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KR100228768B1 - 화학 기상증착 장치 및 증착방법 - Google Patents

화학 기상증착 장치 및 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기상 증착장치 및 증착방법에 관한 것으로, 특히 유기용제에 용해시킨 반응원료를 기화시키기 위한 기화기, 박막 증착 후 전송라인을 세정하기 위한 세정수단 및 상기 기화기에 추가의 유기용제를 공급하기 위한 유기용제 공급수단을 구비하는 화학 기상 증착장치 및 증착방법이다.
본 발명의 유기금속 화학 증착장치 및 방법을 이용하여 고유전체 박막을 형성하게 되면 기화기내의 반응원료의 응축량 및 분해량을 최소화할 수 있어 조성비가 균일한 박막을 형성할 수 있으며, 또한 기화기에 연결된 유기용제 공급수단으로부터 추가로 유기용제를 주입하여 박막 증착후 형성된 반응원료 찌꺼기를 완전히 제거할 수 있어 박막의 물리적 특성을 그대로 유지할 수 있고, 또한 상기 유기용제 전달장치를 이용하여 반응원료를 반응기내로 전달함에 따라 박막의 재현성을 확보할 수 있다.

Description

화학 기상증착 장치 및 증착방법
본 발명은 화학 기상증착 장치 및 증착 방법에 관한 것으로, 특히 고유전체 박막을 반도체 기판에 균일하게 형성하기 위한 유기 금속 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; 이하 MOCVD라 함.) 장치 및 증착방법에 관한 것이다.
1기가(Giga)급 이상의 차세대 디램(DRAM)에서는 기존의 박막(Thin Film)을 이용하여 충분한 정전용량(Capacitance)을 얻을 수 없으며, 반도체 소자가 고집적화(Scale-down)될수록 셀 면적이 감소하여 기존의 핀(Fin), 실린더 구조와 같은 3차원적인 캐패시터(Capacitor) 구조를 형성하기가 어렵다.
또한 박막의 두께가 감소하게 되면 반도체 기판의 불순물 영역인 소오스(Source) 및 드레인(Drain)에서 접합 누설전류(Leakage Current)가 증가하게 되며, 알파 입자(α-Particle)에 의하여 캐패시터에 저장된 정보를 변화 또는 유실시키는 소프트 에러(Soft Error)가 발생되기 때문에 신뢰성있는 캐패시터를 구현하기가 어렵고, 캐패시터의 복잡한 입체구조에 따른 후속공정이 어렵게 된다.
따라서 최근에는 고유전율 재료인 BST(BaSrTiO3), SrTiO3등을 캐패시터의 박막으로 응용하기 위한 고유전체 박막 증착 장치에 대한 연구가 활발히 전개되고 있다.
고유전체 물질을 제조하는 방법으로는 스퍼터링(Sputtering) 방법, 졸-겔(Sol-Gel) 방법, 레이저 어브레이션(Laser Ablation) 방법, 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 방법등이 있다. 이중 상기 MOCVD 방법은 균일한 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 박막의 조성을 쉽게 조절할 수 있어 최근 MOCVD 법을 이용한 고유전체 박막 증착 장치 개발이 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 MOCVD 장치는 반응원료 전달장치, 기화기, 반응기, 진공장치, 컴퓨터 제어기등을 포함한다.
이하 제1도를 참조하여 상기의 구성을 갖는 MOCVD 장치의 작동과정을 설명하기로 한다.
먼저 반응원료를 유기용제로 용해하여 액체상태로 만든 다음, 마이크로펌프와 같은 반응원료 전달장치를 통해 상기 유기 화합물이 포함된 반응원료를 기화기로 이동시켜 가열하거나 다른 에너지원을 사용하여 기화시키고, 아르곤, 질소등의 운반가스(Carrier Gas)를 이용하여 반응기내에 로딩(Loading)되어 있는 반도체 기판 상부에 박막을 증착시키는 장치이다.
그러나 유기용제에 용해된 반응원료를 상기 반응기로 이동시키는 과정에서, 상기 기화기에 열을 가하지 않아도 유기용제의 기화온도가 반응원료의 기화온도보다 매우 낮기 때문에 유기용제가 반응원료보다 먼저 분리된다. 이에 따라 반응원료가 응축(Recondensation)되는 현상이 발생한다.
상기와 같이 응축된 반응원료가 상기 기화기와 반응기 사이의 박막 전송라인을 막아 반응원료가 반응기로 균일하게 전달되지 않으며, 증착된 박막의 특성을 저하시키게 된다.
또한 박막 증착에 필요한 반응원료의 증기압을 일정하게 유지하기 위하여 기화기에 열을 가하는 경우에도 반응원료보다 유기용제가 먼저 기화됨에 따라 상기 반응원료가 분해(Decomposition)되는 현상이 발생한다.
이때 분해된 반응원료 또한 기화기와 반응기 사이의 박막 전송라인을 막아 상기 반응기로 반응원료가 균일하게 전달되지 않아 전기적 특성이 우수한 신뢰성 있는 박막을 형성하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 박막 증착 전, 반응원료가 용해된 유기용제를 기화기에 전달시킨 후, 상기 기화기에 연결된 유기용제 공급수단으로부터 다시 유기용제를 추가적으로 공급하여 반응원료가 기화기 및 전송라인내에서 응축 및 분해되는 것을 방지함으로써 균일한 박막을 형성할 수 있는 화학 기상증착 장치 및 증착 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한 박막 증착후 기화기, 반응기 및 기화기와 반응기 사이의 박막 전송라인에 다시 유기 용제를 주입하여 상기 각 장치내에 응축된 반응원료를 제거함으로써 균일한 박막을 증착할 수 있는 기상증착 장치 및 증착방법을 제공함에 그 목적이 있다.
제1도는 종래의 기술에 따른 화학기상 증착장치의 구성을 도시한 개략도.
제2도는 본 발명의 기술에 따른 화학기상 증착장치의 구성을 도시한 개략도.
제3도는 온도 및 유기용제 비율에 따른 반응원료 응축량 및 분해량을 나타낸 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기상 증착 장치에 의하면, 고유전체 박막을 형성하기 위한 반응원료가 수용된 소스 앰플과, 상기 소스 앰플로부터 나온 반응원료를 유기용제로 용해하여 액체상태로 만든다음 기화기로 전달하는 반응원료 전달수단과, 상기 유기 화합물이 포함된 반응원료를 가열 또는 다른 수단을 통하여 기화시키는 기화기와, 상기 기화된 반응원료가 운반가스에 의해 전달되어 내부에 로딩된 반도체 기판상에 박막을 형성하는 반응기로 구성되는 화학 기상증착 장치에 있어서, 상기 기화기내에서 유기용제의 분리로 인한 반응원료의 응축과, 상기 반응기 내에서의 박막 증착 후 상기 응축된 반응원료가 기화기와 반응기 사이의 전송라인을 막는 것을 방지하기 위해, 상기 기화기에 별도의 유기용제를 추가로 공급할 수 있는 공급수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기상증착 방법에 의하면, 반응기 내에 로딩된 반도체 기판상에 고유전체 박막을 형성하는 방법에 있어서, 유기용제에 용해시킨 반응원료를 기화기에서 기화시키는 단계와, 상기 기화기에 추가적으로 유기용제를 공급하는 단계와, 상기 기화된 반응원료를 운반가스를 이용하여 반응기로 주입시켜 박막을 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 상세한 설명을 하기로 한다.
제2도는 본 발명에 따른 기상증착 장치의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
상기 도면을 참조하면, 먼저 소스 앰플(Source Ampule)에 각각 저장되어 있는 반응원료 예컨데, Ba,Sr, Ti 또는 Sr, Ti 등의 반응원료를 이소(ISO;Iso-Propyl-Amine)등의 유기용제와 함께 반응원료 전달수단인 마이크로 펌프를 통해 기화기로 전달시킨다.
이때 기화기내의 반응원료에 열을 가하지 않아도 상기 유기용제의 기화온도가 반응원료의 기화온도보다 낮기 때문에 상기 유기용제가 먼저 분리됨으로써 상기 반응원료가 응축되는 현상이 발생된다.
이때 상기 기화기내의 반응원료가 응축되는 것을 방지하기 위하여 상기 기화기에 유기용제 공급수단인 솔벤트 앰플과 제2펌프를 연결하여 유기용제 예컨데, 이소 프로필 아민(Iso Propyl Amine)를 충분히 주입하여 반응원료와 함께 기화시킨다. 이어서 아르곤, 질소 등의 운반가스를 이용하여 기체 상태의 반응원료를 노즐을 통해 반응기로 주입시키고 반응기내에 로딩되어 있는 반도체 기판 상부에 박막을 증착시킨다.
박막 증착 후, 상기 응축된 반응원료의 찌꺼기가 기화기와 반응기 사이의 박막 전송라인을 막는 것을 방지하기 위하여 상기 유기용제 공급수단을 통해 충분한 유기용제를 다시 주입하여 기화기내의 반응원료 찌꺼기를 제거한다. 이때 완전히 제거되지 않은 반응원료 찌꺼기를 아르곤, 질소등의 세정가스를 주입하여 제거한다.
제3도는 온도 및 유기용제 비율에 따른 반응원료의 응축량 및 분해량을 도시한 그래프이다.
상기 도면을 참조하면, 유기용제를 기화기내에 충분히 주입하여 반응원료인 Sr(DPM)2와 함께 기화시키면 반응원료의 응축량과 분해량이 감소됨을 알 수 있다.
다음으로 상기의 장치를 이용하여 고유전체 박막을 형성하는 방법은 유기용제에 용해시킨 반응원료를 기화기에서 기화시킨다.
그 다음 유기용제 전달장치로부터 추가적으로 유기용제를 기화기내로 공급한다.
이후 상기 기화된 반응원료를 운반가스를 이용하여 반응기로 주입시켜 박막을 형성하고, 그 다음 상기 박막을 형성한 후 유기용제 전달장치로부터 다시 추가로 유기용제를 상기 기화기 및 전송라인에 공급하여 세정한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학 기상증착 장치로 고유전체 박막을 형성하면, 기화기내의 반응원료의 응축량 및 분해량을 최소화할 수 있어 조성비가 균일한 박막을 형성할 수 있다.
또한 기화기에 유기용제 전달장치를 연결함으로써 박막 증착 후 형성된 반응원료 찌꺼기를 완전히 제거함으로써 박막의 물리적 특성을 그대로 유지할 수 있으며, 반응원료를 안정하게 반응기로 전달함에 따라 박막의 재현성을 확보할 수 있다.

Claims (11)

  1. 고유전체 박막을 형성하기 위한 반응원료가 수용된 소스 앰퓰과, 상기 소스 앰퓰로부터 나온 반응원료를 유기용제로 용해하여 액체상태로 만든다음 기화기로 전달하는 반응원료 전달수단과, 상기 유기 화합물이 포함된 반응원료를 가열 또는 다른 수단을 통하여 기화시키는 기화기와, 상기 기화된 반응원료가 운반가스에 의해 전달되어 내부에 로딩된 반도체 기판상에 박막을 형성하는 반응기로 구성되는 화학 기상증착 장치에 있어서, 상기 기화기내에서 유기용제의 분리로 인한 반응원료의 응축과, 상기 반응기 내에서의 박막 증착 후 상기 응축된 반응원료가 기화기와 반응기 사이의 전송라인을 막는 것을 방지하기 위해, 상기 기화기에 별도의 유기용제를 추가로 공급할 수 있는 공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 운반가스로 아르곤, 질소가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응원료 전달수단으로 마이크로 펌프를 사용하는 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유기용제 전달수단은 펌프인 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기화기에 별도의 유기용제 공급수단은 유기용제를 수용하는 솔벤트 앰퓰과, 상기 솔벤트 앰퓰로부터 나온 유기용제를 기화기로 전달하는 제2펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응원료는 BST 또는 SrTiO3인 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 추가적으로 공급되는 유기용제는 IPA인 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 장치.
  8. 반응기 내에 로딩된 반도체 기판상에 고유전체 박막을 형성하는 방법에 있어서, 유기용제에 용해시킨 반응원료를 기화기에서 기화시키는 단계와, 상기 기화기에 추가적으로 유기용제를 공급하는 단계와, 상기 기화된 반응원료를 운반가스를 이용하여 반응기로 주입시켜 박막을 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 반응원료는 BST 또는 SrTiO3인 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 추가적으로 공급되는 유기용제는 IPA인 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 박막형성 단계 이후에 추가로 유기용제를 상기 기화기 및 전송라인에 공급하여 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상증착 방법.
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