JP2011003569A - 成膜方法、前処理装置及び処理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】凹部2を有する絶縁層122が表面に形成された被処理体Wに第1の金属を含む薄膜を形成する成膜方法において、絶縁層の表面に親水化処理を施して親水性の表面にする親水化工程と、親水化処理の行われた絶縁層の表面に第1の金属を含む第1の金属含有原料を用いて成膜処理を施すことにより第1の金属を含む薄膜を形成する薄膜形成工程とを有する。これにより、比誘電率の低い絶縁層の表面にMn等の第1の金属を含む薄膜、例えばMnOxを効率的に形成する。
【選択図】図4
Description
またスパッタ法に比べて微細な線幅やホール径に対して良好な段差被覆性で膜を堆積することができるCVD法によりMnSixOy膜、あるいはMnOx膜の成膜をおこなうことが検討されている(特許文献3)。
このように、凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する際に、絶縁層の表面に親水化処理を施して親水性の表面にする親水化工程と、親水化処理の行われた絶縁層の表面に第1の金属を含む第1の金属含有原料を用いて成膜処理を施すことにより第1の金属を含む薄膜を形成する薄膜形成工程とを行うようにしたので、比誘電率の低い絶縁層の表面にMn等の第1の金属を含む薄膜、例えばMnOxを効率的に形成することが可能となる。
請求項2の発明は、凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する成膜方法において、前記絶縁層の表面に親水化処理を施して親水性の表面にする親水化工程と、前記親水化処理の行われた前記絶縁層の表面に前記第1の金属を含む第1の金属含有原料ガスを用いて成膜処理を施すことにより前記第1の金属を含む薄膜を形成する薄膜形成工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記プラズマ処理では、酸素含有ガス及び/又は希ガスが用いられることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1又は2の発明において、前記親水化処理は、紫外線と酸素含有ガスとを用いて前記絶縁層の表面の改質を行う紫外線オゾン処理を施すことを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項1又は2の発明において、前記親水化処理は、前記絶縁層の表面に波長が425nmの可視光を照射する可視光照射処理を施すことを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の発明において、前記薄膜形成工程の前には、前記絶縁層を前記薄膜形成工程におけるプロセス温度よりも高い温度でアニール処理して前記絶縁層中の水分を抜くアニール工程を行うようにしたことを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の発明において、前記絶縁層は、比誘電率が4.1よりも小さい誘電率材料よりなることを特徴とする。
請求項11の発明は、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の発明において、前記絶縁層は、SiOC膜とSiO膜とSiOF膜とSiC膜とSiCOH膜とSiCN膜とポーラスシリカ膜とポーラスメチルシルセスキオキサン膜とポリアリレン膜とSiLK(登録商標)膜とフロロカーボン膜とよりなる群から選択される1つ以上の膜よりなることを特徴とする。
請求項15の発明は、請求項14の発明において、前記親水化手段は、プラズマ発生手段と紫外線照射手段とGCIB処理手段と波長が425nmの可視光照射手段の内のいずれか1つの手段よりなることを特徴とする。
請求項17の発明は、請求項16の発明において、前記親水化処理装置は、プラズマ処理装置と紫外線照射処理装置とガスクラスターイオンビーム照射処理装置と波長が425nmの可視光を照射する可視光照射処理装置の内のいずれか1つの処理装置であることを特徴とする。
請求項19の発明は、請求項16乃至18のいずれか一項に記載の発明において、前記共通搬送室には、前記被処理体に対して水及び/又は酸素含有ガスを付着させる付着処理を施す付着処理装置が連結されていることを特徴とする。
凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する際に、絶縁層の表面に親水化処理を施して親水性の表面にする親水化工程と、親水化処理の行われた絶縁層の表面に第1の金属を含む第1の金属含有原料(ガスを含む)を用いて成膜処理を施すことにより第1の金属を含む薄膜を形成する薄膜形成工程とを行うようにしたので、比誘電率の低い絶縁層の表面にMn等の第1の金属を含む薄膜、例えばMnOxを効率的に形成することができる。
上記4つの処理装置は、ウエハWに対して親水化処理を行う親水化処理装置32と、ウエハWに対してアニール処理を行うアニール処理装置34と、ウエハWに対して水分等を付着させる付着処理装置36と、ウエハWに対してMn等の第1の金属を含む薄膜、例えばMnOxを形成する成膜処理装置38よりなる。
また上記3つの処理装置、すなわち親水化処理装置32とアニール処理装置34と付着処理装置36をまとめて1つの前処理装置として構成することができる。図2は、このような前処理装置を示す断面図である。図示するように、この前処理装置42は、アルミニウム合金等により成形された円筒体状の処理容器44を有しており、この処理容器44は接地されている。この処理容器44の側壁には搬出入口46が設けられ、この搬出入口46はゲートバルブGを介して共通搬送室14に連結されており、ウエハWを搬出入できるようになっている。
次に図3も参照して成膜処理装置38の概略構成について説明する。この成膜処理装置38は、前述したようにウエハWの絶縁層の表面に第1の金属を含む第1の金属含有原料ガスを用いて第1の金属を含む薄膜を形成するものであり、ここでは第1の金属として遷移金属のMn(マンガン)を適用し、第1の金属含有原料ガスとしてMn原料ガスを用いた場合を例にとって説明する。この成膜処理装置38としては、例えば特開2009−016782号公報に開示されたような成膜装置に類似する成膜装置を用いることができる。
次に、以上のように構成された処理システム10を用いて行われる本発明方法について説明する。図4は本発明の成膜方法の全体を説明するための全体説明図、図5は本発明の成膜方法の第1実施例を示すフローチャート、図6は本発明の成膜方法の第2実施例を示すフローチャート、図7は本発明の成膜方法の第3実施例を示すフローチャート、図8は絶縁層の表面を親水化処理した時の変化の態様の一例を示す図である。
まず、図5に示す第1実施例は絶縁層122の表面に親水化処理を施す上記親水化工程S1を行って、次に薄膜124、ここではMnOx膜を形成する成膜処理を施す薄膜形成工程S2を行っている。上記親水化処理には、前述したようにプラズマ処理と紫外線オゾン処理とGCIB処理と可視光照射処理の4つの処理方法があり、これらの4つの処理方法の内のいずれか1つの処理方法を選択して行う。
ここでは、親水化処理の第1例としてプラズマ処理を選択した場合について主に説明する。このプラズマ処理は、図1中の親水化処理装置32で行うことができる(図2に示す前処理装置42で行うこともできる)。このプラズマ処理ではAr等の希ガスの雰囲気中、またはO2 等の酸素含有雰囲気中、或いは両ガスの混合ガス雰囲気中でプラズマを発生し、絶縁層122の表面を親水化する。この絶縁層122を構成するLow−k膜(SiOC)は、一般的にはトリメチルシラン等の有機材料を用いて形成するので、図8(A)に示すように、表面はメチル基(−CH3 )で終端しており、疎水面となっている。そして、この絶縁層122の表面をプラズマに曝して親水化処理を施すことにより、上記メチル基は切断されて図8(B)に示すように−OH基やSi−O−Siの結合となり、これによって表面は親水化されることになる。このように絶縁層122の表面が親水化されると、この後工程における薄膜形成工程においてMnOx膜の堆積を効率的に行うことが可能となる。
次に親水化処理の第2例である表面改質処理は、紫外線オゾン処理を行うことを内容とし、図1中の親水化処理装置32として周知の紫外線オゾン処理装置を設置することにより実施することができる。この紫外線オゾン処理では、オゾンやO2 ガスを含む酸素含有ガスの雰囲気中にウエハWを曝すと同時に紫外線を照射し、絶縁層122の表面を改質して親水化させる。この紫外線の照射には、低圧水銀ランプ(波長:185〜254nm)やXeエキシマランプ(波長:172nm)等を用いることができ、好ましくは短波長紫外線(波長:240nm以下)を用いる。
次に親水化処理の第3例であるGCIB処理は、ガスクラスターイオンビーム処理を行うことを内容とし、図1中の親水化処理装置32として周知のGCIB処理装置を設置することにより実施することができる。このGCIB処理では、数個から数千の原子や分子が緩やかに結合したクラスターを正電荷にイオン化させ、これを2.5〜80kVの加速電圧で加速して絶縁層122の表面に照射させるようにしている。ここで用いられるガスは、例えばO2 、N2 、H2 、CH4 、ArやHe等の希ガス等であり、これらの混合ガスを用いてもよい。上述のようにガスクラスターイオンビームを絶縁層122の表面に照射することで疎水性表面が親水性表面に改質されることになる。このように絶縁層122の表面が親水化されると、この後工程における薄膜形成工程においてMnOx膜の堆積を効率的に行うことが可能となる。
次に親水化処理の第4例である可視光照射処理は、波長が425nmの可視光を照射処理することを内容とし、図1中の親水化処理装置32として可視光照射処理装置を設置することにより実施することができる。この可視光照射処理装置では、上述したように波長が425nm(紫光)の可視光を絶縁層122の表面に照射する。ここで、前述したように絶縁層122の表面で終端しているシリコンとメチル基(Si−CH3 )の結合エネルギーは、425nmのエネルギーに相当するので、このメチル基を効率的に切断して前述したように−OH基やSi−O−Si結合(図8参照)に変換することにより、疎水性表面を親水性表面に改質することができる。このように絶縁層122の表面が親水化されると、この後工程における薄膜形成工程においてMnOx膜の堆積を効率的に行うことが可能となる。
次に、本発明方法の第2実施例について説明する。この第2実施例では、図4(B)に示すように、第1実施例で行った親水化処理に加えてアニール処理を行うようにしている。具体的には、図6に示すように、先に説明した親水化工程S1と薄膜形成工程S2との間で、ウエハWを所定の温度に加熱してアニール処理するアニール工程S1−1を行っている。このアニール処理では、ウエハWを上記薄膜形成工程におけるプロセス温度よりも高い温度で加熱しており、絶縁層122中の水分を抜くようにしている。
次に本発明方法の第3実施例について説明する。この第3実施例では、図4(B)で示すように、先の第1実施例、或いは第2実施例に加えて、絶縁層122の表面に水(水蒸気)及び/又は酸素含有ガスを付着させる付着処理を行うようにしている。具体的には、図7に示すように、ここでは第2実施例のアニール工程S1−1と薄膜形成工程S2との間で上記付着処理を施す付着工程S1−2を行っている。
次に、本発明方法を実際に実施して絶縁層の表面にMnOx膜を形成したので、その評価結果について説明する。
[Arプラズマ処理の場合]
まず、ウエハWの表面にLow−k材料(比誘電率が4.1よりも小さい)の1つであるメチル基等を含んだSiOC膜よりなる絶縁層を形成し、この絶縁層を有するウエハに対して親水化処理として前述したようなプラズマ処理を施し、このウエハに前述したようなMnOx成膜処理を行った時のMnOx膜の堆積量について検討を行ったので、その評価結果について説明する。図9はプラズマ処理時間とXRF膜厚(MnOx換算)との関係を示すグラフである。尚、上記XRFとは蛍光X線分析装置である。ここではプラズマ処理としてArプラズマ処理を行った。またMnOx膜の成膜時間は600secである。
次に、上述したようなSiOC膜よりなる絶縁層の表面の濡れ性とO2 プラズマ処理による濡れ性の変化について検討を行った。比較のためにTEOSを用いて形成したSiO2 膜よりなる絶縁層についても濡れ性を評価した。図10はSiOC膜の表面の濡れ性の状態を示す図であり、図10(A)はTEOS膜(SiO2 膜)とSiOC膜の濡れ性の結果を示す図、図10(B)は濡れ性のO2 プラズマ処理時間の依存性を示す図である。
次に、上述のように親水化処理としてO2 プラズマ処理を行った絶縁膜の表面にMnOx膜を実際に成膜した膜にCu膜を堆積し、更に加速負荷試験(アニール)を行った時のCu拡散バリヤ性について検討したのでその評価結果について説明する。図11は加速負荷試験をおこなった時のウエハのMnOx膜を中心とする断面を示す模式図、図12は図11中の特定部分の元素の分析結果を示すグラフであり、図12(A)は図11中のMnOx膜の境界部分であるA部(MnOx膜の成膜直後)の元素の分布を示すグラフ、図12(B)は図11中のMnOx膜の境界部分の僅かに下方のSiOC膜中のB部(加速負荷試験後)の元素の分布を示すグラフである。
更に、上述した本発明の成膜方法によって形成された膜構造を有する半導体装置及びこの半導体装置を備える電子機器も本発明の適用範囲である。
10 処理システム
12 搬送機構
14 共通搬送室
16,18 ロードロック室
22 ローダ室
28 搬送アーム
32 親水化処理装置
34 アニール処理装置
36 付着処理装置
38 成膜処理装置
42 前処理装置
44 処理容器
50 排気手段
54 真空ポンプ
56 シャワーヘッド(ガス導入手段)
58 ガス供給手段
68 載置台構造
72 載置台
74 抵抗加熱ヒータ(加熱手段)
80 親水化手段
82 プラズマ発生手段
84 下部電極
90 高周波電源
94 装置制御部
96 記憶媒体
100 処理容器
104 処理台
106 抵抗加熱ヒータ(加熱手段)
108 シャワーヘッド(ガス導入手段)
116 システム制御部
120 記憶媒体
122 絶縁層
124 第1の金属を含む薄膜(MnOx)
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (22)
- 凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する成膜方法において、
前記絶縁層の表面に親水化処理を施して親水性の表面にする親水化工程と、
前記親水化処理の行われた前記絶縁層の表面に前記第1の金属を含む第1の金属含有原料を用いて成膜処理を施すことにより前記第1の金属を含む薄膜を形成する薄膜形成工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。 - 凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する成膜方法において、
前記絶縁層の表面に親水化処理を施して親水性の表面にする親水化工程と、
前記親水化処理の行われた前記絶縁層の表面に前記第1の金属を含む第1の金属含有原料ガスを用いて成膜処理を施すことにより前記第1の金属を含む薄膜を形成する薄膜形成工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。 - 前記親水化処理は、前記絶縁層に対してプラズマ処理を施すことを特徴とする請求項1又は2記載の成膜方法。
- 前記プラズマ処理では、酸素含有ガス及び/又は希ガスが用いられることを特徴とする請求項3記載の成膜方法。
- 前記親水化処理は、紫外線と酸素含有ガスとを用いて前記絶縁層の表面の改質を行う紫外線オゾン処理を施すことを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
- 前記親水化処理は、前記絶縁層の表面に対してガスクラスターイオンビームを照射するGCIB処理を施すことを特徴とする請求項1又は2記載の成膜方法。
- 前記親水化処理は、前記絶縁層の表面に波長が425nmの可視光を照射する可視光照射処理を施すことを特徴とする請求項1又は2記載の成膜方法。
- 前記薄膜形成工程の前には、前記絶縁層を前記薄膜形成工程におけるプロセス温度よりも高い温度でアニール処理して前記絶縁層中の水分を抜くアニール工程を行うようにしたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記薄膜形成工程の前には、前記絶縁層の表面に水及び/又は酸素含有ガスを付着させる付着処理を施す付着工程を行うようにしたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記絶縁層は、比誘電率が4.1よりも小さい誘電率材料よりなることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記絶縁層は、SiOC膜とSiO膜とSiOF膜とSiC膜とSiCOH膜とSiCN膜とポーラスシリカ膜とポーラスメチルシルセスキオキサン膜とポリアリレン膜とSiLK(登録商標)膜とフロロカーボン膜とよりなる群から選択される1つ以上の膜よりなることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記第1の金属は、Mn、Mg、Al、Ti、V、Cr、Ni、Ge、Y、Zr、Nb、Tc、Rh、Pd、Sn、Re、Ptとよりなる群から選択される1つ以上の元素よりなることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記第1の金属はマンガン(Mn)よりなり、該マンガンを含む有機金属材料は、Cp2 Mn[=Mn(C5 H5 )2 ]、(MeCp)2 Mn[=Mn(CH3 C5 H4 )2 ]、(EtCp)2 Mn[=Mn(C2 H5 C5 H4 )2 ]、(i−PrCp)2 Mn[=Mn(C3 H7 C5 H4 )2 ]、MeCpMn(CO)3 [=(CH3C5H4)Mn(CO)3 ]、(t−BuCp )2 Mn[=Mn(C4 H9 C5 H4 )2 ]、CH3 Mn(CO)5 、Mn( DPM)3 [=Mn(C11H19O2 )3 ]、Mn(DMPD)(EtCp)[=Mn(C7 H11C2 H5 C5 H4 )]、Mn(acac)2 [=Mn(C5 H7 O2 )2 ]、Mn(DPM)2[=Mn(C11H19O2)2]、Mn(acac ) 3[=Mn(C5H7O2)3]、Mn(hfac)2[=Mn(C5HF6 O 2)3]、((CH3)5Cp)2Mn[=Mn((CH3)5C5H4)2 ]、[Mn(iPr−AMD)2][=Mn(C3H7NC(CH3)NC3H 7)2]、[Mn(tBu−AMD)2][=Mn(C4H9NC(CH3)N C4H9)2]よりなる群から選択される1以上の材料であることを特徴とする 請求項1乃至12のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する前に行われる前処理を実施する前処理装置において、
排気が可能になされた処理容器と、
前記処理容器内に設けられて前記被処理体を載置するための載置台構造と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内へガスを導入するガス導入手段と、
前記ガス導入手段へ、希ガスと水蒸気と酸素含有ガスとを供給することができるガス供給手段と、
前記絶縁層の表面を親水化する親水化手段と、
装置全体を制御して前記被処理体にアニール処理と付着処理と親水化処理とを施すようにする装置制御部と、
を備えたことを特徴とする前処理装置。 - 前記親水化手段は、プラズマ発生手段と紫外線照射手段とGCIB処理手段と波長が425nmの可視光照射手段の内のいずれか1つの手段よりなることを特徴とする請求項14記載の前処理装置。
- 凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する処理システムにおいて、
内部に前記被処理体を搬送するための搬送機構を有する共通搬送室と、
前記共通搬送室に連結されて前記被処理体に対して親水化処理を施す親水化処理装置と、
前記共通搬送室に連結されて前記被処理体に対して第1の金属を含む薄膜を形成する成膜処理を施す成膜処理装置と、
処理システム全体の動作を制御するシステム制御部と、
を備えたことを特徴とする処理システム。 - 前記親水化処理装置は、プラズマ処理装置と紫外線照射処理装置とガスクラスターイオンビーム照射処理装置と波長が425nmの可視光を照射する可視光照射処理装置の内のいずれか1つの処理装置であることを特徴とする請求項16記載の処理システム。
- 前記共通搬送室には、前記被処理体に対してアニール処理を施すアニール処理装置が連結されていることを特徴とする請求項16又は17記載の処理システム。
- 前記共通搬送室には、前記被処理体に対して水及び/又は酸素含有ガスを付着させる付着処理を施す付着処理装置が連結されていることを特徴とする請求項16乃至18のいずれか一項に記載の処理システム。
- 凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に第1の金属を含む薄膜を形成する処理システムにおいて、
内部に前記被処理体を搬送するための搬送機構を有する共通搬送室と、
前記共通搬送室に連結されて請求項14又は15に記載の前処理装置と、
前記共通搬送室に連結されて前記被処理体に対して第1の金属を含む薄膜を形成する成膜処理を施す成膜処理装置と、
処理システム全体の動作を制御するシステム制御部と、
を備えたことを特徴とする処理システム。 - 請求項1乃至13のいずれか一項に記載の成膜方法によって形成された膜構造を有することを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至13のいずれか一項に記載の成膜方法によって形成された膜構造を有する半導体装置を備えることを特徴とする電子機器。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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