JP4975638B2 - 固体前駆体供給システムにおいて流量を測定する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、薄膜堆積のための方法およびシステムに関し、特に、蒸気圧の低い固体金属前駆体から得られる金属前駆体の気相原料の流量を測定する方法およびシステムに関する。

集積回路の製造のための多層メタライゼーション工程に銅（Ｃｕ）を導入する場合には、拡散バリア／ライナを使用して、Ｃｕ層の成長と密着性を促進し、Ｃｕが誘電体材料へ拡散するのを防止することが必要となる。誘電体材料上に堆積されるバリア／ライナは、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタンタル（Ｔａ）等の高融点材料を含んでよい。これらは、Ｃｕに対する非反応性および非混和性を有し、かつ、低い電気抵抗を有する。Ｃｕメタライゼーションと誘電体材料とを統合する今日のインテグレーションの工程においては、約４００℃から５００℃までの間、またはそれ以下の基板温度におけるバリア／ライナ堆積プロセスが必要とされる。

たとえば、１３０ｎｍ以下の技術ノードのＣｕインテグレーション工程では、誘電定数の低い（ｌｏｗ−ｋ）層間誘電体と、その後に続く物理的堆積（ＰＶＤ）法によるＴａ層またはＴａＮ／Ｔａ層と、その後に続くＰＶＤ法によるＣｕシード層と、電解堆積（ＥＣＤ）法によるＣｕ埋め込みとが利用される。Ｔａ層は一般にその密着性（すなわち、ｌｏｗ−ｋ膜への密着性能）から選択され、Ｔａ／ＴａＮ層は一般にそのバリア性（すなわち、ｌｏｗ−ｋ膜へのＣｕの拡散の防止性能）から選択される。

上述のように、Ｃｕ拡散バリアとしての遷移金属薄層の研究において、または実現に向けて多大な努力がなされてきた。その研究の対象は、クロム、タンタル、モリブデンおよびタングステンである。これらの材料の各々は、Ｃｕへの混和性が低い。従来の高融点金属と同様な挙動が期待されることから、近年、ルテニウム（Ｒｕ）やロジウム（Ｒｈ）などの他の材料が潜在的なバリア層として挙げられている。Ｒｕ又はＲｈを使用すると、たとえばＴａ／ＴａＮのような２層とは対照的に、バリア層はただ一層で済む。この所見は、これらの金属の密着性およびバリア性による。たとえば、一つのＲｕ層は、Ｔａ／ＴａＮ層に取って代わることができる。さらに、現在の研究成果によれば、一つのＲｕ層はＣｕシード層に更に取って代わることができ、Ｃｕのバルク埋め込みはＲｕの堆積に直接に引き続いて実施され得ることがわかった。この所見は、Ｃｕ層とＲｕ層との間の密着性が良いためである。
米国特許出願公開第２００６／０１１５５９０号明細書

従来、Ｒｕ層は、熱化学的気相堆積（ＴＣＶＤ）法において、ルテニウムカルボニル前駆体などのルテニウムを含む前駆体を熱分解することにより形成されている。ルテニウムカルボニル前駆体（たとえば、Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２）の熱分解により堆積されたＲｕ層の材料的性質は、基板温度が約４００℃より低くなると劣化する。その結果、堆積温度が低いと、Ｒｕ層の（電気）抵抗が増加し、表面モフォロジーが悪化（たとえば、ノジュールの発生）する。これは、熱堆積されたＲｕ層へ混入する反応副生成物が増加することが原因と考えられている。これらの結果は、ルテニウムカルボニル前駆体の熱分解から生じる一酸化炭素の離脱速度が、約４００℃より低い基板温度では、低下することにより説明される。

また、ルテニウムカルボニル又はレニウムカルボニルなどの金属カルボニルを使用する場合、これらの蒸気圧が低くいため堆積速度が低くなり、また、これらに関連した輸送の問題が生じる。一般に、発明者らは、現在の堆積システムには、堆積速度が低いという問題があり、そのため、そのような金属膜が非実用的であることを理解している。

さらに、上述の金属カルボニルのいくつか（すなわち、ルテニウムカルボニルおよびレニウムカルボニル）のような固体の金属前駆体を使用する場合には、固体の金属前駆体が昇華して発生する金属前駆体の気相原料の質量流量を直接に測定するのは適切ではない。このため、一枚の基板から次の基板へのプロセス動作が一貫しない事態が生じる。さらに、流量の測定は、これらの材料の蒸気圧は蒸発のために利用される温度では非常に低い（たとえば、１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）未満）ため、更に複雑になる。

本発明の一の実施形態では、金属前駆体の気相原料の流量に関するフローパラメータを測定するための方法およびシステムが提供される。

本発明の別の実施形態では、固体の金属前駆体が昇華した後の金属前駆体の気相原料に関するフローパラメータを測定するための方法およびシステムが提供される。

本発明の更に別の実施形態では、差圧測定システムを用いる、金属前駆体の気相原料の流量に関するフローパラメータを測定するための方法およびシステムが提供される。この差圧測定システムは、蒸発システムからプロセスチャンバへ金属前駆体の気相原料を輸送するよう構成される気相原料供給システム内の圧力と、基準システム内の圧力との差を測定する。

更に別の実施形態によれば、基板に高融点金属層を形成するための堆積システムが提供される。この堆積システムは、基板を支持し加熱するよう構成される基板ホルダと、基板の上方に金属前駆体の気相原料を導入するよう構成される気相原料分散システムと、プロセスチャンバを排気するよう構成されるポンプシステムとを有するプロセスチャンバ；金属前駆体を蒸発させ、キャリアガスの第１のフローが金属前駆体蒸発システムと接合されるキャリアガス供給システムから金属前駆体蒸発システムへ供給されてキャリアガスで金属前駆体の気相原料を輸送するよう構成される金属前駆体蒸発システム；金属前駆体蒸発システムの出口に接続される第１の端とプロセスチャンバの気相原料分散システムの入口に接続される第２の端とを有する気相原料供給システム；および、気相原料供給システムと接続され、キャリアガスで輸送される金属前駆体の気相原料の量に関するフローパラメータを測定するよう構成されるフロー測定システム；を備える。フロー測定システムは、気相原料供給システムを通るキャリアガスの第１のフローと基準ガスラインを通る基準ガスの第２のフローとの間の圧力差を測定し、且つ、気相原料供給システムおよび基準ガスラインの少なくとも一方における絶対圧を測定することからフローパラメータを決定するよう構成される。

また別の実施形態によれば、基板に高融点金属膜を堆積するよう構成される堆積システムを監視する方法が提供される。この方法は、気相原料供給システムを通して金属前駆体を輸送するためのキャリアガスを、金属前駆体蒸発システムをプロセスチャンバへ結合する気相原料供給システムを通して、所望のフローとして流し始める工程；差圧測定システムを介して気相原料供給システムへ結合される基準ガスラインを通して、基準ガスの基準フローを流し始める工程；基準ガスの基準フローを差圧測定システムを用いて測定する第１の差圧が目標値に達するまで調整する工程；金属前駆体の気相原料をキャリアガスの上記の所望のフローに対して金属前駆体の気相原料を導入する工程；基準ガスと気相原料恒久システムとの間の第１の差圧を測定する工程；気相原料供給システムまたは基準ガスラインの少なくとも一方の絶対圧を測定する工程；および、第１の差圧と、第２の差圧と、絶対圧と、キャリアガスの所望のフローの流量とを用いて金属前駆体の気相原料の流量に関するフローパラメータを決定する工程を備える。

以下の記載は、本発明の十分な理解を促進するための説明用のものであり、本発明を限定するものではなく、堆積システムの特定の形状や各種構成部品の記載など特定の詳細を示したものである。ただし、本発明は、これらの特定の細部とは異なる他の実施例で実施しても良いことを理解する必要がある。

以下、図面を参照すると、いくつかの図を通して、同一のまたは対応する部品には、同様の参照符号が付されている。図１は、ルテニウム（Ｒｕ）またはレニウム（Ｒｅ）などの金属層を基板に堆積するための一の実施形態による堆積システム１を示す。堆積システム１は、基板２５を支持するよう構成された基板ホルダ２０を有するプロセスチャンバ１０を備える。基板２５の上に金属層が形成される。プロセスチャンバ１０は、気相前駆体供給システム４０を介して金属前駆体蒸発システム５０と結合されている。

プロセスチャンバ１０はダクト３６を介して真空ポンプシステム３８と更に結合されている。真空ポンプシステム３８は、基板２５上に金属層を形成するのに適し、金属前駆体蒸発システム５０における金属前駆体５２の蒸発に適する圧力にまで、プロセスチャンバ１０と、気相前駆体供給システム４０と、金属前駆体蒸発システム５０とを排気するよう構成されている。

図１を参照すると、金属前駆体蒸発システム５０は、金属前駆体５２を貯蔵し、金属前駆体５２を蒸発させ金属前駆体の気相原料を気相前駆体供給システム４０に導入するに十分な温度まで金属前駆体５２を加熱するよう構成される。金属前駆体蒸発システム５０は、気相前駆体供給システム４０へ気相状態の金属前駆体を導入する。金属前駆体５２は、たとえば、固体の金属前駆体であってよい。また、たとえば、金属前駆体５２は金属カルボニルを含むことができる。たとえば、金属カルボニルには、ルテニウムカルボニル（Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２）またはレニウムカルボニル（Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０）が含まれる。また、たとえば、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｃｒ（ＣＯ）_６、またはＯｓ_３（ＣＯ）_１２が含まれてよい。

金属前駆体５２を蒸発（固体の金属前駆体を昇華）するための所望の温度を達成するため、金属前駆体蒸発システム５０は、蒸発温度を制御するよう構成される蒸発温度制御システム５４と結合される。たとえば、従来のシステムでは、金属前駆体５２の温度は、ルテニウムカルボニルを昇華させるため、一般に約４０℃から４５℃までとされる。この温度では、ルテニウムカルボニルの蒸気圧は、たとえば、約１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）から約３ｍＴｏｒｒ（０．４００Ｐａ）までの範囲にある。金属前駆体が加熱されて蒸発（昇華）するとき、金属前駆体の上を、金属前駆体のそばを、もしくは金属前駆体の中を通って、または、これらの如何なる組み合わせかで、キャリアガスが流れる。キャリアガスは、希ガス（すなわち、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）などの不活性ガス、もしくは、金属カルボニルとともに使用するため例えば一酸化炭素（ＣＯ）などの一酸化物、またはその混合物、を含んでよい。たとえば、金属前駆体蒸発システム５０にはキャリアガス供給システム６０が結合され、これは、たとえば、キャリアガスを、供給ライン６１を介して金属前駆体５２の下に、または供給ライン６２を介して金属前駆体５２の上に供給するように構成される。他の例では、キャリアガス供給システム６０は、供給ライン６３を介して気相前駆体供給システム４０と結合され、キャリアガスが気相前駆体供給システム４０に流入する際または流入した後に、キャリアガスを金属前駆体の気相原料に供給するように構成される。図示していないが、キャリアガス供給システム６０は、ガス源と、１又は２以上の制御バルブと、１又は２以上のフィルタと、マスフロコントローラとを備えることができる。たとえば、キャリアガスの流量は、約５ｓｃｃｍ（標準立方センチメータ毎分）から約１０００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。たとえば、キャリアガスの流量は、１０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍまでの範囲にあってよい。更なる例として、キャリアガスの流量は、約２０ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍまでの範囲にあってよい。

金属前駆体蒸発システム５０よりも下流側では、金属前駆体の気相原料はキャリアガスとともに流れ、気相前駆体供給システム４０を通って、プロセスチャンバ１０に結合される気相原料分散システム３０へ流入する。気相原料ラインの温度を制御して金属前駆体の気相原料が凝結したり分解したりするのを防止するため、気相前駆体供給システム４０を気相原料ライン温度制御システム４２と結合してよい。たとえば、気相原料ラインの温度は、蒸発温度とほぼ等しいか、または高い値に設定するとよい。また、たとえば、気相前駆体供給システム４０は、約５０リットル／秒を超える高いコンダクタンスにより特徴づけることができる。

再び図１を参照すると、気相原料分散システム３０は、プロセスチャンバ１０と結合され、気相原料分散プレナム３２を構成する。気相原料分散プレナム３２内において気相原料は分散し、気相原料分散板３４を通過して、基板２５の上方のプロセスゾーン３３に流入する。また、気相原料分散板３４を、気相原料分散板３４の温度を制御するよう構成される分散板温度制御システム３５と結合してよい。

金属前駆体の気相原料がプロセスゾーン３３へ流入すると、その金属前駆体の気相原料は、基板表面に吸着し、基板２５の温度が上昇しているため熱分解する。そして、基板２５上に薄膜が形成される。基板ホルダ２０が基板温度制御システム２２と結合されているため、基板ホルダ２０は、基板２５の温度を上昇するよう構成される。たとえば、基板２５の温度が約５００℃まで上昇するよう基板温度制御システム２２を構成してよい。一の実施形態では、基板温度は、約１００℃から約５００℃までの範囲にあってよい。他の実施形態では、基板温度は、約３００℃から約４００℃までの範囲にあってもよい。また、プロセスチャンバ１０を、チャンバ壁の温度を制御するよう構成されるチャンバ温度制御システム１２と結合してよい。

上述のとおり、たとえば、従来のシステムにおいては、金属気相原料の分解と凝結とを制限するため、ルテニウムカルボニルの場合であれば約４０℃から約４５℃までの温度範囲にて、気相前駆体供給システム４０と同様に金属前駆体蒸発システム５０も動作するものと考えられていた。たとえば、ルテニウムカルボニル前駆体は、温度を上げると、下記のように分解し、副生成物を生成する。
Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２＊（ａｄ）⇔ Ｒｕ_３（ＣＯ）_ｘ＊（ａｄ）＋（１２−ｘ）ＣＯ（ｇ） （１）
または、
Ｒｕ_３（ＣＯ）_ｘ＊（ａｄ）⇔ ３Ｒｕ（ｓ）＋ｘＣＯ（ｇ） （２）
ここで、これらの副生成物は、堆積システム１の内表面上に吸着（ａｄ）、すなわち凝結する。その表面上に金属が堆積すると、基板間のプロセス再現性などの問題が生じる。また、たとえば、ルテニウムカルボニル前駆体は低温下で凝結し、再結晶化が生じる。すなわち、
Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２（ｇ）⇔ Ｒｕ_３（ＣＯ）_ｘ＊（ａｄ） （３）
しかし、プロセスウィンドウが狭いシステムでは、ルテニウムカルボニルの蒸気圧が低いこともあって、金属層の堆積速度は低くなる。たとえば、堆積速度は約１Å／分（０．１ｎｍ／分）でしかない。したがって、一の実施形態では、蒸発温度を約４０℃以上に上げるか、または約５０℃以上に上げる。本願の実施形態においては、好ましくは、蒸発温度を約６０℃以上に上げる。また別の実施形態では、好ましくは、約６０℃から１００℃、たとえば約６０℃から９０℃までの範囲に上げる。蒸発温度を上げると、蒸気圧が高くなる（たとえば約１桁高くなる）ため、蒸発量が増え、よって、堆積速度が上がると発明者らは考えている。しかし、１枚か数枚の基板に堆積した後、周期的に堆積システム１を清浄するのが望ましい。詳細については、たとえば、「堆積システムのＩｎ−ｓｉｔｕ清浄化を実施する方法およびシステム」という名称の本願と同日に出願した同時係属の米国特許出願第１０／９９８，３９４号から得ることができる。この出願の内容のすべてをここに援用する。

上述のとおり、堆積速度は、蒸発し、分解も凝結も又これらのいずれも生じる前に基板に輸送される金属前駆体の量に比例する。したがって、所望の堆積速度を実現し、１枚の基板から次の基板の間での一貫したプロセス性能（すなわち、堆積速度、膜厚、膜の均一性，膜のモフォロジーなど）を維持するため、金属前駆体の気相原料の流量を監視し、調整し、また制御する能力を提供することは重要である。従来のシステムでは、蒸発温度、および、予め求めた蒸発温度と流量の関係とを用いて、作業者が間接的に金属前駆体の気相原料の流量を決めている。しかし、プロセスも性能も時間とともに推移するため、流量のより正確な測定を欠くことはできない。

図１を更に参照すると、一の実施形態による、金属前駆体の気相原料を測定するための流量測定システム９０が図示されている。不活性ガス源などのガス源９２からの基準ガスの流れを規定する基準ガスライン９１が、差圧測定システム９６を介して気相前駆体供給システム４０と結合されている。基準ガスライン９１は、さらに、基準ガスマスフロコントローラ９４とフロー制限器９５とを含むことができる。基準ガスマスフロコントローラ９４は、基準ガスライン９１を流れる基準ガスの流量を測定し制御するよう構成される。フロー制限器９５は、基準ガスライン９１と気相供給システム４０との間での差圧測定を行うに適した基準圧を実現しつつ、基準ガスの流量が測定可能な範囲で十分に低くなるように流れを十分に制限するよう構成される。

たとえば、ガス源９２は、希ガス（すなわち、アルゴンなど）やチッ素のような希ガス、または他のガスを流すよう構成される独立したガス源を含んでよい。また、ガス源９２は、上述のキャリアガス供給システム６０（図１）を含んでもよい。さらに、ベント９３は、基準ガスを大気へ解放する構成されるポンプシステム、たとえば、真空ポンプシステムを含んでよい。また、ベント９３は、基準ガスライン９１の出口とダクト３６（図１）とを結合してもよい。

図１に示すとおり、差圧測定システム９６は、基準ガスライン９１内の基準圧と、気相前駆体供給システム４０内の局所圧との間の圧力差を測定するよう構成される。たとえば、差圧測定システム９６は、差圧キャパシタンスマノメータを含んでよい。さらに、図１に示すとおり、流量測定システム９０は、気相前駆体供給システム４０内の（絶対）局所圧を測定する構成される絶対圧測定システム９８を含んでよい。たとえば、差圧測定システム９６としては、たとえばＭＫＳインストルメンツ社から入手可能な型番９６８ａ（測定範囲０．１ｍｍＨｇ（０．１３３Ｐａ））または６１６Ａ（１ｍｍＨｇ（１．３３Ｐａ））の差圧キャパシタンスメータなどの差圧キャパシタンスメータであってよい。

一の実施形態では、以下の手順により、金属前駆体の気相原料の流量を求めることができる。金属前駆体蒸発システム５０からの金属前駆体の気相原料を気相前駆体供給システム４０を介してプロセスチャンバ１０へ輸送するキャリアガスが、実施しようとする堆積プロセスにおいて用いられる所望の流量に設定される。その後、基準ガスを流し始め、基準ガスの流量を調整して、差圧測定システム９６が目標差圧、たとえば数値ゼロに達して圧力が釣り合う流量を決定する。その流量を決定し維持した後、金属前駆体の気相原料の導入を開始する。これにより、気相前駆体供給システム４０を通して流れるガスには、所望の流量のキャリアガスと、未知の流量の金属前駆体の気相原料とが含まれることとなる。このとき、差圧測定システム９６により差圧が測定され、絶対圧測定システム９８により（絶対）局所圧が測定される。

プロセスチャンバへ流れるガス中のキャリアガス以外の主要なガス種が、金属前駆体の気相原料、たとえばＲｕ_３（ＣＯ）_１２（ｇ）又はＲｅ_２（ＣＯ）_１０（ｇ）であって分解していないものであると仮定すると、測定された差圧と絶対圧との比は、金属前駆体の気相原料の分圧である。その分圧が分かれば、モル比は直接に決まる。すなわち、
ΔＰ／Ｐ＝Ｐ_ａ／Ｐ＝ｎ_ａ／（ｎ_ａ＋ｎ_ｂ）＝ｎ_ａ’／（ｎ_ａ’＋ｎ_ｂ’） （４）
が成り立つ。ここで、ΔＰは差圧であり、Ｐは絶対圧であり、Ｐ_ａはガス種「ａ」の分圧（金属前駆体の気相原料の分圧など）であり、ｎ_ａはガス種「ａ」のモル数であり、ｎ_ｂはガス種「ｂ」（すなわちキャリアガス）のモル数であり、ｎ_ａ’はガス種「ａ」のモル流量であり、ｎ_ｂ’はガス種「ｂ」のモル流量である。差圧および絶対圧の測定値と、キャリアガスの既知の流量（すなわち、ｍ_ｂ’＝ＭＷ_ｂｎ_ｂ’、ただしＭＷ_ｂはガス種「ｂ」の分子量）とから、金属前駆体の気相原料のモル流量、したがって、質量流量（すなわち、ｍ_ａ’＝ＭＷ_ａｎ_ａ’、ただしＭＷ_ａはガス種「ａ」の分子量）が決まる。

図１を更に参照すると、堆積システム１は、堆積システム１を作動させ、その動作を制御するよう構成される制御システム８０を更に含むことができる。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、気相原料分散システム３０、気相前駆体供給システム４０、金属前駆体蒸発システム５０、およびガス供給システム６０と結合される。

他の実施形態において、図２は、ルテニウム（Ｒｕ）などの金属膜を基板に堆積する堆積システム１００を示す。堆積システム１００はプロセスチャンバ１１０を備え、プロセスチャンバ１１０は、金属層が形成される基板１２５を支持するよう構成される基板ホルダ１２０を備える。プロセスチャンバ１１０は、金属前駆体１５２を貯蔵し蒸発させるよう構成される金属前駆体蒸発システム１５０を有する前駆体供給システム１０５と、金属前駆体１５２を輸送するよう構成される気相前駆体供給システム１４０と結合されている。

プロセスチャンバ１１０は、上チャンバ部１１１、下チャンバ部１１２および排気チャンバ１１３を備える。下チャンバ部１１２に開口１１４が形成され、その底部に排気チャンバ１１３が結合されている。

図２を更に参照すると、基板ホルダ１２０は、プロセスの対象である基板（またはウェハ）１２５を支持して水平面を提供する。基板ホルダ１２０は、排気チャンバ１１３の下部から上向きに延びる円筒状支持部材１２２により支持される。基板ホルダ１２０の端に、基板ホルダ１２０上の基板１２５を位置決めするためのガイドリング１２４が任意に設けられる。さらに、基板ホルダ１２０は、基板ホルダ温度制御システム１２８と結合されるヒータ１２６を備える。ヒータ１２６は、たとえば、１以上の抵抗加熱素子を含んでよい。また、ヒータ１２６は、たとえば、タングステン−ハロゲン電球などの輻射加熱システムを含んでもよい。基板ホルダ温度制御システム１２８は、１以上の加熱素子へ電力を供給する電力源と、基板温度もしくは基板ホルダ温度または双方を測定する１以上の温度センサと、基板または基板ホルダの温度の監視、調整、または制御の少なくとも一つを実行するよう構成される制御器と、を含んでよい。

プロセス中、加熱された基板１２５により、金属カルボニル前駆体の気相原料が熱分解し、基板１２５上に金属層が堆積される。一の実施形態においては、金属前駆体は固体の金属前駆体を含む。他の実施形態では、金属前駆体は金属カルボニル前駆体を含む。別の実施形態においては、金属前駆体１５２は、ルテニウムカルボニル前駆体、たとえばＲｕ_３（ＣＯ）_１２とすることができる。さらに別の実施形態では、金属前駆体１５２は、レニウムカルボニル前駆体、たとえば、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０とすることができる。熱ＣＶＤの技術分野の当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、他のルテニウムカルボニル前駆体やレニウムカルボニル前駆体を使用できることを理解するであろう。さらにまた別の実施形態においては、金属前駆体１５２は、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｃｒ（ＣＯ）_６、またはＯｓ_３（ＣＯ）_１２を含んでよい。基板ホルダ１２０は、所望のＲｕ金属層、Ｒｅ金属層または他の金属層を基板１２５上に堆積するのに適した予め定めた温度にまで加熱される。また、チャンバ壁を予め定めた温度に加熱するため、チャンバ温度制御システム１２１と結合されるヒータ（図示せず）をプロセスチャンバ１１０の壁に埋め込むことができる。そのヒータは、プロセスチャンバ１１０の壁の温度を約４０℃から約１００℃に、または約４０℃から約８０℃に維持することができる。プロセスチャンバの圧力を測定するため、圧力ゲージ（図示せず）が使用される。

図２にも示すように、気相原料分散システム１３０は、プロセスチャンバ１１０の上チャンバ部１１１と結合されている。気相原料分散システム１３０は気相原料分散板１３１を備える。気相原料分散板１３１は、気相原料分散プレナム１３２から１以上のオリフィス１３４を通して基板１２５の上方のプロセスゾーン１３３へ前駆体の気相原料を導入するよう構成されている。

さらに、気相前駆体供給システム１４０から気相原料分散プレナム１３２へ気相状の金属前駆体を導入するため、上チャンバ部１１１に開口１３５が設けられている。また、冷却された又は加熱された流体を流すよう構成される同心円状流体チャネルなどの温度制御素子１３６が、気相原料分散システム１３０の温度を制御するために設けられ、気相原料分散システム１３０内で金属カルボニル前駆体が分解するのを防止する。たとえば、水などの流体が、気相原料分散温度制御システム１３８から流体チャネルへ供給される。気相原料分散温度制御システム１３８は、流体源と、熱交換器と、流体温度もしくは気相原料分散板の温度または双方を測定する１以上の温度センサと、気相原料分散板１３１の温度を約２０℃から約１００℃に制御するよう構成される制御器とを含んでよい。

図２に示すとおり、金属前駆体蒸発システム１５０は、金属前駆体１５２を保持し、金属前駆体１５２の温度を上昇させることにより金属前駆体１５２を蒸発（または昇華）させるよう構成される。金属前駆体１５２を加熱するために前駆体ヒータ１５４が設けられ、金属前駆体１５２の蒸気圧が所望の値となる温度に金属前駆体１５２が維持される。前駆体ヒータ１５４は、金属前駆体１５２の温度を制御するよう構成される蒸発温度制御システム１５６と結合されている。たとえば、前駆体ヒータ１５４は、金属前駆体１５２の温度（または蒸発温度）を約４０℃以上に調節するよう構成してよい。また、蒸発温度は約５０℃以上に上げられる。たとえば、蒸発温度は約６０℃以上に上げられる。一の実施形態のおいては、蒸発温度は、約６０℃から約１００℃までの範囲に上げられ、他の実施形態においては、約６０℃から約９０℃までの範囲に上げられる。

金属前駆体１５２が加熱されて蒸発（または昇華）する際、キャリアガスが金属前駆体１５２の上、傍ら、または中を通過する。また、これらのいくつかを組み合わせた態様でキャリアガスを流すようにしてもよい。キャリアガスは、たとえば、希ガス（すなわち、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）などの不活性ガス、もしくは金属カルボニルとともに使用するたとえば一酸化炭素（ＣＯ）のような一酸化物、または、これらの混合ガスを含んでよい。たとえば、キャリアガス供給システム１６０を金属前駆体蒸発システム１５０と結合してよく、これは、たとえば、キャリアガスを金属前駆体１５２の下または上に流すよう構成される。図２には示していないが、キャリアガス供給システム１６０を併せて又は代わりに気相前駆体供給システム１４０と結合して、キャリアガスが気相前駆体供給システム１４０に流入する際または後に、キャリアガスを金属前駆体１５２の気相原料に供給してよい。キャリアガス供給システム１６０は、ガス源１６１と、１以上の制御バルブ１６２と、１以上のフィルタ１６４と、マスフロコントローラ１６５とを備える。たとえば、キャリアガスの質量流量は、約５ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）から約１０００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。一の実施形態においては、キャリアガスの流量は、約１０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。他の実施形においては、キャリアガスの流量は、約２０ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。

また、金属前駆体蒸発システム１５０からの全ガス流を測定するため、センサ１６６が設けられている。センサ１６６は、たとえば、マスフロコントローラを備える。プロセスチャンバ１１０へ供給される金属前駆体の量がセンサ１６６とマスフロコントローラ１６５とを用いて決定される。センサ１６６は、図１を参照しながら上述した、基準ガス源、ベント、１又は２以上のフローコントローラ、およびフロー制限器を備える基準ガスラインを備えるフロー測定システムを含んでよい。ここで、基準ガスラインは、差圧測定システムを介して気相前駆体供給システム１４０と結合されている。また、フロー測定システムは、気相前駆体供給システム１４０と結合される絶対圧測定システムを含んでよい。上述のとおり、金属前駆体の気相原料の量に関するフローパラメータは、フロー測定システムを用いて決定される。

センサ１６６の下流側にバイパスライン１６７が位置している。バイパスライン１６７は、気相前駆体供給システム１４０と排気ライン１１６とを接続する。バイパスライン１６７は、気相前駆体供給システム１４０を排気するため、プロセスチャンバ１１０への金属前駆体の供給を安定化するために、設けられている。また、バイパスライン１６７には、気相前駆体供給システム１４０の分岐点より下流側においてバイパスバルブ１６８が設けられている。

図２を更に参照すると、気相前駆体供給システム１４０は、第１のバルブ１４１と第２のバルブ１４２を有する高コンダクタンス気相原料ラインを備える。また、気相前駆体供給システム１４０は、ヒータ（図示せず）を介して気相前駆体供給システム１４０を加熱するよう構成される気相原料ライン温度制御システム１４３を更に備えてよい。気相原料ラインで金属カルボニル前駆体が凝結するのを避けるため、気相原料ラインの温度が制御される。気相原料ラインの温度は、約４０℃以上とすることができる。また、気相原料ラインの温度は、約４０℃から約１００℃に、または約４０℃から約９０℃に制御される。たとえば、気相原料ラインの温度は、概ね蒸発温度以上の値に設定してよい。

また、希釈ガスを希釈ガス供給システム１９０から供給することができる。たとえば、希釈ガスは、たとえば、希ガス（すなわち、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）などの不活性ガスや、金属カルボニルとともに使用するＣＯガスなどの一酸化物、またはこれらの混合ガスを含むことができる。たとえば、ガス供給システム１９０は、気相前駆体供給システム１４０と結合され、たとえば、金属前駆体の気相原料に対して希釈ガスを混合するよう構成される。希釈ガス供給システム１９０は、ガス源１９１と、１以上の制御バルブ１９２と、１以上のフィルタ１９４と、マスフロコントローラ１９５とを備える。たとえば、希釈ガスの質量流量は、約５ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）から約１０００ｓｃｃｍまでの範囲とすることができる。

マスフロコントローラ１６５、１９５と、バルブ１６２、１９２、１６８、１４１、１４２とは、キャリアガス、金属前駆体の気相原料、および希釈ガスの供給、閉止および流れを制御する制御器１９６により制御される。センサ１６６はまた、制御器１９６に接続されている。制御器１９６は、センサ１６６の出力に基づいて、マスフロコントローラ１９５を流れるキャリアガスの流量を制御し、所望量の金属前駆体の流れをプロセスチャンバ１１０へ導く。

図２に示すように、排気ライン１１６は排気チャンバ１１３をポンプシステム１１８へ接続する。所望の真空度にまでプロセスチャンバ１１０を排気するため、そして、プロセス中にプロセスチャンバ１１０からガス種を除去するため、真空ポンプ１１９が使用される。真空ポンプ１１９に対して直列に自動圧力制御器（ＡＰＣ）１１５とトラップ１１７が使用される。真空ポンプ１１９は、５０００リットル毎秒まで（またはそれ以上）の排気速度を実現できるターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を含んでよい。また、真空ポンプ１１９は、粗引きドライポンプを含んでもよい。プロセス中、キャリアガス、希釈ガス、もしくは金属前駆体の気相原料、またはこれらのいかなる組み合わせかがプロセスチャンバ１１０へ導入され、ＡＰＣ１１５によりチャンバ圧力が調整される。チャンバ圧力は、約１ｍＴｏｒｒ（０．１３３Ｐａ）から約５００ｍＴｏｒｒ（６６．６Ｐａ）までの範囲であってよく、更なる例では、チャンバ圧力は、約５ｍＴｏｒｒ（０．６６６Ｐａ）から約５０ｍＴｏｒｒ（６．６６Ｐａ）までの範囲であってよい。ＡＰＣ１１５は、バタフライバルブまたはゲートバルブを備えるものであってよい。トラップ１１７は、プロセスチャンバ１１０から、副生成物と未反応の金属カルボニル前駆体とを捕集する。

プロセスチャンバ１１０内の基板ホルダ１２０を再び参照すると、図２に示すように、基板１２５を保持し、上昇し、降下するため、３つの基板リフトピン１２７（図では２つのみを示す）が設けられている。基板リフトピン１２７は、板１２３と結合され、基板ホルダ１２０の上面よりも下方にまで下がることができる。たとえば空気シリンダを利用した駆動メカニズム１２９により板１２３を昇降する手段が提供される。基板１２５は、ロボット移送システム（図示せず）により、ゲートバルブ２００およびチャンバフィードスルー通路２０２を通してプロセスチャンバ１１０から出し入れされ、基板リフトピン１２７により受け取られる。基板１２５が移送システムから受け取られると、基板リフトピン１２７を下げることにより、基板１２５は基板ホルダ１２０の上面へと降ろされる。

図２を再び参照すると、制御器１８０は、マイクロプロセッサと、メモリと、デジタルＩ／Ｏポートとを有する。制御器１８０は、処理システム１００の入力と通信してこれを作動させ、処理システム１００からの出力をモニタするに十分な制御電圧を発生することができる。また、処理システム制御器１８０は、プロセスチャンバ１１０；制御器１９６と気相原料ライン温度制御システム１４３と蒸発温度制御システム１５６とを含む前駆体供給システム１０５；気相原料分散温度制御システム１３８；真空ポンプシステム１１８；および基板ホルダ温度制御システム１２８と結合され、情報交換を行う。真空ポンプシステム１１８では、制御器１８０がプロセスチャンバ１１０内の圧力を制御する自動圧力制御器１１５と結合され、情報交換を行う。メモリに保存されたプログラムを用いて、保管されたプロセスレシピに従って、堆積システム１００の上述の部品が制御される。処理システム制御器１８０の一例は、デルプレシジョンワークステーション６１０（商標）であり、これは、テキサス州、ダラスデルコーポレーション社から入手可能である。また、汎用コンピュータ、デジタル信号プロセッサ等で制御器１８０を実現してもよい。

制御器１８０は、堆積システム１００の近傍に設置されてよく、また、インターネットもしくはイントラネットを介して、堆積システム１００から離隔して設置されてもよい。したがって、制御器１８０は、直接接続、イントラネット、またはインターネットのうち少なくとも一つを用いて、堆積システム１００とデータを交換することができる。制御器１８０は、カスタマーサイト（すなわちデバイスメーカ等の側）でイントラネットと結合されてもよく、またベンダーサイト（すなわち機器製造者側）でイントラネットと結合されてもよい。さらに、別のコンピュータ（すなわち制御器、サーバ等）が制御器１８０にアクセスし、直接接続、イントラネット、またはインターネットのうち少なくとも一つを介してデータを交換してもよい。

上述のとおり、従来のシステムでは、金属前駆体の分解および凝結を制限するため、ルテニウムカルボニルの場合であれば、約４０℃から約４５℃までの温度範囲で、気相前駆体供給システムと同様に、金属前駆体蒸発システムもまた動作させるものと考えられてきた。しかし、ルテニウムカルボニル又はレニウムカルボニルなどの金属カルボニルの蒸気圧が低いため、このような温度では、たとえばルテニウム又はレニウムの堆積速度はかなり低い。堆積速度を改善するため、蒸発温度を、約４０℃より高く、たとえば約５０℃より高く上げてよい。基板１枚か数枚に対して、金属前駆体を高温で蒸発させた後には、堆積システムを周期的に洗浄して、堆積システムの内面に形成された残留物を除去するとよい。

図３を参照しながら、基板に高融点金属膜を堆積する方法を説明する。フローチャート３００を用いて、本願の方法に従って堆積システムで金属膜を堆積する各ステップを示す。金属膜の堆積は、ステップ３１０から始まり、まず、金属膜を形成するための基板が堆積システム内に載置される。たとえば、この堆積システムは、図１および図２で説明した堆積システムのいずれかであってよい。堆積システムは、堆積プロセスを進行するためのプロセスチャンバと、プロセスチャンバに設けられ基板を支持するよう構成される基板ホルダとを含むことができる。次いで、ステップ３２０において、金属前駆体が堆積システムに導入される。たとえば、金属前駆体は、気相前駆体供給システムを介してプロセスチャンバと結合される金属前駆体蒸発システムに導入される。たとえば、気相前駆体供給システムを加熱してもよい。

ステップ３３０において、金属前駆体が加熱されて金属前駆体の気相原料が生成される。金属前駆体の気相原料は、それから、気相前駆体供給システムを通してプロセスチャンバに輸送される。ステップ３４０において、金属前駆体の気相原料が分解するに十分な基板温度まで基板が加熱される。ステップ３５０において、基板が金属前駆体の気相原料に晒される。ステップ３１０から３５０が所望の回数連続的に繰り返されて、所望数の基板に金属膜が堆積される。

高融点金属膜が基板に堆積される１枚ごと又は数枚ごとに、ステップ３６０において、堆積システムが周期的に清浄化するとよい。この清浄化は、堆積システムと結合されるｉｎ−ｓｉｔｕ清浄化システム（図示せず）から清浄化用の組成物を導入することにより行われる。この清浄化用の組成物は、たとえば、ハロゲンを含むラジカル、フッ素ラジカル、酸素ラジカル、オゾン、またはこれらの組み合せであってよい。ｉｎ−ｓｉｔｕ清浄化システムは、たとえば、ラジカル発生器またはオゾン発生器を含んでよい。清浄化プロセスを行うときは、「ダミー」基板を用いて基板ホルダを保護するとよい。さらに、金属前駆体蒸発システム、気相前駆体供給システム、プロセスチャンバ、気相原料分散システム、もしくは基板ホルダ、またはこれらのいかなる組み合わせも加熱される。

図４を参照しながら、金属前駆体の気相原料の流量を測定する方法を説明する。金属前駆体の気相原料の流量を測定する方法は、図１および図２で説明した堆積システムのいずれかのような、基板に金属を堆積する堆積システムで利用することができる。この方法は、フローチャート４００により示され、ステップ４１０から始まる。ステップ４１０において、所望の流量のキャリアガスを気相前駆体供給システムを通して流し始める。上述の通り、キャリアガスには、希ガスのような不活性ガスもしくは一酸化炭素のような一酸化物またはこれらの混合物が含まれ得る。図１および図２に示すように、キャリアガスは、キャリアガス供給システムから導入してよい。

ステップ４２０において、基準ガスラインを通して基準ガス（不活性ガスなど）を流し始める。この後、ステップ４３０において、圧力が釣り合うよう基準ガスの流量を調整して、気相前駆体供給システムと基準ラインとの間の差圧を目標値に到達させる。目標値は、たとえば、値ゼロであってよい。

ステップ４４０において、金属前駆体の気相原料は、金属前駆体蒸発システムからキャリアガスへ導入される。その後、ステップ４５０において、気相前駆体供給システムと基準ガスラインとの間の差圧が測定される。また、基準ガスラインの絶対圧が測定される。ステップ４７０において、絶対圧と差圧との測定結果を用いて、金属前駆体の気相原料のフローパラメータを決定する。たとえば、フローパラメータは、質量流量、モル流量、モル数、質量、質量比、モル比、分圧、もしくは濃度、またはこれらの組み合わせを含んでよい。

本発明の好適な実施形態についてのみ詳述したが、当業者であれば、本願発明の新規な教示および利点かから実質的に逸脱することなく、その実施形態において多くの変更が可能であることを直ちに理解するであろう。したがって、そのような変更は、すべて本発明の範囲に含まれると解釈される。

図１は、本発明の一の実施形態による堆積システムの概略図である。 図２は、本発明の他の実施形態による堆積システムの概略図である。 図３は、本発明の一の実施形態による、基板に金属層を堆積する方法を示す図である。 図４は、本発明の実施形態による、金属前駆体の気相原料の流量を測定する方法を示す。

Claims (18)

1. 基板に高融点金属膜を形成する堆積システムであって、
   当該堆積システムは：
   前記基板を支持し前記基板を加熱するよう構成される基板ホルダと、金属前駆体の気相原料を前記基板の上方へ導入するよう構成される気相原料分散システムと、ポンプシステムとを有するプロセスチャンバであり、前記ポンプシステムが当該プロセスチャンバを排気するよう構成されている、プロセスチャンバ；
   金属前駆体を蒸発させるよう構成される金属前駆体蒸発システム；
   前記金属前駆体蒸発システムの出口と結合される第１の端と、前記プロセスチャンバの前記気相原料分散システムの入口と結合される第２の端とを有する気相原料供給システム；
   少なくとも前記金属前駆体蒸発システムもしくは前記気相原料供給システムまたは両者と結合され、キャリアガスを第１のフローとして供給して前記キャリアガスで前記金属前駆体の気相原料を前記気相原料分散システムの前記入口へ輸送するよう構成されるキャリアガス供給システム；
   基準ガスラインと結合され、かつ基準ガスを、第２のフローとして前記基準ガスラインを通して前記第２のフローを排出するように構成されたベントへ供給するよう構成される基準ガス源を含む基準ガス供給システム；及び、
   前記気相原料供給システムを通る、前記金属前駆体蒸気を有するキャリアガス又は前記金属前駆体蒸気を有しないキャリアガスの第1のフローと、前記の基準ガスラインを通る基準ガスの第2のフローとの間の差圧を測定し、かつ前記キャリアガス内に輸送される前記金属前駆体の量に関するフローパラメータを測定する差圧測定システムを有する圧力測定システム；
   を備え、
   前記気相原料供給システムと前記基準ガス供給システムは、前記差圧測定システムのみによって結合する、
   堆積システム。
2. 前記圧力測定システムが、前記気相原料供給システム及び/又は前記フロー測定システムでの絶対圧力を測定するように構成された絶対圧力測定システムをさらに有する、請求項１に記載の堆積システム。
3. 前記基準ガスラインが、前記基準ガスの前記第２のフローの流量を調整し制御するよう構成される基準ガスマスフロコントローラを更に備える、請求項２に記載の堆積システム。
4. 前記フローパラメータが、質量流量、モル流量、モル数、質量、質量比、モル比、分圧または濃度を含む、請求項１に記載の堆積システム。
5. 前記プロセスチャンバ、前記気相原料供給システム、前記金属前駆体蒸発システム、および前記フロー測定システムと結合され、基板温度、蒸発温度、気相原料ライン温度、前記キャリアガスの流量、前記金属前駆体の気相原料、および前記プロセスチャンバ内の圧力のうちの１又は２以上について設定、監視、調整、および制御のうち少なくとも一つを行うよう構成される制御器を更に備える、請求項１に記載の堆積システム。
6. 前記金属前駆体蒸発システムが固体の金属前駆体を蒸発させるよう構成される、請求項１に記載の堆積システム。
7. 前記金属前駆体蒸発システムが金属カルボニル前駆体を蒸発させるよう構成される、請求項１に記載の堆積システム。
8. 前記キャリアガス供給システムが不活性ガスを供給するよう構成される、請求項１に記載の堆積システム。
9. 前記気相原料供給システムが約５０リットル毎秒を超える高いコンダクタンスを有する、請求項１に記載の堆積システム。
10. 基板を支持するよう構成されるプロセスチャンバと、金属前駆体を蒸発させるよう構成される金属前駆体蒸発システムと、前記金属前駆体蒸発システムを前記プロセスチャンバへ結合する気相原料供給システムと、少なくとも前記金属前駆体蒸発システムもしくは前記気相原料供給システムまたはこれら両者と結合され、キャリアガスを供給して前記キャリアガスで前記金属前駆体の気相原料を前記プロセスチャンバへ輸送するよう構成されるキャリアガス供給システムと、さらには前記気相原料供給システムと差圧測定システムを介して結合される基準ガスラインと結合され、基準ガスを前記基準ガスラインを通して供給するよう構成される基準ガス源を含む基準ガス供給システムと、を含む堆積システム内部での前記基板への高融点金属膜の堆積を監視する方法であって：
    前記気相原料供給システムを通るように、前記キャリアガスを所望のフロー速度で流す工程；
    前記基準ガスラインを通して前記基準ガスの基準フローを開始する工程；
    前記圧力測定システムによって、前記の気相原料供給システムを通るキャリアガスの第1のフローと、前記の基準ガスラインを通る基準ガスの基準フローとの間の第１の差圧を測定する工程；
    前記第１の差圧が目標値に達するまで、前記の基準ガスの基準フローを測定しながら調整する工程；
    前記キャリアガスの前記所望のフローに前記金属前駆体の気相原料を導入する工程；
    前記圧力測定システムによって、前記の気相原料供給システムを通る金属前駆体を有するキャリアガスのフローと、前記の基準ガスラインを通る基準フローとの間の第２の差圧を測定する工程；
    前記圧力測定システムによって、前記気相原料供給システムまたは前記基準ガスラインの少なくとも一つにおける絶対圧力を測定する工程；および
    前記第１の差圧と、前記第２の差圧と、前記絶対圧力と、前記キャリアガスの前記所望のフローとを用いて、前記金属前駆体の気相原料の流量に関するフローパラメータ決定する工程；
    を備える方法。
11. 前記金属前駆体の気相原料を導入する前記工程が固体の金属前駆体を蒸発させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記金属前駆体の気相原料を導入する前記工程が金属カルボニルを蒸発させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記金属前駆体の気相原料を導入する前記工程が、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｃｒ（ＣＯ）_６、またはＲｕ_３（ＣＯ）_１２の一つを蒸発させる工程を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記フローパラメータを決定する前記工程が、質量流量、モル流量、モル数、質量、質量比、モル比、分圧、または濃度のうちの１又は２以上を決定する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記キャリアガスが不活性ガスである、請求項１０に記載の方法。
16. 前記不活性ガスが希ガスを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記キャリアガスが一酸化物ガスを含む、請求項１０に記載の方法。
18. 前記一酸化物ガスが一酸化炭素（ＣＯ）を含む、請求項１７に記載の方法。

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