用于形成钌金属覆盖层的方法

专利名称：用于形成钌金属覆盖层的方法
技术领域：
本发明涉及半导体处理和半导体器件，并更具体而言涉及用于制造半导体器件的选择性沉积钌(Ru)金属膜的方法。
背景技术：
集成电路包含各种半导体器件和多个导体金属通路，所述多个导体金属通路为半导体器件提供电功率，并使得这些半导体器件能够共享和交换信息。在集成电路内，使用将金属层彼此隔离的金属间电介质层或层间电介质层，使金属层一层一层堆叠起来。通常，每个金属层必须形成与至少一个附加金属层接触的电接触。通过在将金属层分隔的层间电介质中蚀刻出孔(即，过孔)、并用金属填充所产生的过孔以产生互连，来实现上述电接触。 “过孔”通常指形成于电介质层内的任何凹入特征(例如，孔、刻线或其他类似特征)，所述凹入特征在用金属填充时提供了穿过电介质层到电介质层下方的导电层的电连接。类似的，连接两个或多个过孔的凹入特征通常称作沟槽。在用于制造集成电路的多层金属化方案中使用铜(Cu)金属产生了多个需要解决的问题。例如，Cu原子在电介质材料和Si中的高迁移率会造成Cu原子迁移进入这些材料中，从而形成会毁坏集成电路的电气缺陷。因此，Cu金属层、Cu填充沟槽和Cu填充过孔通常用阻挡层封装，以防止Cu原子扩散进入电介质材料中。阻挡层通常在Cu沉积之前沉积在沟槽和过孔侧壁和底部上，阻挡层可以优选地包括如下所述的材料其在Cu中无反应性和不混溶，并提供与电介质材料的良好粘附并且可以提供低电阻率。对于每个相继的技术节点，集成电路的互连中的电路密度显著增加。因为电迁移 (EM)和应力迁移(SM)寿命与电路密度成反比，所以EM和SM很快成为关键挑战。Cu双镶嵌互连结构中的EM寿命较大程度地取决于块体Cu金属和周围材料(例如，覆盖层)的界面处的Cu原子输运，所述Cu原子输运与这些界面处的粘附直接相关。已经广泛的研究了提供更好的粘附和更长的EM寿命的新的覆盖层材料。例如，已经使用无电镀技术将钴-钨-磷 (CoffP)层选择性地沉积在块体Cu金属上。CoWP和块体Cu金属的界面具有产生更长EM寿命的优良的粘附强度。但是，维持块体Cu金属(特别是紧密间距Cu布线)上可接受的沉积选择性并且维持良好的膜均勻性已经影响了对该复杂工艺的接受。此外，使用酸性溶液的湿法工艺步骤会对使用CoWP不利。因此，需要用于沉积金属覆盖层的新方法，所述金属覆盖层能提供与Cu的良好粘附并提供块体Cu金属的改善的EM和SM特性。具体来说，这些方法应当提供与电介质表面相比在金属表面上金属沉积的良好选择性。

发明内容
本发明的实施例提供了用于将Ru沉积结合于半导体器件制造中以改善Cu金属化中的电迁移和应力迁移的方法。应用本发明的实施例，在使Ru覆盖层以在相对于形成在电介质区域上具有选择性地形成于Cu通路上之前，处理包括Cu通路和电介质区域的平坦化衬底。该处理可以从平坦化衬底去除残余物和氧化铜。在一个示例中，残余物可以包括化学机械平坦化(CMP)工艺中所使用的有机材料。根据本发明的一个实施例，该方法包括在等离子体处理室中提供图案化衬底，其中，图案化衬底包括形成于低k电介质材料中的凹入特征和位于凹入特征上的底部处的第一金属化层。该方法还包括用由包括NH3的第一处理气体在等离子体处理室中所形成的 NHx (x 自由基和H自由基处理图案化衬底；在第一金属化层上形成第一钌(Ru)金属覆盖层；在凹入特征中、包括在低k电介质材料上和在第一 Ru金属覆盖层上沉积阻挡层；和用铜(Cu)金属填充凹入特征。根据本发明的另一实施例，该方法还包括在填充之后，形成具有Cu通路和低k 电介质区域的大致平坦表面；用由包括NH3的第二处理气体在等离子体处理室中所形成的 NHx (x C3)自由基和H自由基处理Cu通路和低k电介质区域；和在处理过的Cu通路上形
成第二 Ru金属覆盖层。根据本发明的另一实施例，该方法包括等离子体处理室中的衬底支架上提供图案化衬底，其中，图案化衬底具有大致平坦表面，所述大致平坦表面具有铜(Cu)通路和低k 电介质区域；用由包括NH3的处理气体在等离子体处理室中所形成的NHx (χ < 3)自由基和 H自由基处理铜(Cu)通路和低k电介质区域；和在处理过的Cu通路上形成钌(Ru)金属覆
盖层ο


参考下面的详细说明，特别是当结合附图考虑时，对本发明和其伴随的许多优点的更全面理解将变得容易，其中图IA示出了根据本发明的实施例的在使用不同的处理条件处理之后的低k材料表面的C/Si、N/Si、和Ο/Si比率；图IB示出了根据本发明的实施例的Ru金属在处理过的低k材料上相对于在Cu 金属上的沉积选择性；图2A和2B示出了含疏水性表面和亲水性表面的SiCOH低k材料的示意性截面示图；图3A-3E示出了根据本发明的实施例的使Ru金属覆盖层结合于双镶嵌互连结构中的示意性截面示图；图4示出了根据本发明的实施例的用于处理衬底的等离子体处理系统的示意图5根据本发明的实施例的用于沉积Ru金属膜的热化学气相沉积(TCVD)系统的示意图；并且图6示出了根据本发明的另一实施例的用于沉积Ru金属膜的另一 TCVD系统的示意图。
具体实施例方式本发明的实施例提供了用于使Ru金属覆盖层结合于半导体器件的Cu金属化中以改善器件中的电迁移(EM)和应力迁移(SM)的方法。该方法提供了 Ru金属覆盖层沉积在金属表面(例如，Cu通路)上相对于沉积在Cu通路之间的电介质表面上的选择性的提高。 选择性的Ru金属沉积带来了在Cu路径之间的电介质区域上Ru金属杂质的量减少，以及线间击穿与漏电性能的裕度提高。本领域技术人员会认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者使用其他替代和/或附加的方法、材料或组件，来实施各种实施例。在其他示例中，没有详细示出或描述已知的结构、材料、或操作，以避免影响对本发明的各种实施例的各方面的理解。 类似的，为了进行说明，给出了具体数字、材料、和构造，以有助于透彻理解本发明。此外，应当理解，图中所示的各种实施例是示例性的表示，并不一定按比例绘制。整个说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例所描述的具体特征、结构、材料或特性被包含在本发明的至少一个实施例中，但并不表示这些具体特征、结构、材料或特性出现在每个实施例中。因此，整个说明书的各处出现用语“在一个实施例中” 或“在实施例中”并不一定指本发明的同一个实施例。将低k SiCOH材料结合于半导体制造中出现了很多问题。例如，这些材料很脆 (即，具有低粘附强度、低断裂伸长率、和低断裂韧性)，液态水和水蒸气进一步减小材料的粘附强度，当碳(C)键合成Si-CH3基团时，低k SiCOH材料容易与光阻剂剥离等离子体和其他结合工艺发生反应，从而毁坏这些材料。为了提高在Cu通路上相对于在电介质区域上沉积Ru金属覆盖层的选择性，本发明人研究了在Ru金属沉积之前对包含Cu金属的衬底和包含低k电介质材料的衬底的不同表面处理的效果。低k电介质材料是具有小于S^2 (k 3.9)的介电常数(k)的电介质材料。图IA示出了来自验收态低k材料表面和使用不同处理(工艺)条件处理之后的低k材料表面的X射线光电光谱分析(XPS)测量得到的碳(C)/Si、氮(N)/Si、和氧(0)/ Si比率。所研究的低k材料是可从位于加州圣克拉拉市的应用材料公司购得的BLACK DIAMOND II (BD II)SiC0H材料。BD II具有沉积在300mm Si晶片上的150nm的厚度。将 Si晶片引入真空处理工具中，一旦进入真空处理工具中，Si晶片首先在IOTorr的氩(Ar) 气环境中在350°C的衬底(晶片)温度下脱气持续80秒。执行脱气以从SiCOH材料的表面去除污染物，例如，水和任何其他残留气体。在脱气之后，一些Si晶片使用不同的处理条件进一步处理。同时参考表1，不同的处理条件包括在260°C的衬底温度下60秒的处理气体暴露。处理条件包括处理条件#3) 在1. 5Torr的气压下的热(无等离子体)处理情况下的吐气体；处理条件#4)使用3Torr 的气压和中等射频(RF)功率(700W)所等离子体激发的吐气体；处理条件#5)使用3Τοπ· 的气压和高RF功率(1000W)所等离子体激发的吐气体；处理条件#6) ITorr的气压和热(无等离子体)处理情况下的NH3气体；处理条件#7)使用ITorr的气压和50W的低RF功率所等离子体激发的NH3气体；处理条件#8)使用3Τοπ·的气压和50W的低RF功率所等离子体激发的NH3 ；和处理条件#9)使用3Torr的气压和50W的低RF功率所等离子体激发的 N2/H2气体混合物(500sccm的N2+2000sccm的H2)。在包括开槽平面天线(SPA)的等离子体处理室中执行使用处理条件#3)-#6)的处理。题为“Plasma processing apparatus for etching,ashing,and film-formation” 的美国专利 No. 5，024, 716 中描述了包括 SPA 的等离子体处理室；该专利申请的内容通过引用整体结合于此。在图4中示意性描述的等离子体处理系统中执行使用处理条件#7)-#9)的处理。表 1
处理条件序号脱气处理条件温度 (0C)时间 (秒)气体温度 (0C)压力 (Torr)RF功率(W)时间 (秒)1基准———2只脱气35080~—~~3热H235080H22601.5604H2等离子体，中等RF35080H22603700605H2等离子体，高RF35080H226031000606热NH335080NH32601~607NH3等离子体35080NH3260150608N3等离子体，高压力35080NH3260350609氏饭2等离子体35080N2/H226015060在表1中所述的处理之后，从真空处理工具中取出Si晶片，通过XPS在空气中测量C/Si、N/Si和Ο/Si比率。在表1和图IA中，基准样本指的是在XPS分析之前没有脱气或进一步处理的验收态SiCOH材料。图IA示出，相对于处理条件#1) SiCOH基准(无处理)、 处理条件把)只脱气、使用处理条件把)和#6)的无等离子体处理、和使用处理条件#8)的处理(所述处理条件#8)使用在高气压下等离子体激发以形成NHx (χ 自由基和H自由基的NH3气)，使用处理条件#4)、#5)、#7)和#9)的等离子体处理产生了低C/Si比率和高Ο/Si比率。图2A和2B分别示出含疏水性表面和亲水性表面的SiCOH低k材料的示意性截面示图。图2A示意性的示出了含疏水性表面214的SiCOH低k材料204。表面214几乎不含有金属前驱体吸附位，因此将表面214暴露于金属前驱体产生长潜伏期(incubation time)并导致在疏水性表面214上延迟的金属沉积。图2B示意性地示出了含亲水性表面214，的SiCOH低k材料204，。亲水性表面 214’包含多个金属前驱体吸收位230，通过从图2A中的表面214去除CHx基团形成所述金属前驱体吸收位230。与图2A中的疏水性表面214相比，吸收位230的存在被认为显著减小金属沉积的潜伏期。再参考图认，确信对于使用处理条件#4)、#5)、#7)、和#9)的等离子体处理所观察到的低C/Si比率是由于通过等离子体处理从疏水性表面214去除了 CHx，从而形成亲水性表面214’。但是，本发明人发现，使用处理条件#8)的等离子体处理并不明显改变C/Si比率。这个结果被认为是由于与在使用处理条件#4)、#5)、#7)、和#9)的等离子体处理中将SiCOH低k材料暴露于H离子和NHx (x ( 3)离子相比，在使用处理条件#8)的等离子体中将SiCOH低k材料暴露于NHx (χ彡3)自由基和H自由基。根据本发明的实施例，疏水性表面214对于Ru金属覆盖层沉积是优选的，因为其能够实现并增强在Cu金属和对于Ru金属沉积具有短潜伏期的其他金属上的选择性的Ru金属覆盖层沉积。图IB示出了根据本发明的实施例的Ru金属沉积在处理过的低k材料上相对于在 Cu金属上的选择性。在上面参考图IA描述了不同的处理条件。在每个处理过程之后，原位沉积Ru金属膜，而不将处理过的低k材料暴露于空气。为了比较，Ru金属膜还沉积在通过离子化物理气相沉积(IPVD)形成于300mm的Si晶片上的Cu金属膜上。所有的Ru金属膜都是使用包含Ru3O (CO) 12前驱体蒸气和CO载气的处理气体在热CVD处理(无等离子体) 中沉积的。在190°C的衬底温度下将Si晶片暴露于处理气体持续60秒，以在Cu金属膜上形成具有4-5nm的厚度的Ru金属膜，而只有微量的Ru金属形成于低k材料表面上。Cu金属膜上的Ru金属膜厚度可与半导体器件中的Cu通路和金属化层上的Ru金属覆盖层中可以使用的厚度相当。在图IB中，根据等式(1)计算Ru金属CVD选择性(Sku)Sku= (Rucu-Ru 低 k)/Rucu(1)其中，Ruai表示Cu金属膜上沉积的Ru金属的量，Rutek表示低k材料上所沉积的 Ru金属的量。根据等式(1)，等于1的选择性表示相对于在低k材料上，Ru金属理想的选择性沉积在Cu金属膜上，等于0的选择性表示Ru金属在Cu金属上和在低k材料上无选择性的沉积。通过X射线荧光光谱分析(XRF)异位测量RUa^PRUiSk。美国专利7，270，848 和美国专利申请No. 11/853，393(代理案号No. TTCA-227)和No. 12/018，074(代理案号 No. TTCA-256)中描述了使用Ru3O(CO)12和CO载气的Ru金属沉积处理的示例。上述专利申请的全部内容通过引用结合于此。再参考表1，图IB示出了对于只脱气的低k材料、在H2气中热处理(无等离子体) 的或在高气压下在NH3中等离子体处理的低k材料，Ru金属沉积选择性最高。相比之下，对于使用处理条件#4)、#5)、#7)、和#9)所等离子体处理的低k材料，Ru金属沉积选择性显著减小。总之，图IA和IB中所示的实验结果示出高C/Si比率与高Ru金属沉积选择性相关。尽管只脱气的低k材料显示出良好的Ru金属沉积选择性，但是仅脱气对于去除Cu通路上所形成的氧化Cu没有效果。但是，根据本发明的实施例，在高气压下用NH3U S3)自由基和H自由基加工(处理)图案化衬底的方法从Cu通路去除了氧化Cu，并提供极好的在 Cu通路上的Ru金属沉积选择性。本发明的实施例提供了用于在包含低k材料的图案化衬底上的处理过的金属表面(例如，Cu金属)上高度选择性地沉积Ru金属膜的方法。图案化衬底可以包括在低k电介质材料中的高深宽比凹入特征，所述高深宽比凹入特征至少用Cu金属基本填充，从而在凹入特征中形成Cu通路。根据本发明的一个实施例，凹入特征可以包括双镶嵌互连结构， 所述双镶嵌互连结构包含形成于图案化衬底中的沟槽和过孔。过孔可以具有大于或等于约2 1的深宽比(深度/宽度)，例如，3 1、4 1、5 1、6 1、12 1、15 1、或更高。过孔可以具有约200nm或更小的宽度，例如，150nm、lOOnm、65nm、45nm、32nm、20nm或更小。但是，由于可以使用其他深宽比或过孔宽度，所以本发明的实施例不限于这些深宽比或过孔宽度。图3A-3E示出了根据本发明的实施例的使Ru金属膜结合于双镶嵌互连结构中的示意性截面示图。图3A示出了根据本发明的实施例的包含双镶嵌互连结构300的图案化衬底的示意性截面示图。可以使用本领域技术人员众所周知的标准光刻和蚀刻方法形成双镶嵌互连结构300。应当理解，本发明的实施例还可以应用于更简单或更复杂的双镶嵌互连结构和低k材料中所形成的其他类型的凹入特征。在图3A中，双镶嵌互连结构300包括在电介质层304中所蚀刻的凹入特征350，所述凹入特征350包括沟槽352和过孔354。此外，双镶嵌互连结构300在过孔304的底部处包括金属化层302(例如，Cu金属或钨(W)金属)。例如，电介质层304可以包括低k电介质材料，例如，氟硅玻璃(FSG)、掺碳氧化物、聚合物、含SiCOH低k材料、非多孔低k材料、多孔低k材料、CVD低k材料、旋涂电介质(SOD)低k材料、或任何其他适合的电介质材料。除了 BD II之外，可购得其他含碳材料，包括可从Dow Chemical得到的Silk 和Cyclotene (苯并环丁烯)。尽管没有示出，但是互连结构300可以包括附加层，例如，沟槽蚀刻终止层、 位于电介质层301和304之间的过孔蚀刻终止层、和使金属化层302与电介质层301分开的阻挡层。根据本发明的一个实施例，使用由包括NH3的处理气体在等离子体处理室中所形成的NHx (χ S3)自由基和H自由基来处理图3A中示出的图案化衬底。所述处理可以包括将图案化衬底加热到500°C以下(例如在150°C和400°C之间)的衬底温度，还可以包括稀有气体，例如氩(Ar)。在一个示例中，可以使用纯NH3。在一个示例中，可以使用10 1 的NH3/Ar。在一个示例中，等离子体处理室中的处理气体的气压大于1 Torr，例如，2I~0rr、 3Torr、或大于3Torr。在一个示例中，通过将小于100W的RF功率施加到衬底支架来在等离子体处理室中产生等离子体，所述衬底支架构造成支承衬底(晶片)。例如，RF功率可以包括90、80、70、60、50、或者甚至小于50瓦(W)。根据本发明的实施例，在处理过程中，选择等离子体条件，使得抑制将衬底暴露于等离子体中所形成的离子。可以使用低等离子体功率和高处理气体气压，实现将衬底暴露于NHx(X^B)自由基和H自由基，但是抑制将衬底暴露于等离子体中所形成的离子。在处理之后，如图;3B所示，可以在金属化层302上形成第一 Ru金属覆盖层312。 根据本发明的一个实施例，第一 Ru金属覆盖层312可以选择性的沉积在金属化层302上。 例如，可以在将图案化衬底加热到100°C到300°C之间的衬底温度时沉积第一 Ru金属覆盖层312。可以使用包含Ru3 (CO) 12前驱体蒸气和CO气体的处理气体在TCVD处理中沉积第一 Ru金属覆盖层312。在一个示例中，第一 Ru金属覆盖层312的平均厚度可以在2埃(1埃 =I(TiciHi)和 100 埃之间，例如，约 2、5、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、或 100 埃。但是， 本发明的实施例不限于这些厚度，可以形成并利用更厚的第一 Ru金属覆盖层。根据一个实施例，在金属化层302上第一 Ru金属覆盖层312的表面覆盖不完全，具有暴露出金属化层 302的间隙。根据一个实施例，可以在同一处理室中执行处理和第一 Ru金属膜的沉积。可选的，可以在不同的处理室中执行处理和Ru金属膜沉积。根据本发明的实施例，可以从图:3B中所示的双镶嵌互连结构300省略第一 Ru金属覆盖层312。图3C示意性的示出了阻挡层318形成于凹入特征350中，平坦化Cu通路322形成于凹入特征350中的阻挡层318上。通过用块体Cu金属填充凹入部分350并使用平坦化工艺(例如，化学机械抛光(CMP)工艺)去除过量的Cu金属，可以形成平坦化Cu通路 322。如图3C示意性所示，平坦化处理还从低k电介质区域314去除阻挡层318。块体Cu 金属沉积工艺是电路制造领域的普通技术人员众所周知的，例如，可以包括电化学镀工艺或无电镀工艺。此外，CMP工艺是本领域普通技术人员众所周知的。尽管图3C中只示出了单一 Cu通路322，但是本领域技术人员很容易认识到半导体器件包括多个Cu通路322。例如，阻挡层318可以包括含钽(Ta)材料(例如，Ta、TaC, TaN、或I1aCru或其组合)、含钛(Ti)材料(例如，Ti、TiN、或其组合)、或含钨(W)材料(例如，W、WN、或其组合)。在一个示例中，阻挡层318可以包括使用交替暴露于叔戊基亚胺-三(二甲基氨基) 钽(Ta(NC(CH3)2C2H5) (N(CH3)2)3)和H2来在等离子体增强原子层沉积(PEALD)系统中沉积的TaCN。在另一示例中，阻挡层318可以包括形成于含Ta层上或含Ti层上的Ru金属层， 例如，Ru/TaN、Ru/TaCN、Ru/TiN、或Ru/TiCN。在另一示例中，阻挡层318可以包括Ru和含 Ta材料的混合物或者Ru和含Ti材料的混合物，例如，RuTaN, RuTaCN, RuTiN、或RuTiCN。继续参考图3C，低k电介质区域314包括残余物317和形成于Cu通路322上的氧化铜层315。残余物317和氧化铜层315可以是通过CMP工艺形成的。残余物317可以包括作为CMP工艺中通常使用的化学剂的苯并三嗪(BTA)。根据另一实施例，在图3C中的结构中可以不具有残余物317、不具有氧化铜层315、或不具有残余物317与氧化铜层315两者ο根据本发明的一个实施例，在形成图3C中的双镶嵌互连结构300之后，用由包含 NH3的处理气体在等离子体中所产生的NHx(X^B)自由基和H自由基，处理平坦化块体Cu 通路322和低k电介质区域314。图3D中示出了产生的结构。所述处理可以包括将图案化衬底加热到500°C以下(例如，在150°C和400°C之间)的衬底温度，还可以包括稀有气体， 例如氩(Ar)。在一个示例中，可以使用纯NH3。在一个示例中，可以使用10 1的NH3/Ar混合物。在一个示例中，等离子体处理室中的处理气体的气压大于lTorr，例如，Zhrrdl^rr、 或大于3Torr。在另一示例中，通过将小于100W的RF功率施加到衬底支架，来在等离子体处理室中产生等离子体，所述衬底支架构造成支承衬底(晶片)。根据本发明的实施例，在处理过程中，选择等离子体条件，从而抑制将衬底暴露于等离子体中所形成的离子。使用低等离子体功率和高处理气体气压，实现将衬底暴露于NHx (χ S3)自由基和H自由基，但是避免将衬底暴露于等离子体中所形成的离子。在处理之后，如图3E所示，第二 Ru金属覆盖层3M被选择性地沉积在处理过的平坦化Cu通路322上。例如，可以在将图案化衬底加热到100°C与300°C之间的衬底温度的情况下，沉积第二 Ru金属覆盖层324。可以使用包含Ru3(CO)12前驱体蒸气和CO气体的处理气体在TCVD处理中沉积第二 Ru金属覆盖层324。在一个示例中，第二 Ru金属覆盖层 324的平均厚度可以在2埃(1埃=I(Ticim)和100埃之间，例如，约2、5、10、15、20、30、40、 50、60、70、80、90、或100埃。但是，本发明的实施例不限于这些厚度，可以形成并利用更厚的第二 Ru金属覆盖层324。根据一个实施例，在Cu通路322上第二 Ru金属覆盖层324的表面覆盖可以不完全，具有暴露出平坦化Cu通路322的间隙。根据一个实施例，可以在同一处理室中执行处理和Ru金属膜沉积。可选的，可以在不同的处理室中执行处理和Ru金属膜沉积。
在第二 Ru金属覆盖层选择性地沉积在Cu通路322上之后，进一步处理图3E中所示的部分地制造的半导体器件。图3F示出了沉积在第二 Ru金属覆盖层3M上和低k电介质区域314上的共形覆盖层326。例如，覆盖层3 可以包括氮化硅或碳氮化硅。根据本发明的一个实施例，在沉积覆盖层3 之前，可以在存在H2、&、或NH3、或其组合的情况下，在将图案化衬底加热到150°C和400°之间的衬底温度时，以等离子体处理或非等离子体处理来处理第二 Ru金属覆盖层3 和低k电介质区域314。在一个示例中，可以用如上所述的NHx (x^ 3)自由基和H自由基处理第二 Ru金属覆盖层3M和低k电介质区域314。图4示出了根据本发明的实施例的用于处理衬底的等离子体处理系统的示意图。 等离子体处理系统400包括处理室410，所述处理室410具有构造成支承衬底425的衬底支架420。处理室410还包括上部组件430，所述上部组件430连接到处理气体供应系统440 和吹扫气体供应系统442。此外，等离子体处理系统400包括衬底温度控制系统460，所述衬底温度控制系统460连接到衬底支架420，并被构造成升降控制衬底425的温度。继续参考图4，等离子体处理系统400可以被构造成处理200mm的衬底、300mm的衬底、或更大尺寸的衬底。事实上，如本领域技术人员将会意识到的，可以考虑将沉积系统构造成处理衬底、晶片或LCD，而无论其尺寸多少。因此，虽然将结合对半导体衬底的处理来描述的本发明的多个方面，但是本发明并不仅限于此。处理气体供应系统440被构造成用于将处理气体引导到处理室410。根据本发明的实施例，处理气体可以包括NH3、或者NH3和稀有气体。此外，吹扫气体供应系统442可以被构造成将吹扫气体引导到处理室410。继续参考图4，等离子体处理系统400包括等离子体产生系统451，所述等离子体产生系统451被构造成在将处理气体引导到处理室410的过程的一部分过程中产生等离子体。等离子体产生系统451可以包括第一功率源450，所述第一功率源450连接到处理室 410，并构造成将功率耦合到处理室410。第一功率源450可以是可变功率源，可以包括射频(RF)发生器和阻抗匹配网络，还可以包括电极，RF功率通过所述电极耦合到处理室410 中的等离子体。电极可以形成于上部组件430中，并且电极可以构造成与衬底支架420相对。阻抗匹配网络可以构造成，通过使匹配网络的输出阻抗与处理室(包括电极和等离子体)的输入阻抗相匹配，来优化将来自RF发生器的RF功率传输到等离子体。例如，阻抗匹配网络用于通过减小反射功率，来改进将RF功率传输到处理室410中的等离子体。匹配网络拓扑(例如，L型、π型、T型等)和自动控制方法是本领域技术人员公知的。可选的，第一功率源450可以包括RF发生器和阻抗匹配网络，还可以包括天线 (例如电感线圈)，RF功率通过所述天线耦合到处理室410中的等离子体。例如，天线可以包括例如电感耦合等离子体源或螺旋波源中的螺旋或螺线线圈，或者例如，天线可以包括像在变换耦合等离子体源中那样的扁平线圈。可选的，第一功率源450可以包括微波频率发生器，还可以包括微波天线和微波窗，由此微波功率耦合到处理室410中的等离子体。使用电子回旋共振(ECR)技术可以完成微波功率的耦合，或者可以使用表面波等离子体技术来利用微波功率的耦合，例如开槽平面天线(SPA),如题为"Plasma processing apparatus for etching, ashing, and film-formation”的美国专利No. 5，024，716中所描述的；所述专利的内容通过引用整体结合于此。
根据本发明的一个实施例，等离子体处理系统400包括衬底偏压产生系统453，所述衬底偏压产生系统453被构造成，在至少部分的将处理气体引导到处理室410的过程中， 通过对衬底支架420加偏压来产生或辅助产生等离子体446。衬底偏压产生系统453可以包括衬底功率源452，所述衬底功率源452连接到处理室410，并被构造成将功率耦合到衬底425。衬底功率源452可以包括RF发生器和阻抗匹配网络，还可以包括电极，RF功率通过所述电极耦合到衬底425。电极可以形成于衬底支架420中。例如，可以通过将来自RF 发生器(未示出)的RF功率经过阻抗匹配网络(未示出)传输到衬底支架420，来以RF电压对衬底支架420施加电偏压。RF偏压的通常频率可以在从约0. IMHz到约IOOMHz的范围内变化，可以是13. 56MHz。用于等离子体处理的RF偏压系统是本领域技术人员公知的。 可选的，在多个频率下将RF功率施加到衬底支架电极。尽管等离子体产生系统451和衬底偏压产生系统453在图4中示出为独立的实体，但是其实际上可以包括连接到衬底支架420的一个或多个功率源。继续参考图4，等离子体处理室400包括衬底温度控制系统460，所述衬底温度控制系统460连接到衬底支架420，并升降控制衬底425的温度。衬底温度控制系统460包括温度控制元件，例如包括再循环冷却液流的冷却系统，所述再循环冷却液流从衬底支架420 接收热量并将热量传输到热交换系统(未示出)，或者在加热时，传输来自热交换系统的热量。此外，温度控制元件可以包括加热/冷却元件，例如，电阻加热元件、或热电加热器/冷却器，所述加热/冷却元件可以被包含在衬底支架420中、被包含在处理室410的室壁中、 以及等离子体处理系统400内的任何其他组件中。为了改进衬底425和衬底支架420之间的热传输，衬底支架420可以包括机械夹紧系统或电夹紧系统(例如静电夹紧系统)，以将衬底425固定到衬底支架420的上表面。 此外，衬底支架420还可以包括衬底背侧气体输送系统，所述衬底背侧气体输送系统被构造成将气体引导到衬底425的背侧，以提高衬底425和衬底支架420之间的气隙热导率。当需要在提高或降低的温度下对衬底温度控制时，可以利用上述系统。例如，衬底背侧气体系统可以包括两区气体分布系统，其中，在衬底425的中心和边缘之间可以独立地改变氦气间隙压力。此外，处理室410还可以通过导管438连接到压力控制系统432，所述压力控制系统432包括真空泵系统434和阀436，其中压力控制系统432构造成可控制地将处理室410 排空到适合于处理衬底425的压力。真空泵系统434可以包括能够实现高达约5000升每秒(和更大)的泵送速度的涡轮分子泵(TMP)或低温泵，阀436可以包括用于调节室压力的闸阀。此外，用于监视室压力的设备(未示出)可以连接到处理室410。例如，压力测量系统可以是绝对容量压力计。继续参考图4，控制器470可以包括微处理器、存储器、和数字输入/输出端口，所述数字输入/输出端口能够产生足以通信和激活对处理系统400的输入以及监视来自等离子体处理系统400的输出的控制电压。此外，控制器470可以与处理室410、衬底支架420、 上部组件430、处理气体供应系统440、吹扫气体供应系统442、第一功率源450、衬底功率源 452、衬底温度控制系统460、和压力控制系统432连接并交换信息。例如，可以利用存储在存储器中的程序，根据处理流程来激活等离子体处理系统的上述组件的输入，以执行处理过程。
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但是，控制器470可以实现为通用计算机系统，所述通用计算机系统响应于执行存储器中所包括的一个或多个由一个或多个指令构成的序列的处理器，执行本发明的基于微处理器的处理步骤中的一部分或全部。上述指令可以从另一计算机可读介质(例如，硬盘或可移动介质驱动器)读入控制器存储器中。多处理配置中的一个或多个处理器可以用作控制器微处理器，以执行主存储器中所包括的指令的序列。在可选实施例中，硬连线电路可以用于代替软件指令，或与软件指令一起使用。因此，实施例不限于硬件电路和软件的任意具体组合。控制器470包括至少一个计算机可读介质或存储器(例如，控制器存储器)，用于保存根据本发明的教导所编程的指令，和用于容纳执行本发明所需的数据结构、表、记录、或其他数据。计算机可读介质的示例是光盘、硬盘、软盘、磁带、磁光盘、PR0M(EPR0M、 EEPR0M、闪存EPR0M)、DRAM、SRAM、SDRAM、或任何其他磁性介质、光盘(例如，CD-ROM)、或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、或具有孔的图案的其他物理介质、载波(下面描述)、或计算机可读的任何其他介质。本发明包括存储在任何一个计算机可读介质或计算机可读介质的组合上的软件， 所述软件用于控制控制器470、用于驱动用于实现本发明的一个或多个设备，和/或用于使得控制器能够与人类用户交互。上述软件可以包括但不限于设备驱动、操作系统、开发工具、和应用软件。上述计算机可读介质还包括本发明的计算机程序产品，用于执行在实现本发明时所执行的全部或一部分(如果分布处理)的处理。本发明的计算机编码设备可以是任何可解释或可执行的编码机制，包括但不限于脚本、可解释程序、动态链接库(DLL)、Java类、和完全可执行程序。此外，为了更好的性能、 可靠性和/或成本，本发明的一部分的处理可以分布处理。在此所使用的术语“计算机可读介质”表示参与为执行而向控制器470的处理器提供指令的任何介质。计算机可读介质可以采取很多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质、和传输介质。例如，非易失性介质包括光盘、磁盘、和磁光盘，例如硬盘或可移动介质驱动器。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器。此外，计算机可读介质的各种形式可以参与为执行而实现对控制器的处理器的一个或多个由一个或多个指令构成的序列。 例如，指令可以最初记录在远程计算机的磁盘上。远程计算机可以将用于实现全部或一部分的本发明的指令远程载入动态存储器中，并通过网络将指令发送到控制器470。控制器470可以相对于等离子体处理系统400位于本地，或者其可以相对于等离子体处理系统400处于远程。例如，控制器470可以使用直接连接、局域网、互联网和无线连接中的至少一种与等离子体处理系统400交换数据。控制器470可以连接到例如客户站点(即，器件制造商等)处的内联网，或者其可以连接到例如供应商站点(即，装备制造商) 处的内联网。此外，例如，控制器470可以连接到互联网。此外，例如，另一计算机(即，控制器、服务器等)可以通过直接连接、内联网、互联网中的至少一种访问控制器470以交换数据。本领域技术人员同样可以理解，控制器470可以通过无线连接与等离子体处理系统 400交换数据。图5示出了根据本发明的实施例的用于由Ru3 (CO) 12前驱体蒸气和CO气体沉积Ru 金属膜的热化学气相沉积(TCVD)系统1的示意图。沉积系统1包括处理室10，所述处理室 10具有构造成支承图案化衬底25的衬底支架20，Ru金属膜形成于所述图案化衬底25上。处理室10通过气相前驱体输送系统40连接到金属前驱体蒸发系统50。处理室10还通过导管36连接到真空泵系统38，其中，真空泵系统38构造成将处理室10、气相前驱体输送系统40和金属前驱体蒸发系统50排空到适合于在图案化衬底25 上形成Ru金属膜、和适合于在金属前驱体蒸发系统50中蒸发Ru3 (CO)12前驱体52的压力。继续参考图5，金属前驱体蒸发系统50构造成存储Ru3(CO)12前驱体52、将 Ru3(CO)12前驱体52加热到足以蒸发Ru3(CO)12前驱体52的温度、并将Ru3(CO)12前驱体蒸气引导到气相前驱体输送系统40。在金属前驱体蒸发系统50中在所选择的加热条件下， Ru3 (CO) 12前驱体52是固体。为了实现用于使固体Ru3 (CO) 12前驱体52升华的期望温度，金属前驱体蒸发系统50连接到蒸发温度控制系统M，所述蒸发温度控制系统M被构造成控制蒸发温度。例如，可以将Ru3(CO)12前驱体52的温度提升到约40°C到约150°C之间。可选的， 蒸发温度可以维持在约60°C到约90°C。当加热Ru3 (CO) 12前驱体52以引起升华时，含CO气体越过或经过Ru3 (CO) 12前驱体52，以在Ru3 (CO) 12前驱体蒸气形成时将其捕获。含CO气体包括CO和可选择的惰性载气，例如队、或稀有气体(即，He、Ne、Ar、Kr、或Xe)、或其组合。 在存在CO气体的情况下蒸发Ru3 (CO) 12前驱体可以减小如下问题将Ru3 (CO) 12前驱体蒸气输送到图案化衬底受到限制。已经表明，在Ru3(CO)12前驱体蒸气形成时将CO气体加入到 Ru3(CO)12前驱体蒸气使得能够提高蒸发温度。提高的温度增大了 Ru3(CO)12前驱体的蒸气压，促进了将Ru3(CO)12前驱体输送到处理室，并因此增大Ru金属膜在图案化衬底25上的沉积率。美国专利7，270，848中描述了，使用CO气体来减少在将Ru3(CO) 12前驱体输送到处理室10之前在气相前驱体输送系统40中Ru3(CO)12前驱体的过早分解，已经表明会促进将Ru3(CO)12前驱体蒸气有效传输到处理室来沉积Ru金属膜，该专利的全部内容通过引用结合于此。在一个示例中，金属前驱体蒸发系统50可以是构造为有效蒸发和传输Ru3(CO)12 蒸气的多盘蒸发系统。2004年11月四日递交的题为“Multi-Tray Film Precursor Evaporation System and Thin Film Deposition System Incorporating Same，，白勺美国专利申请No. 10/998, 420中描述了示例性的多盘蒸发系统。例如，气体供应系统60连接到金属前驱体蒸发系统50，例如，气体供应系统60构造成将C0、载气、或其混合物，通过供给管线61供应到Ru3(CO)12前驱体52下方，或者通过供给管线62供应到Ru3(CO)12前驱体52上方。此外，气体供应系统60在金属前驱体蒸发系统50的下游连接到前驱体输送系统40，以在Ru3 (CO) 12前驱体52的蒸气进入气相前驱体输送系统40时或之后，将气体通过供给管线63供应到Ru3(CO)12前驱体52的蒸气。此外， 在将图案化衬底25暴露于Ru3(CO)12前驱体蒸气和CO气体之前，可以利用供给管线63，来用包含CO气体的预处理气体预处理图案化衬底25，以使图案化衬底25的暴露表面充满吸附的⑶。尽管没有示出，但是气体供应系统60可以包括载气源、CO气体源、一个或多个控制阀、一个或多个过滤器、和质量流量控制器。例如，含CO气体的流率可以在约0. 1标况立方厘米每分钟(Sccm)和约IOOOsccm之间。可选的，含CO气体的流率可以在约IOsccm和约500sccm之间。可选的，含CO气体的流率可以在约50sccm和约200scmm之间。根据本发明的实施例，含CO气体的流率可以在从约0. Isccm到约lOOOsccm的范围内变化。可选的，含CO气体的流率可以在约Isccm和约500sccm之间。在金属前驱体蒸发系统50的下游，包含Ru3 (CO) 12前驱体蒸气和CO气体的处理气体流过气相前驱体输送系统40，直到处理气体通过连接到处理室10的蒸气分配系统30进入处理室10。气相前驱体输送系统40可以连接到蒸气管线温度控制系统42，以控制蒸气管线温度，并防止Ru3(CO)12前驱体蒸气分解，以及防止Ru3(CO)12前驱体蒸气冷凝。例如，气相前驱体输送系统可以保持在50°C和100°C之间的温度。继续参考图5，蒸气分配系统30形成处理室10的一部分并连接到处理室，蒸气分配系统30包括蒸气分配充气室32，蒸气在通过蒸气分配板34并进入图案化衬底25上方的处理区域33之前分散在所述蒸气分配充气室32中。此外，蒸气分配板34可以连接到分配板温度控制系统35，所述分配板温度控制系统35构造成控制蒸气分配板34的温度。一旦包含Ru3(CO) 12前驱体蒸气和CO气体的处理气体进入处理室10的处理区域 33，则由于图案化衬底25的提高的温度，Ru3(CO)12前驱体蒸气在衬底表面处吸附时发生热分解，而在图案化衬底25上形成Ru金属膜。衬底支架20构造成依靠将衬底支架20连接到衬底温度控制系统22来提升图案化衬底25的温度。例如，衬底温度控制系统22可以构造成将图案化衬底25的温度提升到高达约500°C。此外，处理室10可以连接到室温度控制系统12，所述室温度控制系统12构造成控制室壁的温度。继续参考图5，沉积系统1还可以包括控制系统80，所述控制系统80构造成操作并控制沉积系统1的运行。控制系统80连接到处理室10、衬底支架20、衬底温度控制系统22、室温度控制系统12、蒸气分配系统30、气相前驱体输送系统40、金属前驱体蒸发系统 50、和气体供应系统60。图6示出了根据本发明的实施例的用于由Ru3 (CO) 12前驱体蒸气和CO气体沉积Ru 金属膜的另一 TCVD系统的示意图。沉积系统100包括处理室110，所述处理室110具有构造成支承图案化衬底125的衬底支架120，Ru金属膜形成于所述图案化衬底125上。处理室 110连接到前驱体输送系统105，所述前驱体输送系统105具有金属前驱体蒸发系统150和气相前驱体输送系统140，所述金属前驱体蒸发系统150构造成存储和蒸发Ru3(CO)12前驱体152，所述气相前驱体输送系统140构造成将Ru3(CO)12前驱体的蒸气传输到处理室110。处理室110包括上部室部分111、下部室部分112、和排气室113。开口 114形成于下部室部分112内，下部室部分112在所述开口 114处与排气室113连接。继续参考图6，衬底支架120提供了用以支承待处理的图案化衬底(晶片)125的水平表面。衬底支架120可以由圆柱支承构件122支承，所述圆柱支承构件122从排气室 113的下部向上延伸。此外，衬底支架122包括加热器126，所述加热器1 连接到衬底支架温度控制系统128。例如，加热器1 可以包括一个或多个电阻加热元件。可选的，例如， 加热器126可以包括辐射加热系统，例如钨卤素灯。衬底支架温度控制系统1 可以包括用于为一个或多个加热元件提供功率的功率源、用于测量衬底温度或衬底支架温度或上述两者的一个或多个温度传感器、和控制器，所述控制器构造成执行对图案化衬底125或衬底支架120的温度进行监视、调整、或控制中的至少一种。在处理过程中，加热的图案化衬底125可以使Ru3 (CO) 12前驱体热分解，并使得Ru 金属膜能够沉积在图案化衬底125上。将衬底支架120加热到适合于将期望的Ru金属膜沉积在图案化衬底125上的预定温度。此外，连接到室温度控制系统121的加热器(未示
15出)可以嵌入处理室110的壁中，以将室壁加热到预定温度。加热器可以将处理室100的壁的温度维持在从约40°C到约150°C，或从约40°C到约80°C。压力计(未示出)用于测量处理室压力。根据本发明的实施例，处理室压力可以在约ImTorr和约500mTorr之间。可选的，处理室压力可以在约IOmTorr和IOOmTorr之间。同样在图6中示出，蒸气分配系统130连接到处理室110的上部室部分111。蒸气分配系统130包括蒸气分配板131，所述蒸气分配板131构造成将来自蒸气分配充气室132 的前驱体蒸气通过一个或多个孔134引导到图案化衬底125上方的处理区域133。此外，在上部室部分111中设置开口 135，用于将来自气相前驱体输送系统140的包含Ru3(CO)12前驱体蒸气和CO气体的处理气体引导到蒸气分配充气室132中。此外，设置温度控制元件136(例如，构造成流入冷却的或加热的流体的同心流体通道)，用于控制蒸气分配系统130的温度，从而防止蒸气分配系统130内部的Ru3(CO)12前驱体蒸气分解或冷凝。例如，可以从蒸气分配温度控制系统138将流体(例如水)供应到流体通道。蒸气分配温度控制系统138可以包括流体源、热交换器、用于测量流体温度或蒸气分配板温度或上述两者的一个或多个温度传感器、和控制器，所述控制器构造成将蒸气分配板131的温度控制在从约20°C到约150°C。对于Ru3(CO)12前驱体，蒸气分配板131的温度可以保持在或高于约65°C的温度，以避免在蒸气分配板131上前驱体冷凝。如图6中所示，金属前驱体蒸发系统150构造成保持Ru3(CO) 12前驱体152，并通过提升Ru3 (CO)12前驱体的温度来使Ru3 (CO)12前驱体152蒸发(或升华)。术语“汽化”、“升华”和“蒸发”在此可替换的使用，以表示总体由固体或液体前驱体形成蒸汽(气体)，而不考虑该转变是例如从固体到液体到气体、从固体到气体、或是从液体到气体。提供前驱体加热器154，用于加热Ru3 (CO) 12前驱体，以使Ru3 (CO) 12前驱体保持在产生Ru3 (CO) 12前驱体 152的期望的蒸气压的温度。前驱体加热器1 连接到蒸发温度控制系统156，所述蒸发温度控制系统156构造成控制Ru3(CO)12前驱体152的温度。例如，前驱体加热器IM可以构造成将Ru3(CO)12前驱体152的温度调整到从约40°C到约150°C，或从约60°C到约90°C。当加热Ru3(CO)12前驱体152以引起蒸发(或升华)时，含CO气体越过或经过 Ru3(CO) 12前驱体152，以在Ru3(CO) 12前驱体蒸气形成时捕获Ru3(CO) 12前驱体蒸气。含CO 气体包括CO和可选择的惰性载气，例如N2、或稀有气体(即，He、Ne、Ar、Kr、Xe)。例如，气体供应系统160连接到金属前驱体蒸发系统150，例如，气体供应系统160构造成使CO气体流动经过或流动穿过Ru3(CO)12前驱体152。尽管在图6中没有示出，但是气体供应系统 160也可以连接到气相前驱体输送系统140，以在Ru3(CO)12前驱体152的蒸气进入气相前驱体输送系统140时或之后将CO气体供应到Ru3(CO)12前驱体152的蒸气，以例如在将图案化衬底125暴露于包含Ru3 (CO) 12前驱体蒸气和CO气体的处理气体之前，用包含CO气体的预处理气体预处理图案化衬底125，以使图案化衬底125的暴露表面充满吸附的CO。气体供应系统160可以包括气体源161，一个或多个控制阀162、一个或多个过滤器164、和质量流量控制器165，所述气体源161包括惰性载气、CO气体、或其混合物。例如， 含CO气体的质量流率可以在从约0. Isccm到约lOOOsccm的范围内。此外，设置传感器166，用于测量来自金属前驱体蒸发系统150的总气流量。例如， 传感器166可以包括质量流量控制器，可以使用传感器166和质量流量控制器165确定输送到处理室110的Ru3(CO)12前驱体蒸气的量。可选地，传感器166可以包括用以测量流到
16处理室110的气流中Ru3(CO)12前驱体的浓度的光吸收传感器。旁路管线167可以位于传感器166的下游，旁路管线167可以将气相前驱体输送系统140连接到排气管线116。提供旁路管线167用于排空气相前驱体输送系统140，和用于使将Ru3(CO)12前驱体蒸气和CO气体向处理室110的供应稳定。此外，在旁路管线167上设置位于气相前驱体输送系统140的分支的下游的旁路阀168。继续参考图6，气相前驱体输送系统140包括分别具有第一和第二阀141和142的高流导蒸气管线。此外，气相前驱体输送系统140还可以包括蒸气管线温度控制系统143， 所述蒸气管线温度控制系统143构造成通过加热器(未示出)加热气相前驱体输送系统 140。可以控制蒸气管线的温度，以避免在蒸气管线中Ru3(CO)12前驱体蒸气的冷凝。蒸气管线的温度可以从约20°C到约100°C，或从40°C到约90°C。此外，可以从气体供应系统190供应CO气体。例如，气体供应系统190连接到气相前驱体输送系统140，例如，气体供应系统190构造成，例如在阀141的下游在气相前驱体输送系统140中，用包含CO气体、或额外的CO气体与Ru3(CO)12前驱体蒸气的混合物的预处理气体预处理图案化衬底125。气体供应系统190可以包括CO气体源191、一个或多个控制阀192、一个或多个过滤器194、和质量流量控制器195。例如，CO气体的质量流率可以在从约0. Isccm到约IOOOsccm的范围内变化。通过控制器196控制质量流量控制器165和195、阀162、192、168、141和142，所述控制器196控制惰性载气、CO气体和Ru3(CO)12前驱体蒸气的供应、切断和流动。传感器 166也连接到控制器196，根据传感器166的输出，控制器196可以通过质量流量控制器165 控制载气流，以获得流到处理室110的期望的Ru3(CO)12前驱体流。如图6所示，排气管线116将排气室113连接到真空泵系统118。使用真空泵119， 以将处理室110排空到期望的真空度，并在处理过程中从处理室110去除气态物质。可以与真空泵119串联地使用自动压力控制器(APC) 115和捕集器117。真空泵119可以包括能够实现高达500升每秒(或更大)的泵送速度的涡轮分子泵(TMP)。可选的，真空泵119 可以包括干式粗抽泵。在处理过程中，可以将处理气体引导到处理室110中，可以通过APC 115调节室压。APC 115可以包括蝶型阀或闸阀。捕集器117可以从处理室110收集未反应的Ru3(CO) 12前驱体材料和副产物。再参考处理室110中的衬底支架120，如图6所示，提供三个衬底升降销127(只示出了两个)，用于保持、升高、和降低图案化衬底125。衬底升降销127连接到板123，并且可以被降低到低于衬底支架120的上表面。例如，使用气缸的驱动机构1 提供用于升高和降低板123的装置。图案化衬底125可以经由自动传送系统(未示出)通过阀200和室馈通通路202被传送进出处理室110，并被衬底升降销127所接收。一旦从传送系统接收到图案化衬底125，可以降低衬底升降销127来将图案化衬底125降低到衬底支架120的上表 继续参考图6，沉积系统180包括微处理器、存储器、和数字输入/输出端口，所述数字输入/输出端口能够产生足以通信和激活沉积系统100的输入以及监视来自沉积系统 100的输出的控制电压。此外，控制器180可以与处理室110、前驱体输送系统105、蒸气分配温度控制系统138、真空泵系统118、和衬底支架温度控制系统1 连接并交换信息，所述前驱体输送系统105包括控制器196、蒸气管线温度那个控制系统143、和蒸发温度控制系统156。在真空泵系统118中，控制器180与用于控制处理室110中的压力的APC 115连接并交换信息。可以利用存储在存储器中的程序，根据所存储的处理流程来控制沉积系统 100的上述组件。控制器180可以实现为通用计算机系统，所述通用计算机系统响应于执行存储器中所包括的一个或多个由一个或多个指令构成的序列的处理器，执行本发明的一部分或全部的基于微处理器的处理步骤。上述指令可以从另一计算机可读介质(例如，硬盘或可移动介质驱动器)读入控制器存储器中。多处理配置中的一个或多个处理器也可以用作控制器微处理器，以执行主存储器中所包括的指令的序列。在可选实施例中，硬连线电路可以用于代替软件指令，或与软件指令一起使用。因此，实施例不限于硬件电路和软件的任意具体组合。控制器180包括至少一个计算机可读介质或存储器(例如，控制器存储器)，用于保存根据本发明的教导所编程的指令，和用于容纳执行本发明所需的数据结构、表、记录、或其他数据。计算机可读介质的示例是光盘、硬盘、软盘、磁带、磁光盘、PR0M(EPR0M、 EEPR0M、闪存EPR0M)、DRAM、SRAM、SDRAM、或任何其他磁性介质、光盘(例如，CD-ROM)、或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、或具有孔的图案的其他物理介质、载波(下面描述)、或计算机可读的任何其他介质。本发明包括存储在任何一个计算机可读介质或计算机可读介质的组合上的软件， 所述软件用于控制控制器180、用于驱动用于实现本发明的一个或多个设备，和/或用于使得控制器能够与人类用户交互。上述软件可以包括但不限于设备驱动、操作系统、开发工具、和应用软件。上述计算机可读介质还包括本发明的计算机程序产品，用于执行在实现本发明时所执行的全部或一部分(如果分布处理)的处理。本发明的计算机编码设备可以是任何可解释或可执行的编码机制，包括但不限于脚本、可解释程序、动态链接库(DLL)、Java类、和完全可执行程序。此外，为了更好的性能、 可靠性和/或成本，本发明的一部分的处理可以分布处理。在此所使用的术语“计算机可读介质”表示参与为执行而向控制器180的处理器提供指令的任何介质。计算机可读介质可以采取很多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质、和传输介质。例如，非易失性介质包括光盘、磁盘、和磁光盘，例如硬盘或可移动介质驱动器。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器。此外，计算机可读介质的各种形式可以参与为执行而实现对控制器的处理器的一个或多个由一个或多个指令构成的序列。 例如，指令可以最初记录在远程计算机的磁盘上。远程计算机可以将用于实现全部或一部分的本发明的指令远程载入动态存储器中，并通过网络将指令发送到控制器180。控制器180可以相对于沉积系统100位于本地，或者控制器180可以相对于沉积系统100处于远程。例如，控制器180可以使用直接连接、内联网、互联网和无线连接中的至少一种与沉积系统100交换数据。控制器180可以连接到例如客户站点(即，器件制造商等)处的内联网，或者其可以连接到例如供应商站点(即，装备制造商)处的内联网。此外，例如，控制器180可以连接到互联网。此外，例如，另一计算机(即，控制器、服务器等) 可以通过直接连接、内联网、互联网中的至少一种访问控制器180以交换数据。本领域技术人员同样可以理解，控制器180可以通过无线连接与沉积系统100交换数据。已经在各种实施例中描述了用于将选择性的Ru沉积结合于半导体器件制造中以
18提高Cu金属化中的EM和SM的多个实施例。对本发明的实施例的上面的描述是为了说明和描述的目的而呈现的，并非意味着是穷尽性的或将本发明限定于所公开的精确形式。本说明书和权利要求书包括仅作说明之用而不应解释为限制性的术语。例如，在此(包括在权利要求书中)所使用术语“在……上”并不一定表示所针对的膜直接位于图案化衬底上和与衬底直接接触；膜和衬底之间可以存在有第二膜或其他结构。 本领域技术人员可以理解，根据上述教导能够存在多种修改和变化。本领域技术人员将认识到图中所示的各种组件的各种等价组合和替换。因此，意在并非由详细的说明书而是由所附的权利要求书来限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于形成半导体器件的方法，其包括如下步骤在等离子体处理室中的衬底支架上设置图案化衬底，所述图案化衬底包括形成于低k 电介质材料中的凹入特征和位于所述凹入特征上的底部处的第一金属化层；用由包括NH3的第一处理气体在所述等离子体处理室中形成的NHx (x ^ 3)自由基和H 自由基处理所述图案化衬底；在所述第一金属化层上形成第一钌(Ru)金属覆盖层；在所述凹入特征中、包括在所述低k电介质材料上和在所述第一 Ru金属覆盖层上沉积阻挡层；和用铜(Cu)金属填充所述凹入特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述图案化衬底的步骤还包括以下特征在所述等离子体处理室中的用于所述第一处理气体的大于ITorr的气压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述图案化衬底的步骤还包括通过将小于 IOOff的RF功率施加到所述衬底支架来由所述第一处理气体产生等离子体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述图案化衬底的步骤避免将所述图案化衬底暴露于离子。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成的步骤包括第一Ru金属覆盖层以相对于形成在所述低k电介质材料上具有选择性地形成在所述第一金属化层上。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一处理气体由NH3组成。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低k电介质材料包括SiCOH材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一Ru金属覆盖层包括在热化学气相沉积处理中将所述图案化衬底暴露于包括Ru3 (CO) 12前驱体蒸气和CO气体的沉积气体。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤在填充之后，形成具有Cu通路和低k电介质区域的大致平坦表面； 用由包括NH3的第二处理气体在所述等离子体处理室中形成的NHx (x ^ 3)自由基和H 自由基，处理所述Cu通路和所述低k电介质区域；和在处理过的Cu通路上形成第二 Ru金属覆盖层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，处理所述Cu通路和所述低k电介质区域的步骤还包括以下特征在所述等离子体处理室中的用于所述第二处理气体的大于ITorr的气压。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，处理所述Cu通路和所述低k电介质区域还包括通过将小于IOOW的RF功率施加到所述衬底支架来由所述第二处理气体产生等离子体。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，处理所述Cu通路和所述低k电介质区域的步骤避免将所述Cu通路和所述低k电介质区域暴露于离子。
13.一种用于形成半导体器件的方法，其包括如下步骤在等离子体处理室中的衬底支架上提供图案化衬底，所述图案化衬底具有大致平坦表面，所述大致平坦表面具有铜(Cu)通路和低k电介质区域；用由包括NH3W处理气体在所述等离子体处理室中形成的NHx (χ S3)自由基和H自由基，处理所述铜(Cu)通路和所述低k电介质区域；和在处理过的Cu通路上形成钌(Ru)金属覆盖层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，处理所述Cu通路和所述低k电介质区域的步骤还包括以下特征所述等离子体处理室中的用于所述处理气体的大于ITorr的气压。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，处理所述Cu通路和所述低k电介质区域还包括通过将小于IOOW的RF功率施加到所述衬底支架来由所述处理气体产生等离子体。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，处理所述Cu通路和所述低k电介质区域的步骤避免将所述Cu通路和所述低k电介质区域暴露于离子。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述形成步骤包括，将Ru金属覆盖层以相对于形成在所述低k电介质区域上具有选择性的方式形成在所述Cu通路上。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述处理气体由NH3组成。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述低k电介质材料包括SiCOH材料。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述Ru金属覆盖层的步骤包括在热化学气相沉积处理中将所述Cu通路和所述低k电介质区域暴露于包括Ru3 (CO) 12前驱体蒸气和 CO气体的沉积气体。
全文摘要
本发明提供了用于将钌(Ru)金属沉积结合于半导体器件制造中以改善铜(Cu)金属中的电迁移和应力迁移的方法。本发明的实施例包括用NHx(x≤3)自由基和H自由基处理包括金属层和低k电介质材料的图案化衬底，以提高Ru金属层在金属层上相对于在低k电介质材料上的选择沉积。
文档编号H01L21/44GK102165573SQ200980138541
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月29日 优先权日2008年9月29日
发明者弗兰克·M·切里奥, 水野茂, 石坂忠大 申请人:东京毅力科创株式会社