KR20080009528A - 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

박막의 특성을 향상시킬 수 있는 박막 형성 방법이 제공된다. 박막 형성 방법은 소스 가스 공급 단계, 소스가스 퍼지 단계, 반응 가스 공급 단계, 반응 가스 퍼지 단계를 포함하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성 방법으로서, 제 1 에너지 상태에서 소스 가스를 기판 상에 1차 흡착시키는 제1 흡착 공정, 1차 흡착된 소스 가스를 제 1 에너지 상태보다 높은 제 2 에너지 상태에서 2차 흡착시키는 제 2 흡착 공정 및 2차 흡착된 소스 가스와 반응 가스를 반응시켜 막을 형성하는 성막 공정을 포함한다.
ALD, 에너지 상태, 온도 변화

Description

박막 형성 방법 {Method for thin film}
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 박막이 형성될 기판을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 형성 방법을 나타낸 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 형성 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 형성 방법을 나타낸 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 형성 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 형성 방법을 나타낸 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 형성 방법의 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 기판 110: 홀
120: 하부 전극
본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막의 특성을 향상시킬 수 있는 박막 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자 제조 공정시 반도체 기판 상에 박막을 형성하기 위해 물리적 기상 증착(PVD: Physical vapor deposition), 화학 기상 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 및 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 등과 같은 박막 형성 방법이 이용되고 있다.
이 중, 원자층 증착 방법(ALD)은 박막을 형성하기 위한 가스들을 동시에 공급하지 않고 시분할하여 독립적인 펄스 형태로 공급하여 박막을 형성하는 방법이다. 즉, 소스 가스(source gas)와 퍼지 가스(purge gas), 반응 가스(reactant gas)와 퍼지 가스를 교대로 공급하여 원자층 의 두께로 박박을 형성한다. 이러한 원자층 증착 방법은 스텝 커버리지(step coverage)가 우수하고, 대면적을 기판에 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다. 그리고 반복 실시 회수를 조절하여 박막의 두께를 미세하게 조절할 수 있다.
종래의 원자층 증착 방법은 공정을 수행하는 동안 반도체 기판의 온도 변화가 없었다. 그러나, SrTiO3와 같이 복합물로 이루어지는 박막의 경우 소스 가스의 흡착면에서는 온도가 낮은 것이 요구되고, 리액턴트의 반응 측면에서는 온도가 높을 필요성이 있다.
그리고, 깊은 홀 내에 박막을 형성하는 경우, 공정 온도에따라 금속 원자의 함유량이 홀 표면과 홀 내부에서 다르게 형성되며, 박막 내의 불순물이 증가한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박막의 특성을 향상시킬 수 있는 박막 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성 방법은 소스 가스 공급 단계, 소스가스 퍼지 단계, 반응 가스 공급 단계, 반응 가스 퍼지 단계를 포함하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성 방법으로서, 제 1 에너지 상태에서 소스 가스를 기판 상에 1차 흡착시키는 제1 흡착 공정, 1차 흡착된 소스 가스를 제 1 에너지 상태보다 높은 제 2 에너지 상태에서 2차 흡착시키는 제 2 흡착 공정 및 2차 흡착된 소스 가스와 반응 가스를 반응시켜 막을 형성하는 성막 공정을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 박막 형성 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들에 따른 박막 형성 공정은 소스 가스 공급 단계, 소스 가스 퍼지 단계, 반응 가스 공급 단계 및 반응 가스 퍼지 단계를 반복하는 원자층 증착(ALD) 공정이 수행되는 장치의 챔버 내에서 이루어진다. 그리고 본 발명의 실시예들의 각 단계는 제 1 에너지 상태 또는 제 2 에너지 상태에서 이루어진다. 여기서, 에너지 상태란 온도, 압력 또는 플라즈마와 같이 박막 형성 공정을 활성화할 수 있는 조건들을 말하며, 본 발명의 실시예들에서는 온도를 변화시키는 것을 예로 들어 설명한다.
그리고 본 발명의 실시예들에 따라 형성되는 박막은 도 1에 도시된 바와 같이 3차원 구조체를 갖는 기판(100) 상에 형성될 것이다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예들에 따라 박막이 형성될 기판을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 형성 방법을 나타낸 타이밍도이다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 형성 방법의 순서도이다.
도 1, 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100)을 챔버 내에 위치시킨다. (S10_1) 챔버 내에 위치하는 기판(100)은 3차원 구조체를 가지고 있으며, 예를 들어 실린더형 캐패시터의 하부 전극(120)과 같이 깊은 홀(110)을 갖는 구조체일 수 있다.
기판(100)을 챔버 내에 위치시킨 다음, 챔버 내로 소스 가스를 공급하여 기판(100) 표면에 물리 또는 화학 흡착시킨다. 이 때 소스 가스로는 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 란타늄(La), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 납(Pb), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 이트륨(Y) 또는 망간(Mn) 등이 공급될 수 있다.
소스 가스를 흡착시키는 시간(t1)동안 챔버 내부는 중간 시점(1/2t1)까지 제 1 온도(TL)를 가지며 중간 시점부터 소스 가스 공급 중단 시점까지는 제 2 온도(TH)를 갖는다. 이 때, 제 1 온도(TL)와 제 2 온도(TH)의 온도 차이는 대략 20 ~ 100℃이다.
여기서, 제 1 온도(TL)에서 소스 가스를 공급하는 동안 소스 가스가 기판 상에 물리적 또는 화학적으로 흡착되며, 제 2 온도(TH)에서 소스 가스를 공급하는 동안에는 화학적으로 흡착된다.
이와 같이 소스 가스를 흡착시키는 동안에 제 1 온도(TL)에서 제 2 온도(TH)로 변화시키는 것은 자외선(UV), 레이저, 플라즈마(plasma) 또는 촉매제(catalyzer) 등을 에너지로 이용할 수 있다. 그리고 스파이크 어닐링(spike anealing) 또는 레이저 어닐링(laser anealing)을 통해 기판(100)의 온도를 급속히 상승시킬 수 있다.
이어서, 소스 가스의 공급을 중단하고, 챔버 내로 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne), 또는 질소(N2) 등과 같은 퍼지 가스를 공급하여 소스 가스 중 미반응 가스를 퍼지시킨다. (S30_1) 소스 가스를 퍼지시키는 동안 제 2 온도로 유지함으로써 소스 가스가 계속해서 화학 흡착될 수 있다.
그리고 나서, 챔버 내부로 반응 가스를 공급하여 기판(100) 표면에 흡착된 소스 가스와 반응시킨다. (S40_1) 반응 가스로는 산소(O2), 오존(O3), 물(H2O), 과산화수소(H2O2), 이산화질소(NO2) 또는 아산화질소(N2O) 등이 공급될 수 있다.
미반응된 소스 가스를 퍼지시키고, 반응 가스를 반응시키는 동안은 챔버 내부를 고온인 제 2 온도(TH)로 유지시킴으로써 소스 가스와 반응 가스의 반응이 보다 효과적으로 일어날 수 있다. 이에 따라 홀 내부에 불순물을 줄일 수 있으며 박막을 균일할게 형성할 수 있다.
이 후, 챔버 내로 퍼지 가스를 공급하여 미반응된 반응 가스를 퍼지시킨다. 미반응된 반응 가스를 퍼지시키는 시간(t3 ~ t4)동안 챔버 내부는 중간 시점(1/2t4)까지 제 2 온도(TH)를 가지며, 퍼지 가스의 공급이 중단되는 시점까지는 제 1 온도(TL)를 갖도록 조절한다.
이처럼 박막을 형성하기 위해 기판(100)의 온도를 조절할 때, 소스 가스가 물리 흡착될 때의 온도와 화학 흡착이 일어나기 시작하여 ALD 반응이 일어날 때의 온도 간의 차이(TH - TL)가 대략 20 ~ 100℃ 정도가 되도록 조절하는 것이 적절할 것 이다.
이와 같이 소스 가스 공급, 퍼지 가스 공급, 반응 가스 공급, 퍼지 가스 공급을 1 사이클로 적용하고, 이와 같은 사이클을 반복하여 박막을 원하는 두께로 형성한다. 그리고 1 사이클 동안 기판(100)의 온도를 상술한 바와 같이 조절함으로써 소스 가스의 흡착과 반응 가스의 반응을 최적화시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 따라 형성된 박막은 HfO2, ZrO2, La2O3, Ta2 O5, TiO2, SrTiO3 또는 (Ba,Sr)TiO3일 수 있다.
다음으로, 도 1과 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 대해 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 형성 방법을 나타낸 타이밍도이다. 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 형성 방법의 순서도이다.
먼저, 원자층 증착 공정이 수행되는 챔버 내에 기판(100)을 위치시킨다. (S10_2) 그리고 나서 챔버 내로 소스 가스를 공급하여 기판(100) 표면에 흡착시킨다. (S20_2) 소스 가스를 흡착시키는 동안 챔버 내부는 저온인 제 1 온도(TL)로 유지된다. 이 때, 소스 가스는 기판 표면에 물리적 또는 화학적으로 흡착된다.
이 후, 퍼지 가스를 공급하여 챔버 내의 소스 가스 중 미반응 가스를 퍼지시킨다. (S30_2) 여기서, 퍼지 가스를 공급함과 동시에 자외선(UV), 레이저, 플라즈마(plasma) 또는 촉매제(catalyzer) 등과 같은 에너지롤 이용하여 기판(100)의 온도를 약 90 ~ 110℃의 제 2 온도(TH)로 급격히 상승시킨다. 이에 따라 기판(100) 표 면에 물리 흡착되었던 소스 가스가 화학 흡착된다.
챔버 내부를 퍼지시킨 다음에는, 챔버 내부로 반응 가스를 공급하여 반응 가스를 기판(100) 표면에 흡착된 소스 가스와 반응시킨다. (S40_2) 반응 가스를 공급하는 동안 기판(100)은 고온인 제 2 온도(TH)로 유지시킨다. 이에 따라 소스 가스와 반응 가스의 반응이 보다 효과적으로 일어날 수 있으며, 홀 내부에 불순물을 줄일 수 있고 박막을 균일할게 형성할 수 있다.
이 후, 챔버 내로 퍼지 가스를 공급하여 미반응된 반응 가스를 퍼지시킨다. 미반응된 반응 가스를 퍼지시키는 시간(t3 ~ t4)동안 챔버 내부는 중간 시점(1/2t4)까지 반응 가스를 공급할 때의 온도인 제 2 온도(TH)를 유지시킬 수 있다. 그리고 퍼지 가스의 공급 중간 시점부터 퍼지 가스의 공급이 중단되는 시점까지(1/2t4~ t4)는 제 1 온도(TL)를 갖도록 조절한다.
이와 같이 소스 가스 공급, 퍼지 가스 공급, 반응 가스 공급, 퍼지 가스 공급으로 이루어지는 사이클을 반복하여 원하는 두께의 박막을 완성한다. 그리고 사이클 동안 기판(100)의 온도를 제 2 실시예와 같이 조절함으로써도 소스 가스의 흡착과 반응 가스의 반응을 최적화시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 제 2 실시예의 소스 가스, 반응 가스 및 퍼지 가스는 제 1 실시예에서 설명한 물질들로 동일하게 적용될 수 있다.
다음으로, 도 1과 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제 3 실시예에 대해 상세히 설명한다. 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 형성 방법을 나타낸 타이밍도이다. 도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 형성 방법의 순서도이다.
먼저, 원자층 증착 공정을 수행하는 챔버 내에 기판(100)을 위치시킨다. (S10_3) 그리고 나서 챔버 내부로 소스 가스를 공급하여 기판(100) 표면에 소스 가스를 물리 또는 화학 흡착시킨다. 이 후, 챔버 내부로 퍼지 가스를 공급하여 소스 가스 중 미반응 가스를 퍼지시킨다. (S30_3)
이와 같이, 소스 가스를 흡착시키고, 흡착되지 않은 소스 가스를 퍼지시킬 때까지(t2)까지 기판 내부는 제 1 온도(TL)로 유지시킨다.
챔버 내부를 퍼지시킨 후, 챔버 내에 반응 가스를 공급하여 기판(100)의 표면에 흡착된 소스 가스와 반응 가스를 반응시킨다. 여기서, 반응 가스의 공급과 동시에 기판(100)의 온도를 제 2 온도(TH)로 상승시키고 반응 가스의 공급이 중단될 때(t3)까지 제 2 온도(TH)로 유지한다. 여기서 기판(100)의 온도를 제 2 온도(TH)로 급속히 상승시키기 위해 자외선(UV), 레이저, 플라즈마(plasma) 또는 촉매제(catalyzer) 등을 에너지로 이용할 수 있다. 이 때, 제 2 온도에서 반응 가스 공급함으로써 흡착된 소스 가스와의 반응이 보다 활성화될 수 있다.
다음으로, 반응 가스의 공급을 중단하고 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하여 미반응된 반응 가스를 퍼지시킨다. (S50_3) 미반응된 반응 가스를 퍼지시키는 시간(t3 ~ t4)동안 챔버 내부는 중간 시점(1/2t4)까지 반응 가스를 공급할 때의 온도인 제 2 온도(TH)로 유지되며, 퍼지 가스 공급의 중간(1/2t4)부터 퍼지 가스의 공급이 중단되는 시점(t4 -)까지는 제 1 온도(TL)를 갖는다.
이와 같이, 소스 가스 공급, 퍼지, 반응 가스 공급 및 퍼지로 이루어지는 1 사이클 동안, 본 발명의 제 3 실시예에서와 같이 기판의 온도를 조절하는 것도 소스 가스와 반응 가스의 반응이 효과적으로 일어날 수 있으므로 보다 특성이 향상된 박막을 형성할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 박막 형성 방법에 따르면 1 사이클 원자층 증착 공정동안 반응에 필요한 에너지를 상술한 바와 같이 변화시킴으로써 소스 가스의 흡착과 반응 가스의 반응을 최적화시킬 수 있다. 즉, 기판이 고온 상태일 때, 소스 가스와 반응 가스의 반응이 보다 효과적으로 일어날 수 있으며, 이에 따라 홀 내부의 불순물을 줄일 수 있으며 박막을 균일할게 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 소스 가스 공급 단계, 소스가스 퍼지 단계, 반응 가스 공급 단계, 반응 가스 퍼지 단계를 포함하는 원자층 증착법을 이용한 박막 형성 방법으로서,
    제 1 에너지 상태에서 소스 가스를 기판 상에 1차 흡착시키는 제1 흡착 공정;
    상기 1차 흡착된 소스 가스를 상기 제 1 에너지 상태보다 높은 제 2 에너지 상태에서 2차 흡착시키는 제 2 흡착 공정; 및
    상기 2차 흡착된 소스 가스와 반응 가스를 반응시켜 막을 형성하는 성막 공정을 포함하는 박막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 성막 공정은 상기 제 2 에너지 상태에서 수행하는 박막 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 흡착 공정은 상기 소스 가스를 상기 기판 상에 물리적 또는 화학적으로 흡착시키는 박막 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 흡착 공정은 상기 1차 흡착된 소스 가스를 화학적으로 흡착시키는 박막 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 흡착 공정은 상기 소스 가스 공급 단계에서 순차적으로 수행하고, 상기 성막 공정은 상기 반응 가스 공급 단계에서 이루어지는 것을 포함하는 박막 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 흡착 공정은 상기 소스 가스 공급 단계에서 수행하고, 상기 제 2 흡착 공정은 상기 소스 가스 퍼지 단계에서 이루어지는 박막 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 흡착 공정은 상기 소스 가스 공급 단계에서 수행하며, 상기 제 1 및 제 2 흡착 공정이 상기 소스 가스 퍼지 단계에서 순차적으로 이루어지는 박막 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스 퍼지 단계는 상기 제 2 에너지 상태에서 이루어지는 제 1 퍼지 단계와 상기 제 1 에너지 상태에서 수행되는 제 2 퍼지 단계가 순차적으로 이루어지는 박막 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 가스 퍼지 단계는 상기 제 1 에너지 상태에서 이루어지는 박막 형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 에너지 상태는 자외선(UV), 레이저, 플라즈마 또는 촉매제를 이용하여 형성하는 박막 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 에너지 상태는 상기 제 1 및 제 2 흡착 공정과 상기 성막 공정이 수행되는 제 1 또는 제 2 온도인 것을 포함하는 박막 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 온도 간에 20 ~ 100℃의 온도 차이를 갖는 박막 형성 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 3차원 구조체를 갖는 박막 형성 방법.
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