KR102215640B1 - 기판 처리 장치와 이를 이용한 박막 형성 방법 및 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 및 제 2 처리 영역과, 제 1 및 제 2 처리 영역을 분할하는 제 1 및 제 2 분할 영역과, 제 2 처리 영역과 제 2 분할 영역 사이에 제 1 처리 영역의 반응 가스 일부를 유입하여 플라즈마 도핑을 실시하는 제 3 처리 영역을 포함하는 기판 처리 장치와 이를 이용한 박막 형성 방법 및 반도체 소자의 제조 방법이 제시된다.
Description
본 발명은 기판 처리 장치 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 기판 처리 장치를 이용한 저항을 낮출 수 있는 금속 리치(metal rich) 금속 질화막의 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 그 사이즈가 지속적으로 줄어들어 서브마이크로급(일반적으로 50 내지 100㎚급) 소자 또는 그 이하의 수십 나노급 소자들이 양산되고 있다. 이러한 고집적 반도체 소자의 배선 및 전극을 형성하기 위해 금속 화합물 박막을 이용하고 있다. 이러한 금속 화합물 박막으로는 TiN막, TaN막, WN막 등의 금속 질화막이 많이 이용된다. 즉, TiN막, TaN막 등이 배리어층으로 이용되고, TiN막, TaN막, WN막 등이 전극으로 이용될 수 있다.
이러한 금속 질화막은 주로 화학 기상 증착법(Chemical Vaper Deposition; CVD)을 이용하여 형성한다. 예를 들어, TiN막은 TiCl4와 NH3를 이용하여 CVD 방법으로 형성한다. 이러한 금속 질화막 및 이의 제조 장치가 한국공개특허 제2010-0071657호에 제시되어 있다.
그런데, TiN막 내에는 소오스 물질의 불순물, 즉 Cl이 존재하게 되고, 그에 따라 TiN막의 저항이 증가하게 된다. TiN막의 저항이 증가하게 되면 전하 이동 속도 등이 저하되고, 그에 따라 신호 전달 속도가 저하된다. 따라서, TiN막이 전극 또는 배리어층을 이용하는 반도체 소자의 동작 속도 등의 특성을 저하시키게 된다. 이러한 TiN막 내의 Cl 함량을 낮춰 저항을 낮추기 위해 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법으로 증착 방법을 변경하거나, 써멀(thermal) NH3 트리트먼트, H2 또는 H2/N2 플라즈마 트리트먼트 등을 실시하여 막내의 Cl을 HCl로 변화시켜 제거하는 방법을 이용하고 있다.
그러나, CVD 방법 또는 ALD 방법으로 박막을 증착한 후 트리트먼트 공정을 실시하더라도 박막 내의 Ti 비율을 높이기에 한계가 있으므로 저항을 더 낮출 수 없는 어려운 문제가 있다.
본 발명은 금속 질화막 내의 금속 함량을 높여 저항을 낮출 수 있는 박막 형성 방법 및 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 금속 질화막 내에 금속을 도핑함으로써 금속 함량을 높여 저항을 낮출 수 있는 박막 형성 방법 및 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 박막을 증착하는 처리 영역과 도핑 및 트리트먼트를 실시하는 초리 영역이 분할된 기판 처리 장치를 이용하여 박막 증착 후 도핑 및 트리트먼트 공정을 동일 챔버에서 연속적으로 실시하는 박막 형성 방법 및 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 챔버 내부에 복수의 반응이 발생하는 기판 처리 장치는 제 1 처리 영역; 제 2 처리 영역; 상기 제 1 처리 영역과 상기 제 2 처리 영역을 분할하는 제 1 분할 영역과 제 2 분할 영역; 및 상기 제 2 처리 영역과 상기 제 2 분할 영역 사이에 상기 제 1 처리 영역의 공정 가스 일부를 유입하여 플라즈마 도핑을 실시하는 제 3 처리 영역을 포함한다.
상기 제 1 처리 영역에는 각각 적어도 하나의 소오스 가스와 반응 가스가 공급되어 기판 상에 소정 박막이 형성된다.
상기 소오스 가스와 반응 가스는 서로 다른 경로를 통해 분리되어 공급된다.
상기 제 2 처리 영역에는 상기 박막을 도핑 및 트리트먼트하기 위한 도핑 가스 및 트리트먼트 가스가 공급된다.
상기 제 1 및 제 2 분할 영역에는 상기 제 1 및 제 2 처리 영역의 공간을 분할하기 위한 공간 분할 가스가 공급된다.
상기 제 2 분할 영역의 공간 분할 가스는 상기 제 1 분할 영역의 공간 분할 가스보다 낮은 압력 또는 공급량으로 공급된다.
상기 제 3 처리 영역은 상기 제 2 처리 영역 내에 마련된다.
적어도 상기 제 3 처리 영역 상에 플라즈마 발생부가 마련된다.
본 발명의 다른 양태에 따른 박막 형성 방법은 기판 상에 박막층을 증착하는 단계; 및 상기 박막층에 도핑 및 트리트먼트를 동시에 실시하는 단계를 포함하고, 상기 박막층 증착 단계와 도핑 및 트리트먼트 단계를 복수회 반복한다.
상기 박막층은 금속 질화물 박막을 포함한다.
상기 도핑 및 트리트먼트 공정은 금속 함유 가스 및 수소 가스를 각각 이용하여 실시한다.
상기 도핑 및 트리트먼트 공정은 플라즈마를 발생시켜 실시한다.
상기 박막층 증착 공정과 상기 도핑 및 트리트먼트 공정은 적어도 두 공간이 분할되고, 복수의 상기 기판이 일 방향으로 회전하는 챔버 내에서 연속적으로 실시된다.
상기 챔버를 2분할하도록 공간 분할 가스가 분사되고, 제 1 처리 영역에 적어도 하나 이상의 소오스 가스 및 반응 가스가 각각 공급되어 상기 박막층이 증착되며, 제 2 처리 영역에 상기 도핑 가스 및 트리트먼트 가스가 공급되어 도핑 및 트리트먼트가 실시된다.
상기 챔버를 2분할하도록 공간 분할 가스가 분사되고, 제 1 처리 영역에 적어도 하나 이상의 소오스 가스 및 반응 가스가 공급되어 상기 박막층이 증착되며, 제 2 처리 영역에 상기 트리트먼트 가스가 공급되고 상기 소오스 가스가 상기 제 1 처리 영역으로부터 유입되어 도핑 및 트리트먼트가 실시된다.
상기 공간 분할 가스는 적어도 일 영역이 다른 영역에 비해 적은 양 또는 낮은 압력으로 공급된다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 기판 상에 절연층, 전극 및 배선이 각각 적어도 하나 이상 적층되는 반도체 소자의 제조 방법으로서, 상기 전극 및 배리어층의 적어도 어느 하나는 금속 질화막을 이용하여 형성하며, 상기 금속 질화막은 금속 질화물 박막층을 형성하는 단계와, 상기 금속 질화물 박막층에 도핑 및 트리트먼트를 동시에 실시하는 단계를 복수회 반복하여 형성한다.
상기 도핑 및 트리트먼트 공정은 플라즈마를 발생시켜 실시한다.
상기 금속 질화물 박막층 증착 공정과 상기 도핑 및 트리트먼트 공정은 적어도 두 공간이 분할되고, 복수의 상기 기판이 일 방향으로 회전하는 챔버 내에서 연속적으로 실시된다.
상기 챔버를 2분할하도록 공간 분할 가스가 분사되고, 제 1 처리 영역에 적어도 하나 이상의 소오스 가스 및 반응 가스가 각각 공급되어 상기 박막층이 증착되며, 제 2 처리 영역에 상기 도핑 가스 및 트리트먼트 가스가 공급되어 도핑 및 트리트먼트가 실시된다.
상기 챔버를 2분할하도록 공간 분할 가스가 분사되고, 제 1 처리 영역에 적어도 하나 이상의 소오스 가스 및 반응 가스가 공급되어 상기 박막층이 증착되며, 제 2 처리 영역에 상기 트리트먼트 가스가 공급되고 상기 소오스 가스가 상기 제 1 처리 영역으로부터 유입되어 도핑 및 트리트먼트가 실시된다.
본 발명의 실시 예들은 공간 분할 가스에 의해 적어도 두 공간으로 분할된 기판 처리 장치의 제 1 처리 영역 내에서 금속 질화물 박막층을 형성한 후 제 2 처리 영역에서 금속 도핑 및 트리트먼트를 실시하는 공정을 복수회 반복 실시하여 금속 질화막을 형성함으로 금속 질화막 내의 금속 함유량이 높은 금속 리치 금속 질화막을 형성한다. 즉, 티타늄 등의 금속 원소를 금속 질화막에 도핑함으로써 금속 질화막 내의 금속 함유량을 증가시키고, 수소 플라즈마 트리트먼트를 실시함으로써 금속 질화막 내에 존재하는 Cl 불순물을 HCl로 변화시켜 제거할 수 있다. 따라서, 금속 질화막의 저항을 줄일 수 있고, 그에 따라 금속 질화막을 전극 또는 배리어층으로 이용하는 반도체 소자의 동작 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 이용되는 기판 처리 장치의 개략 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 이용되는 기판 처리 장치의 개략 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 이용되는 기판 처리 장치의 개략 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 이용되는 기판 처리 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 적용되는 기판 처리 장치는 소정의 공간을 제공하는 공정 챔버(110)와, 공정 챔버(110) 내부의 하측에 마련되어 적어도 하나의 기판(10)을 지지하는 기판 지지부(120)와, 공정 챔버(110)의 상부를 덮고 복수의 모듈 설치부(130a, 130b, 130c)가 마련된 챔버 리드(130)와, 기판 지지부(120)에 국부적으로 대향되도록 챔버 리드(130)에 설치되어 공정 챔버(110) 내의 공간에 공정 가스를 분사하는 가스 분사부(140)를 포함할 수 있다.
공정 챔버(110)는 기판 처리 공정, 예를 들어 박막 증착 및 트리트먼트 공정을 위한 공간을 제공한다. 이를 위해 공정 챔버(110)는 대략 원형의 평면부 및 평면부로부터 상향 연장된 측벽부를 포함하여 내부에 소정의 공간이 마련되는 통 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 공정 챔버(110)의 내부에는 기판 지지부(120)와 가스 분사부(140)가 서로 대향되도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 기판 지지부(120)가 공정 챔버(110)의 하측에 마련되고, 가스 분사부(140)가 공정 챔버(110)의 상측에 마련될 수 있다. 또한, 공정 챔버(110)는 제 1 영역에 기판(10)이 인입 및 인출되는 기판 출입구(미도시)가 마련될 수 있고, 공정 챔버(110)의 내부 압력을 조절하기 위해 공정 챔버(110)의 제 2 영역에는 배기구(미도시)가 마련되고 배기구에 배기부(미도시)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 기판 출입구는 공정 챔버(110)의 측벽부의 적어도 일부에 기판(10)이 출입할 수 있는 정도의 크기로 마련될 수 있고, 배기구는 기판 지지부(120)보다 낮은 위치의 공정 챔버(110)의 측벽부 또는 평면부를 관통하여 마련될 수 있다.
기판 지지부(120)는 공정 챔버(110) 내부의 하측에 회전 가능하게 마련된다. 이러한 기판 지지부(120)는 공정 챔버(110)의 중앙 바닥면을 관통하는 회전축(미도시)에 의해 지지되며, 전기적으로 플로팅(Floating) 또는 접지된다. 이때, 공정 챔버(110)의 외부로 노출되는 회전축은 벨로우즈(미도시) 등에 의해 밀폐될 수 있다. 이러한 기판 지지부(120)는 원판 형태를 가질 수 있고, 외부로부터 인입되는 적어도 하나의 기판(10)을 지지한다. 이때, 기판 처리 공정의 생산성을 향상시키기 위해 기판 지지부(120)에는 복수의 기판(10)이 원 형태를 가지도록 일정한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 기판 지지부(120)는 회전축의 회전에 따라 소정 방향(예를 들어, 시계 방향)으로 회전됨으로써 정해진 순서에 따라 기판(10)이 이동되어 가스 분사부(140)로부터 국부적으로 분사되는 공정 가스에 순차적으로 노출되도록 한다. 따라서, 기판(10)은 기판 지지부(120)의 회전 및 회전 속도에 따라 공정 가스에 순차적으로 노출되고, 그에 따라 기판(10)의 상면에는 단층 또는 복층의 박막이 증착될 수 있다.
챔버 리드(130)는 공정 챔버(110)의 상부에 공정 챔버(110)를 덮도록 마련된다. 이러한 챔버 리드(130)에는 가스 분사부(140)를 지지하기 위해 가스 분사부(140)가 일정한 간격을 가지도록 삽입 설치되는 복수의 모듈 설치부(130a, 130b, 130c)가 형성된다. 즉, 챔버 리드(130)의 소정 영역이 제거되어 복수의 모듈 설치부(130a, 130b, 130c)가 형성된다. 여기서, 제 1 및 제 3 모듈 설치부(130a, 130c)에 비해 제 2 모듈 설치부(130b)가 크게 형성될 수 있다. 즉, 제 2 모듈 설치부(130b)는 챔버 리드(130)의 중심점을 지나도록 직선 형태로 형성되고, 제 1 및 제 3 모듈 설치부(130a, 130c)는 챔버 리드(130)의 중심점, 즉 제 2 모듈 설치부(130b)의 중심 영역에 대향되도록 마련된다. 이때, 제 1 및 제 3 모듈 설치부(130a, 130c)는 제 2 모듈 설치부(130b)로부터 90°의 각도로 이격되어 형성될 수 있다.
가스 분사부(140)는 기판 지지부(120)에 국부적으로 대향되도록 챔버 리드(130)의 모듈 설치부(130a, 130b, 130c)에 삽입 설치된 복수의 가스 분사 모듈(140; 140a, 140b, 140c)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 내지 제 3 가스 분사 모듈(140a, 140b, 140c)이 제 1 내지 제 3 모듈 설치부(130a, 130b, 130c)에 각각 삽입되어 설치된다. 따라서, 제 2 가스 분사 모듈(140b)이 기판 지지부(120)의 중심점을 지나도록 일 방향으로 마련되고, 제 1 및 제 3 가스 분사 모듈(140a, 140c)는 제 2 가스 분사 모듈(140b)의 중심 영역을 향해 서로 대칭되도록 마련될 수 있다. 물론, 제 2 가스 분사 모듈(140b)은 제 1 및 제 3 가스 분사 모듈(140a, 140c)과 마찬가지로 둘로 분리되어 서로 대향되어 마련될 수 있고, 이를 위해 제 2 모듈 설치부(130b)는 제 1 및 제 3 모듈 설치부(130a, 130c)와 마찬가지로 둘로 분리되어 서로 대향되어 마련될 수 있다. 여기서, 제 2 가스 분사 모듈(140b)는 공정 챔버(110) 내부의 공간을 분할하기 위한 공간 분할 가스를 분사하고, 제 1 가스 분사 모듈(140a)은 박막 증착 가스를 분사하며, 제 3 가스 분사 모듈(140c)은 트리트먼트 가스를 분사하고 도핑 가스를 분사할 수 있다. 즉, 제 2 가스 분사 모듈(140b)을 통해 공간 분할 가스가 분사되어 공정 챔버(110) 내부의 공간이 제 1 및 제 2 처리 영역의 둘로 분할되고, 제 1 처리 영역에 제 1 가스 분사 모듈(140a)로부터 각각 적어도 하나의 소오스 가스 및 반응 가스를 포함하는 박막 증착 가스가 분사되어 기판(10) 상에 박막 증착 공정이 진행되며, 제 2 처리 영역에 제 3 가스 분사 모듈(140c)로부터 트리트먼트 가스 및 도핑 가스가 분사되어 트리트먼트 공정 및 도핑 공정이 진행된다. 여기서, 기판 지지부(120)가 회전하는 방향으로 제 1 및 제 2 처리 영역 사이의 공간 분할 가스가 분사되는 영역이 제 1 분할 영역이고, 제 2 및 제 1 처리 영역 사이의 공간 분할 가스가 분사되는 영역이 제 2 분할 영역이 될 수 있다. 또한, 제 1 가스 분사 모듈(140a)는 소오스 가스와 반응 가스를 각각 분사하는 두 영역으로 분리될 수 있으며, 제 3 가스 분사 모듈(140c)은 트리트먼트 가스와 도핑 가스를 각각 분사하는 두 영역으로 분리될 수 있다. 즉, 소오스 가스와 반응 가스는 서로 다른 유로를 통해 제 1 가스 분사 모듈(140a)로 공급되고, 제 1 가스 분사 모듈(140a)로부터 제 1 처리 영역 내로 각각 분사될 수 있다. 마찬가지로, 트리트먼트 가스와 도핑 가스는 서로 다른 유로를 통해 제 3 가스 분사 모듈(140c)로 공급되고, 제 3 가스 분사 모듈(140c)로부터 제 2 처리 영역 내로 각각 분사될 수 있다. 물론, 소오스 가스와 반응 가스는 서로 다른 유로를 통해 제 1 가스 분사 모듈(140a)로 공급되고 제 1 가스 분사 모듈(140a) 내에서 혼합되어 제 1 처리 영역으로 분사될 수 있고, 도핑 가스와 트리트먼트 가스도 서로 다른 유로를 통해 제 3 가스 분사 모듈(140c)로 공급되고 제 3 가스 분사 모듈(140c) 내에서 혼합되어 제 2 처리 영역으로 분사될 수도 있다. 한편, 공간 분할 가스는 아르곤 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다. 또한, 박막 증착 가스는 형성하고자 하는 박막에 따라 다양한 공정 가스를 이용할 수 있는데, 예를 들어 각각 적어도 하나의 소오스 가스와 반응 가스를 포함하는 공정 가스를 이용할 수 있다. 소오스 가스로는 예를 들어 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 등의 금속 물질을 함유하는 가스를 이용할 수 있다. 예를 들어, 티타늄을 함유하는 소오스 가스로는 TiCl4(titanium chloride)를 이용할 수 있다. 물론, TiCl4 이외에 TDMAT(tetrakis dimethylamino titanium, Ti(N(CH3)2)4), TDEAT(tetrakis diethylamino titanium, Ti(N(CH2CH3)2)4), TiCl3(titanium chloride), TiI4(titanium iodide), TiBr2(titanium bromide), TiF4(titanium fluoride), (C5H5)2TiCl2(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(tetrachlorodiamino titanium) 및 (CH3)5C5Ti(CH3)3(trimethylpentamethylcyclopenta dienyltitanium) 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 반응 가스는 예를 들어 질소(N2), 이산화질소(N2O), 암모니아(NH3) 등의 질소 함유 가스를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어 TiN막을 형성하기 위해 소오스 가스로서 TiCl4 가스와 반응 가스로서 NH3 가스를 이용할 수 있다. 그리고, 트리트먼트 가스로는 수소 가스를 이용할 수 있고, 도핑 가스로는 박막 증착 시 이용된 소오스 가스가 이용될 수 있다. 예를 들어 TiN막을 형성하기 위해 TiCl4 가스를 소오스 가스로 이용한 경우 도핑 가스로 TiCl4 가스가 이용될 수 있다. 그러나, 도핑 가스는 TiCl4 가스 이외에 Ti를 함유하는 다양한 가스를 이용할 수 있다. 한편, 제 3 가스 분사 모듈(140c)에는 소정의 전원이 인가되어 예를 들어 트리트먼트 및 도핑 가스를 플라즈마 상태로 활성화시켜 공급할 수 있다. 플라즈마 전원은 고주파 전력 또는 RF(Radio Frequency) 전력이 인가될 수 있다. 따라서, 트리트먼트 및 도핑 공정은 예를 들어 수소 및 도핑 가스의 플라즈마를 이용하여 실시할 수 있다.
상기 기판 처리 장치를 이용한 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 도 2(a) 내지 도 2(e)를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 기판(10)을 공정 챔버(110) 내의 기판 지지부(120)에 예를 들어 방사상으로 배치한 후 제 2 가스 분사 모듈(140b)를 이용하여 공정 챔버(110) 내에 공간 분할 가스를 분사하여 공정 챔버(110)를 적어도 두 공간으로 분할한다. 이와 동시에, 제 1 가스 분사 모듈(140a)을 통해 박막 증착 가스가 공급되고, 제 3 가스 분사 모듈(140c)를 통해 트리트먼트 및 도핑 가스를 분사한다. 이때, 제 3 가스 분사 모듈(140c)에 소정의 전원을 공급함으로써 트리트먼트 및 도핑 가스가 플라즈마 상태로 활성화되어 공급된다. 즉, 제 2 가스 분사 모듈(140b)을 통해 공간 분할 가스가 공급되어 공정 챔버(110)는 제 1 처리 영역 및 제 2 처리 영역으로 분할되고, 제 1 처리 영역에 제 1 가스 분사 모듈(140a)을 통해 박막 증착 가스가 분사되며, 제 2 처리 영역에 제 3 가스 분사 모듈(140c)을 통해 트리트먼트 및 도핑 가스가 분사된다.
이렇게 하여 도 2(a)에 도시된 바와 같이 제 1 가스 분사 모듈(140a)로부터 각각 적어도 하나의 소오스 가스와 반응 가스가 분사되어 기판(10) 상에 제 1 박막층(21)이 형성된다. 예를 들어, TiCl4를 포함하는 티타늄 함유 소오스 가스와 NH4를 포함하는 질소 함유 반응 가스가 제 1 가스 분사 모듈(140a)로부터 분사되어 제 1 공간에 위치하는 기판(10) 상에 예를 들어 제 1 티타늄 질화물 박막층이 소정 두께로 형성될 수 있다. 물론, 소오스 가스와 반응 가스에 따라 박막의 막질이 조절될 수 있는데, 예를 들어 텅스텐 함유 소오스 가스와 질소 함유 반응 가스를 공급하여 텅스텐 질화물 박막층이 형성될 수도 있다.
그리고, 기판 지지부(120)의 회전에 의해 제 1 박막층(21)이 소정 두께로 형성된 기판(10)이 제 2 처리 영역으로 진입하게 된다. 제 2 처리 영역에는 제 3 가스 분사 모듈(140c)을 통해 예를 들어 수소 가스 및 티타늄 함유 가스가 트리트먼트 가스 및 도핑 가스로서 각각 공급되고, 플라즈마가 발생되어 있으므로 도 2(b)에 도시된 바와 같이 제 1 박막층(21)은 예를 들어 티타늄이 도핑되는 동시에 플라즈마 트리트먼트가 실시된다. 따라서, 예를 들어 티타늄 등의 금속 원소가 제 1 박막층(21)에 포함되고 트리트먼트되어 제 1 박막층(21a)이 형성된다. 이렇게 예를 들어 티타늄 등의 금속 원소를 제 1 박막층(21)에 도핑함으로써 제 1 박막층(21)의 금속 함유량을 증가시켜 도전성을 향상시킬 수 있고, 수소 플라즈마 트리트먼트를 실시함으로써 제 1 박막층(21) 내에 존재하는 Cl 불순물을 HCl로 변화시켜 제거할 수 있다.
이어서, 기판 지지부(120)의 회전에 의해 도핑 및 트리트먼트된 제 1 박막층(21a)이 형성된 기판(10)이 제 1 처리 영역으로 진입하게 된다. 제 1 처리 영역에는 제 1 가스 분사 모듈(140a)로부터 박막 증착 가스가 분사되고 있으므로 도 2(c)에 도시된 바와 같이 도핑 및 트리트먼트된 제 1 박막층(21a) 상에 제 2 박막층(22)이 형성된다.
이어서, 기판 지지부(120)의 회전에 의해 제 2 박막층(22)이 형성된 기판(10)이 제 2 처리 영역으로 진입하게 된다. 제 2 처리 영역에는 제 3 가스 분사 모듈(140c)로부터 도핑 가스 및 수소 가스가 플라즈마 상태로 존재하고 있으므로 도 2(d)에 도시된 바와 같이 제 2 박막층(22)에 도핑 및 수소 플라즈마 트리트먼트가 실시된다. 따라서, 예를 들어 티타늄 등의 금속 원소가 제 2 박막층(22)에 포함되고 트리트먼트되어 제 2 박막층(22a)이 형성된다.
이렇게 기판 지지부(120)의 회전에 의해 기판 지지부(120) 상의 기판(10)이 제 1 처리 영역 및 제 2 처리 영역에 반복 진입하여 박막층(21, 22)이 증착된 후 도핑 및 트리트먼트가 복수회 반복 실시된다. 따라서, 도 2(e)에 도시된 바와 같이 소정 두께의 금속이 도핑되고 트리트먼트된 박막(20)이 형성된다. 이때, 박막(20)의 두께에 따라 적어도 2회 이상의 박막층 증착, 도핑 및 트리트먼트 공정을 반복 실시할 수 있다. 예를 들어, 티타늄 질화막 증착 공정과 도핑 및 트리트먼트 공정을 2회 내지 20회 정도 실시하여 금속 리치 금속 질화막을 형성할 수 있다.
한편, 상기 실시 예는 금속 질화물 박막층을 형성하기 위한 소오스 가스와 동일한 도핑 가스를 이용하여 금속 질화물 박막을 도핑하였다. 그러나, 도핑 가스는 소오스 가스와 다른 물질을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 티타늄 함유 소오스 가스를 이용하여 TiN막을 형성하고 탄탈륨 함유 가스를 이용하여 TiN막을 도핑할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 공간 분할 기판 처리 장치를 이용하여 금속 질화물 박막을 형성한 후 금속 도핑 및 트리트먼트를 실시하는 공정을 복수회 반복 실시하여 금속 질화막을 형성함으로 금속 질화막 내의 금속 함유량을 증가시킬 수 있다. 즉, 티타늄 등의 금속 원소를 금속 질화막에 도핑함으로써 금속 질화막 내의 금속 함유량을 증가시켜 도전성을 향상시킬 수 있고, 수소 플라즈마 트리트먼트를 실시함으로써 금속 질화막 내에 존재하는 Cl 불순물을 HCl로 변화시켜 제거할 수 있다. 따라서, 금속 질화막의 저항을 줄일 수 있고, 그에 따라 금속 질화막을 전극 또는 배리어층으로 이용하는 반도체 소자의 동작 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예는 도 1에 도시된 기판 처리 장치를 이용하여 제 1 처리 영역에서 금속 질화물 박막층의 증착 공정이 실시되고, 제 2 처리 영역에서 금속 도핑 및 트리트먼트 공정이 실시되며, 이러한 증착 공정과 도핑 및 트리트먼트 공정을 반복함으로써 금속이 도핑된 금속 질화막을 형성하였다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 변경할 수 있으며, 예를 들어 기판 처리 장치의 구조를 변경하여 금속이 도핑된 금속 질화막을 형성할 수 있다. 이러한 본 발명의 다른 실시 예에 이용되는 기판 처리 장치를 도 3에 도시하였다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 이용되는 기판 처리 장치의 다른 실시 예는 소정의 공간을 제공하는 공정 챔버(110)와, 공정 챔버(110) 내부의 하측에 마련되어 적어도 하나의 기판(10)을 지지하는 기판 지지부(120)와, 공정 챔버(110)의 상부를 덮는 챔버 리드(130)와, 기판 지지부(120)에 국부적으로 대향되도록 챔버 리드(130)에 설치되어 공정 공간 내에서 공정 가스를 분사하는 가스 분사부(140)를 포함할 수 있다. 여기서, 공정 챔버(110), 기판 지지부(120)는 도 1의 기판 처리 장치와 동일하므로 그 설명은 생략하도록 한다.
챔버 리드(130)는 공정 챔버(110)의 상부를 덮도록 마련되어 공정 챔버(110)를 밀폐한다. 이러한 챔버 리드(130)에는 가스 분사부(140)를 지지하기 위해 가스 분사부(140)가 일정한 간격, 예를 들어 방사 형태를 가지도록 삽입 설치되는 복수의 모듈 설치부(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)가 형성된다. 여기서, 복수의 모듈 설치부(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)는 모두 동일 크기로 형성될 수 있고, 적어도 어느 하나가 적어도 다른 하나보다 크게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 3 및 제 5 모듈 설치부(131c, 131e)가 제 1 , 제 2 및 제 4 모듈 설치부(131a, 131b, 131d)에 비해 크게 형성될 수 있다. 이때, 제 3 및 제 5 모듈 설치부(131c, 131e)는 챔버 리드(130)의 중심점에 대향되도록 마련된다. 즉, 제 3 및 제 5 모듈 설치부(131c, 131e)를 가상의 연장선으로 연결할 때 챔버 리드(130)의 중심점을 지나 챔버 리드(130)를 반분하도록 마련될 수 있다. 또한, 제 3 및 제 5 모듈 설치부(131c, 131e)에 의해 반분된 챔버 리드(130)의 제 1 영역에는 제 1 및 제 2 모듈 설치부(131a, 131b)가 마련되고, 제 2 영역에는 제 4 모듈 설치부(131d)가 마련된다. 이때, 제 1 및 제 2 모듈 설치부(131a, 131b)는 제 3 및 제 5 모듈 설치부(131c, 131e) 사이에서 동일 각도, 예를 들어 60°의 각도로 마련될 수 있고, 제 4 모듈 설치부(131d)는 제 3 및 제 5 모듈 설치부(131c, 131e) 사이에서 예를 들어 90°의 각도로 마련될 수 있다.
가스 분사부(140)는 기판 지지부(120)에 국부적으로 대향되도록 챔버 리드(130)의 모듈 설치부(131)에 삽입 설치된 복수의 가스 분사 모듈(140; 141a, 141b, 141c, 141d, 141e)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 내지 제 5 가스 분사 모듈(141a, 141b, 141c, 141d, 141e)이 제 1 내지 제 5 모듈 설치부(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)에 각각 삽입되어 설치된다. 따라서, 제 3 및 제 5 가스 분사 모듈(141c, 141e)이 기판 지지부(120)의 중심점을 마주보도록 대칭적으로 마련되고, 제 3 및 제 5 가스 분사 모듈(141c, 141e)의 일측에 제 1 및 제 2 가스 분사 모듈(141a, 141b)이 마련되며, 타측에 제 4 가스 분사 모듈(141d)이 마련될 수 있다. 여기서, 제 3 및 제 5 가스 분사 모듈(141c, 141e)은 공정 챔버(110) 내부의 공간을 분할하기 위한 공간 분할 가스를 분사하고, 제 1 및 제 2 가스 분사 모듈(141a, 141b)은 박막 증착 가스를 분사하며, 제 4 가스 분사 모듈(141d)은 트리트먼트 가스를 분사할 수 있다. 즉, 제 3 및 제 5 가스 분사 모듈(141c, 141e)을 통해 공간 분할 가스가 제 1 및 제 2 분할 영역으로 분사되어 공정 챔버(110) 내부의 공간이 제 1 및 제 2 처리 영역으로 분할되고, 제 1 처리 영역에 제 1 및 제 2 가스 분사 모듈(141a, 141b)로부터 각각 적어도 하나의 소오스 가스 및 반응 가스를 포함하는 박막 증착 가스가 분사되어 기판(10) 상에 박막 증착 공정이 진행되며, 제 2 처리 영역에 제 4 가스 분사 모듈(141d)로부터 트리트먼트 가스가 분사되어 트리트먼트 공정이 진행된다. 한편, 제 3 가스 분사 모듈(140c)에는 소정의 전원이 인가되어 예를 들어 도핑 및 트리트먼트 가스를 플라즈마 상태로 활성화시켜 공급할 수 있다. 여기서, 제 1 가스 분사 모듈(141a)는 소오스 가스를 분사할 수 있고, 제 2 가스 분사 모듈(141b)은 반응 가스를 분사할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 소오스 가스를 분사하는 제 1 가스 분사 모듈(141a)과 반응 가스를 분사하는 제 2 가스 분사 모듈(141b)가 분할되어 마련된다. 제 1 및 제 2 가스 분사 모듈(141a, 141b)을 통해 소오스 가스 및 반응 가스가 각각 분사되기 때문에 기판(10) 상에 소오스 가스가 흡착된 후 반응 가스와 반응하여 소정의 박막이 형성될 수 있다. 또한, 제 3 및 제 5 가스 분사 모듈(141c, 141e)은 서로 다른 압력 또는 공급량으로 공간 분할 가스를 분사할 수 있다. 예를 들어, 소오스 가스를 분사하는 제 1 가스 분사 모듈(141a)과 인접한 제 5 가스 분사 모듈(141e)이 제 3 가스 분사 모듈(141c)에 비해 공간 분할 가스의 공급량 또는 공급 압력이 낮을 수 있다. 제 5 가스 분사 모듈(141e)로부터 분사되는 공간 분할 가스의 공급량 또는 공급 압력이 낮게 조절하면 제 1 가스 분사 모듈(141a)로부터 공급되는 소오스 가스가 제 2 처리 영역 쪽으로 흘러들어갈 수 있다. 따라서, 제 2 처리 영역에서 트리트먼트 공정이 진행되는 동시에 금속 도핑 공정이 실시될 수 있고, 제 1 처리 영역의 소오스 가스가 제 2 처리 영역 쪽으로 흘러들어가 반응하는 제 3 처리 영역이 형성될 수 있다. 즉, 제 2 처리 영역의 일부가 제 3 처리 영역이 된다. 이때, 제 5 가스 분사 모듈(141e)의 분할 가스 공급량 또는 공급 압력은 소오스 가스가 제 1 처리 영역으로부터 제 3 처리 영역으로 유입되어 기판의 박막을 도핑하는 량에 따라 조절할 수 있다. 물론, 제 1 가스 분사 모듈(141a)로부터 분사되는 소오스 가스에 의해 예를 들어 금속 질화막 등의 박막 증착 공정과 도핑 공정이 실시되기 때문에 소오스 가스의 공급량은 본 발명의 일 실시 예에 비해 더 많이 공급할 수 있다.
이러한 기판 처리 장치의 다른 실시 예를 이용한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 기판(10)을 공정 챔버(110) 내의 기판 지지부(120)에 예를 들어 방사상으로 배치한 후 제 3 및 제 5 가스 분사 모듈(141c, 141e)를 이용하여 공정 챔버(110) 내에 공간 분할 가스를 분사하여 공정 챔버(110)를 적어도 두 공간으로 분할한다. 이와 동시에, 제 1 가스 분사 모듈(141a)을 통해 소오스 가스가 공급되고, 제 2 가스 분사 모듈(141b)를 통해 반응 가스가 공급되며, 제 4 가스 분사 모듈(141d)를 통해 트리트먼트 가스가 공급된다. 이때, 제 1 가스 분사 모듈(141a)과 인접한 제 5 가스 분사 모듈(141e)을 통해 분사되는 공간 분할 가스는 제 3 가스 분사 모듈(141c)를 통해 분사되는 공간 분할 가스보다 낮은 압력 또는 적은 양으로 공급된다. 즉, 제 2 가스 분사 모듈(141b)로부터 제 1 처리 영역으로 분사되는 반응 가스가 제 2 처리 영역 쪽으로 흘러들어 가지 않도록 제 3 가스 분사 모듈(141c)을 통해 제 1 압력 또는 제 1 공급량으로 공간 분할 가스가 공급된다. 그러나, 제 1 가스 분사 모듈(141a)로부터 제 1 처리 영역으로 분사되는 소오스 가스가 제 3 처리 영역으로 흘러들어 가도록 제 5 가스 분사 모듈(141e)을 통해 제 1 압력보다 낮은 제 2 압력 또는 제 1 공급량보다 적은 제 2 공급량으로 공간 분할 가스가 공급된다. 따라서, 제 1 가스 분사 모듈(141a)를 통해 제 1 처리 영역으로 분사되는 소오스 가스는 제 2 처리 영역 쪽으로 흘러들어가 제 2 처리 영역에서 트리트먼트 공정이 실시되는 동시에 제 3 처리 영역에서 금속 도핑 공정이 실시될 수 있다. 한편, 제 4 가스 분사 모듈(141d)에 소정의 전원을 공급함으로써 제 2 처리 영역 내에 존재하는 도핑 가스 및 트리트먼트 가스는 플라즈마 상태로 활성화된다.
이렇게 하여 제 1 및 제 2 가스 분사 모듈(141a, 141b)로부터 각각 적어도 하나의 소오스 가스와 반응 가스가 분사되어 기판 상에 제 1 박막층이 형성된다. 예를 들어, TiCl4를 포함하는 티타늄 함유 소오스 가스와 NH4를 포함하는 질소 함유 반응 가스가 제 1 및 제 2 가스 분사 모듈(141a, 141b)로부터 분사되어 제 1 공간에 위치하는 기판(10) 상에 예를 들어 제 1 티타늄 질화물 박막층이 소정 두께로 형성될 수 있다.
그리고, 기판 지지부(120)의 회전에 의해 제 1 박막층이 소정 두께로 형성된 기판이 제 2 처리 영역으로 진입하게 된다. 제 2 처리 영역에는 제 4 가스 분사 모듈(141d)을 통해 예를 들어 수소 가스가 트리트먼트 가스로 공급되고 제 1 가스 분사 모듈(141a)를 통해 분사되는 소오스 가스가 제 3 처리 영역으로 유입되며, 플라즈마가 발생되어 있으므로 제 1 박막층은 예를 들어 티타늄이 도핑되는 동시에 플라즈마 트리트먼트가 실시된다. 이렇게 티타늄 등의 금속 원소를 제 1 박막층에 도핑함으로써 제 1 박막층의 금속 함유량을 증가시켜 도전성을 향상시킬 수 있고, 수소 플라즈마 트리트먼트를 실시함으로써 제 1 박막층 내에 존재하는 Cl 불순물을 HCl로 변화시켜 제거할 수 있다.
이어서, 기판 지지부(120)의 회전에 의해 도핑 및 트리트먼트된 제 1 박막층이 형성된 기판(10)이 제 1 처리 영역으로 진입하게 된다. 제 1 처리 영역에는 제 1 및 제 2 가스 분사 모듈(141a, 141b)로부터 소오스 가스 및 반응 가스가 분사되고 있으므로 도핑 및 트리트먼트된 제 1 박막층 상에 제 2 박막층이 형성된다.
이어서, 기판 지지부(120)의 회전에 의해 제 2 박막층이 형성된 기판이 제 2 처리 영역으로 진입하게 된다. 제 2 처리 영역에는 제 4 가스 분사 모듈(141d)을 통해 예를 들어 수소 가스 등의 트리트먼트 가스 공급되고 제 1 가스 분사 모듈(141a)을 통해 분사되는 소오스 가스가 제 3 처리 영역으로 유입되며, 플라즈마가 발생되어 있으므로 제 2 박막층은 예를 들어 티타늄이 도핑되는 동시에 플라즈마 트리트먼트가 실시된다.
이렇게 기판 지지부(120)의 회전에 의해 기판 지지부(120) 상의 기판(10)이 제 1 처리 영역, 제 2 처리 영역 및 제 3 처리 영역에 반복 진입하여 박막층(21, 22)이 증착된 후 도핑 및 트리트먼트가 복수회 반복 실시된다. 따라서, 소정 두께의 금속이 도핑되고 트리트먼트된 박막(20)이 형성된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시 예들에 따른 박막 형성 방법을 이용하여 반도체 소자의 배선 또는 전극으로 이용되는 금속 질화막을 형성할 수 있다. 이러한 금속 질화막을 배선으로 이용하는 경우의 반도체 소자의 제조 방법을 도 4(a) 내지 도 4(c)를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4(a)를 참조하면, 소정의 반도체 구조물이 형성된 기판(210) 상에 하부 배선층(220)을 형성한다. 즉, 웰이 형성된 기판(210)에 게이트 전극과 소오스/드레인을 포함하는 트랜지스터를 형성하고, 트랜지스터 상에 층간 절연막을 형성한 후 그 상부에 소오스와 접속된 비트라인을 형성한다. 이때, 비트라인이 하부 배선층(220)으로 이용될 수 있다. 그리고, 하부 배선층(220) 상에 층간 절연막(230)을 형성하고, 층간 절연막(230)의 일부를 식각하여 하부 배선층(220)의 일부를 노출시키는 비아홀(235)을 형성한다. 층간 절연막(230)으로는 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 계열의 물질 또는 저유전 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 전체 구조의 표면 즉, 층간 절연막(230) 상부와 비아홀(235)의 내측을 따라 배리어층(240)을 형성한다. 배리어층(240)은 본 발명의 실시 예들에 따른 박막 형성 방법을 이용하여 예를 들어 TiN, TaN 등의 금속 질화막으로 형성할 수 있다. 공간 분할 기판 처리 장치 내의 제 1 처리 영역에서 TiN 박막층 증착 공정이 실시되고, 제 2 처리 영역 내에서 금속 도핑 및 트리트먼트 공정이 실시되며, 이러한 박막 증착 공정과 금속 도핑 및 트리트먼트 공정이 복수회 반복 실시될 수 있다.
도 4(c)를 참조하면, 배리어층(240) 상에 구리 씨드층(미도시)을 형성한 후 그 상부에 구리 박막을 형성하여 상부 배선층(250)을 형성한다. 여기서, 상부 배선층(250)을 형성하기 위해 소정의 식각 공정을 실시할 수도 있고, CMP 공정을 실시할 수도 있다.
한편, 상기 실시 예는 TiN, TaN 등의 금속 질화막을 이용하여 배리어층(240)을 형성하였으나, 트랜지스터의 게이트 전극, 캐패시터의 하부 전극 및 상부 전극의 적어도 어느 하나를 금속 질화막을 이용하여 형성할 수 있다. 전극으로 이용되는 금속 질화막은 TiN, TiN, WN 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 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.
110 : 공정 챔버 120 : 기판 지지부
130 : 챔버 리드 140 : 가스 분사부
130 : 챔버 리드 140 : 가스 분사부
Claims (21)
- 챔버 내부에 복수의 반응이 발생하는 기판 처리 장치에 있어서,
적어도 하나의 소오스 가스와 적어도 하나의 반응 가스가 분사되어 기판 상에 박막을 형성하는 제 1 처리 영역;
트리트먼트 가스가 분사되는 제 2 처리 영역;
상기 제 1 처리 영역과 상기 제 2 처리 영역을 분할하는 제 1 분할 영역과 제 2 분할 영역; 및
상기 제 2 처리 영역 내에 상기 제 1 처리 영역의 상기 소오스 가스의 일부를 유입하여 도핑을 실시하는 제 3 처리 영역을 포함하는 기판 처리 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 소오스 가스와 상기 반응 가스는 서로 다른 경로를 통해 분리되어 공급되는 기판 처리 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 제 2 처리 영역에는 상기 박막을 도핑하기 위한 도핑 가스가 공급되는 기판 처리 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 분할 영역에는 상기 제 1 및 제 2 처리 영역의 공간을 분할하기 위한 공간 분할 가스가 공급되고,
상기 제 2 분할 영역의 공간 분할 가스는 상기 제 1 분할 영역의 공간 분할 가스보다 낮은 압력 또는 공급량으로 공급되는 기판 처리 장치.
- 청구항 1에 있어서, 적어도 상기 제 3 처리 영역 상에 플라즈마 발생부가 마련되는 기판 처리 장치.
- 챔버 내부에 복수의 반응이 발생하는 기판 처리 장치의 박막 형성 방법으로서,
상기 챔버는 적어도 하나의 소오스 가스와 적어도 하나의 반응 가스가 분사되는 제 1 처리 영역과 트리트먼트 가스가 분사되는 제 2 처리 영역을 포함하고,
상기 챔버를 상기 제 1 처리 영역과 제 2 처리 영역으로 분할하도록 공간 분할 가스가 분사되고, 제 1 처리 영역에서 상기 기판 상에 박막층이 증착되며,
상기 제 2 처리 영역에 상기 트리트먼트 가스가 공급되고, 상기 소오스 가스가 상기 제 1 처리 영역으로부터 상기 제 2 처리 영역으로 유입되어, 상기 제 2 처리 영역에서 도핑 및 트리트먼트가 실시되는 박막 형성 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 박막층은 금속 질화물 박막을 포함하는 박막 형성 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 도핑 및 트리트먼트 공정은 금속 함유 가스 및 수소 가스를 각각 이용하여 실시하는 박막 형성 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 도핑 및 트리트먼트 공정은 플라즈마를 발생시켜 실시하는 박막 형성 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 공간 분할 가스는 적어도 일 영역이 다른 영역에 비해 적은 양 또는 낮은 압력으로 공급되는 박막 형성 방법.
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