KR20020096230A - 퍼지단계를 필요로 하지 않는 원자층 화학증착법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퍼지단계를 필요로 하지 않는 원자층 화학증착법(ALCVD)에 관한 것으로서, 10-1내지 10-8Torr의 반응기 압력 하에서, 원료기체와 반응기체의 온/오프(on/off) 펄스주입시간을 0.01 내지 10초로 조절하고, 원료의 증기압을 0.001 내지 1 Torr로 조절하는 본 발명의 ALCVD에 의하면, 종래의 ALCVD와는 달리 퍼지단계가 필요없어 1 싸이클 소요시간이 월등히 단축되며 싸이클 당 단원자층 이하의 박막을 정교하게 구현할 수 있다.

Description

퍼지단계를 필요로 하지 않는 원자층 화학증착법{ATOMIC LAYER CHEMICAL VAPOR DEPOSITION WHICH DOES NOT REQUIRE A PURGE STEP}
본 발명은 퍼지단계를 필요로 하지 않는 원자층 화학증착법에 관한 것으로, 구체적으로는 원료기체와 반응기체의 주입시간 및 원료의 증기압(주입량)을 적절히조절함으로써 원료와 반응기체의 과잉공급을 억제하여 퍼지단계의 생략이 가능한, 1 싸이클 소요시간이 단축된 원자층 화학증착법에 관한 것이다.
최근의 반도체 기술은 소자의 소형화를 통해 보다 향상된 기술을 추구함으로써 지속적으로 발전되어 왔으며, 이에 적합한 박막 재료와 공정 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들면, 집적 회로는 100nm의 벽을 넘으려 하고 있고, 메가비트 메모리소자에서 기가비트로 진입하는 단계에 접어들고 있다.
각 부분의 재료(도체, 절연체, 유전체, 반도체)는 화학증착법을 통해 박막으로 만들어지는데, 화학증착법 중 반도체 소자의 구현에 필요한 금속 산화막(유전체 및 강유전체)의 제조, 특히 반도체 소자의 집적화를 위한 나노 두께의 금속 산화막의 제조에 원자층 화학증착법(ALCVD, Atomic Laye Chemical Vapor Deposition)이 선호되고 있다.
통상적인 ALCVD는 한 가지 원료를 사용할 경우 기본적으로 1 싸이클 당 하기와 같은 4 단계의 공정을 필요로 한다; 1) 원료기체를 기판에 공급하는 단계, 2) 과잉으로 공급된 원료기체를 퍼지하는 단계, 3) 반응기체를 기판에 공급하는 단계, 및 4) 과잉으로 공급된 반응기체와 반응부산물을 퍼지하는 단계.
이와 같이, 기존의 ALCVD는 원료기체와 반응기체를 과잉으로 공급한 후 퍼지시키는 것을 당연하게 생각했기 때문에, 100℃에서 원료의 증기압을 10 Torr 정도로 비교적 높게 유지시켜 반응기에 원료기체와 반응기체를 과잉으로 공급해왔다. 이러한 원료의 공급 및 퍼지는 1 싸이클 소요시간을 평균 4 내지 20초 정도로 길게 하여 전체적인 증착속도를 느리게 하고, 반응부산물을 다량으로 생성시켜 박막의물성을 떨어뜨린다. 이때, 과잉 공급된 전구체는 분해가 일어나면 퍼지가 불가능하기 때문에, 증착 온도(기판 온도) 또한 제한되었다.
또한, 기존의 ALCVD에서는, 반응기의 압력을 1 내지 10 Torr로 하여 증착을 수행하였으나, 이러한 압력 범위에서는 원료기체의 증기압을 조절하고 밸브로 원료의 주입량을 조절해도 싸이클 당 단원자층을 정교하게 증착시키는 것이 불가능하였다.
이에 본 발명자들은 예의 연구한 결과, ALCVD에 있어서 원료기체와 반응기체의 주입시간 및 원료의 증기압(주입량)을 적절히 조절함으로써 퍼지단계 없이 빠른 속도로 우수한 전기적 특성을 갖는 박막을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 퍼지단계의 생략이 가능한, 1 싸이클 소요시간이 단축된 원자층 화학증착법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 사용되는 ALCVD 장치의 개략도이고,
도 2는 기존에 사용되는 ALCVD 장치의 개략도이며,
도 3 및 4는 각각 실시예 1에서 형성되는 ZrO2박막의 싸이클 당 [원료의 분압×원료기체 주입시간](Torr×sec) 및 기판 온도 각각에 따른 증착속도(Å)의 변화를 보여주는 도이고,
도 5는 실시예 1에서 형성된 두께 120Å의 ZrO2박막의 전압(V)에 따른 커패시턴스(capacitance, pF)의 변화 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 원자층 화학증착법에 있어서, 10-1내지 10-8Torr의 반응기 압력 하에서, 기판이 위치한 반응기로의 원료기체와 반응기체의 온/오프(on/off) 펄스주입시간을 0.01 내지 10초로 조절하고, 원료의증기압을 0.001 내지 1 Torr로 조절하는 것을 특징으로 하는, 원자층 화학증착법을 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 사용되는 ALCVD 장치의 개략도로서, 본 발명의 방법에 따르면, 수 개의 펌프, 예를 들면 터보분자(turbomolecular) 펌프, 부스터(booster) 펌프 및 자동(mechanical) 펌프를 사용하여 반응기의 압력을 10-1내지 10-8Torr의 넓은 범위 내에서 적절히 조절하면서, 솔레노이드 밸브를 통해 반응기로 주입되는 원료기체와 반응기체의 온/오프 펄스주입시간을 0.01 내지 10초로 미세하게 조절하고, 원료의 증기압을 0.001 내지 1 Torr로 낮게 조절한다(기존 방법은 기판 온도 100℃에서 약 10 Torr의 원료의 증기압을 갖는다).
이때, 원료기체와 반응기체의 유량은 유량조절기에 의해 조절하고, 원료를 담는 용기의 온도를 조절하여 원료의 증기압(주입량)을 변화시킬 수 있다. 또한, 50 내지 500℃의 넓은 범위 내에서 기판 온도(증착 온도)를 변화시킬 수 있으며, 샤워 헤드(shower head)와 기판 사이의 거리는 1 내지 25cm일 수 있다.
본 발명에 따른 원료로는 화학증착가능한 모든 전구체를 사용할 수 있고, 반응기체로는, 금속산화물 박막의 경우에는 물, 과산화수소, 오존, 산소 및 산소라디칼과 같은 산화력을 갖는 것이면 모두 가능하고, 금속박막의 경우에는 수소 등을 사용할 수 있다. 이때, 원료기체와 반응기체를 동시에 주입하지 않고 각각 교대로 주입함으로써, 두 기체간의 예비기상반응을 억제하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 ALCVD에 의하면, 원료의 주입량을 제어하여 싸이클 당 기판 표면에 도달하는 반응물의 플럭스를 단원자층 이하로 조절할 수 있으므로, 종래의 ALCVD와는 달리 퍼지단계가 필요없어 1 싸이클 소요시간이 월등히 단축되며, 반응부산물의 형성이 억제되어 전기적 특성이 우수한 박막을 정교하게 신속하게 형성할 수 있다. 본 발명의 ALCVD에 의해 형성된 박막은 도체, 유전체, 자성체, 절연체 및 반도체 등으로서 반도체 소자에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
실시예
도 1에 도시된 본 발명에 따른 ALCVD 장치를 사용하여 Si 기판 위에 ZrO2막을 성장시켰다. 원료로서 아연(디메틸아미노에톡시드)4를, 반응기체로서 산소기체를 사용하였다. 5×10-4Torr의 반응기 압력 하에서, 반응기로 주입되는 원료기체와 반응기체의 온/오프 펄스주입시간을 0.1초로 하고, 원료의 증기압을 0.01 Torr로 하였다. 이때, 원료용기의 온도는 0℃로, 원료기체 주입관의 온도는 원료의 응축을 방지하기 위해 원료보다 높은 20℃로 유지하였으며, 샤워 헤드와 기판 사이의 거리는 10cm로 하고, 기판의 온도는 100 내지 500℃ 내에서 변화시켰다. 1 싸이클을 수행하는데 소요되는 시간은 평균 1초이었다.
형성되는 ZrO2박막에 대해, 싸이클 당 [원료의 분압×원료기체주입시간](Torr×sec)에 따른 증착속도(Å)의 변화(기판 온도 250℃)를 도 3에, 기판 온도에 따른 증착속도의 변화를 도 4에 나타내었다. 0.001 Torr×sec에서 0.7Å의 박막이 증착되는 도 3의 결과는 종래의 ALCVD에 따른 결과와 유사하나, 본 발명의 ALCVD는 퍼지단계를 필요로 하지 않아 1 싸이클에 소요되는 시간이 도 2에 그 장치를 도시하는 종래의 방법(평균 4 내지 20초)보다 평균 75%까지 단축됨을 알 수 있다. 또한, 도 4로부터, 원료의 주입량이 일정하게 조절되기 때문에 증착속도가 온도에 따라 크게 변하지 않고 일정함을 알 수 있다.
또한, 상기 ALCVD 공정(기판 온도 250℃)을 170 싸이클 수행하여 두께 120Å의 ZrO2박막을 형성하였다. 형성된 박막에 대해, 전압(V)에 따른 커패시턴스(capacitance, pF)의 변화를 측정하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5로부터, 본 발명의 방법에 따라 형성된 ZrO2박막이 우수한 전기적 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
본 발명의 ALCVD에 의하면, 원료의 주입량을 제어하여 싸이클 당 기판 표면에 도달하는 반응물의 플럭스를 단원자층 이하로 조절할 수 있으므로, 종래의 ALCVD와는 달리 퍼지단계가 필요없어 1 싸이클 소요시간이 월등히 단축되며, 반응부산물의 형성이 억제되어 전기적 특성이 우수한 박막을 정교하고 신속하게 형성할 수 있다.

Claims (4)

  1. 원자층 화학증착법에 있어서, 10-1내지 10-8Torr의 반응기 압력 하에서, 기판이 위치한 반응기로의 원료기체와 반응기체의 온/오프(on/off) 펄스주입시간을 0.01 내지 10초로 조절하고, 원료의 증기압을 0.001 내지 1 Torr로 조절하는 것을 특징으로 하는, 원자층 화학증착법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기판의 온도를 50 내지 500℃로 조절하는 것을 특징으로 하는 원자층 화학증착법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항의 원자층 화학증착법에 의해 제조된 박막.
  4. 제 3 항의 박막을 포함하는 반도체 소자.
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