JP3831165B2 - 液体運送装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体運送装置(liquid delivery system：ＬＤＳ)に係り、特に半導体素子の製造工程中に化学気相蒸着法を用いて銅配線を形成する時、銅の蒸着速度を増大させるとともに、再現性を具現することのできる液体運送装置(liquid delivery system：ＬＤＳ)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子の高集積化・高性能化に伴なって半導体素子の金属配線として銅金属配線が広く用いられている趨勢である。銅金属配線は物理気相蒸着（ＰＶＤ）法、金属−有機化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）法、電気メッキ法などを用いて銅層を形成している。化学気相蒸着法で銅を蒸着する時に用いられる既存の液体運送装置は、バブラー(bubbler)とＤＬＩ(direct liquid injection)が挙げられる。
【０００３】
図１に示すように、従来に用いられたバブラー１０はキャリヤガス(carrier gas)が流入線１１を介して流入した後、バブラー１０のキャニスタ(canister)１２内に溜まっていた金属液体原料１３と一定比率で混合されて流出線１４を介してキャニスタ１２の外に出る。キャリヤガスと金属液体原料との比率はキャリヤガスの流量、バブラーの温度、バブラー内の圧力によって定められる。このようなバブラー１０は銅液体原料のような蒸気圧の極めて低い液体原料への使用には不適であり、特にバブラーの温度を一定に維持しなければならないため、銅液体原料が分解しながら、粒子(particle)が生成されて半導体蒸着フィルムに悪影響を及ぼすだけでなく、再現性が悪く、また極めて低い蒸着速度などの問題がある。
【０００４】
図２は現在、金属−有機化学気相蒸着法で銅を蒸着する時に最も広く用いられるＤＬＩ装置２３０の概略的な構成図である。次に、同図を参照してＤＬＩ装置２３０の動作を説明する。
【０００５】
ＤＬＩ装置２３０はマイクロポンプ(micropump)２０と気化器(vaporizer)３０とからなる。アンプル(ampule)１９から金属液体原料が約 1.36kgf/cm ２ の圧力で加圧されて第１弁２１を介してマイクロポンプ２０に伝達されるが、この時、第１ステッピングモータ(stepping motor)２２によって第１ピストン２３が上昇しながら金属液体原料が第１シリンダ２４を満たす。第１弁２１は閉じ、第２弁２５は開き、第１ピストン２３の下降と第２ステッピングモータ２６による第２ピストン２７の上昇が同時に行われながら第１シリンダ２４に満たされた金属液体原料は第２弁２５を介して第２シリンダ２８に流れ込む。第２シリンダ２８に金属液体原料が完全に満たされると、第２弁２５は閉じ、第３弁２９は開き、第２ピストン２７の下降で第３弁２９を介して気化器３０に金属液体原料を移送する。この時、第１弁２１は開き、第１ピストン２３は上昇しながら第１シリンダ２４を再び金属液体原料で満たす。このような動作が繰り返されることにより、金属液体原料はマイクロポンプ２０から気化器３０へ供給される。流量制御はステッピングモータ２２及び２６のサイクル数によって決定される。
【０００６】
マイクロポンプ２０から供給された金属液体原料は、送出し弁３１を介して９９枚のメタルディスク３２へ流れ込み、メタルディスク３２で加熱帯３３によって気化されてキャリヤガスと共に引き抜かれる。
【０００７】
このような気化器３０において、メタルディスク３２の駆動は流入する金属液体原料に依存し、マイクロポンプ２０が圧力を形成できる構造となっており、金属液体原料の圧力を一定に維持させることが非常に難しく、金属液体原料の圧力が平衡状態に達するのに極めて長時間（数十分）がかかるという短所がある。また、初期状態で金属液体原料の吸込(suction)が生ずる場合、メタルディスク３２に多量の金属液体原料が流入して気化せずに残留することにより、気化器３０の詰り(clogging)問題が生ずる。
【０００８】
従って、銅液体原料のように蒸気圧が非常に低くて分解し易い原料では、メタルディスクにおいて原料の分解によってクローギング現象が現われ、ウェーハへの均一蒸着が難しく、また連続蒸着周期が非常に短くて再現性が劣るという問題点があり、半導体工場規模による量産時には適用が事実上不可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、半導体素子の製造工程中、銅液体原料を用いて金属−有機化学気相蒸着法で銅層を蒸着する時、銅の蒸着速度を増大させるとともに、再現性を具現することのできる液体運送装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の液体運送装置は、一定速度で回転するオリフィスを介して常温の銅液体原料を気化手段に供給する銅液体原料供給手段と、銅気化温度の保たれたキャリヤガスをジェットノズルを介してジェット噴射し、前記オリフィスを介して前記気化手段へ供給される銅液体原料を微細玉に形成させるキャリヤガス供給手段と、前記微細玉は前記気化手段で気化し、気化した銅蒸気を反応チャンバに噴射させるための噴射手段とから構成されたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図３は半導体素子の製造工程中、銅液体原料を用いて金属−有機化学気相蒸着法で銅層を蒸着するための本発明の液体運送装置(liquid delivery system：ＬＤＳ)の構成図である。
【００１３】
本発明の液体運送装置１００は、銅液体原料供給手段４０と、キャリヤガス供給手段５０と、気化手段６０と、噴射手段７０とから構成される。
【００１４】
銅液体原料供給手段４０は、銅液体原料４４の満たされたキャニスタ４３に加圧ガスを流入させる第１弁４２付きの加圧ガス流入線４１と、流入線４１からの加圧によって銅液体原料４４をオリフィス(orifice)４７に伝達する第２弁４５付きの銅液体原料流出線４６とからなる。加圧ガスにはＡｒまたはＨｅガスを用いる。オリフィス４７の上端にはモータ４９によって回転する回転手段４８が備えられており、装置動作時、オリフィス４７は回転する。供給手段４０は全ての要素で常温を維持しなければならない。
【００１５】
キャリヤガス供給手段５０は流入線５１からのキャリヤガスの流量を調節する第１流量制御器(mass flow controller:以下、「ＭＦＣ」という)５２と、第１ＭＦＣ５２からキャリヤガスをジェットノズル(jet nozzle)５５に伝達し、銅液体原料４４が気化する温度を維持するための第１加熱マントル(heating jacket)５４で囲まれたキャリヤガス流出線５３と、オリフィス４７とキャリヤガス流出線５３との間で第１加熱マントル５４の熱がオリフィス４７部分に伝達されることを防止してオリフィス４７部分が常時常温に維持されるようにする断熱ブロック５６と、流出線５３を介して気化手段６０の気化器からの真空漏出を防止するためにジェットノズル５５部分に備えられたシーリング(sealing)手段５７とからなる。
【００１６】
気化手段６０は、オリフィス４７を通過した銅液体原料を流出線５３のジェットノズル５５を介してジェット噴射させることにより生成される銅液体原料の超微細液体玉を気化させるための気化器６１と、気化器６１の内部を銅の気化温度に維持するように気化器６１の側端に設けられた第２加熱マントル６２と、超微細液体玉は気化器６１を通過しながら大部分気化するが、未だ気化していない一部の超微細液体玉を気化させるために気化器６１の下端に設けられたヒータ(heater)６３と、気化器６１の内部圧力を一定に維持させるための圧力測定装置６４と絞り弁６６を有する圧力ポンプ６５とからなる。
【００１７】
噴射手段７０は、気化手段６０で気化した銅をキャリヤガスと共に第２ＭＦＣ７２に伝達させる銅蒸気流入線７１と、第２ＭＦＣ７２によって流量が調節された銅蒸気の伝達を銅蒸気流出線７３を介して受けて反応チャンバ８０に銅蒸気を噴射するための銅蒸気噴射器７４とからなる。銅蒸気流入線７１の周りには第３加熱マントル７５が設置される。
【００１８】
半導体素子の製造工程中に銅液体原料を用いた金属−有機化学気相蒸着法でウェーハに銅層を蒸着するために、前記構成を有する本発明の液体運送装置１００の動作を以下に説明する。
【００１９】
銅液体原料４４が溜まっているキャニスタ４３をアルゴンまたはヘリウムガスを用いて0.68kgf/cm ２ 乃至 13.6kgf/cm ２ の圧力で加圧させると、加圧ガス流入線４１で加圧されながら銅液体原料流出線４６に銅液体原料が上がって回転手段４８によって１０乃至１０００ｒｐｍで回転するオリフィス４７に伝達される。この時、銅液体原料流出線４６は常温に維持されなければならない。アルゴン、ヘリウム、水素などのキャリヤガスがキャリヤガス流入線５１を介して２０乃至１０００ｓｃｃｍまでガス量を調節し得る第１ＭＦＣ５２を経由しながらガス流量が調節され、調節されたキャリヤガスはキャリヤガス流出線５３を介してコーン(cone)形態のジェットノズル５５に伝達される。この時、キャリヤガス流出線５３は第１加熱マントル５４を介して銅液体原料の気化温度に維持できるようにして、これを通じて気化器６１に噴射されるキャリヤガスは常時その温度が維持される。このようなキャリヤガスはジェットノズル５５からオリフィス４７を通過する銅液体原料と共に高圧でサイクロン(cyclone)形態の気化器６１内に噴射される。この時、回転するオリフィス４７部分は断熱ブロック５６によって常温に維持される。噴射された銅液体原料は超微細玉（液体＋気体）からなって気化器６１内に存在する。気化器６１は第２加熱マントル６２によって銅の気化温度を維持しているため、超微細玉が気化器６１を通過しながら大部分気化する。しかし、未だ気化していない一部の微細玉は気化器６１の下端に設けられたヒータ６３によって気化される。気化器６１は圧力測定装置６４で内部圧力をモニターリング(monitoring)すると、圧力ポンプ６５に連結された絞り弁６６によって気化器６１内の圧力が一定に維持されるようにする。第２加熱マントル６２とヒータ６３によって気化された銅蒸気は銅蒸気流入線７１と、第２ＭＦＣ７２と、銅蒸気流出線７３を介して銅蒸気噴射器７４に伝達される。伝達された銅蒸気は銅蒸気噴射器７４によってウェーハの装着された反応チャンバ８０に噴射される。銅蒸気流入線７１は銅蒸気が再び液体化されないようにするため、銅気化温度を維持するための手段として第３加熱マントル７５が備えられており、また不完全気化した銅副産物が反応チャンバ８０に供給されることを防止するため、約３０°以上の角度、好ましくは４０乃至７０°の角度で上向に設置される。銅蒸気流出線７３はできる限り短くしてコンダクタンス(conductance)を良くし、その長さは５乃至２０ｃｍ程度とし、線の直径は約１／４インチとする。
【００２０】
蒸着工程が完了すると、圧力ポンプ６５を用いて気化器６１を真空状態に維持した後、雰囲気ガスで満たしておく。
【００２１】
一方、前記本発明の液体運送装置１００は、銅だけでなく、半導体素子の製造工程に広く適用されるアルミニウムＡｌ、タンタルＴａ、ＴＥＯＳなどの酸化物、ＢＳＴなどの物質のように気化し難い液体原料の気化にも適用することができる。
【００２２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の液体運送装置は従来の液体運送装置（バブラー及びＤＬＩ装置）に比べて回転するオリフィスを通過させてコーン形態のジェットノズルを介してキャリヤガスをジェット噴射させ、銅液体原料を超微細粒子に形成させることで、従来の気化器の詰まり現象を無くし、高い再現性を具現することができ、蒸着速度を高めることができ、化学気相蒸着法を用いた銅薄膜を半導体に適用できるようにし、また気化装置を最大限単純化させて装備管理及び洗浄(cleaning)を容易にするという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体素子の化学気相蒸着法に用いられる従来の液体運送装置（バブラー：bubbler）の構成図である。
【図２】半導体素子の化学気相蒸着法に用いられる従来の液体運送装置（ＤＬＩ：direct
liquid injection）の構成図である。
【図３】半導体素子の化学気相蒸着法に用いられる本発明の液体運送装置（ＬＤＳ：liquid delivery system）の構成図である。
【符号の説明】
１０ バブラー
１１ キャリヤガス流入線
１２ キャニスタ(canister)
１３ 金属液体原料
１４ 気化ガス流出線
２３０ ＤＬＩ装置
２０ マイクロポンプ
２１ 第１弁
２２ 第１ステッピングモータ
２３ 第１ピストン
２４ 第１シリンダ
２５ 第２弁
２６ 第２ステッピングモータ
２７ 第２ピストン
２８ 第２シリンダ
２９ 第３弁
３０ 気化器
３１ 送出し弁(delivery valve)
３２ メタルディスク
３３ 加熱帯(heating zone)
１００ 液体運送装置
４０ 銅液体原料供給手段
４１ 加圧ガス流入線
４２ 第１弁
４３ キャニスタ
４４ 銅液体原料
４５ 第２弁
４６ 銅液体原料流出線
４７ オリフィス
４８ 回転手段
４９ モータ
５０ キャリヤガス供給手段
５１ キャリヤガス流入線
５２ 第１ＭＦＣ
５３ キャリヤガス流出線
５４ 第１加熱マントル(heating jacket)
５５ ジェットノズル
５６ 断熱ブロック
５７ シーリング手段
６０ 気化手段
６１ 気化器
６２ 第２加熱マントル
６３ ヒータ
６４ 圧力測定装置
６５ 圧力ポンプ
６６ 絞り弁(throttle valve)
７０ 噴射手段
７１ 銅蒸気流入線
７２ 第２ＭＦＣ
７３ 銅蒸気流出線
７４ 銅蒸気噴射器
７５ 第３加熱マントル
８０ 反応チャンバ

Claims (12)

  1. 一定速度で回転するオリフィスを介して常温の銅液体原料を気化手段に供給する銅液体原料供給手段と、
    銅気化温度の維持されたキャリヤガスをジェットノズルを介してジェット噴射し、前記オリフィスを介して前記気化手段に供給される銅液体原料を微細玉に形成させるキャリヤガス供給手段と、
    前記微細玉は前記気化手段で気化し、気化した銅蒸気を反応チャンバに噴射させるための噴射手段とから構成されたことを特徴とする液体運送装置。
  2. 前記銅液体原料供給手段は、銅液体原料の満たされたキャニスタと、加圧ガスをキャニスタに流入させる加圧ガス流入線と、前記加圧ガス流入線からの加圧によって銅液体原料を前記オリフィスに伝達する銅液体原料流出線とからなることを特徴とする請求項１記載の液体運送装置。
  3. 前記加圧ガスはＡｒまたはＨｅガスを用いて、0.68kgf/cm ２ 乃至 13.6kgf/cm ２ の圧力で加圧することを特徴とする請求項２記載の液体運送装置。
  4. 前記オリフィスはその上端にモータによって回転する回転手段が備えられ、１０乃至１０００ｒｐｍで回転することを特徴とする請求項２記載の液体運送装置。
  5. 前記キャリヤガス供給手段は、キャリヤガスの流量を調節する第１流量制御器と、第１流量制御器からのキャリヤガスを銅気化温度に維持させる第１加熱マントルが備えられたキャリヤガス流出線と、前記オリフィスに第１加熱マントルの熱が伝達されることを遮断する断熱ブロックと、前記ジェットノズルに前記気化手段の真空漏出を防止するシーリング手段とからなることを特徴とする請求項１記載の液体運送装置。
  6. 前記キャリヤガスはアルゴン、ヘリウム、水素のいずれか一つを使用することを特徴とする請求項５記載の液体運送装置。
  7. 前記気化手段は、前記微細玉を気化させる第2加熱マントル及びヒータを備えている気化器と、前記気化器の内部圧力を一定に維持させる圧力測定装置及び絞り弁を有する圧力ポンプとからなることを特徴とする請求項１記載の液体運送装置。
  8. 前記第２加熱マントルは、前記気化器の内部温度が銅気化温度に維持されるように側端に設置され、前記ヒータは前記微細玉のうち気化していない微細玉が気化するように前記気化器の下端に設置されたことを特徴とする請求項７記載の液体運送装置。
  9. 前記気化器の内部圧力は、前記圧力測定装置で内部圧力がモニターリングされると、前記圧力ポンプに連結された前記絞り弁によって圧力が一定に維持されるようにすることを特徴とする請求項７記載の液体運送装置。
  10. 前記噴射手段は、前記銅蒸気がその状態のまま維持されるように第３加熱マントルが備えられた銅蒸気流入線と、銅蒸気流入線からの銅蒸気及びキャリヤガスの流量を調節する第２流量制御器と、第２流量制御器からの銅蒸気及びキャリヤガスを前記反応チャンバに噴射する銅蒸気噴射器へ伝達する銅蒸気流出線とからなることを特徴とする請求項１記載の液体運送装置。
  11. 前記銅蒸気流入線は不完全気化した銅副産物が前記反応チャンバに供給されることを防止するために４０乃至７０°の角度で上向きに設置されることを特徴とする請求項１０記載の液体運送装置。
  12. 前記銅蒸気流出線は、その長さを５乃至２０ｃｍにし、その直径を約１／４インチにすることを特徴とする請求項１０記載の液体運送装置。
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