KR20220015331A - 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 텅스텐 박막을 형성하기 위한 박막 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은 반응 공간에 마련된 기판 상에 환원 가스를 공급하는 단계, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계 및 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행된다.

Description

박막 형성 방법{THIN FILM FORMING METHOD}
본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 텅스텐 박막을 형성하기 위한 박막 형성 방법에 관한 것이다.
텅스텐 박막은 낮은 저항과 높은 열적 안정성을 가지기 때문에 반도체 소자 또는 전자 장치에서 전극이나 배선 구조에 널리 적용되고 있다.
텅스텐 박막은 화학 기상 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 등의 방법을 통해 기판 또는 반도체층 상에 형성될 수 있으며, 이와 같이 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 원료 물질을 기체 상태로 이용하는 경우, 종횡비(aspect ratio)가 높은 단차 구조에서의 도포율이 우수한 특성을 가진다.
텅스텐 박막을 형성하기 위하여는, 기판 상에 텅스텐을 함유하는 물질로 핵 생성층 또는 시드(seed)층의 역할을 하는 텅스텐층을 증착하고, 벌크(bulk)층으로서 나머지 텅스텐층을 상기 핵 생성층 또는 시드층 위로 증착한다. 이러한 텅스텐 박막은 화학 기상 증착 공정을 통하여 수소(H2)를 환원제로 사용하여 불소계 텅스텐 물질인 육불화텅스텐(WF6)을 환원시켜 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 육불화텅스텐(WF6)을 사용하게 되면, 형성된 텅스텐 박막의 표면 및 내부에 불순물로써 불소(F)가 잔류하는 현상이 야기된다. 잔류한 불소(F)는 인접한 구성물로의 전기 전진(electromigration) 또는 불소(F) 확산을 유발할 수 있으며, 접속부(contact)에 손상을 주어 반도체 장치의 성능을 전체적으로 감소시키는 문제점이 있었다.
KR 10-2017-0120443 A
본 발명은 불순물의 농도가 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은, 반응 공간에 마련된 기판 상에 환원 가스를 공급하는 단계; 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계; 및 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계;를 포함하고, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행된다.
상기 환원 가스와 텅스텐 함유 가스는 상호 분리된 경로를 통하여 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기 전원을 인가하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행되고, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 중에 수행될 수 있다.
상기 전원을 인가하는 단계는, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하기 전에 시작될 수 있다.
상기 환원 가스를 공급하기 전에, 상기 기판 상에 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 훤원 가스를 공급하기 전에 종료될 수 있다.
상기 전원을 인가하는 단계는, 상기 텅스텐 함유 가스의 공급이 중단될 때 종료될 수 있다.
상기 전원이 인가되지 않는 동안에 상기 반응 공간을 퍼지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은, 반응 공간에 마련된 기판 상에 환원 가스를 공급하는 단계; 상기 기판 상에 텅스텐 박막을 증착하는 단계; 및 상기 텅스텐 박막에 잔류하는 불순물을 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계와 상기 불순물을 제거하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 교번적으로 수행될 수 있다.
상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하여 이루어질 수 있다.
상기 환원 가스와 텅스텐 함유 가스는 상호 분리된 경로를 통하여 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기 환원 가스를 공급하기 전에, 상기 기판 상에 실리콘층을 형성하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계는, 상기 실리콘층에 포함된 실리콘 원자를 텅스텐 원자로 치환시켜 이루어질 수 있다.
상기 불순물을 제거하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스의 공급을 중지하여 이루어질 수 있다.
상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계와 불순물을 제거하는 단계 사이에, 상기 반응 공간을 퍼지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 반응 공간을 퍼지하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키지 않고 수행될 수 있다.
상기 환원 가스는 수소 가스를 포함하고, 상기 텅스텐 함유 가스는 육불화텅스텐 가스를 포함하며, 상기 불순물은 불소 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에 의하면, 텅스텐층을 증착하는 단계와 증착된 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하는 단계를 교대로 반복하여 텅스텐 박막을 형성함으로서 박막 스트레스 및 불순물의 농도가 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
또한, 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하기 전에 반응 공간을 퍼지함으로써 불순물을 제거하는 단계의 효율성을 향상시키고, 불소 성분의 함량을 성분 분석으로 감지되지 않는 수준인, LWF(Low Fluorine W) 수준까지 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분사부를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 가스 분사부를 분해하여 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마가 형성되는 모습을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법의 공정 사이클을 설명하기 위한 도면.
도 7은 공정 사이클 내에서 박막이 형성되는 각 단계를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서 층, 막, 영역 또는 기판 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다.
또한, "상부" 또는 "하부"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도시되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 상대적인 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분사부를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 가스 분사부를 분해하여 나타내는 도면이다. 한편, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마가 형성되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 박막, 예를 들어 텅스텐 박막을 형성하기 위한 장치로서, 챔버(10), 상기 챔버(10) 내에 마련되며, 상기 챔버(10) 내에 제공되는 기판(S)을 지지하기 위한 기판 지지부(20), 상기 기판 지지부(20)에 대향 배치되도록 상기 챔버(10) 내에 마련되며, 상기 기판 지지부(20)를 향하여 공정 가스를 분사하기 위한 가스 분사부(30) 및 상기 가스 분사부(30)에 가스를 제공하기 위한 가스 공급부(40)를 포함한다. 또한, 상기 기판 처리 장치는 상기 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 RF 전원(50) 및 상기 RF 전원(50)을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 여기서, 가스 분사부(30)에는 제1 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급 경로와 제2 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급 경로가 분리되어 형성된다.
챔버(10)는 소정의 반응 공간을 마련하고, 이를 기밀하게 유지시킨다. 챔버(10)는 대략 원형 또는 사각형의 평면부 및 평면부로부터 상향 연장된 측벽부를 포함하여 소정의 반응 공간을 가지는 몸체(12)와, 대략 원형 또는 사각형으로 몸체(12) 상에 위치하여 반응 공간을 기밀하게 유지하는 덮개(14)를 포함할 수 있다. 그러나, 챔버(10)는 이에 한정되지 않고 기판(S)의 형상에 대응하는 다양한 형상으로 제작될 수 있다.
챔버(10)의 하면의 소정 영역에는 배기구(미도시)가 형성되고, 챔버(10)의 외측에는 배기구와 연결되는 배기관(미도시)이 마련될 수 있다. 또한, 배기관은 배기 장치(미도시)와 연결될 수 있다. 배기 장치로는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프가 이용될 수 있다. 따라서, 배기 장치에 의해 챔버(10) 내부를 소정의 감압 분위기, 예를 들어 0.1mTorr 이하의 소정의 압력까지 진공 흡입할 수 있다. 배기관은 챔버(10)의 하면 뿐만 아니라 후술하는 기판 지지부(20) 하측의 챔버(10) 측면에 설치될 수도 있다. 또한, 배기되는 시간을 줄이기 위해 다수 개의 배기관 및 그에 따른 배기 장치가 더 설치될 수도 있음은 물론이다.
한편, 기판 지지부(20)에는 박막 형성 공정을 위하여 챔버(10) 내로 제공된 기판(S)이 안착될 수 있다. 여기서 기판(S)은 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 핵 생성층 또는 시드(seed)층의 역할을 하는 텅스텐층이 증착되기 위한 기판이거나, 핵 생성층 또는 시드층 상에 벌크(bulk)층으로서 텅스텐층을 형성하기 위하여 이미 핵 생성층 또는 시드층이 형성된 기판일 수 있다. 기판 지지부(20)는 이와 같은 기판(S)이 안착되어 지지될 수 있도록, 예를 들어 정전척 등이 마련되어 기판(S)을 정전력에 의해 흡착 유지할 수도 있고, 진공 흡착이나 기계적 힘에 의해 기판(S)을 지지할 수도 있다.
기판 지지부(20)는 기판(S) 형상과 대응되는 형상, 예를 들어 원형 또는 사각형으로 마련될 수 있다. 기판 지지부(20)는 기판(S)이 안착되는 기판 지지대(22) 및 상기 기판 지지대(22) 하부에 배치되어 기판 지지대(22)를 승하강 이동시키는 승강기(24)를 포함할 수 있다. 여기서, 기판 지지대(22)는 기판(S)보다 크게 제작될 수 있으며, 승강기(24)는 기판 지지대(22)의 적어도 일 영역, 예를 들어 중심부를 지지하도록 마련되고, 기판 지지대(22) 상에 기판(S)이 안착되면 기판 지지대(22)를 가스 분사부(30)에 근접하도록 이동시킬 수 있다. 또한, 기판 지지대(22) 내부에는 히터(미도시)가 설치될 수 있다. 히터는 소정 온도로 발열하여 기판 지지대(22) 및 상기 기판 지지대(22)에 안착된 기판(S)을 가열하여, 기판(S)에 균일하게 박막이 증착되도록 한다.
가스 공급부(40)는 챔버(10)의 덮개(14)를 관통하도록 설치될 수 있으며, 제1 가스 및 제2 가스를 각각 상기 가스 분사부(30)에 제공하기 위하여 제1 가스 공급기(42) 및 제2 가스 공급기(44)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 가스는 텅스텐 함유 가스를 포함할 수 있으며, 제2 가스는 환원 가스를 포함할 수 있다. 이와 반대로, 상기 제1 가스는 환원 가스를 포함할 수 있으며, 제2 가스는 텅스텐 함유 가스를 포함할 수도 있음은 물론이다. 또한, 텅스텐 함유 가스는 육불화텅스텐(WF6) 가스를 포함할 수 있으며, 환원 가스는 수소(H2) 가스를 포함할 수 있다. 한편, 제1 가스 공급기(42) 및 제2 가스 공급기(44)는 각각 반드시 하나의 가스를 제공하는 것은 아니며, 제1 가스 공급기(42) 및 제2 가스 공급기(44)는 각각 복수의 가스를 동시에 공급하거나, 복수의 가스 중 선택된 가스를 공급하도록 구성될 수 있다.
가스 분사부(30)는 상기 챔버(10) 내부, 예를 들어 덮개(14)의 하면에 설치되며, 가스 분사부(30)의 내부에는 제1 가스를 기판 상에 분사하여 공급하기 위한 제1 가스 공급 경로와 제2 가스를 기판 상에 분사하여 공급하기 위한 제2 가스 공급 경로가 형성된다. 상기 제1 가스 공급 경로 및 제2 가스 공급 경로는 서로 독립적이고 분리되도록 형성되어, 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스가 가스 분사부(30) 내에서 혼합되지 않도록 분리하여 기판 상에 공급할 수 있다.
상기 가스 분사부(30)는 상부 프레임(32) 및 하부 프레임(34)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상부 프레임(32)은 상기 덮개(14)의 하면에 착탈 가능하게 결함됨과 동시에 상면의 일부, 예를 들어 상면의 중심부가 상기 덮개(14)의 하면으로부터 소정 거리로 이격된다. 이에 따라 상기 상부 프레임(32)의 상면과 상기 덮개(14)의 하면 사이의 공간에서 제1 가스 공급부(42)로부터 제1 가스가 확산될 수 있다. 또한, 상기 하부 프레임(34)은 상기 상부 프레임(32)의 하면에 일정 간격 이격되어 설치된다. 이에 따라 상기 하부 프레임(34)의 상면과 상기 상부 프레임(32)의 하면 사이의 공간에서 제2 가스 공급부(44)로부터 제공되는 제2 가스가 확산될 수 있다. 상기 상부 프레임(32)과 상기 하부 프레임(34)은 외주면을 따라 연결되어 내부에 이격 공간을 형성하여 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 밀봉 부재에 의하여 외주면을 밀폐하는 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
상기 제1 가스 공급 경로는 제1 가스 공급부(42)로부터 제공되는 제1 가스가 상기 덮개(14)의 하면과 상기 상부 프레임(32) 사이의 공간에서 확산되어, 상기 상부 프레임(32) 및 상기 하부 프레임(34)을 관통하여 챔버(10) 내부로 공급되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 가스 공급 경로는 제2 가스 공급부(44)로부터 제공되는 제2 가스가 상기 상부 프레임(32)의 하면과 상기 하부 프레임(34)의 상면 사이의 공간에서 확산되어 상기 하부 프레임(34)을 관통하여 챔버(10) 내부로 공급되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 가스 공급 경로 및 상기 제2 가스 공급 경로는 상호 연통되지 않을 수 있으며, 이에 의하여 상기 제1 가스 및 제2 가스는 상기 가스 공급부(40)로부터 가스 분사부(30)를 거쳐 상기 챔버(10) 내부에 분리하여 공급될 수 있다.
상기 하부 프레임(34)의 하면에는 제1 전극(38)이 설치될 수 있으며, 상기 하부 프레임(24)의 하측 및 제1 전극(28)의 외측으로는 소정 간격 이격되어 제2 전극(36)이 설치될 수 있다. 이때, 하부 프레임(34)과 제2 전극(36)은 외주면을 따라 연결되어 형성될 수 있으며, 별도의 밀봉 부재에 의하여 외주면을 밀폐하는 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
이와 같이, 제1 전극(38) 및 제2 전극(36)이 설치되는 경우, 제1 가스는 제1 전극(38)을 관통하여 기판 상에 분사될 수 있으며, 제2 가스는 제1 전극(38)과 제2 전극(36) 사이의 이격 공간을 통하여 기판 상에 분사될 수 있다.
하부 프레임(34)와 제2 전극(36) 중 어느 하나에는 RF 전원(50)으로부터 RF 전력이 인가될 수 있다. 도 4에서는 하부 프레임(34)이 접지되고, 제2 전극(36)에 RF 전력이 인가되는 구조를 예로 들어 도시하였다. 하부 프레임(34)이 접지되는 경우, 상기 하부 프레임(34)의 하면에 설치된 제1 전극(38) 또한 접지된다. 따라서, 제2 전극(36)에 RF 전원(50)이 인가되는 경우 상기 가스 분사부(30)와 상기 기판 지지부(20) 사이에는 제1 활성화 영역, 즉 제1 플라즈마 영역(P1)이 형성되고, 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이에는 제2 활성화 영역, 즉 제2 플라즈마 영역(P2)이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마가 형성되는 모습을 나타내는 도면이다. 도 4에서는 제1 전극(38) 및 기판 지지부(20)가 접지되고, 제2 전극(36)에 RF 전원(50)이 인가되는 것을 예로 들어 도시하였으나, 전원의 인가 구조는 이에 제한되지 않음은 물론이다.
도 4에 도시된 바와 같이 제1 가스, 예를 들어 텅스텐 함유 가스는 실선으로 도시된 화살표를 따라 챔버(10) 내에 공급되며, 제2 가스, 예를 들어 환원 가스는 점선으로 도시된 화살표를 따라 챔버(10) 내에 공급될 수 있다. 제1 가스는 제1 전극(38)의 내부를 관통하여 챔버(10) 내부로 공급되며, 제2 가스는 제1 전극(38)과 제2 전극(36) 사이의 이격 공간을 통하여 챔버(10) 내부로 공급될 수 있다. 상기 제1 가스는 상기 제1 전극(38)을 관통하여 상기 챔버(10) 내부로 공급될 수 있다.
상기 제1 전극(38) 및 기판 지지부(20)가 접지되고, 상기 제2 전극(36)에 전원이 인가되는 경우 상기 가스 분사부(30)와 상기 기판 지지부(20) 사이에는 제1 활성화 영역, 즉 제1 플라즈마 영역(P1)이 형성되고, 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이에는 제2 활성화 영역, 즉 제2 플라즈마 영역(P2)이 형성된다.
따라서, 상기 제1 가스가 상기 제1 전극(38)을 관통하여 공급되는 경우, 상기 제1 가스는 상기 가스 분사부(30)의 외부에 형성되는 제1 플라즈마 영역(P1)에서 활성화된다. 또한, 상기 제2 가스가 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이의 이격 공간을 통하여 공급되는 경우, 상기 제2 가스는 상기 가스 분사부(30)의 내부에 해당하는 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이, 즉 제2 플라즈마 영역(P2)에서부터 제1 플라즈마 영역(P1)까지의 영역에 걸쳐 활성화된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 상기 제1 가스와 상기 제2 가스를 서로 다른 크기의 플라즈마 영역에서 활성화시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 가스와 상기 제2 가스가 서로 다른 크기의 플라즈마 영역에서 활성화됨으로 인하여, 박막을 증착하기 위한 최적의 공급 경로로 각 가스를 분배시킬 수 있다.
이하에서, 도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 박막 형성 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법의 설명에 있어서, 전술한 기판 처리 장치에 관한 설명과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법의 공정 사이클을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 공정 사이클 내에서 박막이 형성되는 각 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은 반응 공간에 마련된 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하는 단계(S100), 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계(S200) 및 상기 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)를 포함하고, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행된다.
환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 챔버(10)의 반응 공간에 마련된 기판(S) 상에 환원 가스를 공급한다. 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에서 텅스텐 박막이 형성될 때까지 환원 가스의 공급을 지속적으로 유지할 수 있다. 여기서, 환원 가스는 수소(H)를 포함하는 가스, 예를 들어 수소(H2) 가스를 포함할 수 있다.
환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 텅스텐 함유 가스가 공급되기 전부터 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하고, 텅스텐 박막이 형성될 때까지 환원 가스의 공급을 지속적으로 유지할 수 있다. 여기서, 텅스텐 함유 가스, 예를 들어 육불화 텅스텐 가스(WF6)가 공급되기 전에 공급되는 환원 가스, 예를 들어 수소(H2) 가스에 의하여 챔버(10) 내의 반응 공간은 환원성 분위기로 형성될 수 있다. 이와 같이, 육불화 텅스텐 가스(WF6)가 공급되기 전에 챔버(10) 내의 반응 공간을 수소(H2) 가스에 의하여 환원성 분위기로 형성하게 되면, 가스 분사부(30)와 기판(S) 사이의 공간에서 육불화 텅스텐 가스(WF6)가 수소(H2) 가스 또는 플라즈마에 의하여 활성화된 수소(H) 라디칼과 반응하여 육불화 텅스텐 가스(WF6) 중 불소(F) 성분이 1차적으로 제거될 수 있다.
한편, 기판(S)은 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 핵 생성층 또는 시드(seed)층의 역할을 하는 텅스텐층이 증착되기 위한 기판이거나, 핵 생성층 또는 시드층 상에 벌크(bulk)층으로서 텅스텐층을 형성하기 위하여 이미 핵 생성층 또는 시드층이 형성된 기판일 수 있음은 전술한 바와 같다.
전원을 인가하는 단계(S200)는 RF 전원(50)으로부터 고주파 전원을 인가하여 반응 공간에 플라즈마를 발생시킨다. 환원 가스를 공급하는 단계(S100)에서 환원 가스로서 수소(H2) 가스를 공급하는 경우, 수소(H2) 가스는 전원을 인가하는 단계(S200)에서 반응 공간에 발생된 플라즈마에 의하여 수소(H) 라디칼로 활성화될 수 있다.
텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급한다. 여기서, 텅스텐 함유 가스는 텅스텐(W)을 함유하는 가스, 예를 들어 육불화텅스텐(WF6) 가스를 포함할 수 있다.
여기서, 전원을 인가하는 단계(S200)에서 RF 전원(50)으로부터 고주파 전원을 인가하고, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)에서 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 경우, 일반적으로 가스 분사부(30) 내에 텅스텐(W)이 증착될 수 있는 문제점을 가진다. 즉, 일반적인 샤워헤드 타입의 가스 분사부(30)에 고주파 전원을 인가하고, 제1 가스, 즉 텅스텐 함유 가스와 제2 가스, 즉 환원 가스를 가스 분사부(30)를 통하여 공급하는 경우, 텅스텐 함유 가스와 환원 가스가 가스 분사부(30) 내에서 서로 반응하여 가스 분사부(30) 내에 텅스텐(W)이 증착될 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분사부(30)에서 제1 가스 공급 경로 및 상기 제2 가스 공급 경로는 상호 연통되지 않고, 서로 독립적이고 분리되도록 형성된다. 따라서, 도 4에 도시된 제1 전극(38)을 통하여 공급되는 텅스텐 함유 가스는 가스 분사부(30) 내에서 제1 전극(38)과 제2 전극(36) 사이로 공급되는 환원 가스와 반응하지 않고, 가스 분사부(30)의 하부에서 비로소 환원 가스와 반응하게 되어 가스 분사부(30) 내에 텅스텐(W)이 증착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 지속적으로 유지되며, 환원 가스를 공급하는 중에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)가 수행되면, 육불화텅스텐(WF6) 가스는 수소(H2) 가스와 하기의 반응식 1과 같이 반응하여 환원되며, 기판(S) 상에는 텅스텐층이 형성된다.
[반응식 1]
Figure pat00001
여기서, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행될 수 있다. 즉, 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 텅스텐 박막이 형성될 때까지 지속적으로 유지되고, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 환원 가스가 공급되는 중에 텅스텐 함유 가스의 공급 및 중단이 교번적으로 수행되도록, 환원 가스를 공급하는 단계(S100) 중에 간헐적으로 수행될 수 있다.
이때, 기판(S) 상에 수소 함유 가스, 즉 수소(H2) 가스와 텅스텐 함유 가스 즉, 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 상기의 반응식과 같이 육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소(H2) 가스가 반응하여 기판(S) 상에 텅스텐 박막이 증착된다. 즉, 수소(H2) 가스와 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 공급되는 육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소(H2) 가스가 반응하여 기판(S) 상에 텅스텐층을 증착하는 단계가 수행될 수 있다.
한편, 텅스텐 함유 가스의 공급이 중단되어 기판(S) 상에 수소(H2) 가스만이 공급되는 중에는, 공급되는 수소(H2) 가스에 의하여 기판(S) 상에 형성된 텅스텐층의 불순물, 예를 들어 불소(F) 성분이 제거된다.
육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소(H2) 가스를 동시에 공급하여 반응시키는 경우에도 육불화텅스텐(WF6)에 포함된 불소(F) 성분은 충분히 제거되지 않는다. 이에, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에서는 수소(H2) 가스를 공급하는 중에 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급과 중단을 반복함으로써, 수소(H2) 가스와 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 텅스텐층을 증착하고, 수소(H2) 가스만이 단독으로 공급되는 구간에서는 증착된 텅스텐층을 수소(H2) 가스로 트리트먼트(treatment)하여 증착된 텅스텐층에 포함되어 있는 불순물, 즉 불소(F) 성분을 제거한다. 이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 텅스텐층을 증착하는 단계와 증착된 텅스텐층의 불순물을 제거하는 단계를 교번적으로 수행함으로써, 텅스텐층 중 불소(F) 성분의 함량을 성분 분석으로 감지되지 않는 수준인, LWF(Low Fluorine W) 수준까지 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은 환원 가스를 공급하기 전에 기판(S) 상에 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 환원 가스를 공급하기 전에 먼저 기판(S) 상에 실리콘층을 형성하고, 이후 텅스텐 가스를 공급하는 단계(S300)에서 실리콘층에 포함된 실리콘 원자를 텅스텐 원자로 치환시켜 기판(S) 상에 텅스텐 박막을 증착할 수 있다. 이때, 실리콘 함유 가스는 실란(SiH4) 가스를 포함할 수 있으며, 실리콘층에 포함된 실리콘 원자는 텅스텐 함유 가스와 하기의 반응식 2와 같이 반응하여 텅스텐 원자로 치환될 수 있다.
[반응식 2]
Figure pat00002
이때, 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계는 환원 가스를 공급하는 단계(S100)가 수행되기 전에 종료될 수 있다. 또한, 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계는, 후술하는 바와 같이 반응 공간에 마련된 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하는 단계(S100), 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계(S200) 및 상기 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)를 포함하는 공정 사이클 전에 1회적으로 수행되거나, 공정 사이클에 포함되어 환원 가스를 공급하는 단계(S100) 이전에 반복적으로 수행될 수도 있다.
한편, 전원을 인가하는 단계(S200)는 수소(H2) 가스가 공급되는 중에 지속적으로 수행되어 수소(H2) 가스와 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 플라즈마에 의하여 수소(H2) 가스를 수소(H) 라디칼로 활성화시켜 육불화텅스텐(WF6) 가스와 반응시키고, 수소(H2) 가스만이 공급되는 구간에서는 플라즈마에 의하여 수소(H2) 가스를 수소(H) 라디칼로 활성화시켜 기판(S) 상에 증착된 텅스텐층을 수소(H2) 가스로 트리트먼트(treatment)할 수 있음은 물론이다.
그러나, 전원을 인가하는 단계(S200)는 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행되고, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 중에 수행될 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에서는 전원이 인가되지 않는 동안에 반응 공간을 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
육불화텅스텐(WF6) 가스를 간헐적으로 공급하는 경우, 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급이 중단된 직후에도 반응 공간 내에는 육불화텅스텐(WF6)가 잔류한다. 반응 공간 내에 육불화텅스텐(WF6)가 잔류하는 경우, 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급을 중단하고 수소(H2) 가스를 공급하게 되면 공급되는 수소(H2) 가스는 먼저 잔류하는 육불화텅스텐(WF6) 가스와 반응하게 되어 기판(S) 상에 증착된 텅스텐층을 충분하게 트리트먼트할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 전원을 인가하는 단계(S200)를 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행하고, 전원이 인가되지 않는 동안에는 반응 공간을 퍼지하여 챔버(10) 내의 반응 공간에 잔류하는 육불화텅스텐(WF6) 가스를 제거할 수 있다.
전력의 공급을 중지하여 반응 공간을 퍼지한 이후, 전원을 인가하는 단계(S200)는 텅스텐 함유 가스를 다시 공급하기 전에 시작될 수 있다. 여기서, 전원이 인가되고, 텅스텐 함유 가스가 다시 공급되기 전에는 반응 공간에 수소(H2) 가스만이 공급되고, 공급되는 수소(H2) 가스는 플라즈마에 의하여 활성화되어 기판(S) 상에 증착된 텅스텐층을 트리트먼트하여 텅스텐층에 함유된 불소(F) 성분을 제거하게 된다. 또한, 전원을 인가하는 단계(S200)는 텅스텐 함유 가스의 공급이 중단될 때 동시에 종료되어 반응 공간을 퍼지하기 위한 충분한 시간을 확보할 수 있다.
한편, 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 텅스텐 함유 가스가 공급되기 전부터 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하고, 텅스텐 박막이 형성될 때까지 환원 가스의 공급을 지속적으로 유지할 수 있다. 여기서, 텅스텐 함유 가스가 공급되기 전에 공급되는 환원 가스에 의하여 챔버(10) 내의 반응 공간은 환원성 분위기로 형성된다. 이후, 텅스텐 함유 가스로 육불화텅스텐(WF6) 가스가 공급됨에 따라 반응 공간에 지속적으로 공급되는 환원 가스의 수소(H) 성분과 육불화텅스텐(WF6) 가스에 포함된 불소(F) 성분이 결합되어 불화수소(HF) 기체로 생성되어 제거되고, 기판(S) 상에는 불소(F) 성분이 1차적으로 제거된 텅스텐층이 형성될 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 수소(H2) 가스가 공급되는 중에 전원을 인가하고 육불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하여 텅스텐층을 증착하는 구간(① 구간) 및 수소(H2) 가스가 공급되는 중에 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급 없이 전원을 인가하여 불순물을 제거하는 구간(② 구간)이 하나의 공정 사이클을 형성한다. 한편, 텅스텐층을 증착하는 구간(① 구간)과 불순물을 제거하는 구간(② 구간) 사이에는 반응 공간을 퍼지하는 구간이 더 포함되어 하나의 공정 사이클을 형성할 수도 있음은 물론이다. 공정 사이클은 복수 회로 반복되어 수행되며, 이에 의하여 텅스텐층을 증착하는 구간, 반응 공간을 퍼지하는 구간 및 불순물을 제거하는 구간이 반복적으로 포함되어 텅스텐층에 함유된 불소(F) 성분을 효과적으로 제거하여 불순물의 농도가 현저하게 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에 의하면, 텅스텐층을 증착하는 단계와 증착된 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하는 단계를 교대로 반복하여 텅스텐 박막을 형성함으로서 박막 스트레스 및 불순물의 농도가 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
또한, 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하기 전에 반응 공간을 퍼지함으로써 불순물을 제거하는 단계의 효율성을 향상시키고, 불소 성분의 함량을 성분 분석으로 감지되지 않는 수준인, LWF(Low Fluorine W) 수준까지 감소시킬 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 챔버 20: 기판 지지부
30: 가스 분사부 40: 가스 공급부
50: RF 전원

Claims (17)

  1. 반응 공간에 마련된 기판 상에 환원 가스를 공급하는 단계;
    상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계; 및
    상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행되는 박막 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원 가스와 텅스텐 함유 가스는 상호 분리된 경로를 통하여 상기 기판 상에 공급되는 박막 형성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원을 인가하는 단계는,
    상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행되고,
    상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계는,
    상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 중에 수행되는 박막 형성 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원을 인가하는 단계는,
    상기 텅스텐 함유 가스를 공급하기 전에 시작되는 박막 형성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원 가스를 공급하기 전에, 상기 기판 상에 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계;를 더 포함하는 박막 형성 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계는,
    상기 훤원 가스를 공급하기 전에 종료되는 박막 형성 방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원을 인가하는 단계는,
    상기 텅스텐 함유 가스의 공급이 중단될 때 종료되는 박막 형성 방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원이 인가되지 않는 동안에 상기 반응 공간을 퍼지하는 단계;를 더 포함하는 박막 형성 방법.
  9. 반응 공간에 마련된 기판 상에 환원 가스를 공급하는 단계;
    상기 기판 상에 텅스텐 박막을 증착하는 단계; 및
    상기 텅스텐 박막에 잔류하는 불순물을 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계와 상기 불순물을 제거하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 교번적으로 수행되는 박막 형성 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계는,
    상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하여 이루어지는 박막 형성 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 환원 가스와 텅스텐 함유 가스는 상호 분리된 경로를 통하여 상기 기판 상에 공급되는 박막 형성 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 환원 가스를 공급하기 전에, 상기 기판 상에 실리콘층을 형성하는 과정;을 더 포함하는 박막 형성 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계는,
    상기 실리콘층에 포함된 실리콘 원자를 텅스텐 원자로 치환시켜 이루어지는 박막 형성 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 불순물을 제거하는 단계는,
    상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스의 공급을 중지하여 이루어지는 박막 형성 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계와 불순물을 제거하는 단계 사이에,
    상기 반응 공간을 퍼지하는 단계;를 더 포함하는 박막 형성 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 반응 공간을 퍼지하는 단계는,
    상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키지 않고 수행되는 박막 형성 방법.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 환원 가스는 수소 가스를 포함하고,
    상기 텅스텐 함유 가스는 육불화텅스텐 가스를 포함하며,
    상기 불순물은 불소 성분을 포함하는 박막 형성 방법.
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