DE69914092T2

DE69914092T2 - Herstellungsverfahren für ruthenium-metallschichten

Info

Publication number: DE69914092T2
Application number: DE69914092T
Authority: DE
Inventors: A. Brian VAARTSTRA; P. Eugene MARSH
Original assignee: Micron Technology Inc
Current assignee: Micron Technology Inc
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: AU5556399A; US6074945A; TW504521B; WO2000012777A1; EP1115900A1; JP2002523907A; KR100629029B1; MY121432A; ATE257522T1; EP1115900B1; KR20010079702A; DE69914092D1

Description

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Rutheniummetallfilmen unter Verwendung von chemischer Gasphasenabscheidung und flüssigen Rutheniumvorstufen.
Filme aus Metallen und Metalloxiden, insbesondere Rutheniumfilme und Oxide davon, werden für eine Vielzahl elektronischer und elektrochemischer Anwendungen wichtig. Beispielsweise haben RuO₂-Dünnschichten hoher Qualität, die auf Siliziumwafern abgeschieden wurden, in jüngster Zeit Interesse für die Verwendung in ferroelektrischen Speichern auf sich gezogen. Rutheniumfilme sind im Allgemeinen gegenüber Silizium- und Metalloxiden nicht reaktiv, beständig gegen die Diffusion von Sauerstoff und Silizium und sind gute Leiter. Oxide von Ruthenium besitzen diese Eigenschaften auch, wenn auch vielleicht in einem anderen Ausmaß.
Somit weisen Filme aus Ruthenium und Oxiden davon geeignete Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen in integrierten Schaltkreisen auf. Beispielsweise können sie in integrierten Schaltkreisen für elektrische Kontakte verwendet werden. Sie sind besonders geeignet zur Verwendung als Sperrschichten zwischen dem dielektrischen Material und dem Siliziumsubstrat in Speichervorrichtungen, wie ferroelektrischen Speichern. Außerdem können sie in Kondensatoren sogar als die Platte (d. h. Elektrode) selbst geeignet sein.
Es gibt eine breite Vielzahl von Rutheniumverbindungen, die als Vorstufen für die Herstellung solcher Filme verwendet werden können. Viele sind besonders zur Verwendung in chemischen Gasphasenabscheidungstechniken geeignet. Siehe beispielsweise U.S. Pat. Nr. 5,372,849 (McCormick et al.), das die Verwendung von Rutheniumverbindungen offenbart, die Carbonylliganden und andere Liganden enthalten. Jedoch bilden solche Verbindungen typischerweise Dimere, die weniger flüchtig sind und sich nicht so einfach in chemischen Gasphasenabscheidungstechniken verwenden lassen. Also besteht fortgesetzter Bedarf an Verfahren zur Herstellung von Rutheniummetallfilmen unter Verwendung von chemischen Gasphasenabscheidungstechniken.
In US-A-5,372,849 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Filmen, umfassend Fe, Ru oder Os, bereitgestellt, das die Techniken der chemischen Gasphasenabscheidung einsetzt, wobei ein Dampf, um eine metallorganische Verbindung der Formel (a): (CO)₄ML oder (b): M₂[μ- η:η⁴-C₄](CO)₆ zu zersetzen; wobei L ein Zweielektronendonorligand ist und jeder Rest R für H, Halogen, OH, Alkyl, Perfluoralkyl oder Aryl steht; so dass eine Beschichtung abgeschieden wird, umfassend eines oder mehrere der Metalle auf der Oberfläche eines Substrats.
In J. Physique IV, Bd. 5, Juni 1995, C5-489, wird der Stand der Technik in Forschung und Anwendung von Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung von Edelmetall- (Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Au) beschichtungen berücksichtigt. Die Systematisierung bekannter experimenteller Daten hinsichtlich Synthese, thermischen Eigenschaften und Sättigungsdampfdruck der flüchtigen Verbindungen der Edelmetalle mit organischen Liganden wird bereitgestellt. Die Verfahren der CVD von Edelmetallen wurden von den allgemeinen Anforderungen bis zu den Vorstufen analysiert. Es wird gezeigt, dass Edelmetallkomplexe mit Chelat- oder gemischten Liganden und insbesondere β-Diketonatderivate auf Grund ihrer thermischen Eigenschaften am besten zur Abscheidung von Edelmetalldickschichten geeignet sind.
US-A-5,130,172 beschreibt ein Verfahren zum Auftragen von Metall auf ein Substrat. Das Verfahren verwendet metallorganische Verbindungen, wie (Trimethyl)(cyclopentadienyl)platin in Gegenwart eines reduzierenden Fluids, wie Wasserstoffgas, wodurch hochreine Filme hergestellt werden, die selektiv auf Substraten, die beispielsweise Wolfram und Silizium enthalten, abgeschieden werden können. Die Filme werden unter Verwendung von chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder Gasphasenlaserabscheidung abgeschieden.
Die vorliegende Erfindung stellt Herstellungsverfahren für Rutheniummetallfilme bereit. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus;
Bereitstellen einer flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung, umfassend
eine oder mehrere Verbindungen der Formel (Formel I): (Dien)Ru(CO)₃ wobei: „Dien" sich auf geradkettige, verzweigte oder cyclische Diene, bicyclische Diene, tricyclische Diene, fluorierte Derivate davon, Derivate davon, die zusätzlich Heteroatome, wie Halogenid, Si, S, Se, P, As, N oder O, enthalten, oder Kombinationen davon bezieht;
Verdampfen der flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung, um eine
verdampfte, eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung zu bilden; und
Leiten der verdampften, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung auf das Halbleitersubstrat oder den -substrataufbau, um einen Rutheniummetallfilm auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus zu bilden.
Dieses Verfahren ist besonders nützlich bei komplexen Strukturen, wie solchen, die eine oder mehrere kleine Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis enthalten, die typischerweise eine ausgezeichnete Bedeckung der Stufen erfordern.
Zur Verwendung in den erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Komplexe der Formel I sind neutrale Komplexe und sind Flüssigkeiten bei einer Temperatur im Bereich von etwa 20 °C bis etwa 50°C. Sie können in Flashverdampfungs-, Einperl-, Mikrotröpfchenbildungstechniken usw. verwendet werden. Wie hier verwendet bezieht sich „Flüssigkeit" auf eine unverdünnte Flüssigkeit (eine Flüssigkeit bei Zimmertemperatur oder ein Feststoff bei Zimmertemperatur, der bei einer erhöhten Temperatur von bis zu etwa 50 °C schmilzt).
Die erfindungsgemäßen Verfahren sind besonders geeignet zur Erzeugung von Filmen auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus, wie ein Siliziumwafer, mit hoher Oberflächentopologie, wie darin erzeugte Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis, die bei der Erzeugung integrierter Schaltkreise verwendet werden. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf die Abscheidung auf Siliziumwafern begrenzt sind; vielmehr können auch andere Typen von Wafern (z. B. Galliumarsenidwafer usw.) verwendet werden. Ebenso können die erfindungsgemäßen Verfahren in der Silizium-auf-Isolator-Technologie verwendet werden. Außerdem können in den erfindungsgemäßen Verfahren andere Substrate als die Halbleitersubstrate oder -substrataufbauten verwendet werden. Diese schließen beispielsweise Fasern, Drähte usw. ein. Wenn das Substrat ein Halbleitersubstrat oder -substrataufbau ist, können die Filme direkt auf der untersten Halbleiteroberfläche des Substrats erzeugt werden oder sie können auf jeder aus einer Vielzahl der Schichten (d. h. Oberflächen), wie beispielsweise bei einem gemusterten Wafer, erzeugt werden. Somit bezieht sich der Begriff „Halbleitersubstrat" auf die Halbleitergrundschicht, z. B. die unterste Schicht von Siliziummaterial in einem Wafer oder eine Siliziumschicht, die auf einem anderen Material abgeschieden wurde, wie Silizium auf Saphir. Der Begriff „Halbleitersubstrataufbau" bezieht sich auf das Halbleitersubstrat mit einer oder mehreren darauf erzeugten Schichten oder Strukturen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, die vorzugsweise eine Oberfläche mit einer oder mehreren kleinen Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis darin aufweist, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus, das vorzugsweise eine Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C (stärker bevorzugt eine Temperatur von etwa 200°C bis etwa 250°C) aufweist und in einer Reaktionskammer mit einem Druck von etwa 10^–3 Torr (0,1 Pa) bis etwa 1 Atmosphäre (100 kPa) (stärker bevorzugt mit einem Druck von 0,1 Torr (10 Pa) bis etwa 10 Torr (1 kPa)) eingeschlossen ist;
Bereitstellen einer flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 20°C bis etwa 50°C (stärker bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 40°C bis etwa 50°C), wobei die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung eine oder mehrere Verbindungen der Formel I umfasst;
Verdampfen der flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung, um eine verdampfte, eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung zu bilden; und
Leiten der verdampften, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung auf das Halbleitersubstrat oder den -substrataufbau, um einen Rutheniummetallfilm auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus mit der einen oder mehreren kleinen Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis zu bilden.
1 ist ein Schema eines Beschichtungssystems zur chemischen Gasphasenabscheidung, das zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zur Erzeugung eines Rutheniummetallfilms unter Verwendung einer chemischen Gasphasenabscheidungstechnik und eines oder mehrerer flüssiger Rutheniumkomplexe bereit. Genauer gesagt zielt die vorliegende Erfindung auf Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem Rutheniummetallfilm darauf ab.
Die flüssigen Rutheniumkomplexe haben die folgende Formel (Formel I): (Dien)Ru(CO)₃ wobei: „Dien" sich auf geradkettige, verzweigte oder cyclische Diene, bicyclische Diene, tricyclische Diene, fluorierte Derivate davon, Derivate davon, die zusätzlich Heteroatome, wie Halogenid, Si, S, Se, P, As, N oder O, enthalten, oder Kombinationen davon bezieht. Vorzugsweise enthalten die Dienliganden etwa 5 bis etwa 8 Kohlenstoffatome und stärker bevorzugt etwa 6 bis etwa 7 Kohlenstoffatome. Diese Vorstufenkomplexe werden im U.S. Patent Nr. 6,063,705 (Vaartstra) beschrieben. Sie können gemäß den dort beschriebenen Verfahren oder gemäß den im U.S. Patent Nr. 5,962,716 (Uhlenbrock et al.) beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Komplexe der Formel I, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind neutrale Komplexe und sind Flüssigkeiten bei Zimmertemperatur oder sind Feststoffe bei Zimmertemperatur, die bei einer erhöhten Temperatur von bis zu etwa 50°C schmelzen. Diese Komplexe sind zur Verwendung in Techniken der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) geeignet, wie Flashverdampfungstechniken, Waschflaschentechniken und/oder Mikrotröpfchentechniken. Bevorzugte Ausführungsformen der hier beschriebenen Komplexe sind besonders für Niedertemperatur-CVD geeignet, z. B. Abscheidungstechniken, die Substrattemperaturen von etwa 100°C bis etwa 400°C umfassen.
Eine bevorzugte Klasse von Komplexen schließt diejenigen mit einem Dampfdruck von mehr als 13 Pa (0,1 Torr) bei 50°C ein. Beispiele für solche Verbindungen schließen (Cyclohexadien)Ru(CO)₃ und (Cycloheptadien)Ru(CO)₃ ein.
Die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung kann, falls gewünscht, in Gegenwart von einem oder mehreren Reaktionsgasen und/oder einem oder mehreren inerten Trägergasen verdampft werden, um einen Rutheniummetallfilm zu erzeugen. Jedoch sind weder Reaktionsgase noch Trägergase erforderlich, da die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung durch Erhitzen eines Gefäßes, das die Vorstufe enthält und das mit einer Abscheidungskammer verbunden ist, verdampft und durch Massetransport zu einem Substrat transportiert werden kann. Das inerte Trägergas wird typischerweise aus Stickstoff, Helium, Argon und Gemischen davon ausgewählt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist ein inertes Trägergas eines, das im Allgemeinen gegenüber den hier beschriebenen Komplexen nicht reaktiv ist und die Erzeugung eines Rutheniummetallfilms nicht beeinträchtigt. Das Reaktionsgas kann aus einer weiten Vielzahl von reduzierenden Gasen gewählt werden, die gegenüber den hier beschriebenen Komplexen mindestens an der Oberfläche unter den Bedingungen der chemischen Gasphasenabscheidung reaktiv sind. Beispiele für reduzierende Gase schließen H₂ und NH₃ ein. Verschiedene Kombinationen der optionalen Reaktionsgase und optionalen Trägergase können in den erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, um Filme zu erzeugen.
Erfindungsgemäße Verfahren sind besonders geeignet zur Erzeugung hochreiner Rutheniummetallfilme (vorzugsweise mindestens etwa 95 Atom-% rein, basierend auf Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Auger-Spektroskopie oder anderen Verfahren) auf einer Vielzahl von Substraten, wie ein Halbleiterwafer (z. B. Siliziumwafer, Galliumarsenidwafer usw.), Glasplatte usw., und auf einer Vielzahl von Oberflächen auf den Substraten, sei es direkt auf dem Substrat selbst oder auf einer Schicht aus auf dem Substrat abgeschiedenem Material, wie bei einem Halbleitersubstrataufbau. Erfindungsgemäße Verfahren sind besonders nützlich zur Abscheidung hochreiner Rutheniummetallfilme auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus, wie ein Siliziumwafer, mit einer hohen Oberflächentopologie, wie eine Oberfläche (z. B. einer Isolationsschicht) mit darin erzeugten Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis (d. h. Lücken). Kleine Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis weisen typischerweise Merkmalsgrößen oder kritische Dimensionen unter etwa 1 μm (z. B. beträgt der Durchmesser oder die Breite einer Öffnung weniger als etwa 1 μm) und noch typischer von etwa 0,3 μm bis etwa 1 μm und Seitenverhältnisse von mehr als etwa 1 auf. Solche Seitenverhältnisse betreffen für Kontaktlöcher, Vias, Gräben und eine Vielzahl weiterer Konfigurationen. Beispielsweise weist ein Graben mit einer Öffnung von 1 μm und einer Tiefe von 3 μm ein Seitenverhältnis von 3 auf. Auf Grund der Verwendung von CVD-Verfahren zur Erzeugung von konformen Rutheniummetalldiffusionssperrschichten über Stufenstrukturen ist die vorliegende Erfindung ist besonders günstig zur Erzeugung von Diffusionssperrschichten in kleinen Merkmalen mit hohem Seitenverhältnis. Typischerweise kann unter Verwendung erfindungsgemäßer Verfahren eine Bedeckung der Stufen von mehr als etwa 80% erzielt werden. Dies bezieht sich auf das Verhältnis der Dicke der Schicht, die an der unteren Oberfläche abgeschieden wurde, zu der an der oberen Oberfläche.
Der Rutheniummetallfilm wird bei der Zersetzung (typischerweise thermische Zersetzung) eines oder mehrerer Komplexe der Formel I abgeschieden. Erfindungsgemäße Verfahren können verschiedene Gasphasenabscheidungstechniken einsetzen, wie Flashverdampfung, Einperlen usw., gegebenenfalls photo- oder plasma-unterstützt (auch wenn photo- und plasma-unterstützte Abscheidungen typischerweise keine gute Stufenbedeckung ergeben). Beispiele für geeignete CVD-Verfahren werden beispielsweise allgemein im U.S. Patent Nr. 6,063,705 (Vaartstra) ebenso wie im U.S. Patent Nr. 5,372,849 (McCormick et al.) erläutert.
Ein typisches System zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, wird in 1 gezeigt. Das System schließt eine geschlossene chemische Gasphasenabscheidungskammer 10 ein, die ein CVD-Reaktor vom Kaltwand-Typ sein kann. Unter Verwendung der Turbopumpe 12 und Vorpumpe 14 kann in Kammer 10 verminderter Druck erzeugt werden. Vorzugsweise beträgt der Kammerdruck während der Abscheidung etwa 0,1 Pa (10^–3 Torr) bis etwa Normaldruck und am stärksten bevorzugt beträgt er etwa 13 Pa (0,1 Torr) bis etwa 1,3 kPa (10 Torr). Der Druck wird so gewählt, dass er gute Bedeckung der Stufen und Abscheidungsgeschwindigkeiten ergibt.
Eines oder mehrere Substrate 16 (z. B. Halbleitersubstrate oder -substrataufbauten) werden in Kammer 10 plaziert. Für das Substrat wird eine konstante nominelle Temperatur eingestellt, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C. Für optimale Bedeckung der Stufen, Abscheidungsgeschwindigkeit und Filmerzeugung beträgt die am stärksten bevorzugte Substrattemperatur etwa 200°C bis etwa 250°C. Substrat 16 kann erhitzt werden, beispielsweise mit einer elektrischen Widerstandsheizung 18, auf der Substrat 16 montiert ist. Andere bekannte Verfahren zum Erhitzen des Substrats können auch eingesetzt werden. Bei plasma- und photo-unterstützten CVD-Verfahren kann jedoch die Temperatur des Substrats beträchtlich geringer sein.
Bei diesem Verfahren wird die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung 40, die einen oder mehrere Komplexe der Formel I enthält, in flüssiger Form (eine unverdünnte Flüssigkeit bei Zimmertemperatur oder bei erhöhter Temperatur, wenn bei Zimmertemperatur fest) in Gefäß 42 gelagert. Die Temperatur der flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung beträgt vorzugsweise etwa 20°C bis etwa 50°C und stärker bevorzugt etwa 40°C bis etwa 50°C. Der Druck im Gefäß 42 ist typischerweise dem in Kammer 10 vergleichbar. Eine Quelle 44 eines geeigneten inerten Gases wird in Gefäß 42 gepumpt und durch die unverdünnte Flüssigkeit (d. h. ohne Lösungsmittel) geperlt, wobei es die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung mitnimmt und sie in Kammer 10 durch Leitung 45 und Gasverteiler 46 trägt. Zusätzliches inertes Trägergas oder Reaktionsgas kann aus Quelle 48, wie erforderlich, zugeführt werden, um die gewünschte Konzentration der eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung bereitzustellen und die Einheitlichkeit der Abscheidung auf der Oberfläche von Substrat 16 zu regulieren. Wie gezeigt, werden die Ventile 50–55, wie erforderlich, geöffnet und geschlossen. Die Reaktions- und optionalen Trägergase können, falls gewünscht, vorerwärmt werden.
Im Allgemeinen wird die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung mit einer Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases von etwa 10 sccm (Standardkubikzentimeter) bis etwa 500 sccm und vorzugsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 100 sccm bis etwa 400 sccm in die CVD-Kammer 10 getragen. Falls gewünscht, wird ein Reaktionsgas (vorzugsweise ein reduzierendes Gas) typischerweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 10 sccm bis etwa 1000 sccm und vorzugsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 50 sccm bis etwa 500 sccm in die CVD-Kammer 10 getragen. Das Halbleitersubstrat wird der eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung bei einem Druck von etwa 0,1 Torr (10 Pa) bis etwa 10 Torr (1 kPa) in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke etwa 10 Sekunden bis etwa 30 Minuten ausgesetzt. In Kammer 10 erzeugt die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung eine adsorbierte Schicht auf der Oberfläche des Substrats 16. Da die Abscheidungsgeschwindigkeit temperaturabhängig ist, erhöht typischerweise eine Erhöhung der Temperatur des Substrats die Geschwindigkeit der Abscheidung. Wenn jedoch Bedeckung der Stufen erforderlich ist, können höhere Temperaturen schädlich werden. Also wird eine Substrattemperatur so gewählt, dass diese zwei Eigenschaften gegeneinander abgewogen werden. Typischerweise liegen erwünschte Abscheidungsgeschwindigkeiten bei etwa 10 nm/min bis etwa 100 nm/min (etwa 100 Å/min bis etwa 1000 Å/min). Das Trägergas, das die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung enthält, wird gestoppt, indem Ventil 53 geschlossen wird.
Alternativen zu diesen Verfahren schließen einen Ansatz ein, bei dem die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung erhitzt wird und Dämpfe abgezogen werden und über einen Dampfmasseflussregler geregelt werden, und ein gepulstes Flüssigkeitsinjektionsverfahren, wie in „Metalorganic Chemical Vapor Deposition By Pulsed Liquid Injection Using An Ultrasonic Nozzle: Titanium Dioxide on Sapphire from Titanium (IV) Isopropoxide", von Versteeg et al., Journal of the American Ceramic Society 78 (1995), 2763–2768, beschrieben. Die Komplexe der Formel I sind auch besonders zur Verwendung mit Gasphasenabscheidungssystemen geeignet, wie in US-A-6,244,575 (Vaartstra et al.) beschrieben. Im Allgemeinen umfasst ein dort beschriebenes Verfahren die Verdampfung einer eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung in flüssiger Form. In einer ersten Stufe wird die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung zerstäubt oder vernebelt, wobei Mikrotröpfchen oder Nebel mit großer Oberfläche erzeugt werden. In einer zweiten Stufe werden die Bestandteile der Mikrotröpfchen oder des Nebels durch innige Vermischung mit dem erhitzten Trägergas verdampft. Dieser zweistufige Verdampfungsansatz stellt eine reproduzierbare Abgabe für eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzungen (entweder in Form einer unverdünnten Flüssigkeit oder eines in einem flüssigen Medium gelösten Feststoffs) bereit und sorgt für vernünftige Abscheidungsgeschwindigkeiten, insbesondere in Geräteanwendungen mit kleinen Dimensionen.
Verschiedene Kombinationen von Trägergasen und/oder Reaktionsgasen können bei bestimmten erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Sie können auf zahlreiche Arten in die chemische Gasphasenabscheidungskammer eingeführt werden, wie direkt in die Verdampfungskammer oder in Kombination mit der eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung.
Auch wenn spezifische Gasphasenabscheidungsverfahren unter Bezug auf 1 beschrieben werden, sind die erfindungsgemäßen Verfahren nicht darauf begrenzt, mit den gezeigten, spezifischen Gasphasenabscheidungssystemen verwendet zu werden. Verschiedene CVD-Verfahrenskammern oder -Reaktionskammern können verwendet werden, einschließlich Heißwand- oder Kaltwandreaktoren, Normal- oder Unterdruckreaktoren ebenso wie plasma-verstärkte Reaktoren. Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf spezifische Gasphasenabscheidungstechniken begrenzt.
Nach der Abscheidung kann der Film weiter zur Verdichtung geglüht werden, falls gewünscht. Dies kann in der CVD-Reaktionskammer geschehen oder nicht. Zur Kristallisation und/oder Verdichtung eines Films wird das Glühverfahren vorzugsweise in einem inerten Gas durchgeführt, wie vorstehend für die Trägergase beschrieben. Vorzugsweise beträgt der Druck bei diesem Nachglühverfahren etwa 0,5 Torr (65 Pa) bis etwa 5 atm (500 kPa). Vorzugsweise beträgt die Substrattemperatur bei diesem Nachglühverfahren etwa 300°C bis etwa 1000°C und stärker bevorzugt etwa 500°C bis etwa 800°C.
Die Verwendung der Komplexe und Verfahren zur Erzeugung von Filmen der vorliegenden Erfindung ist für eine weite Vielzahl von Dünnschichtanwendungen bei Halbleiterstrukturen günstig, insbesondere diejenigen, die Diffusionssperren erfordern (z. B. Sperren für andere Metalle oder Sperren für die Oxidation von Si, TiN, Ti, Al und Cu). Beispielsweise schließen solche Anwendungen Kondensatoren und Metallisierungsschichten ein, wie Mehrschichtverbindungen in einer integrierten Schaltkreisstruktur. Solche Strukturen werden beispielsweise in der PCT internationalen Veröffentlichung Nr. WO 00/13215 beschrieben.
Die folgenden Beispiele werden angegeben, um die verschiedenen spezifischen und bevorzugten Ausführungsformen und Techniken weiter zu veranschaulichen. Es versteht sich jedoch, dass viele Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, während man innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung bleibt.
BEISPIELE
Rutheniumfilmabscheidung unter Verwendung von (C₆H₈)Ru(CO)₃
Die blassgelbe Vorstufe (C₆H₈)Ru(CO)₃ wurde in einen Waschflasche gegeben, die mit einem Tauchrohr und einem Auslassventil ausgerüstet war. Die Waschflasche wurde mit einem CVD-Reaktor verbunden. Die Waschflasche wurde ferner mit Heliumträgergas verbunden, das durch einen Masseflussregler in den Tauchrohrstutzen der Waschflasche eingeleitet wurde. Die Waschflasche wurde auf etwa 40°C erhitzt und alle stromabwärts gelegenen Verbindungen zur Kammer wurden auf etwa 50°C bis etwa 60°C erhitzt. Ein Siliziumwafer mit einer Schicht aus BPSG darauf (in die Kontaktlöcher unterschiedlicher Größen geätzt waren) wurde auf eine erhitzte Spannbacke im CVD-Reaktor plaziert. Die Rutheniumabscheidung wurde durchgeführt, indem der Wafer auf 200°C (gemessen mit einem Thermoelement, das auf der Oberfläche des Wafers plaziert war) erhitzt und ein Kammerdruck von 3 Torr (0,4 kPa) unter Verwendung eines Heliumträgergasflusses von 25 sccm und eines zusätzlichen Flusses von Stickstoff (getrennt an die Vorstufenabgabeleitung angeschlossen) von 50 sccm eingestellt wurde. Der Heliumträgergasfluss wurde 2,5 Minuten durch die Vorstufenwaschflasche umgeleitet, so dass sich ein Film ergab, dessen Dicke später an SEM-Mikrographien zu 80 nm (800 Å) gemessen wurde. Dies entspricht einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 32 nm/min (320 Å/min). Der Film war hochgradig reflektiv und bestand aus hochreinem Ruthenium (wie durch XPS an Schutzfilmen bestimmt). Röntgendiffraktometrie zeigte, dass die Filme polykristallines Ruthenium waren, und SEM-Mikrographien zeigten eine mehr als 80%ige Bedeckung der Stufen in Löchern, die nominell einen Durchmesser von 0,3 μm bis 1,0 μm und eine Tiefe von 2,5 μm hatten.
Die vorstehende ausführliche Beschreibung und die Beispiele wurden lediglich zur Klarheit des Verständnisses angegeben. Daraus lassen sich keine unnötigen Begrenzungen ableiten. Die Erfindung ist nicht auf die genauen aufgeführten und beschriebenen Einzelheiten begrenzt, denn für den Fachmann offensichtliche Veränderungen sind in der Erfindung, die durch die Ansprüche definiert ist, eingeschlossen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus; Bereitstellen einer flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung, umfassend eine oder mehrere Verbindungen der Formel (Formel I): (Dien)Ru(CO)₃ wobei „Dien" sich auf geradkettige, verzweigte oder cyclische Diene, bicyclische Diene, tricyclische Diene, Derivate davon, umfassend Halogenid-, Si-, S-, Se-, P-, As-, N- oder O-Heteroatome oder Kombinationen der Heteroatome bezieht; Verdampfen der flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung, um eine verdampfte, eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung zu bilden; und Leiten der verdampften, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung auf das Halbleitersubstrat oder den -substrataufbau, um einen Rutheniummetallfilm auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Substrats oder des Substrataufbaus etwa 150°C bis etwa 350°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Substrats oder des Substrataufbaus etwa 200°C bis etwa 250°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Substrat oder der Substrataufbau in einer Reaktionskammer mit einem Druck von etwa 10^–3 Torr (0,1 Pa) bis etwa 1 Atmosphäre (100 kPa) eingeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Substrat oder der Substrataufbau in einer Reaktionskammer mit einem Druck von etwa 0,1 Torr (10 Pa) bis etwa 10 Torr (1 kPa) eingeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat oder der Substrataufbau in einer Reaktionskammer mit einem Druck von etwa 0,1 Torr (10 Pa) bis etwa 10 Torr (1 kPa) eingeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verdampfens der flüssigen Vorstufe den Gebrauch einer chemischen Dampfauftragungstechnik, ausgewählt aus Flashverdampfung, Blasenbildung, Mikrotröpfchenbildung und Kombinationen davon, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat oder der -substrataufbau einen Siliciumwafer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung in Gegenwart von mindestens einem Trägergas verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung in Gegenwart von mindestens einem reduzierenden Gas verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung in Gegenwart von einem reduzierenden Gas, ausgewählt aus H₂, NH₃ und Kombinationen davon, verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat oder der -substrataufbau eine Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C aufweist und in einer Reaktionskammer mit einem Druck von etwa 10^–3 Torr (0,1 Pa) bis etwa 1 Atmosphäre (100 kPa) eingeschlossen ist; und wobei des weiteren die flüssige, eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung eine Temperatur von etwa 20°C bis etwa 50°C aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das Verfahren des Weiteren Glühen des Rutheniummetallfilms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Glühschritt bei einer Temperatur von etwa 300 °C bis etwa 1000°C ausgeführt wird.
Verfahren zur Bildung eines Rutheniumfilms auf einem Substrat, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats; Bereitstellen einer flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung, umfassend eine oder mehrere Verbindungen der Formel (Formel I): (Dien)Ru(CO)₃ wobei „Dien" sich auf geradkettige, verzweigte oder cyclische Diene, bicyclische Diene, tricyclische Diene, Derivate davon, umfassend Halogenid-, Si-, S-, Se-, P-, As-, N- oder O-Heteroatome oder Kombinationen der Heteroatome, bezieht; Verdampfen der flüssigen, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung, um eine verdampfte, eine Vorstufe enthaltende Zusammensetzung zu bilden; und Leiten der verdampften, eine Vorstufe enthaltenden Zusammensetzung auf das Substrat, um einen Rutheniummetallfilm auf einer Oberfläche des Substrats zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 12, wobei das Halbleitersubstrat oder der -substrataufbau eine Oberfläche mit einer oder mehreren kleinen Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis umfasst, wobei ein Rutheniummetallfilm auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -substrataufbaus mit einer oder mehreren kleinen Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis gebildet wird.