KR20010114050A - 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법에 관한 것으로, 단원자 증착법(Atomic Layer Deposion)을 이용한 알루미늄 산화막 증착 공정에서 산소 소오스로 H2O 베이퍼 대신에 산소를 포함하는 알콜류를 이용하되 알루미늄 소오스와는 다른 공급 라인을 통하여 반응기에 공급하므로써 기생적으로 발생하는 CVD 알루미늄 산화막에 의한 박막의 균일성 저하를 방지하고, 또한 상기 반응기로 알루미늄 소오스 공급 및 산소 소오스 공급시 활성화 가스를 동시에 공급해 주므로써 증착율 저하를 방지하고 불순물에 의한 전기적 특성 열화를 억제할 수 있는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법이 개시된다.

Description

반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법{Method of forming a Al2O3 layer in a semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 단원자 증착법을 이용하여 알루미늄 산화막을 형성하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고집적 메모리 소자 제조 공정 중 커패시터의 유전체막 및 H2투과 장비막으로 Al2O3가 널리 적용되고 있다.
단원자 증착법(Atomic Layer Deposition)에 의한 알루미늄 산화막(Al2O3) 형성 방법은 기판을 200 내지 450℃로 유지하면서 알루미늄(Al) 소오스 물질과 산소(O) 포함한 원료 물질을 번갈아 가면서 기판 표면에 분사하고, 원료 물질 주입 사이에 퍼지(Purge) 과정을 삽입하여 잔여 소오스(Source)물질을 제거하는 과정을 통해 박막을 증착한다. 일반적으로 알루미늄(Al) 소오스 물질로 Al(CH3)3(TriMethyl Aluminum;TMA)를 산소(O) 반응가스로 베이퍼(Vapor) 상태의 H2O를 사용한다. H2O 베이퍼 경우 기화 온도 이상에서도 주위의 물질에 흡착되는 특성이 강하기 때문에 H2O 베이퍼를 반응기에 공급한 후에 오랜 시간 동안 H2O 베이퍼가 흘러간 경로를 정화(Purge) 시켜주고 H2O 베이퍼의 공급 라인을 히팅(Heating) 하여 주어야 H2O 베이퍼가 제거된다. 만약 H2O 베이퍼를 공급 라인(Delivery line) 등에서 완전하게 제거하지 못하면 후속에 공급되는 알루미늄(Al) 소오스와 반응하여 기생적 CVD법에 의한 Al2O3박막이 형성되기 때문에 ALD 증착 방법과 CVD 증착 방법이 혼합되어 불균일한 박막이 증착된다..
산소의 원료 물질인 H2O 베이퍼 원료 물질의 단점을 극복하기 위하여 산소를 포함한 각종 알콜류를 대신하여 사용한다. 그러나 이 경우 알콜류의 분자의 크기가 H2O 베이퍼에 비하여 상당히 크므로 ALD 증착시에 단위 싸이클(Cycle)당 박막의 성장률(Growth rate)이 매우 떨어지는 단점이 있다. 또한 금속 유기(Metal-organic) 원료 물질인 TMA 및 알콜류의 원료 물질을 사용함으로 인하여 Al2O3박막내의 탄소가 포함되어 박막의 전기적 특성 열화의 원인으로 작용한다.
따라서, 본 발명은 H2O 베이퍼 대신에 산소를 포함하는 알콜류 물질을 반응가스로 이용하고 TMA 및 MTMA(Modified TriMethyl Aluminum) 중 어느 하나를 이용한 알루미늄 소오스와 활성화 가스(NH3)를 서로 다른 라인으로 동시에 공급하여 알루미늄 산화막을 증착하므로써 균일하면서도 커버리지 특성이 좋으며 불순물이 적은 알루미늄 산화막을 형성할 수 있는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법은
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 증착 장비에 원료 물질을 공급하는 방식을 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 반응로 20 : 웨이퍼
30 : 알루미늄 산화막 40 : 제 1 공급 라인
50 : 제 2 공급 라인 60 : 제 3 공급 라인
70 : 배출 펌프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 증착 장비에 원료 물질을 공급하는 방식을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 단원자 증착법에 의해 알루미늄 산화막(Al2O3)을 형성하기 위해서는 배출 펌프(70), 알루미늄 소오스를 공급하기 위한 제 1 공급 라인(40), 활성화 가스를 공급하기 위한 제 2 공급 라인(50) 및 알콜류 베이퍼를 공급하기 위한 제 3 공급 라인(60)을 갖춘 반응기(10)가 필요하다. 알루미늄 산화막을 증착하기 위한 조건으로는 웨이퍼(20)를 200 내지 450℃의 온도범위로 유지하고, 반응기(10)의 압력은 50 내지 300mTorr의 범위로 한다. 이하에서는 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 설명한다.
알루미늄 소오스 주입 단계(A)에서 제 1 공급 라인(40)을 통해 TMA(TriMethyl Aluminum) 및 MTMA(Modified TMA) 중 어느 하나를 알루미늄 소오스로 이용하여 0.1 내지 3초 동안 반응기(10)로 주입해 웨이퍼(20)의 표면에 알루미늄 소오스가 흡착되도록 한다. 이때 활성화 가스로 20 내지 1000sccm의 NH3가스를 동시에 공급하되 알루미늄 소오스가 공급되는 라인(40)을 통해 같이 공급할 경우 공급 라인(40) 내에서 기생적으로 파티클(Particle)이 발생하기 때문에 서로 다른라인 즉 제 2 공급라인(50)으로 공급하여야 한다. 알루미늄 소오스로는 TMA인 Al(CH3)3또는 MTMA인 (CH3)3N(CH2)5CH3를 사용한다. MTMA는 실온에서는 고체이고 30℃ 이상에서는 액체이며 50 내지 100℃의 온도가 되어야 베이퍼 상태가 되므로 알루미늄 소오스로 MTMA를 사용할 경우에는 소오스 용기(Source bottle)의 온도를 50 내지 100℃의 범위로 하고 소오스 공급라인의 온도를 70 내지 180℃의 범위로 한다.
제 1 정화 단계(B)에서는 질소(N2) 가스를 0.1 내지 3초 동안 주입하거나 진공 퍼지(Vacuum Purge)를 실시하여 웨이퍼(20)에 흡착되지 않고 미반응 상태에 있는 알루미늄 소오스를 배출 펌프(70)로 제거한다. 미반응 상태의 알루미늄 소오스를 제거하는 이유는 후속 공정에서 주입되는 가스와의 반응으로 인하여 파티클을 형성하는 것을 방지하기 위해서이다.
반응가스 주입 단계(C)에서는 산소(O) 반응가스로 산소를 포함하는 알콜류를 이용하며 0.1 내지 3초 동안 제 3 공급 라인(60)을 통해 베이퍼 상태로 반응기(10)에 주입하여 웨이퍼(20)의 표면에 흡착되도록 한다. 산소 소오스 물질로 사용하는 알코올은 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH) 및 이소프로필 알코올(CH3CH(OH)CH3) 중 어느 하나를 이용한다. 이때에도 활성화 가스로 20 내지 1000sccm의 NH3가스를 알콜류가 공급되는 제 3 공급 라인(60)으로 동시에 공급해 준다.
제 2 정화 단계(D)에서는 질소(N2) 가스를 0.1 내지 3초 동안 주입하거나 진공 퍼지(Vacuum Purge)를 실시하여 웨이퍼(20)에 흡착되지 않고 미반응 상태에 있는 알콜류를 배출 펌프(70)로 제거한다.
상기한 4개의 단계(A, B, C 및 D)가 알루미늄 산화막(30)을 증착하는 한 싸이클(1 Cycle)을 이루며 싸이클을 여러 번 반복 실시하여 목표 두께의 알루미늄 산화막을 증착한다.
상기한 단계에서 활성화 가스인 NH3가스 없이 알콜류 베이퍼만 공급할 경우 H2O에 비하여 알콜류 물질의 분자 크기가 크므로 하부의 CH3가 종단되어 있는 Al-CH3와 교환 반응하는 분자의 개수가 작아지므로 싸이클당 알루미늄 산화막의 커버리지(Coverage)가 감소한다. 그러나 NH3가스를 함께 공급하여 줌에 따라서 알콜류의 리건드(Ligand)와 NH3가스의 수소기(Hydroen)가 반응하여 메탄(CH4) 또는 에탄(C2H5), 프로판 형태로 제거되며, 알콜의 OH는 CH3와 교환 반응이 발생하여 OH 종단되어 있는 표면을 형성하게 된다. 알콜류와 NH3가스를 동시에 흘려주어 웨이퍼 표면에서 분자의 크기가 큰 알콜류의 분해 반응을 일으킴으로써 싸이클당 알루미늄 산화막 두께가 H2O에 비하여 감소되는 현상을 막을 수 있으며, 알루미늄 산화막내 탄소(C), 수소(H) 등의 불순물의 농도를 감소시킬 수 있다.
상기한 단계에 따라 형성된 알루미늄 산화막은 게이트 유전체, BST 커패시터, Y1 커패시터, PZT 커패시터, Ru/Ta2O5/Ru 및 TiN/Ta2O5/Ru 커패시터를 형성한 후에 H2방지막(Barrier)으로도 사용된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 활성화 가스를 이용한 단원자 증착법으로 알루미늄 산화막을 형성하므로써 박막내의 불순물이 줄어들어 전기적 특성의 열화를 개선시키는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 알루미늄 소오스 및 활성화 가스를 개별 라인을 통해 웨이퍼가 장착된 반응기로 동시에 공급하는 제 1 단계;
    미반응 알루미늄 소오스를 상기 반응기에서 제거하는 제 2 단계;
    산소를 포함하는 알콜류의 반응 가스 및 활성화 가스를 동일 라인을 통해 상기 반응기로 동시에 공급하는 제 3 단계;
    미반응 알콜류를 상기 반응기에서 제거하는 제 4 단계; 및
    상기 제 1 내지 제 4 단계를 알루미늄 산화막 증착 공정의 한 싸이클로 하여 여러번 반복 실시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 50 내지 300mTorr의 증착압력을 유지하고 상기 웨이퍼는 200 내지 450℃의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 소오스는 TMA 및 MTMA 중 어느 하나를 이용하여 상기 반응기에 0.1 내지 3초 동안 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 소오스를 MTMA로 이용할 경우 알루미늄 소오스 용기는 50 내지 100℃의 온도범위를 유지하고 알루미늄 소오스 공급라인은 70 내지 180℃의 온도범위를 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성화 가스는 NH3가스를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 20 내지 1000sccm의 유량으로 상기 반응기에 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 알콜류는 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH) 및 이소프로필알코올(CH3CH(OH)CH3) 중 어느 하나를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 상기 반응기에 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
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