특허 읽기: '반도체 소자의 제조방법' (10-2168443)

October 23, 2020 • hsj00

2020   ·   Chemical Engineering   Wonik IPS   Plasma   Semiconductor   Device   Patent   Study   Note     ·   blog  

들어가면서

원익IPS는 예전에 취업 준비할 때 써보기도 했고 이래저래 인연이 있어 익숙한 회사다. 얼마전엔 세메스의 디스플레이 일부 장비 사업을 인수한다는 기사1도 뜨고, 원익홀딩스는 배터리 사업이 진출2한다는 기사도 떠서 회사 규모가 점점 커지고 있다는 느낌을 받았다.

그런 의미에서 가장 최근에 등록된 특허중에 하나를 찾아서 읽어보았다.

발명자로 나와있는 분들은 원익IPS 반도체 연구소3 소속인 분들로 보인다.

반도체 소자의 제조방법 (Method of Manufacturing Semiconductor Deivce)

발명의 명칭 반도체 소자의 제조방법
출원번호 10-2016-0010155
등록번호 10-2168443
DOI https://doi.org/10.8080/1020160010155

요약

해당 특허는 소자의 텅스텐막 형성 방법에 대한 기술이다. 다섯가지 단계를 거쳐 박막이 형성되는것으로 보인다. 내용을 보니 ALD를 이용한 박막 형성에 대한 특허로 보인다.

  1. 베리어 박막 형성
  2. 베리어 박막 상부를 소크 처리해 수소기를 치밀하게 분포
  3. 소크 처리된 베리어 박막 표면을 수소 플라즈마 처리하여 수소기를 추가
  4. 수소 플라즈마 처리된 베리어 박막 상부에 핵 생성층 형성 (핵 생성층 형성시 발상되는 플로린 성분들은 공정중 수소기와 반을하여 휘발)
  5. 핵 생성층 상부에 벌크 텅스텐층 형성
대표도면
소스 RF 파워 공급 유닛과 바이어스 RF 파워 공급 유닛의 예

청구범위

청구항은 총 10항으로 이뤄져있다. 이전에 본 다른 특허들에 비하면 청구항이 적어보이는데, 청구항이 많다고 좋은 특허는 아니니까. 짧아도 핵심 아이디어를 보호할 수 있는 특허가 좋은 특허라고 생각한다.

  • 01항:
    1. 베리어 박막 형성
    2. 박막 상부를 소크 처리해 수소기를 치밀하게 분포
    3. 수소 플라즈마 처리된 박막 상부에 핵 생성층을 형성 (플로린 성분들은 공정중 수소기와 반응해 휘발됨)
    4. 핵 생성층 상부에 벌크 텅스텐층 형성
    • 02항: 소크 처리 단계 및 수소 플라즈마 처리 단계는 적어도 1회 반복 실시
    • 03항: 소크 처리 단계는 베리어 박막상에 SiH6 또는 B2H6 물질을 공급하는 단계
    • 04항: 핵 생성층 형성 단계는, 베리어 박막 상부에 텅스텐 반응 소스 및 환원제를 이용하여 형성
      • 05항: 핵 생성층 형성 단계에 대한 세부 내용
        1. 텅스텐 반응 소스 공급
        2. 미반응된 텅스텐 반응 소스 제거를 위한 제1 퍼지
        3. 환원제 물질 공급
        4. 미반응된 환원제 물질 제거를 위한 제2 퍼지
        5. 상기 단계를 적어도 1회 반복 실시하는 반도체 소자 제조 방법
      • 06항: 텅스텐 반응 소스와 환원제 종류
        1. 텅스텐 반응 소스: WF6, WCl5, WCl6
        2. 환원제: SiH4, B2H6
    • 07항: 핵 생성층 형성 단계와 텅스텐 벌크층 형성 단계 사이에 수소 또는 수소 함유 가스를 공급하는 플러싱 단계를 추가로 포함
      • 08항: 플러싱 단계는, 핵 생성층 상부에 B2H6 공급 단계; 및 퍼지 단계를 포함
    • 09항: 소크 처리 단계 및 수소 플라즈마 처리 단계 사이에, 퍼지 단계를 더 포함
      • 10항: 소크 처리 단계, 퍼지 단계, 수소 플라즈마 처리 단계를 복수 회 반복 실시

발명의 설명

기술분야

반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 소자에 텅스텐막을 형성 방법을 다루는 특허다. 공급과 퍼지가 단계로 나뉘는걸 보니 ALD를 이용한 특허다.

배경기술

수직 방향으로 적층된 배선들을 상호 연결하기 위해 텅스텐을 접속 부재의 재료로 사용한다. 텅스텐막의 우수한 층간 매립 특성, 고온 공정에 유리한 이점을 갖는다. 도전 박막 상부에 텅스텐 핵 생성층을 기초로 텅스텐 벌크층을 형성한다. 텅스텐 벌크층은 반응 소스와 환원제를 이용해 형성되고, WF6 반응 소스의 환원 반응시에 복수의 플로린기(F)가 핵 생성층 하부로 확산/침투하여 누설 전류를 유발할 수 있다. -> WF6를 소스로 사용할 때 플로린의 확산/침투를 억제하기 위해 7항의 내용처럼 수소 또는 수소 함유 가스를 공급해서 플러싱을 진행하는 것 같다.

발명의 내용

해결하려는 과제와 과제 해결 수단은 동어 반복인 내용이라서 제외한다.

발명의 효과

소크 처리 후, 수소 플라즈마 처리를 연속 실시함에 따라, 텅스텐막 형성시 플로린기 확산으로 인한 누설 전류를 방지할 수 있다. -> 여러가지 텅스텐 소스 전구체를 쓸 수 있지만 메인은 WF6로 사용하는 것 같다. 플로린기에 의한 데미지를 방지하는 내용을 강조하는걸로 봐서 공정에서 메인으로 쓰는 전구체가 WF6라서 그러는게 아닐까?

도면의 간단한 설명

도면1, 4

실시예에 따른, 소자 제조 방법 설명을 위한 공정별 단면도

도면5

실시예에 따른 소자의 텅스텐막 형성 방법 설명을 위한 플로우 차트

도면6

실시예에 따른 소자 제조 방법 설명을 위한 타이밍도

도면7

다른 실시예에 따른 소자 제조 방법 설명을 위한 타이밍도

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용

실시예에서 텅스텐 물질로 구성되는 트렌치 게이트 형성 방법으로 설명하고 있다. 공정을 단계별로 설명하고 있고, 각 단계에서 추가적으로 실시 가능한 사항들을 실시예로 보여주고 있다. PEALD/CVD를 선택적으로 가능한 챔버가 필요할 것으로 보인다. 원익IPS 장비 중에서 NOA CVD와 연관있는 특허라고 추정된다.

  1. 반도체 기판(100)의 소정 부분 식각 (트렌치 형성)
  2. 트렌치 표면 및 반도체 기판(100) 표면 산화 (게이트 절연막(105) 형성)
  3. 게이트 절연막(105) 표면을 따라 베리어 박막(110) 형성
    • 베리어 박막(110)은 TiN과 같은 전이 금속 질화막 이용 가능
  4. 베리어 박막(110)은 CVD 챔버 또는 ALD 챔버에서 형성
  5. 반도체 기판(100)과 베리어 박막(110) 사이에 복수의 회로층 개재 가능
  6. 베리어 박막(110) 표면 소크 처리(도5 S1)
    • SiH4 가스 또는 B2H6 가스 분사 공정 (가스는 환원적 성향을 가짐)
    • 베리어 박막(110) 표면 잔류물 제거 및 이후 형성될 텅스텐 성분 확산을 방지하는 1차적 장벽 역할 수행
  7. 소크 처리가 진행된 베리어 박막(110) 표면을 수소 플라즈마 처리(도5 S2)
    • PECVD 챔버 내에서 진행 가능
    • 소크 처리된 베리어 박막(110) 표면에 잉여의 수소기(H+)를 치밀하고 고르게 분포시킴
    • 소크 처리(도5 S1) 및 수소 플라즈마 처리(도5 S2)는 이후 형성될 핵 생성층 및 텅스텐 벌크층 두께를 고려해 여러차례 진행 가능
  8. 수소 플라즈마 처리된 베리어 박막(110) 표면을 따라 핵 형성층(115)을 형성 (도5 S3)
    • 핵 생성층(115)는 ALD 방식으로 형성 가능
    • 핵 생성층(115)은 텅스텐 반응 소스 및 환원제를 공급해 형성 가능 (텅스텐 반응 소스와 환원제간의 환원 반응)
    • 원하는 두께의 핵 생성층(115)을 형성하기 위해 두께를 고려하여 적어도 1회 반복 진행
    • 대부분의 플로린 또는 클로린 성분이 환원제의 수소 성분가 반응하며 제거
    • 일부 제거되지 않는 플로린 성분(F)이 베리어 박막(110) 상부에 잔류 가능
    • 잔류 플로린 성분(F)은 수소 플라즈마 처리시 제공된 잉여의 수소기(H+)와 결합되어 HF 형태로 추가 휘발
    • 잔류 플로린 성분(F)의 베리어 박막(110) 내부 확산 방지
    • 텅스텐 반응 소스: WF6, WCl5, WCl6
    • 환원제: SiH4, B2H6
  9. 핵 생성층(115)을 기초로 상부에 텅스텐 벌크층(120) 형성(도5 S4)
    • 텅스텐 벌크층(120)은 CVD 방식으로 형성 가능
    • 텅스텐 반응 소스와 수소 가스를 소정 시간 공급해 텅스텐 벌크층(120) 형성
    • 기타 고려 사항은 8번 항목과 같음
    • 8번과 9번에서, 잔류 플로린 성분(F)의 내부 확산을 막음으로써 텅스텐막의 누설 전류원을 원천적으로 제거 가능
  10. 텅스텐 벌크층(120), 핵 생성층(115) 및 베리어 박막(110)을 평탄화하여 트렌치 타입 게이트 형성
    • 게이트 양측 반도체 기판(100)에 불순물 주입하여 소스/드레인 영역(130a, 130b) 형성
    • 텅스텐 벌크층으로 형성된 트렌치 게이트에 국한되지 않고, 금속 배선 및 비어 콘택등에 모두 적용 가능
  11. 소크 처리 단계(도5 S1)과 수소 플라즈마 처리 단계(도5 S2) 사이에 Ar 가스 또는 N2 가스를 이용한 퍼지 단계 추가 실시 가능
    • 소크 처리 단계시 발생할 수 있는 챔버 내 잔류 불순물을 효과적 배출
    • 경우에 따라 반복 진행 가능
  12. 핵 생성층(115) 형성 단계(도5 S3)와 텅스텐 벌크층(120) 형성 단계(도5 S4) 사이에 플러싱 단계 추가 실시 가능
    • 플러싱 단계는 B2H6와 같은 수소 포함 가스를 공급 단계 및 퍼지 단계 포함 가능
    • 플러싱 단계에 의해 핵 생성층(115) 형성시, 미반응 플로린 성분(F) 추가 제거 및 핵 생성층(115)의 그레인 사이즈 확대로 비저항 감소 가능

읽고난 후 메모

해당 특허는 ALD/CVD를 이용해 텅스텐 박막을 증착하여 트렌치 타입 게이트를 갖는 소자의 제조 방법에 대한 특허다. 통합행정정보를 보면 한 번 거절결정이 있은 후에 청구항 보정을 통해 신규성과 진보성을 인정받아 등록된 것을 알 수 있다. 해당 특허의 신규성/진보성을 주장하기 위한 내용은 ‘소크 처리에 의해 수소기가 치밀하게 분포된 베리어 박막 표면에 수소 플라즈마 처리를 실시하여 수소기를 추가시키는 단계’로 보인다. 소크 처리를 통해 1차적으로 수소기를 분포시키고, 추가적으로 수소 플라즈마 처리를 진행해 수소기를 추가, 강화시키는것을 선행 문헌과의 차이점으로 주장했고, 이에 따른 미반응 할로겐 원소의 제거가 이뤄지는 점이 중요해보인다. 선행문헌2에서 수소나 암모니아 처리에 대한 이야기가 나오지만 처리의 목적과 효과에 대해선 나와있지 않다는 점을 차별점으로 들었다. 보정서 문장을 빌려오자면 “비록 발명과 기술 분야 및 기술적 사상이 일부 관련되어는 있으나, 이 기술들을 결합할 “기술적 동기”를 인정할 근거가 없”다고 주장하고 있다. 이후에 등록 결정된거 보면 보정서의 주장이 받아들여진 것 같다.

이 특허는 이전과는 다르게 통합행정정보의 내용까지 확인해서 읽어봤다. 예전에 면접도 본적 있고, 다시 지원하면서 겸사겸사 원익IPS 특허를 읽어봤다. 특허를 읽는 디테일을 좀 더 키워야 할 것 같다. 요새 특허 포스팅만 올렸는데, 짬을 내서라도 비공개로 저장해둔 다른 포스팅들 수정 끝내고 올려야겠다. 오늘은 여기까지.

  1. http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=7375 ↩

  2. http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=8299 ↩

  3. http://www.wonik.com/story/dreamTeam/612 ↩



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