KR20030011403A - 탄탈륨 소오스 용액을 이용하여 기판 상에 박막을제조하는 방법 - Google Patents

탄탈륨 소오스 용액을 이용하여 기판 상에 박막을제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

탄탈륨 소오스 용액(tantalum source solution)을 이용하여 기판 상에 박막을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 관점은, 탄탈륨 전구체(tantalum precursor)를 용매에 녹여 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 형성하고, 탄탈륨 소오스 용액을 기화시켜 챔버로 이송한 후, 기상의 탄탈륨 소오스에 포함된 기상의 탄탈륨 전구체를 기판 상에 증착하여 탄탈륨을 포함하는 박막을 기판 상에 형성한다.

Description

탄탈륨 소오스 용액을 이용하여 기판 상에 박막을 제조하는 방법{Method of manufacturing film on substrate by using tantalum source solution}
본 발명은 기판 상에 박막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히, 탄탈륨 소오스 용액을 이용하여 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
현재 반도체 소자를 제조하는 데에 탄탈륨을 포함하는 박막, 예를 들어, 질화 탄탈륨(tantalum nitride)막 또는 질화 실리콘 탄탈륨(tantalum silicon nitride)막 등을 채용하는 것이 시도되고 있다. 이러한 탄탈륨을 포함하는 박막을반도체 소자의 제조에서 확산 장벽(diffusion barrier)으로 이용되는 바가 제시되고 있다. 이러한 탄탈륨을 포함하는 박막은 주로 화학 기상 증착(CVD:Chemical Vapor Deposition)을 기본으로 하는 증착 방법을 이용하여 형성되고 있다.
이러한 CVD를 기본으로 하는 증착 방법을 이용할 때, 탄탈륨 소오스(tantalum source)는 기상(vapor phase)으로 반응 챔버(reaction chamber) 내에 공급되고 있다. 이때, 탄탈륨 소오스로 Ta(NEt2)5나 TBTDET 등과 같은 액상 탄탈륨 전구체(precursor)를 이용하여 TaCl5, TaBr5또는 Ta(NMe2)5등과 같은 고상 탄탈륨 전구체를 이용하는 바가 제시되고 있다. 액상 탄탈륨 전구체는 액상 이송 시스템(LDS:Liquid Delivery System) 방법으로 액상 상태로 챔버에 공급되어 기화되어 반도체 기판 상에 박막으로 증착된다. 고상 탄탈륨 전구체는 인가되는 열에 의해 녹여져 LDS 방법으로 공급되거나, 열에 의해 승화된 후 불활성 가스(inert gas)로 버블링(bubbling)되어 챔버로 공급된다.
그런데, 상기한 액상 탄탈륨 전구체는 일반적으로 매우 높은 점도를 나타내고 있어, LDS를 사용할 때 여러 가지 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들어, 액상 탄탈륨 전구체의 높은 점도에 의해서 LSD의 라인(line) 중에 이송되고 있는 액상 탄탈륨 전구체가 라인을 막는 라인 클로깅(line clogging) 등이 발생할 수 있다. 또한, 이송에 도움을 주기 위해서 라인들에 온도를 인가하는 경우가 있는 데, 이러한 경우 이송되는 액상 탄탈륨 전구체가 열적 분해(thermal decomposition)되는 문제가 발생할 수 있고, 이에 따라 발생되는 고상 분말에 의한 파티클(particle) 발생의 문제가 유발될 수 있다. 더욱이, 이러한 액상 탄탈륨 전구체는 제한된 휘발성에 기인하는 수율 감소 문제를 야기할 수 있다.
또한, 액상 또는 고상의 탄탈륨 금속 유기 전구체(tantalum metal organic precursor)를 소오스로 사용할 경우, 순수한 화합물로의 정제가 어렵고 비저항이 수천에서 수만 μΩ·㎝로 목표에 비해 매우 크거나 가격이 높아 양산 적용에 어려움이 있다. 또한, 유기물 탄탈륨 전구체의 리간드(ligand)로부터 유발되는 탄소 등의 불순물이 증착된 박막 내에 잔류하여, 질화 탄탈륨막 또는 질화 실리콘 탄탈륨막의 비저항을 높이거나 이러한 박막이 이용되는 확산 장벽으로의 특성을 취약하게 만들 수 있다.
TaCl5와 같은 비유기 탄탈륨 전구체를 사용할 경우, 증착 반응 온도가 높고 Cl 불순물에 의한 막질 특성 저하가 발생할 수 있다. TaBr5와 같은 탄탈륨 전구체를 사용할 경우 TaCl5보다 낮은 증착 반응 온도가 요구되나 여전히 고상 전구체 소오스로서의 한계가 문제 시 되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 화학 기상 증착 또는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)을 기본으로 하는 증착 방법에 채용되기에 보다 적절한 탄탈륨 소오스를 이용하는 탄탈륨을 포함하는 박막을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 탄탈륨을 포함하는 박막을 증착하는 데 이용될 수 있는 장비의 구성을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 기판 상에 탄탈륨을 포함하는 박막이 형성되는 것을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
10: 탄탈륨 소오스 용액 저장 용기,20: 기화기,
40: 공정 챔버.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 탄탈륨 전구체를 용매에 녹여 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 형성하는 단계와, 상기 탄탈륨 소오스 용액을 기화시켜 챔버로 이송하는 단계, 및 상기 기상의 탄탈륨 소오스 용액에 포함된 기상의 상기 탄탈륨 전구체를 기판 상에 증착하여 탄탈륨을 포함하는 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는 박막 제조 방법을 제공한다.
상기 탄탈륨 전구체는 탄탈륨 아민 유도체이거나 탄탈륨 핼라이드 유도체일 수 있다. 상기 용매는 하이드로 카본계 용매일 수 있다.
상기 챔버 내에 상기 탄탈륨 전구체와 반응하기 위한 질소를 포함하는 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 질소를 포함하는 가스와 함께 실리콘을 포함하는 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 챔버 내에 상기 탄탈륨 전구체와 반응하기 위한 수소 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 탄탈륨 전구체를 용매에 녹여 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 형성하는 단계와, 상기 탄탈륨 소오스 용액을 챔버로 이송하고 상기 챔버 내에서 기화시키는 단계, 및 상기 기상의 탄탈륨 소오스 용액에 포함된 기상의 상기 탄탈륨 전구체를 기판 상에 증착하여 탄탈륨을 포함하는 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는 박막 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 화학 기상 증착 또는 및 원자층 증착(Atomic LayerDeposition)을 기본으로 하는 증착 방법에 보다 적절한 탄탈륨 소오스를 채용하여 탄탈륨을 포함하는 박막을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
본 발명의 실시예에서는 탄탈륨을 포함하는 박막, 예를 들어, 질화 탄탈륨막 또는 질화 실리콘 탄탈륨막을 화학 기상 증착 또는 및 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)을 기본으로 하는 증착 방법을 이용하여 증착할 때, 탄탈륨 전구체(tantalum precursor)를 용매에 용해시킨 액상의 소오스 용액을 사용하는 바를 제시한다.
액상의 탄탈륨 소오스 용액은 탄탈륨 전구체와 이러한 탄탈륨 전구체를 녹일 수 있는 용매를 포함하여 이루어진다. 탄탈륨 전구체는 고상 또는 액상의 탄탈륨 전구체를 이용할 수 있다. 탄탈륨 전구체로는 TaF5또는 TaI5, TaCl5, TaBr5등과 같은 탄탈륨 핼라이드 유도체(tantalum halide derivatives)의 사용이 고려될 수 있다. 또한, 이러한 탄탈륨 전구체는 탄탈륨 아민 유도체(tantalum aminederivatives) 형태일 수 있다. 예를 들어, Ta(NEt2)5나 TBTDET 등과 같은 액상 탄탈륨 전구체 또는 TaCl5, TaBr5, Ta(NMe2)5등과 같은 고상 탄탈륨 전구체를 이용할 수 있다.
이러한 탄탈륨 전구체를 녹이는 용매는 극성 또는 비극성 용매일 수 있으며, 이러한 탄탈륨 전구체를 그 자체로 녹일 수 있는 특성을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 용매는 이용되는 탄탈륨 전구체와 기화점 차이가 작은 것이 유리하다. 이는 챔버로의 이송 시에 탄탈륨 전구체와 균일한(homogeneous)한 상태를 유지하는 데 유리하며, 기화기(vaporizer)에서 탄탈륨 전구체와 동시에 기화되어 챔버로 주입되는 데 유리하기 때문이다. 또한, 이러한 용매는 비활성 용매(inert solvent)인 것이 바람직하다. 한편, 이러한 용매는 증착되는 박막을 구성하는 반응 요소(reactive component)로 작용하거나 단지 반응에 참여하지 않는 캐리어(nonreactive inert carrier)로 작용할 수 있다.
이러한 용매는 하이드로 카본(hydrocarbon)계 용매를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 하이드로 카본이나 핼라이드 원자를 포함하는 하이드로 카본, 산소 원자를 포함하는 하이드로 카본 또는 질소 원자를 포함하는 하이드로 카본일 수 있다. 또한, 이러한 용매들이 복합적으로 섞여 상기한 탄탈륨 전구체를 녹이는 용매를 구성할 수 있다. 즉, 이러한 용매의 예로는 CCl4, CH2Cl2와 같이 CnHxRy(n;정수, x, y; 정수, R; Cl, Br, I 등)으로 이루어지는 용매를 들 수 있고, THF, C4H8O2, 이서(ether), 에스터(ester) 등과 같이 CnHxOy(n;정수, x, y; 정수)으로 이루어지는 용매일 수 있고, CH2NH2등과 같이 CnHxNy(n;정수, x, y; 정수)으로 이루어지는 용매일 수 있다.
한편, 이와 같이 탄탈륨 전구체를 용매에 녹일 때, 용매에 탄탈륨 전구체가 잘 섞여 균일한 상태를 유지시켜주기 위한 첨가제가 추가로 첨가될 수 있다. 이러한 첨가제는 액상의 탄탈륨 소오스 용액의 안정성을 바람직하게 높여주거나 또는 탄탈륨 전구체의 용매에 대한 용해도를 높여주는 역할을 한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는 탄탈륨을 포함하는 박막, 예컨대, 질화 탄탈륨막 또는 질화 실리콘 탄탈륨막을 증착할 때, 탄탈륨 소오스로 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 이용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 탄탈륨을 포함하는 박막을 증착하는 데 이용될 수 있는 장비의 구성을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 기판 상에 탄탈륨을 포함하는 박막이 형성되는 단계를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 이용하여 탄탈륨을 포함하는 박막을 증착하기 위한 장비는 도 1에서와 같이 개략적으로 구성될 수 있다. 액상의 탄탈륨 소오스 용액 저장 용기(10)로부터 기화기(20)로 액상의 탄탈륨 소오스 용액(30)이 이송되고, 이송된 탄탈륨 소오스 용액은 기화기(20)에서 기화된다. 이때, 기화기(20)에서의 탄탈륨 소오스 용액의 기화는 N2가스와 같은 불활성 가스의버블링(bubbling)에 의해 이루어질 수 있다.
탄탈륨 소오스 용액으로부터 기화된 탄탈륨 소오스 가스는 반응 챔버(40)에 주입된다. 도 2를 참조하면, 반응 챔버(40) 내에는 박막이 형성될 기판(100)이 장착되어 있고, 이러한 기판(100) 상에 상기한 탄탈륨 소오스 가스가 증착되어 탄탈륨을 포함하는 박막(200)이 증착된다. 이러한 증착 과정은 CVD를 기본으로 하는 증착 과정을 따른다. 따라서, 이러한 CVD를 기본으로 하되 보다 개선된 증착 방법인 원자층 증착(ALD:Atomic Layer Deposition) 또는 사이클 CVD(Cycle Chemical Vapor Deposition)으로도 본 발명의 실시예가 수행될 수 있다.
만일, 탄탈륨을 포함하는 박막(200)을 질화 탄탈륨막으로 형성할 경우, 기화된 탄탈륨 소오스 가스와 함께, 반응 가스 용기(도 1의 50)로부터 공급되는 공급되는 수소 가스 및 질소를 포함하는 반응 가스를 반응 챔버(40)에 공급한다. 이때, 질소를 포함하는 반응 가스는 NH3가스 등을 이용할 수 있다. 이와 함께, 증착 공정을 반응 챔버(40) 내에서 안정적으로 수행하기 위해서 반응 챔버(40)에 질소 가스 또는 수소 가스 등을 상기한 반응 가스와 함께 공급할 수 있다.
이때, 상기한 질소를 포함하는 반응 가스는 증착 반응에 참여하기 위해서 활성화된 상태인 것이 바람직하다. 예를 들어, 다이렉트(direct) 플라즈마 또는 리모트 플라즈마(remote) 방식으로 플라즈마 상태로 여기된 상태로 반응 챔버(40)에 공급될 수 있다.
한편, 탄탈륨을 포함하는 박막(200)을 질화 실리콘 탄탈륨막으로 형성할 경우 기화된 탄탈륨 소오스 가스와 함께, 반응 가스 용기(도 1의 50)로부터 공급되는 질소를 포함하는 반응 가스 및 실리콘을 포함하는 반응 가스를 함께 반응 챔버(40)에 공급한다. 이때, 실리콘을 포함하는 반응 가스는 SiH4가스나 Si2H6가스를 이용할 수 있다. 이와 함께, 증착 공정을 반응 챔버(40) 내에서 안정적으로 수행하기 위해서 반응 챔버(40)에 질소 가스 또는 수소 가스 등을 상기한 반응 가스들과 함께 공급할 수 있다.
이러한 증착 공정에서 증착 온도는 대략 150℃ 내지 750℃ 정도로 도입될 수 있다. 이러한 증착 온도는 탄탈륨 전구체에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, TaBr5의 경우에는 대략 450℃ 이하의 온도에서 증착 공정이 수행될 수 있다. 이때, 증착 압력은 대략 0.3 torr 내지 10 torr 정도로 도입될 수 있다.
이러한 증착 과정에서 기화된 탄탈륨 소오스 가스에 포함되어 반응 챔버(40) 내에 공급된 용매 가스는 탄탈륨을 포함하는 박막(200)이 형성된 후 챔버(40)에서 가스 상태로 배출되어 제거될 수 있다.
한편, 액상의 탄탈륨 소오스 용액(도 1의 30)이 기화기(20) 등으로 이송될 때, 액상의 탄탈륨 소오스 용액(30)이 균질한 상태를 계속 유지하기 위해서 탄탈륨 전구체가 분해되지 않는 온도 이하로 가열될 수 있다. 즉, 이러한 탄탈륨 소오스 용액(30)을 이송하는 경로는 상기한 온도 정도로 가열될 수 있다. 또한, 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 저장하고 있는 탄탈륨 소오스 용액 저장 용기(10)는 상기한 온도 정도로 가열될 수 있다. 이는 탄탈륨 소오스 용액의 탄탈륨 전구체에 대한 용해도를 증가시키는 효과를 얻을 수 있고, 또한, 탄탈륨 소오스 용액이 균질한 용액 상태로 계속 유지되는 효과를 얻기 위해서이다.
도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에서는 기화기(도 1의 20)를 이용하여 탄탈륨 소오스 용액을 기화시켜 기화된 탄탈륨 소오스를 챔버(40)내에 공급하는 바를 설명하였으나, 기화기(20)를 거치지 않고 탄탈륨 소오스 용액을 직접적으로 챔버(40)내에 공급하며 기화시켜 탄탈륨을 포함하는 박막(200)을 형성할 수도 있다.
일반적으로 CVD나 ALD로 질화 탄탈륨막 또는 질화 실리콘 탄탈륨막을 증착할 때, 이용되는 탄탈륨 전구체에 요구되는 특성은, 적절한 휘발성, 기화 특성, 양호한 이송 가능성과 같은 공정 상의 용이성, 높은 순도를 제공하는 증착 특성 및 전자적으로 우수한 박막 특성 등이다. 본 발명의 실시예에서는 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 이용하여 질화 탄탈륨막 또는 질화 실리콘 탄탈륨막을 증착할 수 있어 이러한 증착 특성을 보다 효과적으로 구현할 수 있다.
예를 들어, 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 이용함으로써 이를 보다 용이하고 효과적으로 반응 챔버 또는 기화기로 이송할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 탄탈륨 전구체를 용매에 녹인 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 이송시킴으로써, 액상의 탄탈륨 소오스 용액은 명백한 낮은 점도 특성에 의해서 액상 이송 시스템 내에 라인 클로깅 등이 발생하는 것을 할 수 있다. 따라서, 이송 상의 문제에 의한 탄탈륨 전구체의 선택에서의 제한 문제를 해결할 수 있어, 보다 우수한 막질의 질화 탄탈륨막 또는 질화 실리콘 탄탈륨막과 같은 탄탈륨을 포함하는 박막을 기판 상에 증착할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, 화학 기상 증착 또는 및 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)을 기본으로 하는 증착 방법에 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 채용하여 질화 탄탈륨막 또는 질화 실리콘 탄탈륨막과 같은 탄탈륨을 포함하는 박막을 제조할 수 있다.

Claims (12)

  1. 탄탈륨 전구체를 용매에 녹여 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 형성하는 단계;
    상기 탄탈륨 소오스 용액을 기화시켜 챔버로 이송하는 단계; 및
    상기 기상의 탄탈륨 소오스 용액에 포함된 기상의 상기 탄탈륨 전구체를 기판 상에 증착하여 탄탈륨을 포함하는 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄탈륨 전구체는
    탄탈륨 아민 유도체이거나 탄탈륨 핼라이드 유도체인 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용매는
    하이드로 카본계 용매인 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하이드로 카본계 용매는
    적어도 하이드로 카본, 핼라이드 원자를 포함하는 하이드로 카본, 산소 원자를 포함하는 하이드로 카본 또는 질소 원자를 포함하는 하이드로 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내에 상기 탄탈륨 전구체와 반응하기 위한 수소 가스 및 질소를 포함하는 가스를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수소 가스 및 질소를 포함하는 가스는
    상기 탄탈륨 전구체와 반응하기 위해서 플라즈마 상태로 활성화된 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 박막은
    상기 탄탈륨 전구체와 상기 수소 가스 및 질소를 포함하는 가스의 공급에 의해서 질화 탄탈륨막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 수소 가스 및 질소를 포함하는 가스와 함께 실리콘을 포함하는 가스를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 실리콘을 포함하는 가스는
    상기 탄탈륨 전구체와 반응하기 위해서 플라즈마 상태로 활성화된 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 박막은
    상기 탄탈륨 전구체와 상기 수소 가스, 질소를 포함하는 가스 및 상기 실리콘을 포함하는 가스의 공급에 의해서 질화 실리콘 탄탈륨막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  11. 탄탈륨 전구체를 용매에 녹여 액상의 탄탈륨 소오스 용액을 형성하는 단계;
    상기 탄탈륨 소오스 용액을 챔버로 이송하고 상기 챔버 내에서 기화시키는 단계; 및
    상기 기상의 탄탈륨 소오스 용액에 포함된 기상의 상기 탄탈륨 전구체를 기판 상에 증착하여 탄탈륨을 포함하는 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄탈륨을 포함하는 박막을 플라즈마 상태로 활성화된 수소 가스 및 질소를 포함하는 가스로 후처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
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