KR20120077952A - 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법 - Google Patents

루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법 Download PDF

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KR20120077952A
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이한보람
윤재홍
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Abstract

본 발명은 실리사이드 나노와이어를 제조하는 방법으로서 원자층 증착법에 의해서 루테늄을 코발트가 증착된 실리콘 나노와이어에 증착시켜 캡핑하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법에 의해서 실리사이드 나노와이어의 균일도가 향상되며 콘택저항이 줄어 전기전도도가 좋은 반도체 소자를 제작하는데 사용이 가능하다.

Description

루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법{PRODUCTION METHOD OF SILICIDE NANOWIRE HAVING RUTHENIUM CAPPING LAYER}
본 발명은 실리사이드 나노와이어를 제조하는 방법으로 보다 상세하게는 원자층 증착법을 이용하여 루테늄을 실리사이드 나노와이어에 캡핑하는 방법에 관한 발명이다.
최근 반도체 소자를 제작하는데 있어서 소자의 크기가 작아지고 소자안에 포함되어 있는 컨택 또한 함께 초소형화 되는 경향을 보이고 있다. 일반적으로 트랜지스터와 같은 소자를 제작하는데 실리콘 기판위에 소스, 드레인, 게이트 전극이 형성되어야 하고 전극은 도전성이 있는 금속물질이 얇게 형성되어 실리콘 기판과 결합하게 된다. 실리콘 기판과 결합된 금속박막은 대체로 접합부분에서 높은 저항값을 갖게 되어 각 소자의 효율을 떨어뜨리는 주요 요인이 되고 있다. 이러한 문제점을 극복하고자 금속박막 대신에 실리콘과 금속을 결합한 실리사이드의 중요성이 강조되고 있는 실정이다.
실리사이드는 실리콘과 금속성분이 포함된 물질을 열처리를 가하여 결합시킴으로서 형성되고 실리사이드의 쓰임은 다양하나 많이 사용되고 있는 반도체 소자의 전극의 관점에서 살펴보면 콘택저항을 줄여주고 전도성이 큰 대체소자로서 금속박막의 대체물질이다.
일반적으로 실리사이드는 실리콘과 금속성분이 결합되어 있으므로 산화를 방지하기 위해서 티탄(Ti), 루테늄(Ru)과 같은 금속성 물질을 실리사이드 표면에 캡핑하여 전극을 보호하게 된다. 티탄의 경우에는 스퍼터링이나 물리기상증착법에 의해서 실리사이드에 캡핑을 할 수 있으며 산화를 막는데 효율적인 금속물질로서 많이 사용되고 있다.
도1은 물리기상증착법에 의해서 금속성 물질을 캡핑할 경우에 균일도(conformity)를 나타낸 도면이다.
집적회로를 구성하기 위해서 소자들의 크기가 점점 작아지고 특히 나노와이어가 사용되고 있는 실정에서 스퍼터링 방법이나 물리기상증착법을 사용하는 경우에는 도1에 도시된 바와 같이 균일도(conformity)에서 문제가 발생하게 되고 나노와이어 실리사이드 표면을 균일하게 모두 감싸지 못하는 경우가 발생하게 된다.
이러한 문제점을 극복하고자 원자층증착법(ALD)기법에 의해서 캡핑 레이어(capping layer)를 쌓는 방법이 연구되었으며, 나노미터(nm) 단위의 소자를 구성하는데 있어서 균일도(conformity)를 향상시킬 수 있으며 원하는 두께만큼을 조절할 수가 있어 원자층증착법은 최근 각광을 받고 있다. 그러나 티탄(Ti)을 이용하여 원자층증착법에 의해서 캡핑 레이어(capping layer)를 쌓는데 있어서 티탄이 원자층증착법을 수행하는 반응기 속에서 산화되어 버리는 문제점이 발생하여 티탄(Ti)을 이용한 원자층증착법의 수행은 문제점이 발생하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 원자층 증착법을 이용하여 루테늄(Ru)을 실리사이드 보호 캡핑 레이어(capping layer)로 사용하는 방법을 제공한다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면 실리사이드 나노와이어를 제조하는 방법에 있어서, 원자층 증착법에 의해서 루테늄을 코발트가 증착된 실리콘 나노와이어에 증착시켜 캡핑하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명은 상기 루테늄을 상기 실리콘 나노와이어에 증착시켜 캡핑하는 단계 이전에 원자층 증착법을 이용하여 코발트 원자층 박막을 실리콘 나노와이어 기판에 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 코발트 원자층 박막을 실리콘 나노와이어 기판에 증착하는 단계는 (a1) 반응기에 상기 기판을 넣고
Figure pat00001
를 전구체를 투입하여 열을 가하는 단계 (a2) 아르곤 가스로 퍼징하는 단계, (a3) 반응기에
Figure pat00002
를 반응물로서 투입하는 단계 및 (a4)아르곤 가스로 퍼징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실리콘 나노와이어에 목표두께의 코발트가 증착되도록 상기 (a1) 내지 (a4)단계를 반복하는 단계를 포함하고 상기 전구체를 투입하여 열을 가하는 단계는 300℃ 내지 400℃로 열을 가하는 것을 특징으로 한다.
상기 원자층 증착법에 의해서 루테늄을 상기 코발트가 증착된 실리콘 나노와이어에 증착시켜 캡핑하는 단계는 (b1) 반응기안에 있는 코발트가 증착되어 있는 실리콘 나노와이어 기판에 전구체로서 DER(다이메틸펜다디에닐에틸사이클로펜다디에닐루테늄)을 투입하여 증착시키는 단계, (b2) 미반응물질 및 불순물을 제거하기 위해서 아르곤 가스로 세척하는 제1퍼징단계, (b3) 반응기에 O2를 반응물로서 투입하는 단계 및 (b4) 아르곤 가스로 세척하는 제2퍼징단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 목표두께의 루테늄을 캡핑할 수 있도록 상기 (b1)단계 내지 (b4) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하며 상기 (b1)단계 내지 (b4)단계를 거쳐 형성된 루테늄이 캡핑된 나노와이어가 루테늄이 캡핑된 코발트 실리사이드 나노와이어를 형성하도록 하기 위해서 열을 가하는 RTA공정을 수행하는 단계를 더 포함하고 상기 열을 가하는 RTA공정을 수행하는 단계는 700℃ 내지 950℃의 열을 가하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 균일도가 향상된 루테늄에 의한 나노와이어 실리사이드 캡핑이 가능하게 되었다. 본 발명의 또 다른 효과는 원자층증착법을 이용함으로서 캡핑의 두께를 조절할 수 있게 된다.
도1은 물리기상증착법에 의해서 금속성 물질을 캡핑할 경우에 균일도(conformity)를 나타낸 도면이다.
도2는 본 발명의 일실시예인 실리콘 나노와이어에 실리사이드를 형성하는 개략적인 도면이다.
도3은 실리콘 기판에 원자층증착법을 이용하여 코발트를 증착시키는 상세한 순서도이다.
도4는 전자현미경을 통해서 본 실리콘기판위에 코발트 박막이 형성된 도면이다.
도5는 코발트 박막에서의 불순물 함유량을 나타낸 그래프이다.
도6은 본 발명의 일실시예인 900℃에서 열처리 공정을 수행한 후 XRD를 통한 성분분석 그래프이다.
도7은 EDS분석을 통한 성분분석 결과 그래프이다.
도8은 원자층 증착법을 이용하여 루테늄을 증착하는 순서도이다.
도9는 본 발명의 일 실시예인 원자층증착법을 이용하여 루테늄을 증착하는 공정을 수행한 후에 형성되는 실리콘 나노와이어의 단면도이다.
도10에 도시된 바와 같이 직관적으로 확인한 나노와이어의 conformity가 우수함을 확인할 수 있다.
도11은 RTA공정을 수행한 후에 실리사이드가 형성된 나노와이어 단면을 나타낸 도면이다.
도12는 본 발명의 일실시예인 RTA공정을 수행한 후 XRD를 통한 성분분석 그래프이다.
실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 구체화되어질 수 있고, 여기에서 설명되는 양태들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 상기 양태들은 실시예들을 더욱 철저하고 완전하게 되도록 해주며, 당업자에게 실시예들의 영역을 충분히 전달할 수 있도록 해준다. 비록 제1, 제2 .. 등을 지칭하는 용어들이 여러 구성 요소들을 기술하기 위하여 여기에서 사용되어 질 수 있다면, 상기 구성 요소들은 이러한 용어들로 한정되지 않는 것으로 이해되어 질 것이다. 단지 이러한 용어들은 어떤 구성 요소로부터 다른 구성 요소를 구별하기 위해서 사용되어질 뿐이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 실리사이드 나노와이어를 제조하는 방법에 관한 발명으로서 원자층증착법에 의해서 루테늄을 상기 실리사이드에 증착시켜 캡핑하는 단계를 포함한다.
상기 루테늄을 상기 실리사이드에 증착시켜 캡핑하는 단계 이전에 원자층 증착법을 이용하여 코발트 원자층 박막을 실리콘 나노와이어 기판에 증착하는 단계에 대해서 살펴본다.
<실리사이드를 형성>
상기 코발트 원자층 박막을 실리콘 나노와이어 기판에 증착하는 단계는 (a1) 반응기에 상기 기판을 넣고
Figure pat00003
를 전구체를 투입하여 열을 가하는 단계, (a2) 아르곤 가스로 퍼징하는 단계, (a3) 반응기에
Figure pat00004
를 반응물로서 투입하는 단계 및 (a4) 아르곤 가스로 퍼징하는 단계를 포함한다.
도2는 본 발명의 일실시예인 실리콘 나노와이어에 실리사이드를 형성하는 개략적인 도면이다.
도2에 도시된 바와 같이 코발트 다이아이소프로필아세트아미디네이트(
Figure pat00005
)를 전구물질로서 반응기에 투입하고 실리콘 나노와이어에 증착시키는 단계를 거치게 된다. 이후 반응하지 않고 남은 불순물들을 크리닝하는 퍼징단계를 거치게 되고 반응물로서 암모니아를 투입하여 유기화합물을 코발트 박막에서 제거하는 기능을 담당한다. 이후 다시 아르곤 가스로 퍼징하는 단계를 통해서 코발트를 실리콘 나노와이어에 증착시킨다.
도3은 실리콘 기판에 원자층증착법을 이용하여 코발트를 증착시키는 상세한 순서도이다.
도3에 도시된 바와 같이 원자층 증착법은 1번의 사이클이 모두 4단계를 거치게 된다. 앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 일실시예는 전구체로서
Figure pat00006
를 사용하여 3초간 실리콘 기판 평면에 공급하여 증착시키고 퍼징하는 단계를 거친다. 이후 반응체로서 암모니아를 3초간 공급하고 다시 1초간 퍼징을 한다. 상기와 같은 공정은 1번의 사이클당 약 0.2Å두께의 성장속도를 갖는 박막이 형성된다.
도4는 전자현미경을 통해서 본 실리콘기판위에 코발트 박막이 형성된 도면이다.
도4의 도면 (a)는 실리콘 표면을 산화시켜 산화막 위에 코발트 박막을 형성한 사진이고, 도면 (b)는 실리콘 표면 위에 코발트 박막을 형성한 도면이다. 즉 표면특성이 친수성인지 소수성인지는 여부는 코발트 박막을 형성하는데 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.
도5는 코발트 박막에서의 불순물 함유량을 나타낸 그래프이다.
도5에 도시된 바와 같이 실리콘 표면 위에 질소, 산소, 탄소의 함유량이 매우 미세함을 확인할 수 있어 도5의 그래프를 통해서 코발트 박막을 형성하기 위해서 사용되어진
Figure pat00007
내부의 리간드가 암모니아에 3초가 노출시킴으로서 완벽하게 제거되었음을 알 수 있고 결국 반응체로서 암모니아를 사용함으로서 코발트 박막의 순도가 현저히 높아짐을 도5를 통해서 확인할 수 있다.
도4와 도5는 실리콘 나노와이어가 아닌 실리콘 기판에서 코발트 박막을 증착시킨 예에 해당하나 실리콘 나노와이어에 원자층증착법을 이용하고 암모니아를 반응체로서 사용하게 되는 경우에도 동일한 결과가 산출된다.
상기 도2에 도시된 바와 같이 열처리공정인 RTA공정을 캡핑 레이어(cap layer)가 없는 상태에서 수행할 경우에 실리사이드(
Figure pat00008
)가 형성되는지를 살펴본다.
도6은 본 발명의 일실시예인 900℃에서 열처리 공정을 수행한 후 XRD를 통한 성분분석 그래프이고 도7은 EDS분석을 통한 성분분석 결과 그래프이다.
도6에 도시된 바와 같이 화살표 방향의 피크를 나타내는 곳에서 성분이 실리사이드가 아닌 코발트 옥사이드가 형성되어 있음을 추론해 볼 수 있고,
도7의 EDS분석을 통해 성분분석을 해 본 결과 코발트 옥사이드가 형성되었음을 확인할 수 있다. 즉 코발트를 실리콘 나노와이어에 증착시킨후에 캡핑 레이어 없이 바로 열처리공정을 수행한 경우에는 실리사이드가 형성되지 않으며 반드시 캡핑 레이어를 코발트가 증착된 실리콘 나노와이어에 열처리 공정인 RTA 공정단계를 수행해야만 한다는 점을 확인하게 된다.
이하 본 발명의 일실시예인 루테늄을 캡핑 레이어로 증착하는 실리사이드에 대해서 살펴본다.
<루테늄 캡핑 레이어 증착>
도8은 원자층 증착법을 이용하여 루테늄을 증착하는 순서도이다.
도8에 도시된 바와 같이 원자층 증착법을 이용하여 루테늄을 코발트가 증착된 실리콘 나노와이어에 증착하는 방법은 (b1) 반응기안에 있는 코발트가 증착되어 있는 실리콘 나노와이어 기판에 전구체로서 DER(다이메틸펜다디에닐에틸사이클로펜다디에닐루테늄)을 투입하여 증착시키는 단계(S200), (b2) 미반응물질 및 불순물을 제거하기 위해서 아르곤 가스로 세척하는 제1퍼징단계(S210), (b3) 반응기에 O2를 반응물로서 투입하는 단계(S220) 및 (b4) 아르곤 가스로 세척하는 제2퍼징단계(S230)를 포함한다.
상기 (b1)단계인 반응기안에 있는 코발트가 증착되어 있는 실리콘 나노와이어 기판에 전구체로서 DER을 투입하여 증착시키는 단계는 원자층 증착법에 의해서 코발트가 증착되어 있는 실리콘 나노와이어 기판에 루세늄을 증착시키기 위해서 DER을 투입한다. 약 3초간 반응기에 투입하게 되면 나노와이어에 DER이 반응하여 증착된다.
상기 (b2)단계인 미반응물질 및 불순물을 제거하기 위해서 아르곤 가스로 세척하는 제1퍼징단계는 불활성기체인 아르곤을 1초간 반응기 내부로 투입하여 기판상에 있는 불순물을 제거한다.
상기 (b3)단계인 반응기에 O2를 반응물로서 투입하는 단계는 실리콘 나노와이어 표면에 존재하는 유기화합물을 반응시켜 제거하기 위한 공정으로 순수한 루테늄(Ru)만 남길 수 있도록 하는 공정이다. 약 3초간 산소(O2)를 투입한다.
상기 (b4)단계인 아르곤 가스로 세척하는 제2퍼징단계는 상기 (b2)단계와 마찬가지로 불활성기체인 아르곤 가스를 1초가 반응기에 투입하여 기판상의 불순물을 제거하게 된다.
도9는 본 발명의 일 실시예인 원자층증착법을 이용하여 루테늄을 증착하는 공정을 수행한 후에 형성되는 실리콘 나노와이어의 단면도이다.
상기 루테늄을 증착하는 공정을 1사이클 수행하면 0.2Å의 루테늄 층이 증착되므로 도9에 도시된 바와 같이 20nm의 두께로 루테늄 층을 증착시키기 위해서는 100사이클의 원자층증착공정이 수행되어야 한다.
도10은 본 발명의 일실시예인 원자층증착법을 이용하여 루테늄을 증착한 나노와이어의 실제사진이다.
도10에 도시된 바와 같이 직관적으로 확인한 나노와이어의 균일도(Conformity)가 우수함을 확인할 수 있다.
또한 실리사이드 나노와이어를 형성하기 위해서 상기 (b1)단계 내지 (b4)단계를 거쳐 형성된 루테늄이 캡핑된 나노와이어가 루테늄이 캡핑된 코발트 실리사이드 나노와이어를 형성하도록 하기 위해서 열을 가하는 RTA공정을 수행하는 단계를 거쳐야 한다.
루테늄이 캡핑된 나노와이어를 700℃ 내지 950℃로 급속하게 열을 가하여 실리콘과 코발트가 결합되어 실리사이드(
Figure pat00009
)가 형성되도록 한다.
도11은 RTA공정을 수행한 후에 실리사이드가 형성된 나노와이어 단면을 나타낸 도면이다. 도11에 도시된 바와 같이 실제 루테늄이 캡핑되어 있는 상태에서 RTA 공정을 수행하여 열을 가하게 되므로 내부에서 실리사이드가 형성된다.
도12는 본 발명의 일실시예인 RTA공정을 수행한 후 XRD를 통한 성분분석 그래프이다.
도12에 도시된 바와 같이 화살표로 표시된 피크부분에서 코발트 실리사이드가 형성되어 있음을 그래프 상으로 확인할 수 있다.
본 발명과 같은 방법으로 루테늄이 캡핑된 코발트실리사이드가 형성될 수 있고 이러한 코발트 실리사이드는 반도체 소자의 콘택부분에 사용되어 실리콘과 접합되는 부분에 콘택저항을 줄이고 전도성이 우수한 재료를 공급하게 된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 실리사이드
20 티탄(Ti)캡핑레이어
100 실리콘 나노와이어
200 코발트
300 루테늄

Claims (9)

  1. 실리사이드 나노와이어를 제조하는 방법에 있어서,
    원자층 증착법에 의해서 루테늄을 코발트가 증착된 실리콘 나노와이어에 증착시켜 캡핑하는 단계를 포함하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 루테늄을 상기 실리콘 나노와이어에 증착시켜 캡핑하는 단계 이전에 원자층 증착법을 이용하여 코발트 원자층 박막을 실리콘 나노와이어 기판에 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코발트 원자층 박막을 실리콘 나노와이어 기판에 증착하는 단계는
    (a1) 반응기에 상기 기판을 넣고
    Figure pat00010
    를 전구체를 투입하여 열을 가하는 단계;
    (a2) 아르곤 가스로 퍼징하는 단계;
    (a3) 반응기에
    Figure pat00011
    를 반응물로서 투입하는 단계;및
    (a4) 아르곤 가스로 퍼징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    실리콘 나노와이어에 목표두께의 코발트가 증착되도록 상기 (a1) 내지 (a4)단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전구체를 투입하여 열을 가하는 단계는 300℃ 내지 400℃로 열을 가하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 원자층 증착법에 의해서 루테늄을 상기 코발트가 증착된 실리콘 나노와이어에 증착시켜 캡핑하는 단계는
    (b1) 반응기안에 있는 코발트가 증착되어 있는 실리콘 나노와이어 기판에 전구체로서 DER(다이메틸펜다디에닐에틸사이클로펜다디에닐루테늄)을 투입하여 증착시키는 단계;
    (b2) 미반응물질 및 불순물을 제거하기 위해서 아르곤 가스로 세척하는 제1퍼징단계;
    (b3) 반응기에 O2를 반응물로서 투입하는 단계;및
    (b4) 아르곤 가스로 세척하는 제2퍼징단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    목표두께의 루테늄을 캡핑할 수 있도록 상기 (b1)단계 내지 (b4) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (b1)단계 내지 (b4)단계를 거쳐 형성된 루테늄이 캡핑된 나노와이어가 루테늄이 캡핑된 코발트 실리사이드 나노와이어를 형성하도록 하기 위해서 열을 가하는 RTA공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열을 가하는 RTA공정을 수행하는 단계는 700℃ 내지 950℃의 열을 가하는 것을 특징으로 하는 루테늄 캡핑 실리사이드 나노와이어 제조방법.
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