JP7659984B2 - コバルトメタライゼーションのためのシステムおよび方法 - Google Patents

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ヤン ウィレム マエス
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Description

関連出願の参照
本出願は、２０１９年１２月２０日に出願された米国仮出願第６２／９５１，４５７号に対する優先権を主張するものであり、これは参照により本明細書に援用される。
本出願は、集積回路の製造に関し、特にコバルトメタライゼーションのための方法および装置に関する。
ウエハまたは他のワークピースの半導体処理に使用されるクラスタツールは、典型的には、ウエハ上に様々なプロセス（例えば、堆積、エッチング、ドーピング、アニーリング、および酸化）が実行される多数のプロセスチャンバによって囲まれた、中央ウエハハンドリングチャンバまたは搬送チャンバを備える。ロボットは、クラスタツール内でウエハを移動するための搬送チャンバ内に提供される。搬送チャンバは、典型的には、ゲートバルブによって各プロセスチャンバから分離される。
コバルトメタライゼーションのための現行のプロセスフローは、ライナー層および接着層の堆積を含む。コバルトシード層は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって堆積され得、その後コバルトメッキが続く。
いくつかの態様では、コバルトメタライゼーションプロセスおよびそのプロセスを実行するための装置が提供される。コバルトメタライゼーションプロセスは、半導体基材上のトレンチなどの三次元構造上に薄いＴｉＮライナー層を堆積させ、その後に、例えばコバルトを含むシード層などの薄いシード層を堆積させることを含み得る。ＴｉＮライナー層およびシード層のうちの一方または両方は、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって堆積され得る。ＴｉＮライナー層およびシード層の堆積後、例えばメッキにより、コバルトを堆積させて、三次元構造を充填し得る。
いくつかの実施形態では、半導体ウエハ処理装置が提供される。いくつかの実施形態では、半導体ウエハ処理装置は、ウエハハンドリングチャンバ、ウエハハンドリングロボット、第一の堆積プロセスモジュール、第二の堆積プロセスモジュールおよび冷却ステージを含み得る。いくつかの実施形態では、装置はクラスタターボポンプをさらに含む。いくつかの実施形態では、第一の堆積プロセスモジュールおよび第二の堆積プロセスモジュールは同一である。
いくつかの実施形態では、装置は、ウエハハンドリングチャンバから第一の堆積プロセスモジュールへと三次元構造を備えるウエハを順次移動させ、第一の堆積プロセスモジュールにおいて、第一の堆積温度でウエハ上にＴｉＮライナー層を堆積させ、ウエハを冷却ステージに移動し、ウエハを第一の堆積温度以下に冷却し、ウエハを第二の堆積プロセスモジュールに移動させ、第二の堆積温度でウエハ上のＴｉＮライナー層上にコバルトシード層を堆積させるように設定された制御部を含み得る。いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ナノラミネートを含む。
いくつかの実施形態では、制御部は、コバルトシード層の堆積後、ウエハを第一の堆積プロセスモジュールから冷却ステージに移動させるように設定される。ウエハは続いて第二の堆積温度以下に冷却され得る。
いくつかの実施形態では、制御部は、原子層堆積（ＡＬＤ）によって、第一の堆積プロセスモジュールにおいて、ＴｉＮライナー層をウエハ上に堆積するように設定される。いくつかの実施形態では、制御部は、ＡＬＤによって、第二の堆積プロセスモジュールにおいて、ウエハ上にコバルトシード層を堆積するように設定される。
いくつかの実施形態では、コバルトメタライゼーションの方法が提供される。方法は、ＴｉＮライナー層を半導体ウエハなどの基材の三次元特徴上に堆積させることを含み得る。ＴｉＮライナー層は、例えば、ＡＬＤによって堆積され得る。ＡＬＤプロセスは、堆積装置の第一の堆積モジュールにおいて、第一の堆積温度で実施され得る。ウエハは続いて第一の堆積温度以下の温度に冷却され得る。例えば、ウエハは冷却モジュールに移され、第一の堆積温度以下の温度に冷却され得る。冷却後、ウエハは堆積装置の第二の堆積モジュールに移され得る。いくつかの実施形態では、第二の堆積モジュールは、第一の堆積モジュールと同一であり得る。
いくつかの実施形態では、第二の堆積モジュールにおいて、コバルトシード層がＴｉＮライナー層上にかつそれと接触するように堆積され得る。コバルトシード層は、例えば、ＡＬＤによって堆積され得る。コバルトシード層を堆積させるためのＡＬＤプロセスは、第二の堆積温度で実施され得る。コバルトは、例えば、メッキによってコバルトシード層上に堆積され得る。
いくつかの実施形態では、ウエハは、コバルトシード層堆積後、かつメッキによるコバルトシード層上へのコバルト堆積前に、第二の堆積温度以下の温度に冷却される。
いくつかの実施形態では、ウエハを第一の堆積温度以下および／または第二の温度以下に冷却することは、ウエハを冷却チャンバに移動させることを含む。いくつかの実施形態では、ウエハは、ウエハを冷却ステージ上に置くことによって、第一の堆積温度以下または第二の温度以下に冷却される。
いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、コバルトとＴｉＮの混合物を含む。いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、コバルトとＴｉＮの混合物を含むシード層上のコバルト層をさらに含む。
いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、コバルトとＴｉＮのナノラミネートを含む。いくつかの実施形態では、ナノラミネートはコバルトの上部層を含む。いくつかの実施形態では、シード層は、ナノラミネート上のコバルトの層を含む。
いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ＴｉＮとコバルトのグレーデッド層を含む。グレーデッド層は、下層のＴｉＮ層との界面からグレーデッド層の上面へ、コバルト濃度の上昇を含み得る。
いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層はコバルトシード層の堆積前に処理される。例えば、いくつかの実施形態では、ＴｉＮライナー層の堆積後、かつコバルトシード層の堆積前に、基材は例えばＴｉＣｌ４などのハロゲン化チタンに曝露される。
図１は、コバルトメタライゼーションにおけるＴｉＮライナー層およびコバルトシード層を形成するためのプロセスフローを示すフローチャートである。 図２は、いくつかの実施形態によるウエハ処理装置のトップダウン概略図である。 図３は、いくつかの実施形態によるウエハ処理装置のトップダウン概略図である。 図４は、いくつかの実施形態によるウエハ処理装置のトップダウン概略図である。
コバルトメタライゼーションプロセスは、半導体基材上のトレンチなどの三次元構造上に薄いＴｉＮライナー層を堆積させ、その後に、例えばコバルトを含むシード層などの薄いシード層を堆積させることを含み得る。ＴｉＮライナー層およびシード層のうちの一方または両方は、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって堆積され得る。ＴｉＮライナー層およびシード層の堆積後、例えばメッキにより、コバルトを堆積させて、三次元構造を充填し得る。
いくつかの実施形態では、シード層はコバルト層を含む。コバルト層は、例えば、ＡＬＤによって堆積され得る。
いくつかの実施形態では、シード層はコバルト層を含む。コバルト層は、例えば、ＡＬＤによって堆積され得る。いくつかの実施形態では、シード層は、薄いＴｉＮ層およびＣｏ層のナノラミネートを含む。いくつかの実施形態では、ナノラミネートの上部層はＣｏ層である。いくつかの実施形態では、ナノラミネートの上部層はコバルトとＴｉＮの混合である。いくつかの実施形態では、ナノラミネートの上部層はコバルトリッチ層である。いくつかの実施形態では、ナノラミネートの下部層はＴｉＮ層である。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層およびＣｏ層のナノラミネートは、ライナー層およびシード層の両方として機能する。いくつかの実施形態では、ライナー層およびシード層全体の厚さが低減するように、より薄いＴｉＮライナー層が、超薄型Ｃｏ層および超薄型ＴｉＮ層を含むシード層と組み合わせて使用される。いくつかの実施形態では、薄いＴｉＮ層およびＣｏ層のナノラミネートを含むシード層が、別個のライナー層が利用されないコバルトメタライゼーションプロセスの一部として堆積される。例えば、コバルトメタライゼーションプロセスでは、薄いＴｉＮ層およびＣｏ層のナノラミネートを含むシード層を、半導体基材上のトレンチなどの三次元構造の上に直接堆積させ、続いて、コバルトを堆積させて三次元構造を充填するが、ナノラミネートを堆積させる前に、別個のライナー層は堆積しない。いくつかの実施形態では、コバルト層をナノラミネート上に堆積させて、シードスタックを形成し得る。
ナノラミネートのＴｉＮ層およびＣｏ層は、超薄型であり得る。いくつかの実施形態では、ナノラミネートは超薄型コバルト層および超薄型ＴｉＮ層を含む。例えば、いくつかの実施形態では、ナノラミネート内のＴｉＮ層は、約１ｎｍであり得、コバルト層は、約１～２ｎｍであり得る。いくつかの実施形態では、ナノラミネート内のＴｉＮ層のうちの一つまたは複数は、約３ｎｍ以下、約２ｎｍ以下、約１．５ｎｍ以下、約１．２ｎｍ以下、約１．０ｎｍ以下、または約０．８ｎｍ以下であり得る。いくつかの実施形態では、ナノラミネート内のＣｏ層のうちの一つまたは複数は、約４ｎｍ以下、約３ｎｍ以下、約２．５ｎｍ以下、約２ｎｍ以下、または約１．５ｎｍ以下であり得る。
いくつかの実施形態では、ナノラミネートは二つ以上の超薄型コバルト層および二つ以上の超薄型ＴｉＮ層を含む。いくつかの実施形態では、ナノラミネート中のＴｉＮおよびＣｏの層は、互いに区別できない。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層およびＣｏ層は、ＡＬＤによって堆積される。いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ＴｉＮとＣｏの混合物を形成するような方法で堆積したＴｉＮとＣｏを含む。例えば、ＴｉＮおよびＣｏは、別個の識別可能なＣｏ層およびＴｉＮ層が形成されないように、ＣｏおよびＴｉＮの混合を可能にするサブサイクルにおいてＡＬＤによって堆積され得る。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ層およびＣｏ層は重なり合うほど非常に薄く、そのためＴｉＮとＣｏの混合が生じる。
いくつかの実施形態では、追加のコバルトをＴｉＮおよびＣｏナノラミネートまたは混合物上に堆積させて、シードスタックを形成し得る。追加のコバルトは、ＡＬＤによって堆積され得る。
いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、グレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）ＴｉＮ／Ｃｏ薄膜を含む。グレーデッドＴｉＮ／Ｃｏフィルムは、ＴｉＮを堆積するためのＡＬＤサブサイクルおよびＣｏを堆積するためのＡＬＤサブサイクルを含むＡＬＤプロセスによって堆積され得る。ＴｉＮサブサイクルおよびＣｏサブサイクルは、経時的に変化する選択された比率で繰り返され、グレーデッド層（ｇｒａｄｅｄ ｌａｙｅｒ）を形成する。いくつかの実施形態では、グレーデッドＴｉＮ／Ｃｏ薄膜は、ライナー層およびシードスタックの両方として機能する。いくつかの実施形態では、グレーデッドＴｉＮ／Ｃｏ薄膜は、下面でＴｉＮとして開始し、上面でコバルトとして終了してもよい。いくつかの実施形態では、グレードＴｉＮ／Ｃｏ薄膜を形成するＡＬＤプロセスは、一つ、二つまたはそれ以上のＴｉＮ ＡＬＤサブサイクルを実施し、その後に可変比率のＴｉＮ ＡＬＤサブサイクルおよびＣｏサブサイクルが続き、一つ、二つまたはそれ以上のＣｏ ＡＬＤサブサイクルで終了する工程を含む。いくつかの実施形態では、追加のコバルト層をグレーデッド層上に堆積させて、シードスタックを形成し得る。追加のコバルトは、ＡＬＤによって堆積され得る。
ＡＬＤによるＴｉＮおよびＣｏを堆積する方法は、当該技術分野で公知である。例えば、ＴｉＮは、ＴｉＣｌ４などのチタン前駆体および窒素含有前駆体、例えばアンモニアまたはヒドラジンまたは励起されたもしくは窒素を含む原子種のプラズマなど、を使用してＡＬＤによって堆積され得る。以下で論じされるように、いくつかの実施形態では、ＡＬＤプロセスは、プロセスの最終工程として、基材をＴｉＣｌ４に曝露することを含む。コバルトは、例えば、ＣｏＤＡＤ（ビス（１，４－ジ－ブチル－１，３－ジアザブタジエニル）コバルト）およびその誘導体などのコバルト前駆体、ならびに水素などの第二の反応物質を使用するＡＬＤプロセスによって堆積され得る。いくつかの実施形態では、基材はコバルト前駆体および第二の反応物質と交互にかつ逐次接触される。いくつかの実施形態では、Ｃｏは、参照により本明細書に援用される、ＵＳ２０１３／０２５１９０３、ＵＳ２０１４／０２３４５５０、ＵＳ２０１６／０３２６６４５、ＵＳ２０１８／００４４７８８、ＵＳ２０１８／０１３０７０６、またはＷＯ２０１７／２１４０８８に記載されるＡＬＤプロセスによって堆積され得る。
いくつかの実施形態では、基材は、ライナー層および／またはシード層スタックを形成するための堆積工程のうちの一つまたは複数の前または後に処理され得る。いくつかの実施形態では、基材は、一つまたは複数のＣｏ ＡＬＤサイクルの前および／または後に処理される。いくつかの実施形態では、基材は、一つまたは複数のＴｉＮ ＡＬＤサイクルの前および／または後に処理される。例えば、基材は、ＴｉＮライナー層を堆積させた後、コバルトシードスタックを堆積させた後、またはその両方で冷却得る。いくつかの実施形態では、基材は、一つまたは複数のＡＬＤサイクルによってＴｉＮを堆積した後に冷却される。いくつかの実施形態では、基材は、一つまたは複数のＡＬＤサイクルによってＣｏを堆積した後に冷却される。いくつかの実施形態では、基材は堆積温度以下の温度に冷却される。いくつかの実施形態では、基材は室温に冷却される。
いくつかの実施形態では、基材は、第一のＴｉＮライナー層の堆積の前に処理される。例えば、基材は、前洗浄処理に供され得る。いくつかの実施形態では、前洗浄処理は、ガス放出を含み得る。いくつかの実施形態では、前洗浄処理は、一つまたは複数のＴｉＮ ＡＬＤサイクルを実施する前に実施される。
いくつかの実施形態では、基材は、ＴｉＮライナー層の堆積後、かつナノラミネートシードスタックなどのコバルトシード層またはシードスタックの堆積前に処理される。例えば、ＴｉＮ層の堆積後かつその後のコバルト含有層の堆積前に、基材は冷却され得る。いくつかの実施形態では、基材は、一つまたは複数のＡＬＤサイクルによるＴｉＮ層の堆積後、かつその後の一つまたは複数のＡＬＤサイクルによるコバルトシードスタックの堆積前に冷却され得る。いくつかの実施形態では、基材は、ＴｉＮ堆積後、かつその後の堆積、例えば、その後のコバルト含有層の堆積前に、プラズマ処理に供される。
いくつかの実施形態では、基材は、ＴｉＮ堆積後、かつその後の堆積、例えば、その後のシード層またはシードスタックの堆積前に、ハロゲン化処理に供される。ハロゲン化処理は、その後堆積されたＣｏ膜の表面粗さを改善し得る。いくつかの実施形態では、ハロゲン化処理は、基材をＴｉＣｌ４に曝露することを含む。いくつかの実施形態では、ハロゲン化処理は、ＴｉＮ層の堆積に使用されたハロゲン化チタン前駆体に基材を曝露することを含む。例えば、チタン前駆体としてＴｉＣｌ４を使用したＡＬＤによるＴｉＮ堆積の後、基材は、その後の堆積の前にＴｉＣｌ４に曝露され得る。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ堆積後のハロゲン化チタンへの曝露は、ＴｉＮ堆積プロセスにおけるのと同じ持続時間および同じ条件下であり得る。いくつかの実施形態では、この曝露は、ＴｉＣｌ４などのハロゲン化チタンおよび窒素反応物に基材を交互に順次曝露することを含むＴｉＮ層を堆積するためのＡＬＤプロセスを利用することによって達成され得、ＡＬＤプロセスの最終工程は、基材をハロゲン化チタンに曝露することを含む。いくつかの実施形態では、ＴｉＮは、ＡＬＤプロセスがＴｉＣｌ４への曝露で終了するように、基材が窒素反応物およびＴｉＣｌ４に順次曝露されるＡＬＤサイクルを繰り返すことによって堆積される。
いくつかの実施形態では、基材は、ナノラミネートなどのコバルトシード層またはシードスタックの堆積後、かつその後のコバルトメッキの前に処理される。例えば、基材は、コバルトシード層堆積後またはシードスタック堆積後に冷却され得る。いくつかの実施形態では、基材は、一つまたは複数のＡＬＤサイクルによるコバルトシードスタックの堆積後、かつコバルトメッキ後に冷却される。
シード層またはシードスタックの堆積および任意の介在処理に続いて、コバルトが、メッキなどによって堆積される。メッキ後、基材は、例えば、冷却などによってさらに処理され得る。
図１は、ＴｉＮライナー層およびコバルト含有シードスタックを堆積することを含む、コバルトメタライゼーションのためのプロセス１００を示すフローチャートである。三次元構造を含む半導体ウエハが、処理装置１１０に取り込まれる。いくつかの実施形態では、三次元構造は、デュアルダマシン法の文脈などで、トレンチ、ビアまたはトレンチとビアの両方を含み得る。処理装置の制御部は、図示した工程を実行するように設定される。ＴｉＮライナー層は、ＡＬＤプロセスによって、ウエハ１２０上の構造上に堆積される。随意に、ウエハは、図示した通りＴｉＮライナー層１２０の堆積前に前洗浄１５０などの処理に供され得る。処理は、ＴｉＮ堆積と同じチャンバ内で、または別のチャンバ内で行われ得る。
ＴｉＮライナー層１２０の堆積後、ウエハは随意に、ＡＬＤプロセスなどによる、コバルトシード層１３０の堆積前に、冷却１６０（または別の方法で処理）され得る。冷却は、ＴｉＮ堆積またはＣｏ堆積と同じチャンバ内で行われてもよく、または別のチャンバ内で行われ得る。
いくつかの実施形態では、ＴｉＮ堆積後、基材は、ＴｉＣｌ４への曝露によって処理される。処理は、ＴｉＮ堆積と同じチャンバ内で行われ得るか、または別のチャンバ内で行われ得る。ＴｉＣｌ４への曝露は、ＡＬＤプロセスの各サイクル中と同じ持続時間であり得る。
上述のように、いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ＡＬＤによって堆積されたコバルト層を含む。いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ＴｉＮおよびＣｏナノラミネートを含む。コバルト層は、ナノラミネート上に堆積されて、シードスタックを形成し得る。いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ＴｉＮとＣｏとの混合物を含む。コバルト層が混合物上に堆積され、シードスタックを形成し得る。いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ＴｉＮおよびＣｏのグレーデッド層を含む。例えば、グレーデッド層は、ＴｉＮライナー層に隣接する下面においてＴｉＮで開始し、下面から上面への方向に、コバルト濃度の上昇およびＴｉＮの濃度の低下を含み、コバルトの上面を含み得る。再び、コバルト層がグレーデッド層上に堆積され、シードスタックを形成し得る。いくつかの実施形態では、コバルト層は、グレードデッド層の形成において、コバルトを堆積させるために使用されるＡＬＤサイクルを継続することによって堆積され得る。
いくつかの実施形態では、ＴｉＮ堆積およびＣｏ堆積は、同一のプロセスチャンバ内で行われる。いくつかの実施形態では、ＴｉＮ堆積は一つのプロセスチャンバ内で行われ、Ｃｏ堆積は別のプロセスチャンバ内で行われる。
コバルトシード層１３０の堆積に続いて、ウエハは、随意に、処理装置１４０から取り出される前に冷却１７０され得る。再び、冷却は、堆積と同じチャンバ内で、または別のチャンバ内で行われ得る。いくつかの実施形態では、ウエハは、メッキによるコバルトの堆積などのさらなる処理に供される。
上述のように、いくつかの実施形態では、本明細書に記載のコバルトシード層の使用によって、典型よりも薄いＴｉＮ層が利用され得る。ＴｉＮライナー層の堆積の後、ＴｉＮ／ＣｏナノラミネートまたはＴｉＮ／Ｃｏ混合物を堆積させることによって形成されるコバルトシード層の堆積が続き得る。追加のコバルトは、ＡＬＤによって、またはシード層を完成させるための別のプロセスによって堆積され得る。いくつかの実施形態では、超薄型コバルト層が、ＡＬＤによって堆積され、その後、超薄型ＴｉＮ層の堆積が続く。例えば、１ｎｍのＴｉＮ層に続いて２ｎｍのＣｏシード層を堆積させるのではなく、０．５ｎｍのＴｉＮ層を堆積させ、その後に０．５ｎｍのＴｉＮ層およびＣｏ層を堆積させ得る。ＴｉＮおよびＣｏの０．５ｎｍ層は、ＡＬＤ ＴｉＮサブサイクルおよびＡＬＤ Ｃｏサブサイクルによって堆積され得る。次いで、追加の１．５ｎｍのコバルトを堆積させて、シード層を完了し、シードスタックを形成し得る。結果として、ライナー層およびシード層（またはシードスタック）の合計厚さが０．５ｎｍ減少し、構造内の追加のコバルト金属を可能にすることによって、メタライゼーションプロセスを改善する。
いくつかの実施形態では、ＡＬＤ堆積工程および処理工程の各々は、クラスタツールなどの半導体ウエハ処理装置内で実行される。図２は、いくつかの実施形態による、例示的な半導体処理装置２００のトップダウン概略図である。半導体処理装置２００は、本明細書において、少なくとも一つのプロセスモジュール（ＰＭ）２３０、２４０に接続されたウエハハンドリングチャンバ（ＷＨＣ）２２０と称される中央基材またはワークピースハンドリングチャンバを備える。図２は、二つのプロセスモジュール２３０、２４０で囲まれたＷＨＣ２２０を示す。代替的な実施形態では、装置２００は、より多くのまたはより少ない数のプロセスモジュールを含み得る。例えば、装置２００は、ＷＨＣ２２０に接続された一つのプロセスモジュールのみを含むことができるか、または図示された二つのプロセスモジュール２３０、２４０よりも多くを含むことができる。さらに、装置２００は、追加的または他のタイプのプロセスを実行するように構成することができ、プロセスモジュール２３０、２４０のうちの二つ以上において同じプロセスを実行するように構成することができる。ウエハハンドリングチャンバ２２０内に据え付けられたワークピースハンドリングロボット２５０は、ロードロックチャンバ（ＬＬＣ）２１０および個別のプロセスモジュール２３０、２４０から基材を追加および取出すことができる。装置２００はまた、例えば、温度制御モジュールとして使用され得る一つまたは複数の中間プロセスモジュール２２５を含み得る。温度制御モジュールは、特定の処理工程の前または後にウエハの温度を低下または上昇させるために使用され得る。
いくつかの実施形態では、装置２００は、ターボポンプ（図示せず）を含む。ターボポンプは、より低いベース圧力を可能にし得る。いくつかの実施形態では、ターボポンプが使用されるときに堆積される層は、より低い不純物を有する。これは、湿気やＯ２など、チャンバ内の残留物の減少によるものと考えられ得る。ターボポンプは、装置の一つまたは複数の領域における一つまたは複数のガスの流れを増大させるために使用され得る。例えば、ターボポンプは、ＷＨＣ２２０またはロードロックチャンバ２１０内のガスの流れを増大させるために使用され得る。いくつかの実施形態では、ターボポンプは、同じ圧力でより高いガス流を可能にし得る。
ウエハ処理装置２００を操作するために、ユーザは、プロセスレシピをコントローラ（図示せず）に入力する。プロセスレシピは、プロセスシーケンス、プロセス時間、プロセス温度、圧力、およびガス流に関する指示を含み得る。例えば、コントローラは、例えば、図１に関して上述したように、コバルトメタライゼーションにおいて、ウエハ上のＴｉＮ層およびコバルトシード層またはシードスタックの堆積における各工程を制御し得る。
図２に示されるウエハ処理装置は、ＴｉＮライナー層およびコバルトシード層またはシードスタックをウエハ上に堆積させるコバルトメタライゼーションのために構成され得る。装置２００は、堆積プロセスモジュール２３０および中間プロセスモジュール２４０を含み得る。堆積プロセスモジュール２３０は、例えば、ＡＬＤによって、ＴｉＮおよびＣｏの一方または両方の堆積のために構成され得る。中間プロセスモジュール２４０は、ＴｉＮおよび／またはＣｏの堆積の前または後に基材を処理するように構成され得る。例えば、中間プロセスモジュール２４０は、ＴｉＮおよび／またはＣｏの堆積の前または後に基材が冷却される冷却モジュールなどの温度制御モジュール、または圧力を制御する圧力モジュールであり得る。すなわち、基材は、別の処理工程の前または後に冷却されるように、プロセスモジュール２４０に移動され得る。いくつかの実施形態では、装置２００は、他の処理に使用され得る一つまたは複数の他の中間プロセスモジュール（図示せず）を備え得る。いくつかの実施形態では、中間プロセスモジュール２４０（または異なる中間プロセスモジュール（図示せず））を使用して、堆積前に基材を前洗浄し得る。例えば、一つの中間プロセスモジュール２４０を冷却モジュールとして使用し得、一方で第二の中間プロセスモジュール（図示せず）を前洗浄モジュールとして使用し得る。ウエハ処理装置は、中間プロセスモジュールを制御して所望の反応条件を提供するように設定された制御部を備える。
いくつかの実施形態では、中間プロセスモジュール２４０は、ウエハ冷却モジュールなどのウエハ温度制御モジュールである。ウエハ処理装置は、温度制御モジュールにおいて所望の温度を達成するように設定された制御部を備える。ウエハ冷却モジュールは、前の堆積プロセスまたは他の前の処理におけるウエハの温度以下の温度に維持され得る。いくつかの実施形態では、ウエハ温度制御モジュールは、例えば、冷却中に不活性ガス流が提供されるように構成され得る。いくつかの実施形態では、温度制御モジュールは、室温に維持される。いくつかの実施形態では、温度制御モジュールは能動的に冷却される。いくつかの実施形態では、温度制御モジュールは、能動的に冷却または加熱される一つまたは複数の冷却ステージを備える。ウエハは、ロボットによって冷却ステージ上に配置され得る。いくつかの実施形態では、冷却または加熱は、熱電冷却または加熱による。いくつかの実施形態では、冷却または加熱は、不活性ガス流などのガス流によって達成される。いくつかの実施形態では、温度制御モジュールは、ウエハ温度を約０℃～約３００℃に制御することができる。いくつかの実施形態では、温度制御モジュールは、ウエハ温度を約室温～約１５０℃に制御することができる。いくつかの実施形態では、温度制御モジュールは、ウエハ温度を、約０～約４００℃、約１５～約３５０℃、約２０～約３００℃、約２５～約２５０℃、約３０～約２００℃、約２０～約１５０℃、または約２０～約１００℃に制御する。いくつかの実施形態では、冷却モジュールなどの温度制御モジュールは、ＴｉＮ堆積（モジュール反応）温度より、約１０℃以上、約２０℃以上、約４０℃以上、約６０℃以上、約８０℃以上、約１００℃以上、約１５０℃以上、約２００℃以上、約２５０℃以上、約３００℃以上、または約４００℃以上低い温度に、温度を低下させる。
いくつかの実施形態では、例えば、中間プロセスモジュール、堆積モジュールまたはＷＨＣなどの堆積装置内の一つまたは複数の位置における圧力は、約２０００ｔｏｒｒの圧力に制御される。いくつかの実施形態では、圧力は、２０００ｔｏｒｒ以下、１０００ｔｏｒｒ以下、７６０ｔｏｒｒ以下、１００ｔｏｒｒ以下、１０ｔｏｒｒ以下、１ｔｏｒｒ以下、０．１ｔｏｒｒ以下、１Ｅ－４ｔｏｒｒ以下、１Ｅ－６ｔｏｒｒ以下、１Ｅ－８ｔｏｒｒ以下に制御される。いくつかの実施形態では、圧力は、約１０ｔｏｒｒ以上、５０ｔｏｒｒ以上、１００ｔｏｒｒ以上、４００ｔｏｒｒ以上、７６０ｔｏｒｒ以上、または１０００ｔｏｒｒ以上に制御される。堆積処理装置は、堆積モジュール、中間プロセスモジュール、およびＷＨＣなどの堆積装置の各領域に所望の圧力を提供するように設定された制御部を備える。
いくつかの実施形態では、冷却モジュールなどの中間プロセスモジュール、または堆積モジュールまたはＷＨＣ内の環境は、Ｎ２などの不活性ガスまたはＨｅまたはＡｒなどの希ガスを含む。いくつかの実施形態では、環境は、Ｎ２／Ｈ２、Ｈ２などの還元ガス、または不活性ガスもしくは有機還元剤を含むガスなどその他の還元ガスとの混合物を含む。いくつかの実施形態では、環境は、励起された、Ｈのプラズマまたはラジカル種を含み得る。堆積処理装置は、適切な環境を提供するように設定された制御部を含む。
いくつかの実施形態では、基材は、冷却モジュールなどの中間プロセスモジュール内に、約１秒～３６００秒、約５秒～１２００秒、約１０秒～６００秒、または約２０秒～３００秒の間存在する。いくつかの実施形態では、基材は、冷却モジュールなどの中間プロセスモジュール内に、約１０秒超、約３０秒超、約６０秒超、約９０秒超、約１２０秒超、約１８０秒超、約３００秒超、または約６００秒超、存在する。いくつかの実施形態では、基材は、中間プロセスモジュール内に、約６００秒未満、約３００秒未満、約１８０秒未満、約１２０秒未満、約６０秒未満、または約３０秒未満の間、存在する。堆積処理装置は、予め選択された時間の間、中間処理装置内の基材を維持するように設定された制御部を含む。
上述のように、いくつかの実施形態では、処理装置は、複数の中間プロセスモジュールを備え得る。例えば、処理装置は、ウエハのプレクリーニングのために構成された中間プロセスモジュールならびに、ウエハの温度を制御するように構成された中間プロセスモジュールを備え得る。いくつかの実施形態では、処理装置は、二つ以上のウエハ冷却モジュールなどの二つ以上の温度制御モジュールを備え得る。いくつかの実施形態では、二つ以上の温度制御モジュールは、異なる温度に設定される。いくつかの実施形態では、冷却モジュールまたは温度制御モジュールを、温度管理に加えて、またはウエハ待機時間（ｑｕｅｕｅ ｔｉｍｅ）管理のためにのみ使用することができ、待機時間を最小化し、そしてスループットを加速させる。
いくつかの実施形態では、単一のプロセスモジュールは、二つ以上の異なる目的を果たし得る。例えば、プロセスモジュールは、前洗浄モジュールおよび温度制御モジュールの両方として機能し得る。すなわち、ウエハは、特定のプロセスモジュールで前洗浄に供され得、その後、堆積工程後の冷却のために同じプロセスモジュールに移動され得る。
いくつかの実施形態では、冷却は、プロセスモジュールにおいてではなく、処理装置の別の部分において実行され得る。例えば、搬送チャンバは、冷却モジュールとして機能し得る。いくつかの実施形態では、ウエハは、ＴｉＮおよび／またはＣｏの堆積後など、堆積プロセス後の冷却のために搬送チャンバに移動され得る。いくつかの実施形態では、冷却は、以下に詳細に記載されるように、例えば、冷却ステージ上またはウエハ搬送ロボット上など、ＷＨＣ内で実行され得る。
いくつかの実施形態では、中間プロセスモジュールは、複数のウエハを同時にまたは連続的に処理するよう構成され得る。いくつかの実施形態では、冷却モジュールなどの中間プロセスモジュールは、二つ以上の基材、三つ以上の基材、五つ以上の基材、七つ以上の基材、または十以上の基材を処理するように構成される。例えば、冷却モジュールは、二つ以上の基材が堆積または他の処理工程の前または後に冷却され得る、二つ以上の冷却ステージを備え得る。いくつかの実施形態では、二つ以上の基材が同時に冷却される。いくつかの実施形態では、既に冷却された一つまたは複数のウエハは、冷却モジュールの一つの冷却ステージから除去され、一方、冷却されることになる第二のウエハまたはウエハのセットは、プロセスモジュールの第二のステージ上に移動される。
冷却ステージは、プロセスモジュール内またはＷＨＣ内に位置するかにかかわらず、一つまたは複数の温度制御特徴を含み得る。冷却ステージは、冷却ステージ上のウエハの温度の所望の低下を容易にするように構成された一つまたは複数の冷却要素を含み得る。冷却ステージはまた、所望の場合、ウエハの温度の所望の上昇を容易にするように構成された一つまたは複数の加熱要素を含み得る。冷却要素および加熱要素の一方または両方は、ステージの一つまたは複数の部分内に埋め込まれ得る。例えば、複数の冷却および／または加熱要素は、所望の温度制御を容易にするように、基材ステージの横寸法にわたって配置され得る。いくつかの実施形態では、冷却要素は、放熱器に冷却剤を供給するように構成された冷却管を備える。いくつかの実施形態では、一つまたは複数の冷却または発熱要素は、冷却ステージ本体から離れた冷却モジュール内に配置される。一つまたは複数の冷却ステージ熱電対は、冷却ステージの温度を測定するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、処理装置２００の制御部は、ＡＬＤによってＴｉＮライナー層を堆積させ、その後、ＡＬＤによってＣｏシード層を堆積させるように設定される。制御部は、ロボット２５０に、ロードロックチャンバ２１０からＷＨＣ２２０にウエハを輸送させるように設定される。次に、ウエハは、随意に、前堆積処理のために、ロボット２５０を介して中間プロセスモジュール（図示せず）に移動され得る。前堆積処理の後、ウエハはロボット２５０によって堆積プロセスモジュール２３０に移動される。制御部は、ＡＬＤによってモジュール２３０のウエハ上にＴｉＮライナー層を堆積するように設定される。いくつかの実施形態では、制御部は、基材をＴｉＣｌ４に曝露することによるＴｉＮ堆積プロセスを終了するよう設定される。ＴｉＮの堆積後、ウエハはロボット２５０によってＷＨＣ２２０に戻される。その後、ウエハは、随意に、冷却モジュールとして機能する中間プロセスモジュール２４０に移動され得る。中間プロセスモジュール２４０の冷却に続いて、ウエハはロボット２５０によってＷＨＣ２２０に戻され、その後、コバルトシード層が堆積される堆積プロセスモジュール２３０に戻される。コバルトシード層の堆積後、ウエハはＷＨＣ２２０に戻され、随意に、冷却などのさらなる処理のために中間プロセスモジュール２４０に移動される。ウエハは、その後の処理のために別のプロセスモジュールに移動されるか、またはロードロックチャンバ２１０を通してウエハ処理装置２００から取り出され得る。
いくつかの実施形態では、別個の堆積プロセスモジュールを使用して、ＴｉＮライナー層およびコバルトシード層を堆積させる。このような処理装置は、図３に示される。処理装置３００では、制御部は、例えばＡＬＤによって、ＴｉＮライナー層を第一の堆積プロセスモジュール３３０内で堆積させ、例えば、ＡＬＤによって、第二のプロセスモジュール３４０内でＣｏシード層を堆積させるように設定され得る。いくつかの実施形態では、制御部は、ＡＬＤによってＴｉＮライナー層を堆積させるように設定され（随意にＴｉＣｌ４への最終曝露によって）、次いで冷却し、その後ＡＬＤによってＣｏシード層を堆積させ、随意に冷却する。制御部は、ウエハをロードロックチャンバ３１０からＷＨＣ３２０に搬送するように設定される。ウエハはその後、ＴｉＮ堆積モジュール３３０に搬送され得る。制御部は、ＡＬＤにより、モジュール３３０のウエハ上にＴｉＮライナー層を堆積するように設定される。ＴｉＮの堆積後、ウエハはロボット３５０によってＷＨＣ３２０に戻され、次いで冷却モジュール３２５に移動される。ウエハを所望の温度、例えば、室温に冷却するのに十分な時間が経過した後、ロボット３５０は、ウエハを冷却モジュール３２５からＷＨＣ３２０に戻し、その後、コバルトシード層が堆積される堆積プロセスモジュール３４０に移動させる。コバルトシード層の堆積後、ウエハはロボット３５０によってＷＨＣ３２０に戻される。ウエハはその後、随意に冷却モジュール３２５に戻され得る。所望の温度に冷却した後、ウエハはＷＨＣ３２０に戻され得る。そこから、ウエハは、その後の処理のために別のプロセスモジュールに移動されるか、またはロードロックチャンバ３１０を通してウエハ処理装置３００から取り出され得る。
いくつかの実施形態では、コバルトシード層の堆積は、上述のように、コバルトおよびＴｉＮの両方の堆積を含む。したがって、いくつかの実施形態では、制御部は、所望のコバルトシード層組成物を達成するために必要とされる、ＴｉＮ堆積のためのプロセスモジュール３３０とＣｏ堆積のためのプロセスモジュール３４０との間でウエハを移動させるように設定される。いくつかの実施形態では、ＴｉＮおよびＣｏの両方の堆積は、同じプロセスモジュール内で行われ、ＴｉＮを含むコバルトシード層は、ウエハを移動させることなく、単一のプロセスモジュール内で堆積される。
いくつかの実施形態では、ＴｉＮライナー層およびＣｏシード層の堆積の前および／または後の中間処理は、別個、クラスタプロセスモジュールではなく、ウエハハンドリングチャンバ自体内で実施され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ウエハハンドリングチャンバは、ＴｉＮライナー層および／またはコバルトシード層の堆積などの、一つまたは複数のプロセスモジュール内での処理に続いて、冷却されるためにウエハが配置される一つまたは複数の冷却ステージを備え得る。いくつかの実施形態では、ウエハハンドリングチャンバ内の冷却装置は、ＷＨＣの環境に曝露され得、別個のエンクロージャ内に配置されない。いくつかの実施形態では、冷却装置は、ＷＨＣ内のハウジングまたは他のエンクロージャ内に配置され得る。いくつかの実施形態では、冷却装置は、二つ以上のウエハを冷却するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、ウエハハンドリングロボット自体は、ＷＨＣ内のウエハを冷却するように構成され得る。例えば、処理工程の後に冷却が所望される場合、ロボットは、堆積モジュールからウエハを取り出し、ウエハは、所望の温度に達するまで、ウエハハンドリングチャンバ内のロボットのエンドエフェクタ上に留まり得る。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ上の冷却は受動的であり得る。他の実施形態では、エンドエフェクタ上のウエハの能動的冷却が実施され得る。
図４は、ウエハハンドリングチャンバ４２０およびウエハハンドリングチャンバ４２０本体内の冷却ステージ４６０を備える処理装置４００を示す。処理装置４００はまた、二つのプロセスモジュール４３０、４４０および、例えば、前洗浄モジュールであり得る、中間プロセスモジュール４２５を含む。プロセスモジュール４３０、４４０は、それぞれコバルトおよびＴｉＮを堆積させるために使用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、制御部は、プロセスモジュール４３０においてＡＬＤによりＴｉＮライナー層を堆積させる（随意に、ハロゲン化チタンを用いた後続処理により）ように設定され、次いで、ＷＨＣ４２０における冷却、およびその後のプロセスモジュール４４０でのＡＬＤによるＣｏシード層の堆積が行われる。
制御部は、ウエハをロードロックチャンバ４１０からＷＨＣ４２０に搬送するように設定される。ウエハは、次に、例えば、前洗浄工程のために、ロボット４５０によって中間プロセスモジュール４２５に搬送され得る。ウエハはその後、ロボット４５０を介してＴｉＮ堆積モジュール４３０に搬送され得る。ＴｉＮライナー層は、例えば、ＡＬＤによってモジュール４３０内で堆積される。ＴｉＮの堆積後、ウエハはロボット４５０によってＷＨＣ４２０に戻され、冷却ステージ４６０上に置かれる。ウエハを所望の温度、例えば、室温に冷却するのに十分な時間が経過した後、ロボット４５０は、ウエハを冷却ステージ４６０からコバルトシード層が堆積されるコバルト堆積モジュール４４０に移動させる。
コバルトシード層の堆積後、ウエハはＷＨＣ４２０に戻される。ウエハはその後、随意に冷却ステージ４６０に戻され得る。所望の温度に冷却後、ウエハは、その後の処理のために別のプロセスモジュールに移動されるか、またはロードロックチャンバ４１０を通してウエハ処理装置４００から取り出され得る。
上述のように、いくつかの実施形態では、コバルトシード層は、ＴｉＮおよびＣｏの両方の堆積によって形成される。したがって、ウエハは、コバルトシード層を所望の組成で堆積させるために、ＴｉＮ堆積モジュール４３０とＣｏ堆積モジュール４４０との間を行き来し得る。
いくつかの実施形態では、ＴｉＮおよびＣｏは同じ堆積モジュール内で堆積され得、そのため、二つのモジュール間の移動が不要となる。したがって、いくつかの実施形態では、ＴｉＮライナー層が堆積モジュール内でウエハ上に堆積され、ウエハが冷却のためにＷＨＣまたは中間プロセスモジュールに移動され、ウエハがコバルトおよびＴｉＮの両方を含むコバルトシード層の堆積のために同じ堆積モジュールに戻される。
図面に独立して図示されていないが、本明細書に開示される各プロセス工程は、ガス流バルブ、マスフローコントローラ、ゲートバルブアクチュエータ、基材搬送ロボットなどを制御するように電気的に接続されるプロセスツールコントローラにプログラムされ得ることが理解されるであろう。当業者であれば、装置は、本明細書に記述される所望の処理工程を達成するために、ソフトウェアプログラミングまたはハード配線を備えることができることを容易に理解するであろう。

Claims (20)

  1. 半導体ウエハ処理装置であって、
    ウエハハンドリングチャンバ、
    ウエハハンドリングロボット、
    第一の堆積プロセスモジュール、
    冷却ステージ、および
    前記ウエハハンドリングチャンバから前記第一の堆積プロセスモジュールへと三次元構造を備えるウエハを順次移動させ、前記第一の堆積プロセスモジュールにおいて、第一の堆積温度で前記ウエハ上にＴｉＮライナー層を堆積させ、前記ウエハを前記冷却ステージに移動し、前記ウエハを前記第一の堆積温度以下に冷却し、前記ウエハを第二の堆積プロセスモジュールに戻し、第二の堆積温度で前記ウエハ上の前記ＴｉＮライナー層上にコバルトシード層を堆積させ、前記ＴｉＮライナー層の堆積後、かつ前記コバルトシード層の堆積前に、前記ウエハをハロゲン化処理に供させるように設定された制御部、を含む、半導体ウエハ処理装置。
  2. 前記制御部が、前記コバルトシード層を堆積させ、前記ウエハを前記第二の堆積温度以下に冷却した後、前記第二の堆積プロセスモジュールから前記冷却ステージへと前記ウエハを移動させるよう設定される、請求項１に記載の装置。
  3. 前記コバルトシード層がナノラミネートを含む、請求項１に記載の装置。
  4. クラスタターボポンプをさらに備える、請求項１に記載の装置。
  5. 前記制御部が、原子層堆積によって前記第一の堆積プロセスモジュールにおいて、前記ＴｉＮライナー層を前記ウエハ上に堆積するように設定される、請求項１に記載の装置。
  6. 前記制御部が、原子層堆積によって前記第二の堆積プロセスモジュールにおいて、前記コバルトシード層を前記ウエハ上に堆積するように設定される、請求項５に記載の装置。
  7. 前記第一の堆積プロセスモジュールおよび前記第二の堆積プロセスモジュールが同一である、請求項１に記載の装置。
  8. コバルトメタライゼーションの方法であって、
    原子層堆積によって、第一の堆積プロセスモジュールにおいて第一の堆積温度で、ＴｉＮライナー層をウエハ上の三次元構造上に堆積すること、
    前記ウエハを前記第一の堆積温度以下の温度に冷却すること、
    前記ウエハを第二の堆積プロセスモジュールに移動すること、
    原子層堆積によって、第二の堆積プロセスモジュールにおいて第二の堆積温度で、コバルトシード層を直接かつ接触するように前記ＴｉＮライナー層上に堆積させること、および
    メッキによって、前記コバルトシード層上にコバルトを堆積させることを含み、
    前記ＴｉＮライナー層の堆積後、かつ前記コバルトシード層の堆積前に、前記ウエハをハロゲン化処理に供させることをさらに含む、方法。
  9. 前記ウエハを前記第一の堆積温度以下の温度に冷却することが、前記ウエハを冷却モジュールに移動させることを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記ウエハを前記第一の堆積温度以下の温度に冷却することが、前記ウエハを冷却ステージ上に置くことを含む、請求項８に記載の方法。
  11. 前記コバルトシード層を堆積した後、かつメッキによって前記コバルトシード層上にコバルトを堆積させる前に、前記ウエハを前記第二の堆積温度以下の温度に冷却することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
  12. 前記ウエハを前記第二の堆積温度以下の温度に冷却することが、前記ウエハを冷却モジュールに移動させることを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第一の堆積プロセスモジュールおよび前記第二の堆積プロセスモジュールが同一である、請求項８に記載の方法。
  14. 前記コバルトシード層が、コバルトとＴｉＮとの混合物を含む、請求項８に記載の方法。
  15. 前記コバルトシード層が、前記コバルトおよびＴｉＮの混合物の上にコバルト層をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記コバルトシード層が、ＴｉＮ層およびコバルト層のナノラミネートを含む、請求項８に記載の方法。
  17. 前記コバルトシード層が、前記ナノラミネート上にコバルト層をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記コバルトシード層が、ＴｉＮおよびコバルトのグレーデッド層（ｇｒａｄｅｄ ｌａｙｅｒ）を含む、請求項８に記載の方法。
  19. 前記グレーデッド層が、前記ＴｉＮライナー層との界面から前記グレーデッド層の上面へ、コバルト濃度の上昇を含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記ＴｉＮライナー層の堆積後、かつ前記コバルトシード層の堆積前に、前記ウエハをＴｉＣｌ４に曝露することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
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