JP2007530797A - 金属層を形成する方法および装置 - Google Patents

Abstract

形態が向上した金属層を基材の上に形成する方法および処理ツールが提供される。本方法は、プラズマの中で励起された化学種に基材を曝すことによって基材を前処理するステップと、金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスに前処理された基材を曝すステップと、金属層を前処理された基材の上に化学蒸着法で形成するステップとを含む。金属カルボニル前駆物質は、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、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、もしくはこれらの任意の組合せを含み、金属層は、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、またはＲｕ、もしくはこれらの任意の組合せをそれぞれ含み得る。

Description

本ＰＣＴ出願は、２００４年３月３１日に出願され、参照により本明細書に内容全体が組み込まれる米国非仮特許出願第１０／８１３６８０号明細書に基づき、かつそれに優先権を依拠する。

本発明は半導体の処理に関し、さらに詳細には、金属層を形成する方法に関する。

集積回路を製造するための多層金属被覆手法に銅（Ｃｕ）金属を導入するには、Ｃｕ層の付着および成長を促進するために拡散隔壁／ライナを使用し、かつ誘電材料の中へＣｕが拡散するのを防止するためにＣｕを誘電材料から化学的に隔離する必要があり得る。

誘電材料の上に堆積される隔壁／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）など、Ｃｕと非反応性および不混和性であり、かつ低い電気抵抗性を与え得る屈折材料を含み得る。電気抵抗性、熱安定性、拡散隔壁特性など、Ｗの基本的な材料特性は、Ｗ層を高度なＣｕ系相互接続用途で使用するのに適切なものにする。Ｃｕ金属被覆および誘電材料を集積する現在の集積手法には、約４００℃と約５００℃との間か、またはそれを下回る基材温度におけるＷ隔壁／ライナの堆積処理が必要であり得る。

Ｗ層は、熱化学蒸着（ＴＣＶＤ）法において水素またはシランなどの還元ガスの存在下でタングステンハロゲン前駆物質、例えば、タングステン六フッ化硫黄（ＷＦ_６）を熱分解することによって、基材の上に形成され得る。タングステンハロゲン前駆物質の使用に対する欠点は、Ｗ層の材料特性を損なう恐れがあるハロゲン副産物がＷ層の中に取り込まれることである。タングステンカルボニル前駆物質などのタングステン前駆物質を含有する非ハロゲンを使用して、タングステンハロゲン前駆物質に関連する上述の欠点を軽減することができる。しかし、タングステンカルボニル前駆物質（例えば、Ｗ（ＣＯ）_６）の熱分解によって形成されるＷ層の材料特性は、熱堆積されたＷ層の中にＣＯ反応副産物が取り込まれることで劣化する恐れがあり、Ｗ層の電気抵抗率の上昇および共形性不良のＷ層の形成をもたらす。

基材を処理チャンバの中に設け、プラズマの中で励起された化学種に基材を曝すことによって基材を前処理し、金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスに前処理された基材を曝し、さらに金属層を前処理された基材の上に化学蒸着法によって形成することによって、金属層を基材の上に形成する方法が提供される。

本発明の一実施形態では、金属カルボニル前駆物質は、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、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、もしくはこれらの組合せを含み、金属層は、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、またはＲｕ、もしくはこれらの２つ以上の組合せをそれぞれ含み得る。

本発明の一実施形態では、基材を処理チャンバの中に設け、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含有する前処理ガスから形成されるプラズマの中で励起された化学種に基材を曝すことによって基材を前処理し、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質を含有するプロセスガスに前処理された基材を曝し、さらにタングステン層を前処理された基材の上に化学蒸着法によって形成することによって、タングステン層を基材の上に形成する方法が提供される。

金属層を形成するための処理ツールが提供される。この処理ツールは、処理ツール内部で基材を移送するように構成された移送システムと、プラズマの中で励起された化学種に基材を曝すことによって基材を前処理するように、さらに金属層を前処理された基材の上に化学蒸着法で形成するために金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスに前処理された基材を曝すように構成された少なくとも１つの処理システムと、処理ツールを制御するように構成された制御装置とを具備する。

図１は、本発明にしたがって基材（基板）を処理するための処理システム１００を示す。処理システム１００は、基材１２５を支持しかつ加熱／冷却するための基材保持器１２０を搭載するための脚部１０５を有する処理チャンバ１１０と、この処理チャンバ１１０にガス１１５を導入するためのガス噴射システム１４０と、真空ポンプシステム１５０とを備えている。ガス１１５は、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅもしくはこれらの２つ以上のガスの組合せを含み、基材１２５を前処理するためにプラズマの中で励起された化学種（例えば、ラジカルおよびイオン）を形成する前処理ガス、または前処理された基材１２５の上に金属層を化学蒸着法で形成するための金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスを含み得る。ガス噴射システム１４０は、外部ガス源（図示せず）から処理チャンバ１１０へのガス１１５の供給を独立制御可能にする。ガス１１５はガス噴射システム１４０によって処理チャンバ１００の中に導入可能であり、その処理圧力は調整される。例えば、制御装置１５５を使用して真空ポンプシステム１５０およびガス噴射システム１４０を制御することができる。

基材１２５は、ロボット式基材移送システム２１０を使用してスロット弁（図示せず）およびチャンバ貫通部（図示せず）を介してチャンバ１１０の中および外に移送されるが、この移送システムでは、基材が、基材保持器１２０の内部に格納された基材持上げピン（図示せず）によって受け取られ、かつこの保持器の内部に格納された装置によって機械的に移転される。一旦基材１２５が基材移送システムから受け取られると、それは基材保持器１２０の上表面まで降ろされる。

基材１２５は、静電固締具（図示せず）によって基材保持器１２０に固定され得る。さらには、基材保持器１２０は加熱要素１３０を含み、基材保持器１２０は、この基材保持器１２０から熱を受け取って、熱を熱交換器（図示せず）に伝達する再循環冷媒流を含む冷却システムをさらに具備する。さらには、基材１２５と基材保持器１２０との間のガスギャップ熱伝導係数（gas-gap thermal conductance）を向上させるためにガスが基材の裏面に供給され得る。このようなシステムは、基材の温度制御が高温および低温において必要なときに利用され得る。

引き続いて図１を参照すると、ガス１１５が、ガス噴射システム１４０から処理領域１６０に導入される。ガス１１５は、ガス噴射プレナム（図示せず）、一連のバッフルプレート（図示せず）、および多口シャワーヘッド式ガス噴射プレート１６５を介して処理領域１６０に導入され得る。本発明の一実施形態では、ガス噴射システム１４０は、原子層化学蒸着（ＡＬＣＶＤ）法のためにガスの迅速な循環を容易にするように構成可能である。処理システム１００は、基材１２５を前処理するために励起された化学種を形成し、かつ処理チャンバ１１０を乾燥洗浄するために利用可能なリモートプラズマ発生器２０５を含む。真空ポンプシステム１５０は、毎秒約５０００リットル（およびそれを上回る）に達する排気速度が可能なターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）と、チャンバ圧を調整するためのゲート弁と含み得る。ＴＭＰは、低い、典型的には約５０mTorrを下回る処理圧力に有用である。高い圧力の（すなわち、約１００mTorrを上回る）処理には、機械的な加圧ポンプおよびドライ粗引きポンプが使用可能である。

制御装置１５５は、マイクロプロセッサと、メモリと、処理システム１００と通信し、かつこの処理システムへの入力を励起するばかりでなく、処理システム１００からの出力を監視するデジタルＩ／Ｏポートとを含む。さらには、制御装置１５５は、処理チャンバ１１０、ガス噴射システム１４０、リモートプラズマ発生器２０５、加熱要素１３０、基材移送システム２１０、および真空ポンプシステム１５０に結合され、かつそれらと情報を交換する。例えば、メモリに格納されたプログラムを利用して、格納された処理方法にしたがって処理システム１００の前述の構成要素を制御することができる。制御装置１５５の一実施例は、米国テキサス州（Ｔｅｘａｓ）オースティン市（Ａｕｓｔｉｎ）のデルコーポレーション社（ＤＥＬＬ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能なＤＥｌｌ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ（商標）である。

図２は、本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す。図２の処理システム１００は、処理チャンバ１１０の中でプラズマを形成しかつ維持することが可能である。図２に示した実施形態では、基材保持器１２０が、処理領域１６０内でラジオ周波数（ＲＦ）電力をプラズマに結合する電極の役目もする。例えば、基材保持器１２０中の金属電極（図示せず）は、ＲＦ発生器１４５からインピーダンス整合回路網１３５を介して基材保持器１２０までＲＦ電力を伝達することによって、ＲＦ電圧で電気的にバイアスされ得る。ＲＦバイアスは電子を加熱する役目を果たし、それによってプラズマを形成しかつ維持する。ＲＦバイアスのための典型的な周波数は、約０．１ＭＨｚから約１００ＭＨｚに亘り得るが、約１３．６ＭＨｚであり得る。

他の実施形態では、ＲＦ電力は多周波数で基材保持器１２０に印加され得る。さらには、インピーダンス整合回路網１３５は、反射電力を最小化することによって処理チャンバ１１０中のプラズマに対するＲＦ電力の伝達を最大化する役目を果たす。整合回路網のトポロジー（例えば、Ｌ−型、π−型、Ｔ−型）および自動制御法が当業では知られている。図２では、制御装置１５５が処理チャンバ１１０、ＲＦ発生器１４５、インピーダンス整合回路網１３５、ガス噴射システム１４０、基材移送システム２１０、および真空ポンプシステム１５０に結合され、かつそれらと情報を交換する。

図３は、本発明にしたがって基材を処理するための処理システムを示す。図３の処理システム１００は、図２を参照して説明したそのような構成要素に加えて、潜在的にプラズマ密度を増大させかつ／またはプラズマ処理の均一性を向上させるために、機械式または電気式の回転ＤＣ磁界システム１７０をさらに含む。さらには、制御装置１５５は、回転速度および磁界強さを調整するために回転磁界システム１７０に結合される。

図４は、本発明にしたがって基材を処理するための処理システムを示す。図４の処理システム１００は、ＲＦ電力がＲＦ発生器１８０からインピーダンス整合回路網１７５を介して結合される上部プレート電極としての役目も果たし得る多穴シャワーヘッド式ガス噴射プレート１６５を含む。ＲＦ電力を上部電極に印加するための周波数は、約１０ＭＨｚから約２００ＭＨｚに亘り得るが、約６０ＭＨｚであり得る。さらには、電力を下部電極に印加するための周波数は、約０．１ＭＨｚから約３０ＭＨｚに亘り得るが、約２ＭＨｚであり得る。さらには、制御装置１５５は、上部電極１６５に対するＲＦ電力の印加を制御するためにＲＦ発生器１８０およびインピーダンス整合回路網１７５に結合される。

本発明の一実施形態では、図４の基材保持器１２０は電気的に接地され得る。他の実施形態では、ＤＣバイアスが基材保持器１２０に印加され得る。さらに別の実施形態では、基材保持器１２０が処理システム１００から電気的に絶縁され得る。このような設定では、プラズマがオンのとき、浮遊電位が基材保持器１２０上にかつ基材１２５上に形成され得る。

図５Ａは、本発明にしたがって基材を処理するための処理システムを示す。図２の処理システムは、ＲＦ電力が、インピーダンス整合回路網１９０を介してＲＦ発生器１８５を経由して結合される誘導コイル１９５をさらに含むように変更される。ＲＦ電力は、誘導コイル１９５から誘電窓（図示せず）を介して処理領域１６０に誘導結合される。ＲＦ電力を誘導コイル１８０に印加するための周波数は、約０．１ＭＨｚから約１００ＭＨｚに亘り得るが、約１３．６ＭＨｚであり得る。同様に、電力を基材保持器１２０に印加するための周波数は、約０．１ＭＨｚから約１００ＭＨｚに亘り得るが、約１３．６ＭＨｚであり得る。さらには、スロット付きファラデー遮蔽（図示せず）を使用して、誘導コイル１９５とプラズマとの間の容量結合を低減することができる。さらには、制御装置１５５が、誘導コイル１９５に対する電力の印加を制御するためにＲＦ発生器１８５およびインピーダンス整合回路網１９０に結合される。

図５Ｂは、本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す。図５Ａの処理システムは、ガス１１５を処理領域１６０に導入するように構成されたガス噴射リング２００を含むように変更される。

本発明の一実施形態では、図５Ａおよび５Ｂの基材保持器１２０が電気的に接地され得る。他の実施形態では、ＤＣバイアスが基材保持器１２０に印加され得る。さらに別の実施形態では、基材保持器１２０が処理システム１００から電気的に絶縁され得る。この設定では、プラズマがオンのときに、浮遊電位が基材保持器１２０上におよび基材１２５上に形成され得る。

本発明の別の実施形態では、アンテナ（図示せず）を使用して、誘電窓を介してプラズマを処理領域１６０に形成することができる。さらに別の実施形態では、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用してプラズマが形成され得る。さらに別の実施形態では、プラズマがヘリコン波の励起（launching）から形成され得る。別の実施形態では、プラズマが、伝搬する表面波から形成され得る。

図１〜５Ｂの処理システムは、例示目的のみのために示されており、特定のハードウェアおよびソフトウェアの数多くの変形を使用して、本発明を実行できる処理システムが実施可能であるので、これらの変形は当業者には直ちに明白であることが理解されるべきである。

図６は、本発明の実施形態にしたがって金属層を基材上に形成するための処理システムの回路図である。処理システム６００は、上部チャンバ区分１Ａ、下部チャンバ区分１Ｂ、および排気チャンバ２３を含む処理チャンバ１を含む。円形開口部２２が、下部チャンバ区分１Ｂの中央に形成され、そこで下部区分１Ｂは排気チャンバ２３に連結する。

処理すべき基材（ウエハ）５０を水平に保持するための基材保持器２が、処理チャンバ１の内部に設けられる。基材保持器２は、排気チャンバ２３の中心部分から上向きに延びる円筒形支持部材３によって支持される。基材５０を基材保持器２の上に位置決めするための案内リング４が基材保持器２の縁部に設けられる。さらには、基材保持器２は、電力源６によって制御され、基材５０を加熱するために使用される加熱器５を内蔵する。加熱器５は抵抗式加熱器であり得る。別法として、加熱器５はランプ式加熱器でもよい。

処置中に、加熱された基材５０は、例えば、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質を熱分解することが可能であり、Ｗ層を基材５０の上に化学蒸着（ＣＶＤ）法で形成することを可能にする。ＣＶＤ法は、例えば、熱化学蒸着（ＴＣＶＤ）法、原子層化学蒸着（ＡＬＣＶＤ）法、またはプラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法であり得る。基材保持器２は、望ましいＷ層を基材５０の上に形成するのに適切な既定の温度に加熱される。加熱器（図示せず）は、チャンバ壁を既定の温度に加熱するために処理チャンバ１の壁の中に埋設される。この加熱器は、処理チャンバ１の壁の温度を約４０℃から約８０℃までに維持することができる。

シャワーヘッド１０が、処理チャンバ１の上部チャンバ区分１Ａの中に配置される。シャワーヘッド１０の下部のシャワーヘッド式プレート１０Ａが、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質ガスを含むプロセスガスを基材５０上方に位置する処理域６０内に供給するための複数のガス供給穴１０Ｂを含む。

プロセスガスをガス配管１２からガス分配隔室１０Ｄの中に導入するために、開口部１０Ｃが上部チャンバ区分１Ｂの中に設けられる。同心冷媒流れ流路１０Ｅが、シャワーヘッド１０の温度を制御し、それによってシャワーヘッド１０内部でＷ（ＣＯ）_６前駆物質が分解するのを防止するために設けられる。水などの冷媒流体は、シャワーヘッド１０の温度を約２０℃から１００℃までに制御するために、冷媒流体源１０Ｆから冷媒流れ流路１０Ｅに供給され得る。

ガス配管１２は、ガス供給システム３００を処理チャンバ１に連結する。前駆物質容器１３が、固体Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質５５を収容し、さらに前駆物質加熱器１３Ａが、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質の望ましい蒸気圧を生成する温度にＷ（ＣＯ）_６前駆物質５５を維持するように、前記物質容器１３を加熱するために設けられる。Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質５５は、相対的に高い蒸気圧、すなわち、６５℃でＰ_ｖａｐ〜１Torrを有し得る。したがって、前駆物質源１３および前駆物質ガス供給配管（例えば、ガス配管１２）を中程度に加熱することのみが、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質ガスを処理チャンバ１に供給するために必要である。さらには、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質は、約２００℃を下回る温度では熱分解することはない。これは、加熱されたチャンバ壁との相互作用および気相反応によりＷ（ＣＯ）_６前駆物質の分解をかなり低減することができる。

一実施形態では、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質蒸気が、担体ガスを利用することなく処理チャンバ１に供給可能であるし、または、別法として、担体ガスを使用して処理チャンバ１に対する前駆物質の供給を促進することも可能である。ガス配管１４は、担体ガスをガス源１５から前駆物質容器１３まで供給することが可能であり、質量流量制御装置（ＭＦＣ）１６を使用して担体ガス流量を制御することができる。担体ガスが使用されるとき、それは、固体Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質５５を浸透するように前駆物質容器１３の下方部分の中に導入され得る。別法として、担体ガスは前駆物質源１３の中に導入されて、固体Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質５５の上面全体に分配され得る。前駆物質容器１３からの合計ガス流量を測定するために、センサ４５が設けられる。センサ４５は、例えば、ＭＦＣを備えることが可能であり、処理チャンバ１に供給されるＷ（ＣＯ）_６前駆物質の量が、センサ４５および質量流量制御装置１６を使用して測定可能である。別法として、センサ４５は、処理チャンバ１へのガス流中のＷ（ＣＯ）_６前駆物質の濃度を測定するために光吸収センサを備えることができる。

バイパス配管４１が、センサ４５から下流に配置され、ガス配管１２を排気配管２４に連結する。バイパス配管４１は、ガス配管１２を排気し、かつ処理チャンバ１に対するＷ（ＣＯ）_６前駆物質の供給を安定化するために設けられる。さらには、ガス配管１２の分岐から下流に配置された弁４２がバイパス配管４１上に設けられる。

加熱器（図示せず）がガス配管１２、１４、および４１を別々に加熱するために設けられ、そこでは、ガス配管の温度が制御されてガス配管中のＷ（ＣＯ）_６前駆物質の凝縮を回避することができる。ガス配管の温度は、約２０℃から約１００℃までに、または約２５℃から約６０℃までに制御可能である。

希釈ガスが、ガス配管１８を使用してガス源１９からガス配管１２まで供給され得る。この希釈ガスを使用して、プロセスガスを希釈したり、またはプロセスガスの１つまたは複数の分圧を調整したりすることが可能である。ガス配管１８はＭＦＣ２０および弁２１を内蔵する。ＭＦＣ１６および２０、ならびに弁１７、２１、および４２は、担体ガス、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質ガス、希釈ガスの供給、遮断、および流量を制御する制御装置４０によって制御される。センサ４５は制御装置４０にも連結され、センサ４５の出力に基づいて、制御装置４０は、質量流量制御装置１６によって担体ガス流量を制御して、処理チャンバ１に対する望ましいＷ（ＣＯ）_６前駆物質の流量を得ることができる。還元ガスが、ガス配管６４、ＭＦＣ６３、および弁６２を使用してガス源６１から処理チャンバ１に供給され得る。パージガスが、ガス配管６４、ＭＦＣ６７、および弁６６を使用してガス源６５から処理チャンバ１に供給され得る。制御装置４０は、還元ガスおよびパージガスの供給、遮断、および流量を制御することができる。

排気配管２４が、排気チャンバ２３を真空ポンプシステム４００に連結する。真空ポンプ２５を使用して、処理チャンバ１を望ましい真空度に排気し、かつ処理中に処理チャンバ１から気相化学種を除去する。自動圧力調整装置（ＡＰＣ）５９および捕集装置５７が真空ポンプ２５と直列で使用可能である。真空ポンプ２５は、毎秒約５０００リットル（およびそれを上回る）に達する排気速度が可能なターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を含み得る。別法として、真空ポンプシステム４００はドライポンプを含み得る。処理中、プロセスガスは処理チャンバ１の中に導入可能であり、チャンバ圧はＡＰＣ５９によって調整可能である。ＡＰＣ５９はバタフライ弁またはゲート弁を含み得る。捕集装置５７は、処理チャンバ１から未反応の先駆物質材料および副産物を捕集することができる。

処理チャンバ１では、３つの基材持上げピン２６（２つのみを示す）が、基材５０を保持し、持ち上げ、かつ降下させるために設けられる。基材持上げピン２６は、プレート２７に固着され、基材保持器２の上表面の下方まで下げられ得る。例えば、空気シリンダを利用する駆動機構２８が、プレート２７を上昇および下降させる手段を設ける。基材５０は、ロボット式移送システム３１によってゲート弁３０およびチャンバ貫通路２９を介して処理チャンバ１の中および外に移送され、かつ基材持上げピンによって受け取られ得る。一旦基材５０が移送システムから受け取られると、それは基材持上げピン２６を下降させることによって基材保持器２の上表面まで降ろされ得る。

処理システム制御装置５００は、マイクロプロセッサと、メモリと、処理システム１００の入力と通信しかつ励起するのに十分な制御電圧を生成できるばかりでなく、処理システム１００からの出力を監視できるデジタルＩ／Ｏポートとを含む。さらには、処理システム制御装置５００は、処理チャンバ１、制御装置４０および前駆物質加熱器１３Ａを含むガス供給システム３００、真空ポンプシステム４００、電源６、ならびに冷媒流体源１０Ｆに結合され、かつそれらと情報を交換する。真空ポンプシステム４００では、処理システム制御装置５００が、処理チャンバ１の内部圧を制御するための自動圧力制御装置５９に結合され、かつそれと情報を交換する。メモリに格納されたプログラムを利用して、格納された処理方法にしたがって処理システム１００の前述の構成要素を制御することができる。制御装置５００の一実施例は、米国テキサス州（Ｔｅｘａｓ）オースティン市（Ａｕｓｔｉｎ）のデルコーポレーション社（ＤＥＬＬ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能なＤＥｌｌ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ（商標）である。

半導体基材、例えば、珪素ウエハに加えて、基材は、例えば、ＬＣＤ基板、ガラス基板、または化合物半導体基板を含み得る。処理チャンバ１は、例えば、２００ｍｍ基板、３００ｍｍ基板、またはさらにそれ以上の大きさの基板など、任意のサイズの基板を処理することが可能である。

図７は、本発明の実施形態に係る処理ツールの単純化されたブロック図を示す。この処理ツール７００は、処理システム７２０および７３０、処理ツール７００の内部で基材を移送するように構成された（ロボット式）移送システム７１０、ならびに処理ツール７００を制御するように構成された制御装置７４０を含む。本発明の別の実施形態では、処理システム７００は、単一の処理システムを含み得るか、または、別法として、３つ以上の処理システムを含み得る。図７では、処理システム７２０および７３０は、例えば、以下の処理のいずれか一方または両方が実施可能である。すなわち、（ａ）プラズマの中で励起された化学種に曝すことによって基材を前処理すること、または（ｂ）金属膜を前処理された基材の上に化学蒸着法で形成するために、金属含有前駆物質に前処理された基材を曝すこと。本発明の一実施形態では、処理（ａ）および（ｂ）は同じ処理システムで実施可能である。本発明の別の実施形態では、（ａ）および（ｂ）は異なる処理システムで実施され得る。図１〜６の制御装置に関する場合と同様に、図７の制御装置２４０は、ＤＥＬＬ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ（商標）として実施されてもよい。

一般に、様々な金属層が、対応する金属カルボニル前駆物質から化学蒸着法で堆積され得る。これは、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、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前駆物質、もしくはその任意の組合せから、それぞれにＷ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、またはＲｕ、もしくはそれらの２つ以上の任意の組合せの金属層の堆積を含む。金属層は、還元ガスを使用することなく、金属カルボニル前駆物質から熱堆積され得る。別法として、還元剤、例えば、Ｈ_２ガスを使用して金属層の堆積を補助することもできる。

金属カルボニル前駆物質の熱分解および金属層の形成は、主として、基材からＣＯを排除しかつＣＯ副産物を脱着させることによって進展するものと考えられる。ＣＯ副産物が金属層の中に取り込まれるのは、金属カルボニル前駆物質の分解が不完全であり、金属層から吸収されたＣＯ副産物の除去が不完全であり、かつ処理チャンバ内でＣＯ副産物が金属層の上に再吸着することに起因し得る。ＣＯ反応副産物が金属層に取り込まれると、金属層の電気抵抗が増大し、金属層の表面上および／または金属層中のノジュール（金属粒子）の異常成長による表面形態不良につながり得る。本発明の一実施形態では、基材がプラズマ中で励起された化学種によって前処理され、金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスを使用して、金属層が前処理された基材の上に化学蒸着法によって形成される。基材を前処理すると、堆積された金属層の形態の向上をもたらす。

図８は、本発明の実施形態にしたがって基材を処理するためのフローチャートである。８００で、処理が開始される。８０２で、プラズマ中で励起された化学種に基材を曝すことによって、基材が前処理される。基材の前処理は、例えば、図１〜５のいずれかに示したプラズマ源を利用することができる。本発明の一実施形態では、約０．１ＭＨｚと約１００ＭＨｚとの間、例えば、約０．４５ＭＨｚの、約５００ワット（Ｗ）から約３０００Ｗ、例えば、約１１００ＷのＲＦ電力が誘導コイル１９５に結合され、かつ約０．１ＭＨｚと約１００ＭＨｚとの間、例えば、約１３．６ＭＨｚにおける約０Ｗから約２０００Ｗ、例えば、７００ＷのＲＦ電力が基材保持器１２に印加されて、前処理が図５Ｂに模式的に示した処理システムで実施され得る。処理チャンバ内の圧力は約０．３mTorrから約３０００mTorr、例えば、約０．５mTorrであり得る。基材を前処理するために、約１ｓｃｃｍと約１０００ｓｃｃｍとの間、例えば、約２．５ｓｃｃｍのガス流量を有する前処理ガス、例えば、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの２つ以上の組合せを利用して、プラズマ中で励起された化学種が形成され得る。基材温度は約−３０℃と約５００℃との間であり得る。本発明の一実施形態では、基材は約５秒間と約３００秒間との間、例えば、約６０秒間、前処理され得る。

８０４で、前処理された基材は金属カルボニル前駆物質ガスを含有するプロセスガスに曝され、次いで８０６で、金属層が前処理された基材の上に化学蒸着法によって形成される。化学蒸着法は、例えば、ＴＣＶＤ、ＡＬＣＶＤ、および／またはＰＥＣＶＤを含み得る。所望の金属層が基材上に形成されたとき、本処理は８０８で終了する。

金属層は、金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスから、前処理された基材上に形成可能である。担体ガス、希釈ガス、および／またはパージガスも随意選択として含まれ得る。プロセスガスの流量は、例えば、約１０ｓｃｃｍと約３０００ｓｃｃｍとの間であり得る。金属カルボニルの流量は、例えば、約０．１ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍとの間であり得る。担体ガス、希釈ガス、および／またはパージガスは、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの任意の組合せなどの不活性ガスを含み得る。さらには、プロセスガスはＨ_２および／またはＮ_２を含み得る。本発明の一実施形態では、担体ガスの流量が約１ｓｃｃｍと約１００ｓｃｃｍとの間、例えば、約２０ｓｃｃｍであり、希釈ガスの流量が約１０ｓｃｃｍと約２０００ｓｃｃｍとの間、例えば、約６００ｓｃｃｍであり、さらにパージガスの流量が約１０ｓｃｃｍと約２０００ｓｃｃｍとの間であり得る。金属層形成中の基材温度は約２５０℃と約６００℃の間であり得る。別法として、基材温度は、約２５０℃と約６００℃との間であり得る。処理圧力は、例えば、約１０mTorrと約５Torrとの間であり得る。

基材の前処理と、それに続く所望の厚さを有する金属層の形成とを可能にする適切な処理条件は、直接実験法および／または実験設計（ＤＯＥ）によって決定可能である。調整可能な処理パラメータは、例えば、基材温度、プラズマ出力、チャンバ圧、プロセスガス、および相対的なガス流量を含み得る。

図９Ａは、超微細構造を含む基材上に形成されたＷ層の断面ＳＥＭ画像を示す。厚さ約１４０オングストローム（Å）のＷ層が、超微細構造を含む基材上に、Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質、約２０ｓｃｃｍのＡｒ担体ガス、および約６００ｓｃｃｍのＡｒ希釈ガスから熱化学蒸着法で堆積された。基材保持器の温度は、約４８０℃であり、基材温度は約４１０℃であった。

図９Ｂは、本発明の実施形態にしたがって超微細構造を含む基材上に形成されたＷ層の断面ＳＥＭ画像を示す。基材は、図５Ｂに模式的に示した処理システムを使用して前処理された。この前処理には、約０．４５ＭＨｚにおける約１１００Ｗの電力を誘導コイルに印加し、約１３．６ＭＨｚにおける約７００Ｗのバイアスを基材保持器に印加し、かつ約０．５mTorrの処理チャンバ圧、約２．５ｓｃｃｍのＡｒガス流量、および約６０秒の前処理時間を維持することが含まれた。基材の前処理に続いて、Ｗ層は、図９Ａに関して上で説明した処理条件を使用して前処理された基材の上に形成された。図９Ａおよび９ＢのＳＥＭ画像を視覚的に比較すると、図９Ｂの前処理された基材の上に堆積されたＷ層は、前処理されなかった図９Ａの基材の上に堆積されたＷ層よりも滑らかであり、かつ少ないノジュールを含むことが分かる。

図１０Ａは、超微細構造を含む基材の上に形成されたＷ層の断面ＳＥＭ画像を示す。図１０ＡのＷ層は、図９Ａで使用されたものと同じ条件を使用して堆積された。図１０Ｂは、本発明の実施形態にしたがって超微細構造の上に形成されたＷ層の断面ＳＥＭ画像を示す。基材は、図９Ｂにおける場合と同じ処理条件を使用して前処理された基材の上に堆積された。図１０Ａおよび１０ＢのＳＥＭ画像を視覚的に比較すると、図１０Ｂの前処理された基材の上に堆積されたＷ層は、前処理されなかった図１０Ａの基材の上に堆積されたＷ層よりも滑らかであり、かつ少ないノジュールを含むことが分かる。

本発明の実施には様々な変更および変形が使用可能であることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本発明は本明細書で具体的に説明したものとは別様に実施可能であることが理解されるべきである。

本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す回路図である。 本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す回路図である。 本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す回路図である。 本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す回路図である。 本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す回路図である。 本発明の実施形態にしたがって基材を処理するための処理システムを示す回路図である。 本発明の実施形態にしたがって金属層を基材の上に形成するための処理システムを示す回路図である。 本発明の実施形態による処理ツールを単純化して示すブロック図である。 本発明の実施形態にしたがって基材を処理するためのフローチャートである。 超微細構造を含む基材上に形成されたＷ層を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面画像である。 本発明の実施形態にしたがって超微細構造を含む前処理された基材上に形成されたＷ層を示すＳＥＭ断面画像である。 超微細構造を含む基材上に形成されたＷ層を示すＳＥＭ断面画像である。 本発明の実施形態にしたがって超微細構造を含む前処理された基材上に形成されたＷ層を示すＳＥＭ断面画像である。

Claims (42)

1. 金属層を基材の上に形成する方法であって、
   プラズマ中で励起された化学種に前記基材を曝すことによって前記基材を前処理するステップと、
   金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスに前記前処理された基材を曝すステップと、
   金属層を前記前処理された基材の上に化学蒸着法で形成するステップとを含む方法。
2. 前記基材は、半導体基材、ＬＣＤ基材、またはガラス基材を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記前処理するステップは、
   Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含む前処理ガスからプラズマを生成するステップと、
   前記プラズマの中で励起された化学種に前記基材を曝すステップとを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記生成するステップは、誘導コイルおよび／または基材保持器に通電するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記通電するステップは、約０．１ＭＨｚと約１００ＭＨｚとの間の周波数における約５００Ｗと約３０００Ｗとの間のＲＦ電力を前記誘導コイルに印加し、および／または約０．１ＭＨｚと約１００ＭＨｚとの間の周波数における約０Ｗと約２０００Ｗとの間のＲＦ電力を前記基材保持器に印加するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記生成するステップは、約１ｓｃｃｍと約１０００ｓｃｃｍとの間のガス流量で前記前処理ガスを流すステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
7. 前記生成するステップは、約０．３mTorrと約３０００mTorrとの間の前処理ガス圧を供給するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
8. 前記前処理するステップは、約−３０℃と約５００℃との間の基材温度を供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記前処理するステップは、約５秒間と約３００秒間との間、プラズマの中で励起された化学種に前記基材を曝すステップを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記プロセスガスは、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、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、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記プロセスガスは、金属カルボニル前駆物質と、Ｈ_２、Ｎ_２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの２つ以上の組合せとを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記曝すステップは、約１０ｓｃｃｍと約３０００ｓｃｃｍとの間のガス流量で前記プロセスガスを流すステップを含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記曝すステップは、約０．１ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍとの間のガス流量で前記金属カルボニル前駆物質を流すステップを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記形成するステップは、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、またはＲｕ、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含有する層を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記形成するステップは、前記基材を約２５０℃と約６００℃との間に加熱するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記形成するステップは、前記基材を約４００℃に加熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記形成するステップは、約１０mTorrと約５Torrとの間のプロセスガス圧を供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記化学蒸着法は、熱化学蒸着、原子層化学蒸着、またはプラズマ促進化学蒸着、もしくはこれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載の方法。
19. 前記前処理するステップ、曝すステップ、および形成するステップは、少なくとも１つの処理システムで実行される、請求項１に記載の方法。
20. タングステン層を基材の上に形成する方法であって、
    Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含む前処理ガスから形成されるプラズマの中で励起された化学種に前記基材を曝すことによって前記基材を前処理するステップと、
    Ｗ（ＣＯ）_６前駆物質を含有するプロセスガスに前記前処理された基材を曝すステップと、
    タングステン層を前記前処理された基材の上に熱化学蒸着法によって形成するステップとを含む方法。
21. 金属層を形成するための処理ツールであって、
    前記処理ツール内部で基材を移送するように構成された移送システムと、
    プラズマ中で励起された化学種に前記基材を曝すことによって前記基材を前処理するように、さらに金属層を前記前処理された基材の上に化学蒸着法で形成するために金属カルボニル前駆物質を含有するプロセスガスに前記前処理された基材を曝すように構成された少なくとも１つの処理システムと、
    前記処理ツールを制御するように構成された制御装置とを具備する処理ツール。
22. 前記基材は、半導体基材、ＬＣＤ基材、またはガラス基材を含む、請求項２１に記載の処理ツール。
23. 前記少なくとも１つの処理システムは、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含む前処理ガスから生成されたプラズマを収容し、前記基材は前記プラズマの中で励起された化学種に曝される、請求項２１に記載の処理ツール。
24. 前記少なくとも１つの処理システムは、前記プラズマを生成するように構成されたプラズマ源を含む、請求項２３に記載の処理ツール。
25. 前記プラズマ源は誘導コイルおよび／または基材保持器を含む、請求項２４に記載の処理ツール。
26. 前記プラズマ源は、約０．１ＭＨｚと約１００ＭＨｚとの間の周波数における約５００Ｗと約３０００Ｗとの間のＲＦ電力を前記誘導コイルに印加し、かつ／または約０．１ＭＨｚと約１００ＭＨｚとの間の周波数における約０Ｗと約２０００Ｗとの間のＲＦ電力を前記基材保持器に印加するように構成される、請求項２５に記載の処理ツール。
27. 前記少なくとも１つの処置システムは、約１ｓｃｃｍと約１０００ｓｃｃｍとの間のガス流量で前記前処理ガスを流すように構成されたガス供給システムを含む、請求項２３に記載の処理ツール。
28. 前記少なくとも１つの処置システムは、約０．３mTorrと約３０００mTorrとの間の前処理ガス圧を供給する、請求項２３に記載の処理ツール。
29. 前記少なくとも１つの処理システムは、約−３０℃と約５００℃との間の基材前処理温度を供給する、請求項２１に記載の処理ツール。
30. 前記少なくとも１つの処理システムは、約５秒間と約３００秒間との間、プラズマの中で励起された化学種に前記基材を曝す、請求項２１に記載の処理ツール。
31. 前記プロセスガスは、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、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、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含む、請求項２１に記載の処理ツール。
32. 前記プロセスガスは、金属カルボニル前駆物質と、Ｈ_２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ、もしくはこれらの２つ以上の組合せとを含む、請求項２１に記載の処理ツール。
33. 前記少なくとも１つの処置システムは、約１０ｓｃｃｍと約３０００ｓｃｃｍとの間のガス流量で前記プロセスガスを流動させるガス供給システムを含む、請求項２１に記載の処理ツール。
34. 前記少なくとも１つの処置システムは、約０．１ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍとの間のガス流量で前記金属カルボニル前駆物質を流動させるガス供給システムを含む、請求項２１に記載の処理ツール。
35. 前記少なくとも１つの処理システムは、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、またはＲｕ、もしくはこれらの２つ以上の組合せを含有する前記金属層を形成する、請求項２１に記載の処理ツール。
36. 前記少なくとも１つの処理システムは、前記金属層を形成する間に、前記基材を約２５０℃と約６００℃との間に加熱する、請求項２１に記載の処理ツール。
37. 前記少なくとも１つの処理システムは、前記金属層を形成する間に、前記基材を約４００℃に加熱する、請求項２１に記載の処理ツール。
38. 前記少なくとも１つの処理システムは約１０mTorrと約５Torrとの間のプロセスガス圧を供給する、請求項２１に記載の処理ツール。
39. 前記化学蒸着法は、熱化学蒸着、原子層化学蒸着、またはプラズマ促進化学蒸着、もしくはこれらの任意の組合せを含む、請求項２１に記載の処理ツール。
40. 前記少なくとも１つの処理システムは、１つのみの処理システムを含む、請求項２１に記載の処理ツール。
41. 前記少なくとも１つの処理システムは、少なくとも２つの処理システムを含む、請求項２１に記載の処理ツール。
42. 前記プラズマ源は、リモートプラズマ源、誘導コイル、プレート電極、アンテナ、ＥＣＲ源、ヘリコン波源、または表面波源、もしくはこれらの２つ以上の任意の組合せを含む、請求項２４に記載の処理ツール。

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