JP4199348B2

JP4199348B2 - 薄膜形成方法及び形成装置

Info

Publication number: JP4199348B2
Application number: JP35758498A
Authority: JP
Inventors: 信幸大塚; 秀樹北田; 紀嘉清水; 寿哉鈴木
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: JP2000183164A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成方法及び形成装置に関し、特に半導体基板の表面上への配線層の形成に適した薄膜形成方法及び形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路装置の高集積化、各半導体素子の微細化に伴い、信頼性の高い配線及び電極をサブミクロン以下のサイズで形成する技術が要望されている。また、電気抵抗の低い配線材料として銅（Ｃｕ）が注目されている。
【０００３】
従来、スパッタリングや化学気相成長（ＣＶＤ）により、Ｃｕの配線層を成長させていた。ダマシン法でＣｕ配線を形成する場合、カバレッジ特性の高い成長方法を採用する必要がある。スパッタリングでは、微細な溝内を再現性良く埋め込むことが困難である。微細な溝内を埋め込む必要があるダマシン法には、ＣＶＤが適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＶＤによりＣｕ薄膜を成長させるためのＣｕの原料として、一般的に、ヘキサフロロアセチルアセトネートトリメチルビニルシラン銅（Ｉ）（Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳ）が用いられる。Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳは室温で液体であるため取扱いが容易であり、かつ、この原料を用いることにより、約２００℃以下の低温での成長が可能となる。
【０００５】
原料が液体状態の時に、ポンプまたは液体供給マスフローコントローラで原料の供給量を制御する。その後、原料を加熱し、気化させて、基板の表面上へ輸送する。Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳは比較的低温で分解し易く、その蒸気圧も低い。このため、気化した後、分解し、分解によって生成した物質が、配管やバルブの内面に付着する。この付着物は、配管の目詰まりやパーティクル発生の要因になる。また、この付着物により、再現性の良い成膜を行うことが困難になる。このため、配管の交換作業等の維持管理が面倒である。
【０００６】
本発明の目的は、薄膜形成装置の維持管理の容易な薄膜形成方法及び形成装置を提供することである。
【０００７】
本発明の一観点によると、
形成すべき薄膜の構成元素を一部に含む化合物である原料物質を溶媒に溶かした原料溶液を準備する工程と、
基板を、前記原料物質の分解温度以上の温度まで加熱する工程と、
前記原料溶液と、加熱された前記基板の表面とを接触させることにより、前記原料物質を分解し、分解により生成した物質を前記基板の表面上に堆積する工程と
を有し、
前記堆積工程が、
上方に開口部を有する容器の該開口部から前記原料溶液を溢れさせることで前記原料溶液の流れを形成する工程と
前記開口部の上方において、前記原料溶液の流れに前記基板の表面を接触させる工程と
を含む薄膜形成方法が提供される。
【０００８】
原料物質が液体状態のままで基板表面に接触するため、原料物質を輸送する配管等に、原料物質の分解生成物が付着することを防止できる。
【０００９】
本発明の他の観点によると、
形成すべき薄膜の構成元素を一部に含む化合物である原料物質を溶媒に溶かした原料溶液を収容し、上方に開口部を備えた原料容器と、
前記原料容器の開口部から溢れた原料溶液を、前記原料容器内に再導入することにより、原料溶液を該原料容器の開口部から溢れさせる輸送手段と、
薄膜を形成すべき基板を支持し、該基板の表面が、前記原料容器の開口部から溢れている原料溶液の流れに接触させる基板支持台と、
前記基板支持台に支持された基板を加熱する基板加熱手段と、
前記基板支持台に支持された基板の温度が、前記原料物質の分解温度以上になるように、前記基板加熱手段を制御する制御手段と
を有する薄膜形成装置が提供される。
【００１０】
原料物質が、液体状態のまま、基板の表面上まで輸送される。基板温度が、原料物質の分解温度以上である場合には、基板表面に接した原料物質が分解する。分解により生成された物質のうち溶媒に溶解しないものが、基板表面上に堆積する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の実施例による薄膜形成装置の概略断面図を示す。処理容器１内に、基板支持台２が格納されている。基板支持台２の基板支持面上に、薄膜を形成すべき基板５が支持される。基板支持台２には、基板加熱手段３が設けられており、基板加熱手段３により基板５が加熱される。基板加熱手段３は、制御手段２８により制御され、基板５の温度が所望の温度に維持される。基板支持台２は、自転機構４により回転する。基板支持台２が回転することにより、基板５が、その表面に平行な面内で自転する。
【００１２】
原料容器１０内に、原料溶液３０が収容されている。原料溶液３０は、輸送路１２、ポンプ１１を経由し、原料供給ヘッド１３内に輸送される。ポンプ１１は、原料溶液３０の流量を制御する。原料供給ヘッド１３は、処理容器１内に、基板５に対向するように配置されている。基板５に対向する面に、複数の穴１４が形成されている。原料供給ヘッド１３内に流入した原料溶液３０は、穴１４を通って基板５の表面上に注がれる。原料溶液３０の流量が少ない場合には、原料溶液３０は、基板５の表面上に滴下される。
【００１３】
原料容器１０、輸送路１２、及びポンプ１１は、恒温槽２５内に配置されている。恒温槽２５内の温度を所望の温度に維持しておくことにより、原料溶液３０が、基板５の表面上に注がれる前に、所望の温度まで加熱される。
【００１４】
溶媒容器１５内に、溶媒３１が収容されている。溶媒３１は、輸送路１６及びポンプ１７を通って、原料溶液３０の輸送路内に供給される。ポンプ１７は、溶媒３１の流量を制御する。原料溶液３０に追加供給された溶媒３１は、原料溶液３０の濃度を低下させる。
【００１５】
処理容器１内に、ガス導入管２０からＮ₂ガスまたは不活性ガスが導入される。処理容器１内に導入された原料溶液３０、溶媒３１、及びＮ₂ガスまたは不活性ガスは、排出口２１から容器外へ排出される。
【００１６】
次に、図１に示す薄膜形成装置を用いて基板５の表面上にＣｕ薄膜を形成する方法について説明する。
【００１７】
原料溶液３０として、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳをテトラデカンに溶解させたものを用いた。原料溶液３０の濃度は、０．５モル／リットルとした。基板５として、例えば、シリコン基板上にＳｉＯ₂膜を形成し、その上に厚さ５０ｎｍのＴｉＮ膜を形成したものを用いた。ＴｉＮ膜は、原料としてテトラジメチルアミノチタンを用いたＭＯＣＶＤにより形成した。成長条件は、原料温度４０℃、流量１００ｓｃｃｍ、基板温度３５０℃、圧力１００ｍＴｏｒｒ、成長速度４ｎｍ／分である。
【００１８】
本実施例では、溶媒３１を追加供給することなく、原料溶液３０をそのまま基板５の表面上に供給した。また、恒温槽２５による加熱を行うことなく、原料溶液３０を室温の状態で原料供給ヘッド１３内に供給した。原料溶液３０の流量は３０ｓｃｃｍ、基板温度は１８０℃とした。自転機構４による基板５の自転は行わなかった。
【００１９】
Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳの分解温度は約７０℃である。ここで、分解温度とは、その温度未満であれば１分間放置しても実質的に分解が生じることはなく、その温度以上であれば、１分間で、成膜すべき物質、実施例の場合には金属銅を検出することができるような温度を意味する。成膜すべき物質は、例えば質量分析、原子吸光分析等により検出することができる。
【００２０】
原料溶液３０が基板５の表面に接触すると、分解温度以上まで加熱され分解される。分解により金属銅が生成され、基板５の表面上にＣｕ薄膜が堆積する。溶媒であるテトラデカンの沸点は約２５４℃であるため、溶媒は液体状態のまま基板５の表面上を流れ、排出口２１から排出される。Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳの分解により生じた金属銅以外の生成物は、テトラデカンに溶解し、テトラデカンと共に処理容器外に排出される。
【００２１】
上記方法では、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳが気体の状態で輸送されることがない。このため、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳの分解により生成する物質が配管内に付着することがない。
【００２２】
図２は、上記方法によりＣｕ薄膜を形成した場合の、原料溶液の供給時間と、形成されたＣｕ薄膜の膜厚との関係を示す。横軸は、原料溶液の供給時間を単位「分」で表し、縦軸はＣｕ薄膜の膜厚を単位「ｎｍ」で表す。膜厚は、原料の供給時間にほぼ比例し、成膜速度は、約８５０ｎｍ／分である。ＣＶＤによりＣｕ薄膜を形成する場合の一般的な成長速度は、１００ｎｍ／分以下である。本実施例によると、ＣＶＤにより成膜する場合に比べて、大きな成長速度を得ることができる。
【００２３】
上記実施例では、原料溶液３０の濃度を０．５モル／リットルとした。次に、原料溶液３０の濃度を変化させた場合の成膜速度について説明する。
【００２４】
図３は、原料溶液３０の濃度と、１分間で成膜された膜厚との関係を示す。横軸は原料溶液３０の濃度を単位「モル／リットル」で表し、縦軸は膜厚を単位「ｎｍ」で表す。原料溶液３０の濃度を高くすると、成膜速度が上昇している。すなわち、原料溶液３０の濃度を調整することにより、成膜速度を変化させることができる。
【００２５】
図１において、ポンプ１７を作動させると、溶媒３１が原料溶液３０に追加供給され、その濃度が低下する。原料溶液の濃度の低下に応じて、Ｃｕ薄膜の成長速度も低下する。このようにして、原料容器１０内に収容されている原料溶液３０の濃度を変化させることなく、Ｃｕ薄膜の成長速度を制御することができる。
【００２６】
上記実施例では、基板温度を１８０℃としたが、原料物質であるＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳの分解温度約７０℃よりも高い温度であれば、その他の温度としてもよい。ただし、発明者らの実験によると、基板温度１００℃以下では、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳの分解は生ずるが、十分な速さの成膜速度が得られなかった。十分な速さの成膜速度を得るためには、基板温度を１００℃以上とすることが好ましい。また、基板温度は、溶媒の沸点以下とすることが好ましい。基板温度は、制御手段２８により制御される。
【００２７】
上述の実施例では、恒温槽２５による加熱を行わなかったが、加熱を行ってもよい。恒温槽２５で原料溶液３０を予備加熱しておくと、原料溶液が基板５の表面上に接触することによる基板温度の低下を抑制することができる。また、上述の実施例では、基板５を自転させなかったが、基板５を自転させると、Ｃｕ薄膜の膜厚をより均一にすることができるであろう。この時の回転数は、例えば１０〜１０００ｒｐｍとする。
【００２８】
また、所望の厚さのＣｕ薄膜が形成された時点で基板５を高速回転させ、その表面上に滞留している原料溶液を除去することにより、膜厚をより正確に制御することが可能になる。この時の回転数は、例えば１０００〜５０００ｒｐｍとする。
【００２９】
Ｃｕ薄膜の成膜中に、処理容器１内を不活性ガス雰囲気またはＮ₂雰囲気にしておくことにより、Ｃｕ薄膜の酸化を防止することができる。
【００３０】
図４は、第２の実施例による薄膜形成装置の概略断面図を示す。処理容器４０内に、内部容器４１が配置されている。内部容器４１は、その上端に開口部を有する。ポンプ４２が内部容器４１の下端から原料溶液をその内部に供給する。供給された原料溶液は、内部容器４１の上端の開口部から溢れる。溢れた原料溶液は、輸送路４３を通って恒温槽４４に回収される。恒温槽４４に回収された原料溶液は、所望の温度まで加熱されて、輸送路４５を通り、ポンプ４２により再び内部容器４１内に供給される。
【００３１】
内部容器４１の開口部に対向するように、基板支持台３５が配置されている。基板支持台３５の下面に基板３７が支持される。基板３７の表面が、原料溶液４６の液面に接する。基板支持台３５に、基板加熱手段３８が設けられている。基板支持台３５は、自転機構３６により自転する。
【００３２】
次に、図４に示す薄膜形成装置を用い、Ｃｕ薄膜を形成する方法を説明する。原料溶液として、上記第１の実施例の場合と同様に、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳをテトラデカンに溶解させたものを使用する。恒温槽４４により、原料溶液の温度を６０℃に維持し、基板温度を１８０℃にする。原料溶液が基板３７に接すると、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳが分解され、基板３７の表面上にＣｕ薄膜が形成される。
【００３３】
原料溶液の温度を、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳの分解温度約７０℃よりもやや低い６０℃に維持しているため、基板３７が原料溶液に接することによる基板温度の低下を抑制することができる。
【００３４】
図５は、上記第１もしくは第２の実施例によるＣｕ薄膜の形成方法を適用し、デュアルダマシン法によりＣｕ配線を形成した半導体装置の断面図を示す。シリコン基板５０の表面にフィールド酸化膜５２が形成され、活性領域が画定されている。活性領域内に、ＭＯＳＦＥＴ５１が形成されている。この基板の表面上に、５層の配線層６１Ａ〜６１Ｅが形成されている。各配線層は、それぞれ層間絶縁膜６０Ａ〜６０Ｅにより相互に絶縁されている。
【００３５】
以下、層間絶縁膜６０Ｂ及び配線層６１Ｂの形成方法について説明する。なお、他の層間絶縁膜及び配線層の形成方法も、以下に説明する方法と同様である。
【００３６】
下地表面を覆うように、ＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜６０ＢをＣＶＤにより堆積する。層間絶縁膜６０Ｂの上面から下地表面に達するビアホール６２を形成する。次に、ビアホール６２と部分的に重なる配線溝６３を形成する。配線溝６３の深さは、層間絶縁膜６０Ｂの厚さよりも浅い。配線溝６３の底面の一部にビアホール６２が開口する。ビアホール６２及び配線溝６３の形成は、例えばエッチングガスとしてＣＦ₄を用いたドライエッチングにより行う。
【００３７】
ビアホール６２及び配線溝６３の内面及び層間絶縁膜６０Ｂの表面上に、ＴｉＮからなるバリア層を形成する。このバリア層は、原料としてテトラジメチルアミノチタンを用いたＭＯＣＶＤにより形成することができる。
【００３８】
このバリア層の表面上に、上記第１もしくは第２の実施例によるＣｕ薄膜の形成方法を用いてＣｕ薄膜を形成する。Ｃｕ薄膜は、ビアホール６２及び配線溝６３内を埋め込む。Ｃｕ薄膜及びバリア層のうち不要な部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する。このようにして、配線層６１Ｂが形成される。
【００３９】
第１もしくは第２の実施例により、微細なビアホール６２及び配線溝６３内を再現性よく埋め込むことができる。また、ＣＶＤによる場合に比べて、大きさ成膜速度を実現することができるため、生産性を高めることが可能になる。
【００４０】
上記実施例では、原料物質としてＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを用い、溶媒としてテトラデカンを用いた。原料物質として、Ｃｕを構成元素とする他の化合物を用いてもよい。例えば、一価の銅βジケトン配位錯体、ジヘキサフロロアセチルアセトネート銅（ＩＩ）等を用いてもよい。この場合に、成膜時の基板温度を、原料物質の分解温度以上にする。また、溶媒としてアルカン等の他の有機溶媒を用いてもよい。この場合、成膜時の基板温度を、溶媒の沸点以下とすることが好ましい。また、Ｃｕ以外の材料からなる薄膜を形成することも可能である。
【００４１】
図１に示す原料容器１０から原料供給ヘッド１３までの構成を複数系統設け、複数の原料溶液を同時に基板５の表面上に供給してもよい。この場合、複数の金属元素を含む合金薄膜を形成することができる。
【００４２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、原料物質の分解により生成された物質が配管等の内壁に付着することを防止することができる。このため、成膜装置の維持管理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による薄膜形成装置の概略断面図である。
【図２】原料供給時間と膜厚との関係を示すグラフである。
【図３】原料溶液の濃度と膜厚との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例による薄膜形成装置の概略断面図である。
【図５】デュアルダマシン法で作製した半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１、４０処理容器
２、３５基板支持台
３、３８基板加熱手段
４、３６自転機構
５、３７基板
１０原料容器
１１、１７、４２ポンプ
１２、１６、４３、４５輸送路
１３原料供給ヘッド
１４穴
１５溶媒容器
２０ガス導入管
２１排出口
２５、４４恒温槽
２８制御手段
３０、４６原料溶液
３１溶媒
４１内部容器

Claims

形成すべき薄膜の構成元素を一部に含む化合物である原料物質を溶媒に溶かした原料溶液を準備する工程と、
基板を、前記原料物質の分解温度以上の温度まで加熱する工程と、
前記原料溶液と、加熱された前記基板の表面とを接触させることにより、前記原料物質を分解し、分解により生成した物質を前記基板の表面上に堆積する工程と
を有し、
前記堆積工程が、
上方に開口部を有する容器の該開口部から前記原料溶液を溢れさせることで前記原料溶液の流れを形成する工程と
前記開口部の上方において、前記原料溶液の流れに前記基板の表面を接触させる工程と
を含む薄膜形成方法。
前記堆積工程が、さらに、前記基板の表面と前記原料溶液とが接触した状態で、前記基板をその表面に平行な面内で自転させる工程を含む請求項１に記載の薄膜形成方法。
さらに、前記原料溶液が前記基板に接触する前に、該原料溶液を室温よりも高く、かつ前記原料物質の分解温度よりも低い温度まで加熱する工程を含む請求項１または２に記載の薄膜形成方法。
前記基板が、その主表面上に形成された下層配線、該下層配線を覆うように形成された層間絶縁膜、該層間絶縁膜の一部に形成されたコンタクトホールを有し、該コンタクトホールの底面に前記下層配線の一部が露出している請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜形成方法。
前記分解により生成される物質が銅もしくは銅を主成分とする合金である請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜形成方法。
前記原料物質が、ヘキサフロロアセチルアセトネートトリメチルビニルシラン銅（Ｉ）である請求項５に記載の薄膜形成方法。
前記基板を加熱する工程において、該基板の温度を１００〜２５０℃の範囲内の温度まで加熱する請求項６に記載の薄膜形成方法。
形成すべき薄膜の構成元素を一部に含む化合物である原料物質を溶媒に溶かした原料溶液を収容し、上方に開口部を備えた原料容器と、
前記原料容器の開口部から溢れた原料溶液を、前記原料容器内に再導入することにより、原料溶液を該原料容器の開口部から溢れさせる輸送手段と、
薄膜を形成すべき基板を支持し、該基板の表面を、前記原料容器の開口部から溢れている原料溶液の流れに接触させる基板支持台と、
前記基板支持台に支持された基板を加熱する基板加熱手段と、
前記基板支持台に支持された基板の温度が、前記原料物質の分解温度以上になるように、前記基板加熱手段を制御する制御手段と
を有する薄膜形成装置。
さらに、前記輸送手段によって輸送される原料溶液を、前記原料物質の分解温度よりも低い温度まで加熱する原料溶液加熱手段を有する請求項８に記載の薄膜形成装置。
さらに、前記基板支持台に支持された基板を自転させる自転手段を有する請求項８または９に記載の薄膜形成装置。