KR20210149411A - 박막 증착 방법 - Google Patents

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KR20210149411A
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film forming
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류희성
김대규
서경천
편승철
조가은
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주식회사 원익아이피에스
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Abstract

본 기술은 두께가 균일하고 막질이 치밀한 박막을 형성할 수 있는 박막 증착 방법을 제공하기 위한 것으로, 내부에 처리 공간이 형성된 챔버, 상기 처리 공간에 구비되어 기판이 안착되는 기판지지부, 상기 기판지지부로 가스를 분사하는 가스분사장치, 상기 기판지지부와 상기 가스분사장치 중 적어도 어느 하나에 고주파 전원을 인가하여 상기 챔버 내부에 플라즈마를 발생시켜 상기 기판 상에 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법으로서, 상기 가스분사장치를 통해 상기 챔버 내부로 제3소스가스, 퍼지가스 및 처리가스를 공급하여 상기 기판을 전처리하는 전처리 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 단계; 및 상기 챔버 내부로 제1소스가스, 제2소스가스, 상기 제3소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 박막을 형성하는 성막 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 단계를 포함하고, 상기 전처리 공정을 수행하는 단계는, 상기 챔버 내부에 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제1전처리단계; 및 상기 고주파 전원을 차단하고, 상기 챔버 내부에 상기 퍼지가스, 상기 처리가스 및 상기 제3소스가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제3소스가스를 흡착 및 반응시키는 제2전처리단계를 포함한다.

Description

박막 증착 방법{METHOD FOR DEPOSITION OF THIN FILM}
본 발명은 반도체막 형성 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 박막 증착 방법에 관한 것이다.
반도체 집적소자의 크기가 점점 작아지고 형상이 복잡해짐에 따라 스탭 커버리지(Step coverage)가 높고, 종횡비(Aspect ratio)가 큰 하부 구조 상에 균일하고 얇은 두께의 박막을 형성하기 위한 기술이 요구되고 있다.
이에 따라 화학기상증착 반응을 이용하면서 전구체와 반응체를 시분할로 주입하여 기판 표면에서 이루어지는 자기제어반응을 이용하여 박막의 두께를 정확히 조절하는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방식이 이용되고 있다. 그리고, 전구체와 반응체의 반응 속도를 향상시키고 증착 박막의 막질을 개선하기 위해 ALD 공정에 플라즈마 기술을 적용한 플라즈마 ALD 기술이 개발되었다.
그럼에도 불구하고 반도체 패턴의 미세화 및 조밀화에 따라 패턴의 오목부, 측벽, 상단부에 균일한 두께의 박막을 증착하는 것은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다.
본 기술의 실시예는 두께가 균일하고 막질이 치밀한 박막을 형성할 수 있는 박막 증착 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 내부에 처리 공간이 형성된 챔버, 상기 처리 공간에 구비되어 기판이 안착되는 기판지지부, 상기 기판지지부로 가스를 분사하는 가스분사장치, 상기 기판지지부와 상기 가스분사장치 중 적어도 어느 하나에 고주파 전원을 인가하여 상기 챔버 내부에 플라즈마를 발생시켜 상기 기판 상에 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법으로서, 상기 가스분사장치를 통해 상기 챔버 내부로 제3소스가스, 퍼지가스 및 처리가스를 공급하여 상기 기판을 전처리하는 전처리 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 단계; 및 상기 챔버 내부로 제1소스가스, 제2소스가스, 상기 제3소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 박막을 형성하는 성막 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 단계를 포함하고, 상기 전처리 공정을 수행하는 단계는, 상기 챔버 내부에 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제1전처리단계; 및 상기 고주파 전원을 차단하고, 상기 챔버 내부에 상기 퍼지가스, 상기 처리가스 및 상기 제3소스가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제3소스가스를 흡착 및 반응시키는 제2전처리단계를 포함할 수 있다.
상기 박막 증착이 완료될때까지 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 지속적으로 공급할 수 있다. 상기 퍼지가스는 아르곤가스를 포함하고, 상기 처리가스는 수소가스를 포함할 수 있다. 상기 전처리 공정 및 상기 성막 공정을 복수회 반복 실시하여 상기 박막을 형성하되, 상기 전처리 공정을 1회 진행할때마다 상기 제1전처리단계 및 상기 제2전처리단계를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 상기 전처리 공정은 1 Torr 내지 10 Torr 범위내의 압력에서 진행하되, 상기 제1전처리단계에서의 압력과 상기 제2전처리단계에서의 압력이 동일하거나, 또는 상기 제2전처리단계에서의 압력이 상기 제1전처리단계에서의 압력보다 더 높을 수 있다. 상기 전처리 공정은 550℃ 이하의 온도에서 수행되고, 상기 전처리 공정의 제2전처리단계에서 상기 제3소스가스의 반응은 상기 온도에 의존하여 진행될 수 있다. 상기 제1소스가스는 할로겐화물 계열의 실리콘 소스가스를 포함하고, 상기 제2소스가스는 실리콘, 카본 및 수소가 혼합된 화합물 또는 카본 및 수소가 혼합된 화합물을 포함하며, 상기 제3소스가스를 질소함유가스를 포함할 수 있다.
상기 성막 공정을 수행하는 단계는, 상기 제1소스가스 및 상기 제2소스가스를 이용하여 예비-박막을 형성하는 제1성막 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 제1성막단계; 및 상기 예비-박막에 상기 제3소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 박막을 형성하는 제2성막 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 제2성막단계를 포함하고, 상기 전처리 공정 및 상기 성막 공정을 복수회 반복 실시하여 상기 박막을 형성하되, 상기 성막 공정을 1회 진행할때마다 상기 제1성막단계 및 상기 제2성막단계를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다.
상기 제1성막단계는, 상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제1소스가스 및 상기 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제1단계; 및 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제2단계를 포함하고, 상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계와 상기 제2단계를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다.
상기 제1성막단계는, 상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제1소스가스를 흡착시키는 제1단계; 상기 챔버 내부로 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제2단계; 및 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제3단계를 포함하고, 상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계 내지 상기 제3단계를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다.
상기 제1성막단계는, 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제1단계; 상기 고주파 전원을 차단하고, 상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 제1소스가스 및 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제2단계; 및 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제3단계를 포함하고, 상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계 내지 상기 제3단계를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다.
상기 제1성막단계는, 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제1단계; 상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 제1소스가스를 흡착시키는 제2단계; 상기 챔버 내부로 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제3단계; 및 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제4단계를 포함하고, 상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계 내지 상기 제4단계를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다.
상기 제2성막단계는 상기 고주파 전원이 차단된 상태에서 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스, 상기 처리가스 및 상기 제3소스가스를 공급하여 상기 제3소스가스를 상기 예비-박막에 흡착 및 반응시켜 상기 박막을 형성할 수 있다. 상기 제2성막단계는 550℃ 이하의 온도에서 수행되고, 상기 제2성막단계에서 상기 제3소스가스의 반응은 상기 온도에 의존하여 진행될 수 있다.
상기 성막 공정은 1 Torr 내지 10 Torr 범위내의 압력에서 진행하되, 상기 제1성막단계에서의 압력과 상기 제2성막단계에서의 압력이 동일하거나, 상기 제2성막단계에서의 압력이 상기 제1성막단계에서의 압력보다 더 높을 수 있다. 상기 예비-박막은 실리콘카바이드막을 포함하고, 상기 박막은 실리콘카본질화막을 포함할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 하부 패턴이 형성된 기판 상에 두께가 균일하고 막질이 치밀한 박막을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 기술은 조밀하고 미세한 하부 패턴 상에 550℃ 이하의 저온 공정을 통해 우수하고 균일한 막질의 박막을 형성할 수 있기 때문에 후속 공정의 신뢰성 또한 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 7은은 본 발명의 제5실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
후술하는 본 발명의 실시예는 두께가 균일하고 막질이 치밀한 박막을 형성할 수 있는 박막 증착 방법을 제공하기 위한 것이다. 여기서, 박막은 실리콘질화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 증착하고자 하는 박막은 실리콘카본질화막(SiCN)일 수 있다. 이를 위해, 실시예에 따른 박막 증착 방법은 전처리 공정 및 성막 공정을 복수회 반복 실시할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 박막 증착 장치는 챔버(100), 가스 공급기(200) 및 전원 공급기(300)를 포함할 수 있다.
챔버(100)는 상부가 개방된 본체(110) 및 본체(110) 상단을 폐쇄하도록 구성되는 가스분사장치(120)를 포함할 수 있다. 챔버(100) 내부 공간은 증착 공정 등 기판(W)에 대한 처리가 이루어지는 공간일 수 있다. 본체(110) 측면의 지정된 위치에는 기판(W)이 반입 및 반출되는 게이트(G)가 마련될 수 있다. 본체(110)의 저면에는 기판(W)이 안착되는 기판지지부(130)의 지지축(140)이 삽입되는 관통공이 형성될 수 있다.
기판지지부(130)는 상면에 적어도 하나의 기판(W)이 안착되도록 전체적으로 평판 형상을 가지며, 가스분사장치(120)에 대향하여 수평 방향으로 설치될 수 있다. 지지축(140)은 기판지지부(130) 후면에 수직 결합되며, 챔버(100) 저부의 관통공을 통해 외부의 구동부(미도시)와 연결되어 기판지지부(130)를 승강 및 회전시키도록 구성될 수 있다. 기판지지부(130)의 내부에는 히터(132)가 구비되어 상부에 안착된 기판(W)의 온도를 조절할 수 있다. 전원부(170)는 히터(132)로 전원을 공급하여 히터(132)가 발열하도록 구성될 수 있다. 참고로, 기판지지부(130)는 챔버(100) 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 전극(예컨대, 제2전극)으로 작용할 수도 있다.
챔버(100) 내부에 진공 분위기를 형성하기 위해 본체(110)의 지정된 위치 예컨대, 본체(110)의 저면에는 배기구(150)가 형성될 수 있다. 배기구(150)는 외부의 펌프(160)와 연결될 수 있다. 배기구(150)를 통해 챔버(100) 내부를 진공 상태로 만들 수 있고, 공정 간 발생하는 가스를 외부로 배출할 수 있다. 한편, 도 1에는 배기구(150)가 챔버(100)의 저부에 형성된 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 배기구(150)는 챔버(100)의 측면에 형성될 수도 있다.
가스분사장치(120)는 본체(110) 상부에 기판지지부(130)와 대향하도록 설치될 수 있다. 가스분사장치(120)는 가스 공급기(200)로부터 공급되는 다양한 공정가스를 챔버(100) 내부로 분사할 수 있다. 가스분사장치(120)는 샤워헤드 타입, 인젝터 타입, 노즐 타입 등 다양한 방식의 가스분사장치(120) 중에서 선택될 수 있다. 참고로, 가스분사장치(120)는 챔버(100) 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 전극(예컨대, 제1전극)으로 작용할 수 있다.
실시예에 따른 박막 증착 장치에서 가스 공급기(200)는 가스 공급원(210), 밸브(220) 및 가스 공급라인(230)을 포함할 수 있다.
가스 공급원(210)은 복수의 가스 공급원(210)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 가스 공급원(210)은 제1공정가스 내지 제7공정가스를 각각 공급하는 제1가스 공급원(211) 내지 제7가스 공급원(217)을 포함할 수 있다. 제1공정가스, 제3공정가스 및 제5공정가스는 소스가스일 수 있고, 제2공정가스 및 제4공정가스는 캐리어가스일 수 있다. 그리고, 제6공정가스는 퍼지가스일 수 있고, 제7공정가스는 처리가스(또는 환원가스)일 수 있다.
구체적으로, 제1공정가스는 제1소스가스일 수 있고, 제1소스가스는 실리콘 소스가스일 수 있다. 실리콘 소스가스는 클로린(chlorine, Cl) 또는 아이오딘(iodine, I)과 같은 할로겐(halogen) 원소를 포함하는 할로겐화물(Halide) 계열의 실리콘 소스가스일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 소스가스는 디클로로실란(Dichlorosilane, H2SiCl2, DCS), 헥사클로로디실란(Hexachlorodisilane, Cl6Si2, HCDS), 디아이오도실란(Diiodosilane, SiH2I2, DIS), 메틸트라이클로로실란(Methyltrichlorosilane, CH3Cl3Si), 디메틸디클로로실란(Dimethyldichlorosilane, Si(CH3)2Cl2) 및 클로로트리메틸실란(chlorotrimethylsilane, C3H9ClSi)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 제2공정가스는 제1공정가스를 이송하기 위한 제1캐리어가스일 수 있고, 제1캐리어가스는 아르곤가스를 포함할 수 있다. 참고로, 실리콘카본질화막을 형성함에 있어서 할로겐화물 계열의 실리콘 소스가스를 사용하는 것은 할로겐 성분에 의하여 막내 카본-카본 결합이 형성되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 박막 내에 카본-카본 결합이 형성되는 경우 박막의 경도를 향상시킬 수 있으나, 막질 및 약액 내성이 저하되는 부작용을 유발할 수 있기 때문에 막내 카본-카본 결합이 형성되는 것을 최대한 억제하는 것이 바람직하다.
제3공정가스는 제2소스가스일 수 있고, 제2소스가스는 카본 소스가스일 수 있다. 카본 소스가스는 실리콘(Si), 카본(C) 및 수소(H)가 혼합된 화합물(Si-C-H) 또는 카본(C)과 질소(N)가 혼합된 화합물(C-N)일 수 있다. 예를 들어, 카본 소스가스는 트리메틸실란(Trimethylsilane, C3H10Si, 3MS), 테트라메틸실란(Tetramethylsilane, C4H12Si, 4MS) 및 트리에틸아민(Triethylamine, C6H15N)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 제4공정가스는 제3공정가스를 이송하기 위한 제2캐리어가스일 수 있고, 제2캐리어가스는 아르곤가스를 포함할 수 있다.
제5공정가스는 제3소스가스일 수 있고, 제3소스가스는 질소함유가스를 포함할 수 있다. 질소함유가스는 암모니아가스(Ammonia, NH3)를 포함할 수 있다. 암모니아가스는 다른 질소함유가스(예컨대, N2) 대비 플라즈마를 사용하지 않고도 분해가 용이하여 성막 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 암모니아가스는 550℃ 이하의 저온에서 열분해가 용이하다는 이점이 있다. 제6공정가스를 퍼지가스일 수 있고, 퍼지가스를 아르곤가스를 포함할 수 있다. 그리고, 제7공정가스는 전처리 공정 및 성막 공정시 사용되는 플라즈마 처리를 위한 처리가스일 수 있고, 처리가스는 수소가스(H2)를 포함할 수 있다. 처리가스는 성막 공정시 박막 내 잔류하는 불순물을 제거하는 환원가스로 사용될 수도 있다.
밸브(220)는 가스 공급원(210)과 가스 공급라인(230) 사이에 설치되어 각 공정가스가 가스 공급라인(230)으로 공급되거나, 또는 차단되도록 할 수 있다. 밸브(220)는 제1가스 공급원(210) 내지 제7가스 공급원(217)과 제1가스 공급라인(231) 내지 제5가스 공급라인(235) 사이에 각각 설치되는 제1밸브(221) 내지 제7밸브(227)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1가스 공급라인(231)에는 제1밸브(221) 및 제2밸브(222)가 접속될 수 있고, 제2가스 공급라인(232)에는 제3밸브(223) 및 제4밸브(224)가 접속될 수 있다. 이는, 제1소스가스 및 제2소스가스를 각각 제1캐리어가스와 제2캐리어가스와 믹싱하여 챔버(100)에 공급하기 위함이다.
실시예에 따른 박막 증착 장치에서 전원 공급기(300)는 기 설정된 주파수 대역을 갖는 고주파 전원을 플라즈마 전원 소스로 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 전원 공급(300)는 정합기를 포함할 수 있고, 정합기를 통해 고주파 전원의 출력 임피던스와 챔버(100) 내의 부하 임피던스를 상호 매칭시켜 고주파 전원이 챔버(100)로부터 반사됨에 따른 반사 손실을 제거하도록 구성될 수 있다.
전원 공급기(300)는 중심 주파수가 27.12 MHz 내지 60 MHz 범위인 고주파 전원을 제공할 수 있다. 중심 주파수가 13.56 MHz인 고주파 전원을 공급하는 패턴 상에 형성되는 박막의 치밀도가 패턴 상부에 비해 패턴 하부측에서 무르게 나타나는 반면, 중심 주파수가 27.12 MHz 이상인 고주파 전원을 공급하는 경우 패턴의 상부 및 하부에 걸쳐 전체적으로 치밀하고 균일한 막질의 박막을 형성할 수 있다. 한편, 변형예로서, 전원 공급기(300)는 60 MHz 이상의 고주파 전원을 제공하도록 구성될 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 상술한 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 실리콘카본질화막(Silicon Carbon Nitride, SiCN) 증착 방법을 예시하여 설명하기로 한다.
참고로, 종래에는 저온의 증착 공정 방법으로 시간 분할 방식의 원자층 증착(ALD) 방식에 플라즈마를 이용하는 방법을 사용하였으며, 반응소스로는 헥사클로로실란(HCDS)과 같은 할로겐화물 계열의 실리콘 소스가스를 사용하였다. 이때, 실리콘 소스가스는 캐리어가스인 아르곤을 포함하여 챔버로 공급되고, 기판에 실리콘이 흡착되며, 흡착 후 잔여 반응소스는 질소(N2) 또는/및 아르곤의 퍼지가스에 의해 제거된다. 이 후 반응가스인 질소반응물로 질소와 암모니아 가스, 또는 암모니아 가스가 공급됨과 동시에 플라즈마를 가해 가스가 여기되고, 반응가스의 활성종에 의해 기판에 흡착된 실리콘이 질화되면서 실리콘질화막이 형성된다. 이때, 탄소반응물로 탄화수소 가스를 공급하여 탄소를 포함하게 되는 실리콘카본질화막을 형성하게 된다. 여기서, 질소반응물을 공급함과 동시에 플라즈마를 가해 기판 표면에 흡착된 실리콘을 질화시키는 공정을 통해 형성된 실리콘카본질화막은 높은 에칭 레이트를 갖게되는 단점이 있다. 예를 들어, 400℃ 정도의 낮은 온도에서 원자층 증착법으로 성막한 경우, 절연막(즉, 실리콘카본질화막)의 클리닝 시의 에칭 레이트가 매우 크다. 이로 인해, 클리닝 시에 절연막이 과도하게 손실되는 경우가 빈번하게 발생하여 클리닝 시의 절연막 두께의 제어성이 현저히 저하되는 단점이 있다. 또한, 통상적인 반도체 제조 공정에서 실리콘질화막은 에칭 스토퍼막이나 층간절연막으로 사용되는 경우가 많기 때문에 실리콘질화막의 에칭 레이트를 충분히 작게 가져가야할 필요성이 높지만, 종래의 성막방법으로는 이러한 요구를 충족시킬 수 없다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 박막 증착 방법을 간략히 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 제1실시예에 따른 박막 증착 방법은 증착하고자 하는 박막의 목표 두께를 달성할때까지 전처리 공정 및 성막 공정을 복수회 반복 수행할 수 있다. 전처리 공정 및 성막 공정은 동일한 압력 및 동일한 온도에서 진행할 수 있다. 이때, 압력은 1 Torr 내지 10 Torr 범위일 수 있고, 온도는 550℃ 이하 예컨대, 상온 내지 550℃ 범위의 온도일 수 있다. 일례로, 1 Torr 내지 3 Torr 범위의 압력 및 400℃의 온도에서 박막 증착을 진행할 수 있다. 전처리 공정 및 성막 공정에서 사용되는 플라즈마는 중심 주파수가 27.12 MHz 내지 60 MHz 범위의 고주파 전원을 사용하여 생성할 수 있고, 플라즈마를 이용한 개별 공정은 수ms 내지 10초 범위의 시간 동안 진행될 수 있다. 그리고, 증착하고자 하는 박막의 목표 두께를 달성할때까지 챔버(100) 내부로 퍼지가스 및 처리가스가 지속적으로 공급될 수 있다. 이는, 기저층의 형상에 상관없이 두께가 균일하고 막질이 치밀한 박막을 형성함과 동시에 막질 및 약액 내성이 우수한 박막을 형성하기 위함이다.
전처리 공정은 박막이 증착될 기저층의 표면을 개질시키고, 기저층의 표면에 잔류하는 불순물 및 결함을 제거하기 위해 진행할 수 있다. 또한, 전처리 공정은 후속 공정을 통해 형성될 박막과 기저층 사이의 접착력을 향상시키고, 박막의 특성(예컨대, 막질 및 약액 내성)을 향상시키기 위해 진행할 수 있다. 전처리 공정에서 사용되는 제3소스가스(제5공정가스), 퍼지가스(제6공정가스) 및 처리가스(제7공정가스)는 각각 암모니아가스, 아르곤가스 및 수소가스를 포함할 수 있다. 참고로, 기저층은 소정의 패턴이 형성된 것일 수 있으며, 반도체막, 절연막 또는 금속막 등 다양한 물질들로 구성될 수 있다.
전처리 공정은 제1단계 내지 제4단계로 구성될 수 있고, 1회의 전처리 공정시 제1단계 내지 제4단계를 순차적으로 진행하는 제1사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 이때, 전처리 공정의 전체 공정시간을 증가시키지 않고, 제1사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것은 증착하고자 하는 막질을 향상시키기 위해 박막 내부에 잔류하는 불순물을 보다 효과적으로 제거하고, 스트레스에 의한 박막의 박리를 완화시키기 위함이다. 또한, 기저층의 형상에 대응하여 기저층의 전 표면을 대상으로 전처리를 진행하기 위한 것으로, 기저층에 형성된 패턴이 스텝 커버리지(Step coverage)가 높고 종횡비(Aspect ratio)가 클수록 제1사이클의 반복 횟수를 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 전처리 공정의 제1단계는 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 공급하면서 가스분사장치(120)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마에 의해 해리된 수소 라디칼을 이용한 표면처리 단계일 수 있다. 성막 공정 이전에 진행되는 제1단계는 기저층 표면을 개질시키는 역할을 수행할 수 있고, 1회 이상의 성막 공정 후에 진행되는 제1단계는 기 형성된 박막 내부에 잔류하는 불순물을 제거하여 막질을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 여기서, 기 형성된 박막 내부에 잔류하는 불순물은 할로겐 원소 및 수소일 수 있다. 한편, 제1단계에서 퍼지가스는 플라즈마를 생성하는 역할 및 기저층 표면의 자연산화막 또는 불순물을 물리적으로 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
다음으로, 제2단계는 고주파 전원을 차단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제1단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제3단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 챔버(100) 내부로 제3소스가스, 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여 기저층 표면에 제3소스가스 또는 제3소스를 흡착시키는 단계일 수 있다. 1회 이상의 성막 공정 후에 진행되는 제3단계는 플라즈마 없이 열에너지에 의존하여 기 형성된 박막에 제3소스가스를 흡착 및 반응시킬 수 있다. 예를 들어, 제3소스가스가 암모니아가스일 경우, 제3단계는 기 형성된 박막을 질화시키는 단계일 수 있다.
다음으로, 제4단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 제3소스가스의 공급을 중단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여 제3단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
이처럼, 성막 공정을 진행하기 이전에 전처리 공정을 수행함으로써, 기저층의 형상에 상관없이 두께가 균일하고 막질이 치밀한 박막을 형성함과 동시에 막질 및 약액 내성이 우수한 박막을 형성할 수 있다.
성막 공정은 제1소스가스와 제2소스가스를 이용한 제1성막 공정 및 제3소스가스를 이용한 제2성막 공정을 포함할 수 있다. 1회의 성막 공정시 제1성막 공정과 제2성막 공정을 순차적으로 진행하는 제2사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 이때, 제2사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것은 증착하고자 하는 박막의 막질 및 약액 내성을 향상시키기 위함이다.
먼저, 제1성막 공정은 제1단계 내지 제4단계로 구성될 수 있고, 1회의 제1성막 공정시 제1단계 내지 제4단계를 순차적으로 진행하는 제3사이클를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 이때, 1회의 제1성막 공정시 제3사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것은 증착하고자 하는 박막을 구성하는 각 원소들 간의 결합력을 향상시키고, 막내 불순물을 제거하여 막질 및 약액 내성을 향상시키기 위함이다.
구체적으로, 제1성막 공정에서 제1단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 가스분사장치(120)를 통해 챔부 내부에 제1소스가스(제1공정가스), 제1캐리어가스(제2공정가스), 제2소스가스(제3공정가스), 제2캐리어가스(제4공정가스), 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여, 기저층의 표면에 제1소스가스 및 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 예비-박막을 형성하는 단계일 수 있다. 제1소스가스는 실리콘 소스가스일 수 있고, 제2소스가스는 카본 소스가스일 수 있다. 예를 들어, 제1소스가스로는 할로겐(halogen) 원소를 포함하는 할로겐화물(Halide) 계열의 실리콘 소스가스를 사용할 수 있고, 제2소스가스로는 실리콘, 카본 및 수소가 혼합된 화합물 또는 카본과 질소가 혼합된 화합물을 사용할 수 있다.
상술한 제1단계를 통해 기저층의 표면에 예비-박막으로 실리콘과 카본이 결합된 실리콘카바이드막을 형성할 수 있다. 이때, 제1단계에서 형성된 실리콘카바이드막은 플라즈마가 없는 환경에서 형성된 것이기 때문에 막내 다량의 불순물(예컨대, 할로겐 원소, 수소 등)이 함유되어 있어 막질이 열악할 수 있다.
다음으로, 제2단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 제1소스가스, 제2소스가스, 제1캐리어가스 및 제2캐리어가스의 공급을 중단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제1단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제3단계는 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 공급하고, 가스분사장치(120)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마에 의해 해리된 수소 라디칼을 이용하여 제1단계에서 형성된 예비-박막 즉, 실리콘카바이드막 내에 잔류하는 불순물(예컨대, 할로겐 원소, 수소 등)을 제거하는 단계일 수 있다. 수소 라디칼은 실리콘카바이드막 내부로 침투가 용이하고, 막내 잔류하는 할로겐 원소 및 수소와 결합력이 크기 때문에 막내 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 이로써, 박막의 막질 및 약액 내성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 제4단계는 고주파 전원을 차단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제3단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
이처럼, 실리콘카본질화막을 형성함에 있어서, 예비-박막으로 실리콘카바이드막을 형성하되, 비-플라즈마 환경에서 기저층에 제1소스가스 및 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 예비-박막을 형성한 후에 플라즈마를 이용하여 예비-박막 내 불순물을 제거함으로써, 막질 및 약액 내성이 개선된 박막을 형성할 수 있다.
제2성막 공정은 제1단계 및 제2단계로 구성될 수 있고, 1회의 제2성막 공정시 제1단계 및 제2단계를 순차적으로 진행하는 제4사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 이때, 1회의 제2성막 공정시 제4사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것은 기 형성된 예비-박막과 제3소스가스 사이의 결합력을 향상시킴과 동시에 약액 내성을 향상시키기 위함이다.
구체적으로, 제1단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 가스분사장치(120)를 통해 챔부 내부로 제3소스가스, 퍼지가스 및 처리가스를 공급하여, 기 형성된 예비-박막 즉, 실리콘카바이드막에 제3소스가스를 흡착 및 반응시키는 단계일 수 있다. 제3소스가스는 질소함유가스일 수 있고, 질소함유가스로는 암모니아가스를 사용할 수 있다. 다시 말해, 제2성막 공정의 제1단계는 플라즈마 없이 열에너지에 의존하여 기 형성된 실리콘카바이드막을 질화시키는 단계일 수 있다. 이때, 기 형성된 박막을 질화시킴에 있어서, 플라즈마를 사용하지 않고 열에너지에 의존하여 공정을 진행함에 따라 약액 내성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 참고로, 열에너지는 기판지지부(130) 내 히터(132)를 통해 공급되는 것을 지칭할 수 있고, 550℃ 이하의 온도일 수 있다.
다음으로, 제2단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제1단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
이처럼, 제1성막 공정을 통해 형성된 예비-박막을 플라즈마 없이 열에너지에 의존하여 제3소스가스와 반응시켜 박막을 형성함으로써, 막질 및 약액 내성이 개선된 박막을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 제2실시예에 따른 박막 증착 방법은 전처리 공정 및 성막 공정에서 압력 제어를 제외한 나머지 구성이 모두 제1실시예에 따른 박막 증착 방법과 동일하다. 따라서, 설명의 편의를 위해 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
제2실시예에 따른 박막 증착 방법은 제3소스가스를 기 형성된 박막에 흡착 및 반응시키는 단계들을 상대적으로 더 높은 압력에서 진행할 수 있다.
예를 들어, 전처리 공정에서 제1단계, 제2단계 및 제4단계는 1 Torr 내지 3 Torr 범위의 압력에서 진행할 수 있고, 제3소스가스를 이용하는 제3단계는 3 Torr 내지 10 Torr 범위의 압력에서 진행할 수 있다. 이는, 기저층의 형상에 상관없이 두께가 균일한 박막을 형성하기 위한 것이다. 구체적으로, 550℃ 이하, 예컨대, 400℃에서 공정을 진행한다고 가정할 때, 전처리 공정의 제3단계에서 압력이 상승하면 기저층 표면의 온도가 400℃보다 높아지기 때문에 기 형성된 박막과 제3소스가스 사이의 반응성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1, 도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제3실시예에 따른 박막 증착 방법은 제1실시예에 따른 박막 증착 방법과 제1성막 공정만 상이하고, 나머지 구성은 모두 동일하다. 따라서, 설명의 편의를 위해 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
제3실시예에 따른 박막 증착 방법에서 제1성막 공정은 제1단계 내지 제6단계로 구성될 수 있고, 1회의 제1성막 공정시 제1단계 내지 제6단계를 순차적으로 진행하는 제3사이클를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 이때, 1회의 제1성막 공정시 제3사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것은 증착하고자 하는 박막을 구성하는 각 원소들 간의 결합력을 향상시키고, 막내 불순물을 제거하여 막질 및 약액 내성을 향상시키기 위함이다.
구체적으로, 제1단계는 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 공급하면서 가스분사장치(120)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마에 의해 해리된 수소 라디칼을 이용한 플라즈마 처리 단계일 수 있다. 플라즈마 처리는 기 형성된 박막 내외부에 잔류하는 불순물 특히, 수소성분을 제거하기 위한 것일 수 있다.
다음으로, 제2단계는 고주파 전원을 차단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제1단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제3단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 가스분사장치(120)를 통해 챔부 내부에 제1소스가스, 제1캐리어가스, 제2소스가스, 제2캐리어가스, 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여, 기저층의 표면에 제1소스가스 및 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 예비-박막을 형성하는 단계일 수 있다. 제1소스가스는 실리콘 소스가스일 수 있고, 제2소스가스는 카본 소스가스일 수 있다. 예를 들어, 제1소스가스로는 할로겐(halogen) 원소를 포함하는 할로겐화물(Halide) 계열의 실리콘 소스가스를 사용할 수 있고, 제2소스가스로는 실리콘, 카본 및 수소가 혼합된 화합물 또는 카본과 질소가 혼합된 화합물을 사용할 수 있다. 상술한 제3단계를 통해 기저층의 표면에 예비-박막으로 실리콘과 카본이 결합된 실리콘카바이드막을 형성할 수 있다.
다음으로, 제4단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 제1소스가스, 제2소스가스, 제1캐리어가스 및 제2캐리어가스의 공급을 중단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제3단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제5단계는 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 공급하고, 가스분사장치(120)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마에 의해 해리된 수소 라디칼을 이용하여 제3단계에서 형성된 예비-박막 즉, 실리콘카바이드막 내에 잔류하는 불순물(예컨대, 할로겐 원소, 수소 등)을 제거하는 단계일 수 있다. 수소 라디칼은 실리콘카바이드막 내부로 침투가 용이하고, 막내 잔류하는 할로겐 원소 및 수소와 결합력이 크기 때문에 막내 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 이로써, 박막의 막질 및 약액 내성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 제6단계는 고주파 전원을 차단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제5단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
이처럼, 제1성막 공정에서 제1소스가스 및 제2소스가스를 이용하여 예비-박막을 형성하는 단계 전후로 플라즈마 처리를 진행함으로써, 막질 및 약액 내성이 더욱더 개선된 박막을 형성할 수 있다.
한편, 제3실시예에 따른 박막 증착 방법의 변형예로서, 제2실시예와 같이 제3소스가스를 이용한 공정단계는 상대적으로 높은 압력에서 진행할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1, 도 2 및 도 6에 도시한 바와 같이, 제4실시예에 따른 박막 증착 방법은 제1실시예에 따른 박막 증착 방법과 제1성막 공정만 상이하고, 나머지 구성은 모두 동일하다. 따라서, 설명의 편의를 위해 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
제4실시예에 따른 박막 증착 방법에서 제1성막 공정은 제1단계 내지 제6단계로 구성될 수 있고, 1회의 제1성막 공정시 제1단계 내지 제6단계를 순차적으로 진행하는 제3사이클를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 이때, 1회의 제1성막 공정시 제3사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것은 증착하고자 하는 박막을 구성하는 각 원소들 간의 결합력을 향상시키고, 막내 불순물을 제거하여 막질 및 약액 내성을 향상시키기 위함이다.
구체적으로, 제1단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 가스분사장치(120)를 통해 챔부 내부에 제1소스가스, 제1캐리어가스, 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여, 기저층의 표면에 제1소스가스를 흡착시키는 단계일 수 있다. 제1소스가스는 실리콘 소스가스일 수 있고, 제1소스가스로는 할로겐(halogen) 원소를 포함하는 할로겐화물(Halide) 계열의 실리콘 소스가스를 사용할 수 있다.
다음으로, 제2단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 제1소스가스 및 제1캐리어가스의 공급을 중단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제1단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
제3단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 가스분사장치(120)를 통해 챔부 내부에 제2소스가스, 제2캐리어가스, 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여, 제1소스가스가 흡착된 기저층의 표면에 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 예비-박막을 형성하는 단계일 수 있다. 제2소스가스는 카본 소스가스일 수 있고, 제2소스가스로는 실리콘, 카본 및 수소가 혼합된 화합물 또는 카본과 질소가 혼합된 화합물을 사용할 수 있다.
상술한 제1단계 내지 제3단계를 통해 기저층의 표면에 예비-박막으로 실리콘과 카본이 결합된 실리콘카바이드막을 형성할 수 있다. 이때, 제3단계에서 형성된 실리콘카바이드막은 플라즈마가 없는 환경에서 형성된 것이기 때문에 막내 다량의 불순물(예컨대, 할로겐 원소, 수소 등)이 함유되어 있어 막질이 열악할 수 있다.
다음으로, 제4단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 제2소스가스 및 제2캐리어가스의 공급을 중단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제3단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제5단계는 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 공급하고, 가스분사장치(120)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마에 의해 해리된 수소 라디칼을 이용하여 제3단계에서 형성된 예비-박막 즉, 실리콘카바이드막 내에 잔류하는 불순물(예컨대, 할로겐 원소, 수소 등)을 제거하는 단계일 수 있다. 수소 라디칼은 실리콘카바이드막 내부로 침투가 용이하고, 막내 잔류하는 할로겐 원소 및 수소와 결합력이 크기 때문에 막내 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 이로써, 박막의 막질 및 약액 내성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 제6단계는 고주파 전원을 차단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제5단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
이처럼, 실리콘카본질화막을 형성함에 있어서, 예비-박막으로 실리콘카바이드막을 형성하되, 비-플라즈마 환경에서 기저층에 제1소스가스 및 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 예비-박막을 형성한 후에 플라즈마를 이용하여 예비-박막 내 불순물을 제거함으로써, 막질 및 약액 내성이 개선된 박막을 형성할 수 있다.
또한, 제1소스가스 및 제2소스가스를 챔버(100) 내부로 순차적으로 공급하여 예비-박막을 형성함으로써, 챔버(100) 내부의 잔류가스 퍼지가 용이하고, 각 소스가스별로 공급유량을 보다 효과적으로 제어할 수 있다. 이를 통해, 박막의 조성비를 보다 세밀하게 제어할 수 있다.
한편, 제4실시예에 따른 박막 증착 방법의 변형예로서, 제2실시예와 같이 제3소스가스를 이용한 공정단계는 상대적으로 높은 압력에서 진행할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 박막 증착 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1, 도 2 및 도 7에 도시한 바와 같이, 제5실시예에 따른 박막 증착 방법은 제1실시예에 따른 박막 증착 방법과 제1성막 공정만 상이하고, 나머지 구성은 모두 동일하다. 따라서, 설명의 편의를 위해 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
제4실시예에 따른 박막 증착 방법에서 제1성막 공정은 제1단계 내지 제8단계로 구성될 수 있고, 1회의 제1성막 공정시 제1단계 내지 제8단계를 순차적으로 진행하는 제3사이클를 적어도 1회 이상 반복 실시할 수 있다. 이때, 1회의 제1성막 공정시 제3사이클을 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것은 증착하고자 하는 박막을 구성하는 각 원소들 간의 결합력을 향상시키고, 막내 불순물을 제거하여 막질 및 약액 내성을 향상시키기 위함이다.
구체적으로, 제1단계는 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 공급하면서 가스분사장치(120)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마에 의해 해리된 수소 라디칼을 이용한 플라즈마 처리 단계일 수 있다. 플라즈마 처리는 기 형성된 박막 내외부에 잔류하는 불순물 특히, 수소성분을 제거하기 위한 것일 수 있다.
다음으로, 제2단계는 고주파 전원을 차단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제1단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제3단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 가스분사장치(120)를 통해 챔부 내부에 제1소스가스, 제1캐리어가스, 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여, 기저층의 표면에 제1소스가스를 흡착시키는 단계일 수 있다. 제1소스가스는 실리콘 소스가스일 수 있고, 제1소스가스로는 할로겐(halogen) 원소를 포함하는 할로겐화물(Halide) 계열의 실리콘 소스가스를 사용할 수 있다.
다음으로, 제4단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 제1소스가스 및 제1캐리어가스의 공급을 중단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제3단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
제5단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 가스분사장치(120)를 통해 챔부 내부에 제2소스가스, 제2캐리어가스, 퍼지가스 및 처리가스를 주입하여, 제1소스가스가 흡착된 기저층의 표면에 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 예비-박막을 형성하는 단계일 수 있다. 제2소스가스는 카본 소스가스일 수 있고, 제2소스가스로는 실리콘, 카본 및 수소가 혼합된 화합물 또는 카본과 질소가 혼합된 화합물을 사용할 수 있다.
상술한 제5단계를 통해 기저층의 표면에 예비-박막으로 실리콘과 카본이 결합된 실리콘카바이드막을 형성할 수 있다. 이때, 제5단계에서 형성된 실리콘카바이드막은 플라즈마가 없는 환경에서 형성된 것이기 때문에 막내 다량의 불순물(예컨대, 할로겐 원소, 수소 등)이 함유되어 있어 막질이 열악할 수 있다.
다음으로, 제6단계는 고주파 전원이 차단된 상태에서 제2소스가스 및 제2캐리어가스의 공급을 중단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제5단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
다음으로, 제7단계는 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 공급하고, 가스분사장치(120)에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하며, 플라즈마에 의해 해리된 수소 라디칼을 이용하여 제5단계에서 형성된 예비-박막 즉, 실리콘카바이드막 내에 잔류하는 불순물(예컨대, 할로겐 원소, 수소 등)을 제거하는 단계일 수 있다. 수소 라디칼은 실리콘카바이드막 내부로 침투가 용이하고, 막내 잔류하는 할로겐 원소 및 수소와 결합력이 크기 때문에 막내 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 이로써, 박막의 막질 및 약액 내성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 제8단계는 고주파 전원을 차단하고, 챔버(100) 내부로 퍼지가스와 처리가스를 주입하여 제7단계에서 발생된 반응부산물 및 잔류가스를 퍼지하는 단계일 수 있다.
이처럼, 제1성막 공정에서 제1소스가스 및 제2소스가스를 이용하여 예비-박막을 형성하는 단계 전후로 플라즈마 처리를 진행함으로써, 막질 및 약액 내성이 더욱더 개선된 박막을 형성할 수 있다.
이처럼, 실리콘카본질화막을 형성함에 있어서, 예비-박막으로 실리콘카바이드막을 형성하되, 비-플라즈마 환경에서 기저층에 제1소스가스 및 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 예비-박막을 형성한 후에 플라즈마를 이용하여 예비-박막 내 불순물을 제거함으로써, 막질 및 약액 내성이 개선된 박막을 형성할 수 있다.
또한, 제1소스가스 및 제2소스가스를 챔버(100) 내부로 순차적으로 공급하여 예비-박막을 형성함으로써, 챔버(100) 내부의 잔류가스 퍼지가 용이하고, 각 소스가스별로 공급유량을 보다 효과적으로 제어할 수 있다. 이를 통해, 박막의 조성비를 보다 세밀하게 제어할 수 있다.
한편, 제5실시예에 따른 박막 증착 방법의 변형예로서, 제2실시예와 같이 제3소스가스를 이용한 공정단계는 상대적으로 높은 압력에서 진행할 수도 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100 : 챔버 110 : 본체
120 : 가스분사장치 130 : 기판지지부
132 : 히터 140 : 지지축
150 : 배기구 160 : 펌프
170 : 전원부 200 : 가스 공급기
210 : 가스 공급원 220 : 밸브
230 : 가스 공급라인 300 : 전원 공급기

Claims (16)

  1. 내부에 처리 공간이 형성된 챔버, 상기 처리 공간에 구비되어 기판이 안착되는 기판지지부, 상기 기판지지부로 가스를 분사하는 가스분사장치, 상기 기판지지부와 상기 가스분사장치 중 적어도 어느 하나에 고주파 전원을 인가하여 상기 챔버 내부에 플라즈마를 발생시켜 상기 기판 상에 박막을 증착하는 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법으로서,
    상기 가스분사장치를 통해 상기 챔버 내부로 제3소스가스, 퍼지가스 및 처리가스를 공급하여 상기 기판을 전처리하는 전처리 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 단계; 및
    상기 챔버 내부로 제1소스가스, 제2소스가스, 상기 제3소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 박막을 형성하는 성막 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 전처리 공정을 수행하는 단계는,
    상기 챔버 내부에 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제1전처리단계; 및
    상기 고주파 전원을 차단하고, 상기 챔버 내부에 상기 퍼지가스, 상기 처리가스 및 상기 제3소스가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제3소스가스를 흡착 및 반응시키는 제2전처리단계를 포함하는 박막 증착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막 증착이 완료될때까지 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 지속적으로 공급하는 박막 증착 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 퍼지가스는 아르곤가스를 포함하고, 상기 처리가스는 수소가스를 포함하는 박막 증착 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 공정 및 상기 성막 공정을 복수회 반복 실시하여 상기 박막을 형성하되, 상기 전처리 공정을 1회 진행할때마다 상기 제1전처리단계 및 상기 제2전처리단계를 적어도 1회 이상 반복 실시하는 박막 증착 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 공정은 1 Torr 내지 10 Torr 범위내의 압력에서 진행하되, 상기 제1전처리단계에서의 압력과 상기 제2전처리단계에서의 압력이 동일하거나, 또는 상기 제2전처리단계에서의 압력이 상기 제1전처리단계에서의 압력보다 더 높은 박막 증착 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 공정은 550℃ 이하의 온도에서 수행되고, 상기 전처리 공정의 제2전처리단계에서 상기 제3소스가스의 반응은 상기 온도에 의존하여 진행되는 박막 증착 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1소스가스는 할로겐화물 계열의 실리콘 소스가스를 포함하고, 상기 제2소스가스는 실리콘, 카본 및 수소가 혼합된 화합물 또는 카본 및 수소가 혼합된 화합물을 포함하며, 상기 제3소스가스를 질소함유가스를 포함하는 박막 증착 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 성막 공정을 수행하는 단계는,
    상기 제1소스가스 및 상기 제2소스가스를 이용하여 예비-박막을 형성하는 제1성막 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 제1성막단계; 및
    상기 예비-박막에 상기 제3소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 박막을 형성하는 제2성막 공정을 적어도 1회 이상 수행하는 제2성막단계를 포함하고,
    상기 전처리 공정 및 상기 성막 공정을 복수회 반복 실시하여 상기 박막을 형성하되, 상기 성막 공정을 1회 진행할때마다 상기 제1성막단계 및 상기 제2성막단계를 적어도 1회 이상 반복 실시하는 박막 증착 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1성막단계는,
    상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제1소스가스 및 상기 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제1단계; 및
    상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제2단계를 포함하고,
    상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계와 상기 제2단계를 적어도 1회 이상 반복 실시하는 박막 증착 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1성막단계는,
    상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제1소스가스를 흡착시키는 제1단계;
    상기 챔버 내부로 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제2단계; 및
    상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제3단계를 포함하고,
    상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계 내지 상기 제3단계를 적어도 1회 이상 반복 실시하는 박막 증착 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1성막단계는,
    상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제1단계;
    상기 고주파 전원을 차단하고, 상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 제1소스가스 및 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제2단계; 및
    상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제3단계를 포함하고,
    상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계 내지 상기 제3단계를 적어도 1회 이상 반복 실시하는 박막 증착 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1성막단계는,
    상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제1단계;
    상기 챔버 내부로 상기 제1소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 제1소스가스를 흡착시키는 제2단계;
    상기 챔버 내부로 상기 제2소스가스, 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하여 상기 기판 상에 상기 제2소스가스를 흡착 및 반응시켜 상기 예비-박막을 형성하는 제3단계; 및
    상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스 및 상기 처리가스를 공급하면서 상기 가스분사장치에 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 제4단계를 포함하고,
    상기 제1성막단계를 1회 진행할때마다 상기 제1단계 내지 상기 제4단계를 적어도 1회 이상 반복 실시하는 박막 증착 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2성막단계는 상기 고주파 전원이 차단된 상태에서 상기 챔버 내부로 상기 퍼지가스, 상기 처리가스 및 상기 제3소스가스를 공급하여 상기 제3소스가스를 상기 예비-박막에 흡착 및 반응시켜 상기 박막을 형성하는 박막 증착 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제2성막단계는 550℃ 이하의 온도에서 수행되고, 상기 제2성막단계에서 상기 제3소스가스의 반응은 상기 온도에 의존하여 진행되는 박막 증착 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 성막 공정은 1 Torr 내지 10 Torr 범위내의 압력에서 진행하되, 상기 제1성막단계에서의 압력과 상기 제2성막단계에서의 압력이 동일하거나, 상기 제2성막단계에서의 압력이 상기 제1성막단계에서의 압력보다 더 높은 박막 증착 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 예비-박막은 실리콘카바이드막을 포함하고, 상기 박막은 실리콘카본질화막을 포함하는 박막 증착 방법.
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