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KR100319880B1 - 원자층 증착법을 이용한 박막 제조방법 - Google Patents

원자층 증착법을 이용한 박막 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 박막 제조 방법은 챔버에 로딩된 기판 상에 제1 반응물을 화학흡착시킨후, 상기 챔버에 가스를 퍼지하거나 펌핑하여 상기 화학흡착된 제1 반응물 상에 물리 흡착된 제1 반응물을 1차로 제거한다. 상기 물리흡착된 제1 반응물을 1차로 제거한 후 다시 상기 챔버를 퍼지하거나 펌핑하여 화학흡착된 제1 반응물 상에 물리흡착된 제1 반응물을 2차로 제거한다. 상기 챔버에 제2 반응물을 주입하여 상기 제1 반응물 상에 제2 반응물을 화학흡착시켜 상기 제1 반응물과 제2 반응물의 화학치환에 의하여 원자층 단위의 고체 박막을 형성한다. 이상과 같은 본 발명은 물리증착된 반응물을 2차에 걸쳐 잘 제거할 수 있어 기판 내에 증착되는 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있다.

Description

원자층 증착법을 이용한 박막 제조 방법{Method for manufacturing thin film using atomic layer deposition}
본 발명은 박막 제조 방법에 관한 것으로, 특히 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition: 이하, 'ALD법'이라함)에 의한 박막 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 박막(thin film)은 반도체 소자의 유전체(dielectrics), 액정표시소자(liquid-crystal display)의 투명한 도전체(transparant conductor) 및 전자 발광 박막 표시 소자(electroluminescent thin film display)의 보호층(protective layer) 등으로 다양하게 사용된다. 상기 박막은 증기법(evaporation method), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), ALD법 등에 의하여 형성된다.
이중에서, 상기 ALD법은 챔버에 반응물을 주입하는 펄싱 공정과 물리흡착된반응물을 제거하는 공정을 포함한다. 그런데, 종래의 ALD법은 챔버에서 물리흡착된 반응물을 잘 제거하지 않아 기판 상에 증착되는 박막의 균일도가 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원자층 증착법으로 형성된 박막의 균일도를 증가시킬 수 있는 박막 제조 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 원자층 증착법을 이용한 본 발명의 박막 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명 및 종래의 박막 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 산화막의 펌핑 시간에 따른 두께 및 균일도를 도시한 그래프이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 박막 제조 방법은 기판이 로딩된 챔버에 제1 반응물을 주입하여 상기 기판 상에 상기 제1 반응물을 화학흡착시키는 단계와, (나) 상기 챔버에 가스를 퍼지하거나 펌핑하여 상기 화학흡착된 제1 반응물 상에 물리 흡착된 제1 반응물을 1차로 제거하는 단계와, 상기 물리흡착된 제1 반응물을 1차로 제거한 후 다시 상기 챔버를 퍼지하거나 펌핑하여 화학흡착된 제1 반응물 상에 물리흡착된 제1 반응물을 2차로 제거하는 단계와, 상기 챔버에 제2 반응물을 주입하여 상기 제1 반응물 상에 제2 반응물을 화학흡착시킴으로써 상기 제1 반응물과 제2 반응물의 화학치환에 의하여 원자층 단위의 고체 박막을 형성한다.
상기 제2 반응물을 주입하는 단계 후 상기 챔버에 가스를 퍼지한 후 다시 펌핑하거나 상기 챔버를 펌핑한 후 다시 퍼지하는여 상기 물리 흡착된 제2 반응물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 고체박막은 단원자 박막, 단원자 산화물, 복합 산화물, 단원자 질화물 및 복합 질화물로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나 일수 있다.
이상과 같은 본 발명의 박막 제조 방법은 반응물을 챔버에 주입한 후 가스 퍼지 및 펌핑으로 물리증착된 반응물을 2차에 걸쳐 잘 제거할 수 있어 기판 내에 증착되는 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 원자층 증착법을 이용한 본 발명의 박막 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
구체적으로, 챔버에 기판, 예컨대 실리콘 기판을 로딩시킨후, 챔버를 150∼375℃의 공정 온도로 유지한다(스텝 100). 이어서, 기판이 로딩된 챔버에 제1 반응물, 예컨대 예컨대 트리 메틸 알루미늄(Al(CH3)3: TMA)을 주입하여 기판의 표면에 제1 반응물을 화학흡착 및 물리흡착시킨다(스텝 105). 상기 기판의 표면은 본딩 에너지가 커 제1 반응물이 화학흡착되며, 상기 화학흡착된 제1 반응물 상에는 본딩 에너지가 작아 제1 반응물이 물리흡착된다.
다음에, 상기 화학흡착 및 물리흡착된 제1 반응물이 형성된 챔버를 가스, 예컨대 질소 가스로 퍼지하여 상기 물리흡착된 제1 반응물을 제거한다(스텝 110). 그런데, 상기 가스를 이용하여 챔버를 퍼지하면 챔버 내에서 퍼지가 많이 되는 부분은 화학흡착된 제1 반응물도 제거되어 고체 박막의 균일도가 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 퍼지가 제대로 되지 않는 부분은 물리흡착된 제1 반응물이 남아 있어 후속 공정에서 고체 박막의 조성이 불균일해진다. 이에 따라, 본 발명은 챔버를 가스를 이용하여 퍼지한 후, 상기 챔버를 다시 펌핑하여 본딩 에너지가 커서 화학흡착된 제1 반응물은 그대로 두면서 본딩 에너지가 작아 물리흡착된 제1 반응물은 완벽하게 제거한다(스텝 115).
본 실시예에서는 상기 물리흡착된 제1 반응물을 가스 퍼지후 펌핑하는 것으로 설명하였으나, 챔버를 펌핑한 후 가스 퍼지할 수 도 있으며, 이렇게 하더라도 그 효과는 동일하다.
다음에, 물리 흡착된 제1 반응물을 완벽하게 제거한 후 챔버에 제2 반응물, 예컨대 순수를 주입하여 화학흡착 및 물리흡착시킨다 (스텝 120). 상기 제2 반응물도 제1 반응물과 마찬가지로 상기 제1 반응물이 화학흡착되어 있는 기판의 표면에 흡착되어 있는 것은 화학흡착되어 있는 것이며, 상기 화학흡착된 제2 반응물 상에 흡착된 제2 반응물은 물리흡착되어 있는 것이다. 이렇게 되면, 상기 화학흡착된 제1 반응물과 제2 반응물은 화학치환방법에 의하여 원자층 단위의 단일층(monolayer)을 형성하게 된다. 본 실시예에서는 화학흡착된 제1 반응물과 제2 반응물은 화학치환방법에 의하여 원자층 단위의 알루미늄 산화층 형성된다.
다음에, 상기 화학흡착 및 물리흡착된 제2 반응물이 형성된 챔버를 가스, 예컨대 질소 가스로 퍼지하여 상기 물리흡착된 제2 반응물을 제거한다(스텝 125). 그런데, 상기 가스를 이용하여 챔버를 퍼지하면 챔버 내에서 상술한 바와 같기 퍼지가 많이 되는 부분과 퍼지가 제대로 되지 않는 부분이 있어 물리흡착된 제1 반응물을 완벽하게 제거하지 못하게 된다. 이에 따라, 본 발명은 챔버를 가스로 퍼지한 후, 상기 챔버를 다시 펌핑하여 본딩 에너지가 커서 화학흡착된 제1 반응물은 그대로 두면서 본딩 에너지가 작아 물리흡착된 제1 반응물은 완벽하게 제거한다 (스텝 130).
본 실시예에서는 상기 물리흡착된 제2 반응물을 가스 퍼지후 펌핑하는 것으로 설명하였으나, 챔버를 펌핑한 후 가스 퍼지할 수 도 있으며, 이렇게 하더라도 그 효과는 동일하다.
이후에, 상기한 바와 같은 원자층 크기의 박막을 형성하는 단계, 즉 제1 반응물 주입 단계(스텝 105)부터 펌핑하여 물리흡착된 제2 반응물 제거 단계(스텝 130)까지를 주기적(cycle)으로 반복 수행하여 적정 두께, 예컨대 10Å 내지 1000Å 정도의 박막이 형성되었는지를 확인한다 (스텝 135). 적정 두께가 되면 상기 사이클을 반복하지 않고 챔버의 공정온도와 공정압력을 상온 및 상압으로 유지함으로써 박막 제조 과정을 완료한다(스텝 140).
본 실시예에서, 제1 반응물 및 제2 반응물을 각각 트리 메틸 알루미늄(Al(CH3)3: TMA) 및 순수를 이용하여 알루미늄 산화막(Al2O3)을 형성하였으나, 상기 알루미늄 산화막외에 단원자의 고체박막, 단원자 산화물, 복합 산화물, 단원자 질화물 또는 복합 질화물을 형성할 수 있다. 상기 단원자 박막의 예로는 Mo, Al, Cu, Pt, Ir, W 또는 Ag 등을 들 수 있고, 상기 단원자 산화물의 예로는 Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Nb2O5, RuO3,SiO2, In2O3, RuO2또는 IrO2등을 들 수 있고, 상기 복합 산화물의 예로는 SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb.La)(Zr,Ti)O3, (Sr,Ca)RuO3, Sn이 도핑된 In2O3, Fe가 도핑된 In2O3또는 Zr이 도핑된 In2O3등을 들 수 있다. 그리고, 상기 단원자 질화물의 예로는 SiN, NbN, ZrN, TiN, TaN, Ya3N5, AlN, GaN, WN 또는 BN 등을 들 수 있고, 상기 복합 질화물의 예로는 WBN, WSiN, TiSiN, TaSiN, AlSiN 또는 AlTiN 등을 들 수 있다.
도 2는 본 발명 및 종래의 박막 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 산화막의 펌핑 시간에 따른 두께 및 균일도를 도시한 그래프이다.
구체적으로, 도 2에 도시된 종래의 박막 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 산화막은 단순히 가스 퍼지한 샘플이며, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 알루미늄 산화막은 가스 퍼지 후 5∼30초 펌핑한 샘플이다. 도 2에서, a는 두께를 나타내며, b는 균일도(uniformity)를 나타낸다. 그리고, 하기 표 1는 도 2의 기초 데이터를 나타내며, 기판(웨이퍼) 플랫존을 기준으로 한 기판의 두께를 나타낸다.
표 1
기판 상부 두께(Å) 기판 중앙 두께(Å) 기판 하부 두께(Å) 기판 좌측 두께(Å) 기판 우측 두께(Å) 평균(Å) 균일도(%)
종래방법 52.79 50.81 64.57 53.90 53.97 53.48 12.98
5초펌핑 48.35 47.57 55.27 48.95 49.36 49.09 7.52
10초펌핑 46.40 45.95 49.77 46.28 47.01 46.73 4.09
20초펌핑 44.76 44.97 47.92 45.52 45.59 45.47 3.47
30초펌핑 43.33 43.89 46.85 43.61 44.11 44.19 3.99
도 2 및 표 1로부터 알수 있듯이 종래 방법에 의하여 형성된 박막은 기판 하부 두께가 많이 두꺼워 균일도가 불량하다. 이에 반하여, 본 발명에 의하여 형성된 박막은 기판 하부 두께를 포함하여 전체적으로 두께가 균일하여 균일도가 향상된 것을 알 수 있다. 그리고, 본 발명에 의하여 형성된 박막은 펌핑 시간이 증가함에 따라 증착 두께가 일정해짐을 알 수 있고, 이와 더블어 균일도도 일정해짐을 알 수 있다.
이상, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식으로 그 변형이나 개량이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 박막 제조 방법은 반응물을 챔버에 주입한 후 가스 퍼지 및 펌핑으로 물리증착된 반응물을 2차에 걸쳐 잘 제거할 수 있어 기판 내에 증착되는 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. (가) 기판이 로딩된 챔버에 제1 반응물을 주입하여 상기 기판 상에 상기 제1 반응물을 화학흡착시키는 단계;
    (나) 상기 챔버에 가스를 퍼지하거나 펌핑하여 상기 화학흡착된 제1 반응물 상에 물리 흡착된 제1 반응물을 1차로 제거하는 단계;
    (다) 상기 물리흡착된 제1 반응물을 1차로 제거한 후 다시 상기 챔버를 퍼지하거나 펌핑하여 화학흡착된 제1 반응물 상에 물리흡착된 제1 반응물을 2차로 제거하는 단계; 및
    (라) 상기 챔버에 제2 반응물을 주입하여 상기 제1 반응물 상에 제2 반응물을 화학흡착시키는 상기 제1 반응물과 제2 반응물의 화학치환에 의하여 원자층 단위의 고체 박막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 반응물을 주입하는 단계 후,
    상기 챔버에 가스를 퍼지한 후 다시 펌핑하거나 상기 챔버를 펌핑한 후 다시퍼지하여 상기 물리 흡착된 제2 반응물을 제거하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고체박막은 단원자 박막, 단원자 산화물, 복합 산화물, 단원자 질화물 및 복합 질화물로 이루어진 일군에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
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