KR20030032972A - 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

MOCVD 장치의 반응로(8) 내에 기판(10)의 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 분출구와, 산화성 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 분출구를 구비한 샤워 헤드(9)를 마련한다. 이 샤워 헤드(9)의 기판측 표면 근방에 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 내부 가열하는 히터를 마련한다.

Description

박막 형성 방법 및 박막 형성 장치{METHOD FOR FORMING THIN FILM AND APPARATUS FOR FORMING THIN FILM}
종래부터, 유기 금속 화합물의 열분해 반응을 이용하여 화합물 반도체막을 형성하는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법이 알려져 있다. 이 MOCVD법에 따르면, 메모리 등의 반도체 디바이스에서 사용되고 있는 PZT 등의 강유전체 박막을 형성할 수 있다.
본 발명은 유기 금속 화합물의 열분해 반응을 이용하는 화학 기상 성장법에 의해 금속 원소를 포함하는 박막을 기판상에 형성하는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예가 되는 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 블럭도.
도 2는 도 1의 샤워 헤드의 하면도.
도 3은 도 1의 샤워 헤드의 단면도.
도 4는 히터의 패턴을 도시하는 평면도.
반도체 디바이스상에 PZT 등의 강유전체 박막을 형성하기 위해서는 450 ℃ 이하의 저온에서 성막하고, 또한 충분한 성막 속도를 얻을 필요가 있으며, 또한 PZT막을 형성하는 경우에는 PZT막의 조성의 균일성을 확보할 필요가 있다. 그러나, 종래의 MOCVD법에서는 박막의 조성의 균일성과 충분한 성막 속도를 양립시키는 것이 어렵다고 하는 문제점이 있었다.
이에 대하여, 샤워 헤드를 이용함으로써 박막의 조성이나 막 두께의 균일성을 높이는 기술이 알려져 있다. 한편, 원료의 유기 금속 가스를 예비 가열하여 기판상에 공급함으로써 성막 속도를 향상시키는 기술이 알려져 있다. 따라서, 샤워 헤드를 이용하는 중에, 성막 속도를 높이기 위해서 샤워 헤드와 기판 사이에 히터를 배치하여, 원료의 가스를 예비 가열하는 기술이 있다.
그러나, 이러한 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
(a) 금속 산화막의 성막에서는 산화 가스도 기판상에 공급되기 때문에 히터가 노출되면 히터가 산화되기 때문에 바람직하지 못하다.
(b) 샤워 헤드의 가스 도입부 주변에서 예비 가열하면, 예비 가열에 의해 반응성이 높은 성분이 생성되어 이 성분이 샤워 헤드의 내벽에 부착되기 쉽기 때문에 샤워 헤드의 노즐을 막히게 한다. 또한, PZT 등의 다원계의 금속 산화막을 형성하는 경우, 예비 가열에 의해 퇴적되기 쉬운 것과 어려운 것이 있기 때문에 어떤 성분만이 공급량이 감소하는 경우가 있다.
이러한 이유로, 예비 가열을 전단계에서 행하면 성막의 막 두께 균일성이나 조성의 균일성이 열화한다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 박막의 양호한 조성과 막 두께 균일성을 확보하는 동시에, 성막 속도를 증대시킬 수 있는 박막 형성 방법 및 박막 형성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 박막 형성 방법은 기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 가스 공급 수단의 기판측 표면 근방을 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 내부 가열하도록 한것이다.
이와 같이, 가스 공급 수단을 이용함으로써 기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급할 수 있다. 그리고, 가스 공급 수단으로부터 유기 금속 가스가 균일하게 공급되기 직전의 국소적 부분을 가열함으로써 유기 금속 가스를 열분해할 수 있고, 예컨대 PZT막과 같은 조성 균일성이 매우 중요한 박막의 형성에 있어서도 균일성을 손상하는 일없이 열분해된 중간체를 기판 표면에 공급할 수 있다. 이에 의해, 성막 속도를 막 두께, 조성 균일성을 손상하는 일없이 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막 형성 방법은 기판 표면에 대하여 유기 금속 가스와 산화성 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 가스 공급 수단에 마련된 두 종류의 가스 분출구 중, 유기 금속 가스의 분출구의 주위만을 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 내부 가열하도록 한 것이다.
이와 같이, 유기 금속 가스의 분출구의 주위만을 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 내부 가열함으로써 유기 금속 가스를 열분해할 수 있고, 열분해된 중간체를 기판 표면에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막 형성 장치는 기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 분출구를 갖춘 가스 공급 수단을 반응실 내에 마련하고, 이 가스 공급 수단의 기판측의 표면 근방에 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 가열하는 히터를 내장하는 것이다.
이와 같이, 가스 공급 수단을 이용함으로써 기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급할 수 있다. 그리고, 가스 공급 수단으로부터 유기 금속 가스가 균일하게 공급되기 직전의 국소적 부분을 히터로 가열함으로써 유기 금속 가스를 열분해할 수 있고, 예컨대 PZT막과 같은 조성 균일성이 매우 중요한 박막의 형성에 있어서도 균일성을 손상하는 일없이 열분해된 중간체를 기판 표면에 공급할 수 있다. 이에 따라, 성막 속도를 막 두께, 조성 균일성을 손상하는 일없이 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막 형성 장치는 기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 제1 분출구와, 산화성 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 제2 분출구를 구비한 가스 공급 수단을 반응실 내에 마련하고, 이 가스 공급 수단의 제1 분출구의 주위에 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 가열하는 히터를 내장하는 것이다.
이와 같이, 제1 분출구의 주위를 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 히터로 가열함으로써 유기 금속 가스를 열분해할 수 있고, 열분해된 중간체를 기판 표면에 공급할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예가 되는 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 1에 있어서, 1은 리드 디비발로일메탄 복합체(lead dibivaloylmethane complex) Pb(DPM)2를 유지하는 원료 용기, 2는 Ti를 포함하는 유기 금속 화합물 원료, 예컨대 Ti(OiPr)4를 유지하는 원료 용기, 3은 Zr을 포함하는 유기 금속 화합물 원료, 예컨대 Zr(0tBt)4를 유지하는 원료 용기, 4, 5, 6, 7은 각각 Pb(DPM)2가스, Ti(OiPr)4가스, Zr(0tBt)4가스, NO2가스의 유량을 제어하는 매스 플로우(mass-flow) 컨트롤러, 8은 반응실, 9는 가스 공급 수단이 되는 샤워 헤드, 10은 반도체 기판이다.
본 실시예에서는 기판(10)의 표면에 대하여 유기 금속 가스와 산화성 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 수단으로서 샤워 헤드(9)를 이용하고 있다. 도 2는 샤워 헤드(9)의 하면도, 도 3은 샤워 헤드(9)의 단면도이다.
샤워 헤드(9)의 하부 구조는 열전도성이 좋은 AlN 세라믹 플레이트(11, 12)로 구성되고, 이 세라믹 플레이트(11, 12)에는 유기 금속 가스를 분출하는 복수의 제1 분출구(13)와, 산화성 가스(NO2가스)를 분출하는 복수의 제2 분출구(14)가 형성되어 있다. AlN 세라믹 플레이트(11)의 상면에는 분출구(13, 14)를 피하여 형성된, 도 4에 도시한 바와 같은 형상의 히터(15)가 프린트 인쇄되어 있다. 따라서,세라믹 플레이트(11, 12)는 그 사이에 히터(15)를 끼우게 된다. 히터(15)에 전류를 흘려 히터(15)를 발열시킴으로써, 세라믹 플레이트(11, 12)는 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도(예컨대, 본 실시예와 같이 PZT막을 형성하는 경우라면, 240 ℃)로 가열된다.
한편, 샤워 헤드(9)의 상부 구조(16)는 Al로 구성된다. 이 상부 구조(16)는 도시하지 않은 별도의 히터에 의해 유기 금속 가스가 기화 상태를 유지할 수 있는 온도보다도 높고, 또한 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 낮은 온도(예컨대, PZT막을 형성하는 경우라면, 200 ℃)로 가열된다. 그리고, AlN 세라믹 플레이트(12)와 상부 구조(16) 사이에 AlN에 비해 열전도성이 나쁜 Al2O3등으로 이루어지는 버퍼 플레이트(도시하지 않음)를 형성함으로써 상부 구조(16)에 비해 AlN 세라믹 플레이트(11, 12)의 온도를 높게 유지할 수 있다.
다음에, 이상과 같은 MOCVD 장치를 이용한 박막 형성 방법을 설명한다. 우선, 원료 용기(1)를 가열함으로써 리드 디비발로일메탄 복합체 Pb(DPM)2를 기화시키고, 동시에, 원료 용기(2)를 가열함으로써 유기 금속 화합물 원료 Ti(OiPr)4를 기화시킨다. 그리고, Pb(DPM)2가스, Ti(OiPr)4가스, NO2가스를 진공 배기된 반응실(8) 안으로 도입한다. 이 때의 조건은 반응실(8)의 압력이 0.005 torr, Pb(DPM)2가스의 유량이 0.2 sccm, Ti(OiPr)4가스의 유량이 0.14 sccm, NO2가스의 유량이 2.3 sccm, 성막 온도(기판 온도)가 445 ℃이다. Pb(DPM)2가스 및 Ti(OiPr)4가스는 도 3에 도시한 바와 같은 경로를 통하여 분출구(13)로부터 분출하고, NO2가스는 도 3에 도시한 바와 같은 경로를 통하여 분출구(14)로부터 분출한다. 이에 따라, 기판(10)상에는 PbTiO3으로 이루어지는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 결정핵이 형성된다.
계속해서, 원료 용기(3)를 가열함으로써 유기 금속 화합물 원료 Zr(0tBt)4를 기화시키고, 전술한 가스와 함께, Zr(0tBt)4가스를 반응실(8) 안으로 도입한다. Zr(0tBt)4가스의 유량은 0.175 sccm이며, 그 밖의 조건은 상기와 동일하다. 이 Zr(0tBt)4가스는 Pb(DPM)2가스 및 Ti(OiPr)4가스와 함께 분출구(13)로부터 분출한다. 이렇게 해서, 기판(10)상에는 페로브스카이트 구조의 PZT막(PbZrxTil-xO3막)이 형성된다.
본 실시예에서는 샤워 헤드(9)를 이용함으로써 기판(10)의 표면에 대하여 유기 금속 가스와 산화성 가스를 균일한 밀도로 공급할 수 있다. 또한, 샤워 헤드(9)로의 가스 배관을 유기 금속 가스가 열분해하지 않을 정도의 온도(PZT막을 형성하는 경우라면, 160∼200 ℃)로 유지하면서, 샤워 헤드(9)의 분출구(13)의 근방을 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높은 온도로 가열함으로써, 열분해하기 쉬운 유기 금속 가스를 샤워 헤드(9)의 분출구 근방까지 수송하면서, 분출구(13)의 근방에서 열분해시킬 수 있다. 이에 따라, 성막 속도를 종래의 10 nm/min에서 25 nm/min으로 약 2배 이상으로 증가시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 히터(15)가분출구(13, 14)의 양쪽을 가열하고 있지만, 분출구(13)의 주위만을 가열하도록 하더라도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, AlN의 열전도성이 양호하므로, 샤워 헤드(9)의 기판측 표면의 온도의 변동을 전면에 걸쳐 ±1 ℃ 이하의 범위로 억제할 수 있어 양호한 온도 균일성을 얻을 수 있다. 따라서, 기판(10)상에 형성하는 박막의 양호한 조성과 막 두께 균일성을 확보하는 동시에, 성막 속도를 종래보다도 대폭 증대시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 핵 형성 공정과 성막 공정을 모두 0.005 torr의 고진공에서 행하였지만, 성막 공정을 저진공에서 행하더라도 좋다. 즉, 리드 디비발로일메탄 복합체 Pb(DPM)2및 유기 금속 화합물 원료 Ti(OiPr)4를 유기 용매(초산부틸 용액)에 용해시켜, 이것을 유기 용매와 함께 기화시키고, 압력 0.005 torr의 반응실(8) 안에 도입하여, 핵을 형성한다. 계속해서, 유기 금속 화합물 원료 Zr(0tBt)4를 상기 Pb(DPM)2및 Ti(OiPr)4와 함께 유기 용매에 용해시켜, 이것을 유기 용매와 함께 기화시키고, 압력 0.1∼0.5 torr 정도의 반응실(8) 안에 도입하여, 성막한다. 이 때, 각각의 분압을 동일하게 하기 위해서, 총 가스 유량이 약 20배 내지 100배가 되도록 불활성 가스를 도입한다. 이에 따라, 샤워 헤드(9)의 내부 압력을 높일 수 있고, 기판 표면으로 유기 금속 가스를 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 유기 금속 가스와 산화성 가스를 따로따로 공급하는 포스트 믹스형(post-mix type)의 샤워 헤드(9)를 이용했지만, 이들을 함께 공급하는 프리믹스형(pre-mix type) 샤워 헤드를 이용하더라도 좋다. 또한, 본 실시예에서는 기판(10)상에 PZT막을 형성하고 있지만, PZT막에 한정되지 않는 것은 물론이다.
이상과 같이, 본 실시예에 따르면 샤워 헤드(9)의 기판측 표면 근방을 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 내부 가열함으로써 기판(10)상에 형성하는 박막의 양호한 조성과 막 두께 균일성을 확보하는 동시에, 성막 속도를 종래보다도 대폭 증대시킬 수 있다. 그 결과, 양산성이 우수한 박막 형성 장치를 실현할 수 있다. 또한, 샤워 헤드(9)의 기판측 표면 근방을 내부 가열함으로써 히터(15)가 노출되는 일이 없어 히터(15)의 산화를 막을 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 양질의 박막의 형성에 적합하다.

Claims (4)

  1. 유기 금속 화합물의 열분해 반응을 이용하는 화학 기상 성장법에 의해 금속 원소를 포함하는 박막을 기판상에 형성하는 박막 형성 방법에 있어서,
    기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 가스 공급 수단의 기판측 표면 근방을 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한, 성막 온도보다도 낮은 온도로 내부 가열하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  2. 유기 금속 화합물의 열분해 반응을 이용하는 화학 기상 성장법에 의해 금속 원소를 포함하는 박막을 기판상에 형성하는 박막 형성 방법에 있어서,
    기판 표면에 대하여 유기 금속 가스와 산화성 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 가스 공급 수단에 마련된 두 종류의 가스 분출구 중, 유기 금속 가스의 분출구의 주위만을 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 내부 가열하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  3. 유기 금속 화합물의 열분해 반응을 이용하는 화학 기상 성장법에 의해 금속 원소를 포함하는 박막을 기판상에 형성하는 박막 형성 장치에 있어서,
    기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 분출구를 구비한 가스 공급 수단을 반응실 내에 마련하고,
    이 가스 공급 수단의 기판측의 표면 근방에 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한, 성막 온도보다도 낮은 온도로 가열하는 히터를 내장하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
  4. 유기 금속 화합물의 열분해 반응을 이용하는 화학 기상 성장법에 의해 금속 원소를 포함하는 박막을 기판상에 형성하는 박막 형성 장치에 있어서,
    기판 표면에 대하여 유기 금속 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 제1 분출구와, 산화성 가스를 균일한 밀도로 공급하기 위한 복수의 제2 분출구를 구비한 가스 공급 수단을 반응실 내에 마련하고,
    이 가스 공급 수단의 제1 분출구의 주위에 유기 금속 가스가 열분해하는 온도보다도 높고, 또한 성막 온도보다도 낮은 온도로 가열하는 히터를 내장하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 장치.
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