KR20050001219A - 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

원자층 증착법을 이용한 금속 산화막의 형성방법을 제공한다. 본 발명은 반도체 기판을 포함하는 반응 챔버에 금속 반응물을 주입하여 상기 기판 상에 금속 반응물을 화학흡착시킨다. 상기 반응 챔버를 불활성 가스로 1차 퍼징하여 물리흡착된 금속 반응물을 제거한다. 상기 반응 챔버에 300∼500 Ng(노르말 그램) 농도의 오존 산화제를 주입하여 상기 화학흡착된 금속 반응물과 오존 산화제를 반응시켜 원자층 단위의 금속 산화막을 형성한다. 상기 반응 챔버를 불활성 가스로 2차 퍼징하여 물리흡착된 반응물을 제거한다. 상기 금속 반응물은 TMA 또는tBuHf일 수 있다. 상기 금속 산화막은 알루미뮴 산화막(Al2O3)또는 하프니움 산화막(HfO2)일 수 있다. 본 발명은 오존 농도를 300∼500 Ng(노르말 그램)으로 높여줌으로써 금속 산화막 내의 불순물을 감소시키고 금속 산화막의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법{Method for forming a metal oxide using a atomic layer deposition}
본 발명은 금속 산화막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용한 금속 산화막 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판 상에 금속 산화막을 형성하고자 하는 경우에는 흔히 화학기상증착법을 이용한다. 상기 화학기상증착법은 기체상태의 화합물을 분해한 후, 화학적 반응에 의해 반도체 기판 상에 박막이나 에피층을 증착하는 방법이다. 금속 산화막 형성시에는 금속의 소스 가스와 산화제를 고온으로 열분해하여 반도체 기판 상에 금속 산화물을 증착시킨다. 그런데, 상기 화학기상증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법은 반도체 기판에 열적 손상을 줄 염려가 있고, 금속 산화물의 조성이 복합한 경우 조성을 조절하기가 어려운 단점이 있다.
이와 같은 단점을 극복하기 위하여 원자층 증착법(ALD법)이 제안되었다. 상기 ALD법은 화학기상증착법에 비하여 우수한 단차 피복성을 얻을 수 있고 저온 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 상기 ALD법은 열분해(pyrolysis)가 아닌 각 반응물의 주기적 공급을 통한 화학적 치환(chemical exchange)으로 반응물(reactant)을 분해하여 박막을 형성하는 방법이다.
그런데, 상기 원자층 증착법으로 금속 산화막을 형성할 경우에도 산화제의 공정 조건에 따라 반도체 기판 상에 형성되는 금속 산화막 내부의 불순물의 양, 금속 산화막의 조성비, 및 금속 산화막의 단차 피복성 등이 많은 변화가 있다. 따라서, 상기 원자층 증착법으로 금속 산화막을 형성할 때 산화제의 공정 조건을 변경시켜 금속산화막의 특성을 극대화시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원자층 증착법을 이용할 때 산화제의 공정 조건을 변경하여 특성을 극대화시킬 수 있는 금속 산화막의 형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성방법에 이용된 원자층 박막 형성 장치를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따라 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도에 따른 금속 산화막의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도에 따른 금속 산화막의 누설 전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따라 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도에 따른 금속 산화막의 엑스피에스(XPS: x-ray photoelectron spectroscopy) 그래프이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판을 포함하는 반응 챔버에 금속 반응물을 주입하여 상기 기판 상에 금속 반응물을 화학흡착시킨다. 상기 반응 챔버를 불활성 가스로 1차 퍼징하여 물리흡착된 금속 반응물을 제거한다. 상기 반응 챔버에 300∼500 Ng(노르말 그램) 농도의 오존 산화제를 주입하여 상기 화학흡착된 금속 반응물과 오존 산화제를 반응시켜 원자층 단위의 금속 산화막을 형성한다. 상기 반응 챔버를 불활성 가스로 2차 퍼징하여 물리흡착된 반응물을 제거한다.
상기 금속 반응물은 TMA 또는tBuHf일 수 있다. 상기 금속 산화막은 알루미뮴 산화막(Al2O3)또는 하프니움 산화막(HfO2)일 수 있다. 상기 금속 반응물의 주입 단계부터 불활성 가스의 2차 퍼징까지 상기 반응 챔버의 온도는 100∼400℃로 유지되는 것이 바람직하다. 상기 금속 반응물의 주입 단계부터 상기 불활성 가스의 2차 퍼지하는 단계를 복수회 반복 수행할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 원자층 증착법을 이용하여 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도를 300∼500 Ng(노르말 그램)으로 높여줌으로써 금속 산화막 내의 불순물을 감소시키고 금속 산화막의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성방법에 이용된 원자층 박막 형성 장치를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
구체적으로, 본 발명의 금속 산화막 형성 방법에 이용되는 원자층 박막 형성 장치는 외부의 히터(도시 안함)에 의하여 가열될 수 있는 반응 챔버(11)와, 반도체 기판(15), 예컨대 실리콘 기판이 놓이도록 상기 반응 챔버(11)의 바닥에 설치된 서셉터(susceptor; 13)와, 반응 가스들이 상기 반응 챔버(11) 내부로 주입되도록 상기 서셉터(13) 상부에 설치된 샤워 헤드(shower head; 17)와, 상기 반응 챔버(11) 내부의 압력을 조절하기 위하여 상기 반응 챔버(11)와 연결된 진공펌프(19)를 구비한다.
상기 샤워 헤드(17)는 서로 분리된 2개의 가스주입관(gas inlet; A 및 B)이 연결되어 있다. 그리고, 샤워 헤드(17)에는 금속 반응물, 불활성 가스 및 산화제가 주입된다. 본 발명에서 상기 금속 반응물은 트리메틸 알루미늄(Al(CH3)3: TMA)이나 tBuHf를 이용하고, 상기 불활성 가스는 질소 가스나 아르곤 가스이며, 상기 산화제는 고농도의 오존 산화제를 이용한다.
그리고, 상기 금속 반응물 및 불활성 가스(inert gas)는 상기 가스주입관(A)을 통하여 반응 챔버(11) 내부로 주입되고, 상기 산화제는 상기 가스주입관(B)을 통하여 반응 챔버(11) 내부로 주입된다. 상기 금속 반응물과 산화제의 가스관을 다르게 한 것은 하나의 가스관(A 또는 B) 내에서 반응하는 것을 억제시키기 위함이다. 상기 금속 반응물 및 상기 불활성 가스는 각각 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)에 의하여 반응 챔버(11) 내부로의 주입이 제어되고, 상기 산화제는 제3 밸브(V3)에 의하여 상기 반응 챔버(11) 내부로의 주입이 제어된다.
도 2는 본 발명에 따른 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
구체적으로, 반응 챔버(도 1의 11)에 기판(15)을 로딩시킨 후 히터(도시 안됨) 및 펌프(19)를 이용하여 반응 챔버(11)를 100∼400℃, 바람직하게는 300∼350℃의 공정온도와 1∼10,000mTorr의 공정 압력으로 유지한다(스텝 23). 상기 공정 온도와 공정 압력은 후속의 공정에서 계속 유지되는 공정 온도와 공정 압력이나, 필요에 따라서는 상기 공정 온도와 공정 압력을 변경시킬 수 도 있다.
이어서, 상기 공정 온도와 공정 압력을 유지한 상태에서 반응 챔버(11)에 제1 밸브(V1)를 오픈시켜 금속 반응물, 예컨대 트리메틸 알루미늄(Al(CH3)3: TMA)이나 tBuHf(Hf-[O-C-(CH3)3]4)을 가스 라인(A) 및 샤워 헤드(17)를 통하여 상기 반도체 기판(15) 표면을 충분히 덮을 수 있는 시간, 예컨대 1m초∼10초 동안 주입한다(스텝 25). 이렇게 되면, 반도체 기판(15) 상에 금속 반응물이 물리흡착 및 화학흡착된다. 다시 말해, 상기 반도체 기판(15) 상에는 금속 반응물을 구성하는 금속 원자는 화학흡착되고, 그 외의 물질들은 물리 흡착된다.
다음에, 상기 공정온도와 공정 압력을 유지한 상태에서 반응 챔버(11)에 선택적으로 제2 밸브(V2)를 오픈시켜 불활성 가스, 예컨대 아르곤을 0.1∼100초 동안 퍼지한다(스텝 27). 이렇게 되면, 기판(15) 상에 물리 증착된 금속 반응물이 제거되어 반도체 기판(15) 상에 금속 반응물의 금속 원자가 화학흡착된다.
다음에, 금속 반응물중 금속 원자가 화학흡착된 반도체 기판을 포함하는 반응 챔버(11)에 300∼500 Ng(노르말 그램) 농도의 오존 산화제를 주입한다(스텝 29). 이렇게 되면, 오존은 금속 반응물의 금속 원자, 예컨대 알루미늄이나 하프니움에 화학적으로 흡착된다. 이에 따라, 반도체 기판(15) 상에는 금속 반응물을 구성하는 알루미늄 원자 또는 하프니움 원자와 오존의 반응에 의하여 원자층 단위의 알루미늄 산화막이나 하프니움 산화막, 즉 금속 산화막이 형성된다. 특히, 본 발명은 오존 산화제를 300∼500 Ng(노르말 그램) 농도의 고농도로 주입함으로써 후술하는 바와 같이 금속 산화막, 즉 알루미늄 산화막이나 하프니움 산화막의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
다음에, 상기 공정온도 및 공정 압력을 유지한 상태에서 반응 챔버(11)를 불활성 가스로 0.1∼100초 동안 2차 퍼지하여 불필요한 반응물들을 제거한다(스텝 31). 계속하여, 상기 형성된 알루미늄 산화막의 두께가 적정 두께인지를 확인하고(스텝 33), 필요에 따라 스텝 23에서 스텝 33의 단계를 사이클적으로 반복한다.
이상과 같은 금속 산화막의 공정 단계에서, 상기 오존 산화제의 농도를 높임에 따라 금속 산화막, 예컨대 알루미늄 산화막이나 하프니움 산화막의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도에 따른 금속 산화막의 전기적 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 도 3은 본 발명에 의해 금속 산화막으로 알루미늄 산화막을 형성한 경우이다. 도 3의 참조부호 a는 오존 농도를 180Ng(노르말 그램)으로 한 경우이고, 참조부호 b는 오존 농도를 300 Ng(노르말 그램)으로 한 경우이다. 도 3에 보듯이 오존의 농도를 300Ng로 할 때 최소 커패시턴스(Cmin) 및 항복 전압(BV) 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이는 TMA와 오존의 반응이 충분히 일어날 수 있도록 오존의 농도를 증가시킴으로써 알루미늄 산화막의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
특히, 도 3의 그래프에서는 오존의 농도를 300Ng일 때 알루미늄 산화막의 전기적 특성이 향상되는 것을 나타냈으나, 알루미늄 산화막의 전기적 특성은 오존의 농도를 300Ng이상 500Ng 이하에서 향상된다.
도 4는 본 발명에 따라 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도에 따른 금속 산화막의 누설 전류 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 도 4는 본 발명에 의해 금속 산화막으로 하프니움 산화막을 형성한 경우이다. 도 4에서 참조부호 a는 오존 농도를 180Ng(노르말 그램)으로 한 경우이고, 참조부호 b는 오존 농도를 300 Ng(노르말 그램)으로 한 경우이다. 도 4에 보듯이 하프니움 산화막의 경우에도 오존 농도를 300Ng로 늘려주면 누설 전류 특성이 향상된다. 특히, 도 4의 그래프에서는 오존의 농도를 최소 300Ng일 때 하프니움산화막의 누설 전류 특성이 향상되는 것을 나타냈으나, 하프니움 산화막의 누설 전류 특성은 오존의 농도를 300Ng이상 500Ng 이하에서 향상된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따라 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도에 따른 금속 산화막의 엑스피에스(XPS: x-ray photoelectron spectroscopy) 그래프이다.
구체적으로, 도 5a 내지 도 5c는 금속 산화막으로 하프니움 산화막을 형성한 경우의 XPS 그래프이다. X축은 결합 에너지(eV)를 나타내며, Y축은 임의 단위(arbitrary unit)의 강도(intensity)를 나타낸다. 도 5a는 C 1s 피크이며, 도 5b는 O 1s 피크이며, 도 5c는 Hf 4f 피크이다. 도 5a 내지 도 5c에서, 참조부호 a는 오존 농도를 180Ng(노르말 그램), 유량을 360sccm으로 한 경우이고, 참조부호 b는 오존 농도를 180 Ng(노르말 그램), 유량을 720sccm으로 한 경우이고, 참조부호 c는 오존 농도를 300Ng(노르말 그램), 유량을 360sccm으로 한 경우이다. 도 5a 내지 도 5c에 보듯이, 하프니움 산화막의 경우에 오존의 유량과 농도를 높이면 C(탄소)의 함량이 줄어들며, Hf-O의 결합(bonding)이 많아짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 원자층 증착법을 이용하여 금속 산화막을 형성할 때 오존 농도를 300∼500 Ng(노르말 그램)으로 높여줌으로써 금속 산화막 내의 불순물이 감소하고, 금속 산화막의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 반도체 기판을 포함하는 반응 챔버에 금속 반응물을 주입하여 상기 기판 상에 금속 반응물을 화학흡착시키는 단계;
    상기 반응 챔버를 불활성 가스로 1차 퍼징하여 물리흡착된 금속 반응물을 제거하는 단계;
    상기 반응 챔버에 300∼500 Ng(노르말 그램) 농도의 오존 산화제를 주입하여 상기 화학흡착된 금속 반응물과 오존 산화제를 반응시켜 원자층 단위의 금속 산화막을 형성하는 단계; 및
    상기 반응 챔버를 불활성 가스로 2차 퍼징하여 물리흡착된 반응물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 반응물은 TMA 또는tBuHf인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막의 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속 산화막은 Al2O3또는 HfO2인 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 반응물의 주입 단계부터 불활성 가스의 2차 퍼징까지 상기 반응 챔버의 온도는 100∼400℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 원자층증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 반응물의 주입 단계부터 상기 불활성 가스의 2차 퍼지하는 단계를 복수회 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법을 이용한 금속 산화막 형성 방법.
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