KR100745361B1 - 원자층 증착장치 및 그 장치를 이용한 반도체소자의제조방법 - Google Patents

원자층 증착장치 및 그 장치를 이용한 반도체소자의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 원자층 증착장치는 소정의 반도체기판이 안착 될 수 있는 히터; 상기 히터의 상측에 형성된 플라즈마 장치; 상기 플라즈마 장치를 상기 반도체기판과의 거리를 조절하는 거리조절수단; 및 상기 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받는지 여부를 판단할 수 있는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
원자층 증착장치(Apparatus for Atomic layer depositon), 플라즈마 패시베이션 효과(Plasma passivation effect), PEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)

Description

원자층 증착장치 및 그 장치를 이용한 반도체소자의 제조방법{Apparatus for Atomic layer depositon and Method for manufacturing Semiconductor device using the same}
도 1 내지 도 2는 본발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치에 대한 개념도.
도 3은 본발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치의 증착사이클에 대한 개념도.
도 4는 본발명의 제2 실시예에 따른 원자층 증착장치를 이용한 게이트절연막을 형성하는 공정의 단면도.
도 5는 본발명의 제3 실시예에 따른 원자층 증착장치를 이용한 배리어메탈을 형성하는 공정의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
110: 반도체기판 120: 게이트절연막
140: 배리어메탈 150: 히터
160: 플라즈마장치
본 발명은 원자층 증착장치 및 그 장치를 이용한 반도체소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자층 증착장치는 각 프러커서(Precursor)의 공급을 분리하여 셀프리미테이션(Self-Limitation) 이론에 근거한 완전한 표면반응을 유도하여 프러커서(Precursor)의 공급 사이클(Cycle)을 이용해 품질(Property)을 조절하는 매우 획기적인 막(Film) 형성방법이다.
이러한 막형성 방법은 여러 가지 많은 장점이 있는데, 빠른 Throughput보다는 막(Film)의 정밀제어가 필요한 분야에서 중점적으로 개발되어 왔다.
가장 특성을 잘 살릴 수 있는 실시예로서 게이트절연막을 들수 있다.
그런데, 최근에는 열(Thermal) 산화막에 해당하는 막질을 확보하기 위해 막의 덴서티(Density) 개선을 위한 PEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition) 또한 적용되고 있는데, 초박막(Ultra Thin Film) 막질에 장시간 쏘여지는 플라즈마(Plasma) 라디칼의 영향으로 기판 및 박막에 손상을 가져온다는 보고가 있으며, 플라즈마 손상을 최소화한 원거리 Plasma ALD 장비에 대한 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 원거리 플라즈마 원자층 증착 원리는 막 형성 초기에 플라즈마 데미지를 줄이는데에는 효과가 있겠으나, 일정정도 막이 쌓이고 나면 쌓인 막에 의해 플라즈마 패시베이션 효과(Plasma passivation effect)가 발생하여 플라즈마의 효율이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 PEALD에서 막 형성 초기에 플라즈마 데미지를 최소화하면서 막의 밀도까지 향상시켜 ALD가 가지는 좋은 막 특성을 최대한 살릴 수 있는 원자층 증착장치 및 그 장치를 이용한 반도체소자의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원자층 증착장치는 소정의 반도체기판이 안착 될 수 있는 히터; 상기 히터의 상측에 형성된 플라즈마 장치; 상기 플라즈마 장치를 상기 반도체기판과의 거리를 조절하는 거리조절수단; 및 상기 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받는지 여부를 판단할 수 있는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법은 소정의 반도체기판과 거리를 조절할 수 있는 플라즈마장치를 포함하는 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법에 있어서, 상기 원자층 증착장치 내에 상기 반도체기판을 안착하는 단계; 상기 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받지 않은 제1 거리에서 소정의 막질의 원자층 증착을 진행하는 단계; 상기 거리에서 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받지 않는다고 판단되는 경우에는 상기 플라즈마장치를 상기 반도체기판으로부터 상기 제1 거리보다 가까운 제2 거리에 위치시키는 단계; 상기 제2 거리에서 상기 막질의 원자층 증착을 계속하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 PEALD 초기에는 원거리 플라즈마를 적용하여 기 판과 박막의 플라즈마 데미지로부터 보호하고 막 형성 이후에는 일반 플라즈마에 의한 막질 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 원자층 증착장치 및 그 장치를 이용한 반도체소자의 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(실시예 1)
도 1 내지 도 2는 본발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치에 대한 개념도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치는 소정의 반도체기판이 안착 될 수 있는 히터(150)가 구비된다. 상기 히터(150) 위에 반도체기판(110)이 고정된다.
다음으로, 상기 히터(150)의 상측에 플라즈마 장치(160)가 위치된다. 그리고, 상기 플라즈마 장치(160)를 상기 반도체기판과 거리를 조절하는 거리조절수단(미도시)이 구비된다.
다음으로, 상기 플라즈마 장치(160) 의해 상기 반도체기판(110)이 플라즈마데미지를 받는지 여부를 판단할 수 있는 제어장치(미도시)가 더 형성되어 있다.
이때, 상기 제어장치는 상기 플라즈마 장치(160)에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받는다고 판단되는 경우에는 상기 거리조절수단에 의해 상기 플라즈마 장치(160)를 상기 반도체기판(110)으로 부터 플라즈마데미지를 받지 않은 거리에 유지하도록 한다.
또한, 도 2와 같이, 상기 제어장치는 상기 플라즈마 장치(160)에 의해 상기 반도체기판(110)이 플라즈마데미지를 받지 않는다고 판단되는 경우에는 상기 거리조절수단에 의해 상기 플라즈마 장치(160)를 상기 반도체기판(110)으로 부터 기존의 거리(d1)다 가깝게 위치(d2)시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치는 PEALD 초기에는 원거리 플라즈마를 적용하여 기판과 박막의 플라즈마 데미지로부터 보호하고 막 형성 이후에는 플라즈마장치를 반도체기판에 근접시켜 공정을 진행함으로써 플라즈마 패시베이션 효과(Plasma passivation effect)를 극복함으로써 플라즈마에 의한 막질 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치의 증착사이클에 대한 개념도이다.
도 3과 같이, 우선 소스를 퍼지하고(S 10), Ar 가스를 퍼지하여 준다(S 20). 다음으로, 반응가스와 더불어 플라즈마 장치에 의해 플라즈마를 형서한다(S 30). 그 후 다시 Ar 가스를 퍼지하여 준다(S 40).
(실시예 2)
도 4는 본발명의 제2 실시예에 따른 원자층 증착장치를 이용한 게이트절연막(120)을 형성하는 공정의 단면도이다.
도 4 및 도 1과 같이, 소정의 반도체기판(110)과 거리를 조절할 수 있는 플라즈마 장치(160)를 포함하는 원자층 증착장치 내에 상기 반도체기판(110)을 안착한다.
다음으로, 상기 플라즈마 장치(160)에 의해 상기 반도체기판(110)이 플라즈 마데미지를 받지 않은 제1 거리(d1)에서 소정의 막질의 원자층 증착을 진행한다.
본 발명의 제2 실시예에서는 상기 막질은 게이트절연막에 대한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 거리(d1)에서 플라즈마 장치(160)에 의해 상기 반도체기판(110)이 플라즈마데미지를 받지 않는다고 판단되는 경우에는 상기 플라즈마 장치(160)를 상기 반도체기판(110)으로부터 상기 제1 거리(d1)보다 가까운 제2 거리(d2)에 위치시킨다.
다음으로, 상기 제2 거리(d2)에서 상기 막질의 원자층 증착을 계속 진행한다.
이때, 상기 막질을 형성하기 위한 구체적인 공정조건은 다음과 같다.
증착 온도는 150~400℃에서 진행할 수 있다. 150℃는 본 발명의 ALD의 공정이 진행되기 위한 최소 온도 조건이며, BEOL 공정의 경우 400℃ 이상은 소자에 열어택을 가할 수 있으므로 불가하다.
다음으로, 압력은 0.1 ~ 5.0 Torr에서 진행할 수 있다.
다음으로, 사이클(Cycle) 당 플로세스 타임(Process time)은 개별 Cycle 당 1~3초 내외에서 진행할 수 있다. 이때, 새츄레이션 메커니즘(Saturation Mechanism) 적용을 위한 최소 시간은 1초로 잡을 수 있다.
다음으로, 플라즈마파워(Plasma Power)는 50~1000 W에서 진행할 수 있다.
특히, 게이트절연막을 본원발명의 제2 실시예에 의해 형성하기 위한 조건은 다음과 같다.
우선, 50~200 sccm의 Ar을 퍼지(Purge)하고, 그 후 50~150 sccm의 SiH4을 퍼지(Purge)하는 단계하고, 그 다음으로 100~2000 sccm의 H2O를 퍼지(Purge)한다.
본 발명의 제2 실시예에 의할 때 PEALD 초기에는 원거리 플라즈마를 적용하여 기판과 게이트절연막의 플라즈마 데미지로부터 보호하고 게이트절연막 형성 이후에는 일반 플라즈마에 의한 막질 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 3)
도 4는 본발명의 제3 실시예에 따른 원자층 증착장치를 이용한 배리어메탈을 형성하는 공정의 단면도이다.
본 발명의 제3 실시예는 금속배선용 배리어메탈(140)을 형성하는 공정이다. 반도체기판(110)에는 하부 금속배선(115)이 형성되어 있을 수 있고, 상기 반도체기판(110) 상에는 층간절연층(130)이 형성된다.
상기 층간절연층(130)을 식각하여 비아홀을 형성한다. 상기 비아홀의 측벽에 본 발명의 제3 실시예에 따라 원자층 증착장치를 이용한 배리어메탈(140)을 형성공정이 진행될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예는 상기 제2 실시예의 제조방법을 채용할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 의할 때 PEALD 초기에는 원거리 플라즈마를 적용하여 기판과 배리어메탈의 플라즈마 데미지로부터 보호하고 배리어메탈 형성 이후에는 일반 플라즈마에 의한 막질 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 3는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제2 실시예의 단면도이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 원자층 증착장치 및 그 장치를 이용한 반도체소자의 제조방법에 의하면, PEALD 초기에는 원거리 플라즈마를 적용하여 기판과 박막의 플라즈마 데미지로부터 보호하고 막 형성 이후에는 일반 플라즈마에 의한 막질 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 소정의 반도체기판이 안착 될 수 있는 히터;
    상기 히터의 상측에 형성된 플라즈마 장치;
    상기 플라즈마 장치를 상기 반도체기판과의 거리를 조절하는 거리조절수단; 및
    상기 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받는지 여부를 판단할 수 있는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어장치는
    상기 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받는다고 판단되는 경우에는 상기 거리조절수단에 의해 상기 플라즈마장치를 상기 반도체기판으로 부터 플라즈마데미지를 받지 않은 거리에 유지하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어장치는
    상기 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받지 않는다고 판단되는 경우에는 상기 거리조절수단에 의해 상기 플라즈마장치를 상기 반도 체기판으로 부터 기존의 거리보다 가깝게 위치시키는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  4. 소정의 반도체기판과 거리를 조절할 수 있는 플라즈마장치를 포함하는 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법에 있어서,
    상기 원자층 증착장치 내에 상기 반도체기판을 안착하는 단계;
    상기 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받지 않은 제1 거리에서 소정의 막질의 원자층 증착을 진행하는 단계;
    상기 거리에서 플라즈마 장치에 의해 상기 반도체기판이 플라즈마데미지를 받지 않는다고 판단되는 경우에는 상기 플라즈마장치를 상기 반도체기판으로부터 상기 제1 거리보다 가까운 제2 거리에 위치시키는 단계;
    상기 제2 거리에서 상기 막질의 원자층 증착을 계속하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 막질은
    게이트절연막인 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 막질을 형성하는 단계에서
    증착온도는 150~400℃, 압력은 0.1 ~ 5.0 Torr 및 플라즈마 파워(Plasma Power)는 50~1000 W에서 진행하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 막질을 형성하는 단계에서
    50~200 sccm의 Ar을 퍼지(Purge)하는 단계;
    50~150 sccm의 SiH4을 퍼지(Purge)하는 단계; 및
    100~2000 sccm의 H2O를 퍼지(Purge)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 막질은
    금속배선용 배리어메탈인 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치를 이용한 반도체소자의 제조방법.
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