KR102359908B1 - 박막 증착장치 및 박막 증착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 증착장치 및 박막 증착방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막 내의 불순물 함유량을 줄여 박막의 비저항을 감소시키는 박막 증착장치 및 박막 증착방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치는 기판 상에 제1 금속과 반응원을 반응시켜 박막을 형성하는 증착공정이 이루어지는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내에 상기 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 소스가스 노즐부; 상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 전처리가스 노즐부; 및 상기 공정 챔버 내에 상기 반응원을 포함하는 반응가스를 공급하는 반응가스 노즐부;를 포함할 수 있다.

Description

박막 증착장치 및 박막 증착방법{Apparatus for depositing thin film and method for depositing thin film}
본 발명은 박막 증착장치 및 박막 증착방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막 내의 불순물 함유량을 줄여 박막의 비저항을 감소시키는 박막 증착장치 및 박막 증착방법에 관한 것이다.
반도체 산업 분야에서 원자층 증착(Atomic layer deposition; ALD) 방식, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방식 등을 이용하여 반도체 소자로 활용되는 박막(thin film)을 증착하고 있다. 이때, 박막 증착을 위한 소스가스(source gas)로서 증착금속과 리간드(또는 결합원소)를 포함하는 금속 전구체 화합물(metallic precursor compound)이 주로 이용되고 있다.
종래에는 금속 전구체 화합물을 이용하여 박막을 증착하는 경우에 증착금속과 리간드 간의 결합(bonding)이 효과적으로 끊어지지 못하여 리간드의 일부가 결합된 상태로 증착금속이 증착됨으로써, 박막 내에 리간드가 함유되어 불순물로 작용할 수 있고, 이에 따라 박막의 비저항을 높이는 문제를 발생시킨다.
최근, 반도체 소자의 고성능, 고집적도가 요구되고 소자 크기가 소형화됨에 따라 반도체 소자로 활용되는 박막의 비저항 특성을 향상시키는 기술이 필요하다.
한국등록특허공보 제10-0642763호
본 발명은 리간드를 포함하는 소스가스를 이용하면서 박막 내에 리간드 등의 불순물이 함유되는 것을 억제 또는 방지하여 박막의 비저항을 감소시키는 박막 증착장치 및 박막 증착방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치는 기판 상에 제1 금속과 반응원을 반응시켜 박막을 형성하는 증착공정이 이루어지는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내에 상기 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 소스가스 노즐부; 상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 전처리가스 노즐부; 및 상기 공정 챔버 내에 상기 반응원을 포함하는 반응가스를 공급하는 반응가스 노즐부;를 포함할 수 있다.
상기 반응가스 노즐부는 상기 소스가스 및 상기 전처리가스와 시간적으로 분리하여 상기 반응가스를 공급할 수 있다.
상기 전처리가스 노즐부는 상기 소스가스 노즐부가 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 상기 전처리가스를 공급할 수 있다.
상기 제2 금속은 상기 리간드와의 결합 에너지가 상기 제1 금속보다 클 수 있다.
상기 전처리가스의 단위시간당 공급량은 상기 소스가스의 단위시간당 공급량보다 클 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 증착방법은 기판이 제공되는 공정 챔버 내에 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 과정; 상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정; 및 상기 공정 챔버 내에 상기 제1 금속과 반응하여 박막을 형성하는 반응원을 포함하는 반응가스를 공급하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정과 상기 반응가스를 공급하는 과정은 교대로 수행될 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정과 상기 반응가스를 공급하는 과정 사이에 상기 공정 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정은 상기 소스가스를 공급하는 과정을 수행하면서 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 수행될 수 있다.
상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정은 상기 소스가스보다 큰 공급량의 상기 전처리가스를 공급하면서 수행될 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정은 상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정보다 긴 시간 수행될 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정은 상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정보다 먼저 수행될 수 있다.
상기 제2 금속은 상기 리간드와의 결합 에너지가 상기 제1 금속보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 증착방법은 기판이 제공되는 공정 챔버 내에 티타늄(Ti)과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 과정; 상기 리간드와 반응 가능한 실리콘(Si)을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정; 및 상기 공정 챔버 내에 상기 티타늄(Ti)과 반응하여 질화티타늄(TiN) 박막을 형성하는 질소 원자(N)를 포함하는 반응가스를 공급하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 박막 증착장치는 소스가스(source gas)의 리간드(ligand)와 반응하는 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 공급하는 전처리가스 노즐부를 포함하여 제1 금속을 증착하는 공정 중에 전처리가스를 공급함으로써, 제1 금속과 리간드 간의 결합(bonding)을 효과적으로 끊어 리간드가 결합된 상태로 제1 금속이 증착되는 것을 억제 또는 방지할 수 있으며, 이에 따라 박막 내에 리간드가 불순물로 함유되는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 박막의 비저항을 감소시켜 박막의 비저항 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 전처리가스의 제2 금속이 소스가스를 만나 제1 금속과 리간드 간의 결합을 끊고 리간드와 결합됨으로써, 제1 금속과 리간드 간의 결합이 효과적으로 끊어질 수 있고, 제1 금속이 리간드로부터 효과적으로 분리되어 리간드가 결합된 상태로 증착되는 제1 금속을 최소화할 수 있다.
그리고 전처리가스와 반응가스를 분리하여 공급함으로써, 제2 금속이 반응가스와 반응하여 부산물막을 형성하는 것을 방지할 수 있고, 기판 상에 증착된 제1 금속만이 반응가스와 반응하도록 할 수 있다.
또한, 전처리가스를 공급하기 전에 소스가스만을 공급하여 기판 상에 제2 금속보다 먼저 제1 금속이 증착되도록 할 수 있으며, 이에 따라 제2 금속이 기판 상에 증착되지 않고 리간드와 반응하도록 할 수 있고, 제2 금속이 기판 상에 증착되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 전처리가스의 단위시간당 공급량을 소스가스의 단위시간당 공급량보다 크게 하여 소스가스의 리간드 모두가 최대한 제2 금속과 반응하여 결합되도록 할 수 있으며, 이에 따라 모든 제1 금속을 최대한 리간드로부터 분리시킬 수 있고, 제2 금속과 리간드의 결합생성물을 공정 챔버 내에서 배출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치를 나타낸 측단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치를 나타낸 평단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소스가스, 전처리가스, 반응가스 및 분위기 가스의 공급 사이클을 설명하기 위한 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 소스가스와 전처리가스의 동시 공급 시간에 따른 비저항 변화를 설명하기 위한 그림.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 증착방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 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. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치를 나타낸 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치를 나타낸 평단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치(100)는 기판(10) 상에 제1 금속과 반응원을 반응시켜 박막을 형성하는 증착공정이 이루어지는 공정 챔버(180); 상기 공정 챔버(180) 내에 상기 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 소스가스 노즐부(111); 상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버(180) 내에 공급하는 전처리가스 노즐부(112); 및 상기 공정 챔버(180) 내에 상기 반응원을 포함하는 반응가스를 공급하는 반응가스 노즐부(113);를 포함할 수 있다.
공정 챔버(180)는 기판(10) 상에 제1 금속(또는 전이 금속)과 반응원(reactant)을 반응시켜 박막을 형성하는 증착공정이 이루어질 수 있으며, 기판(10)을 한 장씩 처리하는 매엽식(single wafer type)일 수도 있고, 복수의 기판(10)을 기판 보트(130)에 다단으로 적재하여 동시에 처리하는 배치식(batch type)일 수도 있다. 여기서, 상기 제1 금속은 증착금속일 수 있고, 금속 전구체(metallic precursor)일 수 있다.
예를 들어, 배치식인 경우에는 공정 챔버(180)가 서로 연통되는 상부챔버(180a)와 하부챔버(180b)로 이루어질 수 있으며, 기판 보트(130)가 수용되어 기판(10)에 대한 증착공정이 수행될 수 있는 공정 공간을 제공하는 반응 튜브(120)가 공정 챔버(180)의 내부에 배치될 수 있다. 이때, 반응 튜브(120)는 단일 튜브로 이루어질 수도 있고, 복수의 튜브로 이루어질 수도 있으며, 기판 보트(130)가 수용되어 기판(10)에 대한 증착공정이 수행될 수 있는 공정 공간을 제공할 수 있으면 족하다. 예를 들어, 반응 튜브(120)는 외부 튜브(outer tube, 121)와 내부 튜브(inner tube, 122)로 구성될 수 있다. 여기서, 내부 튜브(122)의 하부는 플랜지부(125)에 연결되어 지지될 수 있으며, 내부 튜브(122)의 구조와 형상은 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
한편, 기판 보트(130)는 기판(10)이 삽입되어 적재될 수 있도록 복수의 로드(rod, 131)에 다단으로 슬롯(slot)이 형성될 수도 있으며, 기판(10)의 상측 또는 하측에 아이솔레이션 플레이트(isolation plate, 미도시)가 배치되어 기판(10)마다 각각 개별적인 처리공간을 가질 수 있도록 아이솔레이션 플레이트(미도시)가 복수의 로드(131)에 다단으로 결합된 구성일 수도 있다. 또한, 기판 보트(130)는 증착공정 시에 회전할 수도 있고, 로드(131), 아이솔레이션 플레이트(미도시) 등 기판 보트(130)의 소재는 세라믹, 쿼츠, 합성 쿼츠 등을 사용할 수 있으나, 기판 보트(130)의 구조와 형상 및 소재는 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
소스가스 노즐부(111)는 공정 챔버(180) 내에 상기 제1 금속과 리간드(ligand)를 포함하는 소스가스(source gas)를 공급할 수 있으며, 기판(10) 상에 제1 금속(층)을 증착할 수 있고, 원자층 증착(Atomic layer deposition; ALD) 방식의 경우에는 제1 금속 원자층(또는 단위층)을 증착할 수 있다. 여기서, 상기 소스가스는 금속 전구체 화합물(metallic precursor compound)일 수 있으며, 상기 리간드는 금속 전구체 화합물에서 상기 제1 금속에 결합되어 있는 이온(또는 원자) 또는 분자의 총칭일 수 있고, 상기 제1 금속과 결합된 결합원소일 수 있다. 한편, 상기 제1 금속은 티타늄(Ti), 탄탈럼(Ta), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn) 등의 전이 금속을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 질화막 또는 산화막으로 박막을 증착할 수 있는 금속이면 족하다.
전처리가스 노즐부(112)는 상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속(또는 준금속)을 포함하는 전처리가스를 공정 챔버(180) 내에 공급할 수 있으며, 상기 전처리가스를 상기 소스가스가 공급되는 공정 챔버(180) 내에 공급함으로써, 상기 제2 금속을 상기 리간드와 반응시켜 결합시킬 수 있고, 상기 제2 금속이 상기 리간드와 결합되어 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합(bonding)이 끊어질 수 있다. 이에 따라 상기 소스가스에서 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합이 효과적으로 끊어지도록 할 수 있고, 상기 리간드가 결합된 상태로 상기 제1 금속이 증착되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 여기서, 상기 제2 금속은 치환금속으로서 상기 리간드와 반응할 수 있으며, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등의 준금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 리간드와 반응할 수 있는 금속이면 족하다.
반응가스 노즐부(113)는 공정 챔버(180) 내에 상기 반응원을 포함하는 반응가스를 공급할 수 있으며, 상기 반응원을 기판(10) 상의 상기 제1 금속(층)과 반응시켜 상기 박막(즉, 원하는 박막)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 반응원은 질소 원자(N) 또는 산소 원자(O)를 포함할 수 있고, 상기 박막은 상기 제1 금속이 질화 또는 산화된 질화막 또는 산화막일 수 있다.
이러한 소스가스 노즐부(111), 전처리가스 노즐부(112) 및 반응가스 노즐부(113)는 가스공급부(110)를 이룰 수 있으며, 배치식인 경우에는 가스공급부(110)가 내부 튜브(122)의 일측에 배치될 수 있고, 내부 튜브(122)의 일측에 대향하는 내부 튜브(122)의 타측에는 배기 덕트(150)가 상하방향으로 연장 형성되어 내부 튜브(122) 내의 잔류 가스 및/또는 증착 부산물을 배출(또는 제거)할 수 있다. 한편, 가스공급부(110)와 배기 덕트(150)가 대향하여(또는 대칭적으로) 위치함으로써, 기판(10) 상에 층류(laminar flow)를 형성할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소스가스, 전처리가스, 반응가스 및 분위기 가스의 공급 사이클을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 반응가스 노즐부(113)는 상기 소스가스 및 상기 전처리가스와 시간적으로 분리하여 상기 반응가스를 공급할 수 있다. 상기 반응가스를 상기 전처리가스와 같이 공급하게 되면, 상기 전처리가스에 포함된 상기 제2 금속과 상기 반응가스가 반응하게 되어 부산물막(즉, 원하지 않는 박막)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 반응가스와 상기 소스가스가 같이 공급되면, 상기 소스가스에서 상기 리간드가 끊어지기 전에 상기 소스가스의 상기 제1 금속이 상기 반응가스의 상기 반응원과 반응하여 상기 제1 금속에 상기 리간드가 결합된 상태로 상기 박막이 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 박막 내에 상기 리간드가 함유되어 불순물로 작용할 수 있고, 상기 박막의 비저항이 높아질 수 있다. 또한, 상기 제1 금속과 상기 반응원이 기판(10) 상의 최상층(최상면)에서 반응하지 않고 기판(10) 상부의 공중에서 반응하게 되어 형성된 박막과 기판(10) 간의 결합력(또는 상기 기판에 대한 상기 형성된 기판의 흡착력)이 약해질 수도 있다.
하지만, 상기 반응가스를 상기 소스가스 및 상기 전처리가스와 시간적으로 분리하여 공급하는 경우에는 상기 제2 금속이 상기 반응가스와 반응하여 상기 부산물막을 형성하는 것을 방지할 수 있고, 기판(10) 상에 증착된 제1 금속만이 상기 반응가스와 반응하도록 할 수 있다.
한편, 상기 박막은 원자층 증착(ALD) 방식 또는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방식으로 증착할 수 있으며, 상기 반응가스를 상기 소스가스 및 상기 전처리가스와 시간적으로 분리하여 공급하면서 증착할 수 있다.
전처리가스 노즐부(112)는 소스가스 노즐부(111)가 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 상기 전처리가스를 공급할 수 있으며, 상기 전처리가스는 일정 시간(또는 소정 시간) 상기 소스가스와 동시에 공급될 수 있다. 상기 전처리가스는 상기 제1 금속이 기판(10) 상에 증착되기 전에 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합을 끊어 상기 제1 금속과 상기 리간드를 분리시키는 역할을 하므로, 상기 전처리가스를 상기 소스가스와 함께 공급(Co-flow)할 필요가 있으며, 이를 위해 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 상기 전처리가스를 공급할 수 있다. 이를 통해 상기 제1 금속이 기판(10) 상에 증착되기 전에 상기 제1 금속과 상기 리간드를 분리시켜 상기 리간드가 결합된 상태로 증착되는 상기 제1 금속을 최소화할 수 있다.
이때, 상기 전처리가스를 공급하는 시간은 상기 소스가스를 공급하는 시간보다 짧을 수 있고, 상기 소스가스와 상기 전처리가스를 함께 공급(Co-flow)하기 전에 상기 소스가스만을 공급하여 기판(10) 상에 상기 제2 금속보다 먼저 상기 제1 금속이 증착되도록 할 수 있으며, 이에 따라 상기 제2 금속이 기판(10) 상에 증착되지 않고 상기 리간드와 반응하도록 할 수 있을 뿐만 아니라 상기 제2 금속이 기판(10) 상에 증착되는 것을 방지할 수도 있다. 즉, 상기 제2 금속도 기판(10) 상에 증착될 수 있는 원자(또는 물질)일 수 있으며, 상기 소스가스와 상기 전처리가스의 공급을 동시에 시작하는 경우에는 상기 제2 금속이 기판(10) 상에 증착될 수 있고, 상기 반응가스와 반응하여 상기 부산물막이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 금속이 상기 박막 내에 함유되어 불순물로 작용할 수도 있다.
하지만, 일정 시간(또는 소정 시간) 동안 상기 소스가스만을 먼저 공급하게 되면, 기판(10) 상에 상기 제1 금속(층)이 먼저 증착되어 기판(10) 상에 상기 제1 금속만이 증착되도록 유도할 수 있고, 상기 제2 금속이 상기 리간드와의 결합을 통해 상기 리간드가 결합된 상태로 증착된 제1 금속에서 결합된 상기 리간드를 끊어가도록 함으로써, 상기 리간드가 상기 박막 내에 함유되는 것을 억제 또는 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 제2 금속이 기판(10) 상에 증착되는 것을 방지할 수도 있다. 따라서, 상기 제2 금속이 상기 리간드와만 반응하도록 유도할 수 있고, 상기 제2 금속과 상기 리간드의 반응(또는 결합)으로 생성된 결합생성물을 공정 챔버(180) 내(또는 상기 내부 튜브 내)로부터 배출할 수 있다.
한편, 가스공급부(110)는 퍼지가스(purge gas)를 공급하는 퍼지가스 노즐부(114)를 더 포함할 수 있다. 퍼지가스 노즐부(114)는 퍼지가스를 공급할 수 있으며, 상기 소스가스, 상기 전처리가스 및/또는 상기 반응가스의 잔류 가스를 퍼지(purge)하여 공정 챔버(180) 내로부터 제거할 수 있다. 이때, 상기 퍼지가스는 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne) 등의 불활성가스(inert gas)를 포함할 수 있다. 또한, 퍼지가스 노즐부(114)는 소스가스 노즐부(111), 전처리가스 노즐부(112) 및 반응가스 노즐부(113)를 가운데 두고 양측에 대칭적으로 배치될 수 있고, 각 가스(즉, 상기 소스가스, 상기 전처리가스, 상기 반응가스)의 분사 범위(또는 면적)을 조절할 수도 있다.
그리고 도 3에 제시된 분위기 가스(controlled atmosphere)는 공정 챔버(180) 내의 분위기를 조절하는 가스로서 공정 챔버(180)의 내부 압력을 조절할 수 있으며, 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne) 등의 불활성가스 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 소스가스, 상기 전처리가스, 상기 반응가스 중 적어도 어느 하나의 가스를 공정 챔버(180) 내로 운반하기 위해 캐리어가스(carrier gas)를 사용할 수 있으며, 상기 분위기 가스에 맞추어 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne) 등의 불활성가스 등을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 캐리어가스는 액체 상태의 원료를 기화시켜 증기 상태로 만든 후에 증기 상태의 원료를 운반하는 데에 사용할 수 있다. 한편, 상기 퍼지가스도 상기 분위기 가스에 맞추어 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 소스가스와 전처리가스의 동시 공급 시간에 따른 비저항 변화를 설명하기 위한 그림이며, 도 4(a)는 공정 가스의 공급 순서를 나타내며, 도 4(b)는 소스가스와 전처리가스의 동시 공급 시간에 따른 비저항 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 소스가스로서 TiCl4(titanium tetrachloride)를 사용할 수 있고, 상기 전처리가스로서 실란(silane, SiH4)를 사용할 수 있으며, 상기 반응가스로서 암모니아(NH3)를 사용할 수 있다. 이때, 상기 제1 금속(또는 증착금속)인 티타늄(Ti)과 반응원인 질소 원자(N)가 반응하여 질화티타늄(TiN) 박막을 형성(또는 증착)할 수 있으며, 상기 제2 금속인 실리콘(Si)이 치환금속으로 작용하여 리간드인 염소 원소(Cl)와 결합함으로써, SiClx(예를 들어, SiCl2)가 생성될 수 있고, 티타늄(Ti)과 염소 원소(Cl)의 결합이 끊어져 티타늄(Ti)이 염소 원소(Cl)로부터 분리될 수 있다. 여기서, 상기 치환금속은 다른 금속(원자)에 결합되어 있는 리간드와 결합하고 상기 다른 금속과의 결합을 끊음으로써, 상기 리간드가 결합되는 금속(원자) 또는 중심원자를 치환시키는(또는 바꾸어 놓는) 금속을 의미한다. 그리고 상기 제2 금속인 실리콘(Si)과 상기 리간드인 염소 원소(Cl)의 결합생성물인 SiClx는 기체상(gas phase)일 수 있고, 퍼지 및/또는 배기를 통해 공정 챔버(180) 내로부터 배출할 수 있다. 또한, 상기 제2 금속인 실리콘(Si)에 결합되어 있던 수소 원소(H)는 실리콘(Si)에서 분리되어 기체 상태(즉, H2)로 존재하거나, 염소 원소(Cl)와 결합하여 기체 상태의 염화수소(HCl)로 존재할 수 있고, 수소(H2) 및/또는 염화수소(HCl)도 퍼지 및/또는 배기를 통해 공정 챔버(180) 내로부터 배출할 수 있다.
표 1은 염소 원소(Cl)와 티타늄(Ti) 간의 결합 에너지와 염소 원소(Cl)와 실리콘(Si) 간의 결합 에너지를 나타낸다.
결합 에너지(D0 298/kJ·mol-1)
Cl-Ti 405.4±10.5
Cl-Si 416.7±6.3
도 4 및 표 1을 참조하면, 상기 제2 금속은 상기 리간드와의 결합 에너지(bonding energy)가 상기 제1 금속보다 클 수 있다. 서로 간의 결합 에너지가 크다는 것은 잘 결합하고 결합이 잘 끊어지지 않는다는 것을 의미하며, 서로 간의 결합 에너지가 작다는 것은 결합력이 약하여 잘 끊어진다는 것을 의미한다. 또한, 서로 간의 결합 에너지가 큰 경우에는 서로 간의 결합이 (보다) 안정화될 수 있으며, 서로 결합되어 상태 에너지(conditional energy)가 낮아질 수 있고, 낮은 에너지 상태(condition of energy)를 가질 수 있다. 상기 제2 금속(예를 들어, Si)과 상기 리간드(예를 들어, Cl) 간의 결합 에너지가 상기 제1 금속(예를 들어, Ti)와 상기 리간드(예를 들어, Cl) 간의 결합 에너지보다 상대적으로 크므로, 상기 전처리가스(예를 들어, SiH4)가 공급되면서 상기 제2 금속이 상기 리간드와 반응하여 결합함으로써, 결합생성물(예를 들어, SiCl2)을 생성할 수 있으며, 상대적으로 결합 에너지가 작은(또는 약한) 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합을 끊을 수 있고, 이를 통해 상기 제1 금속을 상기 리간드로부터 분리시킬 수 있다.
여기서, 상기 제2 금속은 상기 리간드와 결합하여 기체상의 결합생성물을 생성할 수 있으며, 퍼지 및/또는 배기를 통해 공정 챔버(180) 내로부터 배출할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 박막 증착장치(100)는 질화티타늄(TiN) 박막을 증착할 수 있으며, 상기 소스가스는 TiCl4일 수 있고, 상기 전처리가스는 실란(SiH4)일 수 있으며, 상기 반응가스는 암모니아(NH3)일 수 있다. 이때, 결합생성물인 SiClx는 TiCl4 및/또는 실란(SiH4)보다 안정화될 수 있고, 더욱 낮은 에너지 상태를 가질 수 있다.
상기 전처리가스의 단위시간당 공급량은 상기 소스가스의 단위시간당 공급량보다 클 수 있다. 상기 소스가스는 기체상 또는 증기상(vapor phase)으로 공정 챔버(180) 내로 공급되는데, 기체상 또는 증기상일 수 있도록 상기 소스가스는 금속인 상기 제1 금속보다 비금속인 상기 리간드의 원자수가 더 많을 수 있다. 그리고 상기 리간드와 결합되어 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합을 끊기 위해서는 상기 제1 금속과 상이한 금속인 상기 제2 금속을 사용해야 하는데, 상기 제2 금속은 기체상 또는 증기상의 상기 전처리가스에서 분자당 하나의 원자만 포함될 수 있어 원자수가 많은 상기 리간드에 맞추어 상기 제2 금속을 제공하기 위해서는 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량을 상기 소스가스의 단위시간당 공급량보다 늘릴 수 밖에 없다. 즉, 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량을 상기 소스가스의 단위시간당 공급량보다 크게 하여 상기 소스가스의 상기 리간드 모두가 최대한 상기 제2 금속과 반응하여 결합되도록 할 수 있으며, 이에 따라 모든 상기 제1 금속을 최대한 상기 리간드로부터 분리시킬 수 있고, 상기 제2 금속과 상기 리간드의 결합생성물을 생성하여 공정 챔버(180) 내에서 배출할 수 있다.
예를 들어, 상기 소스가스(예를 들어, TiCl4)는 0.1 내지 1 slm의 공급량으로 공급할 수 있으며, 상기 전처리가스(예를 들어, SiH4)는 2 slm 이하의 공급량으로 공급할 수 있고, 상기 소스가스의 공급량(또는 단위시간당 공급량)보다 큰 공급량(또는 단위시간당 공급량)으로 공급할 수 있다. 여기서, 상기 slm는 standard litters per minute로서 표준 상태의 분당 리터(유량)을 나타낸다.
이때, 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량과 상기 소스가스의 단위시간당 공급량의 비(율)은 1:10 이하일 수 있다. 즉, 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량이 상기 소스가스의 단위시간당 공급량의 10배를 넘지 않을 수 있다. 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량이 상기 소스가스의 단위시간당 공급량의 10배를 넘게 되면, 상기 리간드보다 상기 제2 금속이 많아져 상기 제2 금속이 기판(10) 상에 증착될 수 있고, 상기 박막 내에 불순물로 작용할 수 있다.
한편, 상기 전처리가스(예를 들어, SiH4)는 기체상 또는 증기상으로 상기 제2 금속(예를 들어, Si)을 공정 챔버(180) 내에 공급하기 위해 상기 제2 금속과 결합되는 수소(H) 등의 비금속 원소(또는 기체 원소)를 포함할 수 있으며, 상기 제2 금속과 분리되어 기체 상태(예를 들어, H2)로 존재하거나, 상기 리간드(예를 들어, Cl)와 결합하여 복합 가스(예를 들어, HCl)로 존재할 수 있고, 상기 비금속 원소 및/또는 상기 복합 가스도 퍼지 및/또는 배기를 통해 공정 챔버(180) 내로부터 배출할 수 있다. 즉, 상기 전처리가스는 상기 리간드와 결합하여 기체상의 결합생성물을 생성할 수 있는 상기 제2 금속 및 상기 제2 금속과 결합되는 기체 원소로 이루어질 수 있다.
그리고 도 3을 참조하면, 상기 소스가스만을 일정 시간(또는 소정 시간) 공급하고 상기 소스가스와 상기 전처리가스를 일정 시간 함께 공급(Co-flow)한 후에 상기 반응가스를 공급하는 것이 한 주기(cycle)일 수 있으며, 복수의 사이클(또는 주기)를 반복할 수 있고, 원하는 두께의 상기 박막을 증착(또는 형성)할 수 있다.
도 4(a)를 더 참조하면, 상기 소스가스와 상기 전처리가스를 일정 시간 함께 공급(Co-flow)한 후 및 상기 반응가스를 공급한 후에 상기 퍼지가스를 공급하여 공점 챔버(180)의 내부를 퍼지할 수도 있다. 여기서, 상기 분위기 가스는 계속적으로 공급될 수 있으며, 상기 퍼지가스는 상기 분위기 가스와 동일한 가스를 사용할 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 상기 소스가스와 상기 전처리가스를 함께 공급(Co-flow)하는 시간이 증가할수록 상기 박막의 비저항이 낮아질 수 있다. 즉, 상기 소스가스와 상기 전처리가스를 함께 공급(Co-flow)하는 시간이 증가함에 따라 동일 두께에서 상기 박막의 비저항이 감소할 수 있다.
본 발명의 박막 증착장치(100)는 기판 보트(130)의 하단부에 연결되어 기판 보트(130)를 지지하는 페데스탈(140);을 더 포함할 수 있다. 페데스탈(140)은 기판 보트(130)의 하단부에 연결되어 기판 보트(130)를 지지할 수 있으며, 기판 보트(130)와 함께 승강할 수 있고, 증착공정 시에 내부 튜브(122)의 수용 공간의 하단부에 수용될 수 있다. 그리고 페데스탈(140)은 서로 이격되어 다단으로 배치되는 복수의 열차단판(141)을 포함할 수 있다. 복수의 열차단판(141)은 복수의 지지대(142)에 연결되어 다단으로 배치될 수 있고, 서로 간에 이격될 수 있으며, 상하방향의 열의 전달을 방지하기 위한 방해판(baffle plate)으로 구성될 수 있고, 열의 전달성이 낮은 재료(예를 들어, 불투명한 석영)로 이루어질 수 있다.
또한, 페데스탈(140)은 상하방향으로 연장 형성되며, 서로 이격되어 배치되는 복수의 지지대(142), 복수의 지지대(142)의 상단과 하단을 각각 고정하는 상부판(143)과 하부판(144) 및 복수의 열차단판(141)의 측면(또는 상기 페데스탈의 측면)을 감싸는 측면 커버(145)를 더 포함할 수 있다. 복수의 지지대(142)는 상하방향으로 연장 형성될 수 있고, 수평방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 복수의 열차단판(141)을 지지할 수 있다.
상부판(143)은 복수의 지지대(142)의 상단을 고정할 수 있고, 기판 보트(130)와 연결될 수 있다. 하부판(144)은 복수의 지지대(142)의 하단을 고정할 수 있고, 샤프트(191)에 연결(또는 접속)될 수 있다. 여기서, 복수의 지지대(142)와 상부판(143) 및 하부판(144)이 페데스탈(140)의 뼈대(또는 프레임)를 이룰 수 있다.
측면 커버(145)는 복수의 열차단판(141)의 측면(또는 상기 페데스탈의 측면)을 감싸도록 형성될 수 있고, 상부판(143) 및/또는 하부판(144)과 연결되어 고정될 수 있다.
본 발명의 박막 증착장치(100)는 배기 덕트(150)와 연통되는 배기 포트(160);를 더 포함할 수 있다. 배기 포트(160)는 배기 덕트(150)의 하부와 연통될 수 있고, 이에 따라 배기 덕트(150)와 연통된 배기 포트(160)의 일단(또는 일측)으로 유입된 상기 잔류 가스는 배기 포트(160)를 따라 타단(또는 타측)으로 이동하여 외부로 배출될 수 있다. 예를 들어, 상기 잔류 가스는 배기 포트(160)에 직·간접적으로 연결된 배기펌프(미도시)에 의해 배기될 수 있으며, 배기 포트(160)와 배기펌프(미도시) 사이에 배기 경로를 연장할 수 있는 배기관(미도시)이 제공될 수도 있다.
본 발명의 박막 증착장치(100)는 공정 챔버(180)의 내부(또는 상기 내부 튜브의 내부)에 열에너지를 제공하는 히터부(170);를 더 포함할 수 있다. 히터부(170)는 내부 튜브(122)의 외부에 상하방향으로 연장 형성되어 내부 튜브(122)를 가열할 수 있으며, 내부 튜브(122) 또는 외부 튜브(121)의 측면 및 상부를 감싸도록 배치될 수 있다. 이때, 공정 챔버(180)의 내부 온도는 600 ℃ 이하로 할 수 있으며, 600 ℃ 이하의 온도에서 증착공정을 수행할 수 있고, 바람직하게는 400 내지 500 ℃ 이하의 온도에서 증착공정을 수행할 수 있다.
한편, 상기 전처리가스로 사용되는 실란(SiH4)의 실리콘 원자(Si)와 상기 소스가스로 사용되는 TiCl4(titanium tetrachloride)의 염소 원자(Cl)가 잘 결합되어 결합생성물인 염화규소(예를 들어, SiCl2)를 효과적으로 생성하고, TiCl4에서 티타늄 원자(Ti)와 염소 원자(Cl)가 잘 분리될 수 있도록 10 Torr 이하의 기압과 500 ℃ 이하의 공정온도를 갖는 공정 조건에서 증착공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 박막 증착장치(100)는 페데스탈(140)의 하부판(144)에 연결되는 샤프트(191); 샤프트(191)의 하단에 연결되어 샤프트(191)를 상하로 이동시키는 승강구동부(192); 샤프트(191)의 하단에 연결되어 샤프트(191)를 회전시키는 회전구동부(193); 샤프트(191)의 상단에 연결되어 기판 보트(130)와 함께 승강하는 지지판(194); 내부 튜브(122) 또는 외부 튜브(121)와 지지판(194)의 사이에 구비되는 실링부재(194a); 지지판(194)과 샤프트(191) 사이에 구비되는 베어링부재(194b); 및 기판(10)이 공정 챔버(180) 내로 반입되는 삽입구(195);를 더 포함할 수 있다.
샤프트(191)는 페데스탈(140)의 하부판(144)에 연결될 수 있고, 페데스탈(140) 및/또는 기판 보트(130)를 지지하는 역할을 할 수 있다.
승강구동부(192)는 샤프트(191)의 하단에 연결되어 샤프트(191)를 상하로 이동시킬 수 있고, 이를 통해 기판 보트(130)를 승강시킬 수 있다.
회전구동부(193)는 기판 보트(130)를 회전시키도록 샤프트(191)의 하단에 연결될 수 있고, 샤프트(191)를 회전시켜 샤프트(191)를 중심축으로 기판 보트(130)를 회전시킬 수 있다.
지지판(194)은 샤프트(191)의 상단에 연결되어 기판 보트(130)와 함께 승강할 수 있고, 기판 보트(130)가 내부 튜브(122)의 수용 공간에 수용될 때에 내부 튜브(122)의 수용 공간 및/또는 외부 튜브(121)의 내부 공간을 외부로부터 밀폐시키는 역할을 할 수 있다.
실링부재(194a)는 지지판(194)과 내부 튜브(122)의 사이 및/또는 지지판(194)과 외부 튜브(121)의 사이에 구비될 수 있고, 내부 튜브(122)의 수용 공간 및/또는 외부 튜브(121)의 내부 공간을 밀폐시킬 수 있다.
베어링부재(194b)는 지지판(194)과 샤프트(191) 사이에 구비될 수 있으며, 샤프트(191)가 베어링부재(194b)에 의해 지지된 상태에서 회전할 수 있다.
삽입구(195)는 공정 챔버(180)의 일측(예를 들어, 상기 하부챔버의 일측)에 구비될 수 있으며, 기판(10)이 이송 챔버(200)에서 삽입구(195)를 통해 공정 챔버(180) 내로 반입(loading)될 수 있다. 공정 챔버(180)의 삽입구(195)에 대응되는 이송 챔버(200)의 일측에는 유입구(210)가 형성될 수 있고, 유입구(210)와 삽입구(195)의 사이에는 게이트 밸브(250)가 구비될 수 있다. 이에 따라 이송 챔버(200)의 내부와 공정 챔버(180)의 내부는 게이트 밸브(250)에 의해 격리될 수 있고, 유입구(210)와 삽입구(195)는 게이트 밸브(250)에 의해 개폐될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 증착방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 증착방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 증착방법은 기판이 제공되는 공정 챔버 내에 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 과정(S100); 상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정(S200); 및 상기 공정 챔버 내에 상기 제1 금속과 반응하여 박막을 형성하는 반응원을 포함하는 반응가스를 공급하는 과정(S300);을 포함할 수 있다.
먼저, 기판이 제공되는 공정 챔버 내에 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급한다(S100). 공정 챔버 내에 소스가스(source gas)로 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스(precursor compound)을 공급할 수 있으며, 기판 상에 제1 금속(층)을 증착할 수 있고, 원자층 증착(Atomic layer deposition; ALD) 방식의 경우에는 제1 금속 원자층(또는 단위층)을 증착할 수 있다.
다음으로, 상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급한다(S200). 상기 리간드와 반응할 수 있는 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급할 수 있으며, 상기 전처리가스를 상기 소스가스가 공급되는 상기 공정 챔버 내에 공급함으로써, 상기 제2 금속을 상기 리간드와 반응시켜 결합시킬 수 있고, 상기 제2 금속이 상기 리간드와 결합되어 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합(bonding)이 끊어질 수 있다. 이에 따라 상기 소스가스에서 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합이 효과적으로 끊어지도록 할 수 있고, 상기 리간드가 결합된 상태로 상기 제1 금속이 증착되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
그 다음 상기 공정 챔버 내에 상기 제1 금속과 반응하여 박막을 형성하는 반응원을 포함하는 반응가스를 공급한다(S300). 상기 공정 챔버 내에 반응원을 포함하는 반응가스를 공급할 수 있으며, 상기 반응원을 상기 기판 상의 상기 제1 금속(층)과 반응시켜 박막(즉, 원하는 박막)을 형성할 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정(S100)과 상기 반응가스를 공급하는 과정(S300)은 교대로 수행될 수 있다. 즉, 상기 소스가스와 상기 반응가스를 시간적으로 분리하여 공급할 수 있다. 상기 반응가스와 상기 소스가스가 같이 공급되면, 상기 소스가스에서 상기 리간드가 끊어지기 전에 상기 소스가스의 상기 제1 금속이 상기 반응가스의 상기 반응원과 반응하여 상기 제1 금속에 상기 리간드가 결합된 상태로 상기 박막이 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 박막 내에 상기 리간드가 함유되어 불순물로 작용할 수 있고, 상기 박막의 비저항이 높아질 수 있다. 또한, 상기 제1 금속과 상기 반응원이 상기 기판(10) 상의 최상층(최상면)에서 반응하지 않고 상기 기판 상부의 공중에서 반응하게 되어 형성된 박막과 상기 기판 간의 결합력(또는 상기 기판에 대한 상기 형성된 기판의 흡착력)이 약해질 수도 있다.
하지만, 상기 반응가스를 상기 소스가스와 시간적으로 분리하여 공급하는 경우에는 상기 기판 상에 증착된 제1 금속만이 상기 반응원과 반응하도록 할 수 있다. 이에 따라 상기 박막 내에 상기 리간드가 불순물로 함유되는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 상기 박막의 비저항을 감소시켜 상기 박막의 비저항 특성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 반응가스는 상기 전처리가스와도 시간적으로 분리하여 공급할 수 있다. 상기 반응가스를 상기 전처리가스와 같이 공급하게 되면, 상기 전처리가스에 포함된 상기 제2 금속과 상기 반응가스가 반응하게 되어 부산물막(즉, 원하지 않는 박막)이 형성될 수 있다. 하지만, 상기 반응가스를 상기 전처리가스와 시간적으로 분리하여 공급하는 경우에는 상기 제2 금속이 상기 반응가스와 반응하여 상기 부산물막을 형성하는 것을 방지할 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정(S100)과 상기 반응가스를 공급하는 과정(S300) 사이에 상기 공정 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 과정(S250);을 더 포함할 수 있다.
상기 공정 챔버 내에 퍼지 가스를 공급할 수 있다(S250). 상기 공정 챔버 내에 퍼지가스(purge gas)를 공급함으로써, 상기 소스가스, 상기 전처리가스 및/또는 상기 반응가스의 잔류 가스 및/또는 증착 부산물을 퍼지(purge)하여 상기 공정 챔버 내로부터 제거할 수 있다. 이때, 상기 퍼지가스는 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne) 등의 불활성가스를 포함할 수 있다. 이를 통해 상기 소스가스를 공급하는 과정(S100)과 상기 반응가스를 공급하는 과정(S300)을 시간적으로 확실하게 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 잔류 가스 및/또는 상기 증착 부산물은 퍼지를 통해 제거하고, 상기 제1 금속과 상기 반응원이 반응하여 형성된 상기 박막만 상기 기판 상에 남을(또는 존재할) 수 있어 상기 박막의 불순물을 최소화할 수 있다.
상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정(S200)은 상기 소스가스를 공급하는 과정(S100)을 수행하면서 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 수행될 수 있다. 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 상기 전처리가스를 공급할 수 있으며, 상기 전처리가스는 일정 시간(또는 소정 시간) 상기 소스가스와 동시에 공급될 수 있다. 상기 전처리가스는 상기 제1 금속이 상기 기판 상에 증착되기 전에 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합을 끊어 상기 제1 금속과 상기 리간드를 분리시키는 역할을 하므로, 상기 전처리가스를 상기 소스가스와 함께 공급(Co-flow)할 필요가 있으며, 이를 위해 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 상기 전처리가스를 공급할 수 있다. 이를 통해 상기 제1 금속이 상기 기판 상에 증착되기 전에 상기 제1 금속과 상기 리간드를 분리시켜 상기 리간드가 결합된 상태로 증착되는 상기 제1 금속을 최소화할 수 있다.
상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정(S200)은 상기 소스가스보다 큰 공급량의 상기 전처리가스를 공급하면서 수행될 수 있다. 상기 소스가스는 기체상(gas phase) 또는 증기상(vapor phase)으로 상기 공정 챔버 내로 공급되는데, 기체상 또는 증기상일 수 있도록 상기 소스가스는 금속인 상기 제1 금속보다 비금속인 상기 리간드의 원자수가 더 많을 수 있다. 그리고 상기 리간드와 결합되어 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합을 끊기 위해서는 상기 제1 금속과 상이한 금속인 상기 제2 금속을 사용해야 하는데, 상기 제2 금속은 기체상 또는 증기상의 상기 전처리가스에서 분자당 하나의 원자만 포함될 수 있어 원자수가 많은 상기 리간드에 맞추어 상기 제2 금속을 제공하기 위해서는 상기 전처리가스를 상기 소스가스보다 큰 공급량으로 공급할 수 밖에 없다. 즉, 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량을 상기 소스가스의 단위시간당 공급량보다 크게 하여 상기 소스가스의 상기 리간드 모두가 최대한 상기 제2 금속과 반응하여 결합되도록 할 수 있으며, 이에 따라 모든 상기 제1 금속을 최대한 상기 리간드로부터 분리시킬 수 있고, 상기 제2 금속과 상기 리간드의 결합생성물을 생성하여 상기 공정 챔버 내에서 배출할 수 있다.
이때, 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량과 상기 소스가스의 단위시간당 공급량의 비(율)은 1:10 이하일 수 있다. 즉, 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량이 상기 소스가스의 단위시간당 공급량의 10배를 넘지 않을 수 있다. 상기 전처리가스의 단위시간당 공급량이 상기 소스가스의 단위시간당 공급량의 10배를 넘게 되면, 상기 리간드보다 상기 제2 금속이 많아져 상기 제2 금속이 상기 기판 상에 증착될 수 있고, 상기 박막 내에 불순물로 작용할 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정(S100)은 상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정(S200)보다 긴 시간 수행될 수 있다. 즉, 상기 소스가스를 공급하는 시간은 상기 전처리가스를 공급하는 시간보다 길 수 있다. 예를 들어, 상기 소스가스와 상기 전처리가스를 함께 공급(Co-flow)하기 전에 상기 소스가스만을 공급하여 상기 기판 상에 상기 제2 금속보다 먼저 상기 제1 금속이 증착되도록 할 수 있다.
상기 소스가스를 공급하는 과정(S100)은 상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정(S200)보다 먼저 수행될 수 있다. 즉, 상기 소스가스와 상기 전처리가스를 함께 공급(Co-flow)하기 전에 상기 소스가스만을 공급하여 상기 기판 상에 상기 제2 금속보다 먼저 상기 제1 금속이 증착되도록 할 수 있으며, 이에 따라 상기 제2 금속이 상기 기판 상에 증착되지 않고 상기 리간드와 반응하도록 할 수 있을 뿐만 아니라 상기 제2 금속이 상기 기판 상에 증착되는 것을 방지할 수도 있다. 즉, 상기 제2 금속도 상기 기판 상에 증착될 수 있는 원자(또는 물질)일 수 있으며, 상기 소스가스와 상기 전처리가스의 공급을 동시에 시작하는 경우에는 상기 제2 금속이 상기 기판 상에 증착될 수 있고, 상기 반응가스와 반응하여 상기 부산물막이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 금속이 상기 박막 내에 함유되어 불순물로 작용할 수도 있다.
하지만, 일정 시간(또는 소정 시간) 동안 상기 소스가스만을 먼저 공급하게 되면, 상기 기판 상에 상기 제1 금속(층)이 먼저 증착되어 상기 기판 상에 상기 제1 금속만이 증착되도록 유도할 수 있고, 상기 제2 금속이 상기 리간드와의 결합을 통해 상기 리간드가 결합된 상태로 증착된 제1 금속에서 결합된 상기 리간드를 끊어가도록 함으로써, 상기 리간드가 상기 박막 내에 함유되는 것을 억제 또는 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 제2 금속이 상기 기판 상에 증착되는 것을 방지할 수도 있다. 따라서, 상기 제2 금속이 상기 리간드와만 반응하도록 유도할 수 있고, 상기 제2 금속과 상기 리간드의 반응(또는 결합)으로 생성된 결합생성물을 상기 공정 챔버 내로부터 배출할 수 있다.
상기 제2 금속은 상기 리간드와의 결합 에너지가 상기 제1 금속보다 클 수 있다. 서로 간의 결합 에너지가 크다는 것은 잘 결합하고 결합이 잘 끊어지지 않는다는 것을 의미하며, 서로 간의 결합 에너지가 작다는 것은 결합력이 약하여 잘 끊어진다는 것을 의미한다. 상기 제2 금속(예를 들어, Si)과 상기 리간드(예를 들어, Cl) 간의 결합 에너지가 상기 제1 금속(예를 들어, Ti)과 상기 리간드(예를 들어, Cl) 간의 결합 에너지보다 상대적으로 크므로, 상기 전처리가스(예를 들어, SiH4)가 공급되면서 상기 제2 금속이 상기 리간드와 반응하여 결합함으로써, 결합생성물(예를 들어, SiCl2)을 생성할 수 있으며, 상대적으로 결합 에너지가 작은(또는 약한) 상기 제1 금속과 상기 리간드 간의 결합을 끊을 수 있고, 이를 통해 상기 제1 금속을 상기 리간드로부터 분리시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 증착방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증착장치 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 증착방법과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 증착방법은 기판이 제공되는 공정 챔버 내에 티타늄(Ti)과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 과정(S10); 상기 리간드와 반응 가능한 실리콘(Si)을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정(S20); 및 상기 공정 챔버 내에 상기 티타늄(Ti)과 반응하여 질화티타늄(TiN) 박막을 형성하는 질소 원자(N)를 포함하는 반응가스를 공급하는 과정(S30);을 포함할 수 있다.
먼저, 기판이 제공되는 공정 챔버 내에 티타늄(Ti)과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급한다(S10). 소스가스는 티타늄(Ti)과 리간드(예를 들어, 염소 원소)를 포함할 수 있고, TiCl4일 수 있으며, 기판 상에 티타늄(Ti)(층)을 증착할 수 있다.
다음으로, 상기 리간드와 반응 가능한 실리콘(Si)을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급한다(S20). 전처리가스는 상기 리간드(예를 들어, 염소 원소)와 반응 가능한 실리콘(Si)을 포함할 수 있고, 실란(SiH4)일 수 있다. 상기 전처리가스의 실리콘(Si)이 리간드(예를 들어, TiCl4의 Cl)와 결합하여 기체상(gas phase)의 결합생성물(예를 들어, SiCl2)을 생성할 수 있고, 상기 티타늄(Ti)과 리간드 간의 결합을 끊을 수 있다.
그 다음 상기 공정 챔버 내에 상기 티타늄(Ti)과 반응하여 질화티타늄(TiN) 박막을 형성하는 질소 원자(N)를 포함하는 반응가스를 공급한다(S30). 반응가스는 질화티타늄(TiN) 박막을 형성하기 위해 상기 티타늄(Ti)과 반응하는 질소 원자(N)를 포함할 수 있고, 암모니아(NH3)일 수 있으며, 질소 원자(N)와 결합된 기체 원소(예를 들어, H)는 질소 원자(N)와 분리되어 기체 상태로 존재하거나, 상기 리간드(예를 들어, Cl)와 결합하여 복합 가스를 생성할 수 있다.
이에, 상기 소스가스에서 상기 티타늄(Ti)과 상기 리간드 간의 결합이 효과적으로 끊어지도록 할 수 있고, 상기 리간드가 결합된 상태로 상기 티타늄(Ti)이 증착되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 이를 통해 질화티타늄(TiN) 박막 내에 염소 원자(Cl) 등의 상기 리간드가 불순물로 함유되는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 질화티타늄(TiN) 박막의 비저항을 감소시켜 질화티타늄(TiN) 박막의 비저항 특성을 향상시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 소스가스의 리간드와 반응하는 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 공급하는 전처리가스 노즐부를 포함하여 제1 금속을 증착하는 공정 중에 전처리가스를 공급함으로써, 제1 금속과 리간드 간의 결합을 효과적으로 끊어 리간드가 결합된 상태로 제1 금속이 증착되는 것을 억제 또는 방지할 수 있으며, 이에 따라 박막 내에 리간드가 불순물로 함유되는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 박막의 비저항을 감소시켜 박막의 비저항 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 전처리가스의 제2 금속이 소스가스를 만나 제1 금속과 리간드 간의 결합을 끊고 리간드와 결합됨으로써, 제1 금속과 리간드 간의 결합이 효과적으로 끊어질 수 있고, 제1 금속이 리간드로부터 효과적으로 분리되어 리간드가 결합된 상태로 증착되는 제1 금속을 최소화할 수 있다. 그리고 전처리가스와 반응가스를 분리하여 공급함으로써, 제2 금속이 반응가스와 반응하여 부산물막을 형성하는 것을 방지할 수 있고, 기판 상에 증착된 제1 금속만이 반응가스와 반응하도록 할 수 있다. 또한, 전처리가스를 공급하기 전에 소스가스만을 공급하여 기판 상에 제2 금속보다 먼저 제1 금속이 증착되도록 할 수 있으며, 이에 따라 제2 금속이 기판 상에 증착되지 않고 리간드와 반응하도록 할 수 있고, 제2 금속이 기판 상에 증착되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 전처리가스의 단위시간당 공급량을 소스가스의 단위시간당 공급량보다 크게 하여 소스가스의 리간드 모두가 최대한 제2 금속과 반응하여 결합되도록 할 수 있으며, 이에 따라 모든 제1 금속을 최대한 리간드로부터 분리시킬 수 있고, 제2 금속과 리간드의 결합생성물을 공정 챔버 내에서 배출할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 기판 100 : 박막 증착장치
110 : 가스공급부 111 : 소스가스 노즐부
112 : 전처리가스 노즐부 113 : 반응가스 노즐부
114 : 퍼지가스 노즐부 120 : 반응 튜브
121 : 내부 튜브 122 : 외부 튜브
125 : 플랜지부 130 : 기판 보트
131 : 로드 140 : 페데스탈
141 : 열차단판 142 : 지지대
143 : 상부판 144 : 하부판
145 : 측면 커버 170 : 히터부
180 : 공정 챔버 180a: 상부챔버
180b: 하부챔버 191 : 샤프트
192 : 승강구동부 193 : 회전구동부
194 : 지지판 194a: 실링부재
194b: 베어링부재 195 : 삽입구
200 : 이송 챔버 210 : 유입구
250 : 게이트 밸브

Claims (14)

  1. 기판 상에 제1 금속과 반응원을 반응시켜 박막을 형성하는 증착공정이 이루어지는 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 내에 상기 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 소스가스 노즐부;
    상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 전처리가스 노즐부; 및
    상기 공정 챔버 내에 상기 반응원을 포함하는 반응가스를 공급하는 반응가스 노즐부;를 포함하고,
    상기 제2 금속과 상기 리간드의 결합 에너지는 상기 제1 금속과 상기 리간드의 결합 에너지보다 크며,
    상기 제2 금속은 치환금속으로서 상기 리간드와 반응하고,
    상기 제2 금속과 상기 리간드는 결합하여 기체상(gas phase)의 결합생성물을 생성하며,
    상기 반응가스 노즐부는 상기 반응가스를 상기 전처리가스와 시간적으로 분리하면서 상기 소스가스와 교대로 공급하는 박막 증착장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전처리가스 노즐부는 상기 소스가스 노즐부가 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 상기 전처리가스를 공급하는 박막 증착장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전처리가스의 단위시간당 공급량은 상기 소스가스의 단위시간당 공급량보다 큰 박막 증착장치.
  6. 기판이 제공되는 공정 챔버 내에 제1 금속과 리간드를 포함하는 소스가스를 공급하는 과정;
    상기 리간드와 반응 가능한 제2 금속을 포함하는 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정; 및
    상기 공정 챔버 내에 상기 제1 금속과 반응하여 박막을 형성하는 반응원을 포함하는 반응가스를 공급하는 과정;을 포함하고,
    상기 제2 금속과 상기 리간드의 결합 에너지는 상기 제1 금속과 상기 리간드의 결합 에너지보다 크며,
    상기 제2 금속은 치환금속으로서 상기 리간드와 반응하고,
    상기 제2 금속과 상기 리간드는 결합하여 기체상(gas phase)의 결합생성물을 생성하며,
    상기 반응가스를 공급하는 과정은 상기 소스가스를 공급하는 과정과 교대로 수행되고, 상기 전처리가스와 시간적으로 분리하여 상기 반응가스를 공급하는 박막 증착방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 소스가스를 공급하는 과정과 상기 반응가스를 공급하는 과정 사이에 상기 공정 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 과정;을 더 포함하는 박막 증착방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정은 상기 소스가스를 공급하는 과정을 수행하면서 상기 소스가스를 공급하는 시간 중 적어도 일부 시간에 수행되는 박막 증착방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정은 상기 소스가스보다 큰 공급량의 상기 전처리가스를 공급하면서 수행되는 박막 증착방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 소스가스를 공급하는 과정은 상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정보다 긴 시간 수행되는 박막 증착방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 소스가스를 공급하는 과정은 상기 전처리가스를 상기 공정 챔버 내에 공급하는 과정보다 먼저 수행되는 박막 증착방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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