KR20130113659A - 박막 제조 방법 - Google Patents

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류동호
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Abstract

본 발명은 박막 제조 방법에 관한 것으로서, 기판을 챔버 내로 로딩하는 과정; 상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정; 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정; 상기 기판을 제1 반응가스에 노출시키는 과정; 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정; 상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정; 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정; 상기 기판을 제1 반응가스와 다른 상태의 제2 반응가스에 노출시키는 과정; 및 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정;을 포함하며, 박막 증착 초기에 산화력이 낮은 반응가스를 사용하므로, 박막이 형성되는 하부에 위치하는 하부막의 표면이 산화되어 하부막의 특성이 악화하는 것을 억제할 수 있다.

Description

박막 제조 방법{Method for manufacturing thin film}
본 발명은 박막 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 박막 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 스케일이 점차 축소됨에 따라 극박막에 대한 요구가 갈수록 증대되고 있으며, 콘택홀 크기가 감소되면서 단차 도포성(step coverage)에 대한 문제도 점점 더 심각해지고 있다. 이에 따른 여러 가지 문제들을 극복할 수 있는 증착 방법으로서 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 방법이 사용되고 있다.
일반적으로 원자층 증착 방법은 기판에 각각의 원료가스들을 분리 공급하여 원료가스들의 표면 포화에 의해 박막이 형성되도록 하는 방법이다.
원자층 박막 증착 방법의 원리를 간단하게 설명하면 다음과 같다. 제1원료가스가 챔버 내로 공급되면 기판 표면과의 반응을 통해 단원자층이 기판 표면에 화학 흡착된다. 그러나 기판 표면이 제1원료가스로 포화되면 단원자층 이상의 제1원료가스들은 동일한 리간드 간의 비반응성으로 인해 화학 흡착 상태를 형성하지 못하고 물리 흡착 상태에 있게 된다. 이후, 퍼지(purge)가스가 공급되면 이 물리 흡착 상태의 제1원료가스들은 퍼지가스에 의해서 제거된다. 첫 번째 단원자층 위에 제2원료가스(반응가스)가 공급되면 제1원료가스와 제2원료가스의 리간드 상호간 치환반응을 통해 두 번째 층이 성장하고, 첫 번째 층과 반응하지 못한 제2원료가스들은 물리 흡착 상태에 있게 되어 퍼지가스에 의해 제거된다. 그리고 이 두 번째 층의 표면은 제1원료가스와 반응할 수 있는 상태에 있게 된다. 상기한 과정이 하나의 사이클을 이루고 여러 사이클의 반복에 의해 박막이 증착되는 것이다.
이와 같은 방법은 챔버 내에 장착된 기판에 원료가스, 반응가스 등의 공정가스와 퍼지가스를 순차적으로 공급 및 배출시킴으로써 수행될 수 있다. 즉, 한 개 또는 복수 개의 기판이 장착되는 기판지지부를 고정시킨 상태에서 공정가스 및 퍼지가스를 교대로 반복해서 공급함으로써 박막을 증착하는데 적용될 수 있다.
반면, 기판지지부에 복수 개의 기판을 장착하고, 기판지지부를 회전시키면서 박막을 증착하는 경우에는 공정가스 및 퍼지가스를 함께 공급하면서 박막을 증착하게 된다. 이 경우에는 가스를 공급하는 가스분사체를 공정가스와 퍼지가스가 서로 혼합되지 않도록 형성하여 기판이 공정가스와 퍼지가스에 교대로 노출되도록 한다. 이와 같이 기판지지부를 회전시키고, 공정가스 및 퍼지가스를 동시에 공급하면, 각각의 기판은 공정가스와 퍼지가스와 교대로 접촉하게 되고, 이에 기판 상에 박막이 형성되게 된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 여러 방식으로 기판 상에 박막을 형성할 수 있다.
한편, 이러한 원자층 증착 방법으로 반도체 소자의 제조 중에 이용되는 산화물 박막을 증착하게 되는데, 즉, 제1원료가스로는 각종 금속을 함유하는 소스 가스를 사용하고 제2원료가스로는 이와 반응하는 산화제 가스를 사용하여 산화물 박막을 제조한다.
이때, 반도체 집적도가 높아짐에 따라, 종래의 원자층 증착 방법에 의한 산화물 박막의 제조는 높은 물질의 산화물이 요구되게 되었다. 이에 고품질 산화막을 제조하기 위해 산화제 가스로 강한 산화제를 사용하게 되었으나, 그에 따라 산화물박막이 형성되는 하부막 특히 금속막의 표면이 산화되어 반도체 소자 특성이 악화되거나 소자 동작에 문제가 발생되었다.
KR 2010-0006899 A1 KR 2005-0007496 A1
본 발명은 박막의 품질을 향상시킬 수 있는 박막 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 하부막 혹은 하부층에 악영향을 주지 않은 산화물 박막 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 반도체 소자의 특성을 향상시키는 박막 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 박막 제조 방법은, 박막을 제조하는 방법으로서, 기판을 챔버 내로 로딩하는 과정; 상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정; 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정; 상기 기판을 제1 반응가스에 노출시키는 과정; 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정; 상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정; 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정; 상기 기판을 제1 반응가스와 다른 상태의 제2 반응가스에 노출시키는 과정; 및 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정;을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 박막 제조 방법은, 박막을 제조하는 방법으로서, 기판을 챔버 내로 로딩하고; 상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정, 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정, 상기 기판을 반응가스에 노출시키는 과정 및 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정을 복수 회 반복하여 박막을 제조하며; 상기 기판을 반응가스에 노출시키는 과정은 초기 적어도 1회에 사용되는 제1 반응가스와 그 이후의 과정에서 사용되는 제2 반응가스가 서로 다를 수 있다.
이때, 상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스와 성분, 반응성, 산화력, 농도, 활성도 및 플라즈마 밀도 중 적어도 하나가 서로 다를 수도 있다.
상기 제1 반응가스 및 제2 반응가스는 산소를 함유하는 가스이고, 제조되는 박막은 산화물 박막일 수도 있다.
상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 산화력 또는 반응성이 큰 가스일 수도 있다.
상기 제1 반응가스는 H2O 및 O2 가스 중 적어도 하나이고, 상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 산화력 큰 가스일 수도 있다.
상기 제2 반응가스는 N2O 및 O3 함유 가스 중 적어도 하나일 수도 있다.
상기 제1 반응가스 및 제2 반응가스는 오존 함유 가스이고, 상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 오존 농도가 큰 가스일 수도 있다.
상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 활성도가 큰 가스일 수도 있다.
상기 제2 반응가스는 플라즈마에 의하여 라디컬 상태로 전환된 가스일 수도 있다.
상기 제1 및 제2 반응가스는 플라즈마 방전 처리되며, 상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 플라즈마 밀도가 큰 가스일 수도 있다.
상기 제2 반응가스 처리 시에 상기 제1 반응가스 처리보다 높은 플라즈마 파워가 인가될 수도 있다.
상기 제1 반응가스 및 제2 반응가스 처리에 의해 제조되는 박막이 동일한 성분의 박막일 수도 있다.
상기 제1 반응가스에 의한 처리는 기판 로딩 후 최초 1회만 수행될 수도 있다.
상기 제1 반응가스에 의한 처리 후, 박막의 두께를 검출하고 소정 두께가 될 때까지 상기 제1 반응가스에 의한 처리의 의한 박막 제조를 반복할 수도 있다.
상기 기판을 소스가스에 노출시키기 전에, 상기 기판을 산화성 가스에 노출시키는 전처리를 수행할 수도 있다.
상기 산화성 가스는 상기 제1 반응가스를 사용할 수도 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 박막 제조 방법은 원자층 증착 방법으로 박막이 제조되는 과정에서 초기에 사용되는 반응가스로 후기에 사용되는 반응가스와 다른 가스, 예컨대 성분, 반응성, 산화력, 농도, 활성도 및 플라즈마 밀도 중 적어도 하나가 다른 가스를 사용한다. 박막 제조 초기에 산화력이나 반응성이 비교적 낮은 가스를 사용하므로, 하부막에 악영향이 미치지 않도록 할 수 있다. 즉, 박막 증착 초기에 산화력이 낮은 반응가스를 사용하므로, 박막이 형성되는 하부에 위치하는 하부막의 표면이 산화되어 하부막의 특성이 악화하는 것을 억제할 수 있다. 특히, 하부막이 금속인 경우에도 금속의 표면 산화를 현저하게 감소시킬 수 있다.
또한, 박막 증착 초기 이후에는 산화력이나 반응성이 높은 반응가스를 사용하므로, 제조되는 산화물 박막의 특성을 향상시킬 수 있다.
이처럼 하부막의 특성을 유지하고 산화물 박막의 품질이 향상시킴에 의하여 제조되는 반도체 소자의 특성 및 신뢰성도 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 변형 예에 따른 박막 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 제조 방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 방법에서 사용되는 반응가스의 특성을 정리한 표.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 제조 방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 장치의 개략적 단면도이고, 도 2는 본 발명의 변형 예에 따른 박막 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 박막 제조 장치는 챔버(100), 기판지지부(120), 가스분사체(130) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
챔버(100)는 상부가 개방된 본체(102)와, 본체(102)의 상부에 개폐 가능하게 설치되는 탑리드(132)를 구비한다. 탑리드(132)가 본체(102)의 상부에 결합되어 본체(102) 내부를 폐쇄하면, 챔버(100)의 내부에는 예컨대 증착 공정 등 기판(W)에 대한 처리가 행해지는 공간부(110)가 형성된다.
공간부(110)는 일반적으로 진공 분위기로 형성되어야 하므로, 챔버(100)의 소정 위치에는 공간부(110)에 존재하는 가스의 배출을 위한 배기구(106)가 형성되어 있고, 배기구(106)는 외부에 구비되는 펌프(미도시)에 연결된 배기관(170)과 연결된다.
또한, 본체(102)의 바닥면에는 후술할 기판지지부(120)의 회전축(126)이 삽입되는 관통공(104)이 형성되어 있다. 본체(102)의 측벽에는 기판(W)을 챔버(100) 내부로 반입하거나, 외부로 반출하기 위한 게이트벨브(미도시)가 형성되어 있다.
기판지지부(120)는 기판(W)을 지지하기 위한 구성으로서, 지지플레이트(122)와 회전축(126)을 구비한다. 지지플레이트(122)는 원판 형상으로 챔버(100) 내부에 수평방향으로 구비되고, 회전축(126)은 지지플레이트(122)의 저면에 수직으로 연결된다. 회전축(126)은 관통공(104) 외부의 모터 등의 구동수단(미도시)에 연결되어 지지플레이트(122)를 승강 및 회전시킨다. 이때, 회전축(126)과 관통공(104) 사이는 벨로우즈(미도시) 등을 이용하여 밀폐시킴으로써 박막을 증착하는 과정에서 챔버(100) 내부의 진공이 해제되는 것을 방지한다.
또한, 지지플레이트(122)의 상부에는 복수의 기판안착부(124)가 일정 간격을 가지며 형성된다. 기판안착부(124)는 박막 증착을 위한 지지플레이트(122)의 회전 시 장착된 기판(W)의 이탈을 방지할 수 있도록 함몰된 형태로 형성되는 것이 좋다. 또한 지지플레이트(122)의 하측 또는 내부에는 히터(미도시)가 구비되어 기판(W)을 일정한 공정 온도로 가열할 수도 있다.
가스분사체(130)는 기판지지부(120) 상부에 이격되어 구비되며, 기판지지부(120) 측으로 소스가스(S), 반응가스(R), 퍼지가스(P) 등 공정가스를 분사한다.
가스분사체(130)는 챔버(100)를 형성하는 탑리드(132)와 함께 서로 다른 종류의 가스를 분사하는 복수의 가스분사유닛을 포함하여 형성되며, 각각의 가스분사유닛은 부채꼴과 유사한 형태를 이루며 지지플레이트(122)의 중심점을 기준으로 배열된다.
또한, 각각의 가스분사유닛은 탑리드(132)의 하부 일부를 점유하는 형태로 탑리드(132)를 공유하며, 탑리드(132) 하부에 복수의 가스분사공(136)이 형성된 분사플레이트(134)가 이격되어 결합된다. 이렇게 형성된 가스분사유닛은 분사플레이트(134)와 탑리드(132) 사이에 가스확산공간을 형성한다.
그리고 탑리드(132)에는 가스분사유닛의 개수와 대응하는 개수로 가스도입구(140)가 형성되어 탑리드(132)와 분사플레이트(134) 사이의 가스확산공간과 연통된다. 각각의 가스도입구(140)는 외부의 다양한 가스공급원(미도시)과 선택적으로 연결될 수 있다. 이때, 가스도입구(140)는 가스공급원(150)과 공급배관(152S, 152R, 152P)을 통해 연결되며, 공급배관(152S, 150R, 150P)에는 가스를 공급 또는 차단할 수 있는 밸브(Vs, VR, VP)가 구비된다. 각각의 가스도입구(140)를 통해 미리 설정된 가스가 공급될 수 있도록, 각각의 가스도입구(140)는 공급배관(152S, 152R, 152P)을 통해 가스공급원(150S, 150R, 150P)과 연결된다. 그러나 이에 한정되지 않고 각각의 가스를 공급하기 위한 공급배관(152S, 152R, 152P)은 서로 연통되도록 연결될 수도 있다.
이때, 가스공급원(150)은 소스가스(S)를 공급하는 소스가스 공급원(150S), 퍼지가스(P)를 공급하는 퍼지가스 공급원(150P) 및 반응가스(R)를 공급하는 반응가스 공급원(150R)을 포함하고, 반응가스 공급원(150R)은 상태가 서로 다른 반응가스(R1, R2)를 각각 공급하는 두 개의 반응가스 공급원(150R1, 150R2)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 반응가스(R1)를 공급하는 제1 반응가스 공급원(150R1)과 제2 반응가스(R2)를 공급하는 제2 반응가스 공급원(150R2)을 포함할 수 있다. 여기서 제1 반응가스(R1)와 제2 반응가스(R2)는 성분이 전혀 다른 가스 일 수 있고, 가스 내의 소정 성분의 농도가 다를 수도 있다. 예컨대, 제1 반응가스(R1)는 H20 및 O2 가스 중 적어도 하나이고, 제2 반응가스(R2)는 O3 및 N2O 가스 중 적어도 하나 일 수 있다. 또한, 제1 반응가스(R1)는 오존(O3)의 농도가 낮은 오존 함유 가스이고, 제2 반응가스(R2)는 제1 반응가스(R1)보다 오존의 농도가 높은 오존 함유 가스 일 수 있다.
상기에서는 두 개의 반응가스 공급원(150R1, 150R2)을 별도로 사용하는 것을 예시하였으나, 반응가스의 성분이 같은 경우 하나의 반응가스 공급원을 사용하고, 농도나 기타 변수를 제어하여 제1, 2 반응가스의 상태를 다르게 제어할 수도 있다. 예컨대, 동일 반응가스를 사용하고 이를 플라즈마 여기시켜 사용하는 경우, 플라즈마 밀도를 제어하여 제1 및 2 반응가스의 상태(활성도, 라디컬 함유 정도 등)를 조절할 수 있다. 물론 플라즈마 공정을 이용하는 경우 플라즈마 발생부(미도시)가 구비된다. 이에 관해서는 후술한다.
두 개의 반응가스 공급원(150R1, 150R2)을 사용하는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 각 반응가스(R1, R2)를 선택적으로 가스분사체(130)에 공급할 수 있도록, 각 반응가스 공급원(150R1, 150R2)과 반응가스 공급배관(152R) 사이에는 분기된 배관이 있고 각 분기관이 반응가스 공급원(150R1, 150R2)와 각각 연결되며, 각 분기관에는 가스를 공급 또는 차단할 수 있는 밸브(VR1, VR2)가 구비된다. 즉, 챔버 내로 제1 반응가스(R1)를 공급하는 경우에는 밸브(VR1)과 밸브(VR)를 오픈하고, 챔버 내로 제2 반응가스(R2)를 공급하는 경우에는 밸브(VR1)와 밸브(VR)를 오픈함으로써 동일한 제1 반응가스(R1)와 제2 반응가스(R2)가 동일한 가스분사유닛을 통해 분사된다.
한편, 두 개의 반응가스 공급원(150R1, 150R2)은 서로 다른 가스분사유닛을 통해 분사될 수도 있다. 도 2를 참조하면 두 개의 반응가스 공급원(150R1, 150R2)은 서로 다른 반응가스 공급배관(152R1, 152R2)을 통해 가스분사체(130)에 연결되고, 각각의 반응가스 공급배관(152R1, 152R2)에는 가스를 공급 또는 차단할 수 있는 밸브(VR1, VR2)가 각각 구비된다. 즉, 챔버 내로 제1 반응가스(R1)를 공급하는 경우에는 밸브(VR2)를 폐쇄하고 밸브(VR1)는 오픈하며, 챔버 내로 제2 반응가스(R2)를 공급하는 경우에는 밸브(VR1)를 폐쇄하고 밸브(VR2)를 오픈함으로써 서로 다른 가스분사유닛을 통해 제1 반응가스(R1)와 제2 반응가스(R2)를 선택적으로 분사한다. 이때, 제1 반응가스(R1)와 제2 반응가스(R2)는 서로 인접하여 배치되는 가스분사유닛을 통해 분사되는 것이 바람직하다.
이러한 박막 제조 장치에서 박막 증착은 기판에 소스가스(S), 퍼지가스(P), 반응가스(R1, R2) 및 퍼지가스(P)가 순차적으로 공급되는 1주기를 복수 회 반복함으로써 수행되는데, 본 발명의 실시 예에서는 박막이 증착되는 초기와 그 이후의 과정에서 서로 다른 반응가스를 사용한다. 다시 말해서 상기 가스공급원에서 각 가스가 함께 공급되고, 박막이 증착되는 동안 기판지지부(120)가 회전하기 때문에 기판 지지부(120)에 장착된 복수 개의 기판(W) 각각에는 소스가스(S), 퍼지가스(P), 반응가스(R1, R2) 및 퍼지가스(P)가 순차적으로 공급되어 박막이 제조된다. 이때, 박막 증착이 시작되는 최초 주기 혹은 최초 주기를 포함한 수 주기 동안 제1 반응가스(R1)를 공급하여 기판에 이미 형성되어 있는 하부막에는 영향을 주지 않으면서, 그 위에 원하는 산화물 박막을 형성한다.
또한, 탑리드(132)와 분사플레이트(134) 사이에 분사공(미도시)이 형성된 중간플레이트(미도시)가 개재될 수도 있다. 이 경우 가스도입구(140)를 통해 가스분사유닛으로 유입된 가스는 탑리드(132)와 중간플레이트 사이 그리고 중간플레이트와 분사플레이트(134) 사이에 형성되는 가스확산공간 내에서 고르게 확산될 수 있다.
그리고 가스분사유닛들의 중앙에는 퍼지가스를 분사하는 중앙 가스분사유닛을 더 구비함으로써 소스가스와 반응가스가 기판지지부(120)의 중앙에서 상호 혼합되는 것을 방지할 수도 있다. 이때, 중앙 가스분사유닛은 퍼지가스 가스공급원(150P)에 연결되고 복수 개의 가스분사공(137)이 형성된 중앙 분사플레이트(138)를 포함하여 구성된다. 예를 들면 중앙 분사플레이트(138)가 형성된 부분에는 탑리드(132)를 관통하는 가스도입구(140)가 형성되고, 가스도입구(140)는 퍼지가스 가스공급원(150P)에 공급배관(152C)을 통해 연결된다.
제어부는 전술한 기판지지부(120), 가스분사체(130) 등 박막 제조 장치의 전반적인 동작을 제어한다. 특히, 제어부에는 박막 증착 주기 또는 형성되는 박막의 두께에 따라 가스를 선택적으로 공급 또는 차단함으로써 박막 증착 과정 중 각각의 반응가스에 기판을 노출시키는 처리공정을 가능하게 한다. 제어부는 공급배관(152S, 152R, 152P, 152C) 및 분기관에 설치된 밸브들(VS, VR, VP, VR1, VR2)의 동작을 제어하여, 초기 공정 중에는 기판 상에 제1 반응가스(R1)가 공급되도록 하고, 이후 공정에서는 기판 상에 제2 반응가스(R2)가 공급되도록 한다. 즉, 공정 초기 제어부는 각 배관에 설치된 밸브들(VS, VR, VP) 및 분기관에 설치된 밸브(VR1)의 동작을 제어하여(오픈하여) 가스분사체(130)로 소스가스(S), 제1 반응가스(R1) 및 퍼지가스(P)를 공급한다. 이후 박막 두께가 원하는 두께에 도달하면 제어부는 밸브(VR1)를 폐쇄하고 각 배관에 설치된 밸브들(VS, VR, VP) 및 분기관에 설치된 밸브(VR2)의 동작을 제어하여(오픈하여) 가스분사체(130)로 소스가스(S), 제2 반응가스(R2) 및 퍼지가스(P)를 공급한다. 두 개의 반응가스 공급원(150R1, 150R2)을 사용하는 경우 외에도 제1 및 제2 반응가스의 여러 가지 상태를 제어하여 공급할 수 있다. 각 가스 공급과 관련해서는 박막 제조 방법에서 상세히 후술한다.
또한, 박막 제조 장치에는 반응가스를 플라즈마 여기에 의한 활성종 상태로 만들기 위한 플라즈마 발생부가 구비될 수도 있다. 예컨대 플라즈마 발생부는 챔버(100)의 기판 상부의 가스분사체에 전력을 인가하고 기판지지대에 접지시켜, 기판의 증착 공간인 반응 공간에 RF를 이용하여 플라즈마를 여기 시키는 용량결합플라즈마(CCP;Capacitively Coupled Plasma) 방식으로 구동될 수 있다. 또한, 플라즈마 발생부는 유도결합플라즈마(ICP:Inductively Coupled Plasma)방식으로도 구현될 수 있고, 챔버(100) 외부에서 가스를 플라즈마 여기에 의한 활성종 상태로 만들어 챔버(100) 내부로 공급하는 리모트 플라즈마 방식으로도 구현될 수도 있으며, 이에 한정되지 않고 다양한 방식이 적용될 수 있다.
이와 같이 구성된 박막 제조 장치에서 박막을 증착하는 과정에서 가스분사체(130)를 통해 소스가스(S), 반응가스(R1, R2) 및 퍼지가스(P)를 기판(W) 상부로 지속적으로 공급되고, 잔류가스 및 부산물 등은 배기구(106)를 통해 배기관(170)으로 배출된다.
상기에서는 기판지지부(122) 상에 로딩된 복수의 기판을 회전시키면서, 소스가스(S), 반응가스(R) 및 퍼지가스(P) 함께 또는 동시에 공급하여, 각 기판이 소스가스(S), 반응가스(R) 및 퍼지가스(P)가 순차적으로 노출되는 구조를 설명하였으나, 박막 제조 장치는 이에 한정되지 않으며, 기판에 각 가스를 공급하는 방식을 다양하게 변경할 수 있다. 예컨대, 기판에 공급되는 각 가스를 시간에 따라 순차적으로 공급할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 박막 제조 방법을 다양한 실시 예를 통해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 제조 과정을 순차적으로 보여주는 순서도이고, 도 4는 사용되는 반응가스의 특성을 정리한 표이다.
도 3 및 4를 참조하면, 박막 제조 방법은 기판을 챔버 내에 로딩하는 과정, 챔버로 각 가스를 공급하여 기판을 각 가스에 노출되도록 하여 기판 상에 박막을 형성하는 과정 및 기판을 챔버 외부로 반출하는 과정을 포함한다.
먼저, 기판(W)을 챔버(100) 내의 기판지지부(120)에 장착한다(S110). 기판(W)은 지지플레이트(122)의 기판안착부(124)에 장착되며, 복수 개의 기판(W)이 장착될 수 있다. 기판(W)이 기판지지부(120)에 장착되면, 챔버(100) 내부를 원하는 진공 압력으로 조절하고 그리고 가열부를 동작시켜 기판지지부(120)를 가열하여 기판(W)의 온도를 제어한다.
이후, 기판을 소스가스(S)에 노출시키는 과정(S210), 기판을 퍼지가스(P)로 퍼지하는 과정(S220), 기판을 제1 반응가스(R1)에 노출시키는 과정(S230) 및 기판을 퍼지가스(P)로 퍼지하는 과정(S240)을 수행하여 기판 상에 초기 박막을 형성한다. 즉, 가스분사체(130)를 통해 기판(W)에 소스가스(S), 제1 반응가스(R1), 퍼지가스(P)를 동시에 분사하면서, 복수 기판을 로딩한 기판지지부(120)를 회전(S112)시켜 기판별로 각 가스에 순차적으로 노출되도록 하여 초기 박막을 증착(S200)할 수 있다.
이때, 소스가스(S)는 각종 금속을 함유하는 전구체 가스이며, 금속 성분은 Si, Zr, Ti 또는 Ta 일 수 있고, 그 외 다른 금속 일 수도 있다. 제1 반응 가스(R1)는 금속을 산화시키는 성분이 함유되고 산화력 혹은 반응성이 낮은 산소 함유 가스이다. 예컨대 H2O 및 O2 가스 중 적어도 하나일 수 있다. 퍼지가스(P)는 기판 상에 흡착되지 않고 잔류하는 소스가스나 반응가스를 퍼지하여 제거하는 가스로 수소(H2)나 질소(N2) 등의 가스를 주로 사용한다. 산화력은 소스 특히 소스에 함유된 금속원료를 산화시키는 정도이며, 반응성은 소스 특히 금속 원료과 반응하는 정도이다.
이러한 박막 초기 증착(S200)에서, 금속 소스와 반응 가스가 반응하여 산화막을 형성할 때, 산화력 혹은 반응성이 낮은 제1 반응가스를 사용함에 의하여, 이미 존재하는 하부막 혹은 하부막의 표면은 산화시키지 않으면서, 그 위에 산화물 박막을 형성할 수 있다. 박막 초기 증착(S200)은 기판에 대해 최초 1주기 또는 그로부터 수주기 동안 반복하여 수행될 수 있다.
이렇게 박막을 증착하는 과정에서 제어부는 기판(W) 상에 증착된 박막의 두께가 미리 설정된 박막의 두께 혹은 원하는 박막 두께에 도달했는지, 또는 박막 증착 주기가 미리 설정된 박막 증착 주기에 도달했는지 여부를 판단하여 박막 초기 증착(S200) 과정을 반복할지 여부를 결정(S250)한다. 이때, 기판(W) 상에 증착된 박막 두께가 미리 설정된 박막 두께에 도달하지 못했거나, 또는 박막 증착 주기가 미리 설정된 박막 증착 주기에 도달하지 못한 경우, 계속 제1 반응가스(R1)를 분사하면서 기판 상에 박막을 증착하고, 그렇지 않은 경우에는 제1 반응가스(R1)를 차단한 후 기판(W)을 제2 반응가스(R2)에 노출시키는 처리공정(S300)을 수행한다.
초기 박막이 원하는 두께에 도달 한 후, 기판을 소스가스(S)에 노출시키는 과정(S310), 기판을 퍼지가스(P)로 퍼지하는 과정(S320), 기판을 제2 반응가스(R2)에 노출시키는 과정(330) 및 기판을 퍼지가스(P)로 퍼지하는 과정(S340)을 수행하여 기판 상에 후기 박막을 형성한다(S300). 초기 박막 제조 시와 동일한 과정의 설명은 생략한다.
이때, 소스가스(S) 및 퍼지가스(P)는 상기 설명된 바와 같고, 제2 반응가스(R2)는 금속을 산화시키는 성분이 함유되고 산화력 혹은 반응성이 높은 산소 함유 가스이다. 즉, 제2 반응가스(R2)는 상기 제1 반응가스(R1)보다 산화력 혹은 반응성이 높은 가스로, 예컨대 N2O 및 O3 함유 가스 중 적어도 하나일 수 있다.
이러한 박막 후기 증착(S300)에서, 이미 형성된 초기 박막 위에 금속 소스와 반응 가스가 반응하여 산화막을 형성할 때, 산화력 혹은 반응성이 높은 제2 반응가스를 사용함에 의하여, 금속원료를 충분히 산화시키면서 박막을 형성하므로, 높은 품질을 가지는 산화물 박막을 얻을 수 있다. 박막 후기 증착(S300)은 초기 박막 상에 수주기 동안 반복하여 수행될 수 있다. 즉, 기판(W) 상에 증착된 박막의 두께가 원하는 두께에 도달했는지 여부를 판단하여 박막 후기 증착(S300) 과정을 반복할지 여부를 결정(S350)한다. 이후, 원하는 두께의 박막이 형성되면 증착 과정을 종료한다. 이로부터 두 가지 다른 반응가스를 이용하여 두께 방향으로 동일한 성분을 가지는 고품질의 산화물 박막을 얻을 수 있다.
이처럼 제조되는 산화물 박막에서 초기 박막의 두께와 후기 박막의 두께는 제조되는 산화물의 종류 및 산화물 하부에 존재하는 박막의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예컨대 형성하고자 하는 산화물의 하부에 존재하는 박막이 산화물이 아닌 단원계 원소로 된 박막 또는 질화물의 상태로 존재하면, 형성하고자 하는 산화물 형성 시 하부막의 표면이 쉽게 산화될 수 있어, 초기 박막의 두께를 두껍게 형성하는 것이 좋다. 이때, 초기 박막의 두께는 전체 산화물 박막 두께의 대략 50% 이내로 조절될 수 있다.
상기에서는 제1 반응가스와 제2 반응가스의 성분이 서로 달라 이로부터 산화력 또는 반응성이 다른 두 가지 반응가스를 사용하는 것을 예시하였으나, 제1 및 2 반응가스의 산화력 또는 반응성은 다른 변수로 제어할 수도 있다.
예를 들면, 제1 및 제2 반응가스 모두 오존을 함유하는 가스를 사용하고, 제1 및 제2 반응가스의 오존 농도를 조절할 수 있다. 즉, 박막 초기 증착(S200)에서는 상대적으로 오존 농도가 낮은 가스를 제1 반응가스로 사용하여 초기 박막을 증착하고, 이후 박막 후기 증착(S300)에서는 제1 반응가스보다 높은 오존을 가지는 가스를 제2 반응가스로 사용하여 후기 박막을 증착할 수 있다. 오존의 농도는 오존 발생기에서 조절할 수 있다. 오존은 산화력 및 반응성이 큰 성분으로 오존 농도 즉, 함유량이 크면 소스 특히 금속원료를 신속하고 치밀하게 산화시킬 수 있다.
또한, 박막 제조 시에 플라즈마를 이용할 수 있다. 증착에 사용되는 가스를 플라즈마 여기에 의해 라디컬 상태의 활성종으로 전환하여 공정을 진행할 수 있다. 활성종으로 전환된 반응가스는 반응성이 향상되어 소스와의 반응을 활발하게 진행시키게 된다. 여기서, 반응가스(R)는 플라즈마 상태로 가스분사체를 통해 공급될 수도 있고, 챔버(100) 내에서 플라즈마 상태로 여기될 수도 있다. 플라즈마를 이용하는 경우에는 제1 및 제2 반응가스의 플라즈마 밀도를 달리하여 각 반응가스의 활성도를 제어하여, 소스가스와의 반응성을 조절할 수 있다. 즉, 박막 초기 증착(S200)에서는 상대적으로 플라즈마 밀도가 낮은 가스 즉, 활성종이 적게 포함되어 활성도가 낮은 가스를 제1 반응가스로 사용하여 초기 박막을 증착한다. 이후 박막 후기 증착(S300)에서는 제1 반응가스보다 플라즈마 밀도가 높은 가스 즉, 활성종이 많이 포함되어 활성도가 높은 가스를 제2 반응가스로 사용하여 후기 박막을 증착할 수 있다. 여기서 플라즈마 밀도를 다양한 수단에 제어될 수 있다. 예컨대 플라즈마를 발생시키는 전원(파워)의 세기에 의해 제어 될 수 있다. 박막 초기 증착(S200)에서는 낮은 플라즈마 파워를 이용하고, 박막 후기 증착(S300)에서는 높은 플라즈마 파워를 이용할 수 있다.
이 외에도 상기의 예시들이 다양하게 조합되어 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 반응가스는 플라즈마 여기되지 않은 가스를 사용하고, 제2 반응가스로는 플라즈마 여기된 활성종을 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 제조 과정을 순차적으로 보여주는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 박막 제조 방법은 기판을 챔버 내에 로딩하는 과정, 기판을 전처리하는 과정, 기판 상에 박막을 형성하는 과정 및 기판을 챔버 외부로 반출하는 과정을 포함한다.
여기서, 기판 상에 박막을 형성하는 과정은 상기 실시 예와 동일하고, 박막 형성 전에 전처리하는 과정(S410)을 더 포함한다. 상기 전처리 과정은 기판을 산화성 가스에 노출시켜, 박막이 증착되기 전에 이미 존재하는 하부막 혹은 기판의 표면을 얇게 산화시키는 과정이다. 이때 사용되는 가스는 주로 산화력 혹은 반응성이 낮은 가스를 사용한다. 예컨대 상술된 제1 반응가스를 사용하는 것이 좋다.
이러한 전처리를 수행하면, 하부막의 표면을 미리 얇게 산화하므로, 이후 박막 제조 공정이 진행될 때, 반응가스 특히 산화성이 큰 제2 반응가스가 하부로 침투하여 하부막을 산화시키는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 이에, 금속 하부막이 존재하는 경우 전처리를 수행하면, 금속 하부막의 산화를 효율적으로 방지할 수 있다.
전처리가 수행된 후에는 상술된 다양한 예시의 과정이 적용되어 전처리된 기판 상에 박막을 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 챔버 102 : 본체
104 : 관통공 106 : 배기구
110 : 공간부 120 : 기판지지부
122 : 지지플레이트 124 : 기판안착부
126 : 회전축 130 : 가스분사체
132 : 탑리드 134 : 분사플레이트
136 : 가스분사공 140 : 가스도입구
150, 150S, 150R, 150P : 원료공급부
152S, 152R, 152P : 공급배관
170 : 배기관
VS, VR, VP, VR1, VR2 : 밸브

Claims (17)

  1. 박막을 제조하는 방법으로서,
    기판을 챔버 내로 로딩하는 과정;
    상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정;
    상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정;
    상기 기판을 제1 반응가스에 노출시키는 과정;
    상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정;
    상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정;
    상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정;
    상기 기판을 제1 반응가스와 다른 상태의 제2 반응가스에 노출시키는 과정; 및
    상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정;
    을 포함하는 박막 제조 방법.
  2. 박막을 제조하는 방법으로서,
    기판을 챔버 내로 로딩하고;
    상기 기판을 소스가스에 노출시키는 과정, 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정, 상기 기판을 반응가스에 노출시키는 과정 및 상기 기판을 퍼지가스로 퍼지하는 과정을 복수 회 반복하여 박막을 제조하며;
    상기 기판을 반응가스에 노출시키는 과정은 초기 적어도 1회에 사용되는 제1 반응가스와 그 이후의 과정에서 사용되는 제2 반응가스가 서로 다른 박막 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스와 성분, 반응성, 산화력, 농도, 활성도 및 플라즈마 밀도 중 적어도 하나가 서로 다른 박막 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 반응가스 및 제2 반응가스는 산소를 함유하는 가스이고, 제조되는 박막은 산화물 박막인 박막 제조 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 산화력 또는 반응성이 큰 가스인 박막 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 반응가스는 H2O 및 O2 가스 중 적어도 하나이고, 상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 산화력 큰 가스인 박막 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 반응가스는 N2O 및 O3 함유 가스 중 적어도 하나인 박막 제조 방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 반응가스 및 제2 반응가스는 오존 함유 가스이고, 상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 오존 농도가 큰 가스인 박막 제조 방법.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 활성도가 큰 가스인 박막 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 반응가스는 플라즈마에 의하여 라디컬 상태로 전환된 가스인 박막 제조 방법.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반응가스는 플라즈마 방전 처리되며, 상기 제2 반응가스는 상기 제1 반응가스보다 플라즈마 밀도가 큰 가스인 박막 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 반응가스 처리 시에 상기 제1 반응가스 처리보다 높은 플라즈마 파워가 인가되는 박막 제조 방법.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반응가스 및 제2 반응가스 처리에 의해 제조되는 박막이 동일한 성분의 박막인 박막 제조 방법.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반응가스에 의한 처리는 기판 로딩 후 최초 1회만 수행되는 박막 제조 방법.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반응가스에 의한 처리 후, 박막의 두께를 검출하고 소정 두께가 될 때까지 상기 제1 반응가스에 의한 처리의 의한 박막 제조를 반복하는 박막 제조 방법.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기판을 소스가스에 노출시키기 전에, 상기 기판을 산화성 가스에 노출시키는 전처리를 수행하는 박막 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 산화성 가스는 상기 제1 반응가스를 사용하는 박막 제조 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

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