JP2003055769A - 化学的強化剤処理チャンバ及び該半導体素子の銅薄膜堆積装置 - Google Patents

化学的強化剤処理チャンバ及び該半導体素子の銅薄膜堆積装置

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ピョ，スン・ギュ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒処理とプラズマ処理を可能にするととも
に銅薄膜堆積後に表面に発生した残留物をプラズマ処理
を介して除去できるようにするチャンバを含むＣＥ処理
チャンバ及びそれを用いた半導体素子の銅薄膜堆積装置
を提供する。 【解決手段】 液体気化装置を介してＣＥを伝えるＣＥ
供給ラインと、気化ガスを送るガス供給ラインと、前記
双方のラインに連結されてＣＥを一次的に均一化する第
一シャワーヘッドと、第１シャワーヘッドから一次的に
均一化されたＣＥを二次的に均一化する第２シャワーヘ
ッドと、二次的に均一化されたＣＥを噴射するシャワー
ヘッド噴射装置と、一、二次的に均一化されたＣＥをウ
ェハに供給するために複数のホールが形成されたノズル
と、ノズルから供給されるＣＥをウェハにシーリング
し、ＣＥがウェハウェッジ側に堆積されないようにして
後続汚染を防止するエッジベータシーリング装置と、第
１、第２シャワーヘッドの動作による第１、第２シャワ
ーヘッドとウェハ間のギャップを最小化する動き補償装
置とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の堆積
装置に関するもので、特に、触媒処理とＣＶＤ銅堆積を
同一チャンバで行う場合にスループットの減少とチャン
バ汚染の問題を解決した化学的強化剤(Chemical Enhanc
er:以下ＣＥと称する)処理チャンバ及びそれを使用した
半導体素子の銅薄膜堆積装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、半導体素子の高性能化傾向に沿
って半導体素子の速度向上及び信頼度面に関心が高まっ
ている。特に、現在半導体素子の速度向上及び信頼度を
高めるために用いられる銅配線は主に電気メッキ法を用
いて堆積する方法を用いている。
【０００３】しかしながら、電気メッキ法は、安定でか
つきれいな銅シード層の薄膜堆積の工程が必要であっ
て、シード層への依存度が強く、また０．１μｍＴｅｃ
ｈ級では限界に至ると予想される。従って、半導体素子
の急激な高性能化の傾向によってコンタクトサイズの減
少と激しいアスペクト比の増加が予想される次世代半導
体素子の銅配線には有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）の工
程が有利である。
【０００４】しかしながら、ＭＯＣＶＤ法を用いた金属
薄膜の堆積は銅薄膜の低い堆積速度によって常用化に問
題がある。また、ＭＯＣＶＤ法による金属薄膜の堆積の
場合、現在まで接合特性及び組織(texture）が不良で、
堆積速度が非常に遅く、現在広く適用されている電気メ
ッキ法よりコスト面から非常に劣悪であるという短所が
あった。
【０００５】なお、ＭＯＣＶＤ法による金属薄膜の堆積
時の触媒などの化学物質を均一に添加することで堆積速
度を向上させ、かつ金属薄膜の基本特性を向上させるこ
とができるが、バリアを堆積した後、ｉｎ−ｓｉｔｕア
ニーリングを行い、プラズマ加熱が可能な触媒を用いる
ＣＶＤ装置クラスターが無くて開発が遅れている。
【０００６】すなわち、上記のような従来の半導体素子
の銅薄膜堆積装置においては次のような問題があった。
【０００７】ＭＯＣＶＤ法を用いて金属薄膜を堆積する
場合、堆積速度が遅い。また、金属薄膜の堆積速度を向
上させるために触媒を用いても触媒を均一に供給するの
が困難であり、また、触媒によって異物が発生すること
になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点を解決するためのもので、触媒供給を制御し
てウエハの汚染を防止できるＣＥ処理チャンバと、ウエ
ハの表面に発生した異物を除去すると同時に表面を均一
化させることができる増薄膜体積装置を提供することが
目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明によるＣＥ処理チャンバは、液体気化装置を介
してＣＥを送るＣＥ供給ラインと、気化ガスを送るガス
供給ラインと、ＣＥ供給ラインとガス供給ラインとに連
結されてＣＥを一次的に均一化する第一シャワーヘッド
と、第１シャワーヘッドの下端に取り付けられて第１シ
ャワーヘッドから一次的に均一化されたＣＥを二次的に
均一化する第２シャワーヘッドと、前記第２シャワーヘ
ッドの下端部に取り付けられて二次的に均一化されたＣ
Ｅを噴射するシャワーヘッド噴射装置と、前記シャワー
ヘッド噴射装置の下端部に取り付けられて前記一、二次
的に均一化されたＣＥをウェハに供給するために複数の
孔が形成されたノズルと、前記ノズルから供給されるＣ
Ｅをウェハにシーリング及びＣＥがウェハエッジ側に堆
積されないようにして後続汚染を防止するエッジベータ
シーリング装置と、ウェハの下端部に取り付けられてウ
ェハを加熱するヒータ装置と、第１、第２シャワーヘッ
ドの動作による第１、第２シャワーヘッドとウェハ間の
ギャップを最小化する動き補償装置とからなる。
【００１０】また、前記目的を達成するための半導体素
子の銅薄膜堆積装置は、ウェハの工程前後の処理を行う
ロードロックと、ウェハを所望の位置に至るように整列
させるアライナと、ウェハの表面にガスなどの異物質を
除去する脱ガスチャンバと、前記ウェハを各チャンバに
入／出力させるためのロボット付きの移送チャンバと、
前記移送チャンバによって移送されたウェハにプラズマ
を用いてパターンの内外部をクリーニングするプリクリ
ーニングチャンバと、前記プリクリーニングされたウェ
ハ上にバリア金属を堆積するバリア金属堆積チャンバ
と、バリア金属上に銅(Ｃｕ)膜堆積前にＣＥの均一な処
理のためのＣＥ処理チャンバと、バリア金属上に銅膜の
堆積工程を行うＣＶＤ銅堆積チャンバと、ＣＥ処理チャ
ンバによって均一なＣＥ処理後銅膜の均一な堆積を実現
するためにプラズマ処理及び銅膜の表面に発生している
異物質などのＣＥを除去するためのプラズマ処理チャン
バとからなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明実施形態を更に詳細に説明する。
【００１２】図１は本実施形態によるＣＥ処理チャンバ
の概略的な構成を示す図である。図１に示すように、Ｌ
ＤＳ又はバブラー(bubbler）タイプの液化気化装置を介
してＣＥを送り込むＣＥ供給ライン２１と、ＣＥ供給ラ
イン２１に沿って取り付けられて１〜５０００ｓｃｃｍ
の流量を有するＨｅ、Ｈ２ 、Ａｒなどの気化ガスを送
るガス供給ライン２２と、ＣＥ供給ライン２１に連結さ
れＣＥを一次的に均一化する第１シャワーヘッド２３
と、第１シャワーヘッド２３の下端に取り付けられて第
１シャワーヘッド２３から一次的に均一化されたＣＥを
二次的に均一化する第２シャワーヘッド２４と、第２シ
ャワーヘッド２４の下端部に取り付けられて二次的に均
一化されたＣＥを噴射するシャワーヘッド噴射装置２５
と、シャワーヘッド噴射装置２５の下端部に取り付けら
れて一、二次的に均一化されたＣＥをウェハ２６に供給
するために一定間隔で設けられ０．１〜５ｍｍサイズの
孔からなるノズル２７と、ノズル２７の孔を介して供給
されるＣＥをウェハ２６の全面にシーリング及びＣＥが
ウェハ２６エッジ側に堆積されないようにして後続汚染
を防止するために１〜１０ｍｍまで調節できるエッジベ
ータシーリング装置２８と、ウェハ２６の下端部に取り
付けられてウェハ２６を加熱するヒータ装置２９と、第
１、第２シャワーヘッド２３、２４の動作による第１，
第２シャワーヘッド２３、２４とウェハ２６間のギャッ
プの間隔を１〜５０ｍｍまで調節できる動き補償装置３
０とからなる。
【００１３】前記第１シャワーヘッド２３と第２シャワ
ーヘッド２４との間には、第１シャワーヘッド２３から
一次的に均一化されたＣＥを第２シャワーヘッド２４に
送るために金属性基板に０．１〜３ｍｍ直径の貫通孔３
１ａが複数形成された供給ライン３１が追加されて配置
されている。その貫通孔３１ａは正方形状であり、貫通
孔３１ａ間の間隔は一定である。
【００１４】なお、ＣＥはＣＨ２Ｉ２、ＣＨ３Ｉ、Ｃ２
Ｈ５ＩなどのＩを含む物質又はＦ、Ｃｌ、Ｉ、Ｂｒなど
の元素周期率表のＶＩＩ族物質である。
【００１５】前記のように構成された本実施形態による
ＣＥ処理チャンバは次のように動作する。先ず、ウェハ
２６が本発明のＣＥ処理チャンバに挿入されると、ヒー
タ装置２９が動作し、ウェハ２６がエッジベータシーリ
ング装置２８に至ることによってＣＥ処理が開始され
る。まず、エッジベータシーリング装置２８にシーリン
グされたウェハ２６へ供給されるＣＥは、ＬＤＳ又はバ
ブラータイプの液体気化装置を介して送られ、ＣＥ供給
ライン２１を経由して第１シャワーヘッド２３に到達す
る。第１シャワーヘッド２３に到達したＣＥは第１シャ
ワーヘッド２３で一次的に均一化され、継続して供給ラ
イン３１の貫通孔３１ａを介して第２シャワーヘッド２
４を介してさらに均一化される。
【００１６】次に、第２シャワーヘッド２４を介して均
一化されたＣＥは一定間隔で孔が形成されたノズル２７
を介してウェハ２６の全面に均一に噴射される。この時
噴射されたＣＥはエッジベータシーリング装置２８によ
ってブロッキングされる。
【００１７】なお、エッジベータシーリング装置２８は
ＣＥがウェハ２６のエッジ側、すなわち周辺側が不均一
になるのを調節して、ウェハ２６の不要な部分にＣＥが
吸着されることを防止して、後続の堆積工程時に過剰な
銅堆積とか汚染を防止する機能を行う。
【００１８】また、ＣＥ処理が完了するとガス供給ライ
ン２２を介して供給されるＨｅ、Ｈ ２、Ａｒなどの気化
ガスが第１、第２シャワーヘッド２３、２４とウェハ２
６及びエッジベータシーリング装置２８まで浄化し、ウ
ェハ２６上に不完全に吸着されたＣＥを除去してノズル
２７を介して排出する。
【００１９】なお、図２ａは本発明のＣＥ処理チャンバ
におけるＣＥ処理前の状態を示す図であり、図２ｂは本
発明のＣＥ処理チャンバにおけるＣＥ処理時の状態を示
す図である。図３は本発明によるＣＥ処理チャンバを用
いた半導体素子の銅薄膜堆積装置を示す構成図である。
図３に示すように、ロードロック４１、アライナ４２、
脱ガスチャンバ４３、プリクリーニングチャンバ４４、
バリア金属堆積チャンバ４５、ＣＥ処置チャンバ４６、
ＣＶＤ銅堆積チャンバ４７、プラズマ処理チャンバ４
８、移送チャンバ４９からなる。
【００２０】即ち、本発明は、ＣＥＣＶＤ銅工程におい
てＣＥ処理と銅の均一な堆積のためのプラズマ処理を可
能にし、ＣＥＣＶＤ銅堆積した後、表面に発生している
残留物ＣＥをプラズマ処理によって除去可能にするチャ
ンバを含むスーパーフィリングのための装置構成が必要
である。これに対する装置構成とその詳細なウェハフロ
ーは次のようである。
【００２１】図３に示すように、ウェハの工程前後の処
理を行うロードロック４１と、ウェハを所望の位置に至
るように整列させるアライナ４２と、ウェハの表面にガ
スなどの異物質を除去する脱ガスチャンバ４３と、ウェ
ハを各チャンバに入／出力させるためにロボット付きの
移送チャンバ４９と、移送チャンバによって移送された
ウェハにプラズマを用いてパターンの内外部をクリーニ
ングするプリクリーニングチャンバ４４と、プリクリー
ニングチャンバされたウェハ上にＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬ
Ｄ方法などを用いてバリア金属を堆積するバリア金属堆
積チャンバ４５と、バリア金属上に銅(Ｃｕ)膜堆積前に
ＣＥの均一な処理のためのＣＥ処理チャンバ４６と、前
記バリア金属上に銅膜の堆積工程を行うＣＶＤ銅堆積チ
ャンバ４７と、ＣＥ処理チャンバによって均一なＣＥ処
理後、銅膜の均一な堆積を実現するためにプラズマ処理
及び銅膜の表面に発生している異物質などのＣＥを除去
するプラズマ処理チャンバ４８とからなる。
【００２２】以下、このように構成された本発明による
ＣＥ処理チャンバを用いた半導体素子の銅配線堆積装置
の動作を説明する。
【００２３】まず、ロードロック４１を介してウェハが
入ってくるとアライナ４２はウェハを所望の位置にアラ
インし、そのアラインされたウェハの表面に発生してい
る異物質を脱ガスチャンバ４３から除去する。次にウェ
ハを移送チャンバ４９を介してプリクリーニングチャン
バ４４に移動させてウェハに全面に亘ってＡｒ、Ｈｅな
どを用いたＤＦＥ(Dual Frequency Etch)又はハロゲン
ガスを用いたリアクティブクリーニングでプリクリーニ
ング工程を行う。次に、プリクリーニングされたウェハ
を更に移送チャンバ４９を用いてバリア金属堆積チャン
バ４５に移動させてウェハの全面にＰＶＤ方法、イオン
化ＰＶＤ方法、ＣＶＤ方法、ＡＬＤ方法などを用いてバ
リア金属を堆積する。
【００２４】ここで、バリア金属としてはＴａ、Ｔａ
Ｎ、ＷＮｘ、ＴｉＮ、ＴｉＡＩＮ、ＴａＳＩＮ、ＴｉＳ
ｉＮなどを用いる。また、バリア金属が堆積されたウェ
ハを移送チャンバ４９を用いてプラズマ処理チャンバ４
８に移動させ、プラズマを介してバリア金属膜の表面に
発生した異物質を除去するとともに表面を均一化させ
る。
【００２５】次に、移送チャンバ４９を用いてウェハを
ＣＥ処理チャンバ４６に移動させ、ウェハの全面に均一
にＣＥを吸着させ、さらに、移送チャンバ４９を用いて
ＣＥが均一に吸着されたウェハをＣＶＤ銅堆積チャンバ
４７内に移動させてバリア金属上に銅薄膜を堆積する。
【００２６】ここで、ＣＥ処理チャンバ４６は直接噴
射、スピンコーティング、シャワーヘッド方式などのＣ
Ｅ処理が可能なチャンバを用い、ＣＶＤ銅堆積チャンバ
４７を用いて銅薄膜を堆積する時、バリア金属膜を堆積
した後プラズマ処理チャンバ４８を用いてプラズマ処理
を行うことができる。
【００２７】また、ＣＶＤ銅薄膜の接着を改善するため
にＡＧＬ(Adhesion Glue Layer)でフラッシュ銅を堆
積するＡＧＬフラッシュ銅チャンバを設定して１０〜５
００Å厚さに堆積可能し、１〜５００ｋＷのパワーを有
するチャンバとしてロングスロー(long throw)、ＰＶ
Ｄ、イオン化ＰＶＤ方式の堆積方法を有するチャンバを
用いることができる。
【００２８】なお、ＣＶＤ銅堆積チャンバ４７は５０〜
３００℃まで堆積が可能な温度範囲を有する。次に、銅
薄膜が堆積されたウェハを移送チャンバ４９を用いてプ
ラズマ処理チャンバ４８に移動させて銅薄膜を堆積する
ために用いられたＣＥ及び異物質をプラズマ処理を介し
て除去し、移送チャンバ４９を介してロードロック４１
に出力する。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のＣＥ処理
チャンバ及び該半導体素子の銅薄膜堆積装置によると、
次のような効果がある。
【００３０】本発明は、シーリング装置がウエハのエッ
ジにＣＥの吸着を防止することによって、後続行程時に
過剰な銅堆積やウエハの汚染を防ぐことができる。
【００３１】プラズマ処理チャンバを用いたプラズマ処
理を介して金属膜の表面に発生した異物を除去すると同
時に表面を均一化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＣＥ処理チャンバの概略的な構成
を示す構成図である。
【図２ａ】本発明のＣＥ処理チャンバにおいてＣＥ処理
前の状態を示す図である。
【図２ｂ】本発明のＣＥ処理チャンバにおいてＣＥ処理
時の状態を示す図である。
【図３】本発明によるＣＥ処理チャンバを用いた半導体
素子の銅薄膜堆積装置を示す構成図である。
【符号の説明】
２１ ＣＥ供給ライン ２２ ガス供給ライン ２３ 第１シャワーヘッド ２４ 第２シャワーヘッド ２５ シャワーヘッド噴射装置 ２６ ウェハ ２７ ノズル ２８ エッジベータシーリング装置 ２９ ヒータ装置 ３０ 動き補償装置 ３１ １次均一化されたＣＥ供給ライン ３１ａ貫通孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 AA11 BA01 CA04 CA12 DA01 DA02 DA03 FA10 FA17 HA01 4M104 BB04 BB17 BB30 BB32 BB33 BB36 DD22 DD43 HH08 HH20

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体気化装置を介してＣＥを送るＣＥ供
    給ラインと、 気化ガスを送るガス供給ラインと、 ＣＥ供給ラインとガス供給ラインとに連結されてＣＥを
    一次的に均一化する第一シャワーヘッドと、 前記第１シャワーヘッドの下端に取り付けられて前記第
    １シャワーヘッドから一次的に均一化されたＣＥを二次
    的に均一化する第２シャワーヘッドと、 前記第２シャワーヘッドの下端部に取り付けられて二次
    的に均一化されたＣＥを噴射するシャワーヘッド噴射装
    置と、 前記シャワーヘッド噴射装置の下端部に取り付けられて
    前記一、二次的に均一化されたＣＥをウェハに供給する
    ための複数の孔が形成されたノズルと、 前記ノズルから供給されるＣＥをウェハ上にシーリング
    し、及びＣＥがウェハのエッジに堆積されないようにし
    て後続汚染を防止するエッジベータシーリング装置と、 前記ウェハの下端部に取り付けられてウェハを加熱する
    ヒータ装置と、 前記第１、第２シャワーヘッドの動作による第１、第２
    シャワーヘッドとウェハ間のギャップを最小化する動き
    補償装置とからなることを特徴とするＣＥ処理チャン
    バ。
  2. 【請求項２】 前記第１シャワーヘッドと、第２シャワ
    ーヘッド間に第１シャワーヘッドから一次的に均一化さ
    れたＣＥを第２シャワーヘッドに送るために金属性基板
    に複数の貫通孔が形成された供給ラインとを更に含んで
    いることを特徴とする請求項１に記載のＣＥ処理チャン
    バ。
  3. 【請求項３】 前記貫通孔は正方形状であり、貫通孔間
    の間隔は一定に構成されることを特徴とする請求項２に
    記載のＣＥ処理チャンバ。
  4. 【請求項４】 前記気化ガスはＨｅ、Ｈ２、Ａｒガスで
    あることを特徴とする請求項１に記載のＣＥ処理チャン
    バ。
  5. 【請求項５】 前記ＣＥはＣＨ２Ｉ２、ＣＨ３Ｉ、Ｃ２
    Ｈ５ＩなどのＩを含む物質であることを特徴とする請求
    項１に記載のＣＥ処理チャンバ。
  6. 【請求項６】 前記ＣＥはＦ、Ｃｌ、Ｉ、Ｂｒなどの元
    素周期率表のＶＩＩ族物質であることを特徴とする請求
    項１に記載のＣＥ処理チャンバ。
  7. 【請求項７】 前記液化気化装置はＬＤＳ又はバブラー
    タイプであることを特徴とする請求項１に記載のＣＥ処
    理チャンバ。
  8. 【請求項８】 前記気化ガスの流量は１〜５０００ｓｃ
    ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載のＣＥ処理
    チャンバ。
  9. 【請求項９】 前記シャワーヘッド噴射装置は０．１〜
    ３ｍｍの直径を有する孔が一定間隔で複数形成されてい
    ることを特徴とする請求項１に記載のＣＥ処理チャン
    バ。
  10. 【請求項１０】 前記動き補償装置は前記第２シャワー
    ヘッドとウェハの間の間隔を１〜５０ｍｍまで調節する
    ことを特徴とする請求項１に記載のＣＥ処理チャンバ。
  11. 【請求項１１】 前記ノズルの孔サイズは０．１〜５ｍ
    ｍであることを特徴とする請求項１に記載のＣＥ処理チ
    ャンバ。
  12. 【請求項１２】 ウェハの工程前後の処理を行うロード
    ロックと、 前記ウェハを所望の位置に至るように整列させるアライ
    ナと、 前記ウェハの表面にガスなどの異物質を除去する脱ガス
    チャンバと、 前記ウェハを各チャンバに入／出力させるためにロボッ
    ト付きの移送チャンバと、 前記移送チャンバによって移送されたウェハにプラズマ
    を用いてパターンの内外部をクリーニングするプリクリ
    ーニングチャンバと、 前記プリクリーニングチャンバされたウェハ上にバリア
    金属を堆積するバリア金属堆積チャンバと、 前記バリア金属上に銅(Ｃｕ)膜堆積前にＣＥの均一な処
    理のためのＣＥ処理チャンバと、 前記バリア金属上に銅膜の堆積工程を行うＣＶＤ銅堆積
    チャンバと、 前記ＣＥ処理チャンバによって均一なＣＥ処理後銅膜の
    均一な堆積を実現するためにプラズマ処理及び銅膜の表
    面に発生している異物質などのＣＥを除去するためのプ
    ラズマ処理チャンバとからなることを特徴とする半導体
    素子の銅薄膜堆積装置。
  13. 【請求項１３】前記プリクリーニングチャンバはＡｒ、
    Ｈｅなどを用いたＤＦＥとハロゲンガスを用いたリアク
    ティブクリーニングを用いることを特徴とする請求項１
    ２に記載の半導体素子の銅薄膜堆積装置。
  14. 【請求項１４】 前記バリア金属堆積チャンバはＰＶ
    Ｄ、イオン化ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬＤ方法などを用いた
    チャンバを用いることを特徴とする請求項１２に記載の
    半導体素子の銅薄膜堆積装置。
  15. 【請求項１５】 前記バリア金属はＴａ、ＴａＮ、ＷＮ
    ｘ、ＴｉＮ、ＴｉＡＩＭ、ＴａＳｉＮ、ＴｉＳｉＮのな
    どを用いることを特徴とする請求項１２に記載の半導体
    素子の銅薄膜堆積装置。
  16. 【請求項１６】 前記ＣＶＤ銅堆積チャンバは５０〜３
    ００℃まで堆積可能な温度範囲を有するチャンバを用い
    ることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子の銅
    薄膜堆積装置。
  17. 【請求項１７】 前記ＣＥ処理チャンバは直接噴射、ス
    ピンコーティング、シャワーヘッド方式などのＣＥ処理
    が可能なチャンバを用いることを特徴とする請求項１２
    に記載の半導体素子の銅薄膜堆積装置。
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