JP2011522124A - 原子層堆積によるルテニウム含有膜を形成する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、原子層堆積によるルテニウム含有膜を形成する方法を提供する。該方法は少なくとも1つの前駆体を基板に供給すること含み、該少なくとも1つの前駆体は構造において式I:(L)Ru(CO)[式中、Lは、直鎖又は分枝C−C−アルケニル基、及び直鎖又は分枝C1−6−アルキル基から成る群から選択され;Lは、C−C−アルケニル基、C1−6−アルキル基、アルコキシ基、及びNR(式中、RとRは独立してアルキル基又は水素である)から成る群から独立して選択される1以上の置換基で置換されていてもよい]に相当する。
【選択図】図1

Description

関連出願の相互参照
本件特許は、2008年5月30日に出願された米国仮特許出願第61/057,505号の利益を主張し、その内容を本明細書に援用する。
発明の分野
本発明は、原子層エピタキシーとしても知られている原子層堆積(ALD)よるルテニウム含有膜を形成する方法に関する。
ALDは、表面反応をベースとする、自己制限的で、逐次特異的な膜成長技術である。ALDは、原子層制御を提供することができ、また、例えば、組成の変動する基板上へチタン系前駆体によって提供される物質からコンフォーマル薄膜を堆積することができる。ALDにおいて、前駆体は反応の間、分離されている。第1の前駆体は、基板を通過して該基板上で単分子層を生成する。未反応の余分な前駆体は反応チャンバから排出される。次に、第2の前駆体が該基板を通過して第1の前駆体と反応し、該基板表面で第1形成層上の第2単分子層を形成する。このサイクルを繰り返して望みの厚さの膜を作成する。ALDプロセスは、ナノテクノロジー、及び、キャパシタ電極、ゲート電極、付着性の拡散隔膜、及び集積回路等の半導体デバイスの製作において応用性がある。
Chung, Sung-Hoon et al.は、ALD技術によってトリカルボニル−1,3−シクロヘキサジエニルルテニウムを用いたルテニウム膜を報告している(Electrical and Structural Properties of Ruthenium Film Grown by Atomic Layer Deposition using Liquid- Phase Ru(CO)3(C6H8) Precursor.” Mater. Res. Soc. Svmp. Proc. 2007. Volume 990)。
Tatsuy, S. et al.の日本特許公開第2006−57112号では、(2,3ジメチル−1,3−ブタジエン)トリカルボニルルテニウム、(1,3−ブタジエン)トリカルボニルルテニウム、(1,3−シクロヘキサジエン)トリカルボニルルテニウム、(1,4−シクロヘキサジエン)トリカルボニルルテニウム及び(1,5−シクロオクタジエン)トリカルボニルルテニウム)等のルテニウム前駆体を用いて、化学蒸着によって金属膜を形成することが報告されている。
Visokay, M.の米国特許第6,380,080号では、化学蒸着によって式(ジエン)Ru(CO)の液体ルテニウム錯体からルテニウム金属膜の作成方法が報告されている。
ALDに用いられる現在の前駆体は、半導体等の次世代のデバイスを製作するための新しいプロセスを実行するのに必要とされる性能を提供しない。例えば、改善された熱安定性、より高い揮発性、及びより大きな堆積速度が必要とされる。
ここでは原子層堆積によるルテニウム含有膜を形成する方法を提供する。該方法は少なくとも1つの前駆体を基板に供給することを含み、該少なくとも1つの前駆体は構造において式I:
(L)Ru(CO) (式I)
[式中、Lは、直鎖又は分枝C−C−アルケニル基、及び直鎖又は分枝C1−6−アルキル基から成る群から選択され;Lは、C−C−アルケニル基、C1−6−アルキル基、アルコキシ基、及びNR(式中、RとRは独立してアルキル基又は水素である)から成る群から独立して選択される1以上の置換基で置換されていてもよい]に相当する。
上記に要約した実施形態の特定の態様を含む他の実施形態は、後述する発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
図1は、(1)(η−ブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム、(2)(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム、及び(3)(シクロヘキサ−1,3−ジエニル)Ru(CO)の温度に対する%重量減少を表す熱重量分析(TGA)のデータを示す。 図2は、熱安定性試験後の(シクロヘキサジエニル)トリカルボニルルテニウム(左)及び(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム(右)の写真を示す。
本発明の様々な態様において、ALD法が提供され、金属膜又は金属酸化物膜を形成するためにルテニウムに基づく前駆体を利用している。特定の実施形態において金属膜が堆積される。
A.定義
本明細書で使用する用語「前駆体」は有機金属分子、錯体及び/又は化合物を指す。
一実施形態において、適切な炭化水素溶媒又はアミン溶媒に前駆体を溶解してもよい。適切な炭化水素溶媒としては、ヘキサン、ヘプタン及びノナン等の脂肪族炭化水素;トルエン及びキシレン等の芳香族炭化水素類;ジグリム、トリグリム及びテトラグリム等の脂肪族エーテル及び環状エーテルが挙げられるが、これらに限定されない。適切なアミン溶媒の例としては、オクチルアミン及びN,N−ジメチルドデシルアミンが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、前駆体は0.05〜1Mの溶液になるようにトルエンに溶解してもよい。
用語「アルキル」は、炭素数1〜約6の長さの飽和炭化水素鎖を指し、これらに限定されないが、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基及びブチル基を指す。アルキル基は、直鎖又は分枝鎖であってもよい。例えば、本明細書で使用される、プロピル基はn−プロピル基とiso−プロピル基を共に含み、ブチル基はn−ブチル基、sec−ブチル基、iso−ブチル基、及びtert−ブチル基を含む。さらに、本明細書で使用する「Me」はメチル基を指し、また「Et」はエチル基を指す。
用語「アルケニル」は炭素数2〜約6の長さの不飽和炭化水素鎖を指し、1つ以上の二重結合を含む。例としては、エテニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基及びヘキセニル基が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
用語「ジエニル」は2つの二重結合を含む炭化水素基を指す。ジエニル基は直鎖、分枝、又は環状であってもよい。更に、2つ以上の単結合によって隔てられた二重結合をもつ非共役ジエニル基;一つの単結合によって隔てられた二重結合を有する共役ジエニル基、及び共通の原子を共有する集積ジエニル基がある。
(単独の、又は、別の用語と結合した)用語「アルコキシル」は、置換基、すなわち−O−アルキル基を指す。このような置換基の例はメトキシ基(−O−CH)、エトキシ基等である。アルキル部分は直鎖又は分枝鎖であってもよい。例えば、本明細書で使用するプロポキシ基はn−プロポキシ基とiso−プロポキシ基を共に含み;ブトキシ基は、n−ブトキシ基、iso−ブトキシ基、sec−ブトキシ基及びtert−ブトキシ基を含む。
B.化学
一実施形態において、原子層堆積によるルテニウム含有膜を形成する方法を提供する。該方法は少なくとも1つの前駆体を基板に供給することを含み、該少なくとも1つの前駆体は構造において式I:
(L)Ru(CO) (式I)
[式中、Lは、直鎖又は分枝C−C−アルケニル基、及び直鎖又は分枝C1−6−アルキル基から成る群から選択され;Lは、C−C−アルケニル基、C1−6−アルキル基、アルコキシ基、及びNR(式中、RとRは独立してアルキル基又は水素である)から成る群から独立して選択される1以上の置換基で置換されていてもよい]に相当する。
一実施形態において、Lは直鎖又は分枝ジエニル基を含む部分である。このような直鎖又は分枝ジエニル基を含む部分の例としては、ブタジエニル基、ペンタジエニル基、ヘキサジエニル基、ヘプタジエニル基及びオクタジエニル基が挙げられる。更なる実施形態において、該直鎖又は分枝ジエニル基を含む部分は、1,3−ジエニル基を含む部分である。
他の実施形態において、LはC−C−アルケニル基、C1−6−アルキル基、アルコキシ基、及びNR(RとRは上記で定義された通り)等の1以上の置換基で置換される。特定の実施形態において、Lはジエニル基を含む部分であり、C−C−アルケニル基、C1−6−アルキル基、アルコキシ基、及びNR(RとRは上記で定義された通り)等の1以上の置換基で置換される。
一実施形態において、Lは、これらに限られないが、メチル基、エチル基、プロピル基、又はこれらのいずれかの組み合わせ等の1以上のC1−6−アルキル基で置換されてもよい。
少なくとも一つの前駆体の例としては、
(η−ブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム;
(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム;及び
(η−2−メチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム
が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
2つの開鎖ジエニル化合物及びシクロヘキサジエニル化合物の特性を以下に示す。
C.酸素共反応物及び非酸素共反応物
上述の通り、ALDプロセスを使用すると、式Iによる少なくとも1つのルテニウム前駆体を用いて基板上で薄い金属膜又は薄い金属酸化物膜を形成することができる。該少なくとも1つのルテニウム前駆体が単独で又は共反応物(別名、共前駆体)と共に該膜を形成することができる。
一般的に、ルテニウム前駆体はALDによる薄いルテニウム膜を堆積するために酸化環境(空気、O、オゾン、又は水等)を必要とする。従って、一実施形態において、ルテニウム含有金属酸化物膜を基板上に堆積する。少なくとも1種の前駆体は、HO、H、O、オゾン又はこれらの任意の組合せ等の適当な酸素源のパルスと交代するパルスにおいて基板上に堆積され、又は供給されてもよい。
更に、本発明のルテニウム含有前駆体が非酸素共反応物を用いてルテニウム含有膜を堆積することができるということが発見された。従って、本発明の他の実施形態において、ルテニウム含有膜は、非酸素共反応物を用いて原子層堆積によって形成される。
例えば、非酸素共反応物は実質的に、水素、水素プラズマ、窒素、アルゴン、アンモニア、ヒドラジン、アルキルヒドラジン、シラン、ボラン又はこれらの任意の組合せ等のガス状の材料であってもよい。特定の実施形態において、非酸素ガス状物質は水素である。
E.基板
様々な基板を本発明の方法で使用することができる。例えば、式Iによる前駆体を用いて、これらに限定されないが、ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、タンタル、窒化タンタル又は銅等の基板上にルテニウム含有膜を堆積してもよい。
F.ALDの類型
本発明のALD法は様々なALDプロセスを含む。例えば、一実施形態において従来のALDを用いてルテニウム含有膜を形成する。従来のALDプロセス、及び/又はパルスインジェクションALDプロセスに関してはGeorge S. M., et. al. J. Phys. Chem. 1996. 100:13121-13131を参照のこと。従来のALDの成長条件の例は、
(1)基板温度:250℃
(2)ルテニウム前駆体温度(源):35℃
(3)反応器の圧力:100mtorr
(4)パルスシークエンス(秒)(前駆体/パージ/共反応物/パージ):約1/9/2/8
であるが、これらに限定されない。
別の実施形態において、液体インジェクションALDを用いてルテニウム含有フィルムを形成する。液体インジェクションALDでは、バブラーによる蒸気吸引と対向して、液体前駆体は直接液体ダイレクトリキッドインジェクションにより反応チャンバに供給される。液体インジェクションALDに関しては、Potter R. J., et. al. Chem. Vap. Deposition. 2005. 11(3): 159を参照のこと。液体インジェクションALD成長の条件の例は、
(1)基板温度:ケイ素(100)で160−300℃
(2)蒸発装置の温度:約100℃
(3)反応器の圧力:約1torr
(4)溶媒:トルエン
(5)溶液濃度:約0.075M
(6)インジェクション率:約50μl pulse−1
(7)アルゴン流量:約10cm/分
(8)パルスシーケンス(秒)(前駆体/パージ/共反応物/パージ):約2/8/2/8
(9)サイクル数:300
であるが、これらに限定されない。
別の実施形態において、光ALDを用いてルテニウム含有膜を形成する。光ALDプロセスに関しては、米国特許第4,581,249号を参照のこと。
従って、該方法で利用される式Iによる有機金属前駆体は、液体、固体、又はガス状であってもよい。特に、前駆体は、プロセスチャンバへ蒸気を一定して輸送するのに適した高い蒸気圧を有する外界温度では、液体である。
G.抵抗
別の実施形態において、ルテニウム含有膜は金属基板上で形成され、約100mohm/cm未満の抵抗を有する。特定の実施形態においては、該金属基板はタンタル又は銅である。
また別の実施形態において、ルテニウム含有膜はケイ素又は二酸化ケイ素基板の上で形成され、抵抗は約20ohm/cm〜約100のmohm/cmである。
更に、特定の実施形態において、本発明の方法は、シリコンチップ上の記憶装置及び論理アプリケーション用のダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)及び相補型金属酸化膜半導体(CMOS)等の用途に利用される。
以下の実施例は単なる実例であって、本開示を何らかの形で限定するものではない。
実施例1−前駆体の特性
図1は、(η−ブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム、(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム、及び(η−1,3−シクロヘキサジエニル)トリカルボニルルテニウムのTGAデータを比較するものである。
(η−ブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムに対する結果は0.83%あった。
(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムに対する結果は0.06%であった。
(η−1,3−シクロヘキサジエニル)トリカルボニルルテニウムに対する結果は7.3%であった。
図1は、直鎖又は分枝(「開鎖の」)ジエン化合物は純粋で、また分解を起こさないで適合して揮発するため、該化合物がALDプロセスに適切であることを示す。図1より、TGAにおいて残渣が少なく、熱暴露で劣化が少ないことを示すことから、開鎖ジエンがシクロヘキサジエニル誘導体より安定であることが示される。一般的に良いALD源(前駆体)は5%未満のTGA残渣を有し、理想的には1%未満のTGA残渣を有する。
実施例2−(η −ブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムの従来のALD
(η−ブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムを含むアンプルは35℃までホットボックスで予熱された。2cmのウエハ片は、真空で250℃まで加熱された反応チャンバにセットされた。前駆体のオーブンと共反応物のガス(水素)間のラインは45℃にまで加熱された。アルゴンは、運転中10sccmで連続的にチャンバにパージされた。運転は1秒間前駆体においてパルシングにより開始し、続いて9秒間アルゴンのみでパージフローをした。共反応物(H)は、それから、2秒間パルス供給され、続いて8秒間アルゴンのみでパージフローをした。この1/9/2/8のシーケンスは1サイクルを占めた。300フルサイクルの間運転を継続した。300サイクル後に該前駆体及び共反応物(H)をチャンバに対して閉鎖し、10sccmのアルゴンパージを継続させて室温にまで系を冷却した。
実施例3−(η −2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムの従来のALD
(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムを含むアンプルは35℃までホットボックスで予熱された。2cmのウエハ片は、真空で250℃まで加熱された反応チャンバにセットされた。前駆体のオーブンと共反応物のガス(水素)間のラインは45℃にまで加熱された。アルゴンは、運転中10sccmで連続的にチャンバにパージされた。運転は1秒間前駆体においてパルシングにより開始し、続いて9秒間アルゴンのみでパージフローをした。共反応物(H)は、それから、2秒間パルス供給され、続いて8秒間アルゴンのみでパージフローをした。この1/9/2/8シーケンスは1サイクルを占めた。300フルサイクルの間運転を継続した。300サイクル後に該前駆体及び共反応物(H)をチャンバに対して閉鎖し、10sccmのアルゴンパージを継続させて室温にまで系を冷却した。
実施例4−(η −2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムの従来の液体インジェクションALD
1gの(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムを含むトルエン約50mL溶液(0.075M)を含むアンプルは、100℃で気化器にパルス供給される。2cmのウエハ片は、真空で250℃まで加熱された反応チャンバにセットされた。反応器とチャンバの間のラインは110℃に保たれ、前駆体のオーブンと共反応物のガス(水素)間のラインは45℃にまで加熱された。アルゴンは、運転中10sccmで連続的にチャンバにパージされた。運転は1秒間蒸発させた前駆体においてパルシングにより開始し、続いて9秒間アルゴンのみでパージフローをした。共反応物(H)は、それから、2秒間パルス供給され、続いて8秒間アルゴンのみでパージフローをした。この1/9/2/8シーケンスは1サイクルを占めた。300フルサイクルの間運転を継続した。300サイクル後に該前駆体及び共反応物(H)をチャンバに対して閉鎖し、10sccmのアルゴンパージを継続させて室温にまで系を冷却した。
実施例5−(η −2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム及び(シクロヘキサジエニル)トリカルボニルルテニウムの熱安定性の比較
(η−1,3−シクロヘキサジエニル)トリカルボニルルテニウム、及び(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムが不活性雰囲気下において13時間110℃で保たれた場合、(η−1,3−シクロヘキサジエニル)トリカルボニルルテニウムは徐々に分解したが、(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムは変化がなかった。その結果を図2に示す。左が(η−1,3−シクロヘキサジエニル)トリカルボニルルテニウムで、右が(η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウムである。
実施例6−(BD)Ru(CO) 、(DMBD)Ru(CO) 、及び(CHD)Ru(CO) のALDによる膜成長の比較
3つの異なるルテニウム前駆体を用いたALDによる膜成長を次の成長パラメータを使って比較した。
膜特性を比較し以下に示す。
(BD)Ru(CO)、(DMBD)Ru(CO)、及び(CHD)Ru(CO)はすべて揮発性のRu(0)前駆体であると考えられる。長期間にわたって、開鎖ジエン系は閉鎖ジエン系(例えば、シクロヘキサジエニル前駆体)より安定である。3つすべての基板のシート抵抗は36〜49μΩ/sqである。
ここで引用される特許と刊行物のすべての内容はこの出願に援用される。
「含むおよび含んでいる(comprise、comprises、comprising)」は排他的にではなく包含的に解釈されるべきである。

Claims (17)

  1. 原子層堆積によるルテニウム含有膜を形成する方法であって、少なくとも一つの前駆体を基板に供給することを含み、該少なくとも一つの前駆体の構造は、式I:
    (L)Ru(CO) (式I)
    [式中、Lは、直鎖又は分枝C−C−アルケニル基、及び直鎖又は分枝C1−6−アルキル基から成る群から選択され;Lは、C−C−アルケニル基、C1−6−アルキル基、アルコキシ基、及びNR(式中、RとRは独立してアルキル基又は水素である)から成る群から独立して選択される1以上の置換基で置換されていてもよい]に相当する、方法。
  2. Lが直鎖又は分枝のジエニル基を含む部分である、請求項1記載の方法。
  3. Lが、ブタジエニル基、ペンタジエニル基、ヘキサジエニル基、ヘプタジエニル基、及びオクタジエニル基から成る群から選択される、直鎖又は分枝のジエニル基を含む部分である、請求項1記載の方法。
  4. Lが、C−C−アルケニル基、C1−6−アルキル基、アルコキシ基、及びNR(式中、RとRは独立してアルキル基又は水素である)から成る群から独立して選択される1以上の置換基で置換されている、請求項1記載の方法。
  5. 前記少なくとも一つの前駆体が、
    (η−ブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム;
    (η−2,3−ジメチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム;及び
    (η−2−メチルブタ−1,3−ジエン)トリカルボニルルテニウム
    から成る群から選択される、請求項1記載の方法。
  6. 前記原子層堆積が光原子層堆積である、請求項1記載の方法。
  7. 前記原子層堆積が液体インジェクション原子層堆積である、請求項1記載の方法。
  8. 前記原子層堆積がパルスインジェクション原子層堆積である、請求項1記載の方法。
  9. 前記ルテニウム含有膜が非酸素共反応物を用いて原子層堆積によって形成される、請求項1記載の方法。
  10. 非酸素共反応物が、水素、窒素、アルゴン、アンモニア、ヒドラジン、アルキルヒドラジン、シラン、及びボランからなる群から選択されるガス状の材料を実質的に含む、請求項9記載の方法。
  11. 非酸素ガス状物質が水素である、請求項10記載の方法。
  12. 前記基板が、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、タンタル、窒化タンタル及び銅から成る群から選択される、請求項1記載の方法。
  13. 前記基板が金属であって抵抗が約100mohm/cm未満である、請求項1記載の方法。
  14. 前記基板がタンタル又は銅である、請求項13記載の方法。
  15. 前記基板がケイ素又は二酸化ケイ素であってその抵抗が約20ohm/cm〜約100mohm/cmである、請求項1記載の方法。
  16. シリコンチップ上の記憶装置及び論理アプリケーション用に使用される、請求項1記載の方法。
  17. DRAM又はCMOSアプリケーション用に使用される、請求項16記載の方法。
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