(57)【要約】  Ｃｕメタライゼーション段階での、バリヤ／シード層として利用可能な低抵抗ルテニウム金属層の低温化学気相成長法。当該方法（３００）は、堆積システム（１，１００）のプロセスチャンバ内に基板（２５，１２５）を供する工程、ルテニウムカルボニル先駆体蒸気を含むプロセスガス及びＣＯ含有ガスを生成する工程、並びに熱化学気相成長法によって、基板（２５，１２５）をプロセスガスに曝露して、基板（２５，１２５）上に低抵抗ルテニウム金属層（４４０，４６０）を堆積する工程、を有する。曝露中、基板（２５，１２５）は約１００℃から約３００℃の間の温度に維持されている。１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合を含む、パターニング基板上に形成されたルテニウム金属層（４４０，４６０）を有する半導体素子が供される。
2008538129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にルテニウム金属層を低温で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内に基板を供する工程；
Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体蒸気及びＣＯ含有ガスを含むプロセスガス生成する工程；並びに
熱化学気相成長法によって、約１００℃から約３００℃に維持された前記基板を前記プロセスガスに曝露することで、前記基板上に低電気抵抗ルテニウム金属層（４４０，４６０）を堆積する工程；
を有する方法。
【請求項２】
前記の曝露工程が前記基板を約１８０℃から約２５０℃に維持する工程を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ルテニウム金属層の電気抵抗が約８μΩ−ｃｍから約４０μΩ−ｃｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ルテニウム金属層の電気抵抗が約２０μΩ−ｃｍから約３０μΩ−ｃｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記の曝露工程が、前記ルテニウム金属層がＲｕ（１０１）結晶配向を支配的に有するようになる基板温度で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記の曝露工程が、約１０Åから約３００Åの厚さで前記ルテニウム金属層を堆積するのに十分である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記の曝露工程が、約２０Åから約５０Åの厚さで前記ルテニウム金属層を堆積するのに十分である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記のプロセスガス生成工程が：
Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体を加熱することで前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体蒸気を生成する工程；及び
前記ＣＯ含有ガスと前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体蒸気とを混合する工程；
を有する、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記の加熱する工程が、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体を約４０℃から約１５０℃に維持する工程を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記の加熱する工程が、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体を約６０℃から約９０℃に維持する工程を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記の混合工程が、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体の下流で、前記ＣＯ含有ガスと前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体蒸気とを混合させる工程を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記の混合工程が、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体を通るように前記ＣＯ含有ガスを流す工程を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＣＯ含有ガスの流れが約０．１ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＣＯ含有ガスの流れが約１０ｓｃｃｍから約３００ｓｃｃｍである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＣＯ含有ガスが、ＣＯ及び不活性ガスを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記曝露中、約１ｍＴｏｒｒから約２００ｍＴｏｒｒの圧力に前記プロセスチャンバを維持する工程をさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記曝露中、約５ｍＴｏｒｒから約５０ｍＴｏｒｒの圧力に前記プロセスチャンバを維持する工程をさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板が、１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合を有するパターニング基板である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
堆積システムのプロセッサ上で実行するためのプログラム命令を有するコンピュータによる読み取りが可能な媒体であって、前記プロセッサによって実行されるとき、前記堆積システムに請求項１に記載の方法の工程を実行させる、コンピュータによる読み取りが可能な媒体。
【請求項２０】
１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合を有するパターニング基板；
熱化学気相成長法によって、約１００℃から約３００℃に維持された前記基板を前記プロセスガスに曝露することによって前記基板上に形成される、約８−４０μΩ−ｃｍの電気抵抗を有するルテニウム金属層；
を有する半導体素子。
【請求項２１】
前記パターニング基板が、該基板上に堆積されたバリヤ層を有し、
前記バリヤ層上に前記ルテニウム金属層が形成される、
請求項２０に記載の半導体素子。
【請求項２２】
前記バリヤ層がタンタル含有層又はタングステン含有層を有し、
前記タンタル含有層又はタングステン含有層上に前記ルテニウム金属層が形成される、
請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項２３】
前記ルテニウム金属層の結晶配向はＲｕ（１０１）が支配的である、請求項２０に記載の半導体素子。
【請求項２４】
前記ルテニウム金属層の厚さが約１０Åから約３００Åである、請求項２０に記載の半導体素子。
【請求項２５】
１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合内で前記ルテニウム金属層上に堆積された銅の層をさらに有する、請求項２０に記載の半導体素子。
【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する。より詳細には、本発明は、基板上に低抵抗ルテニウム金属層を形成する低温化学気相成長法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路を製造するための多層メタライゼーションに銅（Ｃｕ）を導入するには、Ｃｕの接合及び成長を促進し、かつＣｕの誘電材料への拡散を防止する拡散バリヤ／ライナを利用する必要があると考えられる。誘電材料上に堆積されるバリヤ／ライナは、たとえばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）及びタンタル（Ｔａ）のような、非反応性でかつＣｕと混和しない、耐拡散性材料を有して良く、かつ低抵抗であって良い。Ｃｕメタライゼーションと誘電材料とを集積する現状の集積法では、バリヤ／ライナの堆積プロセスはたとえば約３００℃未満の低温で実行されなければならないと考えられる。バリヤ／ライナ層と、たとえば様々な低位誘電率誘電（ｌｏｗ−ｋ）材料のような温度感受性を有する材料層とを集積するときには、たとえば約１００℃から約３００℃のようなより低い基板温度が求められるだろう。
【０００３】
たとえば、約１００ｎｍ以下のテクノロジーノードでのＣｕ集積では、ｌｏｗ−ｋ層間絶縁膜のパターニング、パターニングｌｏｗ−ｋ誘電体上へのＴａ又はＴａＮ／Ｔａバリヤ層の物理気相成長（ＰＶＤ）法、バリヤ層上へのＣｕシード層のＰＶＤ法、及びＣｕソード層上へのＣｕの電気化学堆積（ＥＣＤ）法、を有するプロセスが利用されて良い。一般的には、Ｔａ層はその接合特性（つまりｌｏｗ−ｋ膜への接合能力）を考慮して選択され、Ｔａ／ＴａＮ層はそのバリヤ特性（つまりｌｏｗ−ｋ膜へのＣｕの拡散を防止する能力）を考慮して選択される。
【０００４】
クロム、タンタル、モリブデン、及びタングステンのようなＣｕとの混和性の低いものを含む、Ｃｕ拡散バリヤとしての遷移金属薄膜の研究及び成膜に関して、多大なる努力がなされてきた。最近、たとえばルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）のような他の金属が、従来の耐拡散性金属と同様の振る舞いを示すことから、有力なバリヤ層として認識されてきた。それに加えて、Ｒｕ又はＲｈを利用することで、たとえばＴａ／ＴａＮのような２層とは対照的に、１層のみでバリヤ層を機能させることが可能となる。たとえば、１層のＲｕ層はＴａ／ＴａＮバリヤ層を置き換えることが可能である。しかも現時点の研究から、１層のＲｕ層はＣｕシード層をも置き換えることが可能で、かつＲｕバリヤ／シード層の堆積に続いて、バルクのＣｕ堆積を行うことが可能であることが分かった。
【特許文献１】米国特許出願第１０／９９６１４５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、Ｒｕ層は、熱化学気相成長法によって、ルテニウムカルボニル先駆体又はルテニウム有機金属先駆体のようなルテニウム含有先駆体を熱的に分解することによって形成することが可能である。しかし基板温度が十分な高さではない場合、十分な高さとはたとえば３００℃よりも高温である、ＴＣＶＤによって堆積されるＲｕ層の材料特性は、たとえば電気抵抗が高いというように、不十分なものである。それに加えて、ルテニウムカルボニル先駆体を用いることで、ルテニウムカルボニル先駆体の蒸気圧が低いこと及びそれに関連する輸送問題により、ルテニウム堆積レートが低くなってしまう恐れがある。全体的に見て、発明者らは、現在のルテニウム堆積法が、堆積レートの低さに悩まされていること、及び高い堆積温度を必要とするため、多くの半導体素子用途において、ルテニウム層を堆積するのは現実的ではない、ということを発見した。それに加えて、応力、モフォロジー、及び電気抵抗は結晶学的配向に依存するので、堆積されたルテニウム金属層の結晶学的配向を含む結晶性の制御が必要となるだろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板上に低抵抗ルテニウム金属層を堆積する低温化学気相成長法を供する。ルテニウム金属層は、Ｃｕメタライゼーションにおけるバリヤ／シード層として用いられて良い。基板は、１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合を有するパターニング基板であって良い。
【０００７】
本発明の実施例に従うと、当該方法は、堆積システムのプロセスチャンバ内に基板を供する工程、Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体蒸気を含むプロセスガス及びＣＯ含有ガスを生成する工程、並びに熱化学気相成長法によって、前記基板を約１００℃から約３００℃に維持しながら前記プロセスガスに曝露して、前記基板上に低抵抗ルテニウム金属層（４４０，４６０）を堆積する工程、を有する。
【０００８】
本発明の実施例に従うと、半導体素子が供される。当該半導体素子は、１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合を有するパターニング基板、及び熱化学気相成長法によって、前記基板を約１００℃から約３００℃に維持しながら前記プロセスガスに曝露することによって、前記基板上に形成される約８−４０μΩ−ｃｍの電気抵抗を有するルテニウム金属層、を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以降の説明では、本発明についての一貫した理解を助けるため、及び限定ではない例示目的のため、堆積システムの具体的構成及び様々な構成要素の説明のような具体的詳細について説明する。しかし本発明は、これらの具体的詳細から逸脱した他の実施例でも実施可能であることに留意すべきである。
【００１０】
ここで図を参照する。全ての図を通じて、図中の同様な参照番号は、同一又は対応する部品を表す。図１は、本発明の一の実施例に従ったルテニウムカルボニル先駆体から基板上へルテニウム金属層を堆積する堆積システム１を図示している。堆積システム１はプロセスチャンバ１０を有する。プロセスチャンバ１０は、上にルテニウム金属層が形成されている基板２５を支持するように備えられた基板ホルダ２０を有する。プロセスチャンバ１０は、蒸気先駆体供給システム４０を介した金属先駆体気化システム５０と結合する。
【００１１】
プロセスチャンバ１０はさらに、ダクト３６を介して真空排気システムと結合する。排気システム３８は、プロセスチャンバ１０、蒸気先駆体供給システム４０、及び金属先駆体気化システム５０を、基板２５上にルテニウム金属層を形成するのに適し、かつ金属先駆体気化システム５０内でルテニウムカルボニル先駆体５２を気化するのに適した圧力にするように備えられている。
【００１２】
さらに図１を参照すると、金属先駆体気化システム５０は、ルテニウムカルボニル先駆体５２を貯蔵し、ルテニウムカルボニル先駆体５２を気化させるのに十分な温度にまで加熱し、かつルテニウムカルボニル先駆体蒸気を蒸気先駆体供給システム４０へ導入するように備えられている。ルテニウムカルボニル先駆体５２は、金属先駆体気化システム５０の選択された加熱条件下で固体であって良い。あるいはその代わりに、ルテニウムカルボニル先駆体５２は液体であっても良い。以降では、固体金属カルボニル先駆体５２を用いた実施例について説明する。しかし当業者には、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、選択された加熱条件下で液体であるルテニウムカルボニル先駆体を用いることが可能であることが分かる。たとえばルテニウムカルボニル先駆体は固体Ｒｕ３（ＣＯ）１２であって良い。
【００１３】
ルテニウムカルボニル先駆体５２を気化させる（つまり固体ルテニウムカルボニル先駆体５２を昇華させる）ための所望温度を実現するため、金属先駆体気化システム５０は、気化温度を制御するように備えられた気化温度制御システム５４と結合する。たとえば従来のシステムでは、ルテニウムカルボニル先駆体５２の温度は一般的に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２を昇華させるため、約４０℃から約４５℃に上昇する。この温度では、Ｒｕ３（ＣＯ）１２の蒸気圧は、たとえば約１ｍＴｏｒｒから約３ｍＴｏｒｒの範囲である。ルテニウムカルボニル先駆体５２が加熱されることで気化（すなわち昇華）することで、ＣＯ含有ガスは、ルテニウムカルボニル先駆体５２又はその混合ガスを通り抜けて良い。ＣＯ含有ガスは、ＣＯ及び、たとえばＮ２若しくは希ガス（つまりＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ又はＸｅ）又はこれら２以上の混合ガスのような不活性ガスを含んで良い。
【００１４】
たとえばガス供給システム６０は、金属先駆体気化システム５０と結合する。またたとえばガス供給システム６０は、ＣＯ、キャリアガス又はこれらの混合ガスを、供給ライン６１を介してルテニウムカルボニル先駆体５２付近へ、又は供給ライン６２を介してルテニウムカルボニル先駆体５２にわたって供給するように備えられている。それに加えて、又はその代わりに、ガス供給システム６０は、金属先駆体気化システム５０の下流である蒸気先駆体供給システム４０と結合することで、ガスが蒸気先駆体供給システム４０に入り込むのと同時又はその後に、供給ライン６３を介してガスをルテニウムカルボニル先駆体蒸気５２へ供給する。図示されてはいないが、ガス供給システム６０は、キャリアガス源、ＣＯガス源、１以上の制御バルブ、１以上のフィルタ、及びマスフローコントローラを有して良い。たとえばＣＯ含有ガスの流速は、標準状態で毎分約０．１ｃｍ３（ｓｃｃｍ）から約１０００ｓｃｃｍであって良い。あるいはその代わりに、ＣＯ含有ガスの流速は、約１０ｓｃｃｍから約３００ｓｃｃｍであって良い。またその代わりに、ＣＯ含有ガスの流速は、約５０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍであって良い。本発明の実施例に従うと、ＣＯ含有ガスの流速は、約０．１ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの範囲であって良い。あるいはその代わりに、ＣＯガスの流速は、約１ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍであって良い。
【００１５】
金属先駆体気化システム５０の下流では、ルテニウムカルボニル先駆体蒸気を含むプロセスガスは、プロセスチャンバ１０と結合する蒸気分配システム３０を介してプロセスチャンバ１０に入り込むまで、蒸気先駆体供給システム４０を流れる。蒸気ライン温度を制御し、かつルテニウムカルボニル先駆体蒸気の分解及び凝集を防止するため、蒸気先駆体供給システム４０は、蒸気ライン温度制御システム４２と結合して良い。
【００１６】
再度図１を参照すると、プロセスチャンバ１０と結合して、その一部をなす蒸気分配システム３０は蒸気分配プレナム３２を有する。蒸気分配プレナム３２内部では、蒸気は、蒸気分配板３４を通過し、かつ基板２５の上部であるプロセス領域３３へ入り込む前に分散する。それに加えて、蒸気分配板３４は、蒸気分配板３４の温度を制御するように備えられた分配板温度制御システム３５と結合して良い。
【００１７】
一旦ルテニウムカルボニル先駆体蒸気を含むプロセスガスがプロセスチャンバ１０のプロセス領域３３へ入り込むと、ルテニウムカルボニル先駆体蒸気は、基板２５の温度が高いために基板表面の吸着によって熱的に分解するので、金属像が基板２５上に形成される。基板ホルダ２０は、基板温度制御システム２２と結合する基板ホルダ２０によって基板２５の温度を昇温させるように備えられている。たとえば基板温度制御システム２２は、基板２５の温度を最大約５００℃にまで昇温させるように備えられている。それに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に備えられたチャンバ温度制御システム１２と結合して良い。
【００１８】
上述したように、たとえば従来のシステムは、高温で生じる分解を防止するため、金属先駆体気化システム５０及び蒸気先駆体供給システム４０を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２については約４０℃から約４５℃の範囲内で動作させることを意図している。たとえばＲｕ３（ＣＯ）１２は高温で分解することで、次式で示されるような副生成物を生成する。
【００１９】
Ｒｕ３（ＣＯ）１２（ａｄ）⇔Ｒｕ３（ＣＯ）ｘ（ａｄ）＋（１２−ｘ）ＣＯ（ｇ）  （１）
又は
Ｒｕ３（ＣＯ）ｘ（ａｄ）⇔３Ｒｕ（ｓ）＋ｘＣＯ（ｇ）  （２）
ここでこれらの副生成物は吸着（ａｄ）する、つまり堆積システム１の内側表面上に凝集して良い。これらの表面上に材料が蓄積されることで、たとえばプロセス再現性のように、一の基板から次の基板へ問題を引き起こす恐れがある。あるいはその代わりに、たとえばＲｕ３（ＣＯ）１２は、次式により堆積システム１の内側表面上に凝集する恐れがある。
【００２０】
Ｒｕ３（ＣＯ）１２（ｇ）⇔Ｒｕ３（ＣＯ）１２（ａｄ）  （３）
以上をまとめると、ルテニウムカルボニル先駆体（たとえばＲｕ３（ＣＯ）１２）の蒸気圧が非常に低く、かつプロセスウインドウが狭い結果、基板２５上への堆積速度は非常に低くなってしまう。
【００２１】
本発明の発明者らは、ルテニウムカルボニル先駆体蒸気へＣＯガスを加えることで、ルテニウムカルボニル先駆体の基板への供給を制限する上述の問題を緩和させた。よって本発明の実施例に従うと、ＣＯガスがルテニウムカルボニル先駆体蒸気に加えられることで、ガスライン内でのルテニウムカルボニル先駆体蒸気分解が抑制される。それにより式（１）における平衡が左側へ移動し、ルテニウムカルボニル先駆体がプロセスチャンバ１０へ供給させる前における、蒸気先駆体供給システム４０内でのルテニウムカルボニル先駆体の時期尚早な分解が抑制される。発明者らは、ＣＯガスをルテニウムカルボニル先駆体蒸気に加えることで、気化温度を約４０℃から約１００℃以上へ上昇させることが可能であると信じている。温度が上昇することで、ルテニウムカルボニル先駆体の蒸気圧が上昇する結果、プロセスチャンバへのルテニウムカルボニル先駆体の供給量が増加する。従って基板２５上への金属の堆積速度が増大する。さらに発明者らは、ＡｒとＣＯガスとの混合ガスをルテニウムカルボニル先駆体にわたって流れることで、時期尚早なルテニウムカルボニル先駆体の分解が抑制されることを視覚的に観察した。
【００２２】
本発明の実施例に従うと、Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体へＣＯガスを加えることで、Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体気化温度を約４０℃から約１５０℃の範囲に維持することが可能となる。あるいはその代わりに、気化温度は約６０℃から約９０℃に維持されても良い。
【００２３】
ルテニウムカルボニル先駆体へＣＯガスを加えることによってルテニウムカルボニル先駆体蒸気の熱的安定性が増すため、プロセスガス中のＣＯガスに対するルテニウムカルボニル先駆体の相対濃度は、ある基板温度における基板２５上でのルテニウムカルボニル先駆体の分解を制御するのに利用されて良い。さらに基板温度は、基板２５上の金属の分解速度（つまりは堆積速度）の制御に利用されて良い。当業者にとっては明らかなように、ＣＯガスの量及び基板温度は、ルテニウムカルボニル先駆体の気化温度を所望の温度にする、及び基板２５上へのルテニウムカルボニル先駆体の堆積速度を所望の速度にすることを可能にするために変化して良い。
【００２４】
さらにプロセスガス中のＣＯガスの量は、ルテニウムカルボニル先駆体からの基板２５へのルテニウム金属の堆積が動力学的に律速される温度領域で生じるように選択されて良い。たとえばプロセスガス中のＣＯガスの量は、ルテニウム金属の堆積プロセスが動力学的に律速される温度領域で生じていることが観測されるまで増加させて良い。動力学的に律速される温度領域は、化学気相成長プロセスの堆積速度が基板表面での化学反応の動力学によって律速される堆積条件を表す。そのような領域は、典型的には堆積速度の温度に対する強い依存性によって特徴付けられる。動力学的に律速される温度領域とは異なり、質量移行（ｍａｓｓ−ｔｒａｎｓｆｅｒ）に律速される温度領域は通常、高い基板温度で観測される。また質量移行に律速される温度領域は、堆積速度が、基板表面への化学反応物質の流束によって制限される堆積条件の範囲を含む。質量移行に律速される領域は、ルテニウムカルボニル先駆体の流束に対する堆積速度の強い依存性によって特徴付けられる。また質量移行に律速される領域は温度に対して独立である。動力学的に律速される領域で金属堆積を行う結果は通常、パターニング基板上でのルテニウム金属層の良好なステップ被覆、及び良好な均一性となる。均一性とは一般的に、パターニング基板上の特徴部位の側壁上に存在する金属層の最も薄い部分と最も厚い部分との比で定義される。ステップ被覆とは一般的に、側壁上に存在する金属層の厚さと特徴部位から離れた位置での金属層の厚さとの比で定義される。
【００２５】
さらに図１を参照すると、堆積システム１は、堆積システム１を動作させ、その動作を制御するように備えられた制御システム８０をさらに有して良い。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、蒸気分配システム３０、蒸気先駆体供給システム４０、金属先駆体気化システム５０及びガス供給システム６０と結合する。
【実施例１】
【００２６】
別の実施例では、図２は、基板上にたとえばルテニウム金属層のような金属層を堆積する堆積システム１００を図示している。堆積システム１００は、基板ホルダ１２０を有するプロセスチャンバ１１０を有する。基板ホルダ１２０は、金属層が上に形成されている基板１２５を支持するように備えられている。プロセスチャンバ１１０は先駆体供給システム１０５と結合する。先駆体供給システム１０５は、ルテニウムカルボニル先駆体１５２を貯蔵及び気化するように備えられている金属先駆体気化システム１５０、並びに、ルテニウムカルボニル先駆体蒸気１５２をプロセスチャンバ１１０へ輸送するように備えられている蒸気先駆体供給システム１４０を有する。
【００２７】
プロセスチャンバ１１０は、上部チャンバ部１１１、下部チャンバ部１１２、及び排出チャンバ１１３を有する。開口部１１４は、下部チャンバ部１１２内部で形成される。下部チャンバ部１１２は、排出チャンバ１１３と結合する。
【００２８】
さらに図２を参照すると、基板ホルダ１２０は、被処理基板（又はウエハ）１２５を支持する水平面を供する。基板ホルダ１２０は、排出チャンバ１１３の下部から上方に延びる円柱支持部１２２によって支持されて良い。さらに基板ホルダ１２０は、基板ホルダ温度制御システム１２８と結合するヒーター１２６を有する。ヒーター１２６はたとえば、１以上の抵抗加熱素子を有して良い。あるいはその代わりに、ヒーター１２６はたとえば、タングステン−ハロゲンランプのような放射加熱システムを有しても良い。基板ホルダ温度制御システム１２８は、１以上の加熱素子に電力を供する電源、基板温度及び／又は基板ホルダ温度を測定する１以上の温度センサ、並びに基板１２５若しくは基板ホルダ１２０の温度の監視、調節又は制御のうちの少なくとも１を実行するように備えられている制御装置を有して良い。
【００２９】
プロセス中、加熱された基板１２５は、ルテニウムカルボニル先駆体を熱的に分解することが可能で、それにより基板１２５上への金属層の堆積が可能となる。実施例に従うと、ルテニウムカルボニル先駆体１５２はＲｕ３（ＣＯ）１２であって良い。熱化学気相成長の当業者にとっては明らかなように、他のルテニウムカルボニル先駆体が、本発明の技術的範囲から逸脱することなく用いられても良い。基板ホルダ１２０は、所望であるＲｕ金属層又は他の金属層を基板１２５へ堆積させるのに適している所定温度に加熱される。それに加えてチャンバ壁を所定温度へ加熱するため、チャンバ温度制御システム１２１に結合するヒーター（図示されていない）はプロセスチャンバ１１０の壁に埋め込まれて良い。ヒーターは、プロセスチャンバ１１０の壁の温度を、約４０℃から約１５０℃に、又は約４０℃から約８０℃に維持して良い。圧力計（図示されていない）は、プロセスチャンバの圧力を測定するのに用いられる。本発明の実施例に従うと、プロセスチャンバの圧力は、約１ｍＴｏｒｒから約２００ｍＴｏｒｒの間であって良い。あるいはその代わりに、プロセスチャンバの圧力は、約５ｍＴｏｒｒから約５０ｍＴｏｒｒの間であって良い。
【００３０】
また図２に図示されているように、蒸気分配システム１３０は、プロセスチャンバ１１０の上部チャンバ部１１１と結合する。蒸気分配システム１３０は蒸気分配板１３１を有し、蒸気分配板１３１は、蒸気分配プレナム１３２から１以上のオリフィス１３４を介して基板１２５の上であるプロセス領域１３３へ先駆体蒸気を導入するように備えられている。
【００３１】
さらに、蒸気先駆体供給システム１４０から蒸気分配プレナム１３２にルテニウムカルボニル先駆体を導入する開口部１３５が上部チャンバ部１１１内に供される。しかも、蒸気分配システム１３０の温度を制御する、たとえば冷却又は加熱流体を流すように備えられた同心円流体チャネルのような温度制御素子１３６が供される。それにより蒸気分配システム１３０内部でのルテニウムカルボニル先駆体の分解又は凝集が防止される。たとえば水のような流体が、蒸気分配温度制御システム１３８から流体チャネルへ供給されて良い。蒸気分配温度制御システム１３８は、流体源、熱交換器、流体温度及び／又は蒸気分配板温度を測定する１以上の温度センサ、並びに蒸気分配板１３１の温度を約２０℃から約１５０℃で制御するように備えられた制御装置を有して良い。
【００３２】
図２に図示されているように、金属先駆体気化システム１５０は、ルテニウムカルボニル先駆体１５２を保持し、かつルテニウムカルボニル先駆体１５２を昇温することによって蒸発（又は昇華）させるように備えられている。本明細書では、“気化”、“昇華”及び“蒸発”の語は、たとえば固体から液体そして気体、固体から気体、あるいは液体から気体というような転移に関係なく、固相又は液状先駆体から蒸気（ガス）が生成されることを広く意味するものとして同義的に用いられている。ルテニウムカルボニル先駆体１５２を加熱する先駆体ヒーター１５４が供される。それによりルテニウムカルボニル先駆体１５２の温度が維持され、ルテニウムカルボニル先駆体１５２の蒸気圧が所望の値となる。先駆体ヒーター１５４は、ルテニウムカルボニル先駆体１５２の温度を制御するように備えられた気化温度制御システム１５６と結合する。たとえば先駆体ヒーター１５４は、約４０℃から約１５０℃又は約６０℃から約９０℃にルテニウムカルボニル先駆体１５２の温度を調節するように備えられて良い。
【００３３】
ルテニウムカルボニル先駆体１５２が加熱されて蒸発（又は昇華）することで、ＣＯ含有ガスは、ルテニウムカルボニル先駆体１５２又はこの混合ガスを通り抜けて良い。ＣＯ含有ガスは、ＣＯ、及び、たとえばＮ２又は希ガス（つまりＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）のような不活性ガスを有して良い。あるいはその代わりに、実施例によっては不活性ガスを省略することも考えられる。本発明の実施例に従うと、ＣＯガスは不活性ガスに加えられて良い。あるいはその代わりに、実施例によっては不活性ガスをＣＯガスに置き換えることも考えられる。たとえば、ガス供給システム１６０は、金属先駆体気化システム１５０と結合する。またガス供給システム１６０は、ルテニウムカルボニル先駆体１５２にわたってＣＯガス及び／又は不活性ガスを流すように備えられている。それに加えて又はその代わりに、図２には図示されていないが、ガス供給システム１６０は、蒸気先駆体供給システム１４０と結合することで、ルテニウムカルボニル先駆体１５２が蒸気先駆体供給システム１４０に入り込む際若しくは後に、キャリアガス及び／又はＣＯガスを金属先駆体蒸気１５２へ供給して良い。ガス供給システム１６０は、キャリアガス若しくはＣＯガス又はこれらの混合ガスを含むガス源１６１、１以上の制御バルブ１６２、１以上のフィルタ１６４及びマスフローコントローラ１６５を有して良い。たとえばＣＯ含有ガスのマスフロー速度は、約０．１ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの範囲であって良い。
【００３４】
それに加えて、金属先駆体気化システム１５０からの全ガスを測定するセンサ１６６が供される。センサ１６６はたとえばマスフローコントローラを有して良い。プロセスチャンバ１１０へ供給されるルテニウムカルボニル先駆体の量は、センサ１６６及びマスフローコントローラ１６５を用いて決定されて良い。あるいはその代わりにセンサ１６６は、プロセスチャンバ１１０へのガス流中のルテニウムカルボニル先駆体蒸気の濃度を測定する光吸収センサを有して良い。
【００３５】
バイパスライン１６７は、センサ１６６の下流に位置して良い。またバイパスライン１６７は、蒸気供給システム１４０と排出ライン１１６とを接続して良い。蒸気先駆体供給システム１４０を排気し、かつプロセスチャンバ１１０へのルテニウムカルボニル先駆体蒸気の供給を安定化させるバイパスライン１６７が供される。それに加えて、蒸気先駆体供給システム１４０の分岐部分より下流に位置するバイパスバルブ１６８が、バイパスライン１６７に供される。
【００３６】
さらに図２を参照すると、蒸気先駆体供給システム１４０は、第１バルブ１４１及び第２バルブ１４２を有する高コンダクタンスの蒸気ラインを有する。それに加えて蒸気先駆体供給システム１４０は、ヒーター（図示されていない）を介して蒸気先駆体供給システム１４０を加熱するように備えられた蒸気ライン温度制御システム１４３をさらに有する。蒸気ラインの温度は、蒸気ライン内でルテニウムカルボニル先駆体蒸気の凝集が起こらないように制御されて良い。蒸気ラインの温度は、約２０℃から約１００℃、又は約４０℃から約９０℃で制御されて良い。
【００３７】
しかもＣＯガスは、ガス供給システム１９０から供給されて良い。たとえばガス供給システム１９０は、蒸気先駆体供給システム１４０と結合する。またガス供給システム１９０はたとえば、バルブ１４１の下流で、ＣＯガスを蒸気先駆体供給システム１４０内でルテニウムカルボニル先駆体蒸気と混合させるように備えられている。ガス供給システム１９０は、ＣＯガス源１９１、１以上の制御バルブ１９２、１以上のフィルタ１９４、及びマスフローコントローラ１９５を有して良い。たとえばＣＯガスのマスフロー速度は、約０．１ｓｃｃｍ（標準状態でのｃｍ３／分）から約１０００ｓｃｃｍの範囲であって良い。
【００３８】
マスフローコントローラ１６５、マスフローコントローラ１９５、バルブ１６２、バルブ１９２、バルブ１６８、バルブ１４２は制御装置１９６によって制御される。制御装置１９６は、キャリアガス、ＣＯガス及びルテニウムカルボニル先駆体蒸気の供給、供給停止及び流れを制御する。センサ１６６はまた制御装置１９５とも接続する。センサ１６６の出力に基づいて、制御装置１９５は、マスフローコントローラ１６５を通るキャリアガス流を制御することで、プロセスチャンバ１１０への所望のルテニウムカルボニル先駆体流を実現して良い。
【００３９】
図２に図示されているように、排出ライン１１６は、排出チャンバ１１３と排気システム１１８を接続する。真空ポンプ１１９は、プロセスチャンバ１１０を所望の真空度にまで排気し、かつプロセス中にプロセスチャンバ１１０から気体種を除去するのに用いられる。自動圧力制御装置（ＡＰＣ）１１５及びトラップ１１７は、真空ポンプ１１９直列で用いられて良い。真空ポンプ１１９は、最大で毎秒５００リットル（以上）の排気速度を有するターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を有して良い。あるいはその代わりに、真空ポンプ１１９はドライ粗引きポンプを有しても良い。プロセス中、プロセスガスはプロセスチャンバ１１０へ導入されて良く、またチャンバ圧力はＡＰＣ１１５によって調節されて良い。ＡＰＣ１１５は、蝶型バルブ又はゲートバルブを有して良い。トラップ１１７は、プロセスチャンバ１１０から未反応ルテニウムカルボニル先駆体材料及び副生成物を回収して良い。
【００４０】
再度図２に図示されているプロセスチャンバ１１０内の基板ホルダ１２０を参照すると、基板１２５を保持、上昇及び下降させる３の基板リフトピン１２７（２つのみ図示されている）が供される。基板リフトピン１２７は、プレート１２３と結合する。また基板リフトピン１２７は、基板ホルダ１２０の上側表面よりも下に下げて良い。たとえばエアシリンダを利用する駆動機構１２９は、プレート１２３を上昇及び下降させる手段を供する。基板１２５は、ロボットによる搬送システム（図示されていない）によって、ゲートバルブ２００及び貫通接続通路２０２を介してプロセスチャンバ１１０へ出し入れされて良い。また基板１２５は、基板リフトピン１２７によって受け取られる。一旦基板１２５が搬送システムから受け取られると、基板１２５は、基板リフトピン１２７を下げることによって、基板ホルダ１２０の上側表面よりも下に下げて良い。
【００４１】
さらに図２を参照すると、制御装置１８０は、マイクロプロセッサ、メモリ及びデジタルＩ／Ｏポートを有する。デジタルＩ／Ｏポートは、堆積システム１００からの出力を監視するのみならず、堆積システム１００の入力とやり取りし、かつ操作を行うのに十分な制御電圧を発生させる能力を有する。しかも堆積システム制御装置１８０は、プロセスチャンバ１１０；制御装置１９６、蒸気ライン温度制御システム１４３、及び気化温度制御システム１１８を有する先駆体供給システム１０５；蒸気分配温度制御システム１３８；真空排気システム１１８；並びに基板温度制御システム１２８、と結合し、かつこれらと情報をやり取りする。真空排気システム１１８では、制御装置１８０は、プロセスチャンバ１１０の圧力を制御する自動圧力制御装置１１５と結合し、かつこの装置と情報をやり取りする。メモリに保存されているプログラムは、保存されたプロセスレシピに従って、堆積システムの上記構成要素を制御するのに利用される。堆積システム制御装置１８０の一例は、デルコーポレーションから販売されているＤＥＬＬ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ６１０（商標）である。
【００４２】
制御装置１８０は、汎用コンピュータシステムで実装されて良い。そのシステムは、メモリに格納されている１以上の命令に係る１以上のシーケンスを実行するプロセッサに応答して、本発明に係るマイクロプロセッサベースの処理の一部又は全部を実行する。係る命令は、たとえばハードディスク又は取り外し可能な媒体のような別のコンピュータによる読み取りが可能な媒体から制御装置のメモリに読み込まれて良い。多重処理構成である１以上のプロセッサが、主メモリに格納されている命令のシーケンスを実行する制御装置マイクロプロセッサとして用いられても良い。代替実施例では、ソフトウエア命令に代わって又はそれと併用して、ハードウエアに組み込まれた回路が用いられても良い。よって実施例は、ハードウエア回路及びソフトウエア回路の特定の組み合わせに限定されない。
【００４３】
制御装置１８０は、コンピュータによる読み取りが可能な媒体又はメモリのうちの少なくとも１を有する。コンピュータによる読み取りが可能な媒体又はメモリは、本発明の教示に従ってプログラミングされた命令を保持し、かつ本発明を実装するのに必要なデータ構造、テーブル、レコード又は他のデータを有する。コンピュータによる読み取りが可能な媒体の例には、コンパクトディスク（たとえばＣＤ−ＲＯＭ）若しくは他の光学式媒体、ハードディスク、フロッピーディスク、テープ、磁気光学ディスク、ＰＲＯＭｓ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ若しくは他の磁気媒体、パンチカード、紙テープ若しくは穴のパターンを有する他の物理媒体、又は搬送波（後述）若しくはコンピュータによる読み取りが可能な他の媒体がある。
【００４４】
コンピュータによる読み取りが可能な媒体のいずれか一又はこれらを組み合わせたものに保存される場合には、本発明は、制御装置１８０を制御するソフトウエア、本発明を実施する（複数の）装置を駆動するソフトウエア、及び／又はユーザーとの相互作用を可能にするソフトウエアを有する。そのようなソフトウエアは、装置のドライバ、オペレーションシステム、開発ツール、及びアプリケーションソフトウエアを有するが、これらに限定されるわけではない。そのようなコンピュータによる読み取りが可能な媒体は、本発明を実施する際に実行される処理の全部又は一部（処理が分散される場合）を実行する、本発明に係るコンピュータプログラム製品をさらに有する。
【００４５】
本発明に係るコンピュータコード装置は、如何なる解釈可能又は実行可能なコード機構であって良い。それには、スクリプト、解釈可能なプログラム、ダイナミックリンクライブラリ（ＤＬＬｓ）、Ｊａｖａクラス、及び完全な実行が可能なプログラムが含まれるが、これらに限定されるわけではない。しかも本発明に係る処理の一部は、性能、信頼性及び／又はコストをよりより向上させるために分散されて良い。
【００４６】
本明細書で用いられている“コンピュータによる読み取りが可能な媒体”という語は、実行用制御装置１８０のプロセッサへ命令を与えるのに関与する媒体を意味する。コンピュータによる読み取りが可能な媒体は、様々な形態をとって良い。様々な形態とはたとえば、不揮発性媒体、揮発性媒体、及び透過媒体を含むが、これらに限定されるわけではない。不揮発性媒体にはたとえば、ハードディスク又は取り外し可能なメディアドライブのような、光ディスク、磁気ディスク、及び磁気光学ディスクが含まれる。揮発性メディアには、主メモリのようなダイナミックメモリが含まれる。しかも実行用制御装置のプロセッサへの１以上の命令に係る１以上のシーケンスを実行するときには、様々な形態のコンピュータによる読み取りが可能な媒体が含まれて良い。たとえば命令は最初、離れた場所にあるコンピュータの磁気ディスク上で実行されて良い。離れた場所にあるコンピュータは、本発明の全部又は一部を実施する命令を離れた場所からダイナミックメモリへロードして、ネットワークを介して命令を制御装置１８０へ送って良い。
【００４７】
制御装置１８０は、堆積システム１８０に対して局所的に設置されても良いし、又は堆積システム１８０に対して離れた場所に設置されても良い。たとえば制御装置１８０は、直接接続、イントラネット、インターネット及びワイヤレス接続のうちの少なくとも１を用いることによって堆積システム１００とのデータのやり取りをして良い。制御装置１８０は、たとえば顧客側（つまりデバイスメーカー等）のイントラネットと結合して良いし、又はたとえば売り手側（つまり装置製造者等）のイントラネットと結合しても良い。それに加えて、たとえば制御装置１８０は、インターネットと接続しても良い。さらに別なコンピュータ（つまり制御装置、サーバー等）が、たとえば制御装置とアクセスすることで、直接接続、イントラネット及びインターネットのうちの少なくとも１を介してデータのやり取りをして良い。また当業者には明らかであるように、制御装置１８０は、ワイヤレス接続を介して堆積システム１００とデータのやり取りをしても良い。
【００４８】
図３は、本発明の実施例に従った、基板上にルテニウム金属層を堆積する方法を示している。当該方法３００は、３０２において堆積システムのプロセスチャンバ内に基板を供する工程を有する。たとえば堆積システムは、図１及び図２で述べた堆積システム１及び１００を有して良い。基板たとえばＳｉ基板であって良い。Ｓｉ基板は、作製される素子の種類に依存してｎ型又はｐ型であって良い。基板は如何なるサイズであっても良く、たとえば２００ｍｍ基板、３００ｍｍ基板、又はそれよりも大きな基板であって良い。本発明の実施例に従うと、後で図６Ａ−図６Ｄで述べるように、基板は、１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合を有するパターニング基板であって良い。３０４では、ルテニウムカルボニル先駆体蒸気及びＣＯ含有ガスを含むプロセスガスが生成される。プロセスガスは、たとえばＡｒのような不活性キャリアガスをさらに有して良い。本発明の一実施例に従うと、ルテニウムカルボニル先駆体はＲｕ３（ＣＯ）１２であって良い。ＣＯ含有ガスをルテニウムカルボニル先駆体蒸気に加えることで、ルテニウムカルボニル先駆体の気化温度を上げることが可能となる。温度が上昇することでルテニウムカルボニル先駆体の蒸気圧が上昇する。その結果、プロセスチャンバへのルテニウムカルボニル先駆体の供給が増加するので、基板上へのルテニウム金属の堆積速度が上昇する。
【００４９】
本発明の実施例に従うと、プロセスガスは、ルテニウムカルボニル先駆体を加熱することでルテニウムカルボニル先駆体蒸気を生成し、かつＣＯ含有ガスとルテニウムカルボニル先駆体蒸気とを混合することによって生成されて良い。本発明の実施例に従うと、ＣＯ含有ガスは、ルテニウムカルボニル先駆体の下流でルテニウムカルボニル先駆体と混合して良い。本発明の別な実施例に従うと、ＣＯ含有ガスは、ルテニウムカルボニル先駆体を通って流れることで、ルテニウムカルボニル先駆体蒸気と混合して良い。
【００５０】
３０６では、熱化学気相成長法によって基板がプロセスガスに曝露されることで、基板上に低抵抗のルテニウム金属層が形成される。本発明の実施例に従うと、ルテニウム金属層は、約１００℃から約３００℃の基板温度で堆積されて良い。あるいはその代わりに、基板温度は、約１８０℃から約２５０℃であって良い。本発明の実施例に従うと、ルテニウム金属層の厚さは、約１０Åから約３００Åであって良い。あるいはその代わりに、厚さは、約２０Åから約５０Åであって良い。
【００５１】
当業者には明らかであるように、図３のフローチャート中の各工程又は段階は、１以上の工程及び／又は操作を含んで良い。従って、３０２、３０４及び３０６で３工程のみが列挙していないからといって、本発明を３工程又は段階であると限定して解してはならない。しかも各々の代表的工程又は段階である３０２、３０４及び３０６は、単一プロセスのみであると解されてもならない。
【００５２】
図４は、本発明の実施例に従ったルテニウム金属層の電気抵抗を基板温度の関数として図示している。軌跡４８０は、Ｒｕ３（ＣＯ）１２、Ａｒ及びＣＯを含むプロセスガスを用いて堆積されたルテニウム金属層の電気抵抗を基板温度の関数として示している。ここでＣＯ＋Ａｒキャリアガスは、固相Ｒｕ３（ＣＯ）１２先駆体を通って流れた。軌跡４８０から分かるように、ルテニウム金属層の電気抵抗は、約３００℃において約４０μΩ−ｃｍであったのが、約２２０℃において約２５μΩ−ｃｍに減少し、約１５０℃において約３５μΩ−ｃｍに上昇する。７．１μΩ−ｃｍであるバルクのルテニウムの電気抵抗と比較すると、これらの電気抵抗値は、ルテニウム金属層を半導体素子へ集積するには十分である。
【００５３】
図４において軌跡４８０で示された電気抵抗の結果は、予期せぬことに約２２０℃で最小を示した。金属膜中に不純物によってその金属膜の電気抵抗が増大することが知られている。ルテニウム金属層の２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）は、２２０℃付近で堆積された層が含む炭素及び酸素不純物の量は、それよりも高温で堆積された層が含むそれらの不純物量よりもはるかに少ないことを示した。約２２０℃よりも低温については、本発明者らは、これらの温度ではＣＯは十分に堆積された層から脱離できず、ＣＯはその層に入り込むことで、その層の電気抵抗が増大するのではないかと考えている。このことは、非常に低い温度で基板に吸着するＣＯガスが、約２５℃から約２２５℃で基板から脱離する、というＲｕ（１０１）基板からのＣＯの熱脱離についての研究によって支持されうる。換言すれば、Ｒｕ（１０１）基板が２２０℃周辺の温度に維持されれば、ほとんど又は全くＣＯは基板に吸着しない。
【００５４】
軌跡４８０でのルテニウム金属層の厚さは約１００Åで、堆積速度は約６Å／分から約９Å／分で、かつＲｕ３（ＣＯ）１２先駆体の温度は８０℃であった。しかし本発明者らは、より高コンダクタンスである蒸気先駆体供給システム（図１及び図２を参照のこと）を用いることによって、堆積速度を約３０Å／分以上に増加させることが可能であると信じている。軌跡４８０では、堆積条件には、１５ｍＴｏｒｒのプロセスチャンバ圧力、５０ｓｃｃｍのＡｒ流及び３００ｓｃｃｍのＣＯ流がさらに含まれる。これらの条件は、プロセスチャンバ内でＣＯ分圧が１３ｍＴｏｒｒであることに対応する。比較用に、軌跡４９０は、Ｒｕ３（ＣＯ）１２及びＡｒを含むプロセスガスを用いて堆積されたルテニウム金属層の電気抵抗を基板温度の関数として示している。
【００５５】
図４では、軌跡４８０と軌跡４９０との比較から、軌跡４８０では、ＣＯガスが用いられていない軌跡４９０とは反対に、基板温度を約３００℃よりも下げることによって、ルテニウム金属層の電気抵抗が低下することが示された。重要なことは、軌跡４８０で示された結果は、Ｒｕ３（ＣＯ）１２及びＣＯ（及び不活性であるＡｒガス）を含むプロセスガスを用いることによって、基板温度を約１５０℃から約３００にすれば、熱ＣＶＤプロセスで低抵抗のＲｕ金属層が堆積可能であることを示していることである。さらに本発明者らは、ルテニウム金属層は、約１００℃程度の低温の基板温度でも堆積可能であると信じている。図４での予期せぬ結果が示唆することの１つは、ルテニウム金属層を堆積し、かつその金属層と、たとえば様々なｌｏｗ−ｋ材料のような温度感受性材料層とを集積できる可能性である。以降で図６を参照しながら述べるように、ルテニウム金属層は、銅のメタライゼーション用のバリヤ層及び／又はシード層として用いられて良い。
【００５６】
図５は、本発明の実施例に従って形成されたルテニウム金属層のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを図示している。堆積されたルテニウム金属層の結晶配向はＸＲＤを用いて測定された。行ったプロセス条件について、全ての回折ラインをルテニウム金属層及び下地のＳｉ基板に割り当てることができた。具体的には、Ｒｕ（００２）結晶配向に対応する４２．３°でのＸＲＤ強度及びＲｕ（１０１）結晶配向に対応する４４．１°でのＸＲＤ強度が測定された。それに加えて図５に図示されているように、Ｒｕ（１０２）、Ｒｕ（１１０）、Ｒｕ（１０３）、及びＲｕ（２０１）結晶配向に対応するＸＲＤピークが観測された。たとえばＲｕ金属のような六方稠密充填構造（ｈｃｐ）については、熱力学的に最も安定な配向はＲｕ（００２）である。
【００５７】
基板温度２２０℃で堆積された低抵抗のルテニウム金属層に対応する図５の軌跡５０２は、Ｒｕ（１０１）に対応する強度が強く、かつＲｕ（００２）に対応する強度が非常に弱いことを特徴とするＸＲＤパターンを図示している。３２０℃、３５０℃及び３８０℃の基板温度で堆積された高抵抗のルテニウム金属層にそれぞれ対応する図５の軌跡５０４、５０６及び５０８は、Ｒｕ（００２）の強度とＲｕ（１０１）の強度が同程度であることを特徴とするＸＲＤパターンを図示している。Ｒｕ（００２）／Ｒｕ（１０１）の比は、２２０℃、３２０℃、３５０℃及び３８０℃の基板温度でそれぞれ、〜０、０．７７、０．８３及び０．８３である。比較のため、Ｒｕ３（ＣＯ）１２及びＡｒ（しかしＣＯは含まれない）を用いることによって、３２０℃の基板温度で堆積された高電気抵抗のルテニウム金属層もまた、軌跡５０４、５０６及び５０８のように同程度Ｒｕ（００２）の強度及びＲｕ（１０１）の強度を示した。
【００５８】
３２０℃以上の基板温度でＲｕ３（ＣＯ）１２、ＣＯ及びＡｒガスを含むプロセスガスを用いて堆積されたルテニウム金属層を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で視覚的に検査した結果、約５−１０ｎｍのグレインサイズを有する明確なグレインが示された。さらに２２０℃の基板温度で堆積されたルテニウム金属層のＳＥＭ像は、明確なグレインを示さなかった。３２０℃の基板温度でＲｕ３（ＣＯ）１２及びＡｒを含むプロセスガスを用いて堆積させたルテニウム金属層のＳＥＭ像は、約２０ｎｍから約４０ｎｍのグレインサイズを有する明確なグレインを示した。
【００５９】
高い結晶性を有する薄い拡散バリヤ層は、銅金属が拡散バリヤ層を介して容易に下地の誘電層へ移行することを可能にする拡散経路を供する恐れがあるため、銅のメタライゼーションには小さなグレインサイズを有する拡散バリヤ層が必要であることが提唱されてきた。よって薄いルテニウム金属層は、本発明の実施例に従って（２００ｍｍの）Ｓｉ基板上に堆積され、銅のメタライゼーション用の拡散層としてテストされた。ルテニウム層は、２．５ｎｍ、５ｎｍ及び１０ｎｍの厚さで、かつ１５０℃及び２２０℃の基板温度で堆積された。続いて銅が、イオン物理気相成長（ＩＰＶＤ）によって、ルテニウム金属層上に堆積された。次に基板は、Ｎ２雰囲気中、４００℃で３０分間アニーリングされた。ルテニウムのバリヤ特性は、アニーリングの後に基板のシート抵抗を測定することによって評価された。シート抵抗測定により、１５０℃で堆積された全てのルテニウム層が良好なバリヤ特性を有することが示された。その一方で、２２０℃で堆積されたわずか５ｎｍ及び１０ｎｍの厚さを有するルテニウム層も、銅のメタライゼーション用に一般的に用いられるＩＰＶＤ−ＴａＮ／Ｔａ（５ｎｍ／５ｎｍ）参照用バリヤで観測されるバリヤ特性と同様の良好なバリヤ特性を示した。
【００６０】
上記の結果は、ＣＯガスを用いることによって低基板温度で堆積されたルテニウム金属層は、低いＲｕ（００２）／Ｒｕ（１０１）比を有し、かつ良好なバリヤ特性を示すことを示している。これは、ＣＯの使用に関係なく、約３００℃よりも高い基板温度で堆積されたルテニウム金属層について観測される結果と反対である。
【００６１】
図６Ａ−図６Ｄは、本発明の実施例に従った、パターニング基板上でルテニウム金属層を形成する様子を概略的に図示している。当業者にとって明らかであるように、本発明の実施例は、１以上のビア若しくは溝又はこれらの結合を有するパターニング基板にも適用されて良い。図６Ａは、本発明の実施例に従って、パターニング構造４０２にルテニウム金属層４４０を堆積する様子を概略的に図示している。パターニング構造４０２は、第１金属層４１０、及び開口部４３０を含むパターニング層４２０を有する。パターニング層４２０はたとえば、誘電材料であって良い。開口部４３０はたとえば、ビア又は溝であって良い。構造４２０は、パターニング層４２０上に堆積されたルテニウム金属層４４０、及び開口部４３０の内側に第１金属層４１０をさらに有する。
【００６２】
図６Ｂは、図６Ａの開口部４３０内に堆積されたＣｕ層４７０を含むパターニング構造４０４を概略的に図示している。Ｃｕ層４７０はたとえば、構造４０４全体にＣｕで被覆し、それに続いて機械化学プロセスによって平坦化し、開口部４３０から離れた領域からＣｕを除去することで形成されて良い。図６Ａ及び図６Ｂに図示された実施例に従うと、ルテニウム金属層４４０は、続いて行われるルテニウム金属層４４０上へのＣｕの堆積のためのバリヤ層及びシード層であって良い。
【００６３】
図６Ｃは、本発明の別な実施例に従った、パターニング構造４０６上へルテニウム金属層４６０を堆積する様子を概略的に図示している。パターニング構造４０６は、第１金属層４１０及び開口部４３０を含むパターニング層４２０を有する。バリヤ層４５０がパターニング構造４５０上に堆積され、かつルテニウム金属層４６０はバリヤ層４５０上に堆積される。バリヤ層４５０はたとえば、タンタル含有材料（たとえばＴａ、ＴａＮ若しくはＴａＣＮ又はこれらの２種類以上の混合材料）又はタングステン材料（たとえばＷ又はＷＮ）を含んで良い。パターニング層４２０はたとえば、誘電材料であって良い。開口部４３０はたとえば、ビア又は溝であって良い。
【００６４】
一例では、ルテニウム金属層４６０は、１５０℃の温度で、幅が約１４０ｎｍで深さが約４２０ｎｍ（アスペクト比〜３）の開口部４３０を含むパターニング構造上に堆積された。ステップ被覆は８０％よりも大きい。バリヤ層４５０は、ＴａＮ（２．５ｎｍ）及びＴａ（４ｎｍ）を含む。プロセスチャンバの圧力は１５ｍＴｏｒｒ、ＣＯ流は３００ｓｃｃｍで、Ａｒ流は５０ｓｃｃｍであった。
【００６５】
図６Ｄは、パターニング構造４０８の開口部４３０内へＣｕ層４７０を堆積する様子を概略的に図示している。Ｃｕ層４７０はたとえば、図６Ｂを参照しながら説明したように堆積されて良い。図６Ｃ及び図６Ｄに図示された実施例に従うと、ルテニウム金属層４６０は、引き続いて行われるルテニウム金属層４６０上へのＣｕの堆積のためのシード層であって良い。
【００６６】
たとえ本発明のある典型的実施例のみが詳細に説明されたとしても、当業者は、本発明の新規な教示及び利点からほとんど逸脱することなく、多くの修正型が可能であることをすぐに理解する。従って多くの係る修正型は、本発明の技術的範囲内に含まれるものと解される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施例に従った堆積システムの概略図を図示している。
【図２】本発明の別な実施例に従った堆積システムの概略図を図示している。
【図３】本発明の実施例に従ったルテニウム金属層の堆積方法を示している。
【図４】本発明の実施例に従ったルテニウム金属層の電気抵抗を基板温度の関数として図示している。
【図５】本発明の実施例に従って形成されたルテニウム金属層のＸＲＤパターンを図示している。
【図６Ａ】本発明の実施例に従った、パターニング基板上でのルテニウム金属層の形成を概略的に図示している。
【図６Ｂ】本発明の実施例に従った、パターニング基板上でのルテニウム金属層の形成を概略的に図示している。
【図６Ｃ】本発明の実施例に従った、パターニング基板上でのルテニウム金属層の形成を概略的に図示している。
【図６Ｄ】本発明の実施例に従った、パターニング基板上でのルテニウム金属層の形成を概略的に図示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【国際調査報告】
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