KR20010084386A - 원자층 증착법을 이용한 알루미늄 산화막 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자층 증착법으로 알루미늄 산화막을 형성하는 방법을 제공한다. 이를 위하여, 본 발명은 반응 챔버에 DAMCl[Di-Methyl-Aluminium-Chloride: Al(CH3)2Cl]로 이루어진 알루미늄 소스를 주입하여 반도체 기판 상에 화학적 및 물리적으로 흡착시킨다. 그리고, 상기 알루미늄 소스가 화학적 및 물리적으로 증착된 반도체 기판에 오존으로 이루어진 산소 소스를 주입하여 상기 알루미늄 소스 및 산소 소스의 화학적 교환 작용에 의해 원자층 단위의 알루미늄 산화막을 형성한다. 이상과 같이 알루미늄 소스로 DMACl을 사용하고 산소 소스로 오존을 사용하여 원자층 증착법으로 형성된 알루미늄 산화막 내에는 불순물, 예컨대 탄소 불순물이 적게 포함된다. 그리고, 본 발명에 의하여 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막으로 채용할 경우 낮은 누설 전류값을 얻을 수 있고, 안정된 커패시터 특성을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 알루미늄 산화막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition: "ALD법")을 이용한 알루미늄 산화막 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 알루미늄 산화막은 화학적으로 안정하고 절연 특성이 우수하여 반도체 소자의 커패시터 유전막 및 게이트 산화막 물질로 채용하기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다. 그런데, 상기 알루미늄 산화막은 우수한 박막 특성에도 불구하고 800℃의 고온에서 화학기상증착법으로만 증착이 가능하여 저온에서 증착이 필요한 경우 반도체 소자에 채용할 수가 없었다.
이에 따라, 상기 알루미늄 산화막을 저온에서 원자층 증착법으로 증착하는 방법이 제안되었다. 상기 원자층 증착법은 소스 물질의 열분해 없이 화학적 교환작용(chemical exchange)을 이용하기 때문에 저온에서도 우수한 특성의 알루미늄 산화막을 얻을 수 있다.
그러나, 화학적 교환작용을 이용하는 원자층 증착법으로 알루미늄 산화막을증착할 경우, 소스 물질 및 공정 조건에 따라 물성의 차이가 민감하게 나타난다. 특히, 소스 물질들간의 불완전한 분해 및 결합이 발생하여 알루미늄 산화막 내에 불순물이 형성된다. 이러한 불순물은 알루미늄 산화막의 특성 변화를 유발시켜 원하는 박막 특성을 얻을 수 없게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원자층 증착법을 이용할 경우 불순물을 감소시킬 수 있는 알루미늄 산화막 형성 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 알루미늄 산화막을 형성하기 위한 흐름도이고,
도 2는 도 1의 알루미늄 산화막을 형성할 때 소스 가스들 및 퍼지가스의 주입방법의 일 예를 나타내는 그래프이고,
도 3 및 도 4는 각각 알루미늄 소스로 TMA(Tri-Methyl-Aluminum) 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 수증기(H2O)를 이용하여 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막으로 사용한 경우 커패시터의 누설 전류 특성을 도시한 그래프이고,
도 5는 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 수증기(H2O)를 이용하여 형성된 알루미늄 산화막 내의 탄소 불순물의 농도 변화를 SIMS 방법으로 측정하여 도시한 그래프이고,
도 6 및 도 7은 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 오존(O3)을 이용하여 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막으로 사용한 경우 커패시터의 누설 전류 특성을 도시한 그래프이고,
도 8은 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 오존(O3)을 이용하여 형성된 알루미늄 산화막 내의 탄소 불순물의 농도 변화를 SIMS방법으로 측정하여 도시한 그래프이고,
도 9는 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 수증기 및 오존(O3)을 이용하여 형성된 알루미늄 산화막의 등가 산화막 두께에 따른 첫 번째 수윙과 두 번째 수윙의 전압 차이를 도시한 그래프이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반응 챔버에 DAMCl[Di-Methyl-Aluminum-Chloride: Al(CH3)2Cl]로 이루어진 알루미늄 소스를 주입하여 반도체 기판 상에 화학적 및 물리적으로 흡착시키는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 알루미늄 소스가 화학적 및 물리적으로 증착된 반도체 기판에 오존으로 이루어진 산소 소스를 주입하여 상기 알루미늄 소스 및 산소 소스의 화학적 교환 작용에 의해 원자층 단위의 알루미늄 산화막을 형성한다. 상기 알루미늄 소스 주입 및 산소 소스 주입은 150∼650℃에서 수행할 수 있다. 상기 알루미늄 소스를 주입하는 단계 후에 상기 반응 챔버를 불활성 가스로 퍼지할 수 있다.
이상과 같이 알루미늄 소스로 DMACl을 사용하고 산소 소스로 오존을 사용하여 원자층 증착법으로 형성된 알루미늄 산화막은 막 내에 불순물, 예컨대 탄소 불순물을 적게 포함된다. 그리고, 본 발명에 의하여 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막으로 채용할 경우 낮은 누설 전류값을 얻을 수 있고, 안정된 커패시터특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명과 같이 알루미늄 소스로 DMACl, 산소 소스로 오존을 이용하여 원자층 증착법으로 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막으로 채용한 경우가 일정 누설 전류값에서 첫 번째 및 두 번째 수윙시 전압 차이가 적어 커패시터 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 알루미늄 산화막을 형성하기 위한 흐름도이고, 도 2는 도 1의 알루미늄 산화막을 형성할 때 소스 가스들 및 퍼지가스의 주입방법의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 기판, 예컨대 실리콘 기판이 로딩된 반응 챔버를 150∼650℃의 공정 온도로 유지한 상태에서 상기 반응 챔버에 알루미늄 소스, 바람직하게는 DMACl[Di-Methyl-Aluminum-Chloride: Al(CH3)2Cl]을 주입한다(스텝 10). 상기 알루미늄 소스의 주입은 버블링 방식을 이용하는데, 버블러의 온도는 상온이고, 가스 라인의 온도는 80℃, 캐리어 가스(carrier gas)는 아르곤을 이용한다. 이렇게 되면, 반도체 기판에 알루미늄 소스가 물리적 및 화학적으로 흡착된다.
이어서, 상기 반응 챔버를 불활성 가스, 예컨대 아르곤, 질소, 헬륨 등의 가스로 1차 퍼지한다(스텝 15). 이에 따라, 상기 물리적으로 흡착되어 있는 알루미늄 소스들이 일부 제거된다.
계속하여, DMACl로 이루어진 알루미늄 소스가 화학적 또는 물리적으로 흡착되어 있는 반도체 기판을 포함하고, 상기 공정 온도가 유지되고 있는 반응 챔버에산소 소스, 바람직하게는 오존 가스를 주입한다(스텝 20). 이렇게 되면, 상기 DMACl로 이루어진 알루미늄 소스 및 오존 가스로 이루어진 산소 소스의 화학적 치환작용에 의하여 원자층 단위의 알루미늄 산화막이 형성된다.
다음에, 상기 반응 챔버를 불활성 가스, 예컨대 아르곤, 질소, 헬륨 등의 가스로 2차 퍼지한다(스텝 25). 이에 따라, 상기 알루미늄 산화막 형성시 미반응되거나 물리적으로 흡착되어 있는 소스 물질들이 제거된다.
계속하여, 알루미늄 소스 주입 단계(스텝 10)부터 불활성 가스 2차 퍼지 단계(스텝 25)까지를 주기적(cycle)으로 반복 수행하여 적정 두께, 예컨대 10Å 내지 1000Å 정도의 박막이 형성되었는지를 확인한다(스텝 30). 적정 두께가 되면 상기 알루미늄 산화막 형성 과정을 완료한다.
본 실시예에서는 반도체 기판, 예컨대 실리콘 기판 상에 원자층 증착법을 이용하여 알루미늄 소스로 DMACl, 산소 소스로 오존을 사용하여 알루미늄 산화막을 형성하는 것을 설명하였다. 이에 더하여, 상기 알루미늄 산화막을 TiO2, ZrO2, Ta2O5,HfO2, Nb2O5, CeO2, Y2O3, SiO2등의 단원자 산화막이나 SrTiO3, PbTiO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb.La)(Zr,Ti)O3등의 복합 산화막과 다층막으로 형성할 수도 있다.
이하에서는, 본 발명에 알루미늄 소스로 DMACl과 산소 소스로 오존을 이용할 경우 알루미늄 산화막의 누설 전류 특성 및 불순물 분포가 어떻게 나타나는지를 설명한다.
먼저, 알루미늄 소스로는 DMACl을 이용하고 산소 소스로는 수증기(H2O)를 이용할 경우 알루미늄 산화막의 누설 전류 특성 및 불순물 분포가 어떻게 나타나는지를 살표본다.
도 3 및 도 4는 각각 알루미늄 소스로 TMA(Tri-Methyl-Aluminum) 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 수증기(H2O)를 이용하여 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막으로 사용한 경우 커패시터의 누설 전류 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 커패시터의 유전막으로 도 3은 450℃의 온도에서 산소 소스로 수증기(H2O), 알루미늄 소스로 TMA를 이용하여 원자층 증착법으로 알루미늄 산화막을 40Å(a로 표시), 50Å(b로 표시) 및 60Å(c로 표시)의 두께로 형성한 경우이고, 도 4는 550℃의 온도에서 산소 소스로 수증기, 알루미늄 소스로 DMACl을 이용하여 원자층 증착법으로 알루미늄 산화막을 40Å(d로 표시), 50Å(e로 표시) 및 60Å(f로 표시)의 두께로 형성한 경우이다. 도 3 및 도 4의 경우 모두 커패시터의 하부 전극으로는 폴리실리콘막, 상부 전극으로는 화학기상증착법으로 증착한 TiN막이나 TiN막과 폴리실리콘막의 이중막을 이용한 경우이다. 그리고, 도 3 및 도 4의 a∼f에서, 참조번호 "1"은 첫 번째로 0V에서 4.5V까지 전압을 인가하면서(첫 번째로 수윙(swing)하면서) 누설전류를 측정한 것이고, 참조번호 "2"는 첫 번째 누설 전류 측정후 두 번째로 0V에서 4.5V까지 전압을 인가하면서(두 번째로 수윙하면서) 누설전류를 측정한 것이다.
도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 알루미늄 소스로 TMA를 사용한 경우(도3)보다 DMACl을 사용한 경우(도 4)가 동일한 두께 및 전압에서 낮은 누설 전류 특성을 나타낸다.
또한, 도 3 및 도 4에서 모두 동일한 누설 전류를 보이는 전압이 첫 번째로 수윙한 경우보다 두 번째로 수윙한 경우가 높은 값을 나타낸다. 이렇게 동일한 누설전류값에서 첫 번째 수윙한 경우와 수윙한 경우의 전압 차이는 전압 인가 횟수에 따른 커패시터의 특성 변화를 유발하여 안정된 커패시터 특성을 얻기가 힘들어짐을 의미한다. 그런데, 동일한 누설 전류값에서 알루미늄 소스로 TMA를 사용한 경우(도 3)보다 알루미늄 소스로 DMACl을 사용한 경우(도 4)가 첫 번째로 수윙한 경우와 두 번째로 수윙한 경우의 전압 차이가 낮게 나타나 알루미늄 소스로 DMACl을 사용할 경우 보다 우수한 커패시터 특성을 얻을 수 있다.
도 5는 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 수증기(H2O)를 이용하여 형성된 알루미늄 산화막 내의 탄소 불순물의 농도 변화를 SIMS 방법으로 측정하여 도시한 그래프이다.
구체적으로, 450℃의 온도에서 산소 소스로 수증기(H2O), 알루미늄 소스로 TMA를 이용하여 알루미늄 산화막을 실리콘 기판 상에 원자층 증착법으로 형성한 경우(◇로 표시)와, 250℃(□로 표시), 350℃(▽로 표시), 450℃(△로 표시), 550℃(○로 표시)의 온도에서 산소 소스로 수증기, 알루미늄 소스로 DMACl을 이용하여 알루미늄 산화막을 실리콘 기판 상에 원자층 증착법으로 80Å의 두께로 형성한 경우이다.
도 5에 보듯이 산소 소스로 오존(O3), 알루미늄 소스로 DMACl을 이용하여 알루미늄 산화막을 형성한 경우의 탄소 불순물이 산소 소스로 수증기(H2O), 알루미늄 소스로 TMA를 이용하여 알루미늄 산화막을 형성한 경우보다 작게 나타남을 알 수 있다. 이상을 고려하여 볼 때 알루미늄 소스로 TMA 대신에 DMACl을 사용한 경우가 낮은 누설 전류를 나타내고 첫 번째 수윙한 경우와 두 번째 수윙한 경우의 누설 전류값의 차이가 적으며 불순물인 탄소의 양도 낮게 나타남을 알 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 오존(O3)을 이용하여 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막으로 사용한 경우 커패시터의 누설 전류 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 커패시터의 유전막으로 도 6은 550℃의 온도에서 산소 소스로 오존(O3), 알루미늄 소스로 TMA를 이용하여 원자층 증착법으로 알루미늄 산화막을 40Å(a로 표시), 50Å(b로 표시) 및 60Å(c로 표시)의 두께로 형성한 경우이고, 도 7은 550℃의 온도에서 산소 소스로 오존(O3), 알루미늄 소스로 DMACl을 이용하여 원자층 증착법으로 알루미늄 산화막을 40Å(d로 표시), 50Å(e로 표시) 및 60Å(f로 표시)의 두께로 형성한 경우이다. 도 6 및 도 7의 경우, 모두 커패시터의 하부 전극으로는 폴리실리콘막, 상부 전극으로는 화학기상증착법으로 증착한 TiN막이나 TiN막과 폴리실리콘막의 이중막을 이용한 경우이다. 그리고, 도 6 및 도 7의 a∼f에서, 참조번호 "1"은 첫 번째로 0V에서 4.5V까지 전압을 인가하면서(첫 번째로 수윙(swing)하면서) 누설전류를 측정한 것이고, 참조번호 "2"는 첫 번째 누설 전류측정후 두 번째로 0V에서 4.5V까지 전압을 인가하면서(두 번째로 수윙하면서) 누설전류를 측정한 것이다.
도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이 알루미늄 소스로 TMA를 사용하고 산소 소스로 오존을 사용한 경우(도 6)보다 알루미늄 소스로 DMACl을 사용하고 산소 소스로 오존을 사용한 경우(도 7)가 동일한 두께 및 전압에서 낮은 누설 전류 특성을 나타낸다.
또한, 동일 누설 전류값에서 알루미늄 소스로 TMA를 사용하고 산소 소스로 오존을 사용한 경우(도 6)보다 DMACl을 사용하고 산소 소스로 오존을 사용한 경우(도 7)가 첫 번째 수윙한 경우와 두 번째로 수윙한 경우의 전압 차이가 낮게 나타난다. 특히, 도 7의 경우는 동일 누설 전류에서 첫 번째로 수윙한 경우와 두 번째로 수윙한 경우의 전압차가 거의 나타나지 않음을 알 수 있다. 따라서, 알루미늄 산화막을 원자층 증착법으로 형성할 때 알루미늄 소스로 DMACl을 사용하고 산소 소스로 오존을 사용할 경우 보다 우수한 커패시터 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 오존(O3)을 이용하여 형성된 알루미늄 산화막 내의 탄소 불순물의 농도 변화를 SIMS 방법으로 측정하여 도시한 그래프이다.
구체적으로, 450℃의 온도에서 산소 소스로 오존(O3), 알루미늄 소스로 TMA를 이용하여 알루미늄 산화막을 실리콘 기판 상에 원자층 증착법으로 형성한 경우(a로 표시)와, 250℃(b로 표시), 350℃(c로 표시), 450℃(d로 표시), 550℃(e로 표시)의 온도에서 산소 소스로 오존(O3), 알루미늄 소스로 DMACl을 이용하여 알루미늄 산화막을 실리콘 기판 상에 원자층 증착법으로 80Å의 두께로 형성한 경우이다. 도 8에 보듯이 450℃(d로 표시) 및 550℃(e로 표시)에서 산소 소스로 오존(O3), 알루미늄 소스로 DMACl을 이용하여 알루미늄 산화막을 형성한 경우의 탄소 불순물이 450℃에서 산소 소스로 수증기(H2O), 알루미늄 소스로 TMA를 이용하여 알루미늄 산화막을 형성한 경우(a로 표시)보다 작게 나타남을 알 수 있다.
도 9는 각각 알루미늄 소스로 TMA 및 DMACl을 이용하고 산소 소스로 각각 수증기 및 오존(O3)을 이용하여 형성된 알루미늄 산화막의 등가 산화막 두께에 따른 첫 번째 수윙과 두 번째 수윙의 전압 차이를 도시한 그래프이다.
구체적으로, 가로축은 알루미늄 산화막의 등가 산화막 두께를 나타내며, 세로축은 누설 전류값이 100nA/cm2일 경우 첫 번째 수윙과 두 번째 수윙시 전압차를 나타낸다. 그리고, ■는 알루미늄 소스로 DMACl, 산소 소스로 수증기를 이용하여 550℃에서 알루미늄 산화막을 형성한 경우이고, ●는 알루미늄 소스로 TMA, 산소 소스로 수증기를 이용하여 450℃에서 알루미늄 산화막을 형성한 경우이고, ▲ 및 ▼는 알루미늄 소스로 DMACl, 산소 소스로 오존을 이용하여 각각 450℃ 및 550℃에서 알루미늄 산화막을 형성한 경우이고, ◆는 알루미늄 소스로 TMA, 산소 소스로 오존을 이용하여 550℃에서 알루미늄 산화막을 형성한 경우이다. ,
도 9에 보듯이 산소 소스로 오존(O3), 알루미늄 소스로 DMACl을 이용하여 알루미늄 산화막을 형성한 경우, 누설전류값이 100nA/cm2일 경우 첫 번째와 두 번째 수윙의 전압 차이가 가장 적어 안정된 커패시터 특성을 보여준다.
이상을 고려하여 볼 때, 알루미늄 소스로 TMA 대신에 DMACl을 사용하고 산소 소스로 오존을 사용하고 공정 온도는 150∼650℃, 바람직하게는 250∼550℃에서 원자층 증착법으로 알루미늄 산화막을 형성한 경우가 동일한 두께 및 전압하에서 낮은 누설 전류를 나타낸다. 그리고, 상술한 공정 조건의 경우가 동일한 누설전류값에서 첫 번째 및 두 번째 수윙시 전압 차이가 적으며 불순물인 탄소의 양도 낮게 나타남을 알 수 있다.
이상, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식으로 그 변형이나 개량이 가능하다.
본 발명과 같이 알루미늄 소스로 TMA 대신에 DMACl을 사용하고 산소 소스로 오존을 사용하여 원자층 증착법으로 형성된 알루미늄 산화막 내에는 존재하는 탄소 불순물을 줄일 수 있다. 그리고, 본 발명의 알루미늄 산화막을 커패시터의 유전막을 채용할 경우 동일한 두께 및 전압하에서 낮은 누설 전류를 나타낸다.
또한, 본 발명과 같이 알루미늄 소스로 DMACl, 산소 소스로 오존을 이용하여 원자층 증착법으로 형성된 알루미늄 산화막을 커패시터 유전막을 채용할 경우 일정 누설 전류값에서 첫 번째 및 두 번째 수윙시 전압 차이가 적어 커패시터 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (3)
- 반응 챔버에 DAMCl로 이루어진 알루미늄 소스를 주입하여 반도체 기판 상에 화학적 및 물리적으로 흡착시키는 단계; 및상기 알루미늄 소스가 화학적 및 물리적으로 증착된 반도체 기판에 오존으로 이루어진 산소 소스를 주입하여 상기 알루미늄 소스 및 산소 소스의 화학적 교환 작용에 의해 원자층 단위의 알루미늄 산화막을 형성하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 소스 주입 및 산소 소스 주입은 150∼650℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 소스를 주입하는 단계 후에 상기 반응 챔버를 불활성 가스로 퍼지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 산화막 형성 방법.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR100668827B1 (ko) * | 2004-07-01 | 2007-01-16 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체소자의 캐패시터 형성방법 |
| WO2014083240A1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-06-05 | Beneq Oy | A method for fabricating a structure comprising a passivation layer on a surface of a substrate |
-
2000
- 2000-02-25 KR KR1020000009396A patent/KR20010084386A/ko not_active Application Discontinuation
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