KR20030003323A - 원자층증착법에 의한 산화물박막의 형성 방법 - Google Patents

원자층증착법에 의한 산화물박막의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물 박막의 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명의 다성분계 산화물박막의 형성 방법은 챔버내의 기판상에 제 1 소스를 흡착시키는 단계, 상기 제 1 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계, 상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 흡착된 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계, 상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계, 상기 표면반응이 이루어진 제 1 소스상에 제 2 소스를 흡착시키는 단계, 상기 제 2 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계, 상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 제 1 소스상에 흡착된 상기 제 2 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계, 및 상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

원자층증착법에 의한 산화물박막의 형성 방법{METHOD FOR FORMING OXIDE-THIN FILM BY ATOMIC LAYER DEPOSITION}
본 발명은 반도체소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 원자층증착법에 의한 산화물박막의 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체소자의 제조 공정시, 박막을 균일하게 증착하기 위해 스퍼터링(Sputtering)법, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 적용한다.
먼저 스퍼터링법은 플라즈마 상태에서 아르곤 이온을 생성시키기 위해 고전압을 타겟에 인가한 상태에서 아르곤 등의 비활성가스를 진공챔버내로 주입시킨다. 이 때, 아르곤 이온들은 타겟의 표면에 스퍼터되고, 타겟의 원자들은 타겟의 표면으로부터 제거된다.
이러한 스퍼터링법에 의해 기판과 접착성이 우수한 고순도 박막을 형성할 수 있으나, 공정 차이를 갖는 고집적 박막을 스퍼터링법으로 증착하는 경우에는 전체 박막위에서 균일도를 확보하기가 매우 어려워 미세한 패턴을 위한 스퍼터링법의 적용에는 한계가 있다.
다음으로, 화학기상증착법(CVD)은 가장 널리 이용되는 증착 기술로서, 반응가스와 분해가스를 이용하여 요구되는 두께를 갖는 박막을 기판상에 증착한다.
화학기상증착법은 먼저 다양한 가스들을 반응챔버로 주입시키고, 열, 빛, 플라즈마와 같은 고에너지에 의해 유도된 가스들을 화학반응시키므로써 기판상에 요구되는 두께의 박막을 증착시킨다.
아울러, 화학기상증착법(CVD)에서는 반응에너지만큼 인가된 플라즈마 또는 가스들의 비(ratio) 및 량(amount)을 통해 반응조건을 제어하므로서 증착률을 증가시킨다.
그러나, 반응들이 빠르기 때문에 원자들의 열역학적(Thermaodynamic) 안정성을 제어하기 매우 어렵고, CVD는 박막의 물리적, 화학적 전기적특성을 저하시키고, 그리고, 박막의 균일도는 스퍼터링법에 의해서는 확보할 수 없다.
마지막으로, 원자층 증착법은 반응가스와 퍼지가스를 교대로 공급하여 원자층을 증착하기 위한 방법으로서, 이에 의해 형성된 박막은 고종횡비를 갖고 저압에서도 균일하며, 전기적 물리적 특성이 우수하다.
최근에 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 캐패시터의 구조를 실린더(Cylinder), 핀(Pin), 적층(Stack) 또는 반구형 실리콘(HSG) 등의 복잡한 구조로 형성하여 전하저장 면적을 증가시키거나, 좁은 면적에 많은 전하를 저장할 수 있는 증착법을 이용한 캐패시터 형성이 요구되고 있다.
즉, 종횡비가 큰 구조에 박막을 형성하기 위해 전술한 원자층 증착법을 적용하려는 시도가 이루어지고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 다성분계 박막의 원자층 증착법(ALD)을 도시한 순서도도로서, 원자층증착법은 화학기상증착법(CVD)처럼 화학반응을 이용하는 증착법이지만 각각의 가스가 챔버 내에서 혼합되지 않고 한개씩 펄스로 흘려진다는 점에서 CVD 방법과 구별된다.
도 1을 참조하면, 반응가스로서 A가스와 B 가스를 사용하는 경우, 먼저 A가스만을 주입한다. 이 때, A 가스 분자가 기판에 화학흡착(Chemical absorption)된다.
다음으로, 챔버에 잔류한 미반응 A가스를 제거하기 위해 아르곤이나 질소와 같은 비활성가스로 퍼지한 다음, B가스만을 주입하면 A가스와 B가스 사이의 반응은 화학흡착된 A가스가 있는 표면에서만 일어나 원자층(atomic layer)의 박막이 증착된다. 이 때문에 어떠한 몰포로지(Morphology)를 가진 표면이라 해도 100%의 단차피복성을 획득할 수있다.
다음으로, A가스와 B가스의 반응 후 챔버에 잔존하는 B가스 및 반응부산물을 퍼지시킨다.
상술한 과정들을 반복함으로써 박막의 두께를 원자층 단위로 조절할 수 있게 된다. 다시 말하면, 원자층증착법에 의한 박막의 두께는 증착공정의 반복횟수와 밀접한 관계가 있다.
그러나, 종래기술은 표면반응에 필요한 에너지를 기판 온도로부터 전해지는 열에너지에 의존하는데, 단일 성분의 산화물 또는 질화물을 증착하는데는 문제가 없으나, 2성분 또는 그 이상의 성분을 갖는 복합화합물, 예컨대, SrTiO3, (Ba, Sr)TiO3등은 각 금속원자(Sr, Ti, Ba)마다 공정 온도가 달라 하나의 기판온도에서 원자층 증착법에 의해 박막을 형성하기가 매우 어렵다.
이를 자세히 설명하면, 일반적으로 원자층증착 공정이 가능한 박막은, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판온도에 따라서 표면 흡착속도와 표면탈착속도의 평형 상태 유지에 의해 증착속도가 일정하게 유지되는 온도 영역(TL∼TH)이 존재하게 되며, 이 온도영역을 원자층증착 공정 온도영역(ALD Process window; APW)이라고 한다.
그런데, 이 공정 온도영역(APW)을 위한 열원은 기본적으로 가열되는 기판으로부터 공급되는 것이 일반적이다.
이와 같은 개념의 원자층 증착법은 단일성분의 산화물 또는 질화물 박막에는 잘 적용이된다.
그러나, 공정 온도영역(APW)이 크게 다른 이성분계 이상의 박막에 대해서는 하나의 온도로 유지할 경우 나머지 성분에 대해서는 공정 온도 영역을 벗어나게 됨으로써 원자층 증착 공정이 이루어지기 어렵다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, TL,A∼TH,A의 공정온도영역에서 증착되는 A성분을 원자층 증착법에 의해 형성하기 위하여 기판온도를 Ts로 설정할 경우, TL,B∼TH,B의 공정온도영역에서 증착되는 B성분에 대하여서는 공정 온도를 벗어나게 됨으로써 원자층 증착 공정이 잘 이루어지지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 표면반응에 필요한 에너지가 기판온도에 의존함에 따른 다성분계 박막의 공정 한계를 극복하도록 한 다성분계 박막의 원자층 증착법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 다성분계 박막의 원자층증착법을 위한 순서도,
도 2는 종래기술에 따른 기판온도에 따른 증착속도를 나타낸 도면,
도 3은 종래기술에 따른 다성분계 박막의 기판온도에 따른 증착속도를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일성분계 박막의 원자층 증착법을 위한 순서도,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다성분계 박막의 원자층 증착법을 위한 순서도,
도 6a 내지 도 6b는 도 5에 따른 다성분계 박막의 형성 방법을 도시한 공정 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 기판 22 : 제 1 소스가스
23 : 제 2 소스가스
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법은 챔버내의 기판상에 소스를 흡착시키는 단계, 상기 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계, 상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 흡착된 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계, 및 상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물박막의 형성 방법은 챔버내의 기판상에 제 1 소스를 흡착시키는 단계, 상기 제 1 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계, 상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 흡착된 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계, 상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계, 상기 표면반응이 이루어진 제 1 소스상에 제 2 소스를 흡착시키는 단계, 상기 제 2 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계, 상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 제 1 소스상에 흡착된 상기 제 2 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계, 및 상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 외부열원은 할로겐 램프 또는 레이저에 의한 열복사를 이용함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은 원자층 증착 공정온도에 필요한 열원을 외부에서 공급하는 방법을 도입한다. 그 실시예로 외부에서 열복사에 의해 표면층만을 급속하게 가열하고 쉽게 온도가 떨어지는 급속열처리 장치를 통하여 반응가스가 공급되는 때에 주기적으로 열원을 단속하므로써 표면 반응을 유도하여 원자층 증착공정을 가능하게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일성분계 산화물박막을 원자층 증착법으로 증착하기 위한 순서도로서, 단일성분계 산화물박막의 원자층 증착 공정 온도 구간을 TL, TH라고 가정하며, 기판의 온도는 TL보다 낮게 설정한다.
도 4를 참조하면, 증착챔버내에 기판을 로딩시킨 후, 증착챔버내로 소스가스를 플로우시켜 기판 표면에 소스가스를 흡착시킨다. 이 때, 소스가스로는 Ga, In, Al, Ti, Ta 또는 Si 중 어느 하나를 함유한 소스가스를 사용한다.
계속해서, 미반응 소스가스를 제거하기 위해 진공펌프를 통해 배기시키거나, 또는 배기와 동시에 질소 또는 아르곤 가스를 증착챔버내에 흘려주어 퍼지시킨다.
다음으로, 증착챔버내에 반응가스, 예컨대 산소원(O2, O3, H2O)을 공급함과 동시에 표면반응에 필요한 열원을 공급하여 기판상에 흡착된 소스가스와의 표면반응을 유도하여 순수한 소스의 원자층을 증착시킨다.
이 때, 표면반응에 필요한 열원은 반도체 공정에서 상용되는 할로겐램프(Halogen Lamp)나 레이저를 이용한 열복사에 의해 표면을 가열하는 급속열처리를 이용하는데, 열복사에 의해 표면 반응을 유도하기 위해서는 공정 온도 영역의 가장 낮은 온도인 TL이상으로 설정한다.
그리고, 이러한 열원을 주기적으로 단속해야 하는데, 할로겐 램프 또는 레이저의 동작을 직접 단속하므로써 가능하고, 즉 할로겐 램프 또는 레이저가 켜있는 상태로 열원이 공급되는 경로에 셔터(shutter)를 두어 단속한다.
한편, 할로겐램프나 레이저에 의한 표면반응시간의 조절은 할로겐램프나 레이저가 켜져 있는 시간을 조절하므로써 가능하다.
결국, 열복사에 의해 소스가스가 흡착된 표면층만을 급속하게 가열하고 쉽게 온도가 떨어지는 급속열처리 장치를 통해 반응가스가 공급되는 때에 주기적으로 열원을 단속하므로써 표면 반응을 유도한다.
다음으로, 미반응 산소원을 제거하기 위해 진공펌프를 통해 배기시키거나, 또는 배기와 동시에 질소 또는 아르곤 가스를 증착챔버내에 흘려주어 퍼지시킨다.
상술한 바와 같이, 소스물질 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 및 외부열원 공급, 퍼지가스 공급의 사이클을 1사이클로 적용하고, 사이클을 50회∼300회 반복하므로써 원하는 두께의 단차피복성이 우수한 원자층을 형성한다.
이 때, 증착되는 단일성분계 산화물 박막은 전술한 소스가스에 의한 Ga2O3, Al2o3, In2O3, TiO2, Ta2O5또는 SiO2중 하나이다.
한편, 단일성분계 질화물 박막, 예를 들면 Ga, In, Al, Ti, Ta, Si 또는 B 중 어느 하나를 함유한 소스를 사용하고, 반응가스로서 암모니아(NH3)를 이용하여 각각 GaN, InN, TiN, TaN, SiN 또는 BN 중 어느 하나를 형성하는 경우에도 외부에서 표면반응을 위한 열원을 공급하여 원하는 두께의 원자층을 증착할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다성분계 산화물박막의 원자층 증착 공정을 설명하기 위한 순서도이고, 도 6a 내지 도 6b는 도 5에 따른 다성분계 산화물 박막의 공정 단면도이다. 여기서, 다성분계 산화물박막이 증착될 기판의 온도는 원자층 증착 공정 온도영역이 낮은 A 소스물질의 온도로 고정해놓고(TA,L<TS<TH,A), 램프에 의한 표면반응온도는 원자층 증착 공정 온도영역이 높은 B 소스물질의 최저온도인 TL,B이상으로 유지하므로써 원자층 증착 공정에 의한 박막 형성이 가능하다. 이후, 다성분계 산화물박막으로 SrTiO3또는 BaTiO3를 예로 들어 설명한다.
도 5, 도 6a 내지 도 6b을 참조하면, 증착챔버내에 기판(21)을 로딩시킨 후, 증착챔버내로 제 1 소스가스(Sr 또는 Ba)를 플로우시켜 기판 표면에 제 1 소스가스(22)를 흡착시킨다.
계속해서, 미반응 제 1 소스가스를 제거하기 위해 진공펌프를 통해 배기시키거나, 또는 배기와 동시에 질소 또는 아르곤 가스를 증착챔버내에 흘려주어 퍼지시킨다.
다음으로, 증착챔버내에 반응가스, 예컨대 산소원(O2, O3, H2O)을 공급하여기판상에 흡착된 제 1 소스가스와의 표면반응을 유도하여 순수한 제 1 소스 원자층(22a)을 증착시킨다.
다음으로, 미반응 산소원을 제거하기 위해 진공펌프를 통해 배기시키거나, 또는 배기와 동시에 질소 또는 아르곤 가스를 증착챔버내에 흘려주어 퍼지시킨다.
다음으로, 증착챔버내로 제 2 소스가스(Ti)(23)를 플로우시켜 기판 표면에 증착된 제 1 소스 원자층(22a)상에 흡착시킨다.
계속해서, 미반응 제 2 소스가스를 제거하기 위해 진공펌프를 통해 배기시키거나, 또는 배기와 동시에 질소 또는 아르곤 가스를 증착챔버내에 흘려주어 퍼지시킨다.
다음으로, 증착챔버내에 반응가스, 예컨대 산소원(O2, O3, H2O)을 공급함과 동시에 표면반응에 필요한 열원을 공급하여 기판상에 SrTiO3또는 BaTiO3중 어느 하나의 다성분계 산화물박막을 증착시킨다.
다음으로, 미반응 산소원을 제거하기 위해 진공펌프를 통해 배기시키거나, 또는 배기와 동시에 질소 또는 아르곤 가스를 증착챔버내에 흘려주어 퍼지시킨다.
상술한 바와 같이, 제 1 소스가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 공급, 퍼지가스 공급, 제 2 소스 가스 공급, 퍼지가스 공급, 반응가스 및 외부 열원 공급, 퍼지가스 공급의 사이클을 1사이클로 적용하고, 사이클을 50회∼300회 반복하므로써 원하는 두께의 단차피복성이 우수한 다성분계 산화물박막을 형성한다.
한편, 다성분계 질화물 박막, 예를 들면 TiSiN, TaSinN 또는 TaSiN를 형성하는 경우에도 외부에서 표면반응을 위한 열원을 공급하여 원하는 두께의 원자층을 증착할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명은 외부 열원의 주기적인 단속에 의해 원자층 증착공정이 이루어지므로, 다성분계 산화물 박막의 원자층 증착 공정을 가능하게 하므로써 고집적 캐패시터의 단위 면적당 유전용량을 용이하게 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 박막의 형성 방법에 있어서,
    챔버내의 기판상에 소스를 흡착시키는 단계;
    상기 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계;
    상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 흡착된 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계; 및
    상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부열원은, 할로겐 램프 또는 레이저에 의한 열복사를 이용함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 할로겐 램프 또는 레이저가 켜있는 상태로 열원이 공급되는 경로에 셔터를 두어 단속하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 할로겐램프 또는 레이저에 의한 표면반응시간은 상기 할로겐램프 또는 레이저가 켜져 있는 시간을 조절하여 이루어짐을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스는 Ga, In, Al, Ti, Ta, B 또는 Si 중 어느 하나를 함유한 소스를 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스는 산소, 오존, 또는 H20 또는 암모니아 중 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 스퍼터링법, 화학기상증착법 또는 전기화학증착법 중 어느 하나의 증착법으로 증착된 Si, Pt, Ru, Ir, RuO2, IrO2, 이들의 합금 또는 이들이 적층된 다층 박막 중 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼지단계는,
    진공펌프를 통해 배기시키거나, 또는 배기와 동시에 질소 또는 아르곤 가스를 흘려주어 이루어짐을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 박막의 형성 방법.
  9. 산화물 박막의 형성 방법에 있어서,
    챔버내의 기판상에 제 1 소스를 흡착시키는 단계;
    상기 제 1 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계;
    상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 흡착된 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계;
    상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계;
    상기 표면반응이 이루어진 제 1 소스상에 제 2 소스를 흡착시키는 단계;
    상기 제 2 소스 중 미반응 소스를 제거하기 위하여 퍼지하는 단계;
    상기 챔버내에 반응가스를 공급함과 동시에 상기 제 1 소스상에 흡착된 상기 제 2 소스와의 표면반응을 위해 외부 열원을 공급하는 단계; 및
    상기 반응가스 중 미반응 반응가스 및 반응부산물을 제거하기 위해 퍼지하는 단계
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물 박막의 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 외부열원은, 할로겐 램프 또는 레이저에 의한 열복사를 이용함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물 박막의 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 할로겐 램프 또는 레이저가 켜있는 상태로 열원이 공급되는 경로에 셔터를 두어 단속하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물박막의 형성 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 할로겐램프 또는 레이저에 의한 표면반응시간은 상기 할로겐램프 또는 레이저가 켜져 있는 시간을 조절하여 이루어짐을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물 박막의 형성 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 소스는 Sr 또는 Ba 중 어느 하나를 포함하고, 제 2 소스는 Ti를 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물 박막의 형성 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 반응가스는 산소, 오존 또는 H2O 중 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 원자층 증착법에 의한 다성분계 산화물 박막의 형성 방법.
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