JP2012174844A - 成膜方法、成膜装置、半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】炭素含有コバルト膜の成膜方法は、成膜装置100の処理容器1内にウエハWを搬入し、ステージ3上に配置する工程と、処理容器1内の圧力及びウエハWの温度を調節する工程と、処理容器1内にCo2(CO)8とアセチレンとをそれぞれ供給して処理容器1内で混合し、CVD法によりウエハWの表面に炭素含有コバルト膜を堆積させる工程と、成膜原料の供給を停止し、処理容器1内を真空引きする工程と、処理容器1内からウエハWを搬出する工程とを備えている。
【選択図】図1
Description
コバルト前駆体と、分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物と、を原料として基板上に炭素含有コバルト膜を堆積させる工程、を備えている。
を備えていてもよい。この場合、前記金属コバルト膜を堆積する工程と、前記炭素含有コバルト膜を堆積させる工程と、を交互に行うことが好ましい。
前記処理容器内に設けられた、基板を載置する載置台と、
前記載置台に載置された基板を所定の温度に加熱するヒーターと、
コバルト前駆体を保持する第1の原料容器と、
前記第1の原料容器内の前記コバルト前駆体を温度調節する温度調節装置と、
分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物を保持する第2の原料容器と、
前記第1の原料容器から前記処理容器に前記コバルト前駆体を供給する配管と、
前記第2の原料容器から前記処理容器に前記分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物を供給する配管と、
前記コバルト前駆体を前記処理容器内に導入するためのキャリアガスを供給するガス供給部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
を備え、基板上に炭素含有コバルト膜を堆積させるものである。
<成膜装置の概要>
まず、本発明の成膜方法の実施に適した成膜装置の構成について説明する。図1は、本発明の成膜方法に使用可能な成膜装置100の概略構成例を示している。この成膜装置100は、CVD装置として構成されている。成膜装置100は、主要な構成として、真空引き可能な処理容器1と、処理容器1内に設けられた、基板としての半導体ウエハ(以下、単に「ウエハ」という)Wを載置するステージ5と、このステージ5に載置されたウエハWを所定の温度に加熱するヒーター7と、処理容器1内にガスを導入するシャワーヘッド11と、コバルト前駆体を保持する第1の原料容器としての主原料容器21と、主原料容器21内のコバルト前駆体を温度調節する温度調節装置23と、分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物を保持する第2の原料容器としての副原料容器31と、コバルト前駆体を処理容器1内に導入するためのキャリアガスを供給するガス供給部41と、処理容器1内を減圧排気する排気装置53と、を備えている。この成膜装置100は、ウエハW上に炭素を含有する炭素含有コバルト膜を堆積させる成膜処理を行うことができる。
成膜装置100は、気密に構成された略円筒状の処理容器1を有している。処理容器1は、例えばアルマイト処理(陽極酸化処理)されたアルミニウムなどの材質で形成されている。処理容器1は、天板1a、側壁1b及び底壁1cを有している。
処理容器1の中にはウエハWを水平に支持する載置台であるステージ5が配備されている。ステージ5は、円筒状の支持部材5aにより支持されている。図示は省略するが、ステージ5には、ウエハWを支持して昇降させるための複数のリフトピンがステージ5の基板載置面に対して突没可能に設けられている。これらのリフトピンは任意の昇降機構により上下に変位し、上昇位置で搬送装置(図示省略)との間でウエハWの受け渡しを行うように構成されている。
処理容器1の天板1aには、成膜原料ガス、キャリアガス等のガスを処理容器内に導入するシャワーヘッド11が設けられている。このシャワーヘッド11は、内部にガス拡散空間11a,11bが設けられている。シャワーヘッド11の下面には、多数のガス吐出孔13a,13bが形成されている。ガス拡散空間11aはガス吐出孔13aに、ガス拡散空間11bはガス吐出孔13bに、それぞれ連通している。シャワーヘッド11の中央部には、ガス拡散空間11aに連通するガス供給配管15a、ガス拡散空間11bに連通するガス供給配管15bがそれぞれ接続されている。
主原料容器21は、コバルト前駆体として、固体原料であるジコバルトオクタカルボニル[Co2(CO)8]を保持している。主原料容器21は、例えばジャケット式熱交換器などの温度調節装置23を有している。温度調節装置23は、電力供給部8に電気的に接続されており、主原料容器21の内部に収容されたCo2(CO)8を例えば常温(20℃)〜45℃の範囲内の温度に保持することにより気化させる。また、主原料容器21内には、内部の温度をリアルタイムで計測するための熱電対9bが配備されている。なお、コバルト前駆体としては、Co2(CO)8以外に、例えばCVD法においてコバルト前駆体として使用可能なコバルト化合物であれば、特に制限なく使用することができる。
副原料容器31は、分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物を保持している。分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物としては、例えばアリル基(CH2=CH−CH2−)を含む化合物やアルキン類を用いることができる。アリル基を含む化合物としては、例えばアリルシクロヘキサン、等が好ましい。また、アルキン類としては、アセチレン、プロピン、1−ブチン等が好ましい。なお、例えばアリルシクヘキサンのように常温で液体の原料を用いる場合、処理容器1内を真空雰囲気に減圧することによって、液体原料を揮発させて供給することが可能である。
ガス供給部41は、一酸化炭素(CO)ガスを供給するCOガス供給源41aと、例えばAr、窒素などの不活性ガスを供給する不活性ガス供給源41bとを備えている。これらの一酸化炭素ガス及び不活性ガスは、主原料容器21内で気化させた固体原料のCo2(CO)8を処理容器1内に運び込むためのキャリアガスとして用いられる。COガスは、気化したCo2(CO)8の分解を抑制する作用を有しているため、キャリアガスの一部としてCOを用いることが好ましい。Co2(CO)8は分解されることによりCOを生成するが、主原料容器21内にCOを供給してCO濃度を高めておくことによって、主原料容器21内でのCo2(CO)8の分解を抑制することができる。キャリアガスの全部をCOガスとすることも可能であり、その場合は不活性ガスを使用しなくてもよい。なお、図示は省略するが、ガス供給部41は、COガス供給源41a及び不活性ガス供給源41bのほかに、処理容器1内をクリーニングするためのクリーニングガスの供給源や、処理容器1内をパージするためのパージガスの供給源等を有していてもよい。
次に、成膜装置100において、各種のプロセスを行う場合の制御系統について説明する。成膜装置100は、上記電力供給部8の出力制御を行う温度制御部60を備えている。電力供給部8、熱電対9a,9b,9c、及び温度調節装置23,25は、それぞれ温度制御部60と信号の授受が可能に接続されている。温度制御部60は、熱電対9a,9b,9cの計測温度情報を元に、フィードバック制御によって電力供給部8へ制御信号を送り、ヒーター7、温度調節装置23,25への出力を調節する。
次に、成膜装置100を用いて行われる、炭素を含有する炭素含有コバルト膜の成膜方法のさらに具体的な内容について、第1〜第3の実施の形態を挙げて説明する。ここでは、コバルト前駆体としてコバルトカルボニルCo2(CO)8、分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物としてアセチレンを用いる場合を例に挙げる。なお、他の成膜原料を用いる場合も、以下に説明する手順・条件に準じて実施できる。
図2は、本発明の第1の実施の形態の成膜方法の手順の一例を示すフローチャートである。図3及び図4は、本実施の形態の成膜方法の主要な工程を説明するためのウエハ表面の部分断面図である。この成膜方法は、例えば、成膜装置100の処理容器1内に、ウエハWを搬入し、ステージ5上に配置する工程(STEP1)と、処理容器1内の圧力及びウエハWの温度を調節する工程(STEP2)と、処理容器1内にCo2(CO)8とアセチレンとをそれぞれ供給して処理容器1内で混合し、CVD法によりウエハWの表面に炭素含有コバルト膜を堆積させる工程(STEP3)と、成膜原料の供給を停止し、処理容器1内を真空引きする工程(STEP4)と、処理容器1内からウエハWを搬出する工程(STEP5)と、を含むことができる。
STEP1では、成膜装置100の処理容器1内に、基板として、例えば絶縁膜が設けられたウエハWを配置する。具体的には、まず、ゲートバルブ3を開放した状態で、開口1dからウエハWを処理容器1内に搬入し、ステージ5の図示しないリフトピンに受け渡す。そして、リフトピンを下降させてウエハWをステージ5に載置する。ここで、図3に示したように、ウエハW上には、下地膜80と、その上に積層された絶縁膜81と、が形成されている。絶縁膜81には、所定の凹凸パターンが形成されており、開口部(トレンチなどの凹部や貫通孔などを意味する)83を有している。なお、開口部83は一つのみ図示しているが複数でもよい。また、図示は省略するが、ウエハW上には、他に絶縁膜、半導体膜、導体膜等が形成されていてもよい。
STEP2では、処理容器1内の圧力及びウエハWの温度を調節する。具体的には、ゲートバルブ3を閉じ、排気装置53を作動させて処理容器1内を所定圧力の真空にする。また、ヒーター7によりウエハWを所定温度まで加熱する。
STEP3は、成膜工程であり、図4に示したように絶縁膜81の表面にCVD法により炭素含有コバルト膜87を形成する。この工程では、主原料容器21を温度調節装置23によって例えば室温〜45℃に温度制御し、成膜原料のCo2(CO)8を気化させる。また、バルブ17iを閉じ、バルブ17a,17hを開放した状態で、さらにバルブ17d,17e及び/又はバルブ17f,17gを開放する。そして、マスフローコントローラ19b,19cによって流量を制御しながら、キャリアガスとして、COガス供給源41aからのCOガス及び/又は不活性ガス供給源41bからの不活性ガスをガス供給配管15d,15e及び15cを介して、主原料容器21へ導入する。主原料容器21からは、気化したCo2(CO)8をキャリアガスによってガス供給配管15aを介して処理容器1へ向けて供給する。この際、主原料容器21、配管15aの温度を、温度調節装置23,25によってCo2(CO)8の分解開始温度未満の温度に制御しながらCo2(CO)8をキャリアガスとともにシャワーヘッド11へ導入する。そして、Co2(CO)8とキャリアガスの混合ガスは、シャワーヘッド11のガス吐出孔13aから処理容器1内の反応空間に供給される。また、他方の成膜原料であるアセチレンは、バルブ17b,17cを開放し、マスフローコントローラ19aによって流量を制御しながら、シャワーヘッド11に導入され、ガス吐出孔13bから処理容器1内の反応空間に供給される。このようにして、処理容器1内の反応空間で、Co2(CO)8とアセチレンとが混合され、ウエハW表面の絶縁膜81の上に、炭素含有コバルト膜87を成膜することができる。
所定の膜厚になるまで、ウエハW表面の絶縁膜81の上に、炭素含有コバルト膜87を堆積させた後、STEP4では、原料供給を停止し、処理容器1内を真空引きする。すなわち、すなわち、バルブ17a〜17gを閉じ、COガス供給源41aからのCOガス、不活性ガス供給源41bからの不活性ガスの供給を停止した状態で、排気装置53により処理容器1内を真空引きする。これにより、処理容器1内に残留した成膜原料のCo2(CO)8とアセチレンを処理容器1の外へ排出する。
STEP5では、STEP1と逆の手順で炭素含有コバルト膜87が形成されたウエハWを処理容器1から搬出する。
ここで、STEP3で行われるCVD法による炭素含有コバルト膜87の成膜処理における好ましい条件について詳細に説明する。
(成膜ガス)
本実施の形態の成膜方法では、成膜ガスとして、Co2(CO)8とアセチレンを用いる。Co2(CO)8の流量は、処理容器1やウエハWの大きさにより適宜変更できるので特に限定されるものではないが、例えば直径300mmのウエハWを処理する場合、炭素含有コバルト膜87の膜厚のウエハ面内均一性、段差被覆性を良好にするとともに、原料消費コストを削減する観点から、例えば1〜1000mL/min(sccm)の範囲内であることが好ましく、50〜500mL/min(sccm)の範囲内であることがより好ましい。また、Co2(CO)8と混合状態で処理容器1内に導入されるキャリアガスの流量は、主原料容器21内の加熱温度におけるCo原料(Co2(CO)8)の蒸気圧から求められるCo原料の流量を考慮して、COガス供給源41aからのCOガス及び/又は不活性ガス供給源41bからの不活性ガスの総流量として、例えば300〜5000mL/min(sccm)の範囲内が好ましく、500〜3000mL/minの範囲内がより好ましい。
炭素含有コバルト膜87の成膜処理における処理圧力は、例えば1.3Pa〜1333Pa(10mTorr〜10Torr)の範囲内が好ましく、13Pa以上660Pa以下の範囲内がより好ましい。処理圧力が1.3Paより低いと充分な成膜レートが得られない場合があり、1333Paを超えると成膜レートが大きくなりすぎて、炭素含有コバルト膜87の剥がれ等の不具合が発生する場合がある。
炭素含有コバルト膜87の成膜処理における処理温度(ウエハWの加熱温度)は、例えば80℃以上300℃以下の範囲内とすることが好ましく、120℃以上250℃以下の範囲内とすることがより好ましい。処理温度が80℃未満では、Co2(CO)8からCo及びCOへ分解が完全に進まない可能性があり、300℃を超えるとCoが凝集して均一な成膜ができなくなる場合がある。
以上のように、STEP1〜STEP5の工程を経て形成される炭素含有コバルト膜87は、炭素を含有しているため、電解めっきに用いるめっき液に対して耐性があり、溶解しにくい。従って、炭素含有コバルト膜87は、例えば開口部83にCu配線やCuプラグを形成するために電解めっきを行う際のめっきシード層として機能する。この際、炭素含有コバルト膜87は、めっき液への耐性があるため、5nm以下まで薄膜化することができる。
次に、本発明の第2の実施の形態の成膜方法について説明する。
図5は、第2の実施の形態の成膜方法の手順の一例を示すフローチャートである。図6は、本実施の形態の成膜方法の工程を説明する参照図である。なお、図6は、図3及び図4よりも拡大した絶縁膜81の表面状態を示している。この成膜方法は、例えば、成膜装置100の処理容器1内に、ウエハWを搬入し、ステージ3上に配置する工程(STEP11)と、処理容器1内の圧力及びウエハWの温度を調節する工程(STEP12)と、処理容器1内にCo2(CO)8を供給して、CVD法によりウエハWの表面に金属コバルトを堆積させる工程(STEP13)と、処理容器1内にCo2(CO)8及びアセチレンを供給して、CVD法によりウエハW表面の金属コバルト上に炭素含有コバルト膜を堆積させる工程(STEP14)と、成膜原料の供給を停止し、処理容器1内を真空引きする工程(STEP15)と、処理容器1内からウエハWを搬出する工程(STEP16)と、を含むことができる。
STEP13は、成膜工程であり、処理容器1内にCo2(CO)8のみを供給して、CVD法によりウエハWの表面に金属コバルト膜87Aを堆積させる。この工程では、処理容器1内にアセチレンを導入しない点以外は、第1の実施の形態のSTEP3と同様に実施できる。すなわち、主原料容器21を温度調節装置23によって温度制御し、成膜原料のCo2(CO)8を気化させる。また、バルブ17iを閉じ、バルブ17a,17hを開放した状態で、さらにバルブ17d,17e及び/又はバルブ17f,17gを開放する。そして、マスフローコントローラ19b,19cによって流量を制御しながら、COガス供給源41aからのCOガス及び/又は不活性ガス供給源41bからの不活性ガスをキャリアガスとして主原料容器21へ流し、気化したCo2(CO)8をシャワーヘッド11に供給する。この際、主原料容器21、配管15aを温度調節装置23,25によってCo2(CO)8が分解しないように温度制御しながらシャワーヘッド11へ導入する。そして、Co2(CO)8とキャリアガスの混合ガスは、シャワーヘッド11のガス吐出孔13aから処理容器1内の反応空間に供給される。このようにして、処理容器1内の反応空間で、Co2(CO)8が分解し、ウエハWの表面に金属コバルト膜87Aを堆積させることができる。
次に、STEP14では、Co2(CO)8を処理容器1内に導入している状態で、さらにバルブ17b,17cを開放し、副原料容器31内のアセチレンをマスフローコントローラ19aによって流量を制御しながら、シャワーヘッド11に導入し、ガス吐出孔13bから処理容器1内の反応空間に供給する。そして、処理容器1内の反応空間で、Co2(CO)8とアセチレンとが混合され、ウエハWの表面の金属コバルト膜87A上に、炭素含有コバルト膜87Bを堆積させる。この工程は、第1の実施の形態のSTEP3と同様に実施できる。このようにして、金属コバルト膜87Aと炭素含有コバルト膜87Bとが層状に積層された炭素含有コバルト膜87を成膜することができる。
図7は、本発明の第3の実施の形態の手順の一例を示すフローチャートである。図8は、本実施の形態の成膜方法の工程を説明する参照図である。なお、図8は、絶縁膜81の表面を図6よりもさらに拡大した状態を示している。この成膜方法は、例えば、成膜装置100の処理容器1内に、ウエハWを搬入し、ステージ3上に配置する工程(STEP21)と、処理容器1内の圧力及びウエハWの温度を調節する工程(STEP22)と、処理容器1内にCo2(CO)8を供給して、ALD(Atomic Layer Deposition)法によりウエハWの表面に金属コバルト層87Cを堆積させる工程(STEP23)と、処理容器1内をパージガスによりパージする工程(STEP24)と、処理容器1内にアセチレンを供給して、ALD法によりウエハWの表面の金属コバルト層87C上に炭素を供給してカーボン層87Dを形成させる工程(STEP25)と、処理容器1内をパージガスによりパージする工程(STEP26)と、成膜原料の供給を停止し、処理容器1内を真空引きする工程(STEP27)と、処理容器1内からウエハWを搬出する工程(STEP28)と、を含むことができる。
STEP23は、ALD法による成膜工程であり、処理容器1内にCo2(CO)8のみを供給して、ウエハWの表面にモノレイヤー程度の金属コバルト層87Cを形成させる。この工程では、処理容器1内にアセチレンを導入しない点、及びALD法によりモノレイヤー程度厚みで金属コバルト層87Cを堆積させる点以外は、第1の実施の形態のSTEP3と同様に実施できる。
次に、STEP24では、処理容器1内にパージガスを導入してパージ処理をする。パージガスとしては、不活性ガス供給源41bのN2ガス、Arガスなどを用いることができる。パージガスガスは、不活性ガス供給源41bから、ガス供給配管15e、バイパスラインであるガス供給配管15f、ガス供給配管15a、及びシャワーヘッド11を介して、処理容器1内に導入することができる。パージ工程では、バルブ17hを閉じて主原料容器21へのキャリアガスの供給を停止するとともにバルブ17a,17b,17cを閉じて処理容器1内を排気装置53により引き切り状態とした後、バルブ17f,17g,17iを開放して処理容器1内にパージガスを導入する。
次に、STEP25では、バルブ17b,17cを開放し、マスフローコントローラ19aによって流量を制御しながら、アセチレンをシャワーヘッド11に導入し、ガス吐出孔13bから処理容器1内の反応空間に供給する。そして、処理容器1内の反応空間でアセチレンが分解され、STEP23で形成されたウエハW表面の金属コバルト層87C上に炭素が供給されることによって、金属コバルト層87C上に、モノレイヤー程度のカーボン層87Dが堆積される。この工程では、処理容器1内にアセチレンのみを導入する点、及びALD法によりモノレイヤー程度のカーボン層87Dを堆積させる点以外は、第1の実施の形態のSTEP3と同様に実施できる。
次に、STEP26では、処理容器1内にパージガスを導入してパージ処理をする。このSTEP26は、上記STEP24と同様に実施できる。
次に、図9〜図11を参照しながら、上記第1〜第3の実施の形態の成膜方法を、ダマシンプロセスに応用した適用例について説明する。図9は、炭素含有コバルト膜87を成膜する前の積層体を示すウエハWの要部断面図である。下地配線層となる層間絶縁膜101の上には、エッチングストッパ膜102、ビア層となる層間絶縁膜103、エッチングストッパ膜104、及び配線層となる層間絶縁膜105が、この順番に形成されている。さらに、層間絶縁膜101にはCuが埋め込まれた下層配線106が形成されている。なお、エッチングストッパ膜102,104は、いずれも銅の拡散を防止するバリア機能も有している。層間絶縁膜103及び層間絶縁膜105は、例えばCVD法により成膜された低誘電率膜である。エッチングストッパ膜102,104は、例えばCVD法により成膜された炭化珪素(SiC)膜、窒化珪素(SiN)膜、炭化窒化珪素(SiCN)膜等である。
Claims (13)
- 基板を処理容器内に配置する工程と、
コバルト前駆体と、分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物と、を原料として基板上に炭素含有コバルト膜を堆積させる工程と、
を備えた成膜方法。 - 前記分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物として、アリル基を含む化合物を用いる請求項1に記載の成膜方法。
- 前記分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物として、アルキン類を用いる請求項1に記載の成膜方法。
- 前記コバルト前駆体と、前記分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物と、を前記処理容器内に同時に供給してCVD法により成膜を行う請求項1から3のいずれか1項に記載の成膜方法。
- 前記コバルト前駆体と、前記分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物と、を前記処理容器内に交互に供給してALD法により成膜を行う請求項1から3のいずれか1項に記載の成膜方法。
- 前記炭素含有コバルト膜を堆積させる工程の前又は後に、前記処理容器内に前記コバルト前駆体を供給して金属コバルト膜を堆積する工程、
をさらに備えた請求項1から3のいずれか1項に記載の成膜方法。 - 前記金属コバルト膜を堆積する工程と、前記炭素含有コバルト膜を堆積させる工程と、を交互に行う請求項6に記載の成膜方法。
- 前記炭素含有コバルト膜がCoxCy膜(ここで、xは2、yは1を意味する)である請求項1から7のいずれか1項に記載の成膜方法。
- 前記コバルト前駆体が、Co2(CO)8である請求項1から8のいずれか1項に記載の成膜方法。
- 真空引き可能な処理容器と、
前記処理容器内に設けられた、基板を載置する載置台と、
前記載置台に載置された基板を所定の温度に加熱するヒーターと、
コバルト前駆体を保持する第1の原料容器と、
前記第1の原料容器内の前記コバルト前駆体を温度調節する温度調節装置と、
分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物を保持する第2の原料容器と、
前記第1の原料容器から前記処理容器に前記コバルト前駆体を供給する配管と、
前記第2の原料容器から前記処理容器に前記分子内に不飽和炭化水素基を含む化合物を供給する配管と、
前記コバルト前駆体を前記処理容器内に導入するためのキャリアガスを供給するガス供給部と、
前記処理容器内を減圧排気する排気装置と、
を備え、基板上に炭素含有コバルト膜を堆積させる成膜装置。 - 請求項1から9のいずれかに記載の成膜方法によって、絶縁膜上に前記炭素含有コバルト膜を堆積させる工程と、
前記炭素含有コバルト膜上にCu膜を堆積させる工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 - 絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された炭素を含有する炭素含有コバルト膜と、
前記炭素含有コバルト膜上に堆積されたCu配線と、
を備えた半導体装置。 - 前記炭素含有コバルト膜は、前記Cu配線を形成するためのシード層であり、かつ前記Cu配線からのCuの拡散を抑制するCuバリア機能を有するものである請求項12に記載の半導体装置。
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