KR20040078476A - 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법 - Google Patents
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Abstract
소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 상이한 2가지 종류의 반응물을 사용하여 박막을 형성하는 ALD법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 ALD법을 이용한 박막 형성방법에 의하면 우선 반응 챔버에 소스 물질을 공급하고, 반응 챔버로부터 이 소스 물질을 1차 퍼지한다. 계속해서, 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋은 제1 반응물을 공급하고 그리고 소스 물질에 표면 흡착 특성이 좋지 않은 제2 반응물을 공급한다. 제2 반응물은 제1 반응물과 동시에 공급할 수도 있고, 제1 반응물을 퍼지한 다음에 공급할 수도 있다. 다음으로, 반응 챔버에 고주파 등을 인가하여 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만든다. 계속해서, 반응 챔버를 2차 퍼지하고, 증착된 막의 두께가 충분하지 않으면 전술한 공정을 반복 실시한다.
Description
본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 원자층 증착(Atomic Deposition Layer, ALD)법을 이용하여 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 절연층과 능동층, 액정 디스플레이 장치의 투명 전극 등 여러 분야에서 박막이 기술적으로 매우 중요하다. 특히, 초고집적회로 및 디스플레이 장치에서 수 nm에서 수십 nm 정도의 두께를 갖는 박막을 일정한 두께로 균일하게 형성할 필요성이 증가하고 있다. 반도체 소자의 경우에는 메모리용 유전막, 확산 방지막 및 게이트 유전막 등에서 아주 얇은 막을 정밀하게 제어하는 기술이 강하게 요구되고 있다.
ALD법은 소스 물질 및 반응물-본 명세서에서는 ALD법을 이용하여 박막을 형성할 때, 기판 또는 증착된 박막에 최초로 공급되는 화합물은 '소스 물질'이라고 칭하고, 이 소스 물질과 화학 반응을 일으키는 물질은 '반응물'이라고 구분하여 칭하기로 한다-의 주기적 공급을 통한 화학적 치환을 이용하여 박막을 형성하는 방법이다. ALD법에 의하면 화학적 치환을 통하여 생긴 화합물을 원자층 단위로 조절할수 있기 때문에, 두께가 얇은 막을 형성할 수 있을 뿐만이 아니라, 그 두께를 조절하기가 용이하다. 그리고 기판의 면적이 넓은 경우에도 균일한 두께의 막을 형성할 수가 있다. 또한, ALD법은 막이 형성되는 곳의 토포그래피(topography)에 상관없이 우수한 스텝 커버리지 특성을 보여준다.
도 1에는 종래 기술에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위하여 흐름도가 도시되어 있으며, 도 2에는 소스 물질 및 반응물을 공급하는 주기가 도시되어 있다. 여기서는 HfCl4를 소스 물질로 사용하고, 반응물로는 H2O를 사용하여 ALD법으로 Hf2O막을 형성하는 방법을 예로 들어서 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 기판이 로딩되어 있는 반응 챔버(도시하지 않음)내로 소스 물질을 소정의 시간(t11) 동안 공급한다(S11). 전술한 바와 같이 소스 물질로는 HfCl4를 사용한다. 그리고, 공급 시간(t11)은 약 0.1초 정도가 되도록 한다. 그러면, 소스 물질의 일부는 기판의 표면에 반응 또는 화학 흡착되고, 나머지는 반응 또는 화학 흡착된 소스 물질의 표면에 물리적으로 흡착되거나, 반응 챔버 내부에 머물게 된다.
계속해서, 반응 챔버 내부를 소정의 시간(t12) 동안 1차 퍼지하는 공정을 실시한다(S12). 1차 퍼지 시간(t12)은 약 0.9초가 되도록 한다. 1차 퍼지 단계에서, 기판의 표면에 반응 또는 화학 흡착된 소스 물질을 제외한 나머지 소스 물질은 반응 챔버로부터 제거된다.
계속해서, 반응 챔버 내부로 반응물을 소정의 시간(t13) 동안 공급한다(S13). 전술한 바와 같이 반응물로는 H2O를 사용한다. 그 결과, 기판의 표면에 Hf2O막의 레이어가 생긴다. H2O는 표면 흡착 특성이 매우 좋기 때문에, 반응 또는 화학 흡착된 소스 물질과 즉시 반응을 일으킨다. 따라서, H2O를 반응물로 하면 1사이클에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 예를 들어, 반응물의 공급 시간(t13)이 약 0.1초 정도가 되도록 할 수 있다.
계속해서, 반응 챔버 내부를 소정의 시간(t14) 동안 2차 퍼지하는 공정을 실시한다(S14). 2차 퍼지 시간(t14)도 약 0.9초가 되도록 한다. 2차 퍼지 단계에서, 기판의 표면에 증착된 Hf2O막을 제외한 HCl 가스 및 나머지 반응 부산물이 반응 챔버로부터 제거된다. 이를 통하여, Hf2O막을 형성하기 위한 1사이클이 완료된다.
다음으로, 이렇게 형성된 Hf2O막의 두께가 적정한지를 판단한다(S15). 만일 적정하지 않다고 판단되면 전술한 S11 내지 S14 단계의 과정을 반복하여 실시한다. 그러나, 증착된 Hf2O막의 두께가 적정한 것으로 판단되면, ALD법을 이용한 막의 증착 공정은 종료되고, 기판은 반응 챔버로부터 언로딩된다.
전술한 바와 같이, 반응물로서 H2O를 사용하면 우수한 표면 흡착 특성으로인하여 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 공정 시간이 단축되면 궁극적으로 생산성이 증가하기 때문에 생산비용을 절감할 수가 있다. 그러나, H2O를 반응물로 사용하면, 증착된 막내에 OH기가 잔류하는 문제점이 있다. 예를 들어, 원하지 않은 화학 반응이 생겨서 Hf(OH)2가 증착된 막내에 불순물로 남을 수가 있다. 불순물이 박막 내에 포함되게 되면 원하는 특성을 가진 양질의 박막을 형성하기가 용이하지 않다. 예를 들어, Hf(OH)2가 포함된 Hf2O막을 반도체 소자의 유전막으로 사용할 경우에, 이 불순물로 인하여 누설 전류가 많이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박막을 형성함에 있어서, 수소기 등이 포함되어 표면 흡착 특성이 양호한 반응물을 사용하여도 불순물이 막내에 포함되지 않아 전기적 특성이 우수하고 생산성도 양호한 ALD 방법을 이용한 박막 형성방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위하여 소스 물질 및 반응물을 주입하는 주기를 도시한 다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 소스 물질, 제1 반응물 및 제2 반응물을 주입하는 주기 및 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 주기의 일 실시예를 도시한 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 소스 물질, 제1 반응물 및 제2 반응물을 주입하는 주기 및 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 주기의 다른 실시예를 도시한 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 소스 물질, 제1 반응물 및 제2 반응물을 주입하는 주기 및 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 주기의 또 다른 실시예를 도시한 다이어그램이다.
도 7은 종래 기술에 따라 형성된 Hf2O막과 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 Hf2O막의 누설 전류 특성을 비교하여 도시한 그래프이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 ALD법을 이용한 박막 형성방법은 소스 물질에 대한 반응물로 상기 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋은 물질을 제1 반응물로 그리고 표면 흡착 특성이 좋지 않은 물질을 제2 반응물로 사용하며, 상기한 제2 반응물을 반응 챔버에 공급한 다음에는 이 반응 챔버에 고주파 등을 인가하여 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만들어주는 공정을 포함한다.
본 발명에 의하면 제1 반응물은 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 우수하기 때문에 기판 또는 이전 사이클에서 증착된 박막 상에 흡착된 소스 물질과 반응이 쉽게 일어난다. 따라서, 공정 시간을 단축시킬 수가 있다. 그리고 계속해서 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋지 않은 제2 반응물이 공급되고 이 제2 반응물이 반응 챔버 내에서 직접 플라즈마 상태로 만든다.
예컨대, 제1 반응물로는 수소기를 포함하는 물질을 사용하고, 제2 반응물은 수소기를 포함하지 않는 물질을 사용할 수 있다. 이 경우, 수소기를 포함하지 않는 물질을 공급한 다음, 직접 이 물질을 플라즈마 상태로 활성화시키기 때문에, 박막으로부터 H기를 제거하는 것이 용이하다. 그리고, 제2 반응물의 반응성도 리모트 플라즈마(remote plasma) 가스가 공급되는 경우보다 좋다. 따라서, 박막 내에는 OH기 등이 함유된 불순물이 생기는 것을 방지하거나 억제할 수 있다.
보다 구체적으로, 소스 물질이 Cl을 포함한다고 하자. 이 경우도 마찬가지로, 제1 반응물은 H를 포함하는 물질이며, 제2 반응물은 H를 포함하지 않은 물질인 것이 바람직하다. 이것은 소스 물질에 포함된 Cl은 HCl을 만들기가 용이하기 때문에, H가 포함된 반응물은 Cl이 포함된 소스 물질에 표면 흡착 특성이 좋기 때문이다.
특히, 수소를 포함하지 않는 제2 반응물은 비록 플라즈마 상태로 활성화되어도 소스 물질에 잘 흡착되지 않는다. 예컨대, HfO2막을 형성하기 위하여 HfCl4를 소스 물질로 사용할 때, 여기에 O2를 반응물로 공급하고 고주파 등을 가하여 플라즈마 상태로 만든다고 하더라도, 박막은 거의 형성되지 않는다. 그 이유는 Cl기를 제거할 수 있는 물질이 반응물에 포함되어 있지 않기 때문이다. 따라서, 반응물로서 O2만을 사용하는 것은 비록 불순물이 생기는 것은 방지할 수 있는 장점이 있지만 생산성 면에서 바람직하지 못하다.
본 발명에 의하면 상기한 예와 같이 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋은 물질만을 사용하는 경우나 표면 흡착 특성이 좋은 물질을 포함하지 않은 반응물만을 사용할 경우에 나타나는 문제점을 동시에 해결할 수가 있다. 즉, 박막이 불순물이 생기는 것을 방지할 수 있을 뿐만이 아니라 생산성을 증가시켜서 공정 시간을 단축시킬 수가 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 ALD법을 이용한 박막 형성방법은 다음과 같은 단계들을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, ALD법을 이용한 박막 형성방법의 1사이클은 반응 챔버에 소스 물질을 공급하는 단계, 반응 챔버로부터 소스 물질을 퍼지하는 단계, 반응 챔버에 상기 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋은 물질을 제1 반응물로 공급하고 그리고 상기 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋지 않은 물질을 제2 반응물로 공급하는 단계 및 반응 챔버 등에 고주파를 가하여 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 단계를 포함한다.
이 때, 상기한 제2 반응물은 1사이클이 진행되는 동안에 계속 반응 챔버 내부로 공급될 수도 있다. 예를 들어, 제2 반응물은 O2또는 N2일 수 있다. 이것은 전술한 바와 같이 제2 반응물만을 공급하는 경우에는 소스 물질과 거의 반응을 하지 않기 때문이다.
이와는 달리, 상기한 제1 반응물을 공급하는 단계 및 제2 반응물을 공급하는 단계는 순차적으로 실시될 수도 있다. 즉, 반응 챔버에 제1 반응물을 공급하고, 소정의 시간이 경과한 다음 퍼지하고 제2 반응물을 공급할 수도 있다. 이 경우 퍼지 공정이 종래 기술보다 1회 더 포함되기 때문에, 공정 시간이 다소 증가하는 단점이 있으나, 아주 우수한 전기적 특성을 가진 박막을 형성할 수가 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이 철저하고 완전하게 개시될 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 예시적으로 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
( 제1 실시예 )
도 3에는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 흐름도가 도시되어 있다. 그리고, 도 4에는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 소스 물질, 제1 반응물 및 제2 반응물을 주입하는 주기 및 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 주기의 일 실시예가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저 기판이 로딩되어 있는 반응 챔버(도시하지 않음)내로 소스 물질을 소정의 시간(t21) 동안 공급한다(S21). 소스 물질은 형성하고자 하는 박막의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 예컨대, 금속 산화막이나 금속 질화막 또는 금속 질화산화막 등의 금속 유전막을 형성하고자 할 경우에는 그 금속을 포함하는 화합물을 소스 물질로 사용한다. 특히, 본 실시예는 소스 물질이 염소(Cl)와 결합한 화합물 예컨대, HfCl4, TaCl4, TiCl4또는 HfCl4등일 수 있다. 이것 외에도 소스 물질로 트리 메틸 알루미늄(TMA) 등의 금속 유기 화합물을 사용하는 것도 가능하다.
소스 물질을 공급하면, 기판 또는 이전 사이클에서 형성된 박막의 표면에는 소스 물질이 반응 또는 화학 흡착되고, 나머지는 반응 또는 화학 흡착된 소스 물질의 표면에 물리적으로 흡착되거나, 반응 챔버 내부에 머물게 된다.
계속해서, 반응 챔버 내부를 소정의 시간(t22) 동안 퍼지하는 1차 퍼지 공정을 실시한다(S22). 1차 퍼지 단계에서, 기판의 표면에 반응 또는 화학 흡착된 소스 물질을 제외한 나머지 소스 물질은 반응 챔버로부터 제거된다.
계속해서, 반응 챔버 내부로 반응물을 공급한다(S23). 반응물로는 상기한 소스 가스에 대하여 표면 흡착 특성이 좋은 화합물을 제1 반응물로 공급하고, 상기한 소스 가스에 대하여 표면 흡착 특성이 좋지 않은 화합물을 제2 반응물로 공급한다.
예를 들어, 소스 가스가 염소(Cl)를 포함하는 금속 화합물인 경우에, 제1 반응물은 수소(H)를 포함하는 화합물이고, 제2 반응물은 수소를 포함하지 않는 물질인 것이 바람직하다. 그리고, 소스 가스가 TMA 등의 금속 유기 화합물인 경우에, 제1 반응물로는 H2O 또는 O3을 사용하고, 제2 반응물로는 O2를 사용할 수가 있다.
염소가 포함된 금속 화합물을 소스 가스로 사용하는 경우에 대하여 보다 구체적으로 살펴보자. 형성하고자 하는 박막이 금속 유전막 즉, 금속 산화막, 금속 질화막 및 금속 질화산화막일 경우에 제1 반응물 및 제2 반응물은 다음과 같은 조합으로 사용할 수 있다.
우선, 금속 산화막을 형성하고자 할 경우에 제1 반응물로는 H2O를 사용하고, 제2 반응물로는 O2를 사용할 수 있다. 그리고, 형성하고자 하는 박막이 금속 질화막인 경우에는 제1 반응물로는 NH3를 사용하고, 제2 반응물로는 N2를 사용할 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 막이 금속 질화산화막인 경우에는 제1 반응물로는 H2O 또는 O3을 사용하고, 제2 반응물로는 N2를 사용할 수가 있다.
제1 반응물은 소정의 시간(t23+ t24)동안만 공급한다. 그러나, 제2 반응물은 일정한 시간 동안만 공급하는 것이 아니라 도 4에 도시된 바와 같이 ALD 공정이 진행되는 시간 동안 계속 공급할 수 있다. 이와 같이 제2 반응물을 계속 공급하는 것이 가능한 이유는 제2 반응물은 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋지 않으며, 특히 플라즈마 상태로 활성화시키지 않으면 계속 반응 챔버로 공급하더라도 소스 물질과는 거의 반응을 하지 않기 때문이다.
계속해서, 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 공정을 실시한다(S24). 본발명에 의하면, 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 것은 ALD 반응 챔버 내에서 직접 실시된다. 즉, 반응 챔버 외부에서 생성된 플라즈마(리모트 플라즈마) 상태의 제2 반응물을 반응 챔버에 공급하는 것이 아니라, 본 발명의 실시예에 의하면 제2 반응물을 반응 챔버에 공급한 다음, 고주파 등을 인가하여 제2 반응물을 플라즈마 상태로 활성화시킨다. 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만들기 위하여 고주파 등을 인가하는 것은 소정의 시간(t24) 동안만 실시한다.
계속해서, 반응 챔버 내부를 소정의 시간(t25) 동안 퍼지하는 2차 퍼지 공정을 실시한다(S25). 2차 퍼지 단계에서, 기판의 표면에 증착된 막을 제외한 나머지 물질, 즉 잔류하는 제1 반응물, 제2 반응물 및 반응 부산물 등이 반응 챔버로부터 제거된다. 그 결과, 기판 상에 박막을 형성하기 위한 1사이클이 완료된다.
다음으로, 이렇게 형성된 박막의 두께가 적정한지를 판단한다(S26). 만일 적정하지 않다고 판단되면 전술한 1사이클 즉, S21 내지 S25 단계를 반복하여 실시한다. 그러나, 증착된 박막의 두께가 적정한 것으로 판단되면, ALD법을 이용한 박막의 증착 공정은 종료되고, 기판은 반응 챔버로부터 언로딩된다.
상기한 실시예를 이용하면 특성이 다른 2가지의 반응물을 이용하여 반도체 기판 또는 소정의 물질막 상에 박막을 형성한다. 본 발명에 의한 ALD 방법을 이용하면, 특히 전기적 특성이 우수한 금속 유전막 즉, 금속 산화막, 금속 질화막 또는 금속 질화산화막을 형성할 수가 있다.
예를 들어, 박막이 금속 산화막인 경우에 이 금속 산화막은 단원자 산화물이나 복합 산화물로 이루어질 수 있다. 단원자 산화물로 이루어진 금속 산화막은 Al2O3, TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Nb2O5, CeO2, Y2O3, SiO2, In2O3, RuO2및 IrO2로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나의 막일 수 있다. 그리고 복합 산화물로 이루어진 금속 산화막은 SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb.La)(Zr,Ti)O3, (Sr,Ca)RuO3, Sn이 도핑된 In2O3, Fe가 도핑된 In2O3및 Zr이 도핑된 In2O3으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나의 막일 수 있다.
또한, 박막이 금속 질화막인 경우에 이 금속 질화막은 예컨대 TiN막, TaN막 또는 WN막일 수 있다.
( 제2 실시예 )
제2 실시예에 대해서는 제1 실시예와 상이한 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 5에는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 소스 물질, 제1 반응물 및 제2 반응물을 주입하는 주기 및 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 주기에 대한 다른 실시예가 도시되어 있다. 제2 실시예에 대해서도 역시 도 3에 도시된 흐름도가 동일하게 적용된다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 제2 실시예에서는 소스 물질을 공급하는 단계(S21) 및 1차 퍼지하는 단계(S22)는 제1 실시예와 동일하다. 1차 퍼지 단계 이후에는 제1 반응물을 공급하고, 그리고 제2 반응물을 공급하는 단계(S23)가 실시되는데 그 구체적인 공급 주기는 제1 실시예와 다르다. 그러나, 제1 반응물 및 제2반응물로서 사용될 수 있는 물질의 종류 및 기타 공정 조건은 제1 실시예와 동일하다.
도 5를 참조하면, 제1 반응물 및 제2 반응물을 소정의 시간(t23+ t24)동안만 반응 챔버에 공급한다. 그리고, 제1 반응물 및 제2 반응물을 공급하기 시작한 다음, 일정 시간(t23)이 경과한 다음 반응 챔버에 고주파 등을 인가하여 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만들어준다.
이와 같은 제2 실시예에 의하면 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만들기 직전에서부터 플라즈마 상태로 활성화하는 시간 동안만 제2 반응물을 공급한다. 따라서, 이 플라즈마 상태로 된 제2 반응물에 의하여 박막 속에 생길 수 있는 불순물을 제거할 수 있다. 그리고, 제2 반응물은 적시에 적당한 양만을 공급하기 때문에 비용을 절감할 수가 있다.
제1 반응물 및 제2 반응물을 공급하고 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만든 다음에는, 제1 실시예에서와 마찬가지로 2차 퍼지를 실시하고 필요하면 상기한 공정들을 반복 실시하여 적정한 두께의 박막을 형성한다.
( 제 3 실시예 )
제3 실시예에 대해서도 제1 실시예와 상이한 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 6에는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용하여 박막을 형성하는 과정을 설명하기 위하여 소스 물질, 제1 반응물 및 제2 반응물을 주입하는 주기 및 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 주기에 대한 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 제3 실시예에 대해서도 역시 도 3에 도시된 흐름도가 동일하게 적용된다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 제3 실시예에서도 소스 물질을 공급하는 단계(S21) 및 1차 퍼지하는 단계(S22)는 제1 실시예와 동일하다. 계속해서, 1차 퍼지 단계 이후에는 제1 반응물을 공급하고, 그리고 제2 반응물을 공급하는 단계(S23)가 실시되는데 그 구체적인 공급 주기는 제1 실시예와 다르다. 그러나, 제1 반응물 및 제2 반응물로서 사용될 수 있는 물질의 종류 및 기타 공정 조건은 제1 실시예와 동일하다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 제1 반응물 및 제2 반응물 공급 단계는 순차적으로 진행된다. 즉, 먼저, 제1 반응물을 소정의 시간(t33) 동안 반응 챔버에 공급한다. 그러면, 소스 물질에 표면 흡착 특성이 좋은 제1 반응물이 소스 물질과 화학 반응을 일으킨다. 이 과정에서 불순물이 일부 생길 수도 있다. 다음으로 소정의 시간(t34) 동안 제1 반응물 및 화학 반응에 의한 부산물을 퍼지하는 공정을 실시한다.
계속해서 제2 반응물을 소정의 시간(t35+ t36)동안 반응 챔버에 공급한다. 그리고, 제1 실시예와 마찬가지로 제2 반응물을 플라즈마 상태로 활성화시키는 공정은 제2 반응물을 공급한 다음, 약간의 시간(t35)이 경과한 다음에 실시한다.
이와 같은 제3 실시예에 의하면 제1 반응물을 퍼지한 다음에 제2 반응물을 공급하고 플라즈마 상태로 만들기 때문에, 제1 반응물에 의해 생성되어 박막에 존재하는 불순물을 훨씬 효과적으로 제거할 수가 있다. 그리고, 제2 반응물을 불필요하게 계속 공급하지도 않는다. 따라서, 본 실시예에 의하면 전기적 특성이 아주 우수한 박막을 제조하는 것이 가능하다. 그리고, 제2 실시예에서와 마찬가지로 제2 반응물은 적시에 적당한 양만을 공급하기 때문에 비용을 절감할 수가 있다.
제2 반응물을 플라즈마 상태로 만든 다음에 이어지는 후속 공정은 제1 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
( 실험예 )
계속해서, 본 발명의 실시예가 구체적으로 적용되는 실험예에 대하여 살펴보기로 한다. 본 실험예는 상기한 3가지 실시예 중에서 제1 실시예를 사용하여 실험한 것이다. 그러나, 나머지 실시예에 대해서도 동일한 공정 조건 적용될 수 있으며, 동일한 효과를 얻을 수 있음은 명확하다.
먼저 1사이클의 공정 시간은 2.3초로 설정하였다. 이것은 종래 기술에 의한 것보다 약 0.3초가 증가한 것으로서 종래 기술에서 사용된 ALD 방법의 1사이클과 공정 시간에서는 크게 차이가 나지 않는다. 1사이클에 걸리는 2.3초는 다음과 같이 세분화할 수 있다. 즉, t21= 0.1초, t22= 0.9초, t23= 0.1초, t24= 0.3초 그리고 t21= 0.9초이다.
그리고, 반응 챔버 내부의 증착 온도 즉 웨이퍼의 온도는 약 300℃로 하고, 소스 물질, 제1 반응물 및 제2 반응물을 공급하는 배관의 온도는 약 250℃로 하였다. 공정 온도는 약 25℃에서 약 350℃ 사이로 설정한다면 본 실시예는 적용이 가능하다. 반응 챔버 내부의 압력은 3토르(Torr)로 설정하였다. 그러나, 본 실시예는 반응 챔버 내부의 압력이 약 0.1토르 내지 10토르 사이인 경우라면 적용이 가능하다.
제2 반응물을 플라즈마 상태로 만들기 위하여 상기 실시예에서는 13.56MHz의 고주파를 사용하였다. 그리고, 전력은 250와트(W)를 공급하였다. 그러나, 본 실시예는 전력이 약 10와트 내지 1000와트 사이인 경우라면 적용이 가능하며, 이 값은 제2 반응물의 종류나 챔버 내부의 압력과 온도 그리고 고주파의 진동수 등에 따라서 달라질 수가 있다.
전술한 종래 기술에 의하면, 소스 물질로는 HfCl4를 사용하고 반응물로 H2O를 사용하여 두께가 85Å인 HfO2막을 형성하는 경우에, 83사이클이 소요되었다. 그리고, 반응 물질로 O2플라즈마를 사용하는 경우에는 수십 번의 사이클을 반복하여도 HfO2막은 거의 증착이 되지 않았다. 반면, 상기한 실험예에 의할 경우에는 본 실시예에 대하여 83사이클을 반복했을 때, 증착된 HfO2막의 두께는 약 75Å 정도였다.
본 발명에 의하면 전술한 종래 기술에 비하여 막의 증착 속도는 약간 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 생산성은 약간 떨어질 수가 있다. 그러나, 본 발명에 의하여 증착된 막의 전기적 특성 특히 누설 전류 특성은 종래 기술에 의한 경우보다 훨씬 우수하다.
이것은 도 7에 비교 도시된 그래프를 보면 알 수 있다. 도 7에는 종래 기술에 따라 형성된 HfO2막과 상기한 실험예에 따라서 형성된 HfO2막의 누설 전류 특성이 도시되어 있다. 상기한 누설 전류값은 디자인 룰이 120nm인 디램 반도체소자에 대하여 측정한 값이다. 도면을 보면 알 수 있는 바와 같이, 누설 전류 특성이 본 발명에 의하여 형성된 박막이 종래 기술에 의하여 형성된 박막에 비하여 양호하다는 사실을 알 수 있다.
그 이유는 전술한 바와 같이 종래 기술에 의할 경우에 박막 내에 불순물 즉 OH기 또는 산소 동공(Oxygen Vacancy)이 많이 발생하기 때문이다. 그러나, 본 발명에 의할 경우에는 제2 반응물이 플라즈마화 되었을 경우에 공급되는 산소(O)기에 의하여 OH기 및 산소 동공이 거의 제거되거나 그 양이 현저히 줄어들기 때문에 우수한 전기 특성을 갖는 박막을 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면 ALD법을 사용하기 때문에 박막이 형성되는 기판의 토포그래피에 관계없이 스텝 카버리지 특성이 우수한 박막을 얇고 균일하게 형성할 수가 있다. 아울러, 표면 흡착 특성이 좋은 화합물과 그렇지 않은 화합물을 함께 사용함으로써 박막이 증착되는 속도를 증가시킬 수 있을 뿐만이 아니라 전기적 특성도 우수한 박막을 형성할 수가 있다. 특히, 금속 유전막의 박막을 형성하고자 할 경우에 염소를 포함하는 물질을 소스 물질로 사용할 경우에도 전기적 특성이 우수한 박막을 제조할 수가 있다.
아울러, 본 발명에 의하면 다이렉트 플라즈마가 적용되기 때문에 리모트 플라즈마가 적용되는 방법에 비하여 비교적 단순한 공정 설비를 사용하여 박막을 형성할 수가 있다. 아울러, 다이렉트 플라즈마가 사용되기 때문에 에너지 손실도 적고 공정 효율도 높다.
Claims (18)
- 원자층 증착(ALD)법을 이용하여 기판 상에 박막을 형성하는 방법에 있어서, 소스 물질에 대한 반응물로는 상기 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋은 제1 반응물 및 상기 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋지 않은 제2 반응물 사용하며, 상기 제2 반응물을 반응 챔버에 공급한 다음에는 상기 반응 챔버에서 상기 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만들어주는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 원자층 증착법을 이용하여 반응 챔버 내의 기판 상에 박막을 형성하는 방법에 있어서,(a) 상기 반응 챔버에 소스 물질을 공급(feeding)하는 단계;(b) 상기 반응 챔버로부터 상기 소스 물질을 퍼지(purge)하는 단계;(c) 상기 반응 챔버에 상기 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋은 제1 반응물을 공급하고 그리고 상기 소스 물질에 대하여 표면 흡착 특성이 좋지 않은 제2 반응물을 공급하는 단계; 및(d) 상기 반응 챔버 내의 상기 제2 반응물을 플라즈마 상태로 만드는 단계를포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 반응물은 상기 (a) 단계 내지 상기 (d) 단계가 진행되는 동안에 계속 상기 반응 챔버로 공급되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제3항에 있어서, 상기 제2 반응물은 O2또는 N2인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제2항에 있어서, 상기 (c) 단계는(c1) 상기 반응 챔버에 상기 제1 반응물을 공급하는 단계;(c2) 상기 반응 챔버를 퍼지하는 단계; 및(c3) 상기 반응 챔버에 상기 제2 반응물을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제2항에 있어서, 상기 (d)단계 이후에(e) 상기 반응 챔버를 퍼지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제6항에 있어서, 상기 (a) 단계부터 상기 (e) 단계를 복수회 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소스 물질은 염소(Cl)를 포함하는 금속 화합물인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제8항에 있어서, 상기 제1 반응물은 수소(H)를 포함하는 물질이고, 상기 제2 반응물은 수소를 포함하지 않는 물질인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제9항에 있어서, 상기 박막은 금속 산화막이고, 상기 제1 반응물은 H2O이고, 상기 제2 반응물은 O2인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제10항에 있어서, 상기 금속 산화막은 단원자 산화물이나 복합 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제11항에 있어서, 상기 단원자 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Nb2O5, CeO2, Y2O3, SiO2, In2O3, RuO2및 IrO2로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제11항에 있어서, 상기 복합 산화물은 SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb.La)(Zr,Ti)O3, (Sr,Ca)RuO3, Sn이 도핑된 In2O3, Fe가 도핑된 In2O3및 Zr이 도핑된 In2O3으로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제8항에 있어서, 상기 박막은 금속 질화막이고, 상기 제1 반응물은 NH3이고, 상기 제2 반응물은 N2인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제14항에 있어서, 상기 금속 질화막은 TiN막, TaN막 또는 WN막인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제8항에 있어서, 상기 박막은 금속 질화산화막이고, 상기 제1 반응물은 H2O이고, 상기 제2 반응물은 N2인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소스 물질은 금속 유기 화합물인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
- 제17항에 있어서, 상기 제1 반응물은 H2O 또는 O3이고, 상기 제2 반응물은 N2인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성방법.
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