JP4304547B2 - 枚葉式cvd装置および枚葉式cvd方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は枚葉式CVD装置および枚葉式CVD方法に関し、特に、シリコン基板等に高集積回路デバイス等を形成するための配線用等の金属膜を複数のCVD成膜モジュールを利用し分けて成膜する枚葉式CVD装置および枚葉式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、銅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、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、現在に至るまで、実用的な量産用枚葉式銅CVD装置は未完成の状態にある。
【0004】
本発明の目的は、上記課題を解決することにあり、基板に配線用金属膜を成膜する枚葉式CVD装置において、大きい成膜速度と良好な埋込み特性を実現し、成膜効率と膜質を共に向上した枚葉式CVD装置および枚葉式CVD方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る枚葉式CVD装置および枚葉式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】
第1の枚葉式CVD装置(請求項1に対応)は、基板に配線用金属膜を成膜する装置であり、相対的に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第1CVDモジュールと、相対的に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第2CVDモジュールを備え、第1CVDモジュールと第2CVDモジュールで使用される原料はβジケトナート銅(I)錯体であり、金属膜は銅膜であり、第1成膜条件では基板温度が150〜190℃(190℃を除く)の範囲に含まれる温度に設定され、第2成膜条件では基板温度が190〜230℃の範囲に含まれる温度に設定され、かつ、第1成膜条件での基板温度と第2成膜条件での基板温度との差が5℃以上であるように構成されている。
本発明によるCVD装置では、成膜温度(基板温度)を相対的に低く設定した場合(第1成膜条件)には成膜速度が相対的に遅くなりかつ段差被覆性等の埋込み特性は相対的に向上すること、逆に上記成膜温度を相対的に高く設定した場合(第2成膜条件)には成膜速度が相対的に速くなりかつ埋込み特性は低下することを利用することにより、配線用金属膜を成膜する1つのCVD成膜プロセスを2つの成膜条件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枚葉式CVD装置が実現される。
第2の枚葉式CVD装置(請求項2に対応)は、上記第1の構成において、第1成膜条件で行われる成膜プロセスと第2成膜条件で行われる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成膜条件に基づく成膜プロセスと第2成膜条件に基づく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成膜条件に対応するCVDモジュールが用意される。
第3の枚葉式CVD装置(請求項3に対応)は、上記第1の構成において、好ましくは、第1CVDモジュールと第2CVDモジュールはいずれも熱CVDモジュールであることを特徴とする。
第4の枚葉式CVD装置(請求項4に対応)は、上記第4の構成において、好ましくは、βジケトナート銅(I)錯体はトリメチルビニルシラン・ヘキサフルオロアセチルアセトナート銅(I)であることを特徴とする。
【0007】
第1の枚葉式CVD方法(請求項5に対応)は、基板に配線用金属膜を成膜する方法であり、相対的に成膜速度が小さくかつ埋込み特性が良い第1成膜条件で成膜する第1CVDプロセスと、相対的に成膜速度が大きくかつ埋込み特性が悪い第2成膜条件で成膜する第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し、第1CVDプロセスと第2CVDプロセスで使用される原料はβジケトナート銅(I)錯体であり、金属膜は銅膜であり、第1成膜条件では基板温度が150〜190℃(190℃を除く)の範囲に含まれる温度に設定され、第2成膜条件では基板温度が190〜230℃の範囲に含まれる温度に設定され、かつ、第1成膜条件での基板温度と第2成膜条件での基板温度との差が5℃以上である方法である。
第2の枚葉式CVD方法(請求項6に対応)は、上記第1の方法において、第1CVDプロセスと第2CVDプロセスの実行順序は、成膜処理が施される配線パターンの形態に応じて決められる。
第3の枚葉式CVD方法(請求項7に対応)は、上記第2の方法において、配線パターンの形態が相対的に小さいときには先に第1CVDプロセスを実行し後に第2CVDプロセスを実行し、配線パターンの形態が相対的に大きいときには先に第2CVDプロセスを実行し後に第1CVDプロセスを実行することを特徴とする。
第4の枚葉式CVD方法(請求項8に対応)は、上記第1〜3の各方法において、第1CVDプロセスと第2CVDプロセスはいずれも熱CVDであることを特徴とする。
第5の枚葉式CVD方法(請求項9に対応)は、上記第5の方法において、βジケトナート銅(I)錯体はトリメチルビニルシラン・ヘキサフルオロアセチルアセトナート銅(I)であることを特徴とする。
【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に本発明に係る枚葉式CVD装置の第1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CVD装置を上方から見た図を示している。搬送モジュール11とモジュール12〜16の各々と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の中には搬送ロボット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と、第2のCVDモジュール16である。CVDモジュール15,16は熱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1のCVDモジュール15では相対的に成膜速度が小さくかつ埋込み特性が良い第1の成膜条件で成膜が行われ、第2のCVDモジュール16では相対的に成膜速度が大きくかつ埋込み特性が悪い第2の成膜条件で成膜が行われる。上記第1の成膜条件は成膜温度を相対的に低く設定することにより達成され、第2の成膜条件は成膜温度を相対的に高く設定することにより達成される。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にように構成された他の方式のCVDであってもよい。
【0010】
上記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を介して搬送ロボット18に取り込まれ、予備加熱モジュール14にて約175℃に加熱された後、CVDモジュール15に搬入される。銅膜を成膜するにあたり、原料は例えばトリメチルビニルシラン・ヘキサフルオロアセチルアセトナート銅(I)である。CVD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30秒行った後、シリコン基板19は搬送ロボット18によってCVDモジュール15から搬出され、CVDモジュール16に移される。CVDモジュール16は成膜温度として好ましくは210℃に設定されている。成膜を2分30秒行った後、シリコン基板19は搬送ロボット18によってCVD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。
【0011】
図2を参照して上記CVD装置で実行される銅膜の成膜について説明する。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21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CVD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CVDモジュール16によって成膜される。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。
【0012】
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22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の微細な上記ビアホール27とが、共存して形成されている。
【0013】
上記CVD装置によれば、CVDモジュール15で上記第1の成膜条件に基づき厚み200nm(ナノメートル)の銅膜28の成膜が行われる。CVDモジュール15は埋込み特性が良好となる成膜条件に設定されているので、この間に0.3μm径以下ビアホールおよび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。
【0014】
続いてCVDモジュール16において上記第2の成膜条件に基づき厚み400nmの銅膜29の成膜が行われる。この成膜によって、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。
【0015】
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CVD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:0.5μm)+(埋込み余裕度確保のための成膜の厚み:0.1μm)=0.6μmの成膜を行うには、7分30秒もの長い成膜時間が必要となる。他方、仮にCVDモジュール16の成膜条件のみで埋込みを行った場合には、微細ビアホールや狭幅トレンチにボイド形成などの埋込み不良が発生することになる。
【0016】
以上、詳細に説明したように、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る。
【0017】
次に、図3を参照して本発明に係る枚葉式CVD装置の第2実施形態を説明する。このCVD装置では、3つのCVDモジュール31,32,33が備えられている。CVDモジュール31,32では成膜温度が210℃に設定されている。CVDモジュール33では成膜温度が175℃に設定されている。CVDモジュール31,32は前述のCVDモジュール16と実質的に同じであり、CVDモジュール33は前述のCVDモジュール15と実質的に同じである。本実施形態によるCVD装置による成膜は、CVDモジュール31,32でそれぞれ2分15秒連続的に行われ、その後、CVDモジュール33で2分15秒連続して行われる。CVD装置のその他の構成は第1実施形態で説明したCVD装置と同じであり、図4において同一の要素には同一の符号を付している。
【0018】
本実施形態のCVD装置による配線用銅膜の成膜の場合には、配線構造が図4に示されるようになっている。図4において41は下の配線、42はビアホール、43は上側の配線トレンチである。なお21,22は配線構造を決める前述のパターン層であり、また44はCVDモジュール31,32によって堆積された銅膜であり、45はCVDモジュール33によって堆積された銅膜である。
【0019】
第2の実施形態では、最小ビアホール42の直径は1μm、深さは1μmである。配線トレンチ43の幅は1.2μmより広く、その深さは1μmである。この配線構造の場合にはアスペクト比が小さいので、概略の埋込みは、成膜温度210℃で可能である。そこで、前述のごとく最初にCVDモジュール31,32で銅の埋込みを行い、銅膜44の成膜を行う。しかし図4に示すようにCVDモジュール31,32による銅の埋込みの後の段階ではアスペクト比の大きなボイドが銅膜44に残る。そこで、その後前述のごとくCVDモジュール33で成膜温度175℃のCVD成膜で銅の埋込みを行うことにより、上記ボイドは埋め込まれる。
【0020】
上記の各実施形態において、2つの成膜条件として、成膜温度175℃と210℃の例を示したが、成膜温度はこれらの値に限定されるものではない。配線トレンチとビアホール等からなる配線構造(配線用パターンの形態)に対応させて、埋込み特性に優れる成膜条件と、成膜速度に優れる成膜条件を組み合わせること、および成膜の順序を適宜に設定することによって、最適な枚葉式CVD装置を実現できる。また基板はシリコン基板に限定されず、化合物半導体による基板、ガラス基板であってもよい。さらに配線用金属膜は銅膜に限定されず、その他の金属であってもよい。
【0021】
また上記実施形態では、原料としてトリメチルビニルシラン・ヘキサフルオロアセチルアセトナート銅(I)を用いた場合には、埋込み特性の良い成膜条件としては基板温度を150℃以上190℃未満(150〜190℃(190℃を除く))の範囲に含まれる温度に設定し、成膜速度に優れる成膜条件としては基板温度を190℃以上230℃以下(190〜230℃)の範囲に含まれる温度に設定することが望ましい。さらに2つの成膜条件の基板温度の差は少なくとも5℃以上に設定することが望ましい。
【0022】
【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、シリコン基板等に配線用金属膜を成膜する枚葉式CVD装置またはCVD方法において、1つのCVDプロセスを、埋込み特性の優れたプロセスと成膜速度の優れたプロセスを組合せて行うようにしたため、大きい成膜速度と良好な埋込み特性を実現し、成膜効率と膜質を向上することができる。さらに配線構造に対応させて効率的な埋込みが可能となり、効率的な半導体デバイスの製造方法を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る枚葉式CVD装置の第1実施形態を示す平面図である。
【図2】第1実施形態の配線構造と膜堆積状態を示す断面図である。
【図3】本発明に係る枚葉式CVD装置の第2実施形態を示す平面図である。
【図4】第2実施形態の配線構造と膜堆積状態を示す断面図である。
【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
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
31,32,33 CVDモジュール
Claims (9)
- 基板に配線用金属膜を成膜する枚葉式CVD装置において、
相対的に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第1CVDモジュールと、相対的に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第2CVDモジュールを備え、
前記第1CVDモジュールと前記第2CVDモジュールで使用される原料はβジケトナート銅(I)錯体であり、前記金属膜は銅膜であり、
前記第1成膜条件では基板温度が150〜190℃(190℃を除く)の範囲に含まれる温度に設定され、前記第2成膜条件では基板温度が190〜230℃の範囲に含まれる温度に設定され、かつ、前記第1成膜条件での基板温度と前記第2成膜条件での基板温度との差が5℃以上である、
こと特徴とする枚葉式CVD装置。 - 前記第1成膜条件で行われる成膜プロセスと前記第2成膜条件で行われる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ことを特徴とする請求項1記載の枚葉式CVD装置。
- 前記第1CVDモジュールと前記第2CVDモジュールはいずれも熱CVDモジュールであることを特徴とする請求項1記載の枚葉式CVD装置。
- 前記βジケトナート銅(I)錯体はトリメチルビニルシラン・ヘキサフルオロアセチルアセトナート銅(I)であることを特徴とする請求項1記載の枚葉式CVD装置。
- 基板に配線用金属膜を成膜する枚葉式CVD方法において、
相対的に成膜速度が小さくかつ埋込み特性が良い第1成膜条件で成膜する第1CVDプロセスと、相対的に成膜速度が大きくかつ埋込み特性が悪い第2成膜条件で成膜する第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し、
前記第1CVDプロセスと前記第2CVDプロセスで使用される原料はβジケトナート銅(I)錯体であり、前記金属膜は銅膜であり、
前記第1成膜条件では基板温度が150〜190℃(190℃を除く)の範囲に含まれる温度に設定され、前記第2成膜条件では基板温度が190〜230℃の範囲に含まれる温度に設定され、かつ、前記第1成膜条件での基板温度と前記第2成膜条件での基板温度との差が5℃以上である、
こと特徴とする枚葉式CVD方法。 - 前記第1CVDプロセスと前記第2CVDプロセスの実行順序は、成膜処理が施される配線パターンの形態に応じて決められることを特徴とする請求項5記載の枚葉式CVD方法。
- 前記配線パターンの形態が相対的に小さいときには先に前記第1CVDプロセスを実行し後に前記第2CVDプロセスを実行し、前記配線パターンの形態が相対的に大きいときには先に前記第2CVDプロセスを実行し後に前記第1CVDプロセスを実行することを特徴とする請求項6記載の枚葉式CVD方法。
- 前記第1CVDプロセスと前記第2CVDプロセスはいずれも熱CVDであることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の枚葉式CVD方法。
- 前記βジケトナート銅(I)錯体はトリメチルビニルシラン・ヘキサフルオロアセチルアセトナート銅(I)であることを特徴とする請求項5記載の枚葉式CVD方法。
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