KR20150122433A - 고압 원자층 증착 방법 - Google Patents

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    • C23C16/45525—Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45527—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the ALD cycle, e.g. different flows or temperatures during half-reactions, unusual pulsing sequence, use of precursor mixtures or auxiliary reactants or activations

Abstract

본 발명은 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 3차원 반도체에서도 균일한 막 두께 형성이 가능하도록 하기 위해 기존의 원자층 증착 방법에 비해 10배 이상 높은 고압 조건에서 원자층을 증착하는 방법에 관한 것으로, 반응기 내에 기판을 투입하여 원자층을 증착하는 방법에 있어서, 제1 화학 반응물 가스를, 제1 투여 압력으로 상기 반응기 내에 투입하고 상기 반응기 내부를 제1 압력으로 유지하는 제1 단계; 제1 퍼지 가스를, 제1 퍼지 압력으로 상기 반응기 내로 투입하여 미반응 상기 제1 화학 반응물 가스를 제거하는 제2 단계; 제2 화학 반응물 가스를, 제2 투여 압력으로 상기 반응기 내에 투입하고 상기 반응기 내부를 제2 압력으로 유지하는 제3 단계; 및 제2 퍼지 가스를, 제2 퍼지 압력으로 상기 반응기 내로 투입하여 미반응 상기 제2 화학 반응물 가스를 제거하는 제4 단계를 포함하되, 상기 제1 압력 및 제2 압력은 30 내지 1000 torr를 포함한다.

Description

고압 원자층 증착 방법{High-presure atomic layer deposition process}
본 발명은 원자층 증착 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 3차원 반도체에서도 균일한 막 두께 형성이 가능하도록 하기 위해 기존의 원자층 증착 방법에 비해 10배 이상 높은 고압 조건에서 원자층을 증착하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조나 평판 디스플레이 등의 제조에 있어서 실리콘 웨이퍼나 유리 등의 기판상에 필요한 박막을 증착시키는 공정이 필요하다. 기판상에 박막을 형성하기 위한 기술로 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 기술과 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 기술이 있다.
하지만, 화학기상증착(CVD) 기술은 게이트 스택들 간 거리가 감소할수록 CVD 기상 반응의 질량 이동 한계가 브레드-로핑(bread-loafing) 증착 효과를 초래할 수 있다. 이러한 효과는 게이트 스택의 상부 표면에 두껍게 증착되고, 게이트 스택의 하부 모서리에 얇게 증착되는 현상을 초래한다. 또한 일부 다이가 상이한 장치 밀도의 영역을 가질 수 있어 웨이퍼 표면을 횡단하는 질량 이동이 다이 내 막 두께의 편차 및 웨이퍼 내 막 두께의 편차를 초래할 수 있다. 이러한 두께 편차는 일부 영역의 과도 식각과 또 다른 영역의 식각 부족을 초래할 수 있다. 이로 인해, 소자 성능 및/또는 다이 수율이 저하된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 기술로 원자층 증착(ALD) 기술이 있다. 원자층 증착 기술은 기판 표면을 전구체(precursor)와 반응체(reactant)에 순차적으로 노출시키며 2개의 표면반응을 불활성 기체인 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 가스 등을 이용하여 분리한다. 기판의 표면은 전구체(또는 반응체) 노출 단계에 의하여 각각의 반응이 포화되면 더 이상 반응이 일어나지 않는다. 이와 같은 자기제한적인(self-limiting) 박막 성장 메커니즘에 의해 원자층 증착 기술은 우수한 단차 도포성(conformality), 균일한 피복성(uniformity), 정밀한 두께 제어 등과 같은 장점을 지니고 있다.
원자층 증착 방법을 도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면, 반응 챔버 내에 제1 소스가스(A)를 주입하여 기판상에 제1 소스가스에 의한 원자층을 증착한 후, 반응 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 증착되지 않은 제1 소스가스를 반응 챔버로부터 제거한다. 연속적으로, 반응 챔버 내에 제2 소스가스(B)를 주입하여 제2 소스가스에 의한 원자층을 증착한 후, 반응 챔버 내에 퍼지 가스를 주입하여 증착되지 않은 제2 소스가스를 반응 챔버로부터 제거한다. 제1 소스가스에 의한 원자층과 제2 소스가스에 의한 원자층은 서로 결합하여 원하는 성질을 가진 박막을 형성하게 된다. 이와 같이 제1 소스가스의 주입, 퍼징, 제2 소스가스의 주입, 및 퍼징이 하나의 사이클을 이루게 되고, 이러한 사이클을 반복함으로써 기판상에 원하는 두께와 성질을 가진 막을 형성할 수 있다.
일반적으로 원자층 증착 기술은 반응체 종류에 따라 분류된다. 전통적인 방식은 주어진 온도에서 오직 열에너지의 공급에 의하여 전구체와 기체상의 반응체를 반응시켜 박막을 형성하는 열(Thermal) 원자층증착 기술이다. 열 원자층증착 기술은 전구체로서 할라이드(Halide)계와 유기금속(metal-organic)계를 사용하는 경우로 구분할 수 있다. 할라이드계 전구체를 사용 시 증착 장비의 부식 문제와 파티클 생성의 가능성이 있기 때문에 이를 해결하기 위해 유기금속 전구체를 이용한 유기금속 원자층 증착 기술이 도입되게 되었으나, 이 또한 증착된 박막의 밀도 저하와 박막 내 불순물이 잔존하는 문제점을 지니고 있다.
이를 극복하기 위해 플라즈마 원자층 증착 기술이 도입되었고 플라즈마 사용에 의해 저온에서도 증착된 박막의 불순물이 적고 치밀한 박막을 성장시킬 수 있었다. 플라즈마 원자층 증착 기술의 이러한 장점에도 불구하고 플라즈마에 의해 형성된 이온에 의해 손상이 발생할 수 있다. 직접플라즈마(direct plasma)의 경우 기판이 플라즈마 발생 영역 내 존재하므로 상대적으로 큰 영향을 받지만 기판과 플라즈마 발생 영역이 분리되어 있는 원거리 플라즈마(remote plasma)의 경우 최소화할 수 있다.
이와 같은 원자층 증착 기술은 우수한 단차 도포성, 균일한 피복성, 정밀한 두께 제어의 장점으로 인해 메모리 반도체 소자에 다양하게 적용되고 있다. 최근에는 메모리 소자의 사이즈가 감소됨에 따라 DRAM과 NAND 플래시 메모리는 3차원적으로 점점 복잡하게 되고 보다 미세한 공정을 필요로 하고 있다. 이에 따라 이와 같은 반도체 소자의 3차원 제조 공정에 필요한 공정 장비의 개발이 요구된다.
플라즈마 원자층 증착 기술은 전구체와 반응체간의 반응이 플라즈마 생성 시 일어나기 때문에 열 원자층 증착 기술에 비해 상대적으로 저온에서 공정이 가능한 장점이 있다. 하지만, 도2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 종횡비가 높은 3차원 반도체 소자의 경우 재결합 손실(recombination loss) 확률이 증가할수록 재결합(recombination) 제한된(limited) 공정으로 인해 박막의 두께가 균일하지 않는 문제가 발생하여 플라즈마 원자층 증착 기술은 3차원 반도체 소자에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
도 2는 플라즈마 강화(Plasma-enhanced) 원자층 증착 기술에서 표면 재결합이 증가할 경우, 종횡비가 큰 반도체 소자에서 normalized saturation dose가 급격히 증가함을 나타낸 그래프이고, 도 3은 반응의 종류에 따라 종횡비가 큰 소자에서 나타나는 스탭 커버리지(step coverage)의 차이를 나타낸 도면이며, 도 4는 종횡비에 따른 재결합 손실을 나타낸 그래프로, [Journal of The Electrochemical Society, 157 (12) G241-G249, 2010]을 참조하였다. 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 플라즈마 강화 원자층 증착(PE-ALD)에서 표면 재결합이 증가할 경우 종횡비가 큰 소자에서 균일한 막 증착이 불가능하다.
도 5는 열 원자층 증착 기술과 플라즈마 원자층 증착 기술의 종횡비에 따른 스텝 커버리지(step coverage) 차이를 나타낸 그래프로, [Film thickness as a function of depth inside test structures with different AR, Conformality of Al2O3 and AIN Deposited by Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition, Journal of The Electrochemical Society, 157 (4) G111-G116, 2010]를 참조한다.
열 원자층 증착 기술은 플라즈마 원자층 증착 기술과 같이 반응성(reactive) 가스를 사용하지 않기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 종횡비 증가에 상대적으로 덜 민감하게 균일한 증착이 가능하다. 하지만, 열 원자층 증착 기술은 고온 공정이 필요하고, 온도가 낮을 경우, 반응속도가 낮아지고, 조성비가 맞지 않는 단점이 있다.
따라서 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고 상기 요구에 부응하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
본 발명은 3차원 반도체 소자에 적합한 원자층 증착 기술을 제공하기 위해, 열 원자층 증착 기술을 활용하면서 기존 공정의 반응 압력보다 높은 고압 공정을 통해 반응 속도 개선 및 공정 온도를 낮추면서 동시에 조성비를 최적화할 수 있는 원자층 증착 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반응기 내에 기판을 투입하여 원자층을 증착하는 방법에 있어서, 제1 화학 반응물 가스를, 제1 투여 압력으로 상기 반응기 내에 투입하고 상기 반응기 내부를 제1 압력으로 유지하는 제1 단계; 제1 퍼지 가스를, 제1 퍼지 압력으로 상기 반응기 내로 투입하여 미반응 상기 제1 화학 반응물 가스를 제거하는 제2 단계; 제2 화학 반응물 가스를, 제2 투여 압력으로 상기 반응기 내에 투입하고 상기 반응기 내부를 제2 압력으로 유지하는 제3 단계; 및 제2 퍼지 가스를, 제2 퍼지 압력으로 상기 반응기 내로 투입하여 미반응 상기 제2 화학 반응물 가스를 제거하는 제4 단계를 포함하되, 상기 제2 압력은 30 내지 1000 torr를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기존 열 원자층 증착 기술에 비해 10배 이상 높은 고압 조건에서 반응체를 유지함으로, 기존 열 원자층 증착 기술에 비해 월등한 반응 속도를 유지하면서 증착 속도 측면에서 플라즈마 원자층 증착 기술과 유사한 수준을 유지할 수 있으며, 종횡비가 높은 3차원 반도체 소자에서도 우수한 막질을 균일하게 증착할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 원자층 증착 공정을 설명하기 위한 도면,
도 2는 플라즈마 강화(Plasma-enhanced) 원자층 증착 기술에서 종횡비(Aspect ratio)와 normalized saturation dose 관계를 나타낸 그래프,
도 3은 반응의 종류에 따라 종횡비가 큰 소자에서 나타나는 스탭 커버리지(step coverage)의 차이를 나타낸 도면
도 4는 종횡비에 따른 재결합 손실을 나타낸 그래프,
도 5는 열 원자층 증착 기술과 플라즈마 원자층 증착 기술의 종횡비에 따른 스텝 커버리지(step coverage) 차이를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 고압 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 고압 원자층 증착 기술은 파티클 감소를 도모하고, 특정한 반응물을 도입하는데 있어 더 짧은 투입 시간이 소요될 수 있으며, 이에 따라 공정 시간을 단축시키고, 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
일반적으로 원자층 증착 공정에서, 압력은 3.5 Torr 이하, 예컨대 3 Torr 에서 유지된다. 하지만, 본 발명은 종래 원자층 증착 방법에 비해 10배 이상의 압력(30~1000 Torr)으로 반응체(예를 들어, 산소(O2), 물(H2O), 오존(O3))를 유지한다.
원자층 증착에서 사용되는 주요 반응물은 금속(예를들어, 알루미늄, 티타늄 등), 반도체(예를들어, 실리콘 및 게르마늄), 및 비 금속 또는 메탈로이드 (예를들어, 붕소(boron))를 포함한다. 또한 원자층 증착에서 사용되는 보조 반응물은 주요 반응물이 아닌 모든 반응물로, 보조 반응물의 예시는 산소, 오존, 수소, 카본 모녹사이드, 나이트러스 옥사이드 (nitrous oxide), 암모니아, 알킬 아민, 및 그와 유사한 것을 포함한다.
원자층 증착 기술은 어떠한 수의 상이한 타입의 막을 적층할 수 있다. 질화물(nitride) 및 산화물은 주요한 유전성 물질이나, 카바이드 (carbide), 옥시나이트라이드(oxynitride), 카본-도핑된 옥사이드, 보라이드(boride) 등이 또한 형성된다. 산화물은 도핑되지 않은 실리케이트 글라스(USG; undoped silicate glass), 도핑된 실리케이트 글라스를 포함하는 다양한 범위의 물질을 포함한다. 도핑된 글라스의 예시는 붕소 도핑된 실리케이트 글라스 (BSG; boron doped silicate glass), 포스포러스 도핑된 실리케이트 글라스 (PSG; phosphorus doped silicate glass), 및 붕소, 인 도핑된 실리케이트 글라스 (BPSG; boron phosphorus doped silicate glass)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 특정한 반응물 또는 막 타입에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 원자층 증착 방법에 대해 기술한다.
먼저, 기판이 반응기 내에 제공된다(101). 이때 기판은 예열되거나 예열되지 않을 수 있다. 반응기 내의 온도는 반도체 소자 종류에 따라 상이할 수 있지만, 일반적으로 100~300℃로 유지한다. 또한 종래의 원자층 증착 장치는 반응기 내부를 진공 상태로 유지하지만, 본 발명에서는 공정 단계별로 각각 다른 압력 조건을 유지한다.
그리고, 제1 화학 반응물 가스를 제1 투여 유속 및 제1 투여 압력으로 반응기 내부로 투입하고, 제1 압력으로 반응기 내부 압력을 유지한다(102).
제1 화학 반응물 가스의 최적 반응 시간이 경과한 후, 제1 퍼지 가스를, 선택된 제1 퍼지 유속 및 제1 퍼지 압력으로 상기 반응기 내부로 투입하여, 미반응 제1 화학 반응물 가스를 제거한다(103).
다음, 제2 화학 반응물 가스를, 제2 투여 유속 및 제2 투여 압력으로 상기 반응기 내부로 투입하고, 제2 압력으로 반응기 내부 압력을 유지한다(104). 이때 반응기 내부 압력은 30 torr 내지 1000 torr 범위 내에서 유지될 수 있다. 다시 말해, 제1 압력과 제2 압력은 서로 상이하며, 제2 화학 반응물 가스에 대해서는 고압 조건에서 반응기 내부를 유지한다.
제2 화학 반응물 가스의 최적 반응 시간이 경과한 후, 제 2 퍼지 가스를, 제2 퍼지 유속 및 제2 퍼지 압력으로 상기 반응기 내부로 투입하여, 미반응 제2 화학 반응물 가스를 제거한다(105).
원하는 막 두께를 형성할 때까지 102 내지 105 과정을 반복 수행한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 반응기 내에 기판을 투입하여 원자층을 증착하는 방법에 있어서,
    제1 화학 반응물 가스를, 제1 투여 압력으로 상기 반응기 내에 투입하고 상기 반응기 내부를 제1 압력으로 유지하는 제1 단계;
    제1 퍼지 가스를, 제1 퍼지 압력으로 상기 반응기 내로 투입하여 미반응 상기 제1 화학 반응물 가스를 제거하는 제2 단계;
    제2 화학 반응물 가스를, 제2 투여 압력으로 상기 반응기 내에 투입하고 상기 반응기 내부를 제2 압력으로 유지하는 제3 단계; 및
    제2 퍼지 가스를, 제2 퍼지 압력으로 상기 반응기 내로 투입하여 미반응 상기 제2 화학 반응물 가스를 제거하는 제4 단계를 포함하되,
    상기 제2 압력은 30 내지 1000 torr를 포함하는 고압 원자층 증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압력은 서로 상이한 압력인 것을 특징으로 하는 고압 원자층 증착 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 화학 반응물 가스는 산소, 물, 오존 중 선택된 어느 하나를 포함하는 고압 원자층 증착 방법.
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