KR100773749B1 - Thin film deposition method - Google Patents

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Abstract

A thin film deposition method is provided to activate a reaction gas by increasing a process temperature during a reaction gas supply process and a purge process. An atom layer deposition process includes a reaction source supply process and a purge process. The reaction source supply process and the purge process are performed in at least two different process temperatures. A pre-treatment process is performed in a deposition chamber at a temperature different from the process temperature. A deposition process is performed after the pre-treatment process. After the deposition process, a rapid thermal treatment process or a densification process is performed in the chamber at a temperature different from the process temperature. The rapid thermal treatment process or the densification process is performed during the deposition process.

Description

박막 증착 방법 {Thin film deposition method} Thin film deposition method

도 1은 일반적인 ALD 방법에서의 시간에 따른 가스별 피딩(feeding)을 보여주는 그림이고, 도 2는 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그림이다. FIG. 1 is a diagram showing feeding by gas with time in a general ALD method, and FIG. 2 is a diagram showing a temperature change with time.

도 3은 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제1 실시예에서의 시간에 따른 가스별 피딩을 보여주는 그림이고, 도 4는 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. 3 is a view showing the feeding by gas with time in the first embodiment of the thin film deposition method according to the present invention, Figure 4 is a view showing the (process) temperature change with time.

도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제2 실시예에서의 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. 5 is a view showing the (process) temperature change with time in the second embodiment of the thin film deposition method according to the present invention.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제3 실시예에서의 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림들이다. 6A and 6B are diagrams showing temperature (process) temperature changes with time in the third embodiment of the thin film deposition method according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제4 실시예에서의 시간에 따른 가스별 피딩을 보여주는 그림이고, 도 8은 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. FIG. 7 is a diagram showing feeding by gas according to time in the fourth exemplary embodiment of the thin film deposition method according to the present invention, and FIG. 8 is a diagram showing a (process) temperature change with time.

도 9는 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제5 실시예에서의 시간에 따른 가스별 피딩을 보여주는 그림이고, 도 10은 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제5 실시예에서의 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. FIG. 9 is a view showing gaseous feeding over time in a fifth embodiment of the thin film deposition method according to the present invention, and FIG. 10 is a time-dependent process (in the fifth embodiment of the thin film deposition method according to the present invention). ) The figure shows the temperature change.

본 발명은 박막 증착 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정 온도의 제한을 벗어날 수 있는 원자층 증착(ALD) 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a thin film deposition method, and more particularly, to an atomic layer deposition (ALD) method that can escape the limitations of the process temperature.

반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라서 요구되는 박막과 공정의 특성이 더욱 어려워지고 있다. 특히 DRAM과 같은 반도체 소자는 1개의 트랜지스터와 1개의 커패시터로 구성되어 있다. 이렇게 커패시터를 포함하는 반도체 소자의 용량을 향상시키기 위해서는 커패시터의 정전용량을 증가시키는 것이 중요하다. 그동안 커패시터의 정전용량을 증가시키기 위해 하부전극을 입체화하는 방법, 하부전극의 높이를 높이는 방법, 유전막의 두께를 줄이는 방법 등이 이용되어 왔으나 좁은 면적에서 안정적으로 높은 정전용량을 확보하는 데 한계에 도달하였다. 이에 고유전율을 가진 유전막의 사용이 요구되고 있다.As the degree of integration of semiconductor devices increases, the characteristics of thin films and processes that are required become more difficult. In particular, a semiconductor device such as a DRAM is composed of one transistor and one capacitor. In order to improve the capacitance of the semiconductor device including the capacitor, it is important to increase the capacitance of the capacitor. In order to increase the capacitance of the capacitor, the method of dimensionalizing the lower electrode, increasing the height of the lower electrode, and reducing the thickness of the dielectric film have been used, but the limit has been reached to secure a stable high capacitance in a small area. It was. Therefore, the use of a dielectric film having a high dielectric constant is required.

현재까지 반도체 소자의 유전막으로 사용되는 물질은 실리콘 옥사이드(SiO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 하프늄 옥사이드(HfO2)와 같은 2원계 물질이 대부분을 이루고 있으나, 점차로 하프늄 실리콘 옥사이드(HfSiO이며, HfO2/SiO2 적층막일 수 있음), 하프늄 알루미늄 옥사이드(HfAlO이며, Al2O3/HfO2 적층막일 수 있음)와 같은 3원계 물질뿐만 아니라, 하프늄 실리콘 옥시나이트라이드(HfSiON)와 같은 4원계 물질 이용도 늘어나고 있다. 또한 게이트 산화막으로 사용하고 있는 SiO2 계열의 박막은 반도체 소자의 크기가 감소함에 따라 누설전류 등 한계에 이르고 있 어 새로운 박막이 필요하게 되었으며, 그에 따라 고유전율 박막에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 뿐만 아니라, 전극을 형성하기 위한 금속 공정도 우수한 단차도포성(step-coverage)을 필요로 하게 되는 등 점점 더 우수한 박막이 요구되고 있다. Until now, most of the materials used as dielectric films for semiconductor devices are made of binary materials such as silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and hafnium oxide (HfO 2 ), but gradually hafnium silicon oxide (HfSiO). Hafnium silicon oxynitride (HfSiON), as well as ternary materials such as HfO 2 / SiO 2 lamination) and hafnium aluminum oxide (HfAlO, which may be Al 2 O 3 / HfO 2 lamination) The use of quaternary materials is also increasing. In addition, a thin film of SiO 2 family that is used as the gate oxide has been a need for control new thin film can reach to the leakage current, the limit as the size of semiconductor devices decreases, there proceeds a lot of research on high-k thin film accordingly. In addition, there is an increasing demand for thin films, such as metal processes for forming electrodes, which require excellent step-coverage.

이러한 반도체 공정에서 요구하는 박막을 증착하는 데에 이용되는 방법은 일반적으로 소스의 특성에 의해 크게 좌우되고 있다. 예를 들어, 소스의 분해 온도 등은 공정 조건에 제한을 만들고 이 제한을 기준으로 공정을 진행하다 보면 우수한 특성의 박막을 얻는 데 어려움이 많이 발생하게 된다. 특히 기체상 반응을 배제하고 표면 반응을 가지고 공정이 진행되는 ALD의 경우에 소스의 분해 온도는 매우 중요한 인자가 된다. The method used to deposit the thin film required in such a semiconductor process is generally largely dependent on the characteristics of the source. For example, the decomposition temperature of the source, such as making a limit to the process conditions and proceeding based on this limit, it is difficult to obtain a thin film of excellent properties. The decomposition temperature of the source is a very important factor, especially in the case of ALD in which the process is carried out with the surface reaction excluded from the gas phase reaction.

예를 들어, ALD HfO2 공정에 있어서, HfO2 증착을 위한 TEMAHf 소스의 경우 150℃ 이상에서 분해되기 때문에 가스 라인(gas line)이나 샤워헤드(shower head) 등의 온도는 150℃ 미만으로 조절하고 있다. 그리고, 스테이지 히터(stage heater)의 온도에 따른 HfO2 증착 두께를 보면 300℃ 이상에서 화학 기상 증착(CVD) 반응이 발생하는 것으로부터, 스테이지 히터 온도가 300℃ 이상일 경우 TEMAHf 소스가 분해되는 것을 유추할 수 있다. 그러므로 ALD HfO2의 공정 온도는 그 최대 온도가 300℃가 된다. 그러나 반응가스로 O3를 이용하는 경우 O3는 고온에서 산화능력이 우수하기 때문에 공정 온도가 높을수록 좋은 박막을 얻을 수 있다.For example, in the ALD HfO 2 process, the TEMAHf source for HfO 2 deposition decomposes above 150 ° C so that the temperature of the gas line or shower head is controlled below 150 ° C. have. In addition, in view of the HfO 2 deposition thickness according to the temperature of the stage heater, the chemical vapor deposition (CVD) reaction occurs at 300 ° C or higher, and it is inferred that the TEMAHf source is decomposed when the stage heater temperature is 300 ° C or higher. can do. Therefore, the maximum process temperature of ALD HfO 2 is 300 ° C. However, when O 3 is used as the reaction gas, O 3 has excellent oxidation ability at high temperature, and thus, a higher thin film can be obtained at a higher process temperature.

이러한 문제는 특히 3원계 이상의 박막을 형성할 때 각각의 소스에 따라 상 이한 온도 특성을 가질 수 있기 때문에 더욱 큰 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 상전이 메모리(phase transition memory)에 사용되는 GST 박막을 ALD로 형성하는 데 있어서 Ge, Sb 그리고 Te은 각각의 소스 특성, 특히 분해 온도가 각기 다른 특성을 가지고 있다. This problem may be a greater problem, especially when forming ternary or more thin films may have different temperature characteristics depending on each source. For example, Ge, Sb, and Te have different source characteristics, particularly decomposition temperatures, in forming GST thin films used in phase transition memory as ALD.

그런데 종래의 ALD 방법은 스테이지 히터의 온도를 일정하게 함으로써 공정 온도를 일정하게 유지한 상태에서 소스와 반응가스를 공급한다. 예를 들어, 일반적인 2 개의 반응원을 이용하는 경우의 ALD 공정을 보여주는 도 1을 참조하면, ALD 공정은 제1 반응원(소스) 공급 -> 제1 반응원 퍼지 -> 제2 반응원(반응가스) 공급 -> 제2 반응원 퍼지로 이루어지는 1 싸이클을 여러 차례 반복하여 이루어지는데, 종래의 ALD 공정은 도 2에 도시한 바와 같이 공정 진행 경과에 따라 스테이지 히터의 온도를 변화시킴 없이 공정 온도를 소정 온도로 일정하게 유지하고 있다. 그러므로 앞서 언급한 바와 같이 스테이지 히터의 온도를 일정하게 유지하면서 진행하는 현재의 박막 증착 방법은 소스의 특성과 부합되지 않는 문제점을 가지고 있다. However, the conventional ALD method supplies a source and a reaction gas in a state where the process temperature is kept constant by making the temperature of the stage heater constant. For example, referring to FIG. 1, which illustrates an ALD process using two typical reaction sources, an ALD process may be provided by supplying a first source (source)-> first source purge-> second source (reaction gas). 1 cycle consisting of a supply-> a second reaction source purge is repeated a number of times. In the conventional ALD process, the process temperature is determined without changing the temperature of the stage heater as the process progresses, as shown in FIG. It is kept constant at temperature. Therefore, as mentioned above, the current thin film deposition method which proceeds while maintaining the temperature of the stage heater has a problem inconsistent with the characteristics of the source.

또한, Al2O3 박막은 일반적으로 400℃ 이상에서 증착하고 있으며, HfO2 박막은 앞서 언급한 바와 같이 300℃에서 증착하고 있는데, 이러한 Al2O3와 HfO2를 하나의 챔버에서 적층하여 Al2O3/HfO2 적층의 복합막을 형성하는 경우, 종래와 같이 일정한 온도의 스테이지 히터를 유지하는 시스템에서는 Al2O3와 HfO2 박막 모두 우수한 박막을 얻을 수 없다. 그러므로 상기와 같이 하나의 챔버에서 복합막을 형성하는 방법은 생산성 등을 고려할 때 좋은 방법이긴 하나 공정 온도를 같이 하여야 한다는 문제점을 가지고 있다. 이렇게 박막별로 다른 공정 온도를 가지는 것은 기본적으로 소스의 분해 온도와 반응성의 차이로 인해 발생하는 것이다. Also, Al 2 O 3 thin films are generally deposited at 400 ° C. or higher, and HfO 2 thin films are deposited at 300 ° C. as mentioned above, and Al 2 O 3 and HfO 2 are laminated in one chamber to form Al. In the case of forming a composite film of a 2 O 3 / HfO 2 laminate, an excellent thin film cannot be obtained for both the Al 2 O 3 and HfO 2 thin films in a system that maintains a stage heater at a constant temperature as in the prior art. Therefore, the method of forming the composite film in one chamber as described above is a good method in consideration of productivity, etc., but has a problem in that the process temperature must be the same. This different film temperature is basically caused by the difference in decomposition temperature and reactivity of the source.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 공정 온도의 제한을 벗어날 수 있는 박막 증착 방법을 제공하는 것이다. The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a thin film deposition method that can escape the limitation of the process temperature.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 일 태양은 하나 이상의 반응원을 공급하는 단계와 퍼지하는 단계를 포함하는 원자층 증착(ALD) 방법에 있어서, 상기 각 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행하는 것이다.One aspect of the thin film deposition method according to the present invention for achieving the above technical problem is in the atomic layer deposition (ALD) method comprising the step of supplying and purging one or more reaction sources, wherein each step is two or more different It is performed at the process temperature.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 다른 태양은 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계를 포함하는 박막 증착 방법으로서, 상기 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 상기 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행하는 것이다.Another aspect of the thin film deposition method according to the present invention for achieving the technical problem is supplying a first reaction source, purging the first reaction source, supplying a second reaction source and the second reaction A thin film deposition method comprising purging a source, comprising: supplying a first reaction source, purging the first reaction source, supplying the second reaction source, and purging the second reaction source The step is to perform at two or more different process temperatures.

여기서, 상기 제1 반응원을 공급하는 단계와 상기 제2 반응원을 공급하는 단계는 반응원의 분해 온도와 반응성의 차이에 따라 서로 다른 공정 온도에서 수행할 수 있다. 그리고 퍼지 효율은 고온에서 효과적이므로 각 반응원 퍼지 단계는 반응원의 공급단계 보다 높은 온도에서 수행할 수 있다.Here, the step of supplying the first reaction source and the step of supplying the second reaction source may be performed at different process temperatures according to the difference in decomposition temperature and reactivity of the reaction source. And since the purge efficiency is effective at high temperature, each reaction source purge step may be performed at a higher temperature than the supply step of the reaction source.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 또 다른 태양은 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 제2 반응원을 공급하는 단계, 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계, 제3 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제3 반응원을 퍼지하는 단계를 포함하는 박막 증착 방법으로서, 상기 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 제2 반응원을 공급하는 단계, 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계, 제3 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제3 반응원을 퍼지하는 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행하는 것이다. 즉, 제1 반응원, 제2 반응원 그리고 제3 반응원 등 3가지 이상의 반응원을 사용하는 경우 각각의 반응원의 분해 온도와 반응성의 차이로 인해 둘 이상의 각기 다른 공정 온도에서 수행하는 것이다.Another aspect of the thin film deposition method according to the present invention for achieving the technical problem is supplying a first reaction source, purging the first reaction source, supplying a second reaction source, the second A thin film deposition method comprising purging a reaction source, supplying a third reaction source, and purging the third reaction source, supplying the first reaction source, purging the first reaction source To purge, supplying a second reactant source, purging the second reactant source, supplying a third reactant source and purging the third reactant source are performed at two or more different process temperatures. . That is, when three or more reactants, such as the first, second and third reactants, are used at two or more different process temperatures due to the difference in decomposition temperature and reactivity of each reactant.

특히, 상기 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제3 반응원을 공급하는 단계는 둘 이상의 공정 온도에서 수행할 수 있다. In particular, supplying the first reaction source, supplying the second reaction source, and supplying the third reaction source may be performed at two or more process temperatures.

본 발명에 따른 박막 증착 방법의 또 다른 태양은 원자층 증착(ALD) 방법에 있어서, 박막 증착 개시부터 종료시까지의 공정 중간에 공정 온도 변화를 주는 것이다. 상기 박막 증착 초기의 공정 온도보다 증착 후기의 공정 온도를 높이거나, 상기 박막 증착 초기의 공정 온도보다 증착 후기의 공정 온도를 낮춘다.Another aspect of the thin film deposition method according to the present invention is that in the atomic layer deposition (ALD) method, the process temperature is changed in the middle of the process from the start of the thin film deposition to the end. The process temperature at the end of deposition is higher than the process temperature at the beginning of thin film deposition, or the process temperature at the end of deposition is lower than the process temperature at the beginning of thin film deposition.

본 발명에 따른 박막 증착 방법의 또 다른 태양은 서로 다른 두 종류 이상의 박막을 형성하는 박막 증착 방법에 있어서, 서로 다른 두 종류 이상의 박막을 하나의 챔버 내에서 증착하되 각 박막의 증착 공정 온도를 서로 다르게 변화시켜 증착하는 것이다. Another aspect of the thin film deposition method according to the present invention is a thin film deposition method for forming two or more different types of thin films, wherein two or more different types of thin films are deposited in one chamber, but the deposition process temperature of each thin film is different. It is to change and deposit.

여기서, 상기 두 종류 이상의 박막은 원자층 증착에 의해 형성하거나, 적어도 어느 하나의 박막은 원자층 증착에 의해 형성하고 나머지 박막은 화학 기상 증착(CVD) 방법에 의해 형성할 수 있다. 상기 원자층 증착에 의해 박막을 증착하는 방법은 하나 이상의 반응원을 공급하는 단계와 퍼지하는 단계를 포함하며, 상기 각 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행할 수 있다. Here, the two or more thin films may be formed by atomic layer deposition, or at least one thin film may be formed by atomic layer deposition, and the remaining thin films may be formed by chemical vapor deposition (CVD). The method of depositing a thin film by atomic layer deposition includes supplying and purging one or more reaction sources, each of which may be performed at two or more different process temperatures.

본 발명에 따른 방법들에 있어서, 상기 박막을 증착하기 전에 전처리 단계를 더 실시하거나, 상기 박막을 증착하고 난 후 급속 열처리 공정 또는 치밀화(densification) 처리를 더 진행하거나, 또는 상기 박막을 증착하는 중간에 적어도 1회 급속 열처리 공정 또는 치밀화 처리를 더 진행할 수 있다. 이러한 전처리, 급속 열처리 및 치밀화 처리는 박막 증착을 위한 공정 온도와는 다른 온도에서 수행한다. In the methods according to the present invention, a pretreatment step may be further performed before the thin film is deposited, or after the thin film is deposited, a rapid heat treatment process or a densification treatment may be further performed, or an intermediate process of depositing the thin film may be performed. At least one rapid heat treatment step or densification may be further performed. This pretreatment, rapid heat treatment and densification are carried out at different temperatures than the process temperatures for thin film deposition.

본 발명에 따른 방법들에 있어서, 상기 박막 증착은 급속 열처리(Rapid Thermal Process) 장치를 이용함이 바람직하다.In the methods according to the invention, the thin film deposition preferably uses a rapid thermal process apparatus.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예들을 설명하는 도면에 있어서, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. In the drawings illustrating embodiments of the present invention, like numerals in the drawings refer to like elements.

제1 실시예First embodiment

본 실시예에서는 급속 열처리(Rapid Thermal Process) 방식을 사용하여 ALD 공정을 진행하는 것을 특징으로 한다. 즉 온도를 순간적으로 변화시켜 여러 반응원을 공급할 때의 공정 온도를 각기 다르게 하여 ALD 공정을 진행한다. In this embodiment, the ALD process is performed by using a rapid thermal process. That is, the ALD process is performed by varying the temperature instantaneously and varying the process temperature when supplying various reaction sources.

도 3은 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제1 실시예에서의 시간에 따른 가스별 피딩을 보여주는 그림이고, 도 4는 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. 3 is a view showing the feeding by gas with time in the first embodiment of the thin film deposition method according to the present invention, Figure 4 is a view showing the (process) temperature change with time.

먼저 도 3을 참조하면, 챔버로 제1 반응원인 소스를 공급하는 단계(t1), 제1 반응원인 소스를 퍼지하는 단계(t2), 제2 반응원인 반응가스를 공급하는 단계(t3) 및 제2 반응원인 반응가스를 퍼지하는 단계(t4)를 수행하여 기판 상에 박막을 증착한다. 단계 t1 내지 t4로 이루어지는 싸이클을 반복함으로써, 원하는 두께의 박막을 증착할 수 있다.First, referring to FIG. 3, a step (t1) of supplying a source as a first reaction source to the chamber, a step (t2) of purging a source as a first reaction source, a step (t3) of supplying a reaction gas as a second reaction source, and a second 2, a step (t4) of purging the reaction gas as a reaction source is performed to deposit a thin film on the substrate. By repeating the cycle consisting of steps t1 to t4, a thin film of a desired thickness can be deposited.

여기서, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 반응원인 소스를 공급하는 단계(t1)는 제1 반응원인 소스를 퍼지하는 단계(t2), 제2 반응원인 반응가스를 공급하는 단계(t3) 및 제2 반응원인 반응가스를 퍼지하는 단계(t4)보다 낮은 공정 온도에서 수행한다. 온도에 제약이 있는 소스를 공급할 경우에는 낮은 온도에서 실시하고 반응가스 공급시 및 퍼지시에는 이보다 높은 온도에서 진행하는 것이다. 따라서, 소스를 기준으로 최대 온도를 제한하는 종래에 비하여, 반응가스를 충분히 활성화시킬 수 있다. Here, as shown in Figure 4, the step (t1) of supplying the source of the first reaction source (t1) is a step (t2) of purging the source of the first reaction source, the step of supplying the reaction gas of the second reaction source (t3) and The reaction gas, which is the second reaction source, is performed at a lower process temperature than the step (t4). In case of supplying a temperature-constrained source, it is carried out at a lower temperature, and at a higher temperature when supplying and purifying a reaction gas. Accordingly, the reaction gas can be sufficiently activated as compared with the conventional method of limiting the maximum temperature based on the source.

한편 도 4에는 소스를 퍼지하는 단계(t2) 및 반응가스를 퍼지하는 단계(t4) 동안 점진적(직선적)으로 온도가 변화하는 것으로 도시하였는데, 급속 열처리 방식 을 이용하므로 빠른 온도 변화도 가능하다. 즉, 소스를 퍼지하는 단계(t2)의 온도를 소스를 공급하는 단계(t1)의 온도와 거의 동일하게 낮게 유지하여 진행한 다음 순간적으로 온도를 올려 반응가스를 공급하는 단계(t3)를 진행하거나, 소스를 공급하는 단계(t1) 수행 후 순간적으로 온도를 올려 소스를 퍼지하는 단계(t2)의 온도를 반응가스를 공급하는 단계(t3)와 거의 동일하게 만들어 진행할 수도 있다. 마찬가지로, 반응가스를 퍼지하는 단계(t4)의 온도를 반응가스를 공급하는 단계(t3)의 온도와 거의 동일하게 높게 유지하여 진행한 다음 순간적으로 온도를 내려 다음 싸이클의 소스를 공급하는 단계(t1)를 진행하거나, 반응가스를 공급하는 단계(t3) 수행 후 순간적으로 온도를 내려 반응가스를 퍼지하는 단계(t4)의 온도를 다음 싸이클의 소스를 공급하는 단계(t1)와 거의 동일하게 만들어 진행할 수도 있다. Meanwhile, in FIG. 4, the temperature is gradually changed (directly) during the step of purging the source (t2) and the step of purging the reaction gas (t4), and rapid temperature change is also possible because of the rapid heat treatment method. That is, the temperature of the step (t2) of purging the source is maintained to be substantially the same as the temperature of the step (t1) of supplying the source and then proceeds to step (t3) of supplying the reaction gas by raising the temperature instantaneously or After the step of supplying the source (t1), the temperature of the step (t2) of purging the source by raising the temperature instantaneously may be made to be substantially the same as the step (t3) of supplying the reaction gas. Similarly, the temperature of the step t4 of purging the reaction gas is maintained at about the same temperature as that of the step t3 of supplying the reaction gas, and then the temperature is momentarily lowered to supply the source of the next cycle (t1). ), Or after the step (t3) of supplying the reaction gas, the temperature of the step (t4) of purging the reaction gas by temporarily lowering the temperature is almost the same as the step (t1) of supplying the source of the next cycle. It may be.

이러한 실시예는 예를 들어 ALD로 HfO2 박막을 증착하는 경우에 적용할 수가 있다. Hf 소스로 TEMAHf을 사용하고 O 반응가스로 O3을 사용할 경우 TEMAHf의 경우 150℃ 이상에서 분해가 이루어지고 있어서 300℃ 이상의 높은 온도에서는 CVD 반응이 발생하고 이로 인해 박막 특성이 저하된다. 그러나 O3의 경우 높은 온도에서는 산화력이 증가하게 되어 O3에 의한 반응성이 증가하게 된다. 그러므로 가장 효과적인 방법은 본 발명의 실시예를 적용하여 TEMAHf은 낮은 온도에서 공급하고 반대로 O3는 높은 온도에서 공급하여 ALD 공정을 진행시키는 것이다. This embodiment can be applied, for example, when depositing an HfO 2 thin film with ALD. When TEMAHf is used as the Hf source and O 3 is used as the O reaction gas, TEMAHf is decomposed at 150 ° C. or higher. Thus, CVD reaction occurs at a high temperature of 300 ° C. or higher, thereby degrading thin film properties. However, in case of O 3 , the oxidizing power increases at high temperature, thereby increasing the reactivity by O 3 . Therefore, the most effective method is to apply the embodiment of the present invention to supply TEMAHf at low temperature and, conversely, O 3 at high temperature to advance the ALD process.

급속 열처리는 온도를 빠른 시간 내에 변화시키면서 진행하는 공정으로, 10 초 이내의 짧은 시간 내에 몇 백℃를 변화시킬 수 있다. 본 발명은 이렇게 순간적인 온도 변화가 가능한 급속 열처리 방식을 적용하여 ALD 공정을 진행한다. 이 때 온도를 빠른 시간 내에 변화시켜야 하고 재현성을 확보해야 한다. Rapid heat treatment is a process that proceeds while changing the temperature in a short time, it can change a few hundred ℃ within a short time within 10 seconds. The present invention proceeds the ALD process by applying a rapid heat treatment method capable of such an instantaneous temperature change. At this time, the temperature must be changed quickly and reproducibility must be ensured.

한편, 상기의 방법을 이용하여 박막을 형성하고 난 후 연속으로 다른 온도에서 급속 열처리 공정이나 치밀화(densification) 처리 등을 더 진행할 수 있다. 물론, 이 급속 열처리나 치밀화는 공정 중간에 적어도 1회 진행함으로써 공정 중간 중간에도 진행할 수 있다. On the other hand, after the thin film is formed using the above method, the rapid heat treatment process or densification treatment may be further performed at different temperatures continuously. Of course, this rapid heat treatment and densification can proceed at least once in the middle of the process.

본 발명에서와 같이 공정 온도를 변화시켜가며 공정을 진행하는 개념은 일반적인 플라즈마 ALD에도 적용될 수 있으며, 리모트(remote) 플라즈마 방식 또는 다이렉트(direct) 플라즈마 방식이 적용될 수 있다. 다이렉트 플라즈마 방식인 경우에는 챔버 타입이 기판 밑에서 램프 히팅하는 경우이면 된다. The concept of proceeding the process by changing the process temperature as in the present invention may be applied to a general plasma ALD, a remote plasma method or a direct plasma method may be applied. In the case of the direct plasma method, the chamber type may be a lamp heating under the substrate.

추가적으로 본 실시예에서는 제1 반응원으로써 소스를, 제2 반응원으로써 반응가스를 사용하여 박막을 증착하는 경우를 설명하였으나, 서로 다른 두 종류 이상의 소스 또는 세 가지 이상의 반응원을 가지고도 박막을 증착할 수 있음을 언급해 둔다. 그럴 경우 제1 반응원 공급 -> 제1 반응원 퍼지 -> 제2 반응원 공급 -> 제2 반응원 퍼지의 싸이클은 곧 제1 소스 공급 -> 제1 소스 퍼지 -> 제2 소스 공급 -> 제2 소스 퍼지의 싸이클이 된다. 제1 반응원으로써 둘 이상의 소스를 이용하고 제2 반응원으로써 반응가스를 이용하는 경우는 후술한다.In addition, in the present embodiment, a thin film is deposited using a source as a first reaction source and a reaction gas as a second reaction source. However, the thin film is deposited even if two or more different sources or three or more reaction sources are used. Note that you can. If so, the first source feed-> the first source purge-> the second source feed-> the second source purge cycle is soon followed by the first source feed-> the first source purge-> the second source feed-> A cycle of the second source purge is obtained. The use of two or more sources as the first reaction source and the reaction gas as the second reaction source will be described later.

제2 실시예Second embodiment

본 실시예에서는 ALD 공정에 전처리 공정을 추가하는 예를 설명하기로 한다. 여기서의 ALD 공정은 앞의 제1 실시예에서 설명한 것을 그대로 원용하기로 한다.In this embodiment, an example of adding a pretreatment process to an ALD process will be described. Here, the ALD process described above is used as it is described in the first embodiment.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에서 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. 5 is a view showing a (process) temperature change with time in the second embodiment of the present invention.

먼저 전처리 단계(s)를 수행한다. 이 전처리 단계(s)는 NH3 또는 N2와 같은 질소계 가스를 이용한 급속 열처리에 의한 질화(nitridation) 처리 또는 불순물을 제거하기 위한 아웃 개싱(out gassing)일 수 있다. 또한 실선으로 표시한 바와 같이 전처리 단계(s)는 ALD 공정 온도보다 고온일 수도 있고 점선으로 표시한 바와 같이 저온일 수도 있다. First, the pretreatment step (s) is performed. This pretreatment step (s) may be a nitriding treatment by rapid heat treatment with a nitrogen-based gas such as NH 3 or N 2 or out gassing to remove impurities. In addition, as indicated by the solid line, the pretreatment step (s) may be higher than the ALD process temperature or may be lower as indicated by the dotted line.

예를 들어, 게이트 산화막 또는 유전막과 같은 산화막을 증착하는 경우 혹은 실리콘 에피 성장(epitaxial growth)에 있어서는 불순물 제어가 매우 중요한데 챔버 압력을 낮게 하고 공정 온도를 고온으로 하면 불순물이 휘발하여 제거된다. 이것이 아웃 개싱이다. 한편, 이미 증착된 산화막의 누설전류 특성 등을 개선할 목적 등으로 산화막의 표면 일부를 질화막으로 만들거나 댕글링 본드(dangling bond) 등을 제거하기도 하는데 이것이 질화 처리이다.For example, in the case of depositing an oxide film such as a gate oxide film or a dielectric film or in silicon epitaxial growth, impurity control is very important. If the chamber pressure is lowered and the process temperature is made high, the impurities are volatilized and removed. This is out gassing. On the other hand, a part of the surface of the oxide film is made into a nitride film or a dangling bond is removed for the purpose of improving leakage current characteristics and the like of the already deposited oxide film.

이러한 전처리 단계(s)를 수행한 다음에는 앞의 제1 실시예에서 설명한 것과 같은 방법으로 소스 및 반응가스에 맞는 공정 온도대로 변화시켜가며 ALD 공정을 진행한다. After performing the pretreatment step (s), the ALD process is performed while changing the process temperature for the source and the reaction gas in the same manner as described in the first embodiment.

전처리 단계의 온도는 박막 증착의 공정 온도와 달라 종래에는 하나의 챔버에서 전처리와 박막 증착을 연속적으로 진행하는 것이 어려웠다. 전처리와 박막 증 착 사이에 온도를 조정하기 위해 긴 시간이 필요하거나 하는 등의 이유 때문이다. 그러나, 본 발명의 경우에는 급속 열처리 방식을 이용하므로 전처리 단계(s)와 후속 ALD 공정을 하나의 챔버에서 연속적으로 진행할 수 있으며, 또한 ALD 공정도 소스 및 반응가스에 맞는 공정 온도대로 변화시켜가며 진행할 수가 있는 것이다. Since the temperature of the pretreatment step is different from the process temperature of the thin film deposition, it has been difficult to continuously perform the pretreatment and the thin film deposition in one chamber. This may be due to the long time required to adjust the temperature between pretreatment and thin film deposition. However, in the case of the present invention, since the rapid heat treatment method is used, the pretreatment step (s) and the subsequent ALD process can be continuously performed in one chamber, and the ALD process can also be performed by changing the process temperature for the source and the reaction gas. There is a number.

제3 실시예Third embodiment

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제3 실시예에서의 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림들이다. 본 실시예에 따른 박막 증착 방법은 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 박막 증착 개시부터 종료시까지 공정 온도에 변화를 주는 것이다.6A and 6B are diagrams showing temperature (process) temperature changes with time in the third embodiment of the thin film deposition method according to the present invention. In the thin film deposition method according to the present embodiment, as shown in FIGS. 6A and 6B, the process temperature is changed from the start to the end of thin film deposition.

예를 들어, 도 6a에 실선으로 표시한 바와 같이 공정을 시작할 때부터 점차로 공정 온도를 상승시켜 공정을 진행(가)하거나, 점선으로 표시한 바와 같이 공정을 시작할 때부터 점차로 공정 온도를 낮추면서 공정을 진행(나)할 수 있다. 또한, 도 6b에 실선으로 표시한 바와 같이 공정을 시작할 때 온도보다 나중의 온도를 계단식으로 증가시켜 진행(가)하거나, 점선으로 표시한 바와 같이 공정을 시작할 때 온도보다 나중의 온도를 계단식으로 낮추어 진행(나)할 수도 있다. For example, the process proceeds by gradually increasing the process temperature from the start of the process as indicated by the solid line in FIG. 6A, or gradually decreases the process temperature from the start of the process as indicated by the dotted line. You can proceed. In addition, as indicated by the solid line in FIG. 6B, the temperature may be stepped up later than the temperature at the start of the process, or the temperature may be lowered stepwise than the temperature at the start of the process as indicated by the dotted line. You may proceed.

본 발명에 따라 점차로 공정 온도를 상승시켜 진행하거나 계단식으로 온도를 상승시켜 진행하는 경우는 예컨대 다음과 같다. 공정 초기에 저온에서 진행하여 단차도포성이 우수한 박막을 얻는다. 그런 다음, 고온에서 진행하면 증착 속도가 빨라져 생산성을 높일 수 있다. According to the present invention, a case of gradually increasing the process temperature or proceeding by increasing the temperature stepwise is as follows. Proceeds at low temperature early in the process to obtain a thin film having excellent step coverage. Then, proceeding at high temperature may increase the deposition rate and increase productivity.

본 발명에 따라 점차로 공정 온도를 낮추면서 진행하거나 계단식으로 온도를 낮추어 진행하는 경우는 예컨대 다음과 같다. 처음에는 고온에서 진행하여 우수한 배리어(barrier) 역할 또는 부착성(adhesion)이 우수한 박막을 얻는다. 그런 다음, 저온에서 진행하여 박막의 열적 부담(thermal budget)을 줄인다.According to the present invention, a case of gradually progressing while lowering the process temperature or proceeding by lowering the temperature stepwise is as follows. Initially, it proceeds at high temperature to obtain a thin film having a good barrier role or excellent adhesion. Then proceed at lower temperatures to reduce the thermal budget of the thin film.

이렇게 본 발명에 따르면 원하는 공정을 따로 진행할 수 있는 것이 특징이다. 한편, 상기의 방법을 이용하여 박막을 형성하고 난 후, 연속으로 다른 온도에서 급속 열처리 공정이나 치밀화 처리 등을 더 진행할 수 있다. 물론, 이 급속 열처리나 치밀화는 공정 중간 중간에도 진행할 수 있다. 이렇듯 상이한 공정 온도는 박막 증착 공정 외에도 급속 열처리나 치밀화 공정에서도 사용할 수 있다. Thus, according to the present invention is characterized by being able to proceed separately to the desired process. On the other hand, after forming a thin film using the said method, a rapid heat processing process, a densification treatment, etc. can be further advanced at another temperature continuously. Of course, this rapid heat treatment or densification can proceed in the middle of the process. These different process temperatures can be used in rapid heat treatment or densification as well as thin film deposition processes.

제4 실시예Fourth embodiment

본 발명을 적용하면 TiAlN 또는 GST 박막과 같은 3원계 이상의 박막, 다시 말해 서로 다른 두 종류 이상의 소스를 번갈아 반복적으로 증착하여 박막을 형성하는 경우에도 소스의 특성에 맞게 온도를 변화시킬 수 있다. According to the present invention, even when a thin film is formed by repeatedly depositing three or more kinds of thin films such as TiAlN or GST thin films, that is, two or more different sources alternately, the temperature can be changed according to the characteristics of the source.

3원계 박막의 경우 소스의 개수가 늘어남에 따라 소스들간의 차이가 발생할 확률이 증가하게 된다. 특히 GST와 같은 박막의 경우 Ge은 휘발성이 높아서 쉽게 휘발되는 특성이 있고 Te의 경우 높은 온도를 유지해야 하기 때문에 각각 상이한 온도에서 공정을 진행할 경우 소스간 특성의 차이로 인한 문제는 해결할 수 있다. In the case of a ternary thin film, as the number of sources increases, the probability of generating a difference between the sources increases. In particular, in the case of a thin film such as GST, Ge has a high volatility and easily volatilizes. In the case of Te, it is necessary to maintain a high temperature. Thus, when the process is performed at different temperatures, the problem due to the difference between the sources can be solved.

이하에서는 TiAlN 박막을 형성하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 마찬가지의 방법을 적용하여 GST 박막도 형성할 수 있다. Hereinafter, a case of forming a TiAlN thin film will be described as an example, but a GST thin film can be formed by applying the same method.

TiAlN의 경우 금속 소스로 TiCl4와 TMA를 사용하며, 반응가스로는 NH3를 사용 할 수 있다. (즉, 제1 반응원으로써 제1 소스를, 제2 반응원으로써 제2 소스를, 그리고 제3 반응원으로써 반응가스를 이용하는 경우에 해당함.) 도 7은 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제4 실시예에서의 시간에 따른 가스별 피딩을 보여주는 그림이고, 도 8은 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. In the case of TiAlN, TiCl 4 and TMA are used as metal sources, and NH 3 may be used as a reaction gas. (Ie, when the first source is used as the first reaction source, the second source is used as the second reaction source, and the reaction gas is used as the third reaction source.) FIG. 7 is a view illustrating a thin film deposition method according to the present invention. FIG. 4 is a diagram illustrating feeding by gas according to time in FIG. 4, and FIG. 8 is a diagram illustrating a change in temperature (process) with time.

도 7을 참조하면, TiCl4 공급라인을 온(on)시켜 TiCl4를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t1). 그런 다음, NH3 공급라인을 온(on)시켜 NH3를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t3). TMA 공급라인을 온(on)시켜 TMA를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t5). 그런 다음, NH3 공급라인을 온(on)시켜 NH3를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t7). 이와 같은 각각의 원료 공급 단계 t1, t3, t5, t7 사이, 즉 t2, t4, t6, t8 동안에는 퍼지가 진행된다. 이렇게 하여 t1 내지 t8로 이루어지는 한 싸이클을 여러 번 반복하여 TiAlN 박막을 증착한다.Referring to FIG. 7, the TiCl 4 supply line is turned on to supply TiCl 4 and then off (t1). Then, the NH 3 supply line is turned on to supply NH 3 and then off (t3). The TMA supply line is turned on to supply the TMA and then off (t5). Then, the NH 3 supply line is turned on to supply NH 3 and then off (t7). A purge proceeds between each of these raw material supply steps t1, t3, t5, t7, that is, during t2, t4, t6, t8. In this way, one cycle consisting of t1 to t8 is repeated several times to deposit a TiAlN thin film.

이 때 TiCl4와 TMA는 서로 다른 특성을 가지고 있으며, 그로 인해 최적 상태의 공정 온도는 각각의 소스 특성에 맞는 상이한 온도에서 진행되어야 한다. 그러므로 소스들과 반응가스가 공급될 때의 온도는 모두 다르게 하여 공정이 진행되는 것이 바람직하다. At this time, TiCl 4 and TMA have different characteristics, so the optimum process temperature should be performed at different temperatures for each source characteristic. Therefore, it is preferable that the process proceeds with different temperatures when the sources and the reactant gas are supplied.

예를 들어, 도 8에 도시한 바와 같이, 이 때 TiCl4 공급 단계(t1)는 TiCl4 최적 분해 온도에서 진행하고, TiCl4 퍼지(t2) 단계 및 NH3 공급 단계(t3)는 온도를 올려 진행한다. 그런 다음, NH3 퍼지 단계(t4) 동안 온도를 낮춰, TMA 공급 단 계(t5)는 TMA 최적 분해 온도에서 진행하고, TMA 퍼지(t6) 단계 및 NH3 공급 단계(t7)는 온도를 올려 진행한다. 그런 다음, NH3 퍼지 단계(t8) 동안 온도를 낮춰, 다음 TiCl4 공급 단계(t1)를 TiCl4 최적 분해 온도에서 진행할 수 있도록 한다. 이렇게 소스들과 반응가스가 공급될 때의 온도는 모두 다르게 하여 공정을 진행시킨다. For example, as shown in FIG. 8, the TiCl 4 supply step (t1) proceeds at the TiCl 4 optimum decomposition temperature, and the TiCl 4 purge (t2) step and the NH 3 supply step (t3) raise the temperature. Proceed. Then, the temperature is lowered during the NH 3 purge step t4 so that the TMA feed step t5 proceeds at the TMA optimum decomposition temperature, and the TMA purge step t6 and NH 3 feed step t7 raise the temperature. do. The temperature is then lowered during the NH 3 purge step t8 to allow the next TiCl 4 feed step t1 to proceed at the TiCl 4 optimal decomposition temperature. In this way, the temperature is different when the sources and the reactant gas are supplied to proceed the process.

다른 예로써 4원계 박막인 HfSiON 박막을 형성하는 경우를 든다. HfSiON 박막을 형성하는 방법에는 여러 가지가 있으며 본 발명에서는 한 가지 예로 ALD 방법으로 HfSiOx 박막을 형성한 후, 이 박막에 연속하는 공정으로 급속 열처리 방법으로 형성하는 HfSiON 형성 방법을 설명하겠다.As another example, an HfSiON thin film which is a quaternary thin film is formed. There are various methods of forming an HfSiON thin film. In the present invention, an HfSiON forming method of forming an HfSiOx thin film by an ALD method and then forming a continuous HfSiOx film by a rapid heat treatment method will be described.

Hf과 Si 소스로는 TEMAHf과 TEMASi을 사용할 수 있으며 각 소스들을 동시에 공급하는 단계(co-injection)와 일정 시간 퍼지하는 단계 그리고 O 반응가스로써 O3(ozone)을 공급하는 단계와 O 반응가스를 퍼지하는 단계를 거쳐 HfSiOx를 형성한다. 이렇게 전형적인 ALD 방법에 따라 상기의 단계를 반복함으로써 소정의 두께를 가지는 HfSiOx를 형성한다. 이 때에도 앞서 언급한 바와 같이 각 공정 단계 별로 상이한 공정 온도로 진행할 수 있다. HfSiOx 박막을 증착한 후에는 NH3 를 공급하면서 급속 열처리 공정을 진행하여 HfSiON을 최종적으로 형성한다. 이 때에도 앞서 진행한 HfSiOx 증착 온도와 달리 급속 열처리를 하는 시간 동안 상이한 공정 온도를 유지하면서 진행할 수 있다. TEMAHf and TEMASi can be used as the Hf and Si sources, co-injection of each source at the same time, purging for a certain time, supplying O 3 (ozone) as the O reactant gas and O reactant gas. The purge step forms HfSiOx. HfSiOx having a predetermined thickness is formed by repeating the above steps according to the typical ALD method. In this case, as described above, the process temperature may be different for each process step. After depositing the HfSiOx thin film, a rapid heat treatment process is performed while supplying NH 3 to finally form HfSiON. In this case, unlike the HfSiOx deposition temperature previously proceeded, it can proceed while maintaining a different process temperature during the rapid heat treatment time.

또한 또 다른 예를 들자면, HfO2 박막을 형성하고 연속해서 NH3를 이용한 급속 열처리를 이용하여 질화 처리를 할 수 있다. 이것은 또 다른 특징으로 ALD 방법으로 증착된 박막에 연속해서 RTA(Rapid Thermal Annealing) 혹은 RTN(Rapid Thermal Nitridation) 등 급속 열처리 방법을 진행함으로써 박막 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.As another example, the HfO 2 thin film may be formed and subsequently subjected to nitriding treatment using rapid heat treatment using NH 3 . This is another feature that the thin film deposited by the ALD method can be improved by the rapid heat treatment method such as Rapid Thermal Annealing (RTA) or Rapid Thermal Nitridation (RTN).

한편, 비록 본 실시예에서 TiAlN 박막과 HfSiON 박막을 예로 들어 설명하였으나, 소스의 종류를 달리 하여 다른 3원계 박막 혹은 4원계 혹은 그 이상 성분계의 박막을 증착하는 것과 추가되는 급속 열처리 공정이나 치밀화 공정을 진행하는 데에도 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.Meanwhile, although the TiAlN thin film and the HfSiON thin film have been described as an example in the present embodiment, a rapid heat treatment process or a densification process, in addition to depositing another ternary thin film or a ternary thin film or more component thin films by different types of sources, is performed. It will be appreciated that it can also be used to proceed.

이상 설명한 제1 내지 제4 실시예는 하나의 공정 측면에서 온도 변화를 일으키는 것이다. 요약하면, 2원계 또는 3원계(또는 4원계) 박막 등 박막에 상관없이 각 소스나 반응가스에 따라 공정 단계별로 상이한 온도에서 진행하는 것이다. 그리고, 2원계 또는 3원계(또는 4원계) 박막 등 박막에 상관없이 처음에 진행하는 온도와 나중 온도를 달리하여 진행하는 것이다. 또한, 상기의 방법을 이용하여 박막을 형성하고 연속으로 다른 온도에서 급속 열처리 공정이나 치밀화 처리 등을 진행하는 것을 특징으로 하며, 이 급속 열처리나 치밀화는 공정 중간 중간에도 진행할 수 있다. The first to fourth embodiments described above cause a temperature change in one process aspect. In summary, irrespective of thin films such as binary or ternary (or quaternary) thin films, the process proceeds at different temperatures according to process steps depending on each source or reaction gas. In addition, regardless of a thin film such as a binary or ternary (or quaternary) thin film, the process proceeds by differentiating the initial temperature and the later temperature. In addition, a thin film is formed by using the above-described method, and the rapid heat treatment process or densification treatment is continuously performed at different temperatures, and the rapid heat treatment or densification can be performed even in the middle of the process.

이하에서는 두 가지 이상의 박막을 가지고 연속해서 진행하거나 또는 두 박막을 반복적으로 하여 적층(laminate) 박막을 형성하는 데 있어서 각각의 박막을 형성하는 동안에 진행하는 공정의 각 단계별로 다른 온도에서 진행하는 것을 설명한다. In the following description, the process proceeds at different temperatures for each step of the process proceeding during the formation of each thin film in successively proceeding with two or more thin films or forming the laminated thin film by repeating the two thin films. do.

제5 실시예Fifth Embodiment

본 발명을 적용하면 다른 두 종류 이상의 박막을 이용하여 복합막을 형성하는 경우에도 적용할 수 있다. 특히 두 종류 이상의 박막을 번갈아 가며 형성하는 복합막일 때에도 효과적으로 적용할 수 있다. 본 실시예에서는 Al2O3/HfO2 박막을 번갈아 진행하여 복합막을 형성하는 경우를 예로 든다.If the present invention is applied, it can be applied to the case of forming a composite film using two or more kinds of thin films. In particular, it can be effectively applied to a composite film formed by alternating two or more kinds of thin films. In this embodiment, an example in which a composite film is formed by alternately advancing an Al 2 O 3 / HfO 2 thin film is given.

도 9는 본 발명에 따른 박막 증착 방법의 제5 실시예에서의 시간에 따른 가스별 피딩을 보여주는 그림이고, 도 10은 시간에 따른 (공정) 온도 변화를 보여주는 그림이다. FIG. 9 is a diagram showing feeding by gas according to time in the fifth embodiment of the thin film deposition method according to the present invention, and FIG. 10 is a diagram showing a (process) temperature change with time.

도 9 및 도 10을 참조하면, 제1 온도에서 챔버로 제1 소스인 Al 소스를 공급(s1)한 다음, 온도를 올리면서 Al 소스를 퍼지한다(s2). 그런 다음, 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 반응가스, 예컨대 O 소스를 공급(s3)하여 Al2O3막을 얇게 형성한다. 그리고 나서, 온도를 낮추면서 반응가스를 퍼지 단계(s4)를 더 수행한다. 이렇게 하여 단계 s1 내지 s4로 이루어지는 서브 싸이클 a를 수회 반복하여 원하는 두께의 Al2O3막을 형성한다. 9 and 10, an Al source, which is a first source, is supplied to the chamber at a first temperature (s1), and then the Al source is purged while raising the temperature (s2). Then, at a second temperature higher than the first temperature, a reaction gas, for example, an O source is supplied (s3) to form a thin Al 2 O 3 film. Then, purge the reaction gas (s4) while lowering the temperature. In this way, the subcycle a consisting of steps s1 to s4 is repeated several times to form an Al 2 O 3 film having a desired thickness.

다음, 제1 온도보다 더 낮은 제3 온도에서 챔버로 제2 소스인 Hf 소스를 공급(s5)한 다음, 온도를 올리면서 Hf 소스를 퍼지한다(s6). 그런 다음, 제3 온도보다 높은 제4 온도에서 반응가스, 예컨대 O 소스를 공급(s7)하여 HfO2막을 얇게 형성 한다. 그리고 나서, 온도를 낮추면서 반응가스를 퍼지 단계(s8)를 더 수행한다. 이렇게 하여 단계 s5 내지 s8로 이루어지는 서브 싸이클 b를 수회 반복하여 원하는 두께의 HfO2막을 형성한다.Next, the Hf source, which is the second source, is supplied to the chamber at a third temperature lower than the first temperature (s5), and then the Hf source is purged while raising the temperature (s6). Then, at a fourth temperature higher than the third temperature, a reaction gas, such as an O source, is supplied (s7) to form a thin HfO 2 film. Then, purge the reaction gas (s8) while lowering the temperature. In this way, the subcycle b consisting of the steps s5 to s8 is repeated several times to form an HfO 2 film having a desired thickness.

이렇게 서브 싸이클 a 및 b를 또 번갈아 수행하면, 원하는 두께의 Al2O3/HfO2 적층 구조를 형성할 수 있다. 이와 같이, 각각의 Al2O3 증착 공정(단계 s1 내지 s4), HfO2 증착 공정(단계 s5 내지 s8) 내부를 들여다보면, 온도에 제약이 있는 소스를 공급할 경우에는 낮은 온도에서 소스를 공급하고 반응가스 공급시 및 퍼지시에는 이보다 높은 온도에서 진행한다. 그리고, Al2O3막은 고온에서, HfO2막은 이보다 저온에서 증착을 한다. When the sub cycles a and b are alternately performed as described above, an Al 2 O 3 / HfO 2 laminate structure having a desired thickness can be formed. As such, when looking into each of the Al 2 O 3 deposition processes (steps s1 to s4) and the HfO 2 deposition processes (steps s5 to s8), the source is supplied at a low temperature when supplying a temperature-limited source. The reaction gas is supplied and purged at a higher temperature. The Al 2 O 3 film is deposited at a high temperature, and the HfO 2 film is deposited at a lower temperature.

본 발명은 이렇게 순간적인 온도 변화가 가능한 급속 열처리 방식을 이용하여 소스의 특성에 맞는 ALD 공정을 진행함으로써, 두 개 이상의 소스를 사용하며 또한 소스의 분해 온도가 차이나는 경우도 하나의 프로세스 모듈(PM)에서 진행할 수 있는 장점을 가진다. According to the present invention, the ALD process is performed in accordance with the characteristics of the source by using a rapid heat treatment method capable of instantaneous temperature change, so that two or more sources are used, and even if the decomposition temperature of the source is different, one process module (PM ) Has the advantage to proceed.

한편, 본 실시예에서는 Al2O3/HfO2 박막을 번갈아 진행하여 복합막을 형성하며, 각 박막을 원자층 증착으로 형성하는 경우를 예로 들었으나, 두 종류 이상의 박막을 번갈아 증착할 때에 박막 중 적어도 어느 하나의 박막은 원자층 증착에 의해 형성하고 나머지 박막은 화학 기상 증착 방법에 의해 형성할 수도 있다.Meanwhile, in the present embodiment, the Al 2 O 3 / HfO 2 thin films are alternately formed to form a composite film, and each thin film is formed by atomic layer deposition. For example, at least two thin films are alternately deposited. One thin film may be formed by atomic layer deposition and the other thin film may be formed by chemical vapor deposition.

이상, 본 발명의 상세한 설명을 하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않 은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Although the detailed description of the present invention has been made, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. The invention is only defined by the scope of the claims.

본 발명에 따르면 공정 중에 공정 온도를 변화시켜 가며 진행한다.According to the present invention, the process temperature is changed during the process.

따라서, 소스의 특성상 공정 온도에 제약이 있어도 우수한 박막을 형성할 수 있으며, 특히 3원계 이상의 원소를 갖는 박막을 형성할 경우에도 소스의 특성에 맞게 공정을 진행할 수 있다. 그리고, Al2O3와 HfO2를 적층하여 Al2O3/HfO2 적층의 복합막을 형성하는 경우와 같이, 두 개 이상의 박막을 사용하는 경우 각 박막의 증착 온도가 차이가 나는 경우라도 하나의 프로세스 모듈(PM)에서 진행할 수 있게 된다. Therefore, an excellent thin film can be formed even if the process temperature is limited due to the characteristics of the source. In particular, even when a thin film having elements of three or more elements is formed, the process can be performed according to the characteristics of the source. In addition, when two or more thin films are used, such as when a composite film of Al 2 O 3 / HfO 2 is formed by stacking Al 2 O 3 and HfO 2 , even if the deposition temperature of each thin film is different, It is possible to proceed in the process module PM.

또한, 온도가 낮아야 하는 소스 공급시에는 공정 온도를 낮추어 진행하고, 반응가스 공급 및 퍼지와 같은 단계에서는 공정 온도를 높여 진행하므로 소스를 기준으로 최대 온도를 제한하는 종래에 비하여 반응가스를 충분히 활성화시킬 수 있다. In addition, when supplying a source that must be low temperature proceeds by lowering the process temperature, and in a step such as supplying and purging the reaction gas proceeds to increase the process temperature to sufficiently activate the reaction gas compared to the conventional limit to the maximum temperature based on the source Can be.

Claims (15)

하나 이상의 반응원을 공급하는 단계와 퍼지하는 단계를 포함하여 박막을 증착하는 원자층 증착(ALD) 방법에 있어서,In the atomic layer deposition (ALD) method of depositing a thin film comprising supplying and purging at least one reaction source, 상기 각 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행하고,Each said step is carried out at two or more different process temperatures, 상기 박막을 증착하기 전에 상기 박막을 증착하는 챔버 내에서 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 전처리 단계를 더 실시하고 상기 전처리 단계에 연속하여 상기 박막을 증착하거나, 상기 박막을 증착하고 난 후 상기 챔버 내에서 연속으로 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 급속 열처리 공정 또는 치밀화(densification) 처리를 더 진행하거나, 상기 박막을 증착하는 중간에 상기 챔버 내에서 적어도 1회 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 급속 열처리 공정 또는 치밀화 처리를 더 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.Prior to depositing the thin film, the pretreatment step is further performed at a temperature different from the process temperature in the chamber in which the thin film is deposited, and the thin film is continuously deposited in the pretreatment step, or after the thin film is deposited in the chamber. A rapid heat treatment process or a densification process is further performed at a temperature different from the process temperature continuously in the process, or a rapid heat treatment process at a temperature different from the process temperature at least once in the chamber during the deposition of the thin film. Or further densifying the thin film deposition method. 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계를 포함하여 박막을 증착하는 박막 증착 방법으로서,A thin film deposition method for depositing a thin film comprising supplying a first reaction source, purging the first reaction source, supplying a second reaction source, and purging the second reaction source, 상기 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 상기 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행하고,Supplying the first reactant, purging the first reactant, supplying the second reactant and purging the second reactant are performed at two or more different process temperatures, 상기 박막을 증착하기 전에 상기 박막을 증착하는 챔버 내에서 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 전처리 단계를 더 실시하고 상기 전처리 단계에 연속하여 상기 박막을 증착하거나, 상기 박막을 증착하고 난 후 상기 챔버 내에서 연속으로 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 급속 열처리 공정 또는 치밀화(densification) 처리를 더 진행하거나, 상기 박막을 증착하는 중간에 상기 챔버 내에서 적어도 1회 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 급속 열처리 공정 또는 치밀화 처리를 더 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. Prior to depositing the thin film, the pretreatment step is further performed at a temperature different from the process temperature in the chamber in which the thin film is deposited, and the thin film is continuously deposited in the pretreatment step, or after the thin film is deposited in the chamber. A rapid heat treatment process or a densification process is further performed at a temperature different from the process temperature continuously in the process, or a rapid heat treatment process at a temperature different from the process temperature at least once in the chamber during the deposition of the thin film. Or further densifying the thin film deposition method. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 제3 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제3 반응원을 퍼지하는 단계를 더 포함하고, Supplying a third reaction source and purging the third reaction source, 상기 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 제2 반응원을 공급하는 단계, 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계, 상기 제3 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제3 반응원을 퍼지하는 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에 서 수행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법. Supplying the first reaction source, purging the first reaction source, supplying a second reaction source, purging the second reaction source, supplying the third reaction source and the Purging the third reaction source is performed at two or more different process temperatures. 삭제delete 원자층 증착(ALD) 방법에 있어서,In atomic layer deposition (ALD) method, 박막 증착 초기의 공정 온도보다 증착 후기의 공정 온도를 점차적으로 또는 계단식으로 높이거나, 상기 박막 증착 초기의 공정 온도보다 증착 후기의 공정 온도를 점차적으로 또는 계단식으로 낮추어,Gradually or stepwise increase the process temperature at the end of deposition than the process temperature at the beginning of thin film deposition, or gradually or stepwise lower the process temperature at the end of deposition than the process temperature at the beginning of thin film deposition, 상기 박막 증착 개시부터 종료시까지의 공정 중간에 공정 온도 변화를 주는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.Thin film deposition method characterized in that the process temperature change in the middle of the process from the start to finish the thin film deposition. 제5항에 있어서, 상기 박막 증착을 위해 둘 이상의 반응원을 공급하는 단계와 퍼지하는 단계를 포함하는 박막 증착 방법.The method of claim 5, comprising supplying and purging at least two reaction sources for the thin film deposition. 서로 다른 두 종류 이상의 박막을 적층하여 복합막을 형성하는 박막 증착 방법에 있어서,In the thin film deposition method of forming a composite film by stacking two or more different types of thin films, 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계를 포함하는 싸이클을 수회 반복하여 제1 박막을 증착하되, The first thin film is deposited by repeating a cycle including supplying a first reaction source, purging the first reaction source, supplying a second reaction source, and purging the second reaction source. But 상기 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 상기 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 반응원을 퍼지하는 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행하고,Supplying the first reactant, purging the first reactant, supplying the second reactant and purging the second reactant are performed at two or more different process temperatures, 상기 제1 박막과는 다른 제2 박막을 상기 제1 박막 상에 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.And depositing a second thin film different from the first thin film on the first thin film. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 제2 박막 증착은 상기 제2 박막 증착을 위한 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제2 박막 증착을 위한 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 상기 제2 박막 증착을 위한 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 박막 증착을 위한 제2 반응원을 퍼지하는 단계를 포함하는 서브 싸이클을 수회 반복하여 제2 박막을 증착하되, The second thin film deposition may include supplying a first reaction source for depositing the second thin film, purging the first reaction source for depositing the second thin film, and supplying a second reaction source for depositing the second thin film. Depositing a second thin film by repeating a sub cycle including supplying and purging a second reaction source for depositing the second thin film, 상기 제2 박막 증착을 위한 제1 반응원을 공급하는 단계, 상기 제2 박막 증착을 위한 제1 반응원을 퍼지하는 단계, 상기 제2 박막 증착을 위한 제2 반응원을 공급하는 단계 및 상기 제2 박막 증착을 위한 제2 반응원을 퍼지하는 단계는 둘 이상의 상이한 공정 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.Supplying a first reaction source for the second thin film deposition, purging the first reaction source for the second thin film deposition, supplying a second reaction source for the second thin film deposition and the second 2 Purging the second reaction source for thin film deposition is carried out at two or more different process temperatures. 제7항에 있어서, 상기 제2 박막은 화학 기상 증착(CVD) 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.8. The method of claim 7, wherein the second thin film is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method. 삭제delete 제5항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 박막을 증착하기 전에 상기 박막을 증착하는 챔버 내에서 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 전처리 단계를 더 실시하고 상기 전처리 단계에 연속하여 상기 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.10. The method according to any one of claims 5 to 9, further comprising performing a pretreatment step at a temperature different from the process temperature in the chamber in which the thin film is deposited before depositing the thin film and continuing the pretreatment step. A thin film deposition method comprising depositing a thin film. 제5항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 박막을 증착하고 난 후 상기 박막을 증착한 챔버 내에서 연속으로 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 급속 열처리 공정 또는 치밀화(densification) 처리를 더 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.The method according to any one of claims 5 to 9, wherein after the deposition of the thin film, a rapid heat treatment process or a densification treatment is continuously performed at a temperature different from the process temperature in the chamber in which the thin film is deposited. Thin film deposition method characterized by further proceeding. 제5항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 박막을 증착하는 중간에 상기 박막을 증착하는 챔버 내에서 적어도 1회 상기 공정 온도와는 다른 온도에서 급속 열처리 공정 또는 치밀화 처리를 더 진행하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.10. The method according to any one of claims 5 to 9, wherein the rapid heat treatment process or densification treatment is further performed at a temperature different from the process temperature at least once in the chamber in which the thin film is deposited in the middle of depositing the thin film. Thin film deposition method characterized in that. 제12항에 있어서, 상기 박막 증착은 급속 열처리(Rapid Thermal Process) 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.The thin film deposition method of claim 12, wherein the thin film deposition is performed using a rapid thermal process apparatus. 제13항에 있어서, 상기 박막 증착은 급속 열처리 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.The method of claim 13, wherein the thin film deposition is performed using a rapid heat treatment apparatus.
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