KR20070076955A - 박막 형성 방법 - Google Patents

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박상기
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주성엔지니어링(주)
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Abstract

본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로, 단일 증착 장치를 이용한 박막 형성 방법에 있어서, 원료 가스와 반응 가스를 동시에 공급하는 증착 공정을 통해 기판 상에 제 1 두께의 박막을 형성하는 단계와, 원료가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 순차적으로 공급하는 ALD 공정을 통해 제 1 두께의 박막 상에 제 2 두께의 박막을 형성하여 목표로 하는 두께의 박막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법을 제공한다. 이와 같이 CVD법 또는 PECVD법 또는 연속 ALD법을 이용한 증착 공정을 통해 박막을 1차 증착 한 다음 노멀 ALD법을 통해 박막을 2차 증착하여 박막 내부의 불순물을 외부로 아웃 가싱할 수 있고 이를 통해 박막의 막질 특성을 향상시킬 수 있다.
CVD, PECVD, ALD, Ti/TiN막, 트리트먼트, Cl함량

Description

박막 형성 방법{Method of forming thin film}
도 1은 종래의 CVD 공정을 통해 제작된 TiN막의 성분 분석을 나타낸 그래프.
도 2는 종래의 CVD 공정 후, NH3 열처리 공정을 실시한 후의 성분 분석을 나타낸 그래프.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 형성 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 5는 제 1 실시예에 따른 공정 가스 공급 순서도.
도 6은 제 1 실시예에 따른 박막 증착 장비의 단면도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공정 가스 공급 순서도.
도 8은 제 2 실시예에 따른 박막 증착 장비의 단면도.
도 9는 제 2 실시예에 따른 박막 증착 장비의 평면 개념도.
도 10은 제 2 실시예의 변형예에 따른 공정 가스 공급 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 기판 121, 122 : Ti막 또는 TiN막
210, 310 : 챔버 220, 320 : 기판 안착 수단
230, 330 : 가스 분사 수단
240, 250, 260, 340, 350, 360 : 가스 공급 수단
본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로, 특히, 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; 이하 CVD라 함)과 단원자층 증착법(atomic layer deposition; 이하 ALD라 함)을 이용한 증착 공정을 단일 장치에서 진행하여 막질을 향상시킬 수 있는 박막 형성 방법에 관한 것이다.
종래의 반도체 소자에서 사용하는 전극층으로 고농도 도핑된 실리콘막을 사용하여 왔다. 하지만 최근 100nm 이하의 선폭을 갖는 반도체 소자에서는 이러한 고농도 도핑된 실리콘막 대신 금속성의 물질막을 사용하고자 이에 관한 연구가 활발히 진행중이다.
그 중에서 가장 적용이 용이한 금속성 물질막으로 Ti막 또는 TiN막을 들 수 있다.
이러한, Ti막 또는 TiN막은 CVD법을 이용하여 약 400 내지 700도의 온도에서 TiCl4가스와, H2 또는 NH3가스를 이용하여 증착된다. 반응가스를 TiCl4 가스로 증착한 Ti막 또는 TiN막 내부에는 증착조건에 따라 다량의 Cl이 잔류할 수 있고, 막질이 저하되는 문제를 발생시킬 수 있다.
현재는 이러한 Cl의 잔류 함량을 줄이기 위해 CVD법을 이용하여 Ti막 및 TiN막을 형성한 다음 H2 또는 NH3 가스를 이용하여 별도의 열처리 공정을 실시하였다.
도 1은 종래의 CVD 공정을 통해 제작된 TiN막의 성분 분석을 나타낸 그래프이고, 도 2는 종래의 CVD 공정 후, NH3 열처리 공정을 실시한 후의 성분 분석을 나타낸 그래프이다.
상기의 그래프는 TiN막을 소정 기판 상에 증착한 다음 스퍼터링을 통해 TiN막 내의 성분을 분석한 결과 그래프이다.
상기의 도면의 Cl 선 분포를 살펴보면 NH3 열처리를 실시하지 않을 경우에는 Cl의 함량이 10at%(스퍼터 타임 3분)이었지만, NH3 열처리를 실시한 후에는 Cl의 함량이 5at%(스퍼터 타임 3분)으로 감소됨을 알 수 있다. 하지만, O 선 분포를 살펴보면 NH3 열처리를 실시하지 않을 경우에는 O의 함량이 1at%(스퍼터 타임 3분)이었지만, NH3 열처리를 실시한 후에는 O의 함량이 8at%(스퍼터 타임 3분)로 증가됨을 알 수 있다.
이는 NH3 열처리를 통해 TiN막을 열처리 할 경우, TiN막의 Cl이 빠져나가면서 보이드가 발생하게 된다. 이러한 보이드 중 일부의 내측으로 산소가 침투하여 TiOx와 같은 박막을 형성하기 때문이다.
이와 같이 종래의 TiN막을 CVD 법으로 증착한 다음 NH3 열처리를 실시하게 되면 TiN막 상의 Cl함량은 줄일 수 있지만 Cl이 빠져나가면서 그 표면에 보이드(void)가 발생하여 막질을 저하시키고, 그 내측에 TiOx와 같이 전기 전도도가 낮은 막(자체 저항이 높은 막)이 형성되어 TiN막 전체의 전기 전도도를 감소시키게 되는 문제가 발생하였다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 목표로 하는 Ti막 또는 TiN막 두께 중 일부를 CVD 공정으로 제작하거나, 연속 ALD 공정을 통해 제작하고, 나머지 두께의 막을 ALD 공정으로 형성하여 Ti막 또는 TiN막 내의 Cl함량을 줄여 막질을 향상시키고, 보이드의 발생을 억제하고, 전기 전도도의 감소도 방지할 수 있는 박막 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 챔버 내에 원료 가스와 반응 가스를 동시에 공급하는 증착 공정을 통해 기판 상에 제 1 두께의 박막을 형성하는 단계와, 상기 챔버와 동일한 챔버 내에서 상기 원료가스, 상기 반응 가스 및 퍼지 가스를 순차적으로 공급하는 ALD 공정을 통해 상기 제 1 두께의 박막 상에 제 2 두께의 박막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법을 제공한다.
여기서, 상기 박막의 층 두께를 100으로 하였을 경우, 상기 제 2 두께의 박막의 두께는 1 내지 50인 것이 바람직하다.
이때, 상기 증착 공정과 상기 ALD 공정을 복수번 반복 실시하는 것이 바람직하다.
상기의 원료가스로 Ti 함유 가스를 사용하고, 상기 반응 가스로 H 또는 N 함유 가스를 사용하고, 상기 퍼지 가스로 불활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 물론 상기 Ti 함유 가스로 TiCl4를 사용하고, 상기 반응 가스로 H2 또는 NH3를 사용하고, 상기 불활성 가스로 Ar을 사용하고, 상기 가스를 가스 분사 수단을 통해 상기 챔버에 공급하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 증착 공정은 상기 챔버 내부의 온도를 400 내지 700도의 온도로 유지한 상태에서 상기 가스 분사 수단을 통해 TiCl4 가스와 H2 가스 또는 NH3 가스를 챔버 내부에 동시에 분사하는 것이 효과적이다. 물론 상기 ALD 공정은 상기 챔버 내부의 온도를 400 내지 700도로 유지한 상태에서 상기 가스 분사 수단을 통해 상기 TiCl4 가스를 공급하는 단계와, 상기 TiCl4 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 상기 TiCl4 가스를 퍼지하는 단계와, 상기 Ar 가스의 공급을 차단하고 H2 가스 또는 NH3 가스를 공급하는 단계와, 상기 H2 가스 또는 NH3 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 상기 H2 가스 또는 NH3 가스를 퍼지하는 단계를 일 사이클로 하여 상기 사이클을 복수 번 수행하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 가스 분사 수단은 회전하는 몸체부와 상기 몸체부에 접속되어 상기 공정 가스를 공급하는 복수의 가스 분사부를 포함하고, 상기 복수의 가스 분사부 중 적어도 어느 하나는 TiCl4 가스를 분사하고, 다른 적어도 어느 하나는 H2 또는 NH3 가스를 분사하고, 상기 두 가스를 분사하는 가스 분사부 사이에 Ar 가스를 분사하는 적어도 두개의 가스 분사부를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 증착 공정은 상기 챔버의 온도를 400 내지 700도 범위로 유지하고, 상기 몸체부를 회전시키면서 상기 복수의 가스 분사부를 통해 TiCl4 가스와 H2 또는 NH3 가스 및 Ar가스를 동시에 공급하는 것이 바람직하다.
상기의 ALD 공정은 상기 챔버 내부의 온도를 400 내지 700도로 유지한 상태에서 상기 복수의 가스 분사부를 통해 상기 TiCl4 가스를 공급하는 가스 분사부를 적어도 1회전 하는 단계와, 상기 TiCl4 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 퍼지하는 단계와, 상기 H2 가스 또는 NH3 가스를 공급하는 가스 분사부를 적어도 1회전시키는 단계와, 상기 H2 가스 또는 NH3 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 퍼지하는 단계를 일 사이클로 하여 상기 사이클을 복수번 수행하는 것이 바람직하다.
물론 상기 박막을 형성하는 단계에 플라즈마를 인가하는 것이 효과적이다. X
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 제 1 실시예에 따른 공정 가스 공급 순서도이고, 도 6은 제 1 실시예에 따른 박막 증착 장비의 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 기판(110) 상에 CVD 법 또는 PECVD법을 이용하여 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)을 형성한다. 이후, ALD 법을 이용하여 제 2 두께의 Ti막 또는 TiN막(122)을 형성하여 목표로 하는 두께의 Ti막 또는 TiN막(120)을 형성한다.
여기서, 상기 기판(110)에는 소정의 하부구조물이 형성되어 있을 수 있다. 하부 구조물로는 반도체 소자일 수도 있고, 반도체 박막 패턴일 수도 있다.
본 실시예에서는 CVD 또는 PECVD법으로 형성된 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)과 ALD법으로 형성된 제 2 두께의 Ti막 또는 TiN막(122)은 단일 장치에서 동일 챔버 내 공정(In-situ process)로 진행된다. 즉, 본 실시예의 장치는 CVD 공정과 ALD 공정을 동시에 또는 연속적으로 수행하는 장비를 사용하는 것이 바람직하다.
하기에서는 먼저, 도 6을 참조하여 이러한 본 실시예에 따른 박막 증착 장치에 관해 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이 소정의 반응 공간을 갖는 챔버(210)와, 상기 챔버(210)의 반응 공간 내측에 마련되어 기판(110)이 안착되는 기판 안착 수단(220)과, 상기 기판(110)에 원료 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 포함하는 공정 가스를 공급하는 가스 분사 수단(230)과, 상기 가스 분사 수단에 각기 원료 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급하기 위한 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(240, 250, 260)을 포함한다.
또한, 상기 챔버(210) 내부를 배기하는 배기 수단(270)을 포함한다.
또한, 이에 한정되지 않고, 도시되지는 않았지만, 상기 챔버(210) 내부를 진공으로 하는 진공 펌프와, 상기 챔버(210) 내부의 기판을 가열하는 가열 수단 및 냉각 수단을 더 포함할 수도 있다. 또한, 챔버(210) 내부에 공급되는 가스를 활성화 시키기 위해 챔버(210) 내측에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치가 마련될 수도 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 리모트 플라즈마 장치가 마련되어 상기 가스 분사 수단(230)을 통해 활성화된 반응 가스를 챔버에 공급할 수도 있다.
상기 챔버(210)의 일측에는 기판(110)의 로딩과 언로딩을 위한 개폐부(미도시)가 마련된다. 상기의 기판 안착 수단(220)은 복수의 부재로 분리되어 기판(110)을 진공 흡착하거나, 전자기적 특성을 이용하여 기판(110)을 고정할 수도 있다. 또한, 상기 기판 안착 수단(220)은 승강 부재(미도시)가 마련되어 상하 운동을 할 수도 있으며, 그 내측에 기판(110)의 로딩과 언로딩시 사용되는 리프트 핀(미도 시)이 마련될 수도 있다.
상기 가스 분사부(230)는 샤워 헤드 형태로 제작될 수도 있고, 인젝트 형태로 제작될 수도 있다. 또한, 상기 가스 분사부(230)는 복수의 부재로 제작되어 각기 서로 다른 가스를 챔버(210) 내에 분사할 수도 있으며, 단일 부재로 제작되어 단일 가스를 챔버(210) 내에 분사할 수도 있다. 즉, 3개의 가스 분사 부재가 마련되어 각기 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(240, 250, 260)에 접속되어 공정 조건에 따라 각 가스 공급 수단(240, 250, 260)의 공정 가스를 챔버(210)에 동시에 공급할 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(240, 250, 260)에 접속된 단일의 가스 분사 부재를 통해 하나의 공정 가스를 순차적으로 챔버에 공급하거나, 가스 공급 수단(240, 250, 260)의 가스들을 동시에 챔버에 공급할 수도 있다.
상기의 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(240, 250, 260)은 각기 서로 다른 공정 가스를 저장하고 있고, 가스 분사부(230)를 통해 소정의 공정 가스를 챔버에 공급한다. 본 실시예에서는 Ti막 또는 TiN막의 증착을 예시로 설명하기 때문에 상기 제 1 가스 공급 수단(240)에는 Ti를 포함하는 Ti원료가스를 저장되어 Ti원료가스를 공급한다. 제 2 가스 공급 수단(250)에는 Ti와 반응하는 반응 가스가 저장하여 반응 가스를 공급한다. 제 3 가스 공급 수단(260)에는 챔버(210) 내부의 가스를 배기하는 퍼지가스가 저장되어 퍼지가스를 공급한다.
본 실시예에서는 상기 Ti원료가스로 TiCl4를 사용하고, 반응 가스로 H2 또는 NH3를 사용하고, 퍼지 가스로 불활성 가스나 N2를 사용하는 것이 바람직하다.
하기에서는 상술한 증착 장치를 이용하여 본 실시예에 따른 박막 증착 방법을 도 5의 가스 주입 공급 방법을 기초로 하여 설명한다.
먼저 도 6의 장치 내부로 기판(110)을 로딩시켜 기판 안착 수단(220) 상에 기판(110)을 안착시킨다. CVD 공정을 통해 기판(110) 상에 제 1 두께의 Ti 막 또는 TiN막(121)을 형성한다.
이러한 CVD공정은 챔버(210) 내부를 진공으로 한 상태에서 챔버 내부 온도를 400 내지 700도의 온도로 유지하고, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 가스 공급 수단(240, 250)의 TiCl4 가스와 H2 가스 또는 NH3 가스를 가스 분사 수단(230)을 통해 소정 시간 동시에 공급한다. 이때, 제 3 공급 수단(260)의 Ar가스의 공급은 차단되어 있는 것이 바람직하다. 상기의 증착 온도와, 주입되는 가스의 유량 및 공정 시간 등을 조절하여 제 1 두께의 Ti막 및 TiN막(121)을 기판(210)상에 형성한다. 그리고, 상기 챔버(210) 내부에 플라즈마를 발생시켜 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)의 증착을 위한 온도를 낮출 수 있다.
제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)을 기판(110) 상에 형성한 다음 ALD 공정을 통해 제 2 두께의 Ti막 또는 TiN막(122)을 제 1 두께의 Ti막 및 TiN막(121) 상에 형성하여 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121) 내측의 Cl함량을 줄임과 동시에 Cl이 빠져 나오면서 발생된 보이드 영역에 Ti막 또는 TiN막(122)을 증착하여 Ti막 및 TiN막(120)의 막질을 향상시킬 수 있다.
이러한 ALD 공정은 상기 제 1 및 제 2 가스 공급 수단(240, 250)의 TiCl4 가 스와 H2 가스 또는 NH3 가스의 공급을 차단하고, 챔버(210) 내부의 온도를 400 내지 700도로 유지한다. 이후, 제 1 가스 공급 수단(240)의 TiCl4 가스만을 챔버(210)에 공급하여 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)의 표면에 TiCl4 가스를 흡착시킨다. TiCl4 가스의 공급을 차단하고, 제 3 가스 공급 수단(260)의 Ar 가스를 챔버(210)에 공급하여 상기 막의 표면에 흡착되지 않은 TiCl4 가스를 외부로 배기한다.
Ar 가스의 공급을 차단하고, 제 2 가스 공급 수단(250)의 H2 가스 또는 NH3 가스를 챔버에 공급하여 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)의 표면에 흡착된 TiCl4 가스와 이를 반응 시켜 원자층 단위의 Ti막 또는 TiN막을 형성한다. 이때 제 2 가스 공급 수단(250)을 통해 공급되는 H2 가스 또는 NH3 가스의 일부만이 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)의 표면에 흡착된 TiCl4와 반응하여 원차층 단위의 Ti막 또는 TiN막을 형성한다. 즉, 셀프 리미팅 현상으로 인해 공급된 H2 가스 또는 NH3 가스의 일부만이 반응한다. 그리고, 나머지 H2 가스 또는 NH3 가스는 CVD 공정을 통해 형성된 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막 내의 Cl과 반응하여 박막 내의 Cl을 제거한다. H2 가스 또는 NH3 가스의 공급을 차단하고, Ar 가스를 공급하여 챔버 내부의 미반응 가스 및 Cl과 반응한 H2 가스 또는 NH3 가스를 챔버 외부로 배기한다.
상기와 같은 공정 가스를 상기 챔버(210) 내부에 공급하는 기간 동안 챔버 (210) 내부에 플라즈마를 발생시킬 수도 있다.
이와 같이 원료가스(TiCl4 가스)의 공급 단계, 퍼지(Ar)가스의 공급 단계, 반응 가스(H2 가스 또는 NH3 가스)의 공급 단계 및 이의 퍼지(Ar) 가스의 공급 단계를 1 사이클(cycle)로 하여 이러한 사이클을 복수번 반복하여 제 2 두께의 Ti막 또는 TiN막(122)을 형성한다. 이때, 상기 반응 가스 공급 단계 동안 H2 가스 또는 NH3 가스를 통해 그 하부에 형성되어 있는 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121) 내부의 Cl 함량을 낮출 수 있게 된다. 그리고, Cl이 빠져 나감으로 인해 생성되는 제 1 두께의 Ti막 및 TiN막(121)의 표면 보이드 내에 원자층 단위의 Ti막 또는 TiN막이 형성됨으로 인해 Ti막 또는 TiN막의 표면 모폴로지(morphology)를 향상시킬 수 있다. 이는 ALD 공정을 통해 형성되는 Ti막 및 TiN막의 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하기 때문이다. 또한, 상기 보이드에 산소와 같은 불순물의 침투를 방지하여 Ti막 또는 TiN막의 내부 저항이 증가되는 현상을 방지할 수 있게 된다. 이는 Ti막 또는 TiN막의 전기 전도도를 종래에 비하여 향상시킬 수 있음을 의미한다.
상기와 같이 목표로 하는 Ti막 또는 TiN막(120)이 형성된 기판(110)을 챔버(210) 외측으로 언로딩한다.
이와 같이 본 실시에에서는 목표로 하는 Ti막 또는 TiN막(120)의 두께를 100으로 하였을 경우, ALD 공정을 통해 증착되는 박막의 두께는 1 내지 50인 것이 바람직하다.
또한, 상기 CVD 공정과 ALD 공정을 교대로 복수번 수행하여 목표로하는 두께 의 Ti막 또는 TiN막(120)을 형성할 수도 있다. 예를 들어 목표로 하는 두께가 100일 경우, 제 1 CVD 공정과 ALD 공정을 통해 30두께의 박막을 형성하고, 제 2 CVD 공정과 ALD 공정을 통해 30 두께의 박막을 형성하고, 제 3 CVD 공정과 ALD 공정을 통해 40 두께의 박막을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 동일 챔버 내부에 2장 이상의 기판이 안착되는 배치(batch) 타입의 ALD 장치를 이용하되 복수의 공정 가스를 연속 공급하는 연속 ALD 공정을 실시하여 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막을 형성하고, 앞서 설명한 원료가스공급/퍼지/반응가스공급/퍼지를 순차적으로 실시하는 노말 ALD 공정을 실시하여 제 2 두께의 Ti막 또는 TiN막을 형성할 수도 있다. 하기에서는 연속 ALD 공정과 노말 ALD 공정을 통해 박막을 증착하는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명한다. 후술되는 설명중 상술한 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공정 가스 공급 순서도이다.
도 8은 제 2 실시예에 따른 박막 증착 장비의 단면도이고, 도 9는 제 2 실시예에 따른 박막 증착 장비의 평면 개념도이다.
도 10은 제 2 실시예의 변형예에 따른 공정 가스 공급 순서도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 박막 형성 방법은 먼저, 원료가스, 퍼지가스 및 반응 가스를 포함하는 공정가스를 연속적으로 공급하는 연속 ALD 공정을 통해 적어도 하나의 기판(110) 상에 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)을 형성한다. 이후, 노멀 ALD 공정을 통해 제 2 두께의 Ti막 또는 TiN막(122)을 형성하여 목표로 하는 두께의 Ti막 또는 TiN막(120)을 형성한다.
이를 위한 본 실시예의 박막 증착 장비에 관해 설명하면 다음과 같다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 증착 장치는 챔버(310)와, 복수의 기판(110)이 안착되는 기판 안착 수단(320)과, 회전하는 몸체부(331)와 몸체부(331)에 접속되어 원료 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 포함하는 공정가스를 분사하는 복수의 가스 분사부(332)를 포함하는 가스 분사 수단(330)과, 상기 가스 분사 수단(330)에 각기 원료 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급하기 위한 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(340, 350, 360)을 포함한다.
여기서, 상기 기판 안착 수단(320) 상에는 도 9에 도시된 바와 같이 4개의 기판(110)이 안착될 수 있다. 이를 위해 상기 기판 안착 수단(320)은 소정의 회전부재를 통해 회전할 수도 있고, 상하 운동을 할 수 있을 뿐만 아니라 복수의 리프트 핀을 포함할 수도 있다.
상기의 가스 분사부(330)는 회전하는 몸체부(331)를 포함하고, 몸체부(331)는 그 일부가 챔버(310)의 외측으로 돌출되어 소정의 회전 부재(미도시)와 접속되어 회전 하는 것이 바람직하다. 그리고 챔버(310) 내측으로 연장된 몸체부(331)에는 도 9에 도시된 바와 같이 4개의 가스 분사부(332a, 332b, 332c, 332d; 332)가 마련되어 원료 가스, 반응 가스 및 퍼지가스를 분사한다.
그리고 1 내지 제 3 가스 공급 수단(340, 350, 360)은 상기 몸체부(310)를 통해 상기 가스 분사부(332a, 332b, 332c, 332d)에 원료 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급한다. 이때, 상기 4개의 가스 분사부(332a, 332b, 332c, 332d)는 도면 에서와 같이 + 형상으로 몸체부(310)를 중심으로 상하좌우에 각기 배치된다. 상측에 배치된 가스 분사부를 제 1 가스 분사부(332b)로 하여 시계 방향으로 각기 제 2 내지 제 4 가스 분사부(332a, 332d, 332d)라고 하였을 경우, 공정 조건에 따라 상기 상측에 배치된 제 1 가스 분사부(332b)는 원료가스를, 하측에 배치된 제 3 가스 분사부(332d)는 반응 가스를, 좌측과 우측에 배치된 제 2 및 제 4 가스 분사부(332a, 332c)는 퍼지 가스를 연속적으로 공급할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 원료 가스로 TiCl4를 포함하는 Ti원료가스를 사용하고, 반응 가스로 H2 또는 NH3를 포함하는 H 및 N 원료 가스 사용하고, 퍼지 가스로 Ar을 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 장치를 이용한 본 실시예에 따른 박막 형성 방법을 설명한다.
먼저 도 8 및 도 9의 장치 내부로 복수의 기판(110)을 로딩시켜 기판 안착 수단(320) 상에 복수의 기판(110)을 안착시킨다. 연속 ALD 공정을 통해 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막을 형성한다.
연속 ALD 공정은 먼저 챔버(310) 내부의 진공으로 하고, 온도를 400 내지 700도 범위로 유지한다. 이후, 가스 분사 수단(330)의 몸체부(331)를 회전시키면서 도 7에 도시된 바와 같이 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(340, 350, 360)의 TiCl4 가스, H2 가스 또는 NH3 가스 및 Ar 가스를 가스 분사부(332a, 332b, 332c, 332d)를 통해 연속 공급한다. 즉, 제 1 가스 분사부(332b)는 TiCl4 가스를 분사하고, 제 2 가스 분사부(332a)는 Ar 가스를 연속분사하고, 제 3 가스 분사부(332d)는 H2 또는 NH3 가스를 분사하고, 제 4 가스 분사부(332c)는 Ar 가스를 연속 분사한다. 이때, 상기 몸체부(331)가 도 9에 도시된 바와 같이 반 시계 방향으로 회전하고 있기 때문에 이에 접속된 제 1 내지 제 4 가스 분사부(332a, 332b, 332c, 332d)도 같이 반 시계 방향으로 회전하게 된다.
따라서, 복수의 기판(110)에는 TiCl4 가스를 분사하는 제 1 가스 분사부(332b)가 지나면서 TiCl4 가스가 그 표면에 흡착되고, 연속하여 Ar 가스를 분사하는 제 2 가스 분사부(332a)가 지나면서 흡착되지 않은 TiCl4 가스를 퍼지한다. 계속하여 H2 가스 또는 NH3 가스를 분사하는 제 3 가스 분사부(332d)가 지나면서 기판(110) 표면에 흡착된 TiCl4 가스와 반응하여 Ti막 또는 TiN막을 형성하고, 연속하여 Ar 가스를 분사하는 제 4 가스 분사부(332c)가 지나면서 미반응된 H2 가스 또는 NH3 가스를 퍼지한다. 이를 소정시간 실시하여 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)을 형성한다.
또한, 이에 한정되지 않고, 상기 제 1 가스 분사부(332b)와 제 3 가스 분사부(332d) 각각을 통해 TiCl4 가스와 H2 또는 NH3 가스를 동시에 분사시켜 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막(121)을 형성할 수도 있다. 물론, 제 1 내지 제 4 가스 분사부(332a, 332b, 332c, 332d) 들을 통해 동시에 TiCl4 가스와 H2 또는 NH3 가스를 분사 할 수도 있다. 또한, 상기 가스 분사시 별도의 플라즈마를 인가하여 상기 가스들을 활성화시킬 수 있다.
이후, 앞선 실시예에서 설명한 노멀 ALD공정을 통해 제 2 두께의 Ti막 또는 TiN막(122)을 형성하여 목표로 하는 두께의 Ti막 또는 TiN막(120)을 형성한다.
이때, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 가스 분사 수단(330)의 각각의 가스 분사부(332)를 통해 1 사이클 동안 TiCl4 가스를 동시에 분사하고, 다시 Ar 가스를 동시에 분사하고, H2 또는 NH3 가스를 동시에 분사하고, Ar 가스를 동시에 분사할 수 있다. 이경우, 상기 가스 분사 수단(330)의 몸체부(331)가 회전하지 않을 수도 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 먼저 제 2 내지 제 4 가스 분사부(332a, 332c, 332d)의 가스를 차단하고, 제 1 가스 분사부(332b)를 통해 TiCl4 가스를 분사한다. 이때, 몸체부(331)가 적어도 1 회전하여 복수의 기판 전체에 TiCl4 가스를 균일하게 분사하는 것이 바람직하다. 제 2 및 제 4 가스 분사부(332a, 332c)를 통해 Ar 가스를 분사하여 챔버 내부의 TiCl4 가스를 퍼지한다. 다음으로, 제 3 가스 분사부(332d)를 통해 H2 또는 NH3 가스를 분사하여 제 1 두께의 Ti막 또는 TiN막 상에 흡착된 TiCl4 가스와 반응 시켜 원자층 단위의 Ti막과 TiN막을 형성하고, 상기 박막 내측에 함유된 Cl의 함량을 줄인다. 제 2 및 제 4 가스 분사부(332a, 332c)를 통해 Ar 가스를 분사하여 챔버 내부의 H2 또는 NH3 가스를 퍼지한다.
또한, 본 실시예에서는 도 10의 변형예에 도시된 바와 같이 상기 가스 분사 수단(330)의 몸체부(331)를 회전시키면서 1 사이클 동안 제 2 및 제 4 가스 분사부(332a, 332c)를 통해 연속하여 Ar 가스를 공급하고, 일정 시간동안 제 1 가스 분사부(332b)를 통해 TiCl4 가스를 공급하고, 다시 제 3 가스 분사부(332d)를 통해 H2 또는 NH3 가스를 공급하여 노멀 ALD 공정을 진행할 수도 있다.
이를 위해 제 1 가스 분사부(332b)를 적어도 1회전시켜 기판(110) 상에 TiCl4 가스를 흡착시킨다. 이때, 제 1 가스 분사부(332b)의 양측의 제 2 및 제 4 가스 분사부(332a, 332c)에 마련된 퍼지 가스에 의해 분사된 가스 중 기판(110)에 흡착되지 않은 가스는 연속하여 배기된다. 이후, 제 1 가스 분사부(332b)의 공급을 소정 시간 차단하여 퍼지를 실시한다. 물론 상기 퍼지 공정을 생략할 수도 있다. 다음으로 제 3 가스 분사부(332d)를 적어도 1 회전시켜 기판(110)상의 TiCl4 가스와 H2 또는 NH3 가스를 반응시켜 원자층 단위의 Ti막 또는 TiN막을 형성한다.
상술한 바와 같은 노멀 ALD 공정의 박막 증착율은 0.1 내지 0.6Å/cycle이 된다. 따라서, 먼저 증착 속도가 빠른 연속 ALD 공정 또는 CVD 공정 또는 PECVD 공정을 이용하여 일정 두께 이상의 Ti막 또는 TiN막을 형성하여 박막의 증착율을 향상시킬 수 있다. 이후, 노멀 ALD 공정을 통해 기 증착된 Ti막 또는 TiN막 상에 낮은 증착율로 원자층 단위의 Ti막 또는 TiN막을 증착하면서 Ti막 또는 TiN막 내부의 Cl함량을 감소시키고, Cl이 빠져 나간 보이드 영역에 원자층의 Ti막 또는 TiN막을 증착함으로 인해 Ti막 또는 TiN막의 막질을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 CVD법 또는 PECVD법 또는 연속 ALD법을 통해 박막을 1차 증착 한 다음 노멀 ALD법을 통해 박막을 2차 증착하여 박막 내부의 불순물을 외부로 아웃 가싱할 수 있고 이를 통해 박막의 막질 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 증착율이 낮고 스텝 커버리지가 우수한 ALD법을 통해 불순물이 아웃 가싱된 영역을 2차 박막으로 매립하여 박막 표면 특성을 향상시킬 수 있고, 박막의 전기적 특성도 향상시킬 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (11)

  1. 챔버 내에 원료 가스와 반응 가스를 동시에 공급하는 증착 공정을 통해 기판 상에 제 1 두께의 박막을 형성하는 단계;
    상기 챔버와 동일한 챔버 내에서 상기 원료가스, 상기 반응 가스 및 퍼지 가스를 순차적으로 공급하는 ALD 공정을 통해 상기 제 1 두께의 박막 상에 제 2 두께의 박막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 박막의 층 두께를 100으로 하였을 경우, 상기 제 2 두께의 박막의 두께는 1 내지 50인 박막 형성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 증착 공정과 상기 ALD 공정을 복수번 반복 실시하는 박막 형성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료가스로 Ti 함유 가스를 사용하고, 상기 반응 가스로 H 또는 N 함유 가스를 사용하고, 상기 퍼지 가스로 불활성 가스를 사용하는 박막 형성 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 Ti 함유 가스로 TiCl4를 사용하고, 상기 반응 가스로 H2 또는 NH3를 사용하고, 상기 불활성 가스로 Ar을 사용하고, 상기 가스를 가스 분사 수단을 통해 상기 챔버에 공급하는 박막 형성 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 증착 공정은 상기 챔버 내부의 온도를 400 내지 700도의 온도로 유지한 상태에서 상기 가스 분사 수단을 통해 TiCl4 가스와 H2 가스 또는 NH3 가스를 챔버 내부에 동시에 분사하는 박막 형성 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 ALD 공정은 상기 챔버 내부의 온도를 400 내지 700도로 유지한 상태에서
    상기 가스 분사 수단을 통해 상기 TiCl4 가스를 공급하는 단계와, 상기 TiCl4 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 상기 TiCl4 가스를 퍼지하는 단계와, 상기 Ar 가스의 공급을 차단하고 H2 가스 또는 NH3 가스를 공급하는 단계와, 상기 H2 가스 또는 NH3 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 상기 H2 가스 또는 NH3 가스를 퍼지하는 단계를 일 사이클로 하여
    상기 사이클을 복수번 수행하는 박막 형성 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 가스 분사 수단은 회전하는 몸체부와 상기 몸체부에 접속되어 상기 공정 가스를 공급하는 복수의 가스 분사부를 포함하고,
    상기 복수의 가스 분사부 중 적어도 어느 하나는 TiCl4 가스를 분사하고, 다른 적어도 어느 하나는 H2 또는 NH3 가스를 분사하고, 상기 두 가스를 분사하는 가스 분사부 사이에 Ar 가스를 분사하는 적어도 두개의 가스 분사부를 포함하는 박막 형성 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 증착 공정은 상기 챔버의 온도를 400 내지 700도 범위로 유지하고, 상 기 몸체부를 회전시키면서 상기 복수의 가스 분사부를 통해 TiCl4 가스와 H2 또는 NH3 가스 및 Ar가스를 동시에 공급하는 박막 형성 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 ALD 공정은 상기 챔버 내부의 온도를 400 내지 700도로 유지한 상태에서
    상기 복수의 가스 분사부를 통해 상기 TiCl4 가스를 공급하는 가스 분사부를 적어도 1회전 하는 단계와, 상기 TiCl4 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 퍼지하는 단계와, 상기 H2 가스 또는 NH3 가스를 공급하는 가스 분사부를 적어도 1회전시키는 단계와, 상기 H2 가스 또는 NH3 가스의 공급을 차단하고, 상기 Ar 가스를 공급하여 퍼지하는 단계를 일 사이클로 하여
    상기 사이클을 복수번 수행하는 박막 형성 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 박막을 형성하는 단계에 플라즈마를 인가하는 박막 형성 방법.
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