KR19980036054A - 플리즈마 화학 기상 증착 방법 - Google Patents

Abstract

플라즈마 화학 기상 증착 방법에 대하여 개시한다. 이는, 플라즈마 쳄버 내에 삼중 전극, 자장 발생 수단 및 하전 이온 포집 격자를 포함하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 플라즈마 화학 기상 증착 방법에 있어서, 상기 플라즈마 쳄버 내에서 발생된, 하전된 플라즈마 이온이 중성 이온 빔으로 전환되는 것을 특징으로 한다. 이로써, 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 산화층을 적층할 때, 하전된 이온에 의하여 강유전체가 손상되어 그 특성이 열화되는 문제를 최소화할 수 있어 웨이퍼 상에 보다 안정적인 산화층을 적층할 수 있다.

Description

플라즈마 화학 기상 증착 방법(Plasma chemical vapor deposition method)

본 발명은 플라즈마 화학 기상 증착 방법에 관한 것으로서, 특히 하전된 플라즈마 이온 빔을 전하 교환에 의하여 중성 빔으로 전환시켜 웨이퍼 상에 형성되는 강유전체 또는 산화막이 손상되어 그 특성이 열화되는 것을 최소화할 수 있는 플라즈마 화학 기상 증착 방법에 관한 것이다.

종래의 플래쉬(flash) RAM(이하 FRAM이라 약한다)의 강유전체 물질로 널리 사용되는 물질은 페로브스키트 구조를 갖는 PZT(Pb(Zr,Ti)O₃)이다. PZT는 박막으로 형성되며, 이러한 기술은 종래에 다양하게 연구되었다.

따라서, PZT를 이용하여 제조된 커패시터가 최근에 가장 많이 이용되는 DRAM을 대체할 정도의 특성을 갖게 되었다. 그런데, PZT에 대한 종래의 대부분의 연구는 단지 커패시터를 형성하기 위한 것에 목적을 두고 진행되어 왔으나, 좀 더 발전적인 메모리 소자에 응용하기 위해서는 PZT 물질과 PZT를 이용하여 형성된 커패시터를 둘러싼 여러 박막들 간의 상호 관계가 고려되어야 한다.

PZT로 이루어진 막질과 다른 물질로 이루어진 막질 간의 상호 관계는 백금(Pt) 전극으로 둘러싸인 PZT 층간 절연층으로 이루어진 PZT 커패시터를 일 예로 들어 살펴보면 쉽게 파악될 수 있다.

먼저, 상기 PZT 커패시터의 강유전체 물질은 실리콘 산화막의 증착 중에 소스 가스에서 생성되는 수소 또는 처음부터 박막 내에 함유되어 있는 수소에 의한 환원되기 쉽다. 상기와 같은 강유전체 물질을 환원시키는 성질을 갖는 수소 성분은 PZT 박막 내부에 확산되어 공간 전하를 형성시키며, 이들 공간 전하에 의하여 PZT 박막 내부에 작은 구멍들이 형성되기도 한다. 이러한 박막 내부에 작은 구멍들이 형성되는 것을 피닝(pinning) 현상이라고 하며, 이 피닝 현상은 PZT 커패시터의 특성을 열화시키는 중요한 요인으로 작용한다. 또한, 수소 분위기에서 진행되는 어닐(anneal) 공정에 의하여 백극 전극의 응력(stress)이 증가되어 PZT 커패시터의 전극에 결함을 유발시켜 이 또한 PZT 커패시터의 전기적 특성을 약화시킬 수 있다.

따라서, 상기 PZT 커패시터의 층간 절연막으로 이용되는 강유전체 물질은 가능한 한 수소를 포함하지 않는 분위기의 공정이 진행되어 형성되어야 한다. 또한, 비록 아무리 적은 양이라도 수소가 포함되어 있는 경우에는 전술한 문제가 발생될 가능성이 내재되어 있으므로 상기 층간 절연막을 형성하는 공정은 전술한 수소에 의한 환원 문제가 발생되는 것을 방지하기 위하여 저온 조건에서 진행되는 것이 바람직하다.

이러한, 저온 공정에 의한 층간 절연막을 형성하기 위한 가장 일반적인 방법으로는 플라즈마 화학 기상 증착(plasma chemical vapor deposition; PCVD라 약하기도 함) 방법이 있다. 그런데, 상기 PCVD 방법을 이용하여 층간 절연층을 형성하면, 공정의 진행 중에 발생된 플라즈마 이온들의 이온 충격(ion bomdardment)에 의하여 PZT 층간 절연 물질의 강유전 특성이 약화되는 문제가 발생된다. 따라서, 상기 이온 충격에 의한 문제를 감소시키기 위한 PCVD 방법을 이용한 층간 절연막 형성 공정은 표층 전위(sheath potential)가 비교적 낮은 상태에서 진행되는 것이 바람직하다.

또한, PZT 물질은 압전(piezoelectric) 특성을 가지므로 막질에 발생된 응력은 PZT 물질의 변형(strain)을 유도하여 그 분극 특성이 변화되기 때문에, 가능한 한 작아야 한다.

이러한 배경에서, 전자 사이클로트론 공진 화학 기상 증착(electro cyclotron resonance chemicall vapor deposition; 이하, ECR CVD라 약하기로 한다) 장치를 이용하여 실리콘 산화막을 증착시키고 있다. 상기 ECR CVD 장치는 실리콘 산화막이 다른 박막에 비하여 수소가 적게 함유되도록 형성할 수 있으며, 또한 비교적 저온(150℃ 정도)에서도 증착이 가능한 이점이 있다. 이렇게 형성된 실리콘 산화막은 10⁹dyne/㎠ 이하의 응력을 가질 수 있다. 또한, 상기 ECR CVD 장치는 쳄버 내에 발생시키는 플라즈마를 원격(remote) 방식으로 웨이퍼 상에 플로팅(floating)시킬 수 있어서, 웨이퍼 표면과 플라즈마 사이의 표층 전위가 낮기 때문에 다른 PCVD 방법에 의하여 형성하는 경우에 비하여 플라즈마에 의한 웨이퍼의 손상(damage)을 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

그러나, 이러한 ECR CVD 장치도 결국은 플라즈마를 이용하는 방식이기 때문에 하전된 이온(charged ion)에 의한 강유전체가 열화되는 문제와, 실리콘 산화막이 하전된 이온에 의해 손상되는 문제는 근본적으로 피할 수 없다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 산화층이 적층될 때, 하전된 이온에 의하여 강유전체가 손상되어 그 특성이 열화되는 문제를 최소화하는데 있으며, 전술한 기술적 과제를 달성할 수 있는 플라즈마 화학 기상 증착 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 ECR CVD 장치의 실시예를 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예에 의한 효과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 목적이 제공하는 화학 기상 증착 방법은 플라즈마 쳄버 내에 삼중 전극, 자장 발생 수단 및 하전 이온 포집 격자를 포함하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 화학 기상 증착 방법에 있어서, 상기 플라즈마 쳄버 내에서 발생된, 하전된 플라즈마 이온이 중성 이온 빔으로 전환되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 삼중 전극은 전압차를 이용하여 하전된 플라즈마 이온의 플럭스와 운동 에너지를 조절한다. 한편, 상기 자장 발생 수단은 상기 플라즈마 쳄버의 소정부에 다수개의 코일을 구비하고, 이들에 인가되는 전력이 조절되어 플라즈마 쳄버 내에 발생되는 자장이 조절된다. 상기 하전된 플라즈마 이온은 열적 중성인 플라즈마 쳄버 내부의 배경과 전하 교환을 통하여 중성 빔으로 전환된다. 이때, 상기 플라즈마 이온이 중성 빔으로 전환되지 않고 계속 하전 성질을 유지하고 있는 일부의 하전된 이온은 쳄버 내에서 제거되는 것이 바람직하며, 이를 위하여 하전 이온 포집 격자가 쳄버의 소정부에 구비되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 하전 이온 포집 격자는 쳄버 내의 상기 삼중 전극과 웨이퍼 간에 배치시키는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 일 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 ECR CVD 장치의 실시예를 나타낸 개략도이다. 도 1에 나타난 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 물질을 증착하는 과정을 증착 과정에 따라 순차적으로 설명하기로 한다.

플라즈마 쳄버(10) 내부에서 발생되는 플라즈마는 외부에서 조사되어 석영 윈도우(35)를 통과하는 마이크로 파장(40)과, 쳄버(10) 외면의 소정부에 구비된 코일들(51 내지 53)에 의하여 발생된 자장(magnetic field)의 분포 및 플라즈마 소오스(Ar)의 유량을 조절하는 각각의 질량 유량 조절계(mass flow control unit; 45)에 의하여 조절 유입되는 가스(Ar)의 압력에 의하여 조절된다. 상기와 같은 여러 구성 요소에 의하여 조절되면서 발생된, 라디칼과 이온의 혼합체인 플라즈마는 장치 내부의 삼중 전극(trifle electrode; 15)을 통과하게 된다.

상기 삼중 전극(15)의 제1 전극(15a)과 제2 전극(15b) 사이의 전압차에 의하여 하전된 플라즈마 이온의 운동 에너지가 결정되며, 제2 전극(15b)과 제3 전극(15c) 사이의 전압차에 의하여 플라즈마 이온의 플럭스(flux)가 결정된다. 이와 같이, 삼중 전극(15)의 전압차가 조절됨으로써 쳄버 내부에서 발생된 플라즈마 이온은 높은 플럭스를 갖도록 조절될 수 있다. 또한, 상기 삼중 전극(15)의 전극간 전압차가 조절되어 플라즈마 이온의 에너지가 웨이퍼(30)에 손상을 적게 줄 수 있는 정도의 소정양만을 갖도록 할 수 있다. 즉, 삼중 전극(15)을 통과한 이온 빔은 하전 입자를 포집하는 격자(charged particle trap grid; 20)에 이르기까지 열적으로 중성인 배경(background thermal neutral)과 전하 교환을 통하여 하전된 성질이 중성으로 전환된다. 이와 동시에, 상기 삼중 전극(15)에 의하여 웨이퍼(30)에 손상을 적게 줄 수 있는 정도의 에너지를 갖는 이온 빔은 그 운동 에너지가 결손되는 것도 방지할 수 있다.

이후, 에너지가 약화된 플라즈마는 상기 격자(20)를 통과하면서 그나마 잔존하는 소량의 하전된 이온 성분들이 포집되어, 웨이퍼 상에 적층되기에 최적화된 운동 에너지와 플럭스를 갖는 중성 빔으로 전환된다. 상기 최적화된 중성 빔은 유량 조절계(46과 47)에 의하여 각각 주입된 실레인(SiH₄)과 이산화질소(NO₂)를 분해시킨다. 상기 중성 빔으로 분해된 소오스 성분은 웨이퍼 지지대(25) 상에 배치된 웨이퍼(30)와 표면 반응을 일으켜 산화층으로 적층된다.

마지막으로, 상기 웨이퍼(30)에 적층되지 아니하고 남은 상기 분해된 소오스 성분들은 외부의 펌프에 의하여 노즐(60)을 통과하여 화살표 방향으로 배출된다.

한편, 상기 플라즈마 쳄버(10)의 소정부에 구비된 코일들(51 내지 53)에 인가되는 전력을 조절할 수 있는 시스템을 구비하여 플라즈마 쳄버(10) 내의 열적 중성인 배경의 밀도를 조절할 수 있다. 구체적으로 상기 전력 조절 시스템은 제1 코일(51)만의 제1 조합, 제1 코일(51)과 제2 코일(52)로 이루어진 제2 조합 및 제1 코일(51)과 제2 코일(52) 및 제3 코일(53)로 이루어진 제3 조합이 될 수 있으며, 이들 각각의 조합에서 모드를 변경함에 따라 하전된 이온 빔과 열적으로 중성인 배경과의 하전 성질이 전환되는 것이 조절될 수 있다. 이때, 상기 제2 코일(52)은 가변 코일이면, 임의의 모드 변경을 자유로이 행할 수 있으므로 바람직하다.

그런데, 이러한 시스템, 즉 코일의 조합에 의한 플라즈마 쳄버 내의 자장을 조절하는 시스템이 갖추어져 있지 않다면, 하전 입자 포집 격자(20)에서 이온 빔이 포집되어 실제 반응 가스를 분해시키는 중성 빔의 수가 적어져 효과적인 산화층의 증착이 어렵게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예에 의한 효과를 나타낸 그래프이다. 이는 상기 제1 조합(A), 제2 조합(B) 및 제3 조합(C)에 따른 플라즈마 쳄버(도 1의 10) 내부 공간에서의 자장 분포를 나타낸다. 상기 그래프에서, X 축은 상기 플라즈마 쳄버(도 1의 10)의 석영 윈도우(35)를 기준으로 하는 공간을 나타내며, Y 축은 이때, 발생된 자장 분포를 나타낸다.

그래프로부터, 상기 제2 조합(B) 및 제3 조합(C)에 따른 자장의 분포는 상대적으로 제1 조합(A)에 비하여 넓은 범위에 걸쳐 균일한 분포를 유지할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 제2 조합(B)의 분포 곡선 상의 좌우 화살표 표시는 제2 코일(52), 즉 가변 코일에 인가되는 전력을 변화시킴으로써 자장의 분포가 조절될 수 있음을 보여주는 것이다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 보다 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 산화층을 적층할 때, 하전된 이온에 의하여 강유전체의 열화 및 손상의 문제를 최소화할 수 있어 웨이퍼 상에 보다 안정적인 산화층을 적층할 수 있다.

Claims (7)

1. 플라즈마 쳄버 내에 삼중 전극, 자장 발생 수단 및 하전 이온 포집 격자를 포함하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용한 플라즈마 화학 기상 증착 방법에 있어서,

   상기 플라즈마 쳄버 내에서 발생된 하전성 플라즈마 이온이 중성 이온 빔으로 전환되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 삼중 전극은 전압차를 이용하여 하전된 플라즈마 이온의 플럭스와 운동 에너지가 조절되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 방법.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 자장 발생 수단은 상기 플라즈마 쳄버의 소정부에 다수개의 코일이 구비되며, 이들에 인가되는 전력이 조절될 수 있는 시스템이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 방법.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 전력 조절 시스템은 제1 코일만의 제1 조합, 제1 코일과 제2 코일(52)로 이루어진 제2 조합 및 제1 코일과 제2 코일 및 제3 코일로 이루어진 제3 조합 중 어는 하나의 모드가 선택됨으로써 각 코일에 인가되는 전력이 조절될 수 있는 시스템인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 방법.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 하전된 플라즈마 이온은 열적 중성인 플라즈마 쳄버 내부의 배경과 전하 교환이 이루어져 통하여 중성 빔으로 전환되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 방법.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 플라즈마 이온이 중성 빔으로 전환되고 남은 일부의 하전된 이온이 하전 이온 포집 격자에 포집되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 방법.
7. 제6 항에 있어서,

   상기 하전 이온 포집 격자는 상기 삼중 전극과 웨이퍼 간에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 방법.