KR20170037918A - 박막, 박막 증착 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 피처리물의 안치 수단이 구비된 챔버; 상기 챔버에 원료 물질을 공급하는 원료 물질 공급부; 상기 챔버에 수소를 함유하는 제1 반응 가스를 공급하는 제1 반응 가스 공급부; 및 상기 챔버에 제2 반응 가스를 공급하는 제2 반응 가스 공급부를 포함하고, 상기 제1 반응 가스 공급부와 상기 제2 반응 가스 공급부는 각각 밸브를 포함하고, 상기 각각의 밸브는 서로 교번으로 개폐되어 상기 챔버에 상기 제1 반응 가스와 상기 제2 반응 가스를 공급하는 박막 증착 장치를 제공한다.

Description

박막, 박막 증착 장치 및 방법{THIN FILM, APPARATUS AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
실시예는 반도체 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 챔버 내에서 박막을 증착하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 공정이 더욱 미세화되면서 박막의 두께가 얇아져 이들의 정밀한 제어가 필요하게 되고, 특히 반도체 소자의 유전막, 액정 표시 소자의 투명한 도전체 또는 전자 발광 박막 표시 소자(electroluminescent thin film display)의 보호층 등 다양한 부분에서, 더욱 미세한 구조의 박막을 증착할 필요가 있다.
박막 증착을 위하여 CVD(Chemical vapor deposition, 화학 기상 증착법)법이 널리 이용되고 있다. 상기 CVD법은 빠른 증착 속도를 가지고 있으나, 증착 물질의 화학양론적 성분비율이 올바르지 않게 형성될 수 있으며, 증착물질의 화학양론적 성분 비율이 올바르게 형성되지 않을 수 있으며, 단차 피복(Step coverage) 특성이 나쁜 단점이 있다.
또한, CVD법 등을 이용하여 박막을 형성할 때 낮은 공정 온도에서 낮은 비저항을 확보하기 어렵고, 비저항을 낮추기 위해서는 높은 공정온도가 필요하다. 그러나, 고온 공정은 열 데미지(Thermal Damage)에 의해 장치 사용환경에 제약을 받는다. ALD TiN 공정 기술의 경우 낮은 비저항을 지니는 TiN 박막을 확보할 수 있으나, 낮은 생산성으로 인해 실제 양산 공정에 적용하기에는 어렵다.
실시예는 높은 생산성과 낮은 비저항을 동시에 구현할 수 있는 박막 증착 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
실시예는 피처리물의 안치 수단이 구비된 챔버; 상기 챔버에 원료 물질을 공급하는 원료 물질 공급부; 상기 챔버에 수소를 함유하는 제1 반응 가스를 공급하는 제1 반응 가스 공급부; 및 상기 챔버에 제2 반응 가스를 공급하는 제2 반응 가스 공급부를 포함하고, 상기 제1 반응 가스 공급부와 상기 제2 반응 가스 공급부는 각각 밸브를 포함하고, 상기 각각의 밸브는 서로 교번으로 개폐되어 상기 챔버에 상기 제1 반응 가스와 상기 제2 반응 가스를 공급하는 박막 증착 장치를 제공한다.
여기서, 상기 원료 물질 공급부는 Ti를 함유하는 화합물을 상기 챔버에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 원료 물질 공급부 TiCl4을 상기 챔버에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 제1 반응 가스 공급부와 상기 제2 반응 가스 공급부는, 각각 NH3와 H2를 상기 챔버에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 박막 증착 장치는 상기 챔버 내부에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부를 더 포함하고, 상기 원료 물질 공급부 내의 밸브, 상기 제1 반응 가스 공급부 내의 밸브 및 상기 제2 반응 가스 공급부 내의 밸브가 모두 클로징(closing)되면 상기 퍼지 가스 공급부 내의 밸브가 오픈(open)될 수 있다.
또한, 상기 박막 증착 장치는 상기 챔버 내부를 펌핑하는 펌핑 유닛을 더 포함하고, 상기 원료 물질 공급부 내의 밸브가 클로징되면 상기 펌핑 유닛 내의 밸브가 오픈될 수 있다.
다른 실시예는 챔버에 원료 물질을 공급하는 단계; 상기 챔버에 수소를 함유하는 제1 반응 가스를 공급하는 단계; 및 상기 제1 반응 가스와 교번하여 상기 챔버에 제2 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하는 박막 증착 방법을 제공한다.
여기서 상기 원료 물질의 공급과 상기 제1 반응 가스의 공급은 함께 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 원료 물질의 공급과 상기 제2 반응 가스의 공급은 함께 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 원료 물질을 공급하는 단계는, 상기 TiCl4을 상기 챔버에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 제1 반응 가스와 제2 반응 가스를 공급하는 단계는, 각각 NH3와 H2를 상기 챔버에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 박막 증착 방법은 상기 원료 물질의 공급하는 단계의 사이에서 상기 챔버에 퍼지 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 박막 증착 방법은 상기 원료 물질의 공급이 중단되고 상기 챔버 내부를 펌핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 박막 증착 방법은 상기 챔버 내부의 압력을 낮추는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 펌핑하는 단계는, 상기 퍼지 가스의 공급 후 상기 원료 물질의 공급 이전에 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 퍼지 가스의 공급 후의 상기 원료 물질의 공급은, 상기 제 2 반응 가스의 공급과 함께 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 펌핑하는 단계는, 상기 원료 물질의 공급 후 상기 퍼지 가스의 공급 이전에 이루어질 수 있다.
또한, 상기 퍼지 가스의 공급 이전의 상기 원료 물질은, 상기 제 1 반응 가스의 공급과 함께 이루어질 수 있다.
또 다른 실시예는 기판 상의 Ti 화합물층; 및 상기 Ti 화합물층 상에 도핑된 Ti을 포함하고, 상기 Ti 화합물층 내에서 상기 Ti 화합물과 상기 Ti가 결합된 박막을 제공한다.
여기서, 상기 Ti 화합물은 TiN일 수 있다.
그리고, 상기 Ti 화합물과 상기 Ti가 결합하여 Ti2N을 이룰 수 있다.
또한, 상기 박막 내에서 상기 티타늄(Ti)의 중량은 상기 질소(N)의 중량의 2배 이상일 수 있다.
상술한 실시예들에 따르면, Ti도핑 기술을 이용하여 CVD의 높은 양산성에 따라 박막을 증착하면서도 ALD(Atomic Layer Deposition)법에 따른 박막의 낮은 비저항을 얻을 수 있다.
도 1은 박막 증착 장치의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2a 및 도 2b는 챔버 내에서 원료 가스와 제1,2 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급하는 것을 나타낸 도면이고,
도 3 내지 도 10은 박막 증착 방법의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 11은 실시예에 따른 장치 및 방법으로 증착된 박막의 비저항을 종래와 비료한 도면이고,
도 12a 및 도 12b는 기판 상에 박막이 증착되는 현상을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 박막 증착 장치의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 챔버 내에서 원료 가스와 제1,2 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급하는 것을 나타낸 도면이고, 도 3 내지 도 10은 박막 증착 방법의 일실시예들을 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 1 내지 도 10을 참조하여, 박막 증착 장치 및 방법의 일실시예들을 설명한다.
실시예에 따른 박막 증착 장치는 반응 공간이 마련된 박막 증착부(100), 상기 박막 증착부(100)와 연결되어 상기 박막 증착부(100)로 박막 형성을 위한 가스들을 공급하는 원료 물질 공급 유닛(200), 원료 물질 공급 유닛(200)과 연결된 기화기 배기 유닛(300) 및 반응 공간 내부를 배기하는 펌핑 유닛(400)을 포함하여 이루어진다.
상기 박막 증착부(100)는 반응 공간을 가지는 챔버(110), 기판 등의 피처리물이 안치되는 안치 수단(130), 상기 안치 수단(130)과 대향 배치되어 원료 가스, 제1 반응 가스, 제2 반응 가스 및 퍼지가스를 분사하는 가스 분사 유닛(120)을 포함하여 이루어진다.
또한, 박막 증착 장치는 상기 가스 분사 유닛(120)과 연결되어 챔버(110) 내에 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부(250), 반응 가스를 공급하는 제1반응 가스 공급부(260) 및 제2 반응 가스 공급부(270)를 포함할 수 있다.
여기서, 챔버(110)는 내부가 비어있는 육면체 형상으로 제작되나, 이에 한정되지 않고 피처리물의 형상에 대응되도록 다양하게 제작될 수 있다.
원료 물질 공급 유닛(200)은 액상의 원료 물질을 공급하는 원료 물질 공급부(210), 상기 원료 물질 공급부(210)로부터 액상의 원료 물질을 기화시키는 기화기(231)를 포함하며, 이를 박막 증착부(100)로 공급하는 원료 가스 공급부(230), 원료 물질 공급부(210)로부터 공급되는 액상의 원료 물질을 기화기(231)로 이동시키기 위한 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부(240)를 포함하여 이루어진다.
원료 물질 공급부(210)는 액상의 원료 물질을 원료 가스 공급부(230)의 기화기(231)로 공급한다. 상기 원료 물질 공급부(210)는 액상의 원료 물질을 저장하는 원료 물질 저장부(211), 일단이 원료 물질 저장부(211)에 연결되고 타단이 원료 가스 공급부(230)와 연결되는 제1 파이프(212) 및 제1 파이프(212)에 설치되어 원료 물질 저장부(211)와 원료 가스 공급부(230) 사이의 연통을 제어하는 제1 밸브(213)를 포함하여 이루어진다. 또한, 원료 물질 저장부(211)와 제1 밸브(213) 사이에 배치되어 원료 물질의 양을 조절하는 유량 조절부(미도시)를 포함할 수 있다.
그리고, 제1 밸브(213)를 및 제1 파이프(212)를 이용하여 원료 물질 저장부(211)와 원료 가스 공급부(230) 사이를 연통시키면, 원료 저장부(211)의 원료 물질이 제1 파이프(212)를 통해 원료 가스 공급부(230)로 공급된다.
상기 캐리어 가스 공급부(240)는 캐리어 가스가 저장된 캐리어 가스 저장부(241), 일단이 캐리어 가스 저장부(241)에 연결되고 타단이 원료 가스 공급부(230)와 연결된 제2 파이프(242) 및 제2 파이프(242)에 설치되어 캐리어 가스 저장부(241)와 원료 가스 공급부(230) 사이의 연통을 제어하는 제2 밸브(243)를 포함하여 이루어진다.
그리고, 제2 밸브(243) 및 제2 파이프(242)를 이용하여 캐리어 가스 저장부(241)와 원료 가스 공급부(230) 사이를 연통시키면, 캐리어 가스 저장부(241)의 캐리어 가스가 제2 파이프(242)를 거쳐 원료 가스 공급부(230)로 이동한다.
그리고, 원료 가스 공급부(230)는 상기 원료 물질 공급부(210)로부터 액상의 원료 물질을 제공받아 기화시키고, 기화된 원료 물질을 박막 증착부(100)로 공급한다.
상기 원료 가스 공급부(230)는 원료 물질을 기화시키는 기화기(231), 일단이 원료 물질 공급부(210)의 제1 파이프(212) 및 캐리어 가스 공급부(240)의 제2 파이프(242)와 연결되고 타단이 기화기(231)와 연결된 원료 물질 주입 배관(232), 일단이 기화기(231)와 연결되고 타단이 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)과 연결된 제3 배관(원료 가스 공급 배관, 233) 및 상기 제3 배관(233)에 설치되어 기화기(231)와 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120) 사이의 경로를 제어하는 제3 밸브(234)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 원료 물질 공급부(210)로부터 제공된 원료 물질은 캐리어 가스 공급부(240)로부터 공급된 캐리어 가스에 의해 원료 물질 주입 배관(232)으로 이동한다. 원료 물질 주입 배관(232)을 통해 기화기(231) 내부로 원료 물질이 주입되면 상기 원료 물질은 필터부(미도시)를 통과하게 통과된다.
여기서, 상기 필터부는 복수의 미세한 홀을 가지도록 형성되어 있고, 원료 물질 주입 배관(232)을 통해 기화기(231)의 내부로 주입되는 액상의 원료 물질은 상기 필터부의 복수의 미세한 홀을 통과하여 미립자(mist) 상태가 된다.
그리고, 제3 밸브(234) 및 제3 배관(233)을 이용하여 기화기(231)와 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120) 사이가 연결된다. 따라서, 기화기(231)에서 기화된 원료 물질은 상기 제2 배관(233)을 통해 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)으로 이동한다.
상기 제1 반응 가스 공급부(260)는 반응 가스가 저장된 제1 반응 가스 저장부(261), 일단이 제1 반응 가스 저장부(261)와 연결되고 타단이 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)과 연결된 제4 파이프(262) 및 제4 파이프(262)에 설치되어 퍼지가스 저장부(251)와 가스 분사 유닛(120) 사이의 연통을 제어하는 제4 밸브(263)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 제2 반응 가스는 상기 제2 반응 가스 저장부(261)로부터 상기 제4 파이프(262)를 통하여 상기 챔버(110)로 공급된다.
상기 제2 반응 가스 공급부(270)는 반응 가스가 저장된 제2 반응 가스 저장부(271), 일단이 제2 반응 가스 저장부(271)와 연결되고 타단이 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)과 연결된 제8 파이프(272) 및 제8 파이프(272)에 설치되어 퍼지가스 저장부(251)와 가스 분사 유닛(120) 사이의 연통을 제어하는 제8 밸브(273)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 제2 반응 가스는 상기 제2 반응 가스 저장부(761)로부터 상기 제4 파이프(272)를 통하여 상기 챔버(110)로 공급된다.
그리고, 상기 원료 가스 공급부(230)와 제1 반응 가스 공급부(260) 및 제2 반응 가스 공급부(270)는 상기 챔버(100)에 연속하여 각각 원료 가스와 반응 가스를 공급할 수 있다. 이때, 상기 제1 반응 가스와 제2 반응 가스는 서로 동시에 챔버에 공급될 수 없으며, 상기 제4 밸브(263)와 제8 밸브(273)이 서로 동시에 오픈되지 않게 구비된다. 즉, 상기 제4 밸브(263)과 제8 밸브(273)은 서로 교번하여 오픈되는데, 하나의 밸브가 닫힐 때 다른 하나의 밸브가 연속하여 오픈되거나, 하나의 밸브가 닫힌 후 소정 간격 경과 후 다른 하나의 밸브가 오픈될 수 있다.
그리고, 퍼지가스 공급부(250)는 퍼지가스가 저장된 퍼지가스 저장부(251), 일단이 퍼지가스 저장부(251)와 연결되고 타단이 박막 증착부(100)의 가스 분사 유닛(120)과 연결된 제5 파이프(252) 및 제5 파이프(252)에 설치되어 퍼지가스 저장부(251)와 가스 분사 유닛(120) 사이의 연통을 제어하는 제5 밸브(253)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 제5 파이프(252)를 통하여 상기 챔버(110) 내로 퍼지 가스가 공급됨은 당연하다.
상기 기화기(231) 내에서 원료 물질이 완전히 기화되지 못하면 열분해되어 파티클을 형성할 수 있다. 따라서, 기화기 배기 유닛(300)을 이용하여 기화기(231) 내부의 파티클을 제거할 수 있다. 여기서, 기화기 배기 유닛(300)은 기화기 배기 펌프(310)과 상기 기화기 배기 펌프(310)를 기화기(231)과 연결하는 제6 밸브(320)를 포함하여 이루어진다.
그리고, 펌핑 유닛(400)은 상기 챔버(110) 내부를 펌핑할 수 있는데, 펌핑 장치(410)과 제7 밸브(420)를 포함하여 이루어진다. 상기 펌핑 유닛(400)은 후술하는 바와 같이 상기 챔버(110) 내로 원료 가스와 제1 반응 가스 및 제2 반응가스를 공급하는 시간 사이에서 작동할 수 있으므로, 상기 제7 밸브(420)는 상기 원료 가스를 공급하는 제3 밸브(234)와 상기 제1 반응 가스를 공급하는 제4 밸브(263) 및 상기 제2 반응 가스를 공급하는 제8 밸브(273)가 클로징(closing)된 상태에서 오픈(open)될 수 있다.
도 2a와 2b는 챔버 내부를 간략히 나타낸 도면이다.
안치 수단(130) 상에 복수 개의 기판(S)가 배치되어 있으며, 상기 안치 수단(130)과 대향하여 챔버의 상부에 가스 분사 유닛(120)이 배치되어 있다. 상기 가스 분사 유닛(120)은 원료 가스와 퍼지 가스 및 반응 가스를 모두 분사할 수 있어야 하는데, 본 실시예에서는 퍼지 가스 분사관(120P)가 일직선으로 배치되고, 상기 퍼지 가스 분사관(120P) 사이에 각각 원료 가스 분사관(120S)와 반응 가스 분사관(120R)이 배치되어 있다.
그리고, 상기 퍼지 가스 분사관(120P)은 상기 제5 밸브(253)과 연결되어 퍼지 가스를 공급받을 수 있고, 상기 원료 가스 분사관(120S)은 제3 밸브(234)와 연결되어 원료 가스를 공급받을 수 있으며, 상기 반응 가스 분사관(120R)은 제4 밸브(263) 및 제8 밸브(273)와 연결되어 반응 가스를 공급받을 수 있다.
따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이 안치 수단(130) 상의 기판(S)이 배치된 영역은 각각 원료 가스가 공급되는 영역(Source), 반응 가스가 공급되는 영역(Reactant) 및 퍼지 가스가 공급되는 영역(Purge)로 나뉘어질 수 있다. 단, 상기 가스들이 다른 분사관으로부터 분사되어도 단일의 챔버(110) 내에서 분사되므로, 상기 영역들이 완전히 분리되지는 않는다.
또한, 상기 가스 분사 유닛(120)은 상기 챔버(110) 내에서 피처리물, 즉 기판(S)에 나란한 방향으로 회전할 수 있는데 회전속도는 1 내지 200 rpm일 수 있다. 따라서, 챔버(110) 내의 공간에서 퍼지 가스 분사관(120P)과 원료 가스 분사관(120S) 및 반응 가스 분사관(120R)이 각각 회전하게 되므로, 챔버(110) 내에서 원료 가스가 공급되는 영역(Source), 반응 가스가 공급되는 영역(Reactant) 및 퍼지 가스가 공급되는 영역(Purge)가 계속 변화하여 복수 개의 기판(S)의 박막 증착을 촉진시킬 수 있다. 이때, 반응 가스가 공급되는 영역(Reactant)은 제1 반응 가스와 제2 반응 가스가 교번하여 공급되는 영역이다.
즉, 챔버(110) 내의 하나의 기판(S) 상에서 가스 분사 유닛(120)이 회전하므로, 원료 가스, 퍼지 가스, 제1 반응 가스, 제2 반응 가스 및 퍼지 가스가 차례로 공급되고, 다시 원료 가스가 공급될 수 있다. 그리고, 원료 가스와 제1 반응 가스 또는 제2 반응 가스와 함께 섞이는 영역이 존재하기 때문에 기판에서 박막의 증착 반응도 함께 일어날 수 있다. 상기 가스 분사 유닛(120)의 회전 속도가 너무 느리면 가스의 혼합에 불리하고, 너무 빠르면 영역 분할의 효과를 기대하기 어렵다.
상술한 박막 증착 장치를 사용한 박막 증착 방법의 일실시예가 도 3 내지 도 10에 도시되어 있다. 4개의 그래프는 각각 원료 가스(Source)과 퍼지 가스(Purge)와 제1 반응 가스(Reactant) 및 제2 반응 가스(Reactant)의 챔버로의 공급량을 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 실시예에서 기상의 원료 물질이 포함된 기화기에 캐리어 가스 공급부에서 캐리어 가스의 밀도를 증가시켜 상기 기상의 원료 물질을 챔버 내로 공급하여 상기 챔버 내의 피처리물 상에 원료 가스를 흡착시킨다.
구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기화기 내에 원료 물질과 캐리어 가스를 공급하는데, 본 실시예에서는 원료 물질로 액상의 TiCl4을 사용하나, 이에 한정되지 않고 액상의 다양한 원료 물질을 사용할 수 있음은 당연하다. 그리고, 캐리어 가스는 상기 원료 물질 등과 반응하지 않는 것이 바람직하며, 일 예로 불활성 가스인 Ar(아르곤)을 사용한다.
그리고, 기화기 내에서 원료 물질을 기화시키는데, 캐리어 가스에 의하여 원료 물질이 기화기 내부로 공급되면, 원료 물질은 필터를 통과하게 되는데 필터에 형성된 복수 개의 미세한 홀(hole)을 통과하여 미립자(mist) 상태가 된다.
이어서, 히터 등으로 상기 원료 물질을 기화기 내에서 가열하면, 액상의 원료 물질이 기화된다. 여기서, 상기 미립자 상태의 원료 물질은 기화가 용이하므로 기화율이 향상될 수 있다.
그리고, 캐리어 가스의 밀도를 증가시키고 원료 물질의 공급을 중단한 후, 상기 원료 물질을 챔버로 공급한다. 이때, 가스 공급 수단 등으로 상기 기화된 원료 물질을 챔버 내로 분사하면, 기상의 원료 물질이 챔버 내의 피터리물 상에 흡착된다.
그리고, 상기 기상의 원료 물질의 주입과 동시에 제1 반응 가스를 챔버에 공급한다. 이때, 피처리물 표면에 흡착된 원료 물질과 제1 반응 가스가 반응하여 박막이 형성된다. 본 실시예에서 제1 반응 가스로 NH3를 사용하였는데, 도 12a에 도시된 바와 같이 원료 물질인 TiCl4과 반응하여 TiN이 피처리물의 표면에 증착된다.
그리고, 상기 제1 반응 가스의 공급을 중단한 후 즉시, 또는 소정 시간 경과후에 제2 반응 가스를 챔버에 공급한다. 본 실시예에서 제2 반응 가스로 H2를 사용하였는데, 수소 플라즈마(H2)와 원료 물질인 TiCl4이 반응하여 HCl 기체가 발생하고 Ti가 상기 TiN의 표면에 도핑된다.
상기 제2 반응 가스인 수소 플라즈마의 유량은 1,000 sccm 이상으로 충분히 공급할 수 있으며, 이때 박막의 비저항이 충분히 낮아질 수 있으며, 제1 반응 가스인 NH3도 1,000sccm 이상으로 충분히 공급할 수 있다. 또한, 상기 TiCl4의 유량이 5 sccm 이상일때 비저항이 낮아지고 10 sccm 이상일때 비저항이 충분히 낮아질 수 있다. 그리고, 상기 Ti의 일부가 상기 TiN과 반응하여 Ti2N이 일부 형성될 수 있다.
상술한 제2 반응 가스의 공급 시간이 길어질수록 Ti의 도핑량은 증가하는데, Ti doping함량이 높아질수록 박막의 비저항은 낮아지나 Ti : N 비율(중량비)은 2 : 1을 넘지 않아야 박막 고유의 특성을 유지할 수 있다.
여기서, 상기 제1 반응 가스와 제2 반응 가스는 서로 순서를 바꾸어 상기 챔버로 공급될 수 있다. 그리고, 상기 수소 플라즈마는 다이렉트(Direct), 리모트(Remote) 또는 유도 결합 플라즈마(Induced Coupled Plasma)등 여러 가지 플라즈마 원료(Plasma source)를 이용할 수 있다. 그리고, 수소 플라즈마는 예를 들어 디렉트 플라즈마의 경우 500 와트(W) 이상의 전력으로 공급할 때 비저항이 낮아질 수 있다.
그리고, 다시 원료 물질과 제1 반응 가스를 챔버에 공급하는 공정을 반복한다. 이때, 불활성 기체인 퍼지 가스를 사용하여 잉여의 원료 물질과 반응 가스 등을 챔버의 외부로 퍼지할 수 있다. 또한, 상기 제1 반응 가스와 제2 반응 가스의 공급과 동시에 또는 분리하여 상기 퍼지 가스를 상기 챔버에 공급할 수 있다.
이때, 상기 퍼지 가스의 양이 증가할수록 챔버 내에서 원료 가스와 제1 반응 가스가 분사되는 영역이 잘 분리될 수 있는데, 300 sccm 이상의 퍼지 가스면 충분하다.
즉, 제1 반응 가스의 공급 단계에서는 상기 제1 반응 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 제4 밸브(263)가 열리고, 상기 제2 반응 가스의 공급 단계에서는 상기 제2 반응 가스 공급부와 상기 챔버 사이의 제8 밸브(273)가 열린다. 그리고, 상기 퍼지 가스 공급부(250)와 상기 챔버(100) 사이의 제 5 밸브(253)는 상기 제4 밸브(263) 또는 제8 밸브(273)와 동시에 또는 교번하여 오픈될 수 있다.
상술한 실시예에서, 챔버(100) 내의 온도를 300 도(℃) 이상으로 하면 증착된 박막의 비저항이 낮아지고, 챔버(100) 내의 압력을 0.5 torr 이상으로 하면 박막의 증착 속도가 빨라진다.
도 4에 도시된 실시예에서는, 원료 물질과 퍼지 가스가 교번하여 챔버(100) 내에 공급된다. 그리고, 첫 번째 원료 물질의 공급시에 챔버(100) 내에 제1 반응 가스가 공급되고, 두 번째 원료 물질의 공급시에 챔버(100) 내에 제2 반응 가스가 공급된다.
즉, 원료 물질이 소정 간격을 갖고 공급되며 원료 물질이 공급되지 않을 때 퍼지 가스가 챔버(100)에 공급되어 챔버(100) 내부를 퍼지한다. 그리고, 제1 반응 가스와 제2 반응 가스가 소정 간격을 두고 상기 챔버(100) 내에 공급되는 점도 상이하다.
도 5에 도시된 실시예에서는 원료 물질의 공급이 중단된 사이에 퍼지 가스의 공급도 중단되는 점에서 도 4의 실시예와 상이하다. 이때, 펌핑 유닛(400)의 제7 밸브(420)가 오픈되고, 펌핑 장치(410)에서 상기 챔버(100) 내의 가스 등을 펌핑할 수 있다.
상술한 그리고 후술하는 펌핑은 효과적으로 원료 가스와 제1 반응가스 및/또는 제2 반응 가스의 분사 영역을 분리할 수 있는데, 적어도 0.5 초 이상 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 펌핌 장치의 용량이 증가하고 공정 압력이 낮을수록 효과가 뛰어날 수 있는데, 펌핑 장치의 용량은 20,000 리터/분 이상이고, 공정 압력은 2 Torr 이하이면 충분하다.
도 6에 도시된 실시예는 도 4에 도시된 실시예와 유사하나, 퍼지 가스의 공급 후 원료 물질의 공급 전에 소정 시간 간격(P)가 존재하고, 상기 소정 시간 간격에서는 펌핑 유닛(400)의 제7 밸브(420)가 오픈되고, 펌핑 장치(410)에서 상기 챔버(100) 내의 가스 등을 펌핑할 수 있다.
도 7에 도시된 실시예는 도 6에 도시된 실시예와 유사하나, 챔버(100)의 펌핑 시간(P)이 원료 물질과 제1 반응 가스의 공급 후, 즉 TiN 박막의 증착 후 퍼지 가스의 공급 이전인 점에서 상이하다.
도 8에 도시된 실시예는 챔버(100) 내에 각각의 원료 물질이나 제1 반응 가스나 제2 반응 가스를 공급하는 시간 사이에, 챔버(100) 내에 퍼지 가스를 공급한다. 즉, 가장 먼저 원료 물질을 공급하고 퍼지 가스를 공급한 후 제1 반응 가스를 공급하고 퍼지 가스를 공급하며, 이어서 원료 물질을 공급하고 퍼지 가스를 공급한 후 제2 반응 가스를 공급하고 퍼지 가스를 공급한다. 그리고, 다시 원료 물질을 공급하는 단계가 반복된다. 이때, 각각의 단계 사이에 상기 챔버 내부를 펌핑하는 시간이 존재할 수 있음도 상술한 바와 같다.
도 9에 도시된 실시예는 도 8의 실시예와 유사하나, 원료 물질과 제1 반응 가스가 상기 챔버(100) 내에 동시에 공급되는 점에서 상이하다. 즉, 챔버(100) 내에 원료 물질과 제1 반응 가스를 함께 공급하고 퍼지 가스를 공급하며, 이어서 원료 물질을 공급하고 퍼지 가스를 공급한 후 제2 반응 가스를 공급하고 퍼지 가스를 공급한다. 그리고, 다시 원료 물질과 제1 반응 가스를 함께 공급하는 단계가 반복된다. 이때, 각각의 단계 사이에 상기 챔버 내부를 펌핑하는 시간이 존재할 수 있음도 상술한 바와 같다.
도 10에 도시된 실시예는 도 8의 실시예와 유사하나, 먼저 원료 물질을 공급하고 퍼지 가스를 공급한 후 제1 반응 가스를 공급하고 퍼지 가스를 공급하며, 이어서 원료 물질과 제2 반응 가스를 함께 공급한 후 퍼지 가스를 공급한다. 그리고, 다시 원료 물질을 공급하는 단계가 반복된다. 이때, 각각의 단계 사이에 상기 챔버 내부를 펌핑하는 시간이 존재할 수 있음도 상술한 바와 같다.
도 11은 실시예에 따른 장치 및 방법으로 증착된 박막의 비저항을 종래와 비료한 도면이다.
도 11에서 실시예에 따른 Ti가 도핑된 박막 (Ti doped TiN)이 공간 분할 CVD 증착법(Space Divided Chemical Vapor Deposition; SDCDV) 또는 ALD법+SDCVD법에 따른 박막보다 우수한 비저항을 특히 저온에서 나타냄을 알 수 있다.
즉, 종래의 CVD법 및 SDCVD법 기술을 이용한 TiN 박막은 공정온도 500도 이하에서 비저항 200uΩ-㎝이하를 확보하기 어렵고, 비저항을 낮추기 위해서는 높은 공정온도가 필요하였는데, 이러한 고온 공정은 Thermal Damage에 의해 Device 사용환경에 제약을 받는다. ALD TiN 공정 기술의 경우 낮은 비저항을 지니는 TiN 박막을 확보할 수 있으나, 낮은 생산성으로 인해 실제 양산 공정에 적용하기에는 어려운데 비하여, 즉, 도 12에 나타난 바와 같이 표면에 TiN이 증착되고 후에 Ti가 도핑되면서, Ti 도펀트(dopant)와 TiN이 결합하여 일부 Ti2N을 이루는 상술한 박막에서 높은 공정 효율과 낮은 비저항을 함께 구현함을 알 수 있다.
상술한 박막 증착 장치 및 방법은 반도체 소자의 기판 상의 박막 증착 공정 외에, 평면표시장치 및 태양전지 등을 제조하는 공정 등에서 사용할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 박막 증착부 110 : 챔버
120 : 가스 분사 유닛 120P : 퍼지 가스 분사 유닛
120R : 반응 가스 분사 유닛 120S : 원료 가스 분사 유닛
200 : 원료 물질 공급 유닛 210 : 원료 물질 공급부
211 : 원료 물질 저장부 212 : 제1 파이프
213 : 제1 밸브 230 : 원료 가스 공급부
231 : 기화기 232 : 원료 물질 주입 배관
233 : 제3 파이프 234 : 제3 밸브
240 : 캐리어 가스 공급부 241 : 캐리어 가스 저장부
242 : 제2 파이프 243 : 제2 밸브
250 : 퍼지 가스 공급부 251 : 퍼지 가스 저장부
252 : 제5 파이프 253 : 제5 밸브
260 : 제1 반응 가스 공급부 261 : 제1 반응 가스 저장부
262 : 제4 파이프 263 : 제4 밸브
270 : 제2 반응 가스 공급부 271 : 제2 반응 가스 저장부
272 : 제8 파이프 273 : 제8 밸브
300 : 기화기 배기 유닛 310 : 기화기 배기 펌프
320 : 제6 밸브 400 : 펌핑 유닛
410 : 펌핑 장치 420 : 제7 밸브
500 : 기판

Claims (11)

  1. 박막을 형성하는 박막 증착 방법에 있어서,
    챔버에 소정간격을 두고 반복하여 원료 물질을 공급하는 단계;
    상기 챔버에 소정간격을 두고 제1 반응 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 제1 반응 가스와 교번하여 상기 챔버에 소정간격을 두고 반복하여 제2 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 원료 물질은 Ti(티타늄)를 포함하는 박막 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응 가스와 제2 반응 가스는 서로 교번하여 연속적으로 상기 챔버에 공급되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응 가스는 암모니아를 포함하고, 상기 제2 반응 가스는 수소 플라즈마를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 박막은,
    피처리물의 표면에 증착되는 TiN에 상기 Ti가 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 박막은,
    상기 Ti 중 일부와 상기 TiN이 결합하여 형성되는 Ti2N
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 TiN은,
    상기 Ti와 N(암모니아)의 중량이 서로 다르도록 상기 Ti가 도핑되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 TiN은,
    상기 Ti의 중량이 N의 중량보다 크도록 상기 Ti가 도핑되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 TiN은,
    상기 Ti의 중량이 상기 N의 중량의 2배 이하가 되도록 상기 Ti가 도핑되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 원료 물질의 공급과 상기 제1 반응 가스의 공급은 함께 이루어지는 박막 증착 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원료 물질의 공급과 상기 제2 반응 가스의 공급은 함께 이루어지는 박막 증착 방법.
  11. 박막을 형성하는 박막 증착 방법에 있어서,
    챔버에 소정간격을 두고 반복하여 원료 물질을 공급하는 단계;
    상기 챔버에 소정간격을 두고 제1 반응 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 제1 반응 가스와 교번하여 상기 챔버에 소정간경을 두고 반복하여 제2 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 원료 물질은 Ti를 포함하며,
    상기 박막은 피처리물의 표면에 증착되는 TiN에 Ti가 도핑되어 형성되고,
    상기 TiN은,
    상기 Ti의 중량이 N의 중량의 2배 이하가 되도록 상기 Ti가 도핑되는 박막 증착 방법.
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