(57)【要約】【課題】第２の反応ガスをプラズマ化して発生されたラジカルのフラックス、すなわち、イオンビームを中性ビーム化して被処理基板に照射するようにした中性ビームを利用した原子層蒸着装置及びこの装置を利用した原子層蒸着方法を提供する。【解決手段】本発明による中性ビーム蒸着装置を利用した蒸着方法は、被処理基板に化学的に吸着されない物質を含む第１の反応ガスを被処理基板がローディングされた反応チャンバ内に供給して化学的に吸着されない物質を含む第１の反応物吸着層を被処理基板上に化学的に吸着させて形成する段階と、第１の反応物吸着層が形成された被処理基板上に第２の反応ガスにより生成された中性ビームを照射して化学的に被処理基板上に吸着されない物質を第１の反応物吸着層から除去して第２の反応物吸着層を形成する段階と、を備える。本発明による中性ビームを利用した原子層蒸着装置及びこの装置を利用した原子層蒸着方法を利用することによって、チャージングによる損傷なしに工程を実行することができる。【選択図】図１
2006265724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
注入口を通じて注入されたガスから極性を有するイオンビームを抽出するイオンソースと、
注入口を通じてガスが注入されることができ、中性ビームの進行経路上に被処理基板を位置させることができるステージを含む反応チャンバと、
前記イオンソースの一端部に位置し、特定極性のイオンビームを加速させる複数個のグリッドホールが形成されたグリッドアセンブリと、
前記グリッドアセンブリのグリッドホールに対応する複数個の反射体ホールまたはスリット部が形成されており、前記グリッドホールを通過したイオンビームを前記反射体ホールまたはスリット部の内部から反射して中性ビームに転換させる反射体と、を含み、
第１の反応ガスが前記反応チャンバの注入口に注入されて前記被処理基板と反応した後、第２の反応ガスが前記イオンソースの注入口に注入されて中性ビームに転換された後、被処理基板に照射されるように構成したこと
を特徴とする中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項２】
前記中性ビームは、エネルギーを有するイオンを反射体に反射させて生成するか、再結合または電荷交換(Ｃｈａｒｇｅ Ｅｘｃｈａｎｇｅ)を行うことによって生成すること
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項３】
前記反射体ホールまたはスリット部の直径は、前記グリッドホールの直径と同一であるか、それより大きいこと
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項４】
前記反射体ホールまたはスリット部は、前記グリッドホールを通過して直進するイオンビームが前記反射体ホールまたはスリット部の内部から反射されるように、イオンビームの直進方向に対して一定の角度で傾いていること
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項５】
前記イオンソースは、容量結合(Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ)ＲＦ型イオンソース、へリコン波結合イオンソース、陰イオンソース、電子サイクロトロン共鳴(ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ)イオンソースまたは誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ)ソースのうちいずれか一つであること
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項６】
前記反射体内の反射体ホールまたはスリット部の表面に入射されるイオンビームの入射角は、１５゜以内であること
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項７】
前記反射体内の反射体ホールまたはスリット部の表面から反射されるイオンビームの反射角は、４０゜以内であること
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項８】
前記反射体の材質は、半導体基板、ＤＬＣ、ガラス状炭素(ｇｌａｓｓｙ ｃａｒｂｏｎ)などの導電体鏡面または金属基板からなること
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項９】
前記反応チャンバには、被処理基板に化学的に吸着されない物質と化学的に吸着される物質とを含む第１の反応ガスと、不活性ガスと、を注入すること
を特徴とする請求項１に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項１０】
前記イオンソースに注入されるガスは、被処理基板に化学的に吸着されない物質を除去するための第２の反応ガスであること
を特徴とする請求項１又は９に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項１１】
前記イオンソースに注入された第２の反応ガスは、プラズマ化されてイオンビームを形成した後、反射体により反射するか再結合または電荷交換を行うことによって中性ビームに転換された後、被処理基板に照射され、前記被処理基板に化学的に吸着されない物質を被処理基板から除去すること
を特徴とする請求項１０に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着装置。
【請求項１２】
被処理基板に化学的に吸着されない物質を含む第１の反応ガスを、被処理基板がローディングされた反応チャンバ内に供給して、化学的に吸着されない物質を含む第１の反応物吸着層を被処理基板上に化学的に吸着させて形成する段階と、
前記第１の反応物吸着層が形成された被処理基板上に第２の反応ガスを中性ビームに生成し、これを照射することによって、被処理基板上に化学的に吸着されない物質を第１の反応物吸着層から除去して第２の反応物吸着層を形成する段階と、を備えること
を特徴とする中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項１３】
前記中性ビームは、エネルギーを有するイオンを反射体に反射させて生成するか、再結合または電荷交換を行うことによって生成すること
を特徴とする請求項１２に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項１４】
前記第１の反応物吸着層形成段階及び前記第２の反応物吸着層形成段階後、反応チャンバに前記不活性ガスを注入して、第１及び第２の反応物吸着層形成段階で発生する副産物を除去するパージ段階をさらに備えること
を特徴とする請求項１２に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項１５】
前記第１の反応物吸着層形成段階で注入される第１の反応ガスは、ＳｉＣｌ４、ＴｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ２Ｃｌ６、ＴａＣｌ３、ＡｌＣｌ３、Ａｌ(ＣＨ３)２Ｃｌ、ＺｒＣｌ４、ＨｆＣｌ４、ＴａＣｌ３などの金属ハロゲン元素の形態を有するガスのうちいずれか１つであること
を特徴とする請求項１２に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項１６】
前記第２の反応ガスは、水素、酸素、窒素、ＣＨ系(アンモニア)ガスのうちいずれか一つであること
を特徴とする請求項１２に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項１７】
前記第２の反応物吸着層形成段階で被処理基板に照射される中性ビームは、イオンソースにより水素、酸素、窒素、ＣＨ系(アンモニア)ガスなどをプラズマ化してイオンビームを生成し、該イオンビームを反射体により反射するか、再結合または電荷交換を行うことによって、中性ビームに生成されたものであること
を特徴とする請求項１２又は１６に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項１８】
前記パージ段階で反応チャンバに注入される不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウムガスなどであること
を特徴とする請求項１４に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項１９】
前記第１の反応物吸着層形成段階、パージ段階、第２の反応物吸着層形成段階及びパージ段階を一つのサイクルとして繰り返すこと
を特徴とする請求項１４に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項２０】
被処理基板に化学的に吸着されない物質を含む第１の反応ガスを、被処理基板がローディングされた反応チャンバ内に供給して、化学的に吸着されない物質を含む第１の反応物吸着層を被処理基板上に化学的に吸着させて形成する段階と、
前記第１の反応物吸着層が形成された被処理基板上に第２の反応ガスにより生成された中性ビームを照射することによって、被処理基板上に化学的に吸着されない物質を第１の反応物吸着層から除去して第２の反応物吸着層を形成する段階と、を実行する原子層蒸着装置を利用した蒸着方法であって、
この蒸着方法を、Ｓｉなどを含む単原子層、多様な窒化物、金属酸化物または金属膜の蒸着に利用することができること
を特徴とする中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【請求項２１】
窒化物は、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＧａＮ、ＷＮ、ＷＢＮ、Ｙａ３Ｎ５、ＷＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＡｌＳｉＮ、ＡｌＴｉＮのうちいずれか一つであり、金属膜は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｉｒを含み、金属酸化物は、既存のＳｉＯ２を代替することができるＴａ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｙａ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、(Ｂａ、Ｓｒ)ＴｉＯ３、Ｐｂ(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ３、(Ｐｂ、Ｌａ)(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ３、(Ｓｒ、Ｃａ)ＲｕＯ３、(Ｂａ、Ｓｒ)ＲｕＯ３などを含むこと
を特徴とする請求項２０に記載の中性ビームを利用した原子層蒸着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性ビームを利用した原子層蒸着装置及びこの装置を利用した原子層蒸着方法に関し、より詳しくは、第２の反応ガスをプラズマ化して発生したラジカル(Ｒａｄｉｃａｌ)のフラックス(Ｆｌｕｘ)、すなわちイオンビームを中性ビーム化して被処理基板に照射するようにした中性ビームを利用した原子層蒸着装置及びこの装置を利用した原子層蒸着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体素子の高集積化に対する持続的な要求に従って半導体集積回路の設計においてデザインルールが一層減少されて９０ｎｍ以下の臨界寸法(Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ)が要求されている。 現在、このようなナノメートル級半導体素子を具現するための装備として高密度プラズマ(Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ)装置、反応性イオン装置(Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｅｒ)などのイオン強化用装備が主に使われている。しかし、このような装備では、エッチング(または蒸着)工程を実行するための多量のイオンが存在し、これらイオンが数百ｅＶのエネルギーをもって半導体基板または半導体基板上の特定物質層に衝突するので、半導体基板や特定物質層に物理的、電気的損傷を発生させる。
【０００３】
例えば、物理的損傷には、イオンと衝突する結晶性の基板または特定物質層の表面が非晶質層に転換されるか、入射イオンの一部が吸着されるか衝突される物質層の一部成分だけが選択的に脱離されてエッチング(または蒸着)される表面層の化学的組成が変化されるか、表面層の原子結合が衝突により破損されてダングリング・ボンド(ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ)されることがある。このようなダングリング・ボンドは、材料の物理的損傷だけでなく、電気的損傷の発生原因になる。その他にゲート絶縁膜のチャージアップ(ｃｈａｒｇｅ ｕｐ)損傷やフォトレジストのチャージング(ｃｈａｒｇｉｎｇ)に起因したポリシリコンのノッチング(ｎｏｔｃｈｉｎｇ)などによる電気的損傷を起こす。また、このような物理的、電気的損傷の以外にもチャンバ物質による汚染やＣＦ系反応ガスを使用する場合のＣ−Ｆポリマーの発生など反応ガスによる表面の汚染が発生する。
【０００４】
したがって、ナノメートル級半導体素子においてこのようなイオンによる物理的、電気的損傷などは、素子の信頼性を低下させ、ひいては生産性を減少させる要因になるので、今後の半導体素子の高集積化とそれによるデザインルールの減少に対応して適用できる新しい概念の半導体エッチング(または蒸着)装置及びエッチング(または蒸着)方法に関する開発が要求されている。
【０００５】
従来、Ｄ.Ｂ.Ｏａｋｅｓなどは、論文“Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ、Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ａｎｄ Ｄａｍａｇｅ−Ｆｒｅｅ ＳｉＯ２ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍａｌ Ａｔｏｍｉｃ Ｂｅａｍ”に、過熱された原子ビームを利用した非損傷エッチング技術を提案しており、Ｔａｋａｓｈｉ Ｙｕｎｏｇａｍｉなどは、論文“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｕｔｒａｌ−ｂｅａｍ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｅｔｃｈｅｒ”(Ｊ.Ｖａｃ.Ｓｃｉ. Ｔｅｃｈｎｏｌ. Ａ １３(３)、Ｍａｙ/Ｊｕｎｅ、１９９５)に、中性ビームと中性ラジカルを利用して損傷が非常に少ないシリコンオキサイドエッチング技術を提案しており、Ｍ.Ｊ.Ｇｏｅｃｋｎｅｒなどは、論文“Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｃｈａｒｇｅ ｉｎ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｂｅａｍｓ”(１９９７ ２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄａｍａｇｅ. Ｍａｙ １３−１４、Ｍｏｎｔｅｒｅｙ、ＣＡ.)に、プラズマの代りに電荷がない過熱中性ビームに関するエッチング技術を開示している。
【０００６】
一般に、半導体装置の製造工程時に薄膜を均一に蒸着するために、スパッタリング法(Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ)、化学気相蒸着法(ＣＶＤ)、原子層蒸着法(ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ)を適用する。スパッタリング法は、アルゴン等の不活性ガスをプラズマ化してターゲットの表面をスパッタする原理を利用したことで、接着性が優秀な高純度薄膜を形成することができるが、これを利用した蒸着時、全体薄膜上での均一度を確保することが難しい短所がある。
【０００７】
現在一番多く使われているＣＶＤは、多様なガスを注入した後に高温の熱や、光、プラズマのような高いエネルギーにより誘導されたガスを化学反応させて希望する厚さの薄膜を形成している。しかし、ＣＶＤの場合、段差被覆性が優秀で生産性が高い長所を持っているが、薄膜形成時の温度が非常に高くて厚さを数Å単位で精密に制御することができない問題点を有している。また、二つ以上の反応ガスが同時に反応器内部に供給されるので、この時に汚染源になるパーティクルが発生する。
【０００８】
一方、ＡＬＤは、反応ガスとパージガスを交互に供給して原子層単位の薄膜を蒸着する方法であって、これは、最近半導体工程がさらに微細化されつつ、所望の薄膜の厚さが薄くなり、これらの原子層単位での精密な制御が求められていて、ＣＶＤが有する限界を克服するために提案された技術である。ＡＬＤを利用した場合、均一な薄膜を得るのみならず、原子層単位の微細な厚さを調節することができ、汚染源パーティクルの生成も抑制することができる。
【０００９】
しかし、このようなＡＬＤ工程においても、第２の反応ガスを注入して高温で反応を起こすか、第２の反応ガスをプラズマ化したフラックスを使うようになるが、この時、プラズマの使用によってイオンまたは電子によるチャージングが発生でき、第２の反応ガスをそのまま注入した場合は、ＡＬＤ工程の第２の反応ガス工程が高温で行われるようになる問題点があった。
【００１０】
また、チャージングの問題点を克服するため、リモートプラズマ(ｒｅｍｏｔｅ ｐｌａｓｍａ)を利用する方法が開示されているが、リモートプラズマを利用する場合にはフラックスとエネルギーが減少する問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明は上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、エネルギーを有するイオンを反射体により反射させて生成するか、再結合または電荷交換を行うことによって中性ビームを発生させることができ、このような中性ビームをＡＬＤ工程中、特に第２の反応ガス工程に適用することができるエネルギーを有した(過熱された)ラジカルを利用した低温中性ビームを利用した原子層蒸着装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、第２の反応ガスをプラズマ化して中性ビーム化して被処理基板に照射することにより、プラズマＡＬＤ工程の中で第２の反応ガス工程がプラズマイオンによりチャージングされることなく、すなわち、電気的損傷なしに原子層蒸着を実行することができる原子層蒸着方法を提供することにある。
【００１３】
本発明のまた他の目的は、従来のリモートプラズマを使用した場合と比較してラジカルのエネルギーが高く、フラックスに電荷がなくてＡＬＤ工程の中で第２の反応ガス工程を低温でチャージングすることなく原子層蒸着を行うことができる中性ビームを利用した原子層蒸着方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するための本発明による中性ビームを利用した原子層蒸着装置は、注入口を通じて注入されたガスから極性を有するイオンビームを抽出するイオンソースと、注入口を通じてガスが注入されることができ、中性ビームの進行経路上に被処理基板を位置させることができるステージを含む反応チャンバと、前記イオンソースの一端部に位置し、特定極性のイオンビームを加速させる複数個のグリッドホールが形成されたグリッドアセンブリと、前記グリッドアセンブリのグリッドホールに対応する複数個の反射体ホールまたはスリット部が形成されており、前記グリッドホールを通過したイオンビームを前記反射体ホールまたはスリット部の内部から反射して中性ビームに転換させる反射体と、を含み、第１の反応ガスが前記反応チャンバの注入口に注入されて前記被処理基板と反応した後、第２の反応ガスが前記イオンソースの注入口に注入されて中性ビームに転換された後、被処理基板に照射されるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記中性ビームは、エネルギーを有するイオンを反射体に反射させて生成するか、再結合または電荷交換(Ｃｈａｒｇｅ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ)を行うことによって生成する。
【００１６】
好ましくは、前記反射体ホールまたはスリット部の直径は、前記グリッドホールの直径と同一であるか、それより大きい。
【００１７】
好ましくは、前記反射体ホールまたはスリット部は、前記グリッドホールを通過して直進するイオンビームが前記反射体ホールまたはスリット部の内部から反射されるようにイオンビームの直進方向に対して一定の角度で傾いている。
【００１８】
好ましくは、前記イオンソースは、容量結合(ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ)ＲＦ型イオンソース、へリコン波結合イオンソース、陰イオンソース、電子サイクロトロン共鳴(ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ)イオンソースまたは誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ)ソースのうちいずれか一つである。
【００１９】
好ましくは、前記反射体内の反射体ホールまたはスリット部の表面に入射されるイオンビームの入射角は、１５゜以内である。
【００２０】
好ましくは、前記反射体内の反射体ホールまたはスリット部の表面から反射されるイオンビームの反射角は、４０゜以内である。
【００２１】
好ましくは、前記反射体の材質は、半導体基板、ＤＬＣ、ガラス状炭素(ｇｌａｓｓｙ ｃａｒｂｏｎ)などの導電体鏡面または金属基板からなる。
【００２２】
好ましくは、前記反応チャンバには、被処理基板に化学的に吸着されない物質と化学的に吸着される物質とを含む第１の反応ガスと、不活性ガスと、を注入する。
【００２３】
好ましくは、前記イオンソースに注入されるガスは、被処理基板に化学的に吸着されない物質を除去するための第２の反応ガスである。
【００２４】
好ましくは、前記イオンソースに注入された第２の反応ガスは、プラズマ化されてイオンビームを形成した後、反射体により反射されるか再結合または電荷交換を行うことによって中性ビームに転換された後、被処理基板に照射され、前記被処理基板に化学的に吸着されない物質を被処理基板から除去する。
【００２５】
また、前記課題を解決するための本発明による中性ビームを利用した原子層蒸着方法は、被処理基板に化学的に吸着されない物質を含む第１の反応ガスを被処理基板がローディングされた反応チャンバ内に供給して化学的に吸着されない物質を含む第１の反応物吸着層を被処理基板上に化学的に吸着させて形成する段階と、前記第１の反応物吸着層が形成された被処理基板上に第２の反応ガスを中性ビームに生成して照射して化学的に被処理基板上に吸着されない物質を第１の反応物吸着層から除去して第２の反応物吸着層を形成する段階と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
好ましくは、前記中性ビームは、エネルギーを有するイオンを反射体に反射させて生成するか、再結合または電荷交換を行うことによって生成する。
【００２７】
好ましくは、前記第１の反応物吸着層形成段階及び前記第２の反応物吸着層形成段階後、反応チャンバに不活性ガスを注入して第１及び第２の反応物吸着層形成段階から発生する副産物を除去するパージ段階をさらに備える。
【００２８】
好ましくは、前記第１の反応物吸着層形成段階で注入される第１の反応ガスは、ＳｉＣｌ４、ＴｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ２Ｃｌ６、ＴａＣｌ３、ＡｌＣｌ３、Ａｌ(ＣＨ３)２Ｃｌ、ＺｒＣｌ４、ＨｆＣｌ４、ＴａＣｌ３などの金属ハロゲン元素の形態を有するガスのうちいずれか一つである。
【００２９】
好ましくは、前記第２の反応ガスは、水素、酸素、窒素、ＣＨ系(アンモニア)ガスのうちいずれか一つである。
【００３０】
好ましくは、前記第２の反応物吸着層形成段階で被処理基板に照射される中性ビームは、イオンソースにより水素、酸素、窒素、ＣＨ系(アンモニア)ガスなどをプラズマ化してイオンビームを生成し、該イオンビームを反射体により反射するか再結合または電荷交換を行うことによって中性ビームに生成される。
【００３１】
好ましくは、前記パージ段階で反応チャンバに注入される不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウムガスなどである。
【００３２】
好ましくは、前記第１の反応物吸着層形成段階、パージ段階、第２の反応物吸着層形成段階及びパージ段階を一つのサイクルとして繰り返す。
【００３３】
また、前記課題を解決するための本発明による中性ビームを利用した原子層蒸着方法は、被処理基板に化学的に吸着されない物質を含む第１の反応ガスを被処理基板がローディングされた反応チャンバ内に供給して化学的に吸着されない物質を含む第１の反応物吸着層を被処理基板上に化学的に吸着させて形成する段階と、前記第１の反応物吸着層が形成された被処理基板上に第２の反応ガスにより生成された中性ビームを照射して化学的に被処理基板上に吸着されない物質を第１の反応物吸着層から除去して第２の反応物吸着層を形成する段階と、を実行する原子層蒸着装置を利用した蒸着方法であって、この蒸着方法を、Ｓｉなどを含む単原子層、多様な窒化物、金属酸化物または金属膜の蒸着に利用することができることを特徴とする。
【００３４】
好ましくは、窒化物は、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＧａＮ、ＷＮ、ＷＢＮ、Ｙａ３Ｎ５、ＷＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＡｌＳｉＮ、ＡｌＴｉＮのうちいずれか一つであり、金属膜は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｉｒを含み、金属酸化物は、既存のＳｉＯ２を代替することができるＴａ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｙａ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、(Ｂａ、Ｓｒ)ＴｉＯ３、Ｐｂ(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ３、(Ｐｂ、Ｌａ)(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ３、(Ｓｒ、Ｃａ)ＲｕＯ３、(Ｂａ、Ｓｒ)ＲｕＯ３などを含む。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、エネルギーを有する多様な反応性または非反応性イオンを、物体に反射したり、再結合又は電荷交換などを行うことによって中性化させ、これをＡＬＤ工程に利用することにより、低温でチャージングによる損傷なしに工程を実行することができ、蒸着可能な物質には、Ｓｉなどを含む基本的な単原子層だけでなく、多様な窒化物、金属酸化物及び金属膜を利用することができ、このような物質は、半導体素子の製造工程中にゲート誘電膜(酸化膜)、ゲート電極、キャパシタ電極、キャパシタ誘電膜、拡散バリアー膜、金属配線等に効果的に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の望ましい実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、同一の構成要素については出来るだけ同一の参照番号及び参照符号を使用する。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態による蒸着装置を概略的に示す図であり、図２は、図１のイオンソース及びグリッドを示す斜視図であり、図３は、図１の反射体を示す斜視図である。
【００３８】
本発明は、中性ビームについての前記理論的根拠に基づいてナノメートル級半導体素子のＡＬＤ工程において一層望ましい条件を具現したもので、図１乃至図３を参照して本発明に使用される蒸着装置について説明する。
【００３９】
図１を参照すれば、イオンソース１０から発生したイオンビームが複数個のグリッドホール１４ａを通過し、反射体ホール４２の表面から反射された後に中性ビームに転換され、被処理基板２０に入射されて被処理基板２０上の特定物質層を照射する。
【００４０】
イオンソース１０は、ガス注入口１１を通じて注入された各種反応ガスからイオンビームを発生させることができるもので、本発明の実施形態では誘導コイル１２に誘導電力を印加してプラズマを発生させる誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ)発生装置を使用した。しかし、これに限定されないで、多様な形態に変形されたイオンソースを使用することができる。
【００４１】
イオンソース１０の後端部には、電圧印加によりイオンビームを加速させることができ、同時にイオンビームが通過できる複数個のグリッドホール１４ａが形成されたグリッドアセンブリ１４が結合されている。
【００４２】
グリッドアセンブリ１４の後端には、入射されるイオンビームを反射して中性ビームに転換させる反射体４０が密着されている。反射体４０は、半導体、金属などの導電性物質からなり、反射体４０内の反射体ホール４２の表面だけをこれら材質で構成することもできる。また、反射体の材質は、ＤＬＣ、ガラス状炭素(ｇｌａｓｓｙ ｃａｒｂｏｎ)などの導電体鏡面または金属基板からなることもできる。
【００４３】
一方、グリッドホール１４ａを通過して直進するイオンビームが反射体ホール４２の内部から反射されるように、反射体ホール４２はイオンビームの直進方向に対して一定の角度で傾いている。
【００４４】
反射体４０は、入射されたイオンビームにより発生する電荷の放電のために接地することが好ましい。また、図３では、円筒状に図示されているが、反射体４０は必ず円筒状に限定されないで、多様な形態、例えば、四角形などの多角形柱形態に製作できる。
【００４５】
また、図３では、反射体ホール４２が円筒形状に図示されているが、これに限定されないで、矩形または多角形などの多様な柱形態の反射体ホール４２が形成できる。
【００４６】
特に、本発明の発明者は、実際のエッチング装置を製作する際に、本願発明者の大韓民国特許出願第２００３−００４２１１６号公報に開示したように、反射体ホール４２の代わりに反射体４０の内部にスリット部を形成する。このスリット部の形成によれば、反射体部分の空間狭小化の問題が解決される。本願では、多様な形状の反射体ホール４２及びスリット部を全部‘反射体ホール’と称する。
【００４７】
一方、反射体ホール４２の傾斜は、グリッドホール１４ａを通過した後に直進するイオンビームが反射体ホール４２の内部から一度だけ反射されるように形成する。本実施形態において反射体ホールの傾斜は、反射体ホールの内表面に入射されるイオンビームの入射角が少なくとも１５゜以内になるようにし、好ましくは、少なくとも３゜乃至 １５゜の範囲になるように構成する。イオンビームの入射角が少なくとも３゜乃至１５゜の範囲であることは、反射体ホール４２の表面に対して垂直した法線を基準とした入射角が少なくとも７５゜乃至８７゜であることを意味する。
【００４８】
また、反射体４０内の反射体ホール４２の表面から反射される中性ビームの反射角は、４０゜以内になり、好ましくは、５゜乃至４０゜の範囲になるように構成する。
【００４９】
本出願人の先出願によれば、以上のような入射角及び反射角の条件で最適の中性ビームフラックス量を得ることができる。
【００５０】
一方、反射体４０から反射されて転換された中性ビームの進行経路上には被処理基板２０が配置される。被処理基板２０は、真空装置(図示せず)により一定な真空度に維持される反応チャンバ５０内のステージ６０上に装着される。このようなステージ６０は、中性ビームの進行経路に対して垂直方向に配置することもでき、蒸着工程の種類によって一定の角度で傾くように(ｔｉｌｔｉｎｇ)配置することができるように、その位置及び方向を制御して設置することができる。また、反応チャンバ５０には多様なガス注入のためのガス注入口５１が形成され、ステージ６０には被処理基板２０を加熱するためのヒーター６１が具備される。
【００５１】
以下、上述の中性ビームを用いた原子層蒸着装置を利用した一実施形態によるＡＬＤ工程について説明する。
【００５２】
本実施形態では、被処理基板２０に化学的に吸着されない物質としてハロゲン族元素を選択し、これによって、第１の反応ガスとしてハロゲン族元素を含むガスを選択した。また、第２の反応ガスとしては、ハロゲン族元素と反応してこれを被処理基板２０上から除去できるガスを選択し、ハロゲン族元素及びその外の副産物を除去するパージガスとしては、被処理基板２０上に蒸着された物質と反応しない不活性ガスを選択した。一方、このようなガスは、実施形態の変形によって多様に変更できる。
【００５３】
以下、図４を参照して本発明のＡＬＤ工程について詳しく説明する。図４（ａ）乃至図４（ｄ）は、本発明の好ましい実施形態によるＡＬＤ工程で薄膜を蒸着する方法を説明するため、工程手順による被処理基板２０の状態を示した断面図である。
【００５４】
図４（ａ）を参照すれば、半導体素子を製造するために、薄膜形成に必要な第１の反応ガス２１を被処理基板２０上に供給して第１の反応物吸着層２２を形成する。第１の反応ガス２１は、通常的にハロゲン族元素、例えば、塩素(Ｃｌ)原子を含む前駆体である。その結果、被処理基板２０上にはハロゲン族元素を含む第１の反応物吸着層２２が化学的に吸着(または蒸着)されて形成される(第１の反応ガス工程)。
【００５５】
このような第１の反応ガス工程について詳しく説明すれば、次のようである。
【００５６】
反応チャンバ５０内のヒーター６１を具備したステージ６０上に被処理基板２０をローディングした後、ヒーター６１を動作させて反応チャンバ５０または被処理基板２０を４５０℃以下の比較的低温に維持し、チャンバの圧力を１トル以下に維持させた状態で、シリコン膜を形成するために必要な第１の反応ガス２１、例えば、ＳｉＣｌ４を反応チャンバのガス注入口５１を通じて６０秒間被処理基板２０上に供給した。この時、被処理基板２０上にはシリコン原子が化学吸着された状態でＳｉ−Ｃｌ結合を含む第１の反応物吸着層２２が形成される。
【００５７】
第１の反応ガス２１は、被処理基板２０上に形成しようとする薄膜の種類によって、例えば、ＳｉＣｌ４、ＴｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ２Ｃｌ６、ＴａＣｌ３、ＡｌＣｌ３、Ａｌ(ＣＨ３)２Ｃｌ、ＺｒＣｌ４、ＨｆＣｌ４などの金属ハロゲン元素の形態からなったガスグループから選択して供給することができる。
【００５８】
例えば、被処理基板２０上にシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜を形成しようとする場合には、第１の反応ガス２１としてシリコンソースガスであるＳｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ２Ｃｌ６を供給し、被処理基板２０上にＴａ２Ｏ５膜を形成しようとする場合には、第１の反応ガス２１としてＴａＣｌ３を供給することができる。また、被処理基板２０上にＡｌ２Ｏ３膜を形成しようとする場合には、第１の反応ガス２１としてＡｌＣｌ３を供給することができる。
【００５９】
一方、このような第１の反応ガス２１を利用してＳｉなどの単原子層だけではなく、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＧａＮ、ＷＮ、ＷＢＮ、Ｙａ３Ｎ５、ＷＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＡｌＳｉＮ、ＡｌＴｉＮなどの窒化膜、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｉｒなどの金属膜及びＴａ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｙａ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、(Ｂａ、Ｓｒ)ＴｉＯ３、Ｐｂ(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ３、(Ｐｂ、Ｌａ)(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ３、(Ｓｒ、Ｃａ)ＲｕＯ３、(Ｂａ、Ｓｒ)ＲｕＯ３などの金属酸化膜を蒸着することができる。
【００６０】
次に、図４（ｂ）を参照すれば、ハロゲン元素を含む第１の反応物吸着層２２が化学的に吸着された被処理基板２０上に残存する副産物を除去するために不活性ガス２３、例えば、窒素ガスを反応チャンバ５０のガス注入口５１を通じて供給してパージ(ｐｕｒｇｅ)する(パージ工程)。副産物を除去するためにパージ工程の代わりにポンピング(ｐｕｍｐｉｎｇ)工程を利用することもできる。
【００６１】
より詳しく説明すれば、Ｓｉ−Ｃｌ結合を含む第１の反応物吸着層２２が形成された反応チャンバ５０内の被処理基板２０上に、例えば、窒素ガスを３０秒間供給してパージすることで被処理基板２０上に残存する副産物を除去した。パージされた副産物は排出口(図示せず)を通じて排出される。
【００６２】
次に、図４（ｃ）を参照すれば、第１の反応物吸着層２２が形成された被処理基板２０上に化学的に吸着されない塩素と反応する第２の反応ガス２４、例えば、水素ガスを供給する(第２の反応ガス工程)。
【００６３】
第２の反応ガス２４としては、被処理基板２０に化学的に吸着されない物質によって、すなわち、第１の反応ガスによって水素以外に酸素、窒素、ＣＨ系(例えば、アンモニア)などのガスを供給することができる。
【００６４】
詳しく説明すれば、水素ガスをイオンソース１０の注入口１１を通じてイオンソース１０内に注入し、誘導コイル１２により水素ガスをプラズマ化し、下部の反射体４０側に加速させた後、反射体の反射体ホール４２の表面に反射させて中性ビームを生成する。この時、中性化反応は明示された反射体により生成するだけでなく、再結合、または電荷交換(ｃｈａｒｇｅ ｅｘｃｈａｎｇｅ)などを行うことによって生成することもできる。
【００６５】
次に、このように生成された中性ビームは、第１の反応物吸着層２２に結合されているハロゲン族元素、例えば、塩素と反応して第１の反応物吸着層２２からハロゲン族元素が除去されることにより、被処理基板２０上にはハロゲン族元素が除去された第２の反応物吸着層２５が残るようになる。
【００６６】
この時、第１の反応物吸着層２２が形成された被処理基板２０上に供給される中性ビームは、６０秒間供給し、誘導コイル１２に印加されたＲＦパワーは、４０ワットにした。この時、塩素原子は、ＨＣｌの形態になって第１の反応物吸着層２２から分離され、被処理基板２０上にはシリコン原子だけで形成される第２の反応物吸着層２５が残るようになる。
【００６７】
次に、図４（ｄ）を参照すれば、ハロゲン族元素が除去された第２の反応物吸着層２５が蒸着された被処理基板２０上に残存する副産物を除去する(パージ工程)。図４（ｂ）を参照して説明したように、不活性ガス２６を利用してパージするかまたはポンピング工程を利用して除去する。
【００６８】
すなわち、ハロゲン元素を含む第２の反応物吸着層２５が化学的に吸着された被処理基板２０上に残存する副産物(ＨＣｌ)を除去するために不活性ガス２６、例えば、窒素ガスを反応チャンバ５０のガス注入口５１を通じて供給して工程副産物をパージ(ｐｕｒｇｅ)する。副産物を除去するためにパージ工程の代わりにポンピング(ｐｕｍｐｉｎｇ)工程を利用することもできる。
【００６９】
より詳しく説明すれば、ＨＣｌ結合を含む第２の反応物吸着層２５が形成された被処理基板２０ 上に、例えば、窒素ガスを３０秒間供給してパージすることで被処理基板２０上に残存する副産物を除去した。パージされた副産物は排出口(図示せず)を通じて排出される。
【００７０】
一方、所望の厚さを有する薄膜が得られるまで図４（ａ）乃至図４（ｄ）の工程からなる一つのサイクルを複数回繰り返す。
【００７１】
これによって、第２の反応物吸着層２５、例えば、所定厚さのシリコン膜が被処理基板２０上に蒸着される。
【００７２】
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施の形態による中性ビームを利用した原子層蒸着装置を概略的に示す図
【図２】図１に示された蒸着装置のイオンソースを概略的に示す斜視図
【図３】図１に示された蒸着装置の中性ビーム発生部(反射体)を概略的に示す斜視図
【図４】図１に示された原子層蒸着装置を利用して原子層を蒸着する工程を段階別に示す工程フロー図
【符号の説明】
【００７４】
１０  イオンソース
１１  ガス注入口
１２  誘導コイル
１４  グリッドアセンブリ
１４ａ  グリッドホール
２０  被処理基板
２１  第１の反応ガス
２２  第１の反応物吸着層
２３  不活性ガス
２４  第２の反応ガス
２５  第２の反応物吸着層
２６  不活性ガス
４０  反射体
４２  反射体ホール
５０  反応チャンバ
５１  ガス注入口
６０  ステージ
６１  ヒーター
【図１】
2006265724.tif 000003
【図２】
2006265724.tif 000004
【図３】
2006265724.tif 000005
【図４】
2006265724.tif 000006