KR20160053247A - 원자층 증착 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치는 기판이 로딩되는 제1 공정 챔버, 제1 공정 챔버의 외부에 구비되는 플라즈마 발생부, 플라즈마 발생부에 서로 다른 복수의 소스 가스들을 공급하는 소스 가스 공급부, 제1 공정 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부, 및 소스 가스 및 퍼지 가스의 공급을 제어하는 가스 제어부를 포함하고, 플라즈마 발생부는 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 제2 공정 챔버 및 제2 공정 챔버 내에 유도 전기장을 형성하는 플라즈마 안테나를 포함하고, 소스 가스들을 제1 공정 챔버 내에 공급할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조에 사용되는 원자층 증착 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 제조 공정에서 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 미세하고 높은 종횡비를 갖는 패턴들이 형성되고 있다. 이러한 패턴에 박막을 형성하는 경우 뛰어난 단차도포성(step coverage) 및 두께 균일성(thickness uniformity)이 요구된다. 이와 같은 요구사항을 충족시키기 위해 원자층 두께로 박막을 형성하는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 장치가 개발되었다.
원자층 증착 공정은 두 가지 이상의 소스 가스를 시간 간격을 두고 각각 교대로 유입시키고, 각 소스 가스의 유입 사이에 불활성 기체인 퍼지 가스를 유입시킴으로써 소스 가스들이 기체 상태에서 반응하는 것을 방지한다. 즉, 하나의 소스 가스가 기판 표면에 화학적으로 흡착(chemical adsorption)된 상태에서 후속하여 유입된 다른 하나의 소스가스가 반응함으로써 기판 표면에 원자층 두께 수준의 박막이 생성된다. 이와 같은 공정을 하나의 사이클(cycle)로 하여 원하는 두께의 박막이 형성될 때까지 반복함으로써, 정확한 두께의 제어가 가능하다.
최근에는 소스 가스의 반응성을 향상시키기 위해 플라즈마 기술을 이용하는 플라즈마 원자층 증착(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition, PEALD) 장치가 제안되고 있다.
본 발명은 소스 가스의 반응성을 향상시키고, 높은 종횡비를 갖는 패턴 상에 콘포멀(conformal)하고 고품질의 박막을 증착시킬 수 있는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치는 제1 공정 챔버, 상기 제1 공정 챔버의 외부에 구비되는 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부의 상부에 구비되며 서로 다른 복수의 소스 가스들을 공급하는 소스 가스 공급부, 상기 제1 공정 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부 및 상기 소스 가스 및 상기 퍼지 가스의 공급을 제어하는 가스 제어부를 포함하고, 상기 플라즈마 발생부는 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 제2 공정 챔버 및 상기 제2 공정 챔버 내에 자기장을 유도하는 플라즈마 안테나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 공정 챔버는 실린더 형의 절연부재로 이루어지며, 상기 플라즈마 안테나는 상기 제2 공정 챔버의 외주면에 코일 형태로 감겨 있으며, 상기 플라즈마 발생부는 적어도 하나의 상기 소스 가스를 라디칼 상태로 상기 제1 공정 챔버 내에 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 상기 제2 공정 챔버의 중심축을 따라 이격된 복수의 플라즈마 영역들을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 플라즈마 영역들에 의해 상기 소스 가스의 이온들이 제2 공정 챔버 내에 구속될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 유도 결합 플라즈마 방식으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 공정 챔버는 절연부재로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치는 상기 플라즈마 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부 및 상기 플라즈마 안테나와 상기 고주파 전원부 사에에 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 가스 공급부는 복수의 소스 가스 라인에 연결되어 각각의 소스 가스들을 독립적인 펄스로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 상기 제1 공정 챔버의 상부에 위치하며, 상기 플라즈마 발생부의 내부에 생성되는 플라즈마가 상기 기판에 직접 닿지 않도록 상기 서셉터로부터 일정한 거리만큼 이격될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 상기 제1 공정 챔버의 상부로부터 복수의 소스 가스들을 상기 기판 상에 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 상기 제1 공정 챔버의 측면부에 위치하며, 상기 제1 공정 챔버의 측면부로부터 복수의 소스 가스들을 상기 기판 상에 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 서로 다른 소스 가스를 라디칼 상태로 상기 제1 공정 챔버에 공급하도록 복수 개이고, 상기 서셉터는 복수의 기판이 안착될 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치는 기판이 로딩되는 제1 공정 챔버, 및 상기 기판 상에 서로 다른 복수의 소스 가스들을 제공하며, 적어도 하나의 상기 소스 가스를 라디칼 상태로 상기 제1 공정 챔버에 공급하는 플라즈마 발생부를 포함하고, 상기 플라즈마 발생부는 실린더형의 절연부재로 이루어진 제2 공정 챔버, 및 상기 제2 공정 챔버의 외주면에 코일 형태로 감긴 플라즈마 안테나를 포함하고, 상기 제2 공정 챔버의 중심축을 따라 이격된 복수의 플라즈마 영역들을 형성한다.
본 발명이 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 플라즈마 영역은 세 개의 영역이며, 가운데 위치한 플라즈마 영역의 포텐셜이 가장 높을 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 안테나는 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 안테나는 상기 고주파 전력의 파장에 해당하는 길이로 감겨 있을 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 있어서, 상기 기판은 높은 종횡비를 갖는 채널 홀 패턴을 포함하고, 상기 기판 상에 증착되는 박막은 게이트 유전층일 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 있어서, 상기 게이트 유전층은 터널링 유전층, 전하 저장층 및 블록킹 유전층을 포함하고, 상기 터널링 유전층은 실리콘 산화물이고, 상기 전하 저장층은 실리콘 질화물이고, 블록킹 유전층은 금속 산화물일 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치는 높은 종횡비를 갖는 패턴을 포함하는 기판이 로딩되는 제1 공정 챔버, 실린더 형의 제2 공정 챔버 및 상기 제2 공정 챔버의 외주면에 코일 형태로 감긴 플라즈마 안테나를 포함하는 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부, 및 상기 플라즈마 발생부에 서로 다른 복수의 소스 가스들을 공급하는 소스 가스 공급부를 포함하고, 상기 플라즈마 발생부는 상기 제2 공정 챔버 내에 세 개의 플라즈마 영역을 형성하며, 적어도 하나의 소스 가스를 라디칼 상태로 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 안테나는 상기 플라즈마 안테나는 상기 고주파 전력의 파장에 해당하는 길이로 감겨 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 유도 결합 플라즈마 방식으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 발생부를 구비하여 적어도 하나의 소소 가스를 라디칼 상태로 제공하여 소스 가스의 반응성을 향상시키고, 높은 종횡비를 갖는 패턴 상에 균일한 두께를 갖는 고품질의 박막을 콘포멀(confomal)하게 증착할 수 있다.
또한, 플라즈마 발생부는 플라즈마를 구성하는 성분들 중 라디칼 성분만을 기판에 제공하므로 이온에 의한 박막 및 기판의 손상을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명으로부터 얻을 수 있는 효과는 상술된 것에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 플라즈마 발생부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하여 기판에 형성된 박막을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하여 제조되는 수직형 메모리 장치의 메모리 셀 구조를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 11a 내지 도 11b는 도 10의 'A' 영역을 확대하여 도시한 도면들이다.
도 12 내지 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하는 수직형 메모리 장치의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 플라즈마 발생부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하여 기판에 형성된 박막을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하여 제조되는 수직형 메모리 장치의 메모리 셀 구조를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 11a 내지 도 11b는 도 10의 'A' 영역을 확대하여 도시한 도면들이다.
도 12 내지 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하는 수직형 메모리 장치의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 반도체 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 '일 실시예'라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소를 나타내는 것으로 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(100)는 제1 공정 챔버(20), 서셉터(17), 플라즈마 발생부(30)를 포함할 수 있다.
제1 공정 챔버(20)는 기판(W)을 수용하여 박막 증착 공정이 수행되는 공간을 제공할 수 있다. 구체적으로 제1 공정 챔버(20)은 원자층 증착(ALD) 공정이 수행되는 공간을 제공할 수 있다.
제1 공정 챔버(20)의 일 측면부에 미반응된 소스 가스(S) 및 박막 증착 공정에서 발생할 수 있는 반응 부산물 등을 퍼징(purging)시키기 위한 퍼지 가스 공급부(60)가 구비될 수 있다. 상기 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 퍼지 가스(PG)가 기판(W)의 표면과 나란한 방향으로 주입될 수 있다. 퍼지 가스 공급부(60)를 통한 퍼지 가스(PG)의 주입은 퍼지 가스 조절부(60M)에 의해 조절될 수 있다.
또한, 제1 공정 챔버(20)의 일 하단부에 미반응된 소스 가스(S), 퍼지 가스(PG) 및 상기 반응 부산물 등이 배기되는 배기부(70)가 구비될 수 있다. 배기부(70)는 제1 공정 챔버(20) 내의 가스들을 배기시키기 위하여 진공펌프(80)에 연결될 수 있다.
서셉터(17)는 제1 공정 챔버(20) 내에 구비되어 기판(W)이 안착될 수 있으며, 서셉터(17)를 지지하는 회전 구동부(15)에 의해 회전될 수 있다. 서셉터(17)는 내부에 기판(W)에 열을 가하여 박막의 증착 온도를 조절할 수 있는 열공급부를 포함할 수 있다.
플라즈마 발생부(30)는 제1 공정 챔버(20)의 외부에 구비되며, 구체적으로 제1 공정 챔버(20) 상에 위치할 수 있다. 플라즈마 발생부(30)는 내부에 형성되는 플라즈마가 기판(W)에 직접 닿지 않도록 서셉터(17)로부터 일정한 거리만큼 이격되도록 구비될 수 있다. 플라즈마 발생부(30)는 소스 가스(S)가 주입되어 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 제2 공정 챔버(32) 및 제2 공정 챔버(32)의 외주면에 코일 형태로 감겨 제2 공정 챔버(32) 내에 자기장의 발생을 유도하는 플라즈마 안테나(34)를 포함할 수 있다. 플라즈마 발생부(30)는 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 방식으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
제2 공정 챔버(32)는 실린더 형태일 수 있으며, 절연부재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연부재는 석영(quartz)일 수 있다.
플라즈마 안테나(34)에는 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부(38)가 연결될 수 있다. 임피던스 정합을 위하여 임피던스 정합부(36)가 플라즈마 안테나(34)와 고주파 전원부(38) 사이에 더 배치될 수 있다.
플라즈마 발생부(30)의 상부에 소스 가스(S)가 주입되는 소스 가스 공급부(50)가 구비될 수 있다. 소스 가스 공급부(50)는 복수의 소스 가스 라인에 연결되어 서로 다른 소스 가스를 독립적인 펄스로 플라즈마 발생부(30)에 공급할 수 있다. 소스 가스 공급부(50)를 통한 소스 가스(S)의 주입은 소스 가스 조절부(50M)에 의해 조절될 수 있다.
제1 공정 챔버(20)와 플라즈마 발생부(30)는 서로 연통되어 있는 구조이며, 플라즈마 발생부(30)를 통해 제1 공정 챔버(20)에 복수의 소스 가스들(S)이 공급될 수 있다. 적어도 하나의 소스 가스(S)는 플라즈마 발생부(30) 내에서 플라즈마 상태로 변환되며, 플라즈마 중 라디칼(radical) 성분이 제1 공정 챔버(20)에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(100)는 소스 가스(S) 및 퍼지 가스(PG)의 공급을 제어하는 가스 제어부(55)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 가스 제어부(55)는 소스 가스 조절부(50M) 및 퍼지 가스 조절부(60M)를 제어하여 소스 가스(S) 및 퍼지 가스(PG)의 공급을 제어한다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 플라즈마 발생부(30)를 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 발생부(30)는 제2 공정 챔버(32)의 중심축을 따라 서로 이격된 복수의 플라즈마 영역(P1, P2, P3)을 형성할 수 있다.
제2 공정 챔버(32)의 외주면을 코일 형태로 감고 있는 플라즈마 안테나(34)는 상기 고주파 전력의 파장에 해당하는 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 고주파 전력의 파장에 해당하는 길이의 플라즈마 안테나(34)에 상기 고주파 전력이 공급되면, 상기 고주파 전력을 구성하는 고주파 전류 및 고주파 전압은 각각 정상파를 이룰 수 있다. 상기 고주파 전류 및 상기 고주파 전압은 90도의 위상차를 가질 수 있다. 상기 고주파 전류의 정상파에서 최대 진폭이 형성되는 영역에 대응하여 제2 공정 챔버(32) 내에 강한 유도 전기장이 형성될 수 있다. 상기 고주파 전류의 정상파에서 최대 진폭이 형성되는 영역은 세 영역일 수 있고, 이에 대응하여 제2 공정 챔버(32) 내에 세 영역의 강한 유도 전기장이 형성될 수 있다.
상기 세 영역의 강한 유도 전기장으로 인해 플라즈마 발생부(30)는 세 개의 플라즈마 영역(P1, P2, P3)을 형성할 수 있다. 이들 플라즈마 영역(P1, P2, P3) 중 가운데 위치한 플라즈마 영역(P2)의 포텐셜이 가장 높을 수 있다. 이와 같이 서로 다른 포텐셜을 가지는 복수의 플라즈마 영역(P1, P2, P3)에 의해 플라즈마 중의 이온(S+)들은 제2 공정 챔버(32) 내부에 구속되고 중성 입자인 라디칼(S*)만이 제1 공정 챔버(32) 내로 유입될 수 있다.
이하, 상술한 구성을 갖는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 방법을 설명한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정에 의한 박막 형성 방법을 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 이용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 이용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기판(W)을 제1 공정 챔버(20) 내에 로딩할 수 있다(S10). 기판(W)은 높은 종횡비(high aspect ratio)를 갖는 패턴이 형성된 상태일 수 있다. 상기 종횡비는 예를 들어, 10:1이상 일 수 있다. 상기 패턴의 형상은 실린더형, 라인형 등 다양할 수 있다.
기판(W)이 로딩된 후, 제1 공정 챔버(20)의 내부는 배기부(70)에 연결된 진공 펌프(80)에 의해 소정의 진공 상태로 만들어질 수 있다. 한편, 서셉터(17) 내에 포함된 열공급부에 의해 기판(W)이 소정의 공정 온도로 가열될 수 있다.
다음으로, 제1 공정 챔버(20) 내에 제1 소스 가스를 공급할 수 있다(S11). 상기 제1 소스 가스는 제2 공정 챔버(32)의 상부에 위치한 소스 가스 공급부(50)를 통해 주입되어 제2 공정 챔버(32)를 거쳐 제1 공정 챔버(20)에 공급된다. 상기 제1 소스 가스는 소정의 시간 동안 펄스로 공급되어 기판(W)에 흡착될 수 있다. 상기 제1 소스 가스는 목적하는 박막을 구성하는 물질의 전구체(precusor) 가스일 수 있다. 소정의 시간 동안 펄스로 공급된다는 것은 일정한 유량으로 소정의 시간 동안만 소스 가스가 공급된 후 차단된다는 것을 의미하며, 이하에서 동일한 의미로 사용된다.
이어서, 제1 퍼지 가스를 주입하여 상기 제1 공정 챔버(20)에 대하여 제1 퍼징을 수행할 수 있다(S12). 제1 퍼징(S12)에 의해 기판(W)에 흡착되지 않은 제1 소스 가스가 배기부(70)을 통해 배출될 수 있다. 제1 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)을 통해 제1 공정 챔버(20) 내에 분사될 수 있다. 제1 퍼지 가스는 소정의 시간 동안 펄스로 분사될 수 있으며, 제1 퍼지 가스가 분사되는 동안에 기판(W)이 안착된 서셉터(17)는 회전될 수 있다. 제1 퍼지 가스로 아르곤, 헬륨 등과 같은 불활성 가스가 이용될 수 있다. 제1 퍼징(S12)이 완료되면 기판(W)에는 하나의 층의 제1 소스 가스만 흡착된 상태일 수 있다.
다음으로, 제2 소스 가스를 제2 공정 챔버(32) 내에 공급하여 플라즈마 상태로 변환시킬 수 있다(S13). 소스 가스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(30)에 제2 소스 가스를 소정의 시간 동안 펄스로 공급할 수 있다. 이때, 플라즈마 형성을 돕기 위해 제2 소스 가스와 함께 캐리어(carrier) 가스(예를 들어, 아르곤(Ar) 가스 등)가 공급될 수 있다. 제2 공정 챔버(30)로 공급된 제2 소스 가스는 플라즈마 안테나(34)에 고주파 전력을 공급함으로써 플라즈마 상태로 변환될 수 있다. 상기 플라즈마 상태의 제2 소스 가스는 이온 성분 및 라디칼 성분을 포함하며, 높은 반응성을 가질 수 있다. 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 제2 소스 가스를 먼저 공급한 후, 소정의 시간 간격을 두어 고주파 전력을 플라즈마 안테나(34)에 공급하여 제2 소스 가스를 플라즈마 상태로 변환시킬 수 있다. 일 실시예에서, 이와 달리 상기 제2 소스 가스를 공급함과 동시에 고주파 전력을 플라즈마 안테나(34)에 공급하여 제2 소스 가스를 플라즈마 상태로 변환시킬 수도 있다.
이어서, 상기 플라즈마 상태의 제2 소스 가스 중 라디칼 성분을 제1 공정 챔버(20) 내에 공급할 수 있다(S14). 상기 플라즈마 상태의 제2 소스 가스 중 이온 성분은 앞서 설명한 바와 같이 제2 공정 챔버(32) 내에 구속되고 라디칼 성분만이 제2 공정 챔버(32)와 연통되어 있는 제1 공정 챔버(20) 내에 공급될 수 있다. 제1 공정 챔버(20) 내에 공급된 상기 제2 소스 가스의 라디칼 성분은 상기 기판(W)에 흡착된 제1 소스 가스와 반응하여 원하는 물질막이 원자층 두께의 박막으로 형성된다. 상기 제2 소스 가스는 전구체 가스인 상기 제1 소스 가스와 반응하는 반응체 가스일 수 있다. 상기 제2 소스 가스의 공급이 끝남과 동시에 상기 고주파 전력의 공급도 차단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이어서, 제2 퍼지 가스를 주입하여 상기 제1 공정 챔버(20)에 대하여 제2 퍼징을 수행할 수 있다(S15).
제2 퍼징(S15)에 의해 기판(W)에 흡착된 제1 소스 가스와 반응하지 않은 제2 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출될 수 있다. 제2 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)을 통해 제1 공정 챔버(20) 내로 분사될 수 있다. 제2 퍼지 가스가 분사되는 동안에 기판(W)이 안착된 서셉터(17)는 회전될 수 있다. 제2 퍼지 가스로 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등과 같은 불활성 가스가 이용될 수 있다.
상기 단계들(S11 내지 S15)이 하나의 사이클(cycle)을 이루며, 요구되는 박막의 두께에 따라, 상기 사이클을 반복적으로 수행할 수 있다.
원하는 두께의 박막이 형성되면 기판(W)을 냉각한 후 제1 공정 챔버(20)에서 기판(W)을 언로딩(unloading)할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용한 박막 형성 공정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
앞서 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 박막 형성 공정은 서로 다른 2개의 소스 가스를 이용하여, 즉, 전구체 가스 및 하나의 반응체 가스를 이용하여 원자층 증착 공정으로 박막을 형성하는 공정을 예시적으로 설명하였다. 이하에서는, 도 5 및 도 6을 참조하여, 서로 다른 3개의 소스 가스를 이용하여, 즉, 전구체 가스 및 2개의 반응체 가스를 이용하여 원자층 증착 공정으로 박막을 형성하는 공정을 설명한다. 이러한 공정을 이용하면 3 성분계의 박막을 형성할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스가 공급되고 퍼징되는 단계(S20 내지 S25)는 도 3 및 도 4를 참조하여 상술한 바와 동일하게 수행될 수 있다.
제2 퍼징(S25)이 완료된 후, 소스 가스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(30)에 제3 소스 가스를 소정의 시간 동안 펄스로 공급할 수 있다. 이때, 플라즈마 형성을 돕기 위해 제2 소스 가스와 함께 캐리어(carrier) 가스(예를 들어, 아르곤(Ar) 가스 등)가 공급될 수 있다. 제2 공정 챔버(30)로 공급된 제3 소스 가스는 플라즈마 안테나(34)에 고주파 전력을 공급함으로써 플라즈마 상태로 변환될 수 있다(S26). 상기 플라즈마 상태의 제3 소스 가스는 이온 성분 및 라디칼 성분을 포함하며, 높은 반응성을 가질 수 있다. 도 6에 도시된 것과 같이, 상기 제3 소스 가스를 먼저 공급한 후 소정의 시간 간격을 두어 고주파 전력을 플라즈마 안테나(34)에 공급하여 제3 소스 가스를 플라즈마 상태로 변환시킬 수 있다. 일 실시예에서, 이와 달리, 상기 제3 소스 가스를 공급함과 동시에 고주파 전력을 플라즈마 안테나(34)에 공급하여 제3 소스 가스를 플라즈마 상태로 변환시킬 수도 있다.
이어서, 상기 플라즈마 상태의 제3 소스 가스 중 라디칼 성분을 제1 공정 챔버(20) 내에 공급할 수 있다(S23). 상기 플라즈마 상태의 제3 소스 가스 중 이온 성분은 앞서 설명한 바와 같이 제2 공정 챔버(32) 내에 구속되고 라디칼 성분만이 제2 공정 챔버(32)와 연통되어 있는 제1 공정 챔버(20) 내에 공급될 수 있다. 제1 공정 챔버(20) 내에 공급된 상기 제3 소스 가스의 라디칼 성분은 제1 소스 가스와 제2 소스 가스가 반응하여 기판(W)에 형성된 물질막과 추가적으로 반응하여 최종적으로 원하는 물질막을 형성할 수 있다. 상기 제3 소스 가스는 상기 제1 소스 가스와 제2 소스 가스의 반응물과 추가적으로 반응하는 반응체 가스일 수 있다. 상기 제3 소스 가스의 공급이 끝남과 동시에 상기 고주파 전력의 공급도 차단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이어서, 제3 퍼지 가스를 주입하여 상기 제1 공정 챔버(20) 에 대하여 제3 퍼징을 수행할 수 있다(S28).
제3 퍼징(S28)에 의해 반응하지 않은 제3 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출될 수 있다. 제3 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)을 통해 제1 공정 챔버(20) 내로 분사될 수 있다. 제3 퍼지 가스가 분사되는 동안에 기판(W)이 안착된 서셉터(17)는 회전될 수 있다. 제3 퍼지 가스로 아르곤, 헬륨 등과 같은 불활성 가스가 이용될 수 있다.
상기 단계들(S21 내지 S28)이 하나의 사이클을 이루며, 요구되는 박막의 두께에 따라, 상기 사이클을 반복적으로 수행할 수 있다.
원하는 두께의 박막이 형성되면 기판(W)을 냉각한 후 제1 공정 챔버(20)에서 기판(W)을 언로딩(unloading)할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하여 형성된 박막을 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 높은 종횡비를 갖는 패턴을 포함하는 기판(W)에 균일한 두께를 갖는 박막(TF)을 콘포멀(conformal)하게 형성할 수 있다. 도시된 바에 제한되지 않으며, 상기 패턴의 종횡비는 10:1 이상이고, 상기 패턴의 측벽은 수직한 경사(vertical slope), 파지티브 경사(positive slope), 또는 네거티브 경사(negative slope)를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 사용하여 상기 다양한 패턴 상에 형성된 박막(TF)의 두께는 균일하게 형성될 수 있다. 즉, 패턴의 형상이나 측벽의 경사에 상관없이 모든 영역에서 박막(TF)의 두께는 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, t1, t2, t3, t4, 및 t5는 서로 동일할 수 있다.
박막(TF)는 예를 들어, 실리콘 화합물일 수 있고, 상기 실리콘 화합물은 실리콘 산화물(SiO), 실리콘 질화물(SiN), 실리콘 탄화물(SiC)과 같은 2성분계 실리콘 화합물이거나, SiON, SiBN, SiCN 및 SiOC 등과 같은 3성분계 실리콘 화합물일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 실리콘 화합물은 Si, O, N, B, C를 포함하는 4성분계 이상의 화합물일 수 있다.
우선, 상기 실리콘 화합물이 2성분계 실리콘 화합물인 경우를 도 1 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 높은 종횡비를 갖는 패턴이 형성된 기판(W)을 제1 공정 챔버(20) 내에 로딩(S10)하고, 제1 소스 가스를 소스 공급부(50)를 통해 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급할 수 있다(S11). 상기 제1 소스 가스는 실리콘 원소를 포함하는 유기 화합물 또는 무기 화합물일 수 있다. 상기 제1 소스 가스는 예를 들어, HCDS(hexachlorodisilane), DIPAS(diisopropylaminosilane) 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 소스 가스는 제1 공정 챔버(20) 상에 구비된 제2 공정 챔버(32)를 거쳐 기판(W)에 공급될 수 있다. 이때, 제2 공정 챔버(32) 내에 플라즈마가 형성되지 않은 상태가 유지될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 소스 가스가 제1 공정 챔버(20) 내로 공급되는 동안 플라즈마 안테나(34)에 고주파의 전력이 공급되지 않을 수 있다. 상기 제1 소스 가스는 패턴이 형성된 기판(W) 상에 흡착될 수 있다. 이어서, 제1 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제1 퍼징을 수행할 수 있다(S12). 제1 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면부에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 제1 공정 챔버(20) 내로 공급될 수 있다. 제1 퍼징(S12) 시에 흡착되지 않은 상기 실리콘 소스 가스는 배기부(70)을 통해 배출될 수 있다.
이어서, 제2 소스 가스를 소스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(32) 내로 공급하여 플라즈마 상태로 변환시킬 수 있다(S13). 상기 제2 소스 가스는 N, O, 및 C로 구성된 일군에서 선택된 어느 하나를 제공하는 가스일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 소스 가스는 산소(O2), 오존(O3), 질소(N2), 암모니아(NH3), 탄화수소(CH) 중 어느 하나 일수 있다. 기판(W) 상에 형성하고자 하는 실리콘 화합물에 따라 상기 제2 소스 가스는 적절히 선택될 수 있다.
상기 플라즈마 상태의 제2 소스 가스 중 라디칼 성분만을 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급할 수 있다(S14). 높은 반응성을 가진 라디칼 상태의 제2 소스 가스는 흡착되어 있는 상기 제1 소스 가스(실리콘 소스 가스)와 반응하여 패턴이 형성된 기판(W) 상에 원자층 두께로 콘포멀하게 상기 2성분계의 실리콘 화합물을 형성할 수 있다. 이어서, 제2 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제2 퍼징을 수행할 수 있다(S15). 제2 퍼징(S15) 시에 반응하지 않은 상기 제2 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출될 수 있다.
요구되는 두께에 따라 상기 단계들(S11 내지 S15)를 반복적으로 수행함으로써 상기 2성분계의 실리콘 화합물로 이루어진 박막(TF)을 형성할 수 있다.
한편, 상기 실리콘 화합물이 3성분계 실리콘 화합물인 경우를 도 1 및 도 5을 참조하여 설명한다. 상기 제1 소스 가스 및 제2 소스 가스를 공급하고 퍼징하는 단계는 앞서 도 1 및 도 3을 참조하여 설명한 부분과 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.
도 1 및 도 5을 참조하면, 제2 퍼징(S25)이 완료된 후, 제3 소스 가스를 소스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(32) 내로 공급하여 플라즈마 상태로 변환시킬 수 있다(S26). 상기 제3 소스 가스는 N, O, 및 C로 구성된 일군에서 선택된 어느 하나를 제공하는 가스이고, 상기 제2 소스 가스와는 다른 가스일 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 소스 가스는 산소(O2), 오존(O3), 질소(N2), 암모니아(NH3), 탄화수소(CH) 중 어느 하나일 수 있고, 상기 제2 소스 가스로 선택된 가스 이외의 가스일 수 있다. 기판(W) 상에 형성하고자 하는 실리콘 화합물에 따라 상기 제2 소스 가스 및 상기 제3 소스 가스는 적절히 선택될 수 있다.
상기 플라즈마 상태의 제3 소스 가스 중 라디칼 성분만을 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급할 수 있다(S27). 높은 반응성을 가진 라디칼 상태의 제3 소스 가스는 상기 제1 소스 가스(실리콘 소스 가스) 및 제2 소스 가스의 반응물과 추가적으로 반응하여 패턴이 형성된 기판(W) 상에 원자층 두께로 콘포멀하게 상기 3성분계의 실리콘 화합물을 형성할 수 있다. 이어서, 제3 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제3 퍼징을 수행할 수 있다(S28). 제3 퍼징(S15) 시에 반응하지 않은 상기 제3 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출될 수 있다.
요구되는 두께에 따라 상기 단계들(S21 내지 S28)를 반복적으로 수행함으로써 상기 3성분계의 실리콘 화합물로 이루어진 박막(TF)을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(100A)는 제1 공정 챔버(20'), 서셉터(17'), 플라즈마 발생부들(30, 30')을 포함할 수 있다.
제1 공정 챔버(20')은 기판을 수용하여 박막 증착 공정이 수행되는 공간을 제공할 수 있다. 구체적으로 제1 공정 챔버(20)은 원자층 증착 공정이 수행되는 공간을 제공할 수 있다.
제1 공정 챔버(20')의 일 측면부에 미반응된 소스 가스(Sa, Sb) 및 박막 증착 공정에서 발생할 수 있는 반응 부산물 등을 퍼징시키기 위한 퍼지 가스 공급부(60)이 구비될 수 있다. 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 퍼지 가스(PG)가 기판(W)의 표면과 나란한 방향으로 주입될 수 있다. 퍼지 가스 공급부(60)를 통한 퍼지 가스(PG)의 주입은 퍼지 가스 조절부(60M)에 의해 조절될 수 있다.
또한, 제1 공정 챔버(20')의 일측 하단부에 미반응된 소스 가스(Sa, Sb), 퍼지 가스(PG) 및 박막 증착 공정에서 발생할 수 있는 반응 부산물 등이 배기되는 배기부(70)가 구비될 수 있다. 배기부(70)는 제1 공정 챔버 내에 가스들을 배기시키기 위하여 진공 펌프(80)에 연결될 수 있다.
서셉터(17')는 공정 챔배(20') 내에 구비되어 기판(W)이 안착될 수 있고, 서셉터(17')를 지지하는 회전 구동부(15)에 의해 회전할 수 있다. 서셉터(17')에는 복수 개의 기판(W)이 안착될 수 있다. 각각의 기판(W)은 서셉터(17') 상에서 자전할 수 있다. 서셉터(17')는 내부에 기판에 열을 가하여 박막이 형성되는 온도를 조절하는 열공급부를 포함할 수 있다.
서로 다른 소스 가스를 플라즈마 상태로 변환하여 제1 공정 챔버(20')에 공급할 수 있도록 복수 개의 플라즈마 발생부들(30, 30')이 구비될 수 있다. 복수 개의 플라즈마 발생부들(30, 30')은 제1 공정 챔버(20')의 상부에서 서로 이격되어 구비될 수 있다. 상기 플라즈마 발생부들(30, 30')의 위치에 대응되는 서셉터(17') 상의 영역에 기판(W)들이 안착될 수 있다. 플라즈마 발생부(30)는 내부에 형성되는 플라즈마가 기판(W)에 직접 닿지 않도록 서셉터(17)로부터 일정한 거리만큼 이격되도록 구비된다.
제1 플라즈마 발생부(30)는 일종의 소스 가스(Sa)가 주입되어 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 제2 공정 챔버(32) 및 제2 공정 챔버(32)의 외주면에 코일 형태로 감겨 제2 공정 챔버(32) 내에 자기장을 유도하는 플라즈마 안테나(34)를 포함할 수 있다. 제2 플라즈마 발생부(30')는 다른 일종의 소스 가스(Sb)가 주입되어 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 제2 공정 챔버(33) 및 제2 공정 챔버의 외주면에 코일 형태로 감겨 제2 공정 챔버(33) 내에 자기장을 유도하는 플라즈마 안테나(35)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 플라즈마 발생부(30, 30')는 독립적으로 작동하며, 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 방식으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
제2 공정 챔버(32, 33)는 실린더 형의 형상이고, 절연부재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연부재는 석영(quartz)일 수 있다.
플라즈마 안테나(34, 35)에는 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부(38, 39)이 연결되어 있고, 임피던스 정합을 위해 플라즈마 안테나(34, 35)와 고주파 전원부(38, 39) 사이에 임피던스 정합부(36, 37)가 더 배치될 수 있다.
각각의 플라즈마 발생부(30, 30')는 제2 공정 챔버의 중심축을 따라 서로 이격된 복수의 플라즈마 영역을 형성할 수 있다. 상기 복수의 플라즈마 영역은 세 개의 플라즈마 영역을 형성할 수 있다. 이들 플라즈마 영역 중 가운데 형성된 플라즈마 영역(P2, P2')의 포텐셜이 가장 높을 수 있다. 이와 같이 서로 다른 포텐셜을 가지는 플라즈마 영역에 의해 플라즈마 중의 이온들은 제2 공정 챔버(32) 내부에 구속되고 중성 입자인 라디칼만이 제1 공정 챔버(32) 내로 유입될 수 있다.
각각의 플라즈마 발생부(30, 30')의 상부에 소스 가스(Sa, Sb)가 주입되는 소스 가스 공급부(51, 52)가 구비될 수 있다. 소스 가스 공급부(51, 52)는 복수의 소스 가스 라인에 연결되어 소정의 시간 간격으로 서로 다른 소스 가스를 독립적인 펄스로 플라즈마 발생부(30, 30')에 공급할 수 있다. 소스 가스 공급부(50, 51)를 통한 소스 가스(Sa, Sb)의 주입은 소스 가스 조절부(51M, 52M)에 의해 조절될 수 있다.
제1 공정 챔버(20)와 플라즈마 발생부들(30, 30')은 서로 연통되어 있는 구조이며, 플라즈마 발생부들(30, 30')을 통해 제1 공정 챔버(20)에 소스 가스들이 공급될 수 있다. 적어도 하나의 소스 가스는 플라즈마 발생부(30) 내에서 플라즈마 상태로 변환되며, 플라즈마 중 라디칼 성분이 제1 공정 챔버에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(100B)는 소스 가스(S) 및 퍼지 가스(PG)의 공급을 제어하는 가스 제어부(55)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 가스 제어부(55)는 소스 가스 조절부(50M) 및 퍼지 가스 조절부(60M)을 제어하여 소스 가스(S) 및 퍼지 가스(PG)의 공급을 제어할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(100B)는 제1 공정 챔버(20"), 서셉터(17"), 플라즈마 발생부(30)를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 원자층 증착 장치(100B)는 도 1에 도시된 원자층 증착 장치(100)과 달리, 제1 공정 챔버(20")의 측면에 플라즈마 발생부(30)이 구비되는 구조를 가진다.
제1 공정 챔버(20")은 기판(W)을 수용하여 박막 증착 공정이 수행되는 공간을 제공할 수 있다. 구체적으로 제1 공정 챔버(20")은 원자층 증착(ALD) 공정이 수행되는 공간을 제공할 수 있다.
제1 공정 챔버(20")의 상면부에 미반응된 소스 가스(S) 및 박막 증착 공정에서 발생할 수 있는 반응 부산물 등을 퍼징시키기 위한 퍼지 가스 공급부(60)이 구비될 수 있다. 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 퍼지 가스(PG)가 기판(W)의 표면에 수직한 방향으로 주입될 수 있다. 퍼지 가스 공급부(60)를 통한 퍼지 가스(PG)의 주입은 퍼지 가스 조절부(60M)에 의해 조절될 수 있다.
또한, 제1 공정 챔버(20")의 일 하단부에 미반응된 소스 가스(S), 퍼지 가스(PG) 및 상기 반응 부산물 등이 배기되는 배기부(70)가 구비될 수 있다. 배기부(70)는 제1 공정 챔버(20") 내의 가스들을 배기시키기 위하여 진공펌프(80)에 연결될 수 있다.
서셉터(17")는 공정 챔배(20") 내에 구비되어 복수의 기판들(W)이 안착되고, 서셉터(17")를 지지하는 회전 구동부(15)에 의해 회전될 수 있다. 각각의 기판(W)은 서셉터(17") 상에서 자전할 수 있다. 직접 도시되지 않았으나, 서셉터(17")는 내부에 기판에 열을 가하여 박막의 증착 온도를 조절할 수 있는 열공급부를 포함할 수 있다.
플라즈마 발생부(30)는 제1 공정 챔버(20")의 외부에 구비되며, 구체적으로 제1 공정 챔버(20)의 일 측에 위치할 수 있다. 플라즈마 발생부(30)은 소스 가스(S)가 주입되어 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 제2 공정 챔버(32) 및 제2 공정 챔버의 외주면에 코일 형태로 감겨 제2 공정 챔버(32) 내에 자기장을 유도하는 플라즈마 안테나(34)를 포함할 수 있다. 플라즈마 발생부(30)은 연결부(25)를 통해 제1 공정 챔버(20")과 연통될 수 있다.
플라즈마 발생부(30)는 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 방식으로 플라즈마를 발생시킨다.
제2 공정 챔버(32)는 실린더 형태이고, 절연부재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연부재는 석영(quartz)일 수 있다.
플라즈마 안테나(34)에는 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부(38)가 연결될 수 있다. 임피던스 정합을 위하여 임피던스 정합부(36)가 플라즈마 안테나(34)와 고주파 전원부(38) 사이에 더 배치될 수 있다.
제2 공정 챔버(32)의 상부에 소스 가스(S)가 주입되는 소스 가스 공급부(50)가 구비될 수 있다. 소스 가스 공급부(50)는 복수의 소스 가스 라인에 연결되어 서로 다른 소스 가스를 독립적인 펄스로 플라즈마 발생부(30)에 공급할 수 있다. 소스 가스 공급부(50)를 통한 소스 가스(S)의 주입은 소스 가스 조절부(50M)에 의해 조절될 수 있다.
제1 공정 챔버(20)와 플라즈마 발생부(30)은 서로 연통되어 있는 구조이며, 플라즈마 발생부(30)를 통해 제1 공정 챔버(20)에 소스 가스들이 공급될 수 있다. 적어도 하나의 소스 가스는 플라즈마 발생부(30) 내에서 플라즈마 상태로 변환되며, 플라즈마 중 라디칼 성분이 제1 공정 챔버에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치(100B)는 소스 가스(S) 및 퍼지 가스(PG)의 공급을 제어하는 가스 제어부(55)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 가스 제어부(55)는 소스 가스 조절부(50M) 및 퍼지 가스 조절부(60M)을 제어하여 소스 가스(S) 및 퍼지 가스(PG)의 공급을 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 이용하여 제조되는 수직형 메모리 장치의 메모리 셀 구조를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 10을 참조하면, 수직형 메모리 장치(200)는, 기판(101), 기판(101) 상에 교대로 적층된 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)을 포함하는 게이트 구조물들 및 기판(101) 상면에 수직한 방향으로 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)을 관통하는 채널들(150)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 장치(200A)는 채널들(150)의 하부에서 기판(101) 상에 배치된 에피택시얼층(140), 채널들(150)과 게이트 전극들(130)의 사이에 배치되는 게이트 유전층(160), 소스 영역(105) 상에 배치되는 공통 소스 라인(107) 및 채널들(150) 상부의 드레인 패드(190)를 더 포함할 수 있다.
반도체 장치(200)에서, 각각의 채널들(150)을 중심으로 하나의 메모리 셀 스트링이 구성될 수 있으며, 복수의 메모리 셀 스트링이 x 방향과 y 방향으로 열과 행을 이루며 배열될 수 있다.
기판(101)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 기판(101)은 반도체 물질, 예컨대 IV족 반도체, III-V족 화합물 반도체 또는 II-VI족 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, IV족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(101)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜층으로 제공될 수도 있다.
기둥 형상의 채널들(150)이 기판(101)의 상면에 수직한 방향(z 방향)으로 연장되도록 배치될 수 있다. 채널들(150)은 내부의 제1 절연층(182)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있다. 채널들(150)은 x 방향과 y 방향으로 서로 이격되어 일정한 배열을 이루며 배치될 수도 있다. 또한, 공통 소스 라인(107)을 사이에 두고 인접하는 채널들(150)의 배치는 도시된 바와 같이 대칭적일 수 있다.
채널들(150)은 하면에서 에피택시얼층(140)을 통해 기판(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 채널들(150)은 다결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 상기 반도체 물질은 도핑되지 않은 물질이거나, p형 또는 n형 불순물을 포함하는 물질일 수 있다.
에피택시얼층(140)은 채널들(150) 하부에서 기판(101) 상에 배치될 수 있다. 에피택시얼층(140)은 적어도 하나의 게이트 전극들(130)의 측면에 배치될 수 있다. 에피택시얼층(140)에 의해 채널들(150)의 종횡비가 증가하여도 채널들(150)이 기판(101)과 안정적으로 전기적으로 연결될 수 있다. 에피택시얼층(140)은 불순물이 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 다결정 실리콘, 단결정 실리콘, 다결정 게르마늄 혹은 단결정 게르마늄을 포함할 수 있다.
에피택시얼층(140)과 인접한 게이트 전극(131)의 사이에는 에피 절연층(165)이 배치될 수 있다. 에피 절연층(165)은 에피택시얼층(140)의 일부를 열산화시켜 형성된 산화막일 수 있다. 예를 들어, 에피 절연층(165)은 실리콘(Si) 에피택시얼층(140)을 열산화시켜 형성된 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다.
복수의 게이트 전극들(131-138: 130)이 채널들(150) 각각의 측면을 따라 기판(101)으로부터 z 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 다결정 실리콘, 금속 실리사이드 물질, 또는 금속 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 실리사이드 물질은, 예를 들어, Co, Ni, Hf, Pt, W 및 Ti 중에서 선택되는 금속의 실리사이드 물질 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 금속 물질, 예를 들어, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등일 수 있다.
복수의 층간 절연층들(121-129: 120)이 게이트 전극들(130)의 사이에 배열될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 z 방향으로 서로 이격되고 y 방향으로 연장되도록 배열될 수 있다. 층간 절연층들(120)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
게이트 유전층(160)이 게이트 전극들(130)과 채널들(150)의 사이에 배치될 수 있다. 도 10에는 구체적으로 도시되지 않았으나, 게이트 유전층(160)은 채널들(150)로부터 순차적으로 적층된 터널링 유전층, 전하 저장층, 및 블록킹 유전층을 포함할 수 있으며, 이에 대해서는 하기에 도 11a 및 도 11b를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 11a 및 도 11b는 도 10의 'A' 영역을 확대하여 도시한 도면들이다.
도 11a를 참조하면, 게이트 유전층(160)은 채널(150)로부터 순차적으로 적층된 터널링 유전층(162), 전하 저장층(164), 및 블록킹 유전층(166)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 게이트 유전층(160)은 터널링 유전층(162), 전하 저장층(164) 및 블록킹 유전층(166)이 모두 채널들(150)을 따라 나란히 연장되도록 배치될 수 있다. 게이트 유전층(160)을 이루는 상기 층들의 상대적인 두께는 도면에 도시된 것에 한정되지 않으며 다양하게 변화될 수 있다.
터널링 유전층(162)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 전하 저장층(164)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 블록킹 유전층(166)은 실리콘 산화물, 고유전율의 금속 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 고유전율의 금속 산화물은 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란타넘 산화물(La2O3), 란타넘 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란타넘 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 11b를 참조하면, 게이트 유전층(160a)은 채널(150)로부터 순차적으로 적층된 터널링 유전층(162), 전하 저장층(164), 및 블록킹 유전층(166a1, 166a2)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 도 8a의 실시예에서와 달리, 블록킹 유전층(166a1, 166a2)이 두 개의 층을 포함하며, 제1 블록킹 유전층(166a1)은 채널들(150)과 나란히 연장되고, 제2 블록킹 유전층(166a2)은 게이트 전극층(133)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 블록킹 유전층(166a1)은 실리콘 산화막이고, 제2 블록킹 유전층(166a2)은 고유전율의 금속 산화막일 수 있다.
메모리 셀 스트링의 상단에서, 드레인 패드(190)가 제1 절연층(182)의 상면을 덮고 채널들(150)과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 드레인 패드(190)는 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 도면으로 도시되지 않았으나, 드레인 패드(190)는 드레인 패드(190) 상에 형성되는 비트 라인(BL)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 메모리 셀 스트링의 하단에서, 기판(101)의 일 영역에 소스 영역(105)이 배치될 수 있다. 소스 영역(105)은 기판(101)의 상면에 인접하여 y 방향으로 연장되면서 x 방향으로 소정 단위로 이격되어 배열될 수 있다. 예를 들어, 소스 영역(105)은 x 방향으로 채널들(150) 2개마다 하나씩 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 소스 영역(105) 상에는 공통 소스 라인(107)이 소스 영역(105)을 따라 y 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 공통 소스 라인(107)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공통 소스 라인(107)은 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등을 포함할 수 있다. 공통 소스 라인(107)은 제2 절연층(106)에 의해 게이트 전극들(130)과 전기적으로 분리될 수 있다.
도 12 내지 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 이용하는 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.
도 12를 참조하면, 기판(101) 상에 희생층들(111-116: 110) 및 층간 절연층들(120)이 교대로 적층될 수 있다. 층간 절연층들(120)과 희생층들(110)은 도시된 것과 같이 제1 층간 절연층(121)을 시작으로 기판(101) 상에 서로 교대로 적층될 수 있다.
층간 희생층들(110)은 층간 절연층들(120)에 대해 식각 선택성을 가지고 식각될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 층간 절연층(120)은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 한가지로 이루어질 수 있고, 층간 희생층(110)은 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 산화물, 및 실리콘 질화물 중에서 선택되고 층간 절연층(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있다.
도시된 바와 같이, 상기 층간 절연층들(120)의 두께는 모두 동일하지 않을 수 있다. 층간 절연층들(120) 중 최하부의 층간 절연층(121)은 상대적으로 얇게 형성되고, 최상부의 층간 절연층(129)은 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)을 관통하는 홀(hole) 형태의 높은 종횡비를 갖는 제1 개구부들(OP1)을 형성할 수 있다. 제1 개구부들(OP1)은 '채널 홀'이라 지칭될 수 있다. 제1 개구부들(OP1)의 종횡비는 10:1 이상일 수 있다.
제1 개구부들(OP1)은 z 방향으로 기판(101)까지 연장되어, 기판(101) 내에 리세스 영역(R)이 형성될 수 있다. 제1 개구부들(OP1)은 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)을 이방성 식각하여 형성할 수 있다. 리세스 영역(R)의 깊이(D1)는 제1 개구부들(OP1)의 폭(W1)에 따라 선택될 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 개구부들(OP1) 하부의 리세스 영역(R) 내에 에피택시얼층(140)을 형성할 수 있다.
에피택시얼층(140)은 선택적 에피택시 공정(Selective Epitaxial Growth, SEG)을 수행하여 형성될 수 있다. 에피택시얼층(140)은 리세스 영역(R)을 채우고 기판(101) 상으로 연장될 수 있다. 에피택시얼층(140)의 상면은 기판(101)에 인접한 희생막(111)의 상면보다 높고, 그 상부의 희생막(112)의 하부면보다는 낮게 형성될 수 있다.
에피택시얼층(140)의 상면은 도시된 것과 같이 평평하게 형성될 수 있다. 다만, 성장 조건 등에 따라, 에피택시얼층(140)의 상면은 경사진 상면을 가질 수 있다.
이어서, 제1 개구부들(OP1)의 내측벽에 게이트 유전층(160)을 형성할 수 있다. 게이트 유전층(160)은 도 1에 도시된 원자층 증착 장치를 사용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 방법으로 균일한 두께로 콘포멀(conformal)하게 형성될 수 있다.
도 11a에 도시된 적층구조를 갖는 게이트 유전층(160)을 형성하는 방법을 도 1 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
구체적으로, 게이트 유전층(160)은 터널링 유전층(162), 전하 저장층(164), 및 블록킹 유전층(166)이 모두 채널들(150)을 따라 나란히 연장되도록 적층된 구조를 가진다. 제1 개구부들(OP1) 내에 블록킹 유전층(166), 전하 저장층(164), 및 터널링 유전층(162)이 순차적으로 형성된다.
먼저, 제1 개구부(OP1)의 내측벽에 블록킹 유전층(166)을 형성한다. 블록킹 유전층(166)은 고유전율의 금속 산화물이고, 상기 금속 산화물은 도 1에 도시된 원자층 증착 장치를 사용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 방법으로 형성할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제1 개구부(OP1)이 형성된 기판(101)을 제1 공정 챔버(20) 내에 로딩(S10)하고, 금속 소스 가스를 소스 공급부를 통해 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S11). 상기 금속 소스 가스는 금속 원소를 포함하는 유기 화합물일 수 있다. 상기 금속 소스 가스는 알루미늄, 하프늄, 지르코늄, 란타넘 또는 탄탈륨 등을 포함할 수 있다. 상기 금속 소스 가스는 제1 공정 챔버(20) 상에 구비된 제2 공정 챔버(32)를 거쳐 기판(101)에 공급된다. 이때, 제2 공정 챔버(32) 내에 플라즈마가 형성되지 않은 상태가 유지된다. 다시 말해, 상기 금속 소스 가스가 제1 공정 챔버(20) 내로 공급되는 동안 플라즈마 안테나(34)에 고주파의 전력이 공급되지 않는다. 상기 금속 소스 가스는 제1 개구부(OP1)의 내측벽, 에피텍셜층(140)의 상면, 및 하드마스크(HM1)의 상면에 흡착된다. 이어서, 제1 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제1 퍼징한다(S12). 제1 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면부에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 제1 공정 챔버(20) 내로 공급된다. 제1 퍼징(S12) 시에 흡착되지 않은 상기 금속 소스 가스는 배기부(70)을 통해 배출된다.
다음으로, 산소 소스 가스를 소스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(32) 내로 공급하여 플라즈마 상태로 변환시킨다(S13). 상기 산소 소스 가스는 산소(O2), 오존(O3), 수증기(H2O), 과산화수소(H2O2)로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 플라즈마 상태의 산소 소스 가스 중 라디칼 성분만을 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S14). 높은 반응성을 가진 산소 라디칼은 흡착되어 있는 상기 금속 소스 가스와 반응하여 제1 개구부(OP1)의 내측벽, 에피텍셜층(140)의 상면, 및 하드마스크(HM1)의 상면에 원자층 두께로 콘포멀하게 상기 금속 산화물을 형성한다. 이어서, 제2 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제2 퍼징한다(S15). 제2 퍼징(S15) 시에 반응하지 않은 상기 산소 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출된다.
요구되는 두께에 따라 상기 단계(S11 내지 S15)를 반복적으로 수행함으로써 금속 산화물로 이루어진 블록킹 유전층(166)을 형성할 수 있다.
두 번째로, 제1 개구부(OP1)의 내측벽에 형성된 블록킹 유전층(166) 상에 전하 저장층(164)을 형성한다. 전하 저장층(164)은 실리콘 질화물이고, 상기 실리콘 질화물은 도 1에 도시된 원자층 증착 장치를 사용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 방법으로 형성할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제1 개구부(OP1)의 내측벽에 블록킹 유전층(166)이 형성된 기판(101)을 제1 공정 챔버(20) 내에 로딩(S10)하고, 실리콘 소스 가스를 소스 공급부를 통해 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S11). 상기 실리콘 소스 가스는 실리콘 원소를 포함하는 유기 화합물 또는 무기 화합물일 수 있다. 상기 실리콘 소스 가스는 예를 들어, HCDS(hexachlorodisilane), DIPAS(diisopropylaminosilane) 등을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 소스 가스는 제1 공정 챔버(20) 상에 구비된 제2 공정 챔버(32)를 거쳐 기판(101)에 공급된다. 이때, 제2 공정 챔버(32) 내에 플라즈마가 형성되지 않은 상태가 유지된다. 다시 말해, 상기 실리콘 소스 가스가 제1 공정 챔버(20) 내로 공급되는 동안 플라즈마 안테나(34)에 고주파의 전력이 공급되지 않는다. 상기 실리콘 소스 가스는 제1 개구부(OP1)의 내측벽, 에피텍셜층(140)의 상면, 및 하드마스크(HM1)의 상면에서 블록킹 유전층(166) 상에 흡착된다. 이어서, 제1 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제1 퍼징한다(S12). 제1 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면부에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 제1 공정 챔버(20) 내로 공급된다. 제1 퍼징(S12) 시에 흡착되지 않은 상기 실리콘 소스 가스는 배기부(70)을 통해 배출된다.
이어서, 질소 소스 가스를 소스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(32) 내로 공급하여 플라즈마 상태로 변환시킨다(S13). 상기 질소 소스 가스는 질소(N2), 암모니아(NH3) 중 어느 하나 일수 있다. 상기 플라즈마 상태의 질소 소스 가스 중 라디칼 성분만을 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S14). 높은 반응성을 가진 질소 라디칼은 흡착되어 있는 상기 실리콘 소스 가스와 반응하여 제1 개구부(OP1)의 내측벽, 에피텍셜층(140)의 상면, 및 하드마스크(HM1)의 상면에서 블록킹 유전층(166) 상에 원자층 두께로 콘포멀하게 상기 실리콘 질화물을 형성한다. 이어서, 제2 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제2 퍼징한다(S15). 제2 퍼징(S15) 시에 반응하지 않은 상기 질소 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출된다.
요구되는 두께에 따라 상기 단계(S11 내지 S15)를 반복적으로 수행함으로써 실리콘 질화물로 이루어진 전하 저장층(164)을 형성할 수 있다.
세 번째로, 제1 개구부(OP1)의 내측벽에 형성된 전하 저장층(164) 상에 터널링 유전층(162)을 형성한다. 터널링 유전층(162)은 실리콘 산화물이고, 상기 실리콘 산화물은 도 1에 도시된 원자층 증착 장치를 사용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 방법으로 형성할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제1 개구부(OP1)의 내측벽에 블록킹 유전층(166) 및 전하 저장층(166)이 형성된 기판(101)을 제1 공정 챔버(20) 내에 로딩(S10)하고, 실리콘 소스 가스를 소스 공급부를 통해 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S11). 상기 실리콘 소스 가스는 실리콘 원소를 포함하는 유기 화합물 또는 무기 화합물일 수 있다. 상기 실리콘 소스 가스는 예를 들어, HCDS(hexachlorodisilane), DIPAS(diisopropylaminosilane) 등을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 소스 가스는 제1 공정 챔버(20) 상에 구비된 제2 공정 챔버(32)를 거쳐 기판(101)에 공급된다. 이때, 제2 공정 챔버(32) 내에 플라즈마가 형성되지 않은 상태가 유지된다. 다시 말해, 상기 실리콘 소스 가스가 제1 공정 챔버(20) 내로 공급되는 동안 플라즈마 안테나(34)에 고주파의 전력이 공급되지 않는다. 상기 실리콘 소스 가스는 제1 개구부(OP1)의 내측벽, 에피텍셜층(140)의 상면, 및 하드마스크(HM1)의 상면에서 블록킹 유전층(166) 상에 흡착된다. 이어서, 제1 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제1 퍼징한다(S12). 제1 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면부에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 제1 공정 챔버(20) 내로 공급된다. 제1 퍼징(S12) 시에 흡착되지 않은 상기 실리콘 소스 가스는 배기부(70)을 통해 배출된다.
이어서, 산소 소스 가스를 소스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(32) 내로 공급하여 플라즈마 상태로 변환시킨다(S13). 상기 산소 소스 가스는 산소(O2), 오존(O3), 수증기(H2O), 과산화수소(H2O2)로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 플라즈마 상태의 산소 소스 가스 중 라디칼 성분만을 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S14). 높은 반응성을 가진 산소 라디칼은 흡착되어 있는 상기 실리콘 소스 가스와 반응하여 제1 개구부(OP1)의 내측벽, 에피텍셜층(140)의 상면, 및 하드마스크(HM1)의 상면에서 전하 저장층(164) 상에 원자층 두께로 콘포멀하게 상기 실리콘 산화물을 형성한다. 이어서, 제2 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제2 퍼징한다(S15). 제2 퍼징(S15) 시에 반응하지 않은 상기 산소 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출된다.
요구되는 두께에 따라 상기 단계(S11 내지 S15)를 반복적으로 수행함으로써 실리콘 산화물로 이루어진 터널링 유전층(162)을 형성할 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 도1에 도시된 원자층 증착 장치를 사용한 원자층 증착(ALD) 방법으로 형성된 게이트 유전층(160)을 나타내는 도면들이다. 도 15a는 제1 개구부(OP1)의 상부 영역('A' 영역), 도 15b는 제1 개구부(OP1)의 하부 영역('B' 영역)을 확대하여 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 이용하여 형성된 블록킹 유전층(166)의 두께는 하드마스크(HM1)의 상면, 제1 개구부(OP1)의 내측벽, 및 에피텍셜층(140)의 상면에서 모두 동일하게 형성될 수 있다. 즉 하드마스크(HM1)의 상면에서의 블록킹 유전층(166)의 두께(t3_g), 제1 개구부(OP1)의 내측벽에서의 블록킹 유전층(166)의 두께(t3_ga), 및 에피텍셜층(140)의 상면에서의 블록킹 유전층(166)의 두께(t3_gb)는 동일할 수 있다. 전하 저장층(164) 및 터널링 유전층(166)의 경우에도 마찬가지다. 즉, 하드마스크(HM1)의 상면에서의 전하 저장층(164)의 두께(t2_g), 제1 개구부(OP1)의 내측벽에서의 전하 저장층(164)의 두께(t2_ga), 및 에피텍셜층(140)의 상면에서의 전하 저장층(164)의 두께(t2_gb)는 동일할 수 있다.
또한, 하드마스크(HM1)의 상면에서의 터널링 유전층(162)의 두께(t1_g), 제1 개구부(OP1)의 내측벽에서의 터널링 유전층(162)의 두께(t1_ga), 및 에피텍셜층(140)의 상면에서의 터널링 유전층(162)의 두께(t1_gb)는 동일할 수 있다.
도 16을 참조하면, 제1 개구부들(OP1) 내에서 게이트 유전층(160)의 일부를 제거하여 에피택시얼층(144)의 상면의 일부가 노출되도록 한 후, 노출된 에피택시얼층(140) 및 게이트 유전층(160) 상에 채널들(150)을 형성할 수 있다. 게이트 유전층(160)을 일부 제거할 때, 에피택시얼층(140)이 일부 제거되어 에피택시얼층(140)의 상부에 리세스가 형성될 수도 있다. 채널들(150)은 에피택시얼층(140)의 상면에서 에피택시얼층(140)과 접촉되어 연결될 수 있다. 채널들(150)은 불순물이 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘 혹은 비정질 실리콘을 사용하여 형성될 수 있으며, 채널들(150)이 비정질 실리콘을 사용하여 형성되는 경우, 이를 결정화 시키는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다.
이어서, 제1 개구부들(OP1)을 매립하는 제1 절연층(182)을 형성하고, 채널들(150) 상의 드레인 패드(190)를 형성할 수 있다. 드레인 패드(190)는 제1 절연층(182), 채널들(150) 및 게이트 유전층(160)을 일부 제거하여 리세스 형성하고 도핑된 다결정 실리콘으로 매립함으로써 함으로써 형성될 수 있다. 최상부의 층간 절연층(129)의 상면이 드러나도록 하는 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 포함할 수 있다.
다음으로, 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)의 적층물을 소정 간격으로 분리하는 제2 개구부(OP2)를 형성할 수 있다. 제2 개구부(OP2)는 사진 식각 공정을 이용하여 하드마스크층을 형성하고, 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)의 적층물을 이방성 식각함으로써 형성될 수 있다. 제2 개구부(OP2)는 y 방향(도 10 참조)으로 연장되는 트랜치 형태로 형성될 수 있다. 제2 개구부(OP2)의 형성 전에, 최상부의 층간 절연층(129) 및 드레인 패드(190) 상에 추가로 절연층을 형성하여, 드레인 패드(190) 및 그 하부의 채널들(150) 등의 손상을 방지할 수 있다. 제2 개구부(OP2)는 채널들(150)의 사이에서 기판(101)을 노출시킬 수 있다.
도 17을 참조하면, 제2 개구부(OP2)를 통해 노출된 희생층들(110)이 식각 공정에 의해 제거될 수 있으며, 그에 따라 층간 절연층들(120) 사이에 정의되는 측면 개구부들(LP)이 형성될 수 있다. 측면 개구부들(LP)을 통해 게이트 유전층(160) 및 에피택시얼층(140)의 일부 측면들이 노출될 수 있다.
다음으로, 측면 개구부들(LP)을 통해 노출된 에피택시얼층(140) 상에 에피 절연층들(165)이 형성될 수 있다. 에피 절연층들(165)은 예를 들어, 열산화(thermal oxidation) 공정에 의해 형성될 수 있으며, 이 경우, 에피 절연층들(165)은 에피택시얼층(140)의 일부가 산화되어 형성된 산화막일 수 있다. 에피 절연층(169)의 두께 및 형상은 도시된 것에 한정되지 않는다.
본 단계에서 열산화 공정을 수행하는 경우, 측면 개구부들(LP)을 통해 노출된 게이트 유전층(160)의 경우 희생층들을 식각하는 도중에 받은 손상이 큐어링(curing)될 수 있다.
도 18을 참조하면, 게이트 전극들(130)을 측면 개구부들(LP) 내에 형성할 수 있다.
게이트 전극들(130)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 게이트 전극들(130)은 예를 들어, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 전극들(130)은 확산 방지층을 더 포함할 수 있다. 먼저, 확산 방지층이 제2 개구부(OP2) 및 측면 개구부들(LP)에 의해 노출되는 층간 절연층(120), 게이트 유전층(160), 에피 절연층(165) 및 기판(101)의 상면을 균일하게 덮도록 형성될 수 있다. 다음으로, 금속 물질이 측면 개구부들(LP)을 매립하도록 형성될 수 있다.
다음으로, 측면 개구부들(LP) 내에만 게이트 전극들(130)이 배치되도록, 추가적인 사진 식각 공정을 통한 마스크 형성 공정 및 식각 공정에 의해 제2 개구부(OP2) 내에 형성된 게이트 전극들(130)을 이루는 물질을 제거함으로써 제3 개구부(OP3)를 형성할 수 있다. 제3 개구부(OP3)는 y 방향(도 10 참조)을 따라 연장되는 트랜치 형상일 수 있다.
그 결과, 기판(101) 상에 교대로 적층된 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)을 포함하는 게이트 구조물들이 형성될 수 있다. 상기 게이트 구조물들 사이에 형성된 제3 개구부(OP3)의 측면을 통해 게이트 전극들(130)이 노출될 수 있다. 상기 게이트 구조물들은 기판(101) 상면에 수직한 방향으로 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)을 관통하는 채널들(150)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 게이트 구조물들은 채널들(150)의 하부에서 기판(101) 상에 배치된 에피택시얼층들(140) 및 채널들(150)과 게이트 전극들(130)의 사이에 배치되는 게이트 유전층들(160)을 포함할 수 있다. 게이트 유전층들(160)은 채널들(150)로부터 순차적으로 배치된 터널링 유전층(162), 전하 저장층(164), 및 블록킹 유전층(166)을 포함하는 구조를 가질 수 있다.
도 19를 참조하면, 게이트 구조물들 사이의 제3 개구부(OP3)에 의해 노출된 기판(101)에 소스 영역(105)을 형성하고, 제3 개구부(OP3)의 내측벽을 덮는 제2 절연층(106)을 형성할 수 있다.
먼저, 제3 개구부(OP3)에 의해 노출된 기판(101) 내에 상기 게이트 구조물들을 마스크로 이용하여 불순물을 이온 주입함으로써 소스 영역(105)이 형성될 수 있다. 이와 달리, 소스 영역(105)은 제2 절연층(106)을 형성한 후 형성될 수도 있으며, 고농도 영역 및 그 양 단에 배치되는 저농도 도핑 영역을 포함하도록 구성될 수도 있다.
다음으로, 제2 절연층(106)이 상기 게이트 구조물들 사이의 제3 개구부(OP3)의 내측면을 균일한 두께로 덮도록 형성될 수 있다. 제2 절연층(106)은 예를 들어, 실리콘 산화물일 수 있고, 상기 실리콘 산화물은 도 1에 도시된 원자층 증착 장치를 사용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 방법으로 형성할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제3 개구부(OP3)가 형성된 기판(101)을 제1 공정 챔버(20) 내에 로딩(S10)하고, 실리콘 소스 가스를 소스 공급부를 통해 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S11). 상기 실리콘 소스 가스는 실리콘 원소를 포함하는 유기 화합물 또는 무기 화합물일 수 있다. 상기 실리콘 소스 가스는 예를 들어, HCDS(hexachlorodisilane), DIPAS(diisopropylaminosilane) 등을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 소스 가스는 제1 공정 챔버(20) 상에 구비된 제2 공정 챔버(32)를 거쳐 기판(101)에 공급된다. 이때, 제2 공정 챔버(32) 내에 플라즈마가 형성되지 않은 상태가 유지된다. 다시 말해, 상기 실리콘 소스 가스가 제1 공정 챔버(20) 내로 공급되는 동안 플라즈마 안테나(34)에 고주파의 전력이 공급되지 않는다. 상기 실리콘 소스 가스는 제3 개구부(OP3)의 내측벽, 제3 개구부(OP3)에 의해 노출된 기판(101), 및 최상부의 층간 절연층(129)의 상면에 흡착된다. 이어서, 제1 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제1 퍼징한다(S12). 제1 퍼지 가스는 제1 공정 챔버(20)의 일 측면부에 구비된 퍼지 가스 공급부(60)를 통해 제1 공정 챔버(20) 내로 공급된다. 제1 퍼징(S12) 시에 흡착되지 않은 상기 실리콘 소스 가스는 배기부(70)을 통해 배출된다.
이어서, 산소 소스 가스를 소스 공급부(50)을 통해 제2 공정 챔버(32) 내로 공급하여 플라즈마 상태로 변환시킨다(S13). 상기 산소 소스 가스는 산소(O2), 오존(O3), 수증기(H2O), 과산화수소(H2O2)로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 상기 플라즈마 상태의 산소 소스 가스 중 라디칼 성분만을 소정의 시간 동안 펄스로 제1 공정 챔버(20) 내로 공급한다(S14). 높은 반응성을 가진 산소 라디칼은 흡착되어 있는 상기 실리콘 소스 가스와 반응하여 제3 개구부(OP3)의 내측벽, 3 개구부(OP3)에 의해 노출된 기판(101), 및 최상부의 층간 절연층(129)의 상면에 원자층 두께로 콘포멀하게 상기 실리콘 산화물을 형성한다. 이어서, 제2 퍼지 가스를 제1 공정 챔버(20) 내로 공급하여 제2 퍼징한다(S15). 제2 퍼징(S15) 시에 반응하지 않은 상기 산소 소스 가스 및 반응 부산물이 배기부(70)을 통해 배출된다.
요구되는 두께에 따라 상기 단계(S11 내지 S15)를 반복적으로 수행함으로써 실리콘 산화물로 이루어진 제2 절연층(106)을 형성할 수 있다.
다음으로, 이방성 식각 공정을 이용하여 제2 절연층(106)의 일부를 제거함으로써 소스 영역(105)이 노출되도록 할 수 있다. 그 결과, 게이트 구조물들의 측면, 즉 제3 개구부(OP3)의 내측벽을 덮는 제2 절연층(106)이 형성될 수 있다. 상기 이방성 식각 공정은 예를 들어 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etch, RIE)을 이용할 수 있다.
도 20을 참조하면, 노출된 소스 영역(105) 상에서 제2 절연층(106)에 의해 복수의 게이트 전극들(103)과 전기적으로 절연된 공통 소스 라인(107)을 형성할 수 있다.
공통 소스 라인(107)을 형성하는 공정은 도전성을 가지는 물질로 측면에 제2 절연층(106)이 형성된 제3 개구부들(OP3)을 채우는 공정, 그리고 최상부의 층간 절연층(129) 및 드레인 패드들(190)의 상면이 드러나도록 하는 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 포함할 수 있다.
상기 도전성을 가지는 물질은, 예를 들어, 금속 물질, 금속 질화물, 및 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 공통 소스 라인(107)은 예를 들어, 텅스텐을 포함할 수 있다.
이후에, 도면으로 도시되지 않았으나, 공통 소스 라인(107), 드레인 패드들(190), 및 최상부의 층간 절연층(129)를 덮는 절연층을 형성할 수 있다. 상기 절연층 내에 각각의 드레인 패드(190)과 접하도록 도전성 콘택 플러그를 형성할 수 있다. 상기 절연층 상에 비트 라인들(BL)이 형성할 수 있다. 드레인 패드(190)은 상기 도전성 콘택 플러그를 통해 상기 절연층 상에 형성되는 비트 라인(BL)과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
20: 제1 공정 챔버
30: 플라즈마 발생부
32: 제2 공정 챔버 34: 플라즈마 안테나
36: 임피던스 정합기 38: 고주파 전원부
15: 회전 구동부 17: 서셉터
50: 소스 가스 공급부 60: 퍼지 가스 공급부
55: 가스 제어부 70: 배기부
80: 진공 펌프
32: 제2 공정 챔버 34: 플라즈마 안테나
36: 임피던스 정합기 38: 고주파 전원부
15: 회전 구동부 17: 서셉터
50: 소스 가스 공급부 60: 퍼지 가스 공급부
55: 가스 제어부 70: 배기부
80: 진공 펌프
Claims (10)
- 기판이 로딩되는 제1 공정 챔버;
상기 제1 공정 챔버의 외부에 구비되는 플라즈마 발생부;
상기 플라즈마 발생부의 상부에 구비되어 서로 다른 복수의 소스 가스들을 공급하는 소스 가스 공급부;
상기 제1 공정 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부; 및
상기 소스 가스 및 상기 퍼지 가스의 공급을 제어하는 가스 제어부;를 포함하고,
상기 플라즈마 발생부는, 플라즈마가 발생되는 공간을 제공하는 제2 공정 챔버 및 상기 제2 공정 챔버 내에 유도 전기장을 형성하는 플라즈마 안테나를 포함하고, 상기 소스 가스들을 상기 제1 공정 챔버 내에 공급하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 제2 공정 챔버는 실린더 형의 절연부재로 이루어지며, 상기 플라즈마 안테나는 상기 제2 공정 챔버의 외주면에 코일 형태로 감겨 있으며, 상기 플라즈마 발생부는 적어도 하나의 상기 소스 가스를 라디칼 상태로 상기 제1 공정 챔버 내에 공급하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부는 상기 제2 공정 챔버의 중심축을 따라 이격된 복수의 플라즈마 영역들을 형성하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제3 항에 있어서,
상기 복수의 플라즈마 영역들에 의해 상기 소스 가스의 이온들이 제2 공정 챔버 내에 구속되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부는 유도 결합 플라즈마 방식으로 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 플라즈마 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부; 및
상기 플라즈마 안테나와 상기 고주파 전원부 사이의 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 소스 가스 공급부는 복수의 소스 가스 라인에 연결되어 각각의 상기 소스 가스들을 독립적인 펄스로 공급하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 공정 챔버는 상기 기판이 안착되는 서셉터를 포함하고,
상기 플라즈마 발생부는, 상기 제1 공정 챔버의 상부에 위치하며, 상기 플라즈마 발생부의 내부에 생성되는 플라즈마가 상기 기판에 직접 닿지 않도록 상기 서셉터로부터 소정의 거리로 이격되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제8 항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부는 상기 제1 공정 챔버의 상부로부터 상기 복수의 소스 가스들을 상기 기판 상에 공급하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부는 상기 제1 공정 챔버의 측면부에 위치하며, 상기 제1 공정 챔버의 측면부로부터 복수의 소스 가스들을 상기 기판 상에 공급하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
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| KR1020140150657A KR20160053247A (ko) | 2014-10-31 | 2014-10-31 | 원자층 증착 장치 |
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| KR1020140150657A KR20160053247A (ko) | 2014-10-31 | 2014-10-31 | 원자층 증착 장치 |
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| KR1020140150657A KR20160053247A (ko) | 2014-10-31 | 2014-10-31 | 원자층 증착 장치 |
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| KR20200003561A (ko) | 2018-07-02 | 2020-01-10 | 주식회사 기가레인 | 기계적으로 플라즈마 밀도를 제어하는 기판 처리 장치 |
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