WO2022025644A1 - 박막 형성 방법 - Google Patents

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tungsten
thin film
supplying
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조일형
김영운
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주성엔지니어링(주)
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    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/332—Coating

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a thin film, and more particularly, to a method for forming a thin film for forming a tungsten thin film.
  • the tungsten thin film Since the tungsten thin film has low resistance and high thermal stability, it is widely applied to electrodes or wiring structures in semiconductor devices or electronic devices.
  • the tungsten thin film may be formed on a substrate or a semiconductor layer through methods such as chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), and the like.
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • the coating rate in a step structure having a high aspect ratio is excellent.
  • a tungsten layer serving as a nucleation layer or a seed layer is deposited on a substrate with a material containing tungsten, and the remaining tungsten layer is used as the nucleation layer as a bulk layer. Alternatively, it is deposited over the seed layer.
  • a tungsten thin film is generally manufactured by reducing tungsten hexafluoride (WF 6 ), which is a fluorine-based tungsten material, using hydrogen (H 2 ) as a reducing agent through a chemical vapor deposition process.
  • fluorine (F) remains as an impurity on the surface and inside of the formed tungsten thin film. Residual fluorine (F) may cause electromigration or diffusion of fluorine (F) to adjacent components, and there is a problem in that the performance of the semiconductor device is reduced by damaging the contact.
  • the present invention provides a thin film forming method capable of forming a tungsten thin film having a reduced concentration of impurities.
  • a method for forming a thin film according to an embodiment of the present invention comprises: supplying a reducing gas on a substrate provided in a reaction space; applying power to generate plasma in the reaction space; and supplying a tungsten-containing gas onto the substrate, wherein the supplying of the tungsten-containing gas is intermittently performed while supplying the reducing gas.
  • the reducing gas and the tungsten-containing gas may be supplied on the substrate through separate paths.
  • the applying of the power may be performed intermittently while supplying the reducing gas, and the supplying of the tungsten-containing gas may be performed while applying power to generate plasma in the reaction space.
  • the applying of the power may be started before supplying the tungsten-containing gas.
  • the step of supplying a silicon-containing gas on the substrate may further include.
  • the supplying of the silicon-containing gas may be terminated before supplying the Hwonwon gas.
  • the applying of the power may be terminated when the supply of the tungsten-containing gas is stopped.
  • the method may further include purging the reaction space while the power is not applied.
  • the method for forming a thin film comprises the steps of supplying a reducing gas on a substrate provided in a reaction space; depositing a tungsten thin film on the substrate; and removing impurities remaining in the tungsten thin film, wherein the depositing the tungsten thin film and removing the impurities may be alternately performed while supplying the reducing gas.
  • the depositing of the tungsten thin film may be performed by generating plasma in the reaction space and supplying a tungsten-containing gas onto the substrate.
  • the reducing gas and the tungsten-containing gas may be supplied on the substrate through separate paths.
  • the process of forming a silicon layer on the substrate may further include.
  • the depositing of the tungsten thin film may be performed by substituting tungsten atoms for silicon atoms included in the silicon layer.
  • the removing of the impurities may be performed by generating plasma in the reaction space and stopping the supply of the tungsten-containing gas onto the substrate.
  • the method may further include purging the reaction space between the step of depositing the tungsten thin film and the step of removing impurities.
  • the purging of the reaction space may be performed without generating plasma in the reaction space.
  • the reducing gas may include hydrogen gas
  • the tungsten-containing gas may include tungsten hexafluoride gas
  • the impurities may include a fluorine component
  • tungsten thin film by alternately repeating the steps of depositing a tungsten layer and removing impurities contained in the deposited tungsten layer to form a tungsten thin film, thin film stress and concentration of impurities are reduced A tungsten thin film can be formed.
  • the efficiency of the step of removing impurities is improved by purging the reaction space before removing impurities contained in the tungsten layer, and the content of fluorine components is reduced to the level of LWF (Low Fluorine W), which is not detected by component analysis. can be reduced
  • FIG. 1 is a view schematically showing a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a gas injection unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded view of the gas injection unit shown in FIG. 2;
  • FIG. 4 is a view showing a state in which plasma is formed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view schematically showing a method for forming a thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a process cycle of a method for forming a thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining each step of forming a thin film within a process cycle.
  • one component such as a layer, film, region, or substrate
  • the one component directly contacts “on” another component, or the It may be construed that there may be other elements interposed therebetween.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a gas injection unit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exploded view showing the gas injection unit shown in FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which plasma is formed according to an embodiment of the present invention.
  • a substrate processing apparatus is an apparatus for forming a thin film, for example, a tungsten thin film, and is provided in a chamber 10 and the chamber 10, and the chamber A substrate support 20 for supporting the substrate S provided in 10 is provided in the chamber 10 to face the substrate support 20 , and a process gas is supplied toward the substrate support 20 .
  • It includes a gas injection unit 30 for injection and a gas supply unit 40 for providing gas to the gas injection unit 30 .
  • the substrate processing apparatus may further include an RF power supply 50 for applying power to generate plasma in the chamber 10 and a controller (not shown) for controlling the RF power supply 50 .
  • a first gas supply path for supplying the first gas and a second gas supply path for supplying the second gas are formed separately.
  • the chamber 10 provides a predetermined reaction space, and keeps it airtight.
  • the chamber 10 includes a body 12 having a predetermined reaction space including a substantially circular or rectangular flat portion and a sidewall portion extending upwardly from the flat portion, and is located on the body 12 in an approximately circular or square shape to form a reaction space It may include a cover 14 to keep the airtight.
  • the chamber 10 is not limited thereto and may be manufactured in various shapes corresponding to the shape of the substrate S.
  • An exhaust port may be formed in a predetermined area of the lower surface of the chamber 10 , and an exhaust pipe (not shown) connected to the exhaust port may be provided outside the chamber 10 .
  • the exhaust pipe may be connected to an exhaust device (not shown).
  • a vacuum pump such as a turbo molecular pump may be used. Therefore, it is possible to vacuum the inside of the chamber 10 to a predetermined reduced pressure atmosphere, for example, to a predetermined pressure of 0.1 mTorr or less by the exhaust device.
  • the exhaust pipe may be installed not only on the lower surface of the chamber 10 but also on the side of the chamber 10 under the substrate support 20 to be described later.
  • a plurality of exhaust pipes and a corresponding exhaust device may be further installed in order to reduce the exhaust time.
  • the substrate S provided into the chamber 10 for the thin film forming process may be seated on the substrate support 20 .
  • the substrate S is a substrate on which a tungsten layer serving as a nucleation layer or a seed layer is deposited to form a tungsten thin film, or a tungsten layer as a bulk layer on the nucleation layer or the seed layer. It may be a substrate on which a nucleation layer or a seed layer is already formed in order to form a.
  • an electrostatic chuck or the like may be provided to hold the substrate S by electrostatic force so that the substrate S can be seated and supported. (S) can also be supported.
  • the substrate support 20 may be provided in a shape corresponding to the shape of the substrate S, for example, a circular shape or a rectangular shape.
  • the substrate support 20 may include a substrate support 22 on which the substrate S is mounted, and an elevator 24 disposed under the substrate support 22 to move the substrate support 22 up and down.
  • the substrate support 22 may be manufactured to be larger than the substrate S, and the elevator 24 is provided to support at least one region of the substrate support 22 , for example, a central portion, and is disposed on the substrate support 22 .
  • the substrate support 22 may be moved to be close to the gas injection unit 30 .
  • a heater (not shown) may be installed inside the substrate support 22 . The heater generates heat to a predetermined temperature to heat the substrate support 22 and the substrate S seated on the substrate support 22 so that a thin film is uniformly deposited on the substrate S.
  • the gas supply unit 40 may be installed to pass through the cover 14 of the chamber 10 , and the first gas supply unit 42 may provide the first gas and the second gas to the gas injection unit 30 , respectively. and a second gas supplier 44 .
  • the first gas may include a tungsten-containing gas
  • the second gas may include a reducing gas
  • the first gas may include a reducing gas
  • the second gas may include a tungsten-containing gas
  • the tungsten-containing gas may include tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas
  • the reducing gas may include hydrogen (H 2 ) gas.
  • first gas supplier 42 and the second gas supplier 44 do not necessarily provide one gas, respectively, and the first gas supplier 42 and the second gas supplier 44 each supply a plurality of gases. It may be configured to simultaneously supply or supply a selected gas among a plurality of gases.
  • the gas injection unit 30 is installed inside the chamber 10 , for example, on the lower surface of the cover 14 , and inside the gas injection unit 30 , a first gas for spraying and supplying a first gas onto the substrate.
  • a gas supply path and a second gas supply path for spraying and supplying the second gas onto the substrate are formed.
  • the first gas supply path and the second gas supply path are formed to be independent and separated from each other, so that the first gas and the second gas are not mixed in the gas injection unit 30 and supplied on the substrate. .
  • the gas injection unit 30 may include an upper frame 32 and a lower frame 34 .
  • the upper frame 32 is detachably defective on the lower surface of the cover 14 , and at the same time a part of the upper surface, for example, the center of the upper surface is spaced apart from the lower surface of the cover 14 by a predetermined distance.
  • the first gas may be diffused from the first gas supply unit 42 in a space between the upper surface of the upper frame 32 and the lower surface of the cover 14 .
  • the lower frame 34 is installed to be spaced apart from the lower surface of the upper frame 32 by a predetermined interval.
  • the second gas provided from the second gas supply unit 44 may be diffused in a space between the upper surface of the lower frame 34 and the lower surface of the upper frame 32 .
  • the upper frame 32 and the lower frame 34 may be integrally formed by being connected along the outer circumferential surface to form a space therein, and may have a structure that seals the outer circumferential surface by a separate sealing member. to be.
  • the first gas provided from the first gas supply part 42 is diffused in the space between the lower surface of the cover 14 and the upper frame 32, so that the upper frame 32 and the upper frame 32 are formed. It may be formed to be supplied into the chamber 10 through the lower frame 34 .
  • the second gas provided from the second gas supply unit 44 is diffused in a space between the lower surface of the upper frame 32 and the upper surface of the lower frame 34 to spread to the lower frame ( 34) and may be formed to be supplied into the chamber 10.
  • the first gas supply path and the second gas supply path may not communicate with each other, whereby the first gas and the second gas pass from the gas supply unit 40 through the gas injection unit 30 to the chamber ( 10) It can be supplied separately inside.
  • a first electrode 38 may be installed on the lower surface of the lower frame 34 , and the second electrode 36 is spaced apart from the lower side of the lower frame 24 and the outer side of the first electrode 28 by a predetermined distance. This can be installed.
  • the lower frame 34 and the second electrode 36 may be formed to be connected along the outer circumferential surface, and may have a structure in which the outer circumferential surface is sealed by a separate sealing member.
  • the first gas may pass through the first electrode 38 and may be sprayed onto the substrate, and the second gas may be applied to the first electrode ( 38) and the second electrode 36 may be sprayed onto the substrate through the spaced apart space.
  • RF power may be applied from the RF power source 50 to any one of the lower frame 34 and the second electrode 36 .
  • FIG. 4 a structure in which the lower frame 34 is grounded and RF power is applied to the second electrode 36 is illustrated as an example.
  • the first electrode 38 installed on the lower surface of the lower frame 34 is also grounded. Accordingly, when the RF power source 50 is applied to the second electrode 36 , a first activation region, that is, a first plasma region P1 is formed between the gas injection unit 30 and the substrate support unit 20 , and , a second activation region, that is, a second plasma region P2 may be formed between the first electrode 38 and the second electrode 36 .
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which plasma is formed according to an embodiment of the present invention.
  • the first electrode 38 and the substrate support 20 are grounded, and the RF power source 50 is applied to the second electrode 36 as an example, but the power application structure is not limited thereto. Of course.
  • a first gas for example, a tungsten-containing gas
  • a second gas for example, a reducing gas
  • the first gas is supplied into the chamber 10 through the interior of the first electrode 38
  • the second gas is supplied to the chamber 10 through a space between the first electrode 38 and the second electrode 36 .
  • the first gas may be supplied into the chamber 10 through the first electrode 38 .
  • first electrode 38 and the substrate support part 20 are grounded and power is applied to the second electrode 36 , there is a first active region between the gas injection part 30 and the substrate support part 20 . That is, a first plasma region P1 is formed, and a second activation region, ie, a second plasma region P2 , is formed between the first electrode 38 and the second electrode 36 .
  • the substrate processing apparatus may activate the first gas and the second gas in plasma regions having different sizes.
  • each gas may be distributed through an optimal supply path for depositing a thin film.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a method for forming a thin film according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view for explaining a process cycle of the method for forming a thin film according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is within the process cycle It is a diagram for explaining each step in which a thin film is formed.
  • the step of supplying a reducing gas on the substrate (S) provided in the reaction space (S100), power to generate plasma in the reaction space Including the step of applying (S200) and the step of supplying the tungsten-containing gas on the substrate (S) (S300), the step of supplying the tungsten-containing gas (S300) is intermittent while supplying the reducing gas is performed with
  • the reducing gas is supplied on the substrate S provided in the reaction space of the chamber 10 .
  • Supplying the reducing gas (S100) may continuously maintain the supply of the reducing gas until the tungsten thin film is formed in the thin film forming method according to an embodiment of the present invention.
  • the reducing gas may include a gas containing hydrogen (H), for example, hydrogen (H 2 ) gas.
  • the reducing gas may be supplied on the substrate S before the tungsten-containing gas is supplied, and the supply of the reducing gas may be continuously maintained until the tungsten thin film is formed.
  • a tungsten-containing gas for example, a reducing gas supplied before the tungsten hexafluoride gas (WF 6 ) is supplied, for example, a hydrogen (H 2 ) gas.
  • the reaction space in the chamber 10 is to be formed as a reducing atmosphere.
  • the reaction space in the chamber 10 is formed in a reducing atmosphere by the hydrogen (H 2 ) gas, between the gas injection unit 30 and the substrate (S).
  • Tungsten hexafluoride gas (WF 6 ) reacts with hydrogen (H 2 ) gas or hydrogen (H) radicals activated by plasma in the space of can be removed.
  • the substrate S is a substrate on which a tungsten layer serving as a nucleation layer or a seed layer is deposited to form a tungsten thin film, or tungsten as a bulk layer on the nucleation layer or the seed layer.
  • the substrate may be a substrate on which a nucleation layer or a seed layer is already formed to form the layer.
  • step of applying power ( S200 ) high-frequency power is applied from the RF power source 50 to generate plasma in the reaction space.
  • hydrogen (H 2 ) gas as a reducing gas in the step of supplying the reducing gas (S100)
  • the hydrogen (H 2 ) gas is hydrogen (H 2 ) by the plasma generated in the reaction space in the step of applying power (S200) H) can be activated by radicals.
  • the tungsten-containing gas is supplied on the substrate S.
  • the tungsten-containing gas may include a tungsten (W)-containing gas, for example, a tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas.
  • tungsten (W) may be deposited in the gas injection unit 30 . That is, when a high-frequency power is applied to the general showerhead type gas injection unit 30 and the first gas, that is, a tungsten-containing gas and a second gas, that is, a reducing gas, are supplied through the gas injection unit 30 , tungsten The containing gas and the reducing gas may react with each other in the gas injection unit 30 to deposit tungsten (W) in the gas injection unit 30 .
  • the first gas supply path and the second gas supply path do not communicate with each other, but are formed to be independent and separate from each other. Therefore, the tungsten-containing gas supplied through the first electrode 38 shown in FIG. 4 does not react with the reducing gas supplied between the first electrode 38 and the second electrode 36 in the gas injection unit 30 . Instead, it reacts with the reducing gas only in the lower portion of the gas injection unit 30 , thereby effectively preventing the deposition of tungsten (W) in the gas injection unit 30 .
  • the step of supplying the reducing gas (S100) is continuously maintained, and when the step of supplying the tungsten-containing gas (S300) is performed while the reducing gas is supplied, tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas is reduced by reacting with hydrogen (H 2 ) gas as shown in Reaction Equation 1 below, and a tungsten layer is formed on the substrate S.
  • tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas is reduced by reacting with hydrogen (H 2 ) gas as shown in Reaction Equation 1 below, and a tungsten layer is formed on the substrate S.
  • the step of supplying the tungsten-containing gas (S300) may be intermittently performed while supplying the reducing gas. That is, the step of supplying the reducing gas (S100) is continuously maintained until the tungsten thin film is formed, and the step of supplying the tungsten-containing gas (S300) is alternating between supply and stop of the tungsten-containing gas while the reducing gas is supplied. It may be performed intermittently during the step (S100) of supplying the reducing gas so as to be performed efficiently.
  • tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas and hydrogen (H 2 ) gas react to deposit a tungsten thin film on the substrate S.
  • a step of depositing a layer may be performed.
  • the method for forming a thin film by repeating the supply and stop of the tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas while supplying the hydrogen (H 2 ) gas, the hydrogen (H 2 ) gas and the tungsten hexafluoride ( WF 6 ) A tungsten layer is deposited in a section where gas is simultaneously supplied, and in a section where only hydrogen (H 2 ) gas is supplied alone, the deposited tungsten layer is treated with hydrogen (H 2 ) gas and deposited The impurities contained in the tungsten layer, that is, the fluorine (F) component are removed.
  • the content of the fluorine (F) component in the tungsten layer is not detected by component analysis. It can be reduced to the level of LWF (Low Fluorine W).
  • the thin film forming method may further include the step of supplying a silicon-containing gas on the substrate (S) before supplying the reducing gas. That is, before supplying the reducing gas, a silicon layer is first formed on the substrate S, and then silicon atoms included in the silicon layer are replaced with tungsten atoms in the step S300 of supplying the tungsten gas on the substrate S. A tungsten thin film can be deposited.
  • the silicon-containing gas may include a silane (SiH 4 ) gas, and the silicon atoms included in the silicon layer may be substituted with tungsten atoms by reacting with the tungsten-containing gas as shown in Reaction Equation 2 below.
  • the step of supplying the silicon-containing gas may be terminated before the step of supplying the reducing gas (S100) is performed.
  • the step of supplying the silicon-containing gas as will be described later, the step of supplying a reducing gas on the substrate (S) provided in the reaction space (S100), applying power to generate plasma in the reaction space ( S200) and before the process cycle including the step (S300) of supplying the tungsten-containing gas to the substrate (S), or repeatedly before the step (S100) of supplying the reducing gas included in the process cycle may be performed.
  • the step of applying power (S200) is continuously performed while the hydrogen (H 2 ) gas is supplied, so that in the section where the hydrogen (H 2 ) gas and the tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas are simultaneously supplied, hydrogen is generated by plasma (H 2 ) gas is activated by hydrogen (H) radicals to react with tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas, and in the section where only hydrogen (H 2 ) gas is supplied, hydrogen (H 2 ) gas is converted to hydrogen ( H) It is a matter of course that the tungsten layer deposited on the substrate S by radical activation may be treated with a hydrogen (H 2 ) gas.
  • the step of applying power (S200) is intermittently performed while supplying the reducing gas, and the step of supplying the tungsten-containing gas (S300) may be performed while applying power to generate plasma in the reaction space.
  • the embodiment of the present invention may further include purging the reaction space while power is not applied.
  • the tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas When the tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas is intermittently supplied, the tungsten hexafluoride (WF 6 ) remains in the reaction space even immediately after the supply of the tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas is stopped.
  • the supplied hydrogen (H 2 ) gas is the first remaining Tungsten hexafluoride (WF 6 ) It reacts with the gas and cannot sufficiently treat the tungsten layer deposited on the substrate S.
  • the step of applying power (S200) is intermittently performed while supplying the reducing gas, and while power is not applied, the reaction space is purged to purify the reaction space in the chamber 10.
  • Tungsten fluoride (WF 6 ) gas can be removed.
  • the step of applying power ( S200 ) may be started before supplying the tungsten-containing gas again.
  • the tungsten-containing gas is supplied again, only hydrogen (H 2 ) gas is supplied to the reaction space, and the supplied hydrogen (H 2 ) gas is activated by plasma and deposited on the substrate S
  • the fluorine (F) component contained in the tungsten layer is removed.
  • the step of applying power ( S200 ) is terminated at the same time when the supply of the tungsten-containing gas is stopped, thereby securing sufficient time for purging the reaction space.
  • the reducing gas may be supplied on the substrate S before the tungsten-containing gas is supplied, and the supply of the reducing gas may be continuously maintained until the tungsten thin film is formed.
  • the reaction space in the chamber 10 is formed in a reducing atmosphere by the reducing gas supplied before the tungsten-containing gas is supplied.
  • the hydrogen (H) component of the reducing gas continuously supplied to the reaction space and the fluorine (F) component included in the tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas This combination is generated and removed as hydrogen fluoride (HF) gas, and a tungsten layer from which the fluorine (F) component is primarily removed may be formed on the substrate S.
  • tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas is supplied to deposit a tungsten layer (1)
  • a section (section 2) in which impurities are removed by applying power without supply of tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas while supplying tungsten hexafluoride (WF 6 ) gas forms one process cycle.
  • a section for purging the reaction space may be further included between the section for depositing the tungsten layer (section 1) and the section for removing impurities (section 2) to form one process cycle.
  • the process cycle is repeatedly performed a plurality of times, whereby a section for depositing a tungsten layer, a section for purging the reaction space, and a section for removing impurities are repeatedly included to effectively remove the fluorine (F) component contained in the tungsten layer. It becomes possible to form a tungsten thin film in which the concentration of impurities is significantly reduced.
  • the method for forming a thin film by alternately repeating the steps of depositing a tungsten layer and removing impurities contained in the deposited tungsten layer to form a tungsten thin film, thin film stress and impurities are reduced.
  • a tungsten thin film with reduced concentration can be formed.
  • the efficiency of the step of removing impurities is improved by purging the reaction space before removing impurities contained in the tungsten layer, and the content of fluorine components is reduced to the level of LWF (Low Fluorine W), which is not detected by component analysis. can be reduced

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Abstract

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

Description

박막 형성 방법
본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 텅스텐 박막을 형성하기 위한 박막 형성 방법에 관한 것이다.
텅스텐 박막은 낮은 저항과 높은 열적 안정성을 가지기 때문에 반도체 소자 또는 전자 장치에서 전극이나 배선 구조에 널리 적용되고 있다.
텅스텐 박막은 화학 기상 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 등의 방법을 통해 기판 또는 반도체층 상에 형성될 수 있으며, 이와 같이 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 원료 물질을 기체 상태로 이용하는 경우, 종횡비(aspect ratio)가 높은 단차 구조에서의 도포율이 우수한 특성을 가진다.
텅스텐 박막을 형성하기 위하여는, 기판 상에 텅스텐을 함유하는 물질로 핵 생성층 또는 시드(seed)층의 역할을 하는 텅스텐층을 증착하고, 벌크(bulk)층으로서 나머지 텅스텐층을 상기 핵 생성층 또는 시드층 위로 증착한다. 이러한 텅스텐 박막은 화학 기상 증착 공정을 통하여 수소(H2)를 환원제로 사용하여 불소계 텅스텐 물질인 육불화텅스텐(WF6)을 환원시켜 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 육불화텅스텐(WF6)을 사용하게 되면, 형성된 텅스텐 박막의 표면 및 내부에 불순물로써 불소(F)가 잔류하는 현상이 야기된다. 잔류한 불소(F)는 인접한 구성물로의 전기 전진(electromigration) 또는 불소(F) 확산을 유발할 수 있으며, 접속부(contact)에 손상을 주어 반도체 장치의 성능을 전체적으로 감소시키는 문제점이 있었다.
(선행기술문헌)
한국공개특허 제10-2017-0120443호
본 발명은 불순물의 농도가 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은, 반응 공간에 마련된 기판 상에 환원 가스를 공급하는 단계; 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계; 및 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계;를 포함하고, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행된다.
상기 환원 가스와 텅스텐 함유 가스는 상호 분리된 경로를 통하여 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기 전원을 인가하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행되고, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 중에 수행될 수 있다.
상기 전원을 인가하는 단계는, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하기 전에 시작될 수 있다.
상기 환원 가스를 공급하기 전에, 상기 기판 상에 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계는, 상기 훤원 가스를 공급하기 전에 종료될 수 있다.
상기 전원을 인가하는 단계는, 상기 텅스텐 함유 가스의 공급이 중단될 때 종료될 수 있다.
상기 전원이 인가되지 않는 동안에 상기 반응 공간을 퍼지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은, 반응 공간에 마련된 기판 상에 환원 가스를 공급하는 단계; 상기 기판 상에 텅스텐 박막을 증착하는 단계; 및 상기 텅스텐 박막에 잔류하는 불순물을 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계와 상기 불순물을 제거하는 단계는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 교번적으로 수행될 수 있다.
상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하여 이루어질 수 있다.
상기 환원 가스와 텅스텐 함유 가스는 상호 분리된 경로를 통하여 상기 기판 상에 공급될 수 있다.
상기 환원 가스를 공급하기 전에, 상기 기판 상에 실리콘층을 형성하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계는, 상기 실리콘층에 포함된 실리콘 원자를 텅스텐 원자로 치환시켜 이루어질 수 있다.
상기 불순물을 제거하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키고, 상기 기판 상에 텅스텐 함유 가스의 공급을 중지하여 이루어질 수 있다.
상기 텅스텐 박막을 증착하는 단계와 불순물을 제거하는 단계 사이에, 상기 반응 공간을 퍼지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 반응 공간을 퍼지하는 단계는, 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키지 않고 수행될 수 있다.
상기 환원 가스는 수소 가스를 포함하고, 상기 텅스텐 함유 가스는 육불화텅스텐 가스를 포함하며, 상기 불순물은 불소 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에 의하면, 텅스텐층을 증착하는 단계와 증착된 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하는 단계를 교대로 반복하여 텅스텐 박막을 형성함으로서 박막 스트레스 및 불순물의 농도가 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
또한, 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하기 전에 반응 공간을 퍼지함으로써 불순물을 제거하는 단계의 효율성을 향상시키고, 불소 성분의 함량을 성분 분석으로 감지되지 않는 수준인, LWF(Low Fluorine W) 수준까지 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분사부를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 가스 분사부를 분해하여 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마가 형성되는 모습을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법의 공정 사이클을 설명하기 위한 도면.
도 7은 공정 사이클 내에서 박막이 형성되는 각 단계를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서 층, 막, 영역 또는 기판 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다.
또한, "상부" 또는 "하부"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도시되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 상대적인 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분사부를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 가스 분사부를 분해하여 나타내는 도면이다. 한편, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마가 형성되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 박막, 예를 들어 텅스텐 박막을 형성하기 위한 장치로서, 챔버(10), 상기 챔버(10) 내에 마련되며, 상기 챔버(10) 내에 제공되는 기판(S)을 지지하기 위한 기판 지지부(20), 상기 기판 지지부(20)에 대향 배치되도록 상기 챔버(10) 내에 마련되며, 상기 기판 지지부(20)를 향하여 공정 가스를 분사하기 위한 가스 분사부(30) 및 상기 가스 분사부(30)에 가스를 제공하기 위한 가스 공급부(40)를 포함한다. 또한, 상기 기판 처리 장치는 상기 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 RF 전원(50) 및 상기 RF 전원(50)을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 여기서, 가스 분사부(30)에는 제1 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급 경로와 제2 가스를 공급하기 위한 제2 가스 공급 경로가 분리되어 형성된다.
챔버(10)는 소정의 반응 공간을 마련하고, 이를 기밀하게 유지시킨다. 챔버(10)는 대략 원형 또는 사각형의 평면부 및 평면부로부터 상향 연장된 측벽부를 포함하여 소정의 반응 공간을 가지는 몸체(12)와, 대략 원형 또는 사각형으로 몸체(12) 상에 위치하여 반응 공간을 기밀하게 유지하는 덮개(14)를 포함할 수 있다. 그러나, 챔버(10)는 이에 한정되지 않고 기판(S)의 형상에 대응하는 다양한 형상으로 제작될 수 있다.
챔버(10)의 하면의 소정 영역에는 배기구(미도시)가 형성되고, 챔버(10)의 외측에는 배기구와 연결되는 배기관(미도시)이 마련될 수 있다. 또한, 배기관은 배기 장치(미도시)와 연결될 수 있다. 배기 장치로는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프가 이용될 수 있다. 따라서, 배기 장치에 의해 챔버(10) 내부를 소정의 감압 분위기, 예를 들어 0.1mTorr 이하의 소정의 압력까지 진공 흡입할 수 있다. 배기관은 챔버(10)의 하면 뿐만 아니라 후술하는 기판 지지부(20) 하측의 챔버(10) 측면에 설치될 수도 있다. 또한, 배기되는 시간을 줄이기 위해 다수 개의 배기관 및 그에 따른 배기 장치가 더 설치될 수도 있음은 물론이다.
한편, 기판 지지부(20)에는 박막 형성 공정을 위하여 챔버(10) 내로 제공된 기판(S)이 안착될 수 있다. 여기서 기판(S)은 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 핵 생성층 또는 시드(seed)층의 역할을 하는 텅스텐층이 증착되기 위한 기판이거나, 핵 생성층 또는 시드층 상에 벌크(bulk)층으로서 텅스텐층을 형성하기 위하여 이미 핵 생성층 또는 시드층이 형성된 기판일 수 있다. 기판 지지부(20)는 이와 같은 기판(S)이 안착되어 지지될 수 있도록, 예를 들어 정전척 등이 마련되어 기판(S)을 정전력에 의해 흡착 유지할 수도 있고, 진공 흡착이나 기계적 힘에 의해 기판(S)을 지지할 수도 있다.
기판 지지부(20)는 기판(S) 형상과 대응되는 형상, 예를 들어 원형 또는 사각형으로 마련될 수 있다. 기판 지지부(20)는 기판(S)이 안착되는 기판 지지대(22) 및 상기 기판 지지대(22) 하부에 배치되어 기판 지지대(22)를 승하강 이동시키는 승강기(24)를 포함할 수 있다. 여기서, 기판 지지대(22)는 기판(S)보다 크게 제작될 수 있으며, 승강기(24)는 기판 지지대(22)의 적어도 일 영역, 예를 들어 중심부를 지지하도록 마련되고, 기판 지지대(22) 상에 기판(S)이 안착되면 기판 지지대(22)를 가스 분사부(30)에 근접하도록 이동시킬 수 있다. 또한, 기판 지지대(22) 내부에는 히터(미도시)가 설치될 수 있다. 히터는 소정 온도로 발열하여 기판 지지대(22) 및 상기 기판 지지대(22)에 안착된 기판(S)을 가열하여, 기판(S)에 균일하게 박막이 증착되도록 한다.
가스 공급부(40)는 챔버(10)의 덮개(14)를 관통하도록 설치될 수 있으며, 제1 가스 및 제2 가스를 각각 상기 가스 분사부(30)에 제공하기 위하여 제1 가스 공급기(42) 및 제2 가스 공급기(44)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 가스는 텅스텐 함유 가스를 포함할 수 있으며, 제2 가스는 환원 가스를 포함할 수 있다. 이와 반대로, 상기 제1 가스는 환원 가스를 포함할 수 있으며, 제2 가스는 텅스텐 함유 가스를 포함할 수도 있음은 물론이다. 또한, 텅스텐 함유 가스는 육불화텅스텐(WF6) 가스를 포함할 수 있으며, 환원 가스는 수소(H2) 가스를 포함할 수 있다. 한편, 제1 가스 공급기(42) 및 제2 가스 공급기(44)는 각각 반드시 하나의 가스를 제공하는 것은 아니며, 제1 가스 공급기(42) 및 제2 가스 공급기(44)는 각각 복수의 가스를 동시에 공급하거나, 복수의 가스 중 선택된 가스를 공급하도록 구성될 수 있다.
가스 분사부(30)는 상기 챔버(10) 내부, 예를 들어 덮개(14)의 하면에 설치되며, 가스 분사부(30)의 내부에는 제1 가스를 기판 상에 분사하여 공급하기 위한 제1 가스 공급 경로와 제2 가스를 기판 상에 분사하여 공급하기 위한 제2 가스 공급 경로가 형성된다. 상기 제1 가스 공급 경로 및 제2 가스 공급 경로는 서로 독립적이고 분리되도록 형성되어, 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스가 가스 분사부(30) 내에서 혼합되지 않도록 분리하여 기판 상에 공급할 수 있다.
상기 가스 분사부(30)는 상부 프레임(32) 및 하부 프레임(34)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상부 프레임(32)은 상기 덮개(14)의 하면에 착탈 가능하게 결함됨과 동시에 상면의 일부, 예를 들어 상면의 중심부가 상기 덮개(14)의 하면으로부터 소정 거리로 이격된다. 이에 따라 상기 상부 프레임(32)의 상면과 상기 덮개(14)의 하면 사이의 공간에서 제1 가스 공급부(42)로부터 제1 가스가 확산될 수 있다. 또한, 상기 하부 프레임(34)은 상기 상부 프레임(32)의 하면에 일정 간격 이격되어 설치된다. 이에 따라 상기 하부 프레임(34)의 상면과 상기 상부 프레임(32)의 하면 사이의 공간에서 제2 가스 공급부(44)로부터 제공되는 제2 가스가 확산될 수 있다. 상기 상부 프레임(32)과 상기 하부 프레임(34)은 외주면을 따라 연결되어 내부에 이격 공간을 형성하여 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 밀봉 부재에 의하여 외주면을 밀폐하는 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
상기 제1 가스 공급 경로는 제1 가스 공급부(42)로부터 제공되는 제1 가스가 상기 덮개(14)의 하면과 상기 상부 프레임(32) 사이의 공간에서 확산되어, 상기 상부 프레임(32) 및 상기 하부 프레임(34)을 관통하여 챔버(10) 내부로 공급되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 가스 공급 경로는 제2 가스 공급부(44)로부터 제공되는 제2 가스가 상기 상부 프레임(32)의 하면과 상기 하부 프레임(34)의 상면 사이의 공간에서 확산되어 상기 하부 프레임(34)을 관통하여 챔버(10) 내부로 공급되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 가스 공급 경로 및 상기 제2 가스 공급 경로는 상호 연통되지 않을 수 있으며, 이에 의하여 상기 제1 가스 및 제2 가스는 상기 가스 공급부(40)로부터 가스 분사부(30)를 거쳐 상기 챔버(10) 내부에 분리하여 공급될 수 있다.
상기 하부 프레임(34)의 하면에는 제1 전극(38)이 설치될 수 있으며, 상기 하부 프레임(24)의 하측 및 제1 전극(28)의 외측으로는 소정 간격 이격되어 제2 전극(36)이 설치될 수 있다. 이때, 하부 프레임(34)과 제2 전극(36)은 외주면을 따라 연결되어 형성될 수 있으며, 별도의 밀봉 부재에 의하여 외주면을 밀폐하는 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
이와 같이, 제1 전극(38) 및 제2 전극(36)이 설치되는 경우, 제1 가스는 제1 전극(38)을 관통하여 기판 상에 분사될 수 있으며, 제2 가스는 제1 전극(38)과 제2 전극(36) 사이의 이격 공간을 통하여 기판 상에 분사될 수 있다.
하부 프레임(34)와 제2 전극(36) 중 어느 하나에는 RF 전원(50)으로부터 RF 전력이 인가될 수 있다. 도 4에서는 하부 프레임(34)이 접지되고, 제2 전극(36)에 RF 전력이 인가되는 구조를 예로 들어 도시하였다. 하부 프레임(34)이 접지되는 경우, 상기 하부 프레임(34)의 하면에 설치된 제1 전극(38) 또한 접지된다. 따라서, 제2 전극(36)에 RF 전원(50)이 인가되는 경우 상기 가스 분사부(30)와 상기 기판 지지부(20) 사이에는 제1 활성화 영역, 즉 제1 플라즈마 영역(P1)이 형성되고, 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이에는 제2 활성화 영역, 즉 제2 플라즈마 영역(P2)이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마가 형성되는 모습을 나타내는 도면이다. 도 4에서는 제1 전극(38) 및 기판 지지부(20)가 접지되고, 제2 전극(36)에 RF 전원(50)이 인가되는 것을 예로 들어 도시하였으나, 전원의 인가 구조는 이에 제한되지 않음은 물론이다.
도 4에 도시된 바와 같이 제1 가스, 예를 들어 텅스텐 함유 가스는 실선으로 도시된 화살표를 따라 챔버(10) 내에 공급되며, 제2 가스, 예를 들어 환원 가스는 점선으로 도시된 화살표를 따라 챔버(10) 내에 공급될 수 있다. 제1 가스는 제1 전극(38)의 내부를 관통하여 챔버(10) 내부로 공급되며, 제2 가스는 제1 전극(38)과 제2 전극(36) 사이의 이격 공간을 통하여 챔버(10) 내부로 공급될 수 있다. 상기 제1 가스는 상기 제1 전극(38)을 관통하여 상기 챔버(10) 내부로 공급될 수 있다.
상기 제1 전극(38) 및 기판 지지부(20)가 접지되고, 상기 제2 전극(36)에 전원이 인가되는 경우 상기 가스 분사부(30)와 상기 기판 지지부(20) 사이에는 제1 활성화 영역, 즉 제1 플라즈마 영역(P1)이 형성되고, 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이에는 제2 활성화 영역, 즉 제2 플라즈마 영역(P2)이 형성된다.
따라서, 상기 제1 가스가 상기 제1 전극(38)을 관통하여 공급되는 경우, 상기 제1 가스는 상기 가스 분사부(30)의 외부에 형성되는 제1 플라즈마 영역(P1)에서 활성화된다. 또한, 상기 제2 가스가 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이의 이격 공간을 통하여 공급되는 경우, 상기 제2 가스는 상기 가스 분사부(30)의 내부에 해당하는 상기 제1 전극(38)과 상기 제2 전극(36) 사이, 즉 제2 플라즈마 영역(P2)에서부터 제1 플라즈마 영역(P1)까지의 영역에 걸쳐 활성화된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 상기 제1 가스와 상기 제2 가스를 서로 다른 크기의 플라즈마 영역에서 활성화시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 가스와 상기 제2 가스가 서로 다른 크기의 플라즈마 영역에서 활성화됨으로 인하여, 박막을 증착하기 위한 최적의 공급 경로로 각 가스를 분배시킬 수 있다.
이하에서, 도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 박막 형성 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법의 설명에 있어서, 전술한 기판 처리 장치에 관한 설명과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법의 공정 사이클을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 공정 사이클 내에서 박막이 형성되는 각 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은 반응 공간에 마련된 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하는 단계(S100), 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계(S200) 및 상기 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)를 포함하고, 상기 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는, 상기 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행된다.
환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 챔버(10)의 반응 공간에 마련된 기판(S) 상에 환원 가스를 공급한다. 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에서 텅스텐 박막이 형성될 때까지 환원 가스의 공급을 지속적으로 유지할 수 있다. 여기서, 환원 가스는 수소(H)를 포함하는 가스, 예를 들어 수소(H2) 가스를 포함할 수 있다.
환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 텅스텐 함유 가스가 공급되기 전부터 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하고, 텅스텐 박막이 형성될 때까지 환원 가스의 공급을 지속적으로 유지할 수 있다. 여기서, 텅스텐 함유 가스, 예를 들어 육불화 텅스텐 가스(WF6)가 공급되기 전에 공급되는 환원 가스, 예를 들어 수소(H2) 가스에 의하여 챔버(10) 내의 반응 공간은 환원성 분위기로 형성될 수 있다. 이와 같이, 육불화 텅스텐 가스(WF6)가 공급되기 전에 챔버(10) 내의 반응 공간을 수소(H2) 가스에 의하여 환원성 분위기로 형성하게 되면, 가스 분사부(30)와 기판(S) 사이의 공간에서 육불화 텅스텐 가스(WF6)가 수소(H2) 가스 또는 플라즈마에 의하여 활성화된 수소(H) 라디칼과 반응하여 육불화 텅스텐 가스(WF6) 중 불소(F) 성분이 1차적으로 제거될 수 있다.
한편, 기판(S)은 텅스텐 박막을 형성하기 위하여 핵 생성층 또는 시드(seed)층의 역할을 하는 텅스텐층이 증착되기 위한 기판이거나, 핵 생성층 또는 시드층 상에 벌크(bulk)층으로서 텅스텐층을 형성하기 위하여 이미 핵 생성층 또는 시드층이 형성된 기판일 수 있음은 전술한 바와 같다.
전원을 인가하는 단계(S200)는 RF 전원(50)으로부터 고주파 전원을 인가하여 반응 공간에 플라즈마를 발생시킨다. 환원 가스를 공급하는 단계(S100)에서 환원 가스로서 수소(H2) 가스를 공급하는 경우, 수소(H2) 가스는 전원을 인가하는 단계(S200)에서 반응 공간에 발생된 플라즈마에 의하여 수소(H) 라디칼로 활성화될 수 있다.
텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급한다. 여기서, 텅스텐 함유 가스는 텅스텐(W)을 함유하는 가스, 예를 들어 육불화텅스텐(WF6) 가스를 포함할 수 있다.
여기서, 전원을 인가하는 단계(S200)에서 RF 전원(50)으로부터 고주파 전원을 인가하고, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)에서 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 경우, 일반적으로 가스 분사부(30) 내에 텅스텐(W)이 증착될 수 있는 문제점을 가진다. 즉, 일반적인 샤워헤드 타입의 가스 분사부(30)에 고주파 전원을 인가하고, 제1 가스, 즉 텅스텐 함유 가스와 제2 가스, 즉 환원 가스를 가스 분사부(30)를 통하여 공급하는 경우, 텅스텐 함유 가스와 환원 가스가 가스 분사부(30) 내에서 서로 반응하여 가스 분사부(30) 내에 텅스텐(W)이 증착될 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 가스 분사부(30)에서 제1 가스 공급 경로 및 상기 제2 가스 공급 경로는 상호 연통되지 않고, 서로 독립적이고 분리되도록 형성된다. 따라서, 도 4에 도시된 제1 전극(38)을 통하여 공급되는 텅스텐 함유 가스는 가스 분사부(30) 내에서 제1 전극(38)과 제2 전극(36) 사이로 공급되는 환원 가스와 반응하지 않고, 가스 분사부(30)의 하부에서 비로소 환원 가스와 반응하게 되어 가스 분사부(30) 내에 텅스텐(W)이 증착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 지속적으로 유지되며, 환원 가스를 공급하는 중에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)가 수행되면, 육불화텅스텐(WF6) 가스는 수소(H2) 가스와 하기의 반응식 1과 같이 반응하여 환원되며, 기판(S) 상에는 텅스텐층이 형성된다.
[반응식 1]
Figure PCTKR2021009836-appb-I000001
여기서, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행될 수 있다. 즉, 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 텅스텐 박막이 형성될 때까지 지속적으로 유지되고, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 환원 가스가 공급되는 중에 텅스텐 함유 가스의 공급 및 중단이 교번적으로 수행되도록, 환원 가스를 공급하는 단계(S100) 중에 간헐적으로 수행될 수 있다.
이때, 기판(S) 상에 수소 함유 가스, 즉 수소(H2) 가스와 텅스텐 함유 가스 즉, 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 상기의 반응식과 같이 육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소(H2) 가스가 반응하여 기판(S) 상에 텅스텐 박막이 증착된다. 즉, 수소(H2) 가스와 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 공급되는 육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소(H2) 가스가 반응하여 기판(S) 상에 텅스텐층을 증착하는 단계가 수행될 수 있다.
한편, 텅스텐 함유 가스의 공급이 중단되어 기판(S) 상에 수소(H2) 가스만이 공급되는 중에는, 공급되는 수소(H2) 가스에 의하여 기판(S) 상에 형성된 텅스텐층의 불순물, 예를 들어 불소(F) 성분이 제거된다.
육불화텅스텐(WF6) 가스와 수소(H2) 가스를 동시에 공급하여 반응시키는 경우에도 육불화텅스텐(WF6)에 포함된 불소(F) 성분은 충분히 제거되지 않는다. 이에, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에서는 수소(H2) 가스를 공급하는 중에 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급과 중단을 반복함으로써, 수소(H2) 가스와 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 텅스텐층을 증착하고, 수소(H2) 가스만이 단독으로 공급되는 구간에서는 증착된 텅스텐층을 수소(H2) 가스로 트리트먼트(treatment)하여 증착된 텅스텐층에 포함되어 있는 불순물, 즉 불소(F) 성분을 제거한다. 이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 텅스텐층을 증착하는 단계와 증착된 텅스텐층의 불순물을 제거하는 단계를 교번적으로 수행함으로써, 텅스텐층 중 불소(F) 성분의 함량을 성분 분석으로 감지되지 않는 수준인, LWF(Low Fluorine W) 수준까지 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법은 환원 가스를 공급하기 전에 기판(S) 상에 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 환원 가스를 공급하기 전에 먼저 기판(S) 상에 실리콘층을 형성하고, 이후 텅스텐 가스를 공급하는 단계(S300)에서 실리콘층에 포함된 실리콘 원자를 텅스텐 원자로 치환시켜 기판(S) 상에 텅스텐 박막을 증착할 수 있다. 이때, 실리콘 함유 가스는 실란(SiH4) 가스를 포함할 수 있으며, 실리콘층에 포함된 실리콘 원자는 텅스텐 함유 가스와 하기의 반응식 2와 같이 반응하여 텅스텐 원자로 치환될 수 있다.
[반응식 2]
Figure PCTKR2021009836-appb-I000002
이때, 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계는 환원 가스를 공급하는 단계(S100)가 수행되기 전에 종료될 수 있다. 또한, 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계는, 후술하는 바와 같이 반응 공간에 마련된 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하는 단계(S100), 상기 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 단계(S200) 및 상기 기판(S) 상에 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)를 포함하는 공정 사이클 전에 1회적으로 수행되거나, 공정 사이클에 포함되어 환원 가스를 공급하는 단계(S100) 이전에 반복적으로 수행될 수도 있다.
한편, 전원을 인가하는 단계(S200)는 수소(H2) 가스가 공급되는 중에 지속적으로 수행되어 수소(H2) 가스와 육불화텅스텐(WF6) 가스가 동시에 공급되는 구간에서는 플라즈마에 의하여 수소(H2) 가스를 수소(H) 라디칼로 활성화시켜 육불화텅스텐(WF6) 가스와 반응시키고, 수소(H2) 가스만이 공급되는 구간에서는 플라즈마에 의하여 수소(H2) 가스를 수소(H) 라디칼로 활성화시켜 기판(S) 상에 증착된 텅스텐층을 수소(H2) 가스로 트리트먼트(treatment)할 수 있음은 물론이다.
그러나, 전원을 인가하는 단계(S200)는 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행되고, 텅스텐 함유 가스를 공급하는 단계(S300)는 반응 공간에 플라즈마를 발생시키도록 전원을 인가하는 중에 수행될 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에서는 전원이 인가되지 않는 동안에 반응 공간을 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
육불화텅스텐(WF6) 가스를 간헐적으로 공급하는 경우, 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급이 중단된 직후에도 반응 공간 내에는 육불화텅스텐(WF6)가 잔류한다. 반응 공간 내에 육불화텅스텐(WF6)가 잔류하는 경우, 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급을 중단하고 수소(H2) 가스를 공급하게 되면 공급되는 수소(H2) 가스는 먼저 잔류하는 육불화텅스텐(WF6) 가스와 반응하게 되어 기판(S) 상에 증착된 텅스텐층을 충분하게 트리트먼트할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 전원을 인가하는 단계(S200)를 환원 가스를 공급하는 중에 간헐적으로 수행하고, 전원이 인가되지 않는 동안에는 반응 공간을 퍼지하여 챔버(10) 내의 반응 공간에 잔류하는 육불화텅스텐(WF6) 가스를 제거할 수 있다.
전력의 공급을 중지하여 반응 공간을 퍼지한 이후, 전원을 인가하는 단계(S200)는 텅스텐 함유 가스를 다시 공급하기 전에 시작될 수 있다. 여기서, 전원이 인가되고, 텅스텐 함유 가스가 다시 공급되기 전에는 반응 공간에 수소(H2) 가스만이 공급되고, 공급되는 수소(H2) 가스는 플라즈마에 의하여 활성화되어 기판(S) 상에 증착된 텅스텐층을 트리트먼트하여 텅스텐층에 함유된 불소(F) 성분을 제거하게 된다. 또한, 전원을 인가하는 단계(S200)는 텅스텐 함유 가스의 공급이 중단될 때 동시에 종료되어 반응 공간을 퍼지하기 위한 충분한 시간을 확보할 수 있다.
한편, 환원 가스를 공급하는 단계(S100)는 텅스텐 함유 가스가 공급되기 전부터 기판(S) 상에 환원 가스를 공급하고, 텅스텐 박막이 형성될 때까지 환원 가스의 공급을 지속적으로 유지할 수 있다. 여기서, 텅스텐 함유 가스가 공급되기 전에 공급되는 환원 가스에 의하여 챔버(10) 내의 반응 공간은 환원성 분위기로 형성된다. 이후, 텅스텐 함유 가스로 육불화텅스텐(WF6) 가스가 공급됨에 따라 반응 공간에 지속적으로 공급되는 환원 가스의 수소(H) 성분과 육불화텅스텐(WF6) 가스에 포함된 불소(F) 성분이 결합되어 불화수소(HF) 기체로 생성되어 제거되고, 기판(S) 상에는 불소(F) 성분이 1차적으로 제거된 텅스텐층이 형성될 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 수소(H2) 가스가 공급되는 중에 전원을 인가하고 육불화텅스텐(WF6) 가스를 공급하여 텅스텐층을 증착하는 구간(① 구간) 및 수소(H2) 가스가 공급되는 중에 육불화텅스텐(WF6) 가스의 공급 없이 전원을 인가하여 불순물을 제거하는 구간(② 구간)이 하나의 공정 사이클을 형성한다. 한편, 텅스텐층을 증착하는 구간(① 구간)과 불순물을 제거하는 구간(② 구간) 사이에는 반응 공간을 퍼지하는 구간이 더 포함되어 하나의 공정 사이클을 형성할 수도 있음은 물론이다. 공정 사이클은 복수 회로 반복되어 수행되며, 이에 의하여 텅스텐층을 증착하는 구간, 반응 공간을 퍼지하는 구간 및 불순물을 제거하는 구간이 반복적으로 포함되어 텅스텐층에 함유된 불소(F) 성분을 효과적으로 제거하여 불순물의 농도가 현저하게 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 형성 방법에 의하면, 텅스텐층을 증착하는 단계와 증착된 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하는 단계를 교대로 반복하여 텅스텐 박막을 형성함으로서 박막 스트레스 및 불순물의 농도가 감소된 텅스텐 박막을 형성할 수 있다.
또한, 텅스텐층에 함유된 불순물을 제거하기 전에 반응 공간을 퍼지함으로써 불순물을 제거하는 단계의 효율성을 향상시키고, 불소 성분의 함량을 성분 분석으로 감지되지 않는 수준인, LWF(Low Fluorine W) 수준까지 감소시킬 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

Claims (17)

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