(57)【要約】一酸化炭素ガス及び希釈ガスを用いる金属カルボニル前駆体（５２、１５２）からの金属層（４４０、４６０）の堆積速度を増加する方法（３００）及び堆積システム（１、１００）に関する。この方法（３００）は、堆積システム（１、１００）のプロセスチャンバ（１０、１１０）に基板（２５、１２５、４００、４０２）を用意し、金属カルボニル前駆体の気相原料と一酸化炭素ガスとを含むプロセスガスを生成し、プロセスチャンバ（１０、１１０）においてプロセスガスを希釈し、基板（２５、１２５、４００、４０２）を希釈されたプロセスガスに晒して、熱化学気相堆積プロセスにより、基板に金属層（４４０、４６０）を堆積する。堆積システム（１、１００）は、気相原料分散システム（３０、１３０）を有するプロセスチャンバ（１０、１１０）で基板（２５、１２５、４００、４０２）を支持し加熱するよう構成される基板ホルダ（２０、１２０）と、金属カルボニル前駆体の気相原料と一酸化炭素ガスとを含むプロセスガスを生成し、これを気相原料分散システム（３０、１３０）へ導入するよう構成される前駆体供給システム（１０５）と、プロセスチャンバ（１０、１１０）にてプロセスガスに希釈ガスを加えるよう構成される希釈ガス源（３７、１３７）と、基板（２５、１２５、４００、４０２）を希釈プロセスガスに晒して金属層（４４０、４６０）を熱化学気相堆積プロセスにより堆積する間、堆積システム（１、１００）を制御するよう構成される制御器（１６５）とを含む。
2008520834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に金属層を堆積する方法であって：
堆積システムのプロセスチャンバに基板を用意する工程；
金属カルボニル前駆体の気相原料と一酸化炭素ガスとを含むプロセスガスを生成する工程；
前記プロセスガスを前記プロセスチャンバに導入する工程；
前記プロセスチャンバにおいて、前記プロセスガスに対して希釈ガスを加えて希釈プロセスガスを生成する工程；および
前記基板を前記希釈プロセスガスに晒して、熱化学気相堆積プロセスにより、前記基板に金属層を堆積する工程；
を備える方法。
【請求項２】
前記プロセスガスを生成する工程は：
金属カルボニル前駆体を加熱して前記金属カルボニル前駆体の気相原料を発生させる工程；および
前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料に一酸化炭素ガスを混合する工程；
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記混合する工程は：
前記金属カルボニル前駆体よりも下流側において、前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料に前記一酸化炭素ガスを混合する工程を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記混合する工程は：
前記一酸化炭素ガスを前記金属カルボニル前駆体の上に又は中を通して流す工程を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記一酸化炭素ガスの流量が約０．１標準立方センチメータ毎分（ｓｃｃｍ）から約１０００ｓｃｃｍである、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記一酸化炭素ガスの流量が約１ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍである、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記プロセスガスを生成する工程は：
前記金属カルボニル前駆体の上に又は中を通してキャリアガスを流す工程が更に含まれる、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記キャリアガスが希ガスを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記キャリアガスの流量が約０．１ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料がタングステンカルボニル、モリブデンカルボニル、コバルトカルボニル、ロジウムカルボニル、レニウムカルボニル、クロミウムカルボニル、ルテニウムカルボニル、もしくはオスミウムカルボニル、またはこれらの２又は３以上の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料がＷ（ＣＯ）６、Ｍｏ（ＣＯ）６、Ｃｏ２（ＣＯ）８、Ｒｈ４（ＣＯ）１２、Ｒｅ２（ＣＯ）１０、Ｃｒ（ＣＯ）６、Ｒｕ３（ＣＯ）１２もしくはＯｓ３（ＣＯ）１２、またはこれらの２又は３以上の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記堆積する工程にて前記基板を約５０℃と約５００℃との間の温度に維持する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記堆積する工程にて前記基板を約３００℃と約４００℃との間の温度に維持する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記堆積する工程にて前記プロセスチャンバを約０．１ｍＴｏｒｒ（０．０１３３Ｐａ）と約２００ｍＴｏｒｒ（２６．７Ｐａ）との間の圧力に維持する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記堆積する工程にて前記プロセスチャンバを約１ｍＴｏｒｒ（０．０１３３Ｐａ）と約１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）との間の圧力に維持する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記堆積する工程にて前記プロセスチャンバを約２ｍＴｏｒｒ（０．０２６７Ｐａ）と約５０ｍＴｏｒｒ（６．６７Ｐａ）との間の圧力に維持する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記希釈プロセスガスを生成する工程は：
前記基板の上方で前記プロセスチャンバに結合される気相原料分散システムの気相原料分散プレナムにおいて前記プロセスガスに希釈ガスを加える工程；および
前記気相原料分散システムの気相原料分散板を通して、前記希釈プロセスガスを前記気相原料分散システムと前記基板との間のプロセスゾーンへ流す工程；
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記希釈プロセスガスを生成する工程は：
前記プロセスガスが、前記基板の上方で前記プロセスチャンバに結合される気相原料分散システムの気相原料分散板を通過した後に、前記気相原料分散板と前記基板との間のプロセスゾーンにおいて前記プロセスガスに前記希釈ガスを加える工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記希釈プロセスガスを生成する工程は：
前記基板の上方で前記プロセスチャンバに結合される気相原料分散システムの気相原料分散板の内部において前記プロセスガスに前記希釈ガスを加える工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記希釈ガスが希ガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記希釈ガスが還元性ガスを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記還元性ガスが、水素、ケイ素含有ガス、ボロン含有ガス、もしくはチッ素含有ガス、またはこれらの２又は３以上の組み合わせを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記基板が、１又は２以上のビアもしくはトレンチまたはこれらの組み合わせを含むパターン化基板である、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記堆積する工程は：
前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料の前記一酸化炭素ガスに対する相対濃度を利用して、前記基板における前記金属カルボニル前駆体の分解速度を制御する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記堆積する工程は：
前記熱化学気相堆積プロセスを動力学的限界温度領域において行う工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
パターン化基板にルテニウム（Ｒｕ）金属層を堆積する方法であって：
１又は２以上のビアもしくはトレンチまたはこれらの組み合わせを含むパターン化基板を堆積システムのプロセスチャンバに用意する工程；
Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体と一酸化炭素ガスとを含むプロセスガスを生成する工程：
前記プロセスガスを前記プロセスチャンバへ導入する工程；
前記プロセスチャンバにおいて前記プロセスガスに希釈ガスを加えて希釈プロセスガスを生成する工程；および
前記パターン化基板を前記希釈プロセスガスに晒して、熱化学気相堆積プロセスにより、前記パターン化基板にルテニウム金属層を堆積する工程；
を備える方法。
【請求項２７】
前記プロセスガスを生成する工程は：
Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体を加熱して前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の気相原料を生成する工程；および
前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の前記気相原料に前記一酸化炭素ガスを混合する工程；
を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記混合する工程は：
前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体よりも下流側において、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の前記気相原料に前記一酸化炭素ガスを混合する工程を更に備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記混合する工程は：
前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の上に又は中を通して前記一酸化炭素ガスを流す工程を更に備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記一酸化炭素ガスの流量は、約０．１ｓｃｃｍと約１０００ｓｃｃｍとの間である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記一酸化炭素ガスの流量は、約１ｓｃｃｍと約１００ｓｃｃｍとの間である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記プロセスガスを生成する工程は：
前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の上に又は中を通してキャリアガスを流す工程を更に備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記キャリアガスが希ガスを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記キャリアガスの流量が約０．１ｓｃｃｍと約１０００ｓｃｃｍとの間である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記気相原料を生成する工程は：
前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体を約４０℃と約１５０℃との間の温度に維持する工程を更に備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記気相原料を生成する工程は：
前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体を約６０℃と約９０℃との間の温度に維持する工程を更に備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記堆積する工程にて前記基板を約５０℃と約５００℃との間の温度に維持する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３８】
前記堆積する工程にて前記基板を約３００℃と約４００℃との間の温度に維持する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３９】
前記堆積する工程にて前記プロセスチャンバを約０．１ｍＴｏｒｒと約２００ｍＴｏｒｒとの間の圧力に維持する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項４０】
前記堆積する工程にて前記プロセスチャンバを約１ｍＴｏｒｒと約１００ｍＴｏｒｒとの間の圧力に維持する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項４１】
前記堆積する工程にて前記プロセスチャンバを約２ｍＴｏｒｒと約５０ｍＴｏｒｒとの間の圧力に維持する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項４２】
前記希釈ガスを生成する工程は：
前記基板の上方で前記プロセスチャンバに結合される気相原料分散システムの気相原料分散プレナムにて前記プロセスガスに希釈ガスを加える工程；および
前記気相原料分散システムの気相原料分散プレナムを通して、前記気相分散システムと前記基板との間のプロセスゾーンへ希釈プロセスガスを流す工程；
を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項４３】
前記希釈ガスを生成する工程は：
前記基板の上方で前記プロセスチャンバに結合される気相原料分散システムの気相原料分散板を前記プロセスガスが通過した後、前記基板と前記気相原料分散板との間のプロセスゾーンにおいて前記プロセスガスに前記希釈ガスを加える工程を備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項４４】
前記希釈ガスを生成する工程は：
前記基板の上方で前記プロセスチャンバに結合される気相原料分散システムの気相原料分散板の内部において前記プロセスガスに前記希釈ガスを加える工程を備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項４５】
前記希釈ガスが希ガスを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４６】
前記希釈ガスが還元性ガスを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４７】
前記還元性ガスが、水素、ケイ素含有ガス、ボロン含有ガス、もしくはチッ素含有ガス、または、これらの２又は３以上の組み合わせを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記パターン化基板が、前記ルテニウム金属層が堆積されるバリア層を更に含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４９】
前記バリア層が、前記ルテニウム金属層が堆積されるタンタル含有層またはタングステン含有層を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記プロセスガスを生成する工程は：
前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の前記気相原料の前記一酸化炭素ガスに対する相対濃度を利用して、前記基板における前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の分解速度を制御する工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項５１】
前記堆積する工程は：
前記熱化学気相堆積プロセスを動力学的限界温度領域において行う工程を更に備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項５２】
堆積システムであって：
気相原料分散システムを有するプロセスチャンバ；
前記プロセスチャンバの前記気相原料分散システムの下方に配置され、基板を支持し加熱するよう構成される基板ホルダ；
金属カルボニル前駆体の気相原料と一酸化炭素ガスとを含むプロセスガスを生成し、前記気相原料分散システムに導入するよう構成される前駆体供給システム；
前記プロセスチャンバに結合され、前記プロセスチャンバにおいて前記プロセスガスに希釈ガスを加えて希釈プロセスガスを生成するよう構成される希釈ガス源；および
前記基板を前記希釈プロセスガスに晒して、熱化学気相堆積プロセスにより、前記基板に金属層を堆積する間、前記堆積システムを制御するよう構成される制御器；
を備える堆積システム。
【請求項５３】
前記前駆体供給システムが、金属カルボニル前駆体を加熱して前記金属カルボニル前駆体の気相原料を生成するよう構成される金属前駆体蒸発システムと、前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料に前記一酸化炭素ガスを混合するよう構成される一酸化炭素ガス源と、を含む、請求項５２に記載の堆積システム。
【請求項５４】
前記一酸化炭素ガス源が、前記金属カルボニル前駆体よりも下流側において、前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料に前記一酸化炭素ガスを混合するよう構成される、請求項５３に記載の堆積システム。
【請求項５５】
前記一酸化炭素ガス源が、前記一酸化炭素ガスを前記金属カルボニル前駆体の上に又は中を通して流すことにより、前記金属カルボニル前駆体の前記気相原料に前記一酸化炭素ガスを混合するよう構成される、請求項５３に記載の堆積システム。
【請求項５６】
前記前駆体供給システムが、約０．１ｓｃｃｍと約１０００ｓｃｃｍの間のガス供給量で前記一酸化炭素ガスを流すよう構成される、請求項５３に記載の堆積システム。
【請求項５７】
前記前駆体供給システムが、約１ｓｃｃｍと約１００ｓｃｃｍの間のガス供給量で前記一酸化炭素ガスを流すよう構成される、請求項５３に記載の堆積システム。
【請求項５８】
前記前駆体供給システムが、前記金属カルボニル前駆体の上に又は中を通してキャリアガスを流すよう構成される、請求項５２に記載の堆積システム。
【請求項５９】
前記前駆体供給システムが、約０．１ｓｃｃｍと約１０００ｓｃｃｍとの間のガス供給量で前記キャリアガスを流すよう構成される、請求項５８に記載の堆積システム。
【請求項６０】
前記基板ホルダが、約５０℃と約５００℃との間の基板温度に前記基板を加熱するよう構成される、請求項５２に記載の堆積システム。
【請求項６１】
前記制御器が、前記プロセスチャンバを約０．１ｍＴｏｒｒと約２００ｍＴｏｒｒとの間の圧力に維持するよう構成される、請求項５２に記載の堆積システム。
【請求項６２】
前記希釈ガス源が、前記気相原料分散システムの気相原料分散プレナムにおいて前記プロセスガスに対して前記希釈ガスを加えるよう構成される、請求項５２に記載の堆積システム。
【請求項６３】
前記希釈ガス源が、前記気相原料分散システムと前記基板との間において前記プロセスガスに前記希釈ガスを加えるよう構成される、請求項５２に記載の堆積システム。
【請求項６４】
前記希釈ガス源が、前記気相原料分散システムの気相原料分散板の内部において前記プロセスガスに対して前記希釈ガスを加えるよう構成される、請求項５２に記載の堆積システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体プロセスに関し、特に金属カルボニル前駆体からの金属層の堆積速度を増加する方法および堆積システムに関する。
【０００２】
本発明は、「金属カルボニル前駆体からの金属層の堆積速度を増加する方法」という名称の米国特許出願第１０／９９６，１４５号に関連し、その内容のすべてをここに援用する。この関連出願は共有ではない。
【背景技術】
【０００３】
集積回路の製造のための多層メタライゼーション工程に銅（Ｃｕ）を導入する場合には、拡散バリア／ライナを使用して、Ｃｕ層の成長と密着性を促進し、Ｃｕが誘電体材料中へ拡散するのを防止することが必要となる。誘電体材料上に堆積されるバリア／ライナは、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタンタル（Ｔａ）等の高融点材料を含んでよい。これらは、Ｃｕに対する非反応性および非混和性を有し、かつ、低い電気抵抗を有する。Ｃｕメタライゼーションと誘電体材料とを統合する今日のインテグレーション工程においては、約４００℃から５００℃までの間、またはそれ以下の基板温度におけるバリア／ライナ堆積プロセスが必要となる。
【０００４】
たとえば、１３０ｎｍ以下の技術ノードのＣｕインテグレーション工程では、誘電定数の低い（ｌｏｗ−ｋ）層間誘電体と、その後に続く物理的堆積（ＰＶＤ）法によるＴａ層またはＴａＮ／Ｔａ層と、その後に続くＰＶＤ法によるＣｕシード層と、電解堆積（ＥＣＤ）法によるＣｕ埋め込みとが利用される。Ｔａ層は一般にその密着性（すなわち、ｌｏｗ−ｋ膜への密着性能）から選択され、Ｔａ／ＴａＮ層は一般にそのバリア性（すなわち、ｌｏｗ−ｋ膜へのＣｕの拡散の防止性能）から選択される。
【０００５】
上述のように、Ｃｕ拡散バリアとしての遷移金属薄層の研究において、または実現に向けて多大な努力がなされてきた。その研究は、クロム、タンタル、モリブデンおよびタングステンを対象としている。これらの材料の各々は、Ｃｕへの混和性が低い。従来の高融点金属と同様な挙動が期待されることから、近年、ルテニウム（Ｒｕ）やロジウム（Ｒｈ）などの他の材料が潜在的なバリア層として挙げられている。Ｒｕ又はＲｈを使用すると、たとえばＴａ／ＴａＮのような２層とは対照的に、バリア層はただ一層で済む。この所見は、これらの金属の密着性およびバリア性による。たとえば、一つのＲｕ層は、Ｔａ／ＴａＮ層に取って代わることができる。さらに、現在の研究成果によれば、一つのＲｕ層はＣｕシード層に更に取って代わることができ、Ｃｕのバルク埋め込みはＲｕの堆積に直接に引き続いて実施され得ることがわかった。この所見は、Ｃｕ層とＲｕ層との間の密着性が良いためである。
【０００６】
従来、Ｒｕ層は、熱化学的気相堆積（ＴＣＶＤ）法において、ルテニウムカルボニル前駆体などのルテニウムを含む前駆体を熱分解することにより形成されている。ルテニウムカルボニル前駆体（たとえば、Ｒｕ３（ＣＯ）１２）の熱分解により堆積されたＲｕ層の材料的性質は、基板温度が約４００℃より低くなると劣化する。その結果、堆積温度が低いと、Ｒｕ層の（電気）抵抗が増加し、表面モフォロジーが悪化（たとえば、ノジュールの発生）する。これは、熱堆積されたＲｕ層へ混入する反応副生成物が増加することが原因と考えられている。これらの結果は、ルテニウムカルボニル前駆体の熱分解から生じる一酸化炭素の離脱速度が、約４００℃より低い基板温度では、低下することにより説明される。
【０００７】
また、ルテニウムカルボニル又はレニウムカルボニルなどの金属カルボニルを使用する場合、これらの蒸気圧が低くいため堆積速度が低くなり、また、これらに関連した輸送の問題が生じる。一般に、発明者らは、現在の堆積システムには、堆積速度が低いという問題があり、そのため、そのような金属膜が非実用的であることを理解している。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１１０５３０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、金属カルボニル前駆体から堆積される金属層の堆積速度を増加する方法および堆積システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態は、金属を含む前駆体の蒸発温度を上げて金属カルボニル前駆体の蒸気圧を高くし、もって、金属カルボニル前駆体の気相原料のプロセスチャンバへの輸送を増大し、基板への金属の堆積速度を増加することができる。本発明の実施形態によれば、金属カルボニル前駆体の気相原料に対して一酸化炭素（ＣＯ）ガスが混合されて、金属カルボニル前駆体の気相原料が基板へ晒される前に生じる、金属カルボニル前駆体の気相原料の早期分解が減少される。さらに、プロセスチャンバ内でのＣＯガスおよび副生成物の分圧を制御し、減少するため、プロセスチャンバでプロセスガスに対して希釈ガスを加える。
【００１０】
したがって、この方法は、堆積システムのプロセスチャンバに基板を用意し、金属カルボニル前駆体の気相原料とＣＯガスとを含有するプロセスガスを生成し、このプロセスガスをプロセスチャンバに導入し、プロセスチャンバでプロセスガスに希釈ガスを加えて希釈プロセスガスを生成し、基板を希釈プロセスガスに晒して、熱化学堆積プロセスにより、基板に金属膜を堆積する。
【００１１】
本発明の実施形態には、一般式Ｍｘ（ＣＯ）ｙで表される種々の金属カルボニル前駆体が含まれる。金属カルボニルには、これらに限定されるわけではないが、Ｗ（ＣＯ）６、Ｎｉ（ＣＯ）４、Ｍｏ（ＣＯ）６、Ｃｏ２（ＣＯ）８、Ｒｈ４（ＣＯ）１２、Ｒｅ２（ＣＯ）１０、Ｃｒ（ＣＯ）６、Ｒｕ３（ＣＯ）１２およびＯｓ３（ＣＯ）１２が含まれる。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、堆積システムのプロセスチャンバにパターン化基板を用意し、Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の気相原料とＣＯガスとからプロセスガスを生成し、このプロセスガスをプロセスチャンバに導入し、プロセスチャンバでプロセスガスに希釈ガスを加えて希釈プロセスガスを生成し、パターン化基板を希釈プロセスガスに晒して、熱化学堆積プロセスにより、パターン化基板にＲｕ金属層を堆積するための方法が提供される。ここで、「パターン化」とは、１又は２以上のビアもしくはトレンチまたはこれらの組み合わせを含む基板をいう。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、基板にメタル層を堆積する堆積システムが提供される。この堆積システムは、気相原料分散システムを有するプロセスチャンバに基板を支持し加熱するよう構成される基板ホルダと、金属カルボニル前駆体とＣＯガスを含むプロセスガスを生成し、このプロセスガスを気相原料分散システムへ導入するよう構成される前駆体供給システムと、プロセスチャンバでプロセスガスに対して希釈ガスを加えるよう構成される希釈ガス源と、基板を希釈プロセスガスに晒して、熱化学堆積プロセスにより、基板に金属層を堆積する間、堆積システムを制御するよう構成される制御器と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の記載は、本発明の十分な理解を促進するための説明用のものであり、本発明を限定するものではなく、堆積システムの特定の形状や各種構成部品の記載など特定の詳細を示したものである。ただし、本発明は、これらの特定の細部とは異なる他の実施例で実施しても良いことを理解する必要がある。
【００１５】
以下、図面を参照すると、いくつかの図を通して、同一のまたは対応する部品には、同様の参照符号が付されている。図１に、金属カルボニル前駆体から基板に金属層を堆積するための一の実施形態による堆積システム１を示す。堆積システム１は、基板２５を支持するよう構成された基板ホルダ２０を有するプロセスチャンバ１０を備える。基板２５の上に金属層が形成される。プロセスチャンバ１０は、気相前駆体供給システム４０を介して金属前駆体蒸発システム５０と結合されている。
【００１６】
プロセスチャンバ１０はダクト３６を介して真空ポンプシステム３８と更に結合されている。真空ポンプシステム３８は、基板２５上に金属層を形成するのに適し、金属前駆体蒸発システム５０における金属カルボニル前駆体５２の蒸発に適する圧力にまで、プロセスチャンバ１０、気相前駆体供給システム４０および金属前駆体蒸発システム５０を排気するよう構成されている。
【００１７】
図１を参照すると、金属前駆体蒸発システム５０は、金属カルボニル前駆体５２を貯蔵し、金属カルボニル前駆体５２を蒸発させ金属カルボニル前駆体の気相原料を気相前駆体供給システム４０に導入するに十分な温度まで金属カルボニル前駆体５２を加熱するよう構成される。金属カルボニル前駆体５２は、金属前駆体蒸発システム５０において選択される加熱条件によっては、固体の場合がある。または、金属カルボニル前駆体５２は液体の場合もある。以下、固体の金属カルボニル前駆体５２を使用する場合を説明する。ただし、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、ある加熱条件のもとで液相の金属カルボニル前駆体５２が使用され得ることを理解するであろう。たとえば、金属カルボニル前駆体は、一般式Ｍｘ（ＣＯ）ｙを有し、タングステンカルボニル、モリブデンカルボニル、コバルトカルボニル、ロジウムカルボニル、レニウムカルボニル、クロミウムカルボニル、もしくはオスミウムカルボニル、またはこれらの２つの組み合わせであってよい。これらの金属カルボニルは、これらに限定されるわけではないが、Ｗ（ＣＯ）６、Ｎｉ（ＣＯ）４、Ｍｏ（ＣＯ）６、Ｃｏ２（ＣＯ）８、Ｒｈ４（ＣＯ）１２、Ｒｅ２（ＣＯ）１０、Ｃｒ（ＣＯ）６、Ｒｕ３（ＣＯ）１２もしくはＯｓ３（ＣＯ）１２、またはこれらの２又は３以上の組み合わせを含む。
【００１８】
金属カルボニル前駆体５２を蒸発させる（または、固体の金属カルボニル前駆体５２を昇華させる）所望の温度を実現するため、金属前駆体蒸発システム５０は、蒸発温度を制御するよう構成される蒸発温度制御システム５４と結合されている。たとえば、金属カルボニル前駆体５２の温度は、ルテニウムカルボニルＲｕ３（ＣＯ）１２を昇華させるため、従来のシステムでは、一般に、約４０℃から４５℃に上昇される。この温度においては、Ｒｕ３（ＣＯ）１２の蒸気圧は、たとえば、約１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）から約３ｍＴｏｒｒ（０．４００Ｐａ）までの範囲にある。金属カルボニル前駆体が加熱されて蒸発する（昇華する）際、金属カルボニル前駆体５２の上もしくは中を、またはその両方をキャリアガスが流れる。キャリアガスは、たとえば、希ガスＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、もしくはＸｅのような、またはこれらの２又は３以上を組み合わせた不活性ガスを含んでよい。あるいは、他の実施形態では、キャリアガスを用いない場合も考えられる。
【００１９】
本発明の実施形態においては、一酸化炭素（ＣＯ）ガスがキャリアガスに加えられてよい。また、他の実施形態では、キャリアガスの代わりにＣＯガスが用いられる場合も考えられる。たとえば、ガス供給システム６０が、金属前駆体蒸発システム５０と結合されて、たとえば、キャリアガス、ＣＯガス、又はこれらの混合ガスを、供給ライン６１を介して金属カルボニル前駆体５２の下に、または供給ライン６２を介して金属カルボニル前駆体５２の上に供給するよう構成される。加えて又は代わりに、ガス供給システム６０は金属前駆体蒸発システム５０の下流側で供給ライン６３を介して気相前駆体供給システム４０に結合し、ガスが気相前駆体供給システム４０に入ったとき、または入った後に、金属カルボニル前駆体５２の気相原料へガスを供給する。図示しないが、ガス供給システム６０は、キャリアガス源、ＣＯガス源、１又は２以上の制御バルブ、１又は２以上のフィルタ、およびマスフロコントローラを備えることができる。たとえば、キャリアガスの供給量は、約０．１標準立方センチメータ毎分（ｓｃｃｍ）と約１０００ｓｃｃｍとの間である。また、キャリアガスの供給量は、約１０ｓｃｃｍと約５００ｓｃｃｍとの間であってよい。さらに、キャリアガスの供給量は、約５０ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍとの間であってもよい。本発明の実施形態によれば、ＣＯガスの供給量は、約０．１ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。あるいは、ＣＯガスの供給量は、約１ｓｃｃｍと約１００ｓｃｃｍとの間であってよい。
【００２０】
膜前駆体蒸発システム５０より下流側において、金属前駆体の気相原料を含むプロセスガスは、気相前駆体供給システム４０を通って流れ、プロセスチャンバ１０と結合される気相原料分散システム３０を介してプロセスチャンバ１０に流入する。気相前駆体供給システム４０は、気相原料ラインの温度を制御して金属カルボニル前駆体の気相原料の凝結と熱分解を防止するため、気相原料ライン温度制御システム４２に結合してよい。
【００２１】
再び図１を参照すると、気相原料分散システム３０は、プロセスチャンバ１０に結合してプロセスチャンバ１０の一部をなし、気相原料分散プレナム３２を構成する。気相原料は気相原料分散プレナム３２内で分散し、気相原料分散板３４を通過し、基板２５の上方のプロセスゾーン３３に流入する。加えて、気相原料分散板３４は、気相原料分散板３４の温度を制御するよう構成される分散板温度制御システム３５に結合してよい。
【００２２】
本発明の実施形態によれば、希釈ガス源３７は、プロセスチャンバ１０と結合され、金属カルボニル前駆体の気相原料とＣＯガスとを含むプロセスガスを希釈する希釈ガスを加えるよう構成される。図１に示すように、希釈ガス源３７は、供給ライン３７ａを介して気相原料分散システム３０に結合し、プロセスガスが気相原料分散板３４を通してプロセスゾーン３３に到達する前に、気相原料分散プレナム３２においてプロセスガスに対して希釈ガスを加えるよう構成してよい。また、希釈ガス源３７は、供給ライン３７ｂを介してプロセスチャンバ１０に結合し、プロセスガスが気相原料分散板３４を通過した後に、基板２５の上方のプロセスゾーン３３においてプロセスガスに対して希釈ガスを加えるよう構成してもよい。さらにまた、希釈ガス源３７は、供給ライン３７ｃを介して気相原料分散システム３０に結合し、気相原料分散板３４において、プロセスガスに対して希釈ガスを加えるよう構成しても構わない。また、本発明の範囲から逸脱することなく、気相原料分散システム３０およびプロセスチャンバ１０の他の部位において希釈ガスをプロセスガスに加えてよいことは、当業者であれば理解されよう。
【００２３】
金属カルボニル前駆体の気相原料を含むプロセスガスがプロセスチャンバ１０のプロセスゾーン３３へ流入すると、その金属カルボニル前駆体の気相原料は、基板表面に吸着し、基板２５の温度が上昇しているため熱分解する。そして、基板２５上に薄膜が形成される。基板ホルダ２０が基板温度制御システム２２と結合されているため、基板ホルダ２０は、基板２５の温度を上昇するよう構成される。たとえば、基板温度制御システム２２は、基板２５の温度を約５００℃まで上昇するよう構成してよい。加えて、プロセスチャンバ１０は、チャンバ壁の温度を制御するよう構成されるチャンバ温度制御システム１２に結合してよい。
【００２４】
上述の通り、たとえば、従来のシステムでは、より高い温度で生じる分解を防止するため、Ｒｕ３（ＣＯ）１２の場合、約４０から４５℃までの温度範囲内で、気相前駆体供給システム４０と膜前駆体蒸発システム５０とを作動させるものと考えられていた。たとえば、Ｒｕ３（ＣＯ）１２は、高い温度で分解し、以下に示すように副生成物を生成する。
Ｒｕ３（ＣＯ）１２（ａｄ）⇔  Ｒｕ３（ＣＯ）ｘ（ａｄ）＋（１２−ｘ）ＣＯ（ｇ）  （１）
または、
Ｒｕ３（ＣＯ）ｘ（ａｄ）⇔  ３Ｒｕ（ｓ）＋ｘＣＯ（ｇ）  （２）
ここで、これらの副生成物は、堆積システム１の内表面上に吸着（ａｄ）、すなわち凝結する。その表面上に金属が堆積すると、基板間でプロセス再現性などの問題が生じる。また、たとえば、Ｒｕ３（ＣＯ）１２は、堆積システムの内面に凝結する。すなわち、
Ｒｕ３（ＣＯ）１２（ｇ）⇔  Ｒｕ３（ＣＯ）ｘ（ａｄ）  （３）
要するに、いくつかの金属カルボニル前駆体（たとえば、Ｒｕ３（ＣＯ）１２）の蒸気圧が低く、かつ、そのプロセスウィンドウが狭いことから、基板２５上の金属層の堆積速度は低くなる。
【００２５】
２００４年１１月２３日に出願された「金属カルボニル前駆体からの金属層の堆積速度を増加する方法」という名称の係属中の関連米国特許出願第１０／９９６，１４５号の発明者には、本願の発明者が含まれているが、金属カルボニル前駆体にＣＯガスを加えることで、基板への金属カルボニル前駆体への供給を制限する上述の問題を低減することを実現した。したがって、本発明の実施形態では、金属カルボニル前駆体の気相原料にＣＯガスを加えてガスラインにおいて金属カルボニル前駆体の気相原料が解離するのを低減し、もって、式（１）の平衡状態を左辺側へシフトさせ、金属カルボニル前駆体がプロセスチャンバ１０へ供給される前に、気相前駆体供給システム４０において金属カルボニル前駆体が早期に分解するのを低減する。金属カルボニル前駆体にＣＯガスを加えると、蒸発温度を約４０℃から約１５０℃まで又は更に高く上げることができると考えられる。温度が上がると金属カルボニル前駆体の蒸気圧が高くなり、その結果、金属カルボニル前駆体のプロセスチャンバへの供給量が増大する。したがって、基板２５への金属の堆積速度が上昇する。さらに、発明者らは、ＡｒとＣＯガスとの混合ガスを金属カルボニル前駆体の上または金属カルボニル前駆体を通して流すことにより、金属カルボニル前駆体の早期分解が低減されることを認識している。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の気相原料にＣＯガスを加えると、Ｒｕ３（ＣＯ）１２前駆体の蒸発温度を約４０℃から約１５０℃に維持することができる。また、蒸発温度を約６０℃から約９０℃に維持してもよい。
【００２７】
金属カルボニル前駆体の熱分解と、これに引き続く基板２５上への金属の堆積とは、主として、基板２５からＣＯが除去されＣＯ副生成物が離脱することにより、進行すると考えられる。堆積中にＣＯ副生成物が金属層へ混入するのは、金属カルボニル前駆体の不完全な分解と、金属層からのＣＯの不完全な除去と、プロセスチャンバ１０から金属層上へのＣＯ副生成物の再吸着とから生じる。
【００２８】
堆積中に金属層へＣＯが混入すると、金属層にはノジュールという形で表面荒れが生じることとなる。ノジュールの成長は、金属層へのＣＯ副生成物の混入量が増大することにより、増進される。ノジュール数は、金属層が厚くなるに従って増加すると予想される。さらに、ＣＯ副生成物が金属層に混入すると、金属層の抵抗が増大する。
【００２９】
金属層へのＣＯ副生成物の混入は、（１）プロセス圧力を下げることにより、（２）基板温度を上昇することにより低減する。本願発明者は、プロセスチャンバ１０におけるＣＯガス副生成物およびＣＯガスの分圧を制御し低減するため、プロセスチャンバ１０内で、金属カルボニル前駆体の気相原料とＣＯガスとを含むプロセスガスに対して希釈ガスを加えることにより、上述の問題が低減されることを実現した。したがって、本発明の実施形態では、金属層上のＣＯ副生成物の分圧とプロセスチャンバ１０内のＣＯの分圧とを調整し低減するため、希釈ガス源３７からの希釈ガスをプロセスガスに加えることにより、平坦な金属層が形成される。希釈ガスは、たとえば、希ガスＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、もしくはＸｅのような、またはこれらの２又は３以上を組み合わせた不活性ガスを含んでよい。希釈ガスは、さらに、金属層の材料特性、たとえば電気抵抗を改善するため、還元性ガスを含んでいてよい。還元性ガスとしては、たとえば、Ｈ２，シリコン含有ガス（たとえば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、もしくはＳｉＣｌ２Ｈ２）、ボロン含有ガス（ＢＨ３、Ｂ２Ｈ６、もしくはＢ３Ｈ９）、または窒素含有ガス（たとえば、ＮＨ３）を含んでよい。本発明の実施形態によれば、プロセスチャンバの圧力は約０．１ｍＴｏｒｒ（０．０１３３Ｐａ）と約２００ｍＴｏｒｒ（２６．７Ｐａ）との間であってよい。また、プロセスチャンバの圧力は約１ｍＴｏｒｒ（０．０１３３Ｐａ）と約１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）との間であってもよい。さらにまた、プロセスチャンバの圧力は約２ｍＴｏｒｒ（０．０２６７Ｐａ）と約５０ｍＴｏｒｒ（６．６７Ｐａ）との間であっても構わない。
【００３０】
金属カルボニル前駆体の気相原料に対してＣＯガスを加えると金属カルボニル前駆体の熱的安定性が向上するため、プロセスガス中における金属カルボニル前駆体のＣＯガスに対する相対濃度を利用して、所定の温度での基板２５上での金属カルボニル前駆体の分解速度を調整することができる。さらに、基板温度を利用して、基板２５上への金属の分解速度（したがって堆積速度）を調整することができる。金属カルボニル前駆体の所望の蒸発温度を実現し、金属カルボニル前駆体の基板２５上への所望の堆積速度を実現するため、それぞれＣＯガス量と基板温度を変化させることは、当業者であれば容易に理解されよう。
【００３１】
さらに、プロセスガス中のＣＯガス量は、動力学的限界温度領域において、金属が金属カルボニル前駆体から基板２５上に堆積されるように選択することができる。たとえば、プロセスガス中のＣＯガス量は、金属の堆積プロセスが動力学的限界温度領域で生じるまで増加してよい。動力学的限界温度領域とは、基板表面上での化学気相堆積プロセスの堆積速度が化学反応の反応速度論により制限される堆積条件の範囲をいい、特に堆積速度の温度依存性が強いことで特徴づけられる。動力学的限界温度領域と異なり、物質移送制限温度領域は、通常より高い基板温度で観察され、基板表面への化学反応物質の流入により堆積速度が制限される堆積条件の範囲である。物質移送制限領域は、堆積速度が金属カルボニル前駆体の供給量に強く依存し、堆積温度には依存しないことにより特徴づけられる。動力学的制限温度領域における金属堆積は、通常、良好なステップカバレッジと、パターン化基板の金属層の良好なコンフォーマリティをもたらす。コンフォーマリティは、一般に、パターン化基板の構造のサイドウォール上における金属膜の最も薄い部分をそのサイドウォールにおける金属層の最も厚い部分で割ったものとして定義される。ステップカバレッジは、一般に、サイドウォールカバレッジ（サイドウォール上の金属層の厚さをその構造から離れた金属層の厚さで割ったもの）をボトムカバレッジ（構造の底部での金属層の厚さをその構造から離れた金属層の厚さで割ったもの）で割ったものとして定義される。
【００３２】
図１を更に参照すると、堆積システム１は、堆積システム１を作動させ、その動作を制御するよう構成される制御システム８０を更に含むことができる。制御システム８０は、プロセスチャンバ１０、基板ホルダ２０、基板温度制御システム２２、チャンバ温度制御システム１２、気相原料分散システム３０、気相前駆体供給システム４０、金属前駆体蒸発システム５０、希釈ガス源３７、およびガス供給システム６０と結合される。
【００３３】
他の実施形態において、図２は、ルテニウム（Ｒｕ）などの金属膜を基板に堆積する堆積システム１００を示す。堆積システム１００はプロセスチャンバ１１０を備え、プロセスチャンバ１１０は、金属層が形成される基板１２５を支持するよう構成される基板ホルダ１２０を備える。プロセスチャンバ１１０は、金属カルボニル前駆体１５２を貯蔵し蒸発させるよう構成される金属前駆体蒸発システム１５０を有する前駆体供給システム１０５と、金属カルボニル前駆体１５２をプロセスチャンバ１１０に輸送するよう構成される気相前駆体供給システム１４０と結合されている。
【００３４】
プロセスチャンバ１１０は、上チャンバ部１１１、下チャンバ部１１２および排気チャンバ１１３を備える。下チャンバ部１１２に開口１１４が形成され、その底部に排気チャンバ１１３が結合されている。
【００３５】
図２を更に参照すると、基板ホルダ１２０は、プロセスの対象である基板（またはウェハ）１２５を支持して水平面を提供する。基板ホルダ１２０は、排気チャンバ１１３の下部から上向きに延びる円筒状支持部材１２２により支持される。さらに、基板ホルダ１２０は、基板ホルダ温度制御システム１２８と結合されるヒータ１２６を備える。ヒータ１２６は、たとえば、１又は２以上の抵抗加熱素子を含んでよい。また、ヒータ１２６は、たとえば、タングステン−ハロゲン電球などの輻射加熱システムを含んでもよい。基板ホルダ温度制御システム１２８は、１又は２以上の加熱素子へ電力を供給する電力源と、基板温度もしくは基板ホルダ温度または双方を測定する１又は２以上の温度センサと、基板または基板ホルダの温度の監視、調整、または制御の少なくとも一つを実行するよう構成される制御器と、を含んでよい。
【００３６】
プロセス中、加熱された基板１２５により、金属カルボニル前駆体の気相原料が熱分解し、基板１２５上に金属層が堆積される。一の実施形態においては、金属カルボニル前駆体１５２は、ルテニウムカルボニル前駆体、たとえばＲｕ３（ＣＯ）１２とすることができる。熱ＣＶＤの技術分野の当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、他のルテニウムカルボニル前駆体を使用できることを理解するであろう。基板ホルダ１２０は、所望のＲｕ金属層または他の金属層を基板１２５上に堆積するのに適した予め定めた温度にまで加熱される。また、チャンバ壁を予め定めた温度に加熱するため、チャンバ温度制御システム１２１と結合されるヒータ（図示せず）をプロセスチャンバ１１０の壁に埋め込むことができる。そのヒータは、プロセスチャンバ１１０の壁の温度を約４０℃から約１５０℃に、または約４０℃から約８０℃に維持することができる。プロセス圧力を測定するため、圧力ゲージ（図示せず）が使用される。本発明の実施形態によれば、プロセスチャンバ圧力は約０．１ｍＴｏｒｒと約２００ｍＴｏｒｒとの間とすることができる。また、プロセスチャンバ圧力は約１ｍＴｏｒｒと約１００ｍＴｏｒｒとの間でよく、さらに、約２ｍＴｏｒｒと約５０ｍＴｏｒｒとの間であってもよい。
【００３７】
図２にも示すように、気相原料分散システム１３０は、プロセスチャンバ１１０の上チャンバ部１１１と結合されている。気相原料分散システム１３０は気相原料分散板１３１を備える。気相原料分散板１３１は、１又は２以上のオリフィス１３４を通して気相原料分散プレナム１３２から基板１２５の上方のプロセスゾーン１３３へ前駆体の気相原料を導入するよう構成されている。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、希釈ガス源１３７がプロセスチャンバ１１０と結合され、供給ライン１３７ａ、１３７ｂおよび１３７ｃまたはいずれか、バルブ１９７、１又は２以上のフィルタ（図示せず）、並びにマスフローコントローラ（図示せず）を用いて、希釈ガスを加えてＣＯガスおよび金属カルボニル前駆体を含むプロセスガスを希釈するよう構成される。図２に示すとおり、希釈ガス源１３７は、プロセスチャンバ１１０の気相原料分散システム１３０に結合し、プロセスガスが気相原料分散板１３１を通って基板１２５の上方のプロセスゾーン１３３へ到達する前に、供給ライン１３７ａを介して気相原料分散プレナム１３２においてプロセスガスに希釈ガスを加えるよう構成される。または、希釈ガス源１３７は、供給ライン１３７ｃを介して気相原料分散板１３１内でプロセスガスに希釈ガスを加えるよう構成してよい。また、希釈ガス源１３７は、プロセスチャンバ１１０に結合し、プロセスガスが気相原料分散板１３１を通過した後に、供給ライン１３７ｂを介してプロセスゾーン１３３においてプロセスガスに希釈ガスを加えるよう構成してもよい。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、プロセスチャンバ１１０の他の箇所において希釈ガスをプロセスガスに加えてよいことは、理解されるであろう。
【００３９】
さらに、気相前駆体供給システム１４０から気相原料分散プレナム１３２へ金属カルボニル前駆体を導入するため、上チャンバ部１１１に開口１３５が設けられている。また、冷却された又は加熱された流体を流すよう構成される同心円状流体チャネルなどの温度制御素子１３６が、気相原料分散システム１３０の温度を制御するために設けられ、もって、気相原料分散システム１３０内で金属カルボニル前駆体が分解したり凝結したりするのを防止する。たとえば、水などの流体が、気相原料分散温度制御システム１３８から流体チャネルへ供給される。気相原料分散温度制御システム１３８は、流体源と、熱交換器と、流体温度もしくは気相原料分散板の温度または双方を測定する１又は２以上の温度センサと、気相原料分散板１３１の温度を約２０℃から約１５０℃に制御するよう構成される制御器とを含んでよい。
【００４０】
図２に示すとおり、金属前駆体蒸発システム１５０は、金属カルボニル前駆体１５２を保持し、金属カルボニル前駆体１５２の温度を上昇させることにより金属カルボニル前駆体１５２を蒸発（または昇華）させるよう構成される。金属カルボニル前駆体１５２を加熱するために前駆体ヒータ１５４が設けられ、金属カルボニル前駆体１５２の蒸気圧が所望の値となる温度に金属カルボニル前駆体１５２を維持する。前駆体ヒータ１５４は、金属カルボニル前駆体１５２の温度を制御するよう構成される蒸発温度制御システム１５６と結合されている。たとえば、前駆体ヒータ１５４は、金属カルボニル前駆体１５２の温度を約４０℃から約１５０℃、または約６０℃から約９０℃に調整するよう構成される。
【００４１】
金属カルボニル前駆体１５２が加熱されて蒸発（または昇華）する際、キャリアガスが金属カルボニル前駆体１５２の上もしくは中を通過するか、またはその双方を通過する。キャリアガスは、たとえば、希ガス（すなわち、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）などの不活性ガスを含んでよい。また、他の実施形態では、キャリアガスを用いない場合も考えられる。本発明の実施形態では、ＣＯガスをキャリアガスに加える。また、他の実施形態においては、キャリアガスの代わりにＣＯガスを用いることも考えられる。たとえば、キャリアガス供給システム１６０が金属前駆体蒸発システム１５０と結合され、たとえば、キャリアガスもしくはＣＯガスまたは双方を金属カルボニル前駆体１５２の上または中に流すよう構成される。図２には示していないが、キャリアガス供給システム１６０もまた或いは代わりに気相前駆体供給システム１４０と結合されることができ、キャリアガスおよびＣＯガスまたはいずれかが、気相前駆体供給システム１４０に流入する際または後に、金属カルボニル前駆体１５２の気相原料に供給される。キャリアガス供給システム１６０は、キャリアガスもしくはＣＯガスまたはこれらの混合ガスを含むガス源１６１と、１又は２以上の制御バルブ１６２と、１又は２以上のフィルタ１６４と、マスフロコントローラ１６５とを備える。たとえば、キャリアガスまたはＣＯガスの質量流量は、約０．１ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。
【００４２】
また、金属前駆体蒸発システム１５０からの全ガス流を測定するため、センサ１６６が設けられている。センサ１６６は、たとえば、マスフロコントローラを備え、プロセスチャンバ１１０へ供給される金属カルボニル前駆体の量がセンサ１６６とマスフロコントローラ１６５とを用いて決定される。また、センサ１６６は、プロセスチャンバ１１０へ流れるガス流中の金属カルボニル前駆体の濃度を測定する光吸収センサを備えてもよい。
【００４３】
センサ１６６の下流側にバイパスライン１６７が位置している。バイパスライン１６７は、気相前駆体供給システム１４０と排気ライン１１６とを接続する。バイパスライン１６７は、気相前駆体供給システム１４０を排気するため、プロセスチャンバ１１０への金属カルボニル前駆体の供給を安定化するために、設けられている。また、バイパスライン１６７には、気相前駆体供給システム１４０の分岐点より下流側においてバイパスバルブ１６８が設けられている。
【００４４】
図２を更に参照すると、気相前駆体供給システム１４０は、第１のバルブ１４１と第２のバルブ１４２を有する高コンダクタンス気相原料ラインを備える。また、気相前駆体供給システム１４０は、ヒータ（図示せず）を介して気相前駆体供給システム１４０を加熱するよう構成される気相原料ライン温度制御システム１４３を備えてよい。気相原料ラインで金属カルボニル前駆体が凝結するのを避けるため、気相原料ラインの温度が制御される。気相原料ラインの温度は、約２０℃から約１００℃までに、または約４０℃から約９０℃までに制御される。
【００４５】
また、ＣＯガスはガス供給システム１９０から供給することができる。たとえば、ガス供給システム１９０は、気相前駆体供給システム１４０と結合され、たとえば、バルブ１４１の下流側で、気相前駆体供給システム１４０内で金属カルボニル前駆体の気相原料に対してＣＯガスを混合するよう構成される。ガス供給システム１９０は、ＣＯガス源１９１と、１又は２以上の制御バルブ１９２と、１又は２以上のフィルタ１９４と、マスフロコントローラ１９５とを備えてよい。たとえば、ＣＯガスの質量流量は、約０．１ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）から約１０００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。
【００４６】
マスフロコントローラ１６５、１９５と、バルブ１６２、１９２、１６８、１４１、１４２とは、キャリアガス、ＣＯガスおよび金属カルボニル前駆体の気相原料の供給、閉止および流れを制御する制御器１９６により制御される。センサ１６６はまた、制御器１９６に接続されている。制御器１９６は、センサ１６６の出力に基づいて、マスフロコントローラ１９５を流れるキャリアガスの流量を制御し、所望量の金属カルボニル前駆体をプロセスチャンバ１１０へもたらす。
【００４７】
図２に示すように、排気ライン１１６は排気チャンバ１１３をポンプシステム１１８へ接続する。所望の真空度にまでプロセスチャンバ１１０を排気するため、そして、プロセス中にプロセスチャンバ１１０からガス種を除去するため、真空ポンプ１１９が使用される。真空ポンプ１１９に対して直列に自動圧力制御器（ＡＰＣ）１１５とトラップ１１７が使用される。真空ポンプ１１９は、５００リットル毎秒まで（またはそれ以上）の排気速度を実現できるターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を含んでよい。また、真空ポンプ１１９は、粗引きドライポンプを含んでもよい。プロセス中、プロセスガスがプロセスチャンバ１１０へ導入され、チャンバ圧力がＡＰＣ１１５により調整される。ＡＰＣ１１５は、バタフライバルブまたはゲートバルブを備えるものであってよい。トラップ１１７は、プロセスチャンバ１１０から、未反応の金属カルボニル前駆体と副生成物とを捕集する。
【００４８】
プロセスチャンバ１１０内の基板ホルダ１２０を再び参照すると、図２に示すように、基板１２５を保持し、上昇し、降下するため、３つの基板リフトピン１２７（図では２つのみを示す）が設けられている。基板リフトピン１２７は、板１２３に結合し、基板ホルダ１２０の上面よりも下方にまで下がることができる。たとえば空気シリンダを利用した駆動メカニズム１２９により板１２３を昇降する手段が提供される。基板１２５は、ロボット移送システム（図示せず）により、ゲートバルブ２００およびチャンバフィードスルー通路２０２を通してプロセスチャンバ１１０から出し入れされ、基板リフトピン１２７により受け取られる。基板１２５が移送システムから受け取られると、基板リフトピン１２７を下げることにより、基板１２５は基板ホルダ１２０の上面へと降ろされる。
【００４９】
図２を再び参照すると、制御器１８０は、マイクロプロセッサと、メモリと、デジタルＩ／Ｏポートとを有する。制御器１８０は、処理システム１００の入力と通信してこれを作動させ、処理システム１００からの出力をモニタするに十分な制御電圧を発生することができる。また、処理システム制御器１８０は、プロセスチャンバ１１０、制御器１９６と気相原料ライン温度制御システム１４３と蒸発温度制御システム１５６とを含む前駆体供給システム１０５、気相原料分散温度制御システム１３８、真空ポンプシステム１１８、および基板ホルダ温度制御システム１２８に結合し、情報交換を行う。真空ポンプシステム１１８では、制御器１８０がプロセスチャンバ１１０の圧力を制御する自動圧力制御器１１５と結合し、情報交換を行う。メモリに保存されたプログラムを用いて、保管されたプロセスレシピに従って、堆積システム１００の上述の部品が制御される。処理システム制御器１８０の一例は、デルプレシジョンワークステーション６１０（商標）であり、これは、テキサス州、ダラスデルコーポレーション社から入手可能である。また、汎用コンピュータ、デジタル信号プロセッサ等で制御器１８０を実現してもよい。
【００５０】
制御器１８０は、堆積システム１００の近傍に設置されてよく、また、インターネットもしくはイントラネットを介して、堆積システム１００から離隔して設置されてもよい。したがって、制御器１８０は、直接接続、イントラネット、またはインターネットのうち少なくとも一つを用いて、堆積システム１００とデータを交換することができる。制御器１８０は、カスタマーサイト（すなわちデバイスメーカ等の側）でイントラネットと結合されてもよく、またベンダーサイト（すなわち機器製造者側）でイントラネットと結合されてもよい。さらに、別のコンピュータ（すなわち制御器、サーバ等）が制御器１８０にアクセスし、直接接続、イントラネット、またはインターネットのうち少なくとも一つを介してデータを交換してもよい。
【００５１】
図３は、基板に金属層を堆積する、本発明の実施形態による堆積方法を示す。この方法３００は、ステップ３０２において、堆積システムのプロセスチャンバのプロセス空間内に基板を用意する。たとえば、堆積システムは、図１および図２を参照しながら説明した堆積システムであってよい。基板は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板でよい。Ｓｉ基板は、作製するデバイスのタイプに応じて、ｎ型でもｐ型でもよい。基板は、いかなるサイズのものでよく、たとえば２００ｍｍの基板でも、３００ｍｍの基板でも、さらに大径の基板でもよい。本発明の実施形態では、基板は、１又は２以上のビアもしくはトレンチまたはこれらの双方を含むパターン化基板でよい。ステップ３０４において、金属カルボニル前駆体の気相原料およびＣＯガスを含むプロセスガスを生成する。プロセスガスは、さらにキャリアガスを含んでよい。上述の通り、一の実施形態では、金属カルボニル前駆体はルテニウムカルボニル、たとえばＲｕ３（ＣＯ）１２であってよい。金属カルボニル前駆体の気相原料にＣＯガスを加えると、金属カルボニル前駆体の蒸発温度を上げることができる。温度が上がると、金属カルボニル前駆体の蒸気圧が上がり、金属カルボニル前駆体のプロセスチャンバへの供給量が増加する。したがって、基板に堆積する金属の堆積速度が上昇する。
【００５２】
本発明の実施形態では、金属カルボニル前駆体を加熱して金属カルボニル前駆体の気相原料を生成させ、これにＣＯガスを混合することによりプロセスガスが得られる。ＣＯガスは、金属カルボニル前駆体より下流側において金属カルボニル前駆体の気相原料と混合させてよい。また、ＣＯガスを金属カルボニル前駆体の上に流すか、またはその中を通過するように流すことにより、ＣＯガスと金属カルボニル前駆体の気相原料とを混合させてもよい。さらに、別の実施形態では、キャリアガスを固体の金属カルボニル前駆体の上に流すか、またはその中を通過するように流すことにより、プロセスガスを生成してよい。
【００５３】
ステップ３０６において、プロセスチャンバにおいてプロセスガスに希釈ガスを加えて、希釈プロセスガスを生成する。図１および２において説明したように、プロセスガスが気相原料分散板を通って基板の上方のプロセスゾーンへ流入する前に、気相原料分散プレナムにおいてプロセスガスに希釈ガスを加えてよい。また、プロセスガスが気相原料分散板を通して流れた後に、基板の上方のプロセスゾーンにおいてプロセスガスに希釈ガスを加えてもよい。さらにまた、気相原料分散板においてプロセスガスに希釈ガスを加えても構わない。
【００５４】
ステップ３０８において、基板が希釈プロセスガスに晒されて、熱化学気相堆積プロセスにより、基板に金属層が堆積される。本発明の実施形態では、金属層は、約５０℃と約５００℃の間の基板温度にて堆積してよい。また、基板温度は、約３００℃と約４００℃の間であってよい。
【００５５】
当業者であれば、図３のフローチャートの各ステップまたは各段階が、１又は２以上の別個のステップもしくは作業または双方を包含してよいことを理解するであろう。したがって、３０２、３０４、３０６、３０８の４つのステップのみを記載しているからといって、本発明の方法が４つのステップまたは段階のみに限定されると理解してはならない。さらに、３０２、３０４、３０６、３０８の各ステップまたは段階がただ一つのプロセスに限定されると理解してはならない。
【００５６】
図４Ａから図４Ｃは、本発明の実施形態における、パターン化基板への金属層形成を模式的に示している。当業者であれば、本発明の実施形態は、１又は２以上のビアもしくはトレンチまたは双方を含むパターン化基板に適用されることを直ちに理解するであろう。図４Ａは、本発明の実施形態に従う、パターン構造４００上への金属層４４０の堆積を模式的に示している。パターン構造４００は、第１の金属層４１０と、開口４３０を有するパターン層４２０とを含む。パターン層４２０は、たとえば誘電体層である。開口４３０は、たとえば、ビアまたはトレンチであり、金属層４４０は、たとえば、Ｒｕ金属から成る。
【００５７】
図４Ｂは、本発明の実施形態に従う、パターン構造４０２上への金属層４６０の堆積を模式的に示している。パターン構造４０２は、第１の金属層４１０と、開口４３０を含むパターン層４２０とを含む。パターン構造４０２の上にはバリア層４５０が堆積されており、バリア層４５０上には金属層４６０が堆積されている。バリア層４５０は、たとえば、タンタル含有材料（すなわち、Ｔａ、ＴａＮもしくはＴａＣＮ、またはこれらの２又は３以上の組み合わせ）あるいはタングステン材料（すなわち、Ｗ、ＷＮ）であってよい。パターン層４２０は、たとえば、誘電体層である。開口４３０は、たとえば、ビアまたはトレンチであり、金属層４６０は、たとえば、Ｒｕ金属を含む。図４Ｃは，図４Ｂの開口４３０に銅（Ｃｕ）４７０が堆積されているのを模式的に示している。
【００５８】
本発明のある実施形態についてのみ詳細に説明したが、これらの実施形態において、本発明の新規な教示や利点から逸脱することなく、多くの変更が可能であることは、当業者であれば直ちに理解するであろう。したがって、そのような変更はすべて本発明の範囲に属すると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本発明の一の実施形態による堆積システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態による堆積システムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の一の実施形態による、基板に金属層を堆積する方法を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施形態における、パターン化基板への金属層形成を模式的に示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施形態における、パターン化基板への金属層形成を模式的に示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施形態における、パターン化基板への金属層形成を模式的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【国際調査報告】
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