KR100715862B1 - 원자층증착법 시뮬레이션 방법 - Google Patents

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    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
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    • C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time
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Abstract

본 발명은 나노박막 증착기술 중 하나인 원자층증착법(ALD: Atomic Layer Deposition)의 공정 시뮬레이션 방법에 관한 것으로서, 특히 박막의 성장 메커니즘을 모델링하여 원자층증착법을 이용하여 증착된 박막의 두께 및 조성을 예측하는 방법을 제공한다. 본 발명은 원자층증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법에 있어서, 지배방정식(governing equation)과 표면피복률을 정의하는 단계와, 면적감소율을 정의하고 표면피복률과 연관시키는 단계와, 매 단위사이클(unit cycle)마다 표면에 드러난 각 필름의 면적비를 계산하는 단계와, 매 슈퍼사이클(super cycle) 동안 증착된 각 필름의 단위층(monolayer) 수를 계산하는 단계와, 본 발명을 통해 얻은 모델식을 통해 전체 박막의 두께 및 조성을 계산하는 단계와, 본 발명을 통해 얻은 모델식을 이용한 시뮬레이션에 사용되는 매개변수(parameter)를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 원자층증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법에 있어서 본 발명을 통해 얻은 새로운 모델식을 적용하면, 종래의 방법에 비해 상당히 높은 수준의 정확성을 제공할 수 있고, 이를 통해 시뮬레이터의 상업적 실질적 구현을 가능하게 한다.
ALD, 원자층증착법, 초기성장속도, 나노적층박막, 다성분계박막, 모델링, 시뮬레이션

Description

원자층증착법 시뮬레이션 방법{The Method of Simulation for ALD Process}
도 1은 원자층 증착법을 이용한 박막 증착결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분계박막 증착시 도입되는 슈퍼사이클의 개념
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면적감소율의 개념을 설명하는 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 n가지의 필름을 형성하는 경우에 있어서 단위사이클이 수행되는 과정
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클 횟수에 따른 두께를 나타낸 그래프
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 불포화상태에서 전구체의 주입시간을 변화시켜가면서 증착 횟수에 따른 두께의 변화
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6a에서 기울기를 이용하여 나타낸 그래프
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체의 주입시간에 따른 도 6a의 y절편값을 변화를 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 면적감소율 r을 추출하기 위한 실험결과
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 STO박막 증착을 위한 TiO2 서브사이클 동안 수행되는 단위사이클 수를 1에서 5까지 증가시켜가며 증착한 박막 내의 Ti조성예측에 관한 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 동일한 방법으로 증착된 STO박막의 두께 예측에 관한 그래프
본 발명은 나노박막 증착기술 중 하나인 원자층증착법(ALD: Atomic Layer Deposition)의 공정 시뮬레이션 방법에 관한 것으로서, 특히 박막의 성장 메커니즘을 모델링 하고 원자층증착법(이하 'ALD'라 약칭함)을 이용하여, 단일 전구체를 이용해서 증착한, 단일성분박막 및 산화막, 질화막, 황화막 등을 포함하는 이성분계박막의 두께와, 두 가지 이상의 전구체들을 시분할 공급하여 순차적으로 증착한, 적어도 세 가지 이상의 성분들을 포함하는 다성분계박막의 두께 및 조성을 예측하기 위한 시뮬레이션 방법과 이 방법을 수행하기 위한 시뮬레이터에 관한 것이다.
ALD공정은 박막 두께가 증착 횟수에 비례하여 선형적으로 증가하므로 박막의 두께를 원자층 단위의 극히 작은 두께 단위로 제어할 수 있으며, 낮은 공정 온도에서도 탁월한 단차 도포성과 불순물과 결함이 없는 우수한 물성의 박막을 얻을 수 있으므로, 차세대 반도체소자 제조에 있어 필수적인 초나노박막을 증착할 수 있는 기술로 인식되고 있다. 그러나 ALD를 이용하여 수 나노미터 이하의 다성분계박막을 형성하는 경우에는 전구체와 기판의 종류에 따라 두께와 조성의 정확한 제어가 어려워지는 현상이 나타나고 있다. 이와 같은 현상은 기존의 비교적 두꺼운 단일성분박막 또는 이성분계박막의 ALD공정에서는 고려되지 않았던 사항으로, 아직까지 이에 대한 뚜렷한 해석과 문제 해결이 이루어지지 않고 있다.
첨부 도면 제 1도를 참조하여 본 기술이 해결하고자 하는 바를 상술하고자 한다.
도 1은 ALD를 이용해 증착한 박막의 두께를 증착 횟수에 따라 개략적으로 나타낸 그래프이다. 기판이 증착하고 있는 물질로 완전히 덮이게 되면, 이후에는 동일한 증착 특성이 유지되므로 박막의 두께가 증착 횟수에 따라 일정하게 증가하는 영역이 나타나게 된다(도 1(ii)). 그러나 기판 표면이 증착하고 있는 물질로 완전히 덮이기 전까지의 증착 초기에는, 표면에 드러나는 기판과 증착되는 물질의 면적이 매 증착 사이클마다 달라지며, 각각의 물질 위에서 전구체가 갖는 서로 다른 흡착 특성으로 인해 박막의 두께가 증착 횟수에 따라 선형적으로 증가하지 않는 전이기간(transient period)이 나타나게 된다(도 1(i)).
도 1의 (i)과 같은 현상은 본 발명을 통한 시뮬레이션 결과, 주로 5nm이하의 영역에서 나타나고 있으며, 특히 최근에 고집적 전기소자들에서 요구되고 있는 수 나노 이하의 ALD를 이용한 다성분계박막과 나노적층박막의 개발을 위해서는, 이러한 영역에서의 박막두께 및 조성의 정확한 예측과 제어가 요구되며 이를 위한 시뮬 레이션 방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 ALD를 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하기 위한 시뮬레이터를 구현하는 방법에 있어서, 박막의 성장 메커니즘 모델링을 통하여, 박막의 두께 및 조성을 정확하게 예측할 수 있는 시뮬레이션 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 시뮬레이션을 가능하게 하기 위하여, ALD로 증착한 박막의 두께 및 조성 예측을 위한 시뮬레이션에 소요되는 매개변수(parameter)를 추출하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 원자층 증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법은 지배방정식(governing equation)과 표면피복률(surface coverage, θ)을 정의하는 단계와, 면적감소율(area reduction ratio, r)을 정의하고 표면피복률과 연관시키는 단계와, 매 단위사이클(unit cycle)마다 표면에 드러난 각 필름의 면적비를 계산하는 단계와, 매 슈퍼사이클(super cycle)동안 증착된 각 필름의 단위층(mono layer)수를 계산하는 단계와, 상기 발명을 통해 얻은 모델식과, 박막 내 각 필름의 단위층의 실제 두께를 이용하여 전체 박막의 두께를 계산하는 단계와, 상기 발명을 통해 얻은 모델식 을 이용하여 전체 박막의 조성을 계산하는 단계와, 상기 발명을 통해 얻은 모델식을 이용한 시뮬레이션에 필요한 매개변수(parameter)를 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명은 ALD기술에서 증착사이클이 진행됨에 따라 변하는 전구체의 흡착량과 표면피복률 변화를 이용하여 박막의 두께와 조성을 예측하기 위하여 고안되었다. 전구체가 공급되는 시간에 따라 달라지는 표면피복률을 표현하기 위해 미분방정식을 사용하였고, 흡착된 전구체가 반응한 이후의 표면상태 변화를 나타내기 위해 회귀방정식을 사용하였다. 이러한 식으로부터 박막의 성장속도를 계산할 수 있고, 이를 통해 박막의 두께 및 조성의 예측이 가능해진다.
본 발명의 내용은 다음의 기호들을 참조하여 설명된다. “p”와 “f”는 사용되는 전구체와 증착되는 필름을 의미한다. 증착공정에 이용되는 전구체가 여러 종류일 경우에는 “p1, p2, p3, .... , pn”과 같이 구분하며, f도 같은 방법으로 표현하여 구분한다. 이와 같은 표현법에 따라 “pk/fl"는 필름 f1위에 흡착된 전구체 pk를 의미한다.
다성분계박막의 증착에는 도 2에 나타낸 슈퍼사이클 개념을 이용한다. 하나의 슈퍼사이클은 공급되는 전구체의 수와 같은 여러 개의 서브사이클(sub cycle)로 이루어지며, 서브사이클은 다시 여러 개의 단위사이클로 이루어진다. 이때 공정중인 단위사이클은 (i,k,j)를 이용하여 표현되는데, 이는 i번째 슈퍼사이클 중 전구체 pk에 의한 서브사이클의 j번째 단위사이클을 수행한 상태를 의미한다. 전구체 에 의한 표면피복률은 "θ“를 이용하여 표현하는데, ”θpk/fl (i,k,j)“은 (i,k,j)번째 단위사이클 수행 후의 필름 f1위에서의 전구체 pk의 표면피복률을 나타낸다. 필름에 의한 표면피복률은 ”S“를 이용하여 표현하는데, ”Sfl (i,k,j)“은 (i,k,j)번째 단위사이클 수행 후의 필름 fl 의 표면피복률을 의미한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
전구체의 주입 시간에 따른 흡착량 변화는 하기 [식 1]로 표현되고, 이 미분방정식이 본 발명의 지배방정식이 된다. [식 1]에서 "θ"는 전구체의 표면피복률이며, “t”는 전구체의 주입시간, “C”는 흡착속도상수(adsorption rate constant)를 의미하고, "n"은 흡착 차수(adsorption order)로서 “n=1”로 가정하면 [식 1]은 [식 2]와 같은 해를 갖게 된다.
Figure 112005041215204-pat00001
Figure 112005041215204-pat00002
도 3에 포화상태에서의 박막의 표면을 개략적으로 나타내었다. 도 3의 (i)은 흡착된 전구체의 실제 크기를 의미한다. 전구체가 구의 형태를 가진다고 가정하면, 최대로 조밀하게 흡착될 때의 전구체의 개수는 도 3의 경우에서 6개가 된다. 이때, 하나의 전구체가 기판상에서 실제 점유하고 있는 면적은 (ii)와 같이 나타나며, 이를 흡착된 전구체 하나가 표면 위에서 차지하는 면적 “Ap”로 나타낸다. (iii)은 필름으로 변환된 후의 면적 “Af”를 나타낸다. 포화상태일 때, 흡착된 전구체 하나가 표면 위에서 차지하는 면적 “Ap”는 [식 3]으로 나타난다.
Figure 112005041215204-pat00003
[식 3]에서 “N”은 포화상태에서 표면에 붙어있는 전구체의 단위면적당 개수를 의미한다.
반응가스의 주입 후, 전구체와 반응가스 사이에 반응이 일어나게 되면 전구체에 붙어있던 리간드는 반응부산물 형태로 떨어져 나가게 되고, 필름이 증착된다. 증착 시 전구체에서 리간드가 떨어져 나가기 때문에 전구체가 차지하고 있던 면적 “Ap”는 필름으로 변환된 후 “Af”로 감소하게 되는데 이 비율을 면적감소율 “r”로 정의한다. r은 [식 4]로 정의되며, 전구체의 흡착특성에 의존하는 값으로, 흡착하는 전구체와 표면의 종류에 따라 다른 값을 갖게 된다. 필름 fl위에 흡착된 전구체 pk가 필름으로 전환될 때 줄어드는 면적의 비율은 “rpk/fl”와 같이 표현된다.
Figure 112005041215204-pat00004
이러한 면적감소율의 개념을 이용하면 ALD에서의 성장 모형을 모델링할 수 있다. 일반적인 경우로서, n개의 전구체(p1, p2, ..., pn)를 사용하여 n가지의 필름(f1, f2, ...,fn)을 형성하는 경우에 있어서 단위사이클 (i,k,j)가 수행되기 직전의 표면의 상태를 개략적으로 도 4a에 나타내었다. 전구체 pk를 흡착량이 포화상태에 이를 때까지 충분한 시간 동안 주입하면, 도 4b와 같이 각 필름의 표면이 모두 pk로 덮이게 되며 이때 전구체 pk의 표면피복률은 [식 5]로 표현된다.
Figure 112005041215204-pat00005
화학 흡착된 전구체 pk가 반응을 통하여 필름 fk로 변환되면 앞에서 설명한 면적의 감소가 일어나게 되며, 각 필름 위에서의 서로 다른 면적감소율을 고려하여 나타내면 도 4c와 같이 표현된다. 이때, 필름 fl위에 흡착된 전구체 pk가 반응에 의해 필름 fk로 변환되면서 새로 표면에 드러나게 되는 필름 fk의 면적은 “rpk/flθpk/fl (i,k,j)Sfl (i,k,j-1)”로 나타낼 수 있다.
한편, 필름 fk위에 흡착된 전구체 pk가 반응에 의해 필름 fk로 변환되는 경우에는, 반응 후 새로 표면에 드러나는 필름 fk의 면적은 없다. 따라서 단위사이클 (i,k,j) 수행 후 표면에 드러나 있는 필름 fk의 표면피복률 “Sfk (i,k,j)”는 [식 6]으로 나타난다.
Figure 112005041215204-pat00006
[식 6]에서 마지막 행의 우변 첫 번째 항은 단위사이클 (i,k,j) 수행 후 새로 생겨난 면적을 나타내고 두 번째 항은 필름 fk위에 전구체 pk가 흡착된 경우를 고려한 것이다. 이때 fk가 아닌 다른 필름의 경우에는 새로 생겨난 fk의 면적만큼 표면에 드러나 있는 면적이 감소하는데 이를 [식 7]에 나타내었다.
Figure 112005041215204-pat00007
만약, i번째 슈퍼사이클에서 전구체 pk를 이용한 서브사이클이, jk번의 단위사이클로 구성되어 있다면, 전구체 pk가 공급되는 서브사이클 동안 새로 생겨나는 필름 fk의 면적은 [식 8]과 같이 나타난다. ALD를 이용한 박막 형성 시 위의 모델을 고려하면, 새로 생겨난 필름의 면적이 1이 될 때마다 1개의 단위층(mono layer)이 증착되는 것으로 볼 수 있으므로, 실제 증착되는 필름의 두께는 새로 생겨나는 필름의 면적에 그 필름의 실제 단위층 두께를 곱해주면 알 수 있다. 따라서 한 번의 슈퍼사이클이 수행되는 동안 n가지의 전구체를 사용하여 증착한 다성분계 박막의 성장 속도(growth rate/super cycle)는 [식 9]와 같이 나타낼 수 있다. 여기서 “hfk”는 필름 fk의 단위층 두께이다.
Figure 112005041215204-pat00008
Figure 112005041215204-pat00009
한편, 식 (8)은 전구체 pk가 공급되는 서브사이클 동안 새로 생겨나는 필름 fk의 면적을 나타내므로, 전구체 pk한 개가 필름으로 변환된 후에 차지하는 면적 Afk로 나누어 주면 증착에 참여한 전구체 pk의 개수와 원자의 개수를 알 수 있다. 따라서 특정 원자의 개수를 박막의 증착에 참여한 전체 원자의 수로 나누어 줌으로서, 다성분계 박막의 조성을 계산할 수 있다. 따라서 박막 내의 원소 Cm의 조성은 [식 10]과 같이 표현된다.
Figure 112005041215204-pat00010
ALD의 경우 전구체의 주입시간을 늘려도 더 이상 흡착량이 증가하지 않는 포화상태가 존재한다. 이 경우 전구체 pk의 표면피복률은 도 10c의 [식 11]으로 표현된다. 또한, [식 6], [식 7]은 [식 12], [식 13]으로 간략화할 수 있다. 따라서 포화상태의 경우에는 성장속도와 조성에 관한 식이 [식 14], [식 15]의 형태로 간략화되어 표현된다.
Figure 112005041215204-pat00011
Figure 112005041215204-pat00012
Figure 112005041215204-pat00013
Figure 112005041215204-pat00014
Figure 112005041215204-pat00015
이하 상기와 같은 시뮬레이션 방법을 이용하여 두께 및 조성예측 시뮬레이션에 필요한 매개변수 r과 C를 추출하는 방법은 다음과 같다.
가장 간단한 경우로서 기판 f2위에서 전구체 p1을 이용하여 f1필름을 증착하는 경우를 고려한다. 이 경우는 ALD를 통해 단일 전구체를 이용하여 단일성분박막이나 산화막, 질화막, 황화막 등의 이성분계박막을 증착하는 방법과 같으며, 슈퍼사이클 개념의 도입이 필요 없으므로 공정중인 사이클의 표시법이 (i,k,j)에서 (j)와 같이 단순해진다.
매개변수 r은 전구체의 흡착량이 포화상태에 이르도록 충분히 공급하는 조건에서의 실험을 통해 구할 수 있다. 이 경우 위의 사이클 표시법을 적용하면 [식 12, 13, 14]는 [식 16, 17, 18]과 같이 단순화된다. 식에서 “Sf1 (j)”과 “Sf2 (j)”는 j번째 사이클이 수행된 후에 표면에 드러나 있는 필름 f1, f2의 표면피복률을 나타내며, “hf1”은 필름 f1의 단위층 두께를 의미한다. 기판 f2위에 f1필름을 증착하고 있으므로 공정 전에는 “Sf1(0)=0, Sf2(0)=1”이 되며, 공정 중에는 “Sf1 (j)+Sf2 (j)=1”의 관계가 항상 성립한다.
Figure 112005041215204-pat00016
Figure 112005041215204-pat00017
Figure 112005041215204-pat00018
필름 f1의 증착 횟수가 증가함에 따라 표면에 드러나는 f1의 비율도 점점 증가하게 되고, “Sf1 (j)”은 1로 “Sf2 (j)”는 0으로 수렴한다. 따라서 [식 18]은 [식 19]의 형태로 표현된다. 이 시점 이후부터는 기판 f2가 증착되고 있는 물질 f1으로 완전히 덮이게 되어 동일한 증착 특성이 유지되므로 박막의 두께가 증착 횟수에 따 라 일정하게 증가한다. 도 5에서 기울기가 일정한 부분이 이를 나타내는 영역이며, 이 영역에서의 기울기가 [식 19]에 의해 “rp1/f1”을 나타낸다.
Figure 112005041215204-pat00019
도 5의 (iii)은 전구체 p1의 흡착특성이 필름 f1, f2위에서 동일한 경우를 가정한 것으로서, 표면에 드러난 f1, f2의 비율에 상관없이 일정한 증착속도를 보인다. 반면 (i), (ii)의 경우는 p1이 f2보다 f1위에서 더 큰 흡착량을 갖는 경우로 “rp1/f1>rp1/f2”인 경우를 나타내며, (iv), (v)의 경우는 p1이 f1보다 f2위에서 더 큰 흡착량을 갖는 경우로 “rp1/f1<rp1/f2”인 경우를 나타낸다. 이러한 경우 “rp1/f1”과 “rp1/f2”값의 차이가 커짐에 따라 (iii)으로 나타낸 그래프와의 편차가 증가하게 되므로, 이러한 특성을 이용하여 피팅을 통해 “rp1/f2”의 값을 추출할 수 있다.
매개변수 C는 불포화상태에서의 전구체의 표면피복률 θ를 계산하는데 필요하며, 도 6a에 개략적으로 나타낸 방법과 같이 불포화상태에서 전구체의 주입 시간을 변화시켜가며 증착 횟수에 따른 두께의 변화를 알아보면 구할 수 있다. 도 6b는 도 6a에서의 기울기를 이용하여 나타낸 그래프로서 식 20을 이용하면 동종기판에서 의 흡착속도상수 “Cp1/f1”을 구할 수 있다. 이종기판에서의 흡착속도상수 “Cp1/f2”는 도 6c에 나타낸 바와 같이 전구체 주입시간에 따른 도 6a에서의 y-절편값 변화를 도시하면 구할 수 있다. 도 6c에서 (i)은 “Cp1/f1<Cp1/f2“인 경우에 나타나는 경향이며, (ii)는 “Cp1/f1>Cp1/f2“인 경우에 나타나는 경향으로, 피팅을 통해 Cp1/f2값을 구할 수 있다.
Figure 112005041215204-pat00020
다성분계박막의 두께 및 조성 예측을 위한 시뮬레이션에 필요한 매개변수들 또한 위에서 설명한 방법과 동일한 방법으로 구할 수 있다.
상기 발명의 실시예로서, 전구체를 충분히 공급하는 상황을 가정할 때 모델식 (9), (10)을 다성분계 박막인 STO박막의 증착에 적용하여 두께 및 조성을 시뮬레이션하기 위해서는 전구체와 필름의 종류에 따른 “rSr(DPM)2/SrO, rTTTIP/SrO, rTTIP/TiO2, rSr(DPM)2/TiO2” 네 가지의 면적감소율을 구해야 한다.
도 7은 면적감소율 r을 추출하기 위한 실제 실험결과를 나타낸다. 도 7의 (i)은 TiO2기판 위에서 SrO를 600, 800, 1000, 1200 사이클 증착한 결과로서, 기울 기로부터 “rSr(DPM)2/SrO”값이 구해지며, 안쪽 그래프에 나타낸 절편 값으로부터 “rSr(DPM)2/TiO2”값을 구할 수 있다. 안쪽의 그래프는 실험 결과를 외삽 하여 얻은 것이다. 도 7의 (ii)에 SrO 기판 위에서 TiO2를 증착한 실험결과를 나타내었고, 같은 방법을 이용하면 기울기로부터 “rTTIP/TiO2”값을 구하고, 절편 값으로부터 피팅을 통해 “rTTTIP/SrO”값을 구할 수 있다.
실험결과 도 7의 (i)에 나타낸 SrO의 성장속도는 사이클당 0.55Å으로 나타났고, 러더퍼드 후방 산란 분석법(Rutherford Backscattering Spectrometry: RBS)을 통해 원자간 평균 거리를 분석하여 얻은 SrO의 단위층 두께가 3.1Å이므로, 식 (19)에 의해 “rSr(DPM)2/SrO”값은 0.18이 된다. 같은 방법으로 도 7의 (ii)에 나타낸 TiO2의 성장속도는 사이클당 0.35Å으로 나타났고, 러더퍼드 후방 산란 분석법을 통해 얻은 TiO2의 단위층 두께가 3.18Å이므로, 식 (19)에 의해 “rTTIP/TiO2”값은 0.11이 된다. 도 7의 안쪽 그래프를 통해 두 그래프가 모두 0보다 작은 y-절편을 가짐을 확인할 수 있으며, 이로부터 전구체 Sr(DPM)2와 TTIP는 모두 이종 기판보다 동종 기판에서 더 큰 흡착량을 갖는 것을 알 수 있다. 컴퓨터를 이용한 수치해석적인 방법으로 절편 값으로부터 이종기판에서의 면적감소율을 구하면 “rSr(DPM)2/TiO2=0.05”로서 동종기판에서의 면적감소율 “rSr(DPM)2/SrO”의 0.27배로 나타났고, “ rTTIP/SrO=0.09”로서 동종 기판에서의 면적감소율 “rTTIP/TiO2”의 0.83배로 나타났다.
상기의 매개변수 추출결과를 통해서, 전구체 Sr(DPM)2와 TTIP를 이용한 SrO와 TiO2박막 증착의 경우, 두 전구체 모두 동종기판 위에서의 성장속도가 이종기판 위에서의 성장속도보다 빠른 것을 알 수 있다.
종래의 시뮬레이션 방법은 필름의 성장속도를 예측하는데 있어서, 기판의 종류에 따라 달라지는 흡착량과 흡착속도 변화를 고려하지 않는 방법이었다. 그러나 본 발명은 기판 종류에 따른 흡착량과 흡착속도 변화 효과를 고려함으로서 기존의 방법에 비해 ALD를 이용해 증착한 다성분계박막의 두께 및 조성 예측에 있어서 더욱 정밀한 시뮬레이션 결과를 제공할 수 있다.
도 8은 SrO증착을 위한 단위사이클을 1회로 고정시킨 채, TiO2증착을 위한 서브사이클 동안 수행되는 단위사이클 수를 1에서 5까지 증가시켜가며 증착한 박막 내의 Ti조성 변화를 나타낸 것이다. 본 발명의 내용을 적용하면, 종래 방법에 비해 실제 조성 데이터와 유사한 개선된 시뮬레이션 결과를 제공하고 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 같은 방법으로 증착된 STO박막의 두께 예측에 관한 그래프로서, 본 발명을 통해 얻은 모델식을 적용하면 종래의 방법에 비해 더욱 정밀한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기 술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, ALD를 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법에 있어서 본 발명을 통해 얻은 새로운 모델식을 적용하면, 종래의 방법에 비해 상당히 높은 수준의 정확성을 제공하게 되어, 이를 이용한 시뮬레이터의 상업적 실질적 구현을 가능하게 한다.

Claims (10)

  1. 지배방정식과 표면피복률을 정의하는 단계;
    면적감소율을 정의하고 표면피복률과 연관시키는 단계;
    매 사이클마다 표면에 드러난 각 필름의 면적비를 계산하는 단계;
    매 슈퍼사이클 동안 증착된 각 필름의 단위층 수를 계산하는 단계;
    전체 박막의 두께 및 조성을 계산하는 단계; 및
    시뮬레이션에 사용되는 매개변수를 추출하는 단계를 포함하는 원자층 증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 단일 전구체를 사용해서 증착한 이성분계박막의 두께가 하기의 식을 이용해서 전이시간을 고려하여 계산되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법.
    Figure 112005041215204-pat00021
    (단, 상기 hf1은 필름 f1의 단위층 두께, rp1/f1은 필름 f1위에 흡착된 전구체 p1이 필름 f1으로 전환될 때 줄어드는 면적의 비율, Sf1 (j-1)는 j-1번째 사이클이 수행된 이후에 표면에 드러나는 필름 f1의 면적비, rp1/f2은 필름 f2위에 흡착된 전구체 p1이 필름f1으로 전환될 때 줄어드는 면적의 비율, Sf2 (j-1)는 j-1번째 사이클이 수행 된 이후에 표면에 드러나는 필름 f2의 면적비를 의미함.)
  3. 제 1항에 있어서, 두 가지 이상의 전구체들을 시분할 공급하여 순차적으로 증착한, 적어도 세 가지 이상의 성분을 포함하는 다성분계박막 및 나노적층박막의 두께가 하기의 식을 이용해서 전이시간을 고려하여 계산되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법.
    Figure 112005041215204-pat00022
    (단, 상기 hfk는 필름 fk의 단위층 두께, rpk/fl은 필름 fl위에 흡착된 전구체 pk가 필름 fk로 전환될 때 줄어드는 면적의 비율, θpk/fl은 fl위에 흡착된 전구체 pk의 표면 피복률, Sfl (i,k,j-1)는 (i,k,j-1)번째 사이클이 수행된 이후에 표면에 드러나는 필름 fl의 면적비를 의미함.)
  4. 제 1항에 있어서, 두 가지 이상의 전구체들을 시분할 공급하여 순차적으로 증착한, 적어도 세 가지 이상의 성분을 포함하는 다성분계 박막의 조성이 하기식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법.
    Figure 112005041215204-pat00023
    (단, 상기 rpm/fl은 필름 fl위에 흡착된 전구체 pm이 필름fm으로 전환될 때 줄어드는 면적의 비율, θpm/fl은 fl위에 흡착된 전구체 Pm의 표면 피복률, Sfl (i,m,j-1)는 (i,m,j-1)번째 사이클이 수행된 이후에 표면에 드러나는 필름 fl의 면적비, Afm은 전구체 Pm이 필름 fm으로 전환된 후 차지하는 면적, 상기 rpk/fl은 필름 fl위에 흡착된 전구체 pk이 필름 fk로 전환될 때 줄어드는 면적의 비율, θpk/fl은 fl위에 흡착된 전구체 Pk의 표면 피복률, Sfl (i,k,j-1)는 (i,k,j-1)번째 사이클이 수행된 이후에 표면에 드러나는 필름 fl의 면적비, Afk는 전구체 pk이 필름 fk로 전환된 후의 면적을 의미함)
  5. 제 1항에 있어서, 상기 면적 감소율은 하기의 식과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션 방법.
    Figure 112005041215204-pat00024
    (단, 상기 Ap는 전구체 하나가 표면 위에서 차지하는 면적, Af는 필름으로 변환된 후의 면적을 의미함)
  6. 전구체를 충분히 공급하여 표면에 흡착된 전구체의 양이 포화되도록 하는 단계;및
    상기 전구체의 양이 포화된 상태에서 박막의 증착 횟수에 따른 두께 변화 데이터를 통해 면적 감소율(r)을 추출하는 단계를 포함하는 원자층증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션에 사용되는 매개변수를 추출하는 방법.
  7. 전구체를 불충분하게 공급하여 표면에 흡착된 전구체의 양이 포화되지 않도록 하는 단계; 및
    상기 전구체의 양이 불포화된 상태에서 전구체 주입시간에 따른 박막의 증착속도 변화 데이터를 통해 흡착속도상수를 추출하는 단계를 포함하는 원자층증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션에 사용되는 매개변수를 추출하는 방법.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 박막은 원자층증착법을 이용하여 단일 전구체를 사용해서 증착한 단일성분박막 또는 산화막, 질화막, 황화막을 포함하는 이성분계박막인 것을 특징으로 하는 원자층증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션에 사용되는 매개변수를 추출하는 방법.
  9. 제 6항 또는 제7항에 있어서, 상기 박막은 원자층증착법을 이용해서 두 가지 이상의 전구체들을 시분할 공급하여 순차적으로 증착한, 적어도 세 가지 이상의 성분을 포함하는 다성분계박막인 것을 특징으로 하는 원자층증착법을 이용하여 증착한 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이션에 사용되는 매개변수를 추출하는 방법.
  10. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 의해 원자층증착법을 이용하여 증착된 박막의 두께 및 조성을 예측하는 시뮬레이터.
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