KR20040055458A - 반도체 소자의 절연박막 형성방법 - Google Patents

반도체 소자의 절연박막 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 별도의 장비를 사용하는 것 없이, 절연박막 내의 탄소에 의한 불순물을 효과적으로 제거하여 누설전류특성 및 유전특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 절연박막 형성방법을 제공한다.
본 발명은 웨이퍼 상에 원자층증착 공정으로 절연박막을 증착하는 제 1 단계; 절연박막을 활성화된 산소에 일정시간 노출시켜 막처리하는 제 2 단계; 및 제 1 및 제 2 단계를 절연박막이 소정 두께가 될 때까지 적어도 1회 이상 반복수행하는 제 3 단계를 포함하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법에 의해 달성될 수 있다.

Description

반도체 소자의 절연박막 형성방법{METHOD OF FORMING INSULATING THIN FILM FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자의 절연박막 형성방법에 관한 것으로, 특히 원자층증착(Atomic Layer Deposition; ALD)을 이용한 반도체 소자의 절연박막 형성방법에관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화에 따른 소자면적 감소로 인하여, 게이트 절연막 및 캐패시터 유전막에 대하여 박막화 및 높은 유전용량이 요구됨에 따라, 최근에는 실리콘산화막(SiO2)대신에 티타늄산화막(TiO2), 지르코늄산화막(ZrO2), 하프늄산화막 (HfO2), 탄탈륨산화막(Ta2O5)등과 같은 고유전율의 절연박막을 게이트 절연막 및 캐패시터 유전막에 적용하고 있다. 이러한 고유전율의 절연박막은 일반적으로 스텝커버리지(step coverage) 특성이 우수한 ALD 공정으로 반응개스로서 오존 (O3) 이나 산소(O2) 플라즈마를 사용하고 탄소(C) 및 수소(H)를 함유한 금속유기소오스(metal organic source)를 사용하여 형성한다.
도 1은 예컨대 HfO2와 같은 종래의 반도체 소자의 절연박막 형성방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 먼저 챔버 내부로 웨이퍼를 삽입한 다음, 웨이퍼를 가열하고 개스 플로우 조건을 초기화시킨다(11). 그 다음, 웨이퍼에 절연박막으로서 HfO2박막을 소정 두께로 형성한다(12). 여기서, HfO2박막의 형성은 챔버 내부로 금속유기소오스로서 Hf 소오스를 공급하고 챔버를 퍼지(purge)한 후, 챔버내부로 O3나 산소 플라즈마를 공급하고 챔버를 다시 퍼지하는 1주기(cycle)의 ALD 공정을 수행하는 제 1 단계와 제 1 단계를 HfO2박막이 소정 두께가 될 때까지 반복수행하는 제 2 단계로 이루어진다.
그 후, 챔버 내부의 잔류 개스를 펌핑(pumping)한 후, 챔버 외부로 웨이퍼를방출한다(13).
그러나, ALD 공정은 O3나 산소 플라즈마에 의해 공급되는 산소원자와 웨이퍼 표면에 흡착된 소오스 분자의 리간드(ligand)의 연소반응에 의해 반응이 이루어지기 때문에, 박막 내에 탄소에 의한 불순물이 잔류하게 되고, 이러한 탄소에 의한 불순물이 박막 내에서 결함을 형성하여 박막의 누설전류특성 및 유전특성을 저하시키게 된다. 이를 해결하기 위하여 박막의 형성 후 별도의 장비에서 산소 플라즈마처리나 UV-O3처리 등을 수행하는 방법이 제시되었으나, 이 경우 별도의 장비 투자 등으로 인하여 제조비용이 증가되는 또 다른 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 별도의 장비를 사용하는 것 없이, 절연박막 내의 탄소에 의한 불순물을 효과적으로 제거하여 누설전류특성 및 유전특성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 절연박막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 반도체 소자의 절연박막 형성방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 절연박막 형성방법을 설명하기 위한 도면.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 웨이퍼 가열 및 개스플로우 초기화
22 : 막처리된 HfO2박막형성
23 : 잔류개스펌핑 및 웨이퍼 방출
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기의 본 발명의 목적은 웨이퍼 상에 원자층증착 공정으로 절연박막을 증착하는 제 1 단계; 절연박막을 활성화된 산소에 일정시간 노출시켜 막처리하는 제 2 단계; 및 제1 및 제 2 단계를 절연박막이 소정 두께가 될 때까지 적어도 1회 이상 반복수행하는 제 3 단계를 포함하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 제 2 단계에서 활성화된 산소개스로서 O3, O2플라즈마, 또는 O2리모트 플라즈마를 사용하는데, 활성화된 산소개스가 O3인 경우에는 절연박막을 20 내지 600초 동안 노출시키고 O3농도는 100 내지 220g/m3로 조절하고, O2플라즈마인 경우에는 절연박막을 20 내지 600초 동안 노출시키고 RF 출력을 50 내지 300W로 조절한다.
또한, 제 1 단계에서 원자층증착 공정은 금속유기소오스와 산소개스를 사용하여 수행하는데, 산소개스로서 O3, O2플라즈마, 또는 O2리모트 플라즈마를 사용한다.
또한, 절연박막은 하프늄산화막, 알루미나, 티타늄산화막, 지르코늄산화막, 탄탈륨산화막, 하프늄실리콘산화막, 및 하프늄알루미늄산화막 중 선택되는 하나의 막으로 형성하고, 웨이퍼는 Si 또는 GaAs로 이루어진 반도체 기판이거나 상부에 하부전극이 형성된 반도체 기판일 수 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 절연박막 형성방법을 설명하기 위한 도면으로서, 본 실시예에서는 HfO2박막 형성방법을 예를 들어 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 먼저 챔버 내부로 웨이퍼를 삽입한 다음, 웨이퍼를 가열하고 개스 플로우 조건을 초기화시킨다(21). 여기서, 기판의 가열온도는 예컨대, 이후 사용될 Hf 소오스가 TEMAH : Hf(NC2H5CH3)4인 경우에는 200 내지 350℃로 설정한다. 그 다음, 웨이퍼에 절연박막으로서 막처리된 소정 두께의 HfO2박막을 형성한다. 바람직하게, 막처리된 HfO2박막의 형성은 ALD 공정에 의해 HfO2박막을 증착하는 제 1 단계와, HfO2박막을 활성화된 산소개스에 일정시간 노출시켜 막처리를 수행하여 HfO2박막내의 탄소에 의한 불순물을 제거하는 제 2 단계와, 제 1 및 제 2 단계를 HfO2박막의 두께가 소정두께가 될 때까지 적어도 1회 이상, 바람직하게 1회 반복수행하는 제 3 단계로 이루어진다.
여기서, ALD 공정은 챔버 내부로 금속유기소오스인 Hf 소오스를 공급하고 N2개스로 챔버를 퍼지한 후, 챔버내부로 반응개스로서 O3, O2플라즈마, 또는 O2리모트(remote) 플라즈마 등의 산소개스를 공급하고 N2개스로 챔버를 다시 퍼지하는 과정으로 이루어진다. 또한, 제 2 단계에서 활성화된 산소개스로서 O3, O2플라즈마, 또는 O2리모트 플라즈마 등을 사용할 수 있는데, O3를 사용하는 경우에는 노출시간을 20 내지 600초로 조절하고 O3농도는 100 내지 220g/m3로 조절하고, O2플라즈마를 사용하는 경우에는 노출시간을 20 내지 600초로 조절하고 RF 출력을 50 내지 300W로 조절한다. 또한, 초기에 증착된 HfO2박막은 이후에도 활성화된 산소개스에 의해 계속 노출되기 때문에 상대적으로 두껍게 형성되는데, 예컨대 상기한 바와 같이 제 3 단계에서 제 1 및 제 2 단계를 1회만 반복수행하는 경우, 초기 HfO2박막의 두께는 5 내지 50Å 정도가 되도록 한다.
그 후, 챔버 내부의 잔류 개스를 펌핑한 후, 챔버 외부로 웨이퍼를 방출한다.
상기 실시예에 의하면, ALD에 의한 HfO2박막의 증착 후 활성화된 산소개스를 이용하여 동일 챔버내에서 바로 막처리를 수행함으로써, 별도의 장비를 사용하는 것 없이 HfO2박막 내의 탄소에 의한 불순물을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
한편, 상기 실시예에서는 HfO2박막에 대해서만 설명하였지만, HfO2박막 이외에 알루미나(Al2O3), TiO2, ZrO2, Ta2O5, 하프늄실리콘산화막(HfSiOx), 및 하프늄알루미늄산화막(HfAlOx)의 단일절연박막 형성공정에도 동일하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 이들 절연박막들의 조합으로 이루어진 예컨대 HfO2/Al2O3또는 TiO2/Al2O3등의 다층 절연박막 형성에도 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 상술한 방법에 의한 절연박막은 Si 또는 GaAs로 이루어진 반도체 기판상에 게이트 절연막으로서 형성하거나 상부에 하부전극 등이 형성된 반도체 기판 상에 유전막으로서 형성할 수 있다. 이때, 하부전극은 TiN, TaN, 도핑된 폴리실리콘, Ru, Pt, RuO2, Ir, IrO2중 선택되는 하나의 박막으로 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 또는 ALD 공정에 의해 형성한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 발명은 ALD에 의한 절연박막의 증착 후 산소개스를 이용하여 동일 챔버내에서 바로 막처리를 수행함으로써, 별도의 장비를 사용하는 것 없이 절연박막 내의 탄소에 의한 불순물을 효과적으로 제거할 수 있으므로, 누설전류특성 및 유전특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 웨이퍼 상에 원자층증착 공정으로 절연박막을 증착하는 제 1 단계;
    상기 절연박막을 활성화된 산소에 일정시간 노출시켜 막처리하는 제 2 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 단계를 상기 절연박막이 소정 두께가 될 때까지 적어도 1회 이상 반복수행하는 제 3 단계를 포함하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 활성화된 산소개스로서 O3, O2플라즈마, 또는 O2리모트 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성화된 산소개스가 O3인 경우, 상기 절연박막을 20 내지 600초 동안 노출시키고, 상기 O3농도는 100 내지 220g/m3로 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성화된 산소개스가 O2플라즈마인 경우, 상기 절연박막을 20 내지 600초 동안 노출시키고 RF 출력을 50 내지 300W로 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서 원자층증착 공정은 금속유기소오스와 산소개스를 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산소개스로서 O3, O2플라즈마, 또는 O2리모트 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 절연박막은 하프늄산화막, 알루미나, 티타늄산화막, 지르코늄산화막,탄탈륨산화막, 하프늄실리콘산화막, 및 하프늄알루미늄산화막 중 선택되는 하나의 막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 Si 또는 GaAs로 이루어진 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 상부에 하부전극이 형성된 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연박막 형성방법.
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KR100766007B1 (ko) * 2003-11-07 2007-10-10 주식회사 무한 하프늄 금속 유기물을 이용한 하프늄 산화막 형성 방법

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