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KR20110007056A - 변형된 플라즈마 원자층 증착법에 의해 규소-질소 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 형성하는 방법 - Google Patents

변형된 플라즈마 원자층 증착법에 의해 규소-질소 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 형성하는 방법 Download PDF

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KR20110007056A
KR20110007056A KR1020100067768A KR20100067768A KR20110007056A KR 20110007056 A KR20110007056 A KR 20110007056A KR 1020100067768 A KR1020100067768 A KR 1020100067768A KR 20100067768 A KR20100067768 A KR 20100067768A KR 20110007056 A KR20110007056 A KR 20110007056A
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쿠오웨이 홍
아키라 시미츠
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에이에스엠 저펜 가부시기가이샤
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Abstract

반도체 기판상에서 Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 박막을 PEALD에 의해 형성하는 방법은, 질소 및 수소를 함유한 반응 가스 및 첨가 가스를 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키고; 고주파 RF 전력원 및 저주파 RF 전력원을 사용해서 RF 전력을 반응 공간에 인가하고; 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 플라즈마를 여기시킨 반응 공간으로 유입시켜서, Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 기판상에 형성하는 것을 포함한다.

Description

변형된 플라즈마 원자층 증착법에 의해 규소-질소 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 형성하는 방법{METHOD OF FORMING STRESS-TUNED DIELECTRIC FILM HAVING Si-N BONDS BY MODIFIED PEALD}
본 발명은 반도체 집적 회로 제조, 특히 스트레스 조정된 질화 실리콘 박막을 형성하는 방법 및 저온(예를 들어, 400℃ 이하)에서 플라즈마 원자층 증착법(plasma enhanced atomic layer deposition; PEALD)을 사용해서 질화 실리콘막을 증착하는 방법에 관한 것이다.
저온(예를 들어, 400℃ 이하)에서 증착된 질화 실리콘층은 예를 들어, 트랜지스터 게이트에 대한 패시베이션 층, 표면 보호층 및/또는 스페이서로서 메모리 장치에서 다수의 중요한 적용예에 사용되어왔다. 질화 실리콘 막이 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법에 의해 형성된다. 다른 CVD 방법에 비해 PECVD 방법의 주요 장점은, 증착율이 높고 굴절 지수를 광범위하게 제어할 수 있다는 것이다. PECVD 방법의 부가적인 장점은, 그 공정이 셀 공정처리의 전체 열처리량을 최소로 하면서 예를 들어 400℃ 이하의 상대적으로 낮은 온도에서 가능하다는 것이다.
최근에, 질화 실리콘층은 Saitoh에 의한 U.S. 2003/0040158 A1에 도시했듯이 다른 스트레스(일부는 인장성 스트레스이고 일부는 압축성 스트레스)를 갖는 n-p 채널 MOSFET 장치의 캐리어 이동도를 개선시키는 구조들에서 사용되었다. 양호하게는, 인장성 스트레스를 갖는 질화 실리콘층은 저압 CVD 공정에 의해 형성되고, 압축성 스트레스를 갖는 질화 실리콘층이 PECVD 공정에 의해 형성된다. Saitoh에 의해 개시된 기술에서, 역 스트레스 특성을 갖는 질화 실리콘층을 생산하기 위해, 전체적으로 다른 증착 방법이 사용되야한다.
본 발명은 저온(예를 들어, 400℃ 이하)에서 플라즈마 원자층 증착법(PEALD)를 사용해서 스트레스 조정된 질화 실리콘 박막을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예의 목적은 400℃ 이하의 온도와 같은 저온에서 집적 회로에대해 질화 실리콘층과 같은, Si-N 결합을 갖는, 스트레스 조정된(예를 들어, -2.0 내지 1.5 GPa) 유전체 층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예의 다른 목적은 변형된 플라즈마 원자층 증착법(PEALD) 공정에서 이중 주파수 전력을 조작함에 의해 막을 증착하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 막을 형성하는 방법은, 플라즈마 원자층 증착법(PEALD)에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 목표(target) 유전체 막을 형성하는 방법으로서, 상기 목표 유전체 막은 PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 기준(reference) 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태로서 인장성 또는 압축성을 갖는 스트레스를 갖고, 그 방법은, (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스와 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 단계; (ⅱ) 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 갖는 상기 목표 유전체 막을 얻기 위해 LRF/HRF의 비율로 저주파 RF 전력(LRF) 및 고주파 RF 전력(HRF)의 합성인 RF 전력을 상기 반응 공간에 인가하는 단계(상기 비율은, 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태가 인장성을 가질 때, 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시키거나, 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태가 압축성을 가질 때, 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트됨); 및 (ⅲ) 상기 RF 전력 인가 시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 상기 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 상기 목표 유전체 막을 반도체 기판상에 형성하는 단계(여기서 그 세트 비율의 결과로서, 상기 목표 유전체 막이 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 가짐)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 막을 형성하는 방법은, PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 목표(target) 유전체 막을 형성하는 방법을 제공하고, 상기 목표 유전체 막은 PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 기준(reference) 유전체 막의 막 스트레스 값과 다른 막 스트레스 값을 갖고, 그 방법은, (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스와 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 단계; (ⅱ) 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 갖기 위해 LRF/HRF의 비율로 LRF 전력 및 HRF 전력의 합성인 RF 전력을 상기 반응 공간에 인가하는 단계(상기 비율은, 상기 기준 유전체 막의 막 스트레스 값 보다 낮은 막 스트레스 값을 얻기 위해 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시키거나, 상기 기준 유전체 막의 막 스트레스 값 보다 높은 막 스트레스 값을 얻기 위해 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트됨); 및 (ⅲ) 상기 RF 전력 인가 시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 상기 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 목표 유전체 막을 반도체 기판상에 형성하는 단계(여기서 LRF/HRF의 비율이 상기 기준 유전체 막의 막 스트레스 값과 다른 목표 유전체 막의 막 스트레스 값을 차별화하는 기본 파라미터로서 사용됨)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유전체 막을 형성하는 방법은, PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 각기 갖는, 다수의 유전체 막을 형성하는 방법을 제공하고, 그 다수의 유전체 막은 인장성 스트레스 막 및 압축성 스트레스 막을 포함하고, 상기 방법은, (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스와 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 단계; (ⅱ) LRF/HRF의 비율로 LRF 전력 및 HRF 전력의 합성인 RF 전력을 상기 반응 공간에 인가하는 단계; (ⅲ) 상기 RF 전력 인가 시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 상기 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 그 인장성 및 압축성 스트레스 막들 중 하나를 반도체 기판상에 형성하는 단계; 및 (ⅳ) 기본 파라미터로서 증착 막의 스트레스를 제어하고, LRF/HRF의 비율을 변화시키고, 변화된 LRF/HRF의 비율로 단계(ⅰ) 내지 (ⅲ)를 반복해서, 다른 인장성 및 압축성 스트레스 막을 반도체 기판상에 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 400℃ 이하의 온도와 같은 저온에서 집적 회로에 대해 질화 실리콘층과 같은, Si-N 결합을 가지고 스트레스 조정된(예를 들어, -2.0 내지 1.5 GPa) 유전체 층을 형성할 수 있다. 또한, 변형된 플라즈마 원자층 증착법(PEALD) 공정에서 이중 주파수 전력을 조작하여 유전체 막을 형성할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특성은 본 발명의 예시를 위한 것이며 본 발명을 제한하지 않는 양호한 실시예의 도면을 참고로 설명된다. 그 도면들은 예시 목적으로 많이 단순화시켰으며 반드시 일정한 비율로 되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 Si-N 결합을 갖는 유전체 층을 증착시키기 위한 PEALD 장치의 개략도.
도 2는 Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 층을 증착하기 위해 본 발명의 일 실시예에서 PEALD 방법의 공정 단계를 도시한 개략도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에서 Si-N 결합을 갖는 유전체 층의 막 스트레스(MPa)를 (HRF가 50 W)막 증착동안 질소 흐름(slm)과의 함수로서 도시한 그래프.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에서 Si-N 결합을 갖는 유전체 층의 막 스트레스(MPa)를 막 증착동안 HRF 전력과의 함수로서 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 Si-N 결합을 갖는 유전체 층의 막 스트레스(MPa)를 막 증착동안 HRF 전력을 달리했을 때 LRF 전력(W)과의 함수로서 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 Si-N 결합을 갖는 유전체 층의 막 스트레스(MPa)를 (HRF가 100 W)막 증착 온도를 달리했을 때 LRF 전력(W)과의 함수로서 도시한 그래프.
도 6a는 기판 온도 250℃에서 0.142 W/cm2 의 HRF일때 LRF 전력(W)과 관련해서 습식 에칭율(nm/min) 및 막 스트레스(MPa)간의 관계를 도시한 그래프.
도 6b는 기판 온도 350℃에서 0.142 W/cm2 의 HRF일때 LRF 전력(W)과 관련해서 습식 에칭율(nm/min) 및 막 스트레스(MPa)간의 관계를 도시한 그래프.
도 6c는 기판 온도 400℃에서 0.142 W/cm2 의 HRF일때 LRF 전력(W)과 관련해서 에칭율(nm/min) 및 막 스트레스(MPa)간의 관계를 도시한 그래프.
도 7은 LRF 전력(W)과 관련해서 스트레스(MPa) 및 N-H 결합 영역간의 관계를 도시한 그래프.
본 발명의 일 실시예에서, 변형된 PEALD에 의해, Si-N 결합을 갖는, 스트레스 조정된 유전체 박막을 반도체 기판상에 형성하는 방법이 제공된다. 그 방법은, 질소 및 수소를 함유한 반응 가스 및 첨가 가스(예를 들어, 희귀 가스)를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 것, 및 이중 RF(고주파 및 저주파)전력을 반응 공간에 인가하는 것을 포함한다. 그 후에, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 반응 공간으로 지속기간 5 초 미만의 펄스로 유입되어 플라즈마가 여기되어, Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 기판상에 형성한다.
본 개시에서, "가스"는 증기화된 고체 및/또는 액체이다. 본 개시에서, "Si-N 결합을 갖는"은 Si-N 결합으로 특징지어지고, Si-N 결합에 의해 주로 또는 우세하게 구성되고, Si-N 막에서 카테고리화되고 Si-N 결합에 의해 거의 구성된 주요 골격을 갖는 것을 말한다. 본 개시에서, 반응 가스, 첨가 가스, 및 수소를 함유한 실리콘 전구체가 가스 형태에 따라 서로 다르거나 상호 배타적인데, 그 카테고리들간에 가스가 겹치지 않는다. 더우기, 본 개시에서, 표시된 범위가 종점을 포함 하거나 제외할 수 있다.
다른 실시예에서, 변형된 PEALD에 의해, Si-N 결합을 갖는, 스트레스 조정된 유전체 박막을 반도체 기판상에 형성하는 방법은 반응 가스 및 첨가 가스를 반도체 기판을 위치시킨 CVD 반응 체임버 내부로 유입하는 것을 포함하고 여기서 반도체 기판 온도가 약 0 내지 400℃ 범위로 유지된다. 반응 가스 및 첨가 가스가 반응 체임버로 유입된 후, 반응 체임버가 플라즈마 여기 상태로 된다. 그 후, 수소를 함유한 실리콘 전구체가 펄스 흐름 제어 밸브를 사용해서 펄스로 반응 체임버로 유입되고, 여기서 그 실리콘 전구체가 반응 체임버로 유입되고 여기서 플라즈마가 여기되어, 가스의 플라즈마 반응에 의해 Si-N 결합을 갖는 유전체 박막을 기판상에 형성한다.
또 다른 실시예에서, Si-N 결합을 갖는 스트레스 조정된 유전체 박막이 주파수 범위를 달리하는 RF 전력을 공급함에 의해 동작하는 이중 RF 전력 입력원으로써 PEALD 체임버에서 증착된다. 통상적으로, 고주파 전력 입력원은 5 MHz(예를들어, 13.56 또는 27 MHz의 높은 RF 주파수 전력이 사용될 수 있다)를 초과하는 주파수로 RF 전력을 공급함으로써 동작한다. 저주파 전력 입력원은 약 400 내지 500 kHz 범위의 주파수로 RF 전력을 공급함으로써 동작한다. 어떤 실시예에서, 저주파 전력 대 고주파 전력의 비율은 0 내지 100％이다.
실시예에서, 고주파 전력은 약 0.01 내지 0.3 W/cm2; 통상적으로 약 0.04 내지 0.15 W/cm2 범위로 RF 전력(HRF) 입력을 사용해서 유입된다. 저주파 전력은 약 0 내지 0.3 W/cm2; 통상적으로 약 0 내지 0.15 W/cm2 범위로 RF 전력(LRF) 입력을 사용해서 유입된다.
또 다른 실시예에서, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 실리콘 및 수소의 화합물; 실리콘, 수소, 및 질소의 화합물; 실리콘, 수소, 카본 및 질소의 화합물로 구성된다. 실시예에서, 증기화된 수소를 함유한 실리콘 전구체는 플라즈마 중합을 유지하는 동안 약 0.5 내지 3 초 펄스 간격으로 약 0.1 내지 1.0 초의 지속기간을 갖는 펄스로 유입된다. 실시예에서, 반응 가스는 질소 가스 및 수소 가스의 화합물 또는 암모니아 가스 및 수소 가스의 화합물일 수 있다. 실시예에서, 첨가 가스는 He, Ar, Kr, Xe로 구성되는 그룹에서 선택되고 첨가 가스의 몰 흐름 속도는 수소를 함유한 실리콘 소스의 몰 흐름 속도보다 더 크다. 실시예에서, 반응 체임버는 약 0.1 내지 10 토르의 압력으로 유지된다.
본 발명의 양태 및 관련된 기술에 대비해 성취된 장점을 요약하기 위해, 본 발명의 소정의 목적 및 장점은 본 개시에서 설명된다. 물론, 그 모든 목적 또는 장점이 본 발명의 특정한 실시예에 따라 반드시는 이루어지 않을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 본 기술에 숙련된 자는 본 발명이 본원에 교시 또는 제시했듯이 다른 목적 또는 장점을 반드시 성취함이 없이도 본원에 교시된 여러 장점을 성취하거나 최적화하는 방법으로 구체화하거나 수행될 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 부가적인 양태, 특성 및 장점은 아래의 상세한 설명에서 명백해진다.
본 발명은 본 발명을 제한하지 않는 실시예들을 참고로 설명된다. 일 실시예에서 적용된 구성요소는 다른 실시예에서도 자유롭게 적용가능하고, 다른 실시예에서 적용된 구성요소는, 특정한 조건이 없는 한, 대체가능하거나 상호교환가능하다. 더구나, 하기에 표시된 범위는 실시예에서 종점을 포함하거나 제외할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 반도체 기판상에서 Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 박막을 PEALD에 의해 형성하는 방법은, (a) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스 및 첨가 가스를 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키고; (b) 이중 RF(고주파 및 저주파) 전력을 반응 공간에 인가하고; 및 (c) 설정된 간격인 5초 미만 주기의 펄스로 수소를 함유한 실리콘 전구체를 플라즈마를 여기시킨 반응 공간으로 유입시켜서, Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 기판상에 형성하는 것을 포함한다.
실시예에서, Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 박막은 주파수 범위를 달리하는 RF 전력을 공급해서 동작하는 이중 RF 전력 입력원으로써 PEALD 체임버에서 증착된다. 통상적으로, 고주파 전력 입력원은 5 MHz를 초과하는 주파수(예를 들어, 13.56 MHz 또는 27 MHz의 높은 RF 주파수 전력이 사용될 수 있음)에서 동작된다. 저 주파수 전력 입력원은 약 400 MHz 내지 500 MHz 범위 내의 주파수에서 동작된다. 어떤 실시예에서, 저주파 전력 대 고주파 전력의 비율은 0 내지 100 ％이다.
앞선 실시예에서, 고주파 전력은 약 0.01 내지 0.3 W/cm2 의 범위 내에서 더 일반적으로는 약 0.04 내지 0.15 W/cm2 의 범위 내에서 RF 전력 입력을 사용해서 발생된다. 저 주파수 전력은 약 0 내지 0.3 W/cm2 의 범위 내에서 더 일반적으로는 약 0 내지 0.15 W/cm2 의 범위 내에서 RF 전력 입력을 사용해서 발생된다.
개시된 실시예들중 하나는, PEALD(plasma enhanced atomic layer deposition)에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 목표(target) 유전체 막을 형성하는 방법을 제공하고, 상기 목표 유전체 막은 PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 기준(reference) 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태로서 인장성 또는 압축성을 갖는 스트레스를 갖고, (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스 및 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 것과; (ⅱ) 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 갖는 목표 유전체 막을 얻기 위해 LRF(저주파 RF)/HRF(고주파 RF)의 비율로 LRF 전력 및 HRF 전력의 합성인 RF 전력을 반응 공간에 인가하는 것 - 상기 비율은, 기준 유전체 막의 스트레스 형태가 인장성을 가질 때, 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시키거나 기준 유전체 막의 스트레스 형태가 압축성을 가질 때, 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트되고 - 과; 및 (ⅲ) RF 전력 인가시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 목표 유전체 막을 반도체 기판상에 형성하는 것 - 여기서 그 세트 비율의 결과로서, 그 목표 유전체 막이 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 가짐 - 을 포함한다.
어떤 실시예에서, LRF/HRF의 비율은 목표 유전체 막의 스트레스 형태를 제어하는 기본 파라미터이다. 어떤 실시예에서, LRF/HRF의 비율은 목표 유전체 막의 스트레스 형태를 제어하는 유일한 파라미터이다.
어떤 실시예에서, 목표 유전체 막은 압축성 막 스트레스를 갖고, 단계(ⅱ)에서, LRF/HRF의 비율은 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시켜 세트되고, 여기서 LRF/HRF의 증가된 비율은 2/10 내지 10/10이다. 대안적으로, 어떤 실시예에서, 목표 유전체 막은 인장성 막 스트레스를 갖고, 단계(ⅱ)에서, LRF/HRF의 비율은 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트되고, 여기서 LRF/HRF의 감소된 비율은 0/10 내지 4/10이다.
어떤 실시예에서, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 그 막을 형성하는 동안 약 0.1 내지 1.0 초의 펄스 주기를 갖는 펄스로 약 0.5 내지 1.0 초의 간격으로 유입된다.
다른 개시된 실시예는, PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 목표(target) 유전체 막을 형성하는 방법을 제공하고, 상기 목표 유전체 막은 PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 기준(reference) 유전체 막의 막 스트레스 값과 다른 막 스트레스 값을 갖고, (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스 및 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 것과; (ⅱ) 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 갖기 위해 LRF/HRF의 비율로 LRF 전력 및 HRF 전력의 합성인 RF 전력을 반응 공간에 인가하는 것 - 상기 비율은, 기준 유전체 막의 막 스트레스 값보다 낮은 막 스트레스 값을 목표 유전체 막을 얻기 위해 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시키거나 기준 유전체 막의 막 스트레스 값보다 높은 막 스트레스 값을 얻기 위해 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트되고 - 과; 및 (ⅲ) RF 전력 인가시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 목표 유전체 막을 반도체 기판상에 형성하는 것 - 여기서 LRF/HRF의 비율이 기준 유전체 막의 막 스트레스 값과 다른 목표 유전체 막의 막 스트레스 값을 차별화하는 기본 파라미터로서 사용됨 - 을 포함한다.
개시된 또 다른 실시예는 PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 각기 갖는, 다수의 유전체 막을 형성하는 방법을 제공하고, 다수의 유전체 막은 인장성 스트레스 막 및 압축성 스트레스 막을 포함하고, 상기 방법은, (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스, 및 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 것과; (ⅱ) LRF/HRF의 비율로 LRF 전력 및 HRF 전력의 합성인 RF 전력을 반응 공간에 인가하는 것과; (ⅲ) RF 전력 인가시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 인장성 및 압축성 스트레스 막들 중 하나를 반도체 기판상에 형성하는 것; 및 (ⅳ) 기본 파라미터로서 증착 막의 스트레스를 제어하고, LRF/HRF의 비율을 변화시키고, 변화된 LRF/HRF의 비율로 단계(ⅰ) 내지 (ⅲ)를 반복해서, 다른 인장성 및 압축성 스트레스 막을 반도체 기판상에 형성하는 것을 포함한다.
본 개시에서 개시된 모든 또는 일부의 특성은 개시된 실시예에서 결합해서 사용될 수 있다.
실시예에서, 유전체 막의 증착은 약 -2.0 Gpa(압축성) 내지 1.5 Gpa(인장성)의 범위 내의 스트레스를 갖도록 조정된 Si-N 결합을 갖는다. 압축성 막이 요구되는 경우에, 유전체 막 스트레스는 약 -2.0 Gpa(압축성) 내지 -180 MPa의 범위 내로 되도록 조정 또는 조절될 수 있다. 인장성 막이 요구되는 경우에, 유전체 막 스트레스는 약 40 Mpa 내지 1.5 GPa의 범위 내로 되도록 조정 또는 조절될 수 있다. 실시예에서, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 화학식 SiαHβXγ이고, 여기서 α,β 및 γ는 정수이고 γ는 제로를 포함한다. X는 N 및/또는 CmHm이고 여기서 m 및 n는 정수이다. 실시예에서, m는 2 내지 18이고, n는 6 내지 30이다.
앞선 실시예에서, 그 막이 기판위에서 증착되는 동안에 그 기판은 온도 0℃ 내지 400℃로 유지된다.
앞선 실시예에서, 반응 가스 및 첨가 가스가 연속 유입되고 이중 RF 전력이 연속 인가되는 동안 수소를 함유한 실리콘 전구체는 펄스로 유입된다.
앞선 실시예에서, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 약 0.1 내지 1.0 초의 지속기간을 갖는 펄스로 유입된다. 어떤 실시예에서, 수소를 함유한 실리콘 전구체의 펄스는 약 0.2 내지 0.3 초의 지속기간을 갖는다.
어떤 실시예에서, 수소를 함유한 실리콘 전구체의 펄스는 약 0.1 내지 3.0 초만큼 분리된다. 어떤 실시예에서, 그 간격은 약 0.5 내지 3.0 초 또는 약 1.0 내지 2.0 초이다. 실시예에서, 펄스 지속기간은 그 간격과 같거나 짧다.
앞선 실시예에서, 반응 가스는 N2 및 H2의 혼합물, NH3 및 H2의 혼합물, 및 질소-보론-수소 가스를 포함한다. 일 실시예에서, 반응 가스는 약 1/1 내지 10/1의 N2/H2의 몰 흐름 속도 비율을 갖는 N2 및 H2의 혼합물을 포함한다. 어떤 실시예에서, N2 및 H2의 몰 흐름 속도 비율은 2/1 내지 4/1이다. 실시예에서, 반응 가스는 약 1:1 내지 1:10의 NH3/H2의 몰 흐름 속도 비율을 갖는 NH3 및 H2의 혼합물을 포함한다. 어떤 실시예에서, NH3/H2의 몰 흐름 속도 비율은 1:1 내지 1:3이다.
앞선 실시예에서, 첨가 가스는 He, Ar, Kr, 및 Xe로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 이상의 가스이고, 첨가 가스의 몰 흐름 속도 비율은 수소를 함유한 실리콘 소스의 몰 흐름 속도 비율보다 더 크다. 실시예에서, 반응 체임버에 유입된 첨가 가스의 흐름 속도 비율은 약 30 내지 3000 sccm이다. 어떤 실시예에서, 첨가 가스의 흐름 속도 비율은 약 1500 내지 2500 sccm이다. 실시예에서, 첨가 가스는 헬륨 및 아르곤의 혼합물 또는 헬륨 및 크립톤의 혼합물을 포함하다. 실시예에서, 첨가 가스는 약 3/1 내지 20/1인 헬륨/아르곤의 몰 흐름 속도 비율을 갖는 헬륨 및 아르곤의 혼합물을 포함한다. 어떤 실시예에서, 헬륨/아르곤의 몰 흐름 속도 비율은 약 5/1 내지 15/1이다. 실시예에서, 첨가 가스는 약 5/1 내지 15/1인 헬륨/크립톤의 몰 흐름 속도 비율을 갖는 헬륨 및 크립톤의 혼합물을 포함한다.
앞선 실시예에서, 반응 공간 전구체는 약 0.1 내지 10 토르의 범위 내로 조절된다. 어떤 실시예에서, 반응 공간의 압력이 약 2 내지 9 토르이다.
앞선 실시예에서, 증착된 상태에서 Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 층의 유전체 상수는 4.5 내지 7.5의 범위에 있다. 어떤 실시예에서, 유전체 상수는 약 6.5 내지 7.2이다.
앞선 실시예에서, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 실온에서 증기나 액체이다. 어떤 실시예에서,수소를 함유한 실리콘 전구체가 실레인, 디실란, 트리실릴아민, 및 비스(터트-부틸아민)실레인으로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 이상의 화합물이다.
다음의 실시예들은 본 발명을 제한하지 않는 도면을 참고로 설명된다. 도 1은 흐름 제어 밸브를 갖는 플라즈마 CVD 반응기를 결합한, 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는, 장치의 개략도이다.
전기 전도성 평판 전극(4,2)쌍을 평행으로 제공하고 반응 체임버(3)의 내부(11)에서 서로 마주보게 하고, HRF 전력(예를 들어, 13.56 또는 27 MHz)(5) 및 LRF 전력(예를 들어, 400 내지 500 kHz)(50)을 전극(4)에 인가하고, 나머지 전극(2)에 전기적으로 그라운딩(12)을 인가하고 또는 그 역으로 인가함에 의해, 전극들간에 플라즈마를 여기시킨다. 온도 조절기는 하단(하부 전극(2))에 제공되고, 그 위에 있는 기판(1)의 온도가 설정 온도로 일정하다. 상부 전극(4)은 또한 샤워 플레이트로서 역할하고, 반응 가스 및 첨가 가스는 가스 흐름 제어기(21 및 22) 및 샤워 플레이트를 통해 반응 체임버(3)으로 유입된다. 수소를 함유한 실리콘 전구체는 가스 흐름 제어기(23), 펄스 흐름 제어 밸브(31), 및 샤워 플레이트(4)를 통해 반응 체임버로 유입된다. 또한, 반응 체임버(3)에서, 배기 파이프(6)는 반응 체임버(3)의 내부(11) 가스를 일정하게 배출하게 된다. 또한, 반응 체임버는 봉인 가스 흐름 제어기(24)을 구비하여 봉인 가스를 반응 체임버(3)의 내부(11)로 유입시킨다(반응 체임버 내부에서 반응 영역 및 이송 영역을 분리하는 분리판이 본 도면에서는 생략됨).
펄스 흐름 제어 밸브(31)에서, ALD(원자층 증착)에서 사용되는 펄스 공급 밸브가 실시예에서 알맞게 사용될 수 있다.
도 2는 스트레스 조정된 질화 실리콘막을 증착하는 본 발명의 실시예에 따른 공정 단계를 도시한다. 도 2에 도시했듯이 본 발명의 실시예에서 반응 가스 및 첨가 가스는 반응 체임버로 유입되고(패턴Ⅰ) 실리콘 전구체는 약 0.1 내지 1.0 초 동안 펄스 흐름 제어 밸브를 통해 반응 체임버로 유입된 후 패턴 Ⅳ로 도시했듯이 약 0.5 내지 3 초 동안 차단되고 거기에서 가스 공급동안 플라즈마가 (패턴(Ⅱ 및 Ⅲ)에서 도시된 LRF 및 HRF에 의해) 여기된다. 실시예에서, 다른 가스는 사용되지 않는다.
즉, 시간 주기A(예를 들어, 1.0 내지 10.0 초의 지속기간)동안, 반응 가스 및 첨가 가스는 반응 체임버의 압력을 안정화하기 위해 유입된다. 시간 주기(B)동안, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 반응 가스 및 첨가 가스의 흐름을 유지하는 동안 유입된다. 또한 시간 주기B동안, HRF 전력 및 LRF 전력은 자체-포화 반응에 의해 원자층을 증착하기 위해 공급된다. 시간 주기C동안, 수소를 함유한 실리콘 전구체의 흐름은 반응 가스의 흐름, 첨가 가스의 흐름, HRF 전력의 공급 및 LRF 전력의 공급을 유지하는 동안 정지된다. 시간 주기B 및 시간 주기C는 하나의 사이클을 구성하고, 시간 주기D동안, 바람직한 막 두께를 얻을 때까지 다수의 사이클들이 수행된다.
펄스로 실리콘 전구체를 유입하는 것은 다수의 사이클을 행함에 의해 반복되고, 수소-질소 결합이 증착된 막의 스트레스를 상당히 향상시키도록 제어되고 대량의 수소 및 질소가 막 성장동안 Hx,Nx 라디칼스(radicals)를 상당히 증가시키게 되는 공정에 추가되어, 증착 재료의 표면 이동을 개선시켜서 기판상에 스트레스 조정되고 높은 등각성(conformal) 질화 실리콘 막을 형성한다.
실시예에서, 사이클당 증착된 층 두께는 약 0.1 내지 1.0 nm/사이클로 되고 바람직한 막 두께(예를 들어, 5 내지 20 nm)가 얻어질 때까지 실리콘 전구체의 펄스 공급은 계속된다.
Si-N 결합을 갖는 스트레스 조정된 유전체 층을 반도체 기판에 형성할 때, 실시예의 증착 조건은 다음과 같다. 즉
수소를 함유한 실리콘 전구체(예를 들어, 트리실릴아민): 10 내지 2000 sccm(예를 들어 50 내지 1000 sccm)
반응 가스 1(예를 들어, 수소): 200 내지 2000 sccm(예를 들어 500 내지 1500 sccm)
반응 가스 2(예를 들어, 질소): 0 내지 2000 sccm(예를 들어 100 내지 1500 sccm)
반응 가스 3(예를 들어, 암모니아): 0 내지 1000 sccm(예를 들어 0 내지 500 sccm)
희귀 가스 1(예를 들어, 헬륨 공정): 0 내지 5000 sccm(예를 들어 500 내지 3000 sccm)
봉인 가스(예를 들어, 헬륨: 통상적으로 봉인 가스는 반응 또는 공정 가스의 일부로 구성되지 않는다): 200 내지 700 sccm(예를 들어 300 내지 600 sccm)
희귀 가스 2(예를 들어, 아르곤): 50 내지 700 sccm(예를 들어 200 내지 600 sccm)
기판 온도: 0 내지 400℃(예를 들어, 100 내지 350℃)
고주파 RF 전력(기판 상부 표면 영역당): 0.01 내지 0.3 W/cm2(예를 들어, 0.04 내지 약 0.2 W/cm2)
저주파 RF 전력(기판 상부 표면 영역당): 0 내지 100％의 고주파 RF 전력
전구체 공급 시간: 0.1 내지 0.7초 공급(예를 들어, 0.2 내지 0.5초), 0.1 내지 4.0 공급 중단(예를 들어, 0.4 내지 2.0초)(예를 들어, 그 정지 주기는 공급 주기보다 길다)
본 발명의 실시예에 따라 Si-N 결합을 갖는 유전체 층은 약 80％ 이상의 등각성(양호하게는 90％ 이상)을 가진다. 그 등각성은 트렌치의 측면 표면상에 형성된 막의 평균 두께 대 상부 표면상에 형성된 막의 평균 두께의 비율로 정의된다. 스트레스는 약 -2.0 GPa(압축성) 내지 1.5 GPa(인장성)의 범위내로 조정된다. 또한, 다른 실시예에서, 기판상에서 막 증착의 유전체 상수는 약 6.7 내지 7.3이고 633nm에서의 반사 지수는 약 1.8 내지 2.5의 범위이다. 버퍼된 수소 플로라이드를 사용해서 측정했듯이 본 발명의 실시예에 따른 증착된 질화 실리콘막의 에칭율은 일반적으로 표준으로 사용되는 종래의 열적 산화 실리콘보다 적은 약 2 내지 10배이다
본 발명은 본 발명을 제한하지 않는 특정 예를 참고로 설명된다. 특정 예에 적용된 수치가 다른 조건에서 적어도 ±50％의 범위로 변경될 수 있고, 여기서 그 범위의 종점은 포함되거나 제외된다. 조건 및/또는 구조를 특정화하지 않은 본 개시에서, 본 기술에 숙련된 자는 일상적인 실험으로 본 개시를 검토해볼 때 그 조건 및/또는 구조들을 쉽게 제공할 수 있다.
예 1
Si-N 결합을 갖는 유전체 층이 도 2에 예시된 시퀀스 및 도 1에 예시된 PEALD 장치를 사용해서 아래에 도시된 조건하에서 기판상에 형성된다.
트리실릴아민: 100 sccm
수소: 500 sccm
질소: 500, 1000, 2000 sccm
헬륨 공정: 1400 sccm
봉인된 헬륨: 500 sccm
아르곤: 500 sccm
기판 온도: 350℃
고주파 RF 전력(13.56 MHz의 주파수): 0.07 W/cm2
저주파 RF 전력(430 kHz의 주파수): 0.0 W/cm2
트리실릴아민 공급 시간: 0.3초 공급, 2.0 초 공급 중단
도 3a는 증착된 막의 스트레스 변화를 500, 1000, 및 2000 sccm의 질소 흐름으로써 도시한다. 스트레스가 약 0.7 GPa(인장성) 내지 1.0 GPa(압축성)의 범위내로 조정된다.
예 2
Si-N 결합을 갖는 유전체 층이 도 2에 예시된 시퀀스 및 도 1에 예시된 PEALD 장치를 사용해서 아래에 도시된 조건하에서 기판상에 형성된다.
트리실릴아민: 100 sccm
수소: 500 sccm
질소: 1000 sccm
헬륨 공정: 1400 sccm
봉인된 헬륨: 500 sccm
아르곤: 500 sccm
기판 온도: 350℃
고주파 RF 전력(13.56 MHz의 주파수): 0.043, 0.07, 0.1, 0.142 W/cm2 (각기 30, 50, 70, 100 W)
저주파 RF 전력(430 kHz의 주파수): 0.0 W/cm2
트리실릴아민 공급 시간: 0.3초 공급, 2.0 초 공급 중단
도 3b는 증착된 막의 스트레스 변화를 0.043, 0.07, 0.1, 0.142 W/cm2 의 고 주파 RF 전력으로써 도시한다. 스트레스가 약 0.6 GPa(인장성) 내지 1.0 GPa(인장성)의 범위내로 조정된다.
예 3
Si-N 결합을 갖는 유전체 층이 도 2에 예시된 시퀀스 및 도 1에 예시된 PEALD 장치를 사용해서 아래에 도시된 조건하에서 기판상에 형성된다.
트리실릴아민: 100 sccm
수소: 500 sccm
질소: 1000 sccm
헬륨 공정: 1400 sccm
봉인된 헬륨: 500 sccm
아르곤: 500 sccm
기판 온도: 350℃
고주파 RF 전력(13.56 MHz의 주파수): 0.07 W/cm2 (50W), 0.143 W/cm2 (100W)
저주파 RF 전력(430 kHz의 주파수): 0 내지 100％의 고주파 RF 전력
트리실릴아민 공급 시간: 0.3초 공급, 2.0 초 공급 중단
도 4는 상기 조건하에서 증착되는 증착된 막의 스트레스 변화를 도시한 그래프이다. 그 막들은 다양한 다른 LRF 전력 조건하에서 증착되어 0.07 W/cm2 의 HRF에서 -1496 MPa(압축성) 내지 1044 MPa(인장성)의 범위 및 0.142 W/cm2 의 HRF에서 -1684 MPa(압축성) 내지 966 MPa(인장성)의 범위인 스트레스 값을 갖는 막을 제공한다.
예 4
Si-N 결합을 갖는 유전체 층이 도 2에 예시된 시퀀스 및 도 1에 예시된 PEALD 장치를 사용해서 아래에 도시된 조건하에서 기판상에 형성된다.
트리실릴아민: 100 sccm
수소: 500 sccm
질소: 1000 sccm
헬륨 공정: 1400 sccm
봉인된 헬륨: 500 sccm
아르곤: 500 sccm
기판 온도: 250, 350, 400℃
고주파 RF 전력(13.56 MHz의 주파수): 0.142 W/cm2 (100W)
저주파 RF 전력(430 kHz의 주파수): 0 내지 100％의 고 주파수 RF 전력
트리실릴아민 공급 시간: 0.3초 공급, 2.0 초 공급 중단
도 5는 상기 설명된 조건하에서 증착되는 증착된 막의 스트레스 변화를 도시한 그래프이다. 그 막들은 다양한 다른 LRF 전력 및 기판 온도 조건하에서 증착된다. 그 증착된 막은 250℃에서 -921.8 MPa(압축성) 내지 669.4 MPa(인장성)의 범위, 350℃에서 -1684 MPa(압축성) 내지 966 MPa(인장성)의 범위, 및 400℃에서 -2108 MPa(압축성) 내지 887.2 MPa(인장성)의 범위인 스트레스 값을 갖는다.
도 6a 내지 6c는, HRF가 0.142 W/cm2 이고 LRF 전력 밀도를 달리할 때, 습식 에칭율 및 막 스트레스간의 관계를 도시한 것이다(도 6a, 6b 및 6c는 250℃, 350℃ 및 400℃의 기판 온도를 표시한다). 증착된 막의 스트레스가 기판 온도와 무관하게 LRF 전력을 증가시킴에 의해 인장성에서 압축성으로 점차 일정하게 변화된다. 또한, 막의 에칭율은, 스트레스가 인장성에서 압축성으로 감소될 때, (LRF 전력을 증가시킴에 의해)감소된다.
도 7은 LRF 전력 조건을 달리했을 때 증착된 막의 스트레스(MPa) 및 N-H 결합 영역을 도시한 그래프이다. N-H 결합 영역이 FTIR 스펙트라(도시 안된)에 의해 측정된다. N-H 구조들은 LRF 전력을 증가시킴에 의해 증가된다. 증착된 막의 그 구조들은 압축성 상태에 대해 책임을 진다. 그 구조들의 양이 감소함에 따라, 스트레스가 인장성을 증가시킨다.
상기 설명했듯이, 본 발명의 개시된 실시예중 적어도 하나에 따른 방법의 중요한 장점은 스트레스 조정된 질화 실리콘층 또는 나머지 Si-N 유전체 층이 LRF 전력 대 HRF 전력의 비율을 조작함에 의해 그 나머지 파라미터를 사실상 변화시킴이 없이 간단히 반도체 기판상에 형성되게 할 수 있다는 것이다. 유사한 방법으로, 막의 습식 에칭율이 조절될 수 있다. 환언하면, 그 스트레스는 LRF 전력 대 HRF 전력의 비율을 조절함에 의해 간단히 인장성 및 압축성간에 조정가능하다. 그러므로, n-p 채널 MOSFET 장치와 같은, 스트레스 및/또는 습식 에칭율을 달리하는 막의 박리를 요구하는, 막 구조들은 고 생산성으로 쉽게 생산된다. 질화 실리콘층 및 다른 Si-N 유전체 층은 상대적으로 낮은 기판 온도에서도 형성되어, 기판에 열적 손상을 발생함이 없이 생산성을 증가시켜서, 적용가능한 기판 형태를 확장시킨다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 두께를 정확하게 제어할 수 있고, 고 증착율을 이루고, 고 등각성 구조를 이룰 수 있다.
본 발명은 상기 설명된 실시예에 덧붙여서 다음의 실시예를 포함하나 그것으로 제한되지 않는다.
1) 변형된 PLEAD에 의해 Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 형성하는 방법은, ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스 및 첨가 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 것과; ⅱ) 고주파 RF 전력원 및 저주파 RF 전력원을 사용해서 RF 전력을 그 반응 공간에 인가하는 것, 및 ⅲ) 수소를 함유한 실리콘 전구체를 5초 미만의 지속 기간의 펄스로 그 반응 공간에 유입시키는 것 - 여기서 플라즈마를 여기시켜서 Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막을 기판에 형성함 - 을 포함한다.
2) 1)에 따라, 고 주파수 RF 전력원은 약 13.56 또는 27 MHz의 주파수를 갖는 고 주파수 RF 전력을 공급하고 저 주파수 RF 전력원은 약 400 내지 500 kHz 범위의 주파수를 갖는 저 주파수 RF 전력을 공급한다.
3) 1) 또는 2)에 따라, 고주파 RF 전력원은 0.04 내지 약 0.15 W/cm2 범위의 고주파 RF 전력을 공급한다.
4) 1) 내지 3)에 따라, 저주파 RF 전력원은 고주파 RF 전력에 의해 공급된 100％ 이하 또는 0％의 저주파 RF 전력을 공급한다.
5) 1) 내지 4)에 따라, 그 기판은 그 위에 막을 증착하는 동안 0 내지 400℃ 온도로 유지된다.
6) 1) 내지 5)에 따라, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 화학식 SiαHβXγ이고, 여기서 α,β 및 γ는 정수이고 γ는 제로를 포함하고, X는 N 및/또는 CmHm를 포함하고, 여기서 m 및 n는 정수이다.
7) 1) 내지 6)에 따라, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 반응 가스 및 첨가 가스를 연속 유입하고 RF 전력을 연속 인가하는 동안 펄스로 유입된다.
8) 1) 내지 7)에 따라, 수소를 함유한 실리콘 전구체는 약 0.1 내지 3.0 초의 간격으로 약 0.1 내지 1.0 초의 펄스 지속기간을 갖는 펄스로 유입된다.
9) 8)에 따라, 펄스 지속기간이 그 간격보다 같거나 짧다.
10) 1) 내지 9)에 따라, 반응 가스는 N2 및 H2의 혼합물, NH3 및 H2의 혼합물, 및 질소-보론-수소 가스로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나이다.
11) 10)에 따라, 반응 가스는 N2 및 H2의 혼합물이고 여기서 그 혼합물의 N2/H2의 몰 흐름 속도 비율이 약 1/1 내지 10/1이다.
12) 10)에 따라, 반응 가스는 NH3 및 H2의 혼합물이고 여기서 그 혼합물의 NH3 및 H2의 몰 흐름 속도 비율이 약 1/1 내지 10/1이다.
13) 1) 내지 12)에 따라, 첨가 가스는 헬륨 및 아르곤의 혼합물 및 헬륨 및 크립톤의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나이다.
14) 13)에 따라, 첨가 가스는 헬륨 및 아르곤의 혼합물이고 여기서 헬륨/아르곤의 몰 흐름 속도 비율이 약 3/1 내지 20/1이다.
15) 13)에 따라, 첨가 가스는 헬륨 및 크립톤의 혼합물이고 여기서 헬륨/크립톤의 몰 흐름 속도 비율이 약 3/1 내지 20/1이다.
16) 1) 내지 15)에 따라, Si-N 결합을 가지며 스트레스 조정된 유전체 막이 증착 사이클당 약 1 내지 10Å 두께로 반도체 기판상에 형성된다.
17) 1) 내지 16)에 따라, 기판상에 적층하는 스트레스 조정된 유전체 막은 약 -2.0 내지 +1.5 GPa 두께를 갖는 다.
18) 1) 내지 17)에 따라, 스트레스 조정된 유전체 막이 질화 실리콘 막이다.
19) 1) 내지 18)에 따라, 기판상에 적층하는 스트레스 조정된 유전체 막은 적어도 80％의 등각성 또는 스텝 커버리지를 갖는다.
다양한 다수의 변형예가 본 발명의 정신을 벗어남이 없이 본 기술에 숙련된 자에 의해 가능하다. 그러므로, 본 발명의 형태는 예시만을 위한 것이고 본 발명의 위를 제한하지 않는다.
2 및 4: 평판 전극, 3: 반응 체임버,
6: 배기 파이프, 23: 가스 흐름 제어기,
31: 펄스 흐름 제어 밸브

Claims (20)

  1. 플라즈마 원자층 증착법(PEALD)에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 목표(target) 유전체 막을 형성하는 방법으로서, 상기 목표 유전체 막은 PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 기준(reference) 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태로서 인장성 또는 압축성을 갖는 스트레스를 갖고, 그 방법은,
    (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스와 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 단계;
    (ⅱ) 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 갖는 상기 목표 유전체 막을 얻기 위해 LRF/HRF의 비율로 저주파 RF 전력(LRF) 및 고주파 RF 전력(HRF)의 합성인 RF 전력을 상기 반응 공간에 인가하는 단계(상기 비율은, 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태가 인장성을 가질 때, 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시키거나, 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태가 압축성을 가질 때, 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트됨); 및
    (ⅲ) 상기 RF 전력 인가 시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 상기 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 상기 목표 유전체 막을 반도체 기판상에 형성하는 단계(여기서 그 세트 비율의 결과로서, 상기 목표 유전체 막이 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 가짐)
    를 포함하는 유전체 막을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LRF/HRF의 비율이 상기 목표 유전체 막의 스트레스 형태를 제어하는 기본 파라미터인 유전체 막을 형성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 LRF/HRF의 비율이 상기 목표 유전체 막의 스트레스 형태를 제어하는 유일한 파라미터인 유전체 막을 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 목표 유전체 막은 압축성 막 스트레스를 갖고,
    상기 단계(ⅱ)에서 상기 LRF/HRF의 비율은 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시켜 세트되고, 증가된 상기 LRF/HRF의 비율은 2/10 내지 10/10인 유전체 막을 형성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 목표 유전체 막은 인장성 막 스트레스를 갖고,
    상기 단계(ⅱ)에서 상기 LRF/HRF의 비율은 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트되고, 감소된 상기 LRF/HRF의 비율은 0/10 내지 4/10인 유전체 막을 형성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수소를 함유한 실리콘 전구체는 막을 형성하는 동안 약 0.5 내지 3초 간격으로 약 0.1 내지 1.0 초의 펄스 지속간격을 갖는 펄스로 유입되는 것인 유전체 막을 형성하는 방법.
  7. PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 목표(target) 유전체 막을 형성하는 방법을 제공하고, 상기 목표 유전체 막은 PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 갖는, 기준(reference) 유전체 막의 막 스트레스 값과 다른 막 스트레스 값을 갖고, 그 방법은,
    (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스와 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 단계;
    (ⅱ) 상기 기준 유전체 막의 스트레스 형태와 반대인 스트레스 형태를 갖기 위해 LRF/HRF의 비율로 LRF 전력 및 HRF 전력의 합성인 RF 전력을 상기 반응 공간에 인가하는 단계(상기 비율은, 상기 기준 유전체 막의 막 스트레스 값 보다 낮은 막 스트레스 값을 얻기 위해 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 증가시키거나, 상기 기준 유전체 막의 막 스트레스 값 보다 높은 막 스트레스 값을 얻기 위해 상기 기준 유전체 막에 대해 사용된 LRF/HRF의 비율을 감소시켜 세트됨); 및
    (ⅲ) 상기 RF 전력 인가 시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 상기 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 목표 유전체 막을 반도체 기판상에 형성하는 단계(여기서 LRF/HRF의 비율이 상기 기준 유전체 막의 막 스트레스 값과 다른 목표 유전체 막의 막 스트레스 값을 차별화하는 기본 파라미터로서 사용됨)
    를 포함하는 유전체 막을 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 LRF/HRF의 비율이 상기 목표 유전체 막의 막 스트레스 값을 다르게 하는 유일한 파라미터인 유전체 막을 형성하는 방법.
  9. PEALD에 의해 막의 주요 구조를 반도체 기판상에 구성하는, Si-N 결합을 각기 갖는, 다수의 유전체 막을 형성하는 방법을 제공하고, 그 다수의 유전체 막은 인장성 스트레스 막 및 압축성 스트레스 막을 포함하고, 상기 방법은,
    (ⅰ) 질소 및 수소를 함유한 반응 가스와 희귀 가스를 반도체 기판을 위치시킨 반응 공간 내부로 유입시키는 단계;
    (ⅱ) LRF/HRF의 비율로 LRF 전력 및 HRF 전력의 합성인 RF 전력을 상기 반응 공간에 인가하는 단계;
    (ⅲ) 상기 RF 전력 인가 시 수소를 함유한 실리콘 전구체를 펄스로 상기 반응 공간으로 유입시켜서, PEALD에 의해 그 인장성 및 압축성 스트레스 막들 중 하나를 반도체 기판상에 형성하는 단계; 및
    (ⅳ) 기본 파라미터로서 증착 막의 스트레스를 제어하고, LRF/HRF의 비율을 변화시키고, 변화된 LRF/HRF의 비율로 단계(ⅰ) 내지 (ⅲ)를 반복해서, 다른 인장성 및 압축성 스트레스 막을 반도체 기판상에 형성하는 단계
    를 포함하는 유전체 막을 형성하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 LRF/HRF의 비율 변화가 LRF/HRF의 비율을 증가시키고,
    상기 다른 인장성 또는 압축성 스트레스 막이 압축성 스트레스 막인 유전체 막을 형성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 LRF/HRF의 비율의 그 증가된 비율이 2/10 내지 10/10인 유전체 막을 형성하는 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 LRF/HRF의 비율 변화가 LRF/HRF의 비율을 감소시키고,
    상기 다른 인장성 또는 압축성 스트레스 막이 인장성 스트레스 막인 유전체 막을 형성하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 LRF/HRF의 비율의 그 감소된 비율이 0/10 내지 4/10인 유전체 막을 형성하는 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    단계(ⅳ)에서 증착 막의 스트레스를 제어하는 2차 파라미터로서 질소 대 수소의 비율을 변화시키는 단계를 더 포함하는 유전체 막을 형성하는 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    단계(ⅳ)에서 증착 막의 스트레스를 제어하는 2차 파라미터로서 HRF의 양을 변화시키는 단계를 더 포함하는 유전체 막을 형성하는 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 수소를 함유한 실리콘 전구체는 실리콘 및 수소의 화합물; 실리콘, 수소, 및 질소의 화합물; 또는 실리콘, 수소, 카본, 및 질소의 화합물로 구성되는 것인 유전체 막을 형성하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 반응 가스는 질소 가스 및 수소 가스의 화합물; 또는 암모니아 가스 및 수소 가스의 화합물인 유전체 막을 형성하는 방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 수소를 함유한 실리콘 전구체가 막을 형성하는 동안 약 0.5 내지 3 초 간격으로 약 0.1 내지 1.0 초의 펄스 지속기간을 갖는 펄스로 유입되는 것인 유전체 막을 형성하는 방법.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 반응 가스, 상기 희귀 가스 및 상기 수소를 함유한 실리콘 전구체는 서로 다른 것인 유전체 막을 형성하는 방법.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 희귀 가스의 몰 흐름 비율이 수소를 함유한 실리콘 소스의 몰 흐름 비율보다 더 큰 것인 유전체 막을 형성하는 방법.
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