KR20120062293A - 금속 질화막 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

금속 질화막 증착 방법을 개시한다. 본 발명은 적어도 1 종의 MO(Metal Organic) 소스와 N을 포함하는 반응 가스를 사용한 금속 질화막 증착 방법으로서, N을 포함하는 반응 가스는 리모트 플라즈마를 이용하여 활성화시켜 반응기 내로 공급하며 MO 소스는 플라즈마 생성없이 반응기 내로 공급하는 것이다. 본 발명에 따르면, N을 포함하는 반응 가스만을 선별적으로 플라즈마로 활성화시켜서 MO 소스를 효율적으로 분해시킬 수 있어 박막 내 탄소 함유량이 적으며 대기 노출시에 산소에 의한 에이징(aging)을 방지할 수 있다.

Description

금속 질화막 증착 방법 {Method of depositing metal nitride film}
본 발명은 금속 질화막 증착 방법에 관한 것으로서, 특히 적어도 1 종의 MO(Metal Organic) 소스와 N을 포함하는 반응 가스를 사용한 금속 질화막 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자층 증착 방법(Atomic Layer Deposition : ALD)은 반응 원료들간의 공급과 퍼지(purge)를 반복하는 싸이클(cycle)을 기준으로 하고 이 싸이클이 진행되는 동안 반응 원료의 흡착 등의 공정을 통해 한 원자층씩 형성하게 된다. 이러한 싸이클 공정을 반복함에 따라 박막을 형성하기 때문에 단차 피복성(step coverage)이 높은 박막 증착 방법으로 잘 알려져 있다. 그리고 ALD는 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 비하여 저온 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 반도체 소자의 배리어 금속층 혹은 전극으로 사용되는 TiSiN 박막을 일반적인 ALD 공정으로 증착하는 방법의 예를 도시한다. 이 방법은 예컨대, Ti 원료로써 MO 소스인 Ti 전구체 공급라인, Si 원료로써 MO 소스인 Si 전구체 공급라인, 반응가스로서 NH3 공급라인 그리고 각각의 원료 공급라인과 반응기 안에 내재된 반도체 기판과 반응기를 퍼지할 수 있도록 각각의 원료 공급라인에 퍼지용 불활성 가스라인이 머지(merge)되어 있고 각각의 원료와 불활성 가스를 반응기로 공급하거나 혹은 펌핑라인으로 바이패스(bypass)될 수 있도록 구성되는 원료 및 가스 공급부를 가지는 장비를 사용하는 경우로 볼 수 있다. 이러한 장비에서 각각의 불활성 가스라인은 각각의 원료 공급 단계에만 밸브 차단으로 오프(off)되고 각각의 원료 공급 단계가 종료되면 밸브 개방으로 온(on)되어 각각의 원료 공급라인과 반응기를 퍼지한다. 따라서, 다음에 설명하는 각각의 원료 공급 단계 사이에는 퍼지가 진행되는 것이다.
먼저 도 1을 참조하면, Ti 전구체 공급라인을 온(on)시켜 Ti 전구체를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t1). 그런 다음, NH3 공급라인을 온(on)시켜 NH3를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t3). Si 전구체 공급라인을 온(on)시켜 Si 전구체를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t5). 그런 다음, NH3 공급라인을 온(on)시켜 NH3를 공급한 다음 오프(off)시킨다(t7). 이와 같은 각각의 원료 공급 단계 t1, t3, t5, t7 사이, 즉 t2, t4, t6, t8 동안에는 퍼지가 진행된다. 이렇게 하여 t1 내지 t8로 이루어지는 한 싸이클을 여러 번 반복하여 TiSiN 박막을 증착한다.
그런데 이러한 방법으로 증착된 TiSiN 박막은 박막 내 탄소(C) 함량이 높다. 또한 대기 중에 막질이 노출시 산소(O2)와 반응하여 급격히 저항이 증가하게 됨으로써 전극 특성이 악화되는 문제가 있다. 이것은 박막 증착시 MO 소스의 불완전한 반응에 기인한 것으로 이해된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 박막 내 탄소 함량을 줄이고 대기 중에 노출시 산소에 의한 에이징(aging)을 방지할 수 있는 금속 질화막 증착 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 증착 방법은, 적어도 1 종의 MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스를 사용한 금속 질화막 증착 방법으로서, 상기 N을 포함하는 반응 가스는 리모트 플라즈마(remote plasma)를 이용하여 활성화시켜 반응기 내로 공급하며 상기 MO 소스는 플라즈마 생성없이 반응기 내로 공급하는 것이다.
본 발명에 따르면, N을 포함하는 반응 가스만을 선별적으로 플라즈마로 활성화시켜서 MO 소스를 효율적으로 분해시키기 때문에 박막 증착시 완전한 반응을 가능케 한다. 이에 따라 박막 내 포함되는 탄소의 양이 줄어들며, 박막을 대기 중에 노출시켜도 산소와 급격하게 반응하면서 저항이 증가하는 문제가 없다.
본 발명에 따른 증착 방법으로 TiN, TiSiN, TaSiCN, WSiN, WSiCN 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 금속 질화막을 증착할 수 있다.
증착 방법에 따라서는 상기 MO 소스와 상기 N을 포함하는 반응 가스를 상기 반응기 내에 동시에 공급할 수도 있고, 상기 MO 소스와 상기 N을 포함하는 반응 가스를 상기 반응기 내에 순차적으로 적어도 1회 공급할 수 있으며, 동시 공급과 순차 공급의 조합을 이용할 수도 있다. 상기 MO 소스를 공급한 후 및 N을 포함하는 반응 가스를 공급한 후에 상기 반응기 내를 퍼지하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 각 단계들은 원하는 두께의 금속 질화막이 증착될 때까지 수회 반복될 수 있다.
또한 기존 박막 증착 장치를 이용한 밸브의 조작을 통해 ALD, CVD 또는 싸이클릭 CVD 방법으로 금속 질화막을 증착할 수도 있고, 가스 분사부와 기판 지지부를 상대 회전시키면서 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용하여 ALD, CVD 또는 싸이클릭 CVD 방법으로 금속 질화막을 증착할 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 1종 이상의 가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 분사부;를 구비하며, 상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로, (a) 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계; 및 (b) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 적어도 1 종의 MO 소스 및 N을 포함하는 반응 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 금속 질화막을 증착하는 단계;를 포함하고, 상기 N을 포함하는 반응 가스는 리모트 플라즈마를 이용하여 활성화시켜 상기 반응기 내로 공급하며 상기 MO 소스는 플라즈마 생성없이 상기 반응기 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법을 개시한다.
이 때, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 MO 소스를 공급하는 원료 가스 공급기이고, 다른 하나 이상의 가스 공급기는 상기 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급기이며, 또 다른 하나 이상의 가스 공급기는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기로 구성하여, 상기 (b) 단계는 상기 MO 소스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것일 수 있다.
대신에, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 MO 소스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기이며 다른 하나 이상의 가스 공급기는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기로 구성하여, 상기 (b) 단계는 상기 MO 소스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태, 또는 상기 MO 소스와 반응 가스만 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것일 수 있다.
대신에, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 MO 소스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기로 구성하여, 상기 (b) 단계는 상기 MO 소스와 반응 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기 하방을 지나가며 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명에서는 MO 소스를 사용하여 TiSiN과 같은 금속 질화막을 증착함에 있어서, MO 소스 이외에 함께 반응기내로 유입되는 가스인 N을 포함하는 반응 가스는 리모트 플라즈마로 활성화시켜서 주입함으로써, MO 소스 분해가 쉽고 반응을 원활하게 한다. 이러한 방법은 박막 내의 탄소 함량을 줄이며 대기중 산소에 의한 에이징을 방지할 수 있게 한다.
또한, 반응기 외부에 플라즈마를 형성함으로써, 반응기 내부에서 직접 플라즈마를 발생시키는 경우에 비하여 플라즈마에 의한 반응기 및 기판의 직접적인 손상을 없앨 수 있다. 뿐만 아니라 반응기 내부에서 직접 플라즈마를 형성하는 경우에는 플라즈마의 직진성이 강해 굴곡이 있는 소자 패턴에 적용시 측벽에 플라즈마 효과가 나타나지 않는 단점이 있으나, 본 발명에서는 리모트 플라즈마를 이용해 직진성을 떨어뜨림으로써 궁곡이 있는 소자 패턴에도 균일하게 플라즈마 효과가 나타나게 된다.
도 1은 기존의 ALD 방법으로 TiAlN 박막을 증착하는 방법을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 질화막 증착 방법을 수행하기 위한 장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제1 실시예의 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제1 실시예에서의 시간에 따른 공정 흐름을 보여주는 그림이다.
도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제2 실시예에서의 시간에 따른 공정 흐름을 보여주는 그림이다.
도 6은 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제3 실시예에서의 시간에 따른 공정 흐름을 보여주는 그림이다.
도 7은 기존의 ALD 방법으로 증착한 TiAlN 박막의 대기 노출 시간에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 증착한 TiAlN 박막의 대기 노출 시간에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 금속 질화막 증착 방법을 수행하기 위한 다른 장치의 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 9의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제5 및 제6 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 9의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 증착 방법에 관한 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명에서는 MO 소스 이외의 가스, 즉 N을 포함하는 반응 가스를 리모트 플라즈마로 활성화시켜서 반응기내로 공급함으로써, 외부에서 활성화된 래디컬(radical)을 이용하여 적절한 MO 소스의 분해를 유도하는 것을 그 특징으로 한다. 또한, 반응기 외부에 플라즈마를 형성함으로써, 반응기 내부에서 직접 플라즈마를 발생시키는 경우에 비하여 플라즈마에 의한 반응기 및 기판의 직접적인 손상을 없앨 수 있다. 반응기 내부에서 직접 플라즈마를 형성하는 경우에는 플라즈마의 직진성이 강해 굴곡이 있는 소자 패턴에 적용시 측벽에 플라즈마 효과가 나타나지 않는 단점이 있다. 그러나, 본 발명에서는 리모트 플라즈마를 이용해 직진성을 떨어뜨림으로써 궁곡이 있는 소자 패턴에도 균일하게 플라즈마 효과가 나타나게 된다.
반응기의 외부에서 N을 포함하는 반응 가스를 활성화시키는 방법은 도 2와 같이 반응기 외부의 별도의 리모트 플라즈마 발생기(Remote Plasma Generator : RPG)를 사용하는 리모트 플라즈마 발생 방식을 이용하는 방법이 있다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 질화막 증착 방법을 수행하기 위한 장비의 모식도이다. 도 2를 참조하면 반응기(101)는, 그 내부 상부에 설치되어 MO 소스 및 N을 포함하는 반응 가스가 분사되는 샤워헤드(105)와, 샤워헤드(105) 하부에 설치되며 기판(w)이 안착되는 웨이퍼블럭(112)을 포함한다. 이 때, 웨이퍼블럭(112)은 내장된 히터(112a)에 의하여 기판(w)을 20℃ ~ 700℃ 범위로 가열시킨다.
반응기(101)는 1 종 이상의 MO 소스가 각각 독립적으로 유입되도록 샤워헤드(105)와 연결되는 독립적 가스 라인을 가질 수도 있으나, 도면에는 하나의 가스 라인으로 유입되도록 하는 구성을 도시하였다. 그리고, 각각의 원료 공급라인에 퍼지용 불활성 가스라인이 머지되어 있고 각각의 원료와 불활성 가스를 반응기로 공급하거나 혹은 펌핑라인으로 바이패스될 수 있도록 구성되어 있을 수 있다. 예를 들어 TiSiN과 같은 2원계 금속 질화막을 증착하는 경우라면 Ti를 포함하는 제1 MO 소스, Si를 포함하는 제2 MO 소스를 사용할 수가 있는데, 이러한 2 가지 MO 소스를 각각 독립적으로 유입되도록 샤워헤드(105)와 연결되는 독립적 가스 라인을 가질 수도 있으며, 하나의 가스 라인으로 유입되도록 하는 구성을 가질 수도 있는 것이다. 물론 Ti 소스로는 MO 소스를 사용하면서 Si 소스로는 일반 소스를 사용하는 경우, 반대로 Ti 소스로는 일반 소스를 사용하면서 Si 소스로는 MO 소스를 사용하는 경우도 가능하다. N을 포함하는 반응 가스로는 N2, NH3 또는 이들 중 적어도 어느 하나와 불활성 가스의 조합을 사용할 수가 있다. 이러한 장비에서 각각의 불활성 가스라인은 각각의 원료 공급 단계에만 밸브 차단으로 오프(off)되고 각각의 원료 공급 단계가 종료되면 밸브 개방으로 온(on)되어 각각의 원료 공급라인과 반응기를 퍼지한다. 따라서, 다음에 설명하는 각각의 원료 공급 단계 사이에는 퍼지가 진행될 수 있는 것이다.
반응기(101) 외부에는 리모트 플라즈마 발생기(115)를 설치하는데, N을 포함하는 반응 가스 공급 라인만 통과하게 함으로써, 반응기(101) 외부에서 N을 포함하는 반응 가스를 래디컬화한 후 반응기(101) 내부로 공급되게 만든다. 플라즈마의 발생 주파수는 마이크로파(microwave), 300 ~ 500KHz의 저주파(LF), 또는 13.56MHz ~ 21.12MHz의 고주파(HF)와 같이 다양할 수 있다. 이러한 플라즈마의 발생 파워는 10 ~ 1000W일 수 있다.
본 발명에 따른 금속 질화막 증착 방법에서는 이렇게 도 2에 도시한 장비를 이용하여 적어도 1 종의 MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스를 사용하여 금속 질화막을 증착할 수가 있는데, N을 포함하는 반응 가스는 리모트 플라즈마를 이용하여 활성화시켜 반응기(101) 내로 공급하며 MO 소스는 플라즈마 생성없이 반응기(101) 내로 공급한다. 이것은 N을 포함하는 반응 가스만을 선별적으로 플라즈마로 활성화시켜서 MO 소스를 효율적으로 분해시키는 방법으로, 박막 내에 탄소 함유량이 적어지도록 완전한 반응을 유도할 수 있다. 또한 박막을 대기 중에 노출시켜도 산소와 급격하게 반응하여 저항이 증가하는 문제가 없다.
한편, MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스를 반응기(101) 내에 동시에 공급할 수도 있고, MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스를 반응기(101) 내에 순차적으로 적어도 1회 공급할 수 있으며, 동시 공급과 순차 공급의 적절한 조합을 이용할 수도 있다. MO 소스를 공급한 후 및 N을 포함하는 반응 가스를 공급한 후에 반응기(101) 내를 퍼지하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 또한, 이러한 단계들은 원하는 두께의 금속 질화막이 증착될 때까지 수회 반복될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 금속 질화막 증착 방법을 수행하는 데에 이용되는 박막 증착 장치는 도 2에 도시한 것 이외에 기존에 널리 사용되고 있는 CVD 또는 ALD 시스템과 유사한 것을 이용할 수 있으며, 단지 반응기 내에 반응 가스가 도달하기 전 특정 공간에서 플라즈마화되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증착 방법으로 TiN, TiSiN, TaSiCN, WSiN, WSiCN 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 금속 질화막을 증착할 수 있다. 박막 중 금속의 종류가 하나인 경우 반드시 MO 소스를 사용하며, 금속의 종류가 둘 이상인 경우에는 적어도 하나의 MO 소스를 사용하도록 한다.
구체적으로 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제1 실시예로서 ALD 방법에 의해 TiSiN을 증착하는 경우를 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제1 실시예의 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제1 실시예에서의 시간에 따른 공정 흐름을 보여주는 그림이다.
먼저 도 3을 참조하면, 기판(w)을 반응기(101) 내에 로딩(단계 s11)한다. 그런 다음, 기판(w)의 온도가 증착 온도까지 충분히 올라갈 수 있도록 불활성 가스를 흘려주며 온도를 올린다. 예컨대, 반응기(101) 내의 압력을 0.001 Torr ~ 100 Torr로 유지한 상태에서 기판(w)를 반응기(101) 내로 로딩하고 웨이퍼블럭(112)을 이용하여 기판(w)의 온도를 200℃ ~ 450℃로 올린다. 예를 들어, 250℃의 온도로 가열하여도 충분하다.
그런 다음, 제1 전구체, 예컨대 MO 소스인 TDMAT나 TDEAT와 같은 Ti 전구체 공급라인을 온(on)시켜 제1 전구체를 공급한 다음 오프(off)시킨다(단계 s12, 도 4의 t1). 기판(w) 상에 제1 전구체의 흡착층이 형성된다.
그런 다음, 불활성 가스를 공급해 반응기(101) 안을 퍼지한다(단계 s13, 도 4의 t2). 퍼지 가스로는 불활성 가스인 Ar 등을 사용할 수 있다. 반응기(101) 내에 잔류하는 제1 전구체 및 반응 부산물이 반응기(101) 외부로 배출된다.
계속하여, 리모트 플라즈마로 활성화시킨 NH3와 같은 반응가스 공급라인을 온(on)시켜 반응가스를 공급한 다음 오프(off)시킨다(단계 s14, 도 4의 t3'). 다시 말해 반응가스 공급과 동시에 리모트 플라즈마를 사용한다. 반응가스는 제1 전구체의 흡착층과 반응하여 예컨대 TiN을 형성하게 되는데 본 발명에서는 리모트 플라즈마로 활성화시킨 반응가스를 사용하므로 MO 소스와의 반응이 완전하게 이루어진다. 따라서, 박막 내에 MO 소스로부터의 탄소가 덜 포함된다.
그런 다음, 불활성 가스를 공급해 반응기(101) 안을 퍼지한다(단계 s15, 도 4의 t4). 반응기(101) 내에 잔류하는 반응 가스 및 반응 부산물이 반응기(101) 외부로 배출된다.
다음으로, 제2 전구체, 예컨대 MO 소스인 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)와 같은 Si 전구체 공급라인을 온(on)시켜 제2 전구체를 공급한 다음 오프(off)시킨다(단계 s16, 도 4의 t5). 기판(w) 상의 TiN 위에 제2 전구체의 흡착층이 형성된다.
그런 다음, 불활성 가스를 공급해 반응기(101) 안을 퍼지한다(단계 s17, 도 4의 t6). 반응기(101) 내에 잔류하는 제2 전구체 및 반응 부산물이 반응기(101) 외부로 배출된다.
계속하여, 리모트 플라즈마로 활성화시킨 반응가스 공급라인을 온(on)시켜 반응가스를 공급한 다음 오프(off)시킨다(단계 s18, 도 4의 t7'). 반응가스는 제2 전구체의 흡착층과 반응하여 예컨대 SiN을 형성하게 된다. 리모트 플라즈마로 활성화시킨 반응가스를 사용하므로 반응이 완전하게 이루어진다. 따라서, 박막 내에 탄소가 덜 포함된다.
그런 다음, 불활성 가스를 공급해 반응기(101) 안을 퍼지한다(단계 s19, 도 4의 t8). 반응기(101) 내에 잔류하는 반응 가스 및 반응 부산물이 반응기(101) 외부로 배출된다.
이와 같은 각각의 원료 공급 단계 t1, t3', t5, t7' 사이, 즉 t2, t4, t6, t8 동안에는 퍼지가 진행되는 ALD 방식으로 t1 내지 t8로 이루어지는 한 싸이클(TiN+SiN)을 여러 번 반복하여 TiSiN 박막을 증착한다. 원하는 두께가 얻어졌는지 판단하여(단계 s20) 종료한다.
도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제2 실시예에서의 시간에 따른 공정 흐름을 보여주는 그림이다.
금속 질화막 증착을 위한 MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스는 도 5에 도시한 바와 같이 동시에 반응기로 공급할 수 있다. 물론 N을 포함하는 반응 가스만 플라즈마로 활성화시켜 반응기로 공급한다. 이러한 방법은 CVD에 해당하며 원하는 막 두께가 얻어질 때까지 시간을 유지한다.
도 6은 본 발명에 따른 박막 증착 방법 제3 실시예에서의 시간에 따른 공정 흐름을 보여주는 그림이다.
금속 질화막 증착을 위한 MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스는 도 6에 도시한 바와 같이 반응기 내에 순차적으로 적어도 1회 공급할 수 있다. 예를 들어, MO 소스를 먼저 소정 시간 공급한 다음(온(on)), 공급을 중단한다(오프(off)). 다음으로 N을 포함하는 반응 가스를 리모트 플라즈마로 활성화시켜 소정 시간 공급한 다음(온), N을 포함하는 반응 가스의 공급을 중단한다(오프). 이러한 방법은 싸이클릭 CVD에 해당된다.
뿐만 아니라, MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스의 공급은 이상 설명한 동시 공급, 순차적 공급 이외에 다양한 조합이 가능하며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 내에서 다양한 조합을 생각해낼 수 있을 것이다. 또한, 두 개 이상의 MO 소스를 한 단계에서 동시에 공급하여 다원계 금속 질화막을 증착할 수도 있다. 뿐만 아니라 다원계 금속 질화막이더라도 어느 하나의 금속만 MO 소스 전구체를 사용하고 다른 금속은 일반적인 소스를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조한 실시예에서 Si 소스를 SiCl4, SiH2Cl2, SiHCl3과 같은 소스를 사용하는 것이다.
도 7은 기존의 ALD 방법으로 증착한 TiAlN 박막의 대기 중 노출 시간에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다. 최초에 면저항은 5000Ω보다 훨씬 큰 값에서 시작하여, 노출 시간이 길어질수록 저항이 증가하여 20000Ω에 다다르는 것을 볼 수 있다. 이렇게 놓은 저항을 가지면 전극으로 사용하기 어려워진다.
도 8은 본 발명에 따라 증착한 TiAlN 박막의 대기 중 노출 시간에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다. 최초에 면저항은 5000Ω보다 훨씬 작은 값에서 시작하여, 노출 시간이 길어져도 저항 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 대기 노출시 산소에 의한 에이징이 방지되는 것을 알 수 있고 이에 따라 우수한 전극 특성을 그대로 유지할 수 있다.
한편 전술한 실시예들에서는 기존 박막 증착 장치를 이용한 밸브의 조작을 통해 ALD, CVD 및 싸이클릭 CVD 방법으로 금속 질화막을 증착하는 예를 설명하였으나, 본 발명에 따르면 가스 분사부와 기판 지지부를 상대 회전시키면서 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용하여 ALD, CVD 및 싸이클릭 CVD 방법으로 금속 질화막을 증착할 수도 있다. 종래의 ALD나 싸이클릭 CVD는 가스 공급이 밸브의 조작을 통해 이루어지는 방식이므로, 공정이 복잡하게 되고, 밸브의 잦은 동작에 따라 밸브의 수명이 단축되는 것과 함께 장치의 유지보수 비용이 증가하게 된다. 이와 같은 단점을 개선하기 위해, 밸브의 동작 없이 ALD나 싸이클릭 CVD가 구현 가능한 박막 증착 장치를 이용할 수도 있는 것이다. 이러한 박막 증착 장치의 개략적인 구성을 도 9에 나타내었다. 도 10은 도 9의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도로서 본 발명 제4 실시예에 따른 구성이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 박막 증착 장치(200)는 반응기(210), 기판 지지부(220) 및 가스 분사부(230)를 구비한다.
반응기(210)는 바닥부(211), 외벽부(212) 및 상측 플레이트(213)를 구비한다. 바닥부(211)는 원판의 형상으로 이루어져 있고, 외벽부(212)는 바닥부(211)의 가장자리로부터 상방으로 수직하게 연장 형성되어 폐곡면 형상으로 이루어져 있다. 그리고 외벽부(212)에는 기판이 출입하는 기판 이송통로(도면 미도시)가 형성되어 있다. 상측 플레이트(213)는 원판 형상으로 이루어져 있고, 외벽부(212)의 상면에 분리 가능하게 결합된다. 상측 플레이트(213)가 외벽부(212)의 상면에 결합되면 반응기(210) 내부에 일정한 공간이 형성되며, 특히 기판 지지부(220)의 상방으로 기판 지지부(220)와 가스 분사부(230)의 사이에 박막 증착공간(240)이 형성된다. 상측 플레이트(213)의 하면과 외벽부(212)의 상면 사이에는 오링(O-ring)(도면 미도시) 등과 같은 밀폐부재가 개재된다. 그리고 반응기(210) 내부에 잔존하는 불필요 가스 및 파티클을 배출하기 위한 배기구(도면 미도시)가 바닥부(211) 또는 외벽부(212)에 형성되어 있다.
기판 지지부(220)는 반응기(210) 내부에 설치되며, 서셉터(221), 기판 안착부(222), 샤프트(223) 및 히터(도면 미도시)를 구비한다. 서셉터(221)는 원판의 형상으로 반응기(210) 내부에 회전 가능하게 설치되어 있다. 서셉터(221)의 상면에는 기판 안착부(222)가 2개 이상의 복수 개 형성되어 있으며 본 실시예에서는 6개인 경우를 예로 들었다. 기판 안착부(222)는 기판 지지부(220) 상면의 둘레방향을 따라 배치되고, 각 기판 안착부(222)에는 기판(w1 ~ w6)이 안착된다. 샤프트(223)는 양단부 중 일단부가 서셉터(221)의 하면과 결합되어 있고, 타단부가 반응기(210)를 관통하여 예컨대, 모터(도면 미도시) 등의 회전 구동수단과 연결되어 있다. 따라서 샤프트(223)가 회전함에 따라 서셉터(221)가 도 9에 도시된 회전 중심축(A)을 중심으로 회전하게 된다. 또한 샤프트(223)는 서셉터(221)가 승강이 가능하도록 하는 승강 구동수단과 연결되어 있다. 승강 구동수단으로는 예컨대, 모터 및 기어 조립체(도면 미도시) 등이 있다. 히터(도면 미도시)는 서셉터(221) 아래에 매설되어 기판(w1 ~ w6)의 온도를 조절한다. 기판(w1 ~ w6)은 기판 지지부(220)의 중심을 기준으로 대칭적으로 안착되는 것이 기판별 차이를 없애 균일성을 도모하는 데 바람직하다.
가스 분사부(230)는 기판 지지부(220)의 상방에 설치된 상측 플레이트(213)에 결합되며, 가스 공급기(251, 252, 254, 255)를 구비한다. 가스 공급기(251, 252, 254)는 상측 플레이트(213) 둘레방향을 따라 방사형으로 배치되며 그 개수 및 위치 관계 등은 변경이 가능하다. 가스 공급기(255)는 기판 지지부(220)의 중앙부분을 통해 미반응된 가스가 혼합되지 않도록 퍼지 가스를 공급할 수 있는 장치이다.
가스 공급기(251, 252, 254, 255) 영역별로 가스 종류를 다르게 할 경우 서셉터(221)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)은 회전하면서 가스 공급기(251, 252, 254, 255) 하방을 지나게 되면서 그로부터 각각의 가스를 만나게 된다. 기판 지지부(220)의 회전을 제어할 경우 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스와 만나는 시간을 조절할 수 있으며, 또한 회전수를 조절하여 원하는 두께의 박막을 제어할 수 있게 된다.
본 실시예에서 가스 공급기(251, 252, 254, 255)는 공급되는 가스의 종류에 따라, MO 소스와 같은 원료 가스를 기판 지지부(220) 상으로 공급하는 원료 가스 공급기(251)와 MO 소스의 중심원소와 반응하여 반응물을 형성하도록 N을 포함하는 반응 가스를 기판 지지부(220) 상으로 공급하는 반응 가스 공급기(252), 그리고 불활성 가스를 기판 지지부(220) 상으로 공급하는 퍼지 가스 공급기(254, 255)로 구분된다.
도 10에 도시한 바와 같이, 가스 공급기(251, 252, 254)는 상측 플레이트(213) 둘레방향을 따라 배치되는데, 본 실시예에서는 하나의 원료 가스 공급기(251)와 하나의 반응 가스 공급기(252)가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이마다 퍼지 가스 공급기(254)가 배치되어 있다. 퍼지 가스 공급기(254)는 MO 소스 및 반응 가스와 같은 공정 가스를 퍼지하는 불활성 가스를 기판 지지부(220) 상으로 공급하여 박막형성공간(240)에 잔류하는 미반응된 가스를 반응기(210) 외부로 배출시킴으로써, 기판 지지부(220) 상에서 미반응된 가스가 혼합되지 않도록 한다.
이와 같이, 가스 분사부(230)가 고정되어 있고, 기판 지지부(220)가 회전 가능하게 설치되어, 기판 지지부(220)가 가스 분사부(230)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(220)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(251, 252, 254)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 기판(w1)의 경우 각각의 가스 공급기(251, 252, 254)를 통해 MO 소스 -> 불활성 가스 -> 반응 가스 -> 불활성 가스 순으로 공급을 받게 되어 ALD 방식으로 금속 질화막을 형성할 수 있다. 이 때 리모트 플라즈마 발생기(215)를 통과해 반응 가스가 반응 가스 공급기(252)에 공급되게 함으로써, 외부에서 N을 포함하는 반응 가스를 래디컬화한 후 공급되게 만든다. 물론 2종 이상의 원료 가스를 사용할 수도 있으며, 2종 이상의 원료 가스는 하나의 원료 가스 공급기를 통하여 공급하는 방식 또는 서로 다른 원료 가스 공급기를 통하여 공급하는 방식에 의할 수 있다.
따라서 도 9에 도시된 박막 증착 장치(200)를 이용하면, 밸브의 조작 없이 ALD를 구현할 수 있으면서 반응 가스만 플라즈마화하여 공급하게 된다. 또한, 한 번에 여러 개의 기판을 처리할 수 있으면서도 배치 타입과는 다른 방식이므로 저항값이 낮은 박막을 증착할 때 기판 뒷면이 오염될 우려가 없으며 1장의 기판만을 처리하는 종래의 매엽식보다 높은 생산성으로 증착할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명의 제5 및 제6 실시예를 구현하기 위한 것으로 도 9의 Ⅱ-Ⅱ선 다른 단면도이다.
도 11을 참조하면, 가스 분사부(230)는 가스 공급기(251', 254, 255)를 포함한다. 가스 공급기(251', 254)는 상측 플레이트(213) 둘레방향을 따라 방사형으로 배치되는데, 가스 공급기(251')는 MO 소스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기이고, 가스 공급기(254, 255)는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기이다. 본 실시예에서는 두 개의 공정 가스 공급기(251')가 서로 대향하게 배치되어 있고 그들 사이에 퍼지 가스 공급기(254)가 배치된 예를 도시하지만 공정 가스 공급기(251')와 퍼지 가스 공급기(254) 각각은 하나 이상이며 개수는 변경될 수 있다.
기판 지지부(220)가 가스 분사부(230)에 대해 상대 회전하면, 기판 지지부(220)에 안착되어 있는 기판(w1 ~ w6)이 각각의 가스 공급기(251', 254)의 하방을 순차적으로 지나가게 된다. 이 때 MO 소스와 반응 가스가 함께 기판(w1 ~ w6) 상으로 공급되므로 CVD 방식의 박막 증착이 이루어지게 된다. 불활성 가스를 함께 공급하는 경우라면 CVD 증착 사이에 퍼지가 이루어지는 싸이클릭 CVD로도 구현이 된다.
또한 도면으로 도시하지는 않았으나 가스 분사부(230) 중 어느 하나 이상의 가스 공급기는 MO 소스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기로 구성하여, MO 소스와 반응 가스가 공급되는 상태에서 기판(w1 ~ w6)이 상기 공정 가스 공급기 하방을 지나가며 증착이 이루어지도록 하여 일반적인 CVD를 구현할 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (11)

  1. 적어도 1 종의 MO 소스와 N을 포함하는 반응 가스를 사용한 금속 질화막 증착 방법으로서,
    상기 N을 포함하는 반응 가스는 리모트 플라즈마를 이용하여 활성화시켜 반응기 내로 공급하며 상기 MO 소스는 플라즈마 생성없이 반응기 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 질화막은 TiN, TiSiN, TaSiCN, WSiN, WSiCN 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 MO 소스와 상기 N을 포함하는 반응 가스를 상기 반응기 내에 동시에 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 MO 소스와 상기 N을 포함하는 반응 가스를 순차적으로 적어도 1회 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 MO 소스를 공급한 후 및 N을 포함하는 반응 가스를 공급한 후에 상기 반응기 내를 퍼지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  6. (a) 제1 전구체를 반응기 내에 공급하는 단계;
    (b) 상기 제1 전구체를 퍼지하는 단계;
    (c) 리모트 플라즈마를 이용하여 활성화시킨 N을 포함하는 반응 가스를 상기 반응기 내에 공급하는 단계;
    (d) 상기 반응 가스를 퍼지하는 단계;
    (e) 제2 전구체를 반응기 내에 공급하는 단계;
    (f) 상기 제2 전구체를 퍼지하는 단계;
    (g) 리모트 플라즈마를 이용하여 활성화시킨 N을 포함하는 반응 가스를 상기 반응기 내에 공급하는 단계; 및
    (h) 상기 반응 가스를 퍼지하는 단계;
    로 이루어지는 한 싸이클을 적어도 1회 반복하고 상기 제1 및 제2 전구체 중 적어도 어느 하나는 MO 소스인 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 N을 포함하는 반응 가스는 N2 또는 NH3인 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  8. 반응기 내부에 설치되고, 기판이 안착되는 복수의 기판 안착부가 마련되어 있는 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부 상부에 설치되고, 1종 이상의 가스를 상기 기판 지지부 상으로 공급하는 가스 분사부;를 구비하며,
    상기 기판 지지부와 가스 분사부가 상대 회전 가능하게 설치되는 박막 증착 장치를 이용하여 박막을 증착하는 방법으로,
    (a) 상기 기판 안착부에 복수의 기판을 안착시키는 단계; 및
    (b) 상기 기판 지지부와 가스 분사부를 상대 회전시키면서, 상기 가스 분사부를 통해 적어도 1 종의 MO 소스 및 N을 포함하는 반응 가스를 상기 기판 지지부 상에 공급하여 상기 기판 상에 금속 질화막을 증착하는 단계;를 포함하고,
    상기 N을 포함하는 반응 가스는 리모트 플라즈마를 이용하여 활성화시켜 상기 반응기 내로 공급하며 상기 MO 소스는 플라즈마 생성없이 상기 반응기 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 MO 소스를 공급하는 원료 가스 공급기이고, 다른 하나 이상의 가스 공급기는 상기 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급기이며, 또 다른 하나 이상의 가스 공급기는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기로 구성하여, 상기 (b) 단계는 상기 MO 소스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 원료 가스 공급기, 퍼지 가스 공급기, 반응 가스 공급기 및 다른 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 MO 소스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기이며 다른 하나 이상의 가스 공급기는 불활성 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급기로 구성하여, 상기 (b) 단계는 상기 MO 소스와 반응 가스 및 불활성 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기와 퍼지 가스 공급기 하방을 연속적으로 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 가스 분사부는 복수개의 가스 공급기가 방사형으로 배치된 것이며, 어느 하나 이상의 가스 공급기는 상기 MO 소스와 반응 가스를 함께 공급하는 공정 가스 공급기로 구성하여, 상기 (b) 단계는 상기 MO 소스와 반응 가스가 공급되는 상태에서 상기 기판이 상기 공정 가스 공급기 하방을 지나가며 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 질화막 증착 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150097957A (ko) * 2014-02-19 2015-08-27 주식회사 케이씨텍 원자층 증착 장치
JP2017120884A (ja) * 2015-12-25 2017-07-06 東京エレクトロン株式会社 保護膜形成方法
US10476000B2 (en) 2017-03-22 2019-11-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Method of forming a layer and a method of fabricating a variable resistance memory device using the same

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