증착 시스템, 막 전구체 증발 시스템, 및 금속층의 증착 방법

집적 회로의 제조를 위한 다층 금속 배선 구조에 구리(Cu) 금속을 도입하는 경우에는, 확산 배리어/라이너를 사용하여 Cu층의 성장과 점착을 촉진하고 Cu의 유전체 재료로의 확산을 방지할 필요가 있다. 유전체 재료 상에 증착된 배리어/라이너는, Cu에 대하여 비반응성 및 비혼화성을 갖고 낮은 전기 저항을 제공할 수 있는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 탄탈(Ta) 등과 같은 고융점 재료를 포함할 수 있다. Cu 금속 배선 및 유전체 재료를 통합한 근래의 집적 구조에서는, 약 400℃ 내지 약 500℃ 또는 그보다 낮은 기판 온도에서 배리어/라이너 증착 프로세스가 요구될 수 있다. 예컨대, 130 ㎚ 이하의 기술 노드를 위한 Cu 집적 구조는, 유전 상수가 낮은(로우-k) 층간 절연막과, 그 다음에 위치하는 물리적 증착법(PVD)에 의한 Ta층 또는 TaN/Ta층과, 그 다음에 위치하는 PVD법에 의한 Cu 시드층, 그리고 전해 증착법(ECD)에 의한 Cu 매립층을 이용할 수 있다. Ta층은 일반적으로 그 점착성(즉, 로우-k 막에 대한 점착 성능) 때문에 선택되고, Ta/TaN층은 일반적으로 그 배리어성(즉, 로우-k 막으로의 Cu 확산을 방지하는 성능) 때문에 선택된다. 전술한 바와 같이, Cu 확산 배리어로서의 얇은 전이 금속층을 연구하고 실현하기 위해 많은 노력을 기울여오고 있는데, 이러한 연구 대상에는 크롬, 탄탈, 몰리브덴 및 텅스텐 등과 같은 재료가 포함된다. 이러한 재료 각각은 Cu에 대하여 낮은 혼화성을 나타낸다. 보다 최근에는, 루테늄(Ru) 및 로듐(Rh) 등과 같은 다른 재료가 종래의 고융점 금속과 유사하게 거동하는 것으로 기대되기 때문에, 잠재적인 배리어층으로서 확인되었다. 그러나, Ru 또는 Rh를 사용하면, Ta/TaN 등과 같은 2개의 층과는 대조적으로 단 하나의 배리어층을 사용할 수 있게 된다. 이러한 소견은 재료의 점착성 및 배리어성에 근거한 것이다. 예를 들어, 하나의 Ru층이 Ta/TaN 배리어층을 대체할 수 있다. 또한, 최근의 연구 성과에 의하면, 하나의 Ru층이 Cu 시드층도 또한 대체할 수 있고 벌크 Cu 매립이 Ru의 증착에 바로 이어서 진행될 수 있다. 이러한 소견은 Cu층과 Ru층 사이의 점착성이 좋다는 것에 근거한 것이다. 통상적으로, Ru층은 열화학 기상 증착법(TCVD)에서 루테늄 카르보닐 전구체 등과 같은 루테늄 함유 전구체를 열분해함으로써 형성될 수 있다. 루테늄 카르보닐 전구체[예컨대, Ru3(CO)12]의 열분해에 의해 증착된 Ru층의 재료 물성은 기판 온도가 약 400℃ 밑으로 낮아질 때 열화될 수 있다. 그 결과, 낮은 증착 온도에서 Ru층의 (전기) 저항이 증가하고 표면 형상이 악화(예컨대, 노듈의 형성)되는 것은, 열증착된 Ru층으로 혼입되는 반응 부산물이 증가하는 원인으로 고려되었다. 두 결과는, 루테늄 카르보닐 전구체의 열분해에 기인한 일산화탄소(CO)의 탈착 속도가 약 400℃ 미만의 기판 온도에서 낮아지는 것에 의해 설명될 수 있다. 또한, 루테늄 카르보닐 또는 레늄 카르보닐 등과 같은 금속 카르보닐을 사용하는 경우, 이들 금속 카르보닐의 증기압이 낮아서 증착 속도가 부족해질 수 있으며, 이와 관련된 이송 문제가 일어날 수 있다. 개괄적으로, 발명자들은 현재의 증착 시스템에서는 금속막의 증착을 실행할 수 없게 만드는 낮은 증착 속도가 문제라는 것을 알아내었다. 또한, 발명자들은 현재의 증착 시스템에서는 나쁜 막 균일성과 파티클 오염이 문제라는 것을 알아내었다.