KR102504958B1 - 박막 증착 방법 및 박막 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

박막 증착 방법에 있어서, 공정 챔버 내에 기판을 로딩한다. 가스를 적어도 하나의 충전 탱크에 기 설정된 충전 압력으로 충전시킨다. 상기 충전 압력보다 큰 압력을 갖도록 상기 가스를 승압시킨다. 상기 가스를 상기 공정 챔버 내에 도입한다.

Description

박막 증착 방법 및 박막 증착 장치{LAYER DEPOSITION METHOD AND LAYER DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 박막 증착 방법 및 박막 증착 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 텅스텐 박막을 증착하기 위한 박막 증착 방법 및 이를 수행하기 위한 박막 증착 장치에 관한 것이다.
VNAND와 같은 메모리 장치의 게이트 전극을 형성하기 위해 예를 들면, 저항이 낮은 텅스텐을 포함하는 금속막이 사용될 수 있다. 상기 메모리 장치의 고집적화를 위하여 상기 게이트 전극들의 적층 수가 증가됨에 따라, 상기 텅스텐 박막을 형성하기 위한 증착 가스는 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 도달하기 전에 열분해되어 상기 텅스텐 박막의 스텝 커버리지가 열화되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 우수한 특성을 갖는 반도체 장치의 박막 증착 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 박막 증착 방법을 수행하기 위한 박막 증착 장치를 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법에 있어서, 공정 챔버 내에 기판을 로딩한다. 가스를 적어도 하나의 충전 탱크에 기 설정된 충전 압력으로 충전시킨다. 상기 충전 압력보다 큰 압력을 갖도록 상기 가스를 승압시킨다. 상기 가스를 상기 공정 챔버 내에 도입한다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법에 있어서, 공정 챔버 내에 기판을 로딩한다. 상기 공정 챔버 내에 소스 가스를 도입한다. 반응 가스를 적어도 하나의 충전 탱크에 기 설정된 충전 압력으로 충전시킨다. 상기 반응 가스의 압력을 상기 충전 압력보다 큰 압력을 갖도록 상승시킨다. 상기 반응 가스를 상기 공정 챔버 내에 도입한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치는 기판을 수용하며 증착 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하는 공정 챔버, 소스 가스 공급원으로부터 공급된 소스 가스를 상기 공정 챔버에 공급하기 위한 소스 가스 공급기, 및 반응 가스 공급원으로부터 공급된 반응 가스를 상기 공정 챔버에 공급하기 위한 반응 가스 공급기를 포함한다. 상기 소스 가스 공급기 및 상기 반응 가스 공급기 중 적어도 어느 하나는 기 설정된 충전 압력으로 충전시키는 적어도 하나의 충전 탱크를 포함하고, 상기 충전 압력보다 큰 압력을 갖는 상기 소스 가스 또는 상기 반응 가스를 상기 공정 챔버에 공급하기 위한 반응 가스 공급기를 포함한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 반응 가스 공급원으로부터 공급된 반응 가스는 적어도 하나의 충전 탱크 내에 기 설정된 충전 압력으로 충전되며 상기 충전 압력보다 큰 압력으로 승압된 후 공정 챔버 내부로 공급될 수 있다.
따라서, 많은 양의 반응 가스를 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 충분하게 공급함으로써, 상기 반응 가스가 열분해되는 것을 방지하여 박막의 스텝 커버리지 특성 및 시간당 설비당 생산량(UPEH)를 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 반응 가스 공급기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 반응 가스 공급기의 제1 충전 탱크를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 제1 충전 탱크 내의 반응 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반응 가스 방출 단계에서 제1 내지 제3 충전 탱크들의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반응 가스 공급기로부터 공급되는 반응 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치의 반응 가스 공급기를 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 7의 가압형 충전 탱크를 나타내는 단면도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10a는 도 9의 박막 증착 방법의 소스 가스 공급 공정을 나타내는 순서도이다.
도 10b는 도 9의 박막 증착 방법의 반응 가스 공급 공정을 나타내는 순서도이다.
도 11 내지 도 15는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 16 내지 도 22는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치를 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 반응 가스 공급기를 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 2의 반응 가스 공급기의 제1 충전 탱크를 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 3의 제1 충전 탱크 내의 반응 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반응 가스 방출 단계에서 제1 내지 제3 충전 탱크들의 압력 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반응 가스 공급기로부터 공급되는 반응 가스의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 박막 증착 장치는 공정 챔버(10), 소스 가스 공급기(100), 및 반응 가스 공급기(110)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 공정 챔버(10)는 기판(W)을 수용하며 증착 공정을 수행하기 위한 공간을 제공할 수 있다. 공정 챔버(10)는 원자층 증착(ALD) 공정을 위한 챔버일 수 있다.
기판(W)은 텅스텐 함유 박막이 형성되는 대상체일 수 있다. 기판(W)은 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 또는 게르마늄 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼로부터 제조될 수 있다. 한편, 기판(W) 상에는 각종 구조물들(도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다.
예를 들어, 기판(W) 상에 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드, 금속 산화물 등을 포함하는 도전막(도시되지 않음)이나 전극(도시되지 않음), 혹은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하는 절연막(도시되지 않음) 등이 더 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 내부에 홀 또는 개구부를 포함하는 상기 절연막이 기판(W) 상에 형성될 수 있으며, 상기 텅스텐 함유 박막은 후술하는 공정들을 통해 상기 홀 또는 개구부 내에 증착될 수 있다.
공정 챔버(10)는 챔버(20) 내부에 배치되며 기판(W)이 로딩되는 서셉터(susceptor)로서의 기판 지지부(30)를 포함할 수 있다. 기판 지지부(30) 상에는 하나 또는 복수 개의 기판들(W)이 배치될 수 있다. 기판 지지부(30)는 승하강 가능하도록 설치될 수 있다. 또한, 기판 지지부(30)는 회전 가능하도록 설치될 수 있다.
기판 지지부(30)는 내부에 히터(32)를 포함할 수 있다. 히터(32)는 히터 전원(도시되지 않음)에 접속되고 기판(W)을 소정의 온도로 가열할 수 있다.
챔버(20)의 일측벽에는 기판(W)의 반출입을 위한 출입구(22)가 형성되고, 출입구(22)를 개폐하는 게이트 밸브(24)가 설치될 수 있다. 또한, 챔버(20)의 측벽 상에는 히터(도시되지 않음)가 설치되어, 박막 증착 시에 챔버(20)의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 챔버(20) 내부의 온도는 약 200 ℃ 내지 약 600 ℃ 범위로 유지될 수 있다.
챔버(20)의 저벽에는 배기구(26)가 형성될 수 있다. 배기구(26)는 배기관을 통해 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 장치(50)가 접속될 수 있다. 배기 장치(50)는 챔버(20) 내부의 온도를 소정의 감압 상태로 유지할 수 있다.
챔버(20)의 상부벽에는 샤워 헤드(40)가 구비될 수 있다. 샤워 헤드(40)는 챔버(20)의 개방된 상단에 설치될 수 있다. 샤워 헤드(40)는 상부 공간(44) 및 하부 공간(45)을 포함할 수 있다. 상부 공간(44)은 제1 도입로(42)와 연결되고, 상부 공간(44)으로부터 제1 가스 토출로들(46)이 샤워 헤드(40)의 저면까지 연장 형성될 수 있다. 하부 공간(45)은 제2 도입로(43)와 연결되고, 하부 공간(45)으로부터 제2 가스 토출로들(47)이 샤워 헤드(40)의 저면까지 연장 형성될 수 있다.
샤워 헤드(40)는 박막 원료 가스로서의 소스 가스 및 반응 가스를 제1 가스 토출로들(46) 및 제2 가스 토출로들(47)을 통해 챔버(20) 내부로 공급할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 소스 가스 공급기(100)는 소스 가스 공급원(102)으로부터 공급된 소스 가스를 기 설정된 충전 압력(P)으로 충전시키는 복수 개의 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)을 포함하고, 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터 동시에 또는 순차적으로 방출된 상기 반응 가스를 수집하여 공정 챔버(10)에 공급할 수 있다.
소스 가스 공급원(102)은 버블러(bubbler)를 포함하여 금속 전구체를 기화시켜 상기 소스 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 소스 가스의 예로서는, WF6, WCl6, WBr6, W(Co)6, W(C2H2)6, W(PF3)6, (C2H5)WH2 등을 들 수 있다.
상기 소스 가스 공급기는 후술하는 반응 가스 공급기와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 후술하는 반응 가스 공급기와 유사하게 멀티 충전 탱크 또는 가압형 충전 탱크와 같은 구성을 가질 수 있다. 이하에서는, 상기 반응 가스 공급기에 대하여 설명하기로 한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 반응 가스 공급기(110)는 반응 가스 공급원(112)으로부터 공급된 반응 가스를 기 설정된 충전 압력으로 충전시키는 적어도 하나의 충전 탱크(120a, 120b, 120c)를 포함하고, 상기 충전 압력보다 큰 압력을 갖는 반응 가스를 공정 챔버(10)에 공급할 수 있다. 반응 가스 공급기(110)는 멀티 충전 탱크 구성을 가질 수 있다.
반응 가스 공급원(112)은 버블러(bubbler)를 포함하여 상기 반응 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 반응 가스의 예로서는 B2H6, Si2H6, SiH4, H2 등을 들 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반응 가스 공급기(110)는 반응 가스 공급원(110)과 연결된 충전 라인(111)에 병렬로 연결된 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(113a, 113b, 113c), 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(113a, 113b, 113c)에 각각 연결되는 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c), 및 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)에 각각 연결되고 공정 챔버(10)와 연결된 반응 가스 공급 라인(117)에 병렬로 연결된 제1 내지 제3 방출 분배 라인들(115a, 115b, 115c)을 포함할 수 있다. 반응 가스 공급 라인(117)은 샤워 헤드(40)의 제2 도입로(43)에 연결될 수 있다.
반응 가스 공급기(110)는 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(113a, 113b, 113c)에 각각 설치되어 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로의 상기 반응 가스의 흐름을 제어하기 위한 제1 내지 제3 충전 밸브들(124a, 124b, 124c), 및 제1 내지 제3 방출 분배 라인들(115a, 115b, 115c)에 각각 설치되어 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터 상기 반응 가스의 배출을 제어하기 위한 제1 내지 제3 방출 밸브들(126a, 126b, 126c)을 포함할 수 있다.
또한, 반응 가스 공급기(110)는 충전 라인(111)에 설치되어 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로 공급되는 상기 반응 가스의 흐름을 제어하기 위한 공급 제어 밸브(116), 및 반응 가스 공급 라인(117)에 설치되어 공정 챔버(10)로 공급되는 상기 반응 가스의 흐름을 제어하기 위한 제2 도입 제어 밸브(118)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 박막 증착 장치는 반응 가스 공급기(110)의 상기 반응 가스의 충전 및 승압을 제어하기 위한 제어기(140)를 더 포함할 수 있다. 제어기(140)는 공급 제어 밸브(116), 제2 도입 제어 밸브(118), 제1 내지 제3 충전 밸브들(124a, 124b, 124c) 및 제1 내지 제3 방출 밸브들(126a, 126b, 126c)의 개폐를 제어할 수 있다.
제2 유량 제어기(114)는 가스 공급 라인에 설치되어 상기 가스 공급 라인을 통하여 챔버(20) 내부로 유입되는 상기 반응 가스의 공급 유량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제2 유량 제어기(114)는 질량 유량 제어기(MFC, mass flow controller)를 포함할 수 있다. 제2 유량 제어기(114)는 반응 가스 공급기(110) 및 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c) 사이에 설치되어 상기 반응 가스의 흐름을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제2 유량 제어기(114)는 반응 가스 공급기(110) 및 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c) 사이의 충전 라인(111) 또는 제1 내지 제3 충전 분배 라인들(113a, 113b, 113c)에 각각 설치되어 챔버(20) 내부로 유입되는 상기 반응 가스의 공급 유량을 제어할 수 있다.
이하에서는, 상기 제1 충전 탱크에 대하여 설명하기로 한다. 상기 제2 및 제3 충전 탱크들은 상기 제1 충전 탱크와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로, 상기 제2 및 제3 충전 탱크들에 대한 설명을 생략하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 충전 탱크(120a)는 베이스(121) 및 베이스(120) 상에 구비되는 충전 챔버(122)를 포함할 수 있다. 충전 챔버(122)는 베이스(121)에 연결되는 근위 단부(proximal end) 및 원위 단부 사이에서 연장할 수 있다. 예를 들면, 충전 챔버(122)는 튜브형 구조체일 수 있다. 제2 및 제3 충전 탱크들(120b, 120c)은 제1 충전 탱크(120a)와 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 충전 탱크(120a)의 충전 단계에서, 제1 충전 밸브(124a)가 개방되고, 제1 방출 밸브(126a)가 폐쇄될 수 있다. 이에 따라, 충전 챔버(122)는 반응 가스 공급원(112)으로부터의 상기 반응 가스에 의해 충전되어 기 설정된 충전 압력(P0), 즉, 상한 충전 압력을 가질 수 있다. 충전 챔버(122) 내의 충전 압력(P0)은 반응 가스 공급원(112)으로부터의 상기 반응 가스의 흐름에 노출된 시간 동안 상기 흐름과 평형화되는 압력일 수 있다.
제1 충전 탱크(120a)의 방출 단계에서, 제1 충전 밸브(124a)가 폐쇄되고, 제1 방출 밸브(126a)가 개방될 수 있다. 이에 따라, 충전 챔버(122)로부터 상기 반응 가스는 반응 가스 공급 라인(117)으로 유출되어 충전 챔버(122)의 압력은 감소될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)을 상기 반응 가스로 충전시킨 후, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터 상기 반응 가스를 동시에 또는 순차적으로 방출시켜 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖는 승압된 반응 가스를 형성하여 반응 가스 공급 라인(117)을 통해 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다.
제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)이 상기 반응 가스로 충전된 상태에서, 제1 내지 제3 충전 밸브들(124a, 124b, 124c)이 폐쇄되고, 제1 내지 제3 방출 밸브들(126a, 126b, 126c)가 개방되면, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터의 반응 가스들은 반응 가스 공급 라인(117)으로 도입될 수 있다. 이어서, 제2 도입 제어 밸브(118)를 개방시켜 상기 반응 가스들을 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 이 때, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터의 반응 가스들이 하나의 반응 가스 공급 라인(117)으로 도입되므로, 반응 가스 공급 라인(117)을 통해 공급되는 상기 반응 가스의 압력은 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 반응 가스의 공급 공정에서, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터 상기 반응 가스를 순차적으로 방출시키면, 많은 양의 반응 가스를 충전 압력(P0)보다 높은 압력(예를 들면 3*P0)으로 공정 챔버(10)에 공급할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 그래프 G1은 3개의 충전 탱크들로부터 반응 가스를 공급한 경우에서의 반응 가스 공급 라인(117)을 통해 공급되는 반응 가스의 압력 변화를 나타내고, 그래프 G2는 하나의 충전 탱크로부터 반응 가스를 공급한 경우에서의 압력 변화를 나타낸다. A 구간에서의 반응 가스는 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 공급되기에 충분한 압력을 가질 수 있는 반면, B 구간에서의 반응 가스는 상기 개구부의 저면까지 공급되기에 충분하지 않는 압력을 가지게 된다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 박막 증착 장치는 공정 챔버(10) 내에 퍼지 가스를 공급하기 위한 퍼지 가스 공급기를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 퍼지 가스를 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등을 포함할 수 있다. 상기 퍼지 가스 공급기는 상기 반응 가스 공급기와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 상기 퍼지 가스 공급기에 대한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 상기 박막 증착 장치는 상기 반응 가스와 함께 캐리어 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 공급기를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 박막 증착 장치는 반응 가스 공급원(112)으로부터 공급된 상기 반응 가스를 기 설정된 충전 압력(P0)으로 충전시키는 복수 개의 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)를 포함하고, 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터 동시에 또는 순차적으로 방출된 상기 반응 가스를 수집하여 공정 챔버(10)에 공급할 수 있다.
따라서, 상기 반응 가스가 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖게 됨에 따라, 상기 반응 가스를 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 충분하게 공급할 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치의 반응 가스 공급기를 나타내는 블록도이다. 도 8은 도 7의 가압형 충전 탱크를 나타내는 단면도이다. 상기 박막 증착 장치는 반응 가스 공급기의 충전 탱크의 구성을 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조로 설명한 박막 증착 장치와 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 박막 증착 장치의 반응 가스 공급기는 반응 가스 공급원(112)으로부터 공급된 반응 가스를 기 설정된 충전 압력으로 충전시키며 상기 충전 압력보다 큰 압력으로 승압된 반응 가스를 공정 챔버에 공급하기 위한 가압형 충전 탱크(130)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 가압형 충전 탱크(130)는 반응 가스 공급원(112)으로부터 공급된 상기 반응 가스를 기 설정된 충전 압력으로 충전시키는 충전 챔버(132) 및 충전 탱크(130) 내의 상기 반응 가스를 가압하기 위한 가압기를 포함할 수 있다. 상기 가압기는 충전 챔버(132) 내부와 연통되며 내부의 반응 가스를 가압하기 위한 벨로우즈(134) 및 벨로우즈(134)를 수축 및 팽창시키기 위한 구동기(136)를 포함할 수 있다.
상기 박막 증착 장치는 상기 반응 가스의 충전 및 승압을 제어하기 위한 제어기(140)를 포함할 수 있다. 제어기(140)는 공급 제어 밸브(116)와 제2 도입 제어 밸브(118)의 개폐 및 구동기(136)의 동작을 제어할 수 있다.
충전 탱크(130)의 충전 단계에서, 공급 제어 밸브(116)가 개방되고, 제2 도입 제어 밸브(118)가 폐쇄될 수 있다. 이에 따라, 충전 챔버(132)는 반응 가스 공급원(112)으로부터의 상기 반응 가스에 의해 충전되어 기 설정된 충전 압력(P0), 즉, 상한 충전 압력을 가질 수 있다.
충전 탱크(130)의 가압 단계에서, 공급 제어 밸브(116) 및 제2 도입 제어 밸브(118)가 폐쇄된 상태에서, 구동기(136)는 벨로우즈(134)를 수축시키도록 동작하여 충전 탱크(130) 내부의 상기 반응 가스의 압력을 상승시킬 수 있다. 벨로우즈(134)는 상기 반응 가스의 압력이 원하는 압력이 될 때까지 수축될 수 있다.
충전 탱크(130)의 방출 단계에서, 공급 제어 밸브(116)가 폐쇄되고, 제2 도입 제어 밸브(118)가 개방될 수 있다. 이에 따라, 충전 탱크(130)로부터 상기 반응 가스는 반응 가스 공급 라인(117)으로 유출되어 충전 챔버(132)의 압력은 감소될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 박막 증착 장치는 반응 가스 공급원(112)으로부터 공급된 상기 반응 가스를 기 설정된 충전 압력(P0)으로 충전시키고 충전 압력(P0)보다 큰 압력으로 승압된 반응 가스를 상기 공정 챔버에 공급할 수 있는 가압형 충전 탱크(130)를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 반응 가스가 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖게 됨에 따라, 상기 반응 가스를 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 충분하게 공급할 수 있다.
이하에서는, 도 1 및 도 7의 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착시키는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 나타내는 순서도이다. 도 10a는 도 9의 박막 증착 방법의 소스 가스 공급 공정을 나타내는 순서도이고, 도 10b는 도 9의 박막 증착 방법의 반응 가스 공급 공정을 나타내는 순서도이다. 상기 박막 증착 방법은 원자층 증착 공정에 의해 웨이퍼 상에 텅스텐 박막을 형성하기 위해 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것을 아니다.
도 1, 도 7, 도 9, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 먼저, 공정 챔버(10) 내에 기판(W)을 로딩할 수 있다(S10).
예시적인 실시예들에 있어서, 공정 챔버(10)는 ALD 공정을 위한 챔버일 수 있다. 기판(W)은 텅스텐 함유 박막이 형성되는 대상체일 수 있다. 기판(W)은 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 또는 게르마늄 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼로부터 제조될 수 있다. 한편, 기판(W) 상에는 각종 구조물들(도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다.
이어서, 공정 챔버(10) 내에 소스 가스를 도입하여 기판(W) 상에 전구체 박막을 형성할 수 있다.
예를 들면, 소스 가스 공급기(100)는 금속 전구체를 기화시켜 상기 소스 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 소스 가스의 예로서는, WF6, WCl6, WBr6, W(Co)6, W(C2H2)6, W(PF3)6, (C2H5)WH2 등을 들 수 있다.
S20 단계에서, 적어도 하나의 충전 탱크(120a, 120b, 120c, 130)에 상기 소스 가스를 충전시키고(S202), 상기 충전 탱크의 내의 기 설정된 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖는 소스 가스를 형성하고(S204), 상기 소스 가스를 공정 챔버(10) 내에 공급할 수 있다(S206).
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)이 상기 소스 가스로 충전된 상태에서, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터의 소스 가스들을 동시에 또는 순차적으로 방출시켜 하나의 소스 가스 공급 라인(107)을 통해 공정 챔버(10) 내로 공급할 수 있다. 소스 가스 공급 라인(107)을 통해 공급되는 상기 소스 가스의 압력은 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 가압형 충전 탱크(130)에 소스 가스 공급원(102)으로부터의 상기 소스 가스를 기 설정된 충전 압력(P0), 즉, 상한 충전 압력을 갖도록 충전시킨 후, 벨로우즈(134)를 수축시키도록 동작하여 충전 탱크(130) 내부의 상기 소스 가스의 압력을 상승시킬 수 있다. 충전 압력(P0)보다 큰 압력으로 승압된 소스 가스를 상기 공정 챔버에 공급할 수 있다.
이후, 제1 퍼징(purging) 공정을 수행할 수 있다(S30).
퍼지 가스 공급기는 공정 챔버(10) 내에 제1 퍼지 가스를 공급하여 기판(W) 표면 상에 미흡착된 금속 전구체들 또는 기판(W) 표면에 물리 흡착된 금속 전구체들을 공정 챔버(10)로부터 배출시킬 수 있다. 상기 제1 퍼징 공정에 사용되는 상기 제1 퍼지 가스는 예를 들면, 아르곤(Ar) 가스를 포함할 수 있다.
이어서, 공정 챔버(10) 내에 반응 가스를 도입하여 상기 전구체 박막을 금속막으로 변환시킬 수 있다(S40).
예를 들면, 반응 가스 공급기(100)는 환원 가스로 사용되는 상기 반응 가스를 공정 챔버(10)로 공급할 수 있다. 상기 반응 가스의 예로서는, 상기 반응 가스의 예로서는 B2H6, Si2H6, SiH4, H2 등을 들 수 있다.
S40 단계에서, 적어도 하나의 충전 탱크(120a, 120b, 120c, 130)에 상기 반응 가스를 충전시키고(S402), 상기 충전 탱크의 내의 기 설정된 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖는 반응 가스를 형성하고(S404), 상기 반응 가스를 공정 챔버(10) 내에 공급할 수 있다(S406).
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)이 상기 반응 가스로 충전된 상태에서, 제1 내지 제3 충전 탱크들(120a, 120b, 120c)로부터의 반응 가스들을 동시에 또는 순차적으로 방출시켜 하나의 반응 가스 공급 라인(117)을 통해 공정 챔버(10) 내로 공급할 수 있다. 반응 가스 공급 라인(117)을 통해 공급되는 상기 반응 가스의 압력은 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 가압형 충전 탱크(130)에 반응 가스 공급원(112)으로부터의 상기 반응 가스를 기 설정된 충전 압력(P0), 즉, 상한 충전 압력을 갖도록 충전시킨 후, 벨로우즈(134)를 수축시키도록 동작하여 충전 탱크(130) 내부의 상기 반응 가스의 압력을 상승시킬 수 있다. 충전 압력(P0)보다 큰 압력으로 승압된 반응 가스를 상기 공정 챔버에 공급할 수 있다.
B2H6와 같은 환원 가스는 높은 종횡비를 갖는 개구부의 저면까지 도달하여 흡착되기 전에 열분해되어 텅스텐 박막의 스텝 커버리지가 열화될 수 있다. 하지만, 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원 가스는 충전 압력(P0)보다 큰 압력을 갖게 됨에 따라, 많은 양의 반응 가스를 상기 개구부의 저면까지 충분하게 공급하여 열분해되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 텅스텐 박막의 스텝 커버리지 특성 및 시간당 설비당 생산량(UPEH)를 향상시킬 수 있다.
이후, 제2 퍼징(purging) 공정을 수행할 수 있다(S50).
상기 퍼지 가스 공급기는 공정 챔버(10) 내에 제2 퍼지 가스를 공급하여 공정 챔버(10) 내에 잔류하는 물질들을 배출시킬 수 있다.
이어서, 상술한 S20 내지 S50 단계들을 복수 개의 사이클들로 반복하여 원하는 두께의 금속막을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 10b에서는, 멀티 충전 탱크 또는 가압 충전 탱크 구성을 갖는 가스 공급기를 이용하여 공정 챔버에 소스 가스 또는 반응 가스를 공급하는 것으로 예시적으로 설명하였으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스 이외에 텅스텐 핵생성층을 형성하기 위한 환원 가스를 공급하는 경우에도 상기 멀티 충전 탱크 또는 가압 충전 탱크 구성을 갖는 가스 공급기가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하에서는, 상술한 박막 증착 방법을 이용하여 반도체 장치를 제조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 11 내지 도 15는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다. 예를 들면, 도 11 내지 도 15는 상술한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 활용한 반도체 장치의 도전 구조물의 형성 방법을 도시하고 있다.
도 11을 참조하면, 도전 패턴(210)이 내부에 형성된 하부 구조물(200) 상에 층간 절연막(220)을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 하부 구조물(200)은 예를 들면, 도 1에 도시된 기판(W) 상에 형성된 하부 절연막을 포함할 수 있다. 기판(W) 상에는 워드 라인(word line), 게이트 구조물, 다이오드, 소스/드레인 층, 콘택, 배선 등을 포함하는 회로 소자가 형성될 수 있다.
이 경우, 하부 구조물(200)은 기판(100) 상에 형성되어 상기 회로 소자를 커버할 수 있다. 도전 패턴(210)은 하부 구조물(200) 내에 형성되며, 상기 회로 소자의 적어도 일부와 전기적으로 연결되는 플러그로 제공될 수 있다.
하부 구조물(200)은 실리콘 산화물 계열 물질을 포함하도록 예를 들면, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 도전 패턴(210)은 텅스텐(W), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등의 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 및/또는 도핑된 폴리실리콘을 포함하도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 하부 구조물(200)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하부 구조물(200)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, 또는 GaP, GaAs, GaSb 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 하부 구조물(200)은 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-On-Insulator: SOI) 기판, 또는 게르마늄-온-인슐레이터(Germanium-On-Insulator: GOI) 기판일 수 있다. 이 경우, 도전 패턴(210)은 하부 구조물(200) 내에 형성된 n-타입 또는 p-타입의 불순물 영역일 수 있다
층간 절연막(220)은 실리콘 산화물 계열 물질 또는 저유전 유기 산화물을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 층간 절연막(220)은 CVD 공정 또는 스핀 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 12를 참조하면, 층간 절연막(220)을 부분적으로 제거하여 도전 패턴(210)을 적어도 부분적으로 노출시키는 개구부(225)를 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 개구부(225)는 도전 패턴(210)의 상면이 전체적으로 노출시키는 홀(hole) 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 개구부(225)는 도전 패턴(210)의 상기 상면을 노출시키며 선형으로 연장되는 트렌치 형상을 가질 수도 있다.
도 13을 참조하면, 층간 절연막(220) 표면, 및 개구부(225)의 측벽 및 저면을 따라, 배리어 도전막(230)을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 배리어 도전막(230)은 유기 금속 전구체를 활용하여, ALD 공정 또는 플라즈마 강화 ALD 공정(Plasma Enhanced ALD: PEALD) 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 배리어 도전막(230)은 텅스텐 질화물, 텅스텐 탄화물 또는 텅스텐 탄질화물을 포함하도록 형성될 수도 있다.
도 14를 참조하면, 배리어 도전막(230) 상에 개구부(225)를 충분히 채우는 금속막(240)을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 금속막(240)은 도 9 및 도 10을 참조로 설명한 박막 증착 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
도 9, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 소스 가스 공급 공정, 제1 퍼징 공정, 반응 가스 공급 공정 및 제2 퍼징 공정의 증착 사이클을 반복 수행하여 원하는 두께의 금속막을 형성할 수 있다. 예를 들면, WF6를 소스 가스로 사용하고 B2H6를 반응 가스로 사용하여 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
이 경우, 배리어 도전막(230) 및 금속막(240)은 실질적으로 동일한 증착 챔버 내에서 인-시투(in-situ)로 증착될 수 있다.
도 15를 참조하면, 예를 들면 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polish: CMP) 공정을 통해 층간 절연막(220)의 상면이 노출될 때까지 금속막(240) 및 배리어 도전막(230)의 상부를 평탄화할 수 있다.
상기 평탄화 공정에 의해 개구부(225) 내부에는 도전 패턴(210)과 전기적으로 연결되며, 배리어 도전 패턴(232) 및 금속 충진 패턴(242)을 포함하는 도전 구조물이 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 도전 구조물은 텅스텐 질화물/텅스텐(WNx/W) 적층 구조를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배리어 도전막(230)을 형성한 후에, 전처리 공정을 수행할 수 있다. 상기 전처리 공정은 도 10a 및 도 10b를 참조로 설명한 박막 증착 방법의 반응 가스 공정 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
예를 들면, 배리어 도전막(230)이 형성된 기판(W) 상에 B2H6를 반응 가스로 공급할 수 있다. 상기 반응 가스는 멀티 충전 탱크 또는 가압 충전 탱크 구성을 갖는 반응 가스 공급기를 이용하여 공급되어 핵생성층을 형성할 수 있다. B2H6 반응 가스는 기판 표면에서 분해되어 단일의 보론으로 흡착되거나 다양한 보론 수소화물(boron hydride)로 흡착되어 텅스텐 박막의 빠른 핵생성을 돕게 된다.
도 16 내지 도 22는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 예를 들면, 도 16 내지 도 22는 3차원 구조의 비휘발성 메모리 장치 또는 수직 채널을 포함하는 수직형 메모리 장치의 제조 방법을 도시하고 있다.
도 16 내지 도 22에서 기판의 상면으로부터 수직하게 연장하는 방향을 제1 방향으로 정의한다. 또한, 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 두 방향을 제2 방향 및 제3 방향으로 정의한다. 예를 들면, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향은 서로 수직하게 교차할 수 있다.
도 16을 참조하면, 기판(300) 상에 층간 절연막들(302, 예를 들면 302a 내지 302g) 및 희생막들(304, 예를 들면 304a 내지 304f)을 교대로 반복으로 적층하여 몰드 구조물을 형성할 수 있다. 이후, 상기 몰드 구조물을 부분적으로 식각하여 기판(300)의 상면을 노출시키는 채널 홀들(310)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 층간 절연막(302)은 실리콘 산화물을 포함하도록 형성될 수 있다. 희생막들(304)은 층간 절연막(302)에 대해 높은 식각 선택비를 가지며, 습식 식각 공정에 의해 용이하게 제거될 수 있는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 희생막들(304)은 실리콘 질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
희생막들(304)은 후속 공정을 통해 제거되어 그라운드 선택 라인(Ground Selection Line: GSL), 워드 라인 및 스트링 선택 라인(String Selection Line: SSL)이 형성되는 공간을 제공할 수 있다. 따라서, 층간 절연막들(302) 및 희생막들(304)이 적층되는 수는 이후 형성되는 상기 GSL, 워드 라인 및 SSL이 적층되는 수에 따라 달라질 수 있다.
예를 들면, 상기 GSL 및 SSL은 각각 1개의 층에 형성되고, 상기 워드 라인은 4개의 층에 형성될 수 있다. 이 경우, 도 16에 도시된 바와 같이 희생막들(304)은 모두 6개의 층으로 적층되며 층간 절연막들(302)은 모두 7개의 층으로 적층될 수 있다. 그러나, 도 16에 도시된 층간 절연막(302) 및 희생막(304)의 적층 수는 예시적인 것이며, 상기 반도체 장치의 집적도에 따라 보다 증가될 수 있다.
예를 들면, 상기 몰드 구조물을 건식 식각 공정을 통해 부분적으로 제거하여 복수의 채널 홀들(310)이 형성될 수 있다. 상기 제3 방향을 따라 복수의 채널 홀들(310)이 형성되어 채널 홀 열이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 방향을 따라, 복수의 상기 채널 홀 열들이 형성될 수 있다.
도 17을 참조하면, 각 채널 홀(310) 내부에 유전막 구조물(322), 채널(324) 및 충진 패턴(326)을 포함하는 수직 채널 구조체(320)를 형성할 수 있다. 수직 채널 구조체(320) 상에는 캡핑 패드(330)가 형성될 수 있다.
예를 들면, 채널 홀들(310)의 측벽 및 저면들과 최상층의 층간 절연막(302g) 상면을 따라 유전막을 형성할 수 있다. 상기 유전막은 구체적으로 도시하지는 않았으나, 블로킹 막, 전하 저장막 및 터널 절연막을 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다.
상기 블로킹 막은 실리콘 산화물과 같은 산화물을 사용하여 형성될 수 있고, 상기 전하 저장막은 실리콘 질화물과 같은 질화물 또는 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있으며, 상기 터널 절연막은 실리콘 산화물과 같은 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유전막은 ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 에치-백 공정을 통해 상기 유전막의 상부 및 저부를 부분적으로 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 유전막의 최상층의 층간 절연막(302g) 상기 상면 및 기판(300)의 상기 상면 상에 형성된 부분들이 실질적으로 제거되어 유전막 구조물(322)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전막 구조물(322)은 채널 홀(310)의 측벽 상에 형성되며, 실질적으로 스트로우(straw) 형상 또는 실린더 쉘(shell) 형상을 가질 수 있다.
이어서, 최상층의 층간 절연막(302g) 및 유전막 구조물(322)의 표면들, 및 기판(300)의 상기 상면을 따라 채널막을 형성하고, 상기 채널막 상에 채널 홀들(310) 나머지 부분을 채우는 충진막을 형성할 수 있다.
상기 채널막은 선택적으로 불순물이 도핑된 폴리실리콘 혹은 비정질 실리콘을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 폴리실리콘 혹은 비정질 실리콘을 사용하여 상기 채널 막을 형성한 후 열처리 또는 레이저 빔 조사에 의해 이를 단결정 실리콘으로 전환시킬 수도 있다. 상기 충진막은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
최상층의 층간 절연막(302g)이 노출될 때까지 상기 충진막 및 상기 채널막을 평탄화하여 유전막 구조물(322)의 내측벽으로부터 순차적으로 적층되어 채널 홀(310) 내부를 채우는 채널(324) 및 충진 패턴(326)을 형성할 수 있다. 상기 평탄화 공정은 CMP 공정 및/또는 에치-백 공정을 포함할 수 있다.
채널(324)은 실질적으로 컵(cup) 형상을 가지며, 채널 홀(310)에 의해 노출된 기판(300)의 상기 상면과 접촉될 수 있다. 충진 패턴(326)은 채널(324)의 내부 공간에 삽입된 필라(pillar) 혹은 속이 찬 원기둥 형상을 가질 수 있다.
각 채널 홀(310) 마다 채널(324)이 형성됨에 따라, 상술한 채널 홀 열의 배열 형태에 대응되는 채널 열이 형성될 수 있다.
수직 채널 구조체(320) 상에는 채널 홀(310)의 상부를 캡핑하는 캡핑 패드(330)를 더 형성할 수 있다. 예를 들면, 유전막 구조물(322), 채널(324) 및 충진 패턴(326)의 상부를 에치-백 공정을 통해 제거하여 리세스를 형성할 수 있다. 이후, 상기 리세스를 채우는 패드막을 최상층의 층간 절연막(302g) 상에 형성하고, 최상층의 층간 절연막(302g)의 상면이 노출될 때까지 상기 패드막의 상부를 CMP 공정을 통해 평탄화하여 캡핑 패드(330)를 형성할 수 있다. 상기 패드막은 폴리실리콘 또는 예를 들면 n형 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 사용하여 형성될 수 있다.
최상층의 층간 절연막(302g) 상에는 캡핑 패드들(330)을 덮는 제1 상부 절연막(340)을 형성할 수 있다. 제1 상부 절연막(440)은 예를 들면, 실리콘 산화물을 포함하도록 CVD 공정, 스핀 코팅 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
도 18을 참조하면, 상기 제1 상부 절연막(340) 및 상기 몰드 구조물을 부분적으로 식각하여 개구부(350)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 이웃하는 일부 상기 채널 열들 사이의 제1 상부 절연막(340) 및 상기 몰드 구조물 부분들을 건식 식각 공정을 통해 식각하여 개구부(350)가 형성될 수 있다.
개구부(350)는 상기 제1 방향을 따라 상기 몰드 구조물을 관통하여 기판(300)의 상면을 노출시킬 수 있다. 또한, 개구부(350)는 상기 제3 방향으로 연장되며, 복수의 개구부들(350)이 상기 제2 방향을 따라 형성될 수 있다.
개구부(350)는 게이트 라인 컷 영역으로 제공될 수 있다. 제2 방향을 따라 이웃하는 개구부들(350) 사이에 소정의 개수의 상기 채널 열들이 배열될 수 있다.
한편, 개구부들(350)이 형성됨에 따라, 층간 절연막들(302) 및 희생막들(304)은 각각 층간 절연 패턴들(306, 예를 들면, 306a 내지 306g) 및 희생 패턴들(308, 예를 들면, 308a 내지 308f)로 변환될 수 있다. 층간 절연 패턴(306) 및 희생 패턴(308)은 상기 소정의 개수의 채널 열들에 포함된 수직 채널 구조체들(320)을 감싸며 연장하는 플레이트(plate) 형상을 가질 수 있다.
도 19를 참조하면, 개구부(350)에 의해 측벽이 노출된 희생 패턴들(308)을 제거할 수 있다.
희생 패턴(308)이 실리콘 질화물을 포함하며 층간 절연 패턴(306)이 실리콘 산화물을 포함하는 경우, 실리콘 질화물에 선택비를 갖는 인산과 같은 식각액을 사용하여 희생 패턴들(308)을 습식 식각 공정을 통해 제거할 수 있다.
희생막 패턴들(308)이 제거됨에 따라, 각 층의 층간 절연 패턴들(306) 사이에서 갭(gap)(360)이 형성되며, 갭(360)에 의해 유전막 구조물(322)의 외측벽이 노출될 수 있다.
도 20을 참조하면, 노출된 유전막 구조물(322)의 상기 외측벽 및 갭(360)의 내벽, 층간 절연 패턴들(306)의 표면, 제1 상부 절연막(340)의 표면, 및 노출된 기판(300)의 상기 상면을 따라 배리어 도전막(363)을 형성할 수 있다. 배리어 도전막(363) 상에는 금속 게이트막(365)을 형성할 수 있다. 금속 게이트막(365)은 각 층의 갭들(360)을 완전히 채우며, 개구부(350) 역시 적어도 부분적으로 채우도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 배리어 도전막(363)은 유기 금속 전구체를 활용하여, ALD 공정 또는 플라즈마 강화 ALD 공정(Plasma Enhanced ALD: PEALD) 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 배리어 도전막(363)은 텅스텐 질화물, 텅스텐 탄화물 또는 텅스텐 탄질화물을 포함하도록 형성될 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배리어 도전막(363)이 형성된 기판(400) 상에 B2H6와 같은 반응 가스를 공급하여 핵생성층을 형성할 수 있다. 상기 반응 가스는 도 1 내지 도 10b를 참조하여 설명한 멀티 충전 탱크 또는 가압 충전 탱크 구성을 갖는 반응 가스 공급기를 이용하여 공급될 수 있다. B2H6 반응 가스는 기판 표면에서 분해되어 단일의 보론으로 흡착되거나 다양한 보론 수소화물(boron hydride)로 흡착되어 텅스텐 박막의 빠른 핵생성을 돕게 된다.
개구부(350)는 상기 반도체 장치의 집적도에 따라 높은 종횡비를 가질 수 있다. B2H6와 같은 환원 가스는 높은 종횡비를 갖는 개구부(350)의 저면까지 도달하여 흡착되기 전에 열분해되어 텅스텐 박막의 스텝 커버리지가 열화될 수 있다. 하지만, 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 반응 가스는 충전 압력(P0)보다 큰 압력으로 승압됨에 따라, 많은 양의 반응 가스를 개구부(350)의 저면의 갭(360) 내부까지 충분하게 공급할 수 있다.
이어서, 도 9, 도 10a 및 도 10b를 참조로 설명한 박막 증착 방법을 사용하여 배리어 도전막(363) 상에는 금속 게이트막(365)을 형성할 수 있다.
도 9, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 소스 가스 공급 공정, 제1 퍼징 공정, 반응 가스 공급 공정 및 제2 퍼징 공정의 증착 사이클을 반복 수행하여 원하는 두께의 금속막을 형성할 수 있다. 예를 들면, WF6를 소스 가스로 사용하고 B2H6를 반응 가스로 사용하여 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
도 21을 참조하면, 배리어 도전막(363) 및 금속 게이트막(365)을 부분적으로 식각하여 각 층의 갭(360) 내부에 배리어 도전 패턴(367) 및 금속 게이트(370, 예를 들면 370a 내지 370f)를 형성할 수 있다. 금속 게이트(370)은 상기 소정의 개수의 채널 열들에 포함된 수직 채널 구조체들(320)의 측벽을 감싸며 연장하는 라인 형상 또는 플레이트 형상을 가질 수 있다.
예를 들면, 배리어 도전막(363) 및 금속 게이트막(365)의 상부를 제1 상부 절연막의(340) 상면이 노출될 때까지, 예를 들면 CMP 공정을 통해 평탄화할 수 있다. 이 후, 개구부(350) 내부에 형성된 배리어 도전막(363) 및 금속 게이트막(365) 부분을 예를 들면, 등방성 식각 공정을 통해 부분적으로 식각함으로써 각 층의 갭(360) 내부에 배리어 도전 패턴(367) 및 금속 게이트(370)를 형성할 수 있다. 배리어 도전 패턴(367)은 갭(360)의 내벽을 따라 형성되며, 금속 게이트(370)는 배리어 도전 패턴(367) 상에 형성되어, 각 층의 갭(360)을 채울 수 있다.
금속 게이트들(370)은 기판(300)의 상기 상면으로부터 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 이격되어 형성된 GSL, 워드 라인 및 SSL을 포함할 수 있다. 예를 들면, 최하층의 금속 게이트(370a)는 상기 GSL로 제공될 수 있다. 상기 GSL 상부의 4개 층의 금속 게이트들(370b 내지 370e)은 상기 워드 라인으로 제공될 수 있다. 상기 워드 라인 상부의 최상층의 금속 게이트(370f)는 상기 SSL로 제공될 수 있다.
도 22를 참조하면, 개구부(350)에 의해 노출된 기판(300) 상부에 불순물 영역(305)을 형성하고, 개구부(305)를 채우는 스페이서(380) 및 커팅 패턴(385)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 이온 주입 공정을 통해 예를 들면, 인 또는 비소와 같은 n형 불순물을 개구부(350)를 통해 주입함으로써 불순물 영역(305)을 형성할 수 있다. 불순물 영역(305)은 기판(300)의 상기 상부에 형성되어 상기 제3 방향으로 연장할 수 있다.
개구부(350)의 측벽 상에 스페이서(380)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 산화물과 같은 절연 물질을 포함하는 스페이서 막을 제1 상부 절연막(340)의 상면, 및 개구부(350)의 측벽 및 저면을 따라 ALD 공정을 통해 형성할 수 있다. 예를 들면, 이방성 식각 공정 또는 에치-백 공정을 통해 상기 스페이서 막을 부분적으로 제거하여 개구부(350)의 상기 측벽 상에 선택적으로 스페이서(380)를 형성할 수 있다.
이후, 개구부(350)의 나머지 부분을 채우는 커팅 패턴(385)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 개구부(350)를 충분히 채우는 도전막을 제1 상부 절연막(340) 상에 형성할 수 있다. 상기 도전막의 상부를 제1 상부 절연막(340)의 상면이 노출될 때까지 CMP 공정을 통해 평탄화하여 개구부(350) 내에서 연장하는 커팅 패턴(385)이 형성될 수 있다.
상기 도전막은 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 및/또는 도핑된 폴리실리콘을 포함하도록 ALD 공정 또는 스퍼터링 공정을 통해 형성될 수 있다. 커팅 패턴(385)은 상기 반도체 장치의 CSL로 제공될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 도전막은 상술한 예시적인 실시예들에 따른 유기 금속 전구체를 사용하여 형성될 수도 있다. 이 경우, 커팅 패턴(385)은 텅스텐을 포함할 수 있다.
제1 상부 절연막(340) 상에 커팅 패턴(385) 및 스페이서(380)를 덮는 제2 상부 절연막(390)을 형성할 수 있다. 제2 상부 절연막(390)은 제1 상부 절연막(340)과 실질적으로 동일하거나 유사한 실리콘 산화물을 포함하도록 예를 들면, CVD 공정을 통해 형성될 수 있다.
이후, 제1 및 제2 상부 절연막들(390, 340)을 관통하여 캡핑 패드(330)와 접촉하는 비트 라인 콘택(395)을 형성할 수 있다. 이어서, 비트 라인 콘택(395)과 전기적으로 연결되는 비트 라인(397)을 제2 상부 절연막(390) 상에 형성할 수 있다. 비트 라인 콘택(395) 및 비트 라인(397)은 금속, 금속 질화물, 도핑된 폴리실리콘 등을 포함하도록 PVD 공정, ALD 공정, 스퍼터링 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
비트 라인 콘택(395)은 캡핑 패드(330)와 대응하도록 복수 개로 형성되어 비트 라인 콘택 어레이를 형성할 수 있다. 또한, 비트 라인(397)은 예를 들면, 상기 제2 방향으로 연장하며, 복수의 캡핑 패드들(330)과 비트 라인 콘택(395)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 복수의 비트 라인들(397) 상기 제3 방향을 따라 형성될 수 있다.
전술한 예시적인 실시예들에 따른 박막 증착 장치 및 박막 증착 방법은 플래시 메모리 장치의 게이트 패턴 등과 같은 도전성 구조물을 형성하는 데 이용될 수 있다. 또한, 상기 박막 증착 장치 및 박막 증착 방법은 엠렘(MRAM) 장치, 알램(ReRAM) 장치, 피램(PRAM) 장치, 로직 소자 등과 같은 각종 반도체 소자의 전극, 게이트, 콘택 등의 형성을 위해 확장 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 공정 챔버 20: 챔버
22: 출입구 24: 게이트 밸브
26: 배기구 30: 기판 지지부
32: 히터 40: 샤워 헤드
42: 제1 도입로 43: 제2 도입로
44: 상부 공간 45: 하부 공간
46: 제1 가스 토출로 47: 제2 가스 토출로
50: 배기 장치 100: 소스 가스 공급기
101: 소스 가스 공급 라인 110: 반응 가스 공급기
101, 111: 충전 라인 102: 소스 가스 공급원
103, 103b, 103c, 113a, 113b, 113c: 충전 분배 라인
104: 제1 유량 제어기
105a, 105b, 105c, 115a, 115b, 115c: 방출 분배 라인
106, 116: 공급 제어 밸브 107: 소스 가스 공급 라인
108: 제1 도입 제어 밸브 112: 반응 가스 공급원
114: 제2 유량 제어기 117: 반응 가스 공급 라인
118: 제2 도입 제어 밸브
120a, 120b, 120c: 충전 탱크 121: 베이스
122, 132: 충전 챔버 124a, 124b, 124c: 충전 밸브
126a, 126b, 126c: 방출 밸브 130: 가압형 충전 탱크
134: 벨로우즈 136: 구동기
140: 제어기 200: 하부 구조물
210: 도전 패턴 220, 302: 층간 절연막
225, 350: 개구부 240: 금속막
232, 367: 배리어 도전 패턴 242: 금속 충진 패턴
304: 희생막 305: 불순물 영역
306: 층간 절연 패턴 308: 희생 패턴
310: 채널 홀 320: 수직 채널 구조체
322: 유전막 구조물 324: 채널
326: 충진 패턴 330: 캡핑 패드
340: 제1 상부 절연막 360: 갭
380: 스페이서 385: 커팅 패턴
390: 제2 상부 절연막 395: 비트 라인 콘택

Claims (10)

  1. 공정 챔버 내에 기판을 로딩하고;
    가스를 복수 개의 충전 탱크들에 기 설정된 충전 압력으로 각각 충전시키고;
    상기 충전 탱크들로부터 방출된 가스들을 수집하여 상기 충전 압력보다 큰 압력을 갖도록 상기 가스를 승압시키고; 그리고
    상기 승압된 가스를 상기 공정 챔버 내에 도입하는 것을 포함하고,
    상기 복수 개의 충전 탱크들은 복수 개의 방출 분배 라인들에 각각 연결되고, 상기 복수 개의 방출 분배 라인들은 상기 공정 챔버에 연결된 하나의 가스 공급 라인에 서로 병렬로 연결되고,
    상기 가스를 승압시키는 것은,
    상기 복수 개의 충전 탱크들로부터 상기 가스를 동시에 또는 순차적으로 방출시키되, 상기 방출 분배 라인들에 각각 설치된 방출 밸브들의 개방 시점을 제어하여 상기 방출된 가스들을 상기 하나의 가스 공급 라인으로 도입함으로써 상기 가스 공급 라인 내의 상기 가스를 승압하는 것을 포함하고,
    상기 하나의 가스 공급 라인에 도입된 가스의 압력은 상기 충전 압력보다 큰 압력으로 승압되는 박막 증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스를 상기 복수 개의 충전 탱크들에 충전시키는 것은 가스 공급원으로부터 공급된 상기 가스를 상기 복수 개의 충전 탱크들에 충전시키는 것을 포함하는 박막 증착 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 충전 탱크들은 상기 가스 공급원과 연결된 충전 라인에 병렬로 연결된 충전 분배 라인들에 각각 연결된 박막 증착 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 가스를 상기 복수 개의 충전 탱크들에 충전시키는 것은 상기 충전 분배 라인들에 각각 설치된 충전 밸브들을 개방시키도록 제어하는 것을 포함하는 박막 증착 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 가스를 상기 복수 개의 충전 탱크들에 충전시키는 것은 상기 충전 분배 라인들에 각각 설치된 유량 제어기를 통해 상기 복수 개의 충전 탱크들로 각각 도입되는 상기 가스의 유량을 제어하는 것을 포함하는 박막 증착 방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 가스를 승압시키는 것은 상기 충전 탱크 내의 상기 가스를 가압하여 상기 충전 압력보다 큰 압력을 형성하는 것을 포함하는 박막 증착 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 가스는 소스 가스, 반응 가스 및 퍼지 중 적어도 어느 하나를 포함하는 박막 증착 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 가스는 가스 공급원과 연결된 충전 라인에 설치된 유량 제어기를 통해 상기 충전 탱크로 도입되는 박막 증착 방법.
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