KR101820237B1

KR101820237B1 - 가압식 금속 단원자층 제조 방법, 금속 단원자층 구조체 및 가압식 금속 단원자층 제조 장치

Info

Publication number: KR101820237B1
Application number: KR1020160052633A
Authority: KR
Inventors: 한규석; 김홍범; 성명모
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2018-01-19
Also published as: US20190062917A1; WO2017188785A1; KR20170123752A; US20210164102A1; US10941488B2; US11926898B2

Abstract

가압식 금속 단원층 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법은, 기판이 마련된 챔버 내를 밀폐시킨 상태에서, 금속 전구체로 이루어진 금속 전구체 가스를 제공함으로써, 상기 챔버 내의 압력을 증가시켜, 상기 금속 전구체를 상기 기판에 흡착시키는 금속 전구체 가스 가압 도징(dosing) 단계, 상기 금속 전구체 가압 도징 단계 이후, 퍼지시키는 메인 퍼징(main purging) 단계, 상기 메인 퍼징 단계 후에, 반응 가스를 제공하여, 상기 기판에 흡착된 금속 전구체를 금속 단원자층으로 환원하는 반응 가스 도징 단계 및 상기 반응 가스 도징 단계 이후, 퍼지시키는 메인 퍼징 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

가압식 금속 단원자층 제조 방법, 금속 단원자층 구조체 및 가압식 금속 단원자층 제조 장치{Pressurized manufacturing method for metal monolayer, Structure for metal monolayer, Pressurized manufacturing apparatus for metal monolayer}

본 발명은 가압식 금속 단원자층 제조 방법, 금속 단원자층 구조체 및 가압식 금속 단원자층 제조 장치에 관련된 것으로서, 금속 전구체를 고압 도징하여 컨포멀(conformal)한 금속 단원자층을 형성하는 가압식 금속 단원자층 제조 방법 및 가압식 금속 단원자층 제조 장치 그리고 그에 의하여 형성된 금속 단원자층 구조체에 관련된 것이다.

지금까지는 반도체 소자 제조에 PVD(Physical Vapor Deposition, 물리기상증착법) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학기상증착법) 기술이 이용되었으나, 이러한 기존의 기술은 나노급 초고집적 소자 제조에 적용하기에는 한계가 있다.

그러나, 원자층 증착(ALD)의 경우, 복잡한 형상의 3차원 구조에서도 뛰어난 균일도를 가지는 나노 두께의 박막 증착이 가능하기 때문에 나노급 반도체 소자 제조의 필수적인 증착기술로 주목받고 있다.

한편, 최근 들어, 스마트 기기, 인공 지능 컴퓨터 기술의 발전에 따라 고성능화, 다기능화와 같은 보다 높은 성능의 소자에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다.

그러나, 기존의 MOSFET 미세화를 통한 개발 방법은, 고온 발생으로 인하여 소자의 신뢰성이 열화 된다는 미세화 기술 자체의 어려움을 가지고 있다. 따라서, 다운 스케일링(down scaling)을 통한 종래의 접근 방식은 근본적인 한계를 가지고 있는 것으로 평가된다.

이에 본 발명자들은, 소재 차원에서 시작하여 미래 지향적인 소자 기술을 확보하고자, 원자층 증착법을 통하여 금속 단원자층을 발명하게 되었다.

미국 등록 특허 6,451,695

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 단원자층 만으로 이루어진 금속 단원자층 구조체, 이를 제공하기 위한 가압식 금속 단원자층 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 높은 표면 커버리지를 가지는 금속 단원자층 구조체, 이를 제공하기 위한 가압식 금속 단원자층 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 표면 거칠기가 낮은 금속 단원자층 구조체, 이를 제공하기 위한 가압식 금속 단원자층 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 금속 단원자층 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 금속 단원자층 구조체 및 금속 단원자층 제조 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 방법은, 기판이 마련된 챔버 내를 밀폐시킨 상태에서, 금속 전구체로 이루어진 금속 전구체 가스를 제공함으로써, 상기 챔버 내의 압력을 증가시켜, 상기 금속 전구체를 상기 기판에 흡착시키는 금속 전구체 가스 가압 도징(dosing) 단계, 상기 금속 전구체 가압 도징 단계 이후, 퍼지시키는 메인 퍼징(main purging) 단계, 상기 메인 퍼징 단계 후에, 반응 가스를 제공하여, 상기 기판에 흡착된 금속 전구체를 금속 단원자층으로 환원하는 반응 가스 도징 단계 및 상기 반응 가스 도징 단계 이후, 퍼지시키는 메인 퍼징 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체 가스 가압 도징 단계에서, 상기 챔버 내의 압력은, 0.3Torr 내지 100Torr일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체 가스 가압 도징 단계에서, 상기 기판에 흡착된 금속 전구체 가스의 표면 커버리지는 90% 이상일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체 가스 가압 도징 단계는, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계 및 상기 적어도 두 번의 서브 가압 단계 사이의 서브 퍼징 단계로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계의 각각의 압력의 크기는 서브 가압 도징 단계의 횟수에 따라 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계의 각각의 압력은 서로 동일할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 서브 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력은, 상기 메인 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력보다 높을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 서브 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력은, 상기 메인 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력과 같을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 서브 가압 도징 단계는 4번 이상의 서브 가압 도징 단계로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체 가압 도징 단계, 상기 메인 퍼징 단계들 및 상기 반응 가스 도징 단계에서의 공정 온도는 서로 동일할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 공정 온도는 100도 내지 200도일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 반응 가스 도징 단계는, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계 및 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계 사이의 서브 퍼징 단계로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체 가스는, 텅스텐 헥사플로라이드(WF6)를 포함하며, 상기 반응 가스는, 다이실란(Si2H6)를 포함하며, 상기 금속 단원자층은 텅스텐(W)으로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체 가스는, 몰리브덴 헥사플로라이드(MoF6)를 포함하며, 상기 반응 가스는, 다이실란(Si2H6)를 포함하며, 상기 금속 단원자층은 몰리브덴(Mo)으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 구조체는 상기 금속 단원자층 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치는, 금속 전구체로 이루어진 금속 전구체 가스, 불활성 가스, 반응 가스 및 불활성 가스가 순차적으로 제공되는 유입구, 상기 유입구와 연통하고 기판이 수용되는 챔버, 상기 챔버로 유입된 가스가 배출되는 유출구 및 상기 금속 전구체 가스가 상기 챔버 내로 제공되는 경우, 상기 유출구를 닫아서 상기 기판이 수용된 챔버 내를 밀폐시킨 상태에서, 상기 챔버 내의 압력을 증가시켜, 상기 금속 전구체 가스를 상기 기판에 흡착시키는 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 금속 전구체 가스가 상기 챔버 내로 제공되는 경우, 상기 챔버 내의 압력을 0.3Torr 내지 100Torr로 제어할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 내의 압력에 의하여, 상기 기판에 흡착된 금속 전구체 가스의 표면 커버리지는 90% 이상일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 금속 전구체 가스를 상기 챔버 내로 제공하는 경우, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력과 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력 사이에 서브 퍼징 압력을 제공할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력의 크기는 서브 가압 도징 횟수에 따라 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력의 각각의 압력은 서로 동일할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 서브 퍼징 압력이 상기 불활성 가스가 상기 챔버 내로 공급되는 메인 퍼징 압력보다 높도록 제어할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 서브 퍼징 압력이 상기 불활성 가스가 상기 챔버 내로 공급되는 메인 퍼징 압력과 같도록 제어할 수 있다.

금속 전구체 가스를 고압 분위기에서 제공하기 때문에, 금속 전구체의 기판 흡착율을 현저히 향상시킬 수 있다. 이에 따라 컨포멀한 단원자층 만으로 이루어진 금속 단원자층 구조체를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법을 설명하기 위한 개념도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 단계 S100에서의 제1 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 변형 압력 프로파일에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법을 설명하기 위한 개념도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 단계 S100에서의 제2 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 7은 본 발명의 단계 S120에서의 제1 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 단계 S120에서의 제2 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 금속 전구체 가스 도징 압력에 따른 표면 커버리지 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 금속 전구체 가스의 서브 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따른 표면 거칠기 변화를 나타내는 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 단원자층 구조체의 TEM 사진을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 몰리브덴 금속 전구체 가스의 도징 압력에 따른 표면 커버리지 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 몰리브덴 금속 전구체 가스의 서브 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 몰리브덴 단원자층 구조체의 표면 거칠기를 나타내는 사진이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

명세서에서 A 내지 B라고 기재하는 경우, 이는 특별한 사정이 없는 한 A이상 B이하를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법의 순서도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 프로파일을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법을 설명하기 위한 개념도를 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법은, 기판이 마련된 챔버 내를 밀폐시킨 상태에서, 금속 전구체 가스를 제공하여 상기 챔버 내의 압력을 증가시켜, 상기 금속 전구체 가스를 상기 기판에 흡착시키는 금속 전구체 가스 가압 도징(dosing) 단계, 금속 전구체 도징 단계 이후 퍼지시키는 메인 퍼징 단계, 메인 퍼징 단계 이후, 반응 가스를 제공하여 기판에 흡착된 금속 전구체를 금속 단원자층으로 환원시키는 반응 가스 도징 단계 및 반응 가스 도징 단계 이후 퍼지시키는 메인 퍼징 단계 중 적어도 하나의 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 상술하기로 한다.

단계 S100

단계 S100는, 금속 전구체 가스를 가압 도징하여 기판에 금속 전구체 가스를 흡착시키는 단계이다.

이 때, 금속 전구체 가스는 특별한 제한은 없으며, 증착하고자 하는 금속 단원자층에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 텅스텐 금속 단원자층을 증착하고자 하는 경우, 금속 전구체 가스는 텅스텐 헥사플로라이드(WF6)로 이루어질 수 있다. 또한 몰리브덴 금속 단원자층을 증착하고자 하는 경우, 금속 전구체 가스는, 몰르브덴 헥사플로라이드(MoF6)로 이루어질 수 있다. 또한 기판도 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 실리콘 기판으로 이루어질 수 있다. 이하에서는 특별한 설명이 없는 한 금속 전구체 가스는 텅스텐 헥사플로라이드 가스를 의미하며, 기판은 실리콘 기판을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

금속 전구체 가스를 가압 도징하는 단계는, 구체적으로 캐리어 가스를 제거하는(evacuation) 단계, 금속 전구체를 챔버 내로 공급하여 압력을 증가시키고 유지하는 단계, 및 챔버 내 압력을 줄이는 단계로 이루어질 수 있다.

캐리어 가스를 제거하는 단계는, 챔버 내에 존재할 수도 있는 불활성 가스와 같은 불순물을 제거하는 단계이다. 상기 캐리어 가스를 제거하는 단계는 반드시 필수적인 단계는 아니며, 임의적인 단계일 수 있다. 이하에서는 개리어 가스를 제거하는 단계는 생략하고 설명하기로 한다.

금속 전구체 가스를 챔버 내로 공급하여 압력을 증가시키고 유지하는 단계는, 기판이 마련된 챔버 내를 밀폐시킨 상태에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 챔버의 유출 밸브를 닫은 상태에서, 금속 전구체 가스를 챔버 내로 공급함으로써, 챔버 내를 고압으로 유도하고 유도된 고압을 유지할 수 있다. 고압을 소정 시간 유지함으로써, 고압의 분위기에서 금속 전구체 가스가 기판의 표면에 흡착되도록 유도할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 단계 S100에서의 챔버 내의 압력은 0.3Torr 내지 100Torr로 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 만약, 챔버 내의 압력이 0.3 Torr 보다 낮은 경우에는 금속 전구체 가스의 흡착율이 현저히 떨어지게 된다. 보다 구체적으로 챔버 내의 압력이 0.3 Torr 보다 낮은 경우, 기판의 표면에 먼저 흡착된 금속 전구체들이 차지하는 공간적인 부피에 의하여 흡착된 금속 전구체들 사이의 간격이 좁아지게 된다. 뒤 이어 흡착되고자 하는 금속 전구체들은 이미 흡착된 금속 전구체들 사이의 좁은 간격으로 침투하지 못하게 된다. 즉, 선 흡착된 금속 전구체들이 차지하는 공간적인 부피가 후 흡착되고자 하는 금속 전구체들의 흡착을 방해하는 요소로 작용하는 것이다. 따라서, 챔버 내의 압력이 0.3Torr 보다 작은 경우 표면 커버리지(surface coverage)가 현저히 낮게 된다.

이와 달리, 챔버 내의 압력이 0.3 Torr 이상인 경우에는, 먼저 기판에 흡착된 금속 전구체들이 존재하더라도, 고압의 구동력driving force)이 존재하므로 금속 전구체가 기판의 표면에 흡착될 수 있다.

다만, 챔버 내의 압력이 100Torr보다 큰 경우에는 금속 전구체 가스에 의하여 기판 표면이 손상될 우려가 있다.

따라서, 단계 S100에서, 챔버 내의 압력의 범위는 고압인 0.3Torr 내지 100Torr로 형성될 수 있다.

이에 따라, 단계 S100에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 금속 전구체(M)가 기판(S) 표면에 흡착될 수 있다.

단계 S110

금속 전구체 가스 가압 도징 단계 이후, 퍼지시키는 메인 퍼징 단계가 수행될 수 있다(S110). 메인 퍼징 단계에서는 불활성 가스가 이용될 수 있으며, 불활성 가스는 예를 들어, 아르곤(Ar), 또는 질소(N2) 가스로 이루어질 수 있다.

이 때, 메인 퍼징 단계에 의하여 챔버 내의 압력은 도 2에 도시된 바와 같이, 단계 S100 보다 낮게 형성될 수 있다.

이에 따라, 단계 S110에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판의 표면에 흡착되지 못한 과잉 금속 전구체 가스가 제거될 수 있다.

단계 S120

반응 가스를 제공하여 기판에 흡착된 금속 전구체를 금속 단원자층으로 환원하는 반응 가스 도징 단계가 수행될 수 있다(S120).

반응 가스는, 금속 전구체 가스를 금속으로 환원시키기 위한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속 전구체가 텅스텐 헥사플로라이드(WF6) 또는 몰리브덴 헥사플로라이드(MoF6)인 경우, 반응 가스는 다이실란(Si2H6)으로 이루어질 수 있다. 이하에서는 특별한 설명이 없는 한 반응 가스는 다이실란(Si2H6) 가스를 의미할 수 있다.

상기 반응 가스를 도징하는 단계도, 캐리어 가스를 제거하는(evacuation) 단계, 반응 가스를 챔버 내로 공급하여 압력을 증가시키고 유지하는 단계, 및 챔버 내 압력을 줄이는 단계로 이루어질 수 있다. 이하에서는 캐리어 가스를 제거하는 단계는 생략하고 설명하기로 한다.

반응 가스를 공급하는 단계는, 챔버를 밀폐시킨 상태에서 수행될 수도 있고, 챔버를 오픈시킨 상태에서도 수행될 수도 있다.

예를 들어, 반응 가스를 챔버를 밀폐시킨 상태에서 제공하는 경우에는 앞서 단계 S100에서 설명한 바와 같이, 챔버의 유출 밸브를 닫은 상태에서, 반응 가스를 챔버 내로 공급함으로써, 고압의 분위기에서 반응 가스가 기판에 흡착된 금속 전구체를 환원시키도록 유도할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 단계 S120에서의 챔버 내의 압력은 0.3Torr 내지 100Torr로 유지될 수 있다. 예를 들어, 단계 S110의 수행 압력은 도 2에 도시된 바와 같이, 단계 S100과 동일할 수 있다.

이와 달리, 반응 가스를 챔버를 오픈시킨 상태에서 제공하는 경우에는 챔버의 유출 밸브를 열은 상태에서 반응 가스를 챔버 내로 공급함으로써, 라미나 플로우(laminar flow)를 형성할 수 있다. 이로써, 반응 가스가 기판에 흡착된 금속 전구체를 환원시키도록 유도할 수 있다.

단계 S120에 의하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 반응 가스(R)가 기판(S) 표면에 흡착된 금속 전구체(M)와 반응할 수 있다.

단계 S140

반응 가스 도징 단계 이후 퍼지시키는 메인 퍼징 단계가 수행될 수 있다(S140). 메인 퍼징 단계에서는 불활성 가스가 이용될 수 있으며, 불활성 가스는 예를 들어, 아르곤(Ar), 또는 질소(N2) 가스로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 메인 퍼징 단계에 의하여 챔버 내의 압력은 도 2에 도시된 바와 같이, 단계 S110 처럼 낮게 형성될 수 있다.

이에 따라, 단계 S110에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판의 표면에 흡착되지 못한 과잉 반응 가스가 제거되고 금속 단원자(M')만 남게 된다.

이상 도 1 내지 도 3을 참조하며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 방법을 설명하였다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 방법에 따라 높은 균일도 및 낮은 표면 거칠기를 가지는 금속 단원자층 구조체가 제공될 수 있다.

특히 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 방법은, 챔버를 밀폐시킨 상태에서 금속 전구체 가스를 제공함으로써, 챔버 내 압력을 고압으로 유지시킬 수 있다. 이에 따라 금속 전구체가 기판의 표면에 용이하게 흡착되도록 유도할 수 있다.

한편, 종래의 원자층 증착 방법에 따르면, 챔버를 밀폐시키지 않고 오픈시킨 상태에서 전구체 가스를 제공함으로써, 챔버 내 압력이 저압인 상태에서 기판 표면에 전구체를 흡착시켰다. 즉, 종래의 원자층 증착 방법에 따르면, 기판 표면에 전구체 가스로 라미나 플로우(laminar flow)를 형성시켜 전구체 가스를 기판 표면에 흡착시켰다. 이러한 종래의 원자층 증착 방법에 따르면, 챔버 내 압력이 낮기 때문에 금속 전구체 가스를 기판에 높은 균일도 및 낮은 표면 거칠기를 가지도록 형성할 수가 없었다.

또한, 종래의 기술 상식으로는 챔버 내 압력을 높이는 경우, 높아진 압력이 전구체 가스의 라미나 플로우를 방해할 수 있기 때문에 챔버 내 압력을 높힌다는 발상은 어려움이 있었다.

그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 방법은, 챔버를 밀폐시킨 상태에서 금속 전구체 가스를 제공함으로써, 금속 전구체 가스가 기판에 높은 표면 커버리지로 흡착될 수 있도록 고압 분위기를 제공할 수 있다.

특히, 단계 S100 내지 S130을 한 번씩 수행함에 따라 수 옹스트롱 단위의 금속 단원자 만으로 이루어진 금속 단원자층 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 일 실시 예에 따르면 단계 S100 내지 S130은 서로 동일한 온도에서 수행될 수 있으며 특히 저온에서 수행될 수 있다. 본 명세서에서 의미하는 저온이라 함은 200도 이하를 의미하는 것으로 바람직하게는 100도 이상 200도 이하를 의미할 수 있다. 통상적으로 금속 단원자층의 경우 반응성이 크기 때문에 뭉침 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 공정의 온도를 100도 이상 200도 이하의 저온으로 유지함으로써, 금속 단원자층의 뭉침 현상을 방지할 수 있다.

이하 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 단계 S100에서의 제1 변형 압력 프로파일을 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 단계 S100에서의 제1 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 단계 S100에 따른 가압식 금속 단원자층 제조 방법을 설명하기 위한 개념도를 도시한다. 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하는 실시 예에서도 단계 S110 내지 S130은 그대로 적용될 수 있다.

단계 S100은 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계와 두 번의 서브 가압 도징 단계 사이에 제공되는 서브 퍼징 단계를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 단계 S100은 3번의 서브 가압 도징 단계와 그 사이의 2번의 서브 도징 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라 단계 S100은 금속 전구체 가스의 멀티 도징을 제공할 수 있다. 바람직하게는 단계 S100은 4번의 서브 가압 도징 단계와 그 사이의 3번의 서브 퍼징 단계로 이루어질 수 있다. 또는 단계 S100은 5번의 서브 가압 도징 단계와 그 사이의 4번의 서브 퍼징 단계로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면 서브 가압 도징 단계의 챔버 압력은 0.3 Torr 이상 100 Torr 이하일 수 있다.

또한, 서브 퍼징 단계의 챔버 압력은 단계 S110 및 단계 S130을 참조하여 설명한 메인 퍼징 단계의 압력과 동일하거나 보다 높을 수 있다.

도 4에 도시된 압력 프로파일의 적용에 따른 금속 전구체 가스의 흡착 과정을 상세히 설명하기 위하여 도 5를 참조하기로 한다.

도 5(a)를 참조하면, 서브 가압 도징 단계에 의하여 금속 전구체 가스(M)가 기판(S)에 제공될 수 있다. 이 때, 금속 전구체 가스가 고압으로 제공되더라도 금속 전구체 가스의 일부만이 기판(S)에 흡착될 수 있다.

도 5(b)를 참조하면, 서브 퍼징 단계에 의하여, 기판에 흡착되지 못한 금속 전구체 가스를 제거할 수 있다. 이 때, 서브 퍼징 단계에서도 불활성 가스가 이용될 수 있다. 또한, 서브 퍼징 단계에서는 챔버 내의 압력을 메인 퍼징 단계보다 높게 할 수 있다. 이에 의하여, 기판에 비록 흡착되지 못한 금속 전구체 가스도 후속하는 서브 가압 도징 단계에서 재 활용 되도록 할 수 있다.

도 5(c)를 참조하면, 서브 가압 도징 단계를 다시 수행할 수 있다. 이에 의하여, 도 5(a)에 도시된 금속 전구체 보다 더 많은 금속 전구체(M)가 기판(S)에 흡착될 수 있다.

도 5(d)를 참조하면, 서브 퍼징 단계에 의하여 도 5(c)에 따른 서브 가압 단계에 의하여 흡착되지 못한 금속 전구체 가스를 제거할 수 있다. 이 때에도 챔버 내의 압력을 메인 퍼징 단계보다 높게 형성하여 기판에 비록 흡착되지 못한 금속 전구체 가스도 후속하는 서브 가압 도징 단계에서 재 활용 되도록 할 수 있다.

도 5(e)를 참조하면, 서브 가압 도징 단계를 다시 수행할 수 있다. 이에 의하여 도 5(c)에 의하여 도시된 금속 전구체 보다 더 많은 금속 전구체(M)가 기판(S)에 흡착될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일에 의하여, 반복되는 서브 가압 도징 단계를 제공함으로써, 금속 전구체 가스의 기판 흡착율을 더 증가시킬 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 제1 변형 압력 프로파일에서는 서브 가압 도징 단계가 3회 반복되는 것을 상정하였지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 서브 가압 도징 단계는 2회 이거나 4회 이상일 수 있다.

이하에서는 도 6을 참조하여 단계 S100의 제2 변형 압력 프로파일을 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 단계 S100에서의 제2 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 다른 도면이다

도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일은 서브 가압 도징 단계 간 압력이 동일한 것을 상정하였지만, 도 6을 참조하여 설명할 제2 변형 압력 프로파일에서는 서브 가압 도징 단계 간 압력이 증가한다는 점에서 상이하다. 설명의 편의를 위하여 대별되는 구성을 위주로 설명하기로 한다.

단계 S100은 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계와 두 번의 서브 가압 도징 단계 사이에 제공되는 서브 퍼징 단계를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 단계 S100은 제1 내지 제3의 서브 가압 도징 단계와 각각의 서브 가압 도징 단계 사이의 2번의 서브 도징 단계를 포함할 수 있다. 또한, 서브 퍼징 단계의 챔버 압력은 단계 S110 및 단계 S130을 참조하여 설명한 메인 퍼징 단계의 압력과 동일하거나 보다 높을 수 있다.

이 때, 3번의 서브 가압 도징 단계의 압력은 제1 서브 가압 도징 단계에서 후행하는 제3 서브 가압 단계로 갈수록 증가한다는 점에서 기술적 특징이 있다. 이 때, 서브 가압 도징 단계의 압력이 증가한다는 의미는, 제1, 제2, 제3 서브 가압 도징 단계의 압력이 순차적으로 증가하는 경우 뿐 만 아니라, 제2 서브 가압 도징 단계의 압력이 제1 서브 가압 도징 단계의 압력보다 낮더라도, 제3 서브 가압 도징 단계의 압력이 제1 서브 가압 도징 단계의 압력보다 높은 경우도 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.

일 실시 예에 따르면 각 서브 가압 도징 단계의 챔버 압력은 0.3 Torr 이상 100 Torr 이하인 구간 내에서 증가하도록 구현될 수 있다.

서브 가압 단계의 압력이 증가함에 따라, 먼저 진행된 서브 가압 단계에서 금속 전구체가 기판에 흡착되지 못했던 지점(site)에도 후속하는 서브 가압 단계의 압력이 먼저 진행된 서브 가압 단계의 압력보다 더 높은 경우, 용이하게 금속 전구체가 흡착될 수 있다는 기술적 의의가 있다.

이상 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 단계 S100에서의 제1 및 제2 변형 압력 프로파일을 설명하였다. 상술한 바와 같이, 제1 및 제2 변형 압력 프로파일은 금속 전구체 가스의 기판 흡착율을 향상시킨다는 기술적 의의를 제공할 수 있다.

이하 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 단계 S120에서의 제1 및 제2 변형 압력 프로파일을 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 단계 S120에서의 제1 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 단계 S120에서의 제1 변형 압력 프로파일은, 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 단계 S100에서의 제1 변형 압력 프로파일과 동일한 형태의 압력 프로파일을 가질 수 있다.

즉, 단계 S120은, 반응 가스 도징 시에 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계와 두 번의 서브 가압 도징 단계 사이에 제공되는 서브 퍼징 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라 단계 S120은 반응 가스의 멀티 도징을 제공할 수 있다.

바람직하게는 단계 S120은 4번의 서브 가압 도징 단계와 그 사이의 3번의 서브 퍼징 단계로 이루어질 수 있다. 또는 단계 S100은 5번의 서브 가압 도징 단계와 그 사이의 4번의 서브 퍼징 단계로 이루어질 수 있다.

이 때, 서브 가압 도징 단계의 챔버 압력은 0.3 Torr 이상 100 Torr 이하일 수 있다. 또한, 서브 퍼징 단계의 챔버 압력은 메인 퍼징 단계의 압력과 동일하거나 보다 높을 수 있다.

이에 따라, 반응 가스가 보다 용이하게 기판에 흡착된 금속 전구체와 반응할 수 있다.

도 8은 본 발명의 단계 S120에서의 제2 변형 압력 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 단계 S120에서의 제2 변형 압력 프로파일은, 도 6을 참조하여 설명한 본 발명의 단계 S100에서의 제2 변형 압력 프로파일과 동일한 형태의 압력 프로파일을 가질 수 있다.

즉, 단계 S120은, 반응 가시 도징 시에 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계와 서브 가압 도징 단계들 사이의 서브 퍼징 단계를 포함하되, 서브 가압 도징 단계의 압력은 증가하도록 구성될 수 있다. 즉, 서브 가압 도징 단계의 챔버 압력은 0.3 Torr 이상 100 Torr 이하의 범위에서 서브 가압 도징 단계의 횟수에 따라 증가하도록 구성될 수 있다. 또한, 서브 퍼징 단계의 챔버 압력은 메인 퍼징 단계의 압력과 동일하거나 보다 높을 수 있다.

이하에서는 도면을 참고하여 실험 결과를 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 금속 전구체 가스 도징 압력에 따른 표면 커버리지 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 9에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스로서, 텅스텐 헥사플로라이드 가스를 사용하여 도 1의 단계 S100(도 2 참조)의 도징 압력을 증가시켜 가면서 표면 커버리지를 측정한 결과이다.

도 9를 참조하면, 압력이 각각 5mTorr에서 10, 20, 50, 100, 200, 00, 1000, 2000, 3000으로 증가시킨 경우, 표면 커버리지는 각각 61%, 62.5, 62, 65, 66.5, 69.5, 91.5, 96.5, 97.5, 99로 향상되었다.

즉, 금속 전구체 가스의 도징 압력이 0.2mTorr로 저압인 경우, 표면 커버리지가 약 70%로 낮게 나타났다. 그러나, 금속 전구체 가스의 도징 압력을 0.3Torr 이상으로 증가시킨 경우, 표면 커버리지가 약 90%로 현저히 우수한 것으로 나타났다.

이는 앞서 설명한 바와 같이, 챔버를 밀폐시킨 상태에서 금속 전구체 가스를 공급하여 챔버 내 압력을 고압으로 형성하는 경우, 금속 전구체 가스의 기판 표면 흡착율이 현저히 증가하는 것을 의미한다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 금속 전구체 가스의 서브 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응 가스의 서브 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 10에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스로서, 텅스텐 헥사플로라이드 가스를 사용하고 반응 가스로서, 다이실란(Si2H6)을 사용하였다. 또한, 금속 전구체 가스의 공급 압력은 도 4에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 적용하였다. 또한, 반응 가스의 공급 압력은 도 7에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 적용하되, 서브 가압 도징 횟수는 5회로 고정 하였다.

도 10에 도시된 그래프는, 텅스텐 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따라 XPS와 전류 크기를 살펴본 것이다. 이 때, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수는 5회로 고정하였다. 또한 전체 공정 온도는 100도로 유지하였다. 금속 전구체 가스 및 반응 가스의 각 서브 가압 도징 시 압력은 1 Torr, 유지 시간은 30초로 설정하였다.

도 10(a)의 그래프를 참조하면, 텅스텐 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가, 1, 2, 3, 45, 5, 8, 10으로 증가할수록 XPS 피크 강도는 18653, 31341, 42347, 50189, 55861, 56896, 57134으로 증가하였다. 즉, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 XPS 피크 강도도 높아지는 것으로 나타나며, 특히 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 5회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타난다.

도 10(b)의 그래프를 참조하면, 텅스텐 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가, 1,2,3,4,5,8,10으로 증가할수록 전류의 세기는, 12.3, 15.9, 17.8, 19.4, 20.2, 20.4, 20.7nA로 증가하였다. 즉, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 전류의 세기도 증가하는 것으로 나타나며, 특히 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 5회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타난다.

이는, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 5회 이상인 경우, 금속 전구체의 기판 표면 흡착도가 포화 상태에 이른 것으로 이해될 수 있다.

도 11에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스로서, 텅스텐 헥사플로라이드 가스를 사용하고 반응 가스로서, 다이실란(Si2H6)을 사용하고 도 7에 도시된 단계 S120의 제1 변형 압력 프로파일을 적용한 경우의 실험 결과를 나타낸다. 이 때, 금속 전구체 가스의 공급 압력은 도 4에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 적용하되, 서브 가압 도징 횟수는 5회로 고정 설정하였다.

도 11에 도시된 그래프는, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따라 XPS와 전류 크기를 살펴본 것이다. 이 때, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수는 5회로 고정하였다. 또한 전체 공정 온도는 100도로 유지하였다. 금속 전구체 가스 및 반응 가스의 각 서브 가압 도징 시 압력은 1 Torr, 유지 시간은 30초로 설정하였다.

도 11(a)의 그래프를 참조하면, 반응 가스의 서브 도징 횟수가 1,2,3,4,5,8,10으로 증가할수록 XPS 피크 강도는 23415, 47123, 54123, 55997, 56324, 57011, 57023으로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 XPS 피크 강도도 높아지는 것으로 나타나며, 특히 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 5회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타난다.

도 11(b)의 그래프를 참조하면, 반응 가스의 서브 도징 횟수가 1,2,3,4,5,8,10으로 증가할수록 전류의 세기는 12.3, 17.6, 19.8, 20.1, 20.2, 20.4, 20.5nA으로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 전류의 세기도 증가하는 것으로 나타나며, 특히 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 5회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타난다.

이는, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 5회 이상인 경우, 반응 가스의 기판 표면 흡착도가 포화 상태에 이르렀기 때문인 것으로 해석된다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따른 표면 거칠기 변화를 나타내는 사진이다.

도 12에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스로서, 텅스텐 헥사플로라이드 가스를 사용하고 반응 가스로서, 다이실란(Si2H6)을 사용하고 도 4에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 적용한 경우의 실험 결과를 나타낸다.

도 12에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따라 표면 거칠기를 살펴본 것이다. 이 때, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수는 5회로 고정하였다. 또한 전체 공정 온도는 100도로 유지하였다. 금속 전구체 가스 및 반응 가스의 각 서브 가압 도징 시 압력은 1 Torr, 유지 시간은 30초로 설정하였다.

도 12를 살펴보면, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 표면 거칠기가 감소하는 것으로 나타난다. 이는 서브 가압 도징 횟수가 증가함에 따라 균일한 금속 단원자층이 형성될 수 있음을 의미한다.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 텅스텐 금속 단원자층 구조체의 TEM 사진을 나타낸다.

도 13에 도시된 TEM 사진은, 금속 전구체 가스 서브 가압 도징 횟수 5회, 반응 가스 서브 도징 횟수 5회로 금속 단원자층 구조체를 형성한 경우의 사진이다. 기타 다른 조건은 상기 설명한 조건과 동일하게 하였다.

도 13을 참조하면, 0.8nm의 얇은 두께로 금속 단원자층이 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 몰리브덴 금속 전구체 가스의 도징 압력에 따른 표면 커버리지 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 14에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스로서, 몰리브덴 헥사플로라이드 가스를 사용하여, 도 1의 단계 S100(도 2 참조) 의 도징 압력을 증가시켜 가면서 표면 커버리지를 측정한 결과이다.

도 14를 참조하면, 도징 압력이 각각 10, 20, 50, 100, 200, 300, 500, 1000, 2000, 3000mTorr인 경우, 표면 커버리지는 각각 68, 69, 70, 72, 73, 92, 94, 95, 98, 98%으로 증가하였다.

즉, 금속 전구체 가스의 도징 압력이 0.2mTorr로 저압인 경우, 표면 커버리지는 약75% 보다 좀 더 낮게 나타났다. 그러나 금속 전구체 가스의 도징 압력을 0.3mTorr 이상으로 증가시킨 경우, 표면 커버리지가 약90%로 현저히 우수한 것으로 나타났다.

도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 몰리브덴 금속 전구체 가스의 서브 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따른 XPS 및 전류 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 15에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스로서, 몰리브덴 헥사플로이드 가스를 사용하고 반응 가스로서, 다이실란(Si2H6)을 사용하였다. 또한, 금속 전구체 가스의 공급 압력은 도 4에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 적용하였다. 또한, 반응 가스의 공급 압력은 도 7에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 적용하되, 서브 가압 도징 횟수는 5회로 고정 하였다.

도 15에 도시된 그래프는, 몰리브덴 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따라 XPS와 전류 크기를 살펴본 것이다. 이 때, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수는 4회로 고정하였다. 또한 전체 공정 온도는 100도로 유지하였다. 금속 전구체 가스 및 반응 가스의 각 서브 도징 시 압력은 1Torr, 유지 시간은 30초로 설정하였다.

도 15(a)의 그래프를 참조하면, 몰리브덴 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가, 1,2,3,4,5,8,10으로 증가할수록 전류의 세기는, 21.4, 39, 43, 48.3, 48.4, 49.1, 48.8으로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 전류의 세기도 증가하는 것으로 나타나며, 특히 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 4회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타난다.

도 15(b)의 그래프를 참조하면, 몰리브덴 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가, 1,2,3,4,5,8,10으로 증가할수록 XPS 피크 강도는, 23859, 37784, 43680, 46833, 47299, 47249, 47593으로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 XPS 피크 강도도 높아지는 것으로 나타나며, 특히 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 4회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타났다.

이는, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수가 4회 이상인 경우, 금속 전구체의 기판 표면 흡착도가 포화 상태에 이른 것으로 이해될 수 있다.

도 16에 도시된 그래프는, 금속 전구체 가스로서, 몰리브덴 헥사플로라이드 가스를 사용하고 반응 가스로서, 다이실란(Si2H6)을 사용하고 도 7에 도시된 단계 S120의 제1 변형 압력 프로파일을 적용한 경우의 실험 결과를 나타낸다. 이 때, 금속 전구체 가스의 공급 압력은 도 4에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 적용하되, 서브 가압 도징 횟수는 5회로 고정 설정하였다.

도 16에 도시된 그래프는, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수에 따라 XPS와 전류 크기를 살펴본 것이다. 이 때, 금속 전구체 가스의 서브 가압 도징 횟수는 4회로 고정하였다. 또한 전체 공정 온도는 100도로 유지하였다. 금속 전구체 가스 및 반응 가스의 각 서브 가압 도징 시 압력은 1 Torr, 유지 시간은 30초로 설정하였다.

도 16(a)의 그래프를 참조하면, 반응 가스의 서브 도징 횟수가, 1,2,3,4,5,8,10으로 증가할수록 전류의 세기는, 35, 41, 45, 48.5, 48.6, 49.1, 49로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 전류의 세기도 증가하는 것으로 나타나며, 특히 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 4회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타난다.

도 16(b)의 그래프를 참조하면, 반응 가스의 서브 도징 횟수가 1,2,3,4,5,8,10으로 증가할수록 XPS 피크 강도는 36168, 43431, 45174, 46669, 46931, 47586, 47513로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 증가할수록 XPS 피크 강도도 높아지는 것으로 나타나며, 특히 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 4회인 경우, 포화 상태에 이른 것으로 나타난다.

이는, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수가 4회 이상인 경우, 반응 가스의 기판 표면 흡착도가 포화 상태에 이르렀기 때문인 것으로 해석된다.

도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 몰리브덴 단원자층 구조체의 표면 거칠기를 나타내는 사진이다. 이 때, 반응 가스의 서브 가압 도징 횟수는 4회로 고정하였다. 또한 전체 공정 온도는 100도로 유지하였다. 몰리브덴 헥사플로라이드 (MoF6) 및 다이실란(Si2H6)의 각 서브 가압 도징 시 압력은 1 Torr, 유지 시간은 30초로 설정하였다.

도 17을 참조하면, 표면 거칠기가 1.64옹스트롱으로 현저히 작은 것으로 나타난다. 이는 복수의 서브 가압 도징 단계에 의하여, 균일한 금속 단원자층이 형성될 수 있음을 의미한다.

이상, 도 1 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 방법 및 그를 이용하여 제조된 금속 단원자층 구조체를 설명하였다. 이하에서는 도 18을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치를 설명하기로 한다.

도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 18을 참조하여 설명하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치는 앞서 설명한 금속 단원자층 제조 방법 실시에 적용될 수 있다. 이하 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치의 각 구성이 설명된다.

도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치는, 챔버(100)를 포함할 수 있다. 상기 챔버(100)는 금속 단원자층이 형성될 기판이 수용될 수 있도록 수용 공간을 제공할 수 있다. 상기 챔버(100)의 수용 공간에는 기판이 안착되는 스테이지(102)가 제공될 수 있다.

상기 챔버(100)는 금속 전구체 가스, 불활성 가스, 반응 가스, 불활성 가스를 순차적으로 공급받기 위한 유입구(120) 및 유입된 가스를 유출하는 유출구(140)를 더 포함할 수 있다. 또한 유출구(140)는 유출량을 제어하는 유출 밸브(142)가 마련될 수 있다.

또한, 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치는 금속 전구체 가스를 저장하는 금속 전구체 가스 저장부(110), 불활성 가스를 저장하는 불활성 가스 저장부(112) 및 반응 가스를 저장하는 반응 가스 저장부(110)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 금속 전구체 가스 저장부(110)는 텅스텐 헥사플로라이드(WF6) 또는 몰리브덴 헥사플로라이드(MoF6)를 저장하고, 불활성 가스 저장부(112)는 아르곤 또는 질소 가스를 저장하고, 반응 가스 저장부(110)는 다이실란(Si2H6) 가스를 저장할 수 있다.

상기 금속 전구체 가스 저장부(110)에 저장된 금속 전구체 가스는, 금속 전구체 가스 제어 밸브(130)를 통하여 상기 챔버(100)의 유입구(120)로 제공될 수 있다. 상기 불활성 가스 저장부(112)에 저장된 불활성 가스는 불활성 가스 제어 벨브(132)를 통하여 상기 챔버(100)의 유입구(120)로 제공될 수 있다. 또한, 상기 반응 가스 저장부(114)에 저장된 반응 가스는 반응 가스 제어 밸브(134)를 통하여 상기 챔버(100)의 유입구(120)로 제공될 수 있다.

또한, 일 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 장치는 제어부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(150)는 각 구성을 제어하여 본 발명의 실시 예에 따른 금속 단원자층 제조 방법을 구현할 수 있다.

보다 구체적으로는, 금속 전구체 가스 제어 밸브(130), 불활성 가스 제어 벨브(132), 반응 가스 제어 밸브(134)를 제어함으로써, 상기 챔버(100)의 유입구(120)로 금속 전구체 반응 가스, 불활성 가스, 반응 가스 및 불활성 가스가 순차적으로 공급되도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부(150)는 단계 S100(도 1 도시)의 경우, 상기 금속 전구체 가스 제어 밸브(130)를 오픈시키고 상기 유출 밸브(142)를 닫음으로써, 상기 챔버(100) 내부를 밀폐시킬 수 있다. 이로써, 상기 챔버(100) 내부를 고압(0.3Torr 이상 100Torr 이하)으로 유지할 수 있으므로 금속 전구체 가스의 흡착율을 현저히 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 제어부(150)는 챔버 내의 압력을 제어함으로써, 기판에 흡착된 금속 전구체 가스의 표면 커버리지를 90% 이상으로 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부(150)는 도 4에 도시된 단계 S100의 제1 변형 압력 프로파일을 구현하기 위하여, 금속 전구체 가스의 서브 가압 단계에서는, 상기 금속 전구체 가스 제어 밸브(130)를 열고, 유출 밸브(142)를 닫을 수 있다. 또한, 서브 퍼징 단계에서는, 상기 불활성 가스 제어 밸브(132)와 유출 밸브(142)를 함께 열 수 있다. 이로써, 상기 제어부(150)는 상기 금속 전구체 가스를 상기 챔버 내로 제공하는 경우, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력과 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력 사이에 서브 퍼징 압력을 제공할 수 있다. 이 때, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력의 각각의 크기는 서로 동일할 수 있다. 또한, 상기 제어부(150)는 상기 서브 퍼징 압력이 상기 불활성 가스가 상기 챔버 내로 공급되는 메인 퍼징 압력보다 크거나 같도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부(150)는 각 밸브의 개폐 정도를 제어함으로써, 도 6에 도시된 단계 S100의 제2 변형 압력 프로파일을 구현할 수 있다. 이 때, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력의 크기는 서브 가압 도징 횟수에 따라 증가할 수 있다. 또한, 상기 제어부(150)는 상기 서브 퍼징 압력이 상기 불활성 가스가 상기 챔버 내로 공급되는 메인 퍼징 압력보다 크거나 같도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부(150)는 도 7에 도시된 단계 S120의 제1 변형 압력 프로파일을 구현하기 위하여, 반응 가스의 서브 가압 단계에서는, 상기 반응 가스 제어 밸브(134)를 열고, 유출 밸브(142)를 닫을 수 있다. 또한, 서브 퍼징 단계에서는, 상기 불활성 가스 제어 밸브(132)와 유출 밸브(142)를 함께 열 수 있다.

마찬가지로 상기 제어부(150)는 각 밸브의 개폐 정도를 제어함으로써, 도 8에 도시된 단계 S120의 제2 변형 압력 프로파일을 구현할 수 있다.

또한, 상기 제어부(150)는 금속 전구체 가스, 불활성 가스 또는 반응 가스를 챔버 내로 공급함에 있어서, 챔버 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 상기 제어부(150)는 예를 들어, 챔버 내의 온도를 100도 내지 200도로 제어할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

S: 기판
M: 금속 전구체 가스
R: 반응 가스
100: 챔버
102: 스테이즈
110: 금속 전구체 가스 저장부
112: 불활성 가스 저장부
114: 반응 가스 저장부
120: 유입구
140: 유출구
142: 유출 밸브
150: 제어부

Claims

기판이 마련된 챔버 내를 밀폐시킨 상태에서, 금속 전구체로 이루어진 금속 전구체 가스를 제공함으로써, 상기 챔버 내의 압력을 증가시켜, 상기 금속 전구체를 상기 밀폐된 챔버 내의 상기 기판에 흡착시키는 금속 전구체 가스 가압 도징(dosing) 단계:
상기 금속 전구체 가압 도징 단계 이후, 퍼지시키는 메인 퍼징(main purging) 단계;
상기 메인 퍼징 단계 후에, 반응 가스를 제공하여, 상기 기판에 흡착된 금속 전구체를 금속 단원자층으로 환원하는 반응 가스 도징 단계; 및
상기 반응 가스 도징 단계 이후, 퍼지시키는 메인 퍼징 단계;를 포함하는 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가스 가압 도징 단계에서, 상기 챔버 내의 압력은, 0.3Torr 내지 100Torr인 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가스 가압 도징 단계에서, 상기 기판에 흡착된 금속 전구체 가스의 표면 커버리지는 90% 이상인, 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가스 가압 도징 단계는, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계 및 상기 적어도 두 번의 서브 가압 단계 사이의 서브 퍼징 단계로 이루어지는, 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제4 항에 있어서,
상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계의 각각의 압력의 크기는 서브 가압 도징 단계의 횟수에 따라 증가하는 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제4 항에 있어서,
상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계의 각각의 압력은 서로 동일한, 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제4 항에 있어서,
상기 서브 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력은, 상기 메인 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력보다 높은 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제4 항에 있어서,
상기 서브 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력은, 상기 메인 퍼징 단계에서의 상기 챔버 내의 압력과 같은 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제4 항에 있어서,
상기 서브 가압 도징 단계는 4번 이상의 서브 가압 도징 단계로 이루어진 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가압 도징 단계, 상기 메인 퍼징 단계들 및 상기 반응 가스 도징 단계에서의 공정 온도는 서로 동일한 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제10 항에 있어서,
상기 공정 온도는 100도 내지 200도인 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 반응 가스 도징 단계는, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계 및 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 단계 사이의 서브 퍼징 단계로 이루어지는, 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가스는, 텅스텐 헥사플로라이드(WF6)를 포함하며, 상기 반응 가스는, 다이실란(Si2H6)를 포함하며, 상기 금속 단원자층은 텅스텐(W)으로 이루어진, 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가스는, 몰리브덴 헥사플로라이드(MoF6)를 포함하며, 상기 반응 가스는, 다이실란(Si2H6)를 포함하며, 상기 금속 단원자층은 몰리브덴(Mo)으로 이루어진, 가압식 금속 단원자층 제조 방법.
제1 항 및 제14 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 금속 단원자층 구조체.
금속 전구체로 이루어진 금속 전구체 가스, 불활성 가스, 반응 가스 및 불활성 가스가 순차적으로 제공되는 유입구;
상기 유입구와 연통하고 기판이 수용되는 챔버;
상기 챔버로 유입된 가스가 배출되는 유출구; 및
상기 금속 전구체 가스가 상기 챔버 내로 제공되는 경우, 상기 유출구를 닫아서 상기 기판이 수용된 챔버 내를 밀폐시킨 상태에서, 상기 챔버 내의 압력을 증가시켜, 상기 금속 전구체 가스를 상기 기판에 흡착시키는 제어부를 포함하는 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제16 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 금속 전구체 가스가 상기 챔버 내로 제공되는 경우, 상기 챔버 내의 압력을 0.3Torr 내지 100Torr로 제어하는 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제16 항에 있어서,
상기 챔버 내의 압력에 의하여, 상기 기판에 흡착된 금속 전구체 가스의 표면 커버리지는 90% 이상인, 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제16 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 금속 전구체 가스를 상기 챔버 내로 제공하는 경우, 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력과 상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력 사이에 서브 퍼징 압력을 제공하는, 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제19 항에 있어서,
상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력의 크기는 서브 가압 도징 횟수에 따라 증가하는 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제19 항에 있어서,
상기 적어도 두 번의 서브 가압 도징 압력의 각각의 압력은 서로 동일한, 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제19 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 서브 퍼징 압력이 상기 불활성 가스가 상기 챔버 내로 공급되는 메인 퍼징 압력보다 높도록 제어하는 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제19 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 서브 퍼징 압력이 상기 불활성 가스가 상기 챔버 내로 공급되는 메인 퍼징 압력과 같도록 제어하는 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제16 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가스는, 텅스텐 헥사플로라이드(WF6)를 포함하며, 상기 반응 가스는, 다이실란(Si2H6)를 포함하며, 상기 금속 단원자층은 텅스텐(W)으로 이루어진, 가압식 금속 단원자층 제조 장치.
제16 항에 있어서,
상기 금속 전구체 가스는, 몰리브덴 헥사플로라이드(MoF6)를 포함하며, 상기 반응 가스는, 다이실란(Si2H6)를 포함하며, 상기 금속 단원자층은 몰리브덴(Mo)으로 이루어진, 가압식 금속 단원자층 제조 장치.