KR20060102043A - 중성빔을 이용한 원자층 증착장치 및 이 장치를 이용한원자층 증착방법 - Google Patents

중성빔을 이용한 원자층 증착장치 및 이 장치를 이용한원자층 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중성빔 증착장비 및 이 장치를 이용한 원자층 증착방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 제2반응가스를 플라즈마화시켜 발생된 라디칼의 플럭스, 즉 이온빔을 중성빔화하여 피처리기판에 조사하도록 된 중성빔을 이용한 원자층 증착장치 및 이 장치를 이용한 원자층 증착방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응가스를 피처리기판이 로딩된 반응챔버 내에 공급하여, 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응물 흡착층을 피처리기판 상에 화학적으로 흡착시켜서 형성하는 단계와, 상기 제1반응물 흡착층이 형성된 피처리기판 상에 제2반응가스에 의해 생성된 중성빔을 조사하여, 화학적으로 피처리기판 상에 흡착되지 않는 물질을 제1반응물 흡착층으로부터 제거하여 제2반응물 흡착층을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중성빔 증착장치를 이용한 증착방법을 제공한다.
통상, 원자층 증착 공정에 있어서는, 제2반응가스를 주입하여 고온에서 반응을 일으키거나, 제2반응가스를 플라즈마화한 플럭스를 사용하고 있는데, 이때 플라즈마의 사용에 따라 이온 또는 전자에 의한 차징이 플라즈마화에 따라서 발생할 수 있으며, 제2반응가스를 그대로 주입한 경우는 ALD 공정의 제2반응가스 공정이 고온에서 이루어지게 되는 문제점이 있었다. 또한 차징의 문제점을 극복하기 위해서, 리모트 플라즈마 (remote plasma)를 이용하는 방법이 개시되고 있지만, 리모트 플라즈마를 이용하는 경우에는 플럭스와 에너지가 감소하는 문제점이 발생하고 있었 다. 이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 제2반응가스를 중성화하고자 하였다. 이때 상기 중성빔은 에너지를 갖는 이온을 반사체에 반사시켜 생성하거나, 재결합 또는 차지 익스체인지를 통해 생성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 이러한 내용을 적용하게 될 경우 저온에서, 차징에 의한 손상 없이 공정을 수행할 수 있고, 이에 따라 Si, SiO2 등의 monolayer 물질의 증착뿐 아니라, DRAM의 deep-trench용 유전체, 게이트 유전막, 배선영역 (디퓨전 베리어, seed layer) 등을 포함하는 반도체 영역의 증착 공정에 적용할 수 있음은 물론이다.
중성빔, 그리드, 반사체, 이온빔, 입사각, 증착, ALD, 원자층 증착

Description

중성빔을 이용한 원자층 증착장치 및 이 장치를 이용한 원자층 증착방법{Neutral beam deposition apparatus and Atomic layer deposition method using the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중성빔을 이용한 원자층 증착장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 증착장치의 이온소오스를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 증착장치의 중성빔 발생부(반사체)를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 원자층 증착장치를 이용하여 원자층을 증착하는 공정을 단계별로 나타낸 공정 순서도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 ; 이온소오스 12 ; 유도코일
14 ; 그리드 14a ; 그리드홀
20 ; 피처리기판 40 ; 반사체
42 ; 반사체홀 50 ; 반응챔버
60 ; 스테이지
본 발명은 중성빔을 이용한 원자층 증착장치 및 이 장치를 이용한 원자층 증착방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제2반응가스를 플라즈마화시켜 발생된 라디칼의 플럭스, 즉 이온빔을 중성빔화하여 피처리기판에 조사하도록 된 중성빔을 이용한 원자층 증착장치 및 이 장치를 이용한 원자층 증착방법에 관한 것이다.
반도체소자의 고집적화에 대한 요구가 계속되어짐에 따라, 최근 반도체 집적회로의 설계에서 디자인룰이 더욱 감소되어 90nm 이하의 임계치수(Critical Dimension)가 요구되기에 이르렀다. 현재 이러한 나노미터급 반도체소자를 구현하기 위한 장비로서 고밀도 플라즈마(High Density Plasma) 장치, 반응성이온 장치(Reactive Ion Etcher) 등의 이온 강화용 장비가 주로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 장비에서는 식각(또는 증착) 공정을 수행하기 위한 다량의 이온들이 존재하고, 이들 이온들이 수백 eV의 에너지로 반도체기판 또는 반도체기판상의 특정 물질층에 충돌되기 때문에 반도체기판이나 이러한 특정 물질층에 물리적, 전기적 손상을 야기시킨다.
예를 들어, 물리적 손상으로서, 이러한 이온들과 충돌되는 결정성의 기판 또 는 특정 물질층의 표면이 비정질층으로 전환되기도 하며, 입사되는 이온들의 일부가 흡착되거나 충돌되는 물질층의 일부 성분만이 선택적으로 탈착되어 식각(또는 증착)되는 표면층의 화학적 조성이 변화되기도 하며, 표면층의 원자 결합이 충돌에 의해 파손되어 댕글링 결합(dangling bond)으로 되기도 한다. 이러한 댕글링 결합은 재료의 물리적 손상뿐만 아니라 전기적 손상의 발생원인이 되기도 하며, 그 밖에 게이트 절연막의 차지업(chargeup) 손상이나 포토레지스트의 차징(charging)에 기인한 폴리실리콘의 노칭(notching)등에 의한 전기적 손상을 야기시킨다. 또한, 이러한 물리적, 전기적 손상이외에도 챔버 물질에 의한 오염이나 CF계 반응가스를 사용하는 경우 C-F 폴리머의 발생등 반응가스에 의한 표면의 오염이 발생되기도 한다.
따라서, 나노미터급 반도체소자에 있어서 이러한 이온에 의한 물리적, 전기적 손상등은 소자의 신뢰성을 저하시키고 나아가 생산성을 감소시키는 요인이 되기 때문에 향후 반도체소자의 고집적화와 그에 따른 디자인룰의 감소 추세에 대응하여 적용될 수 있는 새로운 개념의 반도체 식각(또는 증착)장치 및 식각(또는 증착)방법에 대한 개발이 요구되고 있다.
이러한 가운데, 디,비,오오크(D.B.Oakes)씨 등은 논문 "Selective, Anisotropic and Damage-Free SiO2 Etching with a Hyperthermal Atomic Beam"에서 과열된 원자빔을 이용한 비손상 식각기술을 제안하고 있으며, 일본인 다카시 유노가미(Takashi Yunogami)씨 등은 논문 " Development of neutral-beam-assisted etcher" (J.Vac. Sci. Technol. A 13(3), May/June, 1995)에서 중성빔과 중성래디칼을 이용하여 손상이 매우 적은 실리콘옥사이드 식각기술을 제시하고 있으며, 엠.제이.고에크너(M.J.Goeckner)씨 등은 논문 "Reduction of Residual Charge in Surface-Neutralization-Based Beams"(1997 2nd International Symposium on Plasma Process-Induced Damage. May 13-14, Monterey, CA.)에서 플라즈마 대신에 전하가 없는 과열 중성빔에 대한 식각기술을 개시하고 있다.
한편, 본 발명의 출원인은 상기와 같은 문헌의 기술내용을 기초로 대한민국 특허등록번호 제10-412953호로 등록된 '중성빔을 이용한 식각장치' 및 특허등록번호 제10-380660호로 등록된 '중성빔을 이용한 반도체소자의 식각방법 및 이를 위한 식각장치'를 개시한 바 있는데, 상기 출원에는 이온빔을 중성빔으로 변환하는 반사체의 기술 및 반사체를 구비한 장치를 이용한 식각방법에 대한 기술이 기재되어 있고, 참조로 본 발명에 통합되어 있다.
그런데, 이온빔을 중성빔으로 변환하는 반사체를 그 기술내용으로 하는 상기와 같은 본 출원인에 의한 중성빔 식각장치 및 중성빔 식각방법은 원자층 증착(Atomic layer deposition:ALD)공정에 적용할 수 있으며, 본 출원인들은 이에 대한 연구를 진행시키고 있다.
일반적으로 반도체 장치의 제조 공정시, 박막을 균일하게 증착하기 위해 스퍼터링법 (Sputtering), 화학기상증착법 (CVD), 원자층 증착법 (Atomic layer depositon)을 적용한다. 먼저 스퍼터링법은 아르곤등의 비활성가스를 플라즈마화하여 타겟의 표면을 스퍼터하게 되는 원리를 이용한 것으로서 접착성이 우수한 고순 도 박막을 형성할 수 있으나, 이를 이용한 증착시 전체 박막위에서의 균일도를 확보하기가 매우 어렵다는 단점이 있다.
다음으로 현재 가장 많이 사용되고 있는 CVD의 경우 다양한 가스를 주입시킨후, 고온의 열이나, 빛, 플라즈마와 같은 높은 에너지에 의해 유도된 가스를 화학반응시켜 원하는 두께의 박막을 형성하고 있다. 하지만 CVD의 경우 단차피복성이 우수하고 생산성이 높은 장점을 가지고 있는 반면에, 박막 형성시의 온도가 매우 높고, 두께를 수 Å 단위로 정밀하게 제어할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 또한 두가지 이상의 반응 가스가 동시에 반응기 내부로 공급되게 되므로 이때 오염원이 되는 파티클 생성이 발생할수도 있다.
이에 반해 ALD의 경우 반응가스와 퍼지가스를 교대로 공급하여 원자층 단위의 박막을 증착하기 위한 방법으로서 최근 반도체 공정이 더욱 미세화 되면서 필요한 박막의 두께가 얇아지게 되어 이들의 원자층 단위에서의 정밀한 제어가 필요하게 되었고, 위의 CVD가 가지는 한계를 극복하기 위하여 제안된 기술이다. ALD를 이용한 경우 균일한 박막을 얻을수 있을 뿐 아니라, 원자층 단위의 미소한 두께를 조절할수 있으며, 공정상의 장점으로 인해 오염원 파티클 생성도 억제할수 있다.
하지만 이러한 ALD 공정에 있어서도, 제2반응가스를 주입하여 고온에서 반응을 일으키거나, 제2반응가스를 플라즈마화한 플럭스를 사용하게 되는데, 이때 플라즈마의 사용에 따라 이온 또는 전자에 의한 차징이 플라즈마화에 따라서 발생할 수 있으며, 제2반응가스를 그대로 주입한 경우는 ALD공정의 제2반응가스 공정이 고온에서 이루어지게 되는 문제점이 있었다.
또한, 차징의 문제점을 극복하기 위해서, 리모트 플라즈마(remote plasma)를 이용하는 방법이 개시되고 있지만, 리모트 플라즈마를 이용하는 경우에는 플럭스와 에너지가 감소하는 문제점이 발생하고 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 에너지를 갖는 이온을 반사체에 반사시켜 생성하거나, 재결합 또는 차지 익스체인지를 통해 중성빔을 발생시킬 수 있고, 이러한 중성빔을 ALD공정 중, 특히 제2반응가스 공정에 적용할 수 있는 에너지를 가진 (과열된) 라디칼을 이용한 저온 중성빔을 이용한 원자층 증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제2반응가스를 플라즈마화하고, 중성빔화하여 피처리기판에 조사하므로, 상기와 같은 문제점, 즉 플라즈마 ALD 공정 중 제2반응가스 공정이 플라즈마 이온에 의한 차징되는 문제점 없이, 즉 전기적 손상 없이 원자층 증착을 수행할 수 있는 원자층 증착방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래 리모트 플라즈마를 사용한 경우에 비해서 라디칼의 에너지가 높으며, 플럭스에 전하가 없어서 ALD공정 중 제2반응가스 공정을 저온에서 차징 없이 원자층 증착을 이룰 수 있는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응가스를 피처리기판이 로딩된 반응챔버 내에 공급하여, 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응물 흡착층을 피처리기판 상에 화학적으로 흡착시켜서 형성하는 단계와, 상기 제1반응물 흡착층이 형성된 피처리기판 상에 제2반응가스에 의해 생성된 과열된 에너지를 갖는 중성빔을 조사하여, 화학적으로 피처리기판 상에 흡착되지 않는 물질을 제1반응물 흡착층으로부터 저온에서 제거하여 제2반응물 흡착층을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치를 이용한 증착방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 제1반응물 흡착층 형성단계와, 제2반응물 흡착층 형성 단계가 하나의 사이클로 반복되며, 이때 공정에 따라 제1반응물 흡착층 형성단계와 제2반응물 흡착층 형성 사이와 제2반응물 흡착층 형성 단계 후에 퍼징이 들어갈수도 있는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, Si등을 포함하는 기본적인 단원자층뿐아니라, 다양한 질화물, 금속산화물 및 금속막 증착에 이용될수 있으며, 이러한 물질들은 반도체소자의 제조 공정 중 게이트유전막(산화막), 게이트전극, 캐패시터 전극, 캐패시터 유전막, 확산배리어막, 금속배선등에 효과적으로 이용될수 있는 장점이 많다.
질화물의 경우 대표적으로 TiN이 있으며, SiN, ZrN, TaN, GaN, WN, WBN, Ya3N5, WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN, AlTiN있으며, 금속막으로는 Al, Cu, Mo, Ir, W, Ag, Ta, Pt, Ir등이 있다.
금속산화막은 반도체소자 제조공정 중 게이트유전막에서 기존에 사용하던 SiO2가 junction 기능저하를 가져올수 있는 문제점이 발견되면서 금속산화막으로 대 체하려는 연구가 현재 진행중에 있으며, 이러한 물질들은 Ta2O5, Ta2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ya2O3, La2O3, Nb2O5, CeO2, SiO2, Al2O3, In2O3, RuO2, IrO2, SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba, Sr)TiO3, Pb(Zr, Ti)O3, (Pb, La)(Zr, Ti)O3, (Sr, Ca)RuO3, (Ba, Sr)RuO3 등이 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 첨부하는 특허청구범위의 기술적 사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 형태로 변경하여 실시할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 실시예들은 단지 본 발명의 개시가 보다 완전하도록 하며, 당업자에게 본 발명의 범주를 보다 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 증착장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 도 1의 이온소오스 및 그리드에 대한 사시도이고, 도 3은 도 1의 반사체에 대한 사시도이다. 도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 단순화시킨 도면이다.
본 발명은 중성빔에 대한 상기 이론적 근거를 토대로 나노미터급 반도체소자의 ALD 공정에 보다 바람직한 조건을 구현한 것으로써, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 사용되는 증착장치에 대하여 구체적으로 살펴본다.
도 1을 참조하면, 이온소오스(10)로부터 발생된 이온빔이 이온빔의 진행경로 상 이온소오스(10)의 후단에 위치하는 그리드(14)의 일정한 직경을 갖는 복수개의 그리드홀(14a)을 통과한 후 반사체(40)내에 형성된 반사체홀(42)의 표면에 반사된 후 중성빔으로 전환되고, 피처리기판(20)으로 입사되어 피처리기판(20)상의 특정 물질층을 조사한다.
상기 이온소오스(10)는 가스 주입구(11)를 통해 주입된 각종 반응가스로부터 이온빔을 발생시킬 수 있는 것으로, 본 실시예에서는 유도코일(12)에 유도전력을 인가함으로써 플라즈마를 발생시키는 유도결합형 플라즈마(ICP) 발생장치를 사용하였으며, 다양한 형태로 변형된 이온소오스를 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 이온소오스(10)의 후단부에는 전압인가에 의해 이온빔을 가속시킬 수 있으며, 동시에 이온빔이 통과될 수 있는 복수개의 그리드홀(14a)이 형성된 그리드(14)가 결합되어 있다.
상기 그리드(14)의 후단에는 입사되는 이온빔을 반사시켜 중성빔으로 전환시켜주는 반사체(40)가 밀착되어 있다. 상기 반사체(40)의 재질은 반도체, 금속 등 전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 반사체(40) 내의 반사체홀(42)의 표면만이 이들 재질로 구성될 수도 있다. 또한, 상기 반사체의 재질은 DLC, glassy carbon 등의 도전체 경면 또는 금속기판으로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 그리드홀(14a)을 통과하여 직진하는 이온빔이 상기 반사체홀(42) 내에서 반사되도록 상기 반사체홀(42)들은 이온빔의 직진 방향에 대하여 일정한 각도로 경사져 있다.
상기 반사체(40)는 입사된 이온빔에 의해 발생되는 전하의 방전을 위해 접지 되는 것이 바람직하다. 또한, 도 3에 있어서는 원통형으로 도시되어 있지만, 상기 반사체(40)는 반드시 원통형으로 한정되는 것은 아니며 다양한 형태, 예를 들어 사각형 등의 다각형 기둥 형태로 제작될 수 있다.
또한, 도 3에 있어서는, 상기 반사체홀(42)이 원통형상으로 도시되어 있지만 이에 한정하지 않고 직사각 또는 다각형 등의 다양한 기둥 형태의 반사체홀(42)이 형성될 수 있음을 물론이다. 특히, 본 발명자들은 실제의 식각장치를 구현할 때, 본원 발명자의 특허 출원번호 제2003-0042116(03.06.26)에 기재된 바와 같이 상기 반사체홀(31) 대신 반사체(40) 내부에 슬릿부를 형성하고 있다. 이와 같은 슬릿부의 형성에 의하면 반사체 부분의 공간 협소화 문제가 해결된다. 본 발명에 있어서는 상기 다양한 형상의 반사체홀(14) 및 슬릿부를 모두 용어 '반사체홀'로 기재한다.
한편, 상기 반사체홀의 경사는 상기 그리드홀을 통과한 후 직진하는 이온빔이 반사체홀(42)내에서 한번만 반사되도록 형성한다. 본 실시예에서 상기 반사체홀의 경사는 반사체홀의 내표면에 입사되는 이온빔의 입사각이, 적어도 15° 이내로 되게 하고, 바람직하게는 적어도 3°내지 15°범위내가 되도록 구성한다. 상기 이온빔의 입사각이 적어도 3°내지 15°범위인 것은 반사체홀의 표면에 대하여 수직한 법선을 기준으로 한 입사각이 적어도 75°내지 87°임을 의미한다.
또한, 상기 반사체내의 반사체홀의 표면에서 반사되는 중성빔의 반사각은 40° 이내로 되고, 바람직하게는 5°내지 40° 범위 내가 되도록 구성한다.
본 발명 출원인의 선출원에 의하면, 이상과 같은 입사각 및 반사각 조건에서 최적의 중성빔 플럭스량을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 반사체(40)로부터 반사되어 전환된 중성빔의 진행경로상에 피처리기판(20)이 배치된다. 상기 피처리기판(20)은 도시생략된 진공장치에 의해 일정한 진공도로 유지되는 반응챔버(50)내의 스테이지(60)상에 안착되는데, 이러한 스테이지(60)는 중성빔의 진행경로에 대하여 수직방향으로 배치될 수도 있으며, 증착공정의 종류에 따라 일정한 각도로 경사지게(tilting) 배치될 수 있도록 그 위치 및 방향이 제어되도록 설치될 수 있다. 한편, 상기 반응챔버(50)에는 다양한 가스 주입을 위한 가스 주입구(51)가 형성되며, 상기 스테이지(60)에는 피처리기판(20)을 가열하기 위한 히터(61)가 구비된다.
이하, 상기된 중성빔을 이용한 원자층 증착장치를 이용한 일실시예에 따른 ALD공정을 개략적으로 설명한다. 이하의 실시예에 있어서는 피처리기판(20)에 화학적으로 흡착되지 않는 물질로 할로겐족 원소를 선택하였으며, 이에 따라 제1반응가스로 할로겐족 원소를 함유하는 가스를 선택하였고, 제2반응가스로서는 상기 할로겐족 원소와 반응하여 이를 피처리기판 상에서 제거할 수 있는 가스를 선택하였으며, 상기 할로겐족 원소 및 그 밖의 부산물을 제거하는 퍼지가스로는 피처리기판(20) 상에 증착된 물질과 반응하지 않는 불활성가스를 선택하였다. 한편, 이러한 가스들은 실시예의 변형에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 이하의 일 실시예는 본 발명을 구현하는 한 형태로 이해하는 것이 바람직하다.
이하, 도 4를 참조로 본 발명의 ALD공정을 상세히 설명한다. 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 ALD 공정으로 박막을 증착하는 방법을 설명하기 위해서 공정 순서에 따른 피처리기판(20)의 상태를 도시한 단면도들이다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 반도체 소자 제조를 위하여 박막을 형성하는 데 필요한 제1반응가스(21)를 피처리기판(20)상에 공급하여, 제1반응물 흡착층(22)을 형성한다. 상기 제1반응가스(21)는 통상적으로 할로겐족 원소, 예를 들면 염소(Cl) 원자를 포함하는 전구체이다. 그 결과, 상기 피처리기판(20) 상에는 할로겐족 원소를 포함하는 제1반응물 흡착층(22)이 화학적으로 흡착(또는 증착)되어 형성된다(제1반응가스 공정).
이러한 공정을 자세히 설명하면, 상기 반응챔버(50) 내의 히터(61)를 구비한 스테이지(60) 상에 피처리기판(20)을 로딩한 후, 상기 히터(61)를 동작시켜 상기 반응챔버(50) 또는 피처리기판(20)을 450℃ 이하의 비교적 저온으로 유지하고 챔버 압력을 1torr 이하로 유지시킨 상태에서 실리콘막을 형성하는데 필요한 제1반응가스로(21), 예컨대 SiCl4를 반응챔버의 주입구(51)를 통해 60초 동안 상기 피처리기판(20)상에 공급하였다. 이때, 상기 피처리기판(20)상에는 실리콘 원자가 화학흡착된 상태로 Si-Cl 결합을 포함하는 제1반응물 흡착층(22)이 형성된다.
한편, 상기 피처리기판(20)상에 형성하고자 하는 박막의 종류에 따라, 예컨대 SiCl4, TiCl4, SiH2Cl2, Si2Cl6, TaCl3, AlCl3, Al(CH3)2Cl, ZrCl4, HfCl4 등 metal-할로겐원소 형태로 이루어진 가스그룹에서 선택된 제1반응가스를 공급할 수 있다.
예를 들면, 상기 피처리기판(20)상에 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막을 형성하고자 하는 경우에는 상기 제1반응가스(21)로서 실리콘 소오스 가스인 SiCl4, SiH2Cl2 또는 Si2Cl6 를 공급한다. 상기 피처리기판(20)상에 Ta2O5막을 형성하고자 하는 경우에는 상기 제1반응가스(22)로서 TaCl3를 공급할 수 있다. 또한, 상기 피처리기판(20)상에 Al2O3막을 형성하고자 하는 경우에는 상기 제1반응가스(21)로서 AlCl3를 공급할 수 있다.
한편, 상기와 같은 제1반응가스를 이용하여 Si등의 단원자층뿐만 아니라, TiN, SiN, ZrN, TaN, GaN, WN, WBN, Ya3N5, WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN, AlTiN등의 질화막, Al, Cu, Mo, Ir, W, Ag, Ta, Pt, Ir등의 금속막 및 Ta2O5, Ta2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ya2O3, La2O3, Nb2O5, CeO2, SiO2, Al2O3, In2O3, RuO2, IrO2, SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba, Sr)TiO3, Pb(Zr, Ti)O3, (Pb, La)(Zr, Ti)O3, (Sr, Ca)RuO3, (Ba, Sr)RuO3 등의 금속산화막을 증착할수 있다.
그 다음, 도 4b를 참조하면, 상기 할로겐 원소를 포함하는 제1반응물 흡착층(22)이 화학적으로 흡착된 피처리기판(20) 상에 잔존하는 부산물을 제거하기 위하여 불활성가스(23), 예를 들면 질소 가스를 상기 반응챔버(50)의 주입구(51)를 통해 공급하여 퍼지(purge)한다(퍼지 공정). 상기 부산물을 제거하기 위하여 퍼지 공정 대신 펌핑(pumping) 공정을 이용할 수도 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 Si-Cl 결합을 포함하는 제1반응물 흡착층(22)이 형성된 반응챔버(50) 내의 피처리기판(20)상에, 예컨대 N2 가스(23)를 30초 동안 공급하여 퍼지함으로써 상기 피처리기판(20)상에 잔존하는 부산물을 제거하였다. 퍼지된 부산물은 도시생략된 배출구를 통해 배출된다.
그 다음, 도 4c를 참조하면, 상기 제1반응물 흡착층(22)이 형성된 피처리기판(20) 상에 화학적으로 흡착되지 않는 염소와 반응하는 제2반응가스(24), 예컨대 수소 가스(24)를 공급한다(제2반응가스 공정).
한편, 피처리기판(20)에 화학적으로 흡착되지 않는 물질에 따라서, 즉 제1반응가스에 따라서, 제2반응가스로는 상기 수소 이외에 산소, 질소, CH계(예컨대, 암모니아) 등의 가스가 공급될 수 있다.
상세히 설명하면, 수소 가스(24)를 상기 이온소오스(10)의 주입구(11)를 통해 이온소오스(10) 내로 주입하고, RF장치(12)에 의해 수소 가스(24)를 플라즈마화한 후, 하부의 반사체(40)쪽으로 가속시킨 후, 반사체의 반사체홀(14a)의 표면에 반사시켜서 중성빔을 생성한다. 이때 중성화반응은 상기 명시된 반사체에 의해 생성된 것뿐 아니라 재결합, 또는 차지 익스체인지등에 의해 생성될수 있음은 물론이다. 이어서, 이와 같이 생성된 중성빔은 상기 제1반응물 흡착층(22)에 결합되어 있는 할로겐족 원소, 예컨대 염소와 반응함으로써 상기 제1반응물 흡착층(22)으로부터 할로겐족 원소가 제거되어 상기 피처리기판(20)상에는 할로겐족 원소가 제거된 제2반응물 흡착층(25)이 남게된다.
이때, 제1반응물 흡착층(22)이 형성된 피처리기판(20) 상에 공급되는 중성빔 은 60초 동안 공급하며, 상기 RF장치(12)에 인가된 RF 파워는 40watt로 했다. 이때, 염소 원자는 HCl의 형태로 되어 상기 제1반응물 흡착층(22)으로부터 분리되고, 상기 피처리기판(20)상에는 실리콘 원자로만 이루어지는 제2반응물 흡착층(25)이 남게 된다.
그 다음, 도 4d를 참조하면, 상기 할로겐족 원소가 제거된 제2반응물 흡착층(25)이 증착된 피처리기판(20) 상에 잔존하는 부산물을 제거한다(퍼지 공정). 이를 위하여, 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이, 불활성 가스(26)를 이용하여 퍼지하거나, 또는 펌핑 공정을 이용하여 제거한다.
즉, 상기 할로겐 원소를 포함하는 제2반응물 흡착층(25)이 화학적으로 흡착된 피처리기판(20) 상에 잔존하는 부산물(HCl)을 제거하기 위하여 불활성가스(26), 예를 들면 질소 가스를 상기 반응챔버(50)의 주입구(51)를 통해 공급하여 공정 부산물을 퍼지(purge)한다. 상기 부산물을 제거하기 위하여 퍼지 공정 대신 펌핑(pumping) 공정을 이용할 수도 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 HCl 결합을 포함하는 제2반응물 흡착층(25)이 형성된 피처리기판(20) 상에, 예컨대 N2 가스(23)를 30초 동안 공급하여 퍼지함으로써 상기 피처리기판(20)상에 잔존하는 부산물을 제거하였다. 퍼지된 부산물은 도시생략된 배출구를 통해 배출된다.
한편, 원하는 두께를 가지는 박막이 얻어질 때까지 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명한 과정으로 이루어지는 하나의 사이클을 복수회 반복한다.
에 따라, 제2반응물 흡착층(25), 예컨대 소정 두께의 실리콘막(25)이 피처리 기판(20) 상에 증착된다.
기된 바와 같은 기술 내용(중성빔을 이용한 원자층 증착장치 및 이 장치를 이용한 원자층 중착방법)은, 에너지를 갖는 다양한 반응성 또는 비반응성 이온을 물체에 반사, 재결합, 차지 익스체인지(charge exchange) 등으로 중성화시켜 이를 ALD 공정에 이용하게 되면, 저온에서 차징에 의한 손상 없이 공정을 수행할 수 있고, 증착가능한 물질로는 Si등을 포함하는 기본적인 단원자층뿐아니라, 다양한 질화물, 금속산화물 및 금속막에 이용될수 있으며, 이러한 물질들은 반도체소자의 제조 공정 중 게이트유전막(산화막), 게이트전극, 캐패시터 전극, 캐패시터 유전막, 확산배리어막, 금속배선등에 효과적으로 이용될수 있는 장점이 많다.
통상, 원자층 증착 공정에 있어서는, 제2반응가스를 주입하여 고온에서 반응을 일으키거나, 제2반응가스를 플라즈마화한 플럭스를 사용하고 있는데, 이때 플라즈마의 사용에 따라 이온 또는 전자에 의한 차징이 플라즈마화에 따라서 발생할 수 있으며, 제2반응가스를 그대로 주입한 경우는 ALD 공정의 제2반응가스 공정이 고온에서 이루어지게 되는 문제점이 있었다. 또한 차징의 문제점을 극복하기 위해서, 리모트 플라즈마 (remote plasma)를 이용하는 방법이 개시되고 있지만, 리모트 플라즈마를 이용하는 경우에는 플럭스와 에너지가 감소하는 문제점이 발생하고 있었다. 이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 제2반응가스를 중성화하고자 하였다. 이때 상기 중성빔은 에너지를 갖는 이온을 반사체 에 반사시켜 생성하거나, 재결합 또는 차지 익스체인지를 통해 생성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 이러한 내용을 적용하게 될 경우 저온에서, 차징에 의한 손상 없이 공정을 수행할 수 있고, 이에 따라 Si등을 포함하는 기본적인 단원자층뿐아니라, 다양한 질화물, 금속산화물 및 금속막 증착에 이용될수 있으며, 이러한 물질들은 반도체소자의 제조 공정 중 게이트유전막(산화막), 게이트전극, 캐패시터 전극, 캐패시터 유전막, 확산배리어막, 금속배선등에 효과적으로 이용될수 있는 장점이 많다.

Claims (25)

  1. 주입구를 통해 주입된 가스로부터 극성을 갖는 이온빔을 추출하는 이온소오스와,
    주입구를 통해 가스가 주입될 수 있으며, 상기 중성빔의 진행경로상에 피처리기판을 위치시킬 수 있는 스테이지를 포함하는 반응챔버를 구비하여 구성되는 증착장치에 있어서,
    제1반응가스가 상기 반응챔버의 주입구로 주입되어 상기 피처리기판과 반응한 후, 제2반응가스가 상기 이온소오스의 주입구로 주입되어 중성빔으로 된 후, 피처리기판에 조사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중성빔은 에너지를 갖는 이온을 반사체에 반사시켜 생성하거나, 재결합 또는 차지 익스체인지를 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이온소오스의 한쪽 단부에 위치하며, 특정 극성의 이온빔을 가속시키는 복수개의 그리드홀이 형성된 그리드 어셈블리와,
    상기 그리드 어셈블리의 그리드홀에 대응하는 복수개의 반사체홀 또는 슬릿부가 형성되어 있으며, 상기 그리드홀을 통과한 이온빔을 상기 반사체홀 또는 슬릿부 내에서 반사시켜 중성빔으로 전환시켜주는 반사체를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 그리드홀의 직경에 비하여 상기 반사체홀 또는 슬릿부들의 직경이 같거나 더 큰 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 그리드홀들을 통과하여 직진하는 이온빔이 상기 반사체홀 또는 슬릿부 내에서 반사되도록 상기 반사체홀 또는 슬릿부들은 이온빔의 직진 방향에 대하여 일정한 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 반사체홀 또는 슬릿부들은 상기 반사체내에서 상기 반사체의 중심선에 대하여 일정한 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 이온소오스는 용량결합(capacitively coupled) RF형 이온소오스나, 헬리콘 웨이브 결합 이온소오스, 음이온 소오스, 전자-사이크로트론 반응기(ECR) 이온소오스 또는, 유도결합형 플라즈마 소오스 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 반사체홀 또는 슬릿부는 원통형상 또는 직사각기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  9. 제3항에 있어서, 상기 반사체 내의 반사체홀 또는 슬릿부의 표면에 입사되는 이온빔의 입사각이 15°이내의 범위인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  10. 제3항에 있어서, 상기 반사체 내의 반사체홀 또는 슬릿부의 표면에서 반사되는 이온빔의 반사각이 40° 이내인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  11. 제3항에 있어서, 상기 반사체의 재질은 반도체기판, DLC, glassy carbon 등의 도전체 경면 또는 금속기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 중성빔 증착장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 반응챔버에는 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질과 화학적으로 흡착되는 물질을 포함하는 제1반응가스와, 불활성 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  13. 제1항 또는 제12항에 있어서, 상기 이온소오스에 주입되는 가스는 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 제거하기 위한 제2반응가스인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  14. 제13항에 있어서, 이온소오스에 주입된 제2반응가스는 플라즈마화되어 이온빔을 형성한 후, 반사체에 반사되거나 재결합 또는 차지 익스체인지를 통해 중성빔으로 된 후, 피처리기판에 조사되어, 상기 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 피처리기판으로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착장치.
  15. 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응가스를 피처리기판이 로딩된 반응챔버 내에 공급하여, 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응물 흡착층을 피처리기판 상에 화학적으로 흡착시켜서 형성하는 단계와,
    상기 제1반응물 흡착층이 형성된 피처리기판 상에 제2반응가스를 중성빔으로 생성하여 이를 조사하여, 화학적으로 피처리기판 상에 흡착되지 않는 물질을 제1반응물 흡착층으로부터 제거하여 제2반응물 흡착층을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 중성빔은 에너지를 갖는 이온을 반사체에 반사시켜 생성하거나, 재결합 또는 차지 익스체인지를 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제1반응물 흡착층 형성 단계 및 상기 제2반응물 흡착층 형성 단계 후, 반응챔버에 상기 불활성가스를 주입하여 제1 및 제2반응물 흡착 층 형성 단계에서 발생되는 부산물을 제거하는 퍼지 단계를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제1반응물 흡착층 형성단계에서 주입되는 제1반응가스는 SiCl4, TiCl4, SiH2Cl2, Si2Cl6, TaCl3, AlCl3, Al(CH3)2Cl, ZrCl4, HfCl4, TaCl3 등 Metal-할로겐 원소의 형태를 가지는 가스중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제2반응가스는 수소, 산소, 질소, CH계 (예, 암모니아) 가스 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  20. 제15항 또는 제19항에 있어서, 제2반응물 흡착층 형성 단계에서 피처리기판에 조사되는 중성빔은, 이온소오스에 의해 수소, 산소, 질소, CH계 (예, 암모니아) 가스등을 플라즈마화하여 이온빔을 생성하고, 이 이온빔을 반사체에 반사되거나 재결합 또는 차지 익스체인지를 통해 중성빔으로 생성된 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  21. 제17항에 있어서, 퍼지 단계에서 반응챔버에 주입되는 불활성가스는 아르곤,질소, 헬륨 가스등인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 제1반응물 흡착층 형성단계와, 퍼지 단계, 제2반응물 흡착층 형성 단계 및, 퍼지 단계가 하나의 사이클로 반복되는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  23. 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응가스를 피처리기판이 로딩된 반응챔버 내에 공급하여, 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응물 흡착층을 피처리기판 상에 화학적으로 흡착시켜서 형성하는 단계와,
    상기 제1반응물 흡착층이 형성된 피처리기판 상에 제2반응가스에 의해 생성된 중성빔을 조사하여, 화학적으로 피처리기판 상에 흡착되지 않는 물질을 제1반응물 흡착층으로부터 제거하여 제2반응물 흡착층을 형성하는 단계로 이루어지는 원자층 증착장치를 이용한 증착방법을 통해,
    Si등을 포함하는 기본적인 단원자층뿐아니라, 다양한 질화물, 금속산화물 및 금속막 증착에 이용할수 있는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  24. 제23항에 있어서, 질화물의 경우 TiN, SiN, ZrN, TaN, GaN, WN, WBN, Ya3N5, WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN, AlTiN이고, 금속막은 Al, Cu, Mo, Ir, W, Ag, Ta, Pt, Ir, 금속산화막은 기존의 SiO2를 대체할수 있는 Ta2O5, Ta2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ya2O3, La2O3, Nb2O5, CeO2, SiO2, Al2O3, In2O3, RuO2, IrO2, SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba, Sr)TiO3, Pb(Zr, Ti)O3, (Pb, La)(Zr, Ti)O3, (Sr, Ca)RuO3, (Ba, Sr)RuO3 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
  25. 피처리기판에 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응가스를 피처리기판이 로딩된 반응챔버 내에 공급하여, 화학적으로 흡착되지 않는 물질을 포함하는 제1반응물 흡착층을 피처리기판 상에 화학적으로 흡착시켜서 형성하는 단계와,
    상기 제1반응물 흡착층이 형성된 피처리기판 상에 제2반응가스에 의해 생성된 중성빔을 조사하여, 화학적으로 피처리기판 상에 흡착되지 않는 물질을 제1반응물 흡착층으로부터 제거하여 제2반응물 흡착층을 형성하는 단계로 이루어지는 중성 빔 증착방법에 있어서,
    에너지를 갖는 다양한 반응성 또는 비반응성 이온을 물체에 반사, 재결합, 차지 익스체인지(charge exchange) 등으로 중성화시켜, Si등을 포함하는 기본적인 단원자층뿐아니라, 다양한 질화물, 금속산화물 및 금속막 증착에 이용하며, 이러한 물질들은 반도체소자의 제조 공정 중 게이트유전막(산화막), 게이트전극, 캐패시터 전극, 캐패시터 유전막, 확산배리어막, 금속배선등에 효과적으로 이용될수 있는 특징으로 하는 중성빔을 이용한 원자층 증착방법.
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