JP4162779B2 - Cvd装置およびcvd方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CVD装置およびCVD方法に関し、特に、シリコン基板に高集積回路デバイスを形成するための配線用銅膜を下地形成と厚み増大の2つのCVD成膜プロセスで成膜するCVD装置およびCVD方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体高集積回路デバイスの配線用銅膜を成膜する銅CVD(化学気相成長または化学蒸着)装置は、従来、実験装置のみが製作されており、量産用の枚葉式銅CVD装置はいまだ完成していない。量産用の枚葉式銅CVD装置を製作する場合、シリコン、化合物半導体、ガラス等の基板に配線用銅膜を成膜するにあたり、膜の成膜速度を大きくして成膜効率を高めること、および段差被覆性等の埋込み特性を良好にして膜の質を向上することが要求される。そこで、高い成膜効率および高い膜質を達成するという観点から、従来より、枚葉式銅CVD装置における最適な成膜プロセスの構成、段数、成膜モジュールの個数、構造等が研究されている。しかし、量産用枚葉式銅CVD装置において、いまだ望ましい成膜モジュールの構成例は確定されていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
実際のところ、CVD装置において基板に配線用銅膜を成膜する場合、1つのプロセス(1つの成膜室で1つの成膜条件)で成膜を行うとすると、一般的に成膜速度と埋込み特性の間にはトレードオフの関係が存在するので、成膜速度と埋込み特性の両方を満足する成膜を行うことは非常に困難である。このため実用的な量産用枚葉式銅CVD装置は未完成の状態にあった。そこで本発明者等は、先に出願した特願平10−92399号(平成10年3月20日出願)で、量産を可能にする実用的な枚葉式のCVD装置およびCVD方法を提案した。先の出願に係る発明では、配線用金属膜の成膜を行うにあたり、成膜速度が小さくかつ埋込み特性が良い第1成膜条件で成膜を行うプロセスと、成膜速度が大きくかつ埋込み特性が悪い第2成膜条件で成膜を行うプロセスの2つのプロセスに分けて成膜を行うことに特徴がある。他方、先の出願の段階では2つのプロセスの各々で使用される原料に関して十分な検討がなされていなかった。
【0004】
本発明の目的は、基板に配線用銅膜を成膜することにおいて、成膜条件の異なる2つのCVDプロセスのそれぞれで好ましい原料を使用して成膜を行い、良好な埋込み特性と大きい成膜速度を実現し、成膜効率と膜質を向上するCVD成膜を可能にしたCVD装置およびCVD方法を提供することにある。
本発明に従えば、第1の成膜条件による成膜プロセスに適した原料、第2の成膜条件による成膜プロセスに適した原料を具体的に提案する。この際において、先の出願では、第1成膜条件と第2成膜条件は、成膜速度の大小と埋込み特性の良・悪のトレードオフの関係に基づき関連づけられていたが、実際の配線用銅膜の成膜を考慮すれば、上記トレードオフ関係を強く考慮する必要はなく、主に成膜速度の大小だけに基づいて異なる成膜条件を必要に応じて設定し、2つのプロセスで配線用銅膜の堆積を完了することが可能となる。
【0005】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るCVD装置およびCVD方法は、上記目的を達成するため、次のように構成される。
【0006】
CVD装置は、基板に配線用銅膜を成膜するにあたり、成膜速度が小さいCu(hfac)(tmvs)(正式名称:トリメチルビニルシリル・ヘキサフルオロアセチルアセトナト酸塩銅)系原料を用いて下地としての銅膜を成膜する第1CVDモジュールと、成膜速度が大きいCu(hfac)(atms)(正式名称:アリルトリメチルシリル・ヘキサフルオロアセチルアセトナト酸塩銅)系原料を用いて上記銅膜の厚みを厚くする成膜を行う第2CVDモジュールを備えて成る。
上記CVD装置では、Cu(hfac)(tmvs)系原料の成膜速度は約100nm/分、Cu(hfac)(atms)系原料の成膜速度は約400nm/分であり、配線用銅膜を成膜する1つのCVD成膜プロセスを成膜速度の異なる2つの原料に基づくサブプロセスに分け、各サブプロセスを第1および第2のCVDモジュールの各々で実行するようにした。そのため、成膜効率を高めることと膜質を向上することの両方を達成できる実用性のある量産用のCVD装置が実現される。
上記構成を有するCVD装置において、Cu(hfac)(tmvs)系原料を用いた成膜プロセスとCu(hfac)(atms)系原料を用いた成膜プロセスの組合せによって1つの成膜プロセスが完了するように構成される。第1の成膜プロセスと第2の成膜プロセスをそれぞれサブプロセスとして、1つの成膜プロセスを実行する。そのためにそれぞれの原料に対応するCVDモジュールが用意される。
さらに、1つのCVD成膜チャンバを設け、上記の第1CVDモジュールと第2CVDモジュールのそれぞれの成膜チャンバを当該1つの成膜チャンバで共用するように構成することもできる。なお当然のことながら、第1CVDモジュールと第2CVDモジュールがそれぞれ専用のCVD成膜チャンバを備えるように構成できるのは勿論である。
【0007】
CVD方法は、基板に配線用銅膜を成膜する方法であり、成膜速度が小さいCu(hfac)(tmvs)系原料を用いて良好な埋込み特性を有する下地の銅膜を成膜する第1CVDプロセスと、成膜速度が大きいCu(hfac)(atms)系原料を用いて上記銅膜を厚くするための成膜を行う第2CVDプロセスを順次に実行して1つの成膜プロセスを完了するように構成される。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0009】
図1に本発明に係るCVD装置の代表的実施形態を示す。図1は、中央に位置する搬送モジュール11の周囲に複数の各種モジュール12〜16を備えたマルチチャンバ式CVD装置を上方から見た図を示している。ここで「モジュール」とは、装置・機械・システムを構成する部分で、機能的にまとまった部分を意味する。搬送モジュール11とモジュール12〜16の各々のチャンバの間にはゲートバルブ17が設けられている。搬送モジュール11のチャンバ中には搬送ロボット(基板搬送機構)18が設けられ、搬送ロボット18はそのハンドでシリコン基板19を各モジュールに搬入しまたは各モジュールから搬出する。搬送モジュール11の周囲に配置される複数のモジュールは、2つのロード/アンロード・ロック・モジュール12,13と、予備加熱モジュール14と、第1のCVDモジュール15(以下「第1CVDモジュール15」)と、第2のCVDモジュール16(以下「第2CVDモジュール16」)である。これらのモジュール12〜16は、それぞれ、シリコン基板19が搬入されるチャンバを備えている。特に第1CVDモジュール15と第2CVDモジュール16はそれぞれ専用の成膜チャンバを備えている。さらに第1CVDモジュール15と第2CVDモジュール16は、その他に各成膜に必要な装置構成を含んでいる。CVDモジュール15,16は例えば熱CVDによる成膜を行うモジュールであり、詳しくはシリコン基板19の表面上に形成された配線パターン(配線構造)の上に配線用銅膜の成膜を行う。第1CVDモジュール15では少なくとも相対的に成膜速度が小さい原料を使用する第1の成膜条件で成膜が行われ、第2CVDモジュール16では少なくとも相対的に成膜速度が大きい原料を使用する第2の成膜条件で成膜が行われる。
【0010】
第1の成膜条件における成膜速度が小さい原料としてCu(hfac)(tmvs)系の原料が使用され、第2の成膜条件における成膜速度が大きい原料としてCu(hfac)(atms)系の原料が使用される。従って第1CVDモジュール15にはCu(hfac)(tmvs)系原料を供給するための原料容器31が付設され、第2CVDモジュール16にはCu(hfac)(atms)系原料を供給するための原料容器32が付設される。Cu(hfac)(tmvs)系の原料の成膜速度は約100nm/分であり、初期核生成が良好な特性を有し、Cu(hfac)(atms)系の原料の成膜速度は約400nm/分であり、初期核生成の特性は不良である。Cu(hfac)(atms)系の原料の成膜では下地としての銅が必要となる。
【0011】
成膜速度の小さいCu(hfac)(tmvs)系の原料を用いて成膜を行う第1CVDモジュール15では、シリコン基板19の配線パターンに下地用の銅膜を埋め込むためのCVD成膜が行われる。また成膜速度の大きいCu(hfac)(atms)系の原料を用いて成膜を行う第2CVDモジュール16では、第1CVDモジュール15で成膜された薄い銅膜を下地としてこの銅膜の厚みを厚くするためのCVD成膜が行われる。第2CVDモジュール16での成膜によれば、シリコン基板19の上に配線用銅膜を高速に堆積させ、例えば後述のごとく400nm程度の銅膜を短時間で形成する。
【0012】
上記第1の成膜条件では成膜温度を相対的に低く設定し、第2の成膜条件では成膜温度を相対的に高く設定することもできるし、あるいは第1および第2の成膜条件を同じにすることもできる。上記成膜温度は実質的に基板温度で決められる。なお上記では熱CVDによる成膜としたが、これに限定されるものではない。成膜条件を異なるように設定できるように構成された他の方式のCVDであってもよい。
【0013】
上記の代表的実施形態によるCVD装置において、カセット(図示せず)にセットされた1枚のシリコン基板19は1つのロード/アンロード・ロック・モジュール12から搬送ロボット18によって、予備加熱モジュール14に搬入され、そこで約175℃に加熱された後、第1CVDモジュール15に搬入される。第1CVDモジュール15は成膜温度として好ましくは175℃に設定されている。成膜を2分行った後、シリコン基板19は搬送ロボット18によって第1CVDモジュール15から搬出され、第2CVDモジュール16に移される。第2CVDモジュール16は成膜温度として好ましくは190℃に設定されている。成膜を1分間行った後、シリコン基板19は搬送ロボット18によって第2CVDモジュール16から搬出され、ロード/アンロード・ロック・モジュール13に戻される。
【0014】
次に具体的に図2に示した膜構造を有する銅膜を上記CVD装置を用いて成膜する例について説明する。図2は、既に第1と第2のCVD成膜モジュールで成膜が完了した状態を示している。図2で、21,22はシリコン基板19の上に積層された配線形成用パターン層であり、23は下側に形成された配線(銅)であり、24,25は上側のパターン層22に形成された配線トレンチ(溝)である。配線トレンチ24は狭幅トレンチ、配線トレンチ25は広幅トレンチである。パターン層21,22の間には絶縁層26が形成され、絶縁層26にはビアホール27が形成されている。上側のパターン層22に配線を形成するために、本実施形態によるCVD装置が用いられる。上側のパターン層22上にて、下側に堆積された銅膜28は第1CVDモジュール15によって成膜され、その上側に堆積された銅膜29は第2CVDモジュール16によって成膜されたものである。この例において、銅膜28の厚みは後述するごとく200nmであり、銅膜29の厚みは後述するごとく400nmであるとする。下側に形成された配線23はビアホール27内に堆積した銅によって上側の配線となる銅膜に電気的に接続されている。
【0015】
図2に示した配線構造をさらに詳しく述べると、配線構造を形成するパターン層には、例えば、幅1.5μm(ミクロン)、深さ0.5μmの上記広幅トレンチ25と、幅0.3μm、深さ0.5μmの上記狭幅トレンチ24と、直径0.2μm、深さ0.5μmの微細ビアホール27が共存して形成されている。
【0016】
上記CVD装置によれば、最初に第1CVDモジュール15でシリコン基板19に対して成膜速度の小さいCu(hfac)(tmvs)系の原料を用いて2分間成膜を行い、厚み200nmの銅膜28が成膜される。第1CVDモジュール15での成膜では埋込み特性が良好であるので、この間に0.3μm径以下のビアホールおよび0.35μm幅以下の配線トレンチは銅膜で完全に埋め込まれる。従って図2に示すごとく微細ビアホール27と狭幅トレンチ24は埋め込まれる。一方、広幅トレンチ25は、この段階では200nmのコンフォーマルな膜堆積が起こるが、銅膜28による埋込みは完了していない。
【0017】
続いてシリコン基板19を第2CVDモジュール16へ搬送し、この第2CVDモジュール16で成膜速度の大きいCu(hfac)(atms)系の原料を用いて1分間成膜を行い、厚み400nmの銅膜29の成膜が行われる。この成膜では、前述の銅膜28は下地として利用され、銅膜29が存在することによってCu(hfac)(atms)系原料を利用したCVD成膜が可能となり、銅膜28が堆積する。図2では銅膜28と銅膜29は別の層として描かれているが、銅膜としては実質的に同じものである。従って第2CVDモジュール16による銅のCVD成膜は、銅膜28の厚みを全体として厚くするための成膜であり、銅膜を高速で形成することができる。また第2CVDモジュール16での成膜によって、広幅トレンチ25にも、CVDモジュール15による200nmの銅膜28と併せて厚み600nmまで銅膜が堆積することになる。これによって広幅トレンチ25への銅の埋込みが完了する。
【0018】
微細なビアホール、狭幅トレンチ、広幅トレンチが共存する配線用パターンに対して単一の成膜条件で成膜プロセスを実行して銅の埋込みを行おうとすると、埋込み特性の良好な成膜条件である第1CVDモジュール15で埋め込むことになる。しかし、この成膜条件では成膜速度が小さいため、(トレンチ深さ:1.0μm)+(埋込み余裕度確保のための成膜の厚み:0.1μm)=1.1μmの成膜を行うには、12分30秒もの長い成膜時間が必要となる。これに対して、上記実施形態では、第1と第2のCVDモジュール15,16を設け、第1CVDモジュールでは成膜速度の小さいCu(hfac)(tmvs)系の原料を用いて配線パターンの埋め込みを確実に行うと共に次の銅膜形成の下地の銅として利用し、第2CVDモジュール16では銅膜28を下地として成膜速度の大きいCu(hfac)(atms)系原料を利用して銅膜形成を可能にしかつ厚い銅膜の形成を行う。以上説明したように、微細ホール、狭幅トレンチ、広幅トレンチが共存する配線パターンに対して銅膜を堆積して配線構造を作るとき、本実施形態によるCVDモジュール15,16を備えたCVD装置を用いることにより、銅膜を完全にしかも高速に埋め込むことが可能であり、5分に銅膜を成膜することができる。図2を使用して本発明の一実施形態を説明したが、銅膜を形成する前に、しばしば、バリア層および/または密着層を成膜した後、銅膜を形成することがある。本発明において重要な点はパターンの形状であるので、バリア層および/または密着層の図示および説明は省略されている。
【0019】
次に図3を参照して本発明に係るCVD装置の変形例を説明する。この実施形態では、搬送モジュール11の周囲にCVD成膜のためのチャンバとして1つのCVD成膜チャンバ41が設けられている。CVD成膜チャンバ41には、第1CVDモジュール用供給機構15Aを介して原料容器31からCu(hfac)(tmvs)系の原料が供給され、または第2CVDモジュール用供給機構16Aを介して原料容器32からCu(hfac)(atms)系の原料が供給されるように構成されている。いずれの原料をCVD成膜チャンバ41に供給するかは、コントローラ42の制御に基づいて決定される。第1CVDモジュール用供給機構15Aと第2CVDモジュール用供給機構16Aの各々には供給路に開閉バルブ43,44が設けられる。開閉バルブ43,44の開閉動作はコントローラ42によって制御される。
【0020】
上記において、第1CVDモジュール用供給機構15AとCVD成膜チャンバ41により前述の第1CVDモジュール15が構成され、第2CVDモジュール用供給機構16AとCVD成膜チャンバ41により前述の第2CVDモジュール16が構成される。以上の構成により明らかなように、CVD成膜チャンバ41は、前述した第1CVDモジュールと第2CVDモジュールにとって共通の成膜チャンバとして共用される。第1CVDモジュールによるCu(hfac)(tmvs)系の原料を用いたCVD成膜、第2CVDモジュールによるCu(hfac)(atms)系の原料を用いたCVD成膜は、コントローラ42の制御に基づいて前述と同様に行われる。なおCVD成膜チャンバ41における前述した第1と第2の各々の成膜条件は、コントローラ42が条件設定器45を制御することにより設定される。なおコントローラ42のメモリには、本発明に係るCVD方法を実施するためのプログラムが内蔵されている。CVD成膜方法の説明は、前述した通りであるので、ここでは省略する。
【0021】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、シリコン基板に配線用銅膜を成膜する例えば枚葉式のCVD装置またはCVD方法において、1つのCVDプロセスを、成膜速度の小さいプロセスと成膜速度の大きいプロセスを組合せて行うようにしたため、良好な成膜速度特性と埋込み特性を実現し、成膜効率と膜質を向上でき、高い生産性を達成する効率的な半導体デバイスの製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るCVD装置の代表的実施形態を示す平面図である。
【図2】配線構造と膜堆積状態の一例を示す断面図である。
【図3】本発明に係るCVD装置の実施形態の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
11 搬送モジュール
12,13 ロード/アンロード・ロック・モジュール
14 予備加熱モジュール
15,16 CVDモジュール
15A 第1CVDモジュール用供給機構
16A 第2CVDモジュール用供給機構
17 ゲートバルブ
18 搬送ロボット
19 シリコン基板
21,22 パターン層
23 配線
28,29 銅膜
31 Cu(hfac)(tmvs)系原料の原料容器
32 Cu(hfac)(atms)系原料の原料容器
41 CVD成膜チャンバ
42 コントローラ
43,44 開閉バルブ

Claims (4)

  1. 基板に配線用銅膜を成膜するCVD装置において、Cu(hfac)(tmvs)系原料を用いて成膜を行う第1CVDモジュールと、Cu(hfac)(atms)系原料を用いて成膜を行う第2CVDモジュールを備えたことを特徴とするCVD装置。
  2. 前記Cu(hfac)(tmvs)系原料を用いた下地銅膜の成膜プロセスと、前記Cu(hfac)(atms)系原料を用いた厚みを増す銅膜の成膜プロセスの組合せによって1つの成膜プロセスが完了することを特徴とする請求項1記載のCVD装置。
  3. 1つのCVD成膜チャンバを設け、このCVD成膜チャンバが、前記第1CVDモジュールの成膜チャンバおよび第2CVDモジュールの成膜チャンバとして共用されることを特徴とする請求項1または2記載のCVD装置。
  4. 基板に配線用銅膜を成膜するCVD方法において、 Cu(hfac)(tmvs) 系原料を用いて下地銅膜の成膜を行う第1CVDプロセスと、 Cu(hfac)(atms) 系原料を用いて厚みを増す銅膜の成膜を行う第2CVDプロセスを順次に実行して1つの成膜プロセスを完了するようにしたことを特徴とするCVD方法。
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