KR20050103996A - 기판의 예열 단계를 포함하는 박막 형성 방법 및 그방법에 사용되는 박막 형성 반응 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 제조공정 중 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 원자층 증착법(ALD:Atomic Layer Deposition)을 사용하여 산화방지막을 형성시키는 공정에서, 반응챔버 내로 기판을 로딩하기 전단계로서 예열 시스템에 기판을 로딩하여 가열하는 기판의 예열단계, 가열된 기판을 반응챔버로 이송하여 상기 반응챔버 내부에 게재시키는 기판의 로딩 단계기판을 예열하는 단계를 포함하는 방법 및 그 방법에 사용되는 반응 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, ALD공정에서 기판 가열에 소요되는 시간적 손실을 줄일 수 있고, 나아가 반응챔버 내에서의 기판 가열 과정을 생략하는 것이 가능하여 ALD공정의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 반응챔버로부터 기판의 가열 과정을 분리하므로써 챔버 내벽에 붙어있는 불순물들이 가열 과정에서 기판상에 흡착되는 것을 방지할 수 있게 한다. 마지막으로, 본 발명의 예열 시스템에서는 기판들을 다층으로 적층된 상태에서 가열하므로 효율적으로 가열할 수 있게 된다.

Description

기판의 예열 단계를 포함하는 박막 형성 방법 및 그 방법에 사용되는 박막 형성 반응 시스템{Atomic Layer Deposition including pre-heating step and Reactor used for the same}

본 발명은 반도체 제조공정 중 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 원자층 증착법(ALD:Atomic Layer Deposition)을 사용하여 산화방지막을 형성시키는 공정에서, 반응챔버 내로 기판을 로딩하기 전단계로서 기판을 예열하는 단계를 포함하는 방법 및 그 방법에 사용되는 반응 시스템에 관한 것이다.

반도체 제조에 있어, 실리콘 기판과 유전막 사이에 저유전층 형성을 억제하고 높은 유전상수와 낮은 누설전류를 가지도록 유전막을 증착하는 방법을 제공하기 위해, 상기 기판과 유전막의 계면에 산화방지막을 삽입하여 증착하는 방법이 시도되고 있다.

이러한 산화방지막으로는 판을 형성하는 물질보다 쉽게 산화되는 III, IV 및 V족 금속전극이나 이들의 산화막을 이용한다.

한편, 상기 산화방지막을 형성하는 데 있어 보편적으로 사용되는 것이 ALD공정이며, 산화방지막으로 Al₂O₃막을 형성하는 공정을 특별히 ALO공정이라 한다.

ALD공정은 단원자층의 화학적 흡착 및 탈착을 이용한 박막증착기술로서, 각 반응가스질을 개별적으로 분리하여 펄스 형태로 챔버에 공급하여 기판표면에 반응가스질의 표면포화반응(saturated surface reaction)에 의해 박막을 증착시키는 것이다.

도1은 원자층 증착법으로 기판상에 박막을 형성하는 데 사용되는 장치를 도시한 것이다.

구체적으로 살펴보면, 반응챔버(11) 하부에 기판(15)이 놓이는 서셉터(13)와, 상기 서셉터(13)를 가열하는 히터(미도시)와, 반응가스를 상기 반응챔버 내부로 주입시키는 상기 서셉터(13) 상부에 설치된 샤워헤드(17), 상기 샤워헤드(17)로 반응가스를 공급하는 반응가스주입관(A, B) 및 잔류 반응가스를 펌핑하기 위한 펌프(19)를 구비한다.

한편, 도2는 ALO 공정의 흐름도로서, 우선 반응챔버 내로 기판이 로딩되면, 히터를 ON시켜 상기 기판을 통상 450℃ 정도로 가열하므로써 박막 형성 조건을 만든다. 다음으로, 반응챔버에 제1 반응가스인 트리메틸 알루미늄(Al(CH₃)₃, TMA)을 주입하여 기판상에 화학흡착 시킨 후, 반응챔버를 불활성 가스로 퍼징하여 물리흡착된 TMA를 제거한다. 이어서, 반응 챔버에 제2반응가스인 오존 가스(O₃)를 주입하여 기판상에 화학흡착된 TMA와 O₃의 화학치환에 의하여 원자층 단위의 박막 Al₂O₃ 를 형성한다. 마지막으로, 상기 반응챔버를 불활성 가스로 2차 퍼지하고, 잔류 O₃를 펌핑한다.

제1 반응가스 주입으로부터 제2 반응가스 제거까지의 과정을 1사이클로 하여, 상기 사이클을 반복하므로써 원하는 두께의 박막을 형성하는 것이다.

이러한 ALD공정은 원자층들의 상대적으로 낮은 성장률 등과 같은 이유 때문에 생산성이 낮다는 결함이 있다. 또한, 통상적인 ALD 반응챔버는 한 장 또는 두 장의 기판을 대상으로 공정이 이루어지므로, 많은 제조물을 생산하기 위한 실제 공정 및 상업적 적용이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 상기 ALD공정의 생산성을 향상시키기 위한 시도가 이루어지고 있다. 그중에는 반응챔버의 구조를 재설계하는 것이 상당수이다. 그러나, 반응챔버 자체의 구조를 변화시키는 것은 간단한 문제가 아니다.

한편, 반응챔버에 반응가스를 주입하기 전 기판의 가열 단계는 ALD공정 전체에 소요되는 시간의 약 40%가 할애된다. 이것은 ALD공정에서 상당한 시간적 손실을 일으키며, ALD공정의 생산성을 저하시키는 원인이 된다.

나아가, 반응챔버 내에서 기판을 가열하는 것은 챔버 내벽에 흡착되어 있는 불순물들이 기판상에 흡착되는 기회를 제공할 수 있다. 이것은 기판상의 박막의 순도를 떨어뜨릴 수 있다.

따라서, 본 발명은 원자층 증착법 과정에서 기판 가열에 소요되는 시간을 줄이거나, 삭제하므로써 ALD공정의 생산성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

이것은 반응챔버 내에서 기판을 가열함에 따라 발생할 수 있는 현상인 기판상에 이물질이 흡착되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 공정은 기판을 다층으로 적재한 상태에서 한번에 다수개의 기판을 가열할 수 있어, 반응챔버 내에서의 가열보다 기판 가열 자체에 있어서도 효율적인 공정을 제공한다.

본 발명은 반도체 제조공정 중 원자층 증착법에 관한 것으로, 기판을 반응챔버 내로 로딩하기 전 기판을 가열하는 예열단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로, 본 발명은 예열 시스템에 기판을 로딩하여 가열하는 기판의 예열단계; 가열된 기판을 반응챔버로 이송하여 상기 반응챔버 내부에 게재시키는 기판의 로딩 단계; 상기 반응챔버에 제1 반응가스를 공급하여 기판상에 제1 반응가스를 흡착시키고, 상기 반응챔버를 불활성 가스로 퍼징하여 잔류하는 제1 반응가스를 제거한 후, 제2 반응가스를 공급하여 상기 박막에 흡착된 제1 반응가스와 화학반응에 의하여 박막이 형성되도록 하고, 상기 반응챔버를 다시 불활성 가스로 퍼징하여 잔류하는 제2 반응가스를 제거하는 박막 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법을 제공한다.

본 발명의 박막 형성 방법에 의하면 알루미늄 산화막, TiN막, Mo막 이외에, 단원자의 고체막박, 단원자 산화물, 복합산화물, 단원자 질화물 또는 복합 질화물을 형성할 수 있다.

특히, 제 1반응가스로 III, IV 또는 V족 금속화합물을 사용하고, 제2 반응가스로 오존을 사용하면, 반응성이 강한 오존에 의해 산화되어 Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, TaO 등의 금속산화막이 형성된다.

단, 본 발명은 일 실시예로, 상기 제1 반응가스를 트리메틸 알루미늄(Al(CH₃)₃, TMA)으로 하고, 상기 제2 반응가스를 오존(O₃)으로 하여 Al₂O₃ 박막 형성 방법을 제공한다.

여기서 상기 Al₂O₃ 박막이 형성될 때의 화학반응은 하기와 같다.

2Al(CH₃)₃ + O₃ →Al₂O₃ + 3C₂H₆

상기 화학식에서와 같이, TMA와 오존이 반응하고 나면, TMA로부터 분리된 메틸 리간드(CH₃)는 휘발성의 기살물질 C₂H₆를 형성한다.

도2의 ALO공정을 보면, 반응챔버 내에서 기판의 가열에는 최소한 60초가 소요된다. 따라서, 본 발명에서는 반응챔버에 로딩되는 기판 각각에 대해 소요될 가열 시간 대신에, 다수개의 기판을 동시에 가열하여 반응챔버에 공급한다. 또한, 상기 가열은 반응챔버와 별도로 구비된 예열 시스템에서 이루어진다. 이것은 기판이 반응챔버에 머무는 시간 자체를 단축시켜 ALD 반응챔버 이용에서 빠른 순환이 이루어질 수 있다.

본 발명은 다른 실시예로 박막 형성 반응챔버, 상기 박막 형성 반응챔버내로 로딩되기 전에 기판을 가열하는 예열 시스템 및 상기 예열 시스템으로부터 상기 기판을 이송하는 기판 자동이송장치로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 반응 시스템을 제공한다.

도3은 본 발명의 박막 형성 방법에 사용되는 반응 시스템을 도시한 것으로, 다수개의 반응챔버(1)들이 원형으로 배치되어 있고, 그 가운데에 상기 반응챔버(1) 내로 기판을 이송하는 기판 자동이송장치(3)가 구비되어 있다. 또한, 예열 시스템(2)이 상기 반응챔버(1)와 별도로 구비되어 있다. 따라서, 상기 예열 시스템(2)에서 가열된 기판들은 상기 기판 자동이송장치(3)에 의해 반응챔버(1) 내로 로딩되는 것이다.

상기 기판 자동이송장치(3)로는 미국특허 제5,217,340호 또는 제5,112,641호에 개시된 것 중 어느 하나를 사용할 수 있으나, 다른 형태의 기판 자동이송장치도 적절하게 이용될 수 있다.

한편, 상기 예열 시스템(2)은 바람직하게는 다수개의 히터블록(20)이 수직으로 배열되어 있는 멀티-스테이지-히터이다. 따라서, 예열 시스템(2)에서 기판(15)은 각 히터블록마다 로딩되어, 다층으로 로딩된 다수개의 기판(15)을 한꺼번에 가열할 수 있다. 이것은 반응챔버에서 기판마다 소요되는 가열 시간을 한 개 기판 가열에 소요되는 시간으로 단축할 수 있게 한다.

도4는 상기 히터블록(20)에 상기 기판(15)이 장착된 모습을 확대한 것으로 이를 구체적으로 살펴보면, 가열소자(21)로 SiC를 사용하며, 상기 가열소자(21)를 감싸는 서스본체(23)와 상기 서스본체(23)를 덮는 유리판(25) 및 상기 유리판(25) 상부에 설치된 서셉터(27)로 구성되어 있다. 기판(15)은 상기 서셉터(27) 상에 장착된 상태에서 가열된다.

본 발명에 의하면, 예열 단계에서 기판은 증착에 요구되는 온도 약 450℃로 이미 가열된 상태에서 반응챔버에 공급되므로, 종래 반응챔버 내의 히터는 증착이 진행되는 동안 기판의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 필요할 것이다. 따라서, 예열된 기판이 반응챔버로 로딩되기 전에 상기 반응챔버의 히터는 일정온도로 가열되어 있어야 한다.

실시예

도3의 예열 시스템(2)의 각 히터블록(20) 상에 다수개의 실리콘 기판(15)을 로딩하고 가열소자(21)를 ON하여 기판을 450℃로 가열했다. 이때 가열 시간은 60초로 하였다.

다음으로, 기판 자동이송장치(3)를 가동하여 예열된 기판(15)들을 자동으로 반응챔버(1) 내로 이동시켜 로딩시켰다. 이때 상기 반응챔버(1) 내의 히터는 기판들이 로딩되기 이전에 ON시켜두어 450℃로 가열해 두므로써, 예열 시스템(2)으로부터 이송되는 기판(15)들에 박막이 형성되는 동안 기판(15)의 온도를 유지시킬 수 있도록 했다.

이제, 기판(15)이 로딩된 반응챔버(1)에 제1 반응가스 주입밸브를 열어 박막을 이루는 알루미늄과 메틸 리간드로 구성된 트리메틸 알루미늄(TMA)을 0.2초간 주입했다. 다음으로, 불활성가스 주입밸브를 열어 아르곤 가스를 0.5초간 퍼징하고, 이어서 반응챔버 하부에 위치하는 펌프로 0.2초간 펌핑하므로써 물리적 결합을 하고 있는 TMA를 제거했다. 기판에는 알루미늄이 화학적으로 결합되어 있다.

다음으로, 반응챔버에 제2 반응가스 주입밸브를 열어 오존 가스를 0.1초간 주입했다. 그리고, 다시 불활성가스 주입밸브를 열어 아르곤 가스를 0.5초간 퍼징하고, 반응챔버 하부에 위치하는 펌프로 0.2초간 펌핑하므로써 기상물질 C₂H₆ 및 O ₃를 제거했다.

본 발명에 의하면, ALD공정에서 기판 가열에 소요되는 시간적 손실을 줄일 수 있다. 나아가, 반응챔버 내에서의 기판 가열 과정을 생략하는 것이 가능하여 ALD공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.

이렇게 반응챔버로부터 기판의 가열 과정을 분리하는 것은 챔버 내벽에 붙어있는 불순물들이 가열 과정에서 기판상에 흡착되는 것을 방지할 수 있게 한다.

또한, 본 발명의 예열 시스템에서는 기판들을 다층으로 적층된 상태에서 가열하므로 효율적으로 가열할 수 있게 된다.

도1은 원자층 증착법에 이용하여 박막을 형성하는 장치의 개략도이다.

도2는 원자층 증착법에 의한 산화알루미늄(Al₂O₃) 막 형성 공정(ALO공정)의 흐름도이다.

도3은 본 발명의 박막 형성 방법에 사용되는 반응 시스템을 도시한 것이다.

도4는 예열 시스템의 히터블록과 상기 히터블록에 장착된 기판의 확대도이다.

도면 부호에 대한 설명

1, 11: 반응챔버 2: 예열 시스템 3: 기판 자동이송장치

13, 27: 서셉터 15: 기판 17: 샤워헤드

19: 펌프 20: 히터블록 21: 가열소자

23: 서스본체 25: 유리판

Claims (7)

1. 예열 시스템에 기판을 로딩하여 가열하는 기판의 예열단계;

   가열된 기판을 반응챔버로 이송하여 상기 반응챔버 내부에 게재시키는 기판의 로딩 단계;

   상기 반응챔버에 제1 반응가스를 공급하여 기판상에 제1 반응가스를 흡착시키고, 상기 반응챔버를 불활성 가스로 퍼징하여 잔류하는 제1 반응가스를 제거한 후, 제2 반응가스를 공급하여 상기 박막에 흡착된 제1 반응가스와 화학반응에 의하여 박막이 형성되도록 하고, 상기 반응챔버를 다시 불활성 가스로 퍼징하여 잔류하는 제2 반응가스를 제거하는 박막 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
2. 제 1 항에서, 상기 제1 반응가스를 III, IV 또는 V족 금속화합물로 하고, 상기 제2 반응가스를 오존(O₃)으로 하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에서, 상기 기판의 예열단계는 상기 반응챔버와 별도로 구비된 예열 시스템에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에서, 상기 기판의 로딩 단계는 기판 자동이송장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에서, 상기 기판의 로딩 단계 전에 상기 반응챔버의 히터가 가열되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
6. 박막 형성 반응챔버, 상기 박막 형성 반응챔버 내로 로딩되기 전에 기판을 가열하는 예열 시스템 및 상기 예열 시스템으로부터 상기 기판을 이송하는 기판 자동이송장치로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 형성 반응 시스템.
7. 제 6 항에서, 상기 예열 시스템은 적어도 하나의 히터블럭이 수직방향으로 배열된 것을 특징으로 하는 박막 형성 반응 시스템.