KR20220155922A - Bottom up thin film composition, method for forming thin film and semiconductor device prepared therefrom - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a bottom up thin film composition, a method for forming a thin film using the same, and a semiconductor device manufactured therefrom. According to the present invention, even when a thin film is formed on a substrate having a complex structure by lowering a growth rate, a conformal thin film is provided in a bottom up method. By reducing impurities in the thin film and greatly improving the density of the thin film, a leakage current caused by oxidation of a lower electrode in a conventional high-temperature process is greatly reduced. The bottom up thin film composition comprises a pulse precursor.

Description

바텀 업 박막 조성물, 이를 이용한 박막 형성 방법 및 이로부터 제조된 반도체 소자{BOTTOM UP THIN FILM COMPOSITION, METHOD FOR FORMING THIN FILM AND SEMICONDUCTOR DEVICE PREPARED THEREFROM}Bottom-up thin film composition, thin film formation method using the same, and semiconductor device manufactured therefrom

본 발명은 바텀 업 박막 조성물, 이를 이용한 박막 형성 방법 및 이로부터 제조된 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바텀 업 박막 조성물에 포함되는 펄스 전구체로서 박막에 잔류하는 무기 전구체와 박막에 잔류하지 않는 유기 전구체를 포함시켜 박막 형성 속도를 제어하는 동시에 고순도 박막을 제조하며, 바텀 업 방식으로 컨포멀한 치밀(conformal and denser) 박막을 제조하며, 기판과 화학 반응을 통해 형성되는 막질을 개선시켜 결정성을 향상시키고, 박막내의 불순물 농도를 감소시켜 누설 전류 발생을 저감시킨 것으로, 이를 이용한 박막 형성 방법 및 이로부터 제조된 반도체 기판에 관한 것이다. The present invention relates to a bottom-up thin film composition, a method for forming a thin film using the same, and a semiconductor device manufactured therefrom, and more particularly, to an inorganic precursor included in the bottom-up thin film composition as a pulse precursor remaining in the thin film and a non-remaining inorganic precursor in the thin film. Including organic precursors to control the thin film formation rate and at the same time to manufacture high-purity thin films, manufacture conformal and dense thin films by bottom-up method, and improve the film quality formed through chemical reaction with the substrate to achieve crystallinity and to reduce leakage current by reducing the impurity concentration in the thin film, and relates to a thin film forming method using the same and a semiconductor substrate manufactured therefrom.

최근 반도체 기술 분야에서 반도체 소자의 소형화를 통해 보다 향상된 기술을 추구함으로써 적합한 소재와 공정 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 반도체 공정 중 DRAM(Dynamic Random Access Memory)용 축전기 (Capacitor)에 사용되는 고유전(high-k) 물질인 TiO2, ZrO2, HfO2, Al2O3 등의 산화물 박막 제조 공정이 많이 연구되고 있다.Recently, in the field of semiconductor technology, research on suitable materials and process technologies is being actively conducted by pursuing more advanced technologies through miniaturization of semiconductor devices. In particular, the process of manufacturing oxide thin films such as TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , which are high-k materials used in capacitors for DRAM (Dynamic Random Access Memory) among semiconductor processes, has been extensively researched. It is becoming.

반도체 제조에서 금속 산화물 박막 제조 공정으로 유기금속 화학기상 증착법(MOCVD)과 원자층 증착법(ALD)이 많이 사용되고 있으며, 화학기상 증착법과 원자층 증착을 통한 금속산화물 박막 형성시 여러 가지 한계점을 보이고 있다. 우선 반도체 소자의 소형화와 고온 공정에 의한 하부전극 산화로 인한 누설전류 발생, 그리고 한정된 온도에서 박막의 결정화도가 낮아 정전용량의 한계를 보이고 있다. In semiconductor manufacturing, metal oxide thin film manufacturing processes such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD) are widely used, and there are various limitations when forming metal oxide thin films through chemical vapor deposition and atomic layer deposition. First of all, the miniaturization of the semiconductor device and the generation of leakage current due to the oxidation of the lower electrode due to the high-temperature process, and the low crystallinity of the thin film at a limited temperature show the limit of capacitance.

DRAM용 축전기는 높은 커패시턴스 및 10-7 A/cm2 이하의 누설 전류를 필요로 하며, 특히 누설 전류는 계속 감소하는 DRAM 셀의 엄격한 요구 사항을 충족하고 박막의 유전막을 제공함에 있어 주요한 변수에 해당한다(W.Jeon, Journal of Materials Research 35(7), 1 (2019)J.Lee, D.Park, S.Yew, S. Shin, J. Noh, H. Kim, B. Choi, IEEE Electron Device Letters 38 (11) (2017)).Capacitors for DRAM require high capacitance and a leakage current of 10 -7 A/cm 2 or less. In particular, leakage current is a major variable in meeting the ever-decreasing stringent requirements of DRAM cells and providing a thin dielectric film. ( W.Jeon, Journal of Materials Research 35(7), 1 (2019) and J.Lee, D.Park, S.Yew, S. Shin, J. Noh, H. Kim, B. Choi, IEEE Electron Device Letters 38 (11) (2017) ).

Niinisto 등은 CpHf(NMe2)3와 오존을 사용하여 250 내지 400 ℃ 조건에서 HfO2의 ALD를 통해 두께 8.6 nm의 비정질 박막과 단사정(monoclinic) 박막을 500 ℃에서 후(post) 어닐링한 경우, 1V에 1 x 10-7 A/cm2의 누설 전류 세기를 보고하였다(J. Niinisto, M. Mantymaki, K. Kukli, L. Costelle, E. Puukilainen, M. Ritala, M. Leskela, Journal of Crystal Growth, 312, 245 (2010)). Niinisto et al. post-annealed an amorphous thin film and a monoclinic thin film with a thickness of 8.6 nm at 500 °C through ALD of HfO 2 at 250 to 400 °C using CpHf(NMe 2 ) 3 and ozone. , reported a leakage current intensity of 1 x 10 -7 A/cm 2 at 1 V ( J. Niinisto, M. Mantymaki, K. Kukli, L. Costelle, E. Puukilainen, M. Ritala, M. Leskela, Journal of Crystal Growth, 312, 245 (2010) ).

그러나, ZrO2 및 HfO2 등에 계면 관련 누설 전류 전도 대신 트랩-지지 터널링(TAT) 또는 Poole-Frenkel (P-F) 방출과 같은 벌크 관련 누설 전도 메카니즘이 지배적인 것으로 공지되어 있으며(W.Y. Choi, G.Yoon, W.Y.Chung, Y.Cho, S. SHin and K.H.Ahn, Micromachines 10, 256 (2019)), 특히 캐리어 전도 메카니즘은 결정립계, 내부 불순물(산소 결핍 등), 증착 공정중 박막에 편입되는 외부 불순물과 같은 유전막 결함의 벌크 특성에 크게 좌우되는 것으로 알려져있다. However, it is known that bulk-related leakage conduction mechanisms such as trap-assisted tunneling (TAT) or Poole-Frenkel (PF) emission dominate instead of interface-related leakage current conduction in ZrO 2 and HfO 2 ( WY Choi, G.Yoon , WYChung, Y.Cho, S. SHin and KHAhn, Micromachines 10, 256 (2019) ), especially the carrier conduction mechanism is related to dielectric film defects such as grain boundaries, internal impurities (oxygen deficiency, etc.), and external impurities incorporated into the thin film during the deposition process. It is known that the bulk properties of

따라서 고유전의 다른 유전 물질 또는 다른 일함수를 갖는 금속 전극을 사용하기보단 벌크 ZrO2 및 HfO2 내 해당 결함제공원인을 줄이는 기술이 효과적이다.Therefore, rather than using a different high dielectric material or a metal electrode having a different work function, a technique for reducing the cause of defects in bulk ZrO 2 and HfO 2 is effective.

본 발명에 따른 박막은 박막에 잔류하지 않는 유기계 펄스를 포함하는 바텀 업 박막 조성물을 통하여 막질(film quality)과 필름 컴포멀특성(film conformality)을 개선하는 동시에 누설 전류를 저감하며, 반도체 소자의 신뢰성을 250℃와 같은 저온에서도 확보하고자 한다.The thin film according to the present invention improves film quality and film conformality through a bottom-up thin film composition containing organic pulses that do not remain in the thin film, while reducing leakage current, and improving reliability of semiconductor devices. It is intended to secure even at a low temperature such as 250 ℃.

본 발명은 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 성장률을 낮추어 바텀 업 방식으로 컨포멀한 박막을 제공하는 동시에 박막 내 불순물을 감소시키고 박막의 밀도를 크게 향상시켜 누설 전류를 저감시킨 것을 목적으로 한다. The purpose of the present invention is to provide a conformal thin film in a bottom-up method by lowering the growth rate even when a thin film is formed on a substrate having a complicated structure, while reducing leakage current by reducing impurities in the thin film and greatly improving the density of the thin film. to be

또한, 본 발명은 고유전율(high-k)을 갖는 박막의 막질을 저온 조건에서 제공함으로써 반도체 소자의 신뢰성을 확보하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to secure the reliability of a semiconductor device by providing a film quality of a thin film having a high dielectric constant (high-k) under low temperature conditions.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a bottom up thin film composition including a pulse precursor.

상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하는 하이브리드 전구체일 수 있다. The pulse precursor may be a hybrid precursor including an inorganic precursor and an organic precursor.

상기 무기 전구체는 Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At 및 Tn으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The inorganic precursor is Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, The group consisting of Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At and Tn It may include one or more selected from.

상기 무기 전구체는 하기 화학식 2aThe inorganic precursor is represented by Formula 2a

[화학식 2a][Formula 2a]

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 M1은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, 상기 X1, X2, X3는 독립적으로 -NR1R2 또는 -OR3이고, 상기 R1 내지 R3은 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이며, 상기 n은 1 또는 2이다.)로 표시되는 화합물; (The M 1 is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, the X 1 , X 2 , X 3 are independently -NR 1 R 2 or -OR 3 , and the R 1 to R 3 independently have 1 carbon atom to 6 alkyl groups, wherein n is 1 or 2);

하기 화학식 2bFormula 2b

[화학식 2b][Formula 2b]

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 M은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, R1은 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, 상기 n은 0 내지 5의 정수이며, X'1, X'2 및 X'3은 독립적으로 -NR1R2 또는 -OR3이고, 상기 R'1 내지 R'3은 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.)로 표시되는 화합물; 및 (Wherein M is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, R 1 is independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n is an integer of 0 to 5, and X' 1 , X' 2 and X' 3 is independently -NR 1 R 2 or -OR 3 , and R' 1 to R' 3 are independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.); and

하기 화학식 2cFormula 2c

[화학식 2c][Formula 2c]

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 M1은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, X11 및 X12는 각각 서로 독립적으로 알킬기 또는 -NR3R4 및 -OR5로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 R1 내지 R5는 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, 상기 n1 및 n2는 각각 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이다.)로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 박막 잔류 전구체일 수 있다. (Wherein M1 is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, X 11 and X 12 are each independently an alkyl group or any one selected from the group consisting of -NR 3 R 4 and -OR 5 , wherein R1 to R5 are each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and n 1 and n 2 are each independently an integer of 0 to 5.) may be one or more thin film residual precursors selected from the group consisting of compounds represented by .

상기 유기 전구체는 하기 화학식 1The organic precursor is represented by Formula 1

[화학식 1][Formula 1]

AnBmXoYiZjAnBmXoYiZj

(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 아이오딘(I) 중 1종 이상이고, 상기 Y와 Z은 독립적으로 산소, 질소, 황 및 플루오린으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며 서로 같지 않고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이고, 상기 i와 j는 0 내지 3의 정수이다.)로 표시되는 분지형, 환형 또는 방향족 화합물일 수 있다.(A is carbon or silicon, B is hydrogen or alkyl having 1 to 3 carbon atoms, X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), , wherein Y and Z are independently one or more selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur and fluorine and are not the same, n is an integer from 1 to 15, o is an integer of 1 or more, and m is 0 to 2n+1, wherein i and j are integers from 0 to 3).

상기 유기 전구체는 순도 99.9% 이상의 화합물일 수 있다. The organic precursor may be a compound having a purity of 99.9% or more.

상기 유기 전구체는 박막에 미잔류하는 전구체일 수 있다.The organic precursor may be a precursor that does not remain in the thin film.

상기 무기 전구체와 상기 유기 전구체는 1 : 99 내지 99 : 1의 중량비를 갖는 것일 수 있다. The inorganic precursor and the organic precursor may have a weight ratio of 1:99 to 99:1.

상기 조성물은 반응가스 펄스를 포함할 수 있다.The composition may include a reactant gas pulse.

상기 반응가스 펄스는 산화제 펄스, 질화제 펄스 또는 환원제 펄스일 수 있다. The reaction gas pulse may be an oxidizing agent pulse, a nitrifying agent pulse or a reducing agent pulse.

또한, 본 발명은 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 증착하되, 상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하며,In addition, the present invention deposits a bottom-up thin film composition containing a pulse precursor into a chamber and deposited on a loaded substrate surface, wherein the pulse precursor includes an inorganic precursor and an organic precursor,

상기 무기 전구체는 Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At 및 Tn으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 물질을 포함하고, The inorganic precursor is Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, The group consisting of Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At and Tn Including one or more selected materials from,

상기 유기 전구체는 하기 화학식 1The organic precursor is represented by Formula 1

[화학식 1][Formula 1]

AnBmXoYiZjAnBmXoYiZj

(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 아이오딘(I) 중 1종 이상이고, 상기 Y와 Z은 독립적으로 산소, 질소, 황 및 플루오린으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며 서로 같지 않고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이고, 상기 i와 j는 0 내지 3의 정수이다.)로 표시되는 분지형, 환형 또는 방향족 화합물인 경우에, (A is carbon or silicon, B is hydrogen or alkyl having 1 to 3 carbon atoms, X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), , wherein Y and Z are independently one or more selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur and fluorine and are not the same, n is an integer from 1 to 15, o is an integer of 1 or more, and m is 0 to 2n + 1, and i and j are integers from 0 to 3.) In the case of a branched, cyclic or aromatic compound represented by

상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법을 제공한다. It provides a bottom-up thin film formation method comprising the step of bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate.

상기 기판은 종횡비(aspect ratio)가 10:1 이상일 수 있다. The substrate may have an aspect ratio of 10:1 or greater.

상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는, 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다. The bottom-up depositing of the inorganic precursor on the substrate may include injecting and purging the organic precursor pulse onto the substrate; injecting and purging the organic precursor pulse onto a substrate; and injecting and purging a reactive gas pulse onto the substrate.

상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는, 기판 상에 상기 무기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다. The bottom-up depositing of the inorganic precursor on the substrate may include injecting and purging the inorganic precursor pulse onto the substrate; injecting and purging the organic precursor pulse onto a substrate; and injecting and purging a reactive gas pulse onto the substrate.

상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는, 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및 상기 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다. The bottom-up depositing of the inorganic precursor on the substrate may include injecting and purging the organic precursor pulse onto the substrate; injecting and purging the organic precursor pulse onto a substrate; Injecting and purging a reaction gas pulse onto the substrate; and injecting and purging the organic precursor pulse onto the substrate.

상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는, 기판 상에 상기 무기 전구체와 상기 유기 전구체를 동시 주입하고 퍼징하는 단계; 및 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다. The bottom-up depositing of the inorganic precursor on the substrate may include co-injecting and purging the inorganic precursor and the organic precursor on the substrate; and injecting and purging a reactive gas pulse onto the substrate.

상기 바텀 업 박막 형성 방법은 200 내지 500 ℃ 하에 수행될 수 있다. The bottom-up thin film forming method may be performed at 200 to 500 °C.

상기 반응가스 펄스는 산화제, 환원제 또는 질화제의 펄스를 사용할 수 있다. The reaction gas pulse may use a pulse of an oxidizing agent, a reducing agent, or a nitriding agent.

상기 바텀 업 박막 형성 방법은 원자층증착법 또는 화학기상증착법으로 수행될 수 있다. The method of forming the bottom-up thin film may be performed by atomic layer deposition or chemical vapor deposition.

상기 바텀 업 박막은 금속 산화물 박막, 금속 질화물 박막, 금속 박막, 또는 이들의 2 이상 박막이 선택적 영역을 갖는 박막일 수 있다. The bottom-up thin film may be a metal oxide thin film, a metal nitride thin film, a metal thin film, or a thin film in which two or more of these thin films have selective regions.

또한, 본 발명은 전술한 상기 바텀 업 박막 형성 방법으로 제조됨을 특징으로 하는 반도체 기판을 제공한다. In addition, the present invention provides a semiconductor substrate characterized in that it is manufactured by the method of forming the bottom-up thin film described above.

상기 반도체 기판은 저 저항 금속 게이트 인터커넥트(low resistive metal gate interconnects), 고 종횡비 3D 금속-절연체-금속(MIM) 커패시터(high aspect ratio 3D metal-insulator-metal capacitor), DRAM 트렌치 커패시터(DRAM trench capacitor), 3D 게이트-올-어라운드(GAA; Gate-All-Around) 또는 3D NAND일 수 있다. The semiconductor substrate includes low resistive metal gate interconnects, a high aspect ratio 3D metal-insulator-metal (MIM) capacitor, and a DRAM trench capacitor. , 3D Gate-All-Around (GAA) or 3D NAND.

또한, 본 발명은 전술한 반도체 기판을 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자를 제공한다. In addition, the present invention provides a semiconductor device comprising the semiconductor substrate described above.

본 발명에 따르면, 복잡한 구조를 갖는 기판 위에 박막을 형성하는 경우에도 바텀 업 방식으로 컨포멀한 박막을 제공하는 바텀 업 박막 조성물을 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of providing a bottom-up thin film composition that provides a conformal thin film in a bottom-up method even when a thin film is formed on a substrate having a complicated structure.

본 발명에 따르면, 바텀 업 박막 형성시 공정 부산물을 보다 효과적으로 제거하고, 증착 속도를 저감시켜 박막 성장률을 적절히 낮추어 박막의 결정성을 개선시킴으로써 박막의 품질을 개선시키는 박막 조성물을 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of providing a thin film composition that improves the quality of a thin film by more effectively removing process by-products when forming a bottom-up thin film, reducing the deposition rate to appropriately lower the thin film growth rate, and improving the crystallinity of the thin film.

본 발명에 따르면, 바텀 업 박막 내 불순물을 감소시키고 박막의 밀도를 크게 향상시켜 종래 고온 공정에서 하부 전극의 산화로 인해 발생되던 누설 전류를 저감시키는 바텀 업 박막 조성물을 제공할 수 있고, 나아가 이를 이용한 박막 형성 방법 및 이로부터 제조된 반도체 소자를 제공하는 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to provide a bottom-up thin film composition that reduces leakage current caused by oxidation of a lower electrode in a conventional high-temperature process by reducing impurities in a bottom-up thin film and greatly improving the density of the thin film. There is an effect of providing a thin film formation method and a semiconductor device manufactured therefrom.

도 1은 본 발명에 따른 바텀 업 박막 조성물을 이용한 박막 제조 사이클을 개략적으로 도시한 도면으로, 좌측 도면은 바텀 업 박막 조성물 중 유기 전구체 투입 후 무기 전구체 투입의 바텀 업 박막 제조 사이클(이하 제1 공정이라고도 함), 우측 도면은 바텀 업 박막 조성물 중 무기 전구체 투입 후 유기 전구체 투입의 바텀 업 박막 제조 사이클(이하 제2 공정이라고도 함)을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3, 실시예 6 내지 8의 바텀 업 박막과, 비교예 1 내지 6(Ref. HfO2) 바텀 업 박막의 증착 속도를 나타내는 GPC 분석 그래프이다.
도 3은 종횡비(길이/직경) 22.6:1의 트렌치 구조를 갖는 기판 상에 320℃ 하에 본 발명의 실시예 1과 비교예 1에 따라 증착시킨 HfO2 박막의 top에서 200 nm 아래 지점과 bottom에서 100 nm 위의 지점에서의 단면에 대한 TEM 사진이다.
도 4는 320℃(a 도면, 실시예 1과 비교예 1), 300℃(b 도면, 실시예 2와 비교예 2), 250℃(c 도면, 실시예 3과 비교예 3)의 증착 온도에서 제조한 바텀 업 박막의 깊이에 따른 탄소(C), 아이오딘(I) 원소 등의 감소율을 나타내는 SIMS 분석 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3의 320℃, 300℃, 250℃의 증착 온도에서 제조한 바텀 업 박막의 필름 밀도 분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3과 비교예 3의 250℃의 증착 온도에서 제조한 바텀 업 박막의 박막의 깊이에 따른 성분 함량(원자 %)을 확인한 XPS 분석 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3과 비교예 1 및 비교예 3의 250℃의 증착 온도에서 제조한 바텀 업 박막의 XRD 패턴 분석 그래프이다.
1 is a diagram schematically showing a thin film manufacturing cycle using a bottom-up thin film composition according to the present invention, and the left figure shows a bottom-up thin film manufacturing cycle (hereinafter, a first process) in which an organic precursor is added and then an inorganic precursor is added in the bottom-up thin film composition. Also referred to as), the right figure shows a bottom-up thin film manufacturing cycle (hereinafter also referred to as a second process) of adding an organic precursor after adding an inorganic precursor in the bottom-up thin film composition.
2 is a GPC analysis graph showing deposition rates of bottom-up thin films of Examples 1 to 3 and Examples 6 to 8 of the present invention and bottom-up thin films of Comparative Examples 1 to 6 (Ref. HfO 2 ).
Figure 3 is a 200 nm lower point from the top and bottom of the HfO 2 thin film deposited according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention at 320 ° C. on a substrate having a trench structure with an aspect ratio (length / diameter) of 22.6: 1 It is a TEM picture of a cross section at a point above 100 nm.
FIG. 4 shows deposition temperatures of 320° C. (a diagram, Example 1 and Comparative Example 1), 300° C. (b diagram, Example 2 and Comparative Example 2), and 250° C. (c diagram, Example 3 and Comparative Example 3). It is a SIMS analysis graph showing the reduction rate of carbon (C) and iodine (I) elements according to the depth of the bottom-up thin film manufactured by
5 is a film density analysis graph of bottom-up thin films prepared at deposition temperatures of 320 ° C, 300 ° C, and 250 ° C of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.
6 is an XPS analysis graph confirming the component content (atomic %) according to the depth of the bottom-up thin film prepared at a deposition temperature of 250° C. in Example 3 and Comparative Example 3 of the present invention.
7 is an XRD pattern analysis graph of bottom-up thin films prepared at a deposition temperature of 250° C. in Example 3, Comparative Examples 1 and 3 of the present invention.

이하 본 기재의 바텀 업 박막 조성물, 이를 이용한 박막 형성 방법, 이로부터 제조된 반도체 기판과 반도체 소자를 상세하게 설명한다. Hereinafter, the bottom-up thin film composition of the present disclosure, a method for forming a thin film using the same, and a semiconductor substrate and a semiconductor device manufactured therefrom will be described in detail.

본 발명에서 사용하는 용어 "바텀 업"은 달리 특정하지 않는 한, 트렌치 구조를 갖는 기판에서 하부에서부터 성장을 지칭하는 것으로, 여기서 트렌치 구조를 갖는 기판은 일례로 종횡비(aspect ratio)가 10:1 이상, 또는 20:1 이상을 지칭할 수 있다. As used herein, the term "bottom up" refers to growth from the bottom of a substrate having a trench structure, unless otherwise specified, wherein the substrate having a trench structure has, for example, an aspect ratio of 10:1 or greater. , or 20:1 or greater.

상기 종횡비(aspect ratio)는, 달리 특정하지 않는 한 상기 트렌치 구조의 길이/직경(L/D)의 비를 지칭하는 것으로, 여기서 길이와 직경은 해당 기술분야에서 통상 지칭하는 부분들을 각각 정의한다. The aspect ratio refers to the ratio of length/diameter (L/D) of the trench structure, unless otherwise specified, where length and diameter respectively define portions commonly referred to in the art.

본 발명자들은 챔버 내부에 로딩된 기판 표면에 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하는 펄스 전구체와 반응가스 펄스를 포함하는 바텀 업 성장 조성물을 이용하여 바텀 업 박막을 성막하는 경우에 250℃와 같은 저온에서 사용하더라도 증착 후 형성되는 바텀 업 박막의 상하부 성장률이 크게 낮아지며, 결과 고종횡비를 가진 트렌치 구조에서 컨포멀특성이 크게 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 예상과 달리 탄소와 아이오딘의 잔류량이 저감하고, 박막의 밀도 및 불순물 등이 크게 개선되는 결과를 확인하였고, 이를 토대로 더욱 연구에 매진하여 본 발명을 완성하게 되었다. The present inventors use a bottom-up growth composition including a pulsed precursor including an inorganic precursor and an organic precursor and a reactive gas pulse on the surface of a substrate loaded into a chamber to form a bottom-up thin film at a low temperature such as 250 ° C. As a result, it was confirmed that the top and bottom growth rates of the bottom-up thin film formed after deposition were greatly reduced, and as a result, the conformal characteristics were greatly improved in a trench structure with a high aspect ratio. In addition, contrary to expectations, it was confirmed that the residual amount of carbon and iodine was reduced, and the density and impurities of the thin film were greatly improved. Based on this, further research was conducted and the present invention was completed.

상기 박막 형성 방법은 바람직한 일 실시예로, 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 증착하되, 상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하며, 상기 무기 전구체와 상기 유기 전구체를 기판 상에 동시 주입한 다음 반응가스 펄스를 주입하여 증착시키는 단계를 포함할 수 있고, 이러한 경우 박막 성장률이 적절히 낮아지고, 박막 형성 시 증착 온도가 낮아지더라도 바텀 업 박막의 밀도, 결정성, 컨포멀특성과 유전특성이 개선되고 누설 전류가 효과적으로 저감되어 막질이 크게 향상되는 이점이 있다.In a preferred embodiment of the thin film forming method, a bottom up thin film composition including a pulse precursor is injected into a chamber and deposited on a loaded substrate surface, wherein the pulse precursor comprises an inorganic precursor and An organic precursor may be included, and the inorganic precursor and the organic precursor may be simultaneously injected onto a substrate and then deposited by injecting a reaction gas pulse. In this case, the thin film growth rate is appropriately lowered and the deposition temperature during thin film formation Even if is lowered, the density, crystallinity, conformal characteristics, and dielectric characteristics of the bottom-up thin film are improved, and the leakage current is effectively reduced, so that the film quality is greatly improved.

상기 박막 형성 방법은 바람직한 다른 실시예로, 무기 전구체와 유기 전구체를 각각 또는 동시에 기화하여 챔버 내 로딩된 기판 표면에 흡착시키는 단계; 상기 챔버 내부를 퍼지 가스로 퍼징하는 단계; 상기 챔버 내부에 반응가스를 공급하는 단계; 및 상기 챔버 내부를 퍼지 가스로 퍼징하는 단계;를 포함할 수 있다. In another preferred embodiment, the thin film forming method includes vaporizing an inorganic precursor and an organic precursor separately or simultaneously and adsorbing the inorganic precursor and the organic precursor to the surface of the loaded substrate in the chamber; purging the inside of the chamber with a purge gas; supplying a reaction gas into the chamber; and purging the inside of the chamber with a purge gas.

상기 박막 형성 방법은 바람직한 또 다른 실시예로, 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 증착하되, 상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하며, 상기 기판 상에 상기 유기 전구체를 주입하여 퍼지하는 단계; 상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 주입하여 퍼지하는 단계; 및 상기 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하여 퍼지하고 상기 무기 전구체를 증착시키는 단계를 포함할 수 있고, 이러한 경우 박막 성장률이 적절히 낮아지고, 박막 형성 시 증착 온도가 낮아지더라도 바텀 업 박막의 밀도, 결정성, 컨포멀특성과 유전특성이 개선되고 누설 전류가 효과적으로 저감되어 막질이 크게 향상되는 이점이 있다.In another preferred embodiment of the thin film forming method, a bottom up thin film composition including a pulse precursor is injected into a chamber and deposited on a loaded substrate surface, wherein the pulse precursor is an inorganic precursor. and an organic precursor, injecting and purging the organic precursor onto the substrate; purging the substrate by injecting the inorganic precursor; and purging the substrate by injecting a pulse of a reaction gas onto the substrate and depositing the inorganic precursor. Crystallinity, conformal characteristics, and dielectric characteristics are improved, and leakage current is effectively reduced, so that film quality is greatly improved.

상기 박막 형성 방법은 바람직한 또 다른 실시예로, 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 증착하되, 상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하며, 상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 주입하여 퍼지하는 단계; 상기 기판 상에 상기 유기 전구체를 주입하여 퍼지하는 단계; 및 상기 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하여 퍼지하고 상기 무기 전구체를 증착시키는 단계를 포함할 수 있고, 이러한 경우 박막 성장률이 적절히 낮아지고, 박막 형성 시 증착 온도가 낮아지더라도 바텀 업 박막의 밀도, 결정성, 컨포멀특성과 유전특성이 개선되고 누설 전류가 효과적으로 저감되어 막질이 크게 향상되는 이점이 있다.In another preferred embodiment of the thin film forming method, a bottom up thin film composition including a pulse precursor is injected into a chamber and deposited on a loaded substrate surface, wherein the pulse precursor is an inorganic precursor. and an organic precursor, injecting and purging the inorganic precursor onto the substrate; purging by injecting the organic precursor onto the substrate; and purging the substrate by injecting a pulse of a reaction gas onto the substrate and depositing the inorganic precursor. Crystallinity, conformal characteristics, and dielectric characteristics are improved, and leakage current is effectively reduced, so that film quality is greatly improved.

상기 박막 형성 방법은 바람직한 또 다른 실시예로, 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 증착하되, 상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하며, 상기 기판 상에 상기 유기 전구체를 주입하여 퍼지하는 단계; 상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 주입하여 퍼지하는 단계; 상기 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하여 퍼지하고 상기 무기 전구체를 증착시키는 단계; 및 상기 기판 상에 상기 유기 전구체를 주입하여 퍼지하는 단계를 포함할 수 있고, 이러한 경우 박막 성장률이 적절히 낮아지고, 박막 형성 시 증착 온도가 낮아지더라도 바텀 업 박막의 밀도, 결정성, 컨포멀특성과 유전특성이 개선되고 누설 전류가 효과적으로 저감되어 막질이 크게 향상되는 이점이 있다. In another preferred embodiment of the thin film forming method, a bottom up thin film composition including a pulse precursor is injected into a chamber and deposited on a loaded substrate surface, wherein the pulse precursor is an inorganic precursor. and an organic precursor, injecting and purging the organic precursor onto the substrate; purging the substrate by injecting the inorganic precursor; purging the substrate by injecting a reaction gas pulse and depositing the inorganic precursor; and purging by injecting the organic precursor onto the substrate. In this case, even if the thin film growth rate is appropriately lowered and the deposition temperature is lowered during thin film formation, the density, crystallinity, and conformal characteristics of the bottom-up thin film There is an advantage in that the dielectric properties are improved and the leakage current is effectively reduced, so that the film quality is greatly improved.

상기 박막 형성 방법에 의해 제조된 박막은 바텀 업 박막일 수 있고, 이러한 박막 내에서 상기 무기 전구체는 잔류하고 증착되어 박막을 형성하나 유기 전구체는 잔류하지 않는 것을 특징으로 한다. The thin film manufactured by the thin film forming method may be a bottom-up thin film, and the inorganic precursor remains and is deposited to form a thin film in the thin film, but the organic precursor does not remain.

상기 무기 전구체, 유기 전구체, 반응가스, 퍼지에 사용되는 가스는 독립적으로 바람직하게 VFC 방식, DLI 방식 또는 LDS 방식으로 상기 챔버 내로 이송될 수 있고, 보다 바람직하게는 LDS 방식으로 상기 챔버 내로 이송되는 것이다.The inorganic precursor, the organic precursor, the reaction gas, and the gas used for the purge may be independently transferred into the chamber preferably by a VFC method, a DLI method, or an LDS method, and more preferably transferred into the chamber by an LDS method. .

상기 챔버는 CVD 챔버 또는 ALD 챔버일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. The chamber may be a CVD chamber or an ALD chamber, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바텀 업 박막 조성물은 펄스(pulse) 전구체를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bottom-up thin film composition may include a pulse precursor.

본 발명에서 펄스(pulse) 전구체는 Vapor Flow Controller (VFC) 및/또는 Liquid Delivery System (LDS)를 사용하여 펄스 상으로 공급될 수 있는 전구체를 지칭하며, 이때 펄스 상이란 당 업계에서 통상 사용하는 펄스 상태라면 무방하다. In the present invention, a pulse precursor refers to a precursor that can be supplied in a pulse phase using a Vapor Flow Controller (VFC) and/or a Liquid Delivery System (LDS), wherein the pulse phase is a pulse commonly used in the art. state is free

상기 펄스 전구체는 일례로 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하는 하이브리드 전구체일 수 있다. The pulse precursor may be, for example, a hybrid precursor including an inorganic precursor and an organic precursor.

본 발명에서 사용하는 무기 전구체로는 바텀 업 박막에 잔류하고 전도성 개선을 도울 수 있는 물질을 지칭하는 것으로, 일례로 하기 화학식 2로 나타내는 물질일 수 있다. The inorganic precursor used in the present invention refers to a material that remains in the bottom-up thin film and can help improve conductivity, and may be, for example, a material represented by Chemical Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

MxLy M x L y

(상기 x는 1 내지 3의 정수이며, 상기 M은 Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At 및 Tn으로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 y는 1 내지 6의 정수이며, 상기 L은 각각 독립적으로 H, C, N, O, F, P, S, Cl, Br 또는 I이거나, H, C, N, O, F, P, S, Cl 및 Br로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 조합으로 이루어진 리간드이다.), 이 경우 본 발명이 목적하는 효과가 잘 발현되며 고 유전율을 갖는 이점이 있다.(wherein x is an integer from 1 to 3, and M is Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, It may be selected from the group consisting of Bi, Pt, At and Tn, wherein y is an integer from 1 to 6, and L is each independently H, C, N, O, F, P, S, Cl, Br or I, or a ligand consisting of a combination of two or more selected from the group consisting of H, C, N, O, F, P, S, Cl, and Br), in this case, the desired effect of the present invention is well expressed and high permittivity has the advantage of having

바람직한 실시예로서, 상기 무기 전구체는 하기 화학식 2aAs a preferred embodiment, the inorganic precursor is represented by the following formula (2a)

[화학식 2a][Formula 2a]

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 M1은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, 상기 X1, X2, X3는 독립적으로 -NR1R2 또는 -OR3이고, 상기 R1 내지 R3은 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이며, 상기 n은 1 또는 2이다.)로 표시되는 화합물; (The M 1 is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, the X 1 , X 2 , X 3 are independently -NR 1 R 2 or -OR 3 , and the R 1 to R 3 independently have 1 carbon atom to 6 alkyl groups, wherein n is 1 or 2);

하기 화학식 2bFormula 2b

[화학식 2b][Formula 2b]

Figure pat00005
Figure pat00005

(상기 M은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, R1은 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, 상기 n은 0 내지 5의 정수이며, X'1, X'2 및 X'3은 독립적으로 -NR1R2 또는 -OR3이고, 상기 R'1 내지 R'3은 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.)로 표시되는 화합물; 및 (Wherein M is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, R 1 is independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n is an integer of 0 to 5, and X' 1 , X' 2 and X' 3 is independently -NR 1 R 2 or -OR 3 , and R' 1 to R' 3 are independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.); and

하기 화학식 2cFormula 2c

[화학식 2c][Formula 2c]

Figure pat00006
Figure pat00006

(상기 M1은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, X11 및 X12는 각각 서로 독립적으로 알킬기 또는 -NR3R4 및 -OR5로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 R1 내지 R5는 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, 상기 n1 및 n2는 각각 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이다.)로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 박막 잔류 전구체인 것이 열적 안정성과 반응성 측면에서 바람직하다. (Wherein M1 is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, X 11 and X 12 are each independently an alkyl group or any one selected from the group consisting of -NR 3 R 4 and -OR 5 , wherein R1 to R5 are each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and n 1 and n 2 are each independently an integer of 0 to 5). It is preferred in terms of stability and reactivity.

본 발명에서 사용하는 유기 전구체로는 상기 무기 전구체와 반응성이 실질적으로 없는 바텀 업 박막 내 미잔류 물질을 지칭하는 것으로, 일례로 하기 화학식 1로 나타내는 물질일 수 있다. The organic precursor used in the present invention refers to a non-residual material in the bottom-up thin film having substantially no reactivity with the inorganic precursor, and may be, for example, a material represented by Chemical Formula 1 below.

[화학식 1] [Formula 1]

AnBmXoYiZjAnBmXoYiZj

(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 아이오딘(I) 중 1종 이상이고, 상기 Y와 Z은 독립적으로 산소, 질소, 황 및 플루오린으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며 서로 같지 않고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이고, 상기 i와 j는 0 내지 3의 정수이다.)로 표시되는 분지형, 환형 또는 방향족 화합물인 것을 특징으로 하는데, 이 경우 박막에 미잔류하는 전구체로서 작용하여 본 발명이 목적하는 효과가 잘 발현되며 고 유전율을 갖는 이점이 있다.(A is carbon or silicon, B is hydrogen or alkyl having 1 to 3 carbon atoms, X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), , wherein Y and Z are independently one or more selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur and fluorine and are not the same, n is an integer from 1 to 15, o is an integer of 1 or more, and m is 0 to 2n + 1, wherein i and j are integers from 0 to 3), characterized in that they are branched, cyclic or aromatic compounds represented by, in this case, they act as a precursor that does not remain in the thin film. The effect is well expressed and has the advantage of having a high permittivity.

본 발명에서 사용하는 용어 "미잔류"는 달리 특정하지 않는 한, XPS로 성분 분석시 C 원소가 0.1 원자%(atom %) 미만, 그리고 N 원소가 0.1 원자% 미만으로 존재하는 경우를 지칭한다. As used herein, the term "non-remaining" refers to the case where the C element is present at less than 0.1 atomic % and the N element is present at less than 0.1 atomic % upon component analysis by XPS, unless otherwise specified.

상기 유기 전구체는 바람직하게는 순도 99.9% 이상의 화합물, 순도 99.95% 이상의 화합물, 또는 순도 99.99% 이상의 화합물일 수 있으며, 참고로 순도 99% 미만의 화합물을 사용할 경우에는 불순물을 형성할 수 있어 가급적 99% 이상의 물질을 사용하는 것이 좋다. The organic precursor may preferably be a compound with a purity of 99.9% or more, a compound with a purity of 99.95% or more, or a compound with a purity of 99.99% or more. It is better to use more than one material.

상기 무기 전구체와 상기 유기 전구체는 1 : 99 내지 99 : 1의 중량비, 1 : 90 내지 90 : 1의 중량비, 1 : 85 내지 85 : 1의 중량비, 또는 1 : 80 내지 80 : 1의 중량비를 갖는 것일 수 있다. The inorganic precursor and the organic precursor have a weight ratio of 1: 99 to 99: 1, a weight ratio of 1: 90 to 90: 1, a weight ratio of 1: 85 to 85: 1, or a weight ratio of 1: 80 to 80: 1 it could be

상기 조성물은 반응가스 펄스를 포함하며, 상기 반응가스 펄스는 산화제, 질화제 또는 환원제의 펄스일 수 있다. The composition includes a reactant gas pulse, which may be a pulse of an oxidizing agent, a nitrifying agent, or a reducing agent.

상기 산화제, 질화제, 환원제는 해당 기술분야에서 통상 사용하는 물질들일 수 있으며, 일례로 산화제는 O3, O2 또는 이들의 혼합, 질화제는 NH3, N2H2, N2 또는 이들의 혼합, 환원제는 H2 등일 수 있으며 이에 한정하는 것은 아니다.The oxidizing agent, nitriding agent, and reducing agent may be materials commonly used in the art. For example, the oxidizing agent is O 3 , O 2 or a mixture thereof, and the nitriding agent is NH 3 , N 2 H 2 , N 2 or any of these. Mixing, the reducing agent may be H 2 and the like, but is not limited thereto.

본 발명의 박막 형성 방법은 바람직한 예로, 상기 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀업 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 흡착시키되, 상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하고, 이러한 경우 박막 성장률이 적절히 상승하고, 박막 형성 시 생성되는 공정 부산물이 효과적으로 제거되어 증착 온도가 저감되더라도 박막내 불순물이 감소되며 결정성이 크게 향상되는 이점이 있다.In a preferred embodiment of the thin film formation method of the present invention, a bottom-up thin film composition including the pulse precursor is injected into a chamber and adsorbed on the surface of a loaded substrate, wherein the pulse precursor includes an inorganic precursor and an organic precursor. In this case, the thin film growth rate is appropriately increased, and process by-products generated during thin film formation are effectively removed, so that even if the deposition temperature is reduced, impurities in the thin film are reduced and crystallinity is greatly improved.

상기 박막 형성 방법은 전술한 환원제, 질화제 또는 산화제를 반응가스로 사용한다.The thin film forming method uses the aforementioned reducing agent, nitriding agent, or oxidizing agent as a reaction gas.

또한, 본 발명의 박막 형성 방법은 또 다른 바람직한 예로, 펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 증착하되, In another preferred embodiment of the thin film formation method of the present invention, a bottom up thin film composition including a pulse precursor is injected into a chamber and deposited on a loaded substrate surface,

상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하며,The pulse precursor includes an inorganic precursor and an organic precursor,

상기 무기 전구체는 Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At 및 Tn으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 물질이고, The inorganic precursor is Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, The group consisting of Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At and Tn At least one material selected from,

상기 유기 전구체는 하기 화학식 1The organic precursor is represented by Formula 1

[화학식 1][Formula 1]

AnBmXoYiZjAnBmXoYiZj

(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 아이오딘(I) 중 1종 이상이고, 상기 Y와 Z은 독립적으로 산소, 질소, 황 및 플루오린으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며 서로 같지 않고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이고, 상기 i와 j는 0 내지 3의 정수이다.)로 표시되는 분지형, 환형 또는 방향족 화합물인 경우에, 상기 무기 전구체와 상기 유기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. (A is carbon or silicon, B is hydrogen or alkyl having 1 to 3 carbon atoms, X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), , wherein Y and Z are independently one or more selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur and fluorine and are not the same, n is an integer from 1 to 15, o is an integer of 1 or more, and m is 0 to 2n+1, where i and j are integers from 0 to 3), including bottom-up deposition of the inorganic precursor and the organic precursor in the case of a branched, cyclic or aromatic compound represented by to be characterized

본 발명의 바텀 업 박막 형성 방법에서 상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는 바람직한 예로, 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 상기 무기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다. In the bottom-up thin film formation method of the present invention, the step of bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate may include, for example, injecting and purging the organic precursor pulse onto the substrate; injecting and purging the inorganic precursor pulse onto a substrate; and injecting and purging a reactive gas pulse onto the substrate.

또한, 본 발명의 바텀 업 박막 형성 방법에서 상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는 또 다른 바람직한 예로, 기판 상에 상기 무기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다. Further, in the bottom-up thin film formation method of the present invention, the step of bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate may include, for example, injecting and purging the inorganic precursor pulse onto the substrate; injecting and purging the organic precursor pulse onto a substrate; and injecting and purging a reactive gas pulse onto the substrate.

또한, 본 발명의 바텀 업 박막 형성 방법에서 상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는 또 다른 바람직한 예로, 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 상기 무기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및 상기 기판 상에 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계;를 포함할 수 있다. Further, in the method of forming a bottom-up thin film of the present invention, the step of bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate may include, for example, injecting and purging the organic precursor pulse onto the substrate; injecting and purging the inorganic precursor pulse onto a substrate; Injecting and purging a reaction gas pulse onto the substrate; and injecting and purging organic precursor pulses on the substrate.

나아가, 본 발명의 바텀 업 박막 형성 방법에서 상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는 또 다른 바람직한 예로, 기판 상에 상기 무기 전구체 펄스와 상기 유기 전구체 펄스를 동시에 주입하고 퍼징하는 단계; 및 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다. Furthermore, in the bottom-up thin film formation method of the present invention, the step of bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate may include, for example, simultaneously injecting and purging the inorganic precursor pulse and the organic precursor pulse on the substrate; and injecting and purging a reactive gas pulse onto the substrate.

상기 바텀 업 박막 형성 방법은 일례로 증착 온도가 200 내지 500 ℃이고, 바람직하게는 250 내지 450 ℃이며, 구체적인 예로는 250 내지 420 ℃, 250 내지 320 ℃, 380 내지 420 ℃ 또는 400 내지 450 ℃이고, 이 범위 내에서 박막 품질 및 스텝 커버리지 등이 크게 개선되는 이점이 있다. In the bottom-up thin film formation method, the deposition temperature is, for example, 200 to 500 ° C, preferably 250 to 450 ° C, and specific examples are 250 to 420 ° C, 250 to 320 ° C, 380 to 420 ° C, or 400 to 450 ° C, , there is an advantage in that thin film quality and step coverage are greatly improved within this range.

상기 바텀 업 박막 형성 방법은 일례로 반응 가스로 환원제, 질화제 또는 산화제를 사용할 수 있고, 필요에 따라서는 일부 선택된 영역과 나머지 영역에 각각 상이한 반응 가스를 적용할 수 있다. In the method of forming a bottom-up thin film, for example, a reducing agent, a nitriding agent, or an oxidizing agent may be used as a reaction gas, and different reaction gases may be applied to a partially selected area and the remaining areas, respectively, if necessary.

상기 바텀 업 박막 형성 방법은 일례로 원자층증착법 또는 화학기상증착법으로 수행될 수 있고, 필요에 따라서는 플라즈마 원자층증착법 또는 플라즈마 화학기상증착법으로 수행될 수 있다. The method of forming the bottom-up thin film may be performed by, for example, atomic layer deposition or chemical vapor deposition, and, if necessary, plasma atomic layer deposition or plasma chemical vapor deposition.

상기 박막 형성 방법은 일례로 금속 산화물 박막, 금속 질화물 박막, 또는 금속 박막일 수 있고, 필요에 따라서는 또는 이들의 2 이상 박막이 선택적 영역을 갖는 박막일 수 있다. The method of forming the thin film may be, for example, a metal oxide thin film, a metal nitride thin film, or a metal thin film, and if necessary, two or more of these thin films may be thin films having selective regions.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 박막 형성 방법으로 제조됨을 특징으로 하는 반도체 기판을 제공할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor substrate characterized in that manufactured by the above-described thin film forming method.

상기 반도체 기판은 저 저항 금속 게이트 인터커넥트(low resistive metal gate interconnects), 고 종횡비 3D 금속-절연체-금속(MIM) 커패시터(high aspect ratio 3D metal-insulator-metal capacitor), DRAM 트렌치 커패시터(DRAM trench capacitor), 3D 게이트-올-어라운드(GAA; Gate-All-Around) 또는 3D NAND일 수 있다. The semiconductor substrate includes low resistive metal gate interconnects, a high aspect ratio 3D metal-insulator-metal (MIM) capacitor, and a DRAM trench capacitor. , 3D Gate-All-Around (GAA) or 3D NAND.

나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 반도체 기판을 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자를 제공할 수 있다. Furthermore, according to another embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device characterized by including the above-described semiconductor substrate.

일례로, 본 발명에 따른 바텀 업 박막을 포함하는 커패시터 제조는 2층 내지 3층 이상 적층되어 제공될 수 있으며, 이때 각 층을 구성하는 무기 전구체는 그 종류를 달리하여 적층될 수 있으나, 필요에 따라서는 동일한 종류를 사용하여 적층할 수도 있다.For example, in the manufacture of a capacitor including a bottom-up thin film according to the present invention, two to three or more layers may be stacked and provided. In this case, inorganic precursors constituting each layer may be stacked in different types, but if necessary Therefore, it is also possible to laminate using the same type.

일례로, 반도체 기판 상부에 하부 전극, 유전막, 제2 전극이 순차 형성되어 커패시터를 형성할 수 있다. For example, a capacitor may be formed by sequentially forming a lower electrode, a dielectric film, and a second electrode on a semiconductor substrate.

이때 하부 전극은 DRAM 소자 또는 기타 소자의 스토리지 전극 또는 디커플링 커패시터의 전극일 수 있다. In this case, the lower electrode may be a storage electrode of a DRAM device or other device or an electrode of a decoupling capacitor.

상기 하부 전극은 일례로 넓은 표면적을 확보할 수 있는 실린더 형상 또는 필라 형상 등으로 제조될 수 있고, 도전층 또는 금속층으로 형성될 수도 있다. For example, the lower electrode may be manufactured in a cylinder shape or a pillar shape capable of securing a large surface area, and may be formed of a conductive layer or a metal layer.

상기 유전막은 금속 산화막일 수 있으며, 본 발명에 따른 바텀 업 박막 조성물을 사용하여 증착되는 경우에, 하부 단차 또는 토폴로지(topology)를 갖는 하부 전극 상에 형성되더라도 고른 두께와 적절한 접착성을 갖는 이점이 있다. The dielectric film may be a metal oxide film, and when deposited using the bottom-up thin film composition according to the present invention, even thickness and appropriate adhesion are advantageous even when formed on a lower step or a lower electrode having a topology. have.

상기 유전막 상부에 형성되는 상부 전극은 하부 전극과 동일한 도전층 또는 금속층으로 구성될 수 있다.An upper electrode formed on the dielectric layer may be formed of the same conductive layer or metal layer as the lower electrode.

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.Hereinafter, preferred embodiments and drawings are presented to aid understanding of the present invention, but the following embodiments and drawings are merely illustrative of the present invention, and various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention to those skilled in the art. It is obvious in this regard, and it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예][Example]

실시예 1Example 1

하기 도 1의 좌측 도면에 나타낸 박막 제조 사이클을 사용하여 종횡비 22.6:1 (길이:직경)의 트렌치 구조를 갖는 SiO2 기판 상에 HfO2 바텀 업 박막을 적층하였다. An HfO 2 bottom-up thin film was deposited on a SiO 2 substrate having a trench structure with an aspect ratio of 22.6:1 (length:diameter) using the thin film fabrication cycle shown in the left side of FIG. 1 below.

도 1의 좌측 도면은 본 발명에 따른 바텀 업 박막 조성물 중에서 유기 전구체 펄스 투입 후 무기 전구체 펄스 투입 실험에 해당하는 것으로, 제1 공정이라 지칭한다. The drawing on the left side of FIG. 1 corresponds to an experiment in which pulses of organic precursors are added followed by pulses of inorganic precursors in the bottom-up thin film composition according to the present invention, and is referred to as a first process.

구체적으로, 유기 전구체 펄스를 3초 주입한 다음 6초간 퍼지하고, 무기 전구체 펄스를 3초 주입한 다음 6초 퍼지한 다음 반응가스 펄스를 3초 주입한 다음 6초 퍼지하는 사이클을 포함한다. Specifically, a cycle of injecting an organic precursor pulse for 3 seconds and then purging for 6 seconds, injecting an inorganic precursor pulse for 3 seconds and then purging for 6 seconds, then injecting a reaction gas pulse for 3 seconds and purging for 6 seconds is included.

전술한 HfO2 바텀 업 박막은 샤워 헤드(shower head)가 구비된 12 inch의 ALD 시스템에서 증착 공정을 수행하였다. The aforementioned HfO 2 bottom-up thin film was deposited in a 12-inch ALD system equipped with a shower head.

상기 무기 전구체는 하기 화학식 3-1로 나타내는 화합물인 CpHf를 준비하였다. 상기 CpHf는 Sigma 사에서 구입하여 정제 없이 사용하였다. As the inorganic precursor, CpHf, a compound represented by Formula 3-1 below, was prepared. The CpHf was purchased from Sigma and used without purification.

[화학식 3-1][Formula 3-1]

Figure pat00007
Figure pat00007

상기 유기 전구체는 하기 화학식 3-2로 나타내는 화합물인 TBI를 준비하였다. 상기 TBI는 출원인이 합성한 다음 99.9% 순도로 정제하여 사용하였다. As the organic precursor, TBI, a compound represented by Formula 3-2 below, was prepared. The TBI was synthesized by the applicant and purified to 99.9% purity before use.

[화학식 3-2][Formula 3-2]

Figure pat00008
Figure pat00008

준비된 유기 전구체를 캐니스터에 담아 상온에서 LMFC(Liquid Mass Flow Controller)를 이용하여 0.01 g/min의 유속으로 90℃로 가열된 기화기로 공급하였다. 준비된 CpHf를 별도의 캐니스터에 담아 0.1 g/min의 유속으로 170℃로 가열된 별도의 기화기로 공급하였다.The prepared organic precursor was placed in a canister and supplied to a vaporizer heated to 90° C. at a flow rate of 0.01 g/min using a Liquid Mass Flow Controller (LMFC) at room temperature. The prepared CpHf was put in a separate canister and supplied to a separate vaporizer heated to 170° C. at a flow rate of 0.1 g/min.

기화기에서 증기상으로 기화된 유기 전구체를 3초 동안 Si 웨이퍼 상에 SiO2를 100 nm 성장시킨 위에 TiN을 20 nm 두께로 성장시킨 기판이 로딩된 증착 챔버에 투입한 후 아르곤 가스를 300sccm으로 6초 동안 공급하여 아르곤 퍼징을 실시하였다. 금속 산화막이 형성될 기판을 320℃로 가열하였으며, 이때 반응 챔버내 압력은 0.74 Torr로 제어하였다. The organic precursor vaporized in vapor phase in a vaporizer is injected into a deposition chamber loaded with a substrate in which TiN is grown to a thickness of 20 nm on top of which 100 nm of SiO2 has been grown on a Si wafer for 3 seconds, and then argon gas is supplied at 300 sccm for 6 seconds. argon purging was performed. A substrate on which a metal oxide film is to be formed was heated to 320° C., and at this time, the pressure in the reaction chamber was controlled to 0.74 Torr.

다음으로, 기화기에서 증기상으로 기화된 CpHf를 3초 동안 증착 챔버에 투입한 후 아르곤 가스를 300sccm으로 6초 동안 공급하여 아르곤 퍼징을 실시하였다. 금속 산화막이 형성될 기판을 320℃로 가열하였으며, 이때 반응 챔버내 0.74 Torr로 제어하였다. Next, CpHf vaporized in a vaporizer was introduced into the deposition chamber for 3 seconds, and argon purging was performed by supplying argon gas at 300 sccm for 6 seconds. A substrate on which a metal oxide film is to be formed was heated to 320° C., and at this time, 0.74 Torr was controlled in the reaction chamber.

이어서, 반응성 가스로서 오존을 1000 sccm을 3초 동안 상기 반응 챔버에 투입한 후, 6초 동안 아르곤 퍼징을 실시하였다. 금속 산화막이 형성될 기판을 320℃로 가열하였으며, 이때 반응 챔버내 0.74 Torr로 제어하였다. Subsequently, 1000 sccm of ozone as a reactive gas was introduced into the reaction chamber for 3 seconds, followed by argon purging for 6 seconds. A substrate on which a metal oxide film is to be formed was heated to 320° C., and at this time, 0.74 Torr was controlled in the reaction chamber.

이와 같은 공정을 100회 반복하여 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다.This process was repeated 100 times to form a self-limiting atomic layer HfO 2 thin film.

실시예 2Example 2

실시예 1에서 기판의 가열 온도를 300 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 HfO2 박막을 형성하였다. An HfO 2 thin film was formed in the same manner as in Example 6, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 300 °C in Example 1.

실시예 3Example 3

실시예 1에서 기판의 가열 온도를 250 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 HfO2 박막을 형성하였다. A HfO 2 thin film was formed in the same manner as in Example 6, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 250 °C in Example 1.

실시예 4 Example 4

실시예 1에서 무기 전구체를 하기 화학식 3-3으로 나타낸 화합물인 TEMAHf(Tetrakis(ethylmethylamino) Hafniumb)로 대체한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. In Example 1, the inorganic precursor was replaced with TEMAHf (Tetrakis (ethylmethylamino) Hafniumb), a compound represented by Formula 3-3 below. A self-limiting atomic layer HfO 2 thin film was formed in the same manner as in Example 1 except for the above.

[화학식 3-3][Formula 3-3]

Figure pat00009
Figure pat00009

실시예 5Example 5

실시예 1에서 유기 전구체를 하기 화학식 3-4로 나타낸 화합물인 TBB로 대체한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. 상기 TBB는 출원인이 합성한 다음 99.9% 순도로 정제하여 사용하였다.In Example 1, the organic precursor was replaced with TBB, a compound represented by Formula 3-4 below. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 1 except for the above. The TBB was synthesized by the applicant and purified to 99.9% purity before use.

[화학식 3-4][Formula 3-4]

Figure pat00010
Figure pat00010

실시예 6Example 6

실시예 1에서 사용한 도 1의 좌측 도면에 나타낸 박막 제조 사이클을 도 1의 우측 도면에 나타낸 박막 제조 사이클로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다. The same process as in Example 1 was repeated except that the thin film manufacturing cycle shown in the left drawing of FIG. 1 used in Example 1 was changed to the thin film manufacturing cycle shown in the right drawing of FIG.

구체적으로, 도 1의 우측 도면에 나타낸 박막 제조 사이클을 사용하여 종횡비 22.6:1 (길이:직경)의 트렌치 구조를 갖는 SiO2 기판 상에 HfO2 바텀 업 박막을 적층하였다. Specifically, an HfO 2 bottom-up thin film was deposited on a SiO 2 substrate having a trench structure with an aspect ratio of 22.6:1 (length:diameter) using the thin film manufacturing cycle shown in the right side of FIG. 1 .

도 1의 우측 도면은 본 발명에 따른 바텀 업 박막 조성물 중에서 무기 전구체 펄스 투입 후 유기 전구체 펄스 투입 실험에 해당하는 것으로, 제2 공정이라 지칭한다. The drawing on the right side of FIG. 1 corresponds to an experiment in which pulses of inorganic precursors are added followed by pulses of organic precursors in the bottom-up thin film composition according to the present invention, and is referred to as a second process.

구체적으로, 무기 전구체 펄스를 3초 주입한 다음 6초간 퍼지하고, 유기 전구체 펄스를 3초 주입한 다음 6초 퍼지한 다음 반응가스 펄스를 3초 주입한 다음 6초 퍼지하는 사이클을 포함한다. 금속 산화막이 형성될 기판을 320℃로 가열하였으며, 이때 반응 챔버내 0.74 Torr로 제어하였다. Specifically, a cycle of injecting an inorganic precursor pulse for 3 seconds and then purging for 6 seconds, injecting an organic precursor pulse for 3 seconds and purging for 6 seconds, then injecting a reaction gas pulse for 3 seconds and purging for 6 seconds is included. A substrate on which a metal oxide film is to be formed was heated to 320° C., and at this time, 0.74 Torr was controlled in the reaction chamber.

실시예 7Example 7

실시예 6에서 기판의 가열 온도를 300 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 6, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 300 °C.

실시예 8Example 8

실시예 6에서 기판의 가열 온도를 250 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 6, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 250 °C.

실시예 9Example 9

실시예 1에서 무기 전구체를 하기 화학식 3-5로 나타낸 화합물인 CpZr로 대체하고 유기 전구체를 0.1 g/min의 유속으로 투입하며 기판의 가열 온도를 320 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. In Example 1, the inorganic precursor was replaced with CpZr, which is a compound represented by Formula 3-5, and the organic precursor was added at a flow rate of 0.1 g/min, and the heating temperature of the substrate was adjusted to 320 ° C. A ZrO 2 thin film as a self-limiting atomic layer was formed in the same manner.

[화학식 3-5][Formula 3-5]

Figure pat00011
Figure pat00011

실시예 10Example 10

실시예 9에서 기판의 가열 온도를 300 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A ZrO 2 thin film, which is a self-limiting atomic layer, was formed in the same manner as in Example 9, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 300 °C.

실시예 11Example 11

실시예 9에서 기판의 가열 온도를 250 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A ZrO 2 thin film, which is a self-limiting atomic layer, was formed in the same manner as in Example 9, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 250 °C in Example 9.

실시예 12Example 12

실시예 6에서 무기 전구체를 하기 화학식 3-5로 나타낸 화합물인 CpZr로 대체하고 유기 전구체를 0.1 g/min의 유속으로 투입하며 기판의 가열 온도를 320 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. In Example 6, the inorganic precursor was replaced with CpZr, which is a compound represented by Formula 3-5, and the organic precursor was added at a flow rate of 0.1 g/min, and the heating temperature of the substrate was adjusted to 320 ° C. A ZrO 2 thin film as a self-limiting atomic layer was formed in the same manner.

실시예 13 Example 13

실시예 12에서 기판의 가열 온도를 300 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 12와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A ZrO 2 thin film as a self-limiting atomic layer was formed in the same manner as in Example 12, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 300 °C.

실시예 14Example 14

실시예 12에서 기판의 가열 온도를 250 ℃로 조절한 것을 제외하고는 실시예 12와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A ZrO 2 thin film, which is a self-limiting atomic layer, was formed in the same manner as in Example 12, except that the heating temperature of the substrate was adjusted to 250 °C.

비교예 1Comparative Example 1

실시예 1에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 1, except that the organic precursor was not added in Example 1.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 2에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 2, except that the organic precursor was not added in Example 2.

비교예 3Comparative Example 3

실시예 3에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 3, except that the organic precursor was not added in Example 3.

비교예 4Comparative Example 4

실시예 6에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 6, except that the organic precursor was not added in Example 6.

비교예 5Comparative Example 5

실시예 7에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 HfO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, HfO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 7, except that the organic precursor was not added in Example 7.

비교예 6Comparative Example 6

실시예 8에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, ZrO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 8, except that the organic precursor was not added in Example 8.

비교예 7Comparative Example 7

실시예 9에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, ZrO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 9, except that the organic precursor was not added in Example 9.

비교예 8Comparative Example 8

실시예 10에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A self-limiting atomic layer, ZrO 2 thin film, was formed in the same manner as in Example 9, except that the organic precursor was not added in Example 10.

비교예 9Comparative Example 9

실시예 11에서 유기 전구체를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 9와 동일한 방법으로 자기-제한 원자층인 ZrO2 박막을 형성하였다. A ZrO 2 thin film, which is a self-limiting atomic layer, was formed in the same manner as in Example 9, except that the organic precursor was not added in Example 11.

[실험예][Experimental example]

1) 증착평가1) Deposition evaluation

실시예 1 내지 3, 5 내지 6과 비교예 1 내지 4는 무기 전구체를 CpHf으로, 실시예 4와 비교예 5는 무기 전구체를 TEMAHf으로, 그리고 실시예 7 내지 10과 비교예 6 내지 7은 무기 전구체를 CpZr으로 변경하여 실험한 것인데, 전체적으로 유기 전구체가 무기 전구체보다 먼저 투입되는 경우 증착 속도가 감소하였고, 유기 전구체가 무기 전구체보다 나중에 투입되면 증착 속도가 증가하는 경향을 보였다(하기 표 1 및 하기 도 2 참조).In Examples 1 to 3 and 5 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, the inorganic precursor was CpHf, in Example 4 and Comparative Example 5, the inorganic precursor was TEMAHf, and in Examples 7 to 10 and Comparative Examples 6 to 7, inorganic The experiment was conducted by changing the precursor to CpZr. Overall, the deposition rate decreased when the organic precursor was added before the inorganic precursor, and the deposition rate tended to increase when the organic precursor was added later than the inorganic precursor (Table 1 and below). see Figure 2).

그 경향성은 실시예 1 내지 6과 비교예 1 내지 3에서 보듯이, 저온의 경우가 더 컸다. 또한, 이러한 경향성은 실시예 1 내지 8과 비교예 1 내지 3, 실시예 9 내지 14와 비교예 5 내지 6에서 보듯이 ZrO2 박막의 경우가 더 컸다. As shown in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, the tendency was greater in the case of low temperature. In addition, as shown in Examples 1 to 8, Comparative Examples 1 to 3, Examples 9 to 14, and Comparative Examples 5 to 6, this tendency was greater in the case of the ZrO 2 thin film.

구분division 유기 전구체organic precursors 무기 전구체inorganic precursors 증착 속도 (Å/cycle)Deposition rate (Å/cycle) 실시예 1Example 1 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpHfCpHf 0.5640.564 실시예 2Example 2 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpHfCpHf 0.5830.583 실시예 3Example 3 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpHfCpHf 0.6280.628 실시예 6Example 6 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpHfCpHf 0.8450.845 실시예 7Example 7 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpHfCpHf 0.8490.849 실시예 8Example 8 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpHfCpHf 0.9420.942 실시예 9Example 9 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpZrCpZr -- 실시예 10Example 10 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpZrCpZr 0.6430.643 실시예 11Example 11 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpZrCpZr 0.7050.705 실시예 12Example 12 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpZrCpZr -- 실시예 13Example 13 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpZrCpZr 0.8700.870 실시예 14Example 14 Tert-butyl iodideTert-butyl iodide CpZrCpZr 0.8960.896 비교예 1Comparative Example 1 미사용unused CpHfCpHf 0.7160.716 비교예 2Comparative Example 2 미사용unused CpHfCpHf 0.7120.712 비교예 3Comparative Example 3 미사용unused CpHfCpHf 0.6850.685 비교예 5Comparative Example 5 미사용unused CpZrCpZr 0.7550.755 비교예 6Comparative Example 6 미사용unused CpZrCpZr 0.7370.737

2) 불순물 저감특성2) Impurity reduction characteristics

C 저감률(%)은 하기 수학식 2로 계산하였다.The C reduction rate (%) was calculated by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

C 저감률 = {(비교예 1 SIMS C intensity - 실시예 SIMS C intensity) / 실시예 SIMS C intensity } x 100C reduction rate = {(Comparative Example 1 SIMS C intensity - Example SIMS C intensity) / Example SIMS C intensity } x 100

하기 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 전구체를 사용하면서 무기 전구체를 Hf 박막 전구체로 사용한 실시예 1 내지 3는 유기 전구체를 사용하지 않은 비교예 1(Ref HfO2)에 비하여 박막내 오염 물질인 C 강도(intensity)가 크게 감소하여 불순물 저감특성이 매우 뛰어남을 확인할 수 있었다. As can be seen in FIG. 4, Examples 1 to 3 using an inorganic precursor as a Hf thin film precursor while using an organic precursor according to the present invention are thinner than Comparative Example 1 (Ref HfO 2 ) without using an organic precursor. It was confirmed that the C intensity, which is an anti-contaminant, was greatly reduced, and the impurity reduction property was very excellent.

보다 구체적으로 설명하면, 무기 전구체로 CpHf를 320 ℃에서 사용한 실시예 1(도면 4(a)에 해당)는 대조군인 비교예 1(C(Counts/s)=8227) 대비 박막내 오염 물질인 C 강도가 76% 감소하였고, 무기 전구체로 CpHf를 300 ℃에서 사용한 실시예 2(도면 4(b)에 해당)는 대조군인 비교예 2 대비 박막 내 오염 물질인 C 강도가 66% 감소하였으며, 무기 전구체로 CpHf를 250 ℃에서 사용한 실시예 3(도면 4(c)에 해당)는 대조군인 비교예 3(C(Counts/s)=13745) 대비 박막내 오염 물질인 C 강도가 40%감소하여, 본 발명에 따른 Hf 박막은 불순물 저감특성이 매우 뛰어남을 다시 한번 확인할 수 있었다. More specifically, Example 1 (corresponding to FIG. 4 (a)) using CpHf as an inorganic precursor at 320 ° C., compared to Comparative Example 1 (C (Counts / s) = 8227) as a control, CpHf as a contaminant in the thin film The strength decreased by 76%, and Example 2 using CpHf as an inorganic precursor at 300 ° C. (corresponding to FIG. 4 (b)) showed a 66% decrease in C intensity, which is a contaminant in the thin film, compared to Comparative Example 2, which is a control group, and an inorganic precursor Example 3 using CpHf at 250 ° C. (corresponding to FIG. 4 (c)) showed a 40% decrease in C intensity, which is a contaminant in the thin film, compared to Comparative Example 3 (C (Counts / s) = 13745), which is a control group. It was confirmed once again that the Hf thin film according to the present invention had excellent impurity reduction characteristics.

추가로, 본 발명의 실시예 3과 비교예 3의 250℃의 증착 온도에서 제조한 바텀 업 박막의 박막의 깊이에 따른 성분 함량(원자 %)을 XPS 분석을 통해 확인하고, 결과를 도 6에 나타내었다.In addition, the component content (atomic %) according to the depth of the bottom-up thin film prepared at the deposition temperature of 250 ° C. in Example 3 and Comparative Example 3 of the present invention was confirmed through XPS analysis, and the results are shown in FIG. showed up

하기 도 6의 좌측 도면은 비교예 3의 XPS 분석 그래프이고, 우측 도면은 실시예 3의 XPS 분석 그래프로서, 이들 그래프로부터 N, O, S의 현저한 저감 량을 추가로 확인할 수 있었다. The left figure of FIG. 6 is an XPS analysis graph of Comparative Example 3, and the right figure is an XPS analysis graph of Example 3. From these graphs, significant reductions in N, O, and S could be further confirmed.

3) 박막 밀도3) thin film density

도 5에 나타낸 바와 같이, 실시예 2(박막 밀도 9.40 g/cm3), 실시예 3(박막 밀도 8.0 g/cm3)는 각각 이들의 레퍼런스에 해당하는 비교예 2(9.0 g/cm3) 및 비교예 3(7.7 g/cm3) 대비하여 X선 반사측정(XRR) 분석에 의거하여 측정된 박막 밀도가 크게 증가하는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 5, Example 2 (thin film density 9.40 g/cm 3 ) and Example 3 (thin film density 8.0 g/cm 3 ) are Comparative Example 2 (9.0 g/cm 3 ) corresponding to their respective references. and Comparative Example 3 (7.7 g/cm 3 ), it was confirmed that the thin film density measured based on X-ray reflectometry (XRR) analysis greatly increased compared to that of Comparative Example 3 (7.7 g/cm 3 ).

이로부터 본 발명에 따른 Hf 및 Zr 박막이 DRAM 커패시턴스와 같이 고 종횡비를 갖는 집적화된 구조체에서 결정성을 개선하고, 최종적으로 전기적 특성을 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.From this, it can be seen that the Hf and Zr thin films according to the present invention can improve crystallinity and finally improve electrical characteristics in an integrated structure having a high aspect ratio, such as DRAM capacitance.

전술한 실시예 1과 실시예 3에서 증착된 7nm 두께 XRD 패턴을 도 7에 나타내었다. 하기 도 7에서 보듯이, 매우 약한 회절 패턴으로 표시되는 비정질이 관찰되었고, 320 도에서 결정상으로의 상 전이가 관찰되지 않았다. 참고로, 매우 얇은 증착 박막은 대부분 비정질 상태인 것으로 알려져 있어 적절한 박막이 제조된 것을 확인하였다. 7 nm thick XRD patterns deposited in Examples 1 and 3 described above are shown in FIG. 7 . As shown in FIG. 7 below, amorphous as indicated by a very weak diffraction pattern was observed, and no phase transition to a crystalline phase was observed at 320 degrees. For reference, since most of the very thin deposited thin films are known to be in an amorphous state, it was confirmed that an appropriate thin film was fabricated.

4)정전 용량4) Capacitance

실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 HfO2 박막에 대한 정전 용량을 측정하였다. The capacitance of each of the HfO 2 thin films prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured.

구체적으로, 측정하고자 하는 유전막의 Top 및 Bottom에 Metal 박막을 성막시키고 Top과 Bottom의 Metal을 서로 전기적으로 연결시키고, 1MHz 주파수에서 CV Measurement 장비를 이용하여 측정하고 하기 표 2에 나타내었다. Specifically, metal thin films were formed on the top and bottom of the dielectric film to be measured, the top and bottom metals were electrically connected to each other, and measured using CV measurement equipment at a frequency of 1 MHz, and shown in Table 2 below.

5)누설 전류5) Leakage current

실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 HfO2 박막에 대한 누설 전류를 3MV/cm에서 측정하였다. Leakage current for each of the HfO 2 thin films prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured at 3MV/cm.

구체적으로, I-V Parameter Analyzer (모델: 4200-SCS; 제조업체: KEITHLEY) 장비를 이용하여 Voltage Sweep Mode (0-15V) 방식으로 측정하고 하기 표 2에 나타내었다.Specifically, I-V Parameter Analyzer (model: 4200-SCS; manufacturer: KEITHLEY) was measured in the Voltage Sweep Mode (0-15V) method and shown in Table 2 below.

6) 유전상수6) dielectric constant

실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 HfO2 박막에 대한 유전 상수를 측정하였다. The dielectric constants of the HfO 2 thin films prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively, were measured.

구체적으로, C-V Parameter Analyzer (모델: E4980A, LCR Meter: 20 Hz ~ 2 MHz, 제조업체: KEYSIGHT) 장비를 이용하여 DC-Bias Sweep Mode 방식으로 측정하고 하기 표 2에 나타내었다.Specifically, using a C-V Parameter Analyzer (model: E4980A, LCR Meter: 20 Hz to 2 MHz, manufacturer: KEYSIGHT) equipment, the DC-Bias Sweep Mode was measured and shown in Table 2 below.

구분division 정전 용량(F)Capacitance (F) 누설 전류(A/cm2)Leakage current (A/cm 2 ) 유전 상수dielectric constant 실시예 1Example 1 2.67 x 10-10 2.67 x 10 -10 5.18 x 10-8 5.18 x 10 -8 15.115.1 비교예 1Comparative Example 1 2.54 x 10-10 2.54 x 10 -10 1.13 x 10-6 1.13 x 10 -6 14.414.4

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 전구체를 사용한 실시예 1은 이를 사용하지 않은 비교예 1과 비교하여, 유전 상수와 정전 용량이 향상되고, 누설 전류가 현저히 저감된 결과를 확인할 수 있었다.As shown in Table 2, Example 1 using the organic precursor according to the present invention was compared to Comparative Example 1 without using the organic precursor, the dielectric constant and capacitance were improved, and the leakage current was significantly reduced. there was.

구체적으로 누설 전류의 경우에는 DRAM 누설 전류 한계보다 낮은 5.18 x 10-8 A/cm2으로서 95%에 상당하는 개선이 확인되었으며, 이렇게 크게 저감된 누설 전류는 앞서 확인한 박막 불순물 및 박막 밀도의 개선에 기인한 것으로 여겨진다. Specifically, in the case of leakage current, an improvement equivalent to 95% was confirmed as 5.18 x 10 -8 A/cm 2 , which is lower than the DRAM leakage current limit. It is believed to be caused by

7) 바텀 업 컨포멀특성7) Bottom-up conformal characteristics

실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 HfO2 박막에 대한 바텀 업 컨포멀 특성을 확인하였다. The bottom-up conformal characteristics of the HfO 2 thin films prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively, were confirmed.

구체적으로, 종횡비(길이/직경) 22.6:1의 트렌치 구조를 갖는 기판 상에 320℃ 하에 본 발명의 실시예 1과 비교예 1에 따라 HfO2 박막을 증착시켰다. Specifically, HfO 2 thin films were deposited on a substrate having a trench structure with an aspect ratio (length/diameter) of 22.6:1 at 320° C. according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

상기 HfO2 박막의 Top 및 Bottom에 Metal 박막을 성막시키고 top에서 200 nm 아래 지점과 bottom에서 100 nm 위의 지점에서의 단면에 대한 TEM 사진을 하기 도 3에 나타내었다. Metal thin films were formed on the top and bottom of the HfO2 thin film, and TEM images of cross sections at 200 nm below the top and 100 nm above the bottom are shown in FIG. 3 below.

하기 도 3에서 보듯이, 본 발명에 따른 유기 전구체를 사용한 실시예 1은 Top 두께 5.17 nm와 Bottom 두께 4.99 nm로서 97%의 컨포멀 특성을 나타낸 반면, 이를 사용하지 않은 비교예 1은 Top 두께 7.98nm와 Bottom 두께 6.96 nm로서 87%의 컨포멀 특성을 나타내는 것으로부터, 개선된 바텀 업 컨포멀특성을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 3, Example 1 using the organic precursor according to the present invention showed a conformal property of 97% with a top thickness of 5.17 nm and a bottom thickness of 4.99 nm, whereas Comparative Example 1 without using the same had a top thickness of 7.98 nm. nm and bottom thickness of 6.96 nm, showing 87% conformal properties, it was confirmed that the improved bottom-up conformal properties.

이와 같은 본 발명에 따른 결과들은 우수한 박막 품질, 높은 박막 정합성(conformality) 및 뛰어난 전기적 성능을 달성하기 위한 ALD에서 하이브리드 전구체 펄스의 유망한 능력에 대하여 확실한 증거가 된다. These results according to the present invention provide strong evidence for the promising ability of hybrid precursor pulses in ALD to achieve good film quality, high film conformality and excellent electrical performance.

본 발명의 ALD 공정에서 보조 전구체 펄스에 대한 혁신적인 접근 방식은 미래 기술 노드(future technology node)를 위한 저 저항 금속 게이트 인터커넥트(low resistive metal gate interconnects), 고 종횡비 3D 금속-절연체-금속(MIM) 커패시터(high aspect ratio 3D metal-insulator-metal capacitor), DRAM 트렌치 커패시터(DRAM trench capacitor) 등과 같은 응용 분야, 및 3D 게이트-올-어라운드(GAA; Gate-All-Around) 및 3D NAND와 같은 다른 3D 장치 아키텍처에서 다양한 기회를 제공할 수 있다.The innovative approach to co-precursor pulses in the ALD process of the present invention is based on low resistive metal gate interconnects, high aspect ratio 3D metal-insulator-metal (MIM) capacitors for future technology nodes. (high aspect ratio 3D metal-insulator-metal capacitor), DRAM trench capacitor, etc., and other 3D devices such as 3D Gate-All-Around (GAA) and 3D NAND. The architecture can provide a variety of opportunities.

Claims (20)

펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물.A bottom up thin film composition comprising a pulse precursor. 제1항에 있어서,
상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하는 하이브리드 전구체 펄스인 것을 특징으로 하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물.
According to claim 1,
The bottom up thin film composition, characterized in that the pulse precursor is a hybrid precursor pulse comprising an inorganic precursor and an organic precursor.
제2항에 있어서,
상기 무기 전구체는 Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At 및 Tn으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 조성물.
According to claim 2,
The inorganic precursor is Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, The group consisting of Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At and Tn A bottom-up thin film composition comprising at least one selected from
제3항에 있어서,
상기 무기 전구체는 하기 화학식 2a
[화학식 2a]
Figure pat00012

(상기 M1은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, 상기 X1, X2, X3는 독립적으로 -NR1R2 또는 -OR3이고, 상기 R1 내지 R3은 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이며, 상기 n은 1 또는 2이다.)로 표시되는 화합물;
하기 화학식 2b
[화학식 2b]
Figure pat00013

(상기 M은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, R1은 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, 상기 n은 0 내지 5의 정수이며, X'1, X'2 및 X'3은 독립적으로 -NR1R2 또는 -OR3이고, 상기 R'1 내지 R'3은 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.)로 표시되는 화합물; 및
하기 화학식 2c
[화학식 2c]
Figure pat00014

(상기 M1은 Zr, Hf, Si, Ge 또는 Ti이며, X11 및 X12는 각각 서로 독립적으로 알킬기 또는 -NR3R4 및 -OR5로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 R1 내지 R5는 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, 상기 n1 및 n2는 각각 서로 독립적으로 0 내지 5의 정수이다.)로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 박막 잔류 전구체인 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 조성물.
According to claim 3,
The inorganic precursor is represented by Formula 2a
[Formula 2a]
Figure pat00012

(The M 1 is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, the X 1 , X 2 , X 3 are independently -NR 1 R 2 or -OR 3 , and the R 1 to R 3 independently have 1 carbon atom to 6 alkyl groups, wherein n is 1 or 2);
Formula 2b
[Formula 2b]
Figure pat00013

(Wherein M is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, R 1 is independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, n is an integer of 0 to 5, and X' 1 , X' 2 and X' 3 is independently -NR 1 R 2 or -OR 3 , and R' 1 to R' 3 are independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.); and
Formula 2c
[Formula 2c]
Figure pat00014

(Wherein M1 is Zr, Hf, Si, Ge or Ti, X 11 and X 12 are each independently an alkyl group or any one selected from the group consisting of -NR 3 R 4 and -OR 5 , wherein R1 to R5 are each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and n 1 and n 2 are each independently an integer of 0 to 5.) characterized in that at least one thin film residual precursor selected from the group consisting of compounds represented by Bottom-up thin film composition to be.
제2항에 있어서,
상기 유기 전구체는 하기 화학식 1
[화학식 1]
AnBmXoYiZj
(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 아이오딘(I) 중 1종 이상이고, 상기 Y와 Z은 독립적으로 산소, 질소, 황 및 플루오린으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며 서로 같지 않고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이고, 상기 i와 j는 0 내지 3의 정수이다.)로 표시되는 분지형, 환형 또는 방향족 화합물이고,
상기 유기 전구체는 박막에 잔류하지 않는 전구체인 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 조성물.
According to claim 2,
The organic precursor is represented by Formula 1
[Formula 1]
AnBmXoYiZj
(A is carbon or silicon, B is hydrogen or alkyl having 1 to 3 carbon atoms, X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), , wherein Y and Z are independently one or more selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur and fluorine and are not the same, n is an integer from 1 to 15, o is an integer of 1 or more, and m is 0 to 2n+1, wherein i and j are integers from 0 to 3), and is a branched, cyclic or aromatic compound represented by
The bottom-up thin film composition, characterized in that the organic precursor is a precursor that does not remain in the thin film.
제2항에 있어서,
상기 무기 전구체와 상기 유기 전구체는 1 : 99 내지 99 : 1의 중량비를 갖는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 조성물.
According to claim 2,
The bottom-up thin film composition, characterized in that the inorganic precursor and the organic precursor have a weight ratio of 1: 99 to 99: 1.
제1항에 있어서,
상기 조성물은 반응가스 펄스를 포함하며, 상기 반응가스 펄스는 산화제, 질화제 또는 환원제의 펄스인 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 조성물.
According to claim 1,
The bottom-up thin film composition, characterized in that the composition includes a reaction gas pulse, wherein the reaction gas pulse is a pulse of an oxidizing agent, a nitriding agent, or a reducing agent.
펄스(pulse) 전구체를 포함하는 바텀 업(bottom up) 박막 조성물을 챔버 내로 주입하여 로딩(loading)된 기판 표면에 증착하되,
상기 펄스 전구체는 무기 전구체와 유기 전구체를 포함하며,
상기 무기 전구체는 Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At 및 Tn으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 물질을 포함하고,
상기 유기 전구체는 하기 화학식 1
[화학식 1]
AnBmXoYiZj
(상기 A는 탄소 또는 규소이고, 상기 B는 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬이며, 상기 X는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 아이오딘(I) 중 1종 이상이고, 상기 Y와 Z은 독립적으로 산소, 질소, 황 및 플루오린으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며 서로 같지 않고, 상기 n은 1 내지 15의 정수이며, 상기 o는 1 이상의 정수이고, m은 0 내지 2n+1이고, 상기 i와 j는 0 내지 3의 정수이다.)로 표시되는 분지형, 환형 또는 방향족 화합물인 경우에,
상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
A bottom up thin film composition containing a pulse precursor is injected into the chamber and deposited on the loaded substrate surface,
The pulse precursor includes an inorganic precursor and an organic precursor,
The inorganic precursor is Li, Be, C, P, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Te, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, The group consisting of Er, Tm, Yb, Th, Pa, U, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Pt, At and Tn Including one or more selected materials from,
The organic precursor is represented by Formula 1
[Formula 1]
AnBmXoYiZj
(A is carbon or silicon, B is hydrogen or alkyl having 1 to 3 carbon atoms, X is at least one of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), , wherein Y and Z are independently one or more selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, sulfur and fluorine and are not the same, n is an integer from 1 to 15, o is an integer of 1 or more, and m is 0 to 2n + 1, and i and j are integers from 0 to 3.) In the case of a branched, cyclic or aromatic compound represented by
A method of forming a bottom-up thin film, comprising bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate.
제8항에 있어서,
상기 기판은 종횡비가 10:1 이상인 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to claim 8,
The method of forming a bottom-up thin film, characterized in that the substrate has an aspect ratio of 10: 1 or more.
제8항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는,
기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계;
기판 상에 상기 무기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및
기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to claim 8,
Bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate,
injecting and purging the organic precursor pulse onto a substrate;
injecting and purging the inorganic precursor pulse onto a substrate; and
A method of forming a bottom-up thin film, comprising the steps of injecting and purging a reactive gas pulse onto a substrate.
제8항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는,
기판 상에 상기 무기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계;
기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및
상기 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to claim 8,
Bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate,
injecting and purging the inorganic precursor pulse onto a substrate;
injecting and purging the organic precursor pulse onto a substrate; and
A method of forming a bottom-up thin film, comprising injecting and purging a reactive gas pulse onto the substrate.
제8항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는,
기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계;
기판 상에 상기 무기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계;
상기 기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계; 및
상기 기판 상에 상기 유기 전구체 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to claim 8,
Bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate,
injecting and purging the organic precursor pulse onto a substrate;
injecting and purging the inorganic precursor pulse onto a substrate;
injecting and purging a reaction gas pulse onto the substrate; and
The method of forming a bottom-up thin film, comprising injecting and purging the organic precursor pulse onto the substrate.
제8항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 무기 전구체를 바텀 업 증착시키는 단계는,
기판 상에 상기 무기 전구체와 상기 유기 전구체를 동시 주입하고 퍼징하는 단계; 및
기판 상에 반응가스 펄스를 주입하고 퍼징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to claim 8,
Bottom-up depositing the inorganic precursor on the substrate,
co-injecting and purging the inorganic precursor and the organic precursor onto a substrate; and
A method of forming a bottom-up thin film, comprising the steps of injecting and purging a reactive gas pulse onto a substrate.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바텀 업 박막 형성 방법은 200 내지 500 ℃ 하에 수행되는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to any one of claims 8 to 13,
The method of forming a bottom-up thin film, characterized in that the method of forming a bottom-up thin film is performed at 200 to 500 ° C.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응가스 펄스는 산화제, 환원제 또는 질화제의 펄스인 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to any one of claims 8 to 13,
The reaction gas pulse is a bottom-up thin film forming method, characterized in that the pulse of an oxidizing agent, reducing agent or nitriding agent.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바텀 업 박막 형성 방법은 원자층증착법 또는 화학기상증착법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to any one of claims 8 to 13,
The method of forming the bottom-up thin film, characterized in that the method of forming the bottom-up thin film is performed by atomic layer deposition or chemical vapor deposition.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바텀 업 박막은 금속 산화물 박막, 금속 질화물 박막, 금속 박막, 또는 이들의 2 이상 박막이 선택적 영역을 갖는 박막인 것을 특징으로 하는 바텀 업 박막 형성 방법.
According to any one of claims 8 to 13,
Wherein the bottom-up thin film is a metal oxide thin film, a metal nitride thin film, a metal thin film, or a thin film in which two or more of these thin films have a selective region.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항의 상기 바텀 업 박막 형성 방법으로 제조됨을 특징으로 하는 반도체 기판.A semiconductor substrate manufactured by the method of forming a bottom-up thin film according to any one of claims 8 to 13. 제18항에 있어서,
상기 반도체 기판은 저 저항 금속 게이트 인터커넥트(low resistive metal gate interconnects), 고 종횡비 3D 금속-절연체-금속(MIM) 커패시터(high aspect ratio 3D metal-insulator-metal capacitor), DRAM 트렌치 커패시터(DRAM trench capacitor), 3D 게이트-올-어라운드(GAA; Gate-All-Around) 또는 3D NAND인 것을 특징으로 하는 반도체 기판.
According to claim 18,
The semiconductor substrate includes low resistive metal gate interconnects, a high aspect ratio 3D metal-insulator-metal (MIM) capacitor, and a DRAM trench capacitor. , 3D Gate-All-Around (GAA; Gate-All-Around) or 3D NAND, characterized in that the semiconductor substrate.
제19항의 반도체 기판을 포함함을 특징으로 하는 반도체 소자.
A semiconductor device comprising the semiconductor substrate of claim 19 .
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