JP5164950B2

JP5164950B2 - Ｃｖｄ装置

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Publication number: JP5164950B2
Application number: JP2009218346A
Authority: JP
Inventors: 茂水野; 浩志土井; 清治伊谷; 暁萌劉
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: JP2009293135A

Description

本発明は、ＣＶＤ装置に係り、特に、半導体集積回路の配線材料等に用いられるＣｕ薄膜形成用のＣＶＤ装置に関する。

近年、半導体デバイスの高集積化に伴い、集積回路を形成する金属配線の配線幅や配線間隔などの寸法は益々縮小する傾向にある。このような配線寸法の縮小により、配線抵抗は増大し、また配線間隔が狭くなると配線間の寄生容量も増大するため、集積回路内部における電気信号遅延時間が増大するという問題が起こる。この場合、配線抵抗の増大を抑制するために配線の高さを大きくし配線断面積を増大させることも行われるが、配線間が向き合う面の面積が増大し寄生容量が増大するため、無闇に配線高さを大きくすることはできない。この信号遅延の間題は、０．１ミクロン程度の配線寸法においては集積回路の正常な動作を妨げるほど深刻となってくる。また、配線幅の縮小による抵抗及び電流密度の増大は、ジュール熱による配線温度上昇やエレクトロマイグレーション等を引き起こし、集積回路の信頼性を低下させることにもなる。そこで、これら信号遅延や信頼性低下の問題を解決するために、最近金属配線の材料としてＡｌよりも抵抗が低く、融点が高いＣｕが用いられるようになってきた。

一方、半導体集積回路においては、多層配線構造を用いた３次元的配線が行われるが、配線寸法の縮小は三次元的な配線の結線を行う接続孔の微細化を伴うことになる。この微細な接続孔内部への金属材料の埋め込み方法として、電解メッキによるＣｕ埋め込みが行われている。メッキには、下地としてＣｕ薄膜（シードＣｕ層）が必要であり、これにはスパッタリング法による成膜が行われている。しかし、配線寸法が０．１ミクロンレベルとなりアスぺクト比（孔の深さと開口径との比）が増大すると、スパッタリング法では段差被覆性が悪いため、孔側壁に十分な厚さのシード層が形成されずメッキ不良が生じるといった問題がある。アスペクト比がさらに大きくなると電解メッキ法でも孔内の埋め込みに不良が起こる。このような微細孔における金属配線の埋め込みの問題を解決し、開口径０．１ミクロン以下の微細孔内部においても均一なシード層の形成や完全な埋め込みを行うために、最近ＣＶＤ法（化学的気相成長法）によるＣｕの埋め込み技術が注目され、検討されている。ＣＶＤ法によるＣｕ埋め込みについては、例えば、非特許文献１に記載されているように、十分な成膜速度でアスペクト比７以上の微細孔へも完全な埋め込みが可能であるとの研究報告がなされ、Ｃｕの埋め込み技術として有望視されている。

以上述べてきたように、今後の一層の高集積化、高特性化が進められる半導体集積回路においては、Ｃｕ配線及び埋め込みに関する技術は極めて重要であり、Ｃｕ薄膜形成用のＣＶＤ方法及び装置の半導体量産プロセスにおける重要性は益々高まっている。このようなＣｕ−ＣＶＤ装置の半導体量産プロセスヘの展開は従来のメタルＣＶＤ装置を応用することによって達成されると考えられる。そこで、現在、メタルのＣＶＤ装置として最も確立された技術であるタングステンＣＶＤ装置のガス導入機構部をＣｕ−ＣＶＤ装置の原料に適したものに変更することで、Ｃｕ−ＣＶＤ装置として動作させる検討が試みられている。

タングステンＣＶＤ法におけるガス導入機構は、液体原料である六フッ化タングステンの蒸気を通常のガスマスフローコントローラーにより蒸気流量を制御して成膜室内に導入するものである。−方、Ｃｕ−ＣＶＤ法の場合、原料としては、例えば、Ｃｕ（ｈｆａｃ）（ｔｍｖｓ）等の有機系液体原料が用いられるが、いずれも蒸気圧は室温で１００Ｐａ以下と低いため、通常のガスマスフローコントローラーを用いることはできない。そこで、例えば、非特許文献１に記載されているように、液体原料を液体マスフローコントローラーにより所定の流量で気化器に送り、気化器で気化した後、成膜室に送る導入方法が用いられる。これら液体マスフローコントローラ及び気化器からなる原料ガス導入機構がタングステンＣＶＤ法のガス導入機構と異なるところである。この他、気化したガスを直接成膜室内に導入するガス導入部分や、基板加熱機構、排気機構については従来のタングステンＣＶＤ装置で用いられる機構と同様なものが用いられる。

ここで、半導体製造プロセスにおいては、タングステンのようなメタル薄膜をＣＶＤ法で形成する場合、高特性集積回路を安定して生産するためには、パーティクルの発生を極力抑える必要があり、この観点から基板裏面等への成膜を防止する必要がある。また、特に、Ｃｕ薄膜の場合、基板裏面の成膜防止は、次の理由によりタングステン等に比べ一層に重要となる。即ち、ＣｕはＳｉ中で高速に拡散し、かつＳｉ半導体の特性に多大な影響を及ぼす物質であり、基板温度が高いほど拡散速度が大きくなるため、高温で成膜を行うＣＶＤにおいては成膜中の基板裏面への膜付着や原料の回り込み防止はとりわけ重要となるのである（非特許文献２）。

この基板裏面への成膜や原料ガスの付着防止方法は、タングステンＣＶＤ法において確立された幾つかの方策がＣｕ−ＣＶＤ法においても適用できると考えられる。そこで、生産に用いられている従来のタングステンＣＶＤ装置における基板裏面への原料ガス回り込み防止機構について概括する。

第一の例として、特許文献１に開示されているＣＶＤ装置を図５に示す。減圧容器３１内に、原料ガス導入部３５とこれに対向して基板載置用ホルダ３３とが配置され、原料ガス導入部３５から放出されたガスは分解等して、基板３２上に薄膜が形成される。ここで、ホルダ３３は、リフト４１により上下に移動し、成膜時には上昇してリングチャック３４を持ち上げ基板３２の表面とリングチャック３４の先端部４０の下方水平面とを全周にわたって接触させることにより、基板裏面への原料ガスの回り込みを阻止する構成となっている。また、基板交換時にはホルダー３３は下降し、リングチャック３４は支持部材３６により支持される。原料ガスの未反応分及び副生成ガスは、室７０から支持部材３６に形成された開口３９を通って室７１に流れ込み、排気ポート３８を介して容器外部に排出される。また、室７２には、原料ガスや副生成ガスが室７２側に流れ込むのを防止するために、パージガス導入管４２が設けられており、室７２内に導入されたパージガスはリングチャック３４と支持部材３６との間の隙間を通って室７０に流れ込み、原料ガス等とともに容器外に排出される。

図５の原料ガス回り込み防止機構は、基板外周部の全周にわたってリングチャックと基板とを接触させて原料ガスの回り込みを防止するものであるため、リングチャックと基板とが接触する部分の距離が重要となる。また、この方法では、リングチャックが基板に接しているため、接触部においては基板からリングチャック先端部にわたって膜付着が起こることになる。同様な構成が、特許文献２、特許文献３、特許文献４にも開示されている。

また、特許文献５には、図６に示すように、上下移動するリングチャック３４の先喘部の下方面で、内周先端縁より１〜１．５ｍｍ外周側に取り付けられたピン４３によって基板３２をホルダ３３上に固定し、リングチャックと基板との間からパージガスを吹出させて原料ガスが基板の裏面に回り込むのを防止する機構が開示されている。この方法では、原料ガスの回り込みを防止する上で、パージガス流量、ピンの高さで決まるリングチャックと基板との間隔Ａ、及びリングチャックが基板を覆う距離Ｂが重要となる。なお、ピンはリングチャック先端の内周より内側に位置しているので、ピンと基板との接触部に膜付着が起こることは無い。

さらに、特許文献６には、図７に示すように、基板３２をホルダ３３上に真空チャックによって固定し、基板外周部端付近にガス溝４５からパージガスを吹出させて原料ガスが基板裏面に回り込むのを防止する機構が開示されている。この場合、原料ガスの回り込みを防止する上でパージガス流量が重要となる。真空チャックは、ホルダ３３表面のチャック溝４４と基板３２との間の空間を、成膜室用とは別の排気系で排気しチャック溝４４と成膜室との間で差圧を設けることによって基板３２を固定するものである。この方法の利点は基板全面への成膜が可能であり、チップ収率が上がり半導体生産効率が増大することにある。

特開平７−２２１０２４号公報特願平５−３８９０４号明細書米国特許第５０００１１３号明細書米国特許第５０９４８８５号明細書特許第２６０３９０９号明細書特開平４−２３３２２１号公報

Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ.６３５８−６３６３Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ.,２２５８−２２６０（１９９９）

しかしながら、上記図５に示すＣＶＤ装置（特許文献１）では、基板３２とリングチャック３４端の接触部分にも膜が形成されるため、リングチャックを基板から脱着するときに、接触部で膜剥離が起こり、Ｃｕのパーティクルを発生させるという問題がある。Ｃｕパーティクルがホルダ上に落下すれば、次に処理される基板の裏面に付着しＣｕ汚染が生じることになる。また、原料ガスの回り込み防止の確度を高めるためには、基板外周部をリングチャックで覆う幅を大きくする必要があり、このため基板上の成膜面積を減少せざるを得ないという問題がある。

第二の例（特許文献５）では、基板３２とリングチャック３４との隙間にパージガスを流したとしても、その流量、流れの不均一性等により、原料ガスがパージガスの流れに逆らい濃度の低い方向へ拡散してしまう場合がある。しかもリングチャックが基板を覆う距離Ｂは１〜１．５ｍｍと非常に短いため、原料ガスは基板近傍のホルダ３３に到達し、基板処理枚数が増えるにしたがってホルダ表面に膜付着が生じ、基板裏面汚染の原因となる。また、基板３２をピン４３で固定しピンの高さで決まる隙間Ａを通してパージガスを流しており、ピンに成膜が起こらないようにリングチャック先端からピンまで一定の距離を必要とするために、第一の例と同様に基板全面への成膜は不可能である。

第三の例（特許文献６）の場合は、成膜基板３２とホルダ３３とのシールは真空チャックによる単純な接触であり、真空チャックによって基板端近傍の雰囲気ガスが吸引されるため、基板近傍に存在する原料ガスは基板裏面に侵入し基板裏面の汚染を生じさせる場合がある。またこの方法は、成膜圧力とチャック溝４４との圧力差を利用して基板をチャックするものであるため、１．５ｋＰａ以下の低圧成膜への適用は難しいという問題がある。

このように、従来のタングステンＣＶＤ装置等で用いられている方策は、それぞれ一長一短があり、歩留まり、チップ収率、安定した生産性の観点から未だ十分といえず、基板裏面付着防止効果のより優れた機構が望まれている。特に、半導体回路の配線用のＣｕ薄膜形成に用いるＣＶＤ装置の場合には、上述したように、極微量でも原料ガスが基板裏面に付着すれば集積回路の特性を劣化させてしまうことから、タングステン等に比べてより一層厳密な付着防止機構が要求され、例えば、基板裏面へのＣｕ汚染量を１ｘ１０１３ｃｍ−２未満に抑える必要があると言われている（非特許文献２）。

以上述べたような状況において、本発明は、従来型装置の問題を解決し、高い生産性を有し基板裏面への汚染が少なく、歩留まりが高いＣＶＤ装置を提供することを目的とする。さらに、本発明の目的は、今後一層の高集積化、高特性化が一層進められる半導体集積回路に適用可能なＣｕ薄膜形成用のＣＶＤ装置を提供することにある。

本発明者は、従来の問題点を解決し上記目的を達成するために、減圧容器の内部構造、ガスの流れ、基板の固定方法等と基板裏面の汚染との関係について種々の基礎的検討を行い、得られた知見を基にさらに検討を進めた結果として以下に示す本発明を完成したものである。

すなわち、本発明のＣＶＤ装置は、減圧容器内に設けられた加熱ホルダ上に基板を載置して原料ガス及び副生成ガスの基板裏面への回り込みを防止する機能を有するリングチャックで固定し、基板に対向して設けられたガス導入部から原料ガスを吹出して、基板上に原料ガスの構成元素の少なくとも１つを含む薄膜を堆積させるＣＶＤ装置において、前記リングチャックは、内周縁の下部にテーパー部が形成され、該テーパー部の傾斜面により基板を押さえて前記加熱ホルダ上に固定するとともに、前記リングチャックが基板を押さえた際に、基板との接触部より円周側に設けられたパージガス出口から基板外周部にパージガスを放出する構成とされていることを特徴とする。

このように、リングチャックのテーパー部で基板外周のエッジを押さえ固定するため、原料ガス及び副生成ガスの基板裏面側への回り込みを確実に防止することができる。また、基板との接触が線接触であるため、基板からの熱伝導が抑えられ、基板との接触部を含めたリングチャック上への成膜が抑制される。さらには、テーパー部に設けられたパージガスの出口から基板外周部にパージガスを吹出させることにより、Ｃｕの場合のように、微量の拡散も許されない場合であっても確実に原料ガス等の裏面回り込みを遮断することが可能となる。しかも、ガス流量を調節することにより、原料ガスの裏面回り込みを確実に遮断しつつ、基板表面のほぼ全面に薄膜を形成することができるため、半導体チップの収率を向上させることが可能となる。

なお、後述する実施形態においては、下記のような課題に対する解決手段も提供する。
本発明者が原料ガスの回り込み防止効果のより高い装置構成を検討する中で、図５の構成のＣＶＤ装置には重大な問題があることが判明した。すなわち、生産装置の場合は基板搬送機構を設ける必要があるが、室７１の外側壁及び内側壁３７に基板搬送用アームの出入口（基板搬送口）を設ける構成にすると、たとえパージガスを流した場合であっても原料ガス回り込み防止効果が大きく低下してしまうことが判明した。この問題を解決すべく、基板搬送口の取り付け位置等を含めた装置全体構造を種々検討したところ、原料ガスが減圧容器に導入されてから容器外に排出される経路のおける原料ガスの流れが原料ガスの回り込みの程度に大きく影響し、ガス流れを軸対称として淀みのないガス流を形成することにより、原料ガス回り込み防止効果を向上できることが分かった。すなわち、図５の装置に、基板搬送口を設けることにより原料ガス回り込み防止効果が低下したのは、少なくとも基板径の幅にわたって開口３９を設けることができなくなるため、ガスの流れが不均一となり原料ガスの滞留等が起こり、室７２側に回り込んで基板の裏面汚染を引き起こしたものと考えられる。また、室７２にパージガスを導入し、室７０側にパージガスを流したとしても、このような構成ではパージガスの流れが偏ってしまい、十分な効果を発揮できなくなるものと考えられる。

すなわち、一実施形態におけるＣＶＤ装置は、減圧容器内に設けられた加熱ホルダ上に基板を載置して、原料ガス及び副生成ガスの基板裏面への回り込みを防止する機能を有するリングチャックで固定し、基板に対向して設けられたガス導入部から原料ガスを吹出して、基板上に原料ガスの構成元素の少なくとも１つを含む薄膜を堆積させるＣＶＤ装置において、前記リングチャックを受ける支持部材を減圧容器の側壁に設け、前記リングチャック、支持部材及び基板で減圧容器内部を上下に分割し、上部側をさらに容器天板と前記支持部材とを連結して設けられた内部壁により成膜室と排気室とに分割し、下部側を基板の搬送室とし、前記成膜室と前記排気室とはいずれも同じ中心軸の周りに軸対称に形成されかつ前記内部壁に設けられた貫通口により連通しており、前記成膜室と前記搬送室とは前記リングチャックと前記支持部材との間に形成された隙間により連通していることを特徴とする。

このように、減圧容器内部を上下に分割して、上部側に成膜室と排気室を同じ水平高さに設け、さらに同一中心軸に対して軸対称に配置することにより、成膜室及び排気室内で淀みのないガス流を形成することができる。この結果、下部に設けた搬送室側への原料ガス及び副生成ガスの回り込みは抑制され、基板裏面への成膜、付着を抑えることができる。

また、一実施形態におけるＣＶＤ装置は、前記リングチャックを受ける支持部材を減圧容器の側壁に設け、前記リングチャック、支持部材及び基板で減圧容器内部を上下に分割し、上部側をさらに容器天板から前記リングチャックに所定の隙間を残して降ろされた内部壁により成膜室と排気室とに分割し、下部側を基板の搬送室とし、前記成膜室と前記排気室とはいずれも同じ中心軸の周りに軸対称に形成され、かつ前記内部壁とリングチャックとの間の隙間又は／及び前記内部壁に設けられた貫通口により連通しており、前記排気室と前記搬送室とは前記リングチャックと前記支持部材との間に形成された隙間により連通していることを特徴とする。かかる構成とすることにより、パージガスは搬送室から直接排気室へ流れ、成膜室内に流れ込まないため、成膜室内の流れをより淀みのないガス流とすることができ、搬送室へ原料ガス等がの侵入する量をさらに少なくすることが可能となる。

以上から明らかなように本発明によれば、基板上に薄膜を形成するＣＶＤ装置において、基板表面のほぼ全面に成膜が可能でかつ原料ガスや副生成ガスによる基板裏面汚染を極めて低く抑えることができ、生産性と歩留まりが高いＣＶＤ装置を提供することができる。

本発明のＣＶＤ装置の一構成例を示す概略断面図である。リングチャックの内周部周辺を示す拡大概略断面図である。本発明のＣＶＤ装置の他の構成例を示す概略断面図である。シート抵抗の分布を示す等高線図である。従来のガス回り込み防止機構を示す概略図である。従来のガス回り込み防止機構を示す概略図である。従来のガス回り込み防止機構を示す概略図である。

以下に本発明の実施の形態を図を参照して説明する。本発明の第１の実施の形態であるＣＶＤ装置の構成例を図１の概略断面図に示す。図１は、成膜時の減圧容器の内部を示すものであり、図に示すように、減圧容器１の内部は、成膜室１００，排気室１０１、搬送室１０２の３室に分割されており、搬送室の上部に成膜室と搬送室とが同じ中心軸の周りに対称な軸対称構造をとるように配置されている。

基板２は上下移動可能な加熱ホルダ３上に載置され、ドーナツ状の形をしたリングチャック４の内周先端部に形成されたテーパー縁が基板２のエッジに全周接することによって基板は固定されている。基板に対向する位置に、外部の原料ガス供給機構１９に連結し、成膜に必要な原料ガスを成膜室１００内に導入するためのガス導入部５が設置されている。ガス導入部には、原料ガスが基板に向かって均一に吹出されるように、所定の間隔で多数のガス吹出し孔が設けられている。成膜室１００と排気室１０１は、加熱ホルダ下降時にリングチャックを受け、支持する支持部材１６と容器の天板とに連結された内部壁６により仕切られ、両者は内部壁６に形成された貫通口１１により空間的に結合している。また、排気室１０１は、容器側壁に設けられた排気ポート１０、バルブ１４を介して外部の排気機構１７に連結されており、成膜室に導入された原料ガスの未反応分及び副生成ガスは、貫通口１１，排気ポート１０を通って外部に排出される。

一方、容器の下部側に配置された搬送室１０２には、加熱ホルダ３の他、基板交換時に基板を一時的に支持するピン９、基板搬出入用の搬送口８及びスリットバルブ７が設けられている。なお、支持部材１６とリングチャック４とのは、所定の間隔の隙間５０が形成されている。

まず、図１を用いて、加熱ホルダ上に基板を載置し、続いて基板上に成膜する手順を説明する。加熱ホルダ３を不図示の上下駆動機構により、最下端まで下降させると、ピン９が加熱ホルダ上に突き出た状態となる。続いて、スリットバルブ７を開けて、未処理基板を把持したロボットアーム（不図示）を搬送室内に挿入し、ピン９上に基板を載置する。ここで、駆動機構により加熱ホルダを上昇させる。基板がリングチャック４に接してこれを押し上げて上昇し、所定の位置で停止する。リングチャック４と支持部材１６との隙間５０の好ましい距離は約０．３〜１．０ｍｍである。

基板２は、加熱ホルダ３内部に設けられたヒータ１２からの熱伝導によって所望の温度に加熱される。なお、加熱ホルダの温度は熱電対１３とヒーター１２に接続されたヒータパワー供給機構２２によって制御され、最適化されたヒーター１２形状によって基板は面内均一に加熱される。一方、ガス導入部５よりキャリアガスと伴に原料ガスが成膜室１００内に導入され、基板上に所望の薄膜が形成される。一方、未反応原料ガス及び副生成ガスは貫通孔１１を通して排気室１０１に流れ込み、排気ポート１０を通して容器外部に排気される。

前述したように、Ｃｕのようなメタルが基板裏面に付着すると、半導体基板の内部に拡散し、集積回路特性を劣化させる原因となる。従って、メタル薄膜形成時に、基板裏面等を原料ガスから遮蔽し、清浄な状態に維持することは、所望の特性の半導体集積回路を安定して生産する上で極めて需要である。以下に、図１の示すＣＶＤ装置について、その基板裏面汚染防止機構を詳細に説明する。

基板裏面汚染の原因として、原料ガスや副生成ガス（以下「原料ガス等」という）の直接的な基板裏面への回り込みによる汚染や、加熱ホルダや搬送機構に付着した原料ガス及びそれらの表面に形成された膜による間接的な汚染がある。これらは原料ガス等が搬送室側に回りこむことによって起こると考えて良い。

それに対し、図１に示すＣＶＤ装置の第一の基板裏面汚染防止機構は、まず、減圧容器１の内部構造を、成膜室１００、排気室１０１及び搬送室１０２に仕切ることにある。これにより、搬送室がガスの流れの経路にならないようにし、基本的に原料ガス等が基板２裏面や加熱ホルダ３及び搬送機構に流入する経路を無くしたため、基板裏面の汚染を防止することができる。さらに、成膜室１００及び排気室１０１を搬送室１０２上部側で、同じ水平高さに配置し、かつ同一中心軸に対し軸対称構造をとって配置することにより、ガスの流れが軸対称流となり淀みのないガス流が形成される。この結果、ガスの排気が効率よく行われ、容器内雰囲気の清浄化が速やかに行われるので基板裏面の汚染防止を効果的に行うことができる。さらには、成膜室１００、排気室１０１さらには搬送室１０２の隅部を滑らかな曲面形状とするのが好ましく、これにより、より淀みのないガス流を形成することができる。また、排気ポート１０についても上記中心軸の周りに軸対称に複数個設けることにより、さらに均一な軸対称流を形成することが可能となる。

図１の構成のＣＶＤ装置において、原料ガス等が成膜中に搬送室に回りこむとすれば、その経路はリングチャック４と基板２との接触部、及びリングチャック外縁部と支持部材１６との間の隙間である。また、リングチャックと基板との接触部に膜が付着すると、リングチャック脱着時に膜剥離を起こし、パーティクルを発生させてしまうことになる。従って、第二の基板裏面汚染防止機構として、リングチャックと基板との接触部の微細な隙間を通しての原料ガス等の拡散を防止する機構と該接触部での膜付着防止機構が設けられ、第三の基板裏面汚染防止機構として、リングチャック外縁部と容器壁との隙間５０を通しての原料ガス等の回り込み防止機構が設けられている。以下にこれらの基板裏面汚染防止機構について述べる。

まず、第二の基板裏面汚染防止機構を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、基板の端部分に接するリングチャックの詳細を示した概略断面図である。リングチャック先端のテーパー部分が基板端と全周にわたって接触しており、この接触によって原料ガスが基板裏面へ回り込む経路を遮断している。しかし、両者の接触部は原料ガスに曝されるため、基板外周部からリングチャックにわたって膜付着が起こり得る。この膜付着を防止するため、接触部の内周側にパージガス（第２パージガス）を吹き付けできるように工夫が施されている。

加熱ホルダ３から供給される第２パージガスはリングチャック内に設けられた複数の半径方向に伸びる供給路２００によって、リングチャック内の円環状の供給路２０１に供給され、更に供給路２０１に連結された隙間２０２に供給され、その出口から、基板端部に吹出される。隙間２０２は、リングチャック先端部において、円周方向に平行で連続的に形成された隙間、若しくは一定間隔で仕切りられた不連続的な隙間のいずれでも良い。ここで、隙間２０２のコンダクタンスを供給路２０１に比べて小さくすることにより、リングチャック内周に沿ってより均一にパージガスを吹出すことができる。

加熱ホルダ３からリングチャック４への第２パージガスの供給は、リングチャック４と加熱ホルダ３とは接触できないため、加熱ホルダ３内のパージガス供給路２０３の出口部分と、リングチャック内のパージガス供給路２００の入口部分とを図に示したような凹凸の関係に形成し、供給路以外の空間にできるだけ漏れることなく供給できるように工夫されている。一方、第２パージガスは外部に設けられた第２パージガス供給機構２０から加熱ホルダ３内の供給路２０４に供給される。供給路２０４は加熱ホルダ上部にて円環状の分配路２０５によって複数の放射状の供給路２０３に技分かれし、パージガスは円周方向に均等に配分されリングチャック内の供給路２００に供給される。ここで、放射状の供給路２０３の数は８本乃至２４本とするのが好ましい。このパージガスによって基板とリングチャックの接触部への成膜が防止され、かつ接触部の微細な隙間を拡散で通過しようとする原料ガス等の侵入を防ぐことが可能となる。

また、リングチャックのパージガスの出口部を、図２（ｂ）に示すように、基板表面に垂直にすることによって、より高い付着防止効果が得られる。パージガス流量によって基板外周部における成膜範囲を制御可能であり、かつリングチャックと基板との接触部が基板端であることから、ほぼ基板表面の全面に成膜可能である。また基板をリングチャックで固定するため広い圧力範囲で成膜可能である。

次に、第三の基板裏面汚染防止機構を図１、２を用いて説明する。外部に設けられた第１のパージガス供給機構２１より加熱ホルダのパージガス供給路２０６にパージガス（第１パージガス）が供給され、加熱ホルダ３の下部から搬送室１０２内にパージガスが吹出される。供給路２０６は上部にて円環状の分配路２０７によって複数の放射状の供給路２０８に枝分かれし、第１パージガスは円周方向に均等に配分されて搬送室内に導入される。このことによる効果は、搬送室内の流れを対称にし隙間５０を通してのパージガスの流れを円周方向に均一化することによって淀みの無い流れを形成できることである。ここで、放射状の供給路２０８の数は８本乃至２４本とするのが好ましい。

この第１パージガスの供給によって、成膜中において搬送室１０２内の圧力は成膜室１００内の圧力よりも高くなっており、パージガスはリングチャック４外縁部と支持部材１６との隙間５０を通って成膜室内に流れる。搬送室と成膜室との圧力差が数百Ｐａであれば粘性流として成膜室内へ流れるため、成膜室からの原料ガスの回り込みは効果的に抑制可能となる。成膜室と搬送室との圧力差を大きくすることで該隙間からの流れは円周方向でより一層均一なものとなる。更に、リングチャック４と支持部材１６との隙間５０の形状を図のように楔型の凹凸の組合せ等、複雑にすることにより原料ガス等の回り込み防止効果を一層高めることが可能となる。また、リングチャックと支持部材とを互いに嵌合する凹凸構造とすることにより、基板交換時にリングチャックと容器壁との接触によってリングチャックの位置出しが毎回行われるという効果も付与することができる。なお、搬送室内の圧力をある程度高くすることにより、第１のパージガスを隙間５０だけでなく、その一部をリングチャック４のパージガス供給経路２００を通して成膜室に流すことができ、このようにして、場合によっては、第２のパージガスを省略することも可能である。

本発明においては、搬送室の圧力は通常成膜室の圧力よりも１０％程度高く設定されるため、両者の圧力差が大きくなると、その圧力差により、成膜中にリングチャックがチャタリングを起こしたり、移動したりする場合がある。リングチャックが移動等すると、ガス流が乱れ、さらには原料ガスが搬送室側に流れ込むという問題を引き起こすことになる。さらには、リングチャックが基板や支持部材と擦れるため、パーティクルの発生や基板損傷を引き起こすことにもなる。従って、リングチャックは、このような圧力差に耐え、移動等しない十分な重量のものとするのが好ましい。例えば、２００ｍｍ径基板の場合、５ｋｇ程度以上の３００ｍｍ径リングチャックが好適に用いられる。

また、リングチャックは、基板に対して均等に加重をかける構造とするのが好ましい。基板及び形成する薄膜の種類、成膜条件等によっては、基板を抑える力に偏りがあると基板温度に偏りが生じ、形成される薄膜の膜厚均一性が低下する場合があるからである。この一例を図４に示す。図４（ａ）はリングチャックの底面に馬蹄型の重りを取り付けて全体を５ｋｇとして、Ｃｕ薄膜を形成したときのシート抵抗の分布を示すものである。一方、図４（ｂ）は厚手のリングチャック（５ｋｇ）を用いて、同様にＣｕ薄膜を形成したときのシート抵抗の分布を示すものである。図において、等高線は１％間隔で示してあり、太線が平均値の等高線である。図から明らかなように、馬蹄形の重りをつけたリングチャックを用いた場合の膜厚分布［（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）］は±７．３％であるのに対し、均等加重型のリングチャックを用いた場合の膜厚分布は±３．３％と大幅に向上することが分かる。

更に、成膜中以外に基板裏面汚染が起こる原因として、ガス導入部５の内壁などに吸着し残留する原料ガスが、成膜終了後の基板交線時に放出され成膜室内に入り込むことによって、基板裏面や加熱ホルダ表面を汚染する場合がある。そこで、このガス導入部の内部に残留する原料ガスによる基板裏面汚染を防止する対策（第四の基板裏面汚染防止機構）を以下に述べる。

原料ガス及びキャリアガスの成膜室１００への導入を停止し基板上への成膜を終了した後も暫くは第１及び第２パージガスの供給は継続される。所定時間経過後、切換バルブ１５を開き、排気室１０１に連結した排気機構１７とは別の外部の排気機構１８によりガス導入部５の内部を排気する。これにより、原料ガス供給機構１９の前段までが排気されることになる。このとき、成膜室内に流れ込むパージガスの一部がガス導入部５内を通して排気されるため、ガス導入部内がパージガスによりパージされ、ガス導入部内に残留する原料ガスは外部に速やかに排気される。この間、成膜室及び排気室内もパージガスによってパージが行われている。

所定時間のパージ後、第２パージガスの供給を停止し、基板交換が行われる。第２パージガスの供給を停止するのは、基板近傍での第２パージガスの流れによって、基板交換時に基板が所定の位置からズレる可能性があるからである。一方、第１パージガスは基板交換及び搬送に支障が無い程度の流量が継続して供給される。この状態では、依然として搬送室から成膜室及びガス導入部内へのガスの流れがあるため、パージ後もガス導入部に僅かに残留する原料ガスが侵入するのを抑制できることになる。従って、以上の第四の防止機構によって基板交換時においても基板裏面及び加熱ホルダを含む搬送機構への原料ガスの付着による汚染を防止することができる。

図１に示すＣＶＤ装置を用いて、２００ｍｍ〜３００ｍｍ基板上にＣｕ薄膜を形成する場合の好適な成膜条件としては、加熱ホルダ温度が１７０〜２００℃、成膜圧力が０．１〜１ｋＰａ、原料ガスであるＣｕ（ｈｆａｃ）（ｔｍｖｓ）流量が０．１〜１ｇ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてＨ２流量が５０〜２００ｓｃｃｍ、Ａｒ流量が５０〜２００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量が５０〜２００ｓｃｃｍ、リングチャックヘ供給される第２のパージガス流量は１０〜１００ｓｃｃｍ、第１のパージガス流量は１０〜５００ｓｃｃｍである。基板交換時における第１のパージガス流量は５〜１００ｓｃｃｍである。ここで、パージガスとしては、Ａｒ、Ｎ２等の不活性ガスが用いられる。

以上の条件により、２００ｍｍ径の基板上にＣｕの成膜を行ったところ、表面のほぼ全面に成膜を行うことができ、しかも、原子吸光分析の結果、基板裏面汚染量はＣｕ原子について１ｘ１０ｌｌ原子／ｃｍ２以下と、極めて低い値に抑止できることが分かった。

次に、本発明の第二の実施形態を説明する。図３は、本発明のＣＶＤ装置の他の構成例を示す概略断面図である。図１のＣＶＤ装置と構造的に異なる主な点は、成膜室１００と排気室１０１を分離する内部壁６の取り付け位置の違いである。すなわち、図３のＣＶＤ装置では、内部壁が容器天板からリングチャック４上に降ろされ、リングチャックと内部壁との間に所定の隙間６０を残して取り付けられている。成膜室１００と排気室１０１とは、内部壁６に設けられた貫通孔１１及び内部壁６とリングチャックとの問の隙間６０とによって空間的に結合しており、また搬送室１０２と排気室１０１とがリングチャック４と容器壁との隙間５０により空間的に結合している。

内部壁６とリングチャック４との間の隙間６０の距離は、成膜時において０．５〜５．０ｍｍとするのが好ましく、これは内部壁の高さによって調整される。この隙間６０は貫通孔１１と同様に成膜室１００から排気室１０１への原料ガス等の流れの経路の一部となる。ここで、第一の実施形態と同様に、成膜室内の流れを軸対称流とする。

また、パージガスが搬送室から直接排気室へ流れ込む構成としてあるのが第一の実施形態と大きく異なっている。この効果は、リングチャック４と支持部材１６との隙間５０から吹出されるパージガスが成膜室内に流れ込まないため、成膜室内の流れがより単純で循還流が無く、原料ガス等の成膜室内での滞在時間が短くなる。また、排気室の圧力は成膜室よりも相対的に低いため、隙間５０を通して搬送室へ原料ガス等がの侵入する量を、第１の実施形態に比べてさらに少なくすることができる。その他の構造及び機能は第一の実施例と同じであり、前述の基板裏面汚染防止についても同じ機構であり同じ動作が行われる。また、図３の装置の場合についても、好適な成膜条件は図１の装置の場合とほぼ同様である。図３の装置を用いて、第一の実施形態と同様の成膜実験を行ったところ、第一の実施形態と同等若しくはそれ以上の裏面付着防止効果が得られることが確認された。

以上述べてきたように、図１及び２のＣＶＤ装置は、いずれも第１〜第４の基板裏面付着防止機構を具備していることから、Ｃｕ薄膜を半導体基板上に形成する場合であっても、裏面汚染量を高特性半導体集積回路の動作特性に全く影響しないレベル以下の極めて軽微な汚染レベルに抑えることが可能となり、一層の高特性化・高集積化が図られる次世代の集積回路の安定した生産に大きく貢献するものである。なお、本発明のＣＶＤ装置は、上記実施の形態に記載したものに限定されるものではない。例えば、第１〜第４の基板裏面汚染機構の全てを設ける必要は必ずしもなく、要求される基板裏面汚染防止量に応じた装置構成とすればよい。なお、本発明のＣＶＤ装置は、Ｃｕ薄膜の形成に好適に用いられるが、これに限らず、タングステン等のメタル薄膜、半導体薄膜等、種々の薄膜形成に適用できるものである。

１容器、
２基板、
３加熱ホルダ、
４リングチャック、
５ガス導入部、
６内部壁、
７スリットバルブ、
８搬送口、
９ピン、
１０排気ポート、
１１貫通口、
１２ヒーター、
１３熱電対、
１４圧力調整バルブ、
１５切換バルブ、
１６支持部材、
１７、１８排気機構、
１９原料ガス供給機構、
２０第２パージガス供給機構、
２１第１パージガス供給機構、
２２ヒーターパワー供給機構、
３１減圧容器、
３２基板、
３３ホルダ、
３４リングチャック、
３５原料ガス導入部、
３６支持部材、
３７内側壁、
３８排気ポート、
３９開口、
４１リフト、
４２パージガス導入管、
４３ピン、
４４チャック溝、
４５パージガス溝、
５０リングチャックと支持部材との間の隙間、
６０リングチャックと内部壁との間の隙間、
１００成膜室、
１０１排気室、
１０２搬送室、
２００リングチャックパージガス供給管、
２０１円環状供給路、
２０２隙間、
２０３、２０４第２パージガス供給路、
２０５，２０７円環状分配路、
２０６第１パージガス供給路。

Claims

減圧容器内に設けられた加熱ホルダ上に基板を載置して原料ガス及び副生成ガスの基板裏面への回り込みを防止する機能を有するリングチャックで固定し、基板に対向して設けられたガス導入部から原料ガスを吹出して、基板上に原料ガスの構成元素の少なくとも１つを含む薄膜を堆積させるＣＶＤ装置において、
前記リングチャックは、内周縁の下部にテーパー部が形成され、該テーパー部の傾斜面により基板を押さえて前記加熱ホルダ上に固定するとともに、前記リングチャックが基板を押さえた際に、基板との接触部より内周側に設けられたパージガス出口から基板外周部にパージガスを放出する構成とされていることを特徴とするＣＶＤ装置。
前記パージガス出口は、前記リングチャックの内周に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ装置。
前記パージガス出口は、前記パージガスが基板面に対し略垂直に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＶＤ装置。
前記リングチャックに、パージガスの導入口及びこれと連通するガス供給路を複数設け、該複数のガス供給路が内周側に設けられた環状供給路を介して前記パージガスの出口に連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
前記加熱ホルダに、パージガスの供給路とこれに連通する吹出し口が複数設けられ、該複数の吹出し口を前記リングチャックの複数のパージガスの導入口に対応する位置に形成し、前記パージガスの吹出し口から吹出されたパージガスが前記リングチャックのパージガスの導入口に送られる構成とされていることを特徴とする請求項４に記載のＣＶＤ装置。