는 스텝 커버리지 특성을 고려하여 통상 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 통해 증착한다.Due to the various uses of the titanium nitride film, a method of depositing and forming such a titanium nitride film may also be divided into various ways. In the case where the titanium nitride film is used together with the aluminum wiring, physical vapor deposition (PVD) is mainly performed. In general, the deposition process is performed through a chemical vapor deposition (CVD) method in consideration of step coverage characteristics when used as a contact hole or a capacitor electrode.
그러나, 최근 들어 반도체 소자가 더욱 고집적화되고, 특히, 반도체 소자의 실제 크기가 100nm이하로 감소하면서, 예를 들어, 티타늄 질화막이 증착되어야 하는 콘택홀의 종횡비(aspect ratio)가 급격히 커지게 되었다. 따라서, 일반적인 화학적 기상 증착법을 이용하여 티타늄 질화막을 증착하는 경우에는 충분한 균일성 또는 스텝 커버리지 특성을 확보할 수 없게 되었다. However, in recent years, semiconductor devices have become more highly integrated, and in particular, as the actual size of semiconductor devices has been reduced to 100 nm or less, for example, the aspect ratio of contact holes in which a titanium nitride film is to be deposited has sharply increased. Therefore, when the titanium nitride film is deposited using a general chemical vapor deposition method, sufficient uniformity or step coverage characteristics cannot be secured.
이 때문에, 종래부터 원자층 증착 방식(Atomic Layer Deposition; ALD)을 통 한 티타늄 질화막의 형성 방법이 고려된 바 있는데, 종래에는 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 기체 및 암모니아(NH3) 기체를 각각 원료 기체로 사용하여, 상기 원자층 증착 방식으로 티타늄 질화막을 형성하였다. For this reason, conventionally, a method of forming a titanium nitride film through atomic layer deposition (ALD) has been considered. Conventionally, titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas and ammonia (NH 3 ) gas are respectively used as raw materials. Using as a gas, a titanium nitride film was formed by the atomic layer deposition method.
이러한 원자층 증착 방식에 의한 종래의 티타늄 질화막 형성 과정을 좀 더 구체적으로 살피면, 우선, 티타늄 테트라클로라이드 기체를 짧은 시간 동안 공급하여 이러한 기체 분자를 웨이퍼 기판의 소정 영역에 흡착시킨 후, 다시 암모니아 기체를 짧은 시간 공급하여 이를 상기 흡착된 티타늄 테트라클로라이드와 반응시킴으로서 티타늄 질화막을 형성한다. 그리고 나서, 상기 반응에 의한 부산물 등을 제거하기 위해 퍼지를 실시하고, 이러한 과정을 계속 반복해나감으로서 소정 두께의 티타늄 질화막을 형성할 수 있다. In more detail, the conventional titanium nitride film formation process by the atomic layer deposition method, first, by supplying titanium tetrachloride gas for a short time to adsorb these gas molecules to a predetermined region of the wafer substrate, and then to ammonia gas A short time supply is made to react with the adsorbed titanium tetrachloride to form a titanium nitride film. Then, a purge may be performed to remove by-products and the like by the reaction, and a titanium nitride film having a predetermined thickness may be formed by continuously repeating this process.
이와 같은 원자층 증착 방식으로 티타늄 질화막을 형성하면, 이전의 물리적 또는 화학적 기상 증착법에 비해 균일성이 크게 향상된 티타늄 질화막을 얻을 수 있으며, 특히, 티타늄 질화막 내의 염소계 불순물의 농도를 효과적으로 떨어뜨릴 수 있다. When the titanium nitride film is formed by the atomic layer deposition method as described above, a titanium nitride film having a substantially improved uniformity can be obtained as compared with the previous physical or chemical vapor deposition method, and in particular, the concentration of chlorine-based impurities in the titanium nitride film can be effectively reduced.
그러나, 상기 종래의 방법에 따라, 원자층 증착 방식으로 티타늄 질화막을 형성하면, 일반적인 물리적 또는 화학적 기상 증착법에 비해 티타늄 질화막의 증착 속도가 지나치게 느리게 되므로, 대량 생산 체제의 반도체 제조 공정에 매우 부적합하게 되는 치명적인 단점을 가진다. However, according to the conventional method, when the titanium nitride film is formed by the atomic layer deposition method, the deposition rate of the titanium nitride film is too slow as compared with the general physical or chemical vapor deposition method, which is very unsuitable for the semiconductor manufacturing process of the mass production system. It has a fatal drawback.
이 때문에, 상기 원자층 증착 방식을 이용한 티타늄 질화막의 형성 방법에 서, 티타늄 질화막의 증착 속도를 현저히 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다. For this reason, in the formation method of the titanium nitride film using the atomic layer deposition method, the development of the technology which can significantly improve the deposition rate of a titanium nitride film is urgently required.
이에 본 발명은 원자층 증착 방식을 이용한 티타늄 질화막의 형성 방법에서, 티타늄 질화막의 증착 속도를 현저히 향상시킬 수 있는 티타늄 질화막의 형성 방법을 제공하기 위한 것이다. Accordingly, the present invention is to provide a method of forming a titanium nitride film that can significantly improve the deposition rate of the titanium nitride film in the method of forming a titanium nitride film using the atomic layer deposition method.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명에 의한 티타늄 질화막 형성 방법을 통한 티타늄 질화막의 형성을 가능케 하는 티타늄 질화막의 증착 장치를 제공하는데 있다.
In addition, another object of the present invention is to provide an apparatus for depositing a titanium nitride film, which enables the formation of a titanium nitride film through the method of forming a titanium nitride film according to the present invention.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 티타늄 테트라클로라이드 기체에 대한 환원 반응을 통해 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 형성하는 단계, 웨이퍼 기판의 소정 영역에 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 공급하는 단계, 및 상기 웨이퍼 기판의 소정 영역에 공급된 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 암모니아 기체와 반응시켜 티타늄 질화막을 형성하는 단계를 포함하는 티타늄 질화막의 형성 방법을 제공한다. In order to achieve this object, the present invention is to form a titanium trichloride or titanium hexachloride gas through a reduction reaction to the titanium tetrachloride gas, supplying the titanium trichloride or titanium hexachloride gas to a predetermined region of the wafer substrate And reacting the titanium trichloride or titanium hexachloride gas supplied to a predetermined region of the wafer substrate with ammonia gas to form a titanium nitride film.
즉, 상기 본 발명에 의한 티타늄 질화막의 형성 방법에서는, 원자층 증착 방 식으로 티타늄 질화막을 형성하는 과정에서, 종래의 티타늄 테트라클로라이드 기체 대신 이의 환원에 의해 생성된 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 원료 기체로서 웨이퍼 기판에 공급한다. 그런데, 이러한 본 발명의 원료 기체는 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체에 비해 암모니아 기체와의 반응성이 현저히 크게 되므로, 본 발명에 따르면 티타늄 질화막을 형성하기 위한 원료 기체 간의 반응 속도가 현저히 빨라짐으로서, 결국, 티타늄 질화막의 증착 속도를 현저히 향상시킬 수 있다. That is, in the method of forming the titanium nitride film according to the present invention, in the process of forming the titanium nitride film by atomic layer deposition, instead of the conventional titanium tetrachloride gas, titanium trichloride or titanium hexachloride gas produced by reduction thereof is used. It is supplied to a wafer substrate as a raw material gas. However, since the reactivity of the raw material gas of the present invention with the ammonia gas is significantly greater than that of the titanium tetrachloride gas, according to the present invention, the reaction rate between the raw material gases for forming the titanium nitride film is remarkably faster, and eventually, the titanium nitride film. Can significantly improve the deposition rate.
상기 본 발명에 의한 티타늄 질화막의 형성 방법에 있어서, 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 형성하는 단계는, 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체를 티타늄과 반응시켜 진행할 수 있다. In the method of forming the titanium nitride film according to the present invention, the forming of the titanium trichloride or titanium hexachloride gas may be performed by reacting the titanium tetrachloride gas with titanium.
그리고, 상기 본 발명에 의한 티타늄 질화막의 형성 방법에 있어서는, 티타늄 질화막을 형성하기 위한 티타늄 질화막 증착 장치에서, 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체가 티타늄 금속 재질의 공급관을 통해 공급됨이 바람직하다. In the method for forming a titanium nitride film according to the present invention, in the titanium nitride film deposition apparatus for forming a titanium nitride film, the titanium tetrachloride gas is preferably supplied through a titanium metal supply pipe.
또한, 이러한 티타늄 질화막의 형성 방법에서, 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 형성하는 단계 및 상기 티타늄 질화막을 형성하는 단계는, 200-500℃의 온도에서 진행함이 바람직하다. In the method of forming the titanium nitride film, the forming of the titanium trichloride or titanium hexachloride gas and the forming of the titanium nitride film are preferably performed at a temperature of 200-500 ° C.
한편, 상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 티타늄 금속 재질로 이루어지며 티타늄 테트라클로라이드 기체가 내부를 흐르는 제 1 공급관, 상기 제 1 공급관으로부터 하부의 웨이퍼 기판으로의 기체 공급을 제어하는 제 1 공급관 개폐 수단, 암모니아 기체가 내부를 흐르는 제 2 공급관, 및 상기 제 2 공 급관으로부터 하부의 웨이퍼 기판으로의 기체 공급을 제어하는 제 2 공급관 개폐 수단을 포함하는 티타늄 질화막의 증착 장치를 제공한다. On the other hand, in order to achieve the other object of the present invention, the present invention is made of a titanium metal material and titanium tetrachloride gas flows through the first supply pipe, the gas supply from the first supply pipe to the lower wafer substrate to control Provided is a vapor deposition apparatus of a titanium nitride film including a first supply pipe opening and closing means, a second supply pipe through which ammonia gas flows, and second supply pipe opening and closing means for controlling gas supply from the second supply pipe to a lower wafer substrate. .
즉, 이러한 티타늄 질화막의 증착 장치를 이용함으로서, 상기 본 발명에 의한 형성 방법에 따라 티타늄 질화막을 형성시킬 수 있게 되어, 원자층 증착 방식에 의핸 티타늄 질화막의 증착 속도를 현저히 향상시킬 수 있다. That is, by using the titanium nitride film deposition apparatus, it is possible to form a titanium nitride film according to the formation method according to the present invention, it is possible to significantly improve the deposition rate of the titanium nitride film by the atomic layer deposition method.
상기 본 발명에 의한 티타늄 질화막의 증착 장치에서, 상기 제 1 공급관은 200-500℃의 온도로 유지됨이 바람직하다. In the deposition apparatus of the titanium nitride film according to the present invention, the first supply pipe is preferably maintained at a temperature of 200-500 ℃.
또한, 이러한 티타늄 질화막의 증착 장치에서, 상기 제 1 공급관 및 제 2 공급관은 이격되어 설치됨이 바람직하다. In the deposition apparatus of the titanium nitride film, the first supply pipe and the second supply pipe are preferably spaced apart from each other.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 티타늄 질화막의 형성 방법에 대해 상술하기로 한다. 다만, 이는 하나의 예시로 제시된 것으로 이에 의해 본 발명의 권리 범위가 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, a method of forming a titanium nitride film according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example and thereby does not limit the scope of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따라 티타늄 질화막을 형성함에 있어서는, 우선, 티타늄 테트라클로라이드 기체에 대한 환원 반응을 진행함으로서 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 형성한다. 이러한 환원 반응은 일반적으로 사용되는 모든 환원제를 티타늄 테트라클로라이드 기체와 반응시킴으로서 진행할 수 있으나, 바람직하게는 티타늄 금속을 환원제로서 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체와 반응시킴으로서 진행할 수 있다. 또한, 이러한 티타늄 금속은 별도로 가하여 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체와 반응시킬 수도 있으나, 티타늄 질화막을 형성하기 위한 티타늄 질화막 증착 장치에서, 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체의 공급관 자체를 티타늄 금속 재질로 함으로서, 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체가 상기 공급관을 통과하는 동안 티타늄 금속과 반응하도록 함이 바람직하다. 이에 의해, 별도의 반응 시간 및 별도의 반응물 등이 필요없게 되어 공정의 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있다. 이러한 환원 반응의 결과, 하기 반응식 1에 나타난 반응 과정에 의해 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체가 생성된다.In forming the titanium nitride film according to an embodiment of the present invention, first, titanium trichloride or titanium hexachloride gas is formed by performing a reduction reaction on the titanium tetrachloride gas. This reduction reaction can be carried out by reacting all generally used reducing agents with titanium tetrachloride gas, but preferably by reacting titanium metal with the titanium tetrachloride gas as the reducing agent. In addition, the titanium metal may be separately added and reacted with the titanium tetrachloride gas, but in the titanium nitride film deposition apparatus for forming a titanium nitride film, the titanium tetrachloride gas supply pipe itself is made of a titanium metal material, and thus the titanium tetrachloride Preferably, gas is allowed to react with the titanium metal while passing through the feed duct. This eliminates the need for a separate reaction time, a separate reactant, and the like, thereby improving productivity and yield of the process. As a result of this reduction reaction, titanium trichloride or titanium hexachloride gas is produced by the reaction process shown in Scheme 1 below.
[반응식 1] Scheme 1
TiCl4(g) + 1/3Ti(s) --> 4/3TiCl3(g) ΔG(400℃) = 6kJTiCl 4 (g) + 1/3 Ti (s)-> 4 / 3TiCl 3 (g) ΔG (400 ° C) = 6kJ
TiCl4(g) + 1/3Ti(s) --> 2/3Ti2Cl6(g) ΔG(400℃) = -40kJ TiCl 4 (g) + 1/3 Ti (s)-> 2 / 3Ti 2 Cl 6 (g) ΔG (400 ° C.) = -40 kJ
상기 반응식 1의 반응은 깁스 프리 에너지(Gibb's free energy; ΔG)가 작은 양의 값 또는 음의 값을 가지므로, 이러한 반응에 의해 티타늄 테트라클로라이드 기체의 일정량 이상이 쉽게 환원되어 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체가 생성될 수 있다. In the reaction of Scheme 1, Gibb's free energy (ΔG) has a small positive value or a negative value, and by this reaction, a certain amount or more of titanium tetrachloride gas is easily reduced, thereby reducing titanium trichloride or titanium hexa. Chloride gas may be produced.
또한, 상기의 반응은 온도가 높아질 수록 잘 일어나게 되는데, 이에 따라 더욱 많은 함량의 티타늄 테트라클로라이드 기체가 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체로 환원될 수 있다. 그런데, 이하에서 더욱 상세히 기술하 겠지만, 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체는 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체에 비해 암모니아 기체와의 현저히 큰 반응성을 가지고 있어서, 암모니아 기체와의 반응을 통해 더욱 빠른 속도로 티타늄 질화막을 형성·증착시킬 수 있으므로, 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체의 환원 반응은 보다 높은 온도에서 일어날수록 유리하다. 즉, 이러한 환원 반응이 높은 온도에서 일어날수록 반응성이 큰 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 더욱 높은 함량으로 포함하는 원료 기체를 웨이퍼 기판 상에 공급하여, 암모니아 기체와의 반응을 통해 더욱 빠른 속도로 티타늄 질화막을 증착할 수 있다. 다만, 이러한 환원 반응을 지나치게 높은 온도로 진행할 경우, 고온의 기체가 웨이퍼 기판 상에 가해짐으로서 웨이퍼 기판 상의 소자 등에 손상을 초래할 우려가 있으므로, 상기 환원 반응은 200-500℃의 온도로 진행됨이 바람직하다. In addition, the reaction is more likely to occur at higher temperatures, so that a greater amount of titanium tetrachloride gas can be reduced to titanium trichloride or titanium hexachloride gas. However, as will be described in more detail below, the titanium trichloride or titanium hexachloride gas has a significantly greater reactivity with the ammonia gas than the titanium tetrachloride gas, so that the titanium nitride film at a faster rate through the reaction with the ammonia gas Since it is possible to form and deposit, the reduction reaction of the titanium tetrachloride gas is more advantageous at higher temperatures. That is, as the reduction occurs at a higher temperature, a raw material gas containing a higher content of highly reactive titanium trichloride or titanium hexachloride gas is supplied onto the wafer substrate, and the reaction rate with the ammonia gas is increased at a higher speed. A titanium nitride film can be deposited. However, when the reduction reaction is carried out at an excessively high temperature, since a hot gas is applied on the wafer substrate, there is a risk of damaging the device or the like on the wafer substrate. Thus, the reduction reaction is preferably performed at a temperature of 200-500 ° C. Do.
한편, 상기 환원 반응을 통해 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 형성한 후에는, 웨이퍼 기판의 소정 영역, 즉, 티타늄 질화막이 형성될 영역에 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 공급한다. 이 때, 이전의 환원 공정에서 모든 티타늄 테트라클로라이드 기체가 환원되어 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체로 형성되었다면, 이러한 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체만이 원료 기체로서 공급되나, 일부 환원되지 않고 잔류하는 미반응 티타늄 테트라클로라이드 기체가 존재하는 경우에는, 이러한 티타늄 테트라클로라이드 기체가 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체와 혼합된 상태로 함께 공급된다. 다만, 이 러한 원료 기체의 공급 단계에서 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체의 함량이 높을수록 티타늄 질화막의 증착 속도라는 측면에서 유리하게 됨은 이미 살핀 바와 같다. Meanwhile, after the titanium trichloride or titanium hexachloride gas is formed through the reduction reaction, the titanium trichloride or titanium hexachloride gas is supplied to a predetermined region of the wafer substrate, that is, the region where the titanium nitride film is to be formed. At this time, if all of the titanium tetrachloride gas was reduced and formed into titanium trichloride or titanium hexachloride gas in the previous reduction process, only such titanium trichloride or titanium hexachloride gas was supplied as raw material gas, but remained partially unreduced. If unreacted titanium tetrachloride gas is present, such titanium tetrachloride gas is fed together in a mixed state with the titanium trichloride or titanium hexachloride gas. However, the higher the content of the titanium trichloride or titanium hexachloride gas in the supply step of the raw material gas is advantageous in terms of the deposition rate of the titanium nitride film as already salping.
이러한 원료 기체의 공급 공정은, 상기 공급되는 기체의 종류를 제외하고는 종래 기술에서 티타늄 테트라클로라이드 기체를 공급하는 공정과 마찬가지로 진행할 수 있다. 즉, 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체 등의 원료 기체를 짧은 시간 동안 공급하여 상기 원료 기체 중의 각 기체 분자가 웨이퍼 기판의 소정 영역에 흡착되도록 한다. 이러한 공정의 구체적인 조건은 여러 가지 인자를 고려하여 당업자가 용이하게 결정할 수 있으므로, 더 이상의 구체적인 설명은 생략하기로 한다. Such a raw material gas supply process can be performed similarly to the process of supplying the titanium tetrachloride gas in the prior art except the kind of the gas to be supplied. That is, a source gas such as titanium trichloride or titanium hexachloride gas is supplied for a short time so that each gas molecule in the source gas is adsorbed to a predetermined region of the wafer substrate. Since the specific conditions of the process can be easily determined by those skilled in the art in consideration of various factors, a detailed description thereof will be omitted.
한편, 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체 등의 원료 기체를 공급한 후에는, 이러한 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 암모니아 기체와 반응시켜 웨이퍼 기판의 소정 영역 상에 티타늄 질화막을 형성한다. 이러한 공정에서는 웨이퍼 기판의 소정 영역에 흡착된 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드와 암모니아 기체가 다음의 반응식 2에 나타난 바와 같이 반응함으로서, 해당 영역에 티타늄 질화막이 형성된다. On the other hand, after supplying a raw material gas such as titanium trichloride or titanium hexachloride gas, the titanium trichloride or titanium hexachloride gas is reacted with ammonia gas to form a titanium nitride film on a predetermined region of the wafer substrate. In this process, the titanium trichloride or titanium hexachloride adsorbed to a predetermined region of the wafer substrate reacts with ammonia gas as shown in Scheme 2 below, whereby a titanium nitride film is formed in the region.
[반응식 2]Scheme 2
TiCl3(g) + NH3(g) --> TiN(s) + 3HCl(g) ΔG(400℃) = -72kJTiCl 3 (g) + NH 3 (g)-> TiN (s) + 3HCl (g) ΔG (400 ° C) = -72kJ
Ti2Cl6(g) + 2NH3(g) --> 2TiN(s) + 6HCl(g) ΔG(400℃) = -79kJTi 2 Cl 6 (g) + 2NH 3 (g)-> 2TiN (s) + 6HCl (g) ΔG (400 ° C.) = -79 kJ
한편, 상기 반응식 2와의 대비를 위하여, 종래 기술의 티타늄 테트라클로라이드 기체가 암모니아 기체와 반응하여 티타늄 질화막을 형성하는 반응 과정을 살피면 다음의 반응식 3에 나타난 바와 같다.On the other hand, in order to contrast with the reaction scheme 2, when the titanium tetrachloride gas of the prior art is reacted with ammonia gas to examine the reaction process to form a titanium nitride film as shown in the following scheme 3.
[반응식 3]Scheme 3
TiCl4(g) + 8/6NH3(g) --> TiN(s) + 4HCl(g) + 1/6N2(g) ΔG(400℃) = -3kJTiCl 4 (g) + 8 / 6NH 3 (g)-> TiN (s) + 4HCl (g) + 1 / 6N 2 (g) ΔG (400 ° C) = -3kJ
즉, 동일 온도에서의 깁스 프리 에너지가 작을수록 반응성이 더 크게 됨을 고려하면, 상기 반응식 2 및 3에 명백히 나타난 바와 같이, 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체가 종래 기술의 티타늄 테트라클로라이드 기체에 비해 암모니아 기체와의 반응성이 현저히 높아서 빠른 속도로 티타늄 질화막을 형성시킬 수 있게 되는 것이다. That is, considering that the smaller the Gibbs free energy at the same temperature, the greater the reactivity, the titanium trichloride or titanium hexachloride gas as compared to the titanium tetrachloride gas of the prior art, as clearly shown in Schemes 2 and 3 The reactivity with ammonia gas is so high that it is possible to form a titanium nitride film at a high speed.
한편, 상기 반응식 2에 나타난 반응 또한 온도가 높아질수록 잘 일어날 수 있는 바, 상기 티타늄 질화막의 형성 공정 역시 높은 온도에서 진행될수록 유리하다. 즉, 높은 온도에서 상기 반응 공정을 진행할수록 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체와 암모니아 기체와의 반응성을 더욱 높여 티타늄 질화막을 더욱 빠른 속도로 증착할 수 있다. On the other hand, the reaction shown in Scheme 2 may also occur as the temperature increases, the formation process of the titanium nitride film is also advantageous as the progress at a high temperature. That is, as the reaction process proceeds at a high temperature, the titanium nitride film may be deposited at a faster rate by increasing the reactivity between the titanium trichloride or titanium hexachloride gas and the ammonia gas.
다만, 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체는 이미 이전의 환원 공정에서 약 200-500℃의 비교적 높은 온도를 가진 채로 공급된다는 사실 및 더 이상의 고온을 가할 경우 웨이퍼 기판 상의 소자 등에 손상을 초래할 수 있다는 사실 등을 고려할 때, 상기 티타늄 질화막의 형성 공정은 상기 환원 공정과 마찬가지로 약 200-500℃의 온도로 진행함이 바람직하다. However, the fact that the titanium trichloride or titanium hexachloride gas is already supplied at a relatively high temperature of about 200-500 ° C. in the previous reduction process, and that higher temperatures may cause damage to the device on the wafer substrate, etc. Considering the facts, it is preferable that the formation process of the titanium nitride film proceed at a temperature of about 200-500 ° C. as in the reduction process.
상기 티타늄 질화막을 형성한 후에는, 종래 기술에서와 마찬가지로 상기 반응 공정에 의한 부산물 등을 제거하기 위해 퍼지를 실시하고, 이러한 과정을 계속 반복해 나감으로서 소정 두께의 티타늄 질화막을 형성할 수 있다.After the titanium nitride film is formed, a purge may be performed to remove by-products and the like by the reaction process as in the prior art, and the titanium nitride film having a predetermined thickness may be formed by repeatedly repeating the process.
즉, 상기 본 발명에 의한 티타늄 질화막의 형성 방법에 따르면, 암모니아 기체와의 반응성이 높은 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체를 원료 기체로 사용하여 티타늄 질화막에 대한 원자층 증착을 진행함으로서, 종래 기술에 비해 현저히 빠른 속도로 웨이퍼 기판의 소정 영역 상에 티타늄 질화막을 형성할 수 있다. That is, according to the method of forming the titanium nitride film according to the present invention, by using the titanium trichloride or titanium hexachloride gas having a high reactivity with ammonia gas as a raw material gas, the atomic layer deposition on the titanium nitride film is carried out, the prior art Compared to the above, the titanium nitride film can be formed on a predetermined region of the wafer substrate at a considerably faster speed.
다음으로, 첨부한 도면을 참고로 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 증착 장치의 구성에 대해 상술하기로 한다. Next, the configuration of the titanium deposition apparatus according to an embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 질화막 증착 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a titanium nitride film deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
이러한 티타늄 질화막 증착 장치(100; 이하, "증착 장치"라 약칭한다.)는, 우선, 이러한 증착 장치(100)의 상면을 관통하여 연결된 제 1 공급관(102)을 포함한다. 이러한 제 1 공급관(102)은 티타늄 금속 재질로 이루어지며 티타늄 테트라클로라이드 기체가 내부를 흐르게 된다. The titanium nitride film deposition apparatus 100 (hereinafter, abbreviated as "deposition apparatus") firstly includes a
이러한 제 1 공급관(102) 내부에서, 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체는 제 1 공급관(102)을 이루는 티타늄 금속과 반응하며, 이러한 반응에 의해 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체가 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체로 환원된다. 또한, 이러한 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체는 티타늄 질화막의 증착 공정시에 상기 제 1 공급관(102)을 통해 하부의 웨이퍼 기판 상으로 공급될 수 있다.Inside this
한편, 상기 티타늄 테트라클로라이드 기체의 환원 공정이 200-500℃의 온도에서 이루어질 수 있도록 상기 제 1 공급관(102)은 200-500℃의 온도로 유지됨이 바람직하다. On the other hand, the
또한, 상기 증착 장치(100)는 상기 제 1 공급관(102)으로부터 하부의 웨이퍼 기판으로의 기체 공급을 제어하는 제 1 공급관 개폐 수단(104)을 포함한다. 이러한 제 1 공급관 개폐 수단(104)은 증착 장치(100) 안쪽의 상기 제 1 공급관(102)의 출구측에 형성되어 상기 제 1 공급관(102)의 개폐를 제어하며 이에 따라 이러한 제 1 공급관(102)으로부터 하부의 웨이퍼 기판으로의 기체 공급을 제어한다. In addition, the
그리고, 상기 증착 장치(100)는, 상기 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체 등을 공급하기 위한 상기 제 1 공급관(102) 및 제 1 공급관 개폐 수단(104)과는 별도로, 암모니아 기체를 웨이퍼 기판 상으로 공급하기 위한 제 2 공급관(106) 및 제 2 공급관 개폐 수단(108)을 포함한다. The
이러한 제 2 공급관(106) 역시 내부에 암모니아 기체가 흐르고, 증착 장치(100)의 상면을 관통하여 형성된다. 또한, 이러한 제 2 공급관(106)으로부터 하부의 웨이퍼 기판으로의 기체 공급은 상기 제 2 공급관(106)의 출구측에 형성되어 이 를 개폐하는 상기 제 2 공급관 개폐 수단(108)에 의해 제어된다. The
한편, 이러한 티타늄 질화막의 증착 장치(100)에서, 상기 제 1 공급관(102) 및 제 2 공급관(106)은 이격되어 설치됨이 바람직하다. 즉, 이와 같이 제 1 공급관(102) 및 제 2 공급관(106)이 이격 설치됨으로서, 상기 암모니아 기체와 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체가 웨이퍼 기판에 도달하기 전에 미리 반응하는 것을 방지할 수 있다. Meanwhile, in the titanium nitride
또한, 상기 본 실시예에 따른 증착 장치(100)는 상기 제 1 공급관(102) 및 제 2 공급관(106)에 연결되는 샤워헤드(110)를 별도로 포함할 수 있다. 이러한 샤워헤드(110)는, 예를 들어, 상기 제 1 공급관 개폐 수단(104)이 개방되어 제 1 공급관(102)으로부터 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체가 흘러나오는 경우 이러한 기체를 하부의 웨이퍼 기판의 소정 영역 상에 골고루 공급할 수 있다. In addition, the
즉, 상술한 구성을 가지는 증착 장치를 이용함으로서, 티타늄 트리클로라이드 또는 티타늄 헥사클로라이드 기체와 암모니아 기체를 각각 원료 기체로 웨이퍼 기판 상에 공급하여, 본 발명의 티타늄 질화막 형성 방법에 따라 빠른 속도로 티타늄 질화막을 증착할 수 있다. That is, by using the vapor deposition apparatus having the above-described configuration, titanium trichloride or titanium hexachloride gas and ammonia gas are respectively supplied on the wafer substrate as a raw material gas, and the titanium nitride film at high speed according to the titanium nitride film forming method of the present invention. Can be deposited.
본 발명에 따르면, 원자층 증착 방식에 의한 티타늄 질화막의 증착 속도를 현저히 향상시킬 수 있으므로, 원자층 증착 방식의 장점을 살리는 동시에 반도체 소자의 대량 생산 체제에 적합하게 할 수 있다. According to the present invention, since the deposition rate of the titanium nitride film by the atomic layer deposition method can be significantly improved, it is possible to take advantage of the atomic layer deposition method and to make it suitable for mass production systems of semiconductor devices.
따라서, 티타늄 질화막의 우수한 균일성과 같은 원자층 증착 방식의 장점을, 반도체 소자의 대량 생산에서 그대로 살리면서 우수한 생산성을 얻을 수 있으므로, 반도체 소자의 고집적화에 크게 기여할 수 있다. Therefore, excellent productivity can be obtained while maintaining the advantages of the atomic layer deposition method such as the excellent uniformity of the titanium nitride film in the mass production of the semiconductor device, which can greatly contribute to the high integration of the semiconductor device.
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