KR20020001376A - 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법에 관한 것으로, TMA(TriMethyl Aluminum; Al(CH3)3)를 알루미늄 소오스로 하고, H2O를 산소 반응 가스로 하는 단원자 증착법(Atomic Layer Deposion)으로 알루미늄 산화막을 증착하는 공정에서, 알루미늄 소오스 공급 시 NH3반응 가스를 동시에 공급해 주므로, 알루미늄 산화막을 성장 속도를 향상시키고 또한, 하부층이나 반도체 기판으로 수소가 침투하는 것을 방지하는 특성을 향상시키므로써 수소의 침투로 인하여 커패시터의 전하 저장 특성이 열화되는 것과 각종 소자의 전기적 특성이 저하되는 것을 방지하여 전체적인 반도체 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 알루미늄 사화막 형성 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄 산화막의 성장 속도를 높이고, 하부층이나 알루미늄 산화막(Al2O3)으로의 수소 침투 방지 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 커패시터 제조 방법에 관한 것이다.
단원자 증착법에 의한 알루미늄 산화막 형성은 기판을 일정한 온도, 예를 들면 200 내지 450℃ 범위의 온도로 유지하면서 알루미늄 소오스 가스와 산소 반응 가스를 순차적으로 기판의 표면에 노출시켜 증착한다. 종래의 알루미늄 소오스 가스로는 TMA를 사용하고, 산소 반응 가스로는 H2O를 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성방법을 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 레시피도이다.
도 1을 참조하면, 알루미늄 산화막(Al2O3)을 형성하는 공정은 알루미늄 소오스 공급 단계(A1), 제 1 정화 단계(B1), 산소 반응 가스 공급 단계(C1) 및 제 2 정화 단계(D1)로 이루어지며, 4 단계(A1, B1, C1 및 D1)가 1 싸이클(Cycle)로 구성된다. 먼저, 단원자 증착법을 이용하여 알루미늄 산화막(Al2O3)을 형성하기 위해서는 배출 펌프(Pump)를 갖춘 반응기 내에 반도체 기판을 장착하고, 200 내지 450℃ 범위의 온도를 유지한다.
알루미늄 소오스 공급 단계(A1)에서는 알루미늄 소오스인 TMA를 0.1 내지 3초 동안 반응기 내부로 공급하여 반도체 기판의 표면에 알루미늄(Al)이 흡착되도록 한다.
제 1 정화 단계(B1)에서는 반응하지 않은 알루미늄 소오스 가스 및 반응 부산물을 제거하기 위하여, N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 주입하거나 진공 정화(Vacuum Purge)하여 배출 펌프를 통해 배출한다.
산소 반응 가스 공급 단계(C1)에서는 산소 반응 가스를 0.1 내지 3초 동안 반응기 내부로 공급하여 반도체 기판의 표면에 산소(O)가 흡착되도록 한다.
제 2 정화 단계(D1)에서는 반응하지 않은 산소 반응 가스 및 반응 부산물을 제거하기 위하여, N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 주입하거나 진공 정화하여 배출 펌프를 통해 배출한다.
알루미늄 산화막을 원하는 두께로 형성하기 위해서는 상기 4단계를 1 싸이클로 하여 원하는 두께로 형성될 때까지 반복해서 실시하면 된다.
그러나, 단원자 증착법의 특성상 증착속도가 느리기 때문에 양산공정에 적용하였을 때 비용 측면에서 매우 불리하며, 기존의 알루미늄 산화막은 수소원자의 확산에 대한 방지막으로 아직 성능이 완전하지 않은 실정이다.
따라서, 본 발명은 알루미늄 소오스 공급 단계에서 NH3반응 가스를 알루미늄 소오스 가스와 동시에 공급하여 알루미늄 산화막의 성장률을 높이고, 수소의 침투를 억제하는 특성을 향상시키므로써 알루미늄 산화막 하부층의 전기적 특성이 열화하는 것을 방지하여 전체적인 반도체 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 레시피도.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 레시피도.
도 3은 알루미늄 산화막 성장시 가스의 종류 및 노출시간에 따른 성장률을 비교하기 위하여 도시한 특성 그래프.
도 4는 알루미늄 산화막을 형성한 가스의 종류에 따라 수소의 침투율을 비교하기 위하여 도시한 특성 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
A1, A2 : 알루미늄 소오스 공급 단계
B1, B2 : 제 1 정화 단계
C1, C2 : 산소 반응 가스 공급 단계
D1, D2 : 제 2 정화 단계
G1 : 종래의 알루미늄 산화막 성장률 특성 곡선
G2 : 본 발명의 알루미늄 산화막 성장률 특성 곡선
H1 : 종래의 수소 침투에 따른 수소 농도 특성 곡선
H2 : 본 발명의 수소 침투에 따른 수소 농도 특성 곡선
1 : 반도체 기판 2 : 알루미늄 산화막
본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법은 개별 라인을 통해 알루미늄 소오스 및 활성화 가스를 웨이퍼가 장착된 반응기로 동시에 공급하는 제 1 단계; 미반응 알루미늄 소오스 및 반응 부산물을 상기 반응기에서 제거하는 제 2 단계, 산소 반응 가스를 반응기로 공급하는 제 3 단계 미반응 산소 반응 가스를 상기 반응기에서 제거하는 제 4 단계 및 제 1 내지 제 4 단계를 알루미늄 산화막 증착 공정의 1 싸이클로 하여 수차례 반복 실시를 통해 목표 두께의 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기의 단계에서, 반응기는 200 내지 450℃의 온도를 유지한다.
알루미늄 소오스는 TMA 및 MTMA 중 어느 하나를 이용하여 반응기에 0.1 내지 3초 동안 공급한다.
활성화 가스로는 NH3가스를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 10 내지 500sccm의 유량으로 상기 반응기에 공급한다.
제 2 단계 또는 제 4 단계는 N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 공급하여 상기 반응기를 정화한다.
산소 반응 가스는 H2O 베이퍼를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 상기 반응기로 공급한다.
NH3반응 가스를 제 1 단계에서 공급하는 대신에 제 2 또는 제 4 단계에서 공급하여 알루미늄 산화막을 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법의 다른 실시예는 개별 라인을 통해 알루미늄 소오스를 웨이퍼가 장착된 반응기로 동시에 공급하는 제 1 단계, 미반응 알루미늄 소오스 및 반응 부산물을 상기 반응기에서 제거하는 제 2 단계, 산소 반응 가스 및 활성화 가스를 반응기로 공급하는 제 3 단계, 미반응 산소 반응 가스를 상기 반응기에서 제거하는 제 4 단계 및 제 1 내지 제 4 단계를 알루미늄 산화막 증착 공정의 1 싸이클로 하여 수 차례 반복 실시를 통해 목표 두께의 알루미늄 산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기의 단계에서, 반응기는 200 내지 450℃의 온도를 유지한다.
알루미늄 소오스는 TMA 및 MTMA 중 어느 하나를 이용하여 반응기에 0.1 내지 3초 동안 공급한다.
활성화 가스로는 NH3가스를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 10 내지 500sccm의 유량으로 상기 반응기에 공급한다.
제 2 단계 또는 제 4 단계는 N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 공급하여 상기 반응기를 정화한다.
산소 반응 가스는 H2O 베이퍼를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 상기 반응기로 공급한다.
NH3반응 가스를 제 3 단계에서 공급하는 대신에 제 2 또는 제 4 단계에서 공급하여 알루미늄 산화막을 형성할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 레시피도이다.
도 2를 참조하면, 알루미늄 산화막(Al2O3)을 형성하는 공정은 알루미늄 소오스 공급 단계(A2), 제 1 정화 단계(B2), 산소 반응 가스 공급 단계(C2) 및 제 2 정화 단계(D2)로 이루어지며, 4 단계(A2, B2, C2 및 D2)가 1 싸이클(Cycle)로 구성된다. 먼저, 단원자 증착법을 이용하여 알루미늄 산화막(Al2O3)을 형성하기 위해서는 배출 펌프(Pump)를 갖춘 반응기 내에 반도체 기판을 장착하고, 200 내지 450℃ 범위의 온도를 유지한다.
알루미늄 소오스 공급 단계(A2)에서는 알루미늄 소오스인 TMA와 NH3반응 가스를 0.1 내지 3초 동안 반응기 내부로 동시에 공급하여 반도체 기판의 표면에 알루미늄(Al)이 흡착되도록 한다. NH3반응 가스는 10 내지 100sccm의 유량으로 공급하며, 필요에 따라 최고 500sccm까지 공급할 수도 있다. NH3반응 가스는 알루미늄 소오스와 동시에 공급되기 때문에 공급 라인 안에서 서로 반응할 수도 있다. 이를 방지하기 위해서는, 서로 다른 공급라인을 통해 알루미늄 소오스와 NH3반응 가스를 공급해 주어야 한다.
제 1 정화 단계(B2)에서는 반응하지 않은 알루미늄 소오스 가스 및 반응 부산물을 제거하기 위하여, N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 주입하거나 진공 정화(Vacuum Purge)하여 배출 펌프를 통해 배출한다.
산소 반응 가스 공급 단계(C2)에서는 산소 반응 가스를 0.1 내지 3초 동안 반응기 내부로 공급하여 반도체 기판의 표면에 산소(O)가 흡착되도록 한다.
제 2 정화 단계(D2)에서는 반응하지 않은 산소 반응 가스 및 반응 부산물을 제거하기 위하여, N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 주입하거나 진공 정화하여 배출 펌프를 통해 배출한다.
알루미늄 산화막을 원하는 두께로 형성하기 위해서는 상기 4단계(A2, B2, C2 및 D2)를 1 싸이클로 하여 원하는 두께로 형성될 때까지 반복해서 실시하면 된다.
도 3은 알루미늄 산화막 성장시 가스의 종류 및 노출시간에 따른 성장률을 비교하기 위하여 도시한 특성 그래프이다. 도면부호 G1은 종래의 알루미늄 산화막 성장률 특성 곡선이다. G1은 알루미늄 소오스인 TMA만을 공급하여 알루미늄 산화막을 형성한 경우의 성장률을 나타내고 있다. 도면부호 G2는 본 발명의 알루미늄 산화막 성장률 특성 곡선이다. G2는 알루미늄 소오스인 TMA와 30sccm의 NH3반응 가스를 동시에 공급하여 알루미늄 산화막을 형성한 경우의 성장률을 나타내고 있다.
도시한 바와 같이, 알루미늄 소오스 가스에 NH3반응 가스를 첨가하여 형성한 알루미늄 산화막의 성장률이 종래의 알루미늄 소오스만으로 형성한 알루미늄 산화막의 성장률보다 높다.
도 4는 알루미늄 산화막을 형성한 가스의 종류에 따라 수소의 침투율을 비교하기 위하여 도시한 특성 그래프이다. 도면부호 H1은 종래의 수소 침투에 따른 수소 농도 특성 곡선이고, 도면부호 H2는 본 발명의 수소 침투에 따른 수소 농도 특성 곡선이다. 본 그래프는 DRAM, FeRAM 등 고집적 메모리 소자의 캐퍼시터에 대한알루미늄 산화막의 수소 원자 침투 억제 효과를 조사하기 위하여 실험을 한 결과이다. 실험조건으로는 알루미늄 산화막을 종래의 방법과 본 발명의 방법에 의해 반도체 기판 상에 약 50nm의 두께로 형성하고, 플라즈마를 발생시켜 수소원자를 알루미늄 산화막 내로 침투시켰다. 플라즈마 발생을 위하여 RF 반응기에서 약 500W 정도의 파워를 일정하게 가해주었고, 노출시간은 100초로 고정하였다.
도시한 바와 같이, 반도체 기판 영역(1)과 알루미늄 산화막(2) 내부의 수소 농도를 측정한 결과, 종래의 방법으로 형성한 알루미늄 산화막보다 본 발명의 방법으로 형성한 알루미늄 산화막의 수소 침투 억제 효과가 우수한 것으로 나타난다.
본 발명의 다른 실시예로는, NH3활성화 가스를 알루미늄 소오스와 동시에 공급하지 않고, 산소 반응 가스 공급 단계에서 H2O와 동시에 공급할 수도 있다. 또 다른 실시예로는, NH3활성화 가스를 알루미늄 소오스 또는 H2O와 동시에 공급하지 않고, 반응기를 정화시키는 제 1 정화 단계 또는 제 2 정화 단계에서 N2 가스와 동시에 공급하여 알루미늄 산화막을 형성할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 알루미늄 산화막 형성시 NH3반응 가스를 알루미뉴 소오스와 동시에 공급하여 줌으로써 성장률이 향상되고 수소원자가 침투하는 것을 차단하는 특성이 향상되어 반도체 소자의 전기적 특성을 향상시키는 효과가있다.
Claims (14)
- 개별 라인을 통해 알루미늄 소오스 및 활성화 가스를 웨이퍼가 장착된 반응기로 동시에 공급하는 제 1 단계;미반응 알루미늄 소오스 및 반응 부산물을 상기 반응기에서 제거하는 제 2 단계;산소 반응 가스를 반응기로 공급하는 제 3 단계;미반응 산소 반응 가스를 상기 반응기에서 제거하는 제 4 단계; 및상기 제 1 내지 제 4 단계를 알루미늄 산화막 증착 공정의 1 싸이클로 하여 수차례 반복 실시를 통해 목표 두께의 알루미늄 산화막을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반응기는 200 내지 450℃의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 알루미늄 소오스는 TMA 및 MTMA 중 어느 하나를 이용하여 상기 반응기에 0.1 내지 3초 동안 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 활성화 가스는 NH3가스를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 10 내지 500sccm의 유량으로 상기 반응기에 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 단계 또는 제 4 단계는 N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 공급하여 상기 반응기를 정화하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 산소 반응 가스는 H2O 베이퍼를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 상기 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 NH3반응 가스를 제 1 단계에서 공급하는 대신에 제 2 또는 제 4 단계에서 공급하는 것을 특징을 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 개별 라인을 통해 알루미늄 소오스를 웨이퍼가 장착된 반응기로 동시에 공급하는 제 1 단계;미반응 알루미늄 소오스 및 반응 부산물을 상기 반응기에서 제거하는 제 2 단계;산소 반응 가스 및 활성화 가스를 반응기로 공급하는 제 3 단계;미반응 산소 반응 가스를 상기 반응기에서 제거하는 제 4 단계; 및상기 제 1 내지 제 4 단계를 알루미늄 산화막 증착 공정의 1 싸이클로 하여 수차례 반복 실시를 통해 목표 두께의 알루미늄 산화막을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 반응기는 200 내지 450℃의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 알루미늄 소오스는 TMA 및 MTMA 중 어느 하나를 이용하여 상기 반응기에 0.1 내지 3초 동안 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 활성화 가스는 NH3가스를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 10 내지 500sccm의 유량으로 상기 반응기에 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 2 단계 또는 제 4 단계는 N2 가스를 0.1 내지 3초 동안 공급하여 상기 반응기를 정화하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 산소 반응 가스는 H2O 베이퍼를 이용하여 0.1 내지 3초 동안 상기 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 NH3반응 가스를 제 3 단계에서 공급하는 대신에 제 2 또는 제 4 단계에서 공급하는 것을 특징을 하는 반도체 소자의 알루미늄 산화막 형성 방법.
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