KR20180117357A - 루테늄 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자층증착법으로 루테늄 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법은 루테늄 전구체(C15H17NO6Ru2)와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 원자층증착법으로 저온에서 비저항이 낮은 루테늄 박막을 형성한다. 이를 위해, 30 Torr 이상의 압력에서 루테늄 박막을 형성하거나 루테늄 박막 형성 중간에 루테늄 박막을 플라즈마 처리할 수 있다.

Description

루테늄 박막 형성 방법{METHOD OF FORMING RUTHENIUM THIN FILM}
본 발명은 루테늄 박막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자층증착법으로 루테늄 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
루테늄(Ru)은 저저항, 상대적으로 큰 일함수(work function) 및 열적/화학적 안정성으로 인하여 반도체 소자에 널리 사용되고 있다. 특히, 루테늄 박막은 반도체 소자의 배선 구조에서 시드층(seed layer)으로 사용되거나, 트랜지스터의 게이트 또는 캐패시터 등의 전극 등으로 사용되고 있다. 반도체 소자의 고집적화 및 소형화에 따라, 반도체 소자에 사용되는 루테늄 박막도 향상된 균일성 및 도포성이 요구되고 있다.
또한, 반도체 소자와 같은 전자 소자의 소량화에 따라 디자인 룰이 감소됨에 따라, 저온 공정, 정밀한 두께 제어, 박막의 균일성 및 도포성을 만족시키기는 증착 방법으로 자기 제한 표면 반응 메커니즘(self-limiting surface reaction mechanism)을 따르는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용한 박막 형성이 널리 연구되고 있다.
루테늄 박막을 원자층증착법으로 증착할 때, 루테늄 전구체(precursor)를 환원하기 위해 일반적으로 산소(O)를 포함하는 반응가스(예컨대, 산소(O2) 또는 오존(O3))가 사용되고 있다. 그러나 산소를 포함하는 반응가스를 사용하게 되면 하부막을 산화시키는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 산소를 포함하지 않는 반응가스를 이용하면서도 저온에서 비저항이 낮은 루테늄 박막을 형성하는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄(Ru) 전구체(precursor)(C15H17NO6Ru2)와 산소(O)를 함유하지 않는 반응가스(non-oxidizing reducing agent)를 이용하여 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 루테늄 박막을 형성한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막은 30 Torr 이상의 압력에서 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응가스는 수소(H2)일 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막의 비저항은 30μΩ·㎝ 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막의 불순물 함유량이 1at% 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막은 200℃ 이하의 온도에서 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막은, 루테늄 박막을 증착하는 루테늄 박막 증착 단계; 및 상기 증착된 루테늄 박막을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 단계;를 포함하여 형성하며, 상기 루테늄 박막 증착 단계는, 기판 상에 상기 루테늄 전구체를 공급하는 단계; 상기 루테늄 전구체를 퍼지(purge)하는 단계; 상기 기판 상에 상기 반응가스를 공급하는 단계; 및 상기 반응가스를 퍼지하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막 증착 단계와 상기 플라즈마 처리 단계는 인-시튜(in-situ)로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응가스는 질소(N2)와 수소(H2) 플라즈마일 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 질소와 수소의 비율은 1:2 내지 1:20일 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 플라즈마 처리 단계는 환원성 분위기에서 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 플라즈마 처리 단계는 수소 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막의 비저항은 70μΩ·㎝ 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 루테늄 박막 형성 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 루테늄 박막 증착 단계와 상기 플라즈마 처리 단계는 200℃ 이하의 온도에서 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 화학식 1의 루테늄 전구체를 이용하여 루테늄 박막을 형성하면, 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하더라도 저온에서 루테늄 박막을 형성할 수 있다. 특히, 30 Torr 이상의 압력에서 루테늄 박막을 형성하면, 200℃ 이하의 저온에서도 불순물이 거의 함유되지 않으면서 비저항이 낮은 루테늄 박막을 형성할 수 있다. 또한, 인-시튜(in-situ)로 루테늄 박막 증착과 플라즈마 처리를 반복 수행하게 되면, 200℃ 이하의 저온에서도 불순물이 거의 함유되지 않으면서 비저항이 낮은 루테늄 박막을 형성할 수 있다.
도 1은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 형성하는 제1 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성방법을 설명하기 위한 원자층증착법의 가스 주입 플로우를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법에 있어서 챔버 압력에 따른 루테늄 박막의 비저항에 대한 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법에 있어서 챔버 압력에 따른 루테늄 박막의 X선 회절분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 태양에 따라 루테늄 박막을 형성하였을 때, 이차 이온 질량 분석기(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS)에 의해 루테늄 박막의 조성을 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 듀얼 트렌치(dual trench) 구조에 제1 태양에 따라 루테늄 박막을 형성하였을 때, 형성된 박막의 증착 특성을 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 7은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 형성하는 제2 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 제2 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 비저항 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제2 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 결정구조를 설명하기 위한 도면으로 X선 회절분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 형성하는 제3 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 반응가스의 종류에 따라 형성된 루테늄 박막의 비저항을 나타낸 도면이다.
도 12는 제3 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 비저항 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 제3 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 결정구조를 설명하기 위한 도면으로 X선 회절분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막의 이차 이온 질량 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 갓 증착된 루테늄 박막을 열처리한 후 루테늄 박막의 이차 이온 질량 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 듀얼 트렌치 구조에 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막의 증착 특성을 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 17은 듀얼 트렌치 구조에 갓 증착된 루테늄 박막을 열처리한 후의 루테늄 박막의 증착 특성을 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 18은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 증착하고 플라즈마 처리(plasma treatment)하여 루테늄 박막을 형성하는 제4 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 19는 제4 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 비저항 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 제4 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 결정구조를 설명하기 위한 도면으로 X선 회절분석 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄(Ru) 전구체(precursor)(C15H17NO6Ru2)와 산소(O)를 함유하지 않는 반응가스(non-oxidizing reducing agent)를 이용하여 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 루테늄 박막을 형성하는 것으로, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체는 산소(O2)나 오존(O3)와 같이 산소를 함유하는 반응가스를 이용하지 않더라도, 200℃ 이하의 저온에서 루테늄 박막의 증착이 가능하다.
[화학식 1]
Figure pat00002
원자층증착법은 전구체와 반응가스를 교호적으로 기판 상에 공급하여 박막을 형성하는 방법으로 전구체와 반응가스 공급 후에는 각각 퍼지(purge)가스를 공급하여 챔버 내에 잔존하는 전구체와 반응가스를 퍼지하게 된다. 기판 상에 전구체를 공급하면, 기판과 전구체가 반응하여 한 층의 전구체가 기판 표면 전체에 형성된다. 한 층의 전구체가 기판 표면 전체에 형성되면 그 이후로 계속하여 전구체를 공급하더라도 추가 공급된 전구체는 한 층의 전구체 위에 쌓이게 되며, 쌓인 전구체는 전구체 공급 후에 공급되는 퍼지가스에 의해 제거된다. 반응가스를 공급하는 경우에도 유사한 메커니즘에 의해 박막이 형성된다. 즉, 기판 표면 전체에 형성되어 있는 전구체에 반응가스를 공급하면, 반응가스와 전구체가 반응하게 되고, 모든 반응이 종료되면 반응가스가 계속 공급되더라도 더 이상의 반응은 일어나지 않게 된다. 그리고 남은 반응가스는 반응가스 공급 후에 공급되는 퍼지가스에 의해 제거된다.
화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 원자층증착법으로 루테늄 박막을 형성하는 방법은 다양하며, 이하에서는 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 원자층증착법으로 루테늄 박막을 형성하는 다양한 태양을 도면과 함께 설명하기로 한다.
(제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성)
도 1은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 형성하는 제1 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성방법을 설명하기 위한 원자층증착법의 가스 주입 플로우를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 공급하는 단계(S110), 상기 루테늄 전구체를 퍼지하는 단계(S120), 산소를 함유하지 않는 반응가스를 공급하는 단계(S130) 및 상기 반응가스를 퍼지하는 단계(S140)를 포함한다. 상기 단계들은 원자층증착 장치의 챔버 내에서 증착 대상물, 예를 들어, 기판에 대하여 수행될 수 있다. 상기 단계들은 순차적으로 1회씩 수행되어, 하나의 증착 사이클을 이룰 수 있다. 상기 증착 사이클은 목적하는 루테늄 박막의 두께에 따라 복수 회 반복하여 수행될 수 있다.
구체적으로, 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 루테늄 전구체의 공급 및 반응가스의 공급의 순서로 구성되며, 각 공급 단계 후에 상기 루테늄 전구체 및 반응가스를 퍼지하는 단계에서 퍼지가스가 주입될 수 있다. 상기 가스들은 챔버 내로 공급되어 기판 상에 분사될 수 있다. 상기 기판은 그 상면에 도전 물질, 반도체 물질 또는 절연 물질을 포함할 수 있다. 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은 30 Torr 이상의 압력에서 수행된다. 이를 위해, 챔버 내의 압력을 조절하기 위해 추가적으로 불활성 가스를 챔버 내로 공급할 수 있다. 이 경우, 불활성 가스는 퍼지가스와 동일한 가스를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 그리고 기판의 온도는, 예를 들어 200 ℃ 이하일 수 있다.
제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 먼저 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 기판 상에 공급한다(S110). 이때 루테늄 전구체를 기판 상에 공급하기 전에, 챔버 내의 압력이 30 Torr 이상이 되도록 조절하며, 기판의 온도는 200 ℃ 이하가 되도록 조절한다. 그리고 선택적으로, S110 단계에 앞서, 예비 세정(precleaning) 공정을 실시하여 상기 기판 상에 있을 수 있는 식각 잔류물 또는 표면 불순물을 제거할 수 있다. 상기 예비 세정 공정은 아르곤(Ar) 스퍼터링을 이용한 세정 또는 습식 세정제를 이용한 세정 공정을 이용할 수 있다.
다음으로, 상기 루테늄 전구체를 퍼지한다(S120). 퍼지가스로는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 질소(N2) 가스 등을 사용할 수 있다. 상기 퍼지가스에 의해, 잔존하는 부산물 및 흡착되지 않은 루테늄 전구체가 제거될 수 있다.
다음으로, 산소를 함유하지 않는 반응가스를 기판 상에 공급한다(S130). 상기 반응가스는 기판 상에 흡착된 루테늄 전구체를 환원시켜 핵생성(nucleation)을 보조하는 환원 가스로, 상기 반응가스는 수소(H2)일 수 있다. 이와 같이, 산소를 함유하지 않는 반응가스를 사용하므로, 증착 공정 중에 하부막을 산화시키지 않으며, 루테늄 박막이 형성된 이후에도 후속 공정에서도 루테늄 박막의 하부막을 산화시키지 않게 된다. 이에 의해, 하부막과의 계면에 형성된 산화물로 인한 루테늄 박막과 하부막 사이의 접촉 저항의 증가를 방지할 수 있다.
다음으로, 상기 반응가스를 퍼지(S140)한다. 퍼지가스로는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 질소(N2) 가스 등을 사용할 수 있다.
이하에서 도 3 내지 도 6을 참조하여, 제1 태양에 따른 루테늄 박막의 형성 결과를 중심으로 본 발명을 설명한다.
도 3은 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법에 있어서 챔버 압력에 따른 루테늄 박막의 비저항에 대한 분석 결과를 나타낸 도면이다. 도 3은 기판 온도가 150℃ 이며, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 수소(H2)를 반응가스로 사용한 경우 챔버 압력에 따른 루테늄 비저항을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 챔버 압력이 1 Torr인 경우에는 형성된 루테늄 박막의 비저항은 10,000μΩ·㎝ 보다 크지만, 챔버 압력이 증가할수록 루테늄 박막의 비저항이 감소됨을 알 수 있다. 챔버 압력을 30 Torr 이상으로 하여 루테늄 박막을 형성한 경우에는 형성된 루테늄 박막의 비저항이 약 25μΩ·㎝일 정도로 매우 우수한 비저항을 가지게 됨을 알 수 있다. 즉, 제1 태양에 따라 30 Torr 이상의 압력에서 루테늄 박막을 형성하게 되면 200℃ 이하의 낮은 온도에서도 30μΩ·㎝ 이하의 비저항을 갖는 루테늄 박막을 형성할 수 있다.
도 4는 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법에 있어서 챔버 압력에 따른 루테늄 박막의 X선 회절분석(X-Ray Diffraction, XRD) 결과를 나타낸 도면이다. 도 4는 기판 온도가 150℃이며, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 수소(H2)를 반응가스로 사용한 경우의 챔버 압력에 따른 X선 회절분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 챔버 압력이 증가할수록 형성된 루테늄 박막의 결정성이 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히, 챔버 압력이 30 Torr 이상인 경우, 루테늄 박막 내에 6방정계(hexagonal)의 루테늄 결정이 성장했음을 알 수 있다.
도 5는 제1 태양에 따라 루테늄 박막을 형성하였을 때, 이차 이온 질량 분석기(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS)에 의해 루테늄 박막의 조성을 분석한 결과를 나타낸 도면이다. 도 5는 챔버 압력이 30 Torr 이고, 기판 온도가 150℃일 때, 실리콘 기판 상에 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 수소(H2)를 반응가스로 사용하여 루테늄 박막을 형성한 경우의 이차 이온 질량분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 루테늄 박막은 1at% 미만의 아주 미량의 탄소(0.2at%)와 산소(0.2at%)만을 함유하고 있어, 불순물이 거의 없는 순수한 루테늄 박막이 형성되었음을 알 수 있다. 즉, 30 Torr의 압력에서 루테늄 박막을 형성하면 불순물이 거의 없는 순수한 루테늄 박막을 형성할 수 있어, 낮은 비저항을 갖는 루테늄 박막을 형성할 수 있게 된다.
도 6은 듀얼 트렌치(dual trench) 구조에 제1 태양에 따라 루테늄 박막을 형성하였을 때, 형성된 박막의 증착 특성을 설명하기 위한 전자현미경 사진이다. 도 6의 듀얼 트렌치 구조는 상부의 직경이 약 45nm이고, 하부의 직경이 약 20nm이며, 높이는 약 150nm인 구조로 종횡비(aspect ratio)가 7.5:1이다.
도 6의 사진에 보이는 바와 같이, 제1 태양에 따라 형성된 루테늄 박막은 높은 종횡비의 패턴 상에도 균일하고 컨포멀(conformal)하게 형성되었음을 알 수 있다. 이는 원자층증착법에 따라 전구체와 반응체의 기상반응을 억제하고 기판의 표면에서 이루어지는 자기 제한 표면 반응 메커니즘을 이용함으로써 박막의 두께 제어가 용이하기 때문이다. 따라서, 제1 태양에 따라 형성된 루테늄 박막은 높은 종횡비를 갖는 트렌치(trench), 콘택(contact) 또는 비아(via) 패턴에 대해서도 균일하며 우수한 계단도포성(step coverage)을 갖게 된다.
도 3 내지 도 6의 결과들을 종합하면, 챔버 압력을 30 Torr 이상으로 하여 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 수소(H2)를 반응가스로 사용하여 루테늄 박막을 형성하게 되면, 150℃ 정도의 저온임에도 불순물이 거의 없는 결정성 루테늄 박막이 형성됨을 알 수 있다. 이로 인해, 형성된 루테늄 박막은 비저항이 30μΩ·㎝ 이하인 매우 우수한 물성을 갖게 된다. 뿐만 아니라, 높은 종횡비에도 계단도포성이 매우 우수한 루테늄 박막을 얻을 수 있게 된다.
(제2 태양에 따른 루테늄 박막 형성)
도 7은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 형성하는 제2 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 제2 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 공급하는 단계(S710), 상기 루테늄 전구체를 퍼지하는 단계(S720), 산소를 함유하지 않는 반응가스를 공급하는 단계(S730) 및 상기 반응가스를 퍼지하는 단계(S740)를 포함한다. 상기 단계들은 원자층증착 장치의 챔버 내에서 증착 대상물, 예를 들어, 기판에 대하여 수행될 수 있다. 상기 단계들은 순차적으로 1회씩 수행되어, 하나의 증착 사이클을 이룰 수 있다. 상기 증착 사이클은 목적하는 루테늄 박막의 두께에 따라 복수 회 반복하여 수행될 수 있다. 그리고 상기 증착 사이클의 수행 이후에, 증착된 루테늄 박막을 열처리하는 단계(S750)를 더 포함한다.
구체적으로, 제2 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 루테늄 전구체의 공급 및 반응가스의 공급의 순서로 구성되며, 각 공급 단계 후에 상기 루테늄 전구체 및 반응가스를 퍼지하는 단계에서 퍼지가스가 주입될 수 있다. 상기 가스들은 챔버 내로 공급되어 기판 상에 분사될 수 있다. 상기 기판은 그 상면에 도전 물질, 반도체 물질 또는 절연 물질을 포함할 수 있다. 제2 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은 압력의 제한은 크게 없다. 즉, 제1 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법에서는 30 Torr 이상의 압력에서 루테늄 박막을 형성하였으나, 제2 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법에서는 30 Torr 이하의 압력(예컨대, 1 Torr)에서 수행되어도 관계없다. 이를 위해, 챔버 내의 압력을 조절하기 위해 추가적으로 불활성 가스를 챔버 내로 공급할 수 있다. 이 경우, 불활성 가스는 퍼지가스와 동일한 가스를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 그리고 기판의 온도는, 예를 들어 200 ℃ 이하일 수 있다. S710 단계 내지 S740 단계에서의 구체적인 가스 주입 플로우는 도 2와 동일하다.
제2 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 도 7에 도시된 것과 같이, 먼저 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 기판 상에 공급한다(S710). S710 단계는 30 Torr 이하의 압력에서도 수행할 수 있다는 점을 제외하면 도 1의 S110 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
다음으로, 상기 루테늄 전구체를 퍼지하고(S720), 산소를 함유하지 않는 반응가스를 기판 상에 공급한 후(S730), 상기 반응가스를 퍼지(S740)한다. S720 단계 내지 S740 단계는 도 1의 S120 단계 내지 S140 단계와 각각 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
그리고 상기 증착 사이클(S710 단계 내지 S740 단계 수행)을 적어도 1회 수행한 이후, 증착된 루테늄 박막을 열처리한다(S750). 열처리는 예를 들어, 300℃ 이상의 온도 및 수소(H2) 분위기 하에서 수행될 수 있다. 상대적으로 낮은 챔버 압력(예컨대, 1 Torr)에서 증착된 루테늄 박막의 비저항은 상대적으로 높은 값을 가질 수 있으나, 증착된 박막의 열처리를 통해 결정성을 향상시키게 되면 비저항을 감소시킬 수 있다.
이하에서 도 8 및 도 9를 참조하여, 제2 태양에 따른 루테늄 박막의 형성 결과를 중심으로 본 발명을 설명한다.
도 8은 제2 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 비저항 분석 결과를 설명하기 위한 도면으로, 왼쪽 그래프는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S710 단계 내지 S740 단계 수행)의 비저항을 나타낸 것이고, 오른쪽 그래프는 열처리 수행 후 루테늄 박막(S710 단계 내지 S750 단계 수행)의 비저항을 나타낸 것이다. 갓 증착된 루테늄 박막은 챔버 압력이 1 Torr이고, 기판 온도가 150℃ 일 때, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 수소(H2)를 반응가스로 사용하여 증착하였고, 열처리는 300℃ 및 수소(H2) 분위기에서 30분 정도 수행하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막의 비저항은 10,000μΩ·㎝ 보다 크지만, 열처리 후에는 약 70μΩ·㎝ 정도로 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 제2 태양에 따라 1 Torr 정도의 압력에서 루테늄 박막을 형성하여 비저항이 높은 루테늄 박막을 형성하더라도 열처리에 의해 70μΩ·㎝ 이하의 비저항을 갖는 루테늄 박막을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 제2 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 결정구조를 설명하기 위한 도면으로, 아래쪽 그래프는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S710 단계 내지 S740 단계 수행)의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이고, 위쪽 그래프는 열처리 수행 후 루테늄 박막(S710 단계 내지 S750 단계 수행)의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이다. 도 8과 마찬가지로, 갓 증착된 루테늄 박막은 챔버 압력이 1 Torr이고, 기판 온도가 150℃ 일 때, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 수소(H2)를 반응가스로 사용하여 증착하였고, 열처리는 300℃ 및 수소(H2) 분위기에서 30분 정도 수행하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막은 비정질 형태의 박막이었으나, 열처리 후에는 루테늄 결정이 형성되었음을 알 수 있다.
도 8 및 도 9의 결과들을 종합하면, 챔버 압력을 1 Torr 정도의 저압으로 하여 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 수소(H2)를 반응가스로 사용하여 루테늄 박막을 형성하게 되면, 150℃ 정도의 저온에서 비정질이며 비저항이 높은 루테늄 박막을 얻을 수 있으나, 이를 열처리하게 되면, 비저항이 70μΩ·㎝ 정도의 결정성 루테늄 박막을 얻을 수 있게 된다.
(제3 태양에 따른 루테늄 박막 형성)
도 10은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 형성하는 제3 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 제3 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 공급하는 단계(S1010), 상기 루테늄 전구체를 퍼지하는 단계(S1020), 산소를 함유하지 않는 반응가스 플라즈마를 공급하는 단계(S1030) 및 상기 반응가스를 퍼지하는 단계(S1040)를 포함한다. 상기 단계들은 원자층증착 장치의 챔버 내에서 증착 대상물, 예를 들어, 기판에 대하여 수행될 수 있다. 상기 단계들은 순차적으로 1회씩 수행되어, 하나의 증착 사이클을 이룰 수 있다. 상기 증착 사이클은 목적하는 루테늄 박막의 두께에 따라 복수 회 반복하여 수행될 수 있다. 그리고 상기 증착 사이클의 수행 이후에, 증착된 루테늄 박막을 열처리하는 단계(S1050)를 더 포함한다.
구체적으로, 제3 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 루테늄 전구체의 공급 및 반응가스의 공급의 순서로 구성되며, 각 공급 단계 후에 상기 루테늄 전구체 및 반응가스를 퍼지하는 단계에서 퍼지가스가 주입될 수 있다. 상기 가스들은 챔버 내로 공급되어 기판 상에 분사될 수 있다. 상기 기판은 그 상면에 도전 물질, 반도체 물질 또는 절연 물질을 포함할 수 있다. 제3 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은 플라즈마를 이용한다. 특히 반응가스를 공급할 때에 플라즈마를 이용할 수 있지만, 이에 한정되지는 않으며, 루테늄 전구체나 퍼지가스를 공급할 때에도 플라즈마를 이용할 수 있다. 반응가스를 공급할 때 이용되는 플라즈마는 다이렉트 플라즈마(direct plasma)일 수도 있고, 리모트 플라즈마(remote plasma)일 수도 있다. 그리고 기판의 온도는, 예를 들어 200 ℃ 이하일 수 있다. S1010 단계 내지 S1040 단계에서의 구체적인 가스 주입 플로우는 플라즈마를 이용한다는 점만 제외하면 도 2와 동일하다.
제3 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 도 10에 도시된 것과 같이, 먼저 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 기판 상에 공급하고(S1010), 상기 루테늄 전구체를 퍼지(S1020)한다. S1010 단계 및 S1020 단계는 도 1의 S110 단계 및 S120 단계와 각각 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
다음으로, 산소를 함유하지 않는 반응가스를 기판 상에 공급한다(S730). 반응가스를 공급할 때에 플라즈마를 이용한다. 이때 반응가스는 암모니아(NH3) 플라즈마, 수소(H2) 플라즈마 또는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스 플라즈마일 수 있다. 바람직하게는 질소와 수소의 혼합가스 플라즈마가 이용되며, 이때 질소와 수소의 비율은 1:2 내지 1:20일 수 있으며, 바람직하게는 1:10일 수 있다.
다음으로, 상기 반응가스를 퍼지(S1040)한다. S1040 단계는 도 1의 S140 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
그리고 상기 증착 사이클(S1010 단계 내지 S1040 단계 수행)을 적어도 1회 수행한 이후, 증착된 루테늄 박막을 열처리한다(S1050). 열처리는 예를 들어, 300℃ 이상의 온도 및 수소(H2) 분위기 하에서 수행될 수 있다. 질소와 수소의 혼합가스 플라즈마를 이용하여 루테늄 박막을 증착하고 증착된 루테늄 박막을 열처리하여 결정성을 향상시키게 되면 비저항을 더욱 감소시킬 수 있다.
이하에서 도 11 내지 도 17을 참조하여, 제3 태양에 따른 루테늄 박막의 형성 결과를 중심으로 본 발명을 설명한다.
도 11은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 환원시키는 반응가스에 따른 비저항을 나타낸 도면으로, 왼쪽부터 차례로 반응가스로 암모니아 플라즈마, 질소 플라즈마, 질소와 수소 혼합가스(질소와 수소의 비율이 1:3) 플라즈마, 질소와 수소 혼합가스(질소와 수소의 비율이 1:5) 플라즈마, 질소와 수소 혼합가스(질소와 수소의 비율이 1:10) 플라즈마 및 수소 플라즈마를 이용하였을 때의 비저항을 나타낸 것이다. 모든 경우 기판의 온도는 150℃ 이었고, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 사용하여 증착하였다.
도 11에 도시된 바와 같이, 질소 플라즈마를 이용하게 되면 루테늄 박막이 형성되지 않았다. 그리고 암모니아 플라즈마를 이용한 경우에는 비저항이 8,000,000μΩ·㎝이 넘는 루테늄 박막이 형성되었다. 그에 비해, 수소 플라즈마 또는 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 이용할 경우에는 상대적으로 낮은 비저항을 갖는 루테늄 박막이 형성되었다. 특히, 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 이용하게 되면 250μΩ·㎝ 정도의 비저항을 갖는 루테늄 박막이 형성되어 가장 낮은 비저항 값을 나타내었다.
도 12는 제3 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 비저항 분석 결과를 설명하기 위한 도면으로, 왼쪽 그래프는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1040 단계 수행)의 비저항을 나타낸 것이고, 오른쪽 그래프는 열처리 수행 후 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1050 단계 수행)의 비저항을 나타낸 것이다. 갓 증착된 루테늄 박막은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 증착하였고, 열처리는 300℃ 및 수소(H2) 분위기에서 30분 정도 수행하였다.
도 12에 도시된 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막의 비저항은 250μΩ·㎝ 보다 크지만, 열처리 후에는 약 70μΩ·㎝ 정도로 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 제3 태양에 따라 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 형성된 루테늄 박막이 다른 반응가스를 사용하는 경우에 비해 비저항이 낮은 루테늄 박막을 얻을 수 있지만, 열처리를 하게 되면 그보다 더 낮은 비저항을 갖는 루테늄 박막을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 제3 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 결정구조를 설명하기 위한 도면으로, 아래쪽 그래프는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1040 단계 수행)의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이고, 위쪽 그래프는 열처리 수행 후 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1050 단계 수행)의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이다. 도 12과 마찬가지로, 갓 증착된 루테늄 박막은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 증착하였고, 열처리는 300℃ 및 수소(H2) 분위기에서 30분 정도 수행하였다.
도 13에 도시된 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막을 열처리하게 되면, 38° ~ 42° 부근에 넓게 퍼져 있던 피크(broad peak)가 열처리 후에 샤프한 피크(sharp peak)로 바뀌어 열처리 후에 루테늄 결정성이 향상되었음을 알 수 있다.
도 14 및 도 15는 제3 태양에 따라 루테늄 박막을 형성하였을 때, 이차 이온 질량 분석기(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS)에 의해 루테늄 박막의 조성을 분석한 결과를 나타낸 도면으로, 도 14는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1040 단계 수행)의 이차 이온 질량 분석 결과를 나타낸 도면이고, 도 15는 열처리 수행 후 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1050 단계 수행)의 이차 이온 질량 분석 결과를 나타낸 도면이다. 도 12 및 도 13과 마찬가지로, 갓 증착된 루테늄 박막은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 증착하였고, 열처리는 300℃ 및 수소(H2) 분위기에서 30분 정도 수행하였다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막은 상당히 많은 양의 불순물이 함유되어 루테늄의 함량이 90at%보다 작았으나(도 14 참조), 열처리 후에는 루테늄의 함량이 95at% 이상으로 증가하였다. 열처리 후에 특히 탄소(C)와 질소(N)의 함량이 많이 감소하여, 열처리를 통해 불순물 중 많은 양의 탄소와 질소가 박막 외부로 배출되었음을 알 수 있다. 열처리에 의해 탄소와 질소가 제거됨으로써 결정화가 촉진되어, 열처리 후에 비저항 특성이 향상되는 것으로 생각할 수 있다.
도 16 및 도 17은 듀얼 트렌치(dual trench) 구조에 제3 태양에 따라 루테늄 박막을 형성하였을 때, 형성된 박막의 증착 특성을 설명하기 위한 전자현미경 사진으로, 도 16은 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1040 단계 수행)의 전자현미경 사진이고, 도 17은 열처리 수행 후 루테늄 박막(S1010 단계 내지 S1050 단계 수행)의 전자현미경 사진이다. 도 12 및 도 13과 마찬가지로, 갓 증착된 루테늄 박막은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 증착하였고, 열처리는 300℃ 및 수소(H2) 분위기에서 30분 정도 수행하였다. 도 16 및 도 17의 듀얼 트렌치 구조는 상부의 직경이 약 45nm이고, 하부의 직경이 약 20nm이며, 높이는 약 150nm인 구조로 종횡비(aspect ratio)가 7.5:1이다.
도 16 및 도 17의 사진에서 보이는 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막도 높은 종횡비의 패턴 상에도 균일하고 컨포멀(conformal)하게 형성되었으며(도 16 참조), 열처리 후에는 더욱 컨포멀하게 형성되었음을 알 수 있다(도 17 참조). 따라서, 제3 태양에 따라 형성된 루테늄 박막은 높은 종횡비를 갖는 트렌치, 콘택 또는 비아 패턴에 대해서도 균일하며 우수한 계단도포성을 갖는다.
도 11 내지 도 17의 결과들을 종합하면, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 원자층증착법으로 루테늄 박막을 증착하게 되면 다른 반응가스에 비해 비저항이 낮은 루테늄 박막을 증착할 수 있고, 이를 열처리하게 되면, 탄소와 질소와 같은 불순물이 제거되고 루테늄의 결정성이 향상되어 70μΩ·㎝ 정도의 낮은 비저항을 갖는 루테늄 박막을 형성할 수 있다. 또한, 이 루테늄 박막은 계단도포성이 매우 우수하여 높은 종횡비를 갖는 패턴에 이용하기에 적합하다.
(제4 태양에 따른 루테늄 박막 형성)
도 18은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 산소를 함유하지 않는 반응가스를 이용하여 루테늄 박막을 증착하고 플라즈마 처리(plasma treatment)하여 루테늄 박막을 형성하는 제4 태양을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 18을 참조하면, 제4 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 공급하는 단계(S1810), 상기 루테늄 전구체를 퍼지하는 단계(S1820), 산소를 함유하지 않는 반응가스 플라즈마를 공급하는 단계(S1830) 및 상기 반응가스를 퍼지하는 단계(S1840)를 포함한다. 상기 단계들은 원자층증착 장치의 챔버 내에서 증착 대상물, 예를 들어, 기판에 대하여 수행될 수 있다. 상기 단계들은 순차적으로 1회씩 수행되어, 하나의 증착 사이클을 이룰 수 있다. 상기 증착 사이클은 기 설정된 횟수만큼 반복하여 수행된다. 그리고 상기 증착 사이클의 수행 이후에, 증착된 루테늄 박막을 플라즈마 처리하는 단계(S1850)를 더 포함한다. 그리고 S1810 단계부터 S1850 단계를 목적하는 루테늄 박막의 두께에 도달할 때까지 계속 반복 수행한다.
구체적으로, 제4 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 크게 루테늄 박막 증착 단계(S1810 내지 S1840)와 플라즈마 처리 단계(S1850)로 구분되며, 루테늄 박막 증착 단계(S1810 내지 S1840)와 플라즈마 처리 단계(S1850)를 반복 수행하여 원하는 두께의 루테늄 박막을 형성한다.
루테늄 박막 증착 단계(S1810 내지 S1840)는 루테늄 전구체의 공급 및 반응가스의 공급의 순서로 구성되며, 각 공급 단계 후에 상기 루테늄 전구체 및 반응가스를 퍼지하는 단계에서 퍼지가스가 주입될 수 있다. 상기 가스들은 챔버 내로 공급되어 기판 상에 분사될 수 있다. 상기 기판은 그 상면에 도전 물질, 반도체 물질 또는 절연 물질을 포함할 수 있다. 제4 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은 플라즈마를 이용한다. 특히 반응가스를 공급할 때에 플라즈마를 이용할 수 있지만, 이에 한정되지는 않으며, 루테늄 전구체나 퍼지가스를 공급할 때에도 플라즈마를 이용할 수 있다. 반응가스를 공급할 때 이용되는 플라즈마는 다이렉트 플라즈마일 수도 있고, 리모트 플라즈마일 수도 있다. 그리고 기판의 온도는, 예를 들어 200 ℃ 이하일 수 있다. S1810 단계 내지 S1840 단계에서의 구체적인 가스 주입 플로우는 플라즈마를 이용한다는 점만 제외하면 도 2와 동일하다.
플라즈마 처리 단계(S1850)는 루테늄 박막 증착 단계(S1810 내지 S1840)에서 증착된 루테늄 박막에 플라즈마를 도입함으로써 이온 충격(ion bombardment)에 의해 증착된 루테늄 박막의 밀도를 증가시키고 결정성을 증가시킬 수 있다. 또한, 플라즈마에 의해 증착된 루테늄 박막 내의 불순물을 제거할 수 있다.
제4 태양에 따른 루테늄 박막 형성 방법은, 도 18에 도시된 것과 같이, 먼저 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체를 기판 상에 공급하고(S1810), 상기 루테늄 전구체를 퍼지(S1820)한다. 다음으로, 산소를 함유하지 않는 반응가스를 기판 상에 공급하고(S1830), 상기 반응가스를 퍼지(S1840)한다. S1810 단계 내지 S1820 단계는 도 10의 S1010 단계 내지 S1040 단계와 각각 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 그리고 상기 증착 사이클(S1810 단계 내지 S1840 단계 수행)을 기 설정된 횟수만큼 반복수행한다.
다음으로, 증착된 루테늄 박막을 플라즈마 처리한다(S1850). 이때 플라즈마 처리는 루테늄 증착 단계(S1810 내지 S1840)와 인-시튜(in-situ)로 수행하는 것이 바람직하다. 플라즈마 처리는 200℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있으며, 루테늄 증착 단계(S1810 내지 S1840)와 동일한 온도에서 수행될 수 있다. 그리고 플라즈마 처리는 환원성 분위기에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 수소(H2) 분위기 하에서 수행될 수 있다. 이때 수소와 함께 아르곤(Ar)을 함께 챔버 내로 공급할 수 있다. 루테늄 박막 증착 단계(S1810 내지 S1840)에서 증착된 루테늄 박막은 상대적으로 높은 비저항을 가질 수 있으나, 증착된 박막을 플라즈마 처리하면 박막 밀도 증가, 결정성 향상 및 불순물 제거를 통해 비저항을 감소시켜 70μΩ·㎝ 이하의 비저항을 갖는 루테늄 박막을 형성할 수 있다.
그리고 목적하는 두께의 루테늄 박막이 형성될 때까지 상기 루테늄 박막 증착 단계(S1810 내지 S1840)와 플라즈마 처리 단계(S1850)를 반복 수행한다.
이하에서 도 19 및 도 20을 참조하여, 제4 태양에 따른 루테늄 박막의 형성 결과를 중심으로 본 발명을 설명한다.
도 19는 제4 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 비저항 분석 결과를 설명하기 위한 도면으로, 왼쪽 그래프는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S1810 단계 내지 S1840 단계 수행)의 비저항을 나타낸 것이고, 오른쪽 그래프는 플라즈마 처리 수행 후 루테늄 박막(S1810 단계 내지 S1850 단계 수행)의 비저항을 나타낸 것이다. 갓 증착된 루테늄 박막은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 150℃에서 증착하였고, 플라즈마 처리는 150℃에서 수소와 아르곤을 함께 챔버 내로 공급하면서 20분 정도 수행하였다.
도 19에 도시된 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막의 비저항은 200μΩ·㎝ 정도이지만, 플라즈마 처리 후에는 약 65μΩ·㎝ 정도로 감소하였음을 알 수 있다. 루테늄 박막을 원자층증착법을 이용하여 형성함에 있어 중간에 플라즈마 처리를 도입하면, 즉 수회 내지 수십회 증착사이클을 수행하고 플라즈마 처리하는 과정을 반복 수행하면, 매우 낮은 비저항을 갖는 루테늄 박막을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 20은 제4 태양에 따라 형성된 루테늄 박막의 결정구조를 설명하기 위한 도면으로, 아래쪽 그래프는 갓 증착된(as-dep) 루테늄 박막(S1810 단계 내지 S1840 단계 수행)의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이고, 위쪽 그래프는 플라즈마 처리 수행 후 루테늄 박막(S1810 단계 내지 S1850 단계 수행)의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이다. 도 19와 마찬가지로, 갓 증착된 루테늄 박막은 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 150℃에서 증착하였고, 플라즈마 처리는 150℃에서 수소와 아르곤을 함께 챔버 내로 공급하면서 20분 정도 수행하였다.
도 20에 도시된 바와 같이, 갓 증착된 루테늄 박막을 플라즈마 처리하게 되면, 38° ~ 44° 부근에 넓게 퍼져 있던 피크(broad peak)가 열처리 후에 샤프한 피크로 바뀌어 플라즈마 처리 후에 루테늄 결정성이 향상되었음을 알 수 있다.
도 19 및 도 20의 결과들을 종합하면, 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄 전구체와 질소와 수소의 비율이 1:10인 질소와 수소 혼합가스 플라즈마를 반응가스로 사용하여 원자층증착법으로 루테늄 박막을 증착하는 중간중간에 플라즈마 처리를 도입하게 되면, 루테늄의 결정성이 증가하여 65μΩ·㎝ 정도의 낮은 비저항을 갖는 루테늄 박막을 얻을 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (14)

  1. 하기 화학식 1의 구조를 갖는 루테늄(Ru) 전구체(precursor)(C15H17NO6Ru2)와 산소(O)를 함유하지 않는 반응가스(non-oxidizing reducing agent)를 이용하여 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 루테늄 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00003
  2. 제1항에 있어서,
    상기 루테늄 박막은 30 Torr 이상의 압력에서 형성하는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응가스는 수소(H2)인 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 루테늄 박막의 비저항은 30μΩ·㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 루테늄 박막의 불순물 함유량이 1at% 이하인 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 루테늄 박막은 200℃ 이하의 온도에서 형성하는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 루테늄 박막은,
    루테늄 박막을 증착하는 루테늄 박막 증착 단계; 및
    상기 증착된 루테늄 박막을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 단계;를 포함하여 형성하며,
    상기 루테늄 박막 증착 단계는,
    기판 상에 상기 루테늄 전구체를 공급하는 단계;
    상기 루테늄 전구체를 퍼지(purge)하는 단계;
    상기 기판 상에 상기 반응가스를 공급하는 단계; 및
    상기 반응가스를 퍼지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 루테늄 박막 증착 단계와 상기 플라즈마 처리 단계는 인-시튜(in-situ)로 수행하는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 반응가스는 질소(N2)와 수소(H2) 플라즈마인 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 질소와 수소의 비율은 1:2 내지 1:20인 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 단계는 환원성 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 단계는 수소 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 루테늄 박막의 비저항은 70μΩ·㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
  14. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 루테늄 박막 증착 단계와 상기 플라즈마 처리 단계는 200℃ 이하의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 루테늄 박막 형성 방법.
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