WO2011033918A1 - 成膜装置、成膜方法および記憶媒体 - Google Patents

成膜装置、成膜方法および記憶媒体 Download PDF

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film
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cobalt carbonyl
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秀司 東雲
小島 康彦
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東京エレクトロン株式会社
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    • H01L21/28556Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation of conductive layers on semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System by chemical means, e.g. CVD, LPCVD, PECVD, laser CVD

Definitions

  • the present invention relates to a film forming apparatus, a film forming method, and a storage medium for forming a Co film by a CVD method.
  • Electroplating is used for the Cu wiring, and as a seed of the Cu wiring by electrolytic plating, a change from the conventional Cu to Co is being studied from the viewpoint of improving the embedding property.
  • CoSi x which is silicided after forming a Co film is being used for contact with Si to the source / drain electrode and gate electrode in the MOS type semiconductor.
  • PVD physical vapor deposition
  • a chemical vapor deposition (CVD) method in which a Co film is formed on a substrate by a thermal decomposition reaction of a source gas containing Co or a reduction reaction of the source gas with a reducing gas is used. It is being The Co film formed by such a CVD method has good step coverage (step coverage) and is excellent in film formability in a long and narrow pattern. For this reason, the Co film formed by the CVD method has high followability to a fine pattern and is suitable as a seed layer or contact layer for Cu plating.
  • CVD chemical vapor deposition
  • Co 2 (CO) 8 cobalt carbonyl
  • a method of thermally decomposing it on a substrate placed in the chamber by supplying the gas in the chamber is announced.
  • Co 2 (CO) 8 has a vaporization temperature and a decomposition temperature close to each other, a decomposition reaction occurs in the process of vaporizing Co 2 (CO) 8 and supplying it into the chamber, thereby forming a reproducible Co film.
  • a decomposition reaction occurs in the process of vaporizing Co 2 (CO) 8 and supplying it into the chamber, thereby forming a reproducible Co film.
  • Have difficulty Further, when the Co 2 (CO) 8 is decomposed while transported to vaporize Co 2 (CO) 8, together with the reliability of the decomposition products remaining apparatus in the pipe decreases, the ligand Carbon and oxygen are decomposed from the portion, and they are taken into the Co film and contaminate the Co film.
  • an object of the present invention is to form a Co film with few impurities with good reproducibility by suppressing its decomposition as much as possible when supplying Co 2 (CO) 8 used as a film forming raw material in a gas phase.
  • the object is to provide a film apparatus and a film forming method.
  • Another object of the present invention is to provide a storage medium storing a program for executing such a film forming method.
  • a film forming apparatus for forming a Co film on a substrate, a processing container in which the substrate is accommodated, and a heating mechanism for heating the substrate in the processing container.
  • a film-forming raw material container that accommodates cobalt carbonyl as a film-forming raw material, disposed outside the processing container, a pipe for supplying gaseous cobalt carbonyl from the film-forming raw material container to the processing container, and the processing An exhaust mechanism for evacuating the inside of the container;
  • a cobalt carbonyl supply mechanism for supplying gaseous cobalt carbonyl from the film forming raw material container to the processing container through the pipe, and the temperature of the film forming raw material container and the pipe is made lower than the decomposition start temperature of cobalt carbonyl.
  • a film forming apparatus including a control unit for controlling and a CO gas supply mechanism for supplying CO gas into the film forming material container.
  • a processing container in which a substrate is accommodated, a heating mechanism for heating the substrate in the processing container, and cobalt carbonyl as a film forming raw material disposed outside the processing container.
  • a film forming apparatus having a film forming raw material container for containing gas, a pipe for supplying gaseous cobalt carbonyl from the film forming raw material container to the processing container, and an exhaust mechanism for evacuating the inside of the processing container
  • a processing container that operates on a computer and accommodates a substrate, a heating mechanism for heating the substrate in the processing container, and disposed outside the processing container, A film forming raw material container for containing cobalt carbonyl as a film forming raw material, a pipe for supplying gaseous cobalt carbonyl from the film forming raw material container to the processing container, and an exhaust mechanism for evacuating the inside of the processing container under reduced pressure
  • a storage medium storing a program for controlling a film forming apparatus, the program supplying CO gas into the film forming raw material container at the time of execution, and cobalt in the film forming raw material container Vaporizing carbonyl to supply gaseous cobalt carbonyl to the processing vessel via the piping, and adjusting the temperature in the film forming raw material vessel and the piping to cobalt carbon
  • a deposition method comprising: decomposing gaseous cobalt carbonyl supplied into the processing vessel on a heated substrate and depositing a Co film
  • 1 is a schematic cross section showing a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a chart of reduced pressure TG of Co 2 (CO) 8 .
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the film forming apparatus 100 has a substantially cylindrical chamber 1 that is hermetically configured, in which a susceptor 2 for horizontally supporting a semiconductor wafer W that is a substrate to be processed is an exhaust that will be described later. It arrange
  • the susceptor 2 is made of a ceramic such as AlN. Further, a heater 5 is embedded in the susceptor 2, and a heater power source 6 is connected to the heater 5.
  • thermocouple 7 is provided near the upper surface of the susceptor 2.
  • the signal of the thermocouple 7 is transmitted to a temperature controller 60 described later.
  • the temperature controller 60 transmits a command to the heater power supply 6 in accordance with a signal from the thermocouple 7 and controls the heating of the heater 5 to control the wafer W to a predetermined temperature.
  • the susceptor 2 is provided with three wafer raising / lowering pins (not shown) so as to be able to project and retract with respect to the surface of the susceptor 2, and protrudes from the surface of the susceptor 2 when the wafer W is transferred. To be.
  • a circular hole 1 b is formed in the top wall 1 a of the chamber 1, and a shower head 10 is fitted so as to protrude into the chamber 1 from there.
  • the shower head 10 is for discharging a film forming gas supplied from a gas supply mechanism 30 to be described later into the chamber 1, and a gas inlet for introducing a film forming raw material gas into the top plate 11. 12 is provided.
  • a gas diffusion space 13 is formed inside the shower head 10, and a number of gas discharge holes 15 are provided in the bottom plate 14 of the shower head 10. The gas introduced into the gas diffusion space 13 from the gas introduction port 12 is discharged into the chamber 1 from the gas discharge hole 15.
  • An exhaust chamber 21 protruding downward is provided on the bottom wall of the chamber 1.
  • An exhaust pipe 22 is connected to the side surface of the exhaust chamber 21, and an exhaust device 23 having a vacuum pump, a pressure control valve, and the like is connected to the exhaust pipe 22.
  • an exhaust device 23 having a vacuum pump, a pressure control valve, and the like is connected to the exhaust pipe 22.
  • a loading / unloading port 24 for loading / unloading the wafer W to / from a wafer transfer chamber (not shown) and a gate valve G for opening / closing the loading / unloading port 24 are provided on the side wall of the chamber 1.
  • a heater 26 is provided on the wall portion of the chamber 1 so that the inner wall of the chamber 1 can be heated during the film forming process. The heater 26 is supplied with power from a heater power source 27.
  • the gas supply mechanism 30 has a film forming material container 31 for storing solid cobalt carbonyl (Co 2 (CO) 8 ) that is a film forming material.
  • a heater 32 is provided around the film forming raw material container 31 to heat and vaporize cobalt carbonyl (Co 2 (CO) 8 ), which is a film forming raw material. The heater 32 is supplied with power from a heater power supply 48.
  • a gas introduction pipe 33 is inserted into the film forming material container 31 from above.
  • a valve 34 is interposed in the gas introduction pipe 33.
  • the gas introduction pipe 33 is branched into a CO gas pipe 35 and a carrier gas pipe 36, the CO gas pipe 35 has a CO gas supply source 37 that functions as a CO gas supply mechanism, and the carrier gas pipe 36 has a cobalt carbonyl supply mechanism.
  • the carrier gas supply source 38 that functions as A mass flow controller 39 as a flow rate controller and a valve 40 before and after the mass flow controller 39 are interposed in the CO gas piping 35, and a mass flow controller 41 as a flow rate controller and a valve 42 before and after the mass flow controller 39 are interposed in the carrier gas piping 36.
  • Ar gas or N 2 gas can be suitably used as the carrier gas.
  • CO gas is introduced in order to suppress decomposition of vaporized cobalt carbonyl (Co 2 (CO) 8 ). That is, CO 2 (CO) 8 is decomposed to produce CO, but by supplying CO to the film forming raw material container 31 and increasing the CO concentration, Co 2 (CO) 8 is decomposed and CO 2 The reaction which produces
  • the carrier gas is introduced to convey the Co 2 (CO) 8 gas generated by vaporization in the film forming material container 31 to the chamber 1. In addition, you may give the function of carrier gas to CO gas, and the separate carrier gas is unnecessary in that case.
  • a film forming material gas supply pipe 43 is inserted into the film forming material tank 31 from above, and the other end of the film forming material gas supply pipe 43 is connected to the gas inlet 12. Then, the Co 2 (CO) 8 gas heated and vaporized by the heater 32 is conveyed by the carrier gas through the film forming raw material gas supply pipe 43 and supplied to the shower head 10 through the gas inlet 12.
  • a heater 44 is provided around the film forming material gas supply pipe 43. The heater 44 is supplied with power from a heater power source 49.
  • the film forming material gas supply pipe 43 is provided with a flow rate adjusting valve 45, an opening / closing valve 46 immediately downstream thereof, and an opening / closing valve 47 immediately adjacent to the gas inlet 12.
  • Dilution gas supplying, for example, Ar gas or N 2 gas as a dilution gas to the other end of the dilution gas pipe 61 connected to the dilution gas supply pipe 61 upstream of the valve 47 of the film forming material gas supply pipe 43
  • a gas supply source 62 is connected.
  • the dilution gas pipe 61 is provided with a mass flow controller 63 as a flow rate controller and valves 64 before and after the mass flow controller 63.
  • the dilution gas also functions as a purge gas and a stabilizing gas.
  • thermocouple 51 is attached to the wall of the chamber 1
  • a thermocouple 52 is attached in the film forming raw material container 31
  • a thermocouple 53 is attached to the film forming raw material gas supply pipe 43
  • These thermocouples 51, 52, 53 are connected to a temperature controller 60.
  • the temperature detection signals detected by these thermocouples including the thermocouple 7 described above are sent to the temperature controller 60.
  • the heater controller 6, 27, 48, 49 described above is connected to the temperature controller 60.
  • the temperature controller 60 sends a control signal to the heater power sources 6, 27, 48, 49 in accordance with the detection signals of the thermocouples 7, 51, 52, 53 described above, and the temperature of the susceptor 2 and the wall of the chamber 1
  • the temperature, the temperature in the film forming raw material container 31, and the temperature in the film forming raw material gas supply pipe 43 are controlled.
  • Cobalt carbonyl (Co 2 (CO) 8 ) which is a film forming raw material, is vaporized by being heated by the heater 32 in the film forming raw material container 31 and heated in the film forming raw material gas supply pipe 43 by the heater 44. In this state, the carbon carbonyl (Co 2 (CO) 8 ) is heated at a temperature lower than the decomposition start temperature by the temperature controller 60. Specifically, as will be described later, since the decomposition start temperature grasped by the reduced pressure TG (thermogravimetric analyzer) of cobalt carbonyl is 45 ° C., it is preferably controlled to be less than 45 ° C.
  • the temperature of the wafer W during film formation is preferably controlled to 120 to 300 ° C.
  • the temperature of the wall (inner wall) of the chamber 1 is Co 2 (CO) 8 gas. It is preferred that the temperature be controlled below the decomposition temperature.
  • the film forming apparatus 100 includes a control unit 70, and the control unit 70 controls each component, for example, a temperature controller 60, an exhaust device 23, a mass flow controller, a flow rate adjusting valve, a valve, and the like. With respect to the temperature controller 60, the temperature of the portion to be controlled by the temperature controller 60 is set.
  • the control unit 70 includes a process controller 71 including a microprocessor (computer), a user interface 72, and a storage unit 73. Each component of the film forming apparatus 100 is electrically connected to the process controller 71 for control.
  • the user interface 72 is connected to the process controller 71, and a keyboard on which an operator inputs a command to manage each component of the film forming apparatus 100, and an operating status of each component of the film forming apparatus 100.
  • the storage unit 73 is also connected to the process controller 71, and the storage unit 73 corresponds to a control program for realizing various processes executed by the film forming apparatus 100 under the control of the process controller 71 and processing conditions.
  • a control program for causing each component of the film forming apparatus 100 to execute a predetermined process, that is, a process recipe, various databases, and the like are stored.
  • the processing recipe is stored in a storage medium (not shown) in the storage unit 73.
  • the storage medium may be a fixed medium such as a hard disk or a portable medium such as a CDROM, DVD, or flash memory. Moreover, you may make it transmit a recipe suitably from another apparatus via a dedicated line, for example.
  • a predetermined processing recipe is called from the storage unit 53 in accordance with an instruction from the user interface 52 and is executed by the process controller 51, so that the film forming apparatus 100 can control the process controller 71. Desired processing is performed.
  • Solid cobalt carbonyl (Co 2 (CO) 8 ) is charged as a film forming raw material in the film forming raw material container 31, and the temperature of the susceptor 2 in the chamber 1 and the wall of the chamber 1 are set. The temperature of the part is controlled to the temperature at the time of film formation.
  • the gate valve G is opened, the wafer W is introduced into the chamber 1 by a transfer device (not shown), and placed on the susceptor 2.
  • the wafer W has a SiOxCy insulating film (x and y are positive numbers) or an organic insulating film on the surface, and Al serving as a lower wiring.
  • Cu or W conductors are used.
  • a wafer W having a silicon substrate surface serving as a source / drain electrode exposed on the surface or a polysilicon film formed on the surface is used.
  • the inside of the chamber 1 is evacuated by the exhaust device 23 so that the pressure in the chamber 1 is 10 to 5000 Pa (0.075 to 37.5 Torr), and the susceptor 2 is heated by the heater 5 so that the temperature of the susceptor 2 (wafer temperature). Is preferably controlled to 120 to 300 ° C.
  • valve 46 is closed, the valves 47 and 64 are opened, and the dilution gas is supplied from the dilution gas supply source 62 into the chamber 1 for stabilization.
  • the film forming raw material container 31 and the film forming raw material gas supply pipe 43 are heated by the heaters 32 and 44 while strictly controlling the temperature to a predetermined temperature lower than the decomposition start temperature of cobalt carbonyl (Co 2 (CO) 8 ).
  • the supply of the dilution gas is stopped, or the CO gas and the carrier gas are supplied to the film forming raw material container 31 while the dilution gas is supplied at a predetermined flow rate.
  • the Co 2 (CO) 8 gas vaporized in the film forming raw material container 31 with the opening 46 is conveyed through the film forming raw material gas supply pipe 43 by the carrier gas and supplied into the chamber 1 through the shower head 10.
  • the Co 2 (CO) 8 gas supplied into the chamber 1 reaches the surface of the wafer W heated to a predetermined temperature by the heater 5 in the susceptor 2, where it is thermally decomposed to form a Co film.
  • a purge process is performed.
  • the purge process after the supply of the carrier gas to the film forming raw material tank 31 is stopped and the supply of Co 2 (CO) 8 is stopped, the vacuum pump of the exhaust device 23 is turned off, and the dilution gas supply source 62 The chamber 1 is purged by flowing the dilution gas into the chamber 1 as a purge gas.
  • the gate valve G is opened, and the wafer W is unloaded through the loading / unloading port 24 by a transfer device (not shown). Thus, a series of steps for one wafer W is completed.
  • the film forming raw material container 31 and the film forming raw material gas supply pipe 43 are controlled to a temperature lower than the decomposition start temperature of the Co 2 (CO) 8 gas.
  • the temperature of the Co 2 (CO) 8 gas generated by vaporization in the raw material container 31 is less than the decomposition start temperature from the film forming raw material container 31 through the film forming raw material gas supply pipe 43 into the chamber 1.
  • Decomposition of Co 2 (CO) 8 can be suppressed.
  • the CO concentration in the film increases, and the reaction in which Co 2 (CO) 8 is decomposed to generate CO can be suppressed.
  • the temperature at which Co 2 (CO) 8 is vaporized and the temperature at which the generated Co 2 (CO) 8 gas is transported to the chamber 1 are set to a temperature lower than the decomposition start temperature of the Co 2 (CO) 8 gas.
  • CO gas capable of suppressing the decomposition of the Co 2 (CO) 8 gas is introduced into the film forming material container 31, the decomposition reaction in the process of vaporizing the Co 2 (CO) 8 and supplying it into the chamber Can be suppressed very effectively, and a decomposition reaction can be caused almost only on the wafer W. Therefore, reproducible Co film formation can be realized.
  • the ligand CO is further decomposed to generate carbon and oxygen, and CO 2 (CO )
  • CO 2 (CO ) When x is deposited on the wafer W, carbon and oxygen are generated also on the wafer W, so that these are taken into the Co film as impurities.
  • the decomposition of the Co 2 (CO) 8 gas is suppressed until reaching the wafer W as in the present embodiment, the CO gas generated by the decomposition of the Co 2 (CO) 8 on the surface of the wafer W is further decomposed. Since it is quickly discharged from the chamber 1 without being carried out, carbon and oxygen are prevented from being taken into the Co film as impurities, and a Co film with few impurities can be obtained.
  • the Co 2 (CO) 8 gas decomposition product reduces the reliability of the remaining devices in the pipe or the like
  • the Co film formed in the chamber or the like can be minimized and the maintainability of the apparatus can be made extremely high.
  • the vaporization temperature of Co 2 (CO) 8 (temperature of the film forming raw material container 31) and the transport temperature (temperature in the film forming raw material gas supply pipe 43) ) Must be controlled to a temperature with a margin of, for example, 35 ° C. or less in consideration of safety, and the amount of generated Co 2 (CO) 8 gas is limited.
  • the CO 2 (CO) 8 vaporization temperature and the transport temperature are started to be decomposed by introducing CO gas into the film forming raw material container 31 in addition to these temperature controls as in this embodiment. It becomes possible to control to a higher temperature within the range lower than the temperature, and it is possible to increase the generation amount of Co 2 (CO) 8 gas. Thereby, the throughput of the film forming process can be increased.
  • the decomposition temperature of a compound such as Co 2 (CO) 8 gas is usually grasped by DTA (differential thermal analysis), and the decomposition start temperature of Co 2 (CO) 8 gas obtained by DTA is 51 ° C., This temperature is very close to 52 ° C. which is the start of decomposition described in the literature (THE MERCK 10th edition 3067.).
  • the decomposition start temperature was 45 ° C. as shown in FIG. Judging from this result, it is preferable to control the heating temperature of the film forming raw material container 31 and the film forming raw material gas supply pipe 43 to less than 45 ° C. Since the lower limit is effectively room temperature, it is preferable to control the temperature to be room temperature or higher and lower than 45 ° C.
  • the film formation temperature since the decomposition end temperature of the Co 2 (CO) 8 gas obtained by DTA is 120 ° C., if it is 120 ° C. or higher, Co 2 (CO ) 8 gas can be completely decomposed into Co and CO. On the other hand, if it exceeds 300 ° C., Co will aggregate. Therefore, the film forming temperature is preferably 120 to 300 ° C.
  • the temperature of the wall (inner wall) of the chamber 1 is preferably lower than the decomposition temperature of the Co 2 (CO) 8 gas. Thereby, it is possible to prevent the Co 2 (CO) 8 gas reaching the inner wall of the chamber 1 from being decomposed and increasing impurities in the Co film.
  • the Co film formed as described above is suitable as a seed film for Cu wiring formed by electrolytic plating. It can also be used as a base film for a CVD-Cu film. Furthermore, when used as a contact layer, after the Co film is formed on the surface of the silicon substrate or the polysilicon film as described above, heat treatment for silicidation is performed in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere. Do. The heat treatment temperature at this time is preferably 450 to 800 ° C.
  • the CO gas is introduced into the film forming raw material container, and the temperature in the film forming raw material container and the piping is controlled to be lower than the decomposition start temperature of cobalt carbonyl. It can be sufficiently suppressed up to the substrate, and film formation with high reproducibility can be performed. In addition, the decomposition product of cobalt carbonyl is suppressed from being taken into the Co film as impurities, and a Co film with few impurities can be formed.
  • the present invention can be variously modified without being limited to the above embodiment.
  • the present invention is not limited thereto, and other substrates such as a flat panel display (FPD) substrate may be used.
  • FPD flat panel display

Abstract

 成膜装置は、チャンバー(1)と、チャンバー内でウエハ(W)を加熱するためのヒーター(5)と、チャンバー(1)外に配置された、成膜原料としてコバルトカルボニルを収容する成膜原料容器(31)と、成膜原料容器(31)から気体状のコバルトカルボニルをチャンバー(1)に供給するための配管(43)と、チャンバー(1)内を減圧排気する排気機構(23)と、成膜原料容器(31)から配管(43)を介してチャンバー(1)に気体状のコバルトカルボニルを供給するためのコバルトカルボニル供給機構(38)と、原料容器(31)および配管(43)の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御する温度コントローラ(60)と、原料容器(31)内にCOガスを供給するCOガス供給機構(37)とを具備する。

Description

成膜装置、成膜方法および記憶媒体
 本発明は、CVD法によりCo膜を成膜する成膜装置、成膜方法および記憶媒体に関する。
 近時、半導体デバイスの高速化、配線パターンの微細化等に呼応して、Alよりも導電性が高く、かつエレクトロマイグレーション耐性等も良好なCuが配線として注目されている。Cu配線には電解メッキが用いられており、電解メッキによるCu配線のシードとしては、埋め込み性を向上させる観点から、従来のCuからCoへの変更が検討されている。
 一方、MOS型半導体におけるソース・ドレイン電極、ゲート電極へのSiとのコンタクトに、Co膜を成膜した後にシリサイド化したCoSiが用いられつつある。
 Co膜やの成膜方法としては、スパッタリングに代表される物理蒸着(PVD)法が多用されていたが、半導体デバイスの微細化にともなってステップカバレッジが悪いという欠点が顕在化している。
そこで、Co膜の成膜方法として、Coを含む原料ガスの熱分解反応や、当該原料ガスの還元性ガスによる還元反応にて基板上にCo膜を成膜する化学蒸着(CVD)法が用いられつつある。このようなCVD法により成膜されたCo膜は、ステップカバレッジ(段差被覆性)が良好であり、細長く深いパターン内への成膜性に優れている。このため、CVD法により成膜されたCo膜は、微細なパターンへの追従性が高く、Cuメッキのシード層やコンタクト層として好適である。
 CVD法によるCo膜については、成膜原料としてコバルトカルボニル(Co(CO))を用い、これをチャンバー内に気相供給してチャンバー内に配置された基板上で熱分解させる方法が発表されている(例えばJournal of The Electrochemical Society, 146(7) 2720-2724 (1999))。
 しかしながら、Co(CO)は気化温度と分解温度が近いことから、Co(CO)を気化させてチャンバー内に供給する過程で分解反応が生じ、再現性あるCo膜の成膜が困難である。また、Co(CO)を気化させて輸送している間にCo(CO)が分解すると、分解物が配管に残り装置の信頼性が低下してしまうとともに、配位子となる部分からカーボン、酸素が分解し、それらがCo膜中に取り込まれてCo膜を汚染させてしまう。
 したがって、本発明の目的は、成膜原料として用いるCo(CO)を気相供給する際に、その分解を極力抑制して不純物の少ないCo膜を再現性よく成膜することができる成膜装置および成膜方法を提供することにある。
 また、本発明の他の目的は、そのような成膜方法を実行するためのプログラムを記憶した記憶媒体を提供することにある。
 本発明の第1の観点によれば、基板上にCo膜を成膜する成膜装置であって、基板が収容される処理容器と、前記処理容器内で基板を加熱するための加熱機構と、前記処理容器外に配置された、成膜原料としてコバルトカルボニルを収容する成膜原料容器と、前記成膜原料容器から気体状のコバルトカルボニルを前記処理容器に供給するための配管と、前記処理容器内を減圧排気する排気機構と、
 前記成膜原料容器から前記配管を介して前記処理容器に気体状のコバルトカルボニルを供給するためのコバルトカルボニル供給機構と、前記成膜原料容器および前記配管の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御する制御部と、前記成膜原料容器内にCOガスを供給するCOガス供給機構とを具備する成膜装置が提供される。
 本発明の第2の観点によれば、基板が収容される処理容器と、前記処理容器内で基板を加熱するための加熱機構と、前記処理容器外に配置された、成膜原料としてコバルトカルボニルを収容する成膜原料容器と、前記成膜原料容器から気体状のコバルトカルボニルを前記処理容器に供給するための配管と、前記処理容器内を減圧排気する排気機構とを有する成膜装置を用いて、基板上にCo膜を成膜する成膜方法であって、前記成膜原料容器内にCOガスを供給することと、前記成膜原料容器内のコバルトカルボニルを気化させて前記配管を介して前記処理容器に気体状のコバルトカルボニルを供給することと、前記成膜原料容器内および前記配管内の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御することと、前記処理容器内に供給された気体状のコバルトカルボニルを加熱された基板上で分解させて基板上にCo膜を堆積させることとを有する成膜方法が提供される。
 本発明の第3の観点によれば、コンピュータ上で動作し、基板が収容される処理容器と、前記処理容器内で基板を加熱するための加熱機構と、前記処理容器外に配置された、成膜原料としてコバルトカルボニルを収容する成膜原料容器と、前記成膜原料容器から気体状のコバルトカルボニルを前記処理容器に供給するための配管と、前記処理容器内を減圧排気する排気機構とを有する成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、前記成膜原料容器内にCOガスを供給することと、前記成膜原料容器内のコバルトカルボニルを気化させて前記配管を介して前記処理容器に気体状のコバルトカルボニルを供給することと、前記成膜原料容器内および前記配管内の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御することと、前記処理容器内に供給された気体状のコバルトカルボニルを加熱された基板上で分解させて基板上にCo膜を堆積させることとを有する成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させる記憶媒体が提供される。
本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す略断面である。 Co(CO)の減圧TGのチャートである。
 以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
 <本発明の一実施形態に係る成膜装置の構成>
 図1は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す略断面である。
 この成膜装置100は、気密に構成された略円筒状のチャンバー1を有しており、その中には被処理基板である半導体ウエハWを水平に支持するためのサセプタ2が、後述する排気室の底部からその中央下部に達する円筒状の支持部材3により支持された状態で配置されている。このサセプタ2はAlN等のセラミックスからなっている。また、サセプタ2にはヒーター5が埋め込まれており、このヒーター5にはヒーター電源6が接続されている。一方、サセプタ2の上面近傍には熱電対7が設けられている。熱電対7の信号は後述する温度コントローラ60に伝送されるようになっている。そして、温度コントローラ60は熱電対7の信号に応じてヒーター電源6に指令を送信し、ヒーター5の加熱を制御してウエハWを所定の温度に制御するようになっている。なお、サセプタ2には3本のウエハ昇降ピン(図示せず)がサセプタ2の表面に対して突没可能に設けられており、ウエハWを搬送する際に、サセプタ2の表面から突出した状態にされる。
 チャンバー1の天壁1aには、円形の孔1bが形成されており、そこからチャンバー1内へ突出するようにシャワーヘッド10が嵌め込まれている。シャワーヘッド10は、後述するガス供給機構30から供給された成膜用のガスをチャンバー1内に吐出するためのものであり、その天板11には成膜原料ガスが導入されるガス導入口12が設けられている。シャワーヘッド10の内部にはガス拡散空間13が形成されており、シャワーヘッド10の底板14には多数のガス吐出孔15が設けられている。そして、ガス導入口12からガス拡散空間13に導入されたガスがガス吐出孔15からチャンバー1内に吐出されるようになっている。
 チャンバー1の底壁には、下方に向けて突出する排気室21が設けられている。排気室21の側面には排気管22が接続されており、この排気管22には真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気装置23が接続されている。そしてこの排気装置23を作動させることによりチャンバー1内を所定の真空度まで減圧することが可能となっている。
 チャンバー1の側壁には、ウエハ搬送室(図示せず)との間でウエハWの搬入出を行うための搬入出口24と、この搬入出口24を開閉するゲートバルブGとが設けられている。また、チャンバー1の壁部には、ヒーター26が設けられており、成膜処理の際にチャンバー1の内壁を加熱することが可能となっている。ヒーター26にはヒーター電源27から給電されるようになっている。
 ガス供給機構30は、成膜原料である固体状のコバルトカルボニル(Co(CO))を貯留する成膜原料容器31を有している。成膜原料容器31の周囲にはヒーター32が設けられ、これにより成膜原料であるコバルトカルボニル(Co(CO))を加熱して気化するようになっている。ヒーター32にはヒーター電源48から給電されるようになっている。
 成膜原料容器31には、上方からガス導入配管33が挿入されている。ガス導入配管33にはバルブ34が介装されている。ガス導入配管33はCOガス配管35とキャリアガス配管36に分岐されており、COガス配管35にはCOガス供給機構として機能するCOガス供給源37が、キャリアガス配管36にはコバルトカルボニル供給機構として機能するキャリアガス供給源38が接続されている。COガス配管35には流量制御器としてのマスフローコントローラ39およびその前後のバルブ40が介装されており、キャリアガス配管36には流量制御器としてのマスフローコントローラ41およびその前後のバルブ42が介装されている。キャリアガスとしてはArガスまたはNガスを好適に用いることができる。
 COガスは、気化したコバルトカルボニル(Co(CO))の分解を抑制するために導入される。すなわち、Co(CO)は分解されることによりCOを生成するが、成膜原料容器31にCOを供給してCO濃度を高くすることにより、Co(CO)が分解してCOを生成する反応が抑制される。一方、キャリアガスは成膜原料容器31内で気化して生成されたCo(CO)ガスをチャンバー1に搬送するために導入される。なお、COガスにキャリアガスの機能を持たせてもよく、その場合には別途のキャリアガスは不要である。
 成膜原料タンク31には、上方から成膜原料ガス供給配管43が挿入されており、成膜原料ガス供給配管43の他端はガス導入口12に接続されている。そして、ヒーター32により加熱されて気化されたCo(CO)ガスがキャリアガスにより成膜原料ガス供給配管43内を搬送されてガス導入口12を経てシャワーヘッド10へ供給される。成膜原料ガス供給配管43の周囲には、ヒーター44が設けられている。ヒーター44にはヒーター電源49から給電される。また、成膜原料ガス供給配管43には、流量調整バルブ45と、そのすぐ下流側の開閉バルブ46と、ガス導入口12の直近の開閉バルブ47とが設けられている。
 成膜原料ガス供給配管43のバルブ47の上流には、希釈ガス供給配管61が接続されている希釈ガス配管61の他端には、希釈ガスとして例えばArガスまたはNガス等を供給する希釈ガス供給源62が接続されている。希釈ガス配管61には流量制御器としてのマスフローコントローラ63およびその前後のバルブ64が介装されている。なお、希釈ガスはパージガスや安定化ガスとしても機能する。
 上記チャンバー1の壁部には熱電対51が取り付けられ、上記成膜原料容器31内には熱電対52が取り付けられ、上記成膜原料ガス供給配管43には熱電対53が取り付けられており、これら熱電対51、52、53は温度コントローラ60に接続されている。上述した熱電対7も含めて、これら熱電対が検出した温度検出信号は温度コントローラ60に送られる。温度コントローラ60には上述のヒーター電源6、27、48、49が接続されている。そして、温度コントローラ60は、上述した熱電対7,51,52,53の検出信号に応じてヒーター電源6、27、48、49に制御信号を送り、サセプタ2の温度、チャンバー1の壁部の温度、成膜原料容器31内の温度、成膜原料ガス供給配管43内の温度を制御するようになっている。
 成膜原料であるコバルトカルボニル(Co(CO))は、成膜原料容器31においてヒーター32で加熱されて気化され、成膜原料ガス供給配管43内をヒーター44で加熱されることで気体状のままチャンバー1内に供給されるが、この時のコバルトカルボニル(Co(CO))の加熱温度は、温度コントローラ60によって分解開始温度未満の温度に制御される。具体的には、後述するように、コバルトカルボニルの減圧TG(熱重量分析計)で把握される分解開始温度は45℃であるため、45℃未満に制御することが好ましい。
 また、成膜の際のウエハWの温度(成膜温度)は、120~300℃に制御されることが好ましく、チャンバー1の壁部(内壁)の温度は、Co(CO)ガスの分解温度未満に制御されることが好ましい。
 成膜装置100は制御部70を有し、この制御部70により各構成部、例えば温度コントローラ60、排気装置23、マスフローコントローラ、流量調整バルブ、バルブ等の制御等を行うようになっている。温度コントローラ60に関しては、温度コントローラ60により制御すべき部分の温度設定等を行う。この制御部70は、マイクロプロセッサ(コンピュータ)を備えたプロセスコントローラ71と、ユーザーインターフェース72と、記憶部73とを有している。プロセスコントローラ71には成膜装置100の各構成部が電気的に接続されて制御される構成となっている。ユーザーインターフェース72は、プロセスコントローラ71に接続されており、オペレータが成膜装置100の各構成部を管理するためにコマンドの入力操作などを行うキーボードや、成膜装置100の各構成部の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなっている。記憶部73もプロセスコントローラ71に接続されており、この記憶部73には、成膜装置100で実行される各種処理をプロセスコントローラ71の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置100の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムすなわち処理レシピや、各種データベース等が格納されている。処理レシピは記憶部73の中の記憶媒体(図示せず)に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスク等の固定的に設けられているものであってもよいし、CDROM、DVD、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
 そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース52からの指示等にて所定の処理レシピを記憶部53から呼び出してプロセスコントローラ51に実行させることで、プロセスコントローラ71の制御下で、成膜装置100での所望の処理が行われる。
 <本実施形態に係る成膜装置による成膜方法の説明>
 次に、以上のように構成された成膜装置を用いて行われる成膜方法について説明する。
 まず、成膜原料容器31内に、成膜原料として固体状のコバルトカルボニル(Co(CO))を装入した状態とし、さらに、チャンバー1内のサセプタ2の温度、およびチャンバー1の壁部の温度を成膜の際の温度に制御する。次いで、ゲートバルブGを開け、図示しない搬送装置によりウエハWをチャンバー1内に導入し、サセプタ2上に載置する。Co膜を電解メッキによるCu配線のシードとして用いる場合にはウエハWとしては、表面に下地となるSiOxCy系絶縁膜(x、yは正の数)もしくは有機物系絶縁膜、および下層配線となるAl、CuまたはW導電体が形成されたものが用いられる。また、コンタクト層として用いられる場合には、ウエハWとして、表面にソース・ドレイン電極となるシリコン基板面が露出しているか、表面にポリシリコン膜が形成されたものが用いられる。
 次いで、チャンバー1内を排気装置23により排気してチャンバー1内の圧力を10~5000Pa(0.075~37.5Torr)とし、ヒーター5によりサセプタ2を加熱してサセプタ2の温度(ウエハ温度)を好ましくは120~300℃に制御する。
 そして、バルブ46を閉じバルブ47、64を開けて希釈ガス供給源62からチャンバー1内に希釈ガスを供給して安定化を行う。
 一方、ヒーター32および44により、成膜原料容器31および成膜原料ガス供給配管43をコバルトカルボニル(Co(CO))の分解開始温度未満の所定温度に厳密に温度制御しつつ加熱しておき、所定時間希釈ガスによる安定化を行った後、希釈ガスの供給を停止し、または所定流量で希釈ガスを供給したまま、COガスおよびキャリアガスを成膜原料容器31に供給するとともに、バルブ46を開けて成膜原料容器31内で気化したCo(CO)ガスをキャリアガスにより成膜原料ガス供給配管43内を搬送させ、シャワーヘッド10を介してチャンバー1内に供給する。
 チャンバー1内に供給されたCo(CO)ガスは、サセプタ2内のヒーター5により所定温度に加熱されたウエハWの表面に至り、そこで熱分解してCo膜が形成される。
このようにしてCo膜を成膜した後、パージ工程を行う。パージ工程では、成膜原料タンク31へのキャリアガスの供給を停止してCo(CO)の供給を停止した後、排気装置23の真空ポンプを引き切り状態とし、希釈ガス供給源62から希釈ガスをパージガスとしてチャンバー1内に流してチャンバー1内をパージする。この場合に、できる限り迅速にチャンバー1内をパージする観点から、キャリアガスの供給は断続的に行うことが好ましい。
 パージ工程が終了後、ゲートバルブGを開け、図示しない搬送装置により、搬入出口24を介してウエハWを搬出する。これにより、1枚のウエハWの一連の工程が終了する。
 以上のようにしてCo膜を成膜するに際し、成膜原料容器31および成膜原料ガス供給配管43がCo(CO)ガスの分解開始温度未満の温度に制御されているため、成膜原料容器31内で気化により生成されたCo(CO)ガスが成膜原料容器31から成膜原料ガス供給配管43を経てチャンバー1内に至るまでの間、その温度が分解開始温度未満となりCo(CO)の分解を抑制することができる。また、成膜原料容器31内にCOガスを導入することにより、その中のCO濃度が高くなり、Co(CO)が分解してCOを生成する反応を抑制することができる。
 このように、Co(CO)を気化させる温度および生成されたCo(CO)ガスのチャンバー1へ輸送する際の温度をCo(CO)ガスの分解開始温度未満の温度にするとともに、成膜原料容器31内にCo(CO)ガスの分解を抑制可能なCOガスを導入するので、Co(CO)を気化させてチャンバー内に供給する過程での分解反応を極めて効果的に抑制することができ、ほぼウエハW上のみで分解反応を生じさせることができる。このため、再現性あるCo膜の成膜を実現することができる。
 また、Co(CO)ガスがウエハWに至る前に分解された場合には、配位子であるCOがさらに分解されてカーボン、酸素を生成し、また、分解途中のCO(CO)がウエハWに堆積することにより、ウエハW上でもカーボン、酸素を生成するため、これらがCo膜中に不純物として取り込まれる。しかし、本実施形態のようにCo(CO)ガスがウエハWに至るまで分解が抑制されることにより、ウエハW表面でCo(CO)が分解して生成するCOガスはさらに分解されることなく速やかにチャンバー1から排出されるので、Co膜にカーボン、酸素が不純物として取り込まれることが防止され、不純物の少ないCo膜を得ることができる。
 さらに、このようにCo(CO)ガスがウエハWに至るまで分解が抑制されるため、Co(CO)ガス分解物が配管等に残って装置の信頼性を低下させることを回避することができ、また、チャンバー等に成膜されるCo膜は最小限に抑えられ、装置のメンテナンス性を極めて高いものとすることができる。
 さらにまた、単に温度制御のみの場合には、安全性を考慮すると、Co(CO)の気化温度(成膜原料容器31の温度)および輸送温度(成膜原料ガス供給配管43内の温度)を、安全性を考慮して例えば35℃以下といった余裕を持った温度に制御せざるを得ず、Co(CO)ガスの生成量が制限されてしまう。これに対し、本実施形態のようにこれらの温度制御に加えて成膜原料容器31内へのCOガスの導入を実施することにより、Co(CO)の気化温度および輸送温度を分解開始温度未満の範囲内のより高い温度に制御することが可能となり、Co(CO)ガスの生成量をより多くすることができる。これにより、成膜処理のスループットを高めることができる。
 Co(CO)ガスのような化合物の分解温度については、通常、DTA(示差熱分析)で把握され、DTAで求めたCo(CO)ガスの分解開始温度は51℃であり、この温度は、文献(THE MERCK 10th edition 3067.)に記載された分解開始である52℃と極めて近い。しかし、減圧TGによる重量変化から、より厳密に分解温度を把握したところ、図2に示すように、分解開始温度は45℃であった。この結果から判断すると、成膜原料容器31および成膜原料ガス供給配管43の加熱温度を45℃未満に制御することが好ましい。下限は事実上室温となるので、室温以上45℃未満に制御することが好ましい。
 成膜の際のウエハWの温度(成膜温度)に関しては、DTAで求めたCo(CO)ガスの分解終了温度が120℃であることから、120℃以上であればCo(CO)ガスをCoとCOに完全に分解させることができる。一方、300℃を超えるとCoが凝集してしまう。このため、成膜温度は120~300℃が好ましい。
 チャンバー1の壁部(内壁)の温度はCo(CO)ガスの分解温度未満であることが好ましい。これによりチャンバー1の内壁に達したCo(CO)ガスが分解してCo膜中の不純物が増加することを防止することができる。
 以上のようにして成膜されたCo膜は、電解メッキで形成されたCu配線のシード膜として好適である。また、CVD-Cu膜の下地膜として用いることもできる。さらには、コンタクト層として用いる場合には、シリコン基板表面またはポリシリコン膜の表面に以上のようにしてCo膜を成膜した後、不活性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気でシリサイド化のための熱処理を行う。この際の熱処理の温度は、450~800℃が好ましい。
 以上のように、成膜原料容器内にCOガスを導入するとともに、成膜原料容器内および配管内の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御するので、コバルトカルボニルの分解を処理容器内の基板に至るまで十分に抑制することができ、再現性の高い成膜を行うことができる。また、コバルトカルボニルの分解物が不純物としてCo膜に取り込まれることが抑制され、不純物の少ないCo膜を成膜することができる。
<本発明の他の適用>
 なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、成膜原料であるコバルトカルボニルの供給手法についても上記実施形態の手法に限定する必要はなく、種々の方法を適用することができる。
 また、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合を説明したが、これに限らず、フラットパネルディスプレイ(FPD)基板等の他の基板であってもよい。

Claims (8)

  1.  基板上にCo膜を成膜する成膜装置であって、
     基板が収容される処理容器と、
     前記処理容器内で基板を加熱するための加熱機構と、
     前記処理容器外に配置された、成膜原料としてコバルトカルボニルを収容する成膜原料容器と、
     前記成膜原料容器から気体状のコバルトカルボニルを前記処理容器に供給するための配管と、
     前記処理容器内を減圧排気する排気機構と、
     前記成膜原料容器から前記配管を介して前記処理容器に気体状のコバルトカルボニルを供給するためのコバルトカルボニル供給機構と、
     前記成膜原料容器および前記配管の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御する制御部と、
     前記成膜原料容器内にCOガスを供給するCOガス供給機構と
    を具備する成膜装置。
  2.  前記制御部は、前記成膜原料容器および前記配管の温度を45℃未満に制御する請求項1に記載の成膜装置。
  3.  前記加熱機構は、基板を120~300℃の範囲の温度で加熱する請求項1に記載の成膜装置。
  4.  基板が収容される処理容器と、前記処理容器内で基板を加熱するための加熱機構と、前記処理容器外に配置された、成膜原料としてコバルトカルボニルを収容する成膜原料容器と、前記成膜原料容器から気体状のコバルトカルボニルを前記処理容器に供給するための配管と、前記処理容器内を減圧排気する排気機構とを有する成膜装置を用いて、基板上にCo膜を成膜する成膜方法であって、
     前記成膜原料容器内にCOガスを供給することと、
     前記成膜原料容器内のコバルトカルボニルを気化させて前記配管を介して前記処理容器に気体状のコバルトカルボニルを供給することと、
     前記成膜原料容器内および前記配管内の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御することと、
     前記処理容器内に供給された気体状のコバルトカルボニルを加熱された基板上で分解させて基板上にCo膜を堆積させることと
    を有する成膜方法。
  5.  前記成膜原料容器内および前記配管内の温度を45℃未満に制御する請求項4に記載の成膜方法。
  6.  Co膜を堆積させる際の基板表面の加熱温度を120~300℃の範囲に制御する請求項4に記載の成膜方法。
  7.  前記Co膜はシリコンの上に成膜され、成膜後、不活性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気でシリサイド化のための熱処理が行われる請求項4に記載の成膜方法。
  8.  コンピュータ上で動作し、基板が収容される処理容器と、前記処理容器内で基板を加熱するための加熱機構と、前記処理容器外に配置された、成膜原料としてコバルトカルボニルを収容する成膜原料容器と、前記成膜原料容器から気体状のコバルトカルボニルを前記処理容器に供給するための配管と、前記処理容器内を減圧排気する排気機構とを有する成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、前記成膜原料容器内にCOガスを供給することと、前記成膜原料容器内のコバルトカルボニルを気化させて前記配管を介して前記処理容器に気体状のコバルトカルボニルを供給することと、前記成膜原料容器内および前記配管内の温度をコバルトカルボニルの分解開始温度未満に制御することと、前記処理容器内に供給された気体状のコバルトカルボニルを加熱された基板上で分解させて基板上にCo膜を堆積させることとを有する成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させる記憶媒体。
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