KR20090018211A - 원자층 성막 프로세스를 사용하는 물질층 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

프로세스 툴의 프로세스 챔버에서 원자층 성막(ALD) 프로세스를 사용하여 물질층을 형성하는 방법이 개시된다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 방법은 물질층에 대한 타겟 특성을 식별하는 단계, 물질층에 타겟 특성을 생성하도록 ALD 프로세스 중에 프로세스 챔버로 전구체 가스를 주입하기 위한 전구체 펄스 시간을 결정하는 단계, 및 복수의 스텝들을 포함하는 ALD 프로세스를 수행하는 단계를 포함하며, 전구체 가스는 결정된 전구체 펄스 시간 동안 챔버로 주입됨으로써 물질층을 형성한다.
프로세스 툴, 프로세스 챔버, 원자층 성막(ALD) 프로세스, 물질층, 전구체 펄스 시간

Description

원자층 성막 프로세스를 사용하는 물질층 형성 방법{METHOD OF FORMING A LAYER OF MATERIAL USING AN ATOMIC LAYER DEPOSITION PROCESS}
본 발명은 일반적으로 물질층의 형성에 관한 것으로, 특히, 원자층 성막 프로세스를 사용하여 물질층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
집적 회로 디바이스들을 제조하는 것은 집적 회로 디바이스가 완성될 때까지 다수의 스텝들 및 프로세스들을 수행하는 것을 포함한다. 예를 들어, 그러한 프로세스들은 일반적으로 다양한 성막 프로세스들, 에칭 프로세스들, 포토리소그래피(photolithography) 프로세스들, 및 이온 주입 프로세스들을 포함한다. 집적 회로 디바이스들의 크기가 계속해서 축소됨에 따라, 수반되는 매우 작은 피쳐 크기들과 완성된 디바이스의 요구되는 성능 특성들을 고려하면, 그 동작들의 성능은 더욱더 복잡해진다.
물질층들은 다양한 상이한 성막 프로세스들을 사용하여 성막될 수 있다. 그러한 프로세스 중 하나는 원자층 성막(atomic layer deposition)(ALD)으로 알려져 있다. ALD 프로세스는 플라즈마의 생성에 의해 강화될 수 있다. 일반적으로, ALD 프로세스들은 매우 얇은 고품질의 물질층을 형성하기를 원하는 곳에 이용된다. 기본적으로, ALD 프로세스는 하나의 원자층에 층이나 막들을 한번에 성막하는 기술이 다. ALD 프로세스에서, 반응물(reactant)들은 펌프/퍼지(purge) 사이클들 사이에서 한번에 하나씩 주입된다. ALD 반응들은 자발-포화(self-saturating) 표면 반응들을 수반한다. ALD 프로세스는 그 특성으로 인해, CVD(chemical vapor deposition), LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 등과 같은 그외의 알려진 성막 기술들보다 본질적으로 느리다. 그러나, ALD 프로세스는 위에서 언급된 그외의 예시적인 성막 프로세스들과 비교하여 더 높은 품질 특성을 갖는 물질층을 생성하는 경향이 있다.
ALD 프로세스에 의해 형성된 물질층들의 다양한 특성들은 최신 집적 회로 디바이스들의 제조에 중요하다. 또한, 그 층들의 두께를 정교하게 제어하는 것도 ALD 프로세스에 의해 물질층을 형성하는 중요한 양태이다. 불행하게도, 현존하는 ALD 프로세스 기술들은 이러한 쟁점(issue)들 중 일부 또는 모두를 적절하게 다루지 않는다.
본 발명은 전술된 문제점들 중 일부 또는 모두를 해결하거나 또는 적어도 감소시킬수 있는 방법들에 관한 것이다.
본 발명의 일부의 양태들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 간략화된 개요가 이하에 제공된다. 본 개요는 본 발명의 철저한 개관이 아니다. 그것은 본 발명의 핵심 또는 중요한 요소들을 식별하거나 또는 본 발명의 범주를 서술하도록 의도되지 않는다. 그것의 유일한 목적은 후술되는 더욱 상세한 설명의 도입부로서 일부의 개념들을 간략화된 형태로 제공하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 프로세스 툴(tool)의 프로세스 챔버에서 ALD 프로세스를 사용하여 물질층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 방법은 물질층에 대한 타겟(target) 특성을 식별하는 단계, 물질층에서 타겟 특성을 생성하도록 ALD 프로세스 중에 전구체 가스(precursor gas)를 프로세스 챔버로 주입하기 위한 전구체 펄스 시간을 결정하는 단계, 및 복수의 스텝들을 포함하는 ALD 프로세스를 수행하는 단계 - 전구체 가스는 결정된 전구체 펄스 시간 동안 챔버로 주입되어 물질층을 형성함 - 를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에 있어서, 방법은 물질층에 대한 타겟 특성을 식별하는 단계, 물질층에서 타겟 특성을 생성하도록 ALD 프로세스 중에 전구체 가스를 프로세스 챔버로 주입하기 위한 전구체 펄스 시간을 결정하는 단계, 및 물질층을 형성하기 위해 복수의 펄스 패턴들로 구성된 ALD 프로세스를 수행하는 단계를 포함하며, 각각의 펄스 패턴들은 제1 시간 기간 중에 챔버를 비우는 단계, 결정된 전구체 펄스 시간에 대응하는 제2 시간 기간 중에 전구체 가스를 챔버로 주입하는 단계 및 제3 시간 기간 중에 챔버를 비우는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 실시예에 있어서, 방법은 프로세스 챔버 내에 기판을 배치하는 단계, 챔버에 리간드(ligand) 제거 환경을 설정하는 단계 및 기판 상에 물질층을 형성하기 위해 복수의 제1 펄스 패턴들 및 복수의 제2 펄스 패턴들로 구성된 ALD 프로세스를 수행하는 단계를 포함하며, 각각의 제1 및 제2 펄스 패턴들은 제1 시간 기간 중에 챔버를 비우는 단계, 제2 시간 기간 중에 챔버로 전구체 가스를 주입하는 단계 및 제3 시간 기간 중에 챔버를 비우는 단계를 포함하고, 복수의 제1 펄스 패턴들 중의 제2 시간 기간은 복수의 제2 펄스 패턴들 중의 제2 시간 기간과 상이하다.
추가의 예시적인 실시예에 있어서, 방법은 물질층을 위한 특성에 대한 타겟 변화를 식별하는 단계, 물질층에서 특성의 타겟 변화를 생성하기 위해 ALD 프로세스 중에 프로세스 챔버로 전구체 가스를 주입하기 위한 제1 전구체 펄스 시간 및 제2 전구체 펄스 시간을 결정하는 단계 - 제1 및 제2 전구체 펄스 시간은 서로 상이함 - , 및 물질층을 형성하기 위해 복수의 제1 펄스 패턴들 및 복수의 제2 펄스 패턴들로 구성된 ALD 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고, 각각의 제1 및 제2 펄스 패턴들은 결정된 제1 및 제2 전구체 펄스 시간들에 따라 챔버로 전구체 가스를 각각 주입하여 물질 층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 유사한 참조 번호들이 유사한 요소들을 식별하는 첨부 도면들과 함께 취해진 이하의 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
도 1은 예시적인 ALD 툴의 간략화된 개략도이다.
도 2는 물질층을 형성하기 위해 ALD 프로세스에 이용될 수 있는 본 발명의 일 양태에 따른 예시적인 펄스 시퀀스(sequence)를 도시하는 그래프이다.
도 3은 도 2에 도시된 단일 펄스 패턴의 확대도를 도시하는 그래프이다.
도 4는 루테늄(ruthenium) 층을 형성하기 위해 ALD 프로세스에 이용될 수 있는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 예시적인 펄스 시퀀스를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 방법에 따라 형성된 루테늄 막의 다양한 예시적인 특성들을 도시하는 그래프이다.
도 6은 다양한 전구체 펄스 시간을 사용하여 형성된 물질층의 결정도(crystallinity)를 나타내는 x-레이 회절 분석을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 양태에 따라 형성된 물질층의 횡단면도이고 층은 두께전체에 걸쳐 변화하는 특성들을 갖는다.
도 8은 도 7에 도시된 층을 형성하기 위해 ALD 프로세스에서 이용될 수 있는 본 발명의 일 양태에 따른 예시적인 펄스 시퀀스를 도시하는 그래프이다.
본 발명은 다양한 수정들 및 대안적인 형태들이 가능하지만, 예시를 위해 그의 특정한 실시예들을 도면들에 도시하고 본 명세서에 상세하게 기술한다. 그러나, 본 명세서의 특정한 실시예들의 설명은 본 발명을 개시된 특정한 형태로 한정하도록 의도되지 않으며, 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 정신 및 범주 내의 모든 수정들, 등가물들, 및 대안적인 폴링들을 커버하는 것을 의도한다는 점을 이해해야 한다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 이하에 기술된다. 명확성을 위해, 실제의 구현의 모든 피쳐들이 본 명세서에 기술되지 않는다. 임의의 그러한 실제의 실시예의 개발에서, 구현마다 서로 변화하는 시스템 관련 및 사업 관련 제약들의 준수와 같은, 개발자들의 특정한 목표들을 달성하기 위해 다수의 구현 특이적 결정들을 행해야 한다는 것이 물론 이해될 것이다. 또한, 그러한 개선 노력이 복잡하고 시 간이 소요될 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이익을 갖는 본 기술 분야의 당업자들에 대한 일상적인 일이 될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이하 본 발명을 첨부된 도면들을 참조하여 기술할 것이다. 집적 회로 디바이스의 다양한 영역들 및 구조들이 도면들에 도시된다. 명확성과 설명을 위해, 도면들에 도시된 다양한 피쳐들의 상대적인 크기들은 실제의 집적 회로 디바이스의 피쳐들 또는 구조들의 크기와 비교하여 과장되거나 또는 감소될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 첨부된 도면들은 본 발명의 예시적인 예시들을 기술하고 설명하기 위해 포함된다. 본 명세서에 사용된 단어들 및 구문들은 본 기술 분야의 당업자들에 의해 단어들 및 구문들의 이해와 일치하는 의미를 갖도록 이해되고 해석되어야 한다. 용어 또는 구문의 어떠한 특별한 정의, 즉, 본 기술 분야의 당업자들에 의해 이해되는 일반적이고 통상적인 의미와 상이한 정의는 본 명세서의 용어 또는 구문의 일관된 사용에 의해 내포되도록 의도되지 않는다. 용어 또는 구문이 특정한 의미, 즉 당업자들에 의해 이해되는 것 외의 의미를 갖도록 의도되는 결과로, 그러한 특정한 정의는 용어 또는 구문에 특별한 정의를 직접적이고 명확하게 제공하는 명확한 방법으로 본 명세서에 명시적으로 기술될 것이다.
본 발명은 ALD 프로세스를 수행함으로써 물질층을 형성하는 새로운 방법에 관한 것으로 결과적인 물질층의 특정한 특성들이 제어될 수 있다. 본 발명은 본 명세서에 기술된 ALD 프로세스를 사용하여 다양한 상이한 물질들을 형성하는데 이용될 수 있다고 믿어진다. 또한, 본 명세서에 기술된 프로세스는 다양한 상이한 ALD 프로세스 툴들을 사용하여 수행될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 이 하에 더 완전하게 설명되는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 방법론(methodologies)들을 사용하여 ASM 폴리곤 에메랄드(Polygon EmerALD) 챔버 툴에서 플라즈마 ALD 프로세스를 수행함으로써 루테늄 층이 형성된다.
일반적으로, 본 발명은 전구체 가스들의 고유한 펄스 시퀀스 및, 일부의 경우들에서, 물질층을 형성하기 위한 RF 전력을 포함하는 ALD 프로세스를 수행하는 것을 포함한다. 도 1은 예시적인 ALD 프로세스 툴(30)의 개략도이다. 예시적인 툴(30)은 프로세스 챔버(31), 스테이지(32), 샤워헤드(25), 가스 유입구(inlet)(28)(밸브(29)에 의해 제어될 수 있음), 전구체 가스 유입구(34)(밸브(35)에 의해 제어될 수 있음), 및 배출구(36)(밸브(37)에 의해 제어될 수 있음)를 포함한다. 일부의 경우들에 있어서, 툴(30)은 RF 코일들(도시되지 않음)을 포함할 수 있지만, 그 코일들은 모든 ALD 툴(30)들에 필요한 것은 아니다. 예시적인 기판(38)은 스테이지(32) 상에 배치되는 것으로 도시된다. 그러한 ALD 프로세스 툴(30)의 기본적인 구조 및 동작은 본 기술 분야의 당업자들에게 공지되어 있다. 본 명세서를 완독한 후에 본 기술 분야의 당업자들에게 이해될 바와 같이, 본 발명은 다양한 상이한 ALD 프로세스 툴들로 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도 1에 개략적으로 도시된 것과 유사한 ALD 툴을 사용하는 것에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 한다.
동작 중에, ALD 프로세스가 수행되어 기판(38) 상에 물질층(40)을 형성한다. 본 발명은 플라즈마 강화 ALD 프로세스 또는 열 ALD 프로세스를 이용할 수 있다. 전구체 가스는 유입구(36)를 통해 챔버(31)로 주입될 수 있다. 캐리어(carrier) 가스를 이용하여 전구체 가스를 챔버(31)로 전달할 수 있다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 캐리어 가스는 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스이다. 하나의 특정한 애플리케이션에서, 캐리어 가스는 액체 전구체의 용기를 통해 기포화(bubbled)될 수 있고, 이로 인해 캐리어 가스는 챔버(31)로 주입되는 전구체의 부분들을 픽업(pick up)하고 유지한다.
적절한 환경을 설정하도록 다양한 가스들이 유입구(28)를 통해 챔버(31)로 주입될 수 있다. 일반적으로, 챔버(31) 내의 환경은 ALD 프로세스 중에 리간드 제거를 촉진시키거나 또는 가능하게 하도록 되어야 한다. 이용되는 특정한 가스는 특정한 애플리케이션에 따라 변화할 것이다. 예를 들어, 암모니아(NH3), 수소(H2), 질소(N2) 및 산소(O2), 또는 이들의 조합들 등의 가스들이 이용될 수 있다. 또한, 일부의 실시예들에 있어서, 챔버(31) 내에 플라즈마를 생성하도록 RF 전력이 샤워헤드(25)에 공급될 수 있다. ALD 프로세스 중에 전압이 샤워헤드(25)에 설정될 수 있다. 스테이지(32)는 특정한 애플리케이션 및 특정한 프로세스 툴에 따라 바이어스되거나 또는 바이어스되지 않을 수 있다.
본 발명은 다양한 상이한 물질층을 형성하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 루테늄, 탄탈륨(tantalum), 실리콘 이산화물, 탄탈륨 질화물, 루테늄 산화물, 백금(platinum) 등의 물질들을 형성하는데 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명은, 가장 광의의 형태로서, 임의의 특정한 유형의 물질에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 한다. 물론, 특정한 프로세스 가스들 및 동작 파라미터들은 형성되는 특정한 물질에 따라 변화할 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 방법들은 원하는 물질층(40)을 형성하기 위해 수백 번 또는 수천 번 반복될 수 있는 고유한 일련의 펄스 패턴들(10)을 수행하는 단계를 포함한다. 시간 기간(12)(t0→ti)은 챔버 초기화 기간을 구성하고 본 명세서에 개시된 방법들을 수행하기 전에 수행되거나 또는 수행되지 않을 수 있다. 각각의 펄스 패턴(10)은 시간 기간 t1으로부터 시간 기간 t5로 확장된다. 각각의 펄스 패턴(10) 내에 발생하는 복수의 시간들(t2, t3 및 t4)이 또한 도시된다. 예시적인 일 실시예에 있어서, RF 전력을 인가하여 챔버(31) 내에 플라즈마(39)를 생성할 수 있다. 도 2에서, 샤워헤드(25)에 인가되는 RF 전력은 라인(14)으로 표시된다. 전구체 가스의 주입은 라인(16)으로 표시된다. 전구체 가스의 주입 지속시간은 본 명세서에서 전구체 펄스 시간("PPT")으로 지칭된다.
도 3은 예시적인 단일 펄스 패턴(10)의 확대도이다. 본 특정한 실시예에 있어서, 각각의 펄스 패턴(10)은 제1 시간 기간(20)(t1→t2), 제2 시간 기간(22)(t2→t3), 제3 시간 기간(24)(t3→t4) 및 제4 시간 기간(26)(t4→t5)을 포함한다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 라인(28)을 통해 원하는 가스를 주입함으로써 챔버(31) 내에 적절한 환경이 설정된다. 그 후에, 제1 시간 기간(20) 중에, 챔버(31)는 라인(36)을 통해 비워진다. 제2 시간 기간(22) 중에, 전구체 가스는 라인(34)을 통해 챔버(31)로 주입된다. 전구체 가스는 짧은 시간 기간 동안 밸브(35)를 열고 닫 음으로써 챔버(31)로 주입될 수 있다. 제3 시간 기간(24) 중에, 챔버(31)는 라인(36)을 통해 다시 비워진다. 제2 배출 프로세스 중에, 기판(38)의 표면에 흡착되지 않은 전구체 가스의 부분들이 제거된다. 그 후에, 제4 시간 기간(26) 중에, 전력이 샤워헤드(25)에 인가됨으로써 챔버(31) 내에 플라즈마(39)를 생성한다. RF 코일들이 존재하는 일부의 툴들, 예를 들어, 유도 결합된 플라즈마 툴들에 있어서, 그 코일들에 의해 RF 전력이 공급될 수 있다.
챔버(31) 내의 플라즈마 환경의 화학조성(chemistry)은 리간드의 제거를 촉진하거나 또는 가능하게 하도록 선택된다. 더 구체적으로는, 환경은 흡착된 전구체 가스들과 반응하고 그 흡착된 가스들의 일부분 뒤에 남음으로써 물질층(40)을 형성해야 한다. 플라즈마 환경은 또한 성막된 물질의 표면이 형성될 추가의 물질을 수용할 준비가 되었다는 것을 보장하도록 선택된다. 물론, 예를 들어, 열 ALD 프로세스들과 같은, 일부의 애플리케이션들에 있어서, 제4 시간 기간(26)은 펄스 패턴(10)에 존재하지 않을 수 있다. 열 ALD 프로세스들에 있어서, 어떠한 플라즈마(39)도 생성되지 않는다. 따라서, 샤워헤드(25)에 RF 전력을 인가할 필요가 없다.
제1, 제2, 제3 및 제4 시간 기간들의 지속시간은 특정한 애플리케이션에 따라 변화할 수 있다. 일반적으로, 특정한 애플리케이션에 따라, 제1, 제2 및 제3 시간 기간 각각은 1-4초의 범위일 수 있고 제4 시간 기간은 3-12초의 범위일 수 있다고 믿는다. 물론, 본 기술 분야의 당업자들에게 공지된 바와 같이, 예를 들어, 모든 그외의 것들은 동일한 경우, 더 얕은 트렌치들은 더 깊은 트렌치들과 비교하 여 완전한 스텝 커버리지를 달성하는데 더 짧은 펄스 시간을 필요로 하는 것처럼,이들 대표적인 숫자들은, 다른 것들 중에서, 층이 성막되는 구조의 성질에 따라 현저하게 변화할 수 있다. 위에서 식별된 다양한 시간 기간들 각각은 독립적으로 조정될 수 있다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 제1, 제2 및 제3 시간 기간들 중에 RF 전력은 오프(off)된다는 것에 유의한다. 그러나, 그것은 본 발명의 모든 실시예들의 경우일 수는 없다.
도 4는 루테늄 층이 성막되는 본 발명의 특정한 애플리케이션에 대한 펄스 패턴들(10)의 시퀀스를 도시한다. 본 예시적인 예에 있어서, 루테늄 전구체 가스는 bis(ethylcyclopentadienyl) 루테늄이고, 챔버(31) 내에 암모니아(NH3) 환경이 설정되며, 프로세스 중에 플라즈마(39)가 생성된다. 본 특정한 예시에 있어서, 제1(20), 제2(22), 및 제3(24) 시간 기간들의 지속시간은 각각 대략 2초이다. 제4 시간 기간(26)은 대략 4초이다. 본 특정한 실시예에 있어서, 대략 400 와트(watt)의 AC 전력이 샤워헤드(25)에 인가되고 스테이지(32)는 바이어스되지 않는다.
도 5는 본 기술을 사용하여 대략 40Å의 두께를 갖는 티타늄 층 상에 형성된 루 테늄 층의 다양한 파라미터들을 도시하는 그래프이다. 다양한 파라미터들 - 저항률(resistivity)(40)(micro-Ohm/cm), 복합 막 두께(42)(Å), 루테늄 층의 두께(44)(Å), 및 티타늄 질화물(TiN) 하부층의 두께(46)(Å) - 이 도 5에 도시된 그래프에 플롯(plot)되어 있다. 수평축은 증가하고 있는 전구체 펄스 시간을 초로 반영한다. 도 5로부터 전구체 펄스 시간이 증가함에 따라, 복합층 스택(stack)(티 타늄과 루테늄의 합)의 저항률이 증가하는 한편, 루테늄 막의 두께(44)는 약간 감소하는 것이 명백하다. 예를 들어, 약 1초의 전구체 펄스 시간에, 약 115Å의 두께를 갖는 루테늄 층(44)이 형성된다. 대략 4초의 전구체 펄스 시간에, 루테늄 층의 두께는 약 100Å이다. 그러나, 이들 두개의 루테늄 층들의 저항률은 약 1초 및 4초의 전구체 펄스 시간에 대하여 약 70에서 185로 매우 급격하고 의도하지 않게 변화한다.
본 발명은 또한 본 명세서에 기술된 ALD 프로세스를 사용하여 형성된 물질층의 결정도를 제어하는데 이용될 수 있다. 도 6은 하부의 40Å의 티타늄 질화물 층 위에 형성된 루테늄 층의 x-레이 회절 분석에 의해 취득된 데이터의 3차원 플롯이다. 플롯들 101A. 101B, 101C, 101D, 101E, 및 101F는 각각 4, 2, 1, 0.5, 0.34 및 0.17초의 전구체 펄스 시간("PPT")을 사용하여 형성된 층들을 나타낸다. 수평축은 x-레이 회절 프로세스 중에 이용된 스캔 각도이다. 수직축은 루테늄 층의 결정도를 반영하는 강도이다. 일반적으로, 전구체 펄스 시간이 더 짧을수록, 층의 결정도는 더 커진다.
본 발명은 물질층(40)의 두께 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한 특성들을 갖는 물질층(40)을 형성하는데 이용될 수 있다. 본 발명은 또한 그 두께 전체에 걸쳐 상이한 특성들을 갖는 물질층(40)들을 생성하는데 사용될 수 있다. 그러한 변화하는 특성들은 층이 형성됨에 따라 전구체 펄스 시간(PPT)을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 도 7은 물질층의 특성들이 물질층(40)의 두께(44) 전체에 걸쳐 변화하는 본 발명의 본 양태에 따라 형성된 물질층(40)의 예시적인 실시예를 도시한다. 물 질층(40)의 두께(44)는 설명의 목적을 위해 매우 과장되어 있다. 도 7에서, 물질층(40)은 예시적인 기판 또는 구조물(38) 위에 형성되는 것으로 도시된다. 일부의 경우들에 있어서, 구조물(38)은 반도체 기판의 표면 위에 형성되는 다른 프로세스 층일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 층(40)은 각각 2, 3 및 4초의 전구체 펄스 시간(PPT)을 사용하여 형성되는 제1 부분(42A), 제2 부분(42B) 및 제3 부분(42C)을 포함한다. 증가된 전구체 펄스 시간으로 인해, 제3 부분(42C)은 도 7에 도시된 바와 같이 다른 두 부분들(42B, 42A)과 비교하여 더 높은 저항률을 갖는다. 반대로, 제1 부분(42A)은 제2 또는 제3 부분들(42B, 42C) 중 어느 하나보다 더 낮은 저항률을 갖는다. 그러한 층(40)은 높은 저항률(및 낮은 결정도)을 원하는 곳에 필요할 수 있거나 또는 층(40)과 구조물(38)의 표면(45) 사이의 경계(interface)에서보다 층(40)의 상면(43)에서 허용될 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 멀티-층 구조물을 형성하는데 이용될 수 있는 예시적인 펄스 시퀀스를 도시한다. 도 8은 전구체 펄스 시간이, 각각, 2, 3, 및 4초인 3개의 예시적인 펄스 패턴들 10A, 10B 및 10C를 도시한다. 물론, 도 7에 도시된 층(40)을 형성하기 위해 수행되는 ALD 프로세스 중에 수백 개 또는 수천 개의 상기 펄스들 각각이 존재할 것이다. 본 발명의 교시로, 원하는 특성들 또는 품질들을 갖는 층(40)을 제공해보려는 노력으로 펄스 시퀀스들이 가상의 임의의 방법으로 배열될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 출원을 완독한 후에 본 기술 분야의 당업자들에 의해 이해될 바와 같이, 본 명세서에 개시된 방법들은 ALD 프로세스에 의해 형성된 물질층들이 특정한 애플리케이션들을 만족하도록 설계될 수 있는 특정한 원하는 특성들을 갖는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 이러한 양태에 따르면, 원하는 또는 타겟의 특성들, 예를 들어, 물질층(40)의 저항률, 결정도를 초기에 결정할 수 있다. 그 후에, 이러한 원하는 특성을 생성하는 전구체 펄스 시간이 결정될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 높은 저항률을 갖는 물질층(40)을 원한다면, 그러한 저항률의 레벨을 갖는 물질층(40)을 생성하는 전구체 펄스 시간이 결정되거나 또는 식별된다. 그 후에, 결정된 전구체 펄스 시간을 사용하여 ALD 프로세스를 수행함으로써, 원하는 특성을 갖는 층(40)을 형성한다. 이것은 그 두께 전체에 걸쳐 또는 실질적으로 균일한 특성을 갖는 물질층(40)을 생성하도록 적용될 수 있거나 또는 도 7에 도시된 예시와 같이, 특성들이 그 두께 내에서 변화하는 물질층(40)에 적용될 수 있다.
개시된 새로운 방법들은 그것이 전술된 루테늄 층의 형성에 관한 것이기 때문에 매우 예상치 못한 결과들을 도출한다. 본 기술 분야의 당업자들에게 이해될 바와 같이, 종래의 ALD 프로세스들은 일반적으로 포화 지점에 도달한다. 즉, 종래의 ALD 프로세스들에 있어서, 전구체 펄스 시간이 증가함에 따라, 프로세스의 성막 속도는 평탄화되는 경향이 있으며, 즉 그것은 자기-한정(self-limiting) 프로세스이다. 또한, 종래의 ALD 프로세스들은 저항률, 결정도 등의 원하는 막 특성들을 달성하기 위해 전구체 펄스 시간을 변화시키는 단계를 포함하지 않는다. 본 명세서에 개시된 새로운 방법들에 따르면, 전구체 펄스 시간들은 결과적인 물질층의 특 성들을 제어하도록 제어될 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 루테늄 층의 두께는 전구체 펄스 시간이 증가함에 따라 의도하지 않게 감소된다.
위에 개시된 특정한 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 본 명세서에서의 교시의 이점을 갖는 기술 분야의 당업자들에게 명확한, 상이하지만 등가적인 방식들로 수정되고 구현될 수 있다. 예를 들어, 전술된 프로세스 단계들은 상이한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 이하 청구범위에서 기술되는 것 이외에도, 본 명세서에 도시된 구성 또는 설계의 세부사항들을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 따라서, 위에서 개시된 특정한 실시예들은 변경되거나 수정될 수 있고, 모든 그러한 변경들은 본 발명의 범주 및 정신 내에서 고려될 수 있다는 것이 분명하다. 따라서, 본 명세서에서 요구되는 보호는 이하 청구범위에서 기술되는 바와 같다.

Claims (16)

  1. 프로세스 툴의 프로세스 챔버에서 원자층 성막(atomic layer deposition)(ALD) 프로세스를 수행함으로써 물질층을 형성하는 방법으로서,
    상기 물질층에 대한 타겟(target) 특성을 식별하는 단계 - 상기 특성은 저항률(resistivity)과 결정도(crystallinity)로부터 선택됨 - ;
    상기 ALD 프로세스 중에 상기 물질층에서 상기 타겟 특성을 생성하도록 상기 프로세스 챔버(chamber)로 전구체 가스(precursor gas)를 주입하기 위한 전구체 펄스 시간을 결정하는 단계; 및
    복수의 스텝들을 포함하는 상기 ALD 프로세스를 수행하는 단계 - 상기 전구체 가스는 상기 결정된 전구체 펄스 시간 동안 상기 챔버로 주입되어 상기 물질층을 형성함 -
    를 포함하는 물질층 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물질층은 루테늄(ruthenium), 탄탈륨(tantalum), 탄탈륨 질화물, 루테늄 산화물, 텅스텐(tungsten), 실리콘 이산화물 및 백금 중 적어도 하나를 포함하는 물질층 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 특성은 상기 물질층의 저항률인 물질층 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 특성은 상기 물질층의 결정도인 물질층 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 특성은 상기 물질층의 두께 전체에서 균일한 물질층 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 특성은 상기 물질층의 두께 내에서 변화하는 물질층 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내에 리간드(ligand) 제거 환경을 설정하는 단계를 더 포함하는 물질층 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 챔버에서 리간드 제거 환경을 설정하는 단계는 암모니아(NH3), 수소(H2), 질소(N2) 및 산소(O2) 중 적어도 하나를 상기 프로세스 챔버로 주입하여 상기 리간드 제거 환경을 설정하는 단계를 포함하는 물질층 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내의 샤워헤드(showerhead)에 RF 전력을 인가함으로써 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계를 더 포함하는 물질층 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 ALD 프로세스를 수행하는 단계는, 상기 물질층을 형성하기 위해 복수의 펄스 패턴들로 구성된 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 펄스 패턴들의 각각은,
    제1 시간 기간 중에 상기 챔버를 비우는(evacuating) 단계;
    상기 결정된 전구체 펄스 시간에 대응하는 제2 시간 기간 중에 상기 전구체 가스를 상기 챔버로 주입하는 단계; 및
    제3 시간 기간 중에 상기 챔버를 비우는 단계
    를 포함하는 물질층 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 챔버 내에 리간드 제거 환경을 설정하는 단계를 더 포함하는 물질층 형성 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 시간 기간들 중에는, RF 전력이 상기 프로세스 챔버에 인가되지 않는 물질층 형성 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 시간 기간들은 대략 동일한 지속시간을 갖는 물질층 형성 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 ALD 프로세스를 수행하는 단계는, 상기 기판 위에 상기 물질층을 형성하기 위해 복수의 제1 펄스 패턴들 및 복수의 제2 펄스 패턴들로 구성된 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 펄스 패턴들의 각각은,
    제1 시간 기간 중에 상기 챔버를 비우는 단계;
    제2 시간 기간 중에 상기 챔버로 전구체 가스를 주입하는 단계; 및
    제3 시간 기간 중에 상기 챔버를 비우는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 제1 펄스 패턴들 중의 상기 제2 시간 기간은 상기 복수의 제2 펄스 패턴들 중의 상기 제2 시간 기간과 상이한 물질층 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 시간 기간들 중에, RF 전력은 상기 프로세스 챔버에 인가되지 않는 물질층 형성 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 시간 기간들은 대략 동일한 지속시간을 갖는 물질층 형성 방법.
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