KR20070118151A - 저저항 루테늄 층의 저온 화학 기상 증착 - Google Patents

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Abstract

Cu 금속배선 기술에서 장벽/시드층으로 사용될 수 있는 저저항 루테늄 금속층(440, 460)을 증착하기 위한 저온 화학 기상 증착처리에 관한 것이다. 이 방법(300)은 증착 시스템(1, 100)의 처리 챔버(10, 110)에 기판(25, 125)을 제공하는 공정과, 루테늄 카르보닐 전구체 증기 및 CO 함유 가스를 함유하는 처리 가스를 형성하는 공정과, 기판(25, 125)을 처리 가스에 노출하여 열 화학 기상 증착 처리에 의해 기판(25, 125)에 저저항 루테늄 금속층(440, 460)을 증착하는 공정을 포함하고, 노출 도중에 기판(25, 125)은 약 100℃ 및 약 300℃ 사이의 온도로 유지된다. 하나 이상의 비아 또는 트렌치(430)를 갖는 패터닝된 기판(402, 404, 406, 408)에 형성된 루테늄 금속층(440, 460)을 포함하는 반도체 소자가 제공된다.
화학 기상 증착, 루테늄 금속층, 루테늄 카르보닐 전구체, 저저항

Description

저저항 루테늄 층의 저온 화학 기상 증착{LOW-TEMPERATURE CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF LOW-RESISTIVITY RUTHENIUM LAYERS}
관련 출원의 상호참조
본 출원은 "금속-카르보닐 전구체로부터 금속층의 증착 속도를 증가시키기 위한 방법(METHOD FOR INCREASING DEPOSITION RATES OF METAL LAYERS FROM METAL-CARBONYL PRECURSORS)"이라는 명칭의 미국특허출원 제10/996,145호와 관련되어 있으며, 그 전체 내용은 참조를 위해 본 명세서에 포함된 것으로 한다.
본 발명은 반도체 처리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 저저항 루테늄(ruthenium) 층을 기판에 형성하기 위한 저온 화학 기상 증착 방법에 관한 것이다.
집적회로를 제조하기 위한 다층 금속배선(metallization) 기법에 구리(Cu) 금속을 도입하는 것은 Cu 층의 접착 및 성장을 촉진하고 유전체 물질로의 Cu의 확산을 방지하기 위한 확산 장벽(barrier)/라이너(liner)의 사용을 필요로 할 수 있다. 유전체 물질에 증착되는 장벽/라이너는 구리에 반응하지 않고 혼합되지 않으며 낮은 전기저항을 제공할 수 있는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 탄탈(Ta)과 같은 굴절 물질(refractive material)을 포함할 수 있다. 구리 금속배선 및 유전체 물 질을 집적하는 현재의 집적 기법은 예를 들어, 약 300℃ 미만의 낮은 온도에서 장벽/라이너 증착 처리를 행하는 것을 필요로 할 수 있다. 장벽/라이너 층을 다양한 저 유전상수(low-dielectric constant)(low-k) 물질과 같은 온도 민감성 물질층으로 집적할 때, 더욱 낮은 기판 온도, 예를 들어, 약 100℃ 및 약 300℃ 사이의 기판 온도가 요구될 수도 있다.
예를 들어, 약 100nm 이하의 기술 노드(technology node)를 위한 Cu 집적 기법은 저 유전상수(low-k)의 층간 유전체 패터닝, 패터닝된 저 유전상수 유전체로의 Ta 또는 TaN/Ta 장벽층의 물리 기상 증착(PVD : Physical Vapor Deposition), 장벽층으로의 Cu 시드층(seed layer)의 PVD, 및 Cu 시드층으로의 Cu의 전기화학 증착(ECD : Electro Chemical Deposition)을 포함하는 처리를 활용할 수 있다. 일반적으로, Ta 층은 그 접착 특성(즉, 저 유전상수의 막에 접착하는 능력)으로 인해 선택되고, Ta/TaN 층은 일반적으로 그 장벽 특성(즉, 저 유전상수 막으로의 Cu 확산을 방지하는 능력)으로 인해 선택된다.
Cu에서 낮은 혼합성을 나타내는 크롬, 탄탈, 몰리브덴 및 텅스텐을 포함하는 Cu 확산 장벽으로서의 얇은 전이 금속층에 대한 연구 및 구현을 위해 상당한 노력이 행해졌다. 더욱 최근에는, 루테늄(Ru) 및 로듐(Rh)과 같은 그 외의 금속도 기존의 난융금속(refractory metal)과 유사하게 거동할 것으로 예상되기 때문에, 장벽층으로서 가능성이 있는 것으로 확인되었다. 또한, Ru 또는 Rh의 사용은 Ta/TaN과 같은 2개의 층과 반대로, 하나의 장벽층만의 사용을 허용하는 것이 가능하다. 예를 들어, Ru 층은 Ta/TaN 장벽층을 대체하는 것이 가능하다. 또한, 현재의 연구 는 하나의 Ru 층이 Cu 시드층을 대체할 수 있고, 대량의 Cu 증착이 바로 다음의 Ru 장벽/시드층 증착을 진행할 수 있다는 점을 알아내는 것이다.
기존에는, Ru 층은 루테늄 카르보닐 전구체 또는 루테늄 유기금속 전구체와 루테늄-함유 전구체를 열 화학 기상 증착(TCVD : Thermal Chemical Vapor Deposition) 처리에 의해 열적으로 증착하여 형성될 수 있다. 그러나, 기판 온도가 예를 들어, 약 300℃ 이상으로 충분히 높지 않으면, TCVD에 의해 증착되는 Ru 층의 물질 특성은 열악한 상태, 예를 들어, 높은 전기저항을 가질 수 있다. 또한, 루테늄 카르보닐 전구체의 사용은 루테늄 카르보닐 전구체의 낮은 증기 압력으로 인한 낮은 증착 속도와 그와 연관된 수송 문제로 귀결될 수도 있다. 결국, 본 발명자들은 현재의 루테늄 증착 방법은 낮은 증착 속도를 가지며 높은 증착 온도를 필요로 함으로써, 루테늄 층의 증착이 다수의 반도체 소자 응용을 위해 비실용적이라는 것을 알게 되었다. 또한, 응력, 구조 및 전기저항은 결정학적 배향의 함수일 수 있으므로, 증착된 루테늄 금속층의 결정학적 배향을 포함하는 결정도에 대한 제어가 필요할 수 있다.
본 발명은 낮은 전기저항의 루테늄 금속층을 기판에 증착하기 위한 저온 화학 기상 증착 방법을 제공한다. 루테늄 금속층은 Cu 금속배선 기술에 있어서 장벽/시드층으로서 사용될 수 있으며, 기판은 하나 이상의 비아(via) 또는 트렌치(trench), 또는 그 조합을 갖는 패터닝된 기판일 수 있다.
발명의 실시예에 따르면, 상기 방법은 증착 시스템의 처리 챔버에 기판을 제공하는 공정, Ru3(CO)12 전구체 증기 및 CO 함유 가스를 포함하는 처리 가스를 형성하는 공정, 노출 도중에 약 100℃ 및 약 300℃ 사이의 온도로 유지되는 기판에 처리 가스를 노출하여, 열 화학 기상 증착 처리에 의해, 낮은 전기저항의 루테늄 금속층을 기판에 증착하는 공정을 포함한다.
발명의 실시예에 따르면, 반도체 소자가 제공된다. 상기 반도체 소자는 하나 이상의 비아, 또는 트렌치, 또는 그 조합을 갖는 패터닝된 기판과, 기판에 형성된 약 8 내지 40 마이크로옴(microohm)ㆍcm의 전기저항을 갖는 루테늄 금속층을 포함하며, 노출 도중에 약 100℃ 및 약 300℃ 사이의 온도로 유지되는 기판을 Ru3(CO)12 전구체 증기 및 CO 함유 가스를 포함하는 처리 가스에 노출하여, 열 화학 기상 증착 처리에 의해, 기판에 루테늄 금속층을 증착함으로써, 상기 루테늄 금속층이 증착된다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 증착 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 발명의 또 다른 실시예에 따른 증착 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 발명의 실시예에 따라 기판에 루테늄 금속층을 증착하는 방법을 예시한 것이다.
도 4는 발명의 실시예에 따라 기판 온도의 함수인 루테늄 금속층의 전기저항을 도시한 것이다.
도 5는 발명의 실시예에 따라 형성된 루테늄 금속층의 XRD 패턴을 도시한 것이다.
도 6a-6d는 발명의 실시예에 따라 패터닝된 기판에 루테늄 금속층을 형성하는 것을 개략적으로 도시한 것이다.
아래의 설명에서는, 발명에 대한 철저한 이해를 용이하게 하고, 한정이 아닌 설명을 위하여, 증착 시스템의 특수한 구조 및 다양한 구성요소의 설명과 같은 특정 세부사항을 설명한다. 그러나, 발명은 이러한 특정 세부사항에서 벗어난 다른 실시예로서 실시될 수도 있음을 이해해야 한다.
이하, 도면을 참조하면, 몇몇 도면에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일 또는 대응하는 부품을 나타내며, 도 1은 발명의 하나의 실시예에 따라 루테늄 카르보닐 전구체로부터 기판에 루테늄 금속층을 증착하기 위한 증착 시스템(1)을 예시한 것이다. 증착 시스템(1)은 루테늄 금속층이 형성되어 있는 기판(25)을 지지하도록 구성된 기판 홀더(20)를 갖는 처리 챔버(10)를 포함한다. 처리 챔버(10)는 증기 전구체 전달 시스템(40)을 통해 금속 전구체 기화 시스템(50)과 연결되어 있다.
또한, 처리 챔버(10)는 덕트(36)를 통해 진공 펌핑 시스템(38)에 연결되고, 펌핑 시스템(38)은 기판(25)에 루테늄 금속층을 형성하기에 적당한 압력과, 금속 전구체 기화 시스템(50)에서 루테늄 카르보닐 전구체(52)의 기화(vaporization)에 적당한 압력으로, 처리 챔버(10), 증기 전구체 전달 시스템(40) 및 금속 전구체 기화 시스템(50)을 배기(evacuate)하도록 구성된다.
계속해서 도 1을 참조하면, 금속 전구체 기화 시스템(50)은 루테늄 카르보닐 전구체(52)를 보존하고, 루테늄 카르보닐 전구체(52)를 기화하기에 충분한 온도로 루테늄 카르보닐 전구체(52)를 가열하며, 루테늄 카르보닐 전구체 증기를 증기 전구체 전달 시스템(40)에 도입하도록 구성되어 있다. 루테늄 카르보닐 전구체(52)는 금속 전구체 기화 시스템(50)에서의 선택된 가열 조건 하에서는 고체일 수 있다. 이와 달리, 루테늄 카르보닐 전구체(52)는 액체일 수 있다. 이하에서는, 고체 루테늄 카르보닐 전구체(52)를 사용하여 설명되지만, 당업자는 선택된 가열 조건 하에서 액체인 루테늄 카르보닐 전구체가 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 루테늄 카르보닐 전구체는 고체 Ru3(CO)12 일 수 있다.
루테늄 카르보닐 전구체(52)를 증발(또는 고체 루테늄 카르보닐 전구체(52)를 승화)하기 위한 희망하는 온도를 달성하기 위하여, 금속 전구체 기화 시스템(50)은 기화 온도를 제어하도록 구성된 기화 온도 제어 시스템(54)에 연결되어 있다. 예를 들어, Ru3(CO)12를 승화하기 위하여, 종래의 시스템에서는 루테늄 카르보닐 전구체(52)의 온도가 약 40℃ 및 약 45℃ 사이로 일반적으로 증가된다. 이 온도에서는, Ru3(CO)12의 증기 압력이 예를 들어, 약 1 내지 약 3 mTorr의 범위이다. 루테늄 카르보닐 전구체(52)가 가열되어 증발(또는 승화)을 일으키므로, CO 함유 가스는 루테늄 카르보닐 전구체(52) 상에서 또는 이를 통해, 혹은 그 조합에 의해 전달될 수 있다. CO 함유 가스는 CO와, N2 또는 희가스(noble gas)(즉, He, Ne, Ar, Kr, 또는 Xe)와 같은 불활성 기체, 또는 그 둘 이상의 조합을 함유할 수 있다.
예를 들어, 가스 공급 시스템(60)은 금속 전구체 기화 시스템(50)에 연결되고, 공급 라인(61)을 통해 루테늄 카르보닐 전구체(52) 아래에서, 또는 공급 라인(62)을 통해 루테늄 카르보닐 전구체(52) 상부에서, 예를 들어, CO, 운반 가스, 또는 그 혼합물을 공급하도록 구성된다. 추가로, 또는 그 대안으로서, 가스 공급 시스템(60)은 금속 전구체 기화 시스템(50)의 아래쪽에서 증기 전구체 전달 시스템(40)에 연결되어, 증기 전구체 전달 시스템(40)에 진입할 때 또는 진입한 후에, 공급 라인(63)을 통해 가스를 루테늄 카르보닐 전구체(52)의 증기에 공급한다. 도시되지 않았지만, 가스 공급 시스템(60)은 운반 가스 소스, CO 가스 소스, 하나 이상의 제어 밸브, 하나 이상의 필터, 및 유량 제어기를 포함할 수 있다. 예를 들어, CO 함유 가스의 유량은 약 0.1 sccm(standard cubic centimeters per minute) 및 약 1000 sccm 사이일 수 있다. 이와 달리, CO 함유 가스의 유량은 약 10 sccm 및 약 300 sccm 사이일 수 있다. 또는, CO 함유 가스의 유량은 약 50 sccm 및 약 200 sccm 사이일 수 있다. 발명의 실시예에 따르면, CO 가스의 유량은 약 0.1 sccm 내지 약 1000 sccm의 범위일 수 있다. 또는, CO 가스의 유량은 약 1 sccm 및 약 100 sccm 사이일 수 있다.
금속 전구체 기화 시스템(50)의 아래쪽에는, 그것에 연결된 증기 분배 시스템(30)을 통해 처리 챔버(10)에 진입할 때까지, 루테늄 카르보닐 전구체 증기를 함유하는 처리 가스가 증기 전구체 전달 시스템(40)을 통해 흐른다. 증기 라인 온도 를 제어하고, 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 응축뿐만 아니라 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 분해를 방지하기 위하여, 증기 전구체 전달 시스템(40)은 증기 라인 온도 제어 시스템(42)에 연결될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 처리 챔버(10)의 일부를 구성하며 처리 챔버(10)에 연결되어 있는 증기 분배 시스템(30)은 증기 분배 플레넘(plenum)(32)을 포함하고, 이 증기 분배 플레넘(32) 내에서, 증기는 증기 분배 플레이트(34)를 통과하여 기판(25) 위의 처리 구역(33)을 통과하기 이전에 분산된다. 또한, 증기 분배 플레이트(34)는 증기 분배 플레이트(34)의 온도를 제어하도록 구성된 분배 플레이트 온도 제어 시스템(35)에 연결될 수 있다.
루테늄 카르보닐 전구체 증기를 함유하는 처리 가스가 처리 챔버(10)의 처리 구역(33)에 일단 진입하면, 루테늄 카르보닐 전구체 증기는 기판(25)의 증가된 온도로 인해 기판 표면에서 흡착되면서 열적으로 분해되며, 기판(25) 상에 금속층이 형성된다. 기판 홀더(20)는 기판 온도 제어 시스템(22)에 연결되어 있는 기판 홀더(20)에 의해 기판(25)의 온도를 증가하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 기판 온도 제어 시스템(22)은 기판(25)의 온도를 대략 500℃까지 증가하도록 구성되어 있다. 또한, 처리 챔버(10)는 챔버 벽의 온도를 제어하도록 구성된 챔버 온도 제어 시스템(12)에 연결될 수 있다.
상술한 것과 같이, 예를 들어, 기존의 시스템은 더 높은 온도에서 발생하는 Ru3(CO)12의 분해를 방지하기 위하여, 약 40℃ 내지 약 45℃의 온도 범위 내에서, 증기 전구체 전달 시스템(40)뿐만 아니라 금속 전구체 기화 시스템(50)의 동작을 주목하였다. 예를 들어, Ru3(CO)12는 증가된 온도에서 분해되어 아래에 예시된 것과 같은 부산(by-product)을 형성한다:
Ru3(CO)12(ad) ⇔ Ru3(CO)x(ad) + (12-x)CO(g) (1)
또는,
Ru3(CO)x(ad) ⇔ 3Ru(s) + xCO(g) (2)
여기서, 이러한 부산물은 (ad)를 흡착, 즉, 증착 시스템(1)의 내부 표면에 응축된다. 이러한 표면에서의 물질의 퇴적은 처리 반복성과 같이 하나의 기판에서 다음 기판까지 문제를 일으킬 수 있다. 이와 달리, 예를 들어, Ru3(CO)12는 증착 시스템(1)의 내부 표면에 응축될 수 있다. 다시 말하면, 다음과 같다.
Ru3(CO)12(g) ⇔ Ru3(CO)12(ad) (3)
요약하면, 일부의 루테늄 카르보닐 전구체(예를 들어, Ru3(CO)12)의 낮은 전기 압력과 작은 처리 구간(process window)은 기판(25) 상의 금속층의 매우 낮은 증착 속도로 귀결된다.
현재의 발명자들은 루테늄 카르보닐 증기에 CO 가스를 추가하는 것이 기판으로의 루테늄 카르보닐 전구체의 전달을 제한하는 상술한 문제를 감소시킬 수 있다는 사실을 알게 되었다. 따라서, 발명의 실시예에 따르면, 루테늄 카르보닐 전구체 증기에 CO 가스가 추가되어 가스 라인에서 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 해 리(dissociation)를 감소시킴으로써, 수식(1)의 평형을 좌측으로 이동시키고, 루테늄 카르보닐 전구체의 처리 챔버(10)로의 전달 이전에 증기 전구체 전달 시스템(40)에서 루테늄 카르보닐 전구체의 너무 이른 분해를 감소시킬 수 있다. 발명자들은 루테늄 카르보닐 전구체 증기에 CO 가스를 추가하는 것이 약 40℃ 내지 약 100℃ 또는 그 이상으로 기화 온도를 증가시키는 것을 허용한다고 믿고 있다. 증가된 온도는 루테늄 카르보닐 전구체의 증기 압력을 증가시키게 되어, 처리 챔버로의 루테늄 카르보닐 전구체의 전달이 증가하게 되고, 이로 인해, 기판(25) 상의 금속의 증착 속도가 증가하게 된다. 또한, 발명자들은 루테늄 카르보닐 전구체의 상부에서 또는 이를 통해 Ar 및 CO 가스의 혼합물을 흐르게 하는 것이 루테늄 카르보닐 전구체의 너무 이른 분해를 감소시킨다는 사실을 시각적으로 관찰하였다.
발명의 실시예에 따르면, Ru3(CO)12 전구체 증기에 CO 가스를 추가하는 것은 Ru3(CO)12 전구체 기화 온도를 약 40℃ 내지 약 150℃로 유지하는 것을 허용한다. 이와 달리, 기화 온도는 약 60℃ 내지 약 90℃로 유지될 수 있다.
루테늄 카르보닐 전구체 증기에 CO 가스를 추가하는 것은 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 열 안정성을 증가시키므로, 처리 가스에서의 CO 가스에 대한 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 상대 농도는 특정한 기판 온도의 기판(25) 상의 루테늄 카르보닐 전구체의 분해 속도를 제어하도록 활용될 수 있다. 또한, 기판 온도는 기판(25) 상에서의 금속의 분해 속도(그리고 이로 인한 증착 속도)를 제어하도록 활용될 수 있다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 것과 같이, 루테늄 카르보닐 전 구체의 희망하는 기화 온도를 허용하고 기판(25)에서의 루테늄 카르보닐 전구체의 희망하는 증착 속도를 달성하기 위하여, CO 가스의 양과 기판 온도를 용이하게 변동할 수 있다.
또한, 루테늄 카르보닐 전구체로부터 기판(25)에서의 루테늄 금속 증착이 운동-제한 온도 체제에서 발생하도록 처리 가스 중의 CO 가스의 양이 선택될 수 있다. 예를 들어, 루테늄 금속 증착 처리가 운동-제한 온도 체제에서 발생하는 것이 관찰될 때까지 처리 가스 중의 CO 가스의 양은 증가될 수 있다. 운동-제한 온도 체제는 기판 표면에서의 화학 반응의 운동에 의해 화학 기상 증착 처리의 증착 속도가 제한되는 증착 조건의 범위를 말하는 것이며, 대표적으로, 온도에 대한 증착 속도의 강한 의존성에 특징이 있다. 운동-제한 온도 체제와 달리, 질량-이동(mass-transfer) 제한 체제는 통상적으로 더 높은 기판 온도에서 관찰되며, 기판 표면으로의 화학 반응물의 유동에 의해 증착 속도가 제한되는 증착 조건의 범위를 포함한다. 질량-이동 제한 체제는 루테늄 카르보닐 전구체 유량에 대한 증착 속도의 강한 의존성에 특징이 있으며, 증착 온도에는 독립적이다. 운동-제한 체제에서의 금속 증착은 패터닝된 금속에 대한 루테늄 금속층의 양호한 스텝 커버리지(step coverage) 및 양호한 순응도(conformality)로 통상 귀결된다. 순응도는 측벽 상의 금속층의 가장 두꺼운 부분에 의해 분할된 패터닝된 기판 상의 피처(feature)의 측벽의 금속층 중의 가장 얇은 부분으로서 일반적으로 정의된다. 스텝 커버리지는 피처로부터 떨어진 금속층 두께에 의해 분할된 측벽의 금속층 두께로서 일반적으로 정의된다.
도 1을 다시 참조하면, 증착 시스템(1)은 증착 시스템(1)의 동작을 작동 및 제어하도록 구성된 제어 시스템(80)을 더 포함할 수 있다. 제어 시스템(80)은 처리 챔버(10), 기판 홀더(20), 기판 온도 제어 시스템(22), 챔버 온도 제어 시스템(12), 증기 분배 시스템(30), 증기 전구체 전달 시스템(40), 금속 전구체 기화 시스템(50), 및 가스 공급 시스템(60)에 연결되어 있다.
또 다른 실시예로서, 도 2는 기판에 루테늄 금속층과 같은 금속층을 증착하기 위한 증착 시스템(100)을 예시한 것이다. 증착 시스템(100)은 금속층이 형성되어 있는 기판(125)을 지지하도록 구성된 기판 홀더(120)를 갖는 처리 챔버를 포함한다. 처리 챔버(110)는 루테늄 카르보닐 전구체(152)를 보존 및 기화하도록 구성된 금속 전구체 기화 시스템(150)을 갖는 전구체 전달 시스템(150)과, 루테늄 카르보닐 전구체(152)의 증기를 처리 챔버(110)에 이송하도록 구성된 증기 전구체 전달 시스템(140)에 연결되어 있다.
처리 챔버(110)는 상부 챔버부(111), 하부 챔버부(112) 및 배기 챔버(113)를 포함한다. 하부 챔버부(112) 내에는 개구(114)가 형성되어 있고, 바닥부분(112)은 배기 챔버(113)와 연결되어 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, 기판 홀더(120)는 처리될 기판(또는 웨이퍼)(125)를 지지하는 수평면을 제공한다. 기판 홀더(120)는 배기 챔버(113)의 하부로부터 위쪽으로 연장되어 있는 원통형 지지부재(122)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 기판 홀더(120)는 기판 홀더 온도 제어 시스템(128)에 연결된 히터(126)를 포함한다. 예를 들어, 히터(126)는 하나 이상의 저항성 가열소자를 포함할 수 있다. 이와 달리, 히터(126)는 예를 들어, 텅스텐-할로겐 램프와 같은 복사 가열 시스템(radiant heating system)을 포함할 수 있다. 기판 홀더 온도 제어 시스템(128)은 하나 이상의 가열소자와, 기판 온도, 기판 홀더 온도, 또는 양자의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 온도 센서와, 기판(125) 또는 기판 홀더(120)의 온도를 감시, 조절 또는 제어하는 것 중의 적어도 하나를 수행하도록 구성된 제어기에 전력을 제공하기 위한 전원을 포함할 수 있다.
처리하는 도중에, 가열된 기판(125)은 루테늄 카르보닐 전구체 증기를 분해하여 기판(125)에 금속층의 증착을 가능하게 한다. 실시예에 따르면, 루테늄 카르보닐 전구체(152)는 Ru3(CO)12 일 수 있다. 열 화학 기상 증착 분야의 당업자가 이해할 수 있는 것과 같이, 발명의 범위를 벗어나지 않고도 그 외의 루테늄 카르보닐 전구체가 사용될 수 있다. 기판 홀더(120)는 희망하는 Ru 금속층 또는 그 외의 금속층을 기판(125)에 증착하기에 적당한 소정의 온도로 가열된다. 또한, 챔버 온도 제어 시스템(121)에 연결된 히터(도시하지 않음)는 처리 챔버(110)의 벽에 내장되어 챔버 벽을 소정의 온도로 가열할 수 있다. 히터는 처리 챔버(110)의 벽의 온도를 약 40℃ 내지 약 150℃, 또는 약 40℃ 내지 80℃로 유지할 수 있다. 처리 챔버 압력을 측정하기 위하여 압력 게이지(도시하지 않음)가 사용된다. 발명의 실시예에 따르면, 처리 챔버 압력은 약 11 mTorr 및 약 200 mTorr 사이일 수 있다. 이와 달리, 처리 챔버 압력은 약 5 mTorr 및 약 50 mTorr 사이일 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 것과 같이, 증기 분배 시스템(130)은 처리 챔버(110)의 상부 챔버부(111)에 연결되어 있다. 증기 분배 시스템(130)은 하나 이상의 오리피스(orifice)(134)를 통해 증기 분배 플레넘(132)으로부터 기판(125) 위의 처리 구역(133)으로 전구체 증기를 도입하도록 구성된 증기 분배 플레이트(131)를 포함한다.
또한, 루테늄 카르보닐 전구체 증기를 증기 전구체 전달 시스템(140)으로부터 증기 분배 플레넘(132)에 도입하기 위한 상부 챔버부(111)에는 개구(135)가 구비되어 있다. 또한, 냉각 또는 가열된 유체를 흘리도록 구성된 동심(concentric) 유체 채널과 같은 온도 제어소자(136)는 증기 분배 시스템(130)의 온도를 제어하기 위해 구비되어 있으며, 이에 따라, 증기 분배 시스템(130) 내부에서 루테늄 카르보닐 전구체의 분해 또는 응축을 방지한다. 예를 들어, 물과 같은 유체는 증기 분배 온도 제어 시스템(138)으로부터 유체 채널에 공급될 수 있다. 증기 분배 온도 제어 시스템(138)은 유체 소스와, 열 교환기와, 유체 온도나 증기 분배 플레이트 온도, 또는 양자의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 온도 센서와, 증기 분배 플레이트(131)의 온도를 약 20℃ 내지 약 150℃로 제어하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다.
도 2에 예시된 것과 같이, 금속 전구체 기화 시스템(150)은 루테늄 카르보닐 전구체(152)를 보유하고, 루테늄 카르보닐 전구체의 온도를 증가시킴으로써 루테늄 카르보닐 전구체(152)를 증발(또는 승화)하도록 구성되어 있다. 용어 "기화(vaporization)", "승화(sublimation)" 및 "증발(evaporation)"은 본 명세서에서 교환 가능하도록 사용되어 예를 들어, 고체에서 액체를 거쳐 기체(가스)로, 고체에 서 기체로, 또는 액체에서 기체로의 변환에 관계없이 고체 또는 액체 전구체로부터 증기(가스)의 일반적인 형성을 말한다. 루테늄 카르보닐 전구체(152)를 가열하여 루테늄 카르보닐 전구체(152)를 루테늄 카르보닐 전구체(152)의 희망하는 증기 압력을 생성하는 온도로 유지하기 위하여 전구체 히터(154)가 구비되어 있다. 전구체 히터(154)는 루테늄 카르보닐 전구체(152)의 온도를 제어하도록 구성된 기화 온도 제어 시스템(156)에 연결되어 있다. 예를 들어, 전구체 히터(154)는 루테늄 카르보닐 전구체(152)의 온도를 약 40℃ 내지 약 150℃, 또는 약 60 ℃ 내지 약 90℃로 조절하도록 구성될 수 있다.
루테늄 카르보닐 전구체(152)가 가열되어 증발(또는 승화)을 일으킬 때, CO 함유 가스는 루테늄 카르보닐 전구체(152)의 상부 또는 이를 관통하여, 또는 그 임의의 조합에 의해 전달될 수 있다. CO 함유 가스는 CO와, 희가스(즉, He, Ne, Ar, Kr, Xe)와 같은 불활성 기체를 함유할 수 있다. 이와 달리, 다른 실시예는 불활성 기체의 생략을 고려한 것이다. 발명의 실시예에 따르면, CO 가스가 불활성 기체에 추가될 수 있다. 또는, 다른 실시예는 불활성 기체를 대체하는 CO 가스를 고려한다. 예를 들어, 가스 공급 시스템(160)은 금속 전구체 기화 시스템(150)에 연결되어 있고, 예를 들어, 루테늄 카르보닐 전구체(152) 상에서 또는 이를 관통하여 CO 가스, 불활성 기체, 또는 그 둘의 조합된 가스를 흘리도록 구성되어 있다. 도 2에 도시되어 있지 않지만, 가스 공급 시스템(160)은 부가적으로 또는 하나의 대안으로서, 증기 전구체 전달 시스템(140)에 연결되어, 증기 전구체 전달 시스템(140)에 진입할 때 또는 진입한 후에 운반 가스 및/또는 CO 가스를 금속 전구체(152)의 증 기에 공급할 수 있다. 가스 공급 시스템(160)은 운반 가스, CO 가스, 또는 그 혼합물을 함유하는 가스 소스(161)와, 하나 이상의 제어 밸브(162)와, 하나 이상의 필터(164)와, 유량 제어기(165)를 포함할 수 있다. 예를 들어, CO 함유 가스의 유량은 대략 0.1 sccm 내지 대략 1000 sccm 범위일 수 있다.
또한, 금속 전구체 기화 시스템(150)으로부터의 전체적인 가스 흐름을 측정하기 위해 센서(166)가 구비되어 있다. 센서(166)는 예를 들어, 유량 제어기를 포함할 수 있고, 처리 챔버(110)에 전달되는 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 양은 센서(166) 및 유량 제어기(165)를 이용하여 결정될 수 있다. 이와 달리, 센서(166)는 광 흡수 센서를 포함하여 처리 챔버(110)로의 가스 흐름에서 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 농도를 측정할 수 있다.
바이패스 라인(167)은 센서(166)의 아래쪽에 위치되며, 증기 전달 시스템(140)을 배기 라인(116)에 접속할 수 있다. 바이패스 라인(167)은 증기 전구체 전달 시스템(140)을 배기시키고, 루테늄 카르보닐 전구체의 처리 챔버(110)로의 공급을 안정화하기 위하여 구비되어 있다. 또한, 증기 전구체 전달 시스템(140)의 분기부분의 아래쪽에 위치되어 있는 바이패스 밸브(168)는 바이패스 라인(167)에 구비되어 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, 증기 전구체 전달 시스템(140)은 제1 및 제2밸브(141 및 142)를 각각 갖는 높은 전도도(conductance)의 증기 라인을 포함한다. 또한, 증기 전구체 전달 시스템(140)은 히터(도시하지 않음)를 통해 증기 전구체 전달 시스템(140)을 가열하도록 구성된 증기 라인 온도 제어 시스템(143)을 더 포 함할 수 있다. 증기 라인의 온도는 증기 라인에서 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 응축을 회피하도록 제어될 수 있다. 증기 라인의 온도는 약 20℃ 내지 약 100℃, 또는 약 40℃ 내지 약 90℃로 제어될 수 있다.
또한, CO 가스는 가스 공급 시스템(190)으로부터 공급될 수 있다. 예를 들어, 가스 공급 시스템(190)은 증기 전구체 전달 시스템(140)에 연결되고, 예를 들어, 밸브(141) 아래쪽의 증기 전구체 전달 시스템(140)에서 CO 가스를 루테늄 카르보닐 전구체 증기와 혼합하도록 구성되어 있다. 가스 공급 시스템(190)은 CO 가스 소스(191), 하나 이상의 제어 밸브(192), 하나 이상의 필터(194), 및 유량 제어기(195)를 포함할 수 있다. 예를 들어, CO 가스의 유량은 약 0.1 sccm(standard cubic centimeters per minute) 내지 약 1000 sccm 범위일 수 있다.
유량 제어기(165 및 195) 및 밸브(162, 192, 168, 141 및 142)는 운반 가스, CO 가스 및 루테늄 카르보닐 전구체 증기의 공급, 차단 및 흐름을 제어하는 제어기(196)에 의해 제어된다. 센서(166)도 제어기(195)에 접속되어 있고, 센서(166)의 출력에 기초하여, 제어기(195)는 유량 제어기(165)를 통한 운반 가스 흐름을 제어하여 처리 챔버(110)로의 희망하는 루테늄 카르보닐 전구체 흐름을 얻을 수 있다.
도 2에 예시된 것과 같이, 배기 라인(116)은 배기 챔버(113)를 펌핑 시스템(118)에 접속한다. 진공 펌프(119)는 처리 챔버(110)를 희망하는 진공도(degree of vacuum)로 배기하고, 처리하는 도중에 처리 챔버(110)로부터 가스종(gaseous species)을 제거하기 위하여 사용된다. 자동 압력 제어기(APC : Automatic Pressure Controller)(115) 및 트랩(trap)(117)은 진공 펌프(119)와 직렬로 사용될 수 있다. 진공 펌프(119)는 초당 500 리터(그리고 그 이상)에 이르는 펌프 속도가 가능한 터보 분자 펌프(TMP : Turbo Molecular Pump)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 진공 펌프(119)는 건식 러핑 펌프(dry roughing pump)를 포함할 수 있다. 처리하는 동안, 처리 가스는 처리 챔버(110)에 도입될 수 있고, 챔버 압력은 APC(115)에 의해 조절될 수 있다. APC(115)는 버터플라이형(butterfly-type) 밸브 또는 게이트(gate) 밸브를 포함할 수 있다. 트랩(117)은 처리 챔버(110)로부터 반응하지 않은 루테늄 카르보닐 전구체 물질과 부산물을 수집할 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 처리 챔버(110)의 기판 홀더(120)를 다시 참조하면, 3개의 기판 리프트 핀(127)(2개만 도시되어 있음)은 기판(125)을 유지, 상승 및 하강하기 위해 구비되어 있다. 기판 리프트 핀(127)은 플레이트(123)와 연결되어 있고, 기판 홀더(120)의 상부면 아래로 하강될 수 있다. 예를 들어, 에어 실린더를 활용하는 구동 기구(129)는 플레이트(123)를 상승 및 하강하기 위한 수단을 제공한다. 기판(125)은 로봇 이송 시스템(도시하지 않음)을 통해 게이트 밸브(200) 및 챔버 피드-스루(feed-through) 통로(202)를 거쳐 처리 챔버(110) 속으로 그리고 처리 챔버(110)로부터 이송될 수 있고, 기판 리프트 핀(127)에 의해 수납될 수 있다. 기판(125)이 이송 시스템으로부터 일단 수납되면, 기판 리프트 핀(127)을 하강하여 기판 홀더(120)의 상부면에 하강될 수 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, 제어기(180)는 증착 시스템(100)으로부터의 출력을 감시할 뿐만 아니라 증착 시스템(100)의 입력을 통신 및 활성화하기에 충분한 제어 전압을 발생할 수 있는 마이크로프로세서, 메모리 및 디지털 I/O 포트를 포함한다. 또한, 증착 시스템 제어기(180)는 처리 챔버(110); 제어기(196), 증기 라인 온도 제어 시스템(143), 및 기화 온도 제어 시스템(156)을 포함하는 전구체 전달 시스템(105); 증기 분배 온도 제어 시스템(138); 진공 펌핑 시스템(118); 및 기판 온도 제어 시스템(128)과 연결되어 정보를 교환한다. 진공 펌핑 시스템(118)에서는, 제어기(180)가 처리 챔버(110)에서 압력을 제어하기 위한 자동 압력 제어기(115)와 연결되어 정보를 교환한다. 메모리에 기억된 프로그램은 기억된 처리 레시피(recipe)에 따라 증착 시스템(100)의 상술한 구성요소를 제어하기 위해 사용된다. 증착 시스템 제어기(180)의 하나의 예는 Dell Corporation, Dallas, Texas로부터 입수 가능한 DELL PRECISION WORKSTATION 610™ 이다.
제어기(180)는 메모리에 포함된 하나 이상의 명령의 하나 이상의 시퀀스(sequence)를 실행하는 프로세서에 응답하여 발명의 마이크로프로세서 기반의 처리 스텝의 일부 또는 전부를 수행하는 범용 컴퓨터 시스템으로서 구현될 수도 있다. 이러한 명령은 하드 디스크 또는 분리가능한 매체 드라이브와 같은 또 다른 컴퓨터 판독가능 매체로부터 제어기 메모리에 판독될 수도 있다. 다중 처리 구성의 하나 이상의 프로세서는 제어기 마이크로프로세서로서 채용되어 메인 메모리에 포함된 명령의 시퀀스를 실행할 수도 있다. 또 다른 실시예에서는, 소프트웨어 명령 대신에 또는 이와 조합하여 배선에 의한 회로가 사용될 수도 있다. 따라서, 실시예는 하드웨어 회로 및 소프트웨어의 임의의 특정한 조합에 한정되지 않는다.
제어기(180)는 발명의 교시내용에 따라 프로그램밍 된 명령을 보존하고, 본 발명을 구현하기 위해 필요할 수도 있는 데이터 구조, 테이블, 레코드(record) 또는 그 외의 데이터를 보유하기 위한 제어기 메모리와 같은 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 매체 또는 메모리를 포함한다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예는 컴팩트 디스크, 하드 디스크, 플로피 디스크, 테이프, 광자기 디스크, PROM(EPROM, EEPROM, 플래시 EPROM), DRAM, SRAM, SDRAM, 또는 그 외의 자기 매체, 컴팩트 디스크(예를 들어, CD-ROM), 또는 그 외의 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 또는 홀(hole)의 패턴을 갖는 다른 물리 매체, (아래에서 설명되는) 반송파, 또는 컴퓨터가 판독할 수 있는 임의의 다른 매체이다.
컴퓨터 판독가능 매체의 임의의 하나 또는 그 조합에 기억될 경우, 본 발명은 제어기(180)를 제어하고, 발명을 이행하기 위한 장치 또는 장치들을 구동하며, 및/또는 제어기가 인간 사용자와 상호작용할 수 있도록 하는 소프트웨어를 포함한다. 이러한 소프트웨어는 이하의 것으로 한정되지 않지만, 장치 드라이버, 오퍼레이팅 시스템(operating system), 개발 툴, 및 응용 소프트웨어를 포함할 수도 있다. 이러한 컴퓨터 판독가능 매체는 발명의 이행시에 수행되는 처리의 전부 또는 일부(처리가 분산되어 있을 경우)를 수행하기 위한 본 발명의 컴퓨터 프로그램 제품을 더 포함한다.
본 발명의 컴퓨터 코드 장치는 이하의 것으로 한정되지는 않지만, 스크립트, 기계번역(interpret) 가능한 프로그램, 동적 링크 라이브러리(DLL : Dynamic Link Library), 자바(Java) 클래스, 및 완전한 실행가능 프로그램을 포함하는 임의의 기계번역 가능한 또는 실행가능한 코드 메커니즘일 수도 있다. 또한, 본 발명의 처 리의 일부는 더 나은 성능, 신뢰도 및/또는 비용을 위해 분산될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "컴퓨터 판독가능 매체"는 실행을 위한 제어기(180)의 프로세서에 명령을 제공하는 것에 참여하는 임의의 매체를 말한다. 컴퓨터 판독가능 매체는 이하의 것으로 한정되지는 않지만, 비휘발성 매체, 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하는 다양한 형태를 취할 수도 있다. 비휘발성 매체는 예를 들어, 하드 디스크 또는 분리가능한 매체 드라이브와 같은 광 디스크, 자기 디스크 및 광자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 메인 메모리와 같은 동적 메모리를 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체의 다양한 형태는 하나 이상의 명령의 하나 이상의 시퀀스를 실행을 위한 제어기의 프로세서에 전달하는 것에 관여될 수도 있다. 예를 들어, 명령은 초기에 원격 컴퓨터의 자기 디스크에 운반될 수도 있다. 원격 컴퓨터는 본 발명의 전부 또는 일부를 이행하기 위한 명령을 원격으로 동적 메모리에 로드(load)하고, 이 명령을 네트워크를 통해 제어기(180)에 송신할 수 있다.
제어기(180)는 증착 시스템(100)에 대해 국소적으로 위치되거나, 증착 시스템(100)에 대하여 원격으로 위치될 수도 있다. 예를 들어, 제어기(180)는 직접 접속, 인트라넷, 인터넷, 및 무선 접속의 적어도 하나를 이용하여 증착 시스템(100)과 데이터를 교환할 수도 있다. 제어기(180)는 예를 들어, 고객 사이트(즉, 장치 메이커 등)의 인터라넷에 연결되거나, 예를 들어, 벤더(vendor) 사이트(즉, 장비 제조업자)의 인트라넷에 연결될 수도 있다. 또한, 예를 들어, 제어기(180)는 인터넷에 연결될 수도 있다. 또한, 또 다른 컴퓨터(즉, 제어기, 서버 등)는 예를 들 어, 제어기(180)를 액세스하여 직접 접속, 인트라넷, 및 인터넷 중의 적어도 하나를 통해 데이터를 교환할 수 있다. 당업자가 이해할 수 있는 것과 같이, 제어기(180)는 무선 접속을 통해 증착 시스템(100)과 데이터를 교환할 수도 있다.
도 3은 발명의 실시예에 따라 기판에 루테늄 금속층을 증착하기 위한 방법을 예시한 것이다. 상기 방법(300)은 공정(302)에서, 증착 시스템의 처리 챔버에 기판을 제공하는 것을 포함한다. 예를 들어, 증착 시스템은 도 1 및 도 2에서 상기 설명된 증착 시스템(1, 100)을 포함할 수 있다. 기판은 예를 들어, Si 기판일 수 있다. Si 기판은 형성되는 소자의 타입에 따라 n형 또는 p형 일 수 있다. 기판은 임의의 크기, 예를 들어, 200nm 기판, 300nm 기판, 또는 더욱 큰 기판일 수 있다. 발명의 실시예에 따르면, 도 6a-6d에서 더 설명하는 것과 같이, 기판은 하나 이상의 비아 또는 트렌치, 또는 그 조합을 갖는 패터닝된 기판일 수 있다. 304에서, 루테늄 카르보닐 전구체 증기 및 CO 함유 가스를 함유하는 처리 가스가 형성된다. 처리 가스는 Ar과 같은 불활성 운반 가스를 더 함유할 수 있다. 발명의 하나의 실시예에 따르면, 루테늄 카르보닐 전구체는 Ru3(CO)12 일 수 있다. 루테늄 카르보닐 전구체 증기에 CO 함유 가스를 추가하는 것은 루테늄 카르보닐 전구체의 기화 온도를 증가시키는 것을 허용한다. 증가된 온도는 루테늄 카르보닐 전구체의 증기 압력을 증가시키게 되어, 루테늄 카르보닐 전구체의 처리 챔버로의 전달을 증가시키며, 이로 인해, 기판에서의 루테늄 금속의 증착 속도를 증가시킨다.
발명의 실시예에 따르면, 루테늄 카르보닐 전구체를 가열하여 루테늄 카르보 닐 전구체 증기를 형성하고, CO 함유 가스를 루테늄 카르보닐 전구체 증기와 혼합함으로써 처리 가스가 형성될 수 있다. 발명의 실시예에 따르면, CO 함유 가스는 루테늄 카르보닐 전구체로부터 아래쪽에서 루테늄 카르보닐 전구체 증기와 혼합될 수 있다. 발명의 또 다른 실시예에 따르면, CO 함유 가스를 루테늄 카르보닐 전구체의 상부에서 또는 이를 관통하여 흐르게 함으로써, CO 함유 가스가 루테늄 카르보닐 전구체 증기와 혼합될 수 있다.
306에서는, 기판이 처리 가스에 노출되어, 열 화학 기상 증착 처리에 의해 기판에 낮은 전기저항의 루테늄 금속층을 증착한다. 발명의 실시예에 따르면, 루테늄 금속층은 약 100℃ 및 약 300℃ 사이의 기판 온도에서 증착될 수 있다. 이와 달리, 기판 온도는 약 180℃ 및 약 250℃ 사이일 수 있다. 발명의 실시예에 따르면, 루테늄 금속층의 두께는 약 10 옹스트롬(angstrom) 및 약 300 옹스트롬 사이일 수 있다. 또는, 그 두께는 약 20 옹스트롬 및 약 50 옹스트롬 사이일 수 있다.
당업자가 이해할 수 있는 것과 같이, 도 3의 순서도의 각 스텝 또는 단계는 하나 이상의 분리된 스텝 및/또는 동작을 포함할 수도 있다. 따라서, 3개의 스텝(302, 304, 306)만을 설명하는 것을 본 발명의 방법을 3개의 스텝 또는 단계로 한정하는 것으로 이해하지는 말아야 한다. 또한, 각각의 대표적인 스텝 또는 단계(302, 304, 306)는 하나의 처리만으로 한정하는 것으로 이해하지는 말아야 한다.
도 4는 발명의 실시예에 따라 기판 온도의 함수인 루테늄 금속층의 전기저항을 도시한 것이다. 궤적(trace)(480)은 Ru3(CO)12, Ar 및 CO를 함유하는 처리 가스 를 이용하여 기판 온도의 함수로서 증착된 루테늄 금속층의 전기저항을 도시한 것이며, CO + Ar 운반 가스는 고체 Ru3(CO)12 전구체를 통해 흐르게 된다. 궤적(480)에 의해 알 수 있는 것과 같이, 루테늄 금속층의 전기저항은 약 300℃에서 약 40 마이크로옴(microohm)ㆍcm로부터 약 220℃에서 약 25 마이크로옴ㆍcm로 감소하고, 약 150℃에서 약 35 마이크로옴ㆍcm로 증가한다. 7.1 마이크로옴ㆍcm의 대량의 루테늄 저항과 비교하면, 이러한 전기저항의 값은 루테늄 금속층을 반도체 소자에 집적하기에 합당하다.
도 4의 궤적(480)에 의해 표시된 전기저항의 결과는 220℃ 근처에서 예기치 않게 전기저항 최소값을 나타내고 있다. 금속막의 오염물은 금속막의 전기저항을 통상 증가시키는 것으로 알려져 있다. 루테늄 금속층의 2차이온 질량분석(SIMS : Secondary Ion Mass Spectroscopy)은 220℃ 근처에서 증착된 층이 더 높은 온도에서 증착된 층보다 탄소 및 산소 오염물에 있어서 상당히 더 낮은 양을 함유하고 있음을 보여주였다. 약 220℃ 미만의 온도에 관해서는, CO가 이러한 온도에서 증착된 층으로부터 완전히 탈착될 수 없고 CO가 그 층에 포함됨으로써, 그 층의 전기저항을 증가시키게 된다고 발명자들은 추측하고 있다. 이것은 Ru(001) 기판으로부터의 CO의 열 증착 연구에 의해 뒷받침될 수 있으며, 매우 낮은 온도에서 기판에 흡착된 CO 가스는 약 25 및 약 225℃ 사이의 온도에서 기판으로부터 탈착된다. 바꾸어 말하면, Ru(001) 기판이 220℃ 근처의 온도에서 유지되면, 대부분 또는 모든 CO가 기판에 흡착된 상태로 머물러 있지 않을 것이다.
궤적(480)에서의 루테늄 금속층의 두께는 약 100 옹스트롬이었고, 증착 속도는 약 6 옹스트롬/min 및 약 9 옹스트롬/min 사이였고, Ru3(CO)12 전구체의 온도는 80℃였다. 그러나, 증착 속도는 더 높은 전도도의 증기 전구체 전달 시스템(도 1 및 도 2 참조)을 이용하여 약 30 옹스트롬/min 또는 그 이상으로 증가될 수 있다고 발명자들은 믿고 있다. 궤적(480)에서, 증착 조건은 15mTorr의 처리 챔버 압력, 50 sccm의 Ar 유량, 및 300 sccm의 CO 유량을 더 포함하였다. 이러한 조건은 처리 챔버에서 13mTorr의 CO 부분 압력에 대응한다. 비교를 위하여, 궤적(490)은 Ru3(CO)12 및 Ar을 함유하는 처리 가스에 대한 기판 온도의 함수인 증착된 루테늄 금속층의 전기저항을 도시한 것이다.
도 4에서, 궤적(480 및 490)을 비교하면, CO 가스가 사용되지 않았던 궤적(490)에서 관찰된 추세와는 반대로, 약 300℃ 이하로 기판 온도를 낮추면, 궤적(480)에서 루테늄 금속층의 전기저항이 떨어진다. 중요한 점은, 궤적(480)에 도시된 결과는 Ru3(CO)12 및 CO(그리고 불활성 Ar 가스)를 함유하는 처리 가스를 이용하여 약 150℃ 및 약 300℃ 사이의 기판 온도에서 열 CVD 처리에 의해 낮은 전기저항의 루테늄 금속층이 증착될 수 있음을 나타낸다는 것이다. 또한, 발명자들은 루테늄 금속층이 약 100℃ 정도로 낮은 기판 온도에서 증착될 수 있다고 믿고 있다. 도 4의 예상하지 못한 결과의 하나의 암시는 다양한 저 유전상수(low-k) 물질과 같은 온도 민감성 물질로 루테늄 금속층을 증착 및 집적할 가능성이 있다는 것이다. 도 6을 참조하여 이하에서 설명하는 것과 같이, 루테늄 금속층은 구리 금속배선 응 용을 위하여 장벽층, 시드층 또는 그 양자로서 사용될 수 있다.
도 5는 발명의 실시예에 따라 형성된 루테늄 금속층의 X-선 회절(XRD : X-Ray Diffraction) 패턴을 도시한 것이다. 증착된 루테늄 금속층의 결정학적 배향은 XRD를 이용하여 측정되었고, 연구된 처리 조건에 대하여, 모든 회절 라인은 루테늄 금속층 및 그 하부의 Si 기판에 할당될 수 있었다. 특히, Ru(002) 결정학적 배향에 대응하는 42.3도(degree)의 XRD 강도(intensity)와, Ru(101) 결정학적 배향에 대응하는 44.1도의 XRD 강도가 측정되었다. 또한, 도 5에 도시된 것과 같이, Ru(102), Ru(110), Ru(103) 및 Ru(201)에 대응하는 XRD 피처가 관찰되었다. Ru 금속과 같은 조밀육방격자(hcp : hexagonal close-packed) 구조에 대하여, 열역학적으로 가장 안정된 배향은 Ru(002)이다.
220℃의 기판 온도에서 증착된 낮은 전기저항의 루테늄 금속층에 대응하는 도 5의 궤적(502)은 Ru(101)에 대응하는 강한 강도와 Ru(002)에 대응하는 매우 약한 강도에 특징이 있는 XRD 패턴을 보여준다. 각각 330℃, 350℃ 및 380℃의 기판 온도에서 증착된 높은 전기저항의 루테늄 금속층에 대응하는 도 5의 궤적(504, 506 및 508)은 서로 필적하는 Ru(002) 및 Ru(101) 강도에 특징이 있는 XRD 패턴을 보여준다. Ru(002)/Ru(101) 비율은 220℃, 320℃, 350℃ 및 380℃의 기판 온도에 대해 각각 ~0, 0.77, 0.83 및 0.83이다. 비교를 위하여, Ru3(CO)12 및 Ar(그러나 CO 가스 없음)을 이용하여 320℃의 기판 온도에서 증착된 높은 전기저항의 루테늄 금속층도 궤적(504, 506 및 508)과 같이 서로 필적하는 Ru(002) 및 Ru(101) 강도를 보 여주었다.
320℃ 및 그 이상의 기판 온도에서 Ru3(CO)12, CO 및 Ar 가스를 함유하는 처리 가스를 이용하여 증착된 루테늄 금속층에 대해 취해진 주사전자현미경(SEM : Scanning Electron Micrograph)의 시각적 검사는 약 5-10nm의 입자 크기를 갖는 윤곽이 분명한 입자를 보여주었다. 또한, 220℃의 기판 온도에서 증착된 루테늄 금속층의 SEM은 윤곽이 분명한 입자를 보여주지 않았다. 비교를 위하여, 320℃의 기판 온도에서 Ru3(CO)12 및 Ar 가스를 함유하는 처리 가스를 이용하여 증착된 루테늄 금속층에 대해 취해진 SEM은 약 20-40nm의 입자 크기를 갖는 윤곽이 분명한 입자를 보여주었다.
고결정성(highly-crystalline)의 얇은 확산 장벽층은 확산 장벽층을 통해 그 하부의 유전체층 또는 기판으로의 구리 금속의 용이한 마이그레이션(migration)을 위한 확산 경로를 제공할 수 있으므로, 작은 입자 크기를 갖는 확산 장벽층이 구리 금속배선을 위해 필요하다는 것을 제안하였다. 따라서, 발명의 실시예에 따라 얇은 루테늄 금속층이 Si 기판(200mm 웨이퍼)에 증착되었고, 구리 금속배선을 위한 확산층으로서 검사되었다. 루테늄 층은 2.5, 5 및 10nm 두께였고, 150℃ 및 220℃의 기판 온도에서 증착되었다. 다음으로, 이온화 물리 기상 증착(IPVD : Ionized Physical Vapor Deposition)에 의해 구리가 루테늄 금속층에 증착되었다. 다음으로, N2 분위기의 400℃에서 30분 동안 기판에 대해 어닐링(annealing) 처리가 행해졌다. 어닐링 이후에 기판의 면저항(sheet resistance)을 측정하여 루테늄 장벽 특성이 평가되었다. 면저항 측정값은 150℃에서 증착된 모든 루테늄 층이 양호한 장벽 특성을 가지는 것을 보여준 반면, 220℃에서 증착된 5nm 및 10nm 두께의 루테늄 층만 구리 금속배선으로 공통적으로 사용되는 IPVD-TaN/Ta(5nm/5nm) 기준 장벽에 대해 관찰된 것과 유사하게 양호한 장벽 특성을 보여주었다.
상기 결과는 CO 가스를 이용하여 낮은 기판 온도에서 증착된 루테늄 금속층이 낮은 Ru(002)/Ru(101) 비율을 가지며 양호한 장벽 특성을 나타낸다는 것을 보여준다. 이것은 약 300℃ 이상의 기판 온도에서 CO 가스에 의해 또는 CO 가스 없이 증착된 루테늄 금속층에 대해 관찰된 것과 상반된다.
도 6a-6d는 발명의 실시예에 따라 패터닝된 기판에 루테늄 금속층을 형성하는 것을 개략적으로 도시한 것이다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 것과 같이, 발명의 실시예는 하나 이상의 비아, 트렌치, 또는 그 조합을 갖는 패터닝된 기판에 적용될 수 있다. 도 6a는 발명의 실시예에 따라 패터닝된 구조(402)에 루테늄 금속층(440)을 증착하는 것을 개략적으로 도시한 것이다. 패터닝된 구조(402)는 제1금속층(410)과, 개구(430)를 갖는 패터닝된 층(420)을 가진다. 패터닝된 층(420)은 예를 들어, 유전체 물질일 수 있다. 개구(430)는 예를 들어, 비아 또는 트렌치일 수 있다. 상기 구조(402)는 개구(430) 내의 패터닝된 층(420) 및 제1금속층(410)에 증착된 루테늄 금속층(440)을 더 포함한다.
도 6b는 도 6a의 개구(430)에 증착된 Cu 층(470)을 갖는 패터닝된 구조(404)를 개략적으로 도시한 것이다. Cu 층(470)은 예를 들어, 전체 구조(404)의 상부에 Cu 도금 처리를 하고, 그 다음에, 화학 기계 처리에 의해 평탄화를 행하고 개 구(430)로부터 떨어진 영역으로부터 Cu를 제거하여 증착될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예에 따르면, 루테늄 금속층(440)은 루테늄 금속층(440)으로의 이후의 Cu 증착을 위한 장벽층 및 시드층일 수 있다.
도 6c는 발명의 또 다른 실시예에 따라 패터닝된 구조(406)에 루테늄 금속층(460)을 증착하는 것을 개략적으로 도시한 것이다. 패터닝된 구조(406)는 제1금속층(410)과, 개구(430)를 갖는 패터닝된 층(420)을 포함한다. 장벽층(450)이 패터닝된 구조(406)에 증착되고, 장벽층(450)에 루테늄 금속층(460)이 증착된다. 장벽층(450)은 예를 들어, 탄탈-함유 물질(예를 들어, Ta, TaN, 또는 TaCN, 또는 그 둘 이상의 조합) 또는 텅스텐 물질을 포함할 수 있다. 패터닝된 층(420)은 예를 들어, 유전체 물질일 수 있다. 개구(430)는 예를 들어, 비아 또는 트렌치일 수 있다.
하나의 예로서, 약 140nm의 폭과 420nm의 깊이(종횡비 ~3)의 개구(430)를 갖는 패터닝된 구조(406)에 150℃의 온도에서 루테늄 금속층(460)이 증착되었다. 스텝 커버리지는 80%보다 컸다. 장벽층(450)은 TaN(2.5nm) 및 Ta(4nm)를 포함하였다. 처리 챔버 압력은 15mTorr였고, CO 유량은 300 sccm, Ar 유량은 50 sccm이었다.
도 6d는 패터닝된 구조(408)의 개구(430)에서의 Cu 층(470)의 증착을 개략적으로 도시한 것이다. Cu 층(470)은 예를 들어, 도 6b를 참조하여 설명된 것과 같이 증착될 수 있다. 도 6c 및 도 6d에 도시된 실시예에 따르면, 루테늄 금속층(460)은 루테늄 금속층(460)으로의 이후의 Cu 증착을 위한 시드층일 수 있다.
본 발명의 특정한 예시적인 실시예에 대해서만 상술하였지만, 당업자는 본 발명의 신규한 교시내용 및 장점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고도 예시적인 실시예에서 다양한 변형이 가능하다는 점을 용이하게 이해할 것이다. 따라서, 이러한 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 사료된다.

Claims (25)

  1. 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법으로서,
    증착 시스템의 처리 챔버에 기판을 제공하는 공정;
    Ru3(CO)12 전구체 증기 및 CO 함유 가스를 함유하는 처리 가스를 형성하는 공정; 및
    열 화학 기상 증착 처리에 의해 상기 기판에 낮은 전기저항의 루테늄 금속층을 증착하기 위하여 상기 기판을 상기 처리 가스에 노출하는 공정으로서, 상기 기판은 노출 도중에 약 100℃ 와 약 300℃ 사이의 온도로 유지되는 것인, 노출 공정을 포함하는, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 노출 공정은, 약 180℃ 와 약 250℃ 사이의 온도에서 기판을 유지하는 공정을 포함하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 루테늄 금속층의 전기저항은, 약 8 마이크로옴ㆍcm 와 약 40 마이크로옴ㆍcm 사이의 값을 가지는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 루테늄 금속층의 전기저항은 약 20 마이크로옴ㆍcm 와 약 30 마이크로옴ㆍcm 사이의 값을 가지는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 노출 공정은, 기판 온도에서 행해져서 주로 Ru(101) 결정학적 배향을 갖는 루테늄 금속층을 생성하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 노출 공정은, 상기 루테늄 금속층을 약 10 옹스트롬 과 약 300 옹스트롬 사이의 두께로 증착하기에 충분한 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 노출 공정은, 상기 루테늄 금속층을 약 20 옹스트롬과 약 50 옹스트롬 사이의 두께로 증착하기에 충분한 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 형성 공정은,
    Ru3(CO)12 전구체 증기를 형성하기 위하여 Ru3(CO)12 전구체를 가열하는 공정; 및
    CO 함유 가스를 상기 Ru3(CO)12 전구체 증기와 혼합하는 공정을 포함하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 가열 공정은, 약 40℃ 와 약 150℃ 사이의 온도로 상기 Ru3(CO)12 전구체를 유지하는 공정을 포함하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 가열 공정은, 약 60℃ 와 약 150℃ 사이의 온도로 상기 Ru3(CO)12 전구체를 유지하는 공정을 포함하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 혼합 공정은, 상기 Ru3(CO)12 전구체로부터 아래쪽에서 상기 CO 함유 가스를 상기 Ru3(CO)12 전구체 증기와 혼합하는 공정을 포함하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 혼합 공정은,
    상기 Ru3(CO)12 전구체의 상부 또는 이를 관통하여 상기 CO 함유 가스를 흐르게 하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 CO 함유 가스의 유량은 약 0.1 sccm 과 약 1000 sccm 사이의 값을 가지는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 CO 함유 가스의 유량은 약 10 sccm 과 약 300 sccm 사이의 값을 가지는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 CO 함유 가스는 CO 및 불활성 기체를 포함하는 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출 도중에 약 1mTorr 와 약 200mTorr 사이의 압력으로 상기 처리 챔버를 유지하는 공정을 더 포함하는, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출 도중에 약 5mTorr 와 약 50mTorr 사이의 압력으로 상기 처리 챔버를 유지하는 공정을 더 포함하는, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 하나 이상의 비아, 트렌치, 또는 그 조합을 포함하는 패터닝된 기판인 것인, 기판에 루테늄 금속층을 저온 증착하는 방법.
  19. 증착 시스템 프로세서에 의해 실행될 경우, 증착 시스템으로 하여금 제 1 항에 기재된 방법의 공정들을 수행하게 하는, 증착 시스템 프로세서에서의 실행을 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체.
  20. 하나 이상의 비아, 트렌치, 또는 그 조합을 갖는 패터닝된 기판; 및
    상기 기판에 형성된 약 8-40 마이크로옴ㆍcm의 전기저항을 갖는 루테늄 금속층을 포함하고,
    상기 루테늄 금속층은 상기 기판을 Ru3(CO)12 전구체 증기를 함유하는 가스와 CO 함유 가스에 노출하여 열 화학 기상 증착 처리에 의해 상기 기판에 상기 루테늄 금속층을 증착하여 형성되며, 상기 기판은 상기 노출 도중에 약 100℃ 와 약 300℃ 사이의 온도로 유지되는 것인, 반도체 소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 패터닝된 기판은 상기 루테늄 금속층이 증착되어 형성된 장벽층을 더 포함하는 것인, 반도체 소자.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 장벽층은 상기 루테늄 금속층이 증착되는 탄탈 함유층 또는 텅스텐 함유층을 포함하는 것인, 반도체 소자.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 루테늄 금속층의 결정 배향은 주로 Ru(101)인 것인, 반도체 소자.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 루테늄 금속층의 두께는 약 10 옹스트롬과 약 300 옹스트롬 사이의 값을 가지는 것인, 반도체 소자.
  25. 제 20 항에 있어서, 하나 이상의 비아, 트렌치, 또는 그 조합 내부의 루테늄 금속층에 증착된 구리층을 더 포함하는 것인, 반도체 소자.
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