KR20080066619A - 루테늄 사산화물을 사용한 루테늄 막 형성 방법 - Google Patents

루테늄 사산화물을 사용한 루테늄 막 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 루테늄 막 형성 방법에 의하면, 루테늄 사산화물(RuO4)이 포함된 원료 기체들을 순차적으로 공급하는 원료 기체 공급 주기를 되풀이할 때 원료 공급 주기 1회 동안 기판 표면에서 통상적인 원자층 증착법보다 더 두꺼운 루테늄 층을 형성할 수 있기 때문에 종횡비가 큰 구조에도 단차 피복성이 좋은 루테늄 금속 막을 빠른 속도로 형성할 수 있다.
루테늄 사산화물, 루테늄 막, 단차 피복성, 빠른 속도

Description

루테늄 사산화물을 사용한 루테늄 막 형성 방법{Method of depositing ruthenium film using ruthenium tetroxide}
본 발명은 기체 상태의 원료들을 공급하여 루테늄 막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 반응 원료들을 연속적으로 공급하지 않고 단속적이나 순차적으로 공급하여 루테늄 막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
루테늄 금속 막은 강유전체 메모리 소자의 전극 물질, 게이트 전극 물질 등의 용도로 연구되어 왔고 최근에는 차세대 DRAM의 전극 물질과 구리 배선의 확산 방지막 응용에 관심이 높아지고 있다. DRAM용 전극으로 이용되기 위해서는 약 10nm 정도 두께의 루테늄 막을 종횡비가 큰 DRAM 구조에 형성할 필요가 있다. 스퍼터링법과 같은 물리 증착법은 단차 피복성이 매우 나쁘므로 DRAM 전극 물질을 형성하는 데에 사용할 수 없다.
루테늄 시클로펜타디에닐 화합물이나 액체 상태의 bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium [Ru(EtCp)2]와 같은 루테늄의 유기 금속 화합물과 산소(O2) 기체를 사용하여 Ru이나 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 단차 피복성이 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. ALD 원료 기체 공급 주기는 흔히 금속 원료 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급 - 반응 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급의 4단계로 이루어진 원료 기체 공급 주기를 반복한다.
원자층 증착 반응기는 보통 밸브를 이용하여 반응기에 공급되는 원료 기체의 흐름을 조절한다. 불활성 퍼지 기체로는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 기체 등이 흔히 사용된다.
200~400℃ 정도의 기판 온도와 수백mTorr에서 수십 Torr의 압력에서 루테늄 시클로펜타디에닐 화합물이나 bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium [Ru(EtCp)2]와 같은 루테늄의 유기 금속 화합물과 산소(O2) 기체를 번갈아 공급하는 원자층 증착법에서는 ALD 원료 기체 공급 주기 1회 동안 0.1~0.5Å 두께의 루테늄 층이 형성된 다[T. Aaltonen, P. Alen, Mikko Ritala and M. Leskela "Ruthenium Thin Film Grown by Atomic Layer Deposition" Chem. Vap. Deposition 9[1], 45 (2003)].
루테늄 사산화물(RuO4) 화합물은 산소 기체(O2)보다 더 강한 산화제이므로 수소 기체(H2)나 다른 환원성의 기체와 반응하여 루테늄 막을 형성한다. 그리고 루테늄 사산화물 화합물에는 탄소가 포함되어 있지 않으므로 루테늄 사산화물 화합물을 사용하여 형성한 루테늄 막에는 탄소 불순물이 포함되지 않는다. 루테늄 사산화물 화합물을 이용한 화학 증착법 및 원자층 증착법이 알려져 있다. [J. Gatineau and C. Dussarrat, US Patent Application 2005/0238808]. 원자층 증착법에 루테늄 사산화물을 이용하는 경우 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급 - 수소(H2) 또는 다른 환원성 원료 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급의 순서를 반복하여 루테늄 막을 형성한다. 화학 증착이나 원자층 증착에 사용하는 루테늄 사산화물 화합물은 루테늄 금속과 오존(O3) 기체가 반응하여 생성한 루테늄 사산화물을 사용할 수도 있고 루테늄 사산화물 용액을 용매와 함께 기화시킨 원료 기체를 사용할 수도 있다.
이러한 원자층 증착법을 이용하여 메모리 소자의 전극으로 필요한 10nm, 즉 100Å 두께의 루테늄 층을 형성하는 데에는 200~1000회의 기체 공급 주기가 필요하다. 종횡비가 20:1 이상인 요철이 심한 DRAM 구조 안에 원료 기체를 공급하고 남은 원료 기체와 반응 부산물을 퍼지하는 데에는 보통 수십 초의 시간이 필요하므로 이러한 종래의 원자층 증착법은 단위 시간 당 루테늄 증착 속도가 느려서 증착 공정과 장비의 생산성이 떨어지는 문제가 있다.
루테늄 증착 공정과 장비의 생산성을 높이기 위해서는 단위 시간에 형성하는 루테늄 층의 두께를 증가시킬 수 있는 증착 방법이 필요하다.
본 발명의 기술적 과제는 종횡비가 큰 표면에 단차 피복성이 우수한 루테늄 막을 빠른 속도로 형성하는 방법을 제공하는 데에 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 기판을 화학 증착 반응기에 장착하는 단계, 그리고 상기 반응기에 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계, 상기 반응기에 불활성 기체를 공급하는 단계, 상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계 및 상기 반응기에 불활성 기체를 공급하는 단계를 포함하는 증착 사이클을 복수 회 반복하는 단계를 포함한다.
상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계는 산소(O2) 기 체와 아산화질소(N2O)에서 선택된 산화 기체와 동시에 루테늄 사산화물 기체를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 증착 사이클은 상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계 전 또는 후 또는 전후 모두에 상기 반응기에 산소(O2) 기체를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계는 상기 루테늄 유기 금속화합물과 동시에 환원성 기체를 함께 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 증착 사이클은 상기 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계 전 또는 후 또는 전후 모두에 환원성 기체를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 반응기는 화학적 기상 증착 반응기를 포함할 수 있다.
상기 기판은 2:1 이상의 외관 비를 가지는 표면 형태를 가질 수 있다.
상기 기판은 20:1 이상의 외관 비를 가지는 표면 형태를 가질 수 있다.
상기 기판은 일부 형성된 메모리 어레이(memory arrary)에서 20:1 이상의 외관 비를 가지는 복수의 표면 형태를 포함할 수 있다.
상기 루테늄 유기 금속화합물은 루테늄의 시클로펜타다이에닐 화합물(cyclopentadienyl compound)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄막 증착 방법은 기판을 화학 증착 반응기에 장착하는 단계, 그리고 상기 기판에 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계, 상기 반응기로부터 초과된 루테늄 유기 금속화합물을 제거하는 단계, 상기 기판에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계 및 상기 반응기로부터 초과된 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 제거하는 단계를 포함하는 증착 사이클을 복수 회 반복하는 단계를 포함한다.
상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계는 산소(O2) 기체와 아산화질소(N2O)에서 선택된 산화 기체와 동시에 루테늄 사산화물 기체를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계는 상기 루테늄 유기 금속화합물과 동시에 환원성 기체를 함께 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계는 산소(O2) 기체와 아산화질소(N2O)에서 선택된 산화 기체와 동시에 루테늄 사산화물 기체를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응기로부터 초과된 루테늄 유기 금속화합물을 제거하는 단계 및 상기 반응기로부터 초과된 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 제거하는 단계는 퍼지 기체를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄막 증착 방법은 기판을 화학 증착 반응기에 장착하는 단계, 그리고 상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 기체를 동시에 공급하는 단계, 상기 반응기에 불활성 기체를 1차 공급하는 단계 및 상기 반응기에 환원성 기체를 공급하는 단계를 포함하는 증착 사이클을 복수 회 반복하는 단계를 포함한다.
상기 환원성 기체는 수소(H2), 실란(SiH4), 디실란(Si2H8), 보레인(BH3), 그리고 디보레인(B2H6)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 루테늄 사산화물 기체 및 환원성 기체 공급 단계는 약 1초 내지 약 10초 동안 지속될 수 있다.
상기 증착 사이클은 상기 반응기에 환원성 기체를 공급하는 단계 후에, 상기 반응기에 불활성 기체를 2차 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 불활성 기체를 2차 공급하는 단계는 약 10초 이하 동안 지속될 수 있다.
상기 증착 사이클은 약 140℃ 내지 약 500℃의 온도를 가지는 기판 위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 루테늄 막 형성 방법에 의하면, 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 비연속적이거나 순차적으로 반응기에 공급하여, 루테늄 사산화물(RuO4)이 포함된 원료 기체들을 순차적으로 공급하는 원료 기체 공급 주기를 되풀이할 때 원료 공급 주기 1회 동안 기판 표면에서 통상적인 원자층 증착법보다 더 두꺼운 루테늄 층을 형성할 수 있기 때문에 종횡비가 큰 구조에도 단차 피복성이 좋은 루테늄 금속 막을 빠른 속도로 형성할 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 알려주기 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 막 증착 방법에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 한 예를 나타내는 순서도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 원료 기체 공급은 증착 반응기에 루테늄 유기 금속 화합물 기체를 공급하는 단계(110), 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(120), 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계(130), 그리고 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(140)를 포함하고, 이 과정이 반복된다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에서는 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계(130)를 포함하는데, 루테늄 사산화물(RuO4)은 강력한 산화제의 성질을 가진다. 루테늄 사산화물(RuO4)은 산소(O2) 기체보다 더 강한 산화제이므로 루테늄 유기 금속 화합물과 효과적으로 반응하여 루테늄 막을 형성할 수 있다. 따라서, 루테늄 사산화물(RuO4) 기체 공급 단계(130)에서 공급된 루테늄 사산화물(RuO4)은 흡착되어 있던 루테늄 유기 금속 화합물과 반응하여 루테늄 막으로 전환된다. 또한, 동시에 루테늄 사산화물(RuO4)은 전환된 루테늄(Ru) 막 위에 흡착되어 잔류한다. 따라서, 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(140) 후에 표면에 잔류하는 루테늄 사산화물(RuO4)은 다음 기체 공급 주기의 루테늄 유기 금속 화합물 기체를 공급하는 단계(110)에서 공급된 루테늄 유기 금속 화합물과 다시 반응하여 루테늄 막으로 전환된다. 이때, 루테늄 유기 금속 화합물로는 흔히 쓰이는 Ru(EtCp)2 등의 시클로펜타디에닐((cyclopentadienyl) 계열의 루테늄 화합물 이외에도 증기압이 충분하다면 다른 루테늄 유기 금속 화합물을 사용할 수 있다.
반응기의 부피와 구조에 따라 차이가 있지만, 각각의 기체 공급 단계는 약 0.2초 내지 약 10초 동안 지속하는 것이 바람직하다.
기존에 알려진 루테늄의 원자층 증착법에서는 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급 - 수소(H2) 또는 환원성 원료 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급의 순서로 원료 기체들을 공급하여 루테늄 막을 형성하거나, 루테늄 유기 금속 화합물 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급 - 산소 또는 산화성 원료 기체 공급 - 불활성 퍼지 기체 공급의 순서로 원료 기체들을 공급하기 때문에ALD 원료 공급 주기 1회 동안 표면에서 루테늄 원자층을 형성하는 반응이 1번 일어난다.
그러나 본 발명의 실시예에 따른 방법에서는, ALD 원료 기체 공급 주기 1회 동안 기판 표면에서 루테늄 원자층을 형성하는 반응이 루테늄 유기 금속 화합물을 공급할 때에 1회, 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급할 때에 1회, 총 2회 발생한다. 따라서 ALD 원료 공급 주기의 시간이 같은 경우 이 방법은 기존에 알려진 루테늄 원자층 증착법보다 약 2배의 속도로 루테늄 막을 형성할 수 있다.
그러면 도 2를 참고로 하여, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 한 예를 나타내는 순서도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 원료 기체 공급은 증착 반응기에 루테늄 유기 금속 화합물 기체를 공급하는 단계(210), 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(220), 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 산소(O2) 기체를 동시에 공급하는 단계(230), 그리고 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(240)를 포함한다.
루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 산소 기체(O2)는 서로 반응하지 않으므로 함께 공급할 수 있다(230). 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에서는 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 산소 기체를 동시에 공급하는 단계(230) 전이나 그 후나 그 전후 모두에 산소 기체만을 공급하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 추가한 산소 기체는 기판에 흡착한 루테늄 유기 금속 화합물의 산화를 더 효과적으 로 할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에서는 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 산소(O2) 기체를 동시에 공급하는 단계(230)에서 산소 기체 대신 아산화질소(N2O) 기체를 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 함께 공급(230)할 수도 있다. 이때, 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 아산화질소(N2O) 기체를 동시에 공급하는 단계(230) 전이나 그 후나 그 전후 모두에 아산화질소(N2O) 기체를 공급하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
그러면 도 3a 및 도 3b를 참고로 하여, 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 대하여 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 예들을 나타내는 순서도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 원료 기체 공급은 증착 반응기에 루테늄 유기 금속 화합물과 환원성 기체를 함께 공급하는 단계(310), 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(320), 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 산소 기체(O2)를 함께 공급하는 단계(330), 그리고 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(340)를 포함한다.
도 3b를 참고로 하면, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 원료 기체 공급은 증착 반응기에 루테늄 유기 금속 화합물과 환원성 기 체를 함께 공급하는 단계(350), 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(360), 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계(370), 그리고 불활성 퍼지 기체를 공급하는 단계(380)를 포함한다.
이처럼, 도 3a에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에서는 루테늄 유기 금속 화합물과 환원성 기체를 함께 공급한다. 이때, 환원성 기체는 수소(H2), 실란(SiH4), 디실란(Si2H8), 보레인(BH3), 디보레인(B2H6) 등을 사용할 수 있다. 이러한 환원성 기체는 루테늄 유기 금속 화합물과 반응하지 않으므로 동시에 공급할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에서는 루테늄 유기 금속 화합물과 환원성 기체를 함께 공급하는 단계(310)와 루테늄 유기 금속 화합물과 환원성 기체를 함께 공급하는 단계(350) 전이나 그 후나 그 전후 모두에 환원성 기체만을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가한 환원성 기체는 기판 위의 루테늄 사산화물(RuO4)을 포함한 루테늄 산화막의 환원을 더 효과적으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에서는 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 산소 기체(O2)를 함께 공급하는 단계(330)에서 산소 기체 대신 아산화질소(N2O) 기체를 공급(330)할 수도 있다. 이때, 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 아산화질소(N2O) 기체를 동시에 공급하는 단계(330) 전이나 그 후나 그 전후 모두에 아산화질소(N2O) 기체를 공급하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
앞에서 설명한 실시예들에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의하면, 약 140℃ 내지 약 500℃의 공정 온도, 그리고 수백m Torr내지 수십 Torr의 공정 압력하에서, 앞서 설명한 기체 원료 공급 주기를 반복하여 원하는 두께의 루테늄 막을 기판에 균일한 두께로 증착할 수 있다. 이때, 기판은 2:1 이상, 20:1 이상의 외관 비의 표면 형태를 가질 수 있으며, 기판 위 일부에는 20:1 이상의 외관 비를 가지는 메모리 어레이(memory arra y)를 포함할 수 있다.
그러면 도 4를 참고로 하여, 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 한 예를 나타내는 순서도이다.
도 4를 참고로 하면, 본 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 원료 기체 공급은 증착 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체를 공급하는 단계(410), 불활성 기체를 공급하는 단계(420), 환원성 원료 기체를 공급하는 단계(430), 그리고 불활성 기체를 공급하는 단계(440)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 화학 증착 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 수소(H2), 실란(SiH4), 디실란(Si2H8), 보레인(BH3), 디보레인(B2H6) 등의 환원성 원료 기체를 동시에 일정 시간 동안 공급(410)하여 기판에 루테늄 막을 형성한다. 이때, 일부 루테늄 사산화물(RuO4) 기체는 환원되어 RuOx(x<2)의 형태의 루테늄 산화막이 형성되고, 이 루테늄 산화막은 기판에 잔존한다. 그 다음 루테늄 사산화 물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체의 공급을 중지하고 불활성 퍼지 기체를 공급(420)하여 기판에서 반응하지 않은 잔류물과 반응 부산물을 제거한다. 그 후, 환원성 원료 기체를 반응기에 공급(430)하여 기판에 남아 있는 루테늄 산화막을 루테늄 금속 막으로 완전히 환원시킨다. 마지막으로 불활성 퍼지 기체를 공급(440)하여 반응기에 잔류하는 환원성 원료 기체와 부산물을 제거한다. 이러한 원료 기체 공급 단계를 원하는 두께의 루테늄 막이 증착될 때까지 반복한다.
통상적으로 알려진 환원성 원료 기체와 루테늄 사산화물(RuO4)을 이용하는 루테늄 층 증착 방법은 루테늄 사산화물(RuO4) 공급 - 불활성 기체 공급 - 환원성 원료 기체 공급 - 불활성 기체 공급의 ALD 기체 원료 공급 주기를 반복하게 된다. 이처럼 통상적인 루테늄 층 증착 방법에 의할 경우, 원료 기체들을 순차적으로 공급하여 기체 공급 주기 1회당 루테늄을 1 원자층 이하로 형성하는 때문에, 단차 피복성이 탁월한 루테늄 막을 형성할 수 있으나 시간 당 증착 속도에 제한이 있다.
또한, 원료 기체들을 동시에 공급하는 통상적인 화학 증착법은 시간 당 증착 속도를 원자층 증착법보다 훨씬 빠르게 할 수는 있지만 단차 피복성에 제한이 있기 때문에 DRAM 구조처럼 종횡비가 매우 깊은 구조에 균일한 두께의 막을 형성하기 어렵다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에서와 같이, 원료 기체를 연속적이 아니라 단속적으로 공급하면서도 기체 공급 주기당, 1 원자층 이상의 루테늄 막을 형성한다면 시간 당 증착 속도를 원자층 증착법보다 빠르게 할 수 있고 단차 피복성을 통상적인 화학 증착법보다 개선할 수 있다.
이때, 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체를 동시에 공급(410)하는 단계의 지속 시간은 약 1초 내지 약 10초일 수 있다. 본 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 전체 기체 공급 주기에서 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체를 동시에 공급하는 시간이 차지하는 비중이 커질수록 시간당 증착 속도가 빨라진다. 그러나 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체를 동시에 공급하는 시간이 너무 길어지면 통상적인 화학 증착법과 차이가 없게 되므로 단차 피복성을 높이기 위해서는 이 시간을 적당히 조절할 필요가 있다. 본 발명의 실시예서와 같이 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체를 동시에 공급하는 단계(410)의 지속 시간은 약 1초 내지 약 10초인 경우, 단차 피복성이 높으면서도 빠른 속도로 루테늄 층을 증착할 수 있다.
또한, 불활성 퍼지 기체를 공급(420)하는 단계의 지속 시간은 약 1초 내지 약 10초인 것이 바람직하다. 불활성 퍼지 기체를 공급(420)하는 단계는 적절한 단차 피복성을 얻기 위하여 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체의 동시에 공급(410)한 후에 잔류하는 원료 기체와 반응 부산물을 제거하기 위한 것이다. 이 단계(420)에서 충분한 퍼지가 이루어질 수 있는 시간이 필요하고, 본 실시예에서와 같이 약 1초 내지 약 10초 정도면 충분한 퍼지가 이루어질 수 있다.
다음으로, 환원성 원료 기체를 반응기에 공급(430)하는 단계의 지속 시간은 약 1초 내지 약 10초인 것이 바람직한데, 이 단계에서는 흡착 상태 혹은 미반응 상태의 루테늄 산화물(RuOx(x<2))을 완전히 환원시켜 루테늄으로 전환한다.
마지막으로 원료 기체와 반응 부산물을 제거하기 위해 2차로 불활성 기체를 공급하는 단계(440)는 생략할 수도 있으며, 그 지속 시간은 0초 내지 10초인 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의할 경우, 약 140℃ 내지 약 500℃의 공정 온도, 그리고 수백 mTorr내지 수십 Torr의 공정 압력하에서, 본 실시예에 따른 기체 원료 공급 주기를 반복함으로써, 원하는 두께의 루테늄 막을 증착할 수 있으며, 공정 조건에 따라서 기체 원료 공급 주기 1회당 약 0.1Å 내지 약 20Å 두께의 루테늄 막을 형성할 수 있고, 최대 100%에 근접한 단차 피복성을 얻을 수 있다.
도 4에 도시한 원료 기체 공급 단계에서, 환원성 원료 기체 공급 후에 반응 부산물을 제거하는 것이 막의 특성에 큰 영향이 없다면 두 번째 불활성 기체 공급 단계(440)는 생략할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 원료 기체 공급은 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 원료 기체 공급하는 단계, 불활성 기체를 공급하는 단계, 그리고 환원성 원료 기체를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발 명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 한 예를 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 한 예를 나타내는 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 예들을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 루테늄 막 증착 방법에 의한 기체 공급 방법의 한 예를 나타내는 순서도이다.

Claims (25)

  1. 기판을 화학 증착 반응기에 장착하는 단계, 그리고
    상기 반응기에 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계,
    상기 반응기에 불활성 기체를 공급하는 단계,
    상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계 및
    상기 반응기에 불활성 기체를 공급하는 단계를 포함하는 증착 사이클을 복수 회 반복하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계는
    산소(O2) 기체와 아산화질소(N2O)에서 선택된 산화 기체와 동시에 루테늄 사산화물 기체를 공급하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 증착 사이클은 상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계 전 또는 후 또는 전후 모두에 상기 반응기에 산소(O2) 기체를 공급하는 단계를 더 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계는
    상기 루테늄 유기 금속화합물과 동시에 환원성 기체를 함께 공급하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 증착 사이클은 상기 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계 전 또는 후 또는 전후 모두에 환원성 기체를 공급하는 단계를 더 포함하는 루테늄 막을 형성하는 방법.
  6. 제4항에서,
    상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계는
    산소(O2) 기체와 아산화질소(N2O)에서 선택된 산화 기체와 동시에 루테늄 사산화물 기체를 공급하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 증착 사이클은 상기 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계 전 또는 후 또는 전후 모두에 환원성 기체를 공급하는 단계를 더 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 각 기체 공급 단계는 약 0.2초 내지 약 10초 동안 지속되는 루테늄 막 형성 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 증착 사이클은 약 140℃ 내지 약 500℃의 온도를 가지는 기판 위에서 수행되는 루테늄 막 형성 방법.
  10. 제1항에서,
    상기 루테늄 유기 금속화합물은 루테늄의 시클로펜타다이에닐 화합물(cyclopentadienyl compound)을 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  11. 제1항에서,
    상기 반응기는 화학적 기상 증착 반응기를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  12. 제1항에서,
    상기 기판은 2:1 이상의 외관 비를 가지는 표면 형태를 가지는 루테늄 막 형성 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 기판은 20:1 이상의 외관 비를 가지는 표면 형태를 가지는 루테늄 막 형성 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 기판은 일부 형성된 메모리 어레이(memory arrary)에서 20:1 이상의 외관 비를 가지는 복수의 표면 형태를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  15. 기판을 화학 증착 반응기에 장착하는 단계, 그리고
    상기 기판에 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계,
    상기 반응기로부터 초과된 루테늄 유기 금속화합물을 제거하는 단계,
    상기 기판에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계 및
    상기 반응기로부터 초과된 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 제거하는 단계를 포함하는 증착 사이클을 복수 회 반복하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계는
    산소(O2) 기체와 아산화질소(N2O)에서 선택된 산화 기체와 동시에 루테늄 사 산화물 기체를 공급하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  17. 제15항에서,
    상기 루테늄 유기 금속화합물을 공급하는 단계는
    상기 루테늄 유기 금속화합물과 동시에 환원성 기체를 함께 공급하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 공급하는 단계는
    산소(O2) 기체와 아산화질소(N2O)에서 선택된 산화 기체와 동시에 루테늄 사산화물 기체를 공급하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  19. 제15항에서,
    상기 반응기로부터 초과된 루테늄 유기 금속화합물을 제거하는 단계 및 상기 반응기로부터 초과된 루테늄 사산화물(RuO4) 기체를 제거하는 단계는 퍼지 기체를 공급하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  20. 기판을 화학 증착 반응기에 장착하는 단계, 그리고
    상기 반응기에 루테늄 사산화물(RuO4) 기체와 환원성 기체를 동시에 공급하 는 단계,
    상기 반응기에 불활성 기체를 1차 공급하는 단계 및
    상기 반응기에 환원성 기체를 공급하는 단계를 포함하는 증착 사이클을 복수 회 반복하는 단계를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  21. 제20항에서,
    상기 환원성 기체는 수소(H2), 실란(SiH4), 디실란(Si2H8), 보레인(BH3), 그리고 디보레인(B2H6) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  22. 제20항에서,
    상기 루테늄 사산화물 기체 및 환원성 기체 공급 단계는 약 1초 내지 약 10초 동안 지속되는 루테늄 막 형성 방법.
  23. 제20항에서,
    상기 증착 사이클은 상기 반응기에 환원성 기체를 공급하는 단계 후에, 상기 반응기에 불활성 기체를 2차 공급하는 단계를 더 포함하는 루테늄 막 형성 방법.
  24. 제23항에서,
    상기 불활성 기체를 2차 공급하는 단계는 약 10초 이하 동안 지속되는 루테 늄 막 형성 방법.
  25. 제20항에서,
    상기 증착 사이클은 약 140℃ 내지 약 500℃의 온도를 가지는 기판 위에서 수행되는 루테늄 막 형성 방법.
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