KR20130095421A - 전구물질 기화 장치 및 이를 이용한 막 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
전구물질 기화 장치는 본체, 기화 공간, 전구물질 유입로, 캐리어 가스 유입로 및 배출구를 포함한다. 기화 공간은 본체 내부에 한정되며, 원추형의 제1 기화 공간 및 제1 기화 공간과 연통되는 원통형의 제2 기화 공간을 포함한다. 전구물질 유입로는 제1 기화 공간의 원추의 꼭짓점에 상응하는 전단부로 액체 전구물질을 도입한다. 캐리어 가스 유입로는 각각 제1 기화 공간의 횡단면에 접선 방향으로 구비되어 캐리어 가스를 도입하는 제1 캐리어 가스 유입로와 제2 캐리어 가스 유입로를 포함한다. 배출구는 제2 기화 공간의 말단부와 연통되며 기화된 전구물질을 배출한다.
Description
본 발명은 전구물질 기화 장치 및 이를 이용한 막 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 캐리어 가스를 이용한 전구물질 기화 장치 및 이를 이용한 막 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 유전막, 도전막 등을 형성하기 위해 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정, 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정 또는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition: PVD) 공정 등과 같은 다양한 증착 공정이 활용되고 있다. 상기 증착 공정 수행 전에 액체 전구물질을 기화시켜 대상체 상에 기화된 전구물질을 공급할 수 있다. 따라서, 상기 액체 전구물질을 기화시키기 위한 기화 장치가 필요하다.
상기 액체 전구물질은 상기 기화 장치 내부에서 균일하게 기화되어 상기 대상체 상에 공급되는 것이 바람직하며, 일부 액체 전구물질이 기화되지 못하거나, 상기 기화 장치의 노즐 등에서 재응축이 일어나 액체 입자 형태로 상기 대상체 상으로 공급될 경우 형성되는 막 품질을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일 목적은 균일하고 결함이 없는 막 형성에 이용되는 전구물질 기화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전구물질 기화장치를 이용하여 균일하고 결합이 없는 막 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 기화 장치는 전구물질 기화 장치는 본체, 기화 공간, 전구물질 유입로, 캐리어 가스 유입로 및 배출구를 포함한다. 상기 기화 공간은 상기 본체 내부에 한정되며, 원추형의 제1 기화 공간 및 상기 제1 기화공간과 연통되는 원통형의 제2 기화공간을 포함할 수 있다. 상기 전구물질 유입로는 상기 제1 기화 공간의 원추의 꼭짓점에 상응하는 전단부로 액체 전구물질을 도입할 수 있다. 상기 캐리어 가스 유입로는 각각 상기 제1 기화 공간의 횡단면에 접선 방향으로 구비되어 캐리어 가스를 도입하는 제1 캐리어 가스 유입로와 제2 캐리어 가스 유입로를 포함할 수 있다. 배출구를 통해 상기 제2 기화 공간의 말단부와 연통되며 기화된 전구물질이 배출될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전구물질 기화장치는 상기 본체 외벽을 둘러싸는 가열 수단을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 본체는 스테인리스강 재질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전구물질 유입로는 상기 본체 내부에 매립되어 상기 제1 기화 공간의 상기 전단부와 유체 연결될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전구물질 유입로 및 상기 제1 기화 공간의 벽면은 105도 내지 120도 범위의 경사각을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 제1 캐리어 가스 유입로 및 상기 제2 캐리어 가스 유입로의 말단부를 연결한 라인은 상기 제1 기화 공간의 횡단면의 지름에 해당될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 배출구는 상기 제2 기화 공간 내부로 연장하는 돌출부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 배출구는 상기 전구물질 기화 장치의 말단부에 삽입되어 탈착 가능하도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 제2 기화 공간 단면의 직경의 상기 배출구 단면의 직경에 대한 비율은 5 내지 8일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 기화 공간의 내벽은 발액성 표면처리될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전구물질 기화 장치는 상기 기화 공간의 내벽 상에 구비되는 발액성막을 더 포함할 수 있다. 상기 발액성막은 예를 들어, 불소 치환된 실란계 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 기화 공간의 내벽 상에 미세 돌기들이 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 막 형성 방법에 있어서, 공정 챔버 내에 기판을 로딩한다. 기화장치의 원추형 제1 기화 공간 내부로, 각각 상기 제1 기화 공간 횡단면에 접선 방향인 제1 캐리어 가스 유입로 및 제2 캐리어 가스 유입로를 통해 소정의 온도로 가열된 캐리어 가스를 공급하여 캐리어 가스 싸이클론을 형성할 수 있다. 상기 제1 기화 공간의 원추의 꼭짓점에 상응하는 전단부로 액체 전구물질을 도입할 수 있다. 상기 캐리어 가스 싸이클론에 의해 상기 전구물질을 상기 제1 기화 공간과 연통되는 원통형의 제2 기화 공간으로 선회시키며 기화시킬 수 있다. 상기 기화 장치의 말단부에 구비된 배출구를 통해 상기 공정 챔버 내의 기판 상에 기화된 상기 전구물질을 공급할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 배출구는 상기 제2 기화 공간 내부로 연장하는 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부에 의해 미기화된 상기 액체 전구물질이 트랩될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 의한 기화 장치에 따르면, 상기 기화 장치 내부에 한정되는 기화 공간은 원추형 제1 기화 공간 및 원통형 제2 기화 공간을 포함할 수 있다. 상기 원추형 제1 기화 공간의 횡단면에 접하는 방향으로 설계된 제1 캐리어 가스 유입로 및 제2 캐리어 가스 유입로에 의해 캐리어 가스의 싸이클론이 상기 제1 기화 공간 내부에서 발생한다. 상기 캐리어 가스 싸이클론에 의해 상기 제1 기화 공간으로 도입된 액체 전구물질도 싸이클론을 형성하며 상기 제2 기화 공간 벽면을 따라 선회하면서 균일하게 기화될 수 있다. 또한 상기 기화 공간 내벽을 발액성 처리하여 상기 전구물질 액적이 상기 기화 공간 내벽에 흡착되는 현상을 방지할 수 있다. 추가적으로, 상기 기화공간 말단부에 상기 제2 기화 공간 내부로 연장하는 돌출부를 포함하는 배출구를 형성할 수 있다. 상기 돌출부에 의해 미기화된 전구물질이 트랩되어, 상기 배출구를 통해 기화된 전구물질만이 통과될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전구물질 기화 장치를 포함하는 막 증착 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 전구물질 기화 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 I-II 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 5a는 다른 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 5b는 발액성막이 형성되지 않은 경우 접촉각도를 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 막 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8 내지 도 14는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 15 내지 도 19는 다른 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 전구물질 기화 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 I-II 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 5a는 다른 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 5b는 발액성막이 형성되지 않은 경우 접촉각도를 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 막 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8 내지 도 14는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 15 내지 도 19는 다른 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 전구물질 기화 장치를 포함하는 막 증착 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면 막 증착 장치(50)는 전구물질 공급부(30), 제1 캐리어 가스 공급부(10), 제2 캐리어 가스 공급부(20), 기화 장치(100) 및 공정 챔버(40)를 포함할 수 있다.
전구물질 공급부(30)는 기화 장치(100) 내부로 다양한 반도체 장치의 유전막, 절연막, 도전막 등의 형성을 위한 소스가 되는 전구물질을 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 액화된 전구물질이 전구물질 공급부(30)를 통해 기화 장치(100) 내부로 도입될 수 있다.
상기 전구물질은 특별히 제한되는 것은 아니나, 중심 금속에 상기 중심 금속을 안정화하기 위한 리간드들이 배위된 화합물을 상기 전구물질로서 사용할 수 있다.
상기 전구물질의 비제한적인 예로서, 테트라키스-에틸메틸아미도-지르코늄(tetrakis-ethylmethylamido-zirconium: TEMAZ), 테트라키스-에틸메틸아미도-하프늄(tetrakis-ethylmethylamido-hafnium), 테트라키스-디에틸아미도-지르코늄(tetrakis-diethylamido-zirconium: TDEAZ), 테트라키스-디에틸아미도-하프늄(tetrakis-diethylamido-hafnium), 테트라키스-디메틸아미도-지르코늄(tetrakis-dimethylamido-zirconium: TDMAZ), 테트라에틸 오쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate: TEOS), 테트라키스-디메틸아미도-티타늄(terakis-dimethylamido-titanium), 테트라키스-디에틸아미도-티타늄(tetrakis-diethylamido-titanium), 트리메틸 알루니늄(trimethyl aliminum), 디메틸 알루미늄(dimethyl aliminum) 등을 들 수 있다.
상기 전구 물질은 상온에서 액체인 것을 사용할 수도 있고, 상온에서 고체인 경우 알코올, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 에테르계 용매 등과 같은 유기 용매에 용해시켜 사용될 수도 있다.
전구물질 공급부(30)는 전구물질 이송라인(35)을 통해 기화 장치(100)와 유체 연결될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 전구물질 이송라인(35) 중간에 상기 전구물질이 도입되는 유량을 조절하는 유량 제어기가 구비될 수 있다.
제1 캐리어 가스 공급부(10)는 제1 캐리어 가스 저장 장소(11), 제1 캐리어 가스 유량 제어부(13) 및 제1 캐리어 가스 히터(15)를 포함할 수 있다. 제1 캐리어 가스 유량 제어부(13) 및 제1 캐리어 가스 히터(15)의 배치 순서는 특별히 제한되지 않는다.
제1 캐리어 가스 공급부(10)는 제1 캐리어 가스 이송 라인(17)을 통해 기화 장치(100)와 유체 연결될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 캐리어 가스 저장 장소(11)로부터 제1 캐리어 가스 유량 제어부(13) 및 제1 캐리어 가스 히터(15)에 의해 유량 및 온도가 조절된 제1 캐리어 가스가 기화 장치(100) 내부로 도입될 수 있다. 제1 캐리어 가스로서 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He)과 같은 불활성 기체를 사용할 수 있다.
제2 캐리어 가스 공급부(20)는 제2 캐리어 가스 저장 장소(21), 제2 캐리어 가스 유량 제어부(23) 및 제2 캐리어 가스 히터(25)를 포함할 수 있다. 제2 캐리어 가스 유량 제어부(23) 및 제2 캐리어 가스 히터(25)의 배치 순서는 특별히 제한되지 않는다.
제2 캐리어 가스 공급부(20)는 제2 캐리어 가스 이송 라인(27)을 통해 기화 장치(100)와 유체 연결될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제2 캐리어 가스 저장 장소(21)로부터 제2 캐리어 가스 유량 제어부(23) 및 제2 캐리어 가스 히터(25)에 의해 유량 및 온도가 조절된 제2 캐리어 가스가 기화 장치(100) 내부로 도입될 수 있다. 제2 캐리어 가스로서 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He)과 같은 불활성 기체를 사용할 수 있으며, 제1 캐리어 가스와 동일한 기체를 사용할 수도 있다.
도 1에서는 각각 별도의 제1 캐리어 가스 저장 장소(11) 및 제2 캐리어 저장 장소(21)가 구비되는 것으로 도시되었으나, 동일한 캐리어 가스 조장 장소에서 제1 및 제2 캐리어 가스 유량 제어부(13, 23)가 각각 분기되는 구조를 가질 수도 있다.
기화 장치(100)의 구조 및 형상에 대해서는 도 2를 참조로 상세히 설명할 것이다.
공정 챔버(40)는 기화 장치(100)에서 기화된 상기 전구물질을 공급 받아 대상체 상에 박막이 증착될 수 있는 공간을 제공한다. 예시적인 실시예들에 따르면, 공정 챔버(40)는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition) 공정 혹은 원자층 증착 공정(Atomic layer deposition: ALD)을 위한 챔버로 제공될 수 있다.
공정 챔버(40) 내부에는, 도 1에서 상세히 도시되지는 않았으나, 예를 들면 상부 전극, 하부 전극, 샤워 헤드 등의 구성을 포함할 수 있다. 상기 샤워 헤드는 공정 챔버(40) 내부의 증착 공간으로 기화된 상기 전구물질을 분출할 수 있다. 상기 하부 전극 상에는 막 증착을 위한 대상체, 예를 들어 반도체 웨이퍼가 로딩될 수 있다. 상기 상부 및 하부 전극 사이에서 발생되는 파워에 의해 상기 대상체 상에 박막이 증착될 수 있다. 추가적으로, 공정 챔버(40)의 상기 증착 공간을 진공 분위기로 조성하기 위한 진공 펌프가 구비될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 전구물질 기화 장치를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 2의 I-II 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기화 장치(100)는 본체(110), 전구물질 유입로(120), 제1 캐리어 가스 유입로(130), 제2 캐리어 가스 유입로(140) 및 배출구(170)를 포함할 수 있다. 기화 장치(100) 내부에는 유입된 전구물질이 기화되면서 이동하는 기화 공간(150)이 제공된다. 한편, 본체(110) 외부를 둘러싸는 가열 수단(180)이 더 구비될 수 있다.
본체(110)는 열 전도율이 우수한 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본체(110)는 스테인리스 강 재질로 형성될 수 있다.
기화 공간(150)에 의해 기화 공간 내부로 유입된 전구물질이 기화되면서 캐리어 가스에 의해 배출구(170)로 안내될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 기화 공간(150)은 제1 기화 공간(150a) 및 제2 기화 공간(150b)을 포함할 수 있다.
제1 기화 공간(150a)은 전구물질 유입로(120), 제1 캐리어 가스 유입로(130) 및 제2 캐리어 가스 유입로(140)와 연통될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 제1 기화 공간(150a)은 실질적으로 원추형 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 기화 공간(150a)의 횡단면은 실질적으로 원형 형상을 가지며, 그 단면의 넓이는 전구물질 유입로(120) 쪽에서 배출구(170) 쪽으로 갈수록 증가할 수 있다. 상술한 바와 같은 제1 기화 공간(150a)의 형상에 기인하여, 제1 캐리어 가스 유입로(130) 및 제2 캐리어 가스 유입로(140)로부터 도입된 캐리어 가스의 싸이클론(cyclon)이 제1 기화 공간(150)에서 형성되어 제2 기화 공간(150b)으로 전파될 수 있다.
제2 기화 공간(150b)은 실질적으로 원통 형상을 가질 수 있다. 제2 기화 공간(150b)은 상기 캐리어 가스 싸이클론이 충분히 진행되어 상기 전구물질을 순환시키며 기화시킬 수 있는 길이를 가질 수 있다. 제1 기화 공간(150a)의 길이를 "D1", 제2 기화 공간(150b)의 길이를 "D2"라고 표시할 때, 상기 길이의 비율인 D2/D1의 값은 8 내지 12의 값을 가질 수 있다. 상기 비율이 8 미만인 경우, 상기 싸이클론에 의해 상기 전구물질이 충분히 순환하면서 기화되지 않을 수 있다. 상기 비율이 12를 초과하는 경우, 제2 기화 공간(150b)의 배출구(170)에 인접한 말단부에서 상기 싸이클론의 각속도, 원심력 등으로 표시되는 강도가 약화되어 기화된 상기 전구물질이 재응축될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 제1 기화 공간(150a)의 길이(D1)는 약 8mm 내지 15mm의 범위의 값을 가질 수 있으며, 제2 기화 공간(150b)의 길이는 약 80mm 내지 120mm의 범위의 값을 가질 수 있다.
전구물질 유입로(120)는 도 1에 도시된 막 증착 장치(50)의 전구물질 이송 라인(35)과 연결될 수 있다. 이에 따라, 액상의 전구물질이 전구물질 유입로(120)를 경유하여, 기화 공간(150)으로 분출될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전구물질 유입로(120)는 본체(110)에 매립된 구조를 가질 수 있다. 따라서, 가열 수단(180)에 의해 승온된 본체(110)로부터 전구물질 유입로(120)로의 효율적인 열 전달이 가능하다.
전구물질 유입로(120) 및 제1 기화 공간(150a)의 벽면은 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 경사각(θ)을 형성할 수 있다. 전구물질 유입로(120)를 통해 이송되는 액상의 전구 물질은 본체(110)로부터 전달된 열에 의해 1차적으로 가열될 수 있다. 상기 전구물질이 이동되는 공간은 제1 기화 공간(150a)으로 도입되는 순간 경사각(θ)에 의해 확장되므로 감압에 의해 분산되면서 미스트(mist)화 될 수 있다.
경사각(θ)은 상술한 바와 같이 액상 전구물질의 미스트화되어 분산되는 효율 및/또는 제1 캐리어 가스 유입로(130) 및 제2 캐리어 가스 유입로부터 유입되는 상기 캐리어 가스의 싸이클론 발생 효율을 고려하여 선택될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 경사각(θ)은 약 105도 내지 120도 범위의 값을 가질 수 있다. 경사각(θ)이 105도 미만인 경우, 상기 싸이클론이 형성될 수 있는 충분한 원추형 공간이 확보되지 못할 수 있다. 한편, 경사각(θ)이 120도를 초과하는 경우, 상기 전구물질이 제1 기화 공간(150a) 내부에서 충분히 미스트화되어 분산되지 못할 수 있다.
제1 캐리어 가스 유입로(130) 및 제2 캐리어 가스 유입로(140)로는 제1 기화 공간(150b)과 연통되어 캐리어 가스를 공급한다. 상기 캐리어 가스는 헬륨, 아르곤, 질소와 같은 불활성 기체를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 캐리어 가스 유입로들(130, 140)은 상기 캐리어 가스의 싸이클론을 효과적으로 발생시킬 수 있도록 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 캐리어 가스 유입로들(130, 140)은 본체(110) 내부에 매립된 형태를 가지며, 각각 실질적으로 원형인 제1 기화 공간(150a) 단면의 접선 방향으로 연장할 수 있다. 또한, 제1 캐리어 가스 유입로(130) 및 제2 캐리어 가스 유입로(140)의 말단부를 연결한 라인은 실질적으로 원형인 제1 기화 공간(150a) 단면의 지름(R)에 해당될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 캐리어 가스 유입로들(130, 140)로부터 유입된 상기 캐리어 가스는 제1 기화 공간(150a)의 벽면을 따라 선회하면서 효과적으로 싸이클론을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 캐리어 가스는 상술한 바와 같이 캐리어 가스 히터들(15, 25)에 의해 소정의 온도로 가열되어 제1 기화 공간(150a)으로 도입되면서 싸이클론을 형성한다. 상기 싸이클론은 제2 기화 공간(150b)으로 전개되면서 순환하므로 제2 기화 공간(150b) 내부의 온도가 균일하게 유지될 수 있다. 따라서, 상기 전구물질이 기화 공간(150) 내부에서 국부적으로 재응축 되는 것을 방지할 수 있다. 또한 상기 싸이클론은 기화공간(150)의 벽면을 따라 선회류를 형성하고, 상기 전구물질 역시 함께 선회류를 형성하면서 가열된 기화 공간(150) 벽면을 따라 이동할 수 있다. 따라서, 상기 전구물질이 기화 공간(150) 내부에서 보다 효율적으로 기화될 수 있다.
한편, 상기 전구 물질은 기화 공간(150) 벽면을 따라 이동하면서 잔류하는 전구물질 액적이 기화 공간 내벽 상에 흡착되어 기화 장치(100) 내부를 오염시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 전구물질 액적이 상기 내벽 상에 흡착된 상태로 잔류하게 되는 경우 고형화되어 상기 내벽을 오염시키므로 기화 장치(100)를 매 공정 마다 세척하거나 교체할 필요가 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 기화 공간(150)의 상기 내벽을 발액성 표면처리 할 수 있다. 이 경우, 상기 전구물질 액적이 상기 내벽 상에 흡착되지 않고 용이하게 재분리되므로, 기화 장치(100)의 수명을 높일 수 있으며, 미기화된 상기 전구물질 액적이 다시 상기 싸이클론 내부로 도입되어 순환하므로 기화 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 기화공간(150)의 내벽(155)은 다수의 미세 돌기(157)를 포함하도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 내벽(155)은 실질적으로 톱니 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 전구물질 액적(190)이 내벽(155) 상에 접촉하는 경우, 내벽(155)이 평활한 평면을 갖는 경우와 비교하여 미세 돌기(157)에 의해 전구물질 액적(190) 및 내벽(155) 사이의 접촉 면적이 감소될 수 있다. 그러므로, 전구물질 액적(190)이 내벽에 흡착되어 고형화 되는 현상을 방지할 수 있다.
도 5a는 다른 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다. 도 5b는 발액성막이 형성되지 않은 경우 접촉각도를 나타내기 위한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 기화공간(150)의 내벽(155) 상에 발액성막(159)이 코팅될 수 있다. 발액성막(159)은 발액성 물질을 사용하여 기화공간(150) 내벽(155)상에 스프레이 코팅(spray coating)법 등을 통해 형성될 수 있다. 이 경우, 전구물질 액적(190)과 발액성막(159) 사이에 제1 접촉각도(θ1)가 형성될 수 있다. 한편, 도 5b에 도시된 바와 같이, 발액성막(159)이 형성되지 않은 경우, 전구물질 액적(190)과 기화 공간(150)의 내벽(155) 사이에 제2 접촉각도(θ2)가 형성될 수 있다. 발액성막(159)의 액적을 밀어내는 성질에 의해, 제1 접촉각도(θ1)는 제2 접촉각도(θ2)보다 큰 값을 가질 수 있다. 즉, 발액성막(159)은 내벽(155)보다 낮은 표면에너지를 가지며, 또한 낮은 젖음성(wettability)을 가질 수 있다. 따라서, 전구물질 액적(190)이 기화 공간(150)의 내벽(155) 상에 흡착되어 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 발액성막(159)은 90도 이상의 제1 접촉각도(θ1)를 형성할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발액성막(159)은 불소 치환된 실란계 물질을 포함할 수 있다. 상기 불소 치환된 실란계 물질은 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
상기의 화학식 1에 있어서, R1 내지 R4 는 각각 독립적으로 수소원자, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 할로겐, 아미노기 또는 히드록실기 등에서 선택될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, R1 내지 R4 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이다. 또한, 상기 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 20의 알콕시기는 적어도 하나의 불소원자로 치환된 것일 수 있다.
일 실시예에 있어, 상기 불소 치환된 실란계 물질은 하기의 화학식 2로 표시되는 폴리실록산계 물질을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서 R5 및 R6 은 각각 독립적으로 수소원자, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 할로겐, 아미노기 또는 히드록실기 등에서 선택될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, R5 및 R6 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 20의 알콕시기이다. 또한, 상기 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 20의 알콕시기는 적어도 하나의 불소원자로 치환된 것일 수 있다. n은 2 이상의 정수이다.
일 실시예에 따르면, 상기 불소 치환된 실란계 물질은 하기의 화학식 3의 반복단위를 포함하는 고리형 폴리실록산계 물질을 포함할 수 있다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서 Rf 는 각각 일 이상의 탄소가 불소치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기 혹은 탄소수 1 내지 20의 알콕시기를 포함할 수 있으며, n은 4 이상의 정수 이다. 상기 화학식 3으로 표시되는 고리형 폴리실록산계 물질의 예로서 하기의 화학식 4로 표시되는 화합물을 들 수 있다.
[화학식 4]
도 6은 또 다른 예시적인 실시예들에 따른 도 2의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 기화공간(150)의 내벽(155)은 미세 돌기들(157a)을 포함하며, 발액성막(159a)이 미세 돌기(157a) 상에 코팅될 수 있다. 이 경우, 미세 돌기들(157a)에 의해 전구물질 액적과의 접촉 면적이 감소함과 동시에, 발액성막(159a)에 의해 접촉 각도도 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 전구물질 액적이 기화공간(150) 내벽(155) 상에 흡착되는 현상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예들에 있어서, 기화공간(150)의 내벽(155)에 대한 발액성 표면처리는 전자빔 혹은 플라즈마 처리를 포함할 수 있다. 상기 전자빔 혹은 플라즈마 처리에 의해 내벽(155) 상의 표면 에너지가 낮아질 수 있으며, 이에 따라 발액성을 가질 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 기화 장치(100)는 제2 기화 공간(150a)의 말단부에 구비된 배출구(170)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 배출구(170)는 제2 기화 공간(150a) 내측으로 연장되는 돌출부(170a)를 포함할 수 있다. 또한, 배출구(170)는 도 1에 도시된 막 증착 장치(50)의 공정 챔버(40)와 유체 연결될 수 있다.
돌출부(170a)가 구비됨으로써 상기 캐리어 가스 및 기화된 전구물질의 싸이클론이 돌출부(170a)의 입구(170b)로 집중될 수 있으며, 기화된 상기 전구물질만이 배출구(170) 내부로 진입하여 빠른 유속으로 통과할 수 있다. 기화되지 못한 액상의 전구 물질은 돌출부(170a)에 트랩되어 흡착될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 배출구(170)는 기화장치(100)의 말단 벽(160)에 삽입되어 탈착 가능한 방식으로 구비될 수 있다. 따라서, 기화 공정 이후 배출구(170) 만을 분리하여 돌출부(170a)에 흡착되어 고형화된 전구물질들을 세정함으로써 보다 간소한 방식으로 기화 장치(100)를 유지 보수할 수 있다.
돌출부(170a)의 입구(170b) 혹은 배출구(170)의 직경은 도 2에서 "L1"로 표시되며, 제2 기화 공간(150b)의 직경은 "L2"로 표시된다. 예시적인 실시예들에 따르면, L2/L1의 값(이하, RL로 지칭한다)은 약 5 내지 8 범위의 값을 가질 수 있다. RL 값이 5 미만인 경우 상기 전구물질의 싸이클론이 배출구(170a)로 충분히 집중되지 않을 수 있다. RL 값이 8을 초과하는 경우, 배출구(170a)의 직경이 상대적으로 작으므로 돌출부(170a)에 트랩된 액상 전구물질에 의해 기화된 상기 전구물질의 유체 흐름이 방해될 수 있다.
도 2에서, 돌출부(170a)의 길이는 "D3"으로 표시된다. 예시적인 실시예들에 있어서, 제2 기화 공간(150b)의 길이 및 돌출부(170a) 길이의 비인 D2/D3의 값은 약 7 내지 10 범위일 수 있다. 상기 D2/D3의 값이 7 미만인 경우, 상기 전구물질의 싸이클론이 돌출부(170a)로 진입하기 전에 충분히 선회할 수 있는 길이가 확보되지 못할 수 있다. 상기 D2/D3 값이 10을 초과하는 경우, 상기 싸이클론의 유속이 돌출부(170a) 부근에서 약화되어 돌출부(170a)의 입구(170b)로 기화된 상기 전구물질이 충분히 집중되지 않을 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 막 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하에서는 도 1 및 도 2에 도시된 막 증착 장치(50) 및 기화 장치(100)를 함께 참조하여 상기 막 형성 방법을 설명한다.
도 7을 참조하면, 막이 형성될 기판을 공정 챔버(40) 내에 로딩한다(S10). 상기 기판 상에는 도전성 콘택, 비아, 전극 등의 도전성 구조물 또는 절연막 등을 포함할 수 있으며, 상기 막이 증착될 개구부, 콘택 홀 등을 포함할 수 있다.
상기 기판은 공정 챔버(40) 하부에 배치된 지지대 혹은 하부 전극 상에 배치될 수 있다.
이어서, 기화 장치(100)의 제1 기화 공간(150a) 내부로 액체 전구물질 및 캐리어 가스를 도입한다(S20). 이 때, 기화 공간(150)의 벽면(155) 온도는 약 130℃ 내지 250℃ 범위로 설정될 수 있다. 상기 온도는 기화 장치(100)의 본체를 둘러싸는 가열수단(180)에 의해 조절될 수 있다.
상기 전구물질 및 캐리어 가스의 예들은 상술한 바와 같다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전구물질의 점도는 25℃에서 약 0.01 내지 10mPa/s 범위의 값을 갖도록 조절될 수 있다. 상기 점도가 10mPa/s을 초과하는 경우, 상기 전구물질이 상기 캐리어 가스 싸이클론에 의해 용이하게 가이딩되지 않을 수 있고, 기화 공간(150)의 내벽(155)에 쉽게 흡착되어 기화 장치(100)를 오염시킬 수 있다. 상기 전구물질의 점도가 0.01mPa/s 미만인 경우, 상기 전구물질의 유동이 지나치게 강화되어 일정한 선회류가 형성되지 않을 수 있다.
또한 상기 전구물질은 기화 공간(150) 내부에서 완전히 기화되기 위해 130℃에서 약 10 내지 200 Torr 범위의 증기압력을 갖는 것을 선택할 수 있다.
상기 전구물질은 전구물질 공급부(30)와 전구물질 이송라인(35)으로부터 전구물질 유입로(120)를 통해 액화된 상태로 도입될 수 있다. 상기 전구물질은 실질적으로 원추형의 제1 기화 공간(150a)으로 확장되면서 감압에 의해 미스트화되어 분사될 수 있다.
캐리어 가스는 제1 및 제2 캐리어 가스 공급부(10, 20)로부터 제1 및 제2 캐리어 유입로(130, 140)를 통해 제1 기화 공간(150a) 내부로 도입될 수 있다. 제1 및 제2 캐리어 가스 유입로(130, 140)의 상술한 배치 구조에 의해, 상기 캐리어 가스는 제1 기화 공간(150a) 단면의 접선 방향으로 도입될 수 있다. 따라서, 상기 캐리어 가스는 제1 기화 공간(150a)의 내벽을 따라 선회하면서 싸이클론을 형성할 수 있다. 상기 전구물질은 상기 캐리어 가스 싸이클론에 의해 가이드 되어, 역시 제1 기화 공간(150a) 내벽을 따라 선회류 혹은 싸이클론을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 캐리어 가스는 기화 장치(100)에 도입되기 전에 제1 및 제2 캐리어 가스 히터들(15, 25)에 의해 미리 가열될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 캐리어 가스는 기화 공간(150)의 내벽(155) 온도와 실질적으로 유사한 온도로 가열될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐리어 가스의 온도는 약 130℃ 내지 250℃ 범위로 조절될 수 있다. 따라서, 액체 상태로 기화 공간(150) 내부에 도입된 전구물질은 상기 캐리어 가스의 싸이클론에 의해 둘러싸이면서 기화될 수 있고, 또한 기화 공간(150)의 내벽(155)과 접촉하면서 기화될 수 있다. 또한, 기화 공간(150)의 온도 편차가 감소하므로, 국부적 재응축 없이 균일하게 기화될 수 있다.
상기 전구물질 및 캐리어 가스가 도입되는 순서는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 전구물질 및 캐리어 가스는 동시에 제1 기화 공간(150a)으로 도입될 수 있으며, 상기 캐리어 가스가 먼저 도입된 이후 상기 전구물질이 도입될 수도 있다.
다시 도 7을 참조하면, 제2 기화 공간(150b)에서 상기 전구물질을 기화시킨다(S30). 상술한 바와 같이 제1 기화 공간(150a)에서 발생된 상기 캐리어 가스의 싸이클론은 상기 전구물질과 함께 제2 기화 공간(150b)으로 전파된다. 상기 전구물질 또한 상기 캐리어 가스에 의해 가이딩되어 싸이클론을 형성할 수 있으며, 상기 캐리어 가스와 접촉하면서 기화될 수 있다. 또한 상기 전구물질은 상기 캐리어 가스와 함께 기화 공간(150)의 내벽(155)을 따라 선회하면서 기화될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 기화 공간(150)의 내벽(155)은 상술한 바와 같이 발액성 표면처리 될 수 있다. 따라서 일부 기화되지 못한 상기 전구물질의 액적이 내벽(155) 상에 흡착된 채로 고형화되는 것을 방지할 수 있다. 상기 전구물질의 액적이 내벽(155)과 접촉하더라도 상기 발액성 표면처리에 의해 다시 내벽(155)으로부터 분리되고, 상기 싸이클론 내부로 병합되어 기화될 수 있다.
기화된 상기 전구물질은 배출구(170)를 통해 공정챔버(40) 내부로 도입된다(S40). 상술한 바와 같이, 기화된 상기 전구물질은 싸이클론을 형성하며 배출구(170)의 돌출부(170a)로 집중될 수 있다. 이 때, 일부 미기화된 전구물질들은 돌출부(170a)에서 트랩되며, 기화된 상기 전구물질만이 돌출부(170a)의 입구로 진입하여 배출구(170)를 통해 공정챔버(40)로 공급될 수 있다.
공정챔버(40)로 도입된 상기 기화된 전구물질을 이용하여 상기 기판 상에 박막을 형성할 수 있다(S50).
예시적인 실시예들에 따르면, CVD 공정 혹은 ALD 공정에 의해 상기 기판 상에 박막을 형성할 수 있다. 상기 공정 챔버는 각 공정 특성에 맞는 온도 및 압력으로 조절될 수 있으며, 진공 펌프를 이용해 진공 분위기를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 전구물질이 기판에 흡착되면서, 상기 전구물질의 중심 금속에 배위된 리간드가 이탈하면서 상기 전구물질과 함께 도입된 캐리어 가스와 함께 공정 챔버(40) 외부로 배출될 수 있다. 상기 중심금속 들이 상기 기판 상에 적층되면서 금속을 포함하는 도전성 막을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전구물질이 상기 기판에 흡착된 이후 공정 챔버 내부로 반응 물질을 함께 도입하여 산화막, 질화막 혹은 산질화막 등을 형성할 수 있다. 상기 반응 물질에 포함된 산소 또는 질소 원자들은 상기 전구물질의 리간드와 치환되어 금속 질화막, 금속 질화막 혹은 금속 산질화막을 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응 물질로서 오존(O3) 가스, 산소(O2) 가스, 수증기, 산소 플라즈마, 오존 플라즈마 등과 같은 산화성 물질을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 기판 상에는 금속 산화막이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화막은 지르코늄 산화막, 하프늄 산화막, 티타늄 산화막 등과 같은 고유전막을 포함할 수 있다.
이와는 달리, 상기 반응 물질로서 암모니아(NH3) 가스, 이산화질소(NO2) 가스 또는 아산화질소(N2O) 가스 등을 사용하는 경우, 상기 기판 상에는 금속 질화막이 형성될 수 있다. 상기 금속 질화막은, 예를 들어 티타늄 질화막, 탄탈륨 질화막, 텅스텐 질화막 등을 포함할 수 있으며, 이들은 반도체 장치의 도전막으로서 제공될 수 있다.
한편, 박막 형성 후 공정 챔버(40) 내에 잔류하는 상기 반응 물질, 상기 전구물질, 상기 전구물질로부터 분리된 리간드 등을 공정 챔버(40)로부터 제거하기 위해 추가적인 퍼지(purge) 공정을 수행할 수 있다.
도 8 내지 도 14는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 구체적으로 도 8 내지 도 14는 디램(Dynamic Random Access Memory: DRAM) 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8을 참조하면, 기판(200) 상에 소자 분리막(202)을 형성한다. 기판(200)으로서 실리콘 기판, 게르마늄 기판, 실리콘-게르마늄 기판 등의 반도체 기판, SOI(silicon-on-insulator) 기판, GOI(germanium-on-insulator) 기판 등을 사용할 수 있다. 소자 분리막(202)은 얕은 트렌치 소자 분리(STI) 공정을 통해 형성될 수 있다.
기판(200) 상에 게이트 절연막, 게이트 전극막 및 게이트 마스크 막을 순차적으로 형성하고, 사진 식각 공정을 통해 이들을 패터닝하여, 기판(200) 상에 순차적으로 적층된 게이트 절연막 패턴(206), 게이트 전극(207) 및 게이트 마스크(208)를 각각 포함하는 복수 개의 게이트 구조물들(209)을 형성한다. 상기 게이트 절연막은 실리콘 산화물 혹은 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 게이트 전극막은 도핑된 폴리실리콘 혹은 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 게이트 마스크막은 실리콘 질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
이후, 게이트 구조물들(209)을 이온 주입 마스크로 사용하는 이온 주입 공정을 통해, 게이트 구조물들(209)에 인접한 기판(200) 상부에 제1 및 제2 불순물 영역들(204, 205)을 형성한다. 제1 및 제2 불순물 영역들(204, 205)은 트랜지스터의 소스/드레인 영역으로 기능할 수 있다.
게이트 구조물(209) 및 불순물 영역들(204, 205)은 상기 트랜지스터를 형성할 수 있다. 한편, 게이트 구조물들(209)의 측벽들에는 실리콘 질화물을 포함하는 스페이서들(209a)을 더 형성할 수 있다.
도 9를 참조하면, 게이트 구조물들(209) 및 스페이서들(209a)을 커버하는 제1 층간 절연막(210)을 기판(200) 상에 형성한다. 제1 층간 절연막(210)을 부분적으로 식각하여 불순물 영역들(204, 205)을 노출시키는 제1 홀들(도시하지 않음)을 형성한다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 홀들은 게이트 구조물들(209) 및 스페이서들(209a)에 자기 정렬될 수 있다.
이후, 상기 제1 홀들을 매립하는 제1 도전막을 기판(200) 및 제1 층간 절연막(210) 상에 형성하고, 기계 화학적 연마 공정(chemical mechanical polishing, CMP) 및/또는 에치 백(etch back) 공정을 통해 제1 층간 절연막(210)이 노출될 때까지 상기 제1 도전막 상부를 제거함으로써, 상기 제1 홀들 내에 형성된 제1 플러그(217) 및 제2 플러그(219)를 형성한다. 제1 플러그(217)는 제1 불순물 영역(204)에 접촉할 수 있고, 제2 플러그(219)는 제2 불순물 영역(205)에 접촉할 수 있다. 상기 제1 도전막은 도핑된 폴리실리콘, 금속 등을 사용하여 형성될 수 있다. 제1 플러그(217)는 비트 라인 콘택으로 기능할 수 있다.
제1 플러그(217)에 접촉하는 제2 도전막(도시하지 않음)을 제1 층간 절연막(210) 상에 형성하고 이를 패터닝함으로써 비트 라인(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 제2 도전막은 도핑된 폴리실리콘, 금속 등을 사용하여 형성될 수 있다.
이후, 상기 비트 라인을 커버하는 제2 층간 절연막(215)을 제1 층간 절연막(210) 상에 형성한다. 제2 층간 절연막(215)을 부분적으로 식각하여 제2 플러그(219)를 노출시키는 제2 홀들(도시하지 않음)을 형성하고, 상기 제2 홀들을 매립하는 제3 도전막을 제2 플러그(219) 및 제2 층간 절연막(215) 상에 형성한다. CMP 공정 및/또는 에치 백 공정을 통해 제2 층간 절연막(215)이 노출될 때까지 상기 제3 도전막 상부를 제거함으로써, 상기 제2 홀들 내에 형성된 제3 플러그(220)를 형성한다. 상기 제3 도전막은 도핑된 폴리실리콘, 금속 등을 사용하여 형성될 수 있다. 제2 및 제3 플러그들(219, 220)은 커패시터 콘택으로 기능할 수 있다. 이와는 달리, 제2 플러그(219)를 별도로 형성하지 않고, 제1 및 제2 층간 절연막들(210, 215)을 관통하면서 제2 불순물 영역(219)에 직접 접촉하도록 제3 플러그(220)를 형성하여, 단독으로 커패시터 콘택의 역할을 할 수도 있다.
도 10을 참조하면, 제2 층간 절연막(215) 상에 식각 저지막(225) 및 몰드막(230)을 형성하고, 몰드막(230) 및 식각 저지막(225)의 일부를 제거하여 제3 플러그(220)의 상면을 노출시키는 개구부(235)를 형성한다. 예를 들어, 몰드막(230)은 실리콘 산화물을 사용하여 형성할 수 있으며, 식각 저지막(225)은 실리콘 질화물을 사용하여 형성할 수 있다.
도 11을 참조하면, 개구부(235) 내벽 및 몰드막(230)의 상면을 따라 하부 전극막(240)을 형성한다. 하부 전극막(240)은 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 막 증착 장치(50) 및 기화 장치(100)를 이용하여 도 7을 참조로 설명한 막 형성 방법에 따라 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 도 8 내지 도 10을 참조로 설명한 공정들에 의해 형성된 구조물을 공정챔버(40) 내에 로딩한다. 이어서, 예를 들면 테트라키스-디메틸아미도-티타늄, 테트라키스-디에틸아미도-티타늄 등과 같은 티타늄을 포함하는 전구물질 또는 탄탈륨을 포함하는 전구물질을 기화 장치(100)의 기화 공간(150)에 도입할 수 있다.
상기 전구물질을 전술한 공정에 의해 캐리어 가스 싸이클론을 발생시켜 기화 공간(150) 내부에서 기화시킬 수 있다. 기화된 상기 전구물질을 배출구(170)를 통해 공정 챔버(40) 내부로 도입하여 상기 구조물 상에 하부 전극막(240)을 증착시킬 수 있다. 상기 전구물질의 티타늄, 탄탈륨과 같은 중심 금속에서 리간드들이 분리되어 상기 캐리어 가스와 함께 공정 챔버(40) 외부로 배출되고, 상기 중심 금속이 상기 구조물 상에 증착되면 티타늄 혹은 탄탈륨을 포함하는 금속막 형태로 하부 전극막(240)이 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 기화된 전구물질과 함께, 암모니아 가스, 이산화질소 가스, 아산화질소 가스 등과 같은 반응 물질이 도입되면, 티타늄 질화물 혹은 탄탈륨 질화물과 같은 도전막 형태로 하부 전극막(240)이 형성될 수도 있다.
도 12를 참조하면, 상기 하부 전극막 상에 희생막(도시되지 않음)을 형성한 후, 상기 몰드막의 상면이 노출되도록 상기 희생막 및 하부 전극막의 일부를 제거한다. 이후, 상기 희생막 및 상기 몰드막을 제거함으로써, 제3 플러그(220)에 전기적으로 연결되는 하부 전극(245)이 형성된다.
도 13을 참조하면, 하부 전극(245)을 커버하는 유전막(250)을 식각 저지막(225) 상에 형성한다. 유전막(250)은 박막 형태로 고유전율을 가지면서 금속 산화물을 포함하도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 유전막(250) 역시 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 막 증착 장치(50) 및 기화 장치(100)를 이용하여 도 7을 참조로 설명한 막 형성 방법에 따라 형성될 수 있다.
예를 들어, 전구물질로서 TEMAZ 등과 같은 지르코늄을 포함하는 유기금속 전구물질 또는 테트라키스-에틸메틸아미도-하프늄과 같은 하프늄을 포함하는 유기금속 전구물질을 사용할 수 있다. 한편, 기화된 상기 전구물질을 상술한 공정 및 장치를 이용하여 공정 챔버(40) 내에 도입하면서 반응 물질로서 오존 가스, 산소 가스등과 같은 산화성 물질을 함께 도입할 수 있다. 이에 따라, 하프늄 산화물 또는 지르코늄 산화물 등과 같은 고유전 물질을 포함하는 유전막(250)을 형성할 수 있다.
도 14를 참조하면, 유전막(250) 상에 상부 전극(260)을 형성할 수 있다. 상부 전극(260)은 금속 및/또는 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 텅스텐 질화물, 루테늄 등과 같은 금속 질화물을 사용하여 형성할 수 있다. 상부 전극(260) 역시 하부 전극막(240) 형성 공정과 실질적으로 동일하거나 유사한 공정을 통해 형성될 수 있다.
이에 따라, 하부 전극(245), 유전막(250) 및 상부 전극(260)을 포함하는 커패시터를 형성할 수 있다.
도 15 내지 도 19는 다른 예시적인 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 구체적으로, 플로팅 게이트형 플래시 메모리 소자의 제조방법을 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 특성 및 이점들은 전하 트래핑형 메모리 소자들을 포함하는 기타의 메모리 소자에도 적용 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 15를 참조하면, 기판(300) 상에 터널 절연막(310), 플로팅 게이트막(320), 유전막(330) 및 컨트롤 게이트막(340)을 순차적으로 형성한다.
터널 절연막(310)은 실리콘 산화물과 같은 산화물, 실리콘 질화물과 같은 질화물 혹은 금속 산화물을 사용하여, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 공정, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정, 스퍼터링 공정 등을 수행함으로써 형성할 수 있다. 이와는 달리, 터널 절연막(310)은 기판(400) 상부에 열산화 공정을 수행함으로써 형성될 수도 있다.
한편, 터널 절연막(310)을 금속 산화물을 사용하여 형성하는 경우, 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 막 증착 장치(50) 및 기화 장치(100)를 이용하여 도 7을 참조로 설명한 막 형성 방법에 따라 형성될 수 있다.
플로팅 게이트막(320)은 불순물이 도핑된 폴리실리콘 및/또는 텅스텐, 티타늄, 코발트, 니켈 등과 같은 높은 일함수를 갖는 금속을 사용하여, 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 증착(ALD) 공정, 스퍼터링 공정 등을 수행함으로써 형성할 수 있다.
플로팅 게이트막(320)은 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 막 증착 장치(50) 및 기화 장치(100)를 이용하여 도 7을 참조로 설명한 막 형성 방법에 따라 형성될 수 있다. 예를 들면, 테트라키스-디메틸아미도-티타늄, 테트라키스-디에틸아미도-티타늄 등과 같은 티타늄 중심금속을 포함하는 전구물질을 기화 장치(100)의 기화 공간(150)에 도입할 수 있다. 이어서, 전술한 공정에 의해 캐리어 가스 싸이클론을 발생시켜 기화 공간(150) 내부에서 상기 전구물질을 기화시킬 수 있다. 기화된 상기 전구물질을 배출구(170)를 통해 공정 챔버(40) 내부로 도입하여 플로팅 게이트막(320)을 증착시킬 수 있다. 상기 전구물질의 중심 금속에서 리간드들이 분리되어 상기 캐리어 가스와 함께 공정 챔버(40) 외부로 배출되고, 상기 중심 금속이 터널 절연막(310) 상에 증착되면 티타늄을 포함하는 금속막 형태로 플로팅 게이트막(320)이 형성될 수 있다.
유전막(330)은 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 란탄 산화물, 란탄 알루미늄 산화물, 란탄 하프늄 산화물, 하프늄 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 지르코늄 산화물 등과 같은 고유전 물질을 사용하여, 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 증착(ALD) 공정 등을 수행함으로써 형성할 수 있다. 유전막(330) 역시 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 막 증착 장치(50) 및 기화 장치(100)를 이용하여 도 7을 참조로 설명한 막 형성 방법에 따라 형성될 수 있다.
예를 들어, 전구물질로서 TEMAZ 등과 같은 지르코늄을 포함하는 유기금속 전구물질 또는 테트라키스-에틸메틸아미도-하프늄과 같은 하프늄을 포함하는 유기금속 전구물질을 사용할 수 있다. 한편, 기화된 상기 전구물질을 상술한 공정 및 장치를 이용하여 공정 챔버(40) 내에 도입하면서 반응 물질로서 오존 가스, 산소 가스등과 같은 산화성 물질을 함께 도입할 수 있다. 이에 따라, 하프늄 산화물 또는 지르코늄 산화물 등과 같은 고유전 물질을 포함하는 유전막(330)을 형성할 수 있다.
컨트롤 게이트막(340)은 폴리실리콘 및/또는 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨 혹은 탄탈륨 질화물과 같은 금속 혹은 금속 질화물 등을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 증착(ALD) 공정, 스퍼터링 공정 등을 수행함으로써 형성할 수 있다. 컨트롤 게이트막(340) 또한 도 1 내지 도 6을 참조로 설명한 막 증착 장치(50) 및 기화 장치(100)를 이용하여 도 7을 참조로 설명한 막 형성 방법에 따라 형성될 수 있다.
예를 들어, 테트라키스-디메틸아미도-티타늄, 테트라키스-디에틸아미도-티타늄 등과 같은 티타늄을 포함하는 전구물질 또는 탄탈륨을 포함하는 유기금속 전구물질을 사용할 수 있다. 한편, 기화된 상기 전구물질을 상술한 공정 및 장치를 이용하여 공정 챔버(40) 내에 도입하면서 반응 물질로서 암모니아 가스, 이산화질소 가스, 아산화질소 가스 등을 함께 도입할 수 있다. 이에 따라, 티타늄 질화물 혹은 탄탈륨 질화물과 같은 도전성막 형태로 컨트롤 게이트막(340)이 형성될 수 있다.
도 16을 참조하면, 컨트롤 게이트막(340) 상에 하드 마스크(350)를 형성하고, 컨트롤 게이트막(340), 유전막(330), 플로팅 게이트막(320) 및 터널 절연막(310)을 순차적으로 식각하여 복수 개의 게이트 패턴(360)을 형성한다. 게이트 패턴(360)은 기판(300) 상에 순차적으로 적층된 터널 절연막 패턴(315), 플로팅 게이트(325), 유전막 패턴(335), 컨트롤 게이트(345) 및 하드 마스크(350)를 포함할 수 있다.
각 게이트 패턴(360)들은 제1 방향으로 연장되도록 형성되고, 상기 제2 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 이격되도록 형성된다.
복수 개의 게이트 패턴들(360)은 하나의 스트링을 형성하는 셀 게이트 패턴, 그라운드 선택 라인(Ground Select Line: GSL) 및 스트링 선택 라인(String Select Line: SSL)을 포함할 수 있다. 상기 스트링은 복수 개, 예를 들어, 16개 혹은 32개의 셀 게이트 패턴들을 포함할 수 있으며, 상기 GSL은 상기 셀 게이트 패턴들 일 측에 형성되고, 상기 SSL은 상기 셀 게이트 패턴들 타 측에 형성될 수 있다.
도 17을 참조하면, 게이트 패턴들(360)을 덮는 스페이서막(도시되지 않음)을 기판(300)상에 형성하고, 상기 스페이서막을 이방성 식각하여 게이트 패턴(360) 측벽에 스페이서(370)를 형성한다. 이에 따라, 게이트 패턴(360) 및 스페이서(370)를 구비하는 게이트 구조물들이 형성될 수 있다.
이후, 상기 게이트 구조물을 이온 주입 마스크로 사용하는 이온 주입 공정을 수행함으로써 상기 게이트 구조물에 인접한 기판(300) 상부에 제1 내지 제3 불순물 영역들(302, 304, 306)을 형성한다.
도 18을 참조하면, 기판(300)상에 상기 게이트 구조물을 커버하는 제1 층간 절연막(380)을 형성한다. 제1 층간 절연막(380)은 비피에스지(BPSG), 유에스지(USG) 및 에스오지(SOG) 등과 같은 산화물 사용하여, 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 증착(ALD) 공정 등을 수행함으로써 형성할 수 있다.
이후, 제1 층간 절연막(380)을 관통하면서 제2 불순물 영역(304)을 노출시키는 제1 개구(도시하지 않음)를 형성하고, 상기 제1 개구를 매립하는 제1 도전막을 기판(300) 및 제1 층간 절연막(380) 상에 형성한다. 상기 제1 도전막은 도핑된 폴리실리콘, 금속 혹은 금속 실리사이드를 사용하여 형성할 수 있다. 제1 층간 절연막(380)이 노출될 때까지 상기 제1 도전막 상부를 평탄화하여, 상기 제1 개구를 매립하면서 제2 불순물 영역(304)과 접촉하는 공통 소스 라인(382)을 형성한다.
도 19를 참조하면, 제1 층간 절연막(380) 및 공통 소스 라인(382) 상에 제2 층간 절연막(384)을 형성한다. 제2 층간 절연막(384)은 비피에스지(BPSG), 유에스지(USG) 및 에스오지(SOG) 등과 같은 산화물 사용하여, 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 증착(ALD) 공정 등을 수행함으로써 형성할 수 있다.
이후, 제1 및 제2 층간 절연막들(380, 384)을 관통하면서 제3 불순물 영역(306)을 노출시키는 제2 개구(도시하지 않음)를 형성하고, 상기 제2 개구를 매립하는 제2 도전막을 제2 층간 절연막(384) 상에 형성한다. 상기 제2 도전막은 도핑된 폴리실리콘, 금속 혹은 금속 실리사이드를 사용하여 형성할 수 있다. 제2 층간 절연막(384)이 노출될 때까지 상기 제2 도전막 상부를 평탄화하여, 상기 제2 개구를 매립하면서 제3 불순물 영역(306)과 접촉하는 비트 라인 콘택(390)을 형성한다.
제2 층간 절연막(384) 상에 제3 도전막을 형성하고 이를 패터닝하여, 상기 비트 라인 콘택(390)에 전기적으로 연결되면서 상기 제2 방향으로 연장되는 비트 라인(395)을 형성한다. 상기 제3 도전막은 도핑된 폴리실리콘, 금속 혹은 금속 실리사이드를 사용하여 형성할 수 있다.
전술한 공정들을 수행하여, 본 발명의 실시예들에 따른 플래시 메모리 소자를 수득할 수 있다.
발액성 표면 처리에 의한 접촉각도 측정
스테인리스 강 재질의 금속판에 TEMAZ를 에탄올 용매에 혼합하여 제조된 TEMAZ 용액의 액적을 떨어뜨린 후 상기 금속판과의 접촉각도를 측정하였다(즉, 발액성막 형성 전).
상기의 화학식 4로 표시되는 고리형 폴리실록산계 물질을 THF 용매에 혼합한 혼합물을 사용하여 스프레이 코팅법을 통해 스테인리스 강 재질의 금속판 상에 증착함으로써 발액성막을 형성하였다. 상기 발액성막 상에 상기와 동일한 TEMAZ 용액의 액적을 떨어뜨린 후, 상기 발액성막과의 접촉각도를 측정하였다(즉, 발액성막 형성 후). 이를 상기 금속판과의 접촉각도와 비교하였다. 상기의 실험을 서로 다른 3개의 스테인리스 강 재질의 금속판들(SUS 301, SUS 304, SUS 316)에 대해 수행하였다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
| 발액성막 형성전 | 발액성막 형성후 | |
| SUS 301 | 88도 | 121도 |
| SUS 304 | 88도 | 122도 |
| SUS 316 | 77도 | 130도 |
상기 표 1에서 나타나듯이, 세 가지 재질의 금속판 모두에서 상기 발액성막 형성 후에, TEMAZ 액적의 접촉 각도가 90도 이상으로 증가되었다. 즉, 기화 장치 내벽을 발액성 표면처리 함으로써 전구물질 액적과의 접촉각도가 증가하고, 이에 따라 표면 에너지가 감소함을 알 수 있다. 따라서, 미기화된 상기 전구물질이 상기 기화 장치 내벽에 흡착되어 오염시키는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
전술한 예시적인 실시예들에 따른 전구물질 기화 장치 및 막 형성 방법은 디램, 플래시 메모리 장치 혹은 로직 디바이스 등의 다양한 반도체 장치의 도전막 또는 유전막을 형성하기 위해 광범위하게 활용될 수 있다.
10: 제1 캐리어 가스 공급부 11: 제1 캐리어 가스 저장 장소
13: 제1 캐리어 가스 유량 제어부 15: 제1 캐리어 가스 히터
17: 제1 캐리어 가스 이송 라인 20: 제2 캐리어 가스 공급부
21: 제2 캐리어 가스 저장 장소
23: 제2 캐리어 가스 유량 제어부
25: 제2 캐리어 가스 히터 27: 제2 캐리어 가스 이송 라인
30: 전구물질 공급부 35: 전구물질 이송라인
40: 공정 챔버 50: 막 증착 장치
100: 기화 장치 110: 본체
120: 전구물질 유입로 130: 제1 캐리어 가스 유입로
140: 제2 캐리어 가스 유입로 150: 기화 공간
150a: 제1 기화 공간 150b: 제2 기화 공간
155: 내벽 157, 157a: 미세 돌기
159, 159a: 발액성막 160: 말단벽
170: 배출구 170a: 돌출부
170b: 입구 180: 가열 수단
190: 전구물질 액적 200: 기판
202 : 소자분리막
204, 205 : 제1 및 제2 불순물 영역
206 : 게이트 절연막 패턴 207 : 게이트 전극
208 : 게이트 마스크 209 : 게이트 구조물
209a : 스페이서 210 : 제1 층간 절연막
217, 219, 220: 제1, 제2 및 제3 플러그
215 : 제2 층간 절연막 225: 식각 저지막
230 : 몰드막 235: 개구부
240 : 하부전극막 245: 하부 전극
250 : 유전막 260: 상부 전극
300: 기판
302, 304, 306 : 제1, 제2 및 제3 불순물 영역
310 : 터널 절연막 315 : 터널 절연막 패턴
320 : 플로팅 게이트 막 325 : 플로팅 게이트
330 : 유전막 335 : 유전막 패턴
340 : 컨트롤 게이트 막 345 : 컨트롤 게이트
350 : 하드 마스크 360 : 게이트 패턴
370 : 스페이서 380 : 제1 층간 절연막
382 : 공통 소스 라인 384 : 제2 층간 절연막
390 : 비트 라인 콘택 395 : 비트 라인
13: 제1 캐리어 가스 유량 제어부 15: 제1 캐리어 가스 히터
17: 제1 캐리어 가스 이송 라인 20: 제2 캐리어 가스 공급부
21: 제2 캐리어 가스 저장 장소
23: 제2 캐리어 가스 유량 제어부
25: 제2 캐리어 가스 히터 27: 제2 캐리어 가스 이송 라인
30: 전구물질 공급부 35: 전구물질 이송라인
40: 공정 챔버 50: 막 증착 장치
100: 기화 장치 110: 본체
120: 전구물질 유입로 130: 제1 캐리어 가스 유입로
140: 제2 캐리어 가스 유입로 150: 기화 공간
150a: 제1 기화 공간 150b: 제2 기화 공간
155: 내벽 157, 157a: 미세 돌기
159, 159a: 발액성막 160: 말단벽
170: 배출구 170a: 돌출부
170b: 입구 180: 가열 수단
190: 전구물질 액적 200: 기판
202 : 소자분리막
204, 205 : 제1 및 제2 불순물 영역
206 : 게이트 절연막 패턴 207 : 게이트 전극
208 : 게이트 마스크 209 : 게이트 구조물
209a : 스페이서 210 : 제1 층간 절연막
217, 219, 220: 제1, 제2 및 제3 플러그
215 : 제2 층간 절연막 225: 식각 저지막
230 : 몰드막 235: 개구부
240 : 하부전극막 245: 하부 전극
250 : 유전막 260: 상부 전극
300: 기판
302, 304, 306 : 제1, 제2 및 제3 불순물 영역
310 : 터널 절연막 315 : 터널 절연막 패턴
320 : 플로팅 게이트 막 325 : 플로팅 게이트
330 : 유전막 335 : 유전막 패턴
340 : 컨트롤 게이트 막 345 : 컨트롤 게이트
350 : 하드 마스크 360 : 게이트 패턴
370 : 스페이서 380 : 제1 층간 절연막
382 : 공통 소스 라인 384 : 제2 층간 절연막
390 : 비트 라인 콘택 395 : 비트 라인
Claims (10)
- 본체;
본체 내부에 한정되며, 원추형의 제1 기화 공간 및 상기 제1 기화 공간과 연통되는 원통형의 제2 기화 공간을 포함하는 기화 공간;
상기 제1 기화 공간의 원추의 꼭짓점에 상응하는 전단부로 액체 전구물질을 도입하는 전구물질 유입로;
각각 상기 제1 기화 공간의 횡단면에 접선 방향으로 구비되어 캐리어 가스를 도입하는 제1 캐리어 가스 유입로와 제2 캐리어 가스 유입로를 포함하는 캐리어 가스 유입로; 및
상기 제2 기화 공간의 말단부와 연통되며 기화된 상기 전구물질을 배출하는 배출구를 포함하는 전구물질 기화장치. - 제1항에 있어서, 상기 본체 외벽을 둘러싸는 가열 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 본체는 스테인리스강 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전구물질 유입로는 상기 본체 내부에 매립되어 상기 제1 기화 공간의 상기 전단부와 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 전구물질 유입로 및 상기 제1 기화 공간의 벽면은 105도 내지 120도 범위의 경사각을 형성하는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 캐리어 가스 유입로 및 상기 제2 캐리어 가스 유입로의 말단부를 연결한 라인은 상기 제1 기화 공간의 횡단면의 지름에 해당되는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 배출구는 상기 제2 기화 공간 내부로 연장하는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기화 공간의 내벽은 발액성 표면처리된 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 기화 공간의 내벽 상에 구비되는 발액성막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 기화 공간의 내벽 상에 미세 돌기들이 구비되는 것을 특징으로 하는 전구물질 기화장치.
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| KR20120016818A KR20130095421A (ko) | 2012-02-20 | 2012-02-20 | 전구물질 기화 장치 및 이를 이용한 막 형성 방법 |
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