KR20050116492A - Method for manufacturing the aluminium oxide thin film of semiconductor devices using the atomic layer deposition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 DRAM에서 메모리용 캐패시터를 구성하는 유전물질로서 Al2O3 박막을 원자층 증착 방법으로 보다 빠르게 형성하는 방법에 관한 것으로서, 반도체 기판이 도입된 반응기 내에 알루미늄 소스, 및 촉매로서 비공유 전자쌍을 가지는 아민계 화합물을 일정 시간(T1) 동안 도입하는 제 1단계, 상기 알루미늄 소스 및 상기 아민계 화합물의 도입을 일정 시간(T2) 동안 중단하는 제 2단계, 상기 반응기 내에 산소 소스, 및 촉매로서 비공유 전자쌍을 가지는 아민계 화합물을 일정 시간(T3) 동안 도입하는 제 3단계, 및 상기 산소 소스 및 상기 아민계 화합물의 도입을 일정 시간(T4) 동안 중단하는 제 4단계를 포함하는 원자층 증착 방법을 이용한 반도체 소자의 Al2O3 박막 형성방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 낮은 쓰루-풋을 혁신적으로 개선할 수 있으며, 이러한 개선을 통해 장비 투자에 대한 비용 감소 효과도 얻을 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming an Al 2 O 3 thin film as a dielectric material constituting a capacitor for a memory in a DRAM by an atomic layer deposition method. The first step of introducing the amine-based compound for a predetermined time (T1), the second step of stopping the introduction of the aluminum source and the amine-based compound for a certain time (T2), oxygen source in the reactor, and non-covalent as a catalyst A third step of introducing an amine compound having an electron pair for a predetermined time (T3), and a fourth step of stopping the introduction of the oxygen source and the amine-based compound for a certain time (T4) Provided are a method for forming an Al 2 O 3 thin film of a semiconductor device. According to the present invention, low through-put can be improved innovatively, and the improvement can also reduce the cost of equipment investment.
Description
본 발명은 DRAM에서 메모리용 캐패시터를 구성하는 유전물질로서 Al2O3(산화 알루미늄) 박막을 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 방법으로 형성하는 방법에 관한 것으로서, 특히 Al2O3 박막의 증착 속도를 보다 향상시킬 수 있는 Al 2O3 박막 형성방법에 관한 것이다.The present invention is Al 2 O 3 (aluminum oxide) as a dielectric material constituting the capacitor for memory in DRAM The present invention relates to a method for forming a thin film by an atomic layer deposition (ALD) method, and more particularly, to a method for forming an Al 2 O 3 thin film capable of further improving the deposition rate of an Al 2 O 3 thin film.
Al2O3는 상대적으로 낮은 유전 상수(ε= 9)를 가짐에도 불구하고, 우수한 열적 안정성 및 알칼리 이온과 같은 불순물에 대한 낮은 투과성을 가지기 때문에, 0.12um design rule 이하에서 DRAM 캐패시터의 유전 물질로 사용되어 왔다. 이러한 Al2O3를 증착하기 위해서는, 분자 빔 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화-유기 금속 화학 기상 증착법(plasma enhanced-metal organic chemical deposition, PE-MOCVD), 반응성 스퍼터링법(reactive sputtering), 원자층 증착 방법 중에서 어느 것을 선택하여 행할 수 있지만, 이들 중, 0.12um design rule 이하에서 박막을 증착하는데 요구되는 저온 공정 및 정밀한 두께 제어가 가능하고, 박막의 균일성 및 도포성 등을 모두 만족시키는 방법은, 표면 제한 반응 메커니즘(surface limited reacting mechanism)을 따르는 원자층 증착 방법이다.Although Al 2 O 3 has a relatively low dielectric constant (ε = 9), it has excellent thermal stability and low permeability to impurities such as alkali ions, so that it is a dielectric material of DRAM capacitors under 0.12um design rule. Has been used. In order to deposit such Al 2 O 3 , molecular beam epitaxy (MBE), chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced-metal organic chemical deposition (plasma enhanced-metal organic chemical deposition, PE-MOCVD), reactive sputtering, and atomic layer deposition methods can be selected, but among these, low temperature process and precise thickness control required to deposit thin films under 0.12um design rule are possible. The method of satisfying both the uniformity and coatability of the thin film is an atomic layer deposition method that follows a surface limited reacting mechanism.
일반적인 원자층 증착 방법에 의한 유전 물질의 증착 단계를 도1에 도시한다. 도1에 나타낸 바와 같이, 원자층 증착 방법은 먼저 소스[Al2O3 증착의 경우, 주로 TMA(trimethylaluminium, Al(CH3)3)]를 공급하여 표면 반응을 유도하고(소스 공급 단계), 미반응 소스, 반응 부가물 등을 그 다음의 퍼지 단계에서 제거한 후(제1 퍼지 단계), 반응물[Al2O3 증착의 경우, 주로 H2O 또는 O3 ]을 공급하여 표면에 흡착되어 있는 AlCH3 *, 또는 AlCH2 *의 표면 그룹과 반응시키고(반응물 공급 단계), 그 다음의 퍼지 단계에서 미반응한 반응물과 반응 부가물 등을 제거한다(제2 퍼지 단계). 여기서, *은 표면 상태(surface state)를 나타내는 것으로서, 일반적으로 고체 표면은 고체 내부와 달리 격자의 반복성이 없기 때문에 고체 내부와는 다른 에너지 상태를 갖는데 이를 표면 상태라 하며, 이러한 표면 상태는 활성화되어 있기 때문에 반응이 쉽게 일어난다.A deposition step of a dielectric material by a general atomic layer deposition method is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the atomic layer deposition method first supplies a source [in the case of Al 2 O 3 deposition, mainly TMA (trimethylaluminum, Al (CH 3 ) 3 )] to induce a surface reaction (source supplying step), After removing the unreacted source, the reaction adduct, etc. in the next purge step (first purge step), the reactant [mainly H 2 O or O 3 in the case of Al 2 O 3 deposition] is supplied and adsorbed on the surface. React with the surface group of AlCH 3 * , or AlCH 2 * (reactant feed step), and remove unreacted reactants, reaction adducts, etc. in the next purge step (second purge step). Here, * denotes a surface state, and in general, a solid surface has an energy state different from that of a solid inside because there is no repeatability of a lattice unlike a solid inside, and this surface state is activated. Reaction occurs easily.
이와 같은 원자층 증착 방법은 자기 제한적 반응 특성을 가지고 있기 때문에, 원자층 단위로 박막의 두께를 제어할 수 있고, 하지막의 토폴로지와 관계없이 증착이 가능하므로 등방(conformal)인 박막을 구현할 수 있다. 여기서 중요한 것은, 박막의 등방성 및 균일성을 확보하기 위해서는 소스 및 반응물이 노출된 표면 전체와 반응할 수 있도록 충분한 유량(Q), 즉 임계치 이상의 유량(Qc)으로 공급되어 증착 속도가 포화되어야 한다는 것이다(도2 참조). 여기서 증착 속도란, 한 사이클 당 증착되는 두께(thickness(Å)/cycle)를 의미하며, 한 사이클이란, 소스 공급 단계, 제1 퍼지 단계, 반응물 공급 단계 및 제2 퍼지 단계의 일련의 단계(상기 도1 설명 참조)를 한번 거치는데 걸리는 시간을 의미한다. 상기 Qc는 유속과 공급 시간의 곱으로 나타낼 수 있기 때문에, 소스 및 반응물을 충분한 유량으로 공급하기 위해서는, 유속을 증가시키거나, 소스 및 반응물의 공급 시간을 늘이는 것으로 달성할 수 있다. 그러나, 이 중 유속을 증가시키는 방법은 기체의 와류를 유발하여 기판 전체에 균일한 박막을 형성하는 것을 어렵게 하므로, 일반적으로 소스 및 반응물의 공급 시간을 늘이는 방법이 사용된다. 따라서, 원자층 증착 방법은 CVD법에 비해 증착 속도가 3배 이상 느리다는 단점이 지적된다. 일반적으로, 한 사이클 당 10초가 소요되는 일반 원자층 증착 장비를 사용하여, TMA 및 H2O(또는 O3)로 Al2O3를 증착하는 경우의 증착 속도는 0.06~0.08Å/초, 즉 0.36~0.48Å/분으로서, 이는 LP-CVD 방법을 이용하는 경우의 증착 속도인 100Å/분(650℃)과 증착 속도에서 큰 차이가 난다.Since the atomic layer deposition method has a self-limiting reaction characteristic, it is possible to control the thickness of the thin film on an atomic layer basis, so that the deposition can be performed regardless of the topology of the underlying film, thereby realizing a conformal thin film. Importantly, in order to ensure the isotropy and uniformity of the thin film, the deposition rate must be saturated by supplying a sufficient flow rate (Q), that is, a flow rate (Qc) above a threshold value, so that the source and the reactants can react with the entire exposed surface. (See Figure 2). Here, the deposition rate means thickness / cycle deposited per cycle, and one cycle means a series of steps of a source supply step, a first purge step, a reactant supply step, and a second purge step (the 1 refers to the time it takes to pass once). Since Qc can be expressed as the product of flow rate and feed time, it can be achieved by increasing the flow rate or increasing the feed time of the source and reactants in order to supply the sources and reactants at a sufficient flow rate. However, the method of increasing the flow rate among them makes it difficult to form a uniform thin film throughout the substrate by causing the vortex of the gas, and thus a method of increasing the supply time of the source and the reactant is generally used. Accordingly, it is pointed out that the atomic layer deposition method is three times slower than the CVD method. In general, using ordinary atomic layer deposition equipment that takes 10 seconds per cycle, the deposition rate for depositing Al 2 O 3 with TMA and H 2 O (or O 3 ) is 0.06 to 0.08 μs / sec, i.e. 0.36 to 0.48 mW / min, which is largely different from the deposition rate of 100 mW / min (650 ° C.), which is the case of using the LP-CVD method.
이러한 원자층 증착 방법의 낮은 증착 속도에 대한 문제점을 극복하기 위하여, 일반적인 원자층 증착 방법에 비해 한 사이클 당 단계의 수를 줄임으로써 증착 속도를 개선하고자 하는 노력(대한민국 특허공개 제10-2001-110531호)이 있었지만, 이러한 방법에 의할 경우 등방이고 균일한 박막을 형성하기 위하여 소스 및 반응물을 공급할 때, 이들이 와류되지 않고 충분한 유량으로 공급될 수 있는 지에 대한 의문이 남는다. In order to overcome the problem of the low deposition rate of the atomic layer deposition method, an effort to improve the deposition rate by reducing the number of steps per cycle compared to the general atomic layer deposition method (Korean Patent Publication No. 10-2001-110531 However, this method leaves the question of whether they can be supplied at a sufficient flow rate without vortexing when feeding the source and reactants to form an isotropic and uniform thin film.
본 발명의 목적은, 원자층 증착 방법을 이용하여 유전물질로서 Al2O3 박막을 반도체 기판 상에 증착함에 있어서, 촉매를 사용하여 상기 유전물질의 증착 속도를 개선시키는 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for improving the deposition rate of a dielectric material using a catalyst in depositing an Al 2 O 3 thin film as a dielectric material on a semiconductor substrate using an atomic layer deposition method.
본 발명에서는 상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 원자층 증착 방법에 있어서 반응 소스의 도입시, 비공유 전자쌍을 갖는 아민 계열의 화합물을 촉매로서 사용하여 상기 반응 소스와 동시에 도입함으로써, 반도체 기판과 소스간의 반응을 촉진시켜 유전물질의 증착속도를 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.In the present invention, as a result of intensive research to achieve the above technical problem, when introducing the reaction source in the atomic layer deposition method, the amine-based compound having a lone pair as a catalyst is introduced at the same time as the reaction source As a result, the present inventors have found that the deposition rate of the dielectric material can be improved by promoting the reaction between the semiconductor substrate and the source, thus completing the present invention.
본 발명은, 원자층 증착 방법을 사용하여 Al2O3 박막을 형성하는 방법에 있어서, 반도체 기판이 도입된 반응기 내에 알루미늄 소스, 및 촉매로서 비공유 전자쌍을 가지는 아민계 화합물을 일정 시간(T1) 동안 도입하는 제 1단계, 상기 알루미늄 소스 및 상기 아민계 화합물의 도입을 일정 시간(T2) 동안 중단하는 제 2단계, 상기 반응기 내에 산소 소스, 및 촉매로서 비공유 전자쌍을 가지는 아민계 화합물을 일정 시간(T3) 동안 도입하는 제 3단계, 및 상기 산소 소스 및 상기 아민계 화합물의 도입을 일정 시간(T4) 동안 중단하는 제 4단계를 포함하는 원자층 증착 방법을 이용한 반도체 소자의 Al2O3 박막 형성방법을 제공한다. 본 발명에 있어서, 상기 촉매로서는 피리딘(C5H5N), 암모니아(NH3) 등 비공유 전자쌍을 가지는 아민계 화합물, 알루미늄 소스로서는 TMA(trimethyl aluminium, Al(CH3)3)을 사용할 수 있지만 이것으로 제한되는 것은 아니며, 산소 소스로서는 O3 또는 증기 상태의 H2O, 바람직하게는 증기 상태의 H2O를 사용할 수 있다. 상기 제 1단계 내지 제 4단계에서의 반응기 내의 온도는 300~700℃로 유지하는 것이 바람직하고, 압력은 10mTorr~10Torr로 유지하는 것이 바람직하며, 상기 T1 내지 T4는 각각 10msec~10sec로 조정할 수 있다. 또한, 상기 반응기 내에 도입하는 알루미늄 소스, 촉매, 산소 소스는 각각 109~105 langmular(=10-6Torr×sec)의 양으로 도입하는 것이 바람직하다.In the method of forming an Al 2 O 3 thin film using an atomic layer deposition method, an amine compound having an aluminum source and a non-covalent electron pair as a catalyst in a reactor into which a semiconductor substrate is introduced for a predetermined time (T1) The first step of introducing, the second step of stopping the introduction of the aluminum source and the amine compound for a predetermined time (T2), the oxygen source in the reactor, and the amine compound having a lone pair as a catalyst for a certain time (T3 A method for forming an Al 2 O 3 thin film of a semiconductor device using an atomic layer deposition method comprising a third step of introducing during the step and a fourth step of stopping the introduction of the oxygen source and the amine compound for a predetermined time (T4). To provide. In the present invention, an amine compound having a non-covalent electron pair such as pyridine (C 5 H 5 N) and ammonia (NH 3 ) as the catalyst, and TMA (trimethyl aluminum, Al (CH 3 ) 3 ) may be used as the aluminum source. not limited in this respect, is the source of oxygen as O 3 or, preferably, in the vapor phase H 2 O, it can be used in the vapor phase H 2 O. The temperature in the reactor in the first step to the fourth step is preferably maintained at 300 ~ 700 ℃, the pressure is preferably maintained at 10mTorr ~ 10Torr, the T1 to T4 can be adjusted to 10msec ~ 10sec respectively. . In addition, the aluminum source, the catalyst, and the oxygen source introduced into the reactor are preferably introduced in amounts of 10 9 to 10 5 langmular (= 10 -6 Torr x sec), respectively.
또한, 본 발명은 원자층 증착 방법을 이용하여 반도체 소자의 Al2O3 박막을 형성하는 방법에 있어서, 반도체 기판을 반응기에 도입하는 제 1단계, 상기 반도체 기판을 300℃ 이상에서 10초~10분간 예비 가열하는 제 2단계, 상기 반응기에 Al(CH3)3 및 C5H5N을 10msec~10sec 동안 109~10 5 langmular의 양으로 도입하는 제 3단계, 상기 Al(CH3)3 및 C5H5N의 도입을 10msec~10sec 동안 중단한 후, 아르곤 기체 및 질소 기체 중에서 선택된 불활성 기체를 도입하거나, 펌핑하여 퍼지하는 제 4단계, 상기 반응기에 증기 상태의 H2O 및 C5H5N을 10msec~10sec 동안 10 9~105 langmular의 양으로 도입하는 제 5단계, 상기 H2O 및 C5H5N의 도입을 10msec~10sec 동안 중단한 후, 아르곤 기체 및 질소 기체 중에서 선택된 불활성 기체를 도입하거나, 펌핑하여 퍼지하는 제 6단계, 및 상기 제 3단계 및 제 6단계를 반복하는 제 7단계를 포함하는 원자층 증착 방법을 이용한 반도체 소자의 Al2O3 박막 형성방법을 제공한다. 이때, 상기 C5H5N 대신에 비공유 전자쌍을 가지는 또다른 아민계 화합물로서 NH 3를 도입할 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 상기 제 2단계에서는 기판의 가열 시간을 단축하고 반응기 내의 압력을 조정하기 위해 아르곤 기체, 질소 기체 등의 비활성 기체를 도입하여 예비 가열할 수 있고, 그 후 제 3단계 내지 제 6단계에서의 반응기 내의 온도는 300~700℃로 유지하는 것이 바람직하며, 반응기 내의 압력은 10mTorr~10Torr로 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 본 발명에 있어서, 반응기에 Al(CH3)3 및 C5H5N을 10msec~10sec 동안 109 ~105 langmular의 양으로 도입하는 제 3단계에서 일어나는 반응은 하기 반응식 1a 또는 1bIn addition, the present invention is a method of forming an Al 2 O 3 thin film of a semiconductor device using an atomic layer deposition method, the first step of introducing a semiconductor substrate into the reactor, the semiconductor substrate 10 seconds ~ 10 at 300 ℃ or more A second step of preheating for a minute, a third step of introducing Al (CH 3 ) 3 and C 5 H 5 N into the reactor in an amount of 10 9 ~ 10 5 langmular for 10 msec ~ 10 sec, the Al (CH 3 ) 3 And stopping the introduction of C 5 H 5 N for 10 msec to 10 sec, and then introducing or pumping purge with an inert gas selected from argon gas and nitrogen gas, and H 2 O and C 5 in the vapor state in the reactor. a H 5 N in 10msec ~ 10 9 ~ 10 5 a fifth step of introducing an amount of langmular, after the introduction of the H 2 O and C 5 H 5 N interrupted for 10msec ~ 10sec, argon gas and nitrogen gas for 10sec A sixth step of introducing, or pumping and purging the selected inert gas, and the third step Using the atomic layer deposition method, comprising the step 7 for repeating the sixth step provides the Al 2 O 3 thin film formation method of a semiconductor device. At this time, NH 3 may be introduced as another amine compound having a lone pair instead of C 5 H 5 N, but is not limited thereto. In the second step, inert gas such as argon gas or nitrogen gas may be preheated to shorten the heating time of the substrate and to adjust the pressure in the reactor, and then, in the reactor in the third to sixth steps. The temperature is preferably maintained at 300 to 700 ° C., and the pressure in the reactor is preferably maintained at 10 mTorr to 10 Torr. In the present invention, the reaction taking place in the third step of introducing Al (CH 3 ) 3 and C 5 H 5 N into the reactor in an amount of 10 9 ~ 10 5 langmular for 10 msec ~ 10 sec is the following scheme 1a or 1b
[식중, *은 표면 상태를 나타냄] Where * indicates surface condition
로 나타낼 수 있으며, 반응기에 증기 상태의 H2O 및 C5H5N을 10msec~10sec 동안 109~105 langmular의 양으로 도입하는 제 5단계에서 일어나는 반응은 하기 반응식 2a 또는 2bThe reaction takes place in the fifth step of introducing the steam H 2 O and C 5 H 5 N in the reactor in the amount of 10 9 ~ 10 5 langmular for 10 msec ~ 10 sec is represented by the following scheme 2a or 2b
[식중, *은 표면 상태를 나타냄]Where * indicates surface condition
로 나타낼 수 있다. 이와 같이 제 3단계 내지 제 6단계를 한 사이클로 하여, 원하는 두께가 확보될 때까지 상기 사이클을 반복함으로써, 원하는 두께의 Al2O3 박막이 형성된 반도체 소자를 수득할 수 있다.It can be represented by. As described above, by repeating the cycle until the desired thickness is secured using the third to sixth cycles, a semiconductor device in which an Al 2 O 3 thin film having a desired thickness is formed can be obtained.
이하, 본 발명을 구현한 일실시예를 나타낸 도면을 참조하여 본 발명에 따른 촉매를 이용한 반도체 소자의 Al2O3 박막의 형성방법을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 도면 및 설명은 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 본 발명은 청구 범위에 기재된 사항을 바탕으로 적절한 변형 및 수정이 가능하다.Hereinafter, a method of forming an Al 2 O 3 thin film of a semiconductor device using a catalyst according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing an embodiment of the present invention. However, the following drawings and description are not intended to limit the invention, the invention may be appropriately modified and modified based on the matter described in the claims.
도3a 및 도3b는 알루미늄 소스로서 TMA, 산소 소스로서 증기 상태의 H2O, 촉매로서 피리딘, 및 불활성 기체로서 아르곤 기체를 사용하여 본 발명에 따라 반도체 기판 상에 Al2O3 박막을 형성하는 방법을 각 단계별로 간략하게 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 방법을 적용하는데 적합한 상기 반도체 기판의 종류는 한정되지 않으며, 도핑되지 않은 실리콘(bare silicon) 기판, 다결정(polycrystalline) 실리콘 기판, 도핑된 실리콘 기판, 단일 금속인 기판, 2원(binary) 금속인 기판, 유전체인 기판 중 어느 것에도 적용 가능하다.3A and 3B illustrate the formation of an Al 2 O 3 thin film on a semiconductor substrate in accordance with the present invention using TMA as an aluminum source, H 2 O in the vapor state as an oxygen source, pyridine as a catalyst, and argon gas as an inert gas. The method is a simplified diagram of each step. The type of the semiconductor substrate suitable for applying the method according to the present invention is not limited, but is not limited to a undoped bare silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, a doped silicon substrate, a single metal substrate, a binary ) It can be applied to either a substrate which is a metal or a substrate which is a dielectric.
도3a 및 도3b에서 가로축은 각 단계별 시간을 나타낸 것으로서, T1, T2, T3, 및 T4는 각각 약 10msec~10sec를 나타내고, 세로축에는 반응기 내로 도입되는 기체를 종류별로 기재하여, 각 해당 시간에 공급되는 기체를 "on"으로, 공급되지 않는 기체를 "off"로 표시하였다. 도3a 및 도3b에 도시한 바와 같이, 본 발명은 먼저 T1 동안 TMA를 피리딘과 동시에 반응기 내에 도입하고, T1이 경과하면 T2 동안 그 도입을 중단하면서 아르곤 기체를 도입하여 퍼지한 후, T3 동안 증기 상태의 H2O을 피리딘과 동시에 반응기 내에 도입하고, 이어서 T3가 경과하면 T4 동안 그 도입을 중단하면서 아르곤 기체를 도입하여 퍼지하는 것으로 실시할 수 있다. 이때, 증기 상태의 H2O는 물을 끓는점 이상으로 가열하여 공급하거나, H2와 O2를 WVG(water vapor generation) 장치 내에서 서로 불꽃 반응시켜 공급할 수 있다.3A and 3B, the horizontal axis represents time for each step, and T1, T2, T3, and T4 represent about 10 msec to 10 sec, respectively, and the vertical axis describes gas introduced into the reactor by type, and is supplied at each corresponding time. The gas to be turned on was indicated as "on", and the gas not to be supplied was indicated as "off". As shown in Figures 3a and 3b, the present invention first introduces TMA into the reactor at the same time as pyridine during T1, and when T1 has elapsed, introduces and purges the argon gas while stopping its introduction for T2, and then steam for T3. H 2 O in the state can be introduced into the reactor at the same time as the pyridine, and then, when T 3 elapses, argon gas is introduced and purged while the introduction thereof is stopped during T 4. In this case, the H 2 O in the vapor state may be supplied by heating the water above the boiling point or by supplying H 2 and O 2 by flame reaction with each other in a WVG (water vapor generation) apparatus.
한편, T1 및 T3 동안에도 반응기 내의 압력을 유지시키기 위하여 아르곤 기체 등의 불활성 기체를 부가적으로 도입할 수 있으며, 반응 소스(T1 동안 TMA, T3 동안 H2O) 및 피리딘의 도입시 운반 기체로서 불활성 기체를 사용하여 함께 도입할 수도 있다. 이러한 TMA, H2O, 피리딘 및 불활성 기체는 반응기로 도입하기 직전에 사전 가열하여 도입하여도 좋다. 또한, T1 및 T3 동안 반응기 내에서의 기체의 흐름이 원활하도록 하고, 반응 소스의 유입이 계속적으로 진행되도록, 반응기 내부를 펌핑할 수도 있다.On the other hand, T1 and T3 during even as addition can be introduced into the inert gas such as argon gas in order to maintain the pressure, and, upon introduction of the reaction source (TMA, T3 H 2 O while for T1) and pyridine carrier gas in the reactor It can also be introduced together using an inert gas. Such TMA, H 2 O, pyridine and inert gas may be introduced by pre-heating immediately before introduction into the reactor. It is also possible to pump the inside of the reactor to facilitate the flow of gas in the reactor during T1 and T3 and to allow the inflow of the reaction source to continue.
상기 T2 및 T4 동안의 아르곤 기체의 도입은, T1 이후에 반응기 내에 잔존하는 TMA, 피리딘, 반응 부산물(CH4 등) 등과, T3 이후에 반응기 내에 잔존하는 증기 상태의 H2O, 피리딘, 반응 부산물(CH4 등) 등을 각각 퍼지하기 위한 것으로서, 이와 같은 아르곤 기체 등의 불활성 기체를 이용하는 퍼지 대신 반응기에 연결된 펌핑 라인을 사용하여 반응기 내부를 펌핑함으로써 퍼지할 수도 있다. 한편, T2 및 T4 동안에는, T1 및 T3 동안의 반응에 의해 기판에 흡착된 표면종(surface species), 즉 T1 동안의 반응에 의해 기판에 흡착된 표면종인 (기판)-AlOH-O-Al(CH3)2 * 또는 (기판)-O-Al-O-Al-(CH3)2 *과, T3 동안의 반응에 의해 기판에 흡착된 표면종인 (기판)-Al-O-Al-OH* 또는 (기판)-O-Al-O-AlCH3-OH*이, 표면 에너지를 줄이기 위해 표면 이동(surface migration)하여 시드(seed)를 만들 수 있다.The introduction of argon gas during T2 and T4 may include TMA, pyridine, reaction byproducts (CH 4, etc.) remaining in the reactor after T1, and H 2 O, pyridine, reaction byproducts remaining in the reactor after T3. (CH 4 etc.) and the like, respectively, may be purged by pumping the inside of the reactor using a pumping line connected to the reactor instead of purging with an inert gas such as argon gas. On the other hand, during T2 and T4, surface species adsorbed on the substrate by the reaction during T1 and T3, that is, (substrate) -AlOH-O-Al (CH), which is the surface species adsorbed on the substrate by the reaction during T1. 3 ) 2 * or (substrate) -O-Al-O-Al- (CH 3 ) 2 * and (substrate) -Al-O-Al-OH * which is the surface species adsorbed on the substrate by reaction during T3 or (Substrate) -O-Al-O-AlCH 3 -OH * can be seeded by surface migration to reduce surface energy.
상기 도3a의 T1 및 도3b의 T3 동안 일어나는, 반응기에 도입된 각 화합물들 간의 화학 반응은 각각 도4a 및 도4b와 같이 도시할 수 있다. 도4a에 도시한 바와 같이, T1 동안 반응기로 도입된 피리딘은 그의 N 원자의 비공유 전자쌍이 하지막에 존재하는 Al(OH)2 *, O-Al-OH* 등의 -OH기의 H+ 이온과 수소 결합을 이루고, 이러한 수소 결합에 의해 활성화된 -OH기의 H+ 이온은 상기 피리딘과 동시에 반응기로 도입된 알루미늄 소스인 TMA의 [CH3]-과도 수소 결합을 이루게 된다. 이와 같이 수소 결합에 의해 활성화된 -OH 기의 산소 원자는 TMA의 알루미늄 원자와의 반응이 용이해져 당해 반응이 촉진되므로, T1의 시간을 단축할 수 있다. 이와 같은 T1 동안의 반응은 상기에서 나타낸 바와 같은 반응식 1a 또는 반응식 1b로 정리할 수 있으며, 반응 부산물로서 CH4가 생성된다. 이러한 반응 원리는 촉매로서 피리딘 대신 암모니아를 사용한 경우에도 마찬가지이며, 이는 도4c에서 확인할 수 있다.The chemical reaction between each compound introduced into the reactor, which occurs during T1 of FIG. 3A and T3 of FIG. 3B, may be illustrated as shown in FIGS. 4A and 4B, respectively. As shown in Fig. 4A, pyridine introduced into the reactor during T1 is H + ions of -OH groups, such as Al (OH) 2 * , O-Al-OH * , in which a non-covalent electron pair of its N atoms is present in the underlying film. and it forms the hydrogen bond, such H + of activated by the hydrogen bonding group -OH ions [CH 3] of an aluminum source, TMA introduced into the reactor at the same time as the pyridine-hydrogen bond is formed transient. As described above, the oxygen atom of the -OH group activated by the hydrogen bond facilitates the reaction with the aluminum atom of the TMA, so that the reaction is promoted, and thus the time of T1 can be shortened. This reaction during T1 can be summarized in Scheme 1a or Scheme 1b as shown above, and CH 4 is produced as a reaction by-product. This reaction principle is the same even when ammonia is used instead of pyridine as a catalyst, which can be seen in FIG. 4C.
이와 유사한 원리로, 도4b에 도시한 바와 같이, T3 동안 반응기로 도입된 피리딘은 그의 N 원자의 비공유 전자쌍이, 상기 피리딘과 동시에 반응기로 도입된 산소 소스인 H2O의 H+ 이온과 수소 결합을 이루고, 이러한 수소 결합에 의해 활성화된 H+ 이온은 T1 동안의 반응에 의해 하지막에 결합된 TMA의 -CH3기의 H+ 이온과도 수소 결합을 이루게 된다. 이와 같이 수소 결합에 의해 활성화된 하지막에 결합된 TMA의 알루미늄 원자는, H2O의 산소 원자와의 반응이 용이해져 당해 반응이 촉진되므로, T3의 시간도 단축할 수 있고, 결과적으로 전체 증착 속도를 향상시킬 수 있다. 이와 같은 T3 동안의 반응은 상기에서 나타낸 바와 같은 반응식 2a 또는 반응식 2b로 정리할 수 있으며, 이때에도 역시 반응 부산물로서 CH4가 생성된다. 또한, 이러한 반응 원리는 촉매로서 피리딘 대신 암모니아를 사용한 경우에도 마찬가지이다.Similarly, as shown in Fig. 4B, pyridine introduced into the reactor during T3 has a hydrogen bond with the H + ions of H 2 O whose non-covalent electron pair of N atoms is an oxygen source introduced into the reactor at the same time as the pyridine. the forms, the active hydrogen bonds by such H + ions are formed by H + ions and also hydrogen bonding of the TMA coupled to the base film by a reaction for T1 -CH 3 group. As described above, the aluminum atom of TMA bonded to the base film activated by hydrogen bonding facilitates the reaction with the oxygen atom of H 2 O and promotes the reaction, so that the time of T 3 can be shortened, and as a result, the entire deposition Can improve speed. This reaction during T3 can be summarized in Scheme 2a or Scheme 2b as shown above, again with CH 4 being produced as a reaction byproduct. This reaction principle is also true when ammonia is used instead of pyridine as a catalyst.
이와 같이 반도체 소자의 유전물질로서 Al2O3 박막을 원자층 증착 방법으로 형성할 때, 비공유 전자쌍을 가지는 아민계 화합물을 촉매로서 사용하여 그 증착 속도를 향상시키는 본 발명의 반응 원리는, 기타 유전물질인 HfO2, ZrO2 박막 등을 원자층 증착 방법으로 형성할 때에도 응용하여 이용할 수 있다.As described above, when the Al 2 O 3 thin film is formed as the dielectric material of the semiconductor device by the atomic layer deposition method, the reaction principle of the present invention which improves the deposition rate by using an amine-based compound having an unshared electron pair as a catalyst is described. HfO 2 , ZrO 2 thin films, etc., which are materials, may be applied and used when forming by atomic layer deposition.
상기 도3a 및 도3b에서 나타낸 T1 내지 T4를 한 사이클로 하여 원하는 두께가 확보될 때까지 상기 사이클을 반복함으로써 원하는 두께의 Al2O3 박막을 형성한 반도체 소자는, 박막 내에 잔류하는 탄소 원자 또는 수소 원자를 제거하기 위해, 부가적으로 급속 열처리(RTP, rapid thermal processing) 또는 플라즈마 처리될 수 있고, 상기 플라즈마 처리에서는 O2 기체 또는 N2O 기체가 주요 기체로 사용될 수 있다. 모든 단계가 완료된 후, 반응기로부터 Al2O3 박막이 형성된 반도체 기판을 수득한 후에는, 또다른 반응기에 상기 기판을 도입하여 냉각함으로써, 기판의 온도를 낮출 수 있다.A semiconductor device in which an Al 2 O 3 thin film having a desired thickness is formed by repeating the cycle until the desired thickness is secured using T1 to T4 shown in FIGS. 3A and 3B as one cycle includes carbon atoms or hydrogen remaining in the thin film. In order to remove the atoms, it may additionally be subjected to rapid thermal processing (RTP) or plasma treatment, in which O 2 gas or N 2 O gas may be used as the main gas. After all the steps have been completed, after obtaining a semiconductor substrate on which an Al 2 O 3 thin film is formed from the reactor, the temperature of the substrate can be lowered by introducing the substrate into another reactor and cooling it.
본 발명에 있어서 촉매로서 사용한 비공유 전자쌍을 가진 아민계 화합물은 직접 반응에 참여하지 않고 반응 에너지를 감소시키는 역할만을 수행하기 때문에, 본 발명에 의하면 원자층 증착 방법의 특징인 자기 제한적 반응은 그대로 유지되므로 반도체 기판 상에 원자 수준까지 등방한 Al2O3 박막을 증착할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 상기와 같은 촉매를 사용함으로써 반응 온도를 300℃까지 낮출 수 있고, 필요한 반응 소스, 예를 들면 TMA 및 H2O 등의 유량도 100% 이상 줄일 수 있다.Since the amine-based compound having a lone pair of electrons used as a catalyst in the present invention only plays a role of reducing the reaction energy without participating in a direct reaction, the self-limiting reaction which is a feature of the atomic layer deposition method is maintained as it is. It is possible to deposit Al 2 O 3 thin films up to the atomic level on the semiconductor substrate. In addition, according to the present invention, by using the catalyst as described above, the reaction temperature can be lowered to 300 ° C., and the required flow rate of the reaction source such as TMA and H 2 O can be reduced by 100% or more.
따라서, 본 발명에 따라 원자층 증착 방법으로 Al2O3 박막을 형성할 때, 비공유 전자쌍을 가지는 아민계 화합물을 촉매로서 도입함으로써, 낮은 쓰루-풋을 혁신적으로 개선할 수 있으며, 이러한 개선을 통해 장비 투자에 대한 비용 감소 효과도 얻을 수 있다.Therefore, when forming an Al 2 O 3 thin film by the atomic layer deposition method according to the present invention, by introducing an amine-based compound having a non-covalent electron pair as a catalyst, it is possible to innovatively improve low through-put, and through this improvement Cost savings on equipment investment can also be achieved.
도1은 종래의 원자층 증착 방법에 의한 반도체 소자의 Al2O3 박막 증착 단계를 개략적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing a step of depositing an Al 2 O 3 thin film of a semiconductor device by a conventional atomic layer deposition method.
도2는 종래의 원자층 증착 방법을 이용한 반도체 소자의 Al2O3 박막 증착에 있어서, TMA의 공급 시간에 따른 증착 속도를 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the deposition rate according to the supply time of TMA in the Al 2 O 3 thin film deposition of the semiconductor device using a conventional atomic layer deposition method.
도3a 및 도3b는 본 발명에 따른 원자층 증착 방법에 의한 반도체 소자의 Al2O3 박막 증착 단계를 개략적으로 나타낸 도면.3A and 3B schematically illustrate Al 2 O 3 thin film deposition steps of a semiconductor device by the atomic layer deposition method according to the present invention.
도4a는 본 발명의 원자층 증착 방법에 따라, TMA 도입시 촉매로서 피리딘을 도입한 경우의 반응을 나타낸 도면.4A is a view showing a reaction when pyridine is introduced as a catalyst during TMA introduction according to the atomic layer deposition method of the present invention.
도4b는 본 발명의 원자층 증착 방법에 따라, 증기 상태의 H2O 도입시 촉매로서 피리딘을 도입한 경우의 반응을 나타낸 도면.4B is a view showing a reaction when pyridine is introduced as a catalyst when H 2 O is introduced in a vapor state according to the atomic layer deposition method of the present invention.
도4c는 본 발명의 원자층 증착 방법에 따라, TMA 도입시 촉매로서 암모니아를 도입한 경우의 반응을 나타낸 도면.FIG. 4C is a view showing a reaction when ammonia is introduced as a catalyst during TMA introduction according to the atomic layer deposition method of the present invention. FIG.
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