KR20090067505A - 루테늄막 증착 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄막 증착 방법은 루테늄 원료 기체를 공급하는 단계, 상기 반응기에 퍼지 기체를 공급하는 단계, 그리고 상기 반응기에 플라즈마 없이 암모니아 기체를 공급하는 단계를 복수 회 반복한다. 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착법(ALD)에 의한 루테늄막 증착 방법에 의하면, 단차 피복성이 우수한 루테늄 막을 낮은 온도에서 높은 증착률로 증착할 수 있으며, 질화탄탈륨 층과 같은 하부막과 동일 챔버 내에서 인시투(in-situ) 방식으로 형성할 수 있어서, 장비의 생산성을 높일 수 있다.
루테늄막, 확산 방지막, 원자층 증착법, 암모니아, 단차 피복성
Description
본 발명은 박막 증착에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 루테늄막 증착 방법에 관한 것이다.
루테늄 금속 막은 강유전체 메모리 소자의 전극 물질, 게이트 전극 물질 등의 용도로 연구되어 왔고 최근에는 차세대 DRAM의 전극 물질과 구리 배선과 구리 배선의 확산 방지막인 질화탄탈륨(TaN) 사이의 접착층(glue layer) 등의 응용에 관심이 높아지고 있다.
일반적으로, 구리 배선 아래에 질화탄탈륨(TaN)을 증착하여 구리의 확산 방지막을 형성한다. 그러나 구리 배선과 질화탄탈륨 사이에 계면 접착 특성(interfacial adhension property)이 좋지 않아, 구리 배선 형성 시 평탄화 공정(CMP)과 같은 후 공정 시, 구리 배선이 들뜨는 현상이 나타난다. 따라서, 구리 배선과 질화탄탈륨 사이의 접착 특성을 높이기 위하여, 확산 방지막인 질화탄탈륨 층과 구리 층 사이에 루테늄 층을 형성하여, 접착층으로 이용하고 있다.
루테늄 막을 형성하기 위하여, 루테늄 시클로펜타디에닐 화합물이나 액체 상 태의 bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium [Ru(EtCp)2]와 같은 루테늄의 유기 금속 화합물과 산소(O2) 기체를 사용하여 루테늄(Ru) 층이나 산화 루테늄(RuO2) 층을 형성하는 화학 증착법이 알려져 있다 [Sung-Eon Park, Hyun-Mi Kim, Ki-Bum Kim and Seok-Hong Min "Metallorganic Chemical Vapor Deposition of Ru and RuO2 Using Ruthenocene Precursor and Oxygen Gas" J. Electrochem. Soc. 147[1], 203, (2000)]. 그러나 원료 기체들을 동시에 공급하는 화학 증착법은 종횡비가 큰 표면에 단차 피복성이 우수한 막을 형성하기 어렵다.
종횡비가 큰 표면에 단차피복성이 우수한 막을 형성하는 데에는, 막 형성에 필요한 두 가지 이상의 기체 원료를 시간적으로 분리하여 순차적으로 기판 위에 공급하여 표면 반응을 통해 박막을 성장시키고, 이를 반복적으로 수행하여 원하는 두께의 박막을 형성하는 원자층 증착 (atomic layer deposition, ALD) 방법이 유리하다.
루테늄 층을 증착하기 위하여 원자층 증착법을 이용하는 방법에는 루테늄 원료로 디에틸사이클로펜타디엔루테늄[dimethylcyclopebtadieneruthenium; Ru(EtCp)2]와 반응 기체로 암모니아(NH3) 플라즈마를 이용하는 플라즈마강화원자층증착법(PEALD)과, 루테늄 원료 기체를 공급한 후, 반응 기체로 루테늄 원료 기체를 분해하기 위한 산소(O2) 기체를 플라즈마 없이 공급하는 원자층 증착법 등이 있다.
그러나 이러한 플라즈마 강화 원자층 증착법을 이용하여 루테늄 층을 증착하 면, 플라즈마 고유의 방향 특성으로 인해 플라즈마가 위치에 따라 불균일해질 수 있고, 이에 의하여 증착된 루테늄 막의 측면의 두께가 얇게 형성되어 종횡비가 큰 표면에 단차피복성이 나쁜 문제점이 있으며, 산소 기체를 이용한 원자층 증착법의 경우 하부층의 표면이 손상되거나 산화되는 문제점이 있다.
특히, 확산 방지막인 질화탄탈륨 층과 구리 층 사이에 접착층으로 루테늄 층을 형성하는 경우, 질화탄탈륨 층의 증착 온도는 약 200℃ 내지 약 300℃인데 반하여, 플라즈마 강화 원자층 증착법에 의한 루테늄 층의 증착 온도는 더 높아서, 두 층을 동일 챔버에서 인시투(in-situ)로 형성하지 못해, 장비의 생산성이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 온도에서 높은 증착률로 단차피복성이 우수한 루테늄 층을 증착할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄막 증착 방법은 루테늄 원료 기체를 공급하는 단계, 상기 반응기에 퍼지 기체를 공급하는 단계, 그리고 상기 반응기에 플라즈마 없이 암모니아 기체를 공급하는 단계를 복수 회 반복하는 원자층 증착 방법이다.
상기 반응기의 온도는 약 200℃ 내지 약 300℃일 수 있다.
상기 암모니아 기체 공급 단계는 약 3초 이상 지속될 수 있다.
상기 루테늄 원료 기체는 Ru(EtCp)2, (C6H8)Ru(CO)3, Ru(OD)3, Ru(Cp)2, RuO4, Ru(thd)3중 어느 하나일 수 있다.
상기 암모니아 기체 공급 단계 후에 상기 반응기에 퍼지 기체를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 루테늄막은 트랜치 구조에서 균일한 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착법(ALD)에 의한 루테늄층 증착 방법에 의하면, 단차 피복성이 우수한 루테늄 막을 낮은 온도에서 증착할 수 있으며, 질화탄탈륨 층과 같은 하부막 형성과 동일 챔버 내에서 인시투(in-situ) 방식으로 형성할 수 있어서, 장비의 생산성을 높일 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알 려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
먼저, 도 1을 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 루테늄 층을 형성할 기판 위에 질화탄탈륨과 같은 하부막을 형성하는 등의 선공정을 진행한다. 이때, 증착 온도는 약 200℃ 내지 300℃일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법은 도 1에 도시한 바와 같이, 기판에 선구 물질인 소스 기체를 공급한다(110). 이때, 선구 물질은 기존의 선구 물질인 Ru(EtCp)2, (C6H8)Ru(CO)3, Ru(OD)3, Ru(Cp)2, RuO4, Ru(thd)3중 어느 하나를 사용할 수 있고, 특히 (C6H8)Ru(CO)3인 것이 바람직하다.
다음으로, 퍼지 기체로 불활성 기체를 공급한다(120). 퍼지 기체는 예를 들어 아르곤(Ar)일 수 있다.
그 후, 암모니아(NH3) 기체를 공급한다(130). 이때, 암모니아 기체 공급은 약 3초 이상 지속되는 것이 바람직하다.
암모니아 기체를 공급한 후, 다시 퍼지 기체, 예를 들어 아르곤(Ar)을 공급한다(140). 이때, 퍼지 기체를 공급하는 단계(140)는 생략될 수 있다.
이러한 과정을 약 10회 내지 300회 반복하여 원하는 두께의 루테늄 층을 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 증착한다. 본 발명의 실시예에 따른 증착 과정은, 약 200℃ 내지 약 300℃의 온도하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법의 경우, 약 200℃ 내지 약 300℃의 온도 하에서 이루어지기 때문에, 질화 탄탈륨과 같은 하부막을 형성하는 등의 선공정의 온도 범위인 약 200℃ 내지 300℃와 동일한 온도 범위에서 이루어질 수 있다. 따라서, 선공정과 루테늄 층 증착 공정을 인시투 방식으로 수행할 수 있어서, 장비의 생산성을 높일 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법에 의하여 증착된 루테늄 층의 증착률과 증착된 루테늄 층의 막 특성에 대하여, 본 발명의 한 실험예의 결과를 나타낸 도 2a 및 도 2b를 참고로 하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 (C6H8)Ru(CO)3 선구 물질을 사용한 루테늄 층 증착 방법에서, 증착 온도에 따른 증착률을 나타내는 그래프이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 (C6H8)Ru(CO)3 선구 물질을 사용한 루테늄 층 증착 방법에서, 암모니아 기체의 공급 시간에 따른 루테늄 층의 면저항을 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 2a를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 층의 증착 방법에서의 루테늄 층의 증착률에 대하여 설명한다.
도 2a는 증착 온도에 따른 증착률을 도시한 그래프이다. 도 2a를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착법을 이용한 루테늄 층 증착 방법과 같이 약 200℃ 내지 약 300℃에서 증착하는 경우, 특히, 250℃ 내지 300℃의 온도하에서 증착하는 경우, 원자층 증착 사이클당 증착률이 약 2A/cy이상인 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착법을 이용한 루테늄 층 증착 방법에 의할 경우, 일반적으로 원자층 증착법을 이용한 막 증착에 필요한 증착률을 나타냄을 알 수 있었다.
다음으로, 도 2b를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 층의 증착 방법에서의 반응 기체인 암모니아 기체의 공급 시간에 따른 루테늄 층의 막 특성, 특히, 루테늄 층의 면 저항에 대하여 설명한다.
도 2b를 참고하면, 암모니아 기체의 공급 시간이 길어질수록 루테늄 층의 면 저항이 작아짐을 알 수 있다. 이는 루테늄 원료 기체와 반응 기체인 암모니아 사이의 충분한 반응이 이루어지기 때문이다. 도 2b에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착법을 이용한 루테늄 층 증착 방법과 같이, 약 3초 이상 암모니아 기체를 공급하는 경우, 루테늄 층의 면 저항이 매우 작아짐을 알 수 있다. 따라서, 약 3초 이상 암모니아 기체를 공급하는 경우, 증착된 루테늄 층의 막 특성이 우수해 짐을 알 수 있다.
다음으로, 그리고 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법에 의하여 증착된 루테늄 층의 단차 피복성에 대하여, 본 발명의 한 실험예의 결과를 나타낸 도 3a 및 도 3b를 참고로 하여 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 다양한 트랜치 구조에서 (C6H8)Ru(CO)3 선구 물질을 사용하여 증착한 루테늄 층과 (hfac)Cu(vtms) 선구 물질을 사용하여 증착한 구리층을 나타내는 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다. 본 실험에서의 공정 조건은 다음과 같다.
도 3a를 참고하면, 깊은 트랜치 구조에 증착된 루테늄 층의 경우, 트랜치 외부(a)에 증착된 루테늄 층과, 트랜치의 측면(b)과 하부면(c)에 증착된 루테늄 층이 모두 거의 동일한 두께로 균일하게 형성되어 있음을 알 수 있었다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 급하게 꺾여 있는 구조(a)에서도 일정한 두께의 루테륨 층이 균일하게 형성됨을 알 수 있었다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착법(ALD)에 의한 루테늄 층 증착 방법에 의하면, 단차 피복성이 우수한 루테늄 막을 낮은 온도에서 높은 증착률로 증착할 수 있으며, 질화탄탈륨 층과 같은 하부막 형성과 동일 챔버 내에서 인시투(in-situ) 방식으로 형성할 수 있어서, 장비의 생산성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법에서, 증착 온도에 따른 증착률을 나타내는 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 층 증착 방법에서, 암모니아 기체의 공급 시간에 따른 루테늄 층의 면저항을 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 다양한 트랜치 구조에서 증착한 루테늄 층과 구리층을 나타내는 전자 현미경 사진이다.
Claims (9)
- 기판이 장착되어 있는 반응기에 루테늄 원료 기체를 공급하는 단계,상기 반응기에 퍼지 기체를 공급하는 단계, 그리고상기 반응기에 플라즈마 없이 암모니아 기체를 공급하는 단계를 복수 회 반복하는 루테늄막 증착 방법.
- 제1항에서,상기 반응기의 온도는 약 200℃ 내지 약 300℃인 루테늄막 증착 방법.
- 제1항에서,상기 암모니아 기체 공급 단계는 약 3초 이상 지속되는 루테늄막 증착 방법.
- 제1항에서,상기 루테늄 원료 기체는 Ru(EtCp)2, (C6H8)Ru(CO)3, Ru(OD)3, Ru(Cp)2, Ru(thd)3, RuO4 중 어느 하나인 루테늄막 증착 방법.
- 제1항에서,상기 암모니아 기체 공급 단계 후에 상기 반응기에 퍼지 기체를 공급하는 단 계를 더 포함하는 루테늄막 증착 방법.
- 제5항에서,상기 반응기의 온도는 약 200℃ 내지 약 300℃인 루테늄막 증착 방법.
- 제5항에서,상기 암모니아 기체 공급 단계는 약 3초 이상 지속되는 루테늄막 증착 방법.
- 제5항에서,상기 루테늄 원료 기체는 Ru(EtCp)2, (C6H8)Ru(CO)3, Ru(OD)3, Ru(Cp)2, Ru(thd)3, RuO4 중 어느 하나인 루테늄막 증착 방법.
- 제1항 또는 제5항에서,상기 루테늄막은 질화탄탈륨 하부막 형성 공정과 인시투(in-situ) 방식으로 형성하는 루테늄막 증착 방법.
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