KR101513541B1 - 금속 질화막 형성 방법 및 이의 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 질화막 형성 방법 및 이의 제조 장치에 관한 것으로, 반응 공간을 갖는 증착 장치 내측에 기판을 안치시키는 단계 및 금속 원료물질과 플라즈마화된 질소 함유 가스를 이용하여 상기 기판 상에 금속 질화막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 금속 질화막을 형성하는 단계는, 상기 반응 공간에 금속 원료물질을 공급하는 단계와, 상기 원료물질의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 1 퍼지 가스를 공급하여 상기 금속 원료물질을 퍼지하는 단계와, 상기 퍼지 가스의 공급을 차단하고 상기 반응 공간에 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급하는 단계 및 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 2 퍼지 가스를 공급하여 상기 질소 함유 가스를 퍼지하는 단계를 포함하는 금속 질화막 형성 방법 및 이의 제조 장치를 제공한다.
이를 통해 본 발명은 저온(300도 이하)에서 낮은 비저항을 갖고 스텝 커버리지 특성이 우수한 금속 질화막을 형성할 수 있다.
금속 질화물, 전구체, 저온, 비저항, 질소, 리모트 플라즈마
Description
본 발명은 금속 질화막 형성 방법 및 이의 제조 장치에 관한 것으로, 저온에서 증착이 가능하고, 낮은 비저항과 우수한 스템 커버리지를 갖는 금속 질화막 형성 방법 및 이의 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 금속 질화막은 고집적화된 반도체 소자의 금속 전극 또는 금속 배선의 배리어 금속층으로 사용된다. 즉, 예를 들어 고유전율(High-K) 물질의 상부 및/또는 하부에 위치한다.
종래의 금속 전극으로 사용되는 금속 질화막으로는 TiN, TaN, WN과 같은 물질이 사용된다. 이러한 금속 질화막은 화학 기상 증착법(Chemical Vaper Deposition; CVD)을 이용하여 제작되었다. 이중 TiN의 경우, 소스 물질(즉, 전구체)로 TiCl4를 사용하였고, 반응 가스로 NH3를 사용하였다.
이러한, 종래의 금속 질화막 제조 방법은 공정 온도가 400도 이상의 고온에서 수행되었다. 따라서, 하부 구조물이 금속 질화막 형성시의 온도(400도 이상)에 의해 열적 손상을 받는 문제가 발생하였다.
이뿐만 아니라, 소자의 선폭이 40nm 급 이하로 좁아짐으로 인해 종래의 금속 질화막 제조 방법으로는 금속 질화막의 비저항이 높아지고 스텝 커버리지가 나쁜 단점이 있다. 또한, 반응 가스로 NH3를 사용할 경우, 반응시 발생한 H2에 의해 고유전율 물질 특성을 변화시키는 문제가 발생하였다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 소스 물질로 유기 전구체를 사용하고, 반응 가스를 리모트 플라즈마 장치를 통해 플라즈마화 시켜 챔버에 제공하여 저온에서 낮은 비저항을 갖고 우수한 스텝 커버리지 특성을 갖는 금속 질화막 형성 방법 및 이의 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 반응 공간을 갖는 증착 장치 내측에 기판을 안치시키는 단계 및 금속 원료물질과 플라즈마화된 질소 함유 가스를 이용하여 상기 기판 상에 금속 질화막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 금속 질화막을 형성하는 단계는, 상기 반응 공간에 금속 원료물질을 공급하는 단계; 상기 원료물질의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 1 퍼지 가스를 공급하여 상기 금속 원료물질을 퍼지하는 단계; 상기 퍼지 가스의 공급을 차단하고 상기 반응 공간에 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급하는 단계; 및 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 2 퍼지 가스를 공급하여 상기 질소 함유 가스를 퍼지하는 단계를 포함하는 금속 질화막 형성 방법을 제공한다.
상기 금속 원료물질 공급 단계, 상기 금속 원료물질 퍼지 단계, 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스 공급 단계 및 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스 퍼지 단계를 일 사이클로 하고, 상기 사이클을 복수번 반복 진행하는 것이 바람직하다.
상기 증착 장치 내에 복수의 기판이 안치되고, 상기 반응 공간에 금속 원료물질을 공급하는 단계는, 상기 금속 원료물질과 제 3 퍼지 가스를 동시에 반응 공간에 공급하되, 상기 금속 원료 물질이 복수의 기판 각각을 쓸듯이 지나가고, 연속하여 상기 제 3 퍼지 가스가 복수의 기판 각각을 쓸듯이 지나가는 것이 효과적이다.
또한, 본 발명에 따른 반응 공간을 갖는 증착 장치 내측에 기판을 안치시키는 단계 및 금속 원료물질과 플라즈마화된 질소 함유 가스를 이용하여 상기 기판 상에 금속 질화막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 금속 질화막을 형성하는 단계는, 상기 반응 공간에 금속 원료물질과 제 1 퍼지 가스를 동시에 공급하는 단계; 상기 원료물질과 상기 퍼지 가스의 공급을 차단하고 상기 반응 공간에 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급하는 단계; 및 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 2 퍼지 가스를 공급하여 상기 질소 함유 가스를 퍼지하는 단계를 포함하는 금속 질화막 형성 방법을 제공한다.
상기 금속 원료물질과 상기 제 1 퍼지 가스를 공급하는 단계, 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스 공급 단계 및 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스 퍼지 단계를 일 사이클로 하고, 상기 사이클을 복수번 반복 진행하는 것이 바람직하다.
상기 금속 원료 물질이 복수의 기판 각각을 쓸듯이 지나가고, 연속하여 상기 제 1 퍼지 가스가 복수의 기판 각각을 쓸듯이 지나가는 것이 효과적이다.
상기 금속 원료물질로 유기 금속 전구체를 사용하고, 상기 질소 함유 가스로 N2를 사용하며, 상기 N2를 리모트 플라즈마화시켜 제공하는 것이 바람직하다.
상기 반응 공간에 제 2 퍼지 가스를 공급하여 상기 질소 함유 가스를 퍼지하는 단계의 동작 시간을 기준시간으로 할 경우, 상기 반응 공간에 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급하는 단계의 동작 시간이 상기 기준 시간보다 1.1 내지 3배 긴 것이 바람직하다.
상기 반응 공간에 상기 금속 원료물질을 공급하는 단계의 동작 시간은 상기 기준 시간의 0.5 내지 1배인 것이 가능하다.
200도 내지 300도의 공정 온도에서 상기 금속 질화막이 형성되고, 상기 금속 질화막은 400 내지 650μΩ-㎝의 저항을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 반응 공간을 갖는 챔버와, 상기 반응 공간내에 기판을 안치하는 기판 안치부와, 상기 금속 원료물질과 퍼지 가스를 반응 공간에 분사하는 인젝터부 및 상기 반응 공간에 플라즈마화된 질소 함유 가스를 제공하는 질소 가스 공급부를 포함하는 금속 질화막 제조 장치를 제공한다.
상기 인젝터부는 상기 금속 원료물질을 분사하는 원료물질 분사부와 상기 퍼지 가스를 분사하는 퍼지 가스 분사부 그리고, 상기 원료물질 분사부와 상기 퍼지 가스 분사부를 회전시키는 회전축을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 질소 가스 공급부는 상기 챔버의 측면을 통해 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스를 제공하거나, 상기 챔버의 상부벽을 통해 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 질소 가스 공급부는 질소 함유 가스를 제공 받는 리모트 플라즈마 발생 수단을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명은 리모트 플라즈마 수단을 이용하여 플라즈마화된 질소 함유 가스를 반응 공간에 제공하여 금속 질화막을 저온 공정을 통해 제조할 수 있고, 낮은 비저항을 갖는 금속 질화막을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속 원료물질과 플라즈마화된 질소 함유 가스를 순차적으로 기판에 제공하여 스텝 커버리지 특성이 우수한 금속 질화막을 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 단면도이고, 도 2는 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 평면 개념도이다. 도 3은 제 1 실시예에 따른 질소 가스 공급부의 단면 개념도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치는 반응 공간을 갖는 챔버(100)와, 상기 반응 공간내에 기판(10)을 안치하는 기판 안치 부(200)와, 상기 기판(10)에 금속 전구체(즉, 금속 원료물질)와 퍼지 가스를 각기 다른 경로로 각기 분사하는 인젝터부(300)와, 상기 기판(10)에 플라즈마화된 질소가스를 제공하는 질소 가스 공급부(400)를 포함한다.
챔버(100)는 하부 챔버 몸체(120)와 하부 챔버 몸체(120)를 덮는 챔버 리드(110)를 구비한다. 하부 챔버 몸체(120)는 상측이 개방된 통 형상으로 제작된다. 그리고, 챔버 리드(110)는 상기 통을 덮는 대략 판 형상으로 제작된다. 하부 챔버 몸체(120)와 챔버 리드(110)는 탈착 가능하게 결합된다. 그리고, 도시되지 않았지만, 하부 챔버 몸체(120)의 일측에는 기판(10)이 출입하는 출입구가 마련된다. 여기서, 출입구는 별도의 이송 챔버에 접속될 수도 있다.
그리고, 도시되지 않았지만, 챔버(100) 내부의 압력을 조절하는 압력 조절 수단과, 챔버(100) 내부의 불순물 및 반응 부산물을 배기하는 배기부를 더 구비할 수도 있다. 물론 반응성 향상을 위해 챔버(100) 내부를 가열하기 위한 가열 수단을 더 구비할 수도 있다. 본 실시예의 금속 질화막 증착 장치는 저온(약 300도 이하)에서 공정이 수행됨으로 인해 챔버(100)를 냉각하기 위한 별도의 냉각 수단을 더 구비할 수도 있다.
기판 안치부(200)는 기판(10)을 안치하는 기판 안치판(210)과, 상기 기판 안치판(210)을 승강시키는 안치판 구동부(230)와, 안치판 구동부(230)와 기판 안치판(210)간을 연결하는 연결축(220)을 구비한다. 도시되지 않았지만, 기판(10)의 로딩 및 언로딩을 위한 복수의 리프트 핀부를 더 구비할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 기판(10)으로 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 물론 이에 한정되지 않고, 금속 질화물 박막 형성을 위한 다양한 형태의 기판이 사용될 수 있다. 상기 기판 안치판(210)은 적어도 하나의 기판(10)을 안치하는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같이 기판 안치판(210)에는 5개의 기판(10)이 안치된다. 이를 통해 한번의 금속 질화물 박막 증착 공정을 수행하여 5개의 기판(10) 상에 금속 질화물 박막을 증착할 수 있다. 이때, 기판 안치판(210)에 안치되는 기판(10)의 개수는 이에 한정되지 않고, 이보다 많거나 적을 수 있다. 상기 기판(10)은 그 상부에 소정의 패턴 또는 물질막이 형성될 수 있다.
여기서, 기판 안치판(210)은 기판(10)을 가열 및 냉각하는 온도 조절 수단을 구비할 수도 있다.
기판 안치판(210)은 안치판 구동부(230)에 의해 승하강한다. 이를 통해 기판(10)의 공정 위치를 설정할 수 있고, 기판(10)의 로딩 및 언로딩을 용이하게 수행할 수도 있다. 이때, 안치판 구동부(230)로 모터를 구비하는 스테이지를 사용할 수 있다. 그리고, 안치판 구동부(230)는 챔버(100)의 외측에 마련되는 것이 효과적이다. 이를 통해 안치판 구동부(230)의 움직임에 의한 파티클 발생을 방지할 수 있다.
여기서, 연결축(220)에 의해 안치판 구동부(230)의 구동력이 기판 안치판(210)에 전달된다. 연결축(220)은 챔버(100)의 바닥면을 관통하여 기판 안치판(210)에 접속된다. 이때, 연결축(220)이 관통하는 챔버(100)의 관통홀 영역에는 챔버(100)의 밀봉을 위한 벨로우즈(미도시)가 마련되는 것이 효과적이다.
인젝터부(300)는 기판 안치판(210) 상의 기판(10)에 금속 원료 물질과 퍼지 가스를 분사한다.
이러한 인젝터부(300)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 금속 원료물질을 분사하는 원료물질 분사부(310)와, 퍼지 가스를 분사하는 퍼지 가스 분사부(320)와, 상기 원료물질 분사부(310)와 퍼지 가스 분사부(320)를 회전시키는 회전축(330)과, 상기 회전축(330)을 지지하고, 밀봉하는 하우징(340)과, 원료 물질 분사부(310)에 금속 원료물질을 공급하는 원료물질 공급부(350)와, 퍼지 가스를 퍼지 가스 분사부(320)에 공급하는 퍼지가스 공급부(360)를 포함한다.
본 실시예의 원료물질 분사부(310)와 퍼지 가스 분사부(320)는 회전축(330)에 의해 기판 안치판(210) 상의 기판(10) 전체 상부에서 회전한다. 물론 원료물질 분사판(310)과 퍼지 가스 분사판(320)의 회전 반경은 동일하고, 이들의 회전 반경 내에 상기 기판(10)이 안치된다. 이를 통해 원료물질 분사부(310)와 퍼지 가스 분사부(320)가 각기 금속 원료 물질과 퍼지 가스를 분사하면서 회전하게 되는 경우, 기판(10)에 금속 원료물질이 흡착되고 연속하여 흡착되지 않은 금속 원료물질이 퍼지될 수 있다. 이를 통해 기판(10) 상부를 금속 원료물질이 쓸듯이(즉, 스처가듯) 지나가고, 연속하여 퍼지 가스가 기판(10) 상부를 쓸듯이 지나간다.
본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 원료물질 분사부(310)와 각기 직교하는 3개의 퍼지 가스 분사부(320)를 구비할 수 있다. 이때, 원료물질 분사부(310)와 퍼지 가스 분사부(320)가 '+'자 형태로 배열 될 수 있다. 이와 같이 원료물질 분사부(310)의 개수보다 퍼지 가스 분사부(320)의 개수를 더 많게 하여 퍼지 단계의 시간을 줄일 수 있다. 즉, 리모트 플라즈마화 되어 제공되는 반응 가 스의 퍼지 시간을 줄일 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 퍼지 가스 분사부(320)의 개수는 3개에 한정되지 않고, 이보다 적거나 많을 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 퍼지 가스 분사부(320)가 회전하기 때문에 균일한 퍼지를 위해서는 퍼지 가스 분사부(320)간이 이루는 각이 서로 동일할 수도 있다. 즉, 도 2에서는 퍼지 가스 분사부(320) 간이 이루는 각도가 90도 및 180도 였다. 이는 180도를 이루는 퍼지 가스 분사부(320) 사이에 금속 원료물질을 분사하는 원료물질 분사부(310)가 배치되기 때문이다. 그러나 이에 한정되지 않고, 앞서 언급한 바와 같이 퍼지 가스 분사부(320) 간의 각도를 각기 120도로 하여 퍼지 가스 분사부(320) 간이 이루는 각도를 서로 동일하게 한다. 이를 통해 기판(10)에 퍼지 가스가 균일한 간격으로 제공될 수 있다.
회전축(330)은 챔버 리드(110)를 관통하여 하우징(340)에 고정된다. 그리고, 회전축(330)은 별도의 회전 수단에 의해 회전한다. 이러한 회전축(330)에는 금속 원료물질이 이동하는 원료물질 공급 유로와, 퍼지 가스가 이동하는 퍼지 가스 공급 유로가 마련된다. 이를 통해 회전축(330)의 끝단 영역에 마련된 원료물질 분사부(310)와 퍼지 가스 분사부(320)에 각기 금속 원료물질과 퍼지 가스를 제공할 수 있다.
하우징(340)은 회전축(330)을 지지 고정한다. 하우징(340)의 외측에는 원료물질 공급부(350)와 퍼지 가스 공급부(360)가 마련된다. 원료물질 공급부(350)와 퍼지 가스 공급부(360)는 하우징(340)을 통해 회전축(330) 내측의 원료 공급 유로와 퍼지 가스 공급 유로에 각기 금속 원료물질과 퍼지 가스를 공급한다.
그리고, 상기 하우징(340)과 회전축(330) 사이의 밀봉과 회전 지지를 위해 마그네틱 실(370)이 마련된다. 또한, 회전 지지를 위해 하우징(340)과 회전축(330) 사이에 베어링이 마련될 수도 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 금속 원료물질을 하우징(340)과 회전축(330) 내의 원료물질 공급 유로를 통해 원료물질 분사부(310)에 제공한다. 그리고, 퍼지가스를 하우징(340)과 회전축(330) 내의 퍼지 가스 공급 유로를 통해 퍼지 가스 분사부(320)에 제공한다.
본 실시예에서는 질소 가스 공급부(400)를 통해 플라즈마화된 질소 함유 가스를 상기 반응 공간(즉, 기판(10))에 제공한다. 질소 가스 공급부(400)로 리모트 플라즈마 발생 수단을 사용하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 질소 가스 공급부(400)는 챔버(100)의 측벽 영역에 마련된다. 이를 통해 상기 인젝터부(300)와 기판 안치부(200) 사이 공간으로 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급할 수 있다.
질소 가스 공급부(400)는 도 3에 도시된 바와 같이 질소 함유 가스가 저장된 저장부(410)와, 상기 질소 함유 가스가 이동하는 파이프(420)와, 상기 파이프(420)를 둘러 싸도록 배치된 자기장 형성부(430)와, 상기 자기장 형성부(430)를 코일 형태로 감싸는 전선(440)과, 상기 전선(440)에 고주파 교류 전원을 인가하는 전원부(450)를 구비한다.
이때, 상기 파이프(420)에 질소 함유 가스를 공급고, 전원부(450)를 통해 고주파 교류 전원을 인가하면 파이프(420) 내측의 질소 함유 가스가 플라즈마화 된 다. 즉, 고주파 교류 전류가 자기장 형성부를 코일 형태로 통과할 경우, 파이프(420) 내의 질소 함유 가스 입자에 에너지가 가해져 가스 플라즈마가 생성된다. 이와 같이 플라즈마화된 질소 함유 가스는 파이프(420)를 통해 챔버(100)의 반응 공간으로 이동한다. 이때, 질소 가스 공급부(400)는 질소 함유 가스의 유량에 따라 플라즈마 생성을 위한 전력의 파워가 가변된다.
물론 질소 가스 공급부(400)는 상술한 설명에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어 상기 파이프(420)에 고주파 교류 전류를 제공하고, 상기 파이프(420)가 자기장 형성부(430)를 코일 형태로 감싸도록 형성될 수 있다. 이때, 파이프(420)는 전도성 금속으로 제작된다. 이를 통해 전도성 파이프에 고주파 교류 전류를 인가하여, 고주파 교류 전류가 자기장 형성부(430)에 의한 자속 밀집 영역을 통과하도록 한다. 이때, 고주파 교류 전류는 자기장의 방향과 수직인 방향으로 통과하게 된다. 여기서, 고주파 교류 전류에 의해 파이프(420) 내측에 전계가 형성되고, 이 전계에 의해 파이프(420) 내의 질소 함유 가스를 이온화 시켜 플라즈마를 형성할 수도 있다.
본 실시예의 장치 구성은 상술한 설명에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다.
도 4 및 도 5는 제 1 실시예의 변형예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 단면도들이다.
도 4에 도시된 변형예에서와 같이 금속 질화막 증착 장치는 질소 가스 공급부(400)가 챔버리드(110) 상측에 위치할 수 있다. 이를 통해 질소 가스 공급 부(400)로부터 제공되는 플라즈마화된 질소 함유 가스가 기판 안치부(200) 상에 위치한 다수의 기판(10)에 균일하게 제공될 수 있다. 이는 플라즈마화된 질소 함유 가스가 챔버(100) 상측에서 낙하됨으로 인해 반응 공간에서 넓게 퍼질 수 있다.
또한, 질소 가스 공급부(400)가 챔버 리드(110)에 위치함으로 인해 질소 가스 공급부(400)의 유지 보수 공정을 간편화시킬 수 있다. 또한, 금속 원료물질, 퍼지가스 및 질소 함유 가스를 동일 공간에 배치시킴으로 인해 가스를 자유롭게 조절할 수 있다.
그리고, 도 4의 변형예에서와 같이 기판 안치부(200)의 기판 안치판(210)이 회전할 수 있다. 이는 구동부(230)가 승하강력 뿐만 아니라 회전력을 생성할 수 있다. 이를 통해 기판 안치판(210)이 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하게 된다. 이때, 도 1에서와 같이 인젝터부(300)도 함께 회전할 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 기판 안치판(210)이 회전하는 경우 인젝터부(300)가 고정되어 있을 수도 있다.
또한, 도 5에 도시된 변형예에서와 같이 챔버(100)의 내측면에 질소 가스 공급부와 연통되어 플라즈마화된 질소 함유 가스를 챔버(100)의 반응 공간에 균일하게 제공하는 링 형태의 분사수단(401)을 더 구비할 수 있다. 이를 통해 챔버(100)의 측벽면 전체 영역을 통해 플라즈마화된 질소 함유 가스가 반응 공간가 반응 공간에 제공된다.
상술한 바와 같이 본 실시예의 금속 질화막 증착 장치는 인젝터부(300)를 통해 금속 원료물질과 퍼지가스를 다수의 기판(10)에 연속적으로 제공한다. 이어서, 질소 가스 공급부(400)를 통해 플라즈마화된 질소 가스를 기판(10)에 제공하여 금속 질화막을 형성한다.
하기에서는 상술한 구조의 장치를 이용한 금속 질화막의 형성 방법에 관해 설명한다. 후술되는 설명에서는 금속 질화막 중 TiN막의 형성을 중심으로 설명한다.
도 6은 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이고, 도 7은 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 형성을 설명하기 위한 기판 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에서는 회전하는 인젝터부(300)를 통해 금속 원료물질과 퍼지가스를 다수의 기판(10)에 연속적으로 제공한다. 이를 통해 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 기판(10)의 상부면에 금속 원료물질 즉, 전구체를 흡착시키면서 흡착되지 않는 금속 원료물질을 퍼지 가스로 퍼지한다. 이때, 상기 금속 원료물질로는 TDMAT(tetrakis dimethylamino Ti, Ti(N(CH3)2)4)와 같은 유기 금속 전구체를 사용할 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 금속 원료물질로 TDEAT(tetrakis diethylamino Ti, Ti(N(CH2 CH3)2)4), TiCl4(titanium chloride), TiCl3(titanium chloride), TiI4(titanium iodide), TiBr2(titanium bromide), TiF4(titanium fluoride), (C5 H5)2 TiCl2(bis(cyclopentadienyl)titanium dichloride), ((CH3)5C5)2TiCl2 (bis(pentamethylcyclopentadienyl)titanium dichloride), C5H5TiCl3 (cyclopentadienyltitanium trichloride), C9H10BCl3N6Ti(hydrotris (1-pyrazolylborato)trichloro titanium), C9H7TiCl3(indenyltitanium trichloride), (C5(CH3)5)TiCl3(pentamethylcyclopentadienyltitanium trichloride), TiCl4(NH3)2 (tetrachlorodiaminotitanium) 및 (CH3)5C5Ti(CH3)3(trimethylpentamethylcyclopenta dienyltitanium) 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
그리고, 퍼지 가스로는 Al과 같은 불활성 가스를 사용한다. 퍼지 가스로 H2가스를 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이는 H기가 고유전율 물질에 손상을 주는 단점이 있기 때문이다.
이어서, 인젝터부(300)로 부터의 금속 원료물질과 퍼지가스의 공급을 차단한다. 그리고, 질소 가스 공급부(400)를 통해 플라즈마화된 질소 함유 가스를 챔버(100)의 반응 공간에 제공한다. 이를 통해 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 기판(10)에 흡착된 금속 원료물질과 플라즈마화된 질소 함유 가스가 반응하여 기판(10) 상에 금속 질화막을 형성한다. 여기서, 질소 함유 가스로는 N2를 사용한다. 물론 이에 한정되지 않고, 질소 함유 가스로, NxO를 사용할 수 있다. 그리고, 질소 함유 가스로는 NH3를 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이는 NH3에 의해 고유전율 물질이 손상을 받는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 하지만, 앞선 종래 기술에 언 급한 바와 같이 본 실시예에서는 고유전율 물질 특성을 변화시키지 않는 N2를 사용하되, 이를 리모트 플라즈마화하여 제공한다. 이로인해, 질소 함유 가스의 반응성을 높일 수 있다. 또한, 리모트 플라즈마의 특성인 플라즈마에 의한 기판 손상을 방지할 수 있다. 또한, 저온에서 질소 함유 가스와 금속 원료물질 간이 반응하도록 할 수 있다. 따라서, 약 300도 이하(200도 내지 300도)의 온도에서 금속 질화막을 제작할 수 있게 된다.
이후, 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급을 차단한다. 인젝터부(300)를 통해 퍼지 가스를 제공하여 미반응된 질소 함유 가스를 퍼지한다.
상기와 같이 금속 원료물질과 퍼지 가스의 공급과, 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급 그리고, 퍼지 가스의 공급을 하나의 사이클로 하고, 이를 적어도 한번 반복 수행하여 목표로 하는 두께의 금속 질화막을 형성한다.
여기서, 상기 금속 원료물질은 500 내지 900mg/min의 공급량으로 공급하고, 질소 함유 가스는 2000 내지 6000sccm의 유량으로 공급하는 것이 효과적이다. 금속 원료 물질의 경우 액체이기 때문에 공급관에서 제공된 금속 원료물질이 액체 유량 제어 장치(LMFC)와 기화기(Vaporize)를 거쳐 챔버 내부로 공급된다.
본 실시예의 금속 질화막 증착 방법은 상술한 설명에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다.
도 8은 제 1 실시예의 변형예에 따른 금속 질화막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 먼저, 회전하는 인젝터부(300)를 통해 다수의 기판(10)에 금속 원료물질과 퍼지 가스를 순차적 제공한다. 이를 통해 기판(10)에 금속 원료물질을 흡착시키고, 비 흡착된 금속 원료물질을 퍼지한다. 이어서, 금속 원료물질의 공급을 차단한 상태에서 퍼지 가스 만을 제공하여 비 흡착된 금속 원료 물질을 퍼지한다. 이를 통해 챔버(100)의 반응 공간에 잔류할 수 있는 금속 원료물질을 완전히 퍼지할 수 있다. 이는 금속 원료물질이 반응 공간에 잔류하는 경우, 후속 단계에서 제공되는 질소 함유 가스와 금속 원료물질이 반응하여 원치않는 파티클을 생성하기 때문이다.
이어서, 퍼지 가스의 공급도 차단한다. 이때, 인젝터부(300)의 회전은 정지시킬 수 있다. 물론 인젝터부(300)의 회전을 정지시키지 않고, 단지 가스의 공급만을 차단할 수도 있다.
이어서, 질소 가스 공급부(400)를 통해 플라즈마화된 질소 함유 가스를 반응 공간에 제공하여 기판(10) 상의 금속 원료물질과 반응시킨다. 이를 통해 기판(10) 상에 금속 질화막이 형성된다.
이후, 질소 함유 가스의 공급을 차단하고 퍼지가스를 제공하여 반응 공간 내의 미 반응된 질소 함유 가스를 퍼지한다.
이와 같이 금속 원료물질과 퍼지 가스 공급, 금속 원료물질 차단, 퍼지 가스 차단 질소 함유 가스 공급, 질소 함유 가스 공급 차단 및 퍼지 가스 공급을 하나의 사이클로 한다. 상기 사이클을 적어도 한번 수행하여 원하는 두께의 금속 질화막을 형성한다.
여기서, 도 8에 도시된 바와 같이 질소 함유 가스 공급 차단후, 미 반응된 질소 함유 가스 퍼지를 위한 퍼지 가스 공급 시간을 기준 시간(T1)으로 정의한다. 본 변형예에서는 상기 질소 함유 가스 공급 시간(T2)을 상기 기준 시간(T1)보다 더 긴 시간 동안 공급하는 것이 효과적이다. 즉, 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급 시간을 충분히 주어 플라즈마화된 질소 함유 가스와 기판(10)에 흡착된 금속 원료물질 간의 반응 시간을 충분히 줄 수 있어 막질 특성을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 질소 함유 가스 공급 시간(T2)은 상기 기준 시간(T1) 보다 1.1 내지 3배 범위인 것이 효과적이다. 상기 시간 보다 작을 경우에는 충분한 반응 시간을 주지 못한다. 또한, 상기 시간 보다 클 경우에는 한 사이클의 공정 시간이 길어지는 문제가 있다. 질소 함유 가스 공급 시간(T2)은 기준 시간(T1) 보다 1.5 내지 2.5배인 것이 바람직하다.
또한, 금속 원료물질 공급 시간(T3)은 기준 시간(T1)과 작거나 같은 것이 효과적이다. 즉, 금속 원료물질 공급 시간(T3)은 기준 시간(T1)보다 0.5 내지 1배인 것이 효과적이다. 이를 통해 금속 원료물질이 기판에 과도하게 흡착되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 본 실시예에서는 금속 원료물질 및 퍼지 가스 그리고, 질소 함유 가스의 공급 시간을 조절하여 형성되는 금속 질화막의 막질을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속 질화막의 비저항(즉, 400 내지 650μΩ-㎝) 값을 줄일 수 있다. 또한, 금속 질화막이 우수한 스텝 커버리지를 가질 수 있다.
본 발명은 상술한 장치에 한정되지 않고, 다양한 장치를 통해 상기 금속 질 화막을 형성할 수 있다.
하기에서는 도면을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치 및 이에 따른 금속 질화막 증착 방법을 설명한다. 후술되는 설명중 상술한 설명과 중복되는 설명은 생략한다. 제 1 실시예와 제 2 실시예에서 설명되는 기술은 상호 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치는 반응 공간을 갖는 챔버(100)와, 기판(10)이 안치되는 기판 안치부(200)와, 반응 공간에 금속 원료 물질과 퍼지 가스를 분사하는 인젝터부(500)와, 반응 공간에 플라즈마화된 질소 함유 가스를 분사하는 질소 가스 공급부(400)를 구비한다.
인젝터부(500)는 기판 안치부(200)에 대응하는 챔버 리드(110)에 설치된 샤워 헤드부(510)와, 금속 원료물질을 공급하는 원료물질 공급부(520)와, 퍼지가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부(530)와, 상기 원료물질 공급부(520)와 퍼지 가스 공급부(530)에 각기 접속되어 금속 원료물질 또는 퍼지 가스를 상기 샤워 헤드부(510)에 제공하는 제어부(540)를 구비한다.
이를 통해 챔버(100) 상측에 고정된 샤워 헤드부(510)를 통해 금속 원료물질과 퍼지가스가 반응 공간으로 제공된다.
본 실시예에서는 하나의 샤워 헤드부(510)를 통해 금속 원료물질과 퍼지가스가 각기 반응 공간으로 제공됨에 관해 설명하였다. 그러나 이에 한정되지 않고, 다수의 샤워 헤드부(510)를 설치하여 이들이 각기 금속 원료물질과 퍼지가스를 반응 공간에 제공할 수도 있다.
하기에서는 상술한 장치를 이용한 금속 질화막 증착 방법에 관해 설명한다.
도 10은 제 2 실시예에 따른 금속 질화막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 먼저, 인젝터부(500)를 통해 챔버(100)의 반응 공간에 금속 원료물질을 제공한다. 이를 통해 반응 공간 내의 기판(10)에 금속 원료물질을 흡착시킨다. 이어서, 금속 원료물질의 공급을 차단하고, 퍼지가스를 공급한다. 이를 통해 흡착되지 않은 금속 원료물질을 퍼지한다.
이어서, 퍼지 가스의 공급을 차단하고, 질소 가스 공급부(400)를 통해 플라즈마화된 질소 함유 가스를 반응 공간에 공급한다. 이를 통해 기판(10)에 흡착된 금속 원료물질과 질소 함유 가스가 반응 하여 금속 질화막을 형성한다. 이후, 질소 함유 가스의 공급을 차단하고, 인젝터부(500)를 통해 퍼지 가스를 반응 공간에 제공한다. 이를 통해 미반응된 질소 함유 가스를 퍼지한다.
상기와 같이 금속 원료물질 공급, 퍼지 가스 공급, 플라즈마화된 질소 함유 가스 공급, 퍼지 가스 공급을 하나의 사이클로 한다. 그리고, 이 사이클을 반복하여 목표로 하는 두께의 막을 형성한다.
이때, 도 10에서는 각 단계(금속 원료물질 공급, 퍼지 가스 공급, 플라즈마화된 질소 함유 가스 공급, 퍼지 가스 공급)의 시간이 균일함이 도시되었다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 앞선 제 1 실시예의 변형예에서와 같이 각 단계의 시간이 각기 다른 수 있다. 예를 들어 퍼지 가스 공급 시간 보다 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급 시간이 더 길 수 있다. 또한, 퍼지 가스 공급 시간보다 금속 원료물질 공급 시간이 더 짧을 수 있다.
이와 같이 본 실시예들에서는 TiN막을 형성하되, 금속 원료물질로 유기 금속 전구체(TDMAT)를 사용하고, 질소 함유 가스로 N2 가스를 사용한다. 이를 통해 금속 질화막과 접하는 고유전율 물질막의 막질 변화를 최소화할 수 있다. 또한, 질소 함유 가스를 리모트 플라즈마 장치를 통해 플라즈마화 시켜 제공함으로 인해 공정 온도를 낮출 수 있고, 플라즈마에 의한 고유전율 물질막이 손상을 받는 것도 방지할 수 있다. 또한, 금속 원료물질과 질소 함유 가스를 순차적으로 제공하고, 이들을 각기 퍼지하여 스텝 커버리지가 우수한 금속 질화막을 제작할 수 있다.
하기에서는 본 발명에 따른 장치를 이용하여 저유전율 물질층 상에 TiN막을 증착한 실험 결과에 관해 설명한다.
실험의 공정 조건은 증착 온도를 270도로 설정하였다. 그리고, 금속 원료 물질(즉, TDMAT)의 공급 유량은 700mg/min으로, 질소 함유 가스(즉, N2)의 공급 유량은 3000sccm으로 설정하였다.
공정 조건은 TDMAT/퍼지 가스/N2/퍼지가스 공급을 일 사이클로 하였고, 이를 120회 반복하였다. 일 사이클에서 퍼지 가스 공급 시간을 1로 할 경우, 제 1 실험예에서는 TDMAT와 N2 공급 시간을 0.75로 하였다. 그리고, 제 2 실험예에서는 TDMAT의 공급 시간을 0.75로 하고, N2 공급 시간을 2.5로 하였다. 이와 같은 조건을 통해 제작된 시편의 오제이 전자 분광분석(AES; Auger Electron Spectroscopy)과 표면 거칠기와 저항을 측정하였다.
도 11은 제 1 실험예에 따른 AES 분석 결과 그래프이고, 도 12는 제 2 실험예에 따른 AES 분석 결과 그래프이다.
도 11 및 도 12의 그래프에서와 같이 본 실험예들에 의해 제작된 TiN막은 Cl에 의한 영향이 나타나지 않음을 알 수 있다. 이는 원료물질인 TDMAT에 Cl이 없기 때문이다. 또한, 기존의 NH3의 H기에 의한 하부 고유전율막의 손상 또한 나타나지 않음을 알 수 있다. 그리고, N2 공급 시간을 늘릴 경우 Ti와 N간의 반응성이 더 좋아 짐을 알 수 있다. 또한, 상기 실험예들 모두 TDMAT를 원료 물질로 하였을 경우 발생되는 불순물인 카본(C)의 함량이 작음(약 5% 미만)을 알 수 있다. 이를 통해 TiN막의 비저항을 줄일 수 있다.
도 13은 제 1 실험예에 따른 원자력간현미경(AFM; Atomic Force Microscope) 사진이고, 도 14는 제 2 실험예에 따른 원자력간현미경 사진이다.
도 13 및 도 14에서와 같이 TiN막의 표면의 부드럽고, 이들의 막질이 균일함을 알 수 있다. 즉, 도 13의 제 1 실험예에 따른 TiN막의 RMS 값은 0.23㎚이고, 제 14의 제 2 실험예에 따른 TiN막의 RMS 값은 0.19㎚이다
또한, 제 1 실험예에 따른 TiN막의 저항은 614μΩ-㎝이고, 제 2 실험예에 따른 TiN막의 저항은 435μΩ-㎝이다.
도 15는 제 1 실험예에 따라 증착된 TiN막의 주사 전자 현미경(SEM; Scanning Electron Micorscope) 사진이다.
도 15에서는 종횡비가 약 20 : 1 (깊이가 약 1.72㎛, 폭이 약 90㎚)인 홀이 형성된 기판에 제 1 실험예에 따라 TiN막을 증착한 이후의 SEM 사진이다. 도 15의 사진에서와 같이 홀의 내측면을 따라 TiN막이 균일하게 형성되었다. 이는 TiN막의 스텝 커버리지 특성이 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서 제안된 장치와 방법을 통해 저온에서 낮은 저항을 갖는 TiN막을 형성할 수 있고, TiN막의 스텝 커버리지 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기에서 서술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 단면도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 평면 개념도.
도 3은 제 1 실시예에 따른 질소 가스 공급부의 단면 개념도.
도 4 및 도 5는 제 1 실시예의 변형예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 단면도들.
도 6은 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 7은 제 1 실시예에 따른 금속 질화막 형성을 설명하기 위한 기판 단면도.
도 8은 제 1 실시예의 변형예에 따른 금속 질화막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 금속 질화막 증착 장치의 단면도.
도 10은 제 2 실시예에 따른 금속 질화막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 11은 제 1 실험예에 따른 AES 분석 결과 그래프.
도 12는 제 2 실험예에 따른 AES 분석 결과 그래프.
도 13은 제 1 실험예에 따른 원자력간현미경 사진.
도 14는 제 2 실험예에 따른 원자력간현미경 사진.
<도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명>
100 : 챔버 200 : 기판 안치부
300 : 인젝터부 310 : 원료 물질 분사부
320 : 퍼지 가스 분사부 330 : 회전축
340 : 하우징 400 : 질소 가스 분사부
410 : 저장부 420 : 파이프
430 : 자기장 형성부 440 : 전선
450 : 전원부
Claims (14)
- 반응 공간을 갖는 증착 장치 내측에 기판을 안치시키는 단계; 및Ti 원료물질과 플라즈마화된 질소 함유 가스를 이용하여 상기 기판 상에 Ti 함유 질화막을 형성하는 단계를 포함하되,상기 Ti 함유 질화막을 형성하는 단계는,상기 반응 공간에 Ti 원료물질을 공급하는 단계;상기 Ti 원료물질의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 1 퍼지 가스를 공급하여 상기 Ti 원료물질을 퍼지하는 단계;상기 퍼지 가스의 공급을 차단하고 상기 반응 공간에 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급하는 단계; 및상기 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 2 퍼지 가스를 공급하여 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스를 퍼지하는 단계를 포함하고,상기 Ti 원료물질로 유기 Ti 전구체를 사용하고, 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스로 N2를 리모트 플라즈마화시켜 제공하는 금속 질화막 형성 방법.
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- 반응 공간을 갖는 증착 장치 내측에 기판을 안치시키는 단계; 및Ti 원료물질과 플라즈마화된 질소 함유 가스를 이용하여 상기 기판 상에 Ti 함유 질화막을 형성하는 단계를 포함하되,상기 Ti 함유 질화막을 형성하는 단계는,상기 반응 공간에 Ti 원료물질과 제 1 퍼지 가스를 동시에 공급하는 단계;상기 Ti 원료물질과 상기 퍼지 가스의 공급을 차단하고 상기 반응 공간에 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급하는 단계; 및상기 플라즈마화된 질소 함유 가스의 공급을 차단하고, 상기 반응 공간에 제 2 퍼지 가스를 공급하여 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스를 퍼지하는 단계를 포함하고,상기 Ti 원료물질로 유기 Ti 전구체를 사용하고, 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스로 N2를 리모트 플라즈마화시켜 제공하는 금속 질화막 형성 방법.
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- 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,상기 반응 공간에 제 2 퍼지 가스를 공급하여 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스를 퍼지하는 단계의 동작 시간을 기준시간으로 할 경우,상기 반응 공간에 상기 플라즈마화된 질소 함유 가스를 공급하는 단계의 동작 시간이 상기 기준 시간보다 1.1 내지 3배 긴 금속 질화막 형성 방법.
- 청구항 8에 있어서,상기 반응 공간에 상기 Ti 원료물질을 공급하는 단계의 동작 시간은 상기 기준 시간의 0.5 내지 1배인 금속 질화막 형성 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,200도 내지 300도의 공정 온도에서 상기 Ti 함유 질화막이 형성되고, 상기 Ti 함유 질화막은 400 내지 650μΩ-㎝의 저항을 갖는 금속 질화막 형성 방법.
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