KR20070027888A - Film forming method using a highly activated atom source and film thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 박막 형성 방법에 후속 공정으로 고활성화된 아톰 소스를 이용하는 것에 대한 순서도.1 is a flow chart for using a highly activated atom source in a subsequent process in a thin film forming method according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 박막 증착 공정 중에 고활성화된 아톰 소스를 이용하는 것에 대한 순서도이다.2 is a flow chart for using a highly activated atom source during a thin film deposition process according to a second embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체의 제조상에서 나타나는 여러 박막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 고활성화된 아톰 소스를 이용하여 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for forming various thin films appearing in the manufacture of semiconductors, and more particularly, to a method for forming thin films using a highly activated atom source.
일반적으로 고체인 실리콘 기판 위에 여러 가지의 반도체 재료를 증착시키는 방법에는 CVD, ALD(Atomic Layer Deposition), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 및 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등이 있다.Methods of depositing various semiconductor materials on generally solid silicon substrates include CVD, atomic layer deposition (ALD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and reactive sputtering.
CVD는 실리콘 기판 위에서 서로 반응하는 기체를 혼합시킴으로써 화학 작용을 일으켜 원하는 물질을 기판 위에 증착시키는 방식이다.CVD is a method of chemically depositing a desired material onto a substrate by mixing gases that react with each other on a silicon substrate.
ALD 기술은 2종 이상의 반응 가스를 펄스 형태로 시분할하여 공급하고 증착하는 방식이다. 각 반응가스 펄스 사이에는 불활성 기체를 이용한 퍼지(purge) 펄스를 삽입하여 기판 표면에 화학 흡착된 분자 외에는 반응에 참여할 수 없도록 배제하여 표면 반응을 유도한다. 이러한 펄스의 조합을 반복하여 주입하면, 필요한 조성과 두께를 형성할 수 있다. ALD는 증착 제어력이 탁월하다는 점에서 차세대 박막 증착 방식으로 기대를 모으고 있다. ALD 공정에서 화학 반응 물질은 CVD에서와 마찬가지로 증착 챔버에 가스 형태로 공급된다.ALD technology is a method of time-division supplying and depositing two or more reaction gases in pulse form. A purge pulse using an inert gas is inserted between each reaction gas pulse to induce a surface reaction by excluding the chemically adsorbed molecules from participating in the reaction. By injecting such a combination of pulses repeatedly, the necessary composition and thickness can be formed. ALD is looking forward to the next generation of thin film deposition because of its excellent deposition control. In the ALD process, the chemical reactants are supplied in gaseous form to the deposition chamber as in CVD.
CVD를 이용한 막 증착의 경우, 막 성장에 요구되는 모든 반응 물질들이 웨이퍼 표면에 노출되면서 박막을 형성한다. 이에 반해, ALD의 경우 반응 물질은 펄스 형태로 공급되며 유동 상태에서 퍼지 가스에 의해 서로 격리된다. 이 때, 각 반응 물질의 펄스가 웨이퍼 표면과 화학적 반응을 일으키며 정밀한 단층 막 성장을 구현한다. ALD는 Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체, SiO2, 금속 산화막, 금속 질화막 등 다양한 재료의 증착에 이용되어 왔다. ALD는 또한 Al, Ta, Hf 등 금속과 산소, 질소 등 비금속 성분이 포함된 막의 증착에도 이용되고 있다.In the case of film deposition using CVD, all the reactants required for film growth are exposed on the wafer surface to form a thin film. In contrast, in the case of ALD, the reactants are supplied in pulsed form and are isolated from each other by purge gases in the flow state. At this time, a pulse of each reactant chemically reacts with the wafer surface to achieve precise monolayer film growth. ALD has been used for the deposition of various materials such as II-VI, III-V compound semiconductors, SiO 2 , metal oxide films, and metal nitride films. ALD is also used for the deposition of films containing metals such as Al, Ta, Hf and nonmetallic components such as oxygen and nitrogen.
ALD 기술은 반응 가스의 시분할 공급과 흡착을 이용한 자기 제어 표면 반응(self-limited reaction) 특성에 의해서, CVD 보다 저온에서 공정이 가능하고, 우수한 표면 피복율과 대면적에서의 균일성을 갖고, 파티클 형성을 억제하고, 정확하고 정밀한 박막의 두께와 조성을 조절할 수 있는 장점을 가진다.ALD technology is capable of processing at lower temperatures than CVD due to self-limited reaction characteristics using time-divided supply and adsorption of reaction gas, and has excellent surface coverage and uniformity in large areas. It has the advantage of suppressing the formation and controlling the thickness and composition of the thin film accurately and precisely.
MOCVD는 챔버 안에서 가열된 기판 표면에 증기압이 높은 금속 유기 화합물 증기를 보내어 원하는 박막을 성장시키는 방식이다. MOCVD는 스텝 커버리지가 우수하고, 기판이나 결정 표면에 손상이 없다는 장점을 가지고 있고, 비교적 증착 속도가 빨라서 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 고순도, 고품질의 박막을 성장시킬 수 있고 생산성도 우수하다. MOCVD는 현재 널리 활용되기 시작한 대형 전광판 및 색채 영상, 그래픽, 표시 소자, 교통 신호등 등에 이용되는 발광 소자를 생산하는데 필수적이고, 특히 강유전 물질을 이용한 메모리 소자의 제작에도 사용된다.MOCVD is a method of growing a desired thin film by sending a high vapor pressure metal organic compound vapor to the heated substrate surface in the chamber. MOCVD has the advantages of excellent step coverage, no damage to the substrate or the crystal surface, and a relatively high deposition rate which can shorten the process time. Therefore, high purity, high quality thin film can be grown and productivity is excellent. MOCVD is essential to produce light emitting devices used for large display boards, color images, graphics, display devices, traffic signals, etc., which are currently widely used, and are also used for manufacturing memory devices using ferroelectric materials.
스퍼터링은 이온화된 원자를 타겟 물질에 충돌시켜 입자가 튀어나오게 함으로써 증착하는 기술이다.Sputtering is a technique in which an ionized atom is deposited by colliding with a target material to cause particles to pop out.
반도체를 제조하는데 있어서는 유전막이나 금속막과 같은 여러 층의 박막을 형성하여야 하며, 이에 따라 유전막에는 산화 공정, 금속막에는 질화 공정과 같은 후속 공정이 추가되고, 또한 박막을 형성한 후에 박막의 특성 개선을 위하여 열처리, 이온 조사, 플라즈마 처리 같은 후속 처리 공정을 거친다. 이렇게 박막을 형성하는 기존 방법들은 막의 불순물 혼입, 막 고르기의 저하, 막 밀도 저하와 같은 문제를 내포하고 있고, 이를 개선하기 위한 방법들이 모색되고 있다. 이러한 반도체에 응용되고 있는 기존의 방법은 신뢰성의 저하, 그로 인한 생산비 증가라는 문제도 있다.In manufacturing a semiconductor, a thin film of several layers such as a dielectric film or a metal film should be formed. Accordingly, a subsequent process such as an oxidation process is added to the dielectric film and a nitriding process to the metal film, and the characteristics of the thin film are improved after the thin film is formed. For the treatment, subsequent treatments such as heat treatment, ion irradiation, and plasma treatment are performed. Existing methods for forming a thin film include problems such as impurity incorporation of the film, lowering of film uniformity, and lowering film density, and methods for improving the thin film have been sought. Existing methods applied to such semiconductors also have a problem of lowering reliability and increasing production costs.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 산화막이나 질화막과 같은 여러 박막을 형성시켜 반도체의 소자에 적용하는데 있어서 막질을 개선하여 단점을 보완하고 박막을 형성하는 재료 의 장점을 최대화할 수 있는 박막 형성 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems and the technical problem to be achieved by the present invention is to form a thin film such as an oxide film or a nitride film to improve the film quality in application to the device of the semiconductor to compensate the disadvantages and form a thin film It is to provide a thin film formation method that can maximize the advantages of the material.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 실리콘 기판 상에 실리콘 산화막(SiOx), 메탈(M), 메탈 산화막(MxOy), 메탈 실리케이트 박막(M1-xSixO2) 중 적어도 어느 하나의 박막을 형성하는 단계에서 박막의 성질을 최적화하기 위하여 고활성화된 아톰 소스를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고활성화된 아톰 소스를 이용한 박막 형성 방법에 의해 달성될 수 있다.An object of the present invention as described above, at least any one of a silicon oxide film (SiO x ), a metal (M), a metal oxide film (M x O y ), a metal silicate thin film (M 1-x Si x O 2 ) on a silicon substrate. It can be achieved by a thin film forming method using a high activated atom source, characterized in that using the high activated atom source to optimize the properties of the thin film in the step of forming a single thin film.
그리고, 아톰 소스 처리 공정에는 N2, O2, NH3, NO 중 적어도 하나 이상의 가스를 이용하는 것이 가능하다.In addition, at least one gas of N 2 , O 2 , NH 3 , and NO may be used in the atom source treatment step.
또한, 본 발명의 또 다른 관점으로서, 기판 상에 산화막 또는 질화막을 형성하는 단계; 및In addition, as another aspect of the invention, forming an oxide film or a nitride film on a substrate; And
고활성화된 아톰 소스를 상기 성막된 산화막 또는 질화막 위에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고활성화된 아톰 소스를 이용한 박막 형성 방법에 의해서도 본 발명의 목적은 달성될 수 있다.The object of the present invention can also be achieved by a method for forming a thin film using a highly activated atom source, comprising irradiating a highly activated atom source onto the deposited oxide or nitride film.
그리고, 본 발명의 또 다른 관점으로서, 기판 상에 ALD, CVD, MOCVD 중 적어도 어느 하나의 소스를 주입하는 단계;And, as another aspect of the invention, the step of injecting at least one source of ALD, CVD, MOCVD on the substrate;
고활성화된 아톰 소스를 조사하여 산화막 또는 질화막을 성막하는 단계; Irradiating the highly activated atom source to form an oxide film or a nitride film;
최적의 박막 성질이 얻어졌는지를 판단하는 단계; 및Determining whether optimal thin film properties have been obtained; And
판단결과에 기초하여, 만약 최적조건의 박막성질이 아닌 경우 상기 주입단계로 피드백하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고활성화된 아톰 소스를 이용 한 박막 형성 방법에 의해서도 본 발명의 목적이 달성될 수 있다.Based on the determination result, if it is not the optimum thin film quality, the step of feeding back to the injection step; the object of the present invention can be achieved by a thin film forming method using a highly activated atom source, comprising a Can be.
그리고, 아톰 소스를 도입하여 성막된 막은 원자층 증착 기술, 화학 기상 증착 기술, 유기 금속 화학 기상 증착 기술, 반응성 스퍼터링 기술중 하나를 사용하여 얻어진다.The film formed by introducing the atom source is obtained using one of an atomic layer deposition technique, a chemical vapor deposition technique, an organometallic chemical vapor deposition technique, and a reactive sputtering technique.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용을 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the configuration and operation of the present invention.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 박막 형성 방법에 후속 공정으로 고활성화된 아톰 소스를 이용하는 것에 관한 순서도이다.1 is a flow chart of using a highly activated atom source in a subsequent process in a thin film forming method according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 원자층 증착(ALD), 화학 기상 증착(CVD), 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD)과 같은 박막 형성 과정 중에 고활성화된 아톰 소스를 이용하여 박막을 제조하는 방법에 관한 순서도이다.FIG. 2 illustrates a thin film using an atom source highly activated during thin film formation, such as atomic layer deposition (ALD), chemical vapor deposition (CVD), or organometallic chemical vapor deposition (MOCVD), according to a second embodiment of the present invention. It is a flowchart regarding the manufacturing method.
아톰 소스를 이용하는 이유는 다음과 같다.The reasons for using atom source are as follows.
예를 들어 플라즈마를 이용한 공정의 경우, 플라즈마라는 것 자체가 이온화된 빔을 말한다. RF(Radio Frequency)를 이용하여 플라즈마를 만들거나 MW(Microwave)를 이용하여 만들거나에 상관없이 이것은 중성의 원자에서 전자를 떼어내어 이온화시켜서 플라즈마를 만든다. 이 경우 아톰 소스에 비하여 더 큰 에너지를 가지게 되며 또한 방향성을 가지게 된다. 따라서 플라즈마의 높은 에너지와 방향성으로 말미암아 증착하고자 하는 시편에 손상을 줄 수 있다. 특히 게이트 옥사이드와 같이 얇은 박막에서는 그러한 손상 효과가 더 크게 나타날 수 있다.For example, in the case of a process using a plasma, the plasma itself refers to an ionized beam. Regardless of whether it is made using RF (Radio Frequency) or MW (Microwave), it creates a plasma by separating electrons from neutral atoms and ionizing them. In this case, it has more energy and directivity than the atom source. Therefore, the high energy and directivity of the plasma may damage the specimen to be deposited. Especially in thin films such as gate oxides, such damaging effects may be greater.
이에 반해, 아톰 소스를 이용하는 경우, 이것은 이온화된 빔이 아니라 단순히 전자를 들뜬 상태로 만들어 활성화시킨 상태이므로 다른 물질과 만났을 때 반응성은 좋지만 높은 에너지를 가지는 것은 아니기 때문에 이온 빔에서와 같은 손상은 감소한다. 플라즈마의 경우에는 소스와 시편 사이에 어떤 전압이 걸려서 형성된 이온 빔을 시편에 충돌시키는데 반해 아톰 소스의 경우에는 아톰 소스를 만드는 장치와 시편 사이가 진공으로 되어 있으면서 시편에 충돌할 수 있게 고안되어 있다.On the other hand, when using an atom source, this is not an ionized beam, but simply activated by excited electrons, so it is highly responsive when it encounters other materials, but it does not have high energy. . In the case of plasma, an ion beam formed by applying a voltage between the source and the specimen collides with the specimen, while in the case of an atom source, the apparatus for making the atom source and the specimen are designed to collide with the specimen while being in a vacuum.
[제 1 실시예][First Embodiment]
도 1을 참조하면, 우선 단결정 제조와 에피택셜 기상 성장이 끝난 웨이퍼를 챔버 내에 로딩하여(S10), 반도체 기판 상에 여러가지 박막을 만들 준비를 한다. 그 다음 기판 상에 산화막, 질화막 등의 막을 형성한다(S12). 다음 단계로 고활성화된 아톰 소스를 조사한다(S14). 상기 아톰 소스에는 N2, O2, NH3, NO 등의 기체 가스가 이용된다.Referring to FIG. 1, first, a single crystal and epitaxial gas phase grown wafers are loaded into a chamber (S10) to prepare various thin films on a semiconductor substrate. Then, an oxide film, a nitride film or the like is formed on the substrate (S12). The next step is to investigate the highly activated atom source (S14). As the atom source, gaseous gases such as N 2 , O 2 , NH 3 , and NO are used.
[제 2 실시예]Second Embodiment
도 2를 참조하면, 우선 챔버 내에 웨이퍼를 로딩하고(S20), 다음 단계로 기판 상에 ALD, CVD, MOCVD 등의 소스를 주입하고(S22), 다음 단계로 실시예 1에서와 같은 기체 가스를 이용하는 고활성화된 아톰 소스를 조사하여 산화막, 질화막 등을 생성하는 공정에 들어간다(S24). 다음 단계는 판단 단계(S26)로 최적의 박막 성질 이 얻어졌는 지를 판단하여 결과가 '아니오' 이면 상기 기판 상에 ALD, CVD, MOCVD 등의 소스를 주입하는 단계(S22)로 피드백하여 다시 아톰 소스를 이용한 박막 형성 공정에 들어간다. 상기 판단 공정(S26)에서 결과가 '예'로 판정되면 고활성화된 아톰 소스를 이용한 박막 형성 공정이 종료한다.Referring to FIG. 2, first, a wafer is loaded into a chamber (S20), and a source of ALD, CVD, MOCVD, etc. is injected onto a substrate (S22), and a gaseous gas as in Example 1 is next. It enters the process of producing the oxide film, nitride film, etc. by irradiating the highly activated atom source used (S24). The next step is to determine whether the optimum thin film properties have been obtained in the determination step (S26), and if the result is no, feed back the source of ALD, CVD, MOCVD, etc. onto the substrate (S22) and feed back the atom source. It enters the thin film formation process using. If the result of the determination in step S26 is YES, the thin film forming process using the highly activated atom source is terminated.
이러한 방법을 이용하면, 기존의 처리 방법과 다른 고활성화된 원자와 라디칼을 이용하기 때문에 박막에 손상을 주는 일 없이 형성되는 박막과 반응을 하게 함으로써, 박막의 특성을 개선하고 신뢰성 저하의 문제점을 해결하여 공정의 단축, 수율의 증가 및 생산비의 절감 등의 효과를 볼 수 있다.This method uses highly activated atoms and radicals that are different from the existing treatment methods, and thus reacts with the thin film formed without damaging the thin film, thereby improving the characteristics of the thin film and solving the problem of deterioration of reliability. By shortening the process, increasing the yield and reduction of production costs can be seen.
상술한 바와 같이 본 발명은 박막을 형성하는데 있어서, 계면의 등가 산화막의 증가 없이 표면 근처에 한정하여 산화와 질화된 박막을 얻을 수 있다. 또한 누설 전류 특성과 후속 열처리시 온도에 의한 불안정 특성을 개선할 수 있다. 본 발명의 방법을 제시함에 있어서, 산화막과 질화막에 국한하여 기술하였으나, 커패시터 절연막, 비휘발성 소자의 플로팅 게이트와 콘트롤 게이트 사이의 절연막과 같은 여러 박막 등 일반적인 박막의 형성과 후속 처리에도 사용할 수 있다.As described above, in the present invention, in forming a thin film, it is possible to obtain an oxidized and nitrided thin film by confining it near the surface without increasing the equivalent oxide film at the interface. In addition, it is possible to improve leakage current characteristics and temperature instability characteristics during subsequent heat treatment. In presenting the method of the present invention, the method is limited to an oxide film and a nitride film, but may be used for the formation and subsequent processing of general thin films such as capacitor insulating films, various thin films such as insulating films between floating gates and control gates of nonvolatile devices.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit of the invention described in the claims below. You will understand.
Claims (7)
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