KR20040104096A - Method of Atomic Layer Deposition for Silicon Nitride - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for depositing a silicon nitride layer is provided to increase a deposition speed and maximize productivity by preheating a source gas before supplying the source gas to a process chamber. CONSTITUTION: The first process gas is preheated by the first gas preprocess unit(130) installed at an outside of a reaction area of a process chamber before the first process gas is supplied to the reaction area of the process chamber. A temperature for preheating the first process gas is lower than a temperature for decomposing the first process gas within the reaction area.

Description

실리콘 나이트라이드의 원자층증착 방법{Method of Atomic Layer Deposition for Silicon Nitride}Method of Atomic Layer Deposition for Silicon Nitride

본 발명은 원자층증착 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소스 물질인 실란 가스 및 질소 함유 가스를 시분할을 통해 반응기 내부영역으로 공급하여 화학반응을 통하여 실리콘 나이트라이드(SiNx) 박막을 증착하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an atomic layer deposition method, and more particularly, a method of depositing a silicon nitride (SiN x ) thin film through chemical reaction by supplying silane gas and nitrogen-containing gas, which are source materials, to a region inside a reactor through time division. It is about.

최근 반도체 소자의 경량화, 소형화, 박막화의 추세에 따라 반도체 소자의 구성물질을 박막의 형태로 증착하는 다양한 기술이 개발되고 있다. 특히 박막 증착 공정에서 균일한 증착 특성과 우수한 단차피복성(step coverage)을 갖는 박막 증착 기술로 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)방법이 개발된 바 있다.Recently, in accordance with the trend of light weight, miniaturization, and thinning of semiconductor devices, various technologies for depositing constituent materials of semiconductor devices in the form of thin films have been developed. In particular, a chemical vapor deposition (CVD) method has been developed as a thin film deposition technology having uniform deposition characteristics and excellent step coverage in the thin film deposition process.

그러나, 화학기상증착 방법에 따르면, 모든 공정가스가 동시에 공정챔버 내에 존재하기 때문에 공정가스들이 기체 상태에서 화학반응을 일으켜, 오염원으로 작동할 수 있는 파우더가 생기고 단차피복성(Step coverage)이 나빠진다. 특히, 다성분계 박막을 증착하고자 하는 경우, 공정가스를 공급하는 운반기체의 유량을 조절하여 각각의 공정가스를 공정챔버에 공급함과 동시에 이들을 반응시켜야 하므로그 막의 조성을 제어하기 어려울 뿐 아니라 생성된 막내의 불순물 함량이 다소 높은 문제를 가지고 있다.However, according to the chemical vapor deposition method, since all the process gases are present in the process chamber at the same time, the process gases undergo a chemical reaction in the gas state, resulting in a powder that can act as a contaminant and a poor step coverage. . In particular, when a multi-component thin film is to be deposited, it is difficult to control the composition of the film as well as to control the flow rate of the carrier gas supplying the process gas and to react each of them with the process chamber at the same time. The impurity content is rather high.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 공정가스를 연속적으로 공급하지 않고 독립적으로, 즉 시분할에 의하여 펄스형태로 공급되는 방법이 제안되었다. 이를 통상 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD)이라 하는데, 원자층증착에 의하여 대상물 표면에 A+B의 화합물의 박막을 증착하는 공정을 간략하게 도시한 도 1을 참조하여 간단히 설명한다.In order to solve this problem, a method of supplying the process gas independently, that is, in the form of pulses by time division, has been proposed. This is commonly referred to as atomic layer deposition (ALD), which will be briefly described with reference to FIG. 1, which briefly illustrates a process of depositing a thin film of A + B compound on the surface of an object by atomic layer deposition.

도시한 바와 같이 일반적인 원자층증착 공정의 1회 주기는 4단계로 구분되는데, 공정가스의 하나인 A 가스를 기판이 위치하고 있는 반응실로 유입시키는 단계와(t1), 퍼지가스를 공급하여 반응실내에 잔류하는 A 가스를 제거하는 단계와(t2), 기판 상에 흡착되어 있는 A 가스막과 화학 반응을 하여 박막을 형성하는 B가스를 유입하는 단계와(t3), 다시 퍼지가스를 공급하여 반응실내에 잔류하는 B가스를 제거하는 단계(t4)를 통하여 하나의 박막증착주기(T)를 이루게 되는데, 원하는 두께의 박막이 구현될 때까지 이와 같은 박막증착주기를 수회 내지 수백 회 반복함으로써 공정을 완료한다.As shown in the figure, one cycle of the general atomic layer deposition process is divided into four stages: injecting A gas, which is one of the process gases, into the reaction chamber in which the substrate is located (t 1 ), and supplying a purge gas to the reaction chamber. Removing the remaining A gas (t2), introducing a B gas forming a thin film by chemically reacting with the A gas film adsorbed on the substrate (t3), and supplying a purge gas to the reaction One thin film deposition cycle (T) is achieved through the step (t4) of removing B gas remaining in the room, and the process is repeated several to several hundred times until the thin film having a desired thickness is realized. To complete.

즉 원자층증착 방법은 반응실내로 공정가스를 동시에 유입하여 박막을 형성하는 화학기상증착 방법과 달리, 기판을 높은 온도로 유지하면서 충분한 시간동안 열에너지를 기체상태의 공정가스에 공급하면, 기판 상에 공정기체들이 균일하게 흡착되고 분해되므로 기판의 단결정면을 따라 원자들이 재배열되어 단결정 박막으로성장하게 된다. 이때 단결정 기판 상에 흡착된 단결정 박막 위에는 물리적으로 흡착된 공정가스가 존재하는데, 이러한 흡착층은 박막의 순도를 저하시킬 수 있으므로, 흡착단계 이후에 퍼지(purge) 단계를 실시한다.That is, unlike the chemical vapor deposition method in which the process gas is simultaneously introduced into the reaction chamber to form a thin film, the atomic layer deposition method maintains the substrate at a high temperature and supplies thermal energy to the gas process gas for a sufficient time. As the process gases are uniformly adsorbed and decomposed, atoms are rearranged along the single crystal surface of the substrate to grow into a single crystal thin film. At this time, a physically adsorbed process gas is present on the single crystal thin film adsorbed on the single crystal substrate. Since the adsorption layer may lower the purity of the thin film, a purge step is performed after the adsorption step.

상기에서 간단히 기술된 원자층증착 방법은 단위주기(T)당 형성되는 막의 두께가 일정하게 유지될 수 있어 단차피복성이 매우 우수하고, 포화 메커니즘에 의한 증착을 통해 대면적의 기판에 균일한 박막을 형성할 수 있을 뿐 아니라, 공정가스를 개별적으로 공급하기 때문에 CVD 방법에서 야기되는 오염원(Particle)의 문제를 해결할 수 있는 등의 장점을 가지고 있어, 최근 산화막 또는 질화막을 형성하는 공정에서 널리 사용되고 있다.The atomic layer deposition method described briefly above can maintain a constant thickness of the film formed per unit cycle (T), so that the step coverage is excellent, and a uniform thin film is formed on a large-area substrate through deposition by a saturation mechanism. Not only can it be formed, but also has the advantage of solving the problem of particles caused by the CVD method because of supplying the process gas individually, it is widely used in the process of forming an oxide film or a nitride film recently .

예를 들어, 원자층증착 방법에 의하여 실리콘 나이트라이드 막(SiNx)을 증착하고자 하는 경우에는 실리콘을 함유하는 가스로서 SiH4또는 Si2H6및 SiH2Cl2등이 주로 이용되며, 질소를 함유하는 가스로서 NH3, N2O 등이 시분할적으로 공정챔버 내부로 유입되어 원자층을 형성하게 된다.For example, when a silicon nitride film (SiN x ) is to be deposited by an atomic layer deposition method, SiH 4 or Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2, etc. are mainly used as a gas containing silicon. As a gas to be contained, NH 3 , N 2 O, etc. are introduced into the process chamber in a time division manner to form an atomic layer.

그러나, 원자층증착 방법에 따라 박막을 증착하고자 하는 경우에는 서로 다른 공정가스가 유입되어 흡착되는 단계 사이에 비활성의 퍼지가스를 공급해야 하기 때문에 공급주기가 길어짐에 따라 제조 공정이 지연되는 문제가 있다. 공정시간의 장기화는 결국 생산성을 떨어뜨리게 되는데, 이와 같은 생산성의 저하는 원자층증착 방법에서 해결해야 할 문제로 지적되고 있다.However, when the thin film is to be deposited according to the atomic layer deposition method, since the inert purge gas must be supplied between different process gases introduced and adsorbed, the manufacturing process is delayed as the supply cycle becomes longer. . The prolongation of the process time eventually leads to a decrease in productivity. Such a decrease in productivity has been pointed out as a problem to be solved in the atomic layer deposition method.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 공정 챔버의 반응영역으로 공급되는 소스가스를 공정 챔버로 유입하기 전에 소정의 온도로 예열시켜 반응성을 향상시켜 증착 속도를 증가시킴으로써 생산성(throughput)을 극대화하는 원자층증착 방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object of the present invention is to preheat the source gas supplied to the reaction zone of the process chamber to a predetermined temperature before entering the process chamber to improve the reactivity to increase the deposition rate. It is to provide an atomic layer deposition method that maximizes productivity by increasing.

도 1은 종래 원자층증착 방법에 따른 박막 흡착 공정을 개략적으로 설명하기 위한 그래프;1 is a graph for schematically explaining a thin film adsorption process according to a conventional atomic layer deposition method;

도 2는 본 발명에 일 관점에 원자층증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도;2 is a cross-sectional view schematically showing an atomic layer deposition apparatus according to one aspect of the present invention;

도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 원자층증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도;3 is a cross-sectional view schematically showing an atomic layer deposition apparatus according to another aspect of the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 실리콘 나이트라이드 박막을 증착하는 단계를 도시한 순서도(flow chart);4 is a flow chart illustrating the steps of depositing a silicon nitride thin film according to the present invention;

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 디클로로실란을 예열하였을 경우 예열 온도에 따른 증착 속도를 도시한 그래프;5 is a graph showing the deposition rate according to the preheating temperature when dichlorosilane is preheated according to an embodiment of the present invention;

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 디클로로실란을 예열하였을 경우 예열 온도에 따른 에칭(etching) 속도를 도시한 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating etching rates according to preheating temperatures when preheating dichlorosilane according to an embodiment of the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

110 : 공정챔버 120 : 가스 저장부110: process chamber 120: gas storage unit

130 : 제 1 가스전처리부 134 : 제 2 가스전처리부130: first gas pretreatment unit 134: second gas pretreatment unit

142, 144, 146, 148 : 유량조절기 152, 154, 156, 158 : 가스라인142, 144, 146, 148: flow regulators 152, 154, 156, 158: gas line

162, 164 : 유입관 200 : 서셉터162, 164: inlet 200: susceptor

상기한 목적을 위하여, 본 발명은 실리콘을 함유하는 제 1 공정가스와 질소를 함유하는 제 2 공정가스가 교대로 펄스 형태로 공정챔버의 반응영역으로 공급되는 단계 사이에 퍼지가스를 공급하는 단계가 순차적으로 반복되는 실리콘 나이트라이드(SiNx)의 증착 방법에 있어서, 상기 제 1 공정가스를 상기 반응영역으로 공급하기 전에 상기 공정챔버의 외부에 설치되는 제 1 가스전처리부에 의하여 소정의 온도로 예열시키는 단계를 포함하는 실리콘 나이트라이드의 증착 방법을 제공한다.For the above purpose, the present invention provides a step of supplying a purge gas between the step of supplying the first process gas containing silicon and the second process gas containing nitrogen are alternately supplied to the reaction zone of the process chamber in the form of pulses. In the method of depositing a sequentially repeated silicon nitride (SiNx), preheating to a predetermined temperature by a first gas pretreatment unit installed outside the process chamber before supplying the first process gas to the reaction region It provides a deposition method of silicon nitride comprising a.

상기 제 1 가스를 예열시키는 온도는 상기 제 1 공정가스가 반응영역에서 흡착 또는 열분해되는 온도보다 낮은 것이 바람직한데, 보다 바람직하기로는 300 ~ 600℃이다.The temperature for preheating the first gas is preferably lower than the temperature at which the first process gas is adsorbed or pyrolyzed in the reaction zone, more preferably 300 to 600 ° C.

한편, 상기 제 1 공정가스는 디클로로실란이고, 상기 제 2 공정가스는 암모니아인 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the first process gas is dichlorosilane, and the second process gas is ammonia.

특히, 본 발명과 관련하여 상기 제 2 공정가스를 상기 반응영역으로 공급하기 전에 공정챔버의 외부에 설치되는 제 2 가스전처리부에 의하여 소정의 온도로예열하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.In particular, prior to supplying the second process gas to the reaction zone in accordance with the present invention may further comprise the step of preheating to a predetermined temperature by a second gas pretreatment unit installed outside the process chamber.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부하는 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도로서, 본 발명의 원자층증착 장치는 기판(S)이 그 상면에 안치되는 서셉터(200)가 내부에 설치되며, 외부 영역과 분리되어 공정가스의 흡착이 일어나는 반응영역(A)이 정의되어 있는 공정챔버(110)와, 공정가스 및 퍼지가스가 저장되어 있는 가스저장부(120)와, 상기 가스저장부(120)로부터 상기 공정챔버(110)의 내부로 공정가스 및 퍼지가스를 공급하는 가스라인(152, 154, 156, 158) 및 유입관(162, 164)을 포함하고 있다.2 is a cross-sectional view schematically showing an atomic layer deposition apparatus according to an embodiment of the present invention, the atomic layer deposition apparatus of the present invention has a susceptor 200, the substrate (S) is placed on the upper surface is installed therein And a process chamber 110 in which a reaction zone A in which a process gas is adsorbed is separated from an external region, and a gas storage unit 120 in which process gas and purge gas are stored, and the gas storage unit. Gas lines 152, 154, 156 and 158 and inlet pipes 162 and 164 for supplying process gas and purge gas from the process chamber 110 to the interior of the process chamber 110 are included.

상기한 것과 같이, 원자층증착 방법은 피처리 기판(S) 상면으로 흡착하고자 하는 제 1 공정가스(S1)와 제 2 공정가스(S2)를 각각 시분할을 통하여 공급하고 그 사이에 퍼지가스(P1, P2)의 공급에 따른 퍼지 단계를 실시하여 물리적으로 흡착되는 여분의 가스(S1, S2)를 제거한다. 따라서, 상기 가스저장부(120)는 각각 제 1 퍼지가스를 저장하는 제 1 가스저장부(122), 제 1 공정가스를 저장하는 제 2 가스저장부(126), 제 2 공정가스를 저장하는 제 3 가스저장부(126) 및 제 2 퍼지가스를 저장하는 제 4 가스저장부(128)로 구성되는데, 이와 같이 독립적으로 구성되는 각각의 가스 저장부(122, 124, 126, 128)는 별개로 독립되는 가스라인(152, 154, 156, 158)을 통하여 공정챔버(110)의 내부로 공급된다. 즉, 제 1 가스저장부(122)는 제 1 가스라인(132)과, 제 2 가스저장부(124)는 제 2 가스라인(134)과, 제 3 가스저장부(126)는 제 3 가스라인(136)과, 제 4 가스저장부(128)는 제 4 가스라인(138)과 각각 연결된다.As described above, the atomic layer deposition method supplies the first process gas S1 and the second process gas S2 to be adsorbed onto the upper surface of the substrate S through a time division, respectively, and the purge gas P1 therebetween. , Purge step according to the supply of P2 to remove the excess gas (S1, S2) that is physically adsorbed. Accordingly, the gas storage unit 120 stores the first gas storage unit 122 storing the first purge gas, the second gas storage unit 126 storing the first process gas, and the second process gas storing the first gas. The third gas storage unit 126 and the fourth gas storage unit 128 for storing the second purge gas 128, each of the independent gas storage units 122, 124, 126, 128 are configured separately It is supplied into the process chamber 110 through the gas lines 152, 154, 156, 158, which are independent. That is, the first gas storage unit 122 is the first gas line 132, the second gas storage unit 124 is the second gas line 134, and the third gas storage unit 126 is the third gas. The line 136 and the fourth gas reservoir 128 are connected to the fourth gas line 138, respectively.

이와 같이 가스저장부(122, 124, 126, 128)로부터 각각의 가스라인(152, 154, 156, 158)을 통하여 공급된 개별 가스들은 각각의 가스라인의 일단에 형성되는 제 1 내지 제 4 기체유량조절기(142, 144, 146, 148)의 작동에 의하여 공정챔버(120) 내부로의 유량이 조절된다.As such, the individual gases supplied from the gas storage units 122, 124, 126, and 128 through the respective gas lines 152, 154, 156, and 158 are first to fourth gases formed at one end of each gas line. The flow rate into the process chamber 120 is controlled by the operation of the flow regulators 142, 144, 146, and 148.

이와 같이 공급되는 가스들은 가스유입관(162, 164)을 경유하여 공정챔버(110)의 내부로 유입되는데, 상기 가스유입관(162, 164)은 제 2 가스유량조절기(144) 및 제 3 가스유량조절기(146)를 통하여 각각 제 2 가스 라인(154) 및 제 3 가스라인(156)과 연결됨으로써, 제 1 공정가스(S1) 및 제 2 공정가스(S2)를 공정챔버(110) 내부로 유입시킨다. 또한, 상기 각각의 가스유입관(162, 164)은 상기 기체유량조절기(144, 146)와 공정챔버(110) 사이에서 분기됨으로써, 퍼지 가스라인(152, 156)과 연결될 수 있다. 다시 말하면, 제 1 가스유입관(162)은 제 2 기체유량조절기(144)와 공정챔버(110) 사이에서 분기하여 제 1 기체유량조절기(142)를 경유하여 제 1 가스라인(152)과 연결되며, 제 2 가스유입관(164)은 제 3 기체유량조절기(146)와 공정챔버(110) 사이에서 분기하여 제 4 기체유량조절기(148)를 경유하여 제 4 가스라인(158)과 연결되어, 각각 제 1 퍼지가스(P1) 및 제 2 퍼지가스(P2)를 공정챔버 내부로 유입시킨다.The gas supplied in this way is introduced into the process chamber 110 via the gas inlet pipes 162 and 164, and the gas inlet pipes 162 and 164 are the second gas flow regulator 144 and the third gas. By connecting the second gas line 154 and the third gas line 156 through the flow regulator 146, respectively, the first process gas (S1) and the second process gas (S2) into the process chamber 110 Inflow. In addition, the gas inlet pipes 162 and 164 may be connected to the purge gas lines 152 and 156 by branching between the gas flow regulators 144 and 146 and the process chamber 110. In other words, the first gas inlet pipe 162 branches between the second gas flow regulator 144 and the process chamber 110 to be connected to the first gas line 152 via the first gas flow regulator 142. The second gas inlet pipe 164 is branched between the third gas flow controller 146 and the process chamber 110 to be connected to the fourth gas line 158 via the fourth gas flow controller 148. The first purge gas P1 and the second purge gas P2 are respectively introduced into the process chamber.

이와 같이 가스저장부(122, 124, 126, 128)로부터 가스라인(152, 154, 156,158), 가스유입관(162, 164)을 경유한 공정가스(S1, S2) 및 퍼지가스(P1, P2)는 최종적으로 공정챔버(110)의 내부로 유입되는데, 도면에는 도시하지 않았으나 유입된 가스들은 샤워헤드 또는 인젝터를 통해서 공정챔버(110)로 로딩된 기판(S) 상면의 반응영역(A)으로 분산되어, 공정가스의 경우에는 화학 반응에 의하여 흡착되고 퍼지가스의 경우에는 잔류하는 공정가스들을 제거한다.In this way, the process gases S1 and S2 and the purge gas P1 and P2 via the gas lines 152, 154, 156 and 158 and the gas inlet pipes 162 and 164 from the gas storage units 122, 124, 126 and 128. ) Is finally introduced into the process chamber 110. Although not shown in the drawing, the introduced gases flow into the reaction region A on the upper surface of the substrate S loaded into the process chamber 110 through a showerhead or an injector. It is dispersed and adsorbed by chemical reaction in the case of process gas and residual process gases in the case of purge gas.

한편, 상기 서셉터(200)의 내부에는 히터(미도시)가 설치되어 공정챔버(110)의 상기 반응영역(A)으로 유입된 공정가스(S1, S2)의 온도를 상승시켜 기판(S)의 상면에서 흡착할 수 있도록 한다.On the other hand, a heater (not shown) is installed inside the susceptor 200 to increase the temperature of the process gases S1 and S2 introduced into the reaction region A of the process chamber 110, thereby providing a substrate S. Adsorption on the upper surface of the

본 발명과 관련하여 실리콘 나이트라이드 막(SiNx)을 증착하고자 하는 경우에는 실리콘을 함유하는 제 1 공정가스로서 SiH4또는 Si2H6및 SiH2Cl2등이 주로 이용되며, 질소를 함유하는 제 2 공정가스로서 NH3, N2O 등이 주로 사용될 수 있으며, 특히 바람직하게는 상기 제 1공정가스는 SiH2Cl2(Dichloro Silane, DSC)이며, 상기 제 2 공정가스는 암모니아(NH3)이다.In the case of depositing a silicon nitride film (SiN x ) in connection with the present invention, SiH 4 or Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2, and the like are mainly used as the first process gas containing silicon. NH 3 , N 2 O, etc. may be mainly used as the second process gas, and particularly preferably, the first process gas is SiH 2 Cl 2 (Dichloro Silane, DSC), and the second process gas is ammonia (NH 3). )to be.

특히, 본 실시예에서는 제 2 가스저장부(124)와 공정챔버(110) 사이에 제 1 가스전처리부(130)를 설치하여, 공급되는 제 1 공정가스(S1)가 공정챔버(110) 내부로 유입되기 전에 소정의 온도로 미리 활성화시켰다. 상기 제 1 가스전처리부(130) 내부에는 통상의 히터(132)가 설치되어 있어, 제 2 가스저장부(124)로부터 공급되는 제 1 공정가스(S1)를 적당한 온도로 예열시키게 된다. .In particular, in the present exemplary embodiment, the first gas pretreatment unit 130 is installed between the second gas storage unit 124 and the process chamber 110 so that the supplied first process gas S1 flows into the process chamber 110. It was preactivated to the desired temperature before entering. A normal heater 132 is installed inside the first gas pretreatment unit 130 to preheat the first process gas S1 supplied from the second gas storage unit 124 to an appropriate temperature. .

상기 제 1 가스전처리부(130)는 도시한 것과 같이, 제 2 가스저장부(124)와 제 2 기체유량조절기(144) 사이에 설치될 수 있음은 물론이지만, 상기 제 2 기체유량조절기(144)와 제 1 가스유입관(162)이 분기되어 제 1 가스라인(152)로 연결되는 지점 사이에 설치될 수 있다. 즉, 상기 제 1 가스전처리부(130)는 제 2 가스저장부(124)와 제 1 가스유입관(162)이 분기되는 지점 사이의 임의의 지점, 즉 상기 제 1 공정가스를 공급하는 제 2 가스라인(154)의 임의의 영역에 설치될 수 있다.As shown in the drawing, the first gas pretreatment unit 130 may be installed between the second gas storage unit 124 and the second gas flow controller 144, but the second gas flow controller 144 may be installed. And the first gas inlet pipe 162 may be installed between the branch point is connected to the first gas line 152. That is, the first gas pretreatment unit 130 is an arbitrary point between a branch point of the second gas storage unit 124 and the first gas inlet pipe 162, that is, a second gas for supplying the first process gas. May be installed in any area of line 154.

특히, 본 발명에 있어서 실리콘을 함유하는 상기 제 1 공정가스(S1)는 공정챔버의 외부에 위치한 상기 제 1 가스전처리부(130)를 통하여 소정의 온도로 활성화(activation)되어야 한다. 만약 이와 같은 활성화(예열) 온도가 낮게 되면 예열에 따른 제 1 가스의 반응영역에서의 반응성의 향상을 이룰 수 없게 되고, 활성화 온도가 너무 높게 되면 예열 과정에서 상기 제 1 가스가 열분해되거나 흡착되어 실질적인 화학반응 또는 흡착이 일어나야 하는 공정챔버의 반응영역으로 공급되지 못할 수 있기 때문이다. 공급되는 제 1 공정가스의 종류에 따라 차이가 있을 수 있으나, 상기 제 1 가스전처리부(130)에서 예열온도는 대략 300 ~ 600℃가 바람직하다.In particular, in the present invention, the first process gas S1 containing silicon should be activated to a predetermined temperature through the first gas pretreatment unit 130 located outside the process chamber. If the activation (preheating) temperature is low, it is impossible to improve the reactivity in the reaction region of the first gas due to the preheating. If the activation temperature is too high, the first gas is pyrolyzed or adsorbed during the preheating process. This is because it may not be supplied to the reaction zone of the process chamber where chemical reaction or adsorption should occur. Although there may be a difference depending on the type of the first process gas supplied, the preheating temperature of the first gas pretreatment unit 130 is preferably about 300 to 600 ° C.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층증착 장치를 대략적으로 도시한 단면도로서, 도 2와 동일한 부분에 대해서는 동일한 번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 상기 도 2에서 기술한 것과 같이 실리콘을 포함하는제 1 공정가스(S1)는 물론, 질소를 포함하는 제 2 공정가스(S2)를 소정의 온도로 활성화시키고 있다. 즉, 제 3 가스저장부(126)로부터 공급된 제 2 공정가스(S2)는 공정챔버(110)로 유입되기 전에 내부에 히터(136)가 형성되고, 상기 공정챔버(126) 외부에 설치되는 제 2 가스전처리부(134)에서 적절한 온도로 활성화된다.3 is a cross-sectional view schematically showing an atomic layer deposition apparatus according to another embodiment of the present invention. The same reference numerals are assigned to the same parts as in FIG. 2, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, as described above with reference to FIG. 2, the first process gas S1 containing silicon as well as the second process gas S2 containing nitrogen are activated at a predetermined temperature. That is, before the second process gas S2 supplied from the third gas storage unit 126 is introduced into the process chamber 110, a heater 136 is formed therein, and is installed outside the process chamber 126. The second gas pretreatment unit 134 is activated at an appropriate temperature.

본 발명과 관련하여 질소를 포함하는 상기 제 2 공정가스(S2)로는 NH3, N2O 등과 같은 비활성 물질이 사용되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 암모니아(NH3)를 사용할 수 있다.In connection with the present invention, it is preferable that an inert material such as NH 3 , N 2 O, or the like is used as the second process gas S2 including nitrogen, and more preferably, ammonia (NH 3 ) may be used.

상기와 같은 제 2 공정가스들은 매우 안정된 구조를 이루어 기본적으로 비활성이기 때문에 공정챔버 내부의 반응영역으로 공급하기 전에 소정의 온도로 예열함으로써, 활성을 증가시킬 수 있다. 활성이 증가된 상기 제 2 공정가스(S2)는 공정챔버(110) 내부로 유입, 반응영역(A)으로 분산된 뒤, 서셉터(200) 내부에 내장되는 히터(미도시)에 따라 소정의 온도로 상승되는 경우에, 기판 상면 또는 이미 기판(S) 상면에 흡착된 제 1 공정가스(S1)와의 화학반응이 용이하게 일어나게 된다.Since the second process gases have a very stable structure and are basically inert, the second process gases may be preheated to a predetermined temperature before being supplied to the reaction zone inside the process chamber, thereby increasing activity. The second process gas S2 having increased activity flows into the process chamber 110 and is dispersed in the reaction zone A, and then is predetermined according to a heater (not shown) embedded in the susceptor 200. When the temperature rises, the chemical reaction with the first process gas S1 adsorbed on the upper surface of the substrate or the upper surface of the substrate S easily occurs.

즉, 소정의 온도로 활성화된 제 2 공정가스(S2)가 공정챔버(110) 내부로 유입되는 경우 증착 속도가 증가하게 되고 생성된 박막의 물성을 향상시킬 수 있다. 특히 반응성이 증가된 질소 함유 가스(S2)로 인하여 박막의 밀도(Density)가 증가하게 되어 습식 식각(Wet Etch)에 대한 저항성을 증가시킬 수 있다.That is, when the second process gas S2 activated at a predetermined temperature is introduced into the process chamber 110, the deposition rate is increased and the physical properties of the generated thin film can be improved. In particular, the density of the thin film (Density) is increased due to the increased nitrogen containing gas (S2) may increase the resistance to wet etching.

특히, 본 발명에 있어서 실리콘을 함유하는 상기 제 1 공정가스(S1)는 공정챔버의 외부에 위치한 상기 제 1 가스전처리부(130)를 통하여 소정의 온도로 활성화(activation)되어야 한다. 만약 이와 같은 활성화(예열) 온도가 너무 낮게 되면 예열에 따른 제 1 가스의 반응영역에서의 반응성의 향상을 이룰 수 없게 되고, 활성화 온도가 너무 높게 되면 예열 과정에서 상기 제 1 가스가 열분해되거나 흡착되어 실질적인 화학반응 또는 흡착이 일어나야 하는 공정챔버의 반응영역으로 공급되지 못할 수 있기 때문이다. 공급되는 제 1 공정가스의 종류에 따라 차이가 있을 수 있으나, 상기 제 1 가스전처리부(130)에서 예열온도는 대략 300 ~ 600℃가 바람직하다.In particular, in the present invention, the first process gas S1 containing silicon should be activated to a predetermined temperature through the first gas pretreatment unit 130 located outside the process chamber. If the activation (preheating) temperature is too low, it is impossible to improve the reactivity in the reaction region of the first gas due to preheating. If the activation temperature is too high, the first gas is pyrolyzed or adsorbed during the preheating process. This is because it may not be supplied to the reaction zone of the process chamber where actual chemical reaction or adsorption should occur. Although there may be a difference depending on the type of the first process gas supplied, the preheating temperature of the first gas pretreatment unit 130 is preferably about 300 to 600 ° C.

특히, 제 1 가스전처리부(130)에서 제 1 공정가스의 반응성을 향상시키면서도 열분해 또는 흡착이 일어나지 않는 온도 범위 내에서 예열시켜 활성화시키는 것이 바람직한 것처럼, 상기 제 2 가스전처리부(134)에서 제 2 공정가스(S2)를 활성화시키는 경우에도 제 2 공정가스의 반응성을 향상시키면서 공정챔버(110) 내부로 유입되기 전에 완전 열분해 되지 않는 범위 내에서 활성화시키는 것이 바람직하다.In particular, the second process gas in the second gas pretreatment unit 134 is preferably activated by preheating and activating within the temperature range where pyrolysis or adsorption does not occur while improving the reactivity of the first process gas in the first gas pretreatment unit 130. In the case of activating (S2), it is preferable to activate within a range not completely pyrolyzed before being introduced into the process chamber 110 while improving the reactivity of the second process gas.

또한, 상기 제 1 가스전처리부(130)가 제 2 가스라인(154)의 임의의 영역에 설치될 수 있는 것과 같이, 본 실시예에 따른 상기 제 2 가스전처리부(134) 역시 제 3 가스라인(156)의 임의의 영역에 설치될 수 있음은 물론이다. 특히, 통상의 원자층증착 장치에서 각각의 공정가스가 별도의 가스라인을 따라 공급된다는 점을 감안할 때, 상기 제 1 가스전처리부(130)와 상기 제 2 가스전처리부(134)는 별도로 설치된다.In addition, as the first gas pretreatment unit 130 may be installed in any region of the second gas line 154, the second gas pretreatment unit 134 according to the present exemplary embodiment may also use the third gas line 156. Of course, it can be installed in any area of). In particular, considering that each process gas is supplied along a separate gas line in a conventional atomic layer deposition apparatus, the first gas pretreatment unit 130 and the second gas pretreatment unit 134 are installed separately.

상기에서 기술한 것과 같은 본 발명의 원자층증착 장치를 이용하여 실리콘 나이트라이드 박막을 증착하는 공정은 도 4에 도시하였다. 도면에서, T1, T2 등은 본 발명에 따른 원자층박막 증착의 1회 사이클(cycle)을 의미한다.A process of depositing a silicon nitride thin film using the atomic layer deposition apparatus of the present invention as described above is shown in FIG. In the figure, T1, T2, etc. mean one cycle of atomic layer thin film deposition according to the present invention.

우선, 실리콘을 포함하는 제 1 공정가스가 제 1 가스전처리부에서 소정의 온도로 예열되어 활성화된다(t1). 활성화된 제 1 공정가스는 가스유입관을 경유하여 공정챔버의 내부로 유입된 뒤에 기판의 상면으로 분산되어 흡착되어 원자층을 형성하고(t2), 기판상면에 흡착되지 못하고 잔류하는 제 1 공정가스를 공정챔버로부터 제거하기 위하여 제 1 퍼지가스가 공정챔버 내부로 유입된다(t3). 따라서 공정챔버의 내부에는 기판 상면에 1층의 원자층으로 흡착되는 제 1 공정가스만이 형성되어 있다.First, the first process gas containing silicon is preheated and activated at a predetermined temperature in the first gas pretreatment unit (t 1 ). The activated first process gas is introduced into the process chamber via the gas inlet pipe, and then dispersed and adsorbed onto the upper surface of the substrate to form an atomic layer (t 2 ). The first purge gas is introduced into the process chamber to remove the gas from the process chamber (t 3 ). Therefore, only the first process gas that is adsorbed into the atomic layer of one layer is formed on the upper surface of the process chamber.

제 1 공정가스 원자층만이 형성된 뒤에 질소를 함유하고 있는 제 2 공정가스가 가스저장부로부터 가스라인을 경유하여 공정챔버 내부로 유입된다(t4). 이 때 상기 제 2 공정가스는 바로 유입될 수 있으나, 제 1 공정가스의 경우와 마찬가지로 공정챔버로 유입되기 전에 공정챔버의 외부에 설치된 제 2 가스전처리부에서 소정의 온도로 예열되는 단계(t4')를 포함할 수 있다.After only the first process gas atomic layer is formed, the second process gas containing nitrogen flows into the process chamber from the gas storage via the gas line (t 4 ). At this time, the second process gas may be directly introduced, but as in the case of the first process gas, the second gas is preheated to a predetermined temperature in a second gas pretreatment unit installed outside the process chamber at a predetermined temperature (t 4 ′). ) May be included.

공정챔버 내부로 유입된 제 2 공정가스는 기판 상면에 흡착되어 있는 제 1 공정가스의 상면으로 흡착되어 화학반응을 하고, 제 1 공정가스와 화학 반응 또는 흡착하지 못하고 잔류하는 제 2 공정가스를 제거하기 위하여 제 2 퍼지가스가 공정챔버 내부로 유입된다(t5). 이와 같은 사이클을 통하여 1층의 제 1 공정가스 원자층과 제 2 공정가스 원자층이 형성되기 때문에 1회의 사이클에 따르는 박막층의 두께는 일정해지게 된다.The second process gas introduced into the process chamber is adsorbed to the upper surface of the first process gas adsorbed on the upper surface of the substrate to perform chemical reaction and to remove the second process gas remaining without chemical reaction or adsorption with the first process gas. In order to do so, the second purge gas is introduced into the process chamber (t 5 ). Since the first process gas atomic layer and the second process gas atomic layer of one layer are formed through such a cycle, the thickness of the thin film layer according to one cycle becomes constant.

따라서 원하는 박막두께가 형성될 때까지 상기 과정을 반복하게되면 균일한 박막 증착이 가능하게 된다.Therefore, if the above process is repeated until the desired thin film thickness is formed, uniform thin film deposition is possible.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 본 실시예로만 한정되는 것은 결코 아니다.Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited only to a present Example.

실시예 1Example 1

본 실시예에서는 실리콘을 함유하고 있는 제 1 공정가스를 공정챔버 내부로 유입하기 전에 예열하는데 따른 증착 속도를 비교하였다. 본 실시예에서 사용된 상기 제 1 공정가스는 디클로로실란(Dichloro silane, DCS, SiH2Cl2)이고, 질소를 함유하는 제 2 공정가스로는 암모니아(NH3)를 사용하였다. 특히, 공정가스의 외부에서 제 1 공정가스를 소정의 온도로 예열하기 위하여 본 출원이 개발한 EXL 히터(가스가 나사 모양의 관을 통과하면서 가열되는 방식)를 사용하였으며, 공정챔버 내부에서 증착 온도는 530℃ 이었다.In this embodiment, the deposition rate of preheating before the first process gas containing silicon is introduced into the process chamber was compared. The first process gas used in this embodiment is dichloro silane (Dichloro silane, DCS, SiH 2 Cl 2), ammonia (NH 3 ) was used as the second process gas containing nitrogen. In particular, in order to preheat the first process gas to a predetermined temperature outside the process gas, the EXL heater developed by the present application (a method in which the gas is heated while passing through a threaded tube) was used, and the deposition temperature inside the process chamber was used. Was 530 ° C.

EXL 히터에 의한 예열온도 변화에 따른 증착 속도는 도 5에 그래프로 도시하였다. 사각형으로 연결된 것은 그래프 좌측의 증착 속도(A/cycle)를 표시한 것이고, 삼각형으로 연결된 것은 그래프 우측의 굴절률(Refractive Index)을 표시한 것이며, X축은 EXL 히터의 온도를 표시한 것이다.Deposition rate according to the change in preheating temperature by the EXL heater is shown graphically in FIG. The squares indicate the deposition rate (A / cycle) on the left side of the graph, the triangles indicate the refractive index on the right side of the graph, and the X-axis represents the temperature of the EXL heater.

그림에서 볼 수 있는 바와 같이, EXL 히터의 온도가 300℃ 미만인 경우에는 증착 속도가 큰 차이가 없었으나, 300℃ ~ 600℃의 온도로 예열하는 경우에는 예열 온도 (또는 EXL 히터 온도)가 증가함에 따라 증착 속도가 현저히 증가하였다.As can be seen in the figure, the deposition rate did not differ significantly when the temperature of the EXL heater was less than 300 ° C, but the preheating temperature (or EXL heater temperature) increased when preheated to a temperature between 300 ° C and 600 ° C. As a result, the deposition rate increased significantly.

실시예 2Example 2

본 실시예에서는 상기 실시예 1과 동일한 장치 및 공정가스를 사용하여 습식 식각(Wet Etching) 속도를 비교하였다. EXL 히터의 온도 변화에 대한 습식 식각 속도는 도 6에 도시하였다. 그래프의 X축은 EXL 히터의 온도를 표시한 것이고, Y축은 에칭 속도를 표시한 것이다.In this example, wet etching rates were compared using the same apparatus and process gas as in Example 1. The wet etch rate with respect to the temperature change of the EXL heater is shown in FIG. 6. The X-axis of the graph shows the temperature of the EXL heater, and the Y-axis shows the etching rate.

도시되어 있는 것과 같이 예열 온도의 증가에 따르는 식각 속도는 크게 변하지 않음을 알 수 있다. 일반적으로 증착 속도가 증가하면 소스물질 사이의 화학 반응이 제대로 이루어지지 않기 때문에 박막의 밀도를 열화시키게 되어 식각 속도가 증가하게 되는데, 본 실시예에서는 예열 온도 증가로 인하여 증착 속도가 크게 증가하였음에도 불구하고 에칭속도의 변화(박막의 밀도 변화)가 거의 없고 오히려 600℃ 에서는 식각 속도가 감소하였다.As can be seen, the etching rate with increasing preheating temperature does not change significantly. In general, when the deposition rate is increased, the chemical reaction between the source materials is not properly performed, thereby deteriorating the density of the thin film, thereby increasing the etching rate. In this embodiment, despite the increase in the preheating temperature, the deposition rate is greatly increased. There was little change in etching rate (density change of thin film), but rather the etching rate decreased at 600 占 폚.

따라서, 디클로로실란을 소정의 온도로 예열한 후에 공정챔버 내부로 유입시키더라도 박막 밀도를 열화시키지 않고, 증착 속도만을 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.Therefore, even when the dichlorosilane was preheated to a predetermined temperature and introduced into the process chamber, it was confirmed that only the deposition rate could be greatly improved without deteriorating the thin film density.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 기술하였으나, 본 발명에 대해서는 다양한 변형이 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 정신을 훼손하지 아니하는 범위 내에서 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은 당업자에게는 자명한 사실일 것이며, 본 명세서와 첨부하는 청구의 범위를 통하여 보다 분명해질 것이다.In the above description of the preferred embodiment of the present invention, various modifications may be made to the present invention, and the fact that such modifications fall within the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art and will become apparent from the description and the appended claims.

본 발명에서는 공정챔버 내부로 실리콘을 포함하는 공정가스를 유입하기 전에 활성화될 수 있도록 예열하는 단계를 포함하여 공정가스가 공정챔버 내부의 반응영역에서 반응성을 향상시키고 증착 속도를 크게 증가시킬 수 있었다.In the present invention, the process gas may include a preheating step so that the process gas may be activated before the process gas containing silicon is introduced into the process chamber, thereby improving the reactivity and greatly increasing the deposition rate in the reaction region inside the process chamber.

특히, 향상된 증착 속도에도 불구하고 박막이 열화되지 않기 때문에 본 발명에 따른 방법을 통하여 생산성의 큰 향상을 꾀할 수 있을 것으로 기대된다.In particular, since the thin film is not degraded despite the improved deposition rate, it is expected that a large improvement in productivity can be achieved through the method according to the present invention.

Claims (5)

실리콘을 함유하는 제 1 공정가스와 질소를 함유하는 제 2 공정가스가 교대로 펄스 형태로 반응영역으로 공급되는 단계 사이에 퍼지가스를 공급하는 단계가 순차적으로 반복되는 실리콘 나이트라이드(SiNx)의 증착 방법에 있어서,The silicon nitride (SiN x ) in which the purge gas is sequentially supplied between the first process gas containing silicon and the second process gas containing nitrogen are alternately supplied to the reaction zone in pulse form. In the deposition method, 상기 제 1 공정가스를 상기 반응영역으로 공급하기 전에 반응영역의 외부에 설치되는 제 1 가스전처리부에 의하여 소정의 온도로 예열하는 단계를 포함하는 실리콘 나이트라이드의 증착 방법.And preheating the silicon nitride to a predetermined temperature by a first gas pretreatment unit installed outside the reaction zone before supplying the first process gas to the reaction zone. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 공정가스를 예열하는 온도는 상기 제 1 공정가스가 반응영역에서 분해되는 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 실리콘 나이트라이드의 증착 방법.And a temperature for preheating the first process gas is lower than a temperature at which the first process gas is decomposed in the reaction zone. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 공정가스를 예열하는 온도는 300 ~ 600℃인 것을 특징으로 하는 실리콘 나이트라이드의 증착 방법.The method of preheating the first process gas is a deposition method of silicon nitride, characterized in that 300 ~ 600 ℃. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 공정가스는 디클로로실란이고, 상기 제 2 공정가스는 암모니아인 것을 특징으로 하는 실리콘 나이트라이드의 증착 방법.And the first process gas is dichlorosilane, and the second process gas is ammonia. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 공정가스를 상기 반응영역으로 공급하기 전에 반응영역의 외부에 설치되는 제 2 가스전처리부에 의하여 소정의 온도로 예열되는 단계를 더욱 포함하는 실리콘 나이트라이드의 증착 방법.And preheating to a predetermined temperature by a second gas pretreatment unit installed outside the reaction zone before supplying the second process gas to the reaction zone.
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