KR20050097679A

KR20050097679A - Ｎ－ｈ 원소 화합물을 이용한 박막증착방법

Info

Publication number: KR20050097679A
Application number: KR1020040022889A
Authority: KR
Inventors: 임홍주; 이상규; 유근재; 경현수; 서태욱; 장호승
Original assignee: 주식회사 아이피에스
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-10

Abstract

본 발명은 기판상에 N-H 원소를 포함하는 질화막을 증착하기 위한 박막증착방법에 관한 것으로서, 기판상에 N 원소를 포함하는 질화막을 증착하기 위하여, 다른 종류의 반응가스가 유입되는 반응용기 내의 웨이퍼블럭 상에 기판을 안착시키는 기판안착단계(S1)와, 기판상에 질화막을 증착하기 위한 제1반응가스와 제2반응가스를 기판(w) 상에 분사하여 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)를 포함하고, 박막증착단계(S2)는, 제1반응가스로 TiCl₄, TEMATi, PEMATa, SiH₄, SiH₂Cl ₂, Si₂Cl₆, SiCl₄ 중 어느 하나를 사용하고, 제2반응가스로 N-H 원소를 포함하는 화합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

Ｎ－Ｈ 원소 화합물을 이용한 박막증착방법{Method for depositing thin film on wafer using N-H compound}

본 발명은 N-H 원소 화합물을 이용한 박막증착방법에 관한 것으로서, 상세하게는 N-H 원소 화합물을 이용하여 기판(w) 상에 TiN, TaN, WN 또는 SiN 질화막을 증착할 수 있는 박막증착방법에 관한 것이다.

반도체 기판의 대면적화, 소자의 고집적화에 따라 박막을 형성하는데 있어 정밀한 두께 제어와 두께의 균일성 등이 요구되고 있으며, 또 회로선폭이 작아짐에 따라 소자에 나쁜 영향을 많이 주는 고온 공정은 저온 공정으로 대체되고 있는 실정이다. 특히, 향후 반도체 분야의 기술동향은 기판의 대구경화를 비롯하여 지금까지와 마찬가지로 회로선폭의 초미세화가 계속 진행될 것으로 보이며, 이에 따라 저온 상태에서의 박막증착기술이 더욱 각광을 받을 것으로 기대된다.

특히, 기판상에 증착되는 SiN, TiN, TaN 과 같은 Barrier Metal이나 SiN 질화막은, 주로 NH₃ 가스를 이용한 CVD 방법이나 ALD 방법을 사용하여 증착되었으며, NH₃ 경우 분해 또는 반응을 일으키기 위하여 600 ℃ 이상의 고온이 필요하였다.

그러나, 고온으로 박막 증착 공정을 진행할 경우에는, 회로선폭의 초미세화에 장애가 되었다. 이에, 온도를 낮추어 박막 증착 공정을 진행할 경우에는, 박막에 불순물이 많이 형성되거나 나쁜 박막 특성이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 비교적 낮은 온도에서도 고순도의 질화막을 증착할 수 있도록, N-H 원소를 포함하는 화합물을 이용한 박막증착방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막증착방법은,

기판상에 N 원소를 포함하는 질화막을 증착하기 위하여, 다른 종류의 반응가스가 유입되는 반응용기 내의 웨이퍼블럭 상에 기판을 안착시키는 기판안착단계(S1)와, 상기 기판상에 질화막을 증착하기 위한 제1반응가스와 제2반응가스를 상기 기판(w) 상에 분사하여 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)를 포함하고, 상기 박막증착단계(S2)는, 제1반응가스로 TiCl₄, TEMATi, PEMATa, SiH₄, SiH₂Cl₂, Si₂Cl₆, SiCl₄ 중 어느 하나를 사용하고, 제2반응가스로 N-H 원소를 포함하는 화합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 박막증착단계(S2)는, 상기 제1반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제1반응가스 피딩단계(S2-1)와 상기 제2반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제2반응가스 피딩단계(S2-3)를 교호적으로 수행하는 단계와; 상기 제1반응가스 피딩단계(S2-1)와 제2반응가스 피딩단계(S2-3) 사이에 불활성가스를 상기 반응용기(10)로 유입시켜 퍼지시키는 제1,2반응가스 퍼지단계(S2-2)(S2-4);를 포함하여 이루어지는 ALD 싸이클을 적어도 1회 이상 반복한다.

본 발명에 있어서, 상기 박막증착단계(S2')는, 제1반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제1반응가스 피딩단계(S2'-1)와 제2반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제2반응가스 피딩단계(S2'-3)를 동시에 수행하는 단계와; 불활성가스를 상기 반응용기(10)로 유입시켜 박막증착에 사용되지 않은 나머지 가스를 퍼지시키는 퍼지단계;를 포함하여 이루어지는 CVD 싸이클을 적어도 1회 이상 반복한다.

이때, 상기 제2반응가스는, Hydrazine(NH₂NH₂), MethylHydrazine(CH₃NHNH ₂), Diallylamine(CH₂:CHCH₂)2NH, tert Butylamine((CH₃)₃CNH ₂), S-sec-Butylamine(C₄H₁₁N), Butylamine ((CH₃(CH₂)₃NH ₂)), Diisoprpylamine((I-C₃H₇)₂NH, Aniline(C₆H₅NH₂), Tertiarybuthyamine(t-C₄H₉)NH ₂), Dimethyamine((CH₃)₂NH), Diethylamine((C₂H₅)₂NH), Ethyamine(C₂H₅NH ₂), Methyamine(CH₃NH₂), Isopropylamine(IC₃H₇NH₂) 중 어느 하나이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 박막증착방법을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 N-H 원소 화합물을 이용한 박막증착방법을 수행하는 박막증착장치의 개략적 구성도이다.

도시된 바와 같이, N-H 원소를 포함하는 질화막을 증착하기 위한 박막증착장치는, 기판(w)이 수납되는 반응용기(10)와, 반응용기(10) 내의 기판(w)을 안착시키기 위한 웨이퍼블럭(15)과, 다른 종류의 반응가스 및/또는 불활성가스를 반응용기(10)로 공급하기 위한 가스공급부(20)와, 반응용기 내의 가스들을 배기시키기 위한 배기장치(30)와, 반응용기(10)로 기판(w)을 공급하거나 취출하기 위한 이송모듈(40)을 포함한다.

웨이퍼 블록(15)은 박막이 증착되는 기판(w)이 안착되는 곳으로서, 기판(w)을 임의의 온도로 가열시킨다.

가스공급부(20)는 다수개의 가스라인(21)(22)(23)을 통하여 반응용기(10)와 연결되며, 가스라인을 통하여 다른 종류의 반응가스와 불활성가스가 반응용기로 이송된다. 본 실시예에서 가스라인(21)(22)은 제1,2반응가스를 각각 공급하는 제1,2반응가스공급라인이고, 가스라인(23)은 불활성가스를 공급하는 불활성공급라인이다.

웨이퍼블럭(15)의 상부에는 샤워헤드(25)가 설치되는데, 샤워헤드(25)의 바닥에는 제1반응가스공급라인(21)과 연결되는 다수개의 제1분사홀(21a)과, 제2반응가스공급라인(22)과 연결되는 다수개의 제2분사홀(22a)이 서로 일정한 간격을 이루며 형성되어 있으며, 샤워헤드(25)의 가장자리에는 불활성가스공급라인(23)과 연결되는 다수개의 가스커튼분사홀(23a)이 일정한 간격을 이루며 형성된다. 이때, 가스커튼분사홀(23a)은 웨이퍼블럭(15) 상의 기판(w) 외주측을 향하도록 형성되어 있어, 그로부터 분사되는 불활성가스는 가스커튼을 형성하여 반응가스가 반응용기 내측벽 표면에 증착되는 것을 방지하게 된다.

반응용기(10)와 이송모듈(40)은 뱃밸브(11)에 의하여 연결되며, 진공상태를 유지한 상태에서 로봇암은 이송모듈(40)의 기판(w)을 뱃밸브(11)를 통하여 반응용기(10)로 이송시킨다.

다음, 상기한 박막증착장치를 이용하여 기판상에 N 원소를 포함하는 질화막을 증착하는 방법을 설명한다.

N-H 원소를 포함하는 질화막을 증착하기 위하여, 제1,2반응가스가 유입되는 반응용기(10) 내부의 웨이퍼블럭(15) 상에 기판(w)을 안착시키는 기판안착단계(S1)와, 기판(w) 상에 질화막을 증착하기 위한 제1반응가스와 제2반응가스를 기판(w) 상에 분사하여 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)를 포함한다.

기판안착단계(S1)는 로봇암(미도시)이 이송모듈(40)에서 기판을 취출하여 반응용기(10)로 유입시킨 후 웨이퍼블럭(15) 상에 안착시킴으로써 이루어진다. 이 단계에서, 기판(w)의 예열이 함께 이루어진다.

상기한 박막증착단계(S2)의 동작을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1반응가스를 만드는 반응물로서 TiCl₄, TEMATi, PEMATa, SiH₄, SiH₂Cl ₂, Si₂Cl₆, SiCl₄ 중 어느 하나를 사용하고, 이들 반응물은 버블링기에서 가스화됨으로써 제1반응가스로 사용된다.

또한, 제2반응가스를 만드는 반응물로서 Hydrazine (NH₂NH₂), MethylHydrazine (CH₃NHNH₂), Diallylamine (CH₂:CHCH₂)2NH, tert Butylamine ((CH₃)₃CNH₂), S-sec-Butylamine (C₄H₁₁N), Butylamine ((CH₃(CH₂)₃NH₂)), Diisoprpylamine ((I-C₃H₇)₂NH, Aniline (C₆H₅NH ₂), Tertiarybuthyamine (t-C₄H₉)NH₂), Dimethyamine ((CH₃)₂NH), Diethylamine ((C₂H₅)₂NH), Ethyamine (C₂H₅NH₂), Methyamine (CH₃NH₂), Isopropylamine (IC₃H₇NH₂) 중 어느 하나를 사용한다. 이들 역시 버블링기에서 가스화됨으로써 제2반응가스로 사용된다.

박막증착 공정에 필요한 온도까지 기판(w)이 충분히 예열된 후, 박막증착단계(S2)의 첫 번째 단계로서, 불활성가스와 혼합된 제1반응가스를 반응용기(10) 내로 피딩하여 제1분사홀(21a)을 통하여 기판(w) 상으로 분사시키는 제1반응가스 피딩단계(S2-1)를 수행한다. 이때, 기판(w)의 온도는 300℃ ∼600 ℃ 범위에서 유지되도록 한다.

다음, 박막증착단계(S2)의 두 번째 단계로서, 제1반응가스의 피딩을 정지하고 반응용기(10) 내부에 이미 유입된 후 기판(w)에 흡착되지 않은 나머지 제1반응가스를 퍼지(purge)시키는 제1반응가스 퍼지단계(S2-2)를 수행한다. 제1반응가스 퍼지단계(S2-2)는 불활성가스를 반응용기(10) 내로 피딩시킴으로써 수행되고, 퍼지된 제1반응가스는 배기장치(30)를 거쳐 외부로 배기된다.

다음, 박막증착단계(S2)의 세 번째 단계로서, 제2반응가스를 반응용기(10) 내로 피딩하여 제2분사홀(22a)을 통하여 기판(w) 상으로 분사하는 제2반응가스 피딩단계(S2-3)를 수행한다.

다음, 박막증착단계(S2)의 네 번째 단계로서, 제2반응가스를 반응용기(10)로부터 퍼지하는 제2반응가스 퍼지단계(S2-4)를 수행한다. 제2반응가스 퍼지단계(S4)를 통하여 박막증착에 사용되지 않은 가스와 화학반응 부산물 가스가 반응용기(10)로부터 배기된다.

상기한 제1반응가스 피딩단계(S2-1), 제1반응가스 퍼지단계(S2-2), 제2반응가스 피딩단계(S2-3), 제2반응가스 퍼지단계(S2-4)는 순차적인 ALD 싸이클로서 이를 적어도 1회 이상 반복함으로써 필요한 두께의 박막을 증착한다. 이때, 상기한 피딩 및 퍼지가 수행되는 동안, 가스커튼분사홀(23a)을 통하여 불활성가스가 가스커튼을 형성함으로써, 반응가스에 의한 반응용기(10)의 오염을 방지하게 된다.

다음, 상기와 같은 공정 조건하에서 이루어지는 화학반응의 메커니즘을 설명한다.

N-H 원소 화합물을 이용하여 저온에 질화막을 형성하기 위한 기본적인 반응은 아래와 같으며, 이외에도 온도나 압력 등에 따라 많은 반응이 생길 수 있다.

2TiCl₄(g) + 4NH₂NH₂(g) -> 2TiN(s)+ 4N₂ +2NH₃(g)+8HCl(g) + H₂(g) ... 반응식(1)

반응식(1)은 제1반응가스로 TiCl₄(g)을 사용하고, 제2반응가스로 NH₂NH₂(g)를 사용한 것이다. 이때, 괄호안의 (g)는 가스를 의미하고, (s)는 고체상태의 박막을 의미한다. 상기와 같은 제1반응가스와 제2반응가스가 결합하여 기판(w) 상에 TiN 박막을 증착하고, 이후 N_2,NH_3,HCl, H₂과 같은 부산물 가스들을 발생시킨다.

상기한 바와 같이, 제1반응가스와 제2반응가스가 반응하여 기판(w) 상에 질화막을 증착할 수 있으며, 증착이 이루어지는 화학반응식을 아래에 기재하면 다음과 같다.

2TiCl₄(g) + 2NH₂NH₂(g) -> 2TiN(s)+ 2NH₃(g)+2HCl(g) + 3Cl₂(g) ... 반응식(2)

TiCl₄(g) + 4CH₃NHNH2) -> 2TiN(s) + 2C₂H₅(g) + 4NH ₃(g) + 4HCl(g) ... 반응식(3)

SiH₂Cl₂(g) + NH₂NH₂(g) -> SiN(s)+ NH₃(g)+2HCl(g) 또는 -> SiN(s)+ N₂(g) + 2HCl(g) + 3H₂(g) ... 반응식(4)

2SiH₄(g) + 2NH₂NH₂(g) -> 2SiN(s) + 2NH₃(g) + 10H ₂(g) ... 반응식(5)

SiH₄(g) + NH₂NH₂(g) -> SiN(s) + N₂(g) + 4H₂(g) ... 반응식(6)

Si₂Cl₆(g) + 2NH₂NH₂(g) -> 2SiN(s) + 2NH₃(g) + 2HCl(g) + 2Cl₂(g) ... 반응식(7)

2SiCl₄(g) + 4NH₂NH₂(g) -> 2SiN(s)+ 4N₂ +2NH₃(g)+8HCl(g) + H₂(g) ... 반응식(8)

2SiCl₄(g) + 2NH₂NH₂(g) -> 2SiN(s)+ 2NH₃(g)+2HCl(g) + 3Cl₂(g) ... 반응식(9)

SiCl₄(g) + 4CH₃NHNH2) -> 2SiN(s) + 2C₂H₅(g) + 4NH ₃(g) + 4HCl(g) ... 반응식(10)

상기와 같은 박막증착단계(S2)는, 제1반응가스 피딩단계(S2-1), 제1반응가스 퍼지단계(S2-2), 2반응가스 피딩단계(S2-3), 제2반응가스 퍼지단계(S2-4)를 순차적으로 반복하여 수행하는 ALD 방식을 취하고 있다. 그러나, ALD 방식이 아닌 CVD 방식을 취할 수 도 있다.

즉, 제1반응가스를 반응용기(10)로 피딩하는 제1반응가스 피딩단계(S2'-1)와 제2반응가스를 반응용기(10)로 피딩하는 제2반응가스 피딩단계(S2'-3)를 동시에 수행하는 단계와, 불활성가스를 반응용기(10)로 유입시켜 박막증착에 사용되지 않은 나머지 가스를 퍼지시키는 퍼지단계를 포함하여 이루어지는 CVD 싸이클을 적어도 1회 이상 반복함으로써 박막을 증착할 수도 있는 것이다.

ALD 방식이나 CVD 방식의 차이에 따라 박막증착속도, 순도, 스텝커버리지 특성에 유의차가 존재하나, 더욱 협소한 Aspect Ratio를 갖는 반도체 소자일 경우는 ALD 방식의 증착이 스텝커버리지에 유리할 것이다. 그렇지만 이 경우 증착속도는 CVD 방식에 비하여 감소된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 박막증착방법에 따르면, 상기한 반응가스를 이용함으로써 300℃ ∼ 600℃ 범위의 비교적 저온 영역에서, TiN, TaN, WN 또는 SiN 질화막을 효과적으로 증착할 수 있으며, 제조되는 소자의 초미세화를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 N-H 원소 화합물을 이용한 박막증착방법을 수행하는 박막증착장치의 개략적 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 ... 반응용기 11 ... 뱃밸브

15 ... 웨이퍼블럭 20 ... 가스공급부

21 ... 제1반응가스공급라인 21a ... 제1분사홀

22 ... 제2반응가스공급라인 22a ... 제2분사홀

23 ... 불활성가스공급라인 23a ... 가스커튼분사홀

25 ... 샤워헤드 30 ... 배기장치

40 ... 이송모듈

Claims

기판상에 N 원소를 포함하는 질화막을 증착하기 위하여,

다른 종류의 반응가스가 유입되는 반응용기 내의 웨이퍼블럭 상에 기판을 안착시키는 기판안착단계(S1)와, 상기 기판상에 질화막을 증착하기 위한 제1반응가스와 제2반응가스를 상기 기판(w) 상에 분사하여 박막을 증착하는 박막증착단계(S2)를 포함하고,

상기 박막증착단계(S2)는, 제1반응가스로 TiCl₄, TEMATi, PEMATa, SiH₄, SiH₂Cl₂, Si₂Cl₆, SiCl₄ 중 어느 하나를 사용하고, 제2반응가스로 N-H 원소를 포함하는 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
제1항에 있어서, 상기 박막증착단계(S2)는,

상기 제1반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제1반응가스 피딩단계(S2-1)와 상기 제2반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제2반응가스 피딩단계(S2-3)를 교호적으로 수행하는 단계와; 상기 제1반응가스 피딩단계(S2-1)와 제2반응가스 피딩단계(S2-3) 사이에 불활성가스를 상기 반응용기(10)로 유입시켜 퍼지시키는 제1,2반응가스 퍼지단계(S2-2)(S2-4);를 포함하여 이루어지는 ALD 싸이클을 적어도 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
제2항에 있어서, 상기 박막증착단계(S2')는,

제1반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제1반응가스 피딩단계(S2'-1)와 제2반응가스를 상기 반응용기(10)로 피딩하는 제2반응가스 피딩단계(S2'-3)를 동시에 수행하는 단계와; 불활성가스를 상기 반응용기(10)로 유입시켜 박막증착에 사용되지 않은 나머지 가스를 퍼지시키는 퍼지단계;를 포함하여 이루어지는 CVD 싸이클을 적어도 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 제2반응가스는, Hydrazine(NH₂NH₂), MethylHydrazine(CH₃NHNH ₂), Diallylamine(CH₂:CHCH₂)2NH, tert Butylamine((CH₃)₃CNH ₂), S-sec-Butylamine(C₄H₁₁N), Butylamine ((CH₃(CH₂)₃NH ₂)), Diisoprpylamine((I-C₃H₇)₂NH, Aniline(C₆H₅NH₂), Tertiarybuthyamine(t-C₄H₉)NH ₂), Dimethyamine((CH₃)₂NH), Diethylamine((C₂H₅)₂NH), Ethyamine(C₂H₅NH ₂), Methyamine(CH₃NH₂), Isopropylamine(IC₃H₇NH₂) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막증착방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,

박막증착단계에 있어, 상기 기판(w)의 온도는 300℃ ∼ 600 ℃ 범위에서 유지되는 것을 특징으로 하는 박막증착방법.