KR100230182B1 - A thin film deposition system of semiconductor device and depositing process - Google Patents
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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.The present invention relates to a thin film deposition system and a thin film deposition method of a semiconductor device, in a thin film deposition system of a semiconductor device using a time-division injection method, is installed in the introduction of the gas line and the exhaust line at the same time mutually opposite opening and closing control Reactive gas switching means for selectively flowing toward the reaction gas or gas line or exhaust line passing through the flow controller, and when two or more kinds of reactive gases are applied, when one reaction gas is exhausted after completion of injection, Diffusion preventing means for introducing a gas into the gas line so that other reaction gas flowing into the reaction chamber is not diffused into the gas line, and the reaction gas is injected through the gas line for a predetermined time before switching of the reaction gas switching means. When purge gas flows into the gas line and the reaction chamber when it flows to the exhaust line Residual gas discharge means for discharging the reactive gas remaining in the gas line and the reaction chamber, and when two or more kinds of reactive gas are applied and the flow rate of each reaction gas is different, a gas having a proper flow rate is introduced into the reactor. And a flow rate correction means for maintaining the total gas flow rate time-injected at all times, and a high temperature thermal reactor for pyrolyzing the reaction gas and the purge gas discharged through the exhaust line and exhausting the gas toward the pump in a stable state. The reaction gas is injected as in the conventional case by repeating the process in which the thin film is discontinuously deposited while the reaction gas and the purge gas for residual gas discharge are separated from each other and time-divided. Vacuum evacuation step can be eliminated between the reactor and reactor To ensure that the switching time of the reaction gas is reduced to one so that they can be remarkably shortened film deposition time.
Description
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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film deposition system and a thin film deposition method of a semiconductor device. In particular, metal-based thin films, such as metal films, metal oxide films, and metal nitride films, which are required for semiconductor and flat panel display device fabrication, are characterized in that The present invention relates to a thin film deposition system and a thin film deposition method of a semiconductor device that can be deposited by a time-division injection method in a separated state to shorten the switching time and the thin film deposition time of the reaction gas.
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.In order to deposit a thin film on a substrate (wafer) in the manufacturing process of a semiconductor device, a sputtering process, which is a physical vapor deposition method, has been used a lot. However, when there is a step on the surface of the substrate, step coverage during deposition by sputtering Due to the limitation of use due to poor properties, a chemical vapor deposition system using a metal organic precursor (Metal Organic Precursor) has recently been developed and used.
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.In the conventional chemical vapor deposition system 1, as shown in FIG. 1 (a), the reactor 10 and each of the reaction gases 11 and 12 including the carrier gas include the reactor 10. The gas line 17 to be supplied to) and the flow rate and composition at the initial time when the reaction gas 11 is supplied, so that the pump can be bypassed for a predetermined time before being supplied to the reactor 10. An exhaust line 18 and a flow controller 21 and 22 installed at an inlet of the gas line 17 to control the amount of each reaction gas 11 and 12 flowing into the gas line 17; Vaporizer for maintaining the vaporized liquid or solid reactant source at an appropriate temperature in a state where it is installed at a predetermined position on the gas line 17 to vaporize the vapor and supplying the vapor to the reactor by a carrier gas. 16, on the gas line 17 and the exhaust line 18; It consists of valves 31, 32, 32 'are installed at a predetermined position of, the reactor 10 is provided with a gas shower head (4) to obtain a uniform flow of the reaction gas.
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.On the other hand, in the conventional chemical vapor deposition system 1 having the above-described configuration, as shown in FIG. 1 (b), each of the reaction gases 11 and 12 has the flow controllers 21 and 22 and As it is fed into the reactor 10 continuously and simultaneously through the gas line 17, thin film deposition is continuously performed from the start point to the end point of the process.
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.However, in the case of depositing a thin film on the substrate 3 using the conventional chemical vapor deposition system 1, all the reaction gases 11 and 12 are present in the reactor 10 at the same time. 11) There is a problem that the gas phase reaction between the (12) is caused to generate particle contamination and poor step coverage characteristics.
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.In addition, since metal organic matter is used as a reactant, carbon contamination is inevitably introduced into the thin film during the continuous deposition process. During the deposition of the multi-component thin film, the flow rate of the reactants containing each component is continuously controlled and injected into the reactor. Since each of the reactants must be reacted at the same time, there is a problem that it is very difficult to control the composition of the thin film.
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.In addition, in the conventional chemical vapor deposition system 1, a gas shower head 4 is installed on the upper portion of the reactor 10 to ensure uniformity of the deposited thin film, and is formed on the gas shower head 4. In addition, the design of the gas outlet is very difficult, and when the gas outlet is gradually clogged during the deposition process, there is a problem in that it adversely affects the reproducibility of the process and the uniformity of the thin film.
상기의 문제점들을 해결하기 위해서는 반응가스들을 연속적으로 공급하지 않고 시분할 주입하는 것이 효과적인 것으로 알려짐에 따라 반응가스의 시분할 주입방식에 의한 화학적 기상증착시스템이 제안되었다.In order to solve the above problems, it is known that time division injection without effective supply of reaction gases is effective. Therefore, a chemical vapor deposition system using a time division injection method of a reaction gas has been proposed.
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.In the chemical vapor deposition system 1 ′ according to the time-divided injection method of the reaction gas, as shown in FIG. 2 (a), the gas line 17 between the flow controllers 21 and 22 and the reactor 10 is shown. And flow through the flow controllers 21 and 22 by controlling the valves 33, 33 ', 34 and 34' installed on the exhaust line 18 branching from the gas line 17. The reaction gases 11 and 12 flowing into the reactor 10 by allowing respective reactant gases 11 and 12 to selectively flow toward the reactor 10 or the pump are shown in FIG. 2 (b). Time-divided injection as described above.
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.Accordingly, each reaction gas 11 and 12 is injected into the reactor 1 in the form of pulses 11 'and 12', as shown in FIG. In order to prevent contact, a vacuum evacuation step is necessary between pulses.
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.However, in the chemical vapor deposition system 1 'by the time-divided injection method of the conventional reaction gas, since a large volume of the reactor 10 takes a long time for sufficient exhaust, the injection time interval between the reaction gases (t 2 ) Increases, resulting in a significant decrease in deposition rate.
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.In addition, the reaction gas is injected from the inlet of the inlet (19) 20 of the reactor 10 to the surface of the substrate (3), in this case, for uniform deposition, the larger the size of the substrate 3, the larger the injection distance Therefore, there is also a problem that the volume of the reactor 10 becomes larger.
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.As a result, in the conventional chemical vapor deposition system 1 'by the time-division injection method, since each component can be independently deposited when the multi-component thin film is deposited, it is useful for controlling the composition of the thin film, but the uniformity and deposition The characteristics of the basic deposition process such as speed and the like have a problem that it is very disadvantageous compared to the chemical vapor deposition system 1 by the conventional simultaneous injection method.
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.The present invention is to solve such a conventional problem, the object is to separate the reaction gas and purge gas time-divided injection, and to provide a separate reaction chamber in the reactor switching of the reaction gas injected into the reaction chamber It is to provide a thin film deposition system of a new type of semiconductor device that can significantly shorten the thin film deposition time by reducing the time.
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.Another object of the present invention is to provide a thin film deposition method of a semiconductor device of a new method that allows the process of discontinuous deposition of a thin film while time-division injection of a reaction gas and a purge gas are separated from each other.
제1(a)도는 종래의 반도체소자의 박막증착공정에 사용되는 화학적 기상증착시스템을 나타내는 구성도.1 (a) is a block diagram showing a chemical vapor deposition system used in a thin film deposition process of a conventional semiconductor device.
제1(b)도는 상기 제1(a)도의 화학적 기상증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.1 (b) is an explanatory view of a thin film deposition process using the chemical vapor deposition system of the first (a).
제2(a)도는 종래의 반도체소자의 박막증착공정에 사용되는 시분할 주입방식의 화학적 기상증착시스템을 나타내는 구성도.2 (a) is a block diagram showing a chemical vapor deposition system of a time-division injection method used in a thin film deposition process of a conventional semiconductor device.
제2(b)도는 상기 제2(a)도의 화학적 기상증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.FIG. 2 (b) is an explanatory diagram of a thin film deposition process using the chemical vapor deposition system of FIG. 2 (a).
제3(a)도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템을 나타내는 구성도.3 (a) is a block diagram showing a thin film deposition system of a semiconductor device according to the present invention.
제3(b)도는 제3(a)도의 박막증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.FIG. 3 (b) is an explanatory diagram of a thin film deposition process using the thin film deposition system of FIG. 3 (a).
제4(a)도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템의 다른 예를 나타내는 구성도.4 (a) is a block diagram showing another example of a thin film deposition system of a semiconductor device according to the present invention.
제4(b)도는 제4(a)도의 박막증착시스템을 이용한 박막증착공정의 설명도.4 (b) is an explanatory diagram of a thin film deposition process using the thin film deposition system of FIG. 4 (a).
제5도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템에 적용되는 반응기의 전단면 사시도.5 is a front perspective view of a reactor applied to a thin film deposition system of a semiconductor device according to the present invention.
제6도는 본 발명에 따른 반도체소자의 박막증착시스템에 적용된 반응기의 평면도.6 is a plan view of a reactor applied to a thin film deposition system of a semiconductor device according to the present invention.
제7도는 본 발명에 따른 박막증착시스템에 적용된 반응기의 작동상태를 나타내는 단면도.7 is a cross-sectional view showing the operating state of the reactor applied to the thin film deposition system according to the present invention.
제8(a)도는 본 발명에 의한 박막증착정의 메카니즘에 대한 설명도.8 (a) is an explanatory view of the mechanism of the thin film deposition tablet according to the present invention.
제8(b)도는 제8(a)도의 메카니즘에서 화학흡착시 반응가스주입시간과 박막의 증착두께사이의 상관관계를 나타내는 그래프.FIG. 8 (b) is a graph showing the correlation between the reaction gas injection time and the deposition thickness of the thin film at the time of chemical adsorption in the mechanism of FIG. 8 (a).
제8(c)도는 제8(a)도의 메카니즘에서 열분해증착시 반응가스주입시간과 박막의 증착두께 사이의 상관관계를 나타내는 그래프.FIG. 8 (c) is a graph showing the correlation between the reaction gas injection time and the deposition thickness of the thin film during pyrolysis deposition in the mechanism of FIG. 8 (a).
제9(a)도는 본 발명에 따른 박막증착시스템을 이용하여 다성분계 금속박막을 증착할 때, 하나의 공정 사이클에 의하여 한 성분의 박막이 웨이퍼상에 증착된 것을 나타내는 단면도.Figure 9 (a) is a cross-sectional view showing that a thin film of one component is deposited on a wafer by one process cycle when depositing a multi-component metal thin film using the thin film deposition system according to the present invention.
제9(b)도는 제9(a)도에서의 과정을 각 성분의 박막의 증착에 적용하고, 이러한 증착과정을 반복하여 최종 목표로 하는 두께의 박막으로 증착한 것을 나타내는 단면도.FIG. 9 (b) is a cross-sectional view showing that the process in FIG. 9 (a) is applied to the deposition of thin films of each component, and the deposition process is repeated to deposit a thin film having a target thickness.
제9(c)도는 제9(a)도에서의 과정을 적용하여 서로 다른 성분의 얇은 박막을 열처리하여 적절히 배합시켜 원하는 조성의 다성분계 박막을 증착시킨 것을 나타내는 단면도이다.FIG. 9 (c) is a cross-sectional view showing the deposition of a multi-component thin film having a desired composition by applying the process in FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
3 : 기판(웨이퍼) 6 : 반응실3: substrate (wafer) 6: reaction chamber
7 : 셔터 8 : 자외선램프부7: shutter 8: ultraviolet lamp
10 : 반응기 11,12 : 반응가스10: reactor 11, 12: reaction gas
17 : 가스라인 18 : 배기라인17 gas line 18 exhaust line
39 : 유량조절밸브 41 : 확산방지용 퍼지가스(Purge Gas)39: flow control valve 41: diffusion prevention purge gas (Purge Gas)
42 : 잔류가스배출용 퍼지가스 50 : 고온 열반응로42: purge gas for residual gas discharge 50: high temperature thermal reactor
110 : 반응가스 스위칭수단 120 : 확산방지수단110: reaction gas switching means 120: diffusion preventing means
130 : 잔류가스배출수단 140 : 유량보정수단130: residual gas discharge means 140: flow rate correction means
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.In order to achieve the above object, the thin film deposition system of a semiconductor device according to the present invention is a thin film deposition system of a semiconductor device using a time division injection method, is installed in the inlet of the gas line and the exhaust line at the same time opening and closing control Reaction gas switching means for selectively flowing the reaction gas passing through the flow controller toward the gas line or the exhaust line, and purge gas when one reaction gas is exhausted after completion of injection, when two or more kinds of reaction gases are applied. Diffusion preventing means for introducing other reaction gas into the gas line to prevent the back diffusion of other reaction gas into the gas line, and the reaction gas is injected for a predetermined time through the gas line, and then the reaction gas switching means switches. Purge gas flows into the gas line and the reaction chamber when flowing to the exhaust line by Residual gas discharge means for discharging the reactive gas remaining in the gas line and the reaction chamber, and when two or more kinds of reactive gas are applied and the flow rates of the reaction gases are different from each other, an appropriate flow rate of gas is introduced into the reactor. Flow rate correction means to ensure that the total gas flow injected into the time-division injection furnace is constantly maintained, and a high temperature thermal reactor to pyrolyze the reaction gas and purge gas discharged through the exhaust line to be exhausted to the pump in a stable state Has
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.In order to achieve the above another object, the thin film deposition method of the semiconductor device according to the present invention is carried out by repeating the process of discontinuous deposition of the thin film while time-division injection of the reaction gas and the purge gas for residual gas discharge from each other finally It has the characteristic of depositing the thin film of target thickness.
이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어서, 제1(a)도는 제2(a)도에 도시된 종래기술의 구성요소와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하면서 설명한다.In describing the present invention, the first part (a) is described with the same reference numerals for the same parts as those of the prior art shown in the second part (a).
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.Figure 3 (a) is a block diagram showing a thin film deposition system of a semiconductor device according to the present invention when a single reaction gas is applied, Figure 4 is a thin film of the semiconductor device according to the present invention when two or more types of reaction gas is applied As a schematic diagram showing a deposition system, the thin film deposition system 100 of a semiconductor device according to the present invention is a thin film deposition system of a semiconductor device using a time-division injection method. The reaction gases 11 and 12 having passed through the flow controllers 21 and 22 in position are simultaneously controlled to be opened and closed at the same time so as to selectively flow toward the gas line 17 or the exhaust line 18. When the reactive gas switching means 110 is installed and two or more kinds of reactive gases are applied to a predetermined position above the gas line 17, when one reactive gas is exhausted after completion of injection, purge gas is discharged. Diffusion preventing means 120 is installed to prevent other reaction gas flowing into the line 17 to be introduced into the reactor 10 back to the gas line 17 is provided, the diffusion preventing means 120 When the reaction gas 11 is injected through the gas line 17 for a predetermined time above and flows to the exhaust line 18 by the switching action of the reaction gas switching means 110 and the gas line 17 and While the purge gas is introduced into the reactor 10, a residual gas discharge means 130 is installed to discharge the reaction gas remaining in the gas line 17 and the reactor 10. Meanwhile, predetermined one side of the gas line 17 is provided. When two or more kinds of reaction gases are applied to the position, and the flow rates of the reaction gases are different from each other, an appropriate flow rate of gas is introduced into the reactor 10 so that the total gas flow time-injected into the reactor 10 is constantly maintained. Flow rate correction means 140 is installed Is, it indicates that the tip has a high-temperature heat to the thermal decomposition reaction of the reaction gas and the purge gas discharged through the exhaust line 18 to exhaust into the pump in a stable state (50) of the exhaust line 18 is installed.
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.In the present invention, the reaction gas switching means 110 are simultaneously opposite each other at a set time in the state of being installed on the introduction portion of the gas line 17 toward the reactor 10 and the introduction portion of the exhaust line 18 toward the pump. It has a structure consisting of a pair of switching valves 34, 34 'is automatically opened and closed.
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.On the other hand, in the present invention, the diffusion preventing means 120 is a supply line 122 connected to the gas line 17 toward the reactor, and the diffusion preventing purge gas 41 supplied through the supply line 122. And a flow controller 24 installed at an introduction portion of the supply line 122 to control the flow rate of the diffusion preventing purge gas 41 and a predetermined position on the supply line 122. In order to ensure that the diffusion preventing purge gas (41) passed evenly to each supply line (122), the flow control valve (39) for adjusting the conductivity of the fluid flow in each supply line (122) is the same. Have
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.On the other hand, in the present invention, the residual gas discharge means 130 is another supply line 132 connected to the supply line 122 constituting the diffusion preventing means 120, and the supply line 132 A flow controller 25 installed in the inlet of the residual gas discharge purge gas 42 and the supply line 132 that controls the flow rate of the residual gas discharge purge gas 42 and the supply line A pair of exhaust lines 18 'branched from 132 and directed toward the pump, and automatically opened and closed at the same time at a set time in a state where they are installed at predetermined positions on the supply line 132 and the exhaust line 18'. It is composed of the switching valves 36 and 36 '.
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.On the other hand, in the present invention, the flow rate correction means 140 is a supply line 142 to the reactor 10, the flow rate correction gas 43 supplied through the supply line 142, and the supply line ( A flow controller 26 installed at an inlet of the flow control unit 142 to control the flow rate of the flow correction gas 43; an exhaust line 18 " branched from the supply line 142 to the pump; 142 and a pair of on / off valves 37 and 37 'which are selectively opened and closed as necessary in a state where they are installed at predetermined positions on the exhaust line 18' '.
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.On the other hand, in order to make the deposition process more efficiently in the thin film deposition system 100 by the time-division injection method of the reaction gas (11) (12) between the reaction gas (11) (12) in the reactor 10 It is desirable to minimize the volume of the reactor 10 as much as possible, as the switching between the reaction gases is carried out as quickly as possible and the contact of the reaction gases should be excluded. In addition, the substrate 3 is automatically It needs to be loaded or unloaded, and must be configured so that ultraviolet rays can be irradiated onto the substrate 3.
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.In order to satisfy such demands, the reactor 10 constituting the thin film deposition system 100 of the semiconductor device according to the present invention is operated in conjunction with the operation of a conventional substrate transfer means, as shown in FIG. A reaction chamber 6 which is opened and closed by the up and down movement of the upper plate 72 according to the action of the elevating means 150 is provided separately in the housing, and a cover corresponding to the vertical upper portion of the reaction chamber 6. An ultraviolet lamp unit 8 is provided on the 91, and a shutter 7 for controlling the irradiation amount of ultraviolet light generated from the ultraviolet lamp unit 8 is provided under the ultraviolet lamp unit 8. It is installed to open and close according to the control operation.
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.In the reactor 10, the lifting means 150 is coupled to the top of the edge of the upper plate 72, the lower end of the plurality of support shafts 88 protruding downward through the bottom surface of the reactor 10, Bellows tube 93 is fixedly coupled to the lower portion of each of the support shaft 88 and stretched in the vertical direction in accordance with the application of the action force, and in accordance with the application of an external force in the state below the bellows tube 93 It has a structure consisting of a drive member 166, such as a motor or an air cylinder to be applied to the bellows tube 93 while being driven.
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.In the structure of the reactor 10, the upper plate 72 is made of a quartz material so that ultraviolet light can be transmitted, the substrate support 76 is fixed to the center of the reaction chamber 6, the substrate support ( On the 76, a substrate lifting pin 97 is provided which is lifted by a predetermined height by a separate lifting means 150 'in conjunction with an operation of an external substrate transfer means, and an appropriate process is provided below the substrate support 76. The heater 2 for maintaining the temperature is fixedly installed by the heater support 96, while the heat transmitted from the heater 2 is prevented from being lost around the substrate support 76, and deformation by heat To prevent this, a ring 75 of quartz or other ceramic material is installed.
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.In the present invention as described above, the material of the substrate support 76 allows the heat transmitted from the heater 2 to be effectively transmitted, and graphite or SiC having high thermal conductivity in order to increase the temperature uniformity of the substrate 3. Use metal.
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.In addition, in the reactor 10 of the present invention, the reaction chamber 6 is formed to be in communication with each other and the reaction gas introduction portion 86 installed through the inside of the housing from the outside, the contact with the reaction gas introduction portion 86 One edge portion of the reaction chamber 6 corresponding to the side is formed by a line connecting the point ABCD in FIG. 6 with a first opening having a predetermined width for guiding the reaction gas into the reaction chamber 6. Is formed, and on the opposite side of the first opening (ABCD) is formed by a line connecting the point EFGH in FIG. 6 to guide the reaction gas to be discharged from the reaction chamber 6 after the process is completed. Part) and an exhaust port 82 are formed.
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.In the reactor 10 applied to the thin film deposition system according to the present invention, the flow compensation gas 43 is introduced into the reactor 10 through another gas introduction part 86 ′ installed under the reaction gas introduction part 86. And exhausted through an exhaust port 71 formed on the housing.
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.On the other hand, the thin film deposition method of the semiconductor device using the thin film deposition system of the present invention is carried out by repeating the process of discontinuous deposition of the thin film while separating the reaction gas (11) (12) and the purge gas by time-division injection To deposit a thin film of the target thickness.
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.In the thin film deposition method of the semiconductor device as described above, the reaction gases are always time-divided at a constant flow rate and maintained to flow to the reactor 10. In particular, two or more kinds of reaction gases are applied and time-divided injections are different from each other. In the case where the variation in the total flow rate occurs, the total flow rate flowing to the reactor is always kept constant by the action of the flow rate correcting means 140.
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.In the thin film deposition method of the present invention as described above, each reaction gas is time-divided and injected independently of each other to cause a surface reaction on the substrate 3, and in order to activate the surface reaction, ultraviolet rays are interlocked with the time-divided injection action of the reaction gas. It has the characteristic to irradiate the board | substrate 3.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention made as described above is as follows.
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.In the case where the substrate 3 is placed in the reaction chamber 6 provided inside the housing constituting the reactor 10, and a single component or two or more metal-based thin films are to be deposited on the surface of the substrate 3, As shown in FIG. 3 (a) and FIG. 4 (a), a single or two or more kinds of reaction gases 11 and 12 pass through the flow controllers 21 and 22 at regular time intervals. ), The reaction gas switching means 110 is operated to open the switching valve 34 on the gas line 17 toward the reactor 10 for a predetermined time, and at the same time, the switching valve toward the exhaust line 18. When 34 'is closed, each reaction gas 11 and 12 flows into the gas line 17 at a time difference.
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.As described above, each reaction gas 11 and 12 flowing into the gas line 17 flows into the reaction chamber 6 through the reaction gas introduction part 86 installed inside the housing of the reactor 10 and reacts with the reaction gas. The metal-based thin film is deposited on the surface of the substrate 3 placed in the chamber 6, and the reaction gases 11 and 12 are repeatedly introduced at a predetermined time interval on the substrate 3. A thin film of the desired thickness is deposited.
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.When the substrate 3 is to be loaded into the reaction chamber 6 of the reactor 10 in the thin film deposition process as described above, the driving member 166 constituting the lifting means 150 is driven in a predetermined direction. The upper plate 72 of the reaction chamber 6 is lifted as the bellows pipe 93 is compressed upward and the support shaft 88 coupled to the bellows pipe 93 is moved upward. In this state, the substrate 3 is loaded into the reaction chamber 6 by the action of the external substrate transfer means.
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.As such, when the substrate 3 enters the reaction chamber 6, the substrate lifting pin 97 is lifted by the action of another lifting means 150 ′ having the same function as the lifting means 150. While supporting the substrate 3 while being raised, the driving member 166 constituting the elevating means 150 is driven in the reverse direction so that the bellows tube 93 is pulled downward to support the support shaft ( 88 is lowered to cover the upper plate 72 of the reaction chamber 6 in its original state.
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.As described above, when each of the reaction gases 11 and 12 is introduced at a predetermined time interval through the reaction gas introduction portion 86 while the substrate 3 is seated in the reaction chamber 6, each reaction gas ( 11) 12 flows into the reaction chamber 6 for a predetermined time through the first opening ABCD formed at the contact portion of the reaction gas introduction portion 86 and the reaction chamber 6, and the reaction chamber 6 As the reaction occurs within the thin film is deposited on the surface of the substrate (3).
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.After the thin film deposition process is completed, the reaction gas 11 remaining in the reaction chamber 6 has a second opening EFGH provided on the opposite side of the reaction chamber 6 as shown in FIGS. 6 and 7. ) Is discharged through the exhaust port 82 and is discharged to the outside of the reactor 10 by the action of discharging the purge gas 42 for discharging the residual gas introduced into the reactor 10.
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.When the supply of each reaction gas (11) (12) for a predetermined time in the thin film deposition process as described above, the reaction gas switching means 110 is operated again to switch valve 34 installed on the gas line (17) Is closed and at the same time the switching valve 34 'installed on the exhaust line 18 is opened, and each reaction gas 11 and 12 flows to the exhaust line 18.
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.In the case where two or more kinds of reaction gases are used in the thin film deposition process according to the present invention, the reaction gas 11 flows through the gas line 17 for a predetermined time, and then, by the action of the reaction gas switching means 10. In the case of flowing toward the exhaust line 18 again, another reaction gas 12 flowing into the reaction chamber 6 is diffused backward through the gas line 17. When a predetermined amount of diffusion preventing purge gas 41 is supplied through the flow controller 24 constituting the diffusion prevention means 120 to prevent the reaction gas 12 from flowing into other reaction gas lines, the diffusion prevention purge gas 41 flows into the gas supply line 122 through the flow control valve 39.
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.In the flow control valve 39 constituting the diffusion preventing means 120, the gas passing through the flow controller 24 is supplied when the gas for preventing diffusion is supplied to a plurality of reaction gas supply lines simultaneously. It has a conductivity control function of the fluid flow so that the conductance of the fluid flow of each supply line is equally distributed to the lines.
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.On the other hand, after each reaction gas 11 and 12 is injected into the reaction chamber 6 for a predetermined time, the switching valve 34 'installed on the exhaust line 18 is opened and at the same time, the switching valve installed on the gas line ( When the 34 is closed, the reaction gases 11 and 12 flow to the pump through the exhaust line 18, but the reaction gas (6) and the reaction gas (6) in the reaction chamber (6) connected to the reaction chamber (6) 11) 12 is left, in this case, the flow controller 25, the supply line 132 and one side switching of the predetermined amount of residual gas discharge purge gas 42 constituting the residual gas discharge means 130 When the gas 36 is supplied to the reaction chamber 6 in the gas line 17 and the reactor 10 for a predetermined time through the valve 36, the reaction gas 11 remaining in the gas line 17 and the reaction chamber 6 ( 12 are discharged out of the reaction chamber 6 and the reactor 10.
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.After the time set in the residual gas discharge process, the switching valve 36 'installed on the exhaust line 18' is opened and the switching valve 36 installed on the supply line 132 is closed. Accordingly, the residual gas discharge purge gas 42 flows through the exhaust line 18 '.
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.On the other hand, when several kinds of reaction gases are used and the flow rates of the reaction gases are different from each other, there is a variation in the total gas flow rate injected into the reactor 10, and thus a pressure variation in the reactor 10 occurs. In this case, the total flow rate can be maintained at all times by correcting the proper amount of gas flow rate through the supply line 142 and the flow controller 26 constituting the flow rate correction means 140 and flowing it to the reactor 10. .
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.On the other hand, when the flow rate set value of the flow controller 26 needs to be changed or does not need to flow gas into the reactor 10, the flow controller 26 is set with the valve 37 'open and the valve 37 closed. Changing the value will not affect the reactor.
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.Meanwhile, in the thin film deposition process according to the present invention, the reaction gas and the purge gas generally include vapors vaporized from solid or liquid sources, so that they are condensed at a low temperature or reacted by mutual contact between the reaction gases. Or unreacted discharge, which can be harmful, in which case the exhaust lines 18, 18 'and 18' 'are each independently passed into the high temperature thermal reactor 50 to condense or react unreacted. The exhaust gas is exhausted toward the pump in a state in which the reactant gas is pyrolyzed by high temperature.
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.No. 3 (b) to turn a drawing this by using a film deposition system 100 of the present invention, explanatory view showing a time-divisional injection conditions of the reaction gas and the purge gas in the case of depositing a thin film on a substrate (3), the time t 0 The total flow rate of the gas flowing into the reactor 10 during the time division injection at ˜t 1 is composed of a reaction gas 56 and a small amount of the diffusion preventing purge gas 55 flowing in the gas line 17 at time t. The total flow rate of the gas flowing into the reactor 10 in the 1 to t 2 section is composed of a small amount of diffusion preventing purge gas 55 and a residual gas discharge purge gas 57 for removing residual gas, and time t 2 The total flow rate of the gas flowing into the reactor 10 in the ~ t 3 section is composed of the other reaction gas 58, a small amount of the diffusion preventing purge gas 55 and the flow rate correction gas 59.
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.As can be seen above, the flow rate correction gas 59 serves to constantly adjust the total flow rate flowing into the reactor 10 in order to prevent the process pressure change in the reactor 10.
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.Figure 4 (b) is a view showing a time-division injection state of the reaction gas and purge gas when the reaction gas of a constant flow rate always flows into the thin film deposition system 100 of the semiconductor device using the time-division injection method according to the present invention described above As shown in FIG. 8, the pulsed residual gas discharge purge gas is formed between the injections of the reaction gases 11 'and 12' indicated in the pulse form when the reaction gases 11 and 12 are always time-divided at a constant flow rate. 42 ') that is injected, indicating that a residual gas removal step by purge gas is included between injections of each reaction gas.
이와 같이 각각의 반응가스들이 한차례씩 공급되는 시간은 T사이클로 표시되며, 전체 증착공정은 이러한 T사이클의 반복에 의해서 이루어진다.As such, the time at which each reaction gas is supplied once is represented by a T cycle, and the entire deposition process is performed by repetition of the T cycle.
본 발명에 의한 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착공정의 메카니즘을 설명하면 다음과 같다.Referring to the mechanism of the thin film deposition process using a time-division injection method of the reaction gas according to the present invention.
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.As an example, when a TiN thin film is to be deposited on a substrate, conventionally, various metal organic sources containing Ti (eg, Tetrakis Di-Methyl Amido Titanium, Tetrakis Dee) The chemical vapor deposition method using one of chilamido titanium (Tetrakis Di-Ethyl Amido Titanium, etc.) is mainly used, but the film properties are poor due to carbon contamination, and ammonia (NH 3 ) gas is used together to improve it. There is a problem that particle contamination occurs by the gas phase reaction with the metal organic matter.
이러한 공정상의 문제점을 개선하기 위해서 본 발명에 따른 반응가스의 시분할 주입방식에 의한 박막증착방법을 사용할 수 있다.In order to improve this process problem, a thin film deposition method using a time division injection method of a reaction gas according to the present invention may be used.
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.When depositing a TiN thin film using Ti-organic source and NH 3 as the reaction gas, the Ti-organic source is first supplied to the reaction chamber for a suitable time, followed by supplying a purge gas for discharging residual gas for a suitable time, thereby remaining the reaction gas. Rinse thoroughly and supply NH 3 gas again for a reasonable time.
이러한 과정을 하나의 증착공정 사이클로 나타낼 수 있으며, 이러한 증착공정 사이클을 다수회 반복수행하므로써 목표로 하는 두께의 TiN 박막의 증착이 수행된다.This process can be represented as one deposition process cycle, and the deposition of the TiN thin film having a target thickness is performed by repeatedly performing this deposition process cycle.
이러한 증착공정 사이클내에서 이루어지는 증착공정의 메카니즘은 제8(a)도에 도시된 바와 같다.The mechanism of the deposition process in this deposition process cycle is as shown in Figure 8 (a).
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.That is, NH 3 is a gas in the reaction gas, but the Ti-organic source is a liquid at room temperature. Thus, for use in the process, the vapor of Ti-organism generated by heating to a temperature at which a suitable vapor pressure can be obtained is supplied to the reaction chamber together with the carrier gas. .
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.Therefore, the process temperature should be at least higher than the temperature at which these vapors can be condensed, and since the deposition of the TiN thin film is made by the reaction between Ti-organic and NH 3 gas, the process temperature should be higher than the reaction temperature between them.
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.Ti-organic material is deposited on the substrate by pyrolysis above a certain temperature. For example, in the case of TEMAT (Tetrakis Di-Ethyl Amido Titanium), pyrolysis is performed at around 250 ° C. As you can see, there are two main categories.
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.First, in the case of depositing molecules one by one by chemisorption, when the process temperature is below the pyrolysis temperature of Ti-organic, Ti-organic is not decomposed and is present in the chemical adsorption state only on the surface of the substrate, and residual gas is exhausted. Then, TiN is deposited as a reaction occurs between the incoming NH 3 gas and the Ti-organic material adsorbed on the substrate surface.
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.The deposition mechanism by chemisorption is characterized by the fact that chemisorption is saturated by the monolayer coverage of the substrate, so that the deposition thickness is independent of the increase in gas injection time as shown in FIG. 8 (b). Since it remains constant, the thickness of the final deposited film in this case is controlled by the number of process cycles.
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.Second, in case of depositing by proper thickness by pyrolysis, when the process temperature is higher than the pyrolysis temperature of Ti-organic, Ti-organic material is decomposed to form a deposited film on the surface of the substrate, and residual gas is exhausted, and then NH 3 is introduced. As the reaction occurs between the gas and the deposited film on the surface, TiN is deposited.
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.As shown in FIG. 8 (c), the deposition mechanism by pyrolysis is continuously deposited in direct proportion to the time at which the reaction gas is supplied to the substrate, so that the deposition thickness is proportional to the injection time of the reaction gas. In this case, the thickness of the final deposited film is controlled by the reaction gas injection time and the number of repetitions in the process cycle.
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.In the thin film deposition method using the time-division injection method having such a reaction mechanism, when the reaction temperature between the reaction gases is higher than or similar to the thermal decomposition temperature of the metal organic matter, the deposition by the chemical adsorption mechanism becomes difficult. UV) Use the method of activation of the chemical reaction using the irradiation method.
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.For example, when depositing an Al or Cu thin film, each metal organic source and hydrogen may be selected as reaction gases. In this case, the thermal decomposition temperature of each organic source and the reaction temperature with hydrogen are similar. Due to the narrow deposition process region (A-region) due to chemical adsorption shown in (a), difficulties may occur in the process.
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.In this case, as shown in FIGS. 4 (a) and 5, when ultraviolet gas is supplied to the reaction chamber, ultraviolet rays are irradiated onto the surface of the substrate 3 from the ultraviolet lamp 8 provided at the upper end of the reactor 1. It is possible to reduce the reaction temperature of the metal organic source and the hydrogen gas chemisorbed on the substrate surface to ensure a sufficient process area.
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.In the case of supplying the metal organic material, it is preferable that the irradiation of the ultraviolet ray to the substrate is controlled so as to be linked with the supply cycle of the reaction gas so that the adverse effect of lowering the thermal decomposition temperature of the metal organic source when the ultraviolet ray is irradiated to the substrate is generated. Do.
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.To this end, the shutter 7 installed between the ultraviolet lamp 8 and the substrate is opened in conjunction with the cycle of gas injection while the ultraviolet lamp 8 is turned on to maximize the ultraviolet irradiation effect and the deposition process time. This is a way to shorten.
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.FIG. 9 shows a description of a multi-component thin film deposition method according to the above method. FIG. 9 (a) shows that a thin film 62 of one component is formed on a substrate by one process cycle as described above. 3) shows the process deposited on.
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.As an example, a thin film 62 is formed by chemically adsorbing a metal organic source and then reacting with the supplied reaction gas. In this process, the ultraviolet lamp unit 8 and the shutter 7 are mounted to activate the surface reaction. And irradiating the substrate with ultraviolet (61) by utilizing.
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.FIG. 9 (b) shows that the above process is applied to the deposition of the thin films 62 and 63 of each component, and the above deposition process is repeated to deposit the thin film having the thickness of the final target. Heat treatment of thin thin films of different components to form a multi-component thin film 65 of a desired composition, as shown in this description. The multi-component thin films also sequentially deposit thin films of each component and heat-treat them. By mixing each component well by means that the thin film 65 of the desired composition can be easily obtained.
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.The thin film deposition system using the time-divided injection method of the reaction gas according to the present invention is effective for the deposition process of metal-based thin films containing metals such as metal film, metal oxide film, and metal nitride film which are required for semiconductor and flat panel display device fabrication. Used.
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.For the deposition of metal-based thin films, it is common to use a metal organic source that can obtain an appropriate vapor pressure for supplying a reaction gas. These metal organic sources generally have a pyrolysis temperature of about 100 ° C to 600 ° C. Because of its good reactivity, it is very suitable for use in the time-division deposition method according to the present invention.
본 발명에 의한 구체적인 실시예로서 다음과 같은 박막들의 증착공정들이 있다.Specific embodiments of the present invention include the deposition processes of the following thin films.
[실시예 1]Example 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.In general, to deposit a TiN thin film on a substrate, which is used as a glue layer or an anti-reflection, for improving diffusion barrier or adhesion between thin films. In the past, the chemical vapor deposition method using a metal organic substance containing Ti as a reactant is mainly used, but the film properties are poor due to carbon contamination, and when ammonia (NH 3 ) gas is used in combination to improve this, particle contamination occurs. There is a problem.
이러한 공정상의 문제점을 개선하기 위해서 본 발명에 따른 반응가스의 시분할 주입방식을 이용한 박막증착방법을 실시하였다.In order to improve this process problem, a thin film deposition method using a time division injection method of the reaction gas according to the present invention was performed.
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.Repeat the process step of time-division injection of a Ti-organic source and a reducing agent gas such as ammonia (NH 3 ) gas, methyl hydrazine (MH) or hydrogen as a reaction gas, or the Ti-organic source and ammonia (NH 3) as a reaction gas. Time-divided injection of a reducing agent gas such as gas, methyl hydrazine (MH) or hydrogen, and the process step including ultraviolet irradiation was repeated to finally deposit the target TiN film, resulting in a gaseous reaction between the reaction gases. Particle contamination and step coverage characteristics were deteriorated, and carbon contamination could be reduced, and thus, thin films having excellent electrical characteristics could be manufactured.
또한, 상기의 증착공정에서 반응가스로 SiH4, SiHCl3, SiH2Cl2, SiCl4그리고 기타의 Si-유기물 소오스중 하나를 추가로 사용함으로써 TiSiN과 같은 3성분계 박막도 쉽게 형성할 수 있었다.In addition, by using one of SiH 4 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , SiCl 4 and other Si-organic sources as the reaction gas in the above deposition process, a three-component thin film such as TiSiN could be easily formed.
[실시예 2]Example 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.In order to deposit a metal thin film such as Al, Cu, Ti, etc., which are most widely used as a metal wiring material, a sputtering process has been mainly used in the past, but a metal organic material containing Al is used to improve the step coverage problem. Using as a reactant was carried out a thin film deposition method using a time-division injection method of the reaction gas according to the present invention.
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.In the deposition of a metal thin film such as Al, Cu, Ti, etc. on the substrate using the present invention, each of the metal organic source and a reducing agent gas such as ammonia (NH 3 ) gas, methyl hydrazine (MH) and hydrogen as a reaction gas Time-divided injection process is repeated or time-divided injection of reductant gases such as ammonia (NH 3 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, methyl hydrazine (MH) and hydrogen as the reaction gas, and promote surface reaction. By repeating the process step including ultraviolet irradiation to make it possible to finally deposit each metal thin film to the target thickness.
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.In this deposition process, in the case of Al film, it is necessary to contain an appropriate amount of Cu in order to improve the electromigration characteristics.In this way, in depositing an Al film containing an appropriate amount of Cu, Al- is used as a reaction gas. The target thin film is mixed by repeating the process of depositing Al with an appropriate thickness subdivided by time-division injection of organic material and hydrogen and the process of depositing Cu at an appropriate rate by subdividing Cu-organic matter and hydrogen at an appropriate ratio. The Al film containing the thickness and Cu of the target composition was deposited.
[실시예 3]Example 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.As other wiring materials, silicide films of various metals are used, and a thin film deposition method using a time-division injection method of the reaction gas according to the present invention can also be effectively used for the deposition of such silicide films. For example, titanium silicide ( Titanium Silicide, TiSix), one selected from Ti as the reaction gas, Ti-organic source or TiCl 4 as the source gas, SiH 4 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , SiH 3 Cl 4 , Select one of SiCl 4 and other Si-organic sources, and repeat the process step of time-dividing them individually, or repeat the process step including time-divided injection of these, respectively, and at the same time, the final target. Titanium silicide thin film was deposited.
여기서, TiSix의 조성비는 각 소오스의 주입시간비를 조절하므로써 제어된다.Here, the composition ratio of TiSix is controlled by adjusting the injection time ratio of each source.
[실시예 4]Example 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.Metal oxides mainly used as metal wiring materials such as tantalum oxide or indium oxide, tin oxide, ruthenium oxide, and iridium oxide as capacitor insulating films Conventionally, sputtering processes have been mainly used for the deposition of thin films. In this case, since the step coverage characteristics are poor, a thin film deposition method using a time-division injection method of the reaction gas according to the present invention has been performed to improve this.
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.Repeat the process step of time-dividing each metal organic source and oxidant gas such as oxygen or N 2 O or ozone as the reaction gas, or oxidizing agent such as each metal organic source and oxygen or N 2 O or ozone as the reaction gas. In addition to time-division injection of gas, the process steps including ultraviolet irradiation were repeated to finally deposit thin films of the target metal oxides.
[실시예 5]Example 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.In the process of depositing a ferroelectric film which is a multi-component metal oxide such as PZT (Pb (ZiTi) O 3 ) or BST (Ba (Sr, Ti) O 3 ), the present invention also has problems in the conventional stuffing and chemical vapor deposition methods. It can be improved by applying the thin film deposition method by using a thin film deposition method. As a reaction gas in the deposition process of a multi-component metal oxide film such as PZT or BST as a ferroelectric thin film, each metal organic source and oxygen or N 2 O or ozone and Process step of time-divided injection of the same oxidant gas, or process step of time-divided injection of each metal organic source and oxidant gas such as oxygen or N 2 O or ozone as reaction gas and UV irradiation rule Are sequentially repeated to finally deposit a multi-component metal oxide that satisfies the target thickness and composition of each component. Could.
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.According to the present invention, as the purge gas for residual gas discharge is injected between the injection of the reaction gases, the vacuum exhaust step is excluded between the reaction gas injections as in the conventional case, and a separate reaction is performed inside the reactor. As the seal is separated, the switching interval between the reaction gases is shortened, and as a result, the thin film deposition time is remarkably shortened.
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