KR20210036251A - 박막 제조 방법 - Google Patents

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송태호
김소정
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Abstract

본 발명은 박막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ⅰ) 하기 화학식 1
[화학식 1]
AnBmXo
(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 할로겐이고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이다.)로 표시되는 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계; 및 ⅱ) 성장 억제제가 흡착된 기판 표면에 Ti계 박막 전구체를 흡착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 부반응을 억제하여 박막 성장률을 낮추고 또한 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 단차 피복성(step coverage) 및 박막의 두께 균일성을 크게 향상시키는 박막 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.

Description

박막 제조 방법{METHOD FOR FORMING THIN FILM}
본 발명은 박막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부반응을 억제하여 박막 성장률을 적절히 낮추고 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 부식이나 열화를 막고 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 단차 피복성(step coverage) 및 박막의 두께 균일성을 크게 향상시키는 박막 제조 방법에 관한 것이다.
메모리 및 비메모리 반도체 소자의 집적도는 나날이 증가하고 있으며, 그 구조가 점점 복잡해짐에 따라 다양한 박막을 기판에 증착시키는데 있어서 단차 피복성(step coverage)의 중요성이 점점 증대되고 있다.
상기 반도체용 박막은 질화금속, 산화금속, 규화금속 등으로 이루어진다. 상기 질화금속 박막으로는 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN), 질화지르코늄(ZrN) 등이 있으며, 상기 박막은 일반적으로 도핑된 반도체의 실리콘층과 층간 배선 재료로 사용되는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등과의 확산 방지막(diffusion barrier)으로 사용된다. 다만, 텅스텐(W) 박막을 기판에 증착할 때에는 접착층(adhesion layer)으로 사용된다.
기판에 증착된 박막이 우수하고 균일한 물성을 얻기 위해서는 형성된 박막의 높은 단차 피복성이 필수적이다. 따라서 기상반응을 주로 활용하는 CVD(chemical vapor deposition) 공정보다 표면반응을 활용하는 ALD(atomic layer deposition) 공정이 활용되고 있지만, 100% step coverage 구현을 위해서는 여전히 문제가 존재한다.
또한, 상기 질화금속 중에서 대표적인 질화티타늄(TiN)을 증착시키기 위해서 사용되는 사염화티타늄(TiCl4)의 경우, 제조된 박막 내 염화물과 같은 공정 부산물이 잔류하게 되어 알루미늄 등과 같은 금속의 부식을 유발하며, 비휘발성 부산물이 생성되는 문제로 막질의 열화를 초래한다.
따라서 복잡한 구조의 박막 형성이 가능하고, 층간 배선재료를 부식시키지 않는 박막의 제조 방법의 개발이 필요한 실정이다.
한국 공개특허 제2006-0037241호
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 부반응을 억제하여 박막 성장률을 적절히 낮추고 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 부식이나 열화를 방지하고 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 단차 피복성(step coverage) 및 박막의 두께 균일성을 크게 향상시키는 박막 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 ⅰ) 하기 화학식 1
[화학식 1]
AnBmXo
(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 할로겐이고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이다.)로 표시되는 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계; 및 ⅱ) 성장 억제제가 흡착된 기판 표면에 Ti계 박막 전구체를 흡착시키는 단계를 포함하는 박막 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 ALD 챔버, 박막 형성용 성장 억제제를 기화하는 제1 기화기, 기화된 박막 형성용 성장 억제제를 ALD 챔버 내로 이송하는 제1 이송수단, Ti계 박막 전구체를 기화하는 제2 기화기 및 기화된 Ti계 박막 전구체를 ALD 챔버 내로 이송하는 제2 이송수단을 포함하는 박막 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 부반응을 억제하고 증착 속도를 저감시켜 박막 성장률을 적절히 낮추고 또한 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 부식이나 열화를 막고 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 단차 피복성(step coverage) 및 박막의 두께 균일성을 크게 향상시키는 박막 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 ALD 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 7(SP-TiCl4) 및 비교예 1(TiCl4)의 ALD 사이클 증가에 따른 박막 두께 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 7-1 내지 7-3 및 비교예 1의 ALD 사이클 당 박막 형성용 성장 억제제(SP)의 피딩(feeding) 시간에 따른 증착속도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1(SP-TiCl4) 및 비교예 1(TiCl4)에서 증착된 TIN 박막에 대한 TEM 사진이다.
이하 본 기재의 박막 제조 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 ALD 챔버 내부에 로딩된 기판 표면에 Ti계 박막 전구체를 흡착시키기 전에 소정 구조를 갖는 할로겐 치환 화합물을 성장 억제제로서 먼저 흡착시키는 경우에 증착 후 형성되는 박막의 성장률이 낮아지고 공정 부산물로 잔류하던 할로겐화물이 크게 줄어들어 단차 피복성(step coverage) 등이 크게 향상되는 것을 확인하고, 이를 토대로 더욱 연구에 매진하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 박막 제조 방법은 ⅰ) 하기 화학식 1
[화학식 1]
AnBmXo
(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 할로겐이고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이다.)로 표시되는 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계; 및 ⅱ) 성장 억제제가 흡착된 기판 표면에 Ti계 박막 전구체를 흡착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 이와 같은 경우 박막 형성 시 부반응을 억제하여 박막 성장률을 낮추고 또한 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 부식이나 열화가 저감되고 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 단차 피복성(step coverage) 및 박막의 두께 균일성을 크게 향상시키는 효과가 있다.
상기 ⅰ) 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계는 기판 표면에 박막 형성용 성장 억제제의 공급 시간(Feeding Time)이 바람직하게 1 내지 10 초, 보다 바람직하게 1 내지 5 초, 더욱 바람직하게 2 내지 5 초, 보다 더욱 바람직하게 2 내지 4 초이고, 이 범위 내에서 박막 성장률이 낮고 단차 피복성 및 경제성이 우수한 이점이 있다.
본 기재에서 박막 형성용 성장 억제제의 공급 시간(Feeding Time)은 챔버의 부피 15 내지 20 L 및 유량 0.5 내지 5 mg/s을 기준으로 하고, 보다 구체적으로는 챔버의 부피 18 L 및 유량 1 내지 2 mg/s을 기준으로 한다.
상기 ⅰ) 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계는 바람직한 예로 박막 형성용 성장 억제제를 ALD 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 흡착시키는 단계를 포함할 수 있고, 이와 같은 경우 부반응을 억제하고 증착 속도를 늦추어 박막 성장률을 낮추며 또한 박막 내 공정 부산물을 제거하는 효과가 크다.
상기 ⅰ) 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계는 바람직하게 기판 표면에 흡착되지 않은 잔류 박막 형성용 성장 억제제를 퍼지 가스로 퍼징하는 것을 포함할 수 있고, 이 경우 박막 형성 시 부반응을 억제하여 박막 성장률을 낮추고 또한 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 부식이나 열화가 저감되고 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 단차 피복성 및 박막의 두께 균일성을 크게 향상시키는 이점이 있다.
또한, 상기 ⅱ) Ti계 박막 전구체를 흡착시키는 단계는 바람직하게 흡착되지 않은 잔류 Ti계 박막 전구체를 퍼지 가스로 퍼징하는 것을 포함할 수 있다.
상기 박막 제조 방법은 바람직하게 기판 표면에 Ti계 박막 전구체를 흡착시킨 후 반응가스를 공급하는 단계 및 Ti계 박막 전구체와 반응가스의 반응 부산물을 퍼지 가스로 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 박막 제조 방법은 바람직한 일 실시예로 a) 상기 박막 형성용 성장 억제제를 기화하여 ALD 챔버 내 로딩된 기판 표면에 흡착시키는 단계; b) 상기 ALD 챔버 내부를 퍼지 가스로 1차 퍼징하는 단계; c) Ti계 박막 전구체를 기화하여 ALD 챔버 내 로딩된 기판 표면에 흡착시키는 단계; d) 상기 ALD 챔버 내부를 퍼지 가스로 2차 퍼징하는 단계; e) 상기 ALD 챔버 내부에 반응가스를 공급하는 단계; 및 f) 상기 ALD 챔버 내부를 퍼지 가스로 3차 퍼징하는 단계;를 포함할 수 있고, 이러한 경우 박막 성장률이 적절히 낮아지고, 박막 형성 시 증착 온도가 높아지더라도 생성되는 공정 부산물이 효과적으로 제거되어 박막의 비저항이 감소되고 단차 피복성(step coverage)이 크게 향상되는 이점이 있다.
상기 박막 형성용 성장 억제제 및 Ti계 박막 전구체는 바람직하게 VFC 방식, DLI 방식 또는 LDS 방식으로 ALD 챔버 내, 즉 기판 표면으로 이송될 수 있고, 보다 바람직하게는 LDS 방식으로 ALD 챔버 내로 이송되는 것이다.
상기 박막 형성용 성장 억제제와 상기 전구체 화합물의 ALD 챔버 내 투입량(mg/cycle) 비는 바람직하게 1:1.5 내지 1:20일 수 있고, 보다 바람직하게 1:2 내지 1:15이며, 더욱 바람직하게 1:2 내지 1:12이고, 보다 더욱 바람직하게 1:2.5 내지 1:10이며, 이 범위 내에서 사이클당 박막 성장률(GPC)의 감소율이 높고 공정 부산물의 저감효과가 크다.
상기 Ti계 박막 전구체는 통상적으로 ALD(원자층 증착방법)에 사용되는 Ti계 박막 전구체인 경우 특별히 제한되지 않으나, 바람직한 예로 테트라할로겐화 티타늄일 수 있다.
상기 테트라할로겐화 티타늄은 바람직하게 TiF4, TiCl4, TiBr4 및 TiI4로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있고, 예컨대 TiCl4인 것이 경제성 측면에서 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 상기 테트라할로겐화 티타늄은 열적 안정성이 우수하여 상온에서 분해되지 않고 액체 상태로 존재하기 때문에, ALD(원자층 증착 방법)의 박막 전구체로 박막을 증착시키는데 유용하게 사용될 수 있다.
상기 Ti계 박막 전구체는 일례로 비극성 용매와 혼합하여 챔버 내로 투입될 수 있고, 이 경우 Ti계 박막 전구체의 점도나 증기압을 용이하게 조절 가능한 이점이 있다.
상기 비극성 용매는 바람직하게 알칸 및 사이클로 알칸으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이러한 경우 반응성 및 용해도가 낮고 수분 관리가 용이한 유기용매를 함유하면서도 박막 형성 시 증착 온도가 증가되더라도 단차 피복성(step coverage)이 향상되는 이점이 있다.
보다 바람직한 예로, 상기 비극성 용매는 C1 내지 C10의 알칸(alkane) 또는 C3 내지 C10의 사이클로알칸(cycloalkane)을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 C3 내지 C10의 사이클로알칸(cycloalkane)이고, 이 경우 반응성 및 용해도가 낮고 수분 관리가 용이한 이점이 있다.
본 기재에서 C1, C3 등은 탄소수를 의미한다.
상기 사이클로알칸은 바람직하게는 C3 내지 C10의 모노사이클로알칸일 수 있으며, 상기 모노사이클로알칸 중 사이클로펜탄(cyclopentane)이 상온에서 액체이며 가장 증기압이 높아 기상 증착 공정에서 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비극성 용매는 일례로 물에서의 용해도(25℃)가 200 mg/L 이하, 바람직하게는 50 내지 200 mg/L, 보다 바람직하게는 135 내지 175 mg/L이고, 이 범위 내에서 Ti계 박막 전구체에 대한 반응성이 낮고 수분 관리가 용이한 이점이 있다.
본 기재에서 용해도는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용하는 측정 방법이나 기준에 의하는 경우 특별히 제한되지 않고, 일례로 포화용액을 HPLC법으로 측정할 수 있다.
상기 비극성 용매는 바람직하게 Ti계 박막 전구체 및 비극성 용매를 합한 총 중량에 대하여 5 내지 95 중량%를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 10 내지 90 중량%를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 40 내지 90 중량%를 포함할 수 있고, 가장 바람직하게는 70 내지 90 중량%를 포함할 수 있다.
만약, 상기 비극성 용매의 함량이 상기 상한치를 초과하여 투입되면 불순물을 유발하여 저항과 박막내 불순물 수치가 증가하고, 상기 유기용매의 함량이 상기 하한치 미만으로 투입될 경우 용매 첨가로 인한 단차 피복성의 향상 효과 및 염소(Cl) 이온과 같은 불순물의 저감효과가 적은 단점이 있다.
상기 박막 제조 방법은 일례로 하기 수학식 1로 계산되어지는 사이클당 박막 성장률(Å/Cycle)
Figure pat00001
감소율이 -5 % 이하이고, 바람직하게는 -10 % 이하, 보다 바람직하게는 -20 % 이하이고, 더욱 바람직하게는 -30 % 이하, 보다 더욱 바람직하게는 -40 % 이하, 가장 바람직하게는 -45 % 이하이며, 이 범위 내에서 단차 피복성 및 막의 두께 균일성이 우수하다.
[수학식 1]
사이클당 박막 성장률 감소율(%) = [(박막 형성용 성장 억제제를 사용했을 때 사이클당 박막 성장률 - 박막 형성용 성장 억제제를 사용하지 않았을 때 사이클당 박막 성장률) / 박막 형성용 성장 억제제를 사용하지 않았을 때 사이클당 박막 성장률] X 100
상기 박막 제조 방법은 SIMS에 의거하여 측정된, 200 사이클 후 형성된 박막 내 잔류 할로겐 세기(c/s)가 바람직하게 10,000 이하, 보다 바람직하게 8,000 이하, 더욱 바람직하게 7,000 이하, 보다 더욱 바람직하게 6,000 이하일 수 있고, 이러한 범위 내에서 부식 및 열화가 방지되는 효과가 우수하다.
본 기재에서 퍼징은 바람직하게 1,000 내지 10,000 sccm, 보다 바람직하게 2,000 내지 7,000 sccm, 더욱 바람직하게 2,500 내지 6,000 sccm이고, 이 범위 내에서 사이클당 박막 성장률이 바람직한 범위로 감소되고, 공정 부산물이 저감되는 효과가 있다.
상기 ALD(원자층 증착공정)은 높은 종횡비가 요구되는 집적회로(IC: Integrated Circuit) 제작에 있어서 매우 유리하며, 특히 자기제한적인 박막 성장 메커니즘에 의해 우수한 단차 도포성 (conformality), 균일한 피복성 (uniformity) 및 정밀한 두께 제어 등과 같은 이점이 있다.
상기 박막 제조 방법은 일례로 50 내지 900 ℃ 범위의 증착 온도에서 실시할 수 있고, 바람직하게는 300 내지 700 ℃ 범위의 증착 온도에서, 보다 바람직하게는 350 내지 600 ℃ 범위의 증착 온도에서 실시하는 것이며, 더욱 바람직하게는 400 내지 550 ℃ 범위의 증착 온도에서 실시하는 것이고, 보다 더욱 바람직하게는 400 내지 500 ℃ 범위의 증착 온도에서 실시하는 것인데, 이 범위 내에서 ALD 공정 특성을 구현하면서 우수한 막질의 박막으로 성장시키는 효과가 크다.
상기 박막 제조 방법은 일례로 0.1 내지 10 Torr 범위의 증착 압력에서 실시할 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 5 Torr 범위의 증착 압력에서, 가장 바람직하게는 1 내지 3 Torr 범위의 증착 압력에서 실시하는 것인데, 이 범위 내에서 균일한 두께의 박막을 얻는 효과가 있다.
본 기재에서 증착 온도 및 증착 압력은 증착 챔버 내 형성되는 온도 및 압력으로 측정되거나, 증착 챔버 내 기판에 가해지는 온도 및 압력으로 측정될 수 있다.
상기 박막 제조 방법은 바람직하게 상기 박막 형성용 성장 억제제를 챔버 내에 투입하기 전에 챔버 내 온도를 증착 온도로 승온하는 단계; 및/또는 상기 박막 형성용 성장 억제제를 챔버 내에 투입하기 전에 챔버 내에 비활성 기체를 주입하여 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 박막 제조 방법을 구현할 수 있는 박막 제조 장치로 ALD 챔버, 박막 형성용 성장 억제제를 기화하는 제1 기화기, 기화된 박막 형성용 성장 억제제를 ALD 챔버 내로 이송하는 제1 이송수단, Ti계 박막 전구체를 기화하는 제2 기화기 및 기화된 Ti계 박막 전구체를 ALD 챔버 내로 이송하는 제2 이송수단을 포함하는 박막 제조 장치를 포함할 수 있다. 여기에서 기화기 및 이송수단은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용되는 기화기 및 이송수단인 경우 특별히 제한되지 않는다.
구체적인 예로서, 상기 박막 제조 방법에 대해 설명하면,
먼저 상부에 박막이 형성될 기판을 원자층 증착이 가능한 증착 챔버 내에 위치시킨다.
상기 기판은 실리콘 기판, 실리콘 옥사이드 등의 반도체 기판을 포함할 수 있다.
상기 기판은 그 상부에 도전층 또는 절연층이 더 형성되어 있을 수 있다.
상기 증착 챔버 내에 위치시킨 기판 상에 박막을 증착하기 위해서 상술한 박막 형성용 성장 억제제와, Ti계 박막 전구체 또는 이와 비극성 용매의 혼합물을, 각각 준비한다.
이후 준비된 박막 형성용 억제제를 기화기 내로 주입한 후 증기상으로 변화시켜 증착 챔버로 전달하여 기판 상에 흡착시키고, 미흡착된 박막 형성용 억제제를 퍼징(purging)시킨다.
다음으로, 준비된 Ti계 박막 전구체 또는 이와 비극성 용매의 혼합물을 기화기 내로 주입한 후 증기상으로 변화시켜 증착 챔버로 전달하여 기판 상에 흡착시키고, 미흡착된 박막 형성용 조성물을 퍼징(purging)시킨다.
본 기재에서 박막 형성용 억제제 및 Ti계 박막 전구체 등을 증착 챔버로 전달하는 방식은 일례로 기체상 유량 제어(Mass Flow Controller; MFC) 방법을 활용하여 휘발된 기체를 이송하는 방식(Vapor Flow Control; VFC) 또는 액체상 유량 제어 (Liquid Mass Flow Controller; LMFC) 방법을 활용하여 액체를 이송하는 방식(Liquid Delivery System; LDS)을 사용할 수 있고, 바람직하게는 LDS 방식을 사용하는 것이다.
이때 박막 형성용 억제제 및 Ti계 박막 전구체 등을 기판 상에 이동시키기 위한 운송 가스 또는 희석 가스로는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합 기체를 사용할 수 있으나, 제한되는 것은 아니다.
본 기재에서 퍼지 가스로는 일례로 비활성 가스가 사용될 수 있고, 바람직하게는 상기 운송 가스 또는 희석 가스를 사용할 수 있다.
다음으로, 반응가스를 공급한다. 상기 반응가스로는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용되는 반응가스인 경우 특별히 제한되지 않고, 바람직하게 환원제, 질화제 또는 산화제를 포함할 수 있다. 상기 환원제와 기판에 흡착된 Ti계 박막 전구체가 반응하여 금속 박막이 형성되고, 상기 질화제에 의해서는 금속질화물 박막이 형성되며, 상기 산화제에 의해서는 금속산화물 박막이 형성된다.
바람직하게는 상기 환원제는 암모니아 가스(NH3) 또는 수소 가스(H2)일 수 있고, 상기 질화제는 질소 가스(N2)일 수 있으며, 상기 산화제는 H2O, H2O2, O2, O3 및 N2O으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
다음으로, 비활성 가스를 이용하여 반응하지 않은 잔류 반응가스를 퍼징시킨다. 이에 따라, 과량의 반응가스뿐만 아니라 생성된 부산물도 함께 제거할 수 있다.
위와 같이, 박막 형성용 억제제를 기판 상에 흡착시키는 단계, 미흡착된 박막 형성용 억제제를 퍼징하는 단계, Ti계 박막 전구체를 기판 상에 흡착시키는 단계, 미흡착된 박막 형성용 조성물을 퍼징하는 단계, 반응가스을 공급하는 단계, 잔류 반응가스를 퍼징하는 단계를 단위 사이클로 하며, 원하는 두께의 박막을 형성하기 위해, 상기 단위 사이클을 반복할 수 있다.
상기 단위 사이클은 일례로 100 내지 1000회, 바람직하게는 100 내지 500회, 보다 바람직하게는 150 내지 300회일 수 있고, 이 범위 내에서 목적하는 박막 특성이 잘 발현되는 효과가 있다.
하기 도 1은 종래의 ALD 공정을 설명하기 위한 공정도이고, 하기 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 공정을 설명하기 위한 공정도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 ALD 공정에서와 같이 본 발명에 따른 박막 형성용 성장 억제제(Inhibitor)를 Ti계 박막 전구체(TiCl4)를 흡착시키기 전에 먼저 흡착시켜 기판 표면을 보호(protection)하지 않는 경우 반응가스(NH3)와 반응하여 형성된 박막(TiN)에 HCl과 같은 공정 부산물이 남게 되어 부식이나 열화로 기판의 성능을 저하시킨다. 그러나 도 2에서와 같이 본 발명에 따른 박막 형성용 성장 억제제(Inhibitor; TSI)를 Ti계 박막 전구체(TiCl4)을 흡착시키기 전에 먼저 흡착시켜 기판 표면을 보호(Surface Protection; SP)하는 경우 박막(TiN) 형성 시 반응가스(NH3)와 반응하여 발생된 HCl과 같은 공정 부산물이 박막 형성용 성장 억제제와 함께 제거됨으로써 기판의 부식이나 열화를 방지하고, 나아가 사이클당 박막 성장률을 적절히 낮추어 단차 피복성 및 박막 두께의 균일성 또한 개선시킨다.
본 발명의 박막 형성용 성장 억제제는 바람직하게 하기 화학식 1
[화학식 1]
AnBmXo
(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 할로겐이고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이다.)로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하고, 이와 같은 경우 박막 형성 시 부반응을 억제하여 박막 성장률을 낮추고 또한 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 부식이나 열화가 저감되고 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 단차 피복성(step coverage) 및 박막의 두께 균일성을 크게 향상시키는 효과가 있다.
상기 B는 바람직하게 수소 또는 메틸이고, 상기 n은 바람직하게 2 내지 15의 정수, 보다 바람직하게 2 내지 10의 정수, 더욱 바람직하게 2 내지 6의 정수, 보다 더욱 바람직하게 4 내지 6의 정수이며, 이 범위 내에서 공정 부산물 제거 효과가 크고 단차 피복성이 우수하다.
상기 화학식 1에서 X는 일례로 F, Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게 Cl(염소)일 수 있으며, 이 경우 부반응을 억제하고 공정 부산물을 효과적으로 제거하는 효과가 있다.
상기 화학식 1에서 상기 o는 바람직하게 1 내지 5의 정수일 수 있고, 보다 바람직하게 1 내지 3의 정수일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 또는 2일 수 있고, 이 범위 내에서 증착 속도의 감소효과가 커 단차 피복성 개선에 더욱 효과적인 이점이 있다.
상기 m은 바람직하게는 1 내지 2n+1이고, 보다 바람직하게는 3 내지 2n+1이며, 이 범위 내에서 공정 부산물 제거 효과가 크고 단차 피복성이 우수하다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 바람직하게 분지형, 환형 또는 방향족 화합물일 수 있고, 구체적인 예로 1,1-디클로로에탄, 1,2-디클로로에탄, 디클로로메탄, 2-클로로프로판, 1-클로로프로판, 1,2-디클로로프로판, 1,3-디클로로프로판, 2,2-디클로로프로판, 1-클로로펜탄, 2-클로로펜탄, 3-클로로펜탄, 클로로사이클로페탄, n-부틸클로라이드, tert-부틸 클로라이드, sec-부틸 클로라이드, 이소부틸 클로라이드, 1,2-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 트리메틸클로로실란, 트리클로로프로판, 2-클로로-2-메틸부탄 및 2-메틸-1-펜탄 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며, 이 경우 공정 부산물 제거 효과가 크고 단차 피복성이 우수한 이점이 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 바람직하게 원자층 증착(ALD) 공정에 사용되는 것이며, 이 경우 Ti계 박막 전구체의 흡착을 방해하지 않으면서 성장 억제제로서 기판의 표면을 효과적으로 보호(Surface Protection; SP)하고 공정 부산물을 효과적으로 제거하는 이점이 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 바람직하게 상온(22℃)에서 액체이고, 밀도가 0.8 내지 1.5 g/cm3이며, 증기압(20℃)이 1 내지 300 mmHg이고, 물에서의 용해도(25℃)가 200 mg/L 이하일 수 있으며, 이 범위 내에서 단차 피복성 및 박막의 두께 균일성이 우수한 효과가 있다.
보다 바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 밀도가 0.85 내지 1.3 g/cm3이며, 증기압(20℃)이 1 내지 260 mmHg이고, 물에서의 용해도(25℃)가 160 mg/L 이하일 수 있으며, 이 범위 내에서 단차 피복성 및 박막의 두께 균일성이 우수한 효과가 있다.
본 발명의 반도체 기판은 본 기재의 박막 제조 방법으로 제조됨을 특징으로 하고, 이러한 경우 부반응을 억제하여 박막 성장률을 적절히 낮추고 또한 박막 내 공정 부산물을 제거함으로써, 부식이나 열화가 방지되고, 단차 피복성(step coverage) 및 박막의 두께 균일성이 크게 뛰어난 효과가 있다.
상기 제조된 박막은 바람직하게 두께가 20 nm 이하이고, 비저항 값이 0.1 내지 400 μΩ·cm이며, 할로겐 함량이 10,000 ppm 이하이고, 단차피복율이 90% 이상이며, 이 범위 내에서 확산 방지막으로서 성능이 뛰어나고, 금속 배선재료의 부식이 저감되는 효과가 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 박막은 두께가 일례로 5 내지 20 nm, 바람직하게는 10 내지 20 nm, 보다 바람직하게는 15 내지 18.5 nm, 더욱 바람직하게는 17 내지 18.5 nm일 수 있고, 이 범위 내에서 박막 특성이 우수한 효과가 있다.
상기 박막은 비저항 값이 일례로 0.1 내지 400 μΩ·cm, 바람직하게는 50 내지 400 μΩ·cm, 보다 바람직하게는 200 내지 400 μΩ·cm, 더욱 바람직하게는 300 내지 400 μΩ·cm, 보다 더욱 바람직하게는 330 내지 380 μΩ·cm, 가장 바람직하게는 340 내지 370 μΩ·cm일 수 있고, 이 범위 내에서 박막 특성이 우수한 효과가 있다.
상기 박막은 할로겐 함량이 보다 바람직하게는 9,000 ppm 이하 또는 1 내지 9,000 ppm, 더욱 바람직하게는 8,500 ppm 이하 또는 100 내지 8,500 ppm, 보다 더욱 바람직하게는 8,200 ppm 이하 또는 1,000 내지 8,200 ppm일 수 있고, 이 범위 내에서 박막 특성이 우수하면서도 금속 배선재료의 부식이 저감되는 효과가 있다.
상기 박막은 일례로 단차 피복률이 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 92% 이상이며, 이 범위 내에서 복잡한 구조의 박막이라도 용이하게 기판에 증착시킬 수 있어 차세대 반도체 장치에 적용 가능한 이점이 있다.
상기 제조된 박막은 일례로 TiN 이거나 TiO2 박막일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 도면을 제시하나, 하기 실시예 및 도면은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1 내지 7
하기 표 1에 기재된 박막 형성용 성장 억제제와, Ti계 박막 전구체로 TiCl4를 각각 준비하였다. 준비된 박막 형성용 성장 억제제를 캐니스터에 담아 상온에서 LMFC(Liquid Mass Flow Controller)를 이용하여 0.05 g/min의 유속으로 150 ℃로 가열된 기화기로 공급하였다. 기화기에서 증기상으로 기화된 박막 형성용 성장 억제제를 3초 동안 기판이 로딩된 증착 챔버에 투입한 후 아르곤 가스를 3000 sccm으로 6초 동안 공급하여 아르곤 퍼징을 실시하였다. 이때 반응 챔버내 압력은 1.3 Torr로 제어하였다. 다음으로 준비된 TiCl4를 별도의 캐니스터에 담아 상온에서 LMFC(Liquid Mass Flow Controller)를 이용하여 0.05 g/min의 유속으로 150 ℃로 가열된 별도의 기화기로 공급하였다. 기화기에서 증기상으로 기화된 TiCl4를 3초 동안 증착 챔버에 투입한 후 아르곤 가스를 3000 sccm으로 6초 동안 공급하여 아르곤 퍼징을 실시하였다. 이때 반응 챔버내 압력은 1.3 Torr로 제어하였다. 다음으로 반응성 가스로서 암모니아를 5초 동안 상기 반응 챔버에 투입한 후, 10초 동안 아르곤 퍼징을 실시하였다. 이때 금속 박막이 형성될 기판을 460 ℃로 가열하였다. 이와 같은 공정을 200회 반복하여 자기-제한 원자층인 TiN 박막을 형성하였다.
구분 박막 형성용 성장 억제제
실시예 1 2-chloro-2-methylbutane
실시예 2 n-butyl chloride
실시예 3 trimethylchlorosilane
실시예 4 2-chloropropane
실시예 5 1,2,3-trichloropropane
실시예 6 2-methyl-1-pentane
실시예 7 1,2-dichlorobenzene
비교예 1
실시예 1에서 박막 형성용 성장 억제제를 사용하지 않은 것과 이에 따라 미흡착 박막 형성용 성장 억제제를 퍼징하는 단계를 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 기판 위에 TiN 박막을 형성하였다.
비교예 2 및 3
실시예 1에서 상기 표 1에 기재된 박막 형성용 성장 억제제가 아닌 펜탄(Pentane) 또는 시클로펜탄(Cyclopentane)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 기판 위에 TIN 박막을 형성하였다.
[실험예]
1) 증착평가
하기 표 2를 참조하여, chloro-2-methylbutane을 박막 형성용 성장 억제제로 사용한 실시예 1과 이를 포함하지 않은 비교예 1을 비교하였다. 그 결과 증착 속도는 0.20 Å/Cycle이고, 비교예 1과 비교하였을 때 55.5 % 이상 증착 속도가 감소하였다. 나머지 실시예 2 내지 7도 실시예 1과 유사한 값의 증착 속도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 박막 형성용 성장 억제제 대신 펜탄 또는 시클로펜탄을 사용한 비교예 2 및 3도 비교예 1과 동일한 값의 증착 속도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이때 증착 속도 감소는 CVD 증착 특성을 ALD 증착 특성으로 변화시키는 것을 의미하기 때문에 단차 피복 특성 개선의 지표로 활용될 수 있다.
구분 성장 억제제 증착 속도 (Å/cycle)
실시예 1 2-chloro-2-methylbutane 0.20
실시예 2 n-butyl chloride 0.31
실시예 3 trimethylchlorosilane 0.28
실시예 4 2-chloropropane 0.20
실시예 5 1,2,3-trichloropropane 0.32
실시예 6 2-methyl-1-pentane 0.28
실시예 7 1,2-dichlorobenzene 0.30
비교예 1 X 0.45
비교예 2 Pentane 0.45
비교예 3 Cyclopentane 0.45
또한, 하기 표 3에 나타낸 바와 같이, 박막 형성용 성장 억제제인 chloro-2-methylbutane의 주입양에 따라 증착 속도는 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 여기에서 실시예 1-1은 실시예 1에서 사이클당 박막 형성용 성장 억제제의 주입량을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였다.
구분 비교예 1 실시예 1 실시예 1-1
ALD cycle당 주입량 (mg/cycle) 0 1.6 3.2
증착 속도 (Å/cycle) 0.45 0.20 0.02
2) 불순물 저감특성
실시예 1 및 비교예 1에서 증착된 TiN 박막의 불순물 저감특성, 즉 공정 부산물 저감특성을 비교하기 위해 SIMS 분석을 진행하였고, 그 결과는 아래 표 4에 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예 1
ALD cycle당 주입량 (mg/cycle) 1.6 0
Cl intensity (c/s) 5907.05 17270.25
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 형성용 성장 억제제를 사용한 실시예 1이 이를 사용하지 않은 비교예 1에 비하여 1/3 수준으로 감소함을 확인할 수 있었다.
또한, 하기 도 3은 본 발명의 실시예 7(SP-TiCl4) 및 비교예 1(TiCl4)의 ALD 사이클 증가에 따른 박막 두께 변화를 나타내는 그래프로, 실시예 7의 경우 박막의 두께가 크게 얇아진 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 4는 본 발명의 실시예 7-1 내지 7-3 및 비교예 1의 ALD 사이클 당 박막 형성용 성장 억제제(SP)의 피딩(feeding) 시간에 따른 증착속도 변화를 나타내는 그래프로, 비교예 1과 같이 본 발명에 따른 박막 형성용 억제제를 사용하지 않은 경우 사이클당 증착속도가 대략 0.45 Å/cycle이었던 것이, 본 발명에 따른 박막 형성용 억제제를 각각 0.7 초, 1 초, 2 초 투입한 실시예 7-1, 7-2, 7-3의 경우에는 증착속도가 각각 0.35 Å/cycle, 0.2 Å/cycle, 0.1 Å/cycle로 크게 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 여기에서 실시예 7-1, 7-2, 7-3은 실시예 7에서 박막 형성용 성장 억제제의 투입량을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였다.
3) 단차 피복 특성
실시예 1 및 비교예 1에서 증착된 TiN 박막을 TEM을 이용하여 단차 피복성을 확인하였고, 그 결과는 하기 표 5 및 도 5에 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예 1
단차 피복율(%) 92% 78%
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 형성용 성장 억제제를 사용한 실시예 1이 이를 사용하지 않은 비교예 1에 비하여 단차 피복율이 현저히 높은 것을 확인할 수 있었다.
또한, 하기 도 5의 TEM 사진을 참작하면, 실시예 1(SP-TiCl4)에서 증착된 TIN 박막의 Top과 bottom의 두께 균일도는 비교예 1(TiCl4)에서 증착된 TIN 박막 대비 단차 도포성(conformality)이 더 우수함을 확인할 수 있었다.

Claims (16)

  1. ⅰ) 하기 화학식 1로 표시되는 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계; 및 ⅱ) 성장 억제제가 흡착된 기판 표면에 테트라할로겐화 티타늄을 흡착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
    [화학식 1]
    AnBmXo
    (상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 할로겐이고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 ⅰ) 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계는 기판 표면에 박막 형성용 성장 억제제의 공급 시간(Feeding Time)이 1 내지 10 초인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 ⅰ) 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계는 박막 형성용 성장 억제제를 ALD 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 흡착시키는 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 ⅰ) 박막 형성용 성장 억제제를 기판 표면에 흡착시키는 단계는 기판 표면에 흡착되지 않은 잔류 박막 형성용 성장 억제제를 퍼지 가스로 퍼징하는 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 ⅱ) 테트라할로겐화 티타늄을 흡착시키는 단계는 흡착되지 않은 잔류 테트라할로겐화 티타늄을 퍼지 가스로 퍼징하는 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 제조 방법은 기판 표면에 테트라할로겐화 티타늄을 흡착시킨 후 반응가스를 공급하는 단계 및 테트라할로겐화 티타늄과 반응가스의 반응 부산물을 퍼지 가스로 퍼징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 반응가스는 환원제, 질화제 또는 산화제인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 형성용 성장 억제제 및 테트라할로겐화 티타늄은 VFC 방식, DLI 방식 또는 LDS 방식에 의해 기판 표면으로 이송되는 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 형성용 성장 억제제와 상기 테트라할로겐화 티타늄의 기판 표면에 투입량(mg/cycle) 비가 1 : 1.5 내지 1 : 20인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 X는 염소(Cl)인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 상기 o는 1 내지 5의 정수인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 분지형, 환형 또는 방향족 화합물인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 상온(22℃)에서 액체이고, 밀도가 0.8 내지 1.5 g/cm3이며, 증기압(20℃)이 1 내지 300 mmHg이고, 물에서의 용해도(25℃)가 200 mg/L 이하인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 제조 방법은 하기 수학식 1로 계산되어지는 사이클당 박막 성장률(Å/Cycle) 감소율이 -5 % 이하인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
    [수학식 1]
    사이클당 박막 성장률 감소율(%) = [(박막 형성용 성장 억제제를 사용했을 때 사이클당 박막 성장률 - 박막 형성용 성장 억제제를 사용하지 않았을 때 사이클당 박막 성장률) / 박막 형성용 성장 억제제를 사용하지 않았을 때 사이클당 박막 성장률] X 100
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 박막 제조 방법은 SIMS에 의거하여 측정된, 200 사이클 후 형성된 박막 내 잔류 할로겐 세기(c/s)가 10,000 이하인 것을 특징으로 하는
    박막 제조 방법.
  16. ALD 챔버,
    박막 형성용 성장 억제제를 기화하는 제1 기화기,
    기화된 박막 형성용 성장 억제제를 ALD 챔버 내로 이송하는 제1 이송수단,
    테트라할로겐화 티타늄을 기화하는 제2 기화기 및
    기화된 테트라할로겐화 티타늄을 ALD 챔버 내로 이송하는 제2 이송수단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    박막 제조 장치.
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