KR101600552B1 - 박막 증착장치 및 오존 플라즈마를 이용한 박막 증착방법 - Google Patents

박막 증착장치 및 오존 플라즈마를 이용한 박막 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오존 플라즈마를 발생시켜 이를 박막 증착에 이용할 수 있는 박막 증착장치 및 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착할 수 있는 박막 증착방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 박막 증착장치는 내부에 수용부가 형성되어 있는 반응기와, 반응기 내부에 설치되며 기판이 안착되는 기판 지지대와, 기판 지지대의 상부에 설치되며, 반응기 외부에 설치된 소스가스 공급라인 및 반응가스 공급라인을 통해 박막 증착을 위한 소스가스 및 오존(O3)을 포함하는 반응가스가 각각 내부로 유입되도록 하는 소스가스 유입구와 반응가스 유입구가 형성되어 있고, 내부로 유입된 소스가스와 반응가스가 기판 지지대를 향해 분사되도록 하는 소스가스 분사구와 반응가스 분사구가 형성되어 있는 가스 분사체와, 기판 상에 오존 플라즈마를 공급하기 위한 오존 플라즈마 공급수단을 구비한다.

Description

박막 증착장치 및 오존 플라즈마를 이용한 박막 증착방법{Apparatus depositing thin film and method of depositing thin film using ozone plasma}
본 발명은 박막을 증착하는 장치 및 박막을 증착하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오존 플라즈마를 발생수단을 구비한 박막 증착장치 및 오존 플라즈마를 이용한 박막 증착방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에서 금속 박막, 산화막(실리콘 산화막, 금속 산화막)을 증착하는 공정이 널리 이용되고 있다. 금속 박막은 금속 전구체를 환원제를 이용하여 증착한다. 특히, 루쎄늄(Ru) 박막은 루쎄늄 전구체와 산소(O2)를 이용하여 증착한다. 그리고 산화막은 소스가스와 반응가스를 이용하여 증착하는데, 이때, 반응가스로는 일반적으로, 오존(O3) 또는 산소 플라즈마가 이용된다.
그러나 오존 또는 산소 플라즈마는 소스가스의 분해 속도가 느린 경우와 같이, 고산화력이 필요한 공정에서는 산화력이 부족하여 양질의 박막이 증착되지 않고, 증착 속도가 느려 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 특히, 저온 공정이 요구되는 경우에는 오존이나 산소 플라즈마보다 더욱 산화력이 높은 반응가스가 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 오존 플라즈마를 발생시켜 이를 박막 증착에 이용할 수 있는 박막 증착장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착할 수 있는 박막 증착방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 박막 증착장치는 내부에 수용부가 형성되어 있는 반응기; 상기 반응기 내부에 설치되며, 기판이 안착되는 기판 지지대; 상기 기판 지지대의 상부에 설치되며, 상기 반응기 외부에 설치된 소스가스 공급라인 및 반응가스 공급라인을 통해 박막 증착을 위한 소스가스 및 오존(O3)을 포함하는 반응가스가 각각 내부로 유입되도록 하는 소스가스 유입구와 반응가스 유입구가 형성되어 있고, 상기 내부로 유입된 소스가스와 반응가스가 상기 기판 지지대를 향해 분사되도록 하는 소스가스 분사구와 반응가스 분사구가 형성되어 있는 가스 분사체; 및 상기 기판 상에 오존 플라즈마를 공급하기 위한 오존 플라즈마 공급수단;을 구비한다.
상기 오존 플라즈마 공급수단은, 상기 반응기 내부에 다이렉트(direct) 오존 플라즈마를 발생시키기 위한 파워 공급장치를 포함할 수 있다.
상기 가스 분사체의 내부에는 상기 오존이 확산되는 공간부가 형성되어 있으며, 상기 오존 플라즈마 공급수단은 상기 가스 분사체의 공간부에 오존 플라즈마를 발생시키기 위한 파워 공급장치를 포함하고, 상기 가스 분사체의 공간부에서 형성된 오존 플라즈마는 상기 반응가스 유입구를 통해 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기 오존 플라즈마 공급수단은 상기 반응가스 공급라인에 설치된 오존 리모트 플라즈마 발생기(remote plasma generator)를 포함하고, 상기 오존 리모트 플라즈마 발생기에서 형성된 오존 플라즈마는 상기 가스 분사체의 반응가스 유입구 및 반응가스 분사구를 통해 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 박막 증착방법은 내부에 수용부가 형성되어 있는 반응기와, 상기 반응기 내부에 설치되며 기판이 안착되는 기판 지지대와, 상기 기판 지지대의 상부에 설치되며, 상기 반응기 외부에 설치된 소스가스 공급라인 및 반응가스 공급라인을 통해 박막 증착을 위한 소스가스 및 오존(O3)을 포함하는 반응가스가 각각 내부로 유입되도록 하는 소스가스 유입구와 반응가스 유입구가 형성되어 있고, 상기 내부로 유입된 소스가스와 반응가스가 상기 기판 지지대를 향해 분사되도록 하는 소스가스 분사구와 반응가스 분사구가 형성되어 있는 가스 분사체를 구비하는 박막 증착장치를 이용하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 방법으로, 소스가스와 오존 플라즈마를 상기 기판 상에 공급하여, 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함한다.
상기 오존 플라즈마는 상기 반응기 내부에 형성되는 다이렉트 오존 플라즈마일 수 있다.
상기 가스 분사체의 내부에는 상기 오존이 확산되는 공간부가 형성되어 있으며, 상기 오존 플라즈마는 상기 가스 분사체의 공간부에서 형성된 오존 플라즈마가 상기 반응가스 유입구를 통해 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기 반응가스 공급라인에는 오존 리모트 플라즈마 발생기(remote plasma generator)가 설치되고, 상기 오존 플라즈마는 상기 오존 리모트 플라즈마 발생기에서 형성된 오존 플라즈마가 상기 가스 분사체의 반응가스 유입구 및 반응가스 분사구를 통해 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기 소스 가스는 금속을 함유하는 전구체이며, 상기 박막은 금속 박막 또는 금속 산화막일 수 있다.
상기 박막은 두 종류 이상의 산화막이 적층되어 있는 복합 산화막이며, 각각의 산화막을 증착하기 위한 소스가스 중 분해 속도가 가장 느린 소스가스를 이용하여 산화막을 증착하는 경우에는 상기 오존 플라즈마를 이용하고, 다른 소스가스를 이용하여 산화막을 증착하는 경우에는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용할 수 있다.
상기 박막은 M1…Mn·O(M1 내지 Mn은 실리콘 또는 금속, n은 2 이상의 자연수)로 표현되는 3원계 이상의 산화막이며, M1을 함유하는 소스가스 내지 Mn을 함유하는 소스가스 중 분해 속도가 가장 느린 소스가스가 Mk(k는 1 이상 n 이하의 자연수)를 함유하는 소스가스라 할 때, 상기 산화막 내의 Mk의 조성비를 높이고자 하는 경우에는 상기 오존 플라즈마를 이용하여 상기 산화막을 증착하고, 상기 산화막 내의 Mk의 조성비를 낮추고자 하는 경우에는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하여 상기 산화막을 증착할 수 있다.
상기 기판에는 트렌치(trench) 또는 콘택홀(contact hole)이 형성되어 있고, 상기 박막 증착 단계는 상기 기판 상에 형성되어 있는 트렌치 또는 콘택홀을 갭-필하는 단계로, 상기 박막 증착 단계의 초반부에는 상기 소스가스와 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하고, 박막 증착 단계의 후반부에는 상기 소스가스와 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응성이 아주 높은 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하므로, 산소 플라즈마를 이용하는 경우에 비해 박막 증착 속도를 증가시킬 수 있다. 그리고 저온 공정에서 분해 속도가 느린 소스가스를 이용하더라도 오존 플라즈마를 이용하게 되면, 저온 공정이 가능하게 된다. 그리고 오존 플라즈마와 오존 플라즈마보다 반응성이 낮은 반응가스(산소, 오존, 산소 플라즈마)를 함께 이용하면, 복합 산화막(복수의 산화막이 적층된 박막)을 증착하기 용이하고, 3원계 이상의 산화막 내의 조성비를 용이하게 조절하는 것이 가능하다. 또한, 트렌치(trench)나 콘택홀(contact hole)을 갭-필하고자 할 때, 갭-필 초반부에는 오존 플라즈마보다 반응성이 낮은 반응가스를 이용하여, 보이드(void)나 심(seam)의 발생 없이 트렌치나 콘택홀을 갭-필하고, 갭-필 후반부에는 오존 플라즈마를 이용하여 증착 속도를 높여 전체 생산성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 증착장치에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 박막 증착장치에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 박막 증착장치에 대한 바람직한 또 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 산소 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 경우와 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 경우를 비교하는 그래프이다.
본 발명은 오존 플라즈마를 발생시켜 이를 박막 증착에 이용할 수 있는 박막 증착장치와 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착할 수 있는 박막 증착방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 박막 증착장치는 기판 상에 오존 플라즈마를 공급하기 위한 오존 플라즈마 공급수단을 구비한다. 그리고 본 발명에 따른 박막 증착방법은 소스가스와 오존 플라즈마를 기판 상에 공급하여, 기판 상에 박막을 증착한다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 박막 증착장치 및 오존 플라즈마를 이용한 박막 증착방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 증착장치에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 있어서 박막 증착장치(100)는 반응기(110), 기판 지지대(120), 가스 분사체(130) 및 파워 공급장치(140)를 구비한다.
반응기(110)의 내부에는 수용부(111)가 형성되어 있으며, 반응기(110)의 측벽에는 기판이 출입할 수 있는 게이트(미도시)가 형성될 수 있고, 반응기(110)의 측벽 또는 바닥부에는 가스를 펌핑하는 펌핑포트(미도시)가 형성될 수 있다.
기판 지지대(120)는 반응기(110)의 내부에 설치되며, 기판(W)이 안착되는 기판 안착부가 형성되어 있다. 기판 지지대(120)는 승강이 가능하도록 설치되며, 기판 지지대(120)에는 기판(W)의 온도를 조절하는 히터(미도시)가 매립된다.
가스 분사체(130)는 기판 지지대(120)의 상부에 설치되어, 가스 분사체(130)와 기판 지지대(120)의 사이에는 박막 증착 공간(112)이 형성된다. 가스 분사체(130)는 박막 증착에 이용되는 소스가스와 오존(O3)을 포함하는 반응가스를 기판 지지대(120)를 향해 분사한다. 이를 위해, 가스 분사체(130)의 상부에는 소스가스 유입구와 반응가스 유입구(미도시)가 형성되어 있다. 소스가스 유입구는 반응기(110) 외부에 설치된 소스가스 공급라인(151)과 연결되며, 반응가스 유입구는 반응기(110) 외부에 설치된 반응가스 공급라인(152)과 연결된다. 소스가스 공급라인(151)과 소스가스 유입구를 통해 가스 분사체(130) 내부로 유입된 소스가스는 가스 분사체(130)의 하부에 형성되어 있는 소스가스 분사구(미도시)를 통해 기판 지지대(120)를 향해 분사된다. 그리고 반응가스 공급라인(152)과 반응가스 유입구를 통해 가스 분사체(130) 내부로 유입된 반응가스는 가스 분사체(130)의 하부에 형성되어 있는 반응가스 분사구(미도시)를 통해 기판 지지대(120)를 향해 분사된다.
파워 공급장치(140)는 반응기(110) 내부에 다이렉트(direct) 플라즈마를 발생시키기 위한 것이다. 반응가스는 오존일 수 있으며, 이때 박막 증착 공간(112)에는 오존 플라즈마가 발생된다. 이를 위해, 가스 분사체(130)에 파워를 인가하고, 기판 지지대(120) 및 반응기(110)의 측벽과 바닥부를 접지된다. 파워 공급장치(140)는 박막 증착 공간(112) 내에 다이렉트 플라즈마가 발생하도록 가스 분사체(130)에 파워를 인가하기 위한 것으로, 파워 공급장치(140)는 가스 분사체(130)에 RF 파워, MF 파워 또는 LF 파워를 인가할 수 있다. 바람직하게는 파워 공급장치(140)는 RF 파워를 인가할 수 있으며, 이를 위해, 파워 공급장치(140)는 RF 로드(미도시)와, RF 커넥터(미도시)와, 매칭박스(matching box)(미도시)를 포함하여 구성된다. RF 커넥터는 RF 로드에 연결되며, RF 전력을 RF 로드로 인가한다.
이와 같이 파워 공급장치(140)를 통해 가스 분사체(130)에 파워를 인가하고 기판 지지대(120) 및 반응기(110)의 측벽과 바닥부를 접지한 상태에서 가스 분사체(130)를 통해 오존을 기판 지지대(120)를 향해 분사하면, 박막 증착 공간(112)에 오존 플라즈마가 발생된다. 발생된 오존 플라즈마는 기판(W) 상에 공급되어 박막 증착에 이용된다.
도 2는 본 발명에 따른 박막 증착장치에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 있어서 박막 증착장치(200)는 반응기(210), 기판 지지대(220), 가스 분사체(230) 및 파워 공급장치(240)를 구비한다.
본 실시예의 반응기(210) 및 기판 지지대(220)는 도 1에 도시된 박막 증착장치(100)의 반응기(110) 및 기판 지지대(120)에 대응된다.
가스 분사체(230)는 기판 지지대(220)의 상부에 설치된다. 가스 분사체(230)는 박막 증착에 이용되는 소스가스와 오존(O3)을 포함하는 반응가스를 기판 지지대(220)를 향해 분사한다.
본 실시예의 가스 분사체(230)는 본체(260)와, 구획판(265)과, 복수의 분사핀(270)을 포함한다.
본체(260)는 상부 플레이트(261)와, 하부 플레이트(262)와, 저면판(263)을 포함한다. 상부 플레이트(261)에는 소스가스가 공급되는 소스가스 공급라인(251)이 연결된 소스가스 유입구(231)와, 반응가스가 공급되는 반응가스 공급라인(252)이 연결된 반응가스 유입구(232)가 관통 형성되어 있다. 하부 플레이트(262)는 고리 형상으로 형성되며, 상부 플레이트(261)의 하단에 결합되며, 하부 플레이트(262)는 접지된다. 저면판(263)은 판 형상으로 형성된다. 저면판(263)에는 분사핀(270)이 연결되는 복수의 소스가스 분사구(235)와, 복수의 반응가스 분사구(236)가 형성되어 있다. 이 저면판(263)은 본체(260)의 바닥부에 해당하는 것으로, 하부 플레이트(262)의 하단부에 결합되어 하부 플레이트(262) 내부에 배치되며, 상부 플레이트(261) 및 하부 플레이트(262)와 함께 수용부(275)를 형성한다. 이 저면판(263)은 하부 플레이트(262)와 전기적으로 연결되어 접지된다.
구획판(265)은 평판 형상으로 형성되며, 복수의 삽입홀(266)과, 상부 플레이트(261)의 반응가스 유입구(232)와 연통되는 유동공(267)이 관통 형성되어 있다. 이 구획판(265)은 수용부(275)의 내부에 저면판(263)과 마주보게 설치되며, 수용부(275)를 제1공간부(277)와, 제2공간부(276)로 구획한다. 제1공간부(277)는 구획판(275)의 상측에 형성되며, 소스가스 유입구(231)와 연통되어, 소스가스가 제1공간부(277)에서 확산된다. 그리고, 제2공간부(276)는 구획판(265)의 하측에 형성되며, 반응가스 유입구(232)와 연통되어 반응가스가 제2공간부(276)에서 확산된다. 이 구획판(265)은 제2공간부(276)의 내부에 오존 플라즈마를 형성할 수 있도록, 도전성 소재로 이루어진다.
그리고, 상기 구획판(265)은 제1절연부재(268) 및 제2절연부재(269)에 의해 절연 및 지지된다. 제1절연부재(268)는 환형으로 형성되어 상부 플레이트(261)에 결합되며, 제1절연부재(268)에는 상부 플레이트(261)의 반응가스 유입구(232) 및 구획판(265)의 유동공(267)과 연통되는 유동홀이 관통 형성되어 있다. 제2절연부재(269)는 환형으로 형성되어 하부 플레이트(262)에 결합되며, 제2절연부재(268)에는 구획판(265)의 유동공(267)과 연통되는 관통홀이 관통 형성되어 있다. 구획판(265)은 제1절연부재(268)와 제2절연부재(269) 사이에 배치되어 지지되며, 이에 따라 상부 플레이트(261) 및 하부 플레이트(262)는 구획판(265)과 상호 절연된다.
분사핀(270)은 제1공간부(277)로 공급된 소스가스를 제2공간부(276)로 공급된 반응가스와 서로 분리된 상태에서 기판으로 분사하기 위한 것이다. 분사핀(270)은 중공의 형상으로 형성되며, 분사핀(270)의 일단부는 구획판(265)의 삽입홀(266)에 연결(삽입)되며, 분사핀(270)의 타단부는 저면판(263)의 소스가스 분사구(235)에 연결(삽입)된다. 그리고, 이 분사핀(270)은 절연성 소재로 이루어진다.
파워 공급장치(240)는 가스 분사체(230)의 제2공간부(276)에 반응가스 플라즈마를 발생시키기 위한 것이다. 반응가스는 오존일 수 있으며, 이때 제2공간부(276)에는 오존 플라즈마가 발생된다. 이를 위해, 구획판(265)은 도전성 소재로 이루어지며, 하부 플레이트(262) 및 저면판(263)은 접지된다. 파워 공급장치(240)는 제2공간부(276) 내에 플라즈마가 발생하도록 구획판(265)에 파워를 인가하기 위한 것으로, 파워 공급장치(240)는 구획판(265)에 RF 파워, MF 파워 또는 LF 파워를 인가할 수 있다. 바람직하게는 파워 공급장치(240)는 구획판(265)에 RF 파워를 인가할 수 있으며, 이를 위해, 파워 공급장치(240)는 RF 로드(241)와, RF 커넥터(242)를 포함하여 구성된다. RF 로드(241)는 바 형상으로 형성되며, 상부 플레이트(261) 및 제1절연부재(268)를 관통하며 삽입되어 구획판(265)에 연결된다. 그리고, RF 로드(241)의 외주면에는 절연부재(243)가 결합되어 있다. RF 커넥터(242)는 RF 로드(241)에 연결되며, RF 전력을 RF 로드(241)로 인가한다. 그리고 파워 공급장치(240)는 매칭박스(matching box)(미도시)를 구비할 수 있다.
이와 같이, 구획판(265)에 파워를 인가하고, 하부 플레이트(262) 및 저면판(263)을 접지한 상태에서 제2공간부(277)에 반응가스 유입구(232)를 통해 오존을 공급하면, 제2공간부(277)에 오존 플라즈마가 발생된다. 그리고 발생된 오존 플라즈마는 반응가스 분사구(236)를 통해 기판(W) 상에 공급되어 박막 증착에 이용된다. 그리고 소스가스 유입구(231)를 통해 제1공간부(276)에 공급된 소스가스는 제1공간부(276)에서 확산된 후, 분사핀(270)과 소스가스 분사구(235)를 통해 기판(W) 상에 공급된다.
도 3은 본 발명에 따른 박막 증착장치에 대한 바람직한 또 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 있어서 박막 증착장치(300)는 반응기(310), 기판 지지대(320), 가스 분사체(330) 및 오존 리모트 플라즈마 발생기(340)를 구비한다.
본 실시예의 반응기(310), 기판 지지대(320) 및 가스 분사체(330)는 도 1에 도시된 박막 증착장치(100)의 반응기(110), 기판 지지대(120) 및 가스 분사체(130)에 각각 대응된다.
오존 리모트 플라즈마 발생기(340)는 반응기(310) 외부에 형성되어 있는 반응가스 공급라인(352)에 설치된다. 반응가스가 오존일 때, 오존 리모트 플라즈마 발생기(340)는 오존 플라즈마를 발생시켜 반응가스 공급라인(352)과 가스 분사체(330)에 형성되어 있는 반응가스 유입구(미도시)를 통해 가스 분사체(330) 내부로 유입시킨다. 그리고 가스 분사체(330) 내부로 유입된 오존 플라즈마는 가스 분사체(330)에 형성되어 있는 반응가스 분사구(미도시)를 통해 기판(W) 상에 공급되어 박막 증착시 이용된다.
이상에서, 오존 플라즈마를 발생시켜 이를 박막 증착에 이용될 수 있는 박막 증착장치에 대해 살펴보았다. 도 1의 박막 증착장치(100)는 반응기(110) 내부의 박막 증착 공간(112)에서 다이렉트 오존 플라즈마를 발생시켜 기판(W) 상에 공급하는 것이다. 도 2의 박막 증착장치(200)는 가스 분사체(230)의 내부에서 오존 플라즈마를 발생시킨 후, 기판(W) 상에 공급하는 것이다. 도 3의 박막 증착장치(300)는 반응기(310) 외부에 설치된 오존 플라즈마 발생기(340)에서 오존 플라즈마를 발생시킨 후, 기판(W) 상에 공급하는 것이다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 세 가지 형태의 박막 증착장치가 혼합된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 발명에 따른 박막 증착장치는 가스 분사체 내부에서도 오존 플라즈마를 발생시키고(도 2), 반응기 내부의 박막 증착 공간에서도 다이렉트 오존 플라즈마를 발생시키기(도 1) 위한 오존 플라즈마 발생수단을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 상기의 박막 증착장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법이다. 즉, 본 발명에 따른 박막 증착방법은 소스가스와 반응가스를 이용하여 박막을 증착하되, 반응가스로 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 단계를 포함한다. 이때, 소스가스는 금속을 함유하는 전구체일 수 있으며, 반응가스로 오존 플라즈마를 이용하여 금속 박막 또는 금속 산화막을 증착할 수 있다. 증착되는 박막이 금속 박막인 경우 오존 플라즈마는 환원제 역할을 한다. 예컨대, 루쎄늄(Ru) 전구체를 이용하여 루쎄늄 박막을 증착할 때에는 산소(O)를 함유하는 가스가 환원제로 이용되는데, 이 산소를 함유하는 가스로 오존 플라즈마가 이용될 수 있다.
이와 같이 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하면, 오존 플라즈마가 반응성이 아주 높아, 산소 플라즈마를 이용하는 경우에 비해 박막 증착 속도를 증가시킬 수 있다. 그리고 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 공정은 상대적으로 산소 플라즈마를 이용하는 공정에 비해 저온에서도 박막 증착이 가능하게 될 뿐 아니라, 박막 증착 속도가 증가하게 된다.
도 4는 산소 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 경우와 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 경우를 비교하는 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 산소 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 경우(410)보다 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 경우(420)가 동일한 시간에 많은 두께의 박막이 증착됨을 알 수 있다. 즉, 오존 플라즈마를 이용하면 산소 플라즈마를 이용하는 경우에 비해 박막의 증착 속도가 증가함을 알 수 있다.
실시예 1: 복합 산화막 증착
실시예 1은 두 종류 이상의 산화막이 적층되어 있는 복합 산화막을 증착하는 방법에 관한 것이다. 이러한 복합 산화막을 증착하는 경우, 각 산화막에 이용되는 소스가스는 서로 상이하다. 그럼에도 동일한 반응가스를 이용하여 복합 산화막을 증착하게 되면, 분해 속도가 느린 소스가스를 이용하여 산화막을 증착할 때 산화력이 작은 반응가스(산소 또는 오존)를 이용하는 경우, 증착 속도가 너무 느리게 되어 전체 공정 시간이 많이 소요되므로 생산성이 떨어진다. 반대로 오존 플라즈마와 같이 산화력이 너무 큰 반응가스만을 이용하여 복합 산화막을 증착하게 되면, 분해 속도가 빠른 소스가스를 이용하여 산화막을 증착하는 경우, 증착 속도가 너무 빠르게 되어 증착된 박막의 두께를 제어하는 것이 용이치 않다.
따라서 복합 산화막 내의 각각의 산화막을 증착하기 위한 소스가스 중 분해 속도가 느린 소스가스를 이용하여 산화막을 증착하는 경우에는 고산화력을 갖는 오존 플라즈마를 반응가스로 이용하고, 분해 속도가 빠른 소스가스를 이용하여 산화막을 증착하는 경우에는 저산화력을 갖는 반응가스를 이용하는 것이 유리하다. 즉, 분해 속도가 가장 느린 소스가스는 오존 플라즈마를 이용하여 산화막을 증착하고, 다른 소스가스는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하여 산화막을 증착함으로써, 복합 산화막을 증착한다.
실시예 2: 3원계 이상의 산화막 증착
실시예 2는 3원계 이상의 산화막을 증착하는 방법에 관한 것이다. 3원계 이상의 산화막은 M1…Mn·O로 표현될 수 있다. 여기서, M1 내지 Mn은 실리콘 금속 원소를 나타내며, n은 2 이상의 자연수이다. 3원계 이상의 산화막은 예컨대 ZrSiO일 수 있다. 이때, 상기 M1…Mn·O에서 M1은 지르코늄(Zr)이고, M2는 실리콘(Si)이다. 이러한 3원계 이상의 산화막은 응용 분야에 따라 조성비를 조절할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라, 하나의 박막 내에서도 조성비를 변화시킬 필요성이 있다. 본 발명에 따른 박막 증착방법을 이용하면 3원계 이상의 산화막의 조성비를 용이하게 조절하는 것이 가능하다.
M1…Mn·O로 표현되는 3원계 이상의 산화막을 증착하기 위해서는, M1을 함유하는 소스가스 내지 Mn을 함유하는 소스가스가 필요하다. 그리고 이 소스가스들을 산화시키기 위한 반응가스가 필요하다. 예컨대, ZrSiO 박막을 증착하기 위해서는, Zr을 함유하는 소스가스와 Si를 함유하는 소스가스가 필요하다. 그리고 Zr을 함유하는 소스가스와 Si을 함유하는 소스가스를 산화시키기 위한 반응가스가 필요하다.
이때, 각 소스가스 중 분해속도가 가장 느린 소스가스가 Mk(k는 1 이상 n 이하의 자연수)를 함유하는 소스가스이면, 증착하고자 하는 산화막 내의 Mk의 조성비를 높이고자 하는 경우에는 오존 플라즈마를 반응가스로 이용하고, Mk의 조성비를 낮추고자 하는 경우에는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용한다. 저산화력을 갖는 반응가스를 이용하여 분해속도가 가장 느린 Mk를 함유하는 소스가스를 산화시키게 되면, Mk를 함유하는 소스가스의 공급량을 증가시키더라도 Mk의 조성비를 높이는 것에는 한계가 있다. 따라서 오존 플라즈마와 같이 고산화력을 갖는 반응가스를 이용하게 되면, Mk의 조성비를 손쉽게 높일 수 있다. 반대로 오존 플라즈마보다 산화력이 작은 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 반응가스로 이용하게 되면, Mk의 조성비를 손쉽게 낮출 수 있다.
예컨대, ZrSiO 박막을 증착하고자 할 때, Zr을 함유하는 소스가스의 분해속도가 Si을 함유하는 소스가스보다 느린 경우, ZrSiO 박막 내의 Zr의 조성비를 높이고자 할 때는 오존 플라즈마를 이용하고, Zr의 조성비를 낮추고자 할 때는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용한다.
이와 같이 반응가스를 이용하여 산화막의 조성비를 조절하게 되면, 보다 손쉽게 박막의 조성비를 조절할 수 있게 될 뿐 아니라, 하나의 박막 증착 공정 내에서 반응가스를 변화시키면, 다양한 조성이 두께에 따라 변화되는 박막을 얻을 수 있다.
실시예 3: 트렌치 ( trench ) 또는 콘택홀 ( contact hole ) 갭-필( gap - fill )
실시예 3은 트렌치 또는 콘택홀을 갭-필하는 방법에 관한 것이다. 반도체 제조공정에서 산화막 또는 금속 박막을 이용하여 트렌치 또는 콘택홀을 갭-필하는 공정이 필요한데, 일반적으로 갭-필시 보이드(void)나 심(seam)이 발생하지 않도록 저산화력을 갖는 반응가스를 이용하여 갭-필하게 된다. 저산화력을 갖는 반응가스만을 이용하여 갭-필하게 되면, 증착 속도가 너무 느려 전체 공정에서의 생산성이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 본 실시예에서는 박막 증착 단계 초반부에는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하고, 어느 정도 갭-필이 완료된 박막 증착 단계 후반부에는 오존 플라즈마를 이용한다. 이와 같이 단계에 따라 반응가스를 변화시키면, 보이드나 심이 발생하지 않도록 하면서, 증착 속도를 증가시킬 수 있어 전체 공정에서의 생산성이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 내부에 수용부가 형성되어 있는 반응기와, 상기 반응기 내부에 설치되며 기판이 안착되는 기판 지지대와, 상기 기판 지지대의 상부에 설치되며, 상기 반응기 외부에 설치된 소스가스 공급라인 및 반응가스 공급라인을 통해 박막 증착을 위한 소스가스 및 오존(O3)을 포함하는 반응가스가 각각 내부로 유입되도록 하는 소스가스 유입구와 반응가스 유입구가 형성되어 있고, 상기 내부로 유입된 소스가스와 반응가스가 상기 기판 지지대를 향해 분사되도록 하는 소스가스 분사구와 반응가스 분사구가 형성되어 있는 가스 분사체를 구비하는 박막 증착장치를 이용하여 상기 기판 상에 박막을 증착하는 방법으로,
    소스가스와 산소, 오존, 산소 플라즈마 또는 오존 플라즈마를 상기 기판 상에 공급하여, 상기 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함하고,
    상기 박막 증착 단계는, 상기 소스가스의 분해 속도에 따라 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하거나 오존 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오존 플라즈마는 상기 반응기 내부에 형성되는 다이렉트 오존 플라즈마인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가스 분사체의 내부에는 상기 오존이 확산되는 공간부가 형성되어 있으며,
    상기 오존 플라즈마는 상기 가스 분사체의 공간부에서 형성된 오존 플라즈마가 상기 반응가스 분사구를 통해 상기 기판 상에 공급되는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 반응가스 공급라인에는 오존 리모트 플라즈마 발생기(remote plasma generator)가 설치되고,
    상기 오존 플라즈마는 상기 오존 리모트 플라즈마 발생기에서 형성된 오존 플라즈마가 상기 가스 분사체의 반응가스 유입구 및 반응가스 분사구를 통해 상기 기판 상에 공급되는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스 가스는 금속을 함유하는 전구체이며, 상기 박막은 금속 박막 또는 금속 산화막인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  10. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막은 두 종류 이상의 산화막이 적층되어 있는 복합 산화막이며,
    각각의 산화막을 증착하기 위한 소스가스 중 분해 속도가 가장 느린 소스가스를 이용하여 산화막을 증착하는 경우에는 상기 오존 플라즈마를 이용하고, 다른 소스가스를 이용하여 산화막을 증착하는 경우에는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  11. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막은 M1…Mn·O(M1 내지 Mn은 실리콘 또는 금속, n은 2 이상의 자연수)로 표현되는 3원계 이상의 산화막이며,
    M1을 함유하는 소스가스 내지 Mn을 함유하는 소스가스 중 분해 속도가 가장 느린 소스가스가 Mk(k는 1 이상 n 이하의 자연수)를 함유하는 소스가스라 할 때, 상기 산화막 내의 Mk의 조성비를 높이고자 하는 경우에는 상기 오존 플라즈마를 이용하여 상기 산화막을 증착하고, 상기 산화막 내의 Mk의 조성비를 낮추고자 하는 경우에는 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하여 상기 산화막을 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
  12. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에는 트렌치(trench) 또는 콘택홀(contact hole)이 형성되어 있고, 상기 박막 증착 단계는 상기 기판 상에 형성되어 있는 트렌치 또는 콘택홀을 갭-필하는 단계로,
    상기 박막 증착 단계의 초반부에는 상기 소스가스와 산소, 오존 또는 산소 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하고, 박막 증착 단계의 후반부에는 상기 소스가스와 오존 플라즈마를 이용하여 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.
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