KR20220167017A - 배리어층의 형성 방법 - Google Patents

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조일형
신승철
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배리어층의 형성 방법은 NH3를 함유하는 가스를 분사하여 기판에 흡착시키는 단계, NH3 함유 가스의 분사를 중단한 후, 기판을 향해 퍼지가스를 분사하는 1차 퍼지 단계, H2 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 단계, 기판을 향해 Ti를 함유하는 가스를 분사하여 기판 상에 TiN 박막을 형성하는 단계, Ti 함유 가스의 분사를 중단한 후, 기판을 향해 퍼지가스를 분사하는 2차 퍼지 단계를 포함하고, NH3 함유 가스를 분사하는 단계, 1차 퍼지 단계, 플라즈마를 발생시키는 단계, Ti 함유 가스를 분사하는 단계, 2차 퍼지 단계 순서로 실시되는 공정을 하나의 공정 사이클로 한다.
따라서 본 발명의 실시예들에 의하면, 저온에서 원자층 증착 방법으로 TiN 박막으로 이루어진 배리어층을 형성할 수 있다. 이에, 고온의 열에 의해 기판 또는 기판 상에 형성된 박막이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 배리어층을 포함하는 소자의 불량 발생을 방지하거나 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 수소 플라즈마를 발생시킴으로써 배리어층 상의 불순물을 제거할 수 있다. 따라서 불순물에 의한 배리어층 또는 소자의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Description

배리어층의 형성 방법{METHOD FOR FORMING A BARRIER LAYER}
본 발명은 배리어층의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 원자층 증착 방법으로 배리어층을 형성할 수 있는 배리어층의 형성 방법에 관한 것이다.
집적 회로 소자, 캐패시터 소자 등은 유전체층과 전도층 사이에 형성되는 배리어층을 포함한다. 그리고 배리어층은 TiN 박막으로 형성되며, 원자층 증착 방법으로 형성된다. 이때, 증착 공정이 실시되는 챔버 내부 또는 TiN 박막이 증착되는 기판의 온도를 350℃ 이상의 고온으로 유지시킨 상태로 증착한다. 즉, 챔버 내부 또는 기판의 온도가 350℃ 이상의 고온으로 유지될 때, 기판 상에 TiN 박막이 증착될 수 있다.
그런데 이렇게 고온에서 TiN 박막을 형성하는 경우, 기판 또는 기판 상에 형성되어 있는 박막이 열에 의해 손상되는 문제가 있다. 그리고 이는 소자의 품질 또는 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다.
한국등록특허 10-0323268
본 발명은 저온에서 원자층 증착 방법으로 TiN 박막으로 이루어진 배리어층을 형성할 수 있는 배리어층의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예는 플라즈마를 발생시켜, 기판 상에 배리어층을 형성하는 배리어층의 형성 방법으로서, NH3를 함유하는 가스를 분사하여 상기 기판에 흡착시키는 단계; 상기 NH3 함유 가스의 분사를 중단한 후, 상기 기판을 향해 퍼지가스를 분사하는 1차 퍼지 단계; H2 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 기판을 향해 Ti를 함유하는 가스를 분사하여, 상기 기판 상에 TiN 박막을 형성하는 단계; 상기 Ti 함유 가스의 분사를 중단한 후, 상기 기판을 향해 퍼지가스를 분사하는 2차 퍼지 단계;를 포함하고, 상기 NH3 함유 가스를 분사하는 단계, 1차 퍼지 단계, 플라즈마를 발생시키는 단계, Ti 함유 가스를 분사하는 단계, 2차 퍼지 단계 순서로 실시되는 공정을 하나의 공정 사이클로 한다.
상기 공정 사이클을 반복 실시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배리어층의 형성 방법은 기판이 위치된 공정공간으로 Ti를 함유하는 가스를 분사하는 단계; 상기 공정공간으로 NH3를 함유하는 가스를 분사하고, 상기 NH3 함유 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 기판 상에 TiN 박막을 증착하는 단계; 및 상기 공정공간으로 H2 가스를 분사하고, 상기 H2 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 TiN 박막 상의 불순물을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 TiN 박막을 증착하는 단계 및 불순물을 제거하는 단계 각각에서 플라즈마를 발생시키는 단계는, 상기 NH3 함유 가스 및 H2 가스를 상기 공정공간으로 분사하는 가스 분사부에 RF 전원을 인가하는 단계를 포함하고, 상기 박막을 증착하는 단계로부터 상기 불순물을 제거하는 단계까지 상기 분사부에 RF 전원을 연속적으로 인가할 수 있다.
상기 TiN 박막을 증착하는 단계와 상기 불순물을 제거하는 단계 사이에 상기 공정공간으로 퍼지가스를 분사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 퍼지가스 분사시에 상기 분사부로 RF 전원을 인가하여, 상기 퍼지가스를 이용한 플라즈마를 발생킬 수 있다.
상기 Ti를 함유하는 가스를 분사하는 단계 전에 실시되는 전처리 단계를 포함하고, 상기 전처리 단계는, 상기 공정공간으로 NH3를 함유하는 가스를 분사하여 상기 기판에 흡착시키는 단계; 상기 공정공간으로 퍼지가스를 분사하는 단계; 및 H2 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 공정공간 및 상기 공정공간 내에서 상기 기판을 지지하는 지지대의 온도를 300℃ 이상, 350℃ 미만으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 저온에서 원자층 증착 방법으로 TiN 박막으로 이루어진 배리어층을 형성할 수 있다. 따라서, 고온의 열에 의해 기판 또는 기판 상에 형성된 박막이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 배리어층을 포함하는 소자의 불량 발생을 방지하거나 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 수소 플라즈마를 발생시킴으로써 배리어층 상의 불순물을 제거할 수 있다. 따라서 불순물에 의한 배리어층 또는 소자의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 방법으로 형성된 TiN 박막을 포함하는 소자의 일부를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 방법으로 TiN 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 방법으로 TiN 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 TiN 박막 또는 배리어층을 형성하는데 사용되는 증착장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들은 TiN 박막으로 이루어진 배리어층의 형성 방법에 관한 것이다. 상세하게는 350℃ 미만의 저온에서 TiN 박막을 증착하여 배리어층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는 원자층 증착(ALD: Atomic Layer deposition) 방법으로 300℃ 이상, 350℃ 미만의 저온에서 TiN 박막을 증착하여 배리어층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
또한, 실시예들에 따른 방법으로 형성된 TiN 박막은 유전체층과 전도층 사이에서 형성되어 절연 기능을 하는 배리어층일 수 있다. 더 구체적인 예시로 실시예에 따른 TiN 박막은 집적 회로 소자 또는 캐패시터 소자 등에서 유전체층과 전도층 사이에 형성되는 배리어층일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 방법으로 형성된 TiN 박막을 포함하는 소자의 일부를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 방법으로 TiN 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 여기서, 도 1은 유전체층과 전도층 사이에 형성된 배리어층을 포함하는 집적 회로 소자의 일부를 도시한 것이고, 배리어층이 본 발명의 제1실시예에 따른 방법으로 형성된 TiN 박막으로 형성된 상태를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 형성된 배리어층(200)을 포함하는 소자는 기판(S), 기판(S) 상에 형성된 유전체층(100), 유전체층(100) 상에 형성되며 TiN 박막으로 이루어진 배리어층(200), 배리어층(200) 상에 형성된 전도층(300)을 포함할 수 있다.
기판(S)은 반도체 기판일 수 있다. 보다 구체적인 예로, 기판은 Si 웨이퍼, GaAs 웨이퍼, SiGe 웨이퍼일 수 있다.
유전체층(100)은 기판(S) 상부에 형성된다. 이때 유전체층(100)은 금속 산화물로 형성될 수 있다. 보다 구체적인 예로 유전체층(100)은 ZrO2, Al2O3, TiO2, TaO2 및 HfO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 유전체층(100)은 원자층 증착(ALD) 방법 또는 화학 증기 증착(CVD: chemical vapor deposition) 방법으로 형성될 수 있다.
배리어층(200)은 유전체층(100) 상에 형성되는 층이며, TiN 박막으로 형성된다. 즉, 배리어층(200)은 기판(S) 상에 유전체층(100)을 형성한 후 전도층(300)을 형성하기 전에 형성되는 층이며, TiN 박막으로 이루어진다. 이때 배리어층(200) 즉, TiN 박막은 원자층 증착(ALD) 방법으로 형성된다.
상술한 바와 같이 실시예에서는 유전체층(100)과 전도층(300) 사이에 위치하도록 TiN 박막을 형성하고, 상기 TiN 박막은 배리어층(200)이다. 이에, TiN 박막과 배리어층은 동일한 도면부호 '200'으로 지칭되어 설명될 수 있다. 즉, 도면부호 '200'은 TiN 박막 및 배리어층을 지칭하는 것일 수 있다.
원자층 증착 방법으로 배리어층(200)을 형성하는데 있어서, 리액턴트 가스의 분사를 중단 또는 종료한 후에 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 리액턴트 가스의 분사가 중단 또는 종료된 후에 수소가스를 이용한 플라즈마를 발생시킨다.
이하, 도 2를 참조하여 원자층 증착 방법으로 TiN 박막 또는 TiN 박막으로 이루어진 배리어층(200)을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 이때 도 2에서 'on'은 가스의 분사 및 플라즈마를 발생시키는 것을 의미하고, 'off'는 가스 분사를 중단 또는 종료하거나, 플라즈마 발생을 중단 또는 플라즈마 발생을 하지 않는 상태를 의미한다.
도 2를 참조하면, TiN 박막을 형성하는 과정은 소스가스를 분사하는 단계, 소스가스 분사를 중단한 후 퍼지가스를 분사하는 단계(1차 퍼지), 퍼지가스 분사를 중단한 후 리액턴트 가스를 분사하는 단계, 리액턴트 가스의 분사를 중단한 후 퍼지가스를 분사하는 단계(2차 퍼지) 및 퍼지가스 분사를 중단한 후 수소 플라즈마를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 소스가스로 Ti를 함유하는 가스, 리액턴트 가스로 N을 함유하는 가스, 퍼지가스로 Ar 가스를 사용할 수 있다. 이때, Ti 함유 가스로 TiCl4를 함유하는 가스를 사용할 수 있고, 리액턴트 가스로 NH3를 함유하는 가스를 사용할 수 있다.
실시예에서는 리액턴트 가스를 분사하는 단계에서 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 리액턴트 가스를 분사할 때 RF 전원을 인가하여, 리액턴트 가스를 방전시킴으로써 리액턴트 가스 플라즈마를 발생시킨다.
또한, 리액턴트 가스의 분사가 중단 또는 종료된 후, 수소 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 리액턴트 가스의 분사가 종료된 후에 수소가스를 분사하고, RF 전원을 인가하여 상기 수소가스를 방전시킴으로써 수소 플라즈마(수소가스 플라즈마)를 발생시킨다. 이때, 수소 플라즈마를 발생시키는 단계는 예컨대 리액턴트 가스를 분사하고 2차 퍼지가 종료된 후에 실시될 있다.
상술한 바와 같은 '소스가스 분사 - 퍼지가스 분사(1차 퍼지) - 리액턴트 가스 분사(플라즈마 발생) - 퍼지가스 분사(2차 퍼지) - 수소 플라즈마 발생'을 TiN 박막 형성을 위한 하나의 공정 사이클(cycle)로 할 수 있다. 또한, 상술한 공정 사이클을 복수 번 반복함에 따라, 복수 번의 원자층 증착이 실시된다. 그리고 공정 사이클의 실시 횟수를 조정함으로써 목표로 하는 두께의 TiN 박막을 형성할 수 있다.
상술한 '소스가스 분사 - 퍼지가스 분사(1차 퍼지) - 리액턴트 가스 분사(플라즈마 발생) - 퍼지가스 분사(2차 퍼지) - 수소 플라즈마 발생'을 포함하는 공정 사이클은, 수소 플라즈마 발생을 종료한 후에 소스가스 분사 단계로 돌아간다. 그러나, 이에 한정되지 않고 수소 플라즈마 발생 이후에 퍼지가스 분사 단계(3차 퍼지)가 추가로 더 실시될 수 있다. 즉, '소스가스 분사 - 퍼지가스 분사(1차 퍼지) - 리액턴트 가스 분사(플라즈마 발생) - 퍼지가스 분사(2차 퍼지) - 수소 플라즈마 발생 - 퍼지가스 분사(3차 퍼지)'를 TiN 박막 형성을 위한 하나의 공정 사이클(cycle)로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 공정 사이클에 있어서, 소스가스 분사가 분사되면 소스가스가 유전체층 상에 흡착된다. 그리고, 퍼지가스 분사(1차 퍼지) 후에 리액턴트 가스를 분사하면서 플라즈마를 발생시키면, 유전체층(100) 상에 흡착되어 있는 소스가스(TiCl4 함유 가스)와 리액턴트 가스(NH3 함유 가스) 간의 반응이 일어나 반응물 즉, TiN이 생성된다. 그리고 이 반응물이 유전체층(100) 상에 퇴적 또는 증착되며, 이에 유전체층(100) 상에 TiN으로 이루어진 박막이 형성된다. 즉, 유전체층(100) 상에 TiN 박막으로 이루어진 배리어층(200)이 형성된다.
한편, 종래에는 원자층 증착 방법으로 TiN 박막을 형성하는데 있어서, 증착 공정이 실시되는 공정공간 예컨대 챔버 내부 또는 TiN 박막이 증착되는 기판(S)의 온도를 350℃ 이상의 고온으로 유지시켰다. 다른 말로 설명하면, 챔버 내부 또는 기판(S)의 온도가 350℃ 이상의 고온으로 유지되어야만, 기판(S) 또는 유전체층(100) 상에 TiN 박막이 증착될 수 있다. 그런데 이렇게 고온에서 TiN 박막을 형성하는 경우, 기판(S) 또는 TiN 박막의 하부에 형성된 하지층 예컨대 유전체층(100)이 열에 의해 손상되는 문제가 있다. 그리고 이는 소자의 품질 또는 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다.
그러나, 실시예에서는 원자층 증착 방법을 이용하여 TiN 박막을 형성 또는 증착하는데 있어서 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 리액턴트 가스를 분사하는 단계에서 RF 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이렇게 리액턴트 가스를 분사할 때 발생된 플라즈마는 소스가스와 리액턴트 가스 간의 반응 효율을 향상시키고, 소스가스와 리액턴트 가스 간의 반응물이 기판(S) 또는 유전체층(100) 상에 용이하게 퇴적 또는 부착되도록 할 수 있다. 따라서, 챔버 내부 또는 기판(S)의 온도가 저온 예컨대 350℃ 미만인 상태에서 원자층 증착 방법에 의해 TiN 박막이 형성될 수 있다. 즉, 종래와 같이 기판(S)을 고온으로 가열한 상태에서 TiN 박막을 형성하지 않고, 350℃ 미만의 저온에서 TiN 박막을 형성할 수 있다. 이에 고열에 의해 기판(S) 또는 TiN 박막의 하부의 하지층이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 리액턴트 가스의 분사가 중단되면 수소 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 리액턴트 가스의 분사가 중단되면 공정공간으로 수소가스를 분사하고 RF 전원을 인가하여 상기 수소가스를 방전시킴으로써 수소 플라즈마를 발생시킨다. 이때 발생된 수소 플라즈마는 불순물을 제거할 수 있다. 여기서, 불순물은 예컨대 소스가스와 리액턴트 가스 간의 반응으로 인한 반응 부산물일 수 있다. 보다 구체적인 예로, 소스가스에 함유된 TiCl4와 반응가스에 함유된 NH3 간의 반응으로 생성된 Cl(불순물)일 수 있다. 그리고, 수소 플라즈마가 공정공간에 발생되면, 수소(H2)와 불순물 예컨대 Cl이 반응하여 가스 형태의 HCl이 된다. 그리고, HCl 가스는 반응공간에 연결된 배기부를 통해 외부로 배출된다. 이때, 수소가스에 의해 발생된 플라즈마는 수소와 불순물 예컨대 Cl 간의 반응을 용이하게 또는 촉진시킨다. 이에, 리액턴트 가스 분사 후에 수소 플라즈마를 발생시킴으로써, 공정공간에 존재하는 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 이에 따라 TiN 박막 즉, 배리어층(200)의 형성시에 불순물에 의한 오염을 방지 또는 억제할 수 있고, 이에 따라 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
전도층(300)은 배리어층(TiN 막)(200) 상에 형성된다. 이때 전도층(300)은 금속 또는 금속을 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 전도층(300)은 Cu, Au, Ag, Ti, Ta, Co 및 Pt 중 적어도 하나의 재료로 형성될 수 있다. 또한, 전도층(300)은 Cu, Au, Ag, Ti, Ta, Co 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 그리고 전도층(300)은 원자층 증착, 화학기상 증착 방법 등으로 형성될 수 있다.
상기에서는 집적 회로 소자의 배리어층(200)을 TiN 박막으로 형성하는 것을 설명하였다. 하지만 TiN 박막으로 이루어진 배리어층(200)이 적용되는 소자는 집적 회로 소자에 한정되지 않고, 배리어층(200)이 필요한 다양한 소자 예컨대 캐패시터 소자의 배리어층으로 적용될 수 있다.
상술한 제1실시예에 따른 배리어층 형성 방법은 '소스가스 분사 - 퍼지가스 분사(1차 퍼지) - 리액턴트 가스 분사(플라즈마 발생) - 퍼지가스 분사(2차 퍼지) - 수소 플라즈마 발생'을 하나의 공정 사이클로 한다.
이때, 상기 공정 사이클에서 수소가스 분사 단계 전에 실시되는 전처리 단계를 포함할 수 있다. 그리고 전처리 단계는 리액턴트 가스를 분사하는 단계, 리액턴트 가스의 분사를 중단한 후 퍼지가스를 분사하는 단계, 퍼지가스의 분사를 중단한 후 수소 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 리액턴트 가스는 NH3를 함유하는 가스일 수 있다. 즉, '소스가스 분사 - 퍼지가스 분사(1차 퍼지) - 리액턴트 가스 분사(플라즈마 발생) - 퍼지가스 분사(2차 퍼지) - 수소 플라즈마 발생' 순으로 실시되는 공정 사이클을 실시하기 전에, 리액턴트 가스 분사 단계, 퍼지가스 분사 단계, 수소 플라즈마 발생 단계를 포함하는 전처리 단계를 먼저 실시할 수 있다.
그리고 상술한 전처리 단계는 상기 공정 사이클을 최초로 실시하는 단계 전에만 실시하고, 이후에는 실시되지 않을 수 있다. 즉, 전처리 단계가 종료되면 첫 번째 공정 사이클을 실시하고, 첫 번째 공정 사이클이 종료되면 전처리 단계로 돌아가지 않고, 두 번째 공정 사이클을 위한 소스가스를 분사한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 방법으로 TiN 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
제2실시예에 따른 TiN 박막 형성 방법은 원자층 증착 방법으로 TiN 박막을 형성하는데, 소스가스 분사 및 리액턴트 가스의 분사 순서를 제1실시예와 다르게 하는 방법이다. 즉, 제2실시예에 따른 TiN 박막 형성 과정은, 도 3에 도시된 바와 같이 리액턴트 가스를 분사하는 단계, 리액턴트 가스 분사를 중단한 후 퍼지가스를 분사하는 단계(1차 퍼지), 퍼지가스 분사를 중단 한 후 수소 플라즈마를 형성하는 단계, 수소 플라즈마 발생을 중단한 후 퍼지가스를 분사하는 단계(2차 퍼지)를 포함할 수 있다.
제2실시예에서는 리액턴트 가스를 분사할 때 플라즈마 발생을 생략할 수 있다. 그리고 리액턴트 가스 분사, 1차 퍼지 후에 수소가스를 분사하여 수소 플라즈마를 발생시킨다.
그리고 상술한 바와 같은 '리액턴트 가스 분사 - 퍼지가스 분사(1차 퍼지) - 수소 플라즈마 발생 - 소스가스 분사 - 퍼지가스 분사(2차 퍼지)' 를 TiN 박막 형성을 위한 하나의 공정 사이클(cycle)로 할 수 있다.
소스가스, 리액턴트 가스, 퍼지가스는 앞에서 설명한 제1실시예와 동일한 가스를 사용할 수 있다. 즉, 소스가스로 Ti를 함유하는 가스, 리액턴트 가스로 N을 함유하는 가스, 퍼지가스로 Ar 가스를 사용할 수 있다. 이때, Ti 함유 가스로 TiCl4를 함유하는 가스를 사용할 수 있고, 리액턴트 가스로 NH3를 함유하는 가스를 사용할 수 있다.
이와 같이 제2실시예에 따른 방법에서는 소스가스 분사 전에 리액턴트 가스를 분사하고 수소 플라즈마를 발생시킨다. 그리고, 리액턴트 가스를 분사한 후에 수소 플라즈마를 발생시킴으로써, TiN 박막의 증착율 또는 막질을 향상시킬 수 있다. 즉, 리액턴트 가스가 분사된 후에 수소 플라즈마를 발생시킴으로써, 리액턴트 가스의 이온화를 증가시킬 수 있다. 이에, 기판(S) 상에 흡착되는 이온화된 리액턴트 가스의 양을 증가시킬 수 있다. 또한 이에 따라 기판(S) 상에 흡착된 리액턴트 가스와 반응하는 소스가스의 양이 증가된다. 따라서, TiN 박막 증착율을 향상시킬 수 있고, 막질을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 TiN 박막 또는 배리어층을 형성하는데 사용되는 증착장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
증착장치는 원자층 증착(ALD) 방법으로 박막을 증착하는 장치일 수 있다. 이러한 증착장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(100), 챔버(100) 내에 설치되어 기판(S)을 지지하기 위한 지지대(200), 지지대(200)와 마주보도록 배치되어 챔버(100) 내부로 공정을 위한 가스(이하 공정가스)를 분사하는 분사부(300), 분사부(300)로 공정가스를 제공하는 가스 공급부(400), 서로 다른 경로를 가지도록 분사부(300)에 연결되며 가스 공급부(400)로부터 제공된 가스를 분사부(300)로 공급하는 제1 및 제2가스 공급관(500a, 500b), 챔버(100) 내에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 RF 전원부(600)를 포함할 수 있다.
또한, 증착장치는 지지대(200)를 승하강 및 회전 동작 중 적어도 하나로 동작시키는 구동부(700), 챔버(100)에 연결되게 설치되어 챔버(100) 내부를 배기하는 배기부(800)를 포함할 수 있다.
챔버(100)는 내부로 반입된 기판(S) 상에 박막이 형성될 수 있는 내부공간을 포함할 수 있다. 예컨대 그 단면의 형상이 사각형, 오각형, 육각형 등의 형상일 수 있다. 물론, 챔버(100) 내부의 형상은 다양하게 변경 가능하며, 기판(S)의 형상과 대응하도록 마련되는 것이 바람직하다.
지지대(200)는 분사부(300)와 마주보도록 챔버(100) 내부에 설치되어, 챔버(100) 내부로 장입된 기판(S)을 지지한다. 이러한 지지대(200)의 내부에는 히터(210)가 마련될 수 있다. 이에 히터(210)를 동작시키면 지지대(200) 상에 안착된 기판(S) 및 챔버(100) 내부가 가열될 수 있다.
또한, 기판(S) 또는 챔버(100) 내부를 가열하기 위한 수단으로 지지대(200)에 마련된 히터(210) 외에 챔버(100) 내부 또는 챔버(100) 외부에 별도의 히터가 마련될 수 있다.
분사부(300)는 지지대(200)의 연장 방향으로 나열되어 상호 이격 배치된 복수의 홀(이하 홀(311))을 가지며, 챔버(100) 내부에서 지지대(200)와 마주보도록 배치된 제1플레이트(310), 적어도 일부가 복수의 홀(311) 각각에 삽입되도록 마련된 복수의 노즐(320), 챔버(100) 내부에서 상기 챔버(100) 내 상부벽과 제1플레이트(310) 사이에 위치하도록 설치된 제2플레이트(330)를 포함할 수 있다.
또한, 분사부(300)는 제1플레이트(310)와 제2플레이트(330) 사이에 위치된 절연부(340)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 제1플레이트(310)는 RF 전원부(600)와 연결되고, 제2플레이트(330)는 접지될 수 있다. 그리고, 절연부(340)는 제1플레이트(310)와 제2플레이트(330) 간의 전기적인 연결을 방지해주는 역할을 할 수 있다.
제1플레이트(310)는 지지대(200)의 연장 방향으로 연장 형성된 판 형상일 수 있다. 그리고, 제1플레이트(310)에는 복수의 홀(311)이 마련되는데, 복수의 홀(311) 각각은 제1플레이트(310)를 상하 방향으로 관통하도록 마련될 수 있다. 그리고 복수의 홀(311)은 제1플레이트(310) 또는 지지대(200)의 연장 방향으로 나열될 수 있다.
복수의 노즐(320) 각각은 상하 방향으로 연장된 형상일 수 있고, 그 내부에는 가스의 통과가 가능한 통로가 마련되어 있으며, 상단 및 하단이 개구된 형상일 수 있다. 그리고, 복수의 노즐(320) 각각은 적어도 그 하부가 제1플레이트(310)에 마련된 홀(311)에 삽입되고, 상부는 제2플레이트(330)와 연결되도록 설치될 수 있다. 이에, 노즐(320)은 제2플레이트(330)로부터 하부로 돌출된 형상으로 설명될 수 있다.
노즐(320)의 외경은 홀(311)의 내경에 비해 작도록 마련될 수 있다. 그리고, 노즐(320)이 홀(311)의 내부에 삽입되게 설치되는데 있어서, 노즐(320)의 외주면이 홀(311) 주변벽(즉, 제1플레이트(310)의 내측벽)과 이격되게 설치될 수 있다. 이에, 홀(311)의 내부는 노즐(320)의 외측 공간과, 노즐(320)의 내측 공간으로 분리될 수 있다.
홀(311)의 내부공간에 있어서, 노즐(320) 내 통로는 제1가스 공급관(500a)으로부터 제공된 가스가 이동, 분사되는 통로이다. 그리고, 홀(311) 내부공간에 있어서 노즐(320)의 외측 공간은 제2가스 공급관(500b)으로부터 제공된 가스가 이동, 분사되는 통로이다. 따라서, 이하에서는 노즐(320) 내 통로를 제1경로(360a), 홀(311) 내부에서 노즐(320)의 외측 공간을 제2경로(360b)라 명명한다.
제2플레이트(330)는 그 상부면이 챔버(100) 내 상부벽과 이격되고, 하부면이 제1플레이트(310)와 이격되도록 설치될 수 있다. 이에 제2플레이트(330)와 제1플레이트(310) 사이 및 제2플레이트(330)와 챔버(100) 상부벽 사이 각각에 빈 공간이 마련될 수 있다.
여기서, 제2플레이트(330)의 상측 공간은 제1가스 공급관(500a)으로부터 제공된 가스가 확산 이동되는 공간(이하, 확산공간(350))으로서, 복수의 노즐(320)의 상측 개구와 연통될 수 있다. 다른 말로 설명하면, 확산공간(350)은 복수의 제1경로(360a)와 연통된 공간이다. 이에, 제1가스 공급관(500a)을 통과한 가스는 확산공간(350)에서 제2플레이트(330)의 연장방향으로 확산된 후, 복수의 제1경로(360a)를 통과하여 하측으로 분사될 수 있다.
또한, 제2플레이트(330)의 내부에는 가스가 이동되는 통로인 건드릴(미도시)이 마련되어 있으며, 상기 건드릴은 제2가스 공급관(500b)과 연결되고, 제2경로(360b)와 연통되도록 마련될 수 있다. 따라서, 제2가스 공급관(500b)으로부터 제공된 가스는 제2플레이트(330)의 건드릴, 제2경로(360b)를 거쳐 기판(S)을 향해 분사될 수 있다.
가스 공급부(400)는 원자층 증착 방법으로 박막을 증착하는데 필요한 가스를 제공한다. 이러한 가스 공급부(400)는 소스가스가 저장된 소스가스 저장부(410), 소스가스와 반응하는 리액턴트 가스가 저장된 리액턴트 가스 저장부(420), 퍼지가스가 저장된 퍼지가스 저장부(430), 수소가스가 저장된 수소가스 저장부(440), 소스가스 저장부(410)와 제1가스 공급관(500a)을 연결하도록 설치된 제1이송관(450a), 리액턴트 가스 저장부(420), 퍼지가스 저장부(430) 및 수소가스 저장부(410) 각각과 제2가스 공급관(500b)을 연결하도록 설치된 제2이송관(450b)을 포함할 수 있다.
또한, 가스 공급부(400)는 리액턴트 가스 저장부(420), 퍼지가스 저장부(430) 및 수소가스 저장부(410) 각각과 제2이송관(450b)을 연결하는 연결관(460), 제1이송관(450a) 및 복수의 연결관(460) 각각에 설치된 밸브를 포함할 수 있다.
이하, 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 TiN 박막으로 이루어진 배리어층을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 이때, 유전체층의 상부에 배리어층을 형성하는 방법을 예를 들어 설명한다.
먼저, 지지대(200)에 마련된 히터(210)를 동작시켜 지지대(200)를 가열한다. 이때, 지지대(200) 또는 상기 지지대(200)에 안착될 기판(S)의 온도가 공정온도 예를 들어 300℃ 이상, 350℃ 미만이 되도록 히터(210)를 동작시킨다. 보다 구체적인 예로, 기판(S)의 온도가 300℃가 되도록 히터(210)를 동작시킨다.
다음으로, 상면에 유전체층(100)이 형성된 기판(S)을 챔버(100) 내부로 장입시켜 지지대(200) 상에 안착시킨다. 이후, 지지대(200) 상에 안착된 기판(S)이 목표하는 공정온도 예컨대 300℃가 되면, 유전체층(100) 상에 TiN 박막으로 이루어진 배리어층(200)을 형성한다.
이때, 원자층 증착 방법을 이용하여 배리어층(200)을 형성한다. 그리고 원자층 증착은 소스가스 분사, 퍼지가스 분사(1차 퍼지), 리액턴트 가스 분사, 퍼지가스 분사(2차 퍼지), 수소 플라즈마 발생 순으로 실시되며, 리액턴트 가스 분사 시에 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 원자층 증착 방법으로 배리어층(200)을 형성하는 공정 사이클은 '소스가스 분사 - 퍼지가스 분사(1차 퍼지) - 리액턴트 가스 분사(플라즈마 발생) - 퍼지가스 분사(2차 퍼지) - 수소 플라즈마 발생'일 수 있다. 그리고 상술한 공정 사이클을 복수 번 반복하여 목표하는 두께의 배리어층(200)을 형성한다.
이하, 분사부(300) 및 가스 공급부(400)를 이용하여 챔버(100) 내부로 가스를 분사하여 배리어층(200)을 형성하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 챔버(100) 내부로 소스가스를 분사한다. 이를 위해, 소스가스 저장부(410)에 저장되어 있는 TiCl4 함유 가스를 제1이송관(450a)을 공급한다. 소스가스는 제1이송관(450a) 및 제1가스 공급관(500a)을 거쳐 분사부(300) 내 확산공간(350)으로 유입된다. 그리고 소스가스는 확산공간(350) 내에서 확산된 후, 복수의 노즐(320) 즉, 복수의 제1경로(360a)를 통과하여 기판(S)을 향해 분사된다.
미리 설정된 시간 동안 소스가스를 분사한 후, 소스가스의 분사를 중단시킨다. 그리고, 소스가스의 분사가 중단 또는 종료되면, 퍼지가스 저장부(430)를 통해 퍼지가스를 제공하여 챔버(100) 내부에 퍼지가스를 분사한다(1차 퍼지). 이때 퍼지가스 저장부(430)로부터 배출된 퍼지가스는 연결관(460), 제2이송관(450b) 및 제2가스 공급관(500b)을 거친 후, 제2경로(360b)를 통해 하측으로 분사될 수 있다.
다음으로, 리액턴트 가스 저장부(420)로부터 리액턴트 가스 예컨대 NH3 함유 가스를 제공받아 챔버(100) 내부로 분사한다. 이때 리액턴트 가스는 퍼지가스와 동일한 경로를 통해 챔버(100) 내부로 분사될 수 있다. 즉, 리액턴트 가스는 연결관(460), 제2이송관(450b) 및 제2가스 공급관(500b)을 거친 후, 제2경로(360b)를 통해 하측으로 분사될 수 있다. 리액턴트 가스가 분사되면, 유전체층(100) 상에 흡착되어 있는 소스가스와 상기 리액턴트 가스 간의 반응이 일어나 반응물 즉, TiN이 생성될 수 있다. 그리고 이 반응물이 유전체층(100) 상에 퇴적 또는 증착되며, 이에 기판(S) 상에 TiN으로 이루어진 박막이 형성된다.
이렇게 챔버(100) 내부로 리액턴트 가스가 분사될 때, RF 전원부(600)를 동작시켜 제1플레이트(310)에 RF 전원을 인가한다. 이에 리액턴트 가스에 의한 플라즈마가 발생된다.
이렇게 리액턴트 가스를 분사할 때 발생된 플라즈마는 소스가스와 리액턴트 가스 간의 반응 효율을 향상시키고, 소스가스와 리액턴트 가스 간의 반응물이 유전체층(100) 상에 용이하게 퇴적 또는 부착되도록 할 수 있다. 다른 말로 설명하면, 히터(210)에 의해 가열된 챔버(100) 내부 또는 기판(S)의 온도가 350℃ 미만의 저온이더라도, 리액턴트 가스 분사 시에 발생된 플라즈마에 의해 상기 리액턴트 가스와 소스가스 간의 반응이 용이하게 일어난다. 따라서, 챔버(100) 내부 또는 기판(S)의 온도가 저온 예컨대 350℃ 미만인 상태에서 원자층 증착 방법에 의해 TiN 박막을 형성할 수 있다. 즉, 종래와 같이 기판(S)을 고온으로 가열한 상태에서 TiN 박막을 형성하지 않고, 350℃ 미만의 저온에서 TiN 박막을 형성할 수 있다. 이에 고열에 의해 기판(S) 또는 TiN 박막의 하부의 하지층 예컨대 유전체층(100)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
미리 설정된 시간 동안 리액턴트 가스를 분사한 후, 리액턴트 가스의 분사를 중단시킨다. 그리고, 리액턴트 가스의 분사가 중단 또는 종료되면, 퍼지가스 저장부(430)를 통해 퍼지가스를 제공하여 챔버(100) 내부에 퍼지가스를 분사한다(2차 퍼지). 이때 2차 퍼지에 의해 소스가스와 리액턴트 가스 간의 반응에 의한 부산물 등이 챔버(100) 외부로 배출될 수 있다.
2차 퍼지가 종료되면, 챔버 내로 수소가스를 분사한다. 이때 수소가스는 퍼지가스와 동일한 경로를 통해 챔버(100) 내부로 분사될 수 있다. 즉, 수소가스는 연결관(460), 제2이송관(450b) 및 제2가스 공급관(500b)을 거친 후, 제2경로(360b)를 통해 하측으로 분사될 수 있다. 이렇게 수소가스가 분사될 때, RF 전원(600)을 동작시켜 제1플레이트(310)에 RF 전원을 인가한다. 이에, 챔버(100) 내부에 수소가스를 이용한 플라즈마 즉, 수소 플라즈마가 생성된다.
이때 발생된 수소 플라즈마는 챔버(100) 내부에 잔류하는 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들어, 소스가스에 함유된 TiCl4와 반응가스에 함유된 NH3 간의 반응으로 생성되어 챔버(100) 내부에 잔류하는 또는 TiN 박막 상에 잔류하는 반응 부산물인 Cl(불순물)은 수소와 반응하여 HCl이 된다. 이때, 수소가스에 의해 발생된 플라즈마는 수소와 Cl 간의 반응을 촉진시킨다. 그리고, HCl 가스는 챔버에 연결된 배기부를 통해 외부로 배출된다. 따라서, TiN 박막 즉, 배리어층(200)의 형성시에 불순물에 의한 오염을 방지 또는 억제할 수 있고, 이에 따라 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 '소스가스 분사, 퍼지가스 분사(1차 퍼지), 리액턴트 가스 분사(플라즈마 발생), 퍼지가스 분사(2차 퍼지), 수소 플라즈마 발생' 순서로 실시되는 공정 사이클은 복수 번 반복하여 실시될 수 있다. 그리고, 목표로 하는 두께에 따라 공정 사이클의 실시 회수를 결정할 수 있다. 또한, 수소 플라즈마 발생 단계와 소스가스 분사 단계 사이에 퍼지가스 분사(3차 퍼지) 단계가 더 추가될 수 있다.
또한, 상기에서는 리액턴트 가스 분사시와 수소가스 분사시에 플라즈마를 발생시키고, 2차 퍼지시에 플라즈마를 발생시키지 않는 것을 설명하였다. 하지만 이에 한정되지 않고 2차 퍼지시에 퍼지가스 즉, Ar 가스를 이용한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 다른 말로 설명하면, 리액턴트 가스를 분사할 때부터 수소가스의 분사가 종료될 때까지 RF 전원을 연속적으로 인가할 수 있다. 이에, 리액턴트 분사 단계, 퍼지가스 분사(2차 퍼지), 수소가스 플라즈마 발생 단계에서 플라즈마가 연속적으로 발생될 수 있다.
목표 두께의 TiN 배리어층(200)이 형성되면, 배리어층(200) 상에 전도층(300)을 형성한다. 이때 전도층(300)은 원자층 증착, 화학기상 증착 방법 등으로 형성될 수 있고, Cu, Au, Ag, Ti, Ta, Co 및 Pt 중 어느 하나 또는 이들 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
이와 같이 실시예에 따른 방법에 의하면, 350℃ 미만의 저온에서 TiN 박막 즉, TiN 배리어층(200)을 형성할 수 있다. 따라서, TiN 박막이 형성되는 하지층 또는 기판이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 수소 플라즈마를 발생시킴으로써 배리어층 상의 불순물을 제거할 수 있고, 이에 따라 배리어층 또는 소자의 품질을 향상시킬 수 있다.
S: 기판 100: 유전체층
200: 배리어층 300: 전도층

Claims (8)

  1. 플라즈마를 발생시켜, 기판 상에 배리어층을 형성하는 배리어층의 형성 방법으로서,
    NH3를 함유하는 가스를 분사하여 상기 기판에 흡착시키는 단계;
    상기 NH3 함유 가스의 분사를 중단한 후, 상기 기판을 향해 퍼지가스를 분사하는 1차 퍼지 단계;
    H2 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 기판을 향해 Ti를 함유하는 가스를 분사하여, 상기 기판 상에 TiN 박막을 형성하는 단계;
    상기 Ti 함유 가스의 분사를 중단한 후, 상기 기판을 향해 퍼지가스를 분사하는 2차 퍼지 단계;를 포함하고,
    상기 NH3 함유 가스를 분사하는 단계, 1차 퍼지 단계, 플라즈마를 발생시키는 단계, Ti 함유 가스를 분사하는 단계, 2차 퍼지 단계 순서로 실시되는 공정을 하나의 공정 사이클로 하는 배리어층의 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정 사이클을 반복 실시하는 배리어층의 형성 방법.
  3. 기판이 위치된 공정공간으로 Ti를 함유하는 가스를 분사하는 단계;
    상기 공정공간으로 NH3를 함유하는 가스를 분사하고, 상기 NH3 함유 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 기판 상에 TiN 박막을 증착하는 단계; 및
    상기 공정공간으로 H2 가스를 분사하고, 상기 H2 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 TiN 박막 상의 불순물을 제거하는 단계;를 포함하는 배리어층의 형성 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 TiN 박막을 증착하는 단계 및 불순물을 제거하는 단계 각각에서 플라즈마를 발생시키는 단계는,
    상기 NH3 함유 가스 및 H2 가스를 상기 공정공간으로 분사하는 가스 분사부에 RF 전원을 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 박막을 증착하는 단계로부터 상기 불순물을 제거하는 단계까지 상기 분사부에 RF 전원을 연속적으로 인가하는 배리어층의 형성 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 TiN 박막을 증착하는 단계와 상기 불순물을 제거하는 단계 사이에 상기 공정공간으로 퍼지가스를 분사하는 단계를 포함하는 배리어층의 형성 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 퍼지가스 분사시에 상기 분사부로 RF 전원을 인가하여, 상기 퍼지가스를 이용한 플라즈마를 발생시키는 배리어층의 형성 방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 Ti를 함유하는 가스를 분사하는 단계 전에 실시되는 전처리 단계를 포함하고,
    상기 전처리 단계는,
    상기 공정공간으로 NH3를 함유하는 가스를 분사하여 상기 기판에 흡착시키는 단계;
    상기 공정공간으로 퍼지가스를 분사하는 단계; 및
    H2 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 단계; 를 포함하는 배리어층의 형성 방법.
  8. 청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정공간 및 상기 공정공간 내에서 상기 기판을 지지하는 지지대의 온도를 300℃ 이상, 350℃ 미만으로 조절하는 단계를 포함하는 배리어층의 형성 방법.



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