KR20200127442A

KR20200127442A - 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조

Info

Publication number: KR20200127442A
Application number: KR1020190051538A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 서승기; 이유진; 윤휘
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2020-11-11

Abstract

본 발명에 따르면, 기판에 전구체를 흡착시키고, 두 종류 이상의 기체가 혼합된 반응체와 전구체를 환원 반응시켜 금속 박막을 불순물없이 증착 가능한 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조가 개시된다.

Description

기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조 {Manufacturing Method for Metal Thin Film by Atomic Layer Deposition Using Gas Mixture Activated by Plasma and Thin Film Deposition Structure}

본 발명은 박막 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조에 관한 것으로, 특히 플라즈마 강화 원자층 증착법(PE-ALD)을 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조에 관한 것이다.

원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)은 표면에서 일어나는 자기 제한적 반응으로, 원자층 단위의 증착을 통해 얇은 박막을 구현할 수 있다. 또한, 단차 피복성 (step coverage)이 우수하여 넓은 면적 및 복잡한 입체 구조에 균일한 두께의 박막을 증착할 수 있다.

현재 반도체 배선 공정에 사용되는 금속막은 반도체 소자의 집적도가 올라감에 따라 높은 종횡비(aspect ratio)에서 균일한 박막을 증착하는 기술과 다층 배선 공정에서 구조와 관계없이 균일한 두께의 금속 박막을 쌓을 수 있는 기술이 필요하다.

또한, ALD 공정 온도 구간(ALD window)을 넓히고, 전구체와 완전한 반응을 이끌어내 불순물이 적은 박막의 증착을 가능하게 할 수 있는 공정이 필요하다.

본 발명은 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조로 기판에 전구체를 흡착시키고, 두 종류 이상의 기체가 혼합된 반응체와 전구체를 환원 반응시켜 금속 박막을 불순물 없이 증착하는데 그 목적이 있다.

또한, 수소와 아르곤 가스의 유량비 조절을 통해 박막의 성장률과 균일도를 향상시키는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법은, 기판에 전구체를 흡착시키는 흡착 단계 및 플라즈마에 의해 활성화된 반응체와 상기 전구체를 환원 반응시키는 플라즈마 반응 단계를 포함하며, 상기 반응체는 두 종류 이상의 기체가 혼합된 혼합 기체이다.

여기서, 상기 플라즈마 반응 단계는, 상기 환원 반응에 의해 상기 기판에 상기 전구체에 포함된 금속 원소가 함유된 금속 원소 막을 증착하며, 상기 금속 원소 막에 포함된 불순물의 조성 비율은 설정된 조건을 만족한다.

여기서, 상기 전구체는 텅스텐 원소를 포함하는 텅스텐 화합물이며, 상기 텅스텐 화합물은, 염화계 텅스텐 화합물 또는 유기계 텅스텐 화합물을 포함한다.

여기서, 상기 혼합 기체는 수소와 비활성 기체가 N:1 (여기서, N은 1보다 큰 양수)로 설정된 비율로 혼합된 것이다.

여기서, 상기 비활성 기체는 아르곤을 포함하며, 상기 수소와 아르곤의 혼합 비율은 1:1 이다.

여기서, 상기 수소와 아르곤이 혼합된 혼합 기체는, 동일한 부피에서의 밀도가 증가하되, 상기 플라즈마 반응 단계는, 상기 밀도의 증가에 의해 증기압이 증가하여 상기 반응체의 공급 시간이 감소된다.

여기서, 상기 기판에 증착된 금속 원소 막은, 상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값의 분포 범위가 기준 범위를 만족한다.

여기서, 상기 기판에 증착된 금속 원소 막은, 상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값이 기 설정된 임계치 보다 작은 값을 가진다.

여기서, 상기 흡착 단계와 상기 플라즈마 반응 단계 사이에 상기 전구체와 반응하지 않는 비활성 기체를 이용하여 상기 기판에 흡착되지 않은 전구체를 제거하는 제1 퍼지 단계를 더 포함한다.

여기서, 상기 플라즈마 반응 단계 이후에 상기 반응체와 반응하지 않는 비활성 기체를 이용하여 상기 환원 반응에 참여하지 않은 반응체를 제거하는 제2 퍼지 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법의 박막 증착 구조는, 플라즈마에 의해 활성화된 반응체가 기판에 흡착된 전구체와 환원 반응하여 형성되는 원자층을 포함하며, 상기 반응체는 두 종류 이상의 기체가 혼합된 혼합 기체이다.

여기서, 상기 원자층은 상기 전구체에 포함된 금속 원소가 함유되며, 상기 원자층에 포함된 불순물의 조성 비율은 설정된 조건을 만족한다.

여기서, 상기 혼합 기체는 수소와 비활성 기체가 N:1 (여기서, N은 1보다 큰 양수)로 설정된 비율로 혼합된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 기판에 전구체를 흡착시키고, 두 종류 이상의 기체가 혼합된 반응체와 전구체를 환원 반응시켜 금속 박막을 불순물없이 증착할 수 있다.

또한, 수소와 아르곤 가스의 유량비 조절을 통해 박막의 성장률과 균일도를 향상시킬 수 있다.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법의 공정 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법의 박막 증착 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법에 사용되는 웨이퍼(wafer)의 모식도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법에 따른 박막의 조성을 분석한 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 관련된 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법 및 이의 박막 증착 구조에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법은 플라즈마 강화 원자층 증착법(Plasma Enhanced-Atomic Layer Deposition, PE-ALD)을 이용하여 기판에 순수 금속 박막을 증착하기 위한 방법이다.

플라즈마 강화 원자층 증착법(Plasma Enhanced-Atomic Layer Deposition, PE-ALD)은 기상화학증착 반응을 이용하되 전구체 (Precursor)와 반응체 (Reactant)를 시분할로 주입함으로써 기상반응을 억제하고 기판의 표면에서 이루어지는 자기제어 반응 (Self-limited reaction)을 이용하여 박막의 두께를 정확히 조절하여 증착하는 공정 기술이다.

플라즈마 강화 원자층 증착법(Plasma Enhanced-Atomic Layer Deposition, PE-ALD)의 공정 순서는 전구체(precursor), 퍼지(purge), 반응체(reactant), 퍼지의 4단계 과정을 1 사이클(cycle)로 하며, 반응(reactant)단계에서 플라즈마를 이용해 반응체를 활성화시킨다. 플라즈마를 이용해 반응체의 반응성을 증가시켜 ALD 공정 온도 구간(ALD window)을 넓히고, 전구체와 완전한 반응을 이끌어내 불순물이 적은 박막의 증착을 가능하게 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 방법은 전구체를 흡착시키는 흡착 단계(S100)에서 시작한다.

흡착 단계(S100)에서 챔버 내에 전구체를 공급하여 기판에 상기 전구체를 흡착시킨다.

여기서, 전구체는 텅스텐 원소를 포함하는 텅스텐 화합물을 포함하며, 상기 텅스텐 화합물은, 염화계 텅스텐 화합물 또는 유기계 텅스텐 화합물을 포함한다.

구체적으로, 염화계 텅스텐 화합물은 WCl₄, WCl₅, WCl₆를 포함하며, 여기서 WCl₅는 원자가껍질에 5개의 전자쌍이 있는 분자로 삼각쌍뿔의 구조이고, WCl₆은 원자가껍질에 6개의 전자쌍이 있는 분자로 팔면체의 구조를 가진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 방법은 WCl₅를 이용하는 것이 바람직하다.

염화계 텅스텐 화합물은 상온에서 기체이거나 높은 증기압을 갖고 있어서 챔버 내로 공급하는 것이 쉽고 고순도 물질로 비교적 저렴하게 사용할 수 있는 장점이 있다.

유기계 텅스텐 화합물은 텅스텐 헥사카르보닐 W(CO)₆ 을 이용하는 것이 바람직하다. 화합물에 포함된 카르보닐 (CO) 리간드가 낮은 온도에서도 쉽게 해리되어 별도의 반응 기체없이도 낮은 온도에서 열분해에 의해 금속 텅스텐 막을 증착할 수 있다.

단계 S200은 챔버 내부를 퍼지하는 제1 퍼지 단계이다.

제1 퍼지 단계(S200)는, 상기 전구체와 반응하지 않는 불활성 기체를 이용하여 상기 기판에 흡착하고 남은 전구체를 제거한다.

단계 S300은 챔버 내에 플라즈마에 의해 활성화된 반응체를 공급하여 상기 전구체와 반응시키는 플라즈마 반응 단계이다.

기존의 ALD 공정에 플라즈마 기술을 적용하여 ALD 반응체의 반응성을 높임으로써, 공정온도 범위를 넓힐 수 있고, 퍼지 (Purge) 시간을 줄여 생산성을 증가시킬 수 있다.

여기서, 반응체는 두 종류 이상의 기체가 혼합된 것이다. 플라즈마 반응 단계(S300)는, 반응체를 이용하여 상기 기판에 흡착된 전구체에 포함된 상기 텅스텐 화합물을 환원시킨다.

반응체는 상기 플라즈마에 의해 활성화된 수소(H₂)와 비활성 기체가 N:1 (여기서, N은 1보다 큰 양수)로 설정된 비율로 혼합된 것이며, 비활성 기체는 아르곤(Ar)을 포함할 수 있고, 수소(H₂)와 아르곤(Ar)의 혼합 비율은 1:1 인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법은 수소와 아르곤 기체의 혼합 플라즈마를 반응체로 사용하여, 순수 수소 플라즈마 만으로 증착 되지 않던 금속 박막을 불순물없이 증착함과 동시에, 수소와 아르곤 가스 유량비 조절을 통해 성장률과 균일도 향상을 이룰 수 있다. 또한, 이는 모든 순수 금속 박막의 원자층 증착법 공정에 적용 가능하다.

단계 S400은 플라즈마 반응 단계 이후에, 상기 챔버 내부를 퍼지하는 제2 퍼지 단계이다.

단계 S100 내지 S400의 흡착 단계, 상기 제1 퍼지 단계, 상기 플라즈마 반응 단계 및 상기 제2 퍼지 단계는, 1 사이클로 하여 적어도 1회 이상 반복 수행된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법의 공정 모식도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 방법에 사용되는 PE-ALD 공정은 텅스텐(W) 원소를 중심에 함유하고 있는 염화텅스텐 계열의 전구체와 수소, 아르곤 기체의 혼합 플라즈마와의 반응이다. PE-ALD는 4개의 step이 1개의 사이클(cycle)을 이루어 그 사이클의 수대로 원하는 두께의 박막을 만들 수 있는 공정이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 전구체를 기판에 노출 시켜, 기판과 화학반응을 시킨 후, 반응에 참여하지 않는 남은 화학 물질을 퍼지(purge) 시킨다. 이후, 박막에서 기 반응된 전구체들을 환원시키는 환원제를 기판에 노출시켜, 순수 텅스텐(W)을 성장시킨다. 마지막으로 반응에 참여하지 않은 남은 화학 물질을 퍼지(purge) 시킨다.

또한, 수소와 아르곤의 비율을 바꿔 플라즈마 밀도(Plasma density)를 조절해 PE-ALD 공정에서 순수 텅스텐(W) 박막의 성장률과 균일도를 변화시킬 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 방법은 전구체를 흡착시키는 흡착 단계(S100)에서 시작한다.

이 때 기판 온도는 전구체의 열분해 온도 이하로 유지시켜 이 순서 동안 발생할 수 있는 열분해 박막 형성을 방지한다. 본 발명의 일 실시예에서는 400℃ 인 것이 바람직하다. 전구체는 대개 이송가스와 함께 기판까지 전달되며, 물리적 인력에 의해 기판에 흡착된다.

단계 S200은 챔버 내부를 퍼지하는 제1 퍼지 단계이다.

제1 퍼지 단계(S200)는, 상기 전구체와 반응하지 않는 비활성 기체를 이용하여 상기 기판에 흡착하고 남은 전구체를 제거한다.

여기서, 비활성 기체는 He, Ar 및 N₂를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.

전구체 공급을 중단하고 퍼지 가스를 공급하면 기판 위 기상으로 남아있던 전구체와 기판에 약하게 흡착을 하고 있던 전구체들이 퍼지 가스에 의해 씻겨 나가고 기판과 강한 물리적 결합을 하고 있던 한 층의 전구체들만 남는다. 퍼지 후 남는 전구체의 흡착량이 ALD 성장속도를 결정하는데, 잔류 전구체의 양은 전구 체의 크기, 전구체와 기판 간의 결합 특성, 그리고 공정 온도와 압력 등에 의해 달라진다.

단계 S300은 챔버 내에 플라즈마에 의해 활성화된 반응체를 공급하여 상기 전구체와 반응시키는 플라즈마 반응 단계이다. 여기서, 반응체는 두 종류 이상의 기체가 혼합된 혼합 기체이다. 플라즈마 반응 단계(S300)는, 반응체를 이용하여 상기 기판에 흡착된 전구체에 포함된 상기 텅스텐 화합물을 환원시킨다.

수소(H₂)와 아르곤(Ar)이 혼합된 혼합 기체는, 동일한 부피에서의 밀도가 증가하되, 플라즈마 반응 단계(S300)는, 상기 밀도의 증가에 의해 증기압이 증가하여 상기 반응체의 공급 시간이 감소된다.

반응체는 증기압이 높을수록 공급 시간을 줄일 수 있고 반응성이 강해야 전구체의 열분해 온도 이하에서 충분한 화학반응을 할 수 있다. 플라즈마에 의해 활성화된 반응체는 활성화되기 전에 비해 반응성이 증가하므로 화학반응 온도가 낮아져 기존의 ALD보다 낮은 온도에서 전구체와 반응하여 박막을 만들 수 있다.

단계 S400은 플라즈마 반응 단계 이후에, 상기 챔버 내부를 퍼지하는 제2 퍼지 단계이다. 제2 퍼지 단계에서 플라즈마 반응 단계 이후에 상기 반응체와 반응하지 않는 비활성 기체를 이용하여 상기 환원 반응에 참여하지 않은 반응체를 제거한다. 제2 퍼지 단계에서는 챔버 내에 잔류하는 반응체를 제거한다.

PE-ALD 의 경우 흡착성이 약한 기체형 반응체를 주로 사용하므로 ALD에 비해 퍼지 시간이 짧다. 이에 따라 전체 공정 시간을 줄임으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법에서 흡착 단계, 제1 퍼지 단계, 플라즈마 반응 단계, 제2 퍼지 단계는 각각 8초, 8초, 8초, 12초의 시간으로 수행되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 박막 증착 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 박막 증착 구조는 기판(10)에 공급된 반응체가 상기 기판에 흡착된 전구체와 반응하여 형성되는 원자층(30)을 포함한다.

여기서, 반응체는, 플라즈마에 의해 활성화된 두 종류 이상의 기체가 혼합된 것이다. 구체적으로, 챔버 내에 전구체를 공급하여 기판(10)에 상기 전구체를 흡착시킨다.

이후, 챔버 내부를 퍼지하는 제1 퍼지 단계에서 전구체와 반응하지 않는 불활성 기체를 이용하여 상기 기판에 흡착하고 남은 전구체를 제거하면 전구체가 흡착된 필름(20)이 기판 위로 형성된다.

이후, 챔버 내에 플라즈마에 의해 활성화된 반응체를 공급하여 상기 전구체와 반응시키면, 기판에 흡착된 전구체와 반응하여 형성되는 원자층(30)이 형성된다. 원자층은 전구체에 포함된 금속 원소가 함유되며, 원자층에 포함된 불순물의 조성 비율은 설정된 조건을 만족한다.

여기서, 불순물의 조성 비율로 설정된 조건은 금속 원소 막에 포함된 불순물의 조성 비율이 XPS와 RBS의 측정을 통해 임계치인 0 %를 만족하는 조건이다.

반응체는 두 종류 이상의 기체가 혼합된 것이며, 반응체를 이용하여 상기 기판에 흡착된 전구체에 포함된 상기 텅스텐 화합물을 환원시킨다.

혼합 기체는 수소(H₂)와 비활성 기체가 N:1 (여기서, N은 1보다 큰 양수)로 설정된 비율로 혼합된 것이며, 플라즈마에 의해 활성화된다. 비활성 기체는 아르곤(Ar)을 포함할 수 있고, 수소(H₂)와 아르곤(Ar)의 혼합 비율은 1:1 인 것이 바람직하다.

기판에 증착된 금속 원소 막은, 상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값의 분포 범위가 기준 범위를 만족한다.

구체적으로, 면저항 값의 분포 범위는 97.9 %로 기준 범위(uniformity 특성 > 95 %)를 만족한다.

플라즈마 반응 단계 이후에, 상기 챔버 내부를 퍼지하는 제2 퍼지 단계를 실시하여 순도가 높은 금속 박막을 얻을 수 있다.

도 3에 도시된 원자층은 일 실시예를 예로 들어 도시한 것이며, 박막의 구조와 반응 단계는 이에 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법에 사용되는 웨이퍼(wafer)의 모식도이다.

도 4에 도시된 웨이퍼(wafer)의 모식도는, 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법의 진행을 설명하기 위한 일 실시예이며, 박막 증착이 진행될 수 있는 웨이퍼(wafer)는 다양한 형태로 실시가 가능하다.

본 발명에서 수행한 박막 증착 방법은 8인치 크기의 shower head 타입의 ALD 장비에서 진행되는 것이 바람직하다. 여기서, 박막 증착 조건은 T_bub=135℃, T_sub=400℃, RF power=200W, 500cycle 이다.

박막 증착 방법에 따른 수소, 아르곤 기체의 비율에 따른 면 저항의 차이는 표 1에 나타난 바와 같다.

표 1은 기존의 경우인 전구체와 수소 플라즈마 만으로 박막 증착이 진행되는 경우와, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 박막 증착이 진행되는 경우를 구분하여 나타낸 것이다.

표 1에서 8인치 silicon wafer 위에 5개의 구역(Left, Center, Right, Bottom, Top)을 구분하여 위치 별 박막의 성장률을 확인할 수 있다.

수소 플라즈마 만을 이용한 실험에서는 면저항이 측정되지 않거나 아주 높은 값을 보였고, 5개의 구역에서 불균일한 값을 보인다.

기체 혼합 플라즈마를 이용한 박막 증착이 진행되는 경우 플라즈마 단계에서 수소에 아르곤을 섞어 주입함으로써 플라즈마 밀도를 증가하며, 이에 따라 박막의 성장률과 성장의 균일도를 높일 수 있다.

그 결과, 기판에 증착된 금속 원소 막은 상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값이 기 설정된 임계치 보다 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.

구체적으로, 동일한 공정 변수(전구체 분사량, 노출 시간 등)를 유지하고, 17 Torr의 공정 압력을 유지한 상태에서 수소와 아르곤의 가스 유량 비(Gas flow ratio)를 조절하여 각각 4:1, 2:1, 1:1로 변화시켜본 결과, Gas flow ratio에 따른 텅스텐(W) 박막의 성장률과 균일도가 매우 향상되었음을 확인할 수 있다.

표 1에 나타난 바와 같이, 기판에 증착된 금속 원소 막은, 상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값이 각각 66.19 mΩ/㎡, 66.15 mΩ/㎡, 66.18 mΩ/㎡, 63.78 mΩ/㎡, 63.23 mΩ/㎡로 분포 범위가 63 ~ 67 mΩ/㎡인 기준 범위를 만족함을 확인할 수 있다.

즉, 면저항 값의 분포 범위는 97.9 %로 기준 범위(uniformity 특성 > 95 %)를 만족한다.

또한, 수소(H₂)와 아르곤(Ar)의 혼합 비율이 1:1일 때의 면저항 값이 가장 작음을 확인할 수 있다. 표 1에 나타난 바와 같이, 면저항 값은 63 ~ 67 mΩ/㎡로 설정된 임계치 보다 작은 값으로 측정됨을 확인할 수 있다. 여기서, 설정된 임계치는 68 mΩ/㎡ 이하로 설정할 수 있으며, 임계치는 본 발명의 일 실시예에 제한되지 않고, 박막 증착 조건에 따라 다르게 설정할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법에 따른 박막의 조성을 분석한 결과를 나타낸 것이다.

도 5 및 도 6에서 환원 반응에 의해 기판에 상기 전구체에 포함된 금속 원소가 함유된 금속 원소 막을 증착하며, 금속 원소 막에 포함된 불순물의 조성 비율은 설정된 조건을 만족함을 확인할 수 있다.

도 5는 수소(H₂)와 아르곤(Ar)의 혼합 비율이 1:1인 조건에서 증착한 텅스텐 박막에 대하여 X-ray 광전자 분광기(X-ray Photo electron Spectroscopy)를 이용하여 분석한 것이고, 도 6은 러더포드 후방산란 분석(Rutherford Backscattering Spectrometry)을 이용하여 박막 조성을 분석한 것이다. 그 결과, 박막 내 염소 불순물의 농도가 1% 미만으로, 매우 순수한 금속 박막이 증착 되었음을 확인할 수 있다. 여기서 조성 비율은 순수한 텅스텐(W)원소를 제외한 불순물의 농도가 1% 미만을 만족하도록 조건이 설정되는 것이 바람직하다. 설정되는 조건은 본 발명의 일 실시예에 제한되지 않고, 박막 증착 조건에 따라 다르게 설정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체 혼합 플라즈마를 이용한 금속 박막의 원자층 증착 방법을 통해, 기존에 사용되던 금속보다 우수한 전기적 성질을 갖는 금속을 구조에 관계없이 실질적으로 균일하게 증착 가능하다.

또한 집적회로 형태를 갖는 모든 반도체 분야에서 넓은 활용성을 갖는다. 모든 금속 증착 공정에 적용 가능하며 성장률과 균일도를 높인 PE-ALD 공정 개발로, 현재까지 사용된 배선 공정 중 Damascene, CMP 공정에서 소비하던 비용과 시간 절감 효과를 통해 막대한 경제적 효과를 얻을 수 있으며 반도체 소자의 성능의 개선 또한 기대할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims

기판에 전구체를 흡착시키는 흡착 단계; 및
플라즈마에 의해 활성화된 반응체와 상기 전구체를 환원 반응시키는 플라즈마 반응 단계를 포함하며,
상기 반응체는 두 종류 이상의 기체가 혼합된 혼합 기체인 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응 단계는,
상기 환원 반응에 의해 상기 기판에 상기 전구체의 금속 원소가 포함된 금속 원소 막을 증착하며,
상기 금속 원소 막에 포함된 불순물의 조성 비율은 설정된 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제2항에 있어서,
상기 전구체는 텅스텐 원소를 포함하는 텅스텐 화합물이며,
상기 텅스텐 화합물은 염화계 텅스텐 화합물 또는 유기계 텅스텐 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제2항에 있어서,
상기 혼합 기체는 수소와 비활성 기체가 N:1 (여기서, N은 1보다 큰 양수)로 설정된 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제4항에 있어서,
상기 비활성 기체는 아르곤을 포함하며,
상기 수소와 아르곤의 혼합 비율은 1:1 인 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제5항에 있어서,
상기 수소와 아르곤이 혼합된 혼합 기체는 동일한 부피에서의 밀도가 증가하되,
상기 플라즈마 반응 단계는 상기 밀도의 증가에 의해 증기압이 증가하여 상기 반응체의 공급 시간이 감소되는 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제2항에 있어서,
상기 기판에 증착된 금속 원소 막은,
상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값의 분포 범위가 기준 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제2항에 있어서,
상기 기판에 증착된 금속 원소 막은,
상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값이 기 설정된 임계치 보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착 단계와 상기 플라즈마 반응 단계 사이에 상기 전구체와 반응하지 않는 비활성 기체를 이용하여 상기 기판에 흡착되지 않은 전구체를 제거하는 제1 퍼지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
제9항에 있어서,
상기 플라즈마 반응 단계 이후에 상기 반응체와 반응하지 않는 비활성 기체를 이용하여 상기 환원 반응에 참여하지 않은 반응체를 제거하는 제2 퍼지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 박막의 원자층 증착 방법.
플라즈마에 의해 활성화된 반응체가 기판에 흡착된 전구체와 환원 반응하여 형성되는 원자층을 포함하며,
상기 반응체는 두 종류 이상의 기체가 혼합된 혼합 기체인 것을 특징으로 하는 박막 증착 구조.
제11항에 있어서,
상기 원자층은 상기 전구체의 금속 원소가 포함되며,
상기 원자층에 포함된 불순물의 조성 비율은 설정된 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 구조.
제12항에 있어서,
상기 전구체는 텅스텐 원소를 포함하는 텅스텐 화합물이며,
상기 텅스텐 화합물은 염화계 텅스텐 화합물 또는 유기계 텅스텐 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 구조.
제12항에 있어서,
상기 혼합 기체는 수소와 비활성 기체가 N:1 (여기서, N은 1보다 큰 양수)로 설정된 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 박막 증착 구조.
제14항에 있어서,
상기 기판에 증착된 금속 원소 막은,
상기 기판의 기준 위치 및 상기 기준 위치로부터 상, 하, 좌, 우에 위치하는 영역들에서의 면저항 값의 분포 범위가 기준 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 구조.