KR20030058271A - 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체소자 제조를 위한 소정의 물질층을 증착하기 위한 ALD공정에 있어서, 플라즈마로 활성화시킨 상기 물질층 형성을 위한 제1반응기체를 기판 표면에 흡착시키는 단계, 및 상기 제1반응기체가 흡착된 기판상에 플라즈마로 활성화된 제2반응기체를 도입하여 상기 제1반응기체와 반응시킴으로써 상기 소정의 물질층을 기판상에 증착하는 단계를 포함하여 구성된 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법을 제공한다. 본 발명은 반응기체를 플라즈마화하여 반응성을 향상시켜 기존의 ALD공정보다 더 저온에서 증착이 가능하도록 함으로써 기존의 CVD공정에 비해 스텝 커버리지가 탁월한 ALD공정의 장점을 극대화할 수 있다.

Description

플라즈마를 이용한 원자층 증착방법{Atomic layer deposition process using plasma}
본 발명은 ALD(atomic layer deposition) 공정에 관한 것으로, 특히 저온에서의 증착속도를 증가시키고 우수한 스텝 커버리지를 확보할 수 있는 플라즈마를 이용한 ALD공정에 관한 것이다.
반도체소자의 고집적화가 진행되면서 미세 패터닝된 구조를 매립하거나 도포하기 위하여 기존의 CVD공정에 비해 스텝 커버리지가 더욱 우수한 공정이 필요하게 되었다. 이에 대응하는 대안으로서 새롭게 부각되고 있는 공정이 ALD(atomic layer deposition) 공정이다.
ALD공정의 대표적인 적용사례로는 1기가급 DRAM소자에 있어서 실린더형 커패시터의 유전체 재료로 사용되는 Al2O3의 증착이나 상부 및 하부전극으로 사용되는 TiN, Ru와 같은 재료의 증착이다.
상기와 같은 소자의 커패시터는 매우 높은 애스펙트비를 가지고 있으므로 안정적인 스텝 커버리지를 확보하기 위해서는 기존의 CVD공정으로는 한계가 있으며 매우 우수한 스텝 커버리지를 가지는 ALD공정이 필수적이다.
기존의 CVD공정이 여러 반응기체를 반응로에 혼합된 형태로 투입한 후 반응시킨 결과로서 생성되는 고체를 특정 기판위에 성장시키는 것이라면 ALD는 반응기체를 혼합하여 투입하는 대신 하나의 반응기체를 우선 투입하여 표면에 물리 흡착시킨 후, 다른 반응기체를 물리흡착된 층위에서 반응시켜 단원자 단위로 적층하는 공정이다. 이런 공정 순서를 계속 반복함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다.
예를 들면, ALD TiN의 주요 반응기체는 TiCl4, NH3이다. ALD TiN을 증착하기 위해서는 우선, TiCl4기체를 기판위로 흘려 TiCl4를 기판위에 흡착시킨다. 흡착공정이 끝나면 비활성기체를 이용하여 퍼지(purge)시켜 흡착되지 않고 남아 있는 과잉의 TiCl4를 반응로 바깥으로 배출시킨다. 다음에 NH3를 흘려 미리 흡착되어 있던 TiCl4와 반응시켜 단원자 수준의 TiN을 형성하게 된다. 이때, 반응에 필요한 온도는 200℃∼400℃이다.
ALD방식으로 증착된 TiN의 경우에는 기존의 CVD에 비해 저온에서 증착이 가능하며, 월등한 모서리 도포성 및 매우 치밀한 막질을 얻을 수 있다. 그러나 ALD공정이 저온에서 진행되는 경우에는 증착속도가 감소하게 되어 양산 적용시 생산성 측면에서 불리한 점이 있다. 따라서 저온에서 높은 증착속도를 유지하는 것이 ALD의 장점을 극대화하는 방법이라고 할 수 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 플라즈마를 이용하여 저온에서 ALD공정의 반응성을 향상시켜 증착속도를 증대시키는 플라즈마를 이용한 원자층 증착법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 ALD공정을 이용한 TiN형성과정을 설명하기 위한 도면.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체소자 제조를 위한 소정의 물질층을 증착하기 위한 ALD공정에 있어서, 플라즈마로 활성화시킨 상기 물질층 형성을 위한 제1반응기체를 기판 표면에 흡착시키는 단계, 및 상기 제1반응기체가 흡착된 기판상에 플라즈마로 활성화된 제2반응기체를 도입하여 상기 제1반응기체와 반응시킴으로써 상기 소정의 물질층을 기판상에 증착하는 단계를 포함하여 구성된 것을 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 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은 플라즈마를 이용한 ALD공정을 제안한다. ALD공정에 플라즈마를 이용하면 반응기체가 이온화되거나 또는 이온화된 입자와의 충돌로 인하여 매우 화학적으로 여기된 상태가 되므로 반응성이 매우 증가된다. 따라서 기존의 ALD공정에 비해 훨씬 낮은 온도에서도 증착이 가능하다.
즉, 플라즈마에 의해 활성화된 기페가 기판에 흡착된 기체와 반응할 경우에는 이후에 도입되는 기체와 표면에서의 반응을 위한 활성화 에너지가 낮아지게 되므로 저온에서도 높은 증착속도를 나타낼 수 있다. 따라서 플라즈마를 이용한 ALD공정은 기존 ALD의 저온에서의 증착속도 감소를 극복하면서 ALD의 최대 장점인 탁월한 스텝 커버리지를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마를 이용한 원자층증착법(ALD)을 도시한 도면으로서, TiN의 형성과정을 설명하기 위한 도면이다.
우선, TiN이 증착될 기판위에 플라즈마로 활성화된 TiCl4기체를 입사시켜 TiCl4를 기판 표면에 흡착시킨다(11∼12). 이때, 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생원은 DC전원, ICP, 마이크로파, ECR, 헬리콘(Helicon) 등이 모두 사용될 수 있다.
흡착이 완료된 후, 퍼지공정을 통해 여분의 TiCl4기체를 제거한다(13).
다음에 TiCl4이 흡착된 기판위로 플라즈마로 활성화된 NH3를 도입시켜 TiCl4와 NH3의 반응을 일으킨다(14). 이때, 플라즈마로 활성화된 NH3의 반응성이 크게 증가되므로 저온에서의 성장속도도 기존의 ALD에 비해 증가되게 된다. 이때, 증착온도는 100℃∼300℃으로 유지한다.
상기 반응을 통해 TiN을 형성한 후(15), 퍼지를 통해 여분의 NH3기체를 배출한다(16).
이후의 공정은 상기한 공정단계를 계속 반복하여 진행한다.
상기 플라즈마를 이용한 ALD공정시 플라즈마에 의한 손상을 최소화하기 위하여 플라즈마 발생원을 기판으로부터 독립시키는 리모트 플라즈마 시스템을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 ALD공정은 반응성을 향상시키기 위한 목적으로 사용하는 모든 경우에 적용이 가능하다. 예를 들어, ALD A2O3, ALD Ru, ALD TaN 등에 적용할 수 있으며, DRAM 소자의 커패시터의 유전체 증착, 상부 및 하부전극에 적용할 수 있고, 금속배선의 장벽금속 증착에 이용할 수도 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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 반응기체를 플라즈마화하여 반응성을 향상시켜 기존의 ALD공정보다 더 저온에서 증착이 가능하도록 함으로써 기존의 CVD공정에 비해 스텝 커버리지가 탁월한 ALD공정의 장점을 극대화할 수 있다.

Claims (6)

  1. 반도체소자 제조를 위한 소정의 물질층을 증착하기 위한 ALD공정에 있어서,
    플라즈마로 활성화시킨 상기 물질층 형성을 위한 제1반응기체를 기판 표면에 흡착시키는 단계, 및
    상기 제1반응기체가 흡착된 기판상에 플라즈마로 활성화된 제2반응기체를 도입하여 상기 제1반응기체와 반응시킴으로써 상기 소정의 물질층을 기판상에 증착하는 단계
    를 포함하여 구성된 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법.
  2. 제1항에 있어서,
    원하는 물질층을 증착하기 위하여 이 물질층 형성에 필요한 반응기체들에 대하여 상기 단계를 반복하여 진행하여 상기 물질층을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생원으로 DC전원, ICP, 마이크로파, ECR, 헬리콘 등이 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 원자층증착방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 물질층 증착시 증착온도를 100℃∼300℃으로 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마에 의한 손상을 최소화하기 위하여 플라즈마 발생원을 상기 기판으로부터 독립시키는 리모트 플라즈마 시스템을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 물질층은 커패시터의 유전체막, 상부 및 하부전극, 또는 금속배선의 장벽금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 원자층 증착방법.
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