專利名稱：用于增大由羰基金屬前驅(qū)體沉積金屬層的速率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理，更具體而言，涉及用于增大由羰基金屬IW 體沉積金屬層的速率的方法。
背景技術(shù)：
將銅(Cu)金屬引入到用于制造集成電路的多層金屬化方案中可能必 須使用擴(kuò)散阻擋層/襯墊，以促進(jìn)Cu層的粘附和生長(zhǎng)并防止Cu擴(kuò)散到介 電材料中。沉積到介電材料上的阻擋層/襯墊可包括折射材料，例如鎢 (W)、鉬(Mo)和鉭(Ta)，其是非反應(yīng)性的并且與Cu不相溶，并且 可以提供低電阻率。集成Cu金屬化和介電材料的當(dāng)前的集成方案可能要 求在約400。C和約500。C之間(或更低)的襯底溫度下進(jìn)行阻擋層/襯墊沉 積處理。例如，用于小于或等于130nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的Cu集成方案當(dāng)前采用低 介電常數(shù)(低k)層間電介質(zhì)，接著是物理氣相沉積(PVD) Ta層或 TaN/Ta阻擋層，接著是PVD Cu晶種層和電化學(xué)沉積(ECD) Cu填充。 一般來(lái)說(shuō)，選擇Ta層是由于其粘附屬性(即，能夠粘附在低k膜上的能 力)，選擇Ta/TaN層一般是由于其阻擋屬性(即，能夠防止Cu擴(kuò)散到低 k膜中的能力)。
如上所述，已經(jīng)進(jìn)行了顯著的努力來(lái)研究并實(shí)現(xiàn)薄過(guò)渡金屬層作為Cu擴(kuò)散阻擋層，這些研究包括諸如鉻、鉭、鉬和鎢之類的材料。這些材料 中的每一種都表現(xiàn)出與Cu的低混溶性。最近，其他材料，例如釕(Ru) 和銠(Rh)已被識(shí)別為潛在的阻擋層，因?yàn)槿藗冾A(yù)期其性能類似于傳統(tǒng)的 難熔金屬。然而，Ru或Rh的使用可以允許只使用一層阻擋層，而不是兩 層(例如Ta/TaN)。例如， 一個(gè)Ru層可以替代Ta/TaN阻擋層。而且， 當(dāng)前的研究表明一個(gè)Ru層還可以替代Cu晶種層，并且塊Cu填充物可以 在Ru沉積之后直接進(jìn)行。這一結(jié)果是由于Cu和Ru層之間良好的粘附。傳統(tǒng)上，Ru層可以通過(guò)在熱化學(xué)氣相沉積(TCVD)工藝中熱分解諸 如羰基釕前驅(qū)體之類的含釕前驅(qū)體來(lái)形成。當(dāng)襯底溫度降低到低于約 400°C時(shí)，通過(guò)羰基釕前驅(qū)體(例如Ru3(CO)12)的熱分解沉積的Ru層的 材料屬性可能惡化。結(jié)果，低沉積溫度下Ru層的電阻率的增加和差的表 面形態(tài)(例如，結(jié)核的形成)已被認(rèn)為是增加了在熱沉積的Ru層中CO 反應(yīng)副產(chǎn)物的結(jié)合的結(jié)果。這兩種效應(yīng)都可以由在低于約400°C的襯底溫 度下從羰基釕前驅(qū)體的熱分解解吸附CO速率的減小來(lái)解釋。另外，諸如羰基釕或羰基錸之類的羰基金屬的使用可能導(dǎo)致低沉積速 率，這是由于其低蒸汽壓以及與之相關(guān)聯(lián)的輸運(yùn)問(wèn)題?？偠灾?，發(fā)明人 已經(jīng)觀察到，當(dāng)前的沉積系統(tǒng)速率很低，從而使得這種金屬膜的沉積不太 實(shí)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了 一種用于增大由羰基金屬前驅(qū)體沉積金屬層的速率的方 法。本發(fā)明的實(shí)施例允許增大含金屬前驅(qū)體的蒸發(fā)溫度以增大羰基金屬前 驅(qū)體的蒸汽壓，從而增強(qiáng)到處理室的羰基金屬前驅(qū)體蒸汽的傳輸并增大襯 底上金屬的沉積速率。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在將襯底暴露于羰基金屬蒸 汽之前將CO氣體與羰基金屬前驅(qū)體蒸汽混合以減少羰基金屬前驅(qū)體蒸汽 的過(guò)早分解。從而，該方法包括在沉積系統(tǒng)的處理室中提供襯底，形成包含羰基金 屬前驅(qū)體蒸汽和CO氣體的處理氣體，以及將襯底暴露于處理氣體以通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積工藝在襯底上沉積金屬層。本發(fā)明的實(shí)施例包括具有通式Mx(CO)y的各種羰基金屬前驅(qū)體。羰基 金屬包括但不限于W(CO)6、 Ni(CO)4、 Mo(CO)6、 Co2(CO)8、 Rh4(CO)12、 Re2(CO)10、 Cr(CO)s、 Ru3(CO)12、或0ss(C0h2。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于在圖案化襯底上沉積Ru金屬層的方法，包括在沉積系統(tǒng)的處理室中提供圖案化襯底，其中"圖案 化"指包含一個(gè)或多個(gè)過(guò)孔或溝槽或其組合的襯底，利用RU3(CO)i2前驅(qū)體蒸汽和CO氣體形成處理氣體，以及將圖案化襯底暴露于處理氣體以通 過(guò)熱化學(xué)氣相沉積工藝在圖案化襯底上沉積Ru金屬層。國(guó)翻在附圖中圖l示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖； 圖 3圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在襯底上沉積金屬層的方法；以及 圖4A-4C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖案化襯底上金屬層的 形成。
具體實(shí)施方式
在下面的描述中，為了幫助對(duì)本發(fā)明的全面理解并且出于說(shuō)明而非限 制的目的，給出了具體細(xì)節(jié)，例如沉積系統(tǒng)的特定幾何形狀以及各種組件 的描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在脫離這些具體細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中也可實(shí)施 本發(fā)明?，F(xiàn)在參考附圖，附圖中相似的標(biāo)號(hào)在所有附圖中指代相同或相應(yīng)的部 分，

圖1圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于利用羰基金屬前驅(qū)體在襯底上沉積金 屬層的沉積系統(tǒng)1。沉積系統(tǒng)1包括具有襯底夾持器20的處理室10，襯 底夾持器20被配置為支撐在其上形成金屬層的襯底25。處理室10經(jīng)由蒸 汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40耦合到金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50。處理室10還通過(guò)導(dǎo)管36耦合到真空泵系統(tǒng)38，其中泵系統(tǒng)38被配
置為將處理室10、蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40和金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50抽空 到適于在襯底25上形成金屬層并且適于金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50中羰基金 屬前驅(qū)體52的蒸發(fā)的壓強(qiáng)。仍然參考圖1，金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50被配置為存儲(chǔ)羰基金屬前驅(qū)體 52，并且將羰基金屬前驅(qū)體52加熱到足以使羰基金屬前驅(qū)體52蒸發(fā)的源r 度，同時(shí)將羰基金屬前驅(qū)體蒸汽引入到蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40。羰基金屬 前驅(qū)體52在金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50中在選定的加熱條件下可以是固體。 或者，羰基金屬前驅(qū)體52可以是液體。下面，盡管使用了固態(tài)羰基金屬 前驅(qū)體52進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，也可使用在選定 的加熱條件下為液態(tài)的羰基金屬前驅(qū)體，而不脫離本發(fā)明的范圍。例如， 羰基金屬前驅(qū)體可以具有通式Mx(CO)y，并且可包括羰基鎢、羰基鉬、孚發(fā) 基鈷、羰基銠、羰基錸、羰基絡(luò)、或羰基鋨或其中兩者的組合。這些羰基 金屬包括但不限于W(CO)6、 Ni(CO)4、 Mo(CO)6、 Co2(CO)8、 Rh4(CO)12、 Re2(CO)1()、 Cr(CO)6、 Ru3(CO)12、或Os3(CO)I2或其中兩者或更多者的組 合。為了獲得用于使羰基金屬前驅(qū)體52蒸發(fā)(或使固態(tài)羰基金屬前驅(qū)體 52升華)的期望溫度，金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50耦合到被配置為控制蒸發(fā) 溫度的蒸發(fā)溫度控制系統(tǒng)54。例如，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中羰基金屬前驅(qū)體52的 溫度一般被升高到約40-45°C，以使羰基釕Ru3(CO),2升華。在此溫度下， Ru"CO)12的蒸汽壓范圍例如從約1到約3mTorr。隨著羰基金屬前驅(qū)體被 加熱到引起蒸發(fā)(或升華)，載氣可以被傳送經(jīng)過(guò)羰基金屬前驅(qū)體52上 方，或者穿過(guò)羰基金屬前驅(qū)體52，或者其任意組合。載氣可以例如包括諸 如稀有氣體(即，He、 Ne、 Ar、 Kr或Xe)之類的惰性氣體或其中兩者或 更多者的組合?；蛘?，其他實(shí)施例預(yù)期省略了載氣。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，CO氣體可以被添加到載氣?；蛘撸渌麑?shí)施 例預(yù)期用CO氣體替代載氣。例如，氣體供應(yīng)系統(tǒng)60耦合到金屬前驅(qū)體蒸 發(fā)系統(tǒng)50，并且其例如被配置為經(jīng)由饋送管線61在羰基金屬前驅(qū)體52下 方提供載氣、CO氣體或其混合物，或經(jīng)由饋送管線62在羰基金屬前驅(qū)休 52上方提供載氣、CO氣體或其混合物。另外(或或者)，氣體供應(yīng)系統(tǒng)60耦合到金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50下游的蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40，以在羰 基金屬前驅(qū)體52的蒸汽進(jìn)入蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40時(shí)或進(jìn)入之后經(jīng)由饋 送管線63向羰基金屬前驅(qū)體52的蒸汽提供氣體。盡管未示出，但是氣體 供應(yīng)系統(tǒng)60可包括載氣源、CO氣體源、 一個(gè)或多個(gè)控制閥、 一個(gè)或多個(gè) 過(guò)濾器以及質(zhì)量流量控制器。例如，載氣的流率可以在約0.1每分鐘標(biāo)準(zhǔn) 立方厘米(sccm)和約1000sccm之間。或者，載氣的流率可以在約 10sccm和約500sccm之間?；蛘撸d氣的流率可以在約50sccm和約 200sccm之間。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，CO氣體的流率范圍可以從約 O.lsccm到約1000sccm?；蛘?，CO氣體的流率可以在約lsccm和約 100sccm之間。在金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50下游，包含羰基金屬前驅(qū)體蒸汽的處理氣 體流經(jīng)蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40，直到其經(jīng)由耦合到處理室10的蒸汽分配 系統(tǒng)30進(jìn)入處理室10。蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40可以耦合到蒸汽管線溫度 控制系統(tǒng)42，以控制蒸汽管線溫度并防止羰基金屬前驅(qū)體的分解以及羰基 金屬前驅(qū)體蒸汽的冷凝。再次參考圖1，形成處理室10的一部分并耦合到處理室10的蒸汽分 配系統(tǒng)30包括蒸汽分配空間32，蒸汽在經(jīng)過(guò)蒸汽分配板34并進(jìn)入襯底 25上方的處理區(qū)33之前在蒸汽分配空間32內(nèi)分散。另外，蒸汽分配板34 可以耦合到被配置為控制蒸汽分配板34的溫度的分配板溫度控制系統(tǒng) 35。一旦包含羰基金屬前驅(qū)體蒸汽的處理氣體進(jìn)入了處理室10的處理區(qū) 33，羰基金屬前驅(qū)體蒸汽就會(huì)在吸附在襯底表面時(shí)由于襯底25升高的溫 度而發(fā)生熱分解，并且在襯底25上形成金屬膜。襯底夾持器20被配置為 利用耦合到襯底夾持器20的襯底溫度控制系統(tǒng)22升高襯底25的溫度。例 如，襯底溫度控制系統(tǒng)22可被配置為將襯底25的溫度升至高達(dá)約 500°C。另外，處理室10可以耦合到被配置為控制室壁的溫度的室溫控制 系統(tǒng)12。例如，如上所述，傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)考慮到對(duì)于Ru3(CO)12，將金屬前驅(qū) 體蒸發(fā)系統(tǒng)50以及蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40運(yùn)行在約為40°C-45°C的溫度 范圍內(nèi)，以防止在較高溫度下發(fā)生的分解。例如，RU3(CO),2可以在較高溫度下分解以形成副產(chǎn)物，例如下式中所示的那些及1*3 ( )12 (a力《及"3 (CO), + (12 - x)CO(g) (1 )或及"3 (co), <=> 3及"(j) + xCO(g) ( 2 )其中這些副產(chǎn)物可以吸附(ad)，即冷凝在沉積系統(tǒng)1的內(nèi)表面上。 材料在這些表面上的累積可以引起襯底與襯底之間的諸如工藝可重復(fù)性之類的問(wèn)題?；蛘?，例如，RU3(CO)u可以在沉積系統(tǒng)l的內(nèi)表面上冷凝，即 及"3,12 (g) 及"3 (CO)12 ( 3 )總的來(lái)說(shuō)，某些羰基金屬前驅(qū)體(例如，Ru3(CO)12)的低蒸汽壓和小 工藝窗口導(dǎo)致在襯底25上非常低的金屬層的沉積速率。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，向羰基金屬前驅(qū)體蒸汽添加CO氣體可以減輕 限制了到襯底的羰基金屬前驅(qū)體的傳輸?shù)纳鲜鰡?wèn)題。從而，根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例，CO氣體被添加到羰基金屬前驅(qū)體蒸汽，以減少氣體管線中羰基 金屬前驅(qū)體蒸汽的離解，從而使方程(1)中的平衡向左移動(dòng)并減少在4冬 羰基金屬前驅(qū)體傳輸?shù)教幚硎?0之前在蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)40中的羰基 金屬前驅(qū)體的過(guò)早分解。發(fā)明人相信，向羰基金屬前驅(qū)體蒸汽添加CO氣 體能夠?qū)⒄舭l(fā)溫度從約40°C增大到約100°C (或更高)。溫度的升高增大 了羰基金屬前驅(qū)體的蒸汽壓，導(dǎo)致到處理室的羰基金屬前驅(qū)體的傳輸增 強(qiáng)，因而增大了襯底25上金屬的沉積速率。此外，發(fā)明人已可視地觀察 到，使Ar和CO氣體的混合物流經(jīng)羰基金屬前驅(qū)體上方或穿過(guò)羰基金屬前 驅(qū)體減少了羰基金屬前驅(qū)體的過(guò)早分解。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，向Ru3(CO)12前驅(qū)體蒸汽添加CO氣體能夠?qū)?Ru3(CO)u前驅(qū)體蒸發(fā)溫度維持在從約40°C到約150°C的范圍內(nèi)?；蛘?， 蒸發(fā)溫度可被維持在約60。C到約90°C的范圍內(nèi)。由于向羰基金屬前驅(qū)體蒸汽添加CO氣體增大了羰基金屬前驅(qū)體蒸汽 的熱穩(wěn)定性，因此處理氣體中羰基金屬前驅(qū)體蒸汽對(duì)CO氣體的相對(duì)濃度 可用于控制在某一襯底溫度下襯底25上羰基金屬前驅(qū)體的分解速率。此 外，襯底溫度可用于控制襯底25上金屬的分解速率(從而控制沉積速 率)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識(shí)到的，CO氣體的量和襯底溫度可
以很容易變化，以允許羰基金屬前驅(qū)體的期望蒸發(fā)溫度并實(shí)現(xiàn)襯底25上 羰基金屬前驅(qū)體的期望沉積速率。此外，處理氣體中CO氣體的量可以被選擇使得羰基金屬前驅(qū)體在襯 底25上的金屬沉積發(fā)生在動(dòng)力學(xué)限制溫度機(jī)制下。例如，處理氣體中CO 氣體的量可以被增大直到觀察到在動(dòng)力學(xué)限制溫度機(jī)制下發(fā)生金屬沉積工 藝。動(dòng)力學(xué)限制溫度機(jī)制指化學(xué)氣相沉積過(guò)程的沉積速率受限于襯底表面 處化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)的沉積條件的范圍， 一般其特征在于沉積速率對(duì)溫度 的強(qiáng)相關(guān)性。與動(dòng)力學(xué)限制溫度機(jī)制不同，質(zhì)量輸運(yùn)限制機(jī)制通常在較高 襯底溫度下被觀察到，并且包括沉積速率受限于到襯底表面的化學(xué)反應(yīng)物 的通量的沉積條件范圍。質(zhì)量輸運(yùn)限制機(jī)制的特征在于沉積速率對(duì)羰基金 屬前驅(qū)體流率的強(qiáng)相關(guān)性，而與沉積溫度無(wú)關(guān)。動(dòng)力學(xué)限制機(jī)制中的金屬 沉積通常導(dǎo)致金屬層在圖案化襯底上良好的階梯覆蓋性和良好的保形性。 保形性通常被定義為圖案化襯底上特征的側(cè)壁上金屬層的最薄部分除以側(cè) 壁上金屬層的最厚部分。階梯覆蓋性通常被定義為側(cè)壁覆蓋性(側(cè)壁上的 金屬層厚度除以遠(yuǎn)離特征的金屬層厚度)除以底部覆蓋性(特征底部上的 金屬層厚度除以遠(yuǎn)離特征的金屬層厚度)。仍然參考圖1，沉積系統(tǒng)1還可包括被配置為運(yùn)行和控制沉積系統(tǒng)1 的運(yùn)行的控制系統(tǒng)80?？刂葡到y(tǒng)80耦合到處理室10、襯底夾持器20、襯 底溫度控制系統(tǒng)22、室溫控制系統(tǒng)12、蒸汽分配系統(tǒng)30、蒸汽前驅(qū)體傳 輸系統(tǒng)40、金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)50和氣體供應(yīng)系統(tǒng)60。在另一實(shí)施例中，圖2圖示了用于在襯底上沉積諸如釕(Ru)之類的 金屬膜的沉積系統(tǒng)100。沉積系統(tǒng)100包括具有襯底夾持器120的處理 室，襯底夾持器120被配置為支撐在其上形成金屬層的襯底125。處理室 110耦合到前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)105，前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)105具有被配置為存儲(chǔ) 羰基金屬前驅(qū)體152并使其蒸發(fā)的金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)150和被配置為將 羰基金屬前驅(qū)體152輸運(yùn)到處理室110的蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140。處理室110包括上室部分111、下室部分112和排氣室113。開(kāi)口 114 形成在下室部分112內(nèi)，而底部112在此與排氣室113相耦合。仍然參考圖2，襯底夾持器120提供支撐待處理的襯底(或晶片)125
的水平表面。襯底夾持器120可由圓柱形支撐構(gòu)件122支撐，支撐構(gòu)件 122從排氣室113的下部向上延伸。此外，襯底夾持器120包括耦合到襯 底夾持器溫度控制系統(tǒng)128的加熱器126。加熱器126可以例如包括--個(gè) 或多個(gè)電阻加熱元件。或者，加熱器126可以例如包括輻射加熱系統(tǒng)，例 如鎢-鹵素?zé)?。襯底夾持器溫度控制系統(tǒng)128可包括用于向一個(gè)或多個(gè)加熱 元件提供功率的功率源、用于測(cè)量襯底溫度或襯底夾持器溫度或這兩者的 一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器、以及被配置為執(zhí)行監(jiān)視、調(diào)節(jié)或控制襯底或襯底 夾持器的溫度中的至少一種操作的控制器。在處理期間，被加熱的襯底125可以熱分解羰基金屬前驅(qū)體蒸汽，從 而在襯底125上沉積金屬層。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，羰基金屬前驅(qū)體152可以 是羰基釕前驅(qū)體，例如Ru3(CO)12。熱化學(xué)氣相沉積領(lǐng)域的技術(shù)人員將意 識(shí)到，也可使用其他羰基釕前驅(qū)體，而不脫離本發(fā)明的范圍。襯底夾持器 120被加熱到某一預(yù)先確定的溫度，該溫度適于將期望的Ru金屬層或其他 金屬層沉積到襯底125上。另外，耦合到室溫控制系統(tǒng)121的加熱器(未 示出)可以嵌入在處理室110的壁內(nèi)以將室壁加熱到預(yù)定溫度。加熱器可 以將處理室110的壁溫維持在從約40°C到約150°C的范圍內(nèi)，或者從約 40°C到約80°C的范圍內(nèi)。壓力計(jì)(未示出)被用于測(cè)量處理室壓強(qiáng)。根 據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，處理室壓強(qiáng)可以在約O.lmTorr和約200mTorr之間。 或者，處理室壓強(qiáng)可以在約lmTorr和約100mTorr之間。又或者，處理室 壓強(qiáng)可以在約2mTorr和約50mToiT之間。同樣如圖2所示，蒸汽分配系統(tǒng)130耦合到處理室110的上室部分 111。蒸汽分配系統(tǒng)130包括蒸汽分配板131，蒸汽分配板131被配置為將 前驅(qū)體蒸汽從蒸汽分配空間132經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)孔134引入到襯底125上 方的處理區(qū)133。此外，在上室部分111中提供有開(kāi)口 135，用于將來(lái)自蒸汽前驅(qū)體傳 輸系統(tǒng)140的羰基金屬前驅(qū)體蒸汽引入到蒸汽分配空間132中。而且，提 供了溫度控制元件136,例如被配置為使被冷卻或加熱流體流動(dòng)的同心流 體通道，其用于控制蒸汽分配系統(tǒng)130的溫度，從而防止蒸汽分配系統(tǒng) 130內(nèi)羰基金屬前驅(qū)體的分解或冷凝。例如，諸如水之類的流體可被從蒸
汽分配溫度控制系統(tǒng)138提供給流體通道。蒸汽分配溫度控制系統(tǒng)138可 包括流體源、熱交換器、用于測(cè)量流體溫度或蒸汽分配板溫度或這兩者的 一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器、以及被配置為將蒸汽分配板131的溫度控制在從 約20°C到約150°C的控制器。如圖2所示，金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)150被配置為保存羰基金屬前驅(qū)體 152并通過(guò)升高羰基金屬前驅(qū)體的溫度而使羰基金屬前驅(qū)體152蒸發(fā)(或 升華)。前驅(qū)體加熱器154被提供用于加熱羰基金屬前驅(qū)體152以將羰基 金屬前驅(qū)體152維持在產(chǎn)生羰基金屬前驅(qū)體152的期望蒸汽壓的溫度下。 前驅(qū)體加熱器154耦合到被配置為控制羰基金屬前驅(qū)體152的溫度的蒸發(fā) 溫度控制系統(tǒng)156。例如，前驅(qū)體加熱器154可被配置為將羰基金屬前驅(qū) 體152的溫度調(diào)節(jié)在從約40°C到約150°C的范圍內(nèi)，或者從約60°C到約 90。C的范圍內(nèi)。隨著羰基金屬前驅(qū)體152被加熱到引起蒸發(fā)(或升華)，載氣可以被 傳送經(jīng)過(guò)羰基金屬前驅(qū)體152上方，或者穿過(guò)羰基金屬前驅(qū)體152，或其 任意組合。載氣可以例如包括諸如稀有氣體(即，He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe)之類的惰性氣體?；蛘?，其他實(shí)施例預(yù)期了省略載氣。根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例，CO氣體可被添加到載氣?；蛘?，其他實(shí)施例預(yù)期用CO氣體替 代載氣。例如，氣體供應(yīng)系統(tǒng)160耦合到金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)150，并且 其例如被配置為使載氣、CO氣體或這兩者流經(jīng)羰基金屬前驅(qū)體152上方 或穿過(guò)羰基金屬前驅(qū)體152。盡管未在圖2中示出，但是氣體供應(yīng)系統(tǒng) 160還可以，或或者，耦合到蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140，以在金屬前驅(qū)體 152的蒸汽進(jìn)入蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140時(shí)或進(jìn)入之后向金屬前驅(qū)體152 的蒸汽提供載氣和/或CO氣體。氣體供應(yīng)系統(tǒng)160可包括包含載氣、CO 氣體或其混合物的氣體源161、 一個(gè)或多個(gè)控制閥162、 一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾 器164以及質(zhì)量流量控制器165。例如，載氣或CO氣體的質(zhì)量流率范闈 可以從約O.lsccm到約1000sccm。另外，傳感器166被提供用于測(cè)量來(lái)自金屬前驅(qū)體蒸發(fā)系統(tǒng)150的總 氣體流。傳感器166可以例如包括質(zhì)量流量控制器，并且傳輸?shù)教幚硎?110的羰基金屬前驅(qū)體蒸汽的量可以利用傳感器166和質(zhì)量流量控制器 165確定?；蛘?，傳感器166可包括測(cè)量在到處理室IIO的氣體流中的羰 基金屬前驅(qū)體的濃度的光吸收傳感器。旁路管線167可以定位在傳感器166下游，并且其可以將蒸汽傳輸系 統(tǒng)140連接到排氣管線116。旁路管線167被提供用于抽空蒸汽前驅(qū)體傳 輸系統(tǒng)140，并穩(wěn)定到處理室110的羰基金屬前驅(qū)體的供應(yīng)。另外，在旁 路管線167上提供有位于蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140的分支的下游的旁路閥 168。仍然參考圖2，蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140包括分別具有第一和第二閥 141和142的高傳導(dǎo)率蒸汽管線。另外，蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140還可包 括被配置為經(jīng)由加熱器(未示出)加熱蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140的蒸汽管 線溫度控制系統(tǒng)143。蒸汽管線的溫度可被控制為避免蒸汽管線中羰基金 屬前驅(qū)體的冷凝的溫度。蒸汽管線的溫度可被控制在從約2(TC到約100°C 的范圍內(nèi)，或者從約40。C到約90。C的范圍內(nèi)。而且，可以從氣體供應(yīng)系統(tǒng)1卯提供C0氣體。例如，氣體供應(yīng)系統(tǒng) 190耦合到蒸汽前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)140，并且其例如被配置為在蒸汽前驅(qū)體 傳輸系統(tǒng)140中(例如在閥141的下游)將CO氣體與羰基金屬前驅(qū)體蒸 汽混合。氣體供應(yīng)系統(tǒng)l卯可包括CO氣體源191、 一個(gè)或多個(gè)控制閥 192、 一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器194以及質(zhì)量流量控制器195。例如，CO氣體的 質(zhì)量流率范圍可以從約0.1sccm (每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米)到約1000sccm。質(zhì)量流量控制器165和195、以及閥162、 192、 168、 141和142由控 制器196控制，控制器196控制載氣、CO氣體和羰基金屬前驅(qū)體蒸汽的 供應(yīng)、切斷和流動(dòng)。傳感器166也連接到控制器196，并且基于傳感器 166的輸出，控制器196可以控制經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量控制器165的載氣流，以 獲得到處理室110的期望羰基金屬前驅(qū)體流。如圖2所示，排氣管線116將排氣室113連接到泵系統(tǒng)118。真空泵 119被用于將處理室110抽空到期望的真空度，并在處理期間從處理室 110中去除氣體物質(zhì)。自動(dòng)壓強(qiáng)控制器(APC) 115和阱117可以與真空泵 119串聯(lián)使用。真空泵119可包括泵速能高達(dá)500公升每秒(以及更大) 的渦輪分子泵(TMP)?；蛘撸婵毡?19可包括干燥粗抽泵。在處理期
間，處理氣體可被引入到處理室110中，并且室壓強(qiáng)可由APC 115調(diào)節(jié)。 APC 115可包括蝶形閥或門閥。阱117可以收集來(lái)自處理室110的未反應(yīng) 的羰基金屬前驅(qū)體材料和副產(chǎn)物。返回到處理室110中的襯底夾持器120，如圖2所示，三個(gè)襯底抬升 釘127 (只示出了兩個(gè))被提供用于保持、提升和降低襯底125。襯底抬 升釘127耦合到板123，并且可被降低到低于襯底夾持器120的上表面。 例如采用氣筒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)129提供了用于提升和降低板123的裝置。襯底 125可以經(jīng)由機(jī)械轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(未示出)經(jīng)過(guò)門閥200和室饋通通路202移 入和移出處理室110，并被襯底抬升釘127接收。 一旦從轉(zhuǎn)移系統(tǒng)接收到 襯底125，就可以通過(guò)降低襯底抬升釘127將其降低到襯底夾持器120的 上表面。再次參考圖2，控制器180包括微處理器、存儲(chǔ)器和數(shù)字1/0端口， 數(shù)字I/O端口能夠生成足以傳輸并激活到處理系統(tǒng)100的輸入以及監(jiān)視來(lái) 自處理系統(tǒng)IOO的輸出的控制電壓。而且，處理系統(tǒng)控制器180耦合到處 理室110;包括控制器196、蒸汽管線溫度控制系統(tǒng)143和蒸發(fā)溫度控制 系統(tǒng)156的前驅(qū)體傳輸系統(tǒng)105;蒸汽分配溫度控制系統(tǒng)138;真空泵系 統(tǒng)118;以及襯底夾持器溫度控制系統(tǒng)128，并與這些系統(tǒng)交換信息。在 真空泵系統(tǒng)118中，控制器180耦合到用于控制處理室110中的壓強(qiáng)的旨 動(dòng)壓強(qiáng)控制器115并與之交換信息。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序被用于根據(jù)存 儲(chǔ)的工藝方案控制沉積系統(tǒng)100的前述組件。處理系統(tǒng)控制器180的一個(gè) 示例是可以從Texas, Dallas的Dell Corporation得到的DELL PRECISION WORKSTATION 610 。控制器180還可以實(shí)現(xiàn)為通用計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào) 處理器等等?？刂破?80可以位于沉積系統(tǒng)100本地，或者可以位于沉積系統(tǒng)100 遠(yuǎn)處，經(jīng)由因特網(wǎng)或內(nèi)聯(lián)網(wǎng)通信。從而，控制器180可以利用直接連接、 內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)中的至少一種與沉積系統(tǒng)100交換數(shù)據(jù)。控制器180可以 耦合到客戶位置(即，器件制作者等)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，或者耦合到供應(yīng)商位 置(即，設(shè)備制造商)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。此外，另一計(jì)算機(jī)(即，控制器、服 務(wù)器等)可以經(jīng)由直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)中的至少一種訪問(wèn)控制器 180以交換數(shù)據(jù)。圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在襯底上沉積金屬層的方法。方法 300包括，在302，在沉積系統(tǒng)的處理室中提供襯底。例如，沉積系統(tǒng)可 包括上述圖l和2中的沉積系統(tǒng)。襯底可以例如是Si襯底。Si襯底可以是 n型或p型的，這取決于形成的器件的類型。襯底可以是任何尺寸的，例 如200mm襯底、300mm襯底或甚至更大的襯底。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例， 襯底可以是包含一個(gè)或多個(gè)過(guò)孔或溝槽或其組合的圖案化襯底。在304， 形成包含羰基金屬前驅(qū)體蒸汽和CO氣體的處理氣體。處理氣體還可包含 載氣。如上所述，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，羰基金屬前驅(qū)體可以是羰基釕前驅(qū) 體，例如Ru3(CO)u。向羰基金屬前驅(qū)體蒸汽添加CO氣體允許增大羰基金 屬前驅(qū)體的蒸發(fā)溫度。溫度的升高增大了羰基金屬前驅(qū)體的蒸汽壓，導(dǎo)致 到處理室的羰基金屬前驅(qū)體的傳輸增強(qiáng)，因而增大了襯底上金屬的沉積速 率。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，處理氣體可以通過(guò)加熱羰基金屬前驅(qū)體以形成 羰基金屬前驅(qū)體蒸汽并將CO氣體與羰基金屬前驅(qū)體蒸汽混合來(lái)形成。根 據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，CO氣體可以在羰基金屬前驅(qū)體的下游與羰基金屬前 驅(qū)體蒸汽混合。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可以通過(guò)使CO氣體流經(jīng)羰基 金屬前驅(qū)體上方或穿過(guò)羰基金屬前驅(qū)體而使CO氣體與羰基金屬前驅(qū)體蒸 汽混合。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，處理氣體可以通過(guò)額外使載氣流經(jīng)固 態(tài)羰基金屬前驅(qū)體上方或穿過(guò)固態(tài)羰基金屬前驅(qū)體來(lái)形成。在306，襯底被暴露于處理氣體以通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積工藝在襯底上 沉積金屬層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，金屬層可以在約50°C和約600°C之 間的襯底溫度下沉積?；蛘?，襯底溫度可以在約30(TC和約500。C之間。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到的，圖3的流程圖中的每一步或每一階段 可包含一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立步驟和/或操作。因此，在302、 304、 306中只記載 了三步不應(yīng)當(dāng)被理解為將本發(fā)明的方法限制為只有三步或三個(gè)階段。而 且，每個(gè)代表性步驟或階段302、 304、 306不應(yīng)當(dāng)被理解為僅限于單個(gè)工 藝。圖4A-4C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖案化襯底上金屬層的 形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易意識(shí)到，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用于包含一個(gè)或多個(gè)過(guò)孔或溝槽或其組合的圖案化襯底。圖4A示意性地示出了根 據(jù)本發(fā)明實(shí)施例將金屬層440沉積到圖案化結(jié)構(gòu)400上的情形。圖案化結(jié) 構(gòu)400包含第一金屬層410和含有開(kāi)口 430的圖案化層420。圖案化層420 可以例如是介電材料。開(kāi)口 430可以例如是過(guò)孔或溝槽，并且金屬層440 可例如包含Ru金屬。圖4B示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例將金屬層460沉積到圖 案化結(jié)構(gòu)402上的情形。圖案化結(jié)構(gòu)402包含第一金屬層410和含有開(kāi)口 430的圖案化層420。阻擋層450被沉積在圖案化結(jié)構(gòu)402上，并且金屬層 460被沉積在阻擋層450上。阻擋層450可例如包含含鉭材料(例如， Ta、 TaN、或TaCN或其中兩者或更多者的組合)或鎢材料(例如，W、 WN)。圖案化層420可以例如是介電材料。開(kāi)口 430可以例如是過(guò)孔或 溝槽，并且金屬層460可例如包含Ru金屬。圖4C示意性地示出了在圖 4B的開(kāi)口 430中沉積Cu的情形。盡管上面只詳細(xì)描述了本發(fā)明的某些示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù) 人員將很容易意識(shí)到，在示例性實(shí)施例中可以作出許多修改，而實(shí)質(zhì)上不 脫離本發(fā)明的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)。因此，所有這些修改都應(yīng)當(dāng)包括在本發(fā)明 的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種在襯底上沉積金屬層的方法，該方法包括 在沉積系統(tǒng)的處理室中提供襯底；形成包含羰基金屬前驅(qū)體蒸汽和CO氣體的處理氣體；以及 將所述襯底暴露于所述處理氣體，以通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積工藝在所述 襯底上沉積金屬層。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述形成步驟包括 加熱羰基金屬前驅(qū)體以形成所述羰基金屬前驅(qū)體蒸汽；以及 將所述CO氣體與所述羰基金屬前驅(qū)體蒸汽混合。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述混合步驟包括在所述羰基金屬前驅(qū)體下游將所述CO氣體與所述羰基金屬前驅(qū)休蒸汽混合。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述混合步驟包括使所述CO氣體流經(jīng)所述羰基金屬前驅(qū)體上方或穿過(guò)所述羰基金屬前驅(qū)體。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述CO氣體的流率在約O.lsccm 和約1000sccm之間。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述CO氣體的流率在約lsccm和 約100sccm之間。
7. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述形成步驟還包括 使載氣流經(jīng)所述羰基金屬前驅(qū)體上方或穿過(guò)所述羰基金屬前驅(qū)體。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述載氣包括稀有氣體。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述載氣的流率在約0.1sccm和約 1000sccm之間。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述羰基金屬前驅(qū)體蒸汽包括羰 基鎢、羰基鉬、羰基鈷、羰基銠、羰基錸、羰基鉻、羰基釕或羰基鋨或其 中兩者或更多者的組合。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述羰基金屬前驅(qū)體蒸汽包括 W(CO)6 、 Mo(CO)6 、 Co2(CO)8 、 Rh4(CO)12 、 Re2(CO)10 、 Cr(CO)6 、 Ru3(CO)12、或Os3(CO)^或其中兩者或更多者的組合。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述襯底維 持在約50。C和約500。C之間的溫度下。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述襯底維 持在約300°C和約400°C之間的溫度下。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述處理室 維持在約O.lmTorr和約200mTorr之間的壓強(qiáng)下。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述處理室 維持在約lmTorr和約100mToir之間的壓強(qiáng)下。
16. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述處理室 維持在約2mTorr和約50mTorr之間的壓強(qiáng)下。
17. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底是包含一個(gè)或多個(gè)過(guò)孔 或溝槽或其組合的圖案化襯底。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述形成步驟還包括-利用所述羰基金屬前驅(qū)體蒸汽對(duì)所述CO氣體的相對(duì)濃度來(lái)控制所述襯底上所述羰基金屬前驅(qū)體的分解速率。
19. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述暴露步驟還包括 在動(dòng)力學(xué)限制溫度機(jī)制下執(zhí)行所述熱化學(xué)氣相沉積工藝。
20. —種在圖案化襯底上沉積Ru金屬層的方法，該方法包括 在沉積系統(tǒng)的處理室中提供圖案化襯底，其中所述圖案化襯底包含一個(gè)或多個(gè)過(guò)孔或溝槽或其組合；形成包含Ru3(CO)u前驅(qū)體蒸汽和CO氣體的處理氣體；以及 將所述圖案化襯底暴露于所述處理氣體，以通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積工藝在所述圖案化襯底上沉積Ru金屬層。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述形成步驟包括 加熱Ru3(CO)u前驅(qū)體以形成所述Ru3(CO)^前驅(qū)體蒸汽；以及 將所述CO氣體與所述Ru3(COh2前驅(qū)體蒸汽混合。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述混合步驟包括在所述Ru3(CO)u前驅(qū)體的下游將所述CO氣體與所述Ru3(CO)^前驅(qū) 體蒸汽混合。
23. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述混合步驟包括使所述CO氣體流經(jīng)所述Ru3(CO),2前驅(qū)體上方或穿過(guò)所述Ru3(CO)12 前驅(qū)體。
24. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述CO氣體的流率在約O.lsccm 和約1000sccm之間。
25. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述CO氣體的流率在約lsccm 和約100sccm之間。
26. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述形成步驟還包括使載氣流經(jīng)所述RU3(CO),2前驅(qū)體上方或穿過(guò)所述RU3(CO),2前驅(qū)體。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述載氣包括稀有氣體。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述載氣的流率在約0.1sccm和 約1000sccm之間。
29. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述加熱步驟包括 將所述Ru3(CO)u前驅(qū)體維持在約40°C和約150°C之間的溫度下。
30. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述加熱步驟包括 將所述Ru3(CO)u前驅(qū)體維持在約60°C和約90°C之間的溫度下。
31. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述襯底維 持在約50。C和約500。C之間的溫度下。
32. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述襯底維 持在約300。C和約400。C之間的溫度下。
33. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述處理室 維持在約O.lmTorr和約200mTorr之間的壓強(qiáng)下。
34. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述處理室 維持在約lmTorr和約100mTorr之間的壓強(qiáng)下。
35. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述暴露期間將所述處理室 維持在約2mTorr和約50mTorr之間的壓強(qiáng)下。
36. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述形成步驟還包括 利用所述Ru3(CO)12前驅(qū)體蒸汽對(duì)所述CO氣體的相對(duì)濃度來(lái)控制所述襯底上所述RU3(COh2前驅(qū)體的分解速率。
37. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述圖案化襯底還包括形成在其 上的阻擋層，所述Ru金屬層被沉積在所述阻擋層上。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述阻擋層包括在其上沉積所述 Ru金屬層的含鉭層或含鎢層。
39. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述暴露步驟還包括 在動(dòng)力學(xué)限制溫度機(jī)制下執(zhí)行所述熱化學(xué)氣相沉積工藝。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于通過(guò)將羰基金屬前驅(qū)體(52、152)的蒸汽與CO氣體混合來(lái)增大以羰基金屬前驅(qū)體(52、152)形成的金屬層的沉積速率的方法(300)。該方法(300)包括在沉積系統(tǒng)(1、100)的處理室(10、110)中提供襯底(25、125)，形成包含羰基金屬前驅(qū)體蒸汽和CO氣體的處理氣體，以及將襯底(25、125、400、402)暴露于處理氣體以通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積工藝在襯底(25、125、400、402)上沉積金屬層(440、460)。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101124352SQ200580040103
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者以馬利·蓋德帝, 格利特·J·萊烏辛克, 桑德拉·G·馬爾霍特拉, 芬頓·R·麥克非, 鈴木健二 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社;國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司