KR960015375B1 - 강유전체 박막 제조장치 및 그를 사용한 강유전체 박막 제조방법 - Google Patents

강유전체 박막 제조장치 및 그를 사용한 강유전체 박막 제조방법 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

강유전체 박막 제조장치 및 그를 사용한 강유전체 박막 제조방법
제 1 도는 본 발명에 따른 화학기상증착기의 개략도.
제 2 도는 본 발명에 따른 PLT 유전체 박막 재현성을 보여주기 위한 박막형성 횟수에 대한 캐패시턴스값 측정 그래프.
제 3 도는 본 발명에 따른 유전체 박막 PLT의 전기적 특성을 측정하기 위한 캐패시터 형성 단면도.
제 4 도는 100nm의 유전체 박막으로 이루어진 제 3 도의 구조를 갖는 캐패시터의 전압에 대한 캐패시턴스 그래프.
제 5 도는 100nm의 유전체 박막으로 이루어진 제 3 도의 구조를 갖는 캐패시터의 주파수에 대한 캐패시턴스 그래프.
제 6 도는 200nm의 유전체 박막으로 이루어진 제 3 도의 구조를 갖는 캐패시터의 전압에 대한 캐패시턴스 그래프.
제 7 도는 200nm의 유전체 박막으로 이루어진 제 3 도의 구조를 갖는 캐패시터의 주파수에 대한 캐패시턴스 그래프.
제 8 도는 100nm의 유전체 박막으로 이루어진 제 3 도의 구조를 갖는 캐패시터의 전압에 대한 분극을 나타낸 히스테리시스 루프.
제 9 도는 200nm의 유전체 박막으로 이루어진 제 3 도의 구조를 갖는 캐패시터의 전압에 대한 분극을 나타낸 히스테리시스 루프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 3, 4 : 용기 5 : 믹싱챔버
6 : 가스분사기 7 : 공정튜브
8 : 석영보트 9 : 기판
10 : 펌프 11 : 부게이트라인
12 : 써머커플 13, 14 : 게이트밸브
15 : 압력게이지 31 : Si기판
32 : SiO233, 35 : Pt전극
34 : 유전체 박막
본 발명은 PLT, PT, PZT, PLZT, BST 등의 강유전체 박막 제조장치 및 그를 사용한 강유전체 박막제조방법에 관한 것으로, 특히 화학기상증착(CVD : Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 우수한 특성을 갖는 강유전체 박막을 형성할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
PLT, PT, PZT, PLZT, BST 등의 박막은 반도체 DRAM 또는 비휘발성 메모리 소자의 전하축전용 유전체 박막으로 사용되며, 그밖에 적외선 감지용 박막, 광 메모리, 광 스위치, 광 모듈레이터, 표지소자용 박막 등에 사용되고 있는 강유전체 박막이다.
종래의 강유전체 박막 형성 방법은 졸(So1)-겔(Gel) 코팅 방법과 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법을 사용하고 있으며, PVD 방법은 스퍼터링, 레이저 애블레이션(Ablation) 등을 이용한다.
졸(S이)-겔(Gel) 코팅 방법은 출발물질(precusor)(소오스 물질)인 금속을 함유한 알킬(alkyl)기 또는 아세테이트(acetate)기 화합물을 혼합하여 기판을 회전시키면서 기판위에 그 혼합물을 부어 박막을 형성시키는 방법으로써, 도포된 박막의 결정화를 위한 고온에서의 열처리시 박막에 균열 등이 발생하여 박막의 전기적, 물리적 특성이 불량하며 반도체 공정에 이용하기에 부적합한 문제점이 있었다.
또한, PVD 방법은 원하는 박막의 조성과 일치하는 벌크(bulk) 재료를 타겟으로 이용하여 고진공에서 플라즈마, 이온 빔, 레이저 등을 이용하여 물리적으로 타겟에서 원자를 분리시켜 기판에 박막을 형성시키는 방법으로, 조성의 조절이 용이하지 못하며, 증착된 박막의 층덮힘(step-coverage), 전기적인 특성이 양호하지 않을 뿐만 아니라 양산 면에서 생산 단가가 높은 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 박막에 손상을 줄수 있는 외부요인을 배제시키고, 조성 조절이 용이하며 양호한 층덮힘 및 전기적, 물리적 특성이 우수한 강유전체 박막을 화학기상증착(CVD)으로 형성할 수 있는 장치 및 그를 사용한 강유전체 박막 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강유전체 박막 제조장치는 강유전체의 각 성분 소오스 물질들을 담기 위한 다수의 용기 ; 상기 용기들에 수납된 소오스 물질들을 가열하여 기화된 소오스 가스를 형성하기 위한 제1가열수단 ; 상기 용기들로부터 상기 기화된 소오스 가스들을 공급받아 혼합하기 위한 공간을 제공하는 믹싱챔버 : 웨이퍼의 수납 공간과, 상기 믹싱챔버로부터 혼합된 가스를 공급받아 화학기상증착에 의한 박막형성 공간을 제공하는 공정튜브 : 상기 믹싱챔버로부터의 혼합된 가스를 상기 공정튜브에 주입하기 위하여 상기 공정튜브내의 일측에 형성된 가스분사수단 ; 상기 공정튜브의 외벽에 형성되어 웨이퍼 놓이는 위치의 공정튜브 내부온도를 제어하는 제2가열수단 :
상기 제2가열수단에 영향을 받지 않고 독립적으로 상기 가스분사수단이 위치한 공정튜브내의 온도를 제어하기 위한 제3가열수단 ; 및 상기 공정튜브내의 압력제어와 퍼지(purge)를 위한 펌핑수단을 구비한다.
또한, 본 발명의 강유전체 박막 제조방법은 강유전체의 각 성분 소오스 물질들을 담은 용기와, 상기 용기와 가스유도관에 의해 연결된 믹싱챔버와, 상기 믹싱챔버와 가스유도관에 의해 연결되며 외부에서 열을 가하는 핫-월(Hot-wal1) 타입의 공정튜브와, 상기 공정튜브로 믹싱챔버의 가스를 주입하기 위한 가스분사수단 및 상기 공정튜브내를 펌핑하는 범핑수단을 구비하는 장치를 사용하여 강유전체 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 용기를 가열하여 강유전체의 각 성분 소오스 물질들을 기화시키는 단계 : 상기 용기에서 상기 공정튜브까지의 모든 가스유도관과 상기 공정튜브를 가열하는 단계 ; 상기 공정튜브 및 상기 가스유도관을 퍼지시키는 단계 : 상기 공정튜브를 상압으로 하고 웨이퍼를 로딩하는 단계 ; 상기 공정튜브 내부를 진공으로 유지한 상태에서 상기 공정튜브 내부를 400℃ 내지 700℃로 유지하는 단계 : 상기 용기에서 기화된 소오스 가스들을 상기 믹싱챔버로 운반하여 혼합하는 단계 : 상기 가스분사수단이 위치하는 공정튜브내의 온도를 200℃ 내지 300℃의 온도로 유지한 상태에서 상기 가스분사수단을 통해 혼합된 소오스 가스를 상기 공정튜브내로 주입하여 상기 웨이퍼상에 강유전체 박막을 증착하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면 제 1 도 내지 제 9 도를 참조하여 본 발명에 따른 강유전체 박막 제조장치 및 제조방법을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 강유전체 형성 장치는 CVD 방법으로 강유전체를 형성하는 것으로 제 1 도에 본 발명의 CVD 장치가 상세히 도시되어 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 형성 장치는 강유전체를 형성하기 위한 소오스를 기화시키는 용기가 형성되어 있는데, 각각의 소오스 용기(1, 2, 3, 4)에는 La, Zr, Pb, Ti, Ba, Sr 등, 원하는 유전체 박막에 따라 적절한 물질이 각각 담겨져 있다.
상기 소오스 용기(1, 2, 3, 4)들에 연결된 가스유도관 및 캐리어 가스유도관 등 유전체 박막 증착 공정에 사용되는 모든 가스유도관은 가열수단에 의해 가열되고 매스플로우콘트롤러(MFC)의 조절을 받으며, 또한, 이들 가스유도관을 따라 흐르는 소오스는 적정량의 캐리어 가스(Ar, O2)에 의해 운반된다.
이렇게 캐리어 가스로 운반된 소오스 가스 La, Zr, Pb, Ti 등은 믹싱챔버(mixing chamber)(5)에서 각각의 가스가 혼합된 다음, 공정튜브(7)로 주입된다. 각각의 기화된 소오스 가스들이 충분히 혼합되어야만 강유전체 박막의 조성이 균일해지는데, 믹싱챔버는 이러한 역할을 수행하여 준다.
믹싱챔버(5)에서 공정챔버(7)로의 혼합가스 주입은 가스분사기(gas injector)(6)에 의해 이루어지는데, 가스분사기(6)는 공정튜브의 일측에 형성되어 웨이퍼가 놓이는 지역과 각각 다른 온도를 가지도록 별도의 가열 장치를 구비하고 있다.
즉, 가스분사기(gas injctor)(6)의 분사에 의해 공정튜브(7)로 들어간 혼합가스는 석영보트(8)에 놓여 있는 기판(9)상에 강유전체 박막을 형성하게 되는데, 가스분사기에서 분사된 혼합가스는 증기압이 낮기 때문에 반응을 하지 않은 가스 상태로 웨이퍼(기판)에 도달하기 위해서, 분사되는 위치에서 낮은 온도를 유지해 주고 있다가 기판이 로딩된 지역에서는 급격히 온도가 상승되도록 공정튜브내의 온도를 제어하여야 균일한 박막을 얻을 수 있다.
그러고, 본 발명의 CVD 장치 역시 종래와 동일하게 게이트밸브(3)와 쓰레솔더밸브(14)를 통한 주펌핑 및 부게이트라인(11)을 통한 부펌핑을 하도록 공정튜브(7)에 펌프(10)가 연결되어 있으며, 온도 및 압력을 측정하기 위한 써머커플(thermercoup1e)(12)과 압력게이지(pressure gauge)(15)를 구비하고 있다.
그리고, 공정튜브는 웨이퍼가 세워지는 홀리젠탈(horizantal)형이다.
그리고 제 1 도에 도시되어 있지는 않지만 본 발명의 CVD 장치는 공정튜브(7) 외부의 히터에 의해 공정튜브(7) 및 기판(9)이 가열되도록 구성되는 핫-월(Hot-wal1) 타입(type)이다.
이어서, 상기 장치를 사용하여 강유전체 박막을 CVD로 형성하는 방법을 제 1 도와 함께 살펴보면 다음과 같다.
강유전체 물질을 구성하는 소오스(source)인 La, Zr, Pb, Ti 등이 담긴 용기(1, 2, 3, 4)로부터 공정튜브까지의 모든 가스유도관은 열선이나 가열박스를 이용하여 소오스의 기화온도보다 약 20℃정도 높게 유지한 상태에서, 아르곤 또는 질소로 이루어지는 캐리어(carrer) 가스를 이용하여 상기 기화된 소오스를 믹싱챔버(4)로 운반하고, 믹싱챔버(4)내에서 균일하게 혼합시킨다.
이렇게 혼합된 가스는 가스분사기(6)를 통하여 공정튜브(7)내로 주입되어 기판(9)에 강유전체 박막을 형성하게 된다.
이를 좀더 구체적으로 살펴보면 소오스 La, Zr, Pb, Ti가 담긴 용기(1, 2, 3, 4)를 기화온도보다 약 20℃정도 높게 가열한 후 가스유도관 및 공정튜브(7)를 가열한다.
이어서 캐리어 가스 공급원과 연결된 가스밸브를 열고 아르곤 또는 질소를 유입시켜 모든 가스유도관 및 공정튜브(7)를 30분 내지 60분 동안 퍼지(purge)시키고 공정튜브(7)를 상압으로 백필(back fill)시킨후 기판을 공정튜브(7)에 장입한다.
그리고 부게이트밸브(Half Gate Valve)(11)를 열어 500mT 이하로 진공을 유지하도록 한 후 밸브를 닫고 주게이트밸브(Main Gate Valve)(l3)를 열고 50mT 이하로 진공을 유지하고 아르곤 또는 질소를 일정량 유입시키면서 공정튜브(7)의 온도가 세팅(setting)값 400℃ 내지 700℃에 도달하도록 한다.
반응관의 온도가 세팅된 소정의 온도에 도달하면 공정튜브(7)를 퍼지(purge)시킨 아르곤 가스의 공급을 멈추고, 캐리어 가스(아르곤, 질소)를 일정량 유입시켜, 이 캐리어 가스가 기화된 소오스 가스들을 믹싱챔버(5)로 운반하여 운반된 가스를 가스분사기(6)를 통해 공정튜브(7)내로 주입함으로써 PLT, PZT, PLZT 등의 강유전체 박막을 형성한다.
이때 가스분사기(6)의 온도는 200℃ 내지 300℃로 유지한다.
또한, 믹싱챔버(5)에는 산소(오존)를 주입하는 산소 가스유도관이 연결되어 상기 운반된 가스들과 함께 혼합되고, 증착속도를 조절하는 역할을 수행하는 아르곤 가스(또는 질소)를 믹싱챔버(5)에 주입하여 공정튜브에서의 증착속도를 조절함으로써 균일한 박막 특성을 얻을 수 있도록 한다.
그러고 공정튜브(7)의 온도가 세팅된후 유전체 박막이 형성되는 공정튜브(7)의 진공도는 100mT 내지 1200mT로 유지하며 원하는 증착시간 경과후, 모든 가스의 유입을 중지하도록 모든 밸브를 잠그고, 반응관의 온도를 원하는 온도로 낮춘후 아르곤(질소)을 유입시키면서 공정튜브(7) 및 가스유도관을 퍼지시키고, 상압으로 백필하여 기판을 꺼내고 공정을 완료한다.
또한, 이렇게 형성된 유전체 박막을 산소분위기에서 일정시간 열처리하여 전기적 특성이 더욱 우수한 강유전체 박막을 얻을 수 있다.
제 2 도는 PLT 박막을 형성하기 위하여 용기(1, 2, 3)에 Pb(dpm)2, La(dpm)3, TIP(Tetraisopropoxide)를 담고 이들 용기 각각을 155℃, 195℃, 45℃로 하고 Pb, La, Ti, 반응속도 조절가스 아르곤, 산화가스 산소의 유량을 각각 60sccm, 20sccm, 100sccm, 400sccm, 500sccm으로 하였을때의 특성을 나타낸 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 50nm 내지 500nm의 두께를 갖는 강유전체를 4회 형성하였을때의 증착속도 및 각 원소들의 at%를 나타내고 있는데, 조성비율의 변화가 극히 미약한 우수한 재현성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
그러고 제 3 도는 상기 강유전체의 전기적 특성을 검사하기 위하여 형성한 캐패시터의 구조를 보여주고 있으며, 도면부호 31은 Si 기판, 32는 SiO2, 33은 Pt 전극, 34는 본 발명에 따라 형성된 강유전체 박막, 35는 Pt 전극을 각각 나타내고 있다.
제 4 도 내지 제 9 도는 상기 제 3 도 구조의 강유전체 박막 특성을 관찰한 것으로, 이때의 강유전체 박막은 500℃(D.T)에서 증착한후 산소분위기에서 650℃(A.T)로 l0분간 열처리한 유전체 박막으로 Pb, La, Ti의 조성비율은 각각 46, 3, 51%인 100nm의 PLT(46/3/51) 박막을 대상으로 측정한 것이다.
먼저, 제 4 도는 100nm인 유전체 박막의 C-V 특성곡선으로, 강유전체에 기인한 히스테리시스(hysteresis) 특성이 관찰되며, 100kHz에서 유전상수 800 내지 1000, 유전손실은 0.06을 나타내었다.
그리고, 제 5 도는 100nm인 유전체 박막의 C-F 측정 곡선에 관한 것으로, 주파수의 증가에 따른 유전분산은 작음을 나타내고 있는데, 3MHz 근처에서 캐패시턴스의 감소현상은 측정라인의 공진에 의한 것이다.
제 6 도는 200nm인 유전체 박막의 C-V 특성 곡선으로, 제 4 도와 같이 강유전체에 기인한 히스테리시스(hysteresis) 특성이 관찰되며, 100kHz에서 유전상수 1000 내지 1200, 유전손실은 0.06을 나타내었다.
또한, 제 7 도는 200nm인 유전체 박막의 C-F 측정 곡선에 관한 것으로, 제 5도와 동일한 특성을 보여주고 있다.
끝으로, 제 8 도는 100nm인 유전체 박막의 전장에 대한 분극 특성을 나타낸 것으로, 매우 슬림(slim)한 히스테리시스 루프 특성을 보여주고 있으며, 그래프 아래에 도시한 표에서 알 수 있듯이 동작전압에 따른 DRAM에서 사용할 수 있는 유효 저장전하밀도(Storage Charge Density)는 2V(200kV/cm)의 동작전압에서 28.6μC/cm이었다. 이 값을 캐패시턴스로 환산하면 143fF/μm2이고 SiO2로 환산한 두께는 2.3Å에 해당한다.
또한, 제 9 도는 200nm인 유전체 박막의 전장에 대한 분극 특성을 나타낸 것으로, 제 8 도와 동일한 특성을 보여주고 있으며, 동작전압에 따른 DRAM에서 사용할 수 있는 유효 저장전하밀도(Storage Charge Density)는 3V(167kV/cm)의 동작전압 3V(167kV/cm)에서 유효전하저장밀도 26.7μC/cm(캐패시턴스로 환산하면 143fF/μm2이고 SiO2로 환산한 두께는 2.3Å에 해당)를 나타내었다.
이상, 상기 설명한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 핫-월 방식의 CVD 방법을 사용하여 강유전체 박막을 형성하는 것으로, 강유전체 박막에 손상을 줄수 있는 외부요인을 배제시키고, 조성조절이 용이하며 양호한 층덮힘 및 전기적, 물리적 특성이 우수한 강유전체 박막을 형성할 수 있어 고집적 반도체 소자의 유전특성을 향상시키는 효과가 있으며, 다수의 웨이퍼를 한번의 공정으로 동시에 처리하는 배치(Batch) 형(Type)으로 강유전체 박막을 형성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 강유전체 박막을 제조하기 위한 장치에 있어서, 강유전체의 각 성분 소오스 물질들을 수납하며 이 소오스 물질들을 기화시키기 위한 가열수단을 가지는 용기(1, 2, 3, 4) ; 상기 용기들로부터 상기 기화된 소오스 가스들을 공급받아 혼합하여 강유전체 조성 제어를 용이하게 하기 위한 공간을 제공하는 믹싱챔버(5) ; 상기 믹싱챔버로부터 혼합된 가스를 공급받아 화학기상증착에 의한 박막 형성 공간과 웨이퍼의 수납 공간을제공하며, 상기 혼합된 가스가 주입되는 부위에서 웨이퍼가 로딩되는 부위로의 온도가 급격히 상승하도록 온도제어를 받는 공정튜브(7) : 및 상기 공정튜브내의 압력제어와 퍼지(purge)를 위한 펌핑수단을 구비하는 강유전체 박막 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공정튜브는 상기 믹싱챔버로부터의 혼합된 가스를 상기 공정튜브에 주입하기 위하여 상기 공정류브내의 일측에 형성된 가스분사수단(6) : 상기 공정튜브의 외벽에 형성되어 웨이퍼 놓이는 위치의 공정튜브 내부온도를 제어하는 제1가열수단 : 상기 제1가열수단에 영향을 받지 않고 독립적으로 상기 가스분사수단이 위치한 공정튜브내의 온도를 제어하기 위한 제2가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공정튜브는 웨이퍼가 세워지는 홀리젠탈(horizantal)형인 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조장치.
  4. 강유전체의 각 성분 소오스 물질들을 담은 용기와, 상기 용기와 가스유도관에 의해 연결된 믹싱챔버와, 상기 믹싱챔버와 가스유도관에 의해 연결되며 외부에서 열을 가하는 핫-월(Hot-wall) 타입의 공정튜브와, 상기 공정튜브로 믹싱챔버의 가스를 주입하기 위하여 상기 공정튜브내의 일측에 형성된 가스분사수단 및 상기 공정튜브내를 펌핑하는 펌핑수단을 구비하는 장치를 사용하여 강유전체 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 용기를 가열하여 강유전체의 각 성분 소오스 물질들을 기화시키는 단계 : 상기 용기에서 상기 공정튜브까지의 모든 가스유도관과 상기 공정튜브를 가열하는 단계 : 상기 공정튜브 및 상기 가스유도관을 퍼지시키는 단계 ; 상기 공정튜브를 상압으로 하고 웨이퍼를 로딩하는 단계 : 상기 공정튜브 내부를 진공으로 유지한 상태에서 상기 공정튜브 내부를 400℃ 내지 700℃로 유지하는 단계 ; 상기 용기에서 기화된 강유전체의 소오스 가스들을 상기 믹싱챔버로 운반하여 혼합하는 단계 : 상기 가스분사수단이 위치하는 공정튜브내의 온도를 200℃ 내지 300℃의 온도로 유지한 상태에서 상기 가스분사수단을 통해 혼합된 강유전체의 소오스 가스를 상기 공정튜브내로 주입하여 상기 웨이퍼상에 강유전체 박막을 증착하는 단계를 포함하는 강유전체 박막 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 공정튜브 상에서 박막이 증착된 웨이퍼를 산소 또는 오존 분위기에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 혼합된 소오스 가스를 상기 공정튜브에 주입할시, 반응속도 조절가스와 산소계열 가스를 동시에 주입하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 공정튜브내의 진공은 50mT 이하로 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 반응속도 조절가스는 아르곤 가스인 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 형성방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 산소계열 가스는 산소 또는 오존인 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 공정튜브내에서 다수의 웨이퍼에 동시에 박막이 증착되는 배치(Batch) 형(Type)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 공정튜브 및 상기 가스유도관을 퍼지시키는 단계는 아르곤 또는 질소 가스의 유입과 펌핑에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  12. 제 4 항에 있어서, 상기 가스유도관의 온도는 상기 강유전체 소오스의 기화온도보다 높게 유지하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  13. 제 4 항에 있어서, 상기 기화된 소오스 가스의 흐름은 캐리어 가스에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
  14. 제 4 항에 있어서, 상기 강유전체 소오스 물질은 La, Zr, Pb, Ti, Ba, Sr을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막 제조방법.
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