KR102224128B1 - 탄소 함유 박막의 증착방법 - Google Patents

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Abstract

탄소 함유 박막의 증착방법에 관한 것으로, 일실시예에 따른 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착 방법은 기판이 로딩된 챔버 내에서, 기판을 전구체에 노출시키는 단계와, 전구체에 노출된 챔버 내에서, 전구체를 퍼지 시키는 단계와, 전구체가 퍼지된 챔버 내에서, 기판을 반응 플라즈마에 노출시키는 단계 및 반응 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 반응 플라즈마를 퍼지 시키는 단계로 구성되는 증착 사이클을 포함하고, 증착 사이클은 기설정된 회수만큼 반복 수행되며, 반복 수행 과정에서 탄소 함유 플라즈마 처리를 수행하여 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절된 탄소 함유 박막을 형성한다.

Description

탄소 함유 박막의 증착방법{DEPOSITION METHOD OF CARBON THIN-FILM}
탄소 함유 박막의 증착방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절된 박막을 증착하는 기술적 사상에 관한 것이다.
탄소 박막은 높은 경도와 우수한 내구성, 높은 전도도로 인해, 다양한 분야에 적용되고 있다.
이러한 탄소 박막을 형성하기 위한 기존의 증착 공정은 박막 제조시 사용되는 전구체를 구성하는 탄소를 완전히 분해 시키지 않고 일부를 남겨서 박막 내에 탄소를 잔존하게 만드는 방식으로 박막을 형성한다.
그러나, 상술한 공정은 기체 상태에서 원료들 사이의 반응, 원료의 분해, 표면 반응과 확산, 박막의 성장 등 여러 가지 복잡한 과정이 동시에 일어나기 때문에 공정 변수의 제어가 정밀하지 않고, 이로 인해 탄소 함량에 따른 박막 특성 조절시 박막 내 탄소의 함량을 사용자가 유기적으로 조절하는데 어려움이 있으며, 이는 탄소 박막의 유전율을 조절하는데 어려움으로 작용한다.
한국등록특허 제10-1115750호, "실리콘 이산화물의 막 품질을 강화시키는 신규한 증착-플라즈마 경화 사이클 프로세스"
본 발명은 탄소 함유 박막 증착 시에 탄소 함유 플라즈마를 이용한 추가적인 플라즈마 공정을 통해 탄소 함량에 대한 비율을 용이하게 조절할 수 있는 탄소 함유 박막의 증착방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 추가적인 플라즈마 공정을 통해 박막 내 탄소 함량을 용이하게 조절함으로써, 박막의 전기적, 물리적 특성이 조절되어 최적의 박막 특성을 확보할 수 있는 탄소 함유 박막의 증착방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착 방법은 기판이 로딩된 챔버 내에서, 기판을 전구체에 노출시키는 단계와, 전구체에 노출된 챔버 내에서, 전구체를 퍼지 시키는 단계와, 전구체가 퍼지된 챔버 내에서, 기판을 반응 플라즈마에 노출시키는 단계 및 반응 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 반응 플라즈마를 퍼지 시키는 단계로 구성되는 증착 사이클을 포함하고, 증착 사이클은 기설정된 회수만큼 반복 수행되며, 반복 수행 과정에서 탄소 함유 플라즈마 처리를 수행하여 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절된 탄소 함유 박막을 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함유 플라즈마는 메탄(CH4) 가스에 기초한 플라즈마일 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함유 플라즈마는 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스 중 적어도 하나의 가스와 메탄(CH4) 가스가 혼합된 가스에 기초한 플라즈마일 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함유 플라즈마 처리는 전구체에 구비된 탄소와 탄소 함유 플라즈마가 반응하여 탄소 함량이 조절될 수 있다.
일측에 따르면, 반응 플라즈마에 노출시키는 단계는 기판을 반응 플라즈마와 탄소 함유 플라즈마에 노출시킬 수 있다.
일측에 따르면, 반응 플라즈마에 노출시키는 단계는 2n-1번째(여기서, n은 양의 정수) 증착 사이클에서 기판을 반응 플라즈마에 노출시키고, 2n번째 증착 사이클에서 기판을 반응 플라즈마와 탄소 함유 플라즈마에 노출시킬 수 있다.
일측에 따르면, 증착 사이클은 반응 플라즈마가 퍼지된 챔버 내에서, 기판을 탄소 함유 플라즈마에 노출시키는 단계 및 탄소 함유 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 탄소 함유 플라즈마를 퍼지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 기판은 규소(Si, silicon), 산화규소(SiO2, silicon oxide), 산화알루미늄(Al2O3, aluminium oxide), 산화마그네슘(MgO, magnesium oxide), 탄화규소(SiC, silicon carbide), 질화규소(SiN, silicon nitride), 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 그래파이트(graphite), 그래핀(g raphene), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리에스테르(PE, polyester), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, poly(2,6-ethylenenaphthalate)), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 플루오르폴리머(FEP, fluoropolymers) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 전구체는 일산화질소(NO), 산소(O2) 및 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 방향족 전구체일 수 있다.
일측에 따르면, 반응 플라즈마는 산소(O2), 오존(O3), 과산화수소(H2O2), 일산화질소(NO) 및 아산화질소(N2O) 중 적어도 하나에 기초한 플라즈마일 수 있다.
일측에 따르면, 증착 사이클은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 통해 수행될 수 있다.
일실시예에 따르면, 탄소 함유 박막 증착 시에 탄소 함유 플라즈마를 이용한 추가적인 플라즈마 공정을 통해 탄소 함량에 대한 비율을 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 일실시예에 따르면, 추가적인 플라즈마 공정을 통해 박막 내 탄소 함량을 용이하게 조절함으로써, 박막의 전기적, 물리적 특성이 조절되어 최적의 박막 특성을 확보할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b은 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법을 통해 형성되는 탄소 함유 박막을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법에서 원자층 증착 공정과 탄소 함유 원자층 증착 공정을 교번하여 수행하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 탄소 함유 박막 증착 시에 탄소 함유 플라즈마를 이용한 추가적인 플라즈마 공정을 통해 탄소 함량에 대한 비율을 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 추가적인 플라즈마 공정을 통해 박막 내 탄소 함량을 용이하게 조절함으로써, 박막의 전기적, 물리적 특성이 조절되어 최적의 박막 특성을 확보할 수 있다.
이를 위해, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 도 1의 110 내지 140 단계로 구성되는 증착 사이클을 기설정된 회수만큼 반복 수행할 수 있으며, 증착 사이클의 반복 수행 과정에서 탄소 함유 플라즈마 처리를 수행하여 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절된 탄소 함유 박막을 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함유 플라즈마 처리는 전구체에 구비된 탄소와 탄소 함유 플라즈마가 반응하여 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절되는 공정을 의미할 수 있다.
예를 들면, 증착 사이클은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 통해 수행될 수 있다.
원자층 증착법은 나노급 반도체 소자 제조의 필수적인 증착 기술로, 기존의 박막 증착 기술인 화학기상증착법 또는 물리기상증착법에 비해 매우 얇은 막을 정밀하게 제어할 수 있으며, 불순물 함량이 낮고 핀홀이 거의 없다는 장점이 있다. 또한 단차 피복성(step coverage, 높이 차이가 나는 부분들을 균일하게 증착하는 특성)이 우수하여 복잡한 3차원 구조에도 균일한 증착이 가능한 이점이 있다.
원자층 증착의 원리는 비활성 가스(Ar, N2 등)에 의해서 분리된 각각의 반응물(전구체)을 기판 위에 공급함에 따라 하나의 원자층이 증착되며, 원하는 두께를 증착하기 위해서 원자층이 반복적으로 증착될 수 있다.
즉, 원자층 증착법은 화학기상증착법과 같이 반응 기체가 기상 반응에 의해 박막이 증착되는 것이 아니라, 하나의 반응물이 기판 위에 화학 흡착된 후 제2 또는 제3의 기체가 들어와 기판 위에서 다시 화학 흡착이 일어나면서 박막이 형성될 수 있다.
결론적으로, 본 발명은 원자층 증착법을 이용함으로써, 원자층 두께로 형성되어 단차피복성을 향상시키고 치밀한 막을 갖는 탄소 함유 박막을 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함유 플라즈마는 메탄(CH4) 가스에 기초한 플라즈마 일 수 있다. 또한, 탄소 함유 플라즈마는 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스 중 적어도 하나의 가스와 메탄(CH4) 가스가 혼합된 가스에 기초한 플라즈마일 수도 있다.
예를 들면, 혼합된 가스는 메탄(CH4) 가스와 아르곤(Ar) 가스가 1:9의 비율로 혼합된 가스일 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 탄소 함유 플라즈마는 탄소가 함유된 메탄(CH4) 플라즈마, 메탄(CH4)-아르곤(Ar) 플라즈마 및 메탄(CH4)-수소(H2) 플라즈마 중 적어도 하나의 플라즈마일 수 있다.
구체적으로, 110 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 기판이 로딩된 챔버 내에서, 기판을 전구체에 노출시킬 수 있다.
다시 말해, 110 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 기판 표면에 전구체를 흡착시킬 수 있다.
예를 들면, 기판은 규소(Si, silicon), 산화규소(SiO2, silicon oxide), 산화알루미늄(Al2O3, aluminium oxide), 산화마그네슘(MgO, magnesium oxide), 탄화규소(SiC, silicon carbide), 질화규소(SiN, silicon nitride), 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 그래파이트(graphite), 그래핀(g raphene), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리에스테르(PE, polyester), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, poly(2,6-ethylenenaphthalate)), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 플루오르폴리머(FEP, fluoropolymers) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 전구체는 일산화질소(NO), 산소(O2) 및 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 방향족 전구체일 수도 있다.
다시 말해, 전구체는 탄소원으로서 방향족 전구체를 사용할 수 있으며, 방향족 전구체는 파이-겹침 상호작용(pi-stacking interaction)을 할 수 있는 아로마틱(aromatic) 구조의 전구체일 수 있다.
보다 구체적으로, 파이-겹침 상호작용을 할 수 있는 아로마틱구조인 방향족 전구체는 벤젠, 톨루엔, 시멘, 트리메틸벤젠, 테트라메틸벤젠, 에틸벤젠, 프로필벤젠, 부틸벤젠, 이소프로필벤젠, 이소부틸벤젠, 에틸메틸벤젠, 디에틸벤젠등의 알킬벤젠화합물, 스티렌, 알릴벤젠 등의 알켄벤젠 화합물 또는 페닐아세틸렌 등의 아세틸렌기를 포함한 알킨벤젠화합물 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 방향족 전구체는 질소 화합물을 포함할 수 있으며, 질소 화합물을 포함한 방향족 전구체는 피리딘고리 구조를 가지는 피리딘, 알킬피리딘, 알켄피리딘, 알킨피리딘, 알킬아미노피리딘, 알켄아미노피리딘, 알킨아미노피리딘, 피리딘카보니트릴, 또는 알콜시피리딘일 수 있다. 또한 질소 화합물은 피롤고리 구조를 가지는 피롤, 알킬피롤, 알켄피롤, 알킨피롤, 알킬아미노피롤 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 방향족 전구체는 산소 또는 황화합물을 포함할 수도 있으며, 산소 또는 황화합물을 포함한 방향족 전구체는 퓨란고리 구조를 가지는 테트라히드로퓨란, 2-퓨로알데히드, 퓨로니트릴, 티오펜, 알킬티오펜, 티오펜니트릴화합물, 락톤 구조를 가지는 쿠마린, 메틸쿠마린, 에틸쿠마린 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 120 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체에 노출된 챔버 내에서 전구체를 퍼지 시킬 수 있다.
다시 말해, 120 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 챔버 내에서 전구체의 노출을 중단하고, 비활성 가스를 주입하여 전구체를 퍼지시킴으로써, 챔버 내에서 기판에 흡착되지 않은 전구체를 제거할 수 있다.
예를 들면, 비활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe, Xenon) 및 라돈(Rn, Radon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체가 퍼지된 챔버 내에서, 기판을 반응 플라즈마에 노출시킬 수 있다.
즉, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체와 결합하는 반응 가스를 기반으로 하는 반응 플라즈마를 공급하여 화학 반응을 발생 시킬 수 있다. 다시 말해, 기판의 표면에 흡착된 전구체와 반응 플라즈마가 반응하여 박막을 형성할 수 있다.
예를 들면, 반응 플라즈마는 다이렉트 플라즈마를 통해 생성될 수 있고 혹은 원격(remote) 플라즈마를 통해 생성될 수도 있다.
일측에 따르면, 반응 플라즈마는 산소(O2), 오존(O3), 과산화수소(H2O2), 일산화질소(NO) 및 아산화질소(N2O) 중 적어도 하나에 기초한 플라즈마일 수 있다.
다시 말해, 반응 플라즈마는 산소(O2) 플라즈마, 오존(O3) 플라즈마, 과산화수소(H2O2) 플라즈마, 일산화질소(NO) 플라즈마 및 아산화질소(N2O) 플라즈마 중 적어도 하나의 플라즈마일 수 있다.
일측에 따르면, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 기판을 반응 플라즈마와 탄소 함유 플라즈마에 동시에 노출시킬 수도 있다.
다시 말해, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 반응 플라즈마와 탄소 함유 플라즈마를 동일한 타이밍에 챔버 내로 주입할 수 있다.
즉, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체가 흡착된 기판을 탄소 함유 플라즈마에 노출시켜, 전구체에 구비된 탄소와 탄소 함유 플라즈마를 반응시킴으로써, 탄소 함유 박막의 탄소 함량을 기설정된 비율로 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 탄소 함유 플라즈마의 발생을 위한 파워(power)의 크기, 탄소 함유 플라즈마의 노출 시간 및 노출 회수 중 적어도 하나의 공정 조건을 제어하여 탄소 함유 박막의 탄소 함량을 기설정된 비율로 조절할 수 있다. 또한, 탄소 함량 조절을 위한 공정 조건은 사용자가 임의로 변경할 수 있다.
예를 들면, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 탄소 함유 플라즈마의 발생을 위한 파워의 크기가 100 watt, 탄소 함유 플라즈마의 노출 시간이 20초, 전구체 주입 시간이 5초, 탄소 함유 가스 주입이 60 sccm인 공정 조건에서 수행될 수 있다.
여기서, 탄소 함유 플라즈마는 메탄(CH4) 가스와 아르곤(Ar) 가스가 1:9의 비율로 혼합된 가스에 기초한 플라즈마일 수 있다.
일측에 따르면, 130 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 2n-1번째(여기서, n은 양의 정수) 증착 사이클에서 기판을 반응 플라즈마에 노출시키고, 2n번째 증착 사이클에서 기판을 반응 플라즈마와 탄소 함유 플라즈마에 노출시킬 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착 방법은 2n-1번째 증착 사이클에 대응되는 일반적인 증착 공정과, 2n번째 증착 사이클에 대응되는 탄소 함유 증착 공정이 기설정된 회수만큼 교번하여 수행됨으로써 박막의 탄소함량을 기설정된 비율로 조절할 수 있으며, 여기서 2n-1번째 증착 사이클과 2n번째 증착 사이클의 진행 주기 및 증착 사이클 진행에 따른 공정 조건은 사용자가 임의로 변경할 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착 방법은 일반적인 증착 공정 사이클과 탄소 함유 플라즈마 증착공정을 교번하여 증착하는 경우 사용자가 탄소 함유 플라즈마 증착 공정의 비율을 조절하여 박막 내에 탄소 함량을 간단하게 조절할 수 있으며, 이를 통해 박막 내 탄소 함량을 비롯하여 박막의 밀도, 유전율 등의 특성을 손쉽게 조절할 수 있다.
하기 표1은 일실시예에 따른 탄소 함유 플라즈마 공정의 비율 조정에 따른 박막 내 탄소 함량을 나타낸다.
Figure 112019080096209-pat00001
표1에 따르면, 탄소 함유 플라즈마 공정의 비율이 증가할수록 박막 내 탄소 함량이 조절되는 것을 확인할 수 있다.
일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법에서 원자층 증착 공정과 탄소 함유 원자층 증착 공정을 교번하여 수행하는 예시는 이후 실시예 도 4를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
다음으로, 140 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 반응 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 반응 플라즈마를 퍼지 시킬 수 있다.
다시 말해, 140 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 챔버 내에서의 반응 플라즈마의 노출을 중단하고, 비활성 가스를 주입하여 반응 플라즈마를 퍼지시킴으로써, 챔버 내에서 기판에 흡착되지 않은 전구체를 제거할 수 있다.
예를 들면, 비활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe, Xenon) 및 라돈(Rn, Radon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 140 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 반응 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 탄소 함유 플라즈마를 반응 플라즈마와 함께 퍼지시킬 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법을 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 2는 도 1을 통해 설명한 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법의 다른 예시를 설명하는 도면으로, 이후 도 2를 통해 설명하는 내용 중 도 1을 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 도 2의 210 내지 260 단계로 구성되는 증착 사이클을 기설정된 회수만큼 반복 수행할 수 있으며, 증착 사이클의 반복 수행 과정에서 탄소 함유 플라즈마 처리를 수행하여 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절된 탄소 함유 박막을 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함유 플라즈마 처리는 전구체에 구비된 탄소와 탄소 함유 플라즈마가 반응하여 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절되는 공정을 의미할 수 있다.
예를 들면, 증착 사이클은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 통해 수행될 수 있다.
원자층 증착법은 나노급 반도체 소자 제조의 필수적인 증착 기술로, 기존의 박막 증착 기술인 화학기상증착법 또는 물리기상증착법에 비해 매우 얇은 막을 정밀하게 제어할 수 있으며, 불순물 함량이 낮고 핀홀이 거의 없다는 장점이 있다. 또한 단차 피복성(step coverage, 높이 차이가 나는 부분들을 균일하게 증착하는 특성)이 우수하여 복잡한 3차원 구조에도 균일한 증착이 가능한 이점이 있다.
원자층 증착의 원리는 비활성 가스(Ar, N2 등)에 의해서 분리된 각각의 반응물(전구체)을 기판 위에 공급함에 따라 하나의 원자층이 증착되며, 원하는 두께를 증착하기 위해서 원자층이 반복적으로 증착될 수 있다.
즉, 원자층 증착법은 화학기상증착법과 같이 반응 기체가 기상 반응에 의해 박막이 증착되는 것이 아니라, 하나의 반응물이 기판 위에 화학 흡착된 후 제2 또는 제3의 기체가 들어와 기판 위에서 다시 화학 흡착이 일어나면서 박막이 형성될 수 있다.
결론적으로, 본 발명은 원자층 증착법을 이용함으로써, 원자층 두께로 형성되어 단차피복성을 향상시키고 치밀한 막을 갖는 탄소 함유 박막을 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함유 플라즈마는 메탄(CH4) 가스에 기초한 플라즈마 일 수 있다. 또한, 탄소 함유 플라즈마는 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스 중 적어도 하나의 가스와 메탄(CH4) 가스가 혼합된 가스에 기초한 플라즈마일 수도 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 탄소 함유 플라즈마는 탄소가 함유된 메탄(CH4) 플라즈마, 메탄(CH4)-아르곤(Ar) 플라즈마 및 메탄(CH4)-수소(H2) 플라즈마 중 적어도 하나의 플라즈마일 수 있다.
구체적으로, 210 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 기판이 로딩된 챔버 내에서, 기판을 전구체에 노출시킬 수 있다.
다시 말해, 210 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 기판 표면에 전구체를 흡착시킬 수 있다.
예를 들면, 기판은 규소(Si, silicon), 산화규소(SiO2, silicon oxide), 산화알루미늄(Al2O3, aluminium oxide), 산화마그네슘(MgO, magnesium oxide), 탄화규소(SiC, silicon carbide), 질화규소(SiN, silicon nitride), 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 그래파이트(graphite), 그래핀(g raphene), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리에스테르(PE, polyester), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, poly(2,6-ethylenenaphthalate)), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 플루오르폴리머(FEP, fluoropolymers) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 220 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체에 노출된 챔버 내에서 전구체를 퍼지 시킬 수 있다.
다시 말해, 220 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 챔버 내에서 전구체의 노출을 중단하고, 비활성 가스를 주입하여 전구체를 퍼지시킴으로써, 챔버 내에서 기판에 흡착되지 않은 전구체를 제거할 수 있다.
예를 들면, 비활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe, Xenon) 및 라돈(Rn, Radon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 230 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체가 퍼지된 챔버 내에서, 기판을 반응 플라즈마에 노출시킬 수 있다.
즉, 230 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체와 결합하는 반응 가스를 기반으로 하는 반응 플라즈마를 공급하여 화학 반응을 발생 시킬 수 있다. 다시 말해, 기판의 표면에 흡착된 전구체와 반응 플라즈마가 반응하여 박막을 형성할 수 있다.
예를 들면, 반응 플라즈마는 다이렉트 플라즈마를 통해 생성될 수 있고 혹은 원격(remote) 플라즈마를 통해 생성될 수도 있다.
일측에 따르면, 반응 플라즈마는 산소(O2), 오존(O3), 과산화수소(H2O2), 일산화질소(NO) 및 아산화질소(N2O) 중 적어도 하나에 기초한 플라즈마일 수 있다.
다시 말해, 반응 플라즈마는 산소(O2) 플라즈마, 오존(O3) 플라즈마, 과산화수소(H2O2) 플라즈마, 일산화질소(NO) 플라즈마 및 아산화질소(N2O) 플라즈마 중 적어도 하나의 플라즈마일 수 있다.
다음으로, 240 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 반응 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 반응 플라즈마를 퍼지 시킬 수 있다.
다시 말해, 240 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 챔버 내에서의 반응 플라즈마의 노출을 중단하고, 비활성 가스를 주입하여 반응 플라즈마를 퍼지시킴으로써, 챔버 내에서 기판에 흡착되지 않은 전구체를 제거할 수 있다.
예를 들면, 비활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe, Xenon) 및 라돈(Rn, Radon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 250 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 반응 플라즈마가 퍼지된 챔버 내에서, 기판을 탄소 함유 플라즈마에 노출시킬 수 있다.
즉, 250 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 전구체가 흡착된 기판을 탄소 함유 플라즈마에 노출시켜, 전구체에 구비된 탄소와 탄소 함유 플라즈마를 반응시킴으로써, 탄소 함유 박막의 탄소 함량을 기설정된 비율로 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 250 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 탄소 함유 플라즈마의 발생을 위한 파워(power)의 크기, 탄소 함유 플라즈마의 노출 시간 및 노출 회수 중 적어도 하나의 공정 조건을 제어하여 탄소 함유 박막의 탄소 함량을 기설정된 비율로 조절할 수 있다.
일측에 따르면, 탄소 함량 조절을 위한 공정 조건은 사용자가 임의로 변경할 수 있다.
다음으로, 260 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 탄소 함유 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 탄소 함유 플라즈마를 퍼지시킬 수 있다.
다시 말해, 260 단계에서 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 챔버 내에서의 탄소 함유 플라즈마의 노출을 중단하고, 비활성 가스를 주입하여 탄소 함유 플라즈마를 퍼지시킴으로써, 챔버 내에서 기판에 흡착되지 않은 전구체를 제거할 수 있다.
예를 들면, 비활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe, Xenon) 및 라돈(Rn, Radon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b은 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법을 통해 형성되는 탄소 함유 박막을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 참조후보 310은 아르곤(Ar) 플라즈마 처리를 통해 형성되는 탄소 함유 박막의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy; 광 전자 분광법) 분석 결과를 나타내고, 참조부호 320은 탄소 함유 플라즈마인 메탄(CH4)-아르곤(Ar) 플라즈마 처리를 통해 형성되는 탄소 함유 박막의 XPS 분석 결과를 나타낸다.
참조부호 310 내지 320에 따르면, 하기 표 2는 참조부호 310에 대응되는 탄소 함유 박막과, 참조부호 320에 대응되는 탄소 함유 박막 내 원소량의 AES 분석 결과를 나타낸다.
Figure 112019080096209-pat00002
표 1에 따르면, 아르곤 플라즈마 처리(Ar plasma)를 통해 형성되는 탄소 함유 박막의 탄소 함량은 9.3으로 나타났으나, 탄소 함유 플라즈마(Ar plasma + CH4 plasma) 처리를 통해 형성되는 탄소 함유 박막의 탄소의 함량은 29.26으로 탄소 함량이 조절된 것을 확인할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법에서 원자층 증착 공정과 탄소 함유 원자층 증착 공정을 교번하여 수행하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 4는 도 1을 통해 설명한 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법의 예시를 설명하는 도면으로, 이후 도 4를 통해 설명하는 내용 중 도 1을 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 참조부호 400은 일반적인 증착 공정과 탄소 함유 플라즈마 박막 증착 공정을 통해 박막의 탄소함량을 조절하는 예시를 나타낸다.
구체적으로, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 2n-1번째(여기서, n은 양의 정수) 증착 사이클(x 사이클)에서 기판을 반응 플라즈마에 노출시키고, 2n번째 증착 사이클(y 사이클)에서 기판을 반응 플라즈마와 탄소 함유 플라즈마에 노출시킬 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 x 사이클에 대응되는 일반적인 증착 공정과, y 사이클에 대응되는 탄소 함유 증착 공정이 기설정된 회수만큼 교번하여 수행됨으로써 박막의 탄소함량을 기설정된 비율로 용이하게 조절할 수 있다.
여기서, x 사이클과 y 사이클의 비율과 공정 조건은 사용자에 의해 임의의 조정될 수 있다. 즉, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 사용자가 탄소 함유 증착 공정(y 사이클)의 비율을 조절하여 박막 내에 탄소 함량을 간단하게 조절함으로써, 박막 내 탄소 함량을 비롯하여 박막의 밀도, 유전율과 같은 특성을 손쉽게 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 기존의 증착 방법은 일반적인 증착 공정(x 사이클)의 반복을 통해 박막을 증착한 이후에 플라즈마 처리를 진행하여 증착된 박막의 탄소 함량을 조절하는 공정을 진행하였다.
반면, 일실시예에 따른 탄소 함유 박막의 증착방법은 탄소가 함유되어 있지 않은 플라즈마를 이용하는 x 사이클과 탄소 함유 플라즈마를 이용한 y 사이클을 교번하는 증착 공정을 수행하여 탄소 박막을 증착하는 과정에서 박막의 탄소 함량을 조절함으로써, 박막 내 탄소 함량을 비롯하여 박막의 밀도, 유전율과 같은 박막의 특성을 용이하게 조절할 수 있으며, 이를 통해 최적의 박막 특성을 확보할 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면, 탄소 함유 박막 증착 시에 탄소 함유 플라즈마를 이용한 추가적인 플라즈마 공정을 통해 탄소 함량에 대한 비율을 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 추가적인 플라즈마 공정을 통해 박막 내 탄소 함량을 용이하게 조절함으로써, 박막의 전기적, 물리적 특성이 조절되어 최적의 박막 특성을 확보할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 기판을 전구체에 노출시키는 단계
120: 전구체를 퍼지시키는 단계
130: 기판을 반응 플라즈마에 노출시키는 단계
140: 반응 플라즈마를 퍼지시키는 단계

Claims (11)

  1. 기판이 로딩된 챔버 내에서, 상기 기판을 전구체에 노출시키는 단계;
    상기 전구체에 노출된 챔버 내에서, 상기 전구체를 퍼지 시키는 단계;
    상기 전구체가 퍼지된 챔버 내에서, 상기 기판을 반응 플라즈마에 노출시키는 단계 및
    상기 반응 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 상기 반응 플라즈마를 퍼지 시키는 단계
    로 구성되는 증착 사이클을 포함하고,
    상기 증착 사이클은,
    기설정된 회수만큼 반복 수행되며, 상기 반복 수행 과정에서 탄소 함유 플라즈마 처리를 수행하여 탄소 함량이 기설정된 비율로 조절된 탄소 함유 박막을 형성하며,
    상기 반응 플라즈마에 노출시키는 단계는,
    2n-1번째(여기서, n은 양의 정수) 증착 사이클에서 상기 기판을 상기 반응 플라즈마에 노출시키는 증착 공정을 수행하고, 2n번째 증착 사이클에서 상기 기판을 상기 반응 플라즈마와 상기 탄소 함유 플라즈마에 노출시키는 탄소 함유 증착 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  2. 제1항 있어서,
    상기 탄소 함유 플라즈마는,
    메탄(CH4) 가스에 기초한 플라즈마인 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  3. 제1항 있어서,
    상기 탄소 함유 플라즈마는,
    아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스 중 적어도 하나의 가스와 메탄(CH4) 가스가 혼합된 가스에 기초한 플라즈마인 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  4. 제1항 있어서,
    상기 탄소 함유 플라즈마 처리는,
    상기 전구체에 구비된 탄소와 상기 탄소 함유 플라즈마가 반응하여 상기 탄소 함량이 조절되는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  5. 제1항 있어서,
    상기 반응 플라즈마에 노출시키는 단계는,
    상기 기판을 상기 반응 플라즈마와 상기 탄소 함유 플라즈마에 노출시키는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항 있어서,
    상기 증착 사이클은,
    상기 반응 플라즈마가 퍼지된 챔버 내에서, 상기 기판을 상기 탄소 함유 플라즈마에 노출시키는 단계 및
    상기 탄소 함유 플라즈마에 노출된 챔버 내에서, 상기 탄소 함유 플라즈마를 퍼지시키는 단계
    를 더 포함하는 탄소 함유 박막의 증착 방법.
  8. 제1항 있어서,
    상기 기판은,
    규소(Si, silicon), 산화규소(SiO2, silicon oxide), 산화알루미늄(Al2O3, aluminium oxide), 산화마그네슘(MgO, magnesium oxide), 탄화규소(SiC, silicon carbide), 질화규소(SiN, silicon nitride), 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 그래파이트(graphite), 그래핀(g raphene), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리에스테르(PE, polyester), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, poly(2,6-ethylenenaphthalate)), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 플루오르폴리머(FEP, fluoropolymers) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  9. 제1항 있어서,
    상기 전구체는,
    일산화질소(NO), 산소(O2) 및 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 방향족 전구체인 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  10. 제1항 있어서,
    상기 반응 플라즈마는,
    산소(O2), 오존(O3), 과산화수소(H2O2), 일산화질소(NO) 및 아산화질소(N2O) 중 적어도 하나에 기초한 플라즈마인 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
  11. 제1항 있어서,
    상기 증착 사이클은,
    원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유 박막의 증착 방법.
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