JP5001008B2 - 金属−カルボニルプリカーサからの金属層の低圧堆積。 - Google Patents

Description

このＰＣＴ出願は、２００３年９月３０日に出願の米国非仮特許出願番号第１０／６７３，９０８号に基づき、その優先権に依るものであり、その全体の内容は、参照によって本願明細書に組み込まれたものとする。

本発明は、半導体プロセスに関し、とりわけ熱ＣＶＤプロセスによる金属層を堆積させる方法に関する。

集積回路を製造するための多層配線方式（ｓｃｈｅｍｅｓ）への銅（Ｃｕ）金属の導入は、Ｃｕ層の接着および成長を促進し、かつ誘電体材料へのＣｕ拡散を防止する拡散バリア／ライナ（ｌｉｎｅｒｓ）の使用を必要とし得る。誘電体材料上へ堆積されるバリア／ライナは、Ｃｕと非反応性および非混合性（ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ）で、かつ低い電気的抵抗率（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を提供することができるタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタンタル（Ｔａ）のような高融点材料（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）を含むことができる。Ｃｕメタリゼーションと誘電体材料とを集積化する現在のインテグレーション方式は、約４００℃と約５００℃との間の、またはそれを下回る基板温度でのバリア／ライナ堆積プロセスを必要とすることができる。

Ｗ層は、熱化学気相成長（ＴＣＶＤ：ｔｈｅｒｍａｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスにおいて、タングステンを含有するプリカーサ、例えばタングステン−カルボニルプリカーサを熱的に分解することによって形成されることができる。金属−カルボニルプリカーサ（例えば、Ｗ（ＣＯ）_６）の熱分解によって堆積されるＷ層の材料特性は、基板堆積温度が約５００℃以下まで下げられるときに、悪化し得る。

低い堆積温度での、Ｗ層の（電気的な）抵抗率の増加と、劣った表面モフォロジー（例えば小瘤（ｎｏｄｕｌｅｓ）の形成）とは、熱的に堆積されたＷ層中にＣＯ反応副生成物（ｂｙ−ｐｒｏｄｕｃｔｓ）の増加した取込みに起因すると考えられている。両方の影響は、約５００℃以下の基板温度でのタングステン−カルボニルプリカーサの熱分解からの、低下したＣＯ気体放出速度によって説明されることができる。

処理チャンバ内の基板上に金属層を堆積させる方法は、処理チャンバ内に金属−カルボニルプリカーサを含むプロセスガスを導入することと、基板上方に処理ゾーンを生成することと、処理ゾーン内のガス種の滞留時間（ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ）を約１２０ミリ秒より短く維持することと、熱化学気相成長プロセスによって基板上に金属層を堆積させることとによって提供される。プロセスガスは、は、Ｗ（ＣＯ）_６，Ｎｉ（ＣＯ）_４、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｃｒ（ＣＯ）_６、およびＲｕ_３（ＣＯ）_１２の少なくとも１つから選ばれた金属−カルボニルプリカーサを含むことができ、堆積された金属層は、それぞれ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、およびＲｕの少なくとも１つであり得る。

処理チャンバ内の基板上にＷ層を堆積させる方法は、処理チャンバ内にＷ（ＣＯ）_６プリカーサを含むプロセスガスを導入することと、基板上方に処理ゾーンを生成することと、処理ゾーン内のガス種の滞留時間を約１２０ミリ秒より短く維持することと、熱化学気相成長プロセスによって基板上のＷ層を堆積させることとによって提供される。

処理システムは、基板上に金属層を堆積させるために提供される。処理システムは、処理チャンバと、基板を受けるための基板ホルダと、基板を加熱するためのヒータと、処理チャンバ内に金属−カルボニルプリカーサを含むプロセスガスを導入するプリカーサ送出システム（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ）と、基板上に金属層を熱化学気相成長している間、処理ゾーン内のガス種の滞留時間が約１２０ミリ秒より短い処理チャンバ内の処理ゾーンと、処理システムを制御するためのコントローラとを含む。

図１は、本発明の実施形態に係る金属層を堆積させる処理システムの簡略化された構成図である。処理システム１００は、上部チャンバセクション１ａと、下部チャンバーセクション１ｂと、排気チャンバ２３とを含む処理チャンバ１を備えている。円形開口部２２は、下部チャンバーセクション１ｂの中央に形成され、底のセクション１ｂが排気チャンバ２３に接続する。

処理チャンバ１の内部に、水平に被処理基板（ウェハ）５０を保持するための基板ホルダ２が提供される。基板ホルダ２は、排気チャンバ２３の下部の中心から上方へ延びる円筒状サポート部材３で支えられる。基板ホルダ２上に基板５０を位置決めするためのガイドリング４は、基板ホルダ２の端部に提供される。さらにまた、基板ホルダ２は、電源６によって制御され、基板５０を加熱するために使用されるヒータ５を含む。ヒータ５は、抵抗ヒータであり得て、代わりとして、ヒータ５は、ランプヒータであり得る。

プロセスの間、加熱された基板５０は、熱的にＷ（ＣＯ）_６プリカーサを分解することができ、そして、基板５０上にＷ層の堆積を可能にすることができる。基板ホルダ２は、基板５０上へ所望のＷ層を堆積させるために適している所定の温度まで加熱される。ヒータ（図示せず）は、所定の温度にチャンバ壁を加熱するように、処理チャンバ１の壁に埋め込まれる。ヒータは、約４０℃から約８０℃まで処理チャンバ１の壁の温度を維持することができる。

シャワーヘッド１０は、処理チャンバ１の上部チャンバセクション１ａに位置づけられる。シャワーヘッド１０の底のシャワーヘッドプレート１０ａは、基板５０上方に位置づけた処理ゾーン６０内へＷ（ＣＯ）_６プリカーサを含むプロセスガスを供給するための多数のガス送出孔１０ｂを有する。処理ゾーン６０は、基板直径によって、および基板５０とシャワーヘッド１０との間のギャップによって、規定される体積である。

開口１０ｃは、ガス分配コンパートメント１０ｄ内へガスライン１２からプロセスガスを導入するため、上部チャンバセクション１ｂに提供される。同心のクーラントフローチャネル１０ｅは、シャワーヘッド１０の温度を制御するために、そして、このことによりシャワーヘッド１０内部でのＷ（ＣＯ）_６プリカーサの分解を防ぐために提供される。水のような冷却剤（クーラント）流体は、約２０℃から約１００℃まで、シャワーヘッド１０の温度を制御するために冷却剤流体ソース１０ｆから、クーラントフローチャネル１０ｅへ供給されることができる。

ガスライン１２は、プリカーサ送出システム３００を処理チャンバ１に接続する。プリカーサ容器１３は、固体のＷ（ＣＯ）_６のプリカーサ５５を含み、プリカーサヒータ１３ａは、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサ５５をＷ（ＣＯ）_６プリカーサの所望の蒸気圧を生ずる温度に維持するようにプリカーサ容器１３を加熱するために提供される。Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサ５５は、６５℃で比較的高い蒸気圧Ｐ_ｖａｐ〜１Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）を有することができる。従って、プリカーサソース１３およびプリカーサガス供給ライン（例えばガスライン１２）の適度な加熱だけは、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサを処理チャンバ１に供給するために必要である。さらにまた、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサは、約２００℃以下の温度では熱的に分解しない。これは、加熱されたチャンバ壁および気相反応とのインタラクションによるＷ（ＣＯ）_６プリカーサの分解を非常に減少させることができる。

実施形態において、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサは、キャリヤガスを用いずに処理チャンバ１に供給されることができ、または、代わりとして、キャリヤガスは、処理チャンバ１にプリカーサの送出を高めるために使用されることができる。ガスライン１４は、ガス供給源１５からプリカーサ容器１３までキャリヤガスを提供することができ、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１６は、キャリヤガス流量を制御するように使用されることができる。キャリヤガスが使用されるときに、それは、固体のＷ（ＣＯ）_６プリカーサ５５に浸透される（ｐｅｒｃｏｌａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ Ｗ（ＣＯ）_６ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）ように、プリカーサ容器１３の下部の中へ導入され得る。代わりとして、キャリヤガスは、プリカーサソース１３の中へ導入されることがあり得て、そして固体のＷ（ＣＯ）_６プリカーサ５５の上部全体に渡って分散されることがあり得る。センサ４５は、プリカーサ容器１３からの総ガス流れを測定するために提供される。センサ４５は、例えば、ＭＦＣを有し、処理チャンバ１に供給されるＷ（ＣＯ）_６プリカーサの量は、センサ４５と、マスフローコントローラ１６とを使用して決定されることができる。代わりとして、センサ４５は、処理チャンバ１へのガス流れ中のＷ（ＣＯ）_６プリカーサの濃度を測定する光吸収センサを有することができる。

バイパスライン４１は、センサ４５から下流に位置づけられ、ガスライン１２を排気ライン２４に接続する。バイパスライン４１は、ガスライン１２を排気するために、および、処理チャンバ１へのＷ（ＣＯ）_６プリカーサの供給を安定させるために提供される。加えて、ガスライン１２の分岐から下流に位置づけられるバルブ４２は、バイパスライン４１に提供される。

ヒータ（図示せず）は、独立してガスライン１２、１４、および４１を加熱するように提供され、そこにおいて、ガスラインの温度は、ガスライン内のＷ（ＣＯ）_６プリカーサの凝縮を回避するために制御されることができる。ガスラインの温度は、約２０℃から約１００℃まで、または約２５℃から約６０℃まで制御されることができる。

希釈ガスは、ガス供給源１９からガスライン１８を使用してガスライン１２へ供給されることができる。希釈ガスは、プロセスガスを希釈するように、またはプロセスガス分圧を調整するように使用されることができる。ガスライン１８は、ＭＦＣ２０およびバルブ２１を含む。ＭＦＣ１６およびＭＦＣ２０、並びにバルブ１７，バルブ２１およびバルブ４２は、キャリヤガス、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサガス、および希釈ガスの供給、シャットオフ、および流量を制御するコントローラ４０によって制御される。センサ４５は、また、コントローラ４０に接続され、そしてセンサ４５の出力に基づいて、コントローラ４０は、処理チャンバ１に所望のＷ（ＣＯ）_６プリカーサ流量を得るようにマスフローコントローラ１６を介してキャリヤガス流量を制御することができる。

排気ライン２４は、排気チャンバ２３を真空排気システム４００に接続する。真空ポンプ２５は、所望の真空度まで処理チャンバ１を排気し、プロセスの間、処理チャンバ１からガス種を取り除くように使用される。自動圧力コントローラ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＡＰＣ）５９およびトラップ５７は、真空ポンプ２５と直列に使用されることができる。真空ポンプ２５は、１秒あたり５０００リットル（および、より高排気）までの排気速度が可能なターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を含むことができる。代わりとして、真空ポンプ２５は、ドライポンプを含むことができる。プロセスの間、プロセスガスは、処理チャンバ１内に導入されることができ、そしてチャンバ圧力は、ＡＰＣ５９によって調整される。ＡＰＣ５９は、バタフライ形式バルブまたはゲートバルブを備えることができる。トラップ５７は、処理チャンバ１から未反応のプリカーサ材料および副生成物を収集することができる。

処理チャンバ１において、３本の基板リフトピン２６（２本だけが、示されている）は、基板５０を保持し、上昇させ、および降下させるために提供される。基板リフトピン２６は、プレート２７に固定され、および基板ホルダ２の上部表面方向へ、下方まで降ろされることができる。例えば、エアーシリンダを利用している駆動機構２８は、プレート２７を上下させる手段を提供する。基板５０は、ロボット移送システム（図示せず）を介してゲートバルブ３０およびチャンバフィードスルー通路２９を通して処理チャンバ１の内外に移送されることができ、そして基板リフトピンによって受けられることができる。一旦、基板５０が移送システムから受けられると、それは、基板リフトピン２６を降下させることによって基板ホルダ２の上部表面へ降ろされることができる。

処理システムコントローラ５００は、マイクロプロセッサと、メモリと、通信し、処理システム１００への入力をアクティブにし、同じく処理システム１００からの出力をモニタするのに十分な制御電圧を生成することが可能なデジタル１／Ｏポートとを含む。さらに、処理システムコントローラ５００は、処理チャンバ１と、コントローラ４０およびプリカーサヒータ１３ａを含むプリカーサ送出システム３００と、真空排気システム４００と、電源６と、クーラント流体ソース１０ｆとに組み合わせられ、それらと情報を交換する。真空排気システム４００において、処理システムコントローラ５００は、処理チャンバ１内の圧力を制御するための自動圧力コントローラ５９に組み合わせられ、そしてそれと情報を交換する。メモリに格納されたプログラムは、保存されたプロセスレシピに従って処理システム１００の前述のコンポーネントを制御するのに利用される。処理システムコントローラ５００の一実施例は、テキサス州ダラスのデル社から入手可能であるＤＥＬＬ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ ６１０（登録商標）である。

Ｗ層を形成する処理システムは、図１に概略的に示され、記載されているような単一ウエハ処理チャンバを備えることができる。代わりとして、処理システムは、同時に複数の基板（ウェハ）を処理することが可能なバッチ型処理チャンバを備えることができる。Ｓｉウェハのような半導体基板に加えて、基板は、例えば、ＬＣＤ基板、ガラス製基板、または化合物半導体基板であり得る。例えば、処理チャンバは、２００ｍｍ基板、３００ｍｍ基板のようなどのようなサイズの基板を、またはより大きい基板でさえ、処理することができる。

一般に、さまざまな金属バリア／ライナは、対応する金属−カルボニルプリカーサから堆積されることができる。これは、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、Ｍｏ（ＣＯ）_６，Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｃｒ（ＣＯ）_６、およびＲｕ_３（ＣＯ）_１２プリカーサから、それぞれ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、およびＲｕ金属層が堆積されることを含む。低抵抗率の金属層の低温堆積は、約４００℃および約５００℃の間の、またはそれを下回る基板温度を要求する配線工程（ｂａｃｋ―ｅｎｄ―ｏｆ―ｌｉｎｅ：ＢＥＯＬ）プロセス方式内での金属層のインテグレーション（集積化）を可能にする。

金属層は、還元ガスを用いずに金属含有プリカーサから熱的に堆積されることができる。代わりとして、還元剤、例えばＨ_２ガスは、金属層の堆積の補助に使用されることができる。金属カルボニルプリカーサの熱分解と、その後の金属堆積とは、主に、ＣＯ除去および基板からのＣＯ副生成物の脱離によって進行すると考えられる。金属層内へのＣＯ副生成物の取込みは、金属−カルボニルプリカーサの不完全な分解と、金属層からのＣＯ副生成物の不完全な除去と、処理ゾーンから金属層上へのＣＯ副生成物の再吸着とから生じることがあり得る。処理圧力を低下させることは、基板上方の処理ゾーン内のガス種（例えば金属−カルボニルプリカーサ、反応副生成物、キャリヤガス、および希釈ガス）のより短い滞留をもたらし、そして、それは、次に、基板上に堆積する金属層のより低いＣＯ不純物レベルをもたらすこととなり得る。加えて、処理ゾーン内の金属−カルボニルプリカーサの分圧を低下させることは、金属層のより低い堆積速度をもたらし得る。より低い堆積速度は、副生成物に対して、金属層から脱離するより多くの時間を可能にすることによって、金属層に取り入れられる（トラップされる）こととなり得る反応副生成物の量を低下させることができる。

処理ゾーン内のガス種の滞留時間は、トータルプロセスガス流量によって処理ゾーンの体積を割ることによって算出された。処理ゾーンは、基板直径と、基板およびシャワーヘッド間のギャップとによって規定される。ガス種は、金属−カルボニルプリカーサと、キャリヤガスと、希釈ガスと、反応副生成物（例えばＣＯ）とを含むことができる。処理ゾーン内のガス種の滞留時間は、例えば、プロセスガス流量を変化させることと、基板およびシャワーヘッドの間のギャップを変化させることと、ＡＰＣを使用して処理チャンバの排気速度を変化させることとによって変えられることができる。図１に示される処理システムにおいて、処理ゾーンの滞留時間は、約１０ｍｍから約１００ｍｍまでのギャップを使用して約２ミリ秒から約１２０ミリ秒を超えるまで変化させることができる。

図２は、本発明の実施形態に係る金属層を堆積させるためのフローチャートを示す。２００で、プロセスは、開始される。２０２において、基板は、処理チャンバ内に準備される。２０４において、金属−カルボニルプリカーサと、オプションとしてキャリヤガスおよび希釈ガスとを含んでいるプロセスガスは、処理チャンバ内に導入される。２０６において、処理ゾーンは、基板上方に生成される。２０８において、約１２０ミリ秒より短い滞留時間は、処理ゾーン内で維持され、そして２１０で、金属層は、低圧のＴＣＶＤ堆積プロセスによって基板上に堆積され、そこにおいて、処理ゾーン内のガス種の短い滞留時間は、低抵抗率の金属層の形成を可能にする。２１２において、プロセスは、終了する。

図３は、本発明の実施形態に係る処理圧力の関数として、低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の抵抗率を示す。Ｗ層は、３つの異なる基板温度、約５００℃、約４２５℃、および約３８０℃で、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサの熱分解から、ＳｉＯ_２層上へ堆積された。

図３は、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサの熱分解から堆積されたＷ層の抵抗率は、処理圧力が低下するとともに、減少することを示す。より低い処理圧力への３８０℃と、４２５℃とのデータの外挿は、それぞれ、約１３ｍＴｏｒｒと、約６６ｍＴｏｒｒとの処理圧力が、約５０μΩ−ｃｍの抵抗率を有するＷ層を堆積させるのに必要とされることを示す。さらに、約５００℃の基板温度で堆積されたＷ層は、約１００ｍＴｏｒｒ以下の処理圧力に対して、２５μΩ−ｃｍ、またはそれより低い抵抗率を示す。図３において、Ｗ堆積速度は、約３８０℃の基板温度に対して、約０．１Ｔｏｒｒの圧力で約６２Ａ／ｍｉｎから約０．０７Ｔｏｒｒの圧力で約４４Ａ／ｍｉｎへ、約４２５℃の基板温度に対して、約０．１５Ｔｏｒｒの圧力で約３７Ａ／ｍｉｎから約０．０７Ｔｏｒｒの圧力で約２３Ａ／ｍｉｎへ、および約５００℃の基板温度に対して、約０．１５Ｔｏｒｒの圧力で約９３Ａ／ｍｉｎから約０．０７Ｔｏｒｒの圧力で約８２Ａ／ｍｉｎへ、処理圧力の減少と共に減少した。

図３の抵抗率の結果は、低抵抗率を有するＷ層が、約４００℃と約５００℃との間、およびより低い基板温度で、低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されることができることを示す。

図４は、本発明の実施形態に係る処理ゾーン内のガス種の滞留時間の関数として、低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の抵抗率を示す。Ｗ層は、約３８０℃と、約５００℃との間の基板温度で、約１００ｍＴｏｒｒと、約３００ｍＴｏｒｒとの間の処理圧力でＳｉＯ_２層上に堆積された。

図４のデータは、処理ゾーンの滞留時間が約１２０ミリ秒未満で、基板温度が約４００℃と約５００℃との間にあったときに、低抵抗率を有するＷ層が堆積されたことを示す。データは、処理ゾーン内のガス種の滞留時間がより短くなるに従って、Ｗ層の抵抗率が減少することを示す。さらにまた、所定の滞留時間と、より低い処理圧力と、より高い基板温度とが、より低い抵抗率のＷ層をもたらすことが、一般に観測された。ＴＣＶＤプロセスに対するプロセスパラメータスペースは、例えば、約３００ｍＴｏｒｒ未満のチャンバ圧力を利用することができる。代わりとして、圧力は、約１００ｍＴｏｒｒ未満であり得る。処理ゾーン内の滞留時間は、例えば、約１２０ミリ秒未満であり得る。代わりとして、滞留時間は、約７０ミリ秒未満であり得る。さらにまた、滞留時間は、約４０ミリ秒未満であり得る。金属−カルボニルプリカーサ流量は、約０．１ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍまでの間であり得て、キャリヤガス流量は、約５００ｓｃｃｍ未満であり得て、および希釈ガス流量は、約２０００ｓｃｃｍ未満であり得る。キャリヤガスおよび希釈ガスは、不活性ガスおよびＨ_２ガスの少なくとも１つであり得る。不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、およびＮ_２の少なくとも１つであり得る。基板温度は、約３００℃から約６００℃まで変化され得る。図５は、本発明の実施形態に係るＷ堆積速度の関数として、低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の抵抗率を示す。図５は、堆積されたＷ層の抵抗率がＷ堆積速度の減少と共に減少することを示す。Ｗ堆積速度は、例えば、チャンバ圧力を低下させることと、キャリヤガス流量を低下させることと、希釈ガス流を増やすことと、プリカーサ容器の温度を低下させることとによって減少させることができる。例えば、約５０μΩ−ｃｍ未満の抵抗率を達成するために、Ｗ堆積速度は、約４５０℃未満の基板温度に対して約２０Ａ／ｍｉｎ未満でなければならず、約４５０℃の基板温度に対して約６０Ａ／ｍｉｎ未満でなければならず、そして約４６０℃と約５００℃との間の基板温度に対して約１００Ａ／ｍｉｎ未満でなければならない。

図６は、堆積されたＷ層の抵抗率の関数として、Ｘ線回折（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）測定値を示す。Ｗ層は、約３００ｓｃｃｍのＡｒキャリヤガス流量と、約５０ｓｃｃｍのＡｒ希釈ガス流量を使用して堆積された。ＸＲＤ測定値（Ｃｕ Ｋα Ｘ線源を使用する）は、４０．３度でのＷピークの半値全幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ−ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）が、Ｗ層の抵抗率の減少と共に減少することを示す。測定されたＦＷＨＭは、Ｗ層の結晶性の測定であり、そこにおいて、より低いＦＷＨＭ値は、より高いＷ層の結晶性を示す。さらにまた、テープ試験方法を使用して、下地基板へ堆積されたＷ層の接着が、Ｗ層の結晶性の増加と共にを改善されたことは、観測された。

表１は、本発明の実施形態に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層に対するプロセス条件および結果を示す。Ｗ層は、約４１０℃の基板温度および約０．２Ｔｏｒｒの処理圧力で熱的に成長されたＳｉＯ_２層上に堆積された。ラン１の堆積時間は、約１５０秒で、ラン２は、約２５０秒であった。平均抵抗率は、５００ＡのＷ層厚さで正規化された（Ｒ_５００Ａ）。

図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、表１に記載されたラン１およびラン２に対するプロセス条件による低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す。図７Ａおよび図７ＢのＷ層の比較は、図７Ｂのより厚いＷ層の表面が、図７Ａのより薄いＷ層の表面より、より粗く、多数の小瘤を有することを示す。

表２は、本発明の実施形態に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層に対するプロセス条件および結果を示す。ラン３の堆積時間は、６００秒であり、ラン４は、１２００秒であった。

図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ、表２に記載されたラン３および４に対するプロセス条件による低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す。図８Ａおよび８ＢのＷ層の比較は、図８Ｂのより厚いＷ層の表面が、図８Ａのより薄いＷ層の表面より、より粗く、多数の小瘤を有することを示す。

更に、表１および表２のデータの比較並びに図７Ａから図８Ｂは、Ｗ堆積速度が減少するに従って、小瘤の数および層抵抗率が減少することを示す。

図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の実施形態に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す。図９Ａに示したＷ層は、約０．５Ｔｏｒｒの処理圧力および約６０℃のプリカーサ容器温度を使用して堆積された。ほぼ厚さ６００ＡのＷ層の抵抗率は、約１８９μΩ−ｃｍ（Ｒ_５００Ａ＝２０７μΩ−ｃｍ）である。図９Ｂに示されたＷ層は、約０．０６Ｔｏｒｒの処理圧力および約３０℃のプリカーサ容器温度を使用して堆積された。ほぼ厚さ２７５ＡのＷ層の抵抗率は、約５２μΩ−ｃｍ（Ｒ_５００Ａ＝５５μΩ−ｃｍ）であった。図９Ａおよび図９Ｂの視覚面での比較は、処理圧力が約０．５Ｔｏｒｒから約０．０６Ｔｏｒｒへ低下されるときに、より滑らかなＷ層が堆積されることができることを示す。

更に、以下の実施例は、低い抵抗率のＷ層の堆積を示す。

実施例１：約５００℃および約１００ｍＴｏｒｒでのＷ層堆積。

Ｗ層は、厚さ１００ｎｍの熱酸化物（ＳｉＯ_２）層を有する基板上に堆積された。基板は、約５００℃まで加熱され、基板とシャワーヘッドとの間のギャップは、約５０ｍｍが使用された。Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサが入っているプリカーサ容器は、約４０℃で維持され、約５０ｓｃｃｍのＡｒキャリヤガスは、プリカーサを処理チャンバに供給するように使用された。処理圧力は、ＡＰＣを使用してＷ層堆積の間、約１００ｍＴｏｒｒに維持された。処理ゾーン内のガス種の滞留時間は、約８３ミリ秒であった。プロセスガスは、約７００秒間、基板に当てられ、そして酸化物層上へ厚さ約１２６ｎｍのＷ層の堆積をもたらした。Ｗ層の抵抗率は、約２３．５μΩ−ｃｍであって、Ｗ層は、テープ試験において、下地の酸化物層に対し良好な接着を示した。

実施例２：約５００℃および約５０ｍＴｏｒｒでのＷ層堆積。

Ｗ層堆積中の処理圧力が、５０ｍＴｏｒｒで維持された以外は、プロセス条件は、実施例１のものと同じであった。これは、約４１ミリ秒の滞留時間をもたらした。堆積されたＷ層は、約２０．１μΩ−ｃｍの測定された抵抗率を有し、Ｗ層は、テープ試験において、下地酸化物層に対し良好な接着を示した。

実施例３：約３９０℃および約５０ｍＴｏｒｒでのＷ層堆積。

プロセス条件は、約３９０℃の基板温度と、約５０ｍＴｏｒｒの処理圧力と、約５０ｓｃｃｍのＡｒキャリヤガス流量と、約１００ｓｃｃｍのＡｒ希釈ガス流量と、約５０ｍｍのギャップとを含んでいた。処理ゾーンの滞留時間は、約１５ミリ秒であって、Ｗ堆積速度は、約１２Ａ／ｍｉｎであった。堆積されたＷ層は、約４４．４μΩ−ｃｍの測定された抵抗率を有していて、そしてＷ層は、テープ試験において、下地酸化物層に対し良好な接着を示した。

実施例４：約４００℃および約１４０ｍＴｏｒｒでのＷ層堆積。

プロセス条件は、約４００℃の基板温度と、約１４０ｍＴｏｒｒの処理圧力と、約２０ｓｃｃｍのＡｒキャリヤガス流量と、約１，０３０ｓｃｃｍのＡｒ希釈ガス流量と、約５０ｍｍのギャップとを含んでいた。処理ゾーン内の滞留時間は、約１５ミリ秒であって、Ｗ堆積速度は、約７Ａ／ｍｉｎであった。堆積されたＷ層は、約５４μΩ−ｃｍの測定された抵抗率を有していて、Ｗ層は、テープ試験において、下地酸化物層に対し良好な接着を示した。

実施例５：約４２５℃および約５００ｍＴｏｒｒでのＷ層堆積。

プロセス条件は、約４２５℃の基板温度と、約５００ｍＴｏｒｒのプロセス圧力と、約５０ｓｃｃｍのＡｒキャリヤガス流量と、約５０ｍｍのギャップとを含んでいた。処理ゾーン内の滞留時間は、約４１３ミリ秒であって、Ｗ堆積速度は、約７９Ａ／ｍｉｎであった。堆積されたＷ層は、約１９４．６μΩ−ｃｍの測定された抵抗率を有し、Ｗ層は、テープ試験において、下地酸化物層に対し、劣った接着（ｐｏｏｒ ａｄｈｅｓｉｏｎ）を示した。実施例５は、長い滞留時間（約４１３ミリ秒）が、劣った電気的および接着的特性を有するＷ膜をもたらすことを示す。

上記のプロセスの実施例は、プロセス条件と、Ｗ層特性との間の関係を示す。実施例は、処理ゾーン内のガス種の滞留時間が短く、例えば約１２０ミリ秒より短い場合には、低抵抗率と下層の酸化物層に対する良好な接着とを含む良好な特性を有するＷ層が、約４００℃と約５００℃との間の、およびより低い基板温度で堆積され得ることを示す。

本発明のさまざまな修正および変更が本発明を実施する際に使用されることがあり得ると理解されるべきである。従って、添付の請求の範囲で、本発明が、ここに特に記載されているより、別の方法で実施されることがあり得ると理解されるべきものである。

本発明の実施形態に係る金属層を堆積させる処理システムの簡略化された構成図を示す図である。 本発明の実施形態に係る金属層を堆積させるためのフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態に係る処理圧力の関数として、低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の抵抗率を示す図である。 本発明の実施形態に係る処理ゾーン内のガス種の滞留時間の関数として、低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の抵抗率を示す図である。 本発明の実施形態に係るＷ堆積速度の関数として、低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の抵抗率を示す図である。 本発明の実施形態に係るＷ層の抵抗率の関数として、ＸＲＤ測定値を示す図である。 ラン１に対する表１に記載されたプロセス条件に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す図である。 ラン２に対する表１に記載されたプロセス条件に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す図である。 ラン３に対する表２に記載されたプロセス条件に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す図である。 ラン４に対する表２に記載されたプロセス条件に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す図である。 本発明の実施形態に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す図である。 本発明の実施形態に係る低圧のＴＣＶＤプロセスによって堆積されたＷ層の断面ＳＥＭ顕微鏡写真（３０度傾けた）を示す図である。

Claims (30)

1. 基板上に金属層を堆積させる方法であって、
   シャワーヘッドを有する処理チャンバ内に基板を準備することと、
   この処理チャンバ内に金属−カルボニルプリカーサを含むプロセスガスをプロセスガス流量で導入することと、
   前記基板上方に、前記基板の直径と、前記基板および前記シャワーヘッドの間のギャップとによって規定される体積である処理ゾーンを生成することと、
   前記プロセスガス流量によって前記処理ゾーンの体積を割ることによって算出された、この処理ゾーン内のガス種の滞留時間を１２０ミリ秒より短く維持することと、
   ３００ｍＴｏｒｒ未満の前記処理チャンバの圧力で、熱化学気相成長プロセスによって前記基板上に金属層を堆積させることとを具備する方法。
2. 前記処理ゾーン内のガス種の滞留時間は、７０ミリ秒より短い請求項１に記載の方法。
3. 前記処理ゾーン内のガス種の滞留時間は、４０ミリ秒より短い請求項１に記載の方法。
4. 前記処理チャンバの圧力は、１００ｍＴｏｒｒ未満である請求項１に記載の方法。
5. 前記金属−カルボニルプリカーサの流量は、０．１ｓｃｃｍと、２００ｓｃｃｍとの間である請求項１に記載の方法。
6. 前記基板の温度は、３００℃と、６００℃との間である請求項１に記載の方法。
7. 前記基板の温度は、４００℃と、５００℃との間である請求項１に記載の方法。
8. 前記金属−カルボニルプリカーサは、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、Ｍｏ（ＣＯ）_６，Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｃｒ（ＣＯ）_６、およびＲｕ_３（ＣＯ）_１２の少なくとも１つ含んでいる請求項１に記載の方法。
9. 前記金属層は、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｃｒ、およびＲｕの少なくとも１つの含んでいる請求項１に記載の方法。
10. 前記プロセスガスは、キャリヤガスと、希釈ガスとのうちの少なくとも一方を更に含んでいる請求項１に記載の方法。
11. 前記プロセスガスは、５００ｓｃｃｍ未満の流量のキャリヤガスを含んでいる請求項１０に記載の方法。
12. 前記プロセスガスは、２０００ｓｃｃｍ未満の流量の希釈ガスを含んでいる請求項１０に記載の方法。
13. 前記キャリヤガスおよび前記希釈ガスの少なくとも一方は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ_２、およびＨ_２の少なくとも１つを含んでいる請求項１０に記載の方法。
14. 前記処理ゾーン内のガス種は、金属−カルボニルプリカーサと、反応副生成物とを含んでいる請求項１に記載の方法。
15. 前記処理ゾーン内のガス種は、キャリヤガスと、希釈ガスとのうちの少なくとも一方を更に含んでいる請求項１４に記載の方法。
16. 前記基板は、半導体基板、ＬＣＤ基板、およびガラス製基板の少なくとも１つである請求項１に記載の方法。
17. 基板上にＷ層を堆積させる方法であって、
    シャワーヘッドを有する処理チャンバ内に基板を準備することと、
    この処理チャンバ内にＷ（ＣＯ）_６プリカーサを含むプロセスガスをプロセスガス流量で導入することと、
    前記基板上方に、前記基板の直径と、前記基板および前記シャワーヘッドの間のギャップとによって規定される体積である処理ゾーンを生成することと、
    前記プロセスガス流量によって前記処理ゾーンの体積を割ることによって算出された、この処理ゾーン内のガス種の滞留時間を１２０ミリ秒より短く維持することと、
    ３００ｍＴｏｒｒ未満の前記処理チャンバの圧力で、熱化学気相成長プロセスによって前記基板上にＷ層を堆積させることとを具備する方法。
18. 前記処理ゾーン内のガス種の滞留時間は、７０ミリ秒より短い請求項１７に記載の方法。
19. 前記処理ゾーン内のガス種の滞留時間は、４０ミリ秒より短い請求項１７に記載の方法。
20. 前記処理チャンバの圧力は、１００ｍＴｏｒｒ未満である請求項１７に記載の方法。
21. 前記Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサの流量は、０．１ｓｃｃｍと、２００ｓｃｃｍとの間である請求項１７に記載の方法。
22. 前記基板の温度は、３００℃と、６００℃との間である請求項１７に記載の方法。
23. 前記基板の温度は、４００℃である請求項１７に記載の方法。
24. 前記プロセスガスは、キャリヤガスと、希釈ガスとのうちの少なくとも一方とを更に含んでいる請求項１７に記載の方法。
25. 前記プロセスガスは、５００ｓｃｃｍ未満の流量のキャリヤガスを含んでいる請求項２４に記載の方法。
26. 前記プロセスガスは、２０００ｓｃｃｍ未満の流量の希釈ガスを含んでいる請求項２４に記載の方法。
27. 前記キャリヤガスおよび前記希釈ガスの少なくとも一方は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ_２、およびＨ_２の少なくとも１つを含んでいる請求項２４に記載の方法。
28. 前記処理ゾーン内のガス種は、Ｗ（ＣＯ）_６プリカーサと、反応副産物とを含んでいる請求項１７に記載の方法。
29. 前記処理ゾーン内のガス種は、キャリヤガスと、希釈ガスとのうちの少なくとも一方を更に含んでいる請求項１７に記載の方法。
30. 前記基板は、半導体基板、ＬＣＤ基板、およびガラス製基板の少なくとも１つである請求項１７に記載の方法。

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