JP2010504424A - ルテニウム含有膜の堆積方法 - Google Patents

ルテニウム含有膜の堆積方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、
(R−chd)Ru(CO)
の化学式を持つルテニウム含有前駆体の使用方法であって、(ここで
−(R−chd)は、n個の置換基Rで置換され、任意のRがchd配位子の任意の位置に存在する1つのシクロヘキサジエン(chd)配位子を表し、
−nは1〜8(1≦n≦8)の整数であって、chd配位子上の置換基の数を表し、
−chd配位子上の8つの利用できる位置のうちいずれかに配置されるRに関してRはC1−C4の直鎖または分枝アルキル、アルキルアミド、アルコキシド、アルキルシリルアミド、アミド化物、カルボニルおよび/またはフルオロアルキルからなる群から選択されるが、二重結合に関係しないchd環内のC位置への置換に関してRは酸素Oでもよい)
基板上にRu含有膜を堆積するための使用方法にも関する。

Description

背景
ルテニウム(Ru)は、次の時代に多くの応用のために工業的半導体製造プロセスへの導入が期待されている。チップ製造のために新たな材料の使用に向かうこの動きは、産業に課された継続的なスケーリング動向によって生み出される問題を解決する必要がある。次世代に関しては、RuはFeRAMおよびDRAM応用のための電極キャパシタの最良の候補と考えられている。Ruは、高融点、低比抵抗、高酸化耐性および十分な仕事関数のような要求特性を有し、これをCMOSトランジスタのの可能性のあるゲート電極材料にしている。Ruは、イリジウムおよびプラチナと比較してその低い比抵抗、ならびにドライエッチングが容易なことに起因する利点を持つ。加えて、RuOは高い導電性を持つので、強誘電体膜(PZT、SBT、BLT、他)から生じうる酸素拡散による酸化ルテニウムの生成は、より絶縁性であることが知られている他の金属酸化物よりも、電子特性への影響が小さい。
Ruは銅の裏打ち材料として有望なBEOLプロセスの候補物質でもある。単一のRu膜はTa、Ta(Si)N、およびCuシード層と置き換わるであろう。Ruプロセス2工程のTa/Ta(Si)Nプロセスを1工程に置き換える。
多種類のRuのCVD前駆体が利用可能であって、多くが研究されている。しかしながら、今日利用可能な前駆体は非常に低い蒸気圧を持つ(すなわち、Ru(EtCp)について73℃で0.1Torr)。これら既知の前駆体から得られるRu膜は、かなりの量の炭素および酸素の不純物を含む。C不純物は前駆体材料から生じると思われる。O不純物は共反応ガス(O)から生じる。Ru膜は粘着性、均一性に乏しく特徴的に長いインキュベーション時間を持つことが、T.Shibutani et al,Tosoh R&D Review,47,2003から知られている。
トリカルボニル(1,3−シクロヘキサジエン)Ru前駆体のようなRu前駆体を使用して粗い酸化ルテニウム層を堆積させることは、例えばUS−B−6,897,160により知られており、前記特定の前駆体(前記特許の例4を参照のこと)は室温(およそ25℃)でバブラーリザーバー内に保持され、ヘリウムがそれを通してバブリングされる。
しかしながら、同じ譲受人に対するUS−A−6,517,616に記載されているように、このようなRu(CO)(1,3−シクロヘキサジエン)生成物は、室温では液体でなく(35℃で融解する)、溶媒にこのような前駆体を溶解し、前駆体と溶媒の液体溶液を得て、それを通して溶媒にヘリウムのような不活性ガスをバブリングすることが必要である(US−B−6,517,616は、溶媒中のルテニウム前駆体溶液を非常に詳細に開示している。US−B−5,962,716も参照のこと)。
Ru(CO)(1,3−シクロヘキサジエン)は論文Y.W.Song et al.,ECS transactions,2(4),1−11,2006にも開示されており、35℃の融点を持つその常温下での固体性質を含んでいる。
CO分子を含有する全ての既知のRuの前駆体は、それらの融点が高いという本質的に同じ欠点を持っている。このような固体生成物は、直接気化を通じて、またはそれを通して不活性ガスをバブリングさせることによってのいずれかによりリアクター内に運ぶことができる液体生成物を扱うために溶媒の使用を必要とする。
しかしながら通常、溶媒の使用は溶媒微粒子のリアクターへの侵入、および堆積された膜への望ましくない不純物の取り込みに起因して、蒸着プロセスに悪影響を持つとみられている。さらに通常は、使用される溶媒は有毒および/または可燃性であって、それらの使用は多くの制約(安全面、環境問題)をもたらす。さらに、20℃より高い融点を持つ前駆体の使用は(および、0℃を上回る融点を持つものでさえ)、蒸着プロセスの間(輸送ラインを加熱して、望ましくない箇所での前駆体の凝集を避ける)および輸送の間に多くのさらなる制約を伴う。
既知のCO含有前駆体の反応性は、今日ALD堆積レジームに到達できていない。ルテニウム膜はCVDによって堆積されるのみであり、論文の中には、ALDモードではRu(CO)(1,3−シクロヘキサジエン)前駆体を使えないとさえ概説するものもある。
詳細な説明
室温で液体状態であり、より好ましくは0℃を上回る温度で液体状態であって、溶媒の添加無しに純液体として調製することができ、前駆体とともに使用した共反応物に依存した純ルテニウム膜およびルテニウム含有膜の堆積を可能にし、結果として生じる膜が検出可能なインキュベーション時間無しで堆積され、そのために純ルテニウム堆積および他のルテニウム含有膜(例としてRuO)の堆積のためのALDレジームを得ることができるルテニウム前駆体を提供することが目的である。
したがって、基板上へのルテニウム含有膜の堆積方法であって、
a)リアクター内に少なくとも1つの基板を設ける工程と、
b)前記リアクター内に、
(R−chd)Ru(CO)
の化学式を持った少なくとも1つのルテニウム含有前駆体を導入する工程と(ここで、
−(R−chd)は、n個の置換基Rで置換され、任意のRがchd配位子の任意の位置に存在する1つのシクロヘキサジエン(chd)配位子を表し、
−nは1〜8(1≦n≦8)の整数であって、chd配位子上の置換基の数を表し、
−chd配位子上の8つの利用できる位置のうちいずれかに配置されるRに関してRはC1−C4の直鎖または分枝アルキル、アルキルアミド、アルコキシド、アルキルシリルアミド、アミド化物、カルボニルおよび/またはフルオロアルキルからなる群から選択されるが、二重結合に関係しないchd環内のC位置への置換に関してRは酸素Oでもよく、、
−chd配位子上の未置換位はH分子で占有されている)、
−c)前記少なくとも1つのルテニウム含有前駆体を100℃を上回る温度条件下で分解する工程と、
−d)前記少なくとも1つの基板上に前記ルテニウム含有膜を堆積する工程と
を含む方法が提供される。
好ましくは、少なくとも1つのR置換基が二重結合に関係している配位子の炭素原子上、より好ましくは他の炭素原子を持つ二重結合に位置する。
好ましい実施形態によれば、n=1であり、RはC1−C4アルキル基であって、好ましくはRはメチル基またはエチル基である。
他の実施形態によれば、ルテニウム前駆体の化学式は、Ru(CO)(1−Me 1,4−chd)すなわち、(1−メチルシクロヘキサ 1,4−ジエン)トリカルボニルルテニウムである。
さらなる実施形態によれば、好ましくは二重結合に関係しないchd配位子の炭素上に少なくとも1つのRが存在する。
好ましくは、温度条件が100〜500℃、より好ましくは150〜350℃の範囲から選択される。
リアクター内の圧力は、好ましくは1〜10Pa、より好ましくは25〜10Paに維持されるだろう。
本発明の方法は、さらに少なくとも1つの還元流体をリアクター内に供給する工程を含んでもよく、前記還元流体は好ましくはH、NH、SiH、Si、Si、水素含有流体およびそれらの混合物からなる群より選択される。
本発明の方法は、さらに少なくとも1つの酸素を含有する流体をリアクター内に供給する工程を含んでもよく、好ましくはO、O、HO、H、O・またはOH・のような酸素含有ラジカルおよびそれらの混合物からなる群より選択される。
本発明は、
(R−chd)Ru(CO)
の化学式を持つルテニウム含有前駆体の使用方法であって、(ここで、
−(R−chd)は、n個の置換基Rで置換され、任意のRがchd配位子の任意の位置に存在する1つのシクロヘキサジエン(chd)配位子を表し、
−nは1〜8(1≦n≦8)の整数であって、chd配位子上の置換基の数を表し、
−chd配位子上の8つの利用できる位置のうちいずれかに配置されるRに関してRはC1−C4の直鎖または分枝アルキル、アルキルアミド、アルコキシド、アルキルシリルアミド、アミド化物、カルボニルおよび/またはフルオロアルキルからなる群から選択されるが、二重結合に関係しないchd環内のC位置への置換に関してRは酸素Oでもよい)
基板上にRu含有膜を堆積するための使用方法にも関する。
好ましくはn=1であり、RはC1−C4アルキルであって、好ましくはメチルまたはエチルであるが、R置換基は二重C結合を持った配位子の炭素原子上に位置する。
1つの実施形態によれば、ルテニウム前駆体の化学式は、Ru(CO)(1−Me 1,4−chd)すなわち、(1−メチルシクロヘキサ 1,4−ジエン)トリカルボニルルテニウムであって、そのための配位子の分布は、シクロヘキサジエンの配置とともに立体障害および電子相互作用の減少を最適化し、したがって融点を下げる。
他の実施形態によれば、nは1より大きく、RはC1−C4アルキル、好ましくはメチルおよび/またはエチルであるが、二重結合を持たないchd配位子の炭素上に少なくとも1つのRが存在する。
シクロヘキサジエン配位子の分子構造は、例えば1,3−シクロヘキサジエンまたは1,4−シクロヘキサジエンのような存在する全ての可能性の中から自由に選択される。
本発明によれば、好ましくは還元剤はH、NH、SiH、Si、Si、水素含有ラジカルからなる群より選択されるであろう。酸素含有流体は好ましくはO、O、HO、H、O・またはOH・のような酸素含有ラジカルおよびそれらの混合物からなる群より選択されるであろう。
本発明の方法を実行するために、圧力は1〜10Pa、好ましくは25〜10Paの範囲に含まれるであろう。
本発明によれば、種々の反応物を同時に(化学気相成長)、逐次に(原子層堆積)またはたそれらの様々な組み合わせのいずれかでリアクター内に導入することができる。他の例は、水素含有および/または酸素含有流体を連続的に導入すること、ならびにパルスによって(パルス化学気相成長)少なくとも金属ソースを導入することである。
したがって、ここで先に工程b)において定義されたルテニウム含有前駆体は通常は液体であって、換言すれば20℃を下回る融点を持ち、より好ましくは0℃を下回る融点を持つであろう。
他の実施形態によれば、金属含有前駆体は、Ru(CO)(1−メチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(2−メチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(5−メチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(1−エチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(2−エチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(5−エチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(1−プロピル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(2−プロピル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(5−プロピル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(1−ブチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(2−ブチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(5−ブチル−1,3−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(1−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(3−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(1−エチル−1,4−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(3−エチル−1,4−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(1−プロピル−1,4−シクロヘキサジエン)、Ru(CO)(3−プロピル−1,4−シクロヘキサジエン)、およびそれらの混合物からなる群より選択される。
他の実施形態によれば、基板上に堆積された金属含有膜は金属膜または金属酸化物膜であろう。
本発明の例は、図面とともに開示されるだろう。

ここで開示された前駆体は、通常、室温で液体であって、それらの融点は20℃を下回ることを意味する(製造工場での設定温度)。それらは0℃を下回る温度で液体であることがより好ましい。
Ru(CO)(1−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)は、20℃で液体の淡黄色の前駆体である。
この前駆体を次に、10℃に設定された冷蔵庫に入れ、これらの条件で2、3週間保存した。Ru(CO)(1−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)はこの低温環境においてもいまだ液体であった。
この前駆体を次に、−50℃に保たれたバスに数時間入れた。それは依然として液体であったが、その粘性は増大した。比較実験として、水は同じ条件で3分未満で凍結した。
この発明において記載した前駆体は非常に低い融点を持つ液体であり、このことは、溶媒の追加無しでこれらの前駆体を使用することを可能にする。
純ルテニウム膜の堆積
純ルテニウム膜を、Ru(CO)(1−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)を使用して250℃を超える温度から堆積させた。液体前駆体をバブラー内に保存し、バブリング法によって高温壁リアクターに供給した。不活性ガス(この場合はヘリウム)をキャリアガスとして、ならびに希釈の目的で使用した。試験は共反応物として水素とともに、および水素無しでなされた。
CVDレジームで堆積された膜の堆積特性を図3に示す。リアクター内の0.5Torrの圧力で250℃から出発した温度で膜を堆積し、堆積速度は350℃でプラトーに達した。図3は、堆積温度の関数としての、酸化シリコン基板上へのルテニウム膜の堆積速度を示す。酸化シリコンは現在の技術水準の酸化物材料(ゲート誘電体、キャパシタ、等)として選択した。金属電極(MIM、DRAM、ゲート電極、等)として使用されるルテニウム膜の堆積のためのここで開示したルテニウム前駆体の使用を有効にするためである。
図4は、シリコン基板上に堆積されたhigh−kゲート材料上にゲート電極を構築するためにこのような条件で蒸着されたルテニウム膜を示す(図4にはドレインおよびソースを示していない)。
得られた結果は図5に開示され、2つのレジームが明らかに現れる。CVDモードの堆積を特定する反応速度制限レジーム(250〜350℃)、および輸送制限レジーム(350℃超)。
ルテニウム膜内の種々の元素の濃度をオージェ分光器によって分析した。図5に見られるように、純ルテニウム膜が熱二酸化ケイ素層上(先述したのと同じ理由で選択された)に堆積されていた。ルテニウム膜内の酸素濃度は、AESの検出限界未満であった。炭素の濃度を、スパッタリング法によって得られた膜および我々の技術からなる分析のRu−MNN(Ru1)、Ru−LMM(Ru2)およびC−KLL(C)のピーク強度を比較することによって決定した。炭素含有量は0.5%未満であった。膜の純度は水素を使用してもしなくても殆ど同じであった。
インキュベーション時間
先述の実験条件においてなされた堆積を、SiOおよびTaNのような異なる基板上で60分に及ぶ継続時間で実施した。膜を先述したのと同じ理由で酸化シリコン基板上に堆積した。ルテニウムは図6で例示したようなバックエンド・オブ・ライン用途における同時のバリア層かつグルー層として、または窒化物材料上の電極層として使用される。
図6に示すように、TaNをlow−k材料上に堆積してもよく、その上にRuを堆積し、次にカッパー層を堆積する。
Ru層は2つの異なる層の堆積を避ける。すなわち、一方はTaで、他方はCuシード層である。
図7に図示したように、どの基板でもy切片およびx切片が0に等しい線形挙動が観察される。これらの実験から、全く無いか、それほど長くはないインキュベーション時間が観察されると結論付けることができる。
原子層堆積
この前駆体Ru(CO)(1−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)などは、適当な共反応物を使用した低温(150〜250℃)でのルテニウムおよび酸化ルテニウム膜の原子層堆積に好適である。共反応物が分子水素および原子状水素、ならびにアンモニアおよび関連するラジカルNH、NH、およびオキシダントの場合にはALDが可能であることがわかっている。
酸化ルテニウム膜の堆積
酸化ルテニウム膜を、ルテニウム前駆体および酸素含有流体を成膜炉内で反応させることによって堆積した。この特定の場合、酸素含有流体は酸素であった。
図1aは、舟形位置にある1,3−シクロヘキサジエン配位子を示す(正面および側面)。 図1bは、舟形位置にある1,4−シクロヘキサジエン配位子を示す(正面および側面)。 図2は、Ru(CO)(1−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)の化学構造式を示す。 図3は、堆積温度に対するCVDモードにおけるルテニウム膜の堆積速度を示す。 図4は、ゲート電極として使用したルテニウムフィルムを示す。 図5は、SiO/Si基板上にRu(CO)(1−メチル−1,4−シクロヘキサジエン)によって堆積されたルテニウム膜の、オージェ(Auger)によって測定された深さ方向プロファイルを示す。 図6は、基板上への多層堆積を示す(先行技術v.s.本発明)。 図7は、堆積時間に対するSiOおよびTaNの評価厚を示す。

Claims (16)

  1. 基板上へのルテニウム含有膜の堆積方法であって、
    a)リアクター内に少なくとも1つの基板を設ける工程と、
    b)前記リアクター内に、
    (R−chd)Ru(CO)
    の化学式を持った少なくとも1つのルテニウム含有前駆体を導入する工程と(ここで、
    (R−chd)はn個の置換基Rで置換され、任意のRがchd配位子の任意の位置に存在する1つのシクロヘキサジエン(chd)配位子を表し、
    −nは1〜8(1≦n≦8)の整数であって、chd配位子上の置換基の数を表し、
    −chd配位子上の8つの利用できる位置のうちいずれかに配置されるRに関してRはC1−C4の直鎖または分枝アルキル、アルキルアミド、アルコキシド、アルキルシリルアミド、アミド化物、カルボニルおよび/またはフルオロアルキルからなる群から選択されるが、二重結合に関係しないchd環内のC位置への置換に関してRは酸素Oでもよく、
    −chd配位子の未置換位はH分子で占有されている)、
    −c)前記少なくとも1つのルテニウム含有前駆体を100℃を上回る温度条件下で分解する工程と、
    −d)前記基板上に前記金属含有膜を堆積する工程と
    を含む方法。
  2. 請求項1による方法であって、n=1であり、RはC1−C4アルキルであって、好ましくはRはメチルまたはエチルである方法。
  3. 請求項1または2による方法であって、少なくとも1つの置換基Rが二重C結合を持つ配位子の炭素原子上に位置する方法。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項による方法であって、ルテニウム前駆体の化学式が1−メチルシクロヘキサ 1,4−ジエンである方法。
  5. 請求項1による方法であって、nが1より大きく、RがC1−C4アルキルであり、好ましくはメチルおよび/またはエチルである方法。
  6. 請求項5による方法であって、二重結合を持たないchd配位子の炭素上に少なくとも1つのRが存在する方法。
  7. 請求項1ないし6のいずれか1項による方法であって、温度条件が100〜500℃、好ましくは150〜350℃の範囲から選択される方法。
  8. 請求項1ないし7のいずれか1項による方法であって、リアクター内の圧力が1〜10Pa、好ましくは25〜10Paに維持される方法。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項による方法であって、さらに少なくとも1つの還元流体をリアクター内に供給する工程を含み、前記還元流体は好ましくはH、NH、SiH、Si、Si、水素含有流体、水素ラジカルおよびそれらの混合物からなる群より選択される方法。
  10. 請求項1ないし9のいずれか1項による方法であって、さらに少なくとも1つの酸素含有流体をリアクター内に供給する工程を含み、好ましくはO、O、HO、H、O・またはOH・のような酸素含有ラジカルおよびそれらの混合物からなる群より選択される方法。
  11. 以下の化学式
    (R−chd)Ru(CO)
    を持つルテニウム含有前駆体の使用方法であって(ここで、
    −(R−chd)は、n個の置換基Rで置換され、任意のRがchd配位子の任意の位置に存在する1つのシクロヘキサジエン(chd)配位子を表し、
    −nは1〜8(1≦n≦8)の整数であって、chd配位子上の置換基の数を表し、
    −chd配位子上の8つの利用できる位置のうちいずれかに配置されるRに関してRはC1−C4の直鎖または分枝アルキル、アルキルアミド、アルコキシド、アルキルシリルアミド、アミド化物、カルボニルおよび/またはフルオロアルキルからなる群から選択されるが、二重結合に関係しないchd環内のC位置への置換に関してRは酸素Oでもよい)
    基板上にRu含有膜を堆積するための使用方法。
  12. 請求項11による使用方法であって、n=1であり、RはC1−C4アルキルであって、好ましくはRはメチルまたはエチルである使用方法。
  13. 請求項11ないし12による使用方法であって、少なくとも1つの置換基Rが二重C結合を持つ配位子の炭素原子上に位置する使用方法。
  14. 請求項11ないし13のいずれか1項による使用方法であって、ルテニウム前駆体の化学式が1−メチルシクロヘキサ 1,4−ジエンである使用方法。
  15. 請求項11による使用方法であって、nが1より大きく、RがC1−C4アルキルであり、好ましくはメチルおよび/またはエチルである使用方法。
  16. 請求項15による使用方法であって、二重結合に関係しないchd配位子の炭素上に少なくとも1つのRが存在する使用方法。
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