KR100230182B1 - 반도체소자의 박막증착시스템 및 박막증착방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체소자의 박막증착시스템 및 박막증착법에 관한 것으로, 시분할(時分割) 주입방식을 이용한 반도체소자의 박막증착시스템에 있어서, 가스라인 및 배기라인의 도입부에 설치되어 동시에 서로 상반되게 개폐조절되면서 유량제어기를 통과한 반응가스나 가스라인 또는 배기라인을 향하여 선택적으로 흐르도록 하는 반응가스 스위칭수단과, 2종류 이상의 반응가스가 적용되는 경우에 하나의 반응가스가 주입완료후 배기될 때, 퍼지가스를 가스라인내로 유입시켜 반응실로 유입되는 다른 반응가스가 가스라인으로 역(逆)확산되지 않도록 하는 확산방지수단과, 반응가스가 가스라인을 통하여 일정 시간동안 주입되다가 상기 반응가스 스위칭수단의 스위칭작용에 의하여 배기라인으로 흐를 때 상기 가스라인과 반응실내로 퍼지가스를 유입시켜 가스라인과 반응실내에 잔류하는 반응가스가 배출되도록 하는 잔류가스배출수단과, 2종류 이상의 반응가스가 적용되고 각 반응가스의 유량이 서로 다를 때, 적정 유량의 가스를 반응기로 유입시켜 반응기로 시분할 주입되는 총 가스유량이 항상 일정하게 유지되도록 하는 유량보정수단과, 상기 배기라인을 통하여 배출되는 반응가스 및 퍼지가스를 열분해시켜 안정된 상태로 펌프쪽으로 배기되도록 하는 고온 열반응로가 포함되도록 구성하고, 반응가스와 잔류가스배출용 퍼지가스가 서로 분리되어 시분할 주입되면서 박막이 불연속적으로 증착되는 공정을 반복실시하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 박막이 증착되도록 하므로써 종래의 경우에서와 같은 반응가스주입사이에 진공배기단계가 배제될 수 있도록 하고, 반응기와 반응실이 분리구성될 수 있도록 하여 반응가스의 스위칭시간이 단축되고 박막증착시간이 현저하게 단축될 수 있도록 한 것이다.

Description

반도체소자의 박막증착시스템 및 박막증착방법

본 발명은 반도체소자의 박막증착시스템 및 박막증착방법에 관한 것으로, 특히 반도체 및 평판표시소자 제작에서 요구되는 금속막, 금속산화막 그리고 금속질화막 등과 같이 금속을 함유하는 금속계 박막들이 반응가스와 퍼지가스가 분리된 상태에서 시분할(時分割) 주입되는 방식에 의하여 증착될 수 있도록 하여 반응가스의 스위칭시간 및 박막증착시간을 단축시킬 수 있도록 한 반도체소자의 박막증착시스템 및 박막증착방법에 관한 것이다.

반도체소자의 제조공정에서 기판(웨이퍼)상에 박막을 증착시키기 위하여 종래에는 물리적 증착방법인 스퍼터링(Sputtering)공정을 많이 사용하였으나, 기판표면에 단차가 존재할 때에는 스퍼터링에 의한 증착시 스텝커버리지(Step Coverage)특성이 불량해지기 때문에 사용상의 한계가 있음에 따라 최근에는 금속유기물 전구체(Metal Organic Precursor)를 사용한 화학적 기상증착(Chemical Vapor Deposition) 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

이와 같은 종래의 화학적 기상증착시스템(1)은 제1(a)도에 도시된 바와 같이, 반응기(10)와, 운반가스를 포함하는 각각의 반응가스(11)(12)가 상기 반응기(10)로 공급되도록 하는 가스라인(17)과, 반응가스(11)가 공급되는 초기 시점에 유량 및 조성의 변동이 있기 때문에 반응기(10)로 공급되기 전에 일정 시간동안 펌프로 바이패스시킬 수 있도록 하는 배기라인(18)과, 상기 가스라인(17)의 입구부쪽에 설치되어 가스라인(17)내로 유입되는 각 반응가스(11)(12)의 량을 제어하는 유량제어기(21)(22)와, 상기 가스라인(17)상의 소정 위치에 설치된 상태에서 낮은 증기압을 갖는 액체 혹은 고체의 반응물 소오스를 적정 온도로 유지하여 증기화시키고 이들 증기가 운반가스에 의해서 반응기로 공급될 수 있도록 하는 증발기(Vaporizer; 16)와, 상기 가스라인(17) 및 배기라인(18)상의 정해진 위치에 설치되는 밸브(31)(32)(32')로 이루어지며, 상기 반응기(10)에는 균일한 반응가스의 흐름을 얻기 위해서 가스샤워헤드(4)가 설치된다.

한편, 상기의 구성을 갖는 종래의 화학적 기상증착시스템(1)에서는 제1(b)도에 도시된 바와 같이, 각각의 반응가스(11)(12)가 상기 유량제어기(21)(22) 및 가스라인(17)을 통하여 동시에 연속적으로 반응기(10)내로 공급됨에 따라 박막증착이 공정의 시작점으로부터 종료시점까지 연속적으로 이루어진다.

그러나, 이와 같은 종래의 화학적 기상증착시스템(1)을 이용하여 기판(3)상에 박막을 증착하는 경우에는 모든 반응가스(11)(12)들이 동시에 반응기(10)내에 존재하기 때문에 반응가스(11)(12)들간의 가스상의 반응이 유발되어 입자오염이 생성되고 스텝커버리지특성이 불량하게 된다는 문제가 있다.

또한, 금속유기물을 반응물로 사용하기 때문에 연속적인 증착과정에서 박막내에 필연적으로 탄소오염이 유입되며, 다성분계 박막의 증착시에는 각각의 성분을 내포한 반응물들의 유량을 조절하여 반응기에 연속적으로 주입하면서 이들 각각의 반응물을 동시에 반응시켜야 하기 때문에 그 박막의 조성을 제어하는 것이 매우 어렵다는 문제가 있다.

또한, 이와 같은 종래의 화학적 기상증착시스템(1)에서는 증착박막의 균일도를 확보하기 위하여 반응기(10)의 상부에 가스샤워헤드(4)가 설치되는 바, 상기 가스샤워헤드(4)상에 형성되는 가스분출구의 설계가 실질적으로 매우 어려울 뿐만 아니라 증착과정에서 상기 가스분출구가 서서히 막히게 되는 경우에는 공정의 재현성 및 박막의 균일도에 나쁜 영향을 미치게 된다는 문제가 있다.

상기의 문제점들을 해결하기 위해서는 반응가스들을 연속적으로 공급하지 않고 시분할 주입하는 것이 효과적인 것으로 알려짐에 따라 반응가스의 시분할 주입방식에 의한 화학적 기상증착시스템이 제안되었다.

이와 같은 반응가스의 시분할 주입방식에 의한 화학적 기상증착시스템(1')에서는 제2(a)도에 도시된 바와 같이, 유량제어기(21)(22)와 반응기(10)사이의 가스라인(17) 및 상기 가스라인(17)으로부터 분기되는 배기라인(18)상에 설치되는 밸브(33)(33')(34)(34')를 제어하여 상기 유량제어기(21)(22)를 통하여 유입되는 각각의 반응가스(11)(12)가 반응기(10) 또는 펌프쪽으로 선택적으로 흐를 수 있도록 하므로써 반응기(10)로 유입되는 반응가스(11)(12)가 제2(b)도에 도시된 바와 같이 시분할 주입될 수 있도록 하였다.

이에 따라 각 반응가스(11)(12)는 제2(b)도에 도시된 바와 같이, 펄스(11')(12') 형태로 반응기(1)내로 주입되는 데, 이 경우 각 반응가스간의 접촉을 막기 위하여 펄스사이에 진공배기단계가 필수적으로 요구된다.

그러나, 이와 같은 종래의 반응가스의 시분할 주입방식에 의한 화학적 기상증착시스템(1')에서는 반응기(10)의 부피가 크기 때문에 충분한 배기를 위해서는 많은 시간이 소요되므로 반응가스간의 주입시간간격(t₂)이 커지게 되어 결국 증착속도가 현저하게 저하된다는 문제가 있다.

또한, 반응가스는 반응기(10)의 주입구(19)(20)의 입구에서 기판(3)표면으로 분사되는 데, 이 경우 균일한 증착을 위해서는 기판(3)의 크기가 커질수록 분사거리가 커져야 되므로 반응기(10)의 부피가 더욱 커지게 되는 문제도 있다.

결국, 이와 같은 종래의 시분할 주입방식에 의한 화학적 기상증착시스템(1')에서는 다성분계 박막의 증착시 각각의 성분을 독립적으로 증착할 수 있기 때문에 박막의 조성을 제어하는 것에는 유용하나, 균일도와 증착속도등과 같은 기본적인 증착공정의 특성들은 종래 동시연속(同時連續) 주입방식에 의한 화학적 기상증착시스템(1)에 비해서 매우 불리하다는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 반응가스와 퍼지가스가 서로 분리되어 시분할 주입되도록 하고, 반응기내부에 별도의 반응실을 마련하여 상기 반응실로 주입되는 반응가스의 스위칭시간이 단축되도록 하므로써 박막증착시간을 현저하게 단축시킬 수 있도록 한 새로운 형태의 반도체소자의 박막증착시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 반응가스와 퍼지가스를 서로 분리하여 시분할 주입하면서 박막을 불연속적으로 증착하는 공정을 반복실시할 수 있도록 한 새로운 방식의 반도체소자의 박막증착방법을 제공하고자 하는 것이다.

제1(a)도는 종래의 반도체소자의 박막증착공정에 사용되는 화학적 기상증착시스템을 나타내는 구성도.

제1(b)도는 상기 제1(a)도의 화학적 기상증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.

제2(a)도는 종래의 반도체소자의 박막증착공정에 사용되는 시분할 주입방식의 화학적 기상증착시스템을 나타내는 구성도.

제2(b)도는 상기 제2(a)도의 화학적 기상증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.

제3(a)도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템을 나타내는 구성도.

제3(b)도는 제3(a)도의 박막증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.

제4(a)도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템의 다른 예를 나타내는 구성도.

제4(b)도는 제4(a)도의 박막증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.

제5도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템에 적용되는 반응기의 전단면 사시도.

제6도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템에 적용된 반응기의 평면도.

제7도는 본 발명에 따른 박막증착시스템에 적용된 반응기의 작동상태를 나타내는 단면도.

제8(a)도는 본 발명에 의한 박막증착정의 메카니즘에 대한 설명도.

제8(b)도는 제8(a)도의 메카니즘에서 화학흡착시 반응가스주입시간과 박막의 증착두께사이의 상관관계를 나타내는 그래프.

제8(c)도는 제8(a)도의 메카니즘에서 열분해증착시 반응가스주입시간과 박막의 증착두께 사이의 상관관계를 나타내는 그래프.

제9(a)도는 본 발명에 따른 박막증착시스템을 이용하여 다성분계 금속박막을 증착할 때, 하나의 공정 사이클에 의하여 한 성분의 박막이 웨이퍼상에 증착된 것을 나타내는 단면도.

제9(b)도는 제9(a)도에서의 과정을 각 성분의 박막의 증착에 적용하고, 이러한 증착과정을 반복하여 최종 목표로 하는 두께의 박막으로 증착한 것을 나타내는 단면도.

제9(c)도는 제9(a)도에서의 과정을 적용하여 서로 다른 성분의 얇은 박막을 열처리하여 적절히 배합시켜 원하는 조성의 다성분계 박막을 증착시킨 것을 나타내는 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 기판(웨이퍼) 6 : 반응실

7 : 셔터 8 : 자외선램프부

10 : 반응기 11,12 : 반응가스

17 : 가스라인 18 : 배기라인

39 : 유량조절밸브 41 : 확산방지용 퍼지가스(Purge Gas)

42 : 잔류가스배출용 퍼지가스 50 : 고온 열반응로

110 : 반응가스 스위칭수단 120 : 확산방지수단

130 : 잔류가스배출수단 140 : 유량보정수단

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템은 시분할 주입방식을 이용한 반도체소자의 박막증착시스템에 있어서, 가스라인 및 배기라인의 도입부에 설치되어 동시에 서로 상반되게 개폐조절되면서 유량제어기를 통과한 반응가스가 가스라인 또는 배기라인을 향하여 선택적으로 흐르도록 하는 반응가스 스위칭수단과, 2종류 이상의 반응가스가 적용되는 경우에 하나의 반응가스가 주입완료후 배기될 때, 퍼지가스를 가스라인내로 유입시켜 반응실로 유입되는 다른 반응가스가 가스라인으로 역(逆)확산되지 않도록 하는 확산방지수단과, 반응가스가 가스라인을 통하여 일정 시간동안 주입되다가 상기 반응가스 스위칭수단의 스위칭작용에 의하여 배기라인으로 흐를 때 상기 가스라인과 반응실내로 퍼지가스를 유입시켜 가스라인과 반응실내에 잔류하는 반응가스가 배출되도록 하는 잔류가스배출수단과, 2종류 이상의 반응가스가 적용되고 각 반응가스의 유량이 서로 다를 때, 적정 유량의 가스를 반응기로 유입시켜 반응기로 시분할 주입되는 총 가스유량이 항상 일정하게 유지되도록 하는 유량보정수단과, 상기 배기라인을 통하여 배출되는 반응가스 및 퍼지가스를 열분해시켜 안정된 상태로 펌프쪽으로 배기되도록 하는 고온 열반응로가 포함된 특징을 갖는다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착방법은 반응가스와 잔류가스배출용 퍼지가스를 서로 분리하여 시분할 주입하면서 박막을 불연속적으로 증착하는 공정을 반복실시하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 박막을 증착하는 특성을 갖는다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 제1(a)도는 제2(a)도에 도시된 종래기술의 구성요소와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하면서 설명한다.

제3(a)도는 단일의 반응가스가 적용된 경우의 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템을 나타내는 구성도이고, 제4도는 2종류 이상의 반응가스가 적용된 경우의 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템을 나타내는 구성도로서, 이에 따른 본 발명의 반도체소자의 박막증착시스템(100)은 시분할 주입방식을 이용한 반도체소자의 박막증착시스템에 있어서, 가스라인(17) 및 배기라인(18)의 소정 위치에 유량제어기(21)(22)를 통과한 반응가스(11)(12)가 상기 가스라인(17) 또는 배기라인(18)을 향하여 선택적으로 흐를 수 있도록 하기 위하여 동시에 서로 상반되게 개폐조절되는 반응가스 스위칭수단(110)이 설치되고, 상기 가스라인(17)상방의 소정위치에는 2종류 이상의 반응가스가 적용되는 경우에 하나의 반응가스가 주입완료후 배기될 때, 퍼지가스를 가스라인(17)내로 유입시켜 반응기(10)로 유입되는 다른 반응가스가 가스라인(17)으로 역(逆)확산되지 않도록 하는 확산방지수단(120)이 설치되며, 상기 확산방지수단(120)의 상방에는 상기 반응가스(11)가 가스라인(17)을 통하여 일정 시간동안 주입되다가 상기 반응가스 스위칭수단(110)의 스위칭작용에 의하여 배기라인(18)으로 흐를 때 상기 가스라인(17)과 반응기(10)내로 퍼지가스를 유입시켜 가스라인(17)과 반응기(10)내에 잔류하는 반응가스가 배출되도록 하는 잔류가스배출수단(130)이 설치되는 한편, 상기 가스라인(17)의 일측 소정 위치에는 2종류 이상의 반응가스가 적용되고 각 반응가스의 유량이 서로 다를 때, 적정 유량의 가스를 반응기(10)로 유입시켜 반응기(10)로 시분할 주입되는 총 가스유량이 항상 일정하게 유지되도록 하는 유량보정수단(140)이 설치되며, 상기 배기라인(18)의 끝부분에는 배기라인(18)을 통하여 배출되는 반응가스 및 퍼지가스를 열분해시켜 안정된 상태로 펌프쪽으로 배기되도록 하는 고온 열반응로(50)가 설치된 것을 나타낸다.

이와 같은 본 발명에서 상기 반응가스 스위칭수단(110)은 반응기(10)로 향하는 가스라인(17)의 도입부와 펌프로 향하는 배기라인(18)의 도입부상에 설치된 상태에서 설정된 시간에 맞추어 동시에 서로 상반되게 자동 개폐조절되는 한쌍의 스위칭 밸브(34)(34')로 이루어진 구조를 갖는다.

한편, 이와 같은 본 발명에서 상기 확산방지수단(120)은 반응기로 향하는 가스라인(17)에 연결되는 공급라인(122)과, 상기 공급라인(122)을 통하여 공급되는 확산방지용 퍼지가스(41)와, 상기 공급라인(122)의 도입부에 설치되어 상기 확산방지용 퍼지가스(41)의 유입량을 제어하는 유량제어기(24)와, 상기 공급라인(122)상의 소정 위치에 설치되어 상기 유량제어기(24)를 통과한 확산방지용 퍼지가스(41)가 각 공급라인(122)으로 균등분배되도록 하기 위하여 각 공급라인(122)의 유체흐름의 전도성이 동일하도록 조절하는 유량조절밸브(39)로 이루어진 구조를 갖는다.

한편, 이와 같은 본 발명에서 상기 잔류가스배출수단(130)은 상기 확산방지수단(120)을 구성하는 공급라인(122)에 연결되는 또 다른 공급라인(132)과, 상기 공급라인(132)을 통하여 공급되는 잔류가스배출용 퍼지가스(42)와, 상기 공급라인(132)의 도입부에 설치되어 상기 잔류가스배출용 퍼지가스(42)의 유입량을 제어하는 유량제어기(25)와, 상기 공급라인(132)으로부터 분기되어 펌프쪽으로 향하는 배기라인(18')과, 상기 공급라인(132)과 배기라인(18')상의 소정 위치에 설치된 상태에서 설정된 시간에 맞추어 동시에 서로 상반되게 자동 개폐조절되는 한쌍의 스위칭밸브(36)(36')로 이루어진 것을 나타낸다.

한편, 이와 같은 본 발명에서 상기 유량보정수단(140)은 반응기(10)로 향하는 공급라인(142)과, 상기 공급라인(142)을 통하여 공급되는 유량보정용 가스(43)와, 상기 공급라인(142)의 도입부에 설치되어 상기 유량보정용 가스(43)의 유입량을 제어하는 유량제어기(26)와, 상기 공급라인(142)으로부터 분기되어 펌프쪽으로 향하는 배기라인(18'')과, 상기 공급라인(142)과 배기라인(18'')상의 소정 위치에 설치된 상태에서 필요에 따라 선택적으로 개폐조절되는 한쌍의 개폐밸브(37)(37')로 이루어진 것을 나타낸다.

한편, 상기한 반응가스(11)(12)의 시분할 주입방식에 의한 박막증착시스템(100)에서 증착공정이 보다 효율적으로 이루어지도록 하기 위해서는 반응기(10)내에서 반응가스(11)(12)들간의 스위칭이 가능한 빠르게 이루어지면서도 반응가스 상호간의 접촉이 배제되어야 함에 따라 상기 반응기(10)의 부피를 가능한한 최소화시키는 것이 바람직하고, 또한, 이러한 작은 부피의 반응기에 대하여 기판(3)이 자동적으로 로딩(Loading) 또는 언로딩(Unloading)되는 것이 필요하며, 자외선이 기판(3)에 조사될 수 있도록 구성되어야 한다.

이와 같은 요구를 만족시키기 위하여 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템(100)을 구성하는 상기 반응기(10)에서는 제5도에 도시된 바와 같이, 통상의 기판이송수단의 동작과 연동되어 작동되는 승강수단(150)의 작용에 따른 상판(72)의 상·하방향이동에 의하여 개폐되는 반응실(6)이 하우징의 내부에 별도로 마련되고, 상기 반응실(6)의 수직상방에 해당되는 덮개(91)상에는 자외선램프부(8)가 설치되며, 상기 자외선램프부(8)의 하부에 상기 자외선램프부(8)로부터 발생되는 자외선의 조사량을 제어하는 셔터(7)가 별도의 콘트롤러(165)의 제어동작에 따라 개폐 가능하게 설치된다.

이와 같은 반응기(10)에서 상기 승강수단(150)은 상단이 상판(72)의 가장자리에 결합되고, 하단은 반응기(10)의 바닥면을 통하여 아랫쪽으로 돌출된 다수의 지지축(88)과, 상기 각 지지축(88)의 하부에 고정결합되며 작용힘의 인가에 따라 상·하방향으로 신축되는 벨로우즈관(93)과, 상기 벨로우즈관(93)의 하부에 설치된 상태에서 외력의 인가에 따라 구동되면서 상기 벨로우즈관(93)에 작용힘을 부여하는 모터 또는 공기실린더 같은 구동부재(166)로 이루어진 구조를 갖는다.

이와 같은 반응기(10)의 구조에서 상기 상판(72)은 자외선이 투과될 수 있도록 석영재질로 이루어지며, 상기 반응실(6)의 중심부에는 기판받침대(76)가 고정설치되고, 상기 기판받침대(76)상에는 외부의 기판이송수단의 동작과 연동되어 별도의 승강수단(150')에 의하여 일정 높이만큼 들어올려지는 기판승강핀(97)이 설치되며, 상기 기판받침대(76)의 하부에는 적정한 공정온도를 유지시키기 위한 히터(2)가 히터지지대(96)에 의하여 고정 설치되는 한편, 상기 기판받침대(76)의 둘레에는 상기 히터(2)로부터 전달된 열이 손실되는 것을 방지하고, 열에 의한 변형을 방지하기 위하여 석영 또는 기타 세라믹재질의 링(75)이 설치된다.

이와 같은 본 발명에서 상기 기판받침대(76)의 재질은 상기 히터(2)로부터 전달되는 열이 효과적으로 전달되도록 하고, 기판(3)의 온도 균일도를 높이기 위하여 열전도도가 높은 그래파이트(Graphite)나 SiC 또는 금속을 사용한다.

또한, 이와 같은 본 발명의 반응기(10)에서 상기 반응실(6)은 외부로부터 하우징의 내측을 통하여 설치되는 반응가스도입부(86)와 서로 연통되게 형성되며, 상기 반응가스도입부(86)와 접하는 쪽에 해당되는 반응실(6)의 일측 가장자리부분에는 반응가스가 반응실(6)로 유입되는 것을 안내하는 소정 폭의 제1개구부(제6도에서의 점 ABCD를 연결하는 선에 의하여 형성되는 부분)가 형성되고, 상기 제1개구부(ABCD)의 반대쪽에는 공정이 완료된 후에 반응실(6)로부터 반응가스가 배출되도록 안내하는 제2개구부(제6도에서 점 EFGH를 연결하는 선에 의하여 형성되는 부분) 및 배기구(82)가 형성된 구조를 갖는다.

이와 같은 본 발명의 박막증착시스템에 적용되는 반응기(10)에서 유량보정용 가스(43)는 상기 반응가스도입부(86)의 하부에 설치된 또 다른 가스도입부(86')를 통하여 반응기(10)내로 유입되며, 하우징상에 형성된 배기구(71)를 통하여 배기되도록 구성된다.

한편, 이와 같은 본 발명의 박막증착시스템을 이용한 반도체소자의 박막증착방법은 반응가스(11)(12)와 퍼지가스를 서로 분리하여 시분할 주입하면서 박막을 불연속적으로 증착하는 공정을 반복실시하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 박막을 증착하는 것이다.

이와 같은 반도체소자의 박막증착방법에서 상기 반응가스들은 항상 일정한 유량으로 시분할 되어 반응기(10)로 흐르도록 유지되며, 특히, 2종류 이상의 반응가스들이 적용되고 각 반응가스들의 유량이 서로 달라 시분할 주입되는 총 유량에 변동이 생기는 경우에, 상기 유량보정수단(140)의 작용에 의하여 반응기로 흐르는 총 유량이 항상 일정하게 유지된다.

이와 같은 본 발명의 박막증착방법에서는 상기 각 반응가스를 서로 독립적으로 시분할 주입하여 기판(3)상에서 표면반응이 일어나도록 하고, 그 표면반응의 활성화를 위하여 반응가스의 시분할 주입작용과 연동되게 자외선을 기판(3)에 조사하는 특징을 갖는다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

반응기(10)를 구성하는 하우징의 내부에 마련되는 반응실(6)내에 기판(3)이 놓여진 상태에서 그 기판(3)표면에 단일성분 또는 2성분 이상의 금속계 박막을 증착시키고자 하는 경우에, 제3(a)도 및 제4(a)도에 도시된 바와 같이, 단일 또는 2종류 이상의 반응가스(11)(12)가 일정한 시간 간격으로 유량제어기(21)(22)를 통하여 반응기(10)로 흐르게 하고, 반응가스 스위칭수단(110)을 작동시켜 반응기(10)쪽으로 향하는 가스라인(17)상의 스위칭밸브(34)를 일정 시간동안 개방시킴과 동시에 상기 배기라인(18)쪽으로 향하는 스위칭밸브(34')를 닫으면, 각 반응가스(11)(12)는 시차를 두고 가스라인(17)으로 흐르게 된다.

이와 같이 가스라인(17)으로 흐르는 각 반응가스(11)(12)는 상기 반응기(10)의 하우징내측으로 설치된 반응가스도입부(86)를 통하여 반응실(6)내로 유입되어 반응됨에 따라 그 반응실(6)내에 놓여지는 기판(3)의 표면에 금속계 박막이 증착되는 것이며, 이와 같은 반응가스(11)(12)들이 일정한 시간간격으로 반복적으로 유입되는 작용에 의하여 상기 기판(3)상에 원하는 두께의 박막이 증착되는 것이다.

이와 같은 박막증착과정에서 상기 반응기(10)의 반응실(6)내부로 기판(3)을 로딩시키고자 하는 경우에, 승강수단(150)을 구성하는 구동부재(166)를 정해진 방향으로 구동시키면 상기 벨로우즈관(93)이 상방향으로 압축됨과 동시에 그 벨로우즈관(93)에 결합된 지지축(88)이 윗쪽으로 이동되는 동작에 따라 반응실(6)의 상판(72)이 들어 올려지고, 이와 같은 상태에서 외부의 기판이송수단의 작용에 의하여 기판(3)이 상기 반응실(6)내로 로딩되는 것이다.

이와 같이 기판(3)이 반응실(6)의 내부로 진입하면, 상기 기판승강핀(97)이 상기 승강수단(150)과 동일한 작용을 하는 또 다른 승강수단(150')의 작용에 의하여 들어 올려지면서 기판(3)을 받쳐주게 되고, 이 상태에서 다시 상기 승강수단(150)을 구성하는 구동부재(166)가 역방향으로 구동되어 벨로우즈관(93)이 아랫쪽으로 당겨지는 동작에 의하여 지지축(88)이 하강되어 반응실(6)의 상판(72)이 원래의 상태로 덮여지는 것이다.

상기한 바와 같이, 기판(3)이 반응실(6)내에 안착된 상태에서 상기 반응가스도입부(86)를 통하여 각 반응가스(11)(12)가 일정한 시간간격으로 유입되면, 각 반응가스(11)(12)는 상기 반응가스도입부(86)와 상기 반응실(6)의 접하는 부분에 형성된 제1개구부(ABCD)를 통하여 일정 시간동안 반응실(6)내로 흐르고, 상기 반응실(6)내에서 반응이 일어나면서 기판(3)의 표면에 박막이 증착되는 것이다.

이와 같은 박막증착공정이 완료된 후에 반응실(6)에 잔류하는 반응가스(11)는 제6도 및 제7도에 도시된 바와 같이, 상기 반응실(6)의 반대쪽에 마련된 제2개구부(EFGH)와 배기구(82)를 통하여 배출되고, 반응기(10)내로 유입되는 잔류가스배출용 퍼지가스(42)의 배출작용에 의하여 반응기(10)의 외부로 배출되는 것이다.

이와 같은 박막증착과정에서 설정된 시간동안 각 반응가스(11)(12)의 공급이 이루어지면, 상기 반응가스 스위칭수단(110)이 다시 작동되어 상기 가스라인(17)상에 설치된 스위칭밸브(34)가 닫혀짐과 동시에 상기 배기라인(18)상에 설치된 스위칭밸브(34')가 개방되면서 각 반응가스(11)(12)는 배기라인(18)으로 흐르게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 박막증착과정에서 2종류 이상의 반응가스가 사용되는 경우에 반응가스(11)가 설정된 시간동안 가스라인(17)을 통하여 흐르다가 상기 반응가스 스위칭수단(10)의 작용에 의하여 다시 배기라인(18)쪽으로 흐르게 되는 경우에, 상기 반응실(6)로 유입되는 다른 반응가스(12)가 가스라인(17)을 타고 역으로 확산되는 현상이 발생되는 데, 이러한 확산현상에 의해서 반응가스(12)가 다른 반응가스라인들로 유입되는 것을 막기 위해서 확산방지수단(120)을 구성하는 유량제어기(24)를 통하여 일정량의 확산방지용 퍼지가스(41)를 공급하면, 확산방지용 퍼지가스(41)가 유량조절밸브(39)를 통하여 가스공급라인(122)내로 흐르게 된다.

상기의 확산방지수단(120)을 구성하는 유량조절밸브(39)는 여러개의 반응가스 공급라인들에 동시적으로 확산방지용 가스를 공급하는 경우에 유량제어기(24)를 통과한 가스가 각각의 공급라인으로 균등분배되도록 각각의 공급라인들의 유체흐름의 전도성(Conductance)이 같도록 해주는 유체흐름의 전도성조절 기능을 갖는다.

한편, 각 반응가스(11)(12)가 반응실(6)로 일정 시간동안 주입된 후 배기라인(18)상에 설치된 스위칭밸브(34')가 개방됨과 동시에 가스라인상에 설치된 스위칭밸브(34)가 닫혀지면, 반응가스(11)(12)는 배기라인(18)을 통하여 펌프쪽으로 흐르게 되지만, 반응실(6)로 연결된 가스라인(17)과 반응실(6)내에는 반응가스(11)(12)가 잔류하게 되는 바, 이 경우 상기 잔류가스배출수단(130)을 구성하는 일정량의 잔류가스배출용 퍼지가스(42)를 유량제어기(25), 공급라인(132) 및 일측 스위칭밸브(36)를 통하여 설정된 시간동안 가스라인(17)과 반응기(10)내의 반응실(6)로 공급하면, 상기 가스라인(17)과 반응실(6)내에 잔류하는 반응가스(11)(12)들이 반응실(6) 및 반응기(10)의 외부로 배출된다.

이와 같은 잔류가스배출과정에서 설정된 시간이 지나면, 상기 배기라인(18')상에 설치된 스위칭밸브(36')가 개방됨과 동시에 상기 공급라인(132)상에 설치된 스위칭밸브(36)가 닫혀짐에 따라 상기 잔류가스배출용 퍼지가스(42)는 배기라인(18')을 통하여 흐르게 된다.

한편, 여러 종류의 반응가스들이 사용되고 각 반응가스의 유량이 서로 다를 경우에는 반응기(10)로 시분할 주입되는 총 가스유량에 변동이 생기게 되고, 이에 따라 반응기(10)내의 압력변동이 발생하게 되는 데, 이와 같은 경우에는 유량보정수단(140)을 구성하는 공급라인(142)과 유량제어기(26)를 통하여 적정량의 가스유량을 보정하여 반응기(10)로 흘려줌으로써 총 유량을 항상 일정하게 유지할 수 있다.

한편, 유량제어기(26)의 유량설정값이 변동될 필요가 있거나 반응기(10)로 가스를 흘릴 필요가 없을 때에는 밸브(37')를 열고 밸브(37)를 닫은 상태에서 유량제어기(26)의 설정값을 변동시키면 반응기에는 영향을 주지 않게 된다.

한편, 이와 같은 본 발명에 따른 박막증착과정에서 상기의 반응가스 및 퍼지가스에는 일반적으로 고체 혹은 액체 소오스로부터 기화시킨 증기도 포함되므로 이들이 온도가 낮은 부분에서 응축되거나 혹은 반응가스간 상호접촉에 의해서 반응하거나 혹은 미반응상태로 배출시 유해할 수 있는 데, 이 경우 상기 배기라인(18)(18')(18'')들이 각각 독립적으로 고온 열반응로(50)내로 통과되도록 하므로써 응축되거나 미반응되어 배출되는 반응가스가 고온에 의하여 열분해되도록 한 상태에서 펌프쪽으로 배기되도록 한다.

제3(b)도는 이와 같은 본 발명의 박막증착시스템(100)을 이용하여 기판(3)상에 박막을 증착시키는 경우의 반응가스 및 퍼지가스의 시분할 주입상태를 나타내는 설명도로서, 시간 t₀~t₁구간에서 시분할 주입시 반응기(10)내로 유입되는 가스의 총 유량은 반응가스(56)와 가스라인(17)에 항상 흘려주는 소량의 확산방지용 퍼지가스(55)로 구성되고, 시간 t₁~t₂구간에서 반응기(10)내로 유입되는 가스의 총 유량은 소량의 확산방지용 퍼지가스(55)와 잔류가스를 제거하기 위한 잔류가스배출용 퍼지가스(57)로 구성되며, 시간 t₂~t₃구간에서 반응기(10)내로 유입되는 가스의 총 유량은 다른 반응가스(58)와 소량의 확산방지용 퍼지가스(55) 및 유량보정용 가스(59)로 구성된다.

위에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 유량보정용 가스(59)는 반응기(10)내의 공정압력변동을 방지하기 위해서 반응기(10)내로 유입되는 총 유량을 일정하게 맞추어 주는 역할을 수행한다.

제4(b)도는 상기한 본 발명에 따른 시분할 주입방식을 이용한 반도체소자의 박막증착시스템(100)에 항상 일정한 유량의 반응가스들이 유입되는 경우의 반응가스 및 퍼지가스의 시분할 주입상태를 나타내는 설명도로서, 반응가스(11)(12)들이 항상 일정한 유량으로 시분할 주입되는 경우에 펄스형태로 표시된 각 반응가스(11')(12')의 주입사이에는 펄스형태의 잔류가스배출용 퍼지가스(42') 주입된 것을 나타내며, 이는 각 반응가스의 주입사이에 퍼지가스에 의한 잔류가스 제거단계가 포함된 것을 나타낸다.

이와 같이 각각의 반응가스들이 한차례씩 공급되는 시간은 T사이클로 표시되며, 전체 증착공정은 이러한 T사이클의 반복에 의해서 이루어진다.

본 발명에 의한 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착공정의 메카니즘을 설명하면 다음과 같다.

하나의 예로서, 기판상에 TiN 박막을 증착하고자 하는 경우, 종래에는 Ti을 내포하는 여러 금속유기물 소오스{예를들면, 테트라키스 디메칠아미도 티타늄(Tetrakis Di-Methyl Amido Titanium), 테트라키스 디에칠아미도 티타늄(Tetrakis Di-Ethyl Amido Titanium 등)}중 하나를 반응물로 사용한 화학적 기상증착방법을 주로 사용하고 있으나 탄소 오염에 의해서 막특성이 나쁘고, 이를 개선하기 위해서 암모니아(NH₃) 가스를 병용하면 금속유기물과의 기상반응에 의해서 입자오염이 발생하는 문제점이 있다.

이러한 공정상의 문제점을 개선하기 위해서 본 발명에 따른 반응가스의 시분할 주입방식에 의한 박막증착방법을 사용할 수 있다.

반응가스로서 Ti-유기물 소오스와 NH₃을 사용하여 TiN 박막을 증착한다면, 먼저 반응실내로 Ti-유기물 소오스를 적당시간 공급하고, 연이어 잔류가스배출용 퍼지가스를 적당시간 공급하여 잔류하는 반응가스를 완전히 씻어내고 다시 NH₃가스를 적당시간 공급시킨다.

이러한 과정을 하나의 증착공정 사이클로 나타낼 수 있으며, 이러한 증착공정 사이클을 다수회 반복수행하므로써 목표로 하는 두께의 TiN 박막의 증착이 수행된다.

이러한 증착공정 사이클내에서 이루어지는 증착공정의 메카니즘은 제8(a)도에 도시된 바와 같다.

즉, 반응가스 중 NH₃는 기체이지만 Ti-유기물 소오스는 상온에서 액체이므로 공정에 사용하기 위해서는 적당한 증기압을 얻을 수 있는 온도로 가열하여 발생되는 Ti-유기물의 증기를 운반가스와 함께 반응실로 공급한다.

그러므로 공정온도는 최소한 이러한 증기가 응축될 수 있는 온도보다는 높아야 하며, TiN박막의 증착은 Ti-유기물과 NH₃가스간의 반응에 의해서 이루어지므로 당연히 공정온도는 이들간의 반응온도보다 높아야 한다.

Ti-유기물은 어떤 온도이상에서는 열분해되면서 기판에 증착되는데, 예로서 TEMAT(Tetrakis Di-Ethyl Amido Titanium)의 경우는 250℃ 부근에서 열분해됨에 따라 반응물을 시분할 주입하여 증착하는 메카니즘은, 제8(a)도에서 볼 수 있듯이, 크게 두가지로 구별된다.

첫째, 화학흡착(Chemisorption)에 의하여 분자 한층씩 증착하는 경우로서, 공정온도가 Ti-유기물의 열분해온도 이하일 때는 Ti-유기물은 분해되지 않고 단지 기판표면에 화학적 흡착상태로 존재하게 되고 잔류가스는 배기되며, 그 다음에 유입되는 NH₃가스와 기판표면에 흡착된 Ti-유기물간에 반응이 일어나면서 TiN이 증착되게 된다.

이러한 화학흡착에 의한 증착메카니즘은 화학흡착이 기판에 분자 한층덮힘(Monolayer Coverage)에 의해서 포화(Saturation)되는 특징 때문에 제8(b)도에서와 같이 가스의 주입시간의 증가에 무관하게 증착두께는 일정하게 유지되므로 이 경우의 최종 증착막의 두께는 공정사이클의 횟수에 의해서 제어된다.

둘째, 열분해에 의하여 적당 두께씩 증착하는 경우로서 공정온도가 Ti-유기물의 열분해온도 이상일 때는 Ti-유기물은 분해되어 기판 표면에 증착막을 형성하게 되고 잔류가스는 배기되며, 그 다음에 유입되는 NH₃가스와 표면상의 증착막간에 반응이 일어나면서 TiN이 증착되게 된다.

이러한 열분해에 의한 증착메카니즘은 제8(c)도에 도시된 바와 같이, 반응가스가 기판에 공급되는 시간에 정비례하여 계속적으로 증착이 일어나므로 증착두께는 반응가스의 주입시간에 비례하는 특징이 있으며, 이 경우의 최종 증착막의 두께는 공정사이클에서의 반응가스 주입시간과 반복 횟수에 의해서 제어된다.

이와 같은 반응메카니즘을 갖는 시분할 주입방식에 의한 박막증착방법에서 반응가스간의 반응온도가 금속유기물의 열분해온도보다 높거나 비슷한 경우에는 화학흡착 메카니즘에 의한 증착이 어려워지게 되는 데, 이를 개선하기 위해서는 자외선(UV) 조사방법을 이용한 화학반응의 활성화 방법을 사용한다.

예로서, Al 혹은 Cu 박막을 증착하고자 할 때 각각의 금속유기물 소오스와 수소를 반응가스로 선정할 수 있는데, 이 경우에 각각의 유기물소오스의 열분해온도와 수소와의 반응온도는 비슷하기 때문에 제8(a)도에 나타낸 화학흡착에 의한 증착공정영역(A-영역)이 좁아서 공정상에 어려움이 발생할 수 있다.

이 경우에는 제4(a)도 및 제5도에 도시된 바와 같이, 수소가스를 반응실로 공급할 때 반응기(1)상단부에 설치된 자외선 램프(8)로부터 기판(3)표면에 자외선이 조사되도록 하므로써 기판표면에 화학흡착된 금속유기물 소오스와 수소가스의 반응온도를 낮출 수 있어서 충분한 공정영역을 확보할 수 있다.

이와 같은 금속유기물의 공급시에 기판에 대한 자외선의 조사는 반응가스의 공급주기와 연동되어 이루어지도록 제어하여 기판에 대한 자외선의 조사시 금속유기물 소오스의 열분해 온도를 낮추는 역작용이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 상기 자외선 램프(8)와 기판사이에 설치된 셔터(7)가 상기 자외선 램프(8)가 켜져 있는 상태에서 가스주입의 주기와 연동되면서 개방되도록 하는 것이 이 자외선 조사효과를 극대화하고 증착공정시간을 단축하는 방법이 된다.

제9도는 상기의 방법에 의한 다성분계 박막증착의 방법에 대한 설명을 도시한 것으로, 제9(a)도는 상기에 기술한 바와 같이 하나의 공정사이클에 의해서 한 성분의 박막(62)이 기판(3)위에 증착되는 과정을 나타낸 것이다.

예로서, 금속유기물 소오스를 화학흡착시키고 그 다음에 공급되는 반응가스와 표면반응하여 박막(62)이 형성되는데, 이 과정에서 표면반응을 활성화시키기 위해서 자외선램프부(8)와 셔터(7)를 활용하여 자외선(61)을 기판에 조사하는 단계가 포함될 수 있다.

제9(b)도는 상기의 과정을 각각의 성분의 박막들(62, 63)의 증착에 적용하고 이러한 증착과정을 반복하여 최종목표의 두께의 박막으로 증착한 것을 나타내고, 제9(c)도는 서로 다른 성분의 얇은 박막을 열처리하여 적절히 배합시켜 원하는 조성의 다성분계 박막(65)을 형성하는 것을 나타내는 데, 이러한 설명에서와 같이 다성분계의 박막도 각각의 성분의 박막을 순차적으로 증착하고 이를 열처리에 의해서 각 성분을 잘 섞어주면 원하는 조성의 박막(65)을 쉽게 얻을 수 있다는 것을 나타낸다.

이와 같은 본 발명에 따른 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착시스템은 반도체 및 평판표시소자 제작에서 필요로 되는 금속막, 금속산화막, 그리고 금속질화막 등과 같은 금속을 함유하는 금속계 박막들의 증착공정에 효과적으로 사용된다.

금속계 박막의 증착에는 반응가스의 공급에 필요한 적정 증기압을 얻을 수 있는 금속유기물 소오스를 사용하는 것이 일반적인데, 이러한 금속유기물 소오스들은 대개 열분해 온도가 100℃ - 600℃ 정도이고, 산화제 혹은 환원제 가스들과의 반응성이 좋으므로 본 발명에 의한 시분할 증착방법에 사용하기가 매우 적절하다.

본 발명에 의한 구체적인 실시예로서 다음과 같은 박막들의 증착공정들이 있다.

[실시예 1]

일반적으로, 확산방지용(Diffusion Barrier) 혹은 박막간의 고착력(Adhesion)을 좋게하는 접착용(Glue layer)이나 또는 반사방지용(Anti-Reflection)등으로 사용되는 TiN박막을 기판상에 증착시키고자 하는 경우에, 종래에는 Ti를 내포하는 금속유기물을 반응물로 사용한 화학적 기상증착방법을 주로 사용하고 있으나, 탄소오염에 의해서 막특성이 나쁘고 이를 개선하기 위해서 암모니아(NH₃)가스를 병용하면 입자오염이 발생하는 문제점이 있다.

이러한 공정상의 문제점을 개선하기 위해서 본 발명에 따른 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착방법을 실시하였다.

반응가스로서 Ti-유기물 소오스와 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH) 혹은 수소와 같은 환원제 가스를 시분할 주입하는 공정단계를 반복하거나, 또는 반응가스로서 Ti-유기물 소오스와 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH) 혹은 수소와 같은 환원제 가스를 시분할 주입함과 동시에 자외선 조사를 포함하는 공정단계를 반복하여 최종적으로 목표로 하는 TiN막을 증착한 결과, 반응가스간의 가스성 반응에 의한 입자오염이나 스텝커버리지특성이 나빠지는 문제를 해결할 수 있었고, 탄소오염도 줄일 수 있어 전기적 특성이 우수한 박막을 제조할 수 있었다.

또한, 상기의 증착공정에서 반응가스로 SiH₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂, SiCl₄그리고 기타의 Si-유기물 소오스중 하나를 추가로 사용함으로써 TiSiN과 같은 3성분계 박막도 쉽게 형성할 수 있었다.

[실시예 2]

금속배선재료로 가장 널리 사용되고 있는 Al, Cu, Ti등의 금속박막을 기판상에 증착시키고자 하는 경우, 종래에는 스퍼터링 공정을 주로 사용하여 왔으나, 스텝커버리지문제를 개선하기 위해서 Al을 내포한 금속유기물을 반응물로 사용하여 본 발명에 따른 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착방법을 실시하였다.

본 발명을 이용하여 Al, Cu, Ti등의 금속박막을 기판상에 증착함에 있어서, 반응가스로서 각각의 금속유기물 소오스와 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH) 그리고 수소와 같은 환원제 가스를 시분할 주입하는 공정단계를 반복실시하거나, 또는 반응가스로서 각각의 금속유기물 소오스와 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH) 그리고 수소와 같은 환원제 가스를 시분할 주입함과 동시에 표면반응을 촉진시키기 위한 자외선조사를 포함하는 공정단계를 반복 실시하여 최종적으로 목표로 하는 두께로 각각의 금속박막을 증착할 수 있다.

이와 같은 증착과정에서, Al막의 경우에 전자이동(Electromigration) 특성을 개선하기 위해서는 Cu를 적당량 함유시킬 필요가 있는 데, 이와 같이 Cu가 적당량으로 함유된 Al막을 증착시킴에 있어서, 반응가스로서 Al-유기물과 수소를 시분할 주입하여 세분된 적정두께로 Al을 증착하는 공정과, Cu-유기물과 수소를 시분할 주입하여 세분된 적정두께로 Cu를 증착하는 공정을 적정비율로 혼합하여 반복함으로써 목표로 하는 박막의 두께와 목표로 하는 조성의 Cu가 함유된 Al막을 증착할 수 있었다.

[실시예 3]

그 밖의 배선재료로는 각종 금속의 실리사이드막들이 사용되며, 이러한 실리사이드막들의 증착에도 또한 본 발명에 따른 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착방법이 효과적으로 사용될 수 있는 데, 예로서, 티타늄 실리사이드(Titanium Silicide, TiSix)의 경우에, 반응가스로 Ti, 소오스로는 Ti-유기물 소오스 혹은 TiCl₄중의 하나를 선택하고, 실리콘 소오스로는 SiH₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂, SiH₃Cl₄, SiCl₄, 그리고 기타의 Si-유기물 소오스들 중 하나를 선택하고, 이들을 각각 시분할 주입하는 공정단계를 반복하거나, 또는 이들을 각각 시분할 주입함과 동시에 자외선 조사를 포함하는 공정단계를 반복하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 티타늄 실리사이드 박막을 증착할 수 있었다.

여기서, TiSix의 조성비는 각 소오스의 주입시간비를 조절하므로써 제어된다.

[실시예 4]

커패시터 절연막으로서 산화탄탈룸(Tantalim Oxide)이나, 또는 산화인디움(Indium Oxide), 산화주석(Tin Oxide), 산화루테늄(Ruthemium Oxid), 산화이리듐(Iridium Oxide)과 같이 금속배선재로 주로 사용되는 금속산화물 박막들의 증착을 위해서 종래에는 스퍼터링 공정을 주로 사용하여 왔으나, 이 경우 스텝커버리지특성이 불량하기 때문에 이를 개선하기 위하여 본 발명에 의한 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착방법을 실시하였다.

반응가스로서 각각의 금속유기물 소오스와 산소 혹은 N₂O 혹은 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입하는 공정단계를 반복하거나, 또는 반응가스로서 각각의 금속유기물 소오스와 산소 혹은 N₂O 혹은 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입함과 동시에 자외선 조사를 포함하는 공정단계를 반복하여 최종적으로 목표로 하는 각각의 금속산화물의 박막을 증착할 수 있었다.

[실시예 5]

PZT(Pb(ZiTi)O₃) 또는 BST(Ba(Sr, Ti)O₃)등과 같은 다성분계 금속산화물인 강유전체막을 증착하는 공정에 있어서도 역시 종래의 스터퍼링이나 화학적 기상증착방법에서 문제점들을 본 발명에 의한 박막증착방법을 적용하므로써 개선할 수 있는 바, 강유전체 박막으로서 PZT 혹은 BST 등과 같은 다성분계의 금속산화물막의 증착공정에 있어서 반응가스로서 각각의 금속유기물 소오스들과 산소 혹은 N₂O 혹은 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입하는 공정단계를 순차적으로 반복하거나, 또는 반응가스로서 각각의 금속유기물 소오스들과 산소 혹은 N₂O 혹은 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입함과 동시에 자외선 조사룰 포함하는 공정단계를 순차적으로 반복하여 최종적으로 목표로 하는 두께와 각 성분의 조성을 만족하는 다성분계 금속산화물을 증착할 수 있었다.

이와 같은 본 발명을 적용하면, 반응가스들의 주입사이에 잔류가스배출용 퍼지가스가 주입됨에 따라 종래의 경우에서와 같은 반응가스주입사이에 진공배기단계가 배제되는 한편, 반응기의 내부에서 별도의 반응실이 분리구성됨에 따라 반응가스간의 스위칭간격이 짧아지고, 그 결과 박막증착시간이 현저하게 단축된다는 효과가 있다.

Claims (19)

1. 시분할 주입방식을 이용한 반도체소자의 박막증착시스템에 있어서, 가스라인(17) 및 배기라인(18)의 도입부에 설치되어 동시에 서로 상반되게 개폐조절되면서 유량제어기(21)(22)를 통과한 반응가스(11)(12)가 상기 가스라인(17) 또는 배기라인(18)을 향하여 선택적으로 흐르도록 하는 반응가스 스위칭수단(110)과; 2종류 이상의 반응가스가 적용되어 하나의 반응가스가 주입완료후 배기될 때, 가스라인(17)내로 퍼지가스를 유입시켜 반응실(6)로 유입되는 다른 반응가스가 가스라인(17)으로 역(逆)확산되지 않도록 하는 확산방지수단(120)과; 반응가스(11)가 가스라인(17)을 통하여 일정 시간동안 주입되다가 상기 반응가스 스위칭수단(110)의 스위칭작용에 의하여 배기라인(18)으로 흐를 때 상기 가스라인(17)과 반응실(6)내로 퍼지가스를 유입시켜 가스라인(17)과 반응실(6)내에 잔류하는 반응가스가 배출되도록 하는 잔류가스배출수단(130)과; 2종류 이상의 반응가스가 적용되고 각 반응가스의 유량이 서로 다를 때, 반응기(10)내로 적정 유량의 가스를 유입시켜 반응기(10)로 시분할 주입되는 총 가스유량이 항상 일정하게 유지되도록 하는 유량보정수단(140)과; 상기 배기라인(18)을 통하여 배출되는 반응가스 및 퍼지가스를 열분해시켜 안정된 상태에서 펌프쪽으로 배기되도록 하는 고온 열반응로(50)와; 상기 각 수단들의 동작을 제어하는 콘트롤러를 포함하는 반도체소자의 박막증착시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 반응가스 스위칭수단(110)은 반응기(10)로 향하는 가스라인(17)의 도입부와 펌프로 향하는 배기라인(18)의 도입부상에 설치된 상태에서 설정된 시간에 맞추어 동시에 서로 상반되게 자동 개폐조절되는 한쌍의 스위칭밸브(34)(34')로 이루어진 반도체소자의 박막증착시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 확산방지수단(120) 반응기(10)로 향하는 가스라인(17)에 연결되는 공급라인(122)과; 상기 공급라인(122)을 통하여 공급되는 확산방지용 퍼지가스(41)와; 상기 공급라인(122)의 도입부에 설치되어 상기 확산방지용 퍼지가스(41)의 유입량을 제어하는 유량제어기(24)와; 상기 공급라인(122)상의 소정 위치에 설치되어 상기 유량제어기(24)를 통과한 확산방지용 퍼지가스(41)가 각 공급라인(122)으로 균등분배되도록 하기 위하여 각 공급라인(122)의 유체흐름의 전도성이 동일하도록 조절하는 유량조절밸브(39)로 이루어진 반도체소자의 박막증착시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 잔류가스배출수단(130)은 상기 확산방지수단(120)을 구성하는 공급라인(122)에 연결되는 또 다른 공급라인(132)과; 상기 공급라인(132)을 통하여 공급되는 잔류가스배출용 퍼지가스(42)와; 상기 공급라인(132)의 도입부에 설치되어 상기 잔류가스배출용 퍼지가스(42)의 유입량을 제어하는 유량제어기(25)와; 상기 공급라인(132)으로부터 분기되어 펌프쪽으로 향하는 배기라인(18')과; 상기 공급라인(132)과 배기라인(18')상의 소정 위치에 설치된 상태에서 설정된 시간에 맞추어 동시에 서로 상반되게 자동 개폐조절되는 한쌍의 스위칭밸브(36)(36')로 이루어진 반도체소자의 박막증착시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 유량보정수단(140)은 반응기(10)로 향하는 공급라인(142)과; 상기 공급라인(142)을 통하여 공급되는 유량보정용 가스(43)와; 상기 공급라인(142)의 도입부에 설치되어 상기 유량보정용 가스(43)의 유입량을 제어하는 유량제어기(26)와; 상기 공급라인(142)으로부터 분기되어 펌프쪽으로 향하는 배기라인(18')과; 상기 공급라인(142)과 배기라인(18')상의 소정 위치에 설치된 상태에서 필요에 따라 선택적으로 개폐조절되는 한쌍의 개폐밸브(37)(37')로 이루어진 반도체소자의 박막증착시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 반응기(10)는 하우징의 내부에 별도로 마련되며, 통상의 기판이송수단의 동작과 연동되어 작동되는 승강수단(150)의 작용에 따른 상판(72)의 상·하방향이동에 의하여 개폐되는 반응실(6)과; 상기 반응실(6)의 수직상방에 해당되는 덮개(91)상에 설치되는 자외선램프부(8)와; 상기 자외선램프부(8)의 하부에 개폐가능하게 설치되어 상기 자외선램프부(8)로부터 발생되는 자외선의 조사량을 제어하는 셔터(7)를 포함하는 반도체소자의 박막증착시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 승강수단(150)은 상단이 상판(72)의 가장자리에 결합되고, 하단은 반응기(10)의 바닥면을 통하여 아랫쪽으로 돌출된 다수의 지지축(88)과; 상기 각 지지축(88)의 하부에 고정결합되며 작용힘의 인가에 따라 상하방향으로 신축되는 벨로우즈관(93)과; 상기 벨로우즈관(93)의 하부에 설치된 상태에서 외력의 인가에 따라 구동되면서 상기 벨로우즈관(93)에 작용힘을 부여하는 구동부재(166)로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체소자의 박막증착시스템.
8. 제6항에 있어서, 상기 상판(72)은 석영재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체소자의 박막증착시스템.
9. 제6항에 있어서, 상기 셔터(7)는 별도의 콘트롤러(165)의 제어에 의하여 반응가스의 시분할 주입주기와 연동되어 개방되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 박막증착시스템.
10. 기판상에 일정 두께의 박막을 증착함에 있어서, 반응가스와 퍼지가스를 서로 분리하여 시분할 주입하면서 박막을 불연속적으로 증착하는 공정을 반복실시하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 박막증착방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 반응가스들은 항상 일정한 유량으로 시분할 되어 반응기(10)로 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 박막증착방법.
12. 제10항에 있어서, 2종류 이상의 반응가스들이 적용되고, 각 반응가스들이 유량이 서로 달라 시분할 주입되는 총 유량에 변동이 생기는 경우에, 반응기(10)로 흐르는 반응가스의 총 유량이 유량보정수단(140)의 작용에 의하여 항상 일정하게 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 박막증착방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 각 반응가스가 서로 독립적으로 시분할 주입되어 기판(3)상에서 표면반응이 일어나도록 하고, 그 표면반응의 활성화를 위하여 반응가스의 시분할 주입주기와 연동하여 자외선이 기판(3)에 조사되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 박막증착방법.
14. 제10항에 있어서, 상기 반응가스로서 Ti-유기물과 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH) 그리고 수소와 같은 환원제 가스를 각각 시분할 주입하는 공정을 반복하거나, 또는 Ti-유기물과 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH) 그리고 수소와 같은 환원제 가스를 각각 시분할 주입함과 동시에 자외선조사를 포함하는 공정을 반복하는 것에 의하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 TiN박막이 증착될 수 있도록 하는 반도체소자의 박막증착방법.
15. 제10항에 있어서, 상기 반응가스로서 SiH₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂, SiH₃Cl₄, SiCl₄, 그리고 기타의 Si-유기물 소오스들 중 하나를 추가로 적용하여 각각 시분할 주입하는 공정을 반복하거나, 또는 반응가스로서 SiH₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂, SiH₃Cl₄, SiCl₄, 그리고 기타의 Si-유기물 소오스들 중 하나를 추가로 적용하여 각각 시분할 주입함과 동시에 자외선조사를 포함하는 공정을 반복하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 TiSiN박막이 증착될 수 있도록 하는 반도체소자의 박막증착방법.
16. 제10항에 있어서, 상기 반응가스로서 Ti, 소오스로는 Ti-유기물 소오스 혹은 TiCl₄중의 하나를 선택하고, 실리콘 소오스로는 SiH₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂, SiH₃Cl₄, SiCl₄, 그리고 기타의 Si-유기물 소오스들 중 하나를 선택하고, 이들을 각각 시분할 주입하는 공정을 반복하거나, 또는 이들을 각각 시분할 주입함과 동시에 자외선조사를 포함하는 공정을 반복하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 티타늄 실리사이드박막(TiSix)이 증착될 수 있도록 하는 반도체소자의 박막증착방법.
17. 제10항에 있어서, 상기 반응가스로서 Al이나 Cu 또는 Ti의 금속유기물 소오스와 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH), 그리고 수소와 같은 환원제 가스를 시분할 주입하는 공정을 반복하거나, 또는 Al이나 Cu 또는 Ti의 금속유기물 소오스와 암모니아(NH₃)가스, 메틸하이드리진(MH), 그리고 수소와 같은 환원제 가스를 시분할 주입함과 동시에 표면반응을 촉진시키기 위한 자외선 조사를 포함하는 공정을 반복하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 Al이나 Cu 또는 Ti의 금속박막이 증착될 수 있도록 하는 반도체소자의 박막증착방법.
18. 제10항에 있어서, 상기 반응가스로서 산화탄탈룸이나 산화인디움 또는 산화주석이나 산화루테늄 또는 산화이리듐의 금속유기물 소오스와, 산소 또는 N₂O 또는 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입하는 공정을 반복하거나, 또는 산화탄탈룸이나 산화인디움 또는 산화주석이나 산화루테늄 또는 산화이리듐의 금속유기물 소오스와, 산소 또는 N₂O 또는 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입함과 동시에 표면반응을 촉진시키기 위한 자외선 조사를 포함하는 공정을 반복하여 최종적으로 목표로 하는 두께의 산화탄탈룸이나 산화인디움 또는 산화주석이나 산화루테늄 또는 산화이리듐의 금속산화물 박막이 증착될 수 있도록 하는 반도체소자의 박막증착방법.
19. 제10항에 있어서, 상기 반응가스로서 PZT 또는 BST의 금속유기물 소오스들과, 산소 또는 N₂O 또는 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입하는 공정을 순차적으로 반복하거나, 또는 PZT 또는 BST의 금속유기물 소오스들과, 산소 또는 N₂O 또는 오존과 같은 산화제 가스를 시분할 주입함과 동시에 표면반응을 촉진시키기 위한 자외선 조사를 포함하는 공정을 순차적으로 반복하여 최종적으로 목표로 하는 두께와 각 성분의 조성을 만족하는 다성분계 금속산화물인 강유전체박막이 증착될 수 있도록 하는 반도체소자의 박막증착방법.