JP2008031541A - Ｃｖｄ成膜方法およびｃｖｄ成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複雑なプロセスを経ることなく十分な還元性をもって酸化還元反応によるＣＶＤにより金属膜を成膜することができるＣＶＤ成膜方法を提供すること。
【解決手段】チャンバー２１内のサセプタ２２上にウエハＷを配置し、ガス供給機構５０の金属化合物ガス供給部５１から金属化合物ガスを、還元性有機化合物ガス供給部５２から還元性有機化合物ガスを連続的にチャンバー１２１内に供給することによりウエハＷの表面に金属膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体装置に用いられる金属層をＣＶＤにより成膜するＣＶＤ成膜方法およびＣＶＤ成膜装置に関する。
半導体デバイスの製造においては、配線パターンを形成するための金属膜を成膜する工程が存在し、その際の金属膜の成膜方法として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。しかし、近時、配線パターンのより一層の微細化が求められており、ＰＶＤ法ではステップカバレッジが悪く、微細化に対応することが困難である。
このため、金属化合物ガスと還元剤とを用いて酸化還元反応を利用したＣＶＤ成膜方法が注目されている。しかし、良好な膜質を得るためには、金属化合物ガスを十分に還元する必要があり、そのために特許文献１には、金属酸化物膜を金属原料と酸化剤とを交互に供給するＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法により成膜した後、還元性を有する有機化合物で還元する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、金属酸化物膜をＡＬＤ法で形成し、しかもその後に還元するプロセスが必要であるため、極めて複雑なプロセスが必要となる。
米国特許第６４８２７４０号
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複雑なプロセスを経ることなく十分な還元性をもって酸化還元反応によるＣＶＤにより金属膜を成膜することができるＣＶＤ成膜方法およびＣＶＤ成膜装置を提供することを目的とする。また、このようなＣＶＤ成膜方法を実行させるプログラムを記憶したコンピュータ読取可能な記憶媒体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、処理容器内に被処理基板を配置し、前記処理容器内に金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスとを連続的に供給することにより基板の表面に金属膜を形成することを特徴とするＣＶＤ成膜方法を提供する。
上記第１の観点において、前記金属膜は、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＲｈおよびＭｎの少なくとも１種を含み、前記金属化合物はこれらの少なくとも１種を含む化合物とすることができる。
また、前記還元性有機化合物は、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、無水カルボン酸、エステル、有機酸アンモニウム塩、有機酸アミン塩、有機酸アミド、有機酸ヒドラジド、有機酸の金属錯体および有機酸の金属塩から選択される少なくとも１種とすることができる。
さらに、最初に前記還元性有機化合物ガスのみを処理容器内に供給し、その後金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを処理容器内に供給するようにすることができる。さらにまた、前記金属化合物ガスの原料と前記還元性有機化合物ガスの原料とを１つの容器内に混合した状態で貯留し、その容器から金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスを処理容器内に供給するようにすることができる。
本発明の第２の観点では、被処理基板を収容する処理容器と、処理容器内で基板を載置するための載置台と、処理容器内に金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内を排気するための排気装置と、前記載置台上の基板を加熱する加熱装置と
を具備し、前記処理容器内に金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを供給して前記載置台上の被処理基板表面にこれらの反応により金属膜を成膜することを特徴とするＣＶＤ成膜装置を提供する。
上記第２の観点において、前記ガス供給部は、前記金属化合物ガスの原料を貯留する容器と、前記還元性有機化合物ガスの原料を貯留する容器とを別個に有するように構成することができる。また、前記ガス供給部は、前記金属化合物ガスの原料と前記還元性有機化合物ガスの原料とを混合した状態で貯留する容器を有し、その容器から金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスを処理容器内に供給するように構成することができる。
本発明の第３の観点では、真空に保持され、被処理基板を収容する処理容器と、処理容器内で基板を載置するための載置台と、処理容器内に金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内を排気するための排気装置と、前記載置台上の基板を加熱する加熱装置とを備えた２つ以上の成膜処理ユニットと、これら成膜処理ユニット間で真空を破ることなく基板を搬送する基板搬送機構とを具備し、いずれかの成膜処理ユニットにて金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスの反応により被処理基板表面に第１の金属膜を成膜し、その後、前記基板搬送機構により他の成膜処理ユニットに被処理基板を搬送し、そこで真空を破ることなく連続して金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスの反応により前記第１の金属膜の上に第２の金属膜を成膜することを特徴とするＣＶＤ成膜装置を提供する。
本発明の第４の観点では、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、上記第１の観点の方法が行われるようにコンピュータに成膜装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読取可能な記憶媒体を提供する。
本発明によれば、処理容器内に金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスとを連続的に供給して、これらの間に酸化還元反応を生じさせ、金属化合物ガスを還元力の強い還元性有機化合物ガスにより直接還元するので、複雑なプロセスを経ることなく十分な還元性をもって金属膜を成膜することができる。また、還元性有機化合物の高い還元性により、比較的低温でかつ高速な成膜を実現することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜方法を実施するために用いる成膜装置を模式的に示す断面図である。
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２１を有している。チャンバー２１の底壁２１ｂの中央部には円形の開口部４２が形成されており、底壁２１ｂにはこの開口部４２と連通し、下方に向けて突出する排気室４３が設けられている。チャンバー２１内には半導体基板であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ２２が設けられている。このサセプタ２２は、排気室４３の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材２３により支持されている。サセプタ２２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング２４が設けられている。また、サセプタ２２には抵抗加熱型のヒーター２５が埋め込まれており、このヒーター２５はヒーター電源２６から給電されることによりサセプタ２２を加熱して、その熱でウエハＷを加熱する。ヒーター電源２６にはコントローラー（図示せず）が接続されており、これにより図示しない温度センサーの信号に応じてヒーター２５の出力が制御される。また、チャンバー２１の壁にもヒーター（図示せず）が埋め込まれており、チャンバー２１の壁も加熱できるようになっている。
サセプタ２２には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン４６がサセプタ２２の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン４６は支持板４７に固定されている。そして、ウエハ支持ピン４６は、エアシリンダ等の駆動機構４８により支持板４７を介して昇降される。
チャンバー２１の天壁２１ａには、シャワーヘッド３０が設けられ、このシャワーヘッド３０の下部には、サセプタ２２に向けてガスを吐出するための多数のガス吐出孔３０ｂが形成されたシャワープレート３０ａが配置されている。シャワーヘッド３０の上壁にはシャワーヘッド３０内にガスを導入するガス導入口３０ｃが設けられており、このガス導入口３０ｃにガス供給配管３２が接続されている。また、シャワーヘッド３０の内部には拡散室３０ｄが形成されている。シャワープレート３０ａには、シャワーヘッド３０内での金属化合物ガス等の分解を防止するために、例えば同心円状の冷媒流路３０ｅが設けられており、冷媒供給源３０ｆからこの冷媒流路３０ｅに冷却水等の冷媒が供給され、適宜の温度に制御することができるようになっている。
上記ガス供給配管３２の他端にはガス供給機構５０が接続されている。ガス供給機構５０は、金属化合物ガスを供給する金属化合物ガス供給部５１と、還元性有機化合物ガスを供給する還元性有機化合物ガス供給部５２と、圧力調整等のための希釈ガス等として不活性ガスをチャンバー２１に供給するための不活性ガス供給部５３とを有している。金属化合物ガス供給部５１は、金属化合物原料の形態に応じて、後述するような種々の手法で金属化合物ガスを供給する。また、還元性有機化合物ガス供給部５２も、還元性有機化合物原料の形態に応じて、後述するような種々の手法で還元性有機化合物ガスを供給する。不活性ガス供給部５３は、不活性ガスを供給する不活性ガス供給源５５と、不活性ガス供給源５５から延び前記ガス供給配管３２に接続される不活性ガス供給配管５６と、不活性ガス供給配管５６に設けられた開閉バルブ５７およびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）５８とを有している。不活性ガスとしては、Ｎ２ガス、Ａｒガス、Ｈｅガスを例示することができる。不活性ガスラインを上記金属化合物ガス供給部５１および還元性有機化合物ガス供給部５２の配管に接続してパージガスとして用いることもできる。なお、不活性ガス供給源は必須ではない。
このガス供給機構５０から金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスがチャンバー２１内に供給され、適宜の温度に加熱されたウエハＷで酸化還元反応を起こし、金属化合物ガスが還元されてウエハＷ上に金属膜が成膜される。
上記排気室４３の側面には排気管４４が接続されており、この排気管４４には高速真空ポンプを含む排気装置４５が接続されている。そしてこの排気装置４５を作動させることによりチャンバー２１内のガスが、排気室４３の空間４３ａ内へ均一に排出され、排気管４４を介して所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。
チャンバー２１の側壁には、成膜装置１００に隣接する搬送室（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４９と、この搬入出口４９を開閉するゲートバルブ４９ａとが設けられている。
成膜装置１００の各構成部は、プロセスコントローラ１１０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ１１０には、工程管理者が成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置１００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るユーザーインターフェース１１１が接続されている。
また、プロセスコントローラ１１０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１１０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の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部１１２が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部１１２の所定位置にセットするようになっていてもよい。さらに、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１１１からの指示等にて任意のレシピを記憶部１１２から呼び出してプロセスコントローラ１１０に実行させることで、プロセスコントローラ１１０の制御下で、成膜装置１００での所望の処理が行われる。
次に、上記金属化合物ガス供給部５１について詳細に説明する。
まず、金属化合物原料が常温でガスの場合には、上記金属化合物ガス供給部５１としては、図２に示すように、金属化合物ガスを供給する金属化合物ガス供給源６１と、金属化合物ガス供給源６１から延び前記ガス供給配管３２に接続される金属化合物ガス供給配管６２と、金属化合物ガス供給配管６２に設けられた開閉バルブ６３およびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６４とを有するものを用いることができる。
また、金属化合物原料が常温で液体または固体である場合には、上記金属化合物ガス供給部５１としては、図３に示すように、金属化合物原料を装入する原料容器６５と、原料容器６５を加熱して金属化合物原料を気化または昇華させるヒーター６６と、原料容器６５から延びて前記ガス供給配管３２に接続され、金属化合物原料の蒸気を供給する金属化合物ガス供給配管６７とを有するものを用いることができる。金属化合物ガス供給配管６７には、開閉バルブ６８およびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６９が設けられている。
金属化合物原料が常温で液体または固体である場合の金属化合物ガス供給部５１の他の例として、図４に示すように、金属化合物原料を装入する原料容器７０と、原料容器７０内の金属化合物原料にバブリングガスを吹き込むためのバブリングガス配管７１と、原料容器７０から延びて前記ガス供給配管３２に接続され、バブリングによって生成された金属化合物原料の蒸気を供給する金属化合物ガス配管７４とを有するものを用いることができる。バブリングガス配管７１には開閉バルブ７２およびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）７３が設けられており、金属化合物ガス配管７４には開閉バルブ７５が設けられている。
さらに、金属化合物原料が常温で液体である場合の金属化合物ガス供給部５１のさらに他の例として、図５に示すように、液体の金属化合物原料を装入する原料容器７６と、原料容器７６内に圧送ガスを供給する圧送ガス配管７７と、原料容器７６から延びて液体の金属化合物原料を供給する金属化合物原料供給配管７９と、金属化合物原料供給配管７９に接続された気化器８２と、気化器８２にキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給源８３およびキャリアガス供給配管８４と、気化器８２と前記ガス供給配管３２とを接続し、気化器８２で気化した金属化合物ガスをガス供給配管３２に導く金属化合物ガス供給配管８７とを有するものを挙げることができる。圧送配管７７には開閉バルブ７８が設けられており、金属化合物原料供給配管７９には開閉バルブ８０および液体マスフローコントローラ（ＬＭＦＣ）８１が設けられており、キャリアガス供給配管８４には開閉バルブ８５およびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）８６が設けられている。
なお、還元性有機化合物ガスを供給する還元性有機化合物ガス供給部５２も、図２〜５に示した金属化合物ガス供給部５１と同様に構成することができる。
次に、以上のように構成された成膜装置１００を用いた本実施形態に係る成膜方法について説明する。
まず、ゲートバルブ４９ａを開にして搬入出口４９から、ウエハＷをチャンバー２１内に搬入し、サセプタ２２上に載置する。サセプタ２２はあらかじめヒーター２５により所定の温度に加熱されており、これによりウエハＷを加熱する。そして、排気装置４５の真空ポンプによりチャンバー２１内を排気して、チャンバー２１内の圧力を所定の値に調整する。
この状態でガス供給機構５０の金属化合物ガス供給部５１から所定の金属化合物ガスを、還元性有機化合物ガス供給部５２から所定の還元性有機化合物ガスを、それぞれシャワーヘッド３０を介してチャンバー２１内のウエハＷ上に供給し、ウエハＷ上で金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスとの間で酸化還元反応が生じて金属化合物ガスが還元され、ウエハＷ上に金属膜が成膜される。
以上の実施形態では、金属化合物ガスと還元性有機化合物がガスとを別々の容器から供給する構成にしたが、保存する温度において両者の反応性が低い組み合わせであれば、金属化合物ガスの原料と還元性有機化合物ガスの原料とを１つの容器に混合して貯留することも可能である。この場合、所定の混合比のガスが供給されるように貯留容器内に保存する金属化合物ガスの原料と還元性有機化合物ガスの原料の比を調整するとよい。また、両者の蒸気圧の差による混合比への影響を少なくするために、図５に示した気化器を用いたガス供給部５１または図４に示したバブリングを用いたガス供給部５１を使用することが好ましい。
金属化合物ガスの原料と還元性有機化合物ガスの原料の双方が固体である場合等、貯留容器内で均等に混合することが困難である場合には、例えばヘキサン、トルエン、キシレン、酢酸ブチル等の適当な溶媒に溶解させて貯留することも可能である。
以上のように、還元性有機化合物ガスは強い還元力を有し、金属化合物ガスを直接還元して金属膜とすることができる。従来は、ＡＬＤ法等により金属酸化物膜を一旦成膜し、その酸化物膜を還元性有機化合物により還元する手法が採られていたが、還元性有機化合物を金属化合物ガスと同時に供給することにより金属膜を得られることが確かめられた。このため、従来のような複雑なプロセスを経ることなく、ＣＶＤにより十分な還元性をもって金属膜を成膜することができる。
また、このように高い還元性を有する還元性有機化合物を用いて金属膜原料である金属化合物を還元するので、比較的低温かつ高速で金属膜を成膜することができる。
本発明に適用可能な金属および金属化合物について以下に例示する。
成膜可能な金属膜としては、Ｃｕ膜、Ｐｄ膜、Ｔｉ膜、Ｗ膜、Ｔａ膜、Ｒｕ膜、Ｐｔ膜、Ｉｒ膜、Ｒｈ膜、Ｍｎ膜を挙げることができる。また、これらを含む合金膜であってもよい。これらの中で、Ｃｕ膜、Ｗ膜、Ｐｔ膜、Ｉｒ膜、Ｒｈ膜は、例えば配線層として用いることができ、Ｐｄ膜、Ｔｉ膜、Ｔａ膜、Ｒｕ膜、Ｍｎ膜は、例えばバリア層として用いることができる。
金属膜としてＣｕ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、銅ヘキサフルオロアセチルアセトネート（Ｃｕ（ｈｆａｃ）２）、銅アセチルアセトネート（Ｃｕ（ａｃａｃ）2）、銅ジピバロイルメタネート（Ｃｕ（ｄｐｍ）2）、銅ジイソブチリルメタネート（Ｃｕ（ｄｉｂｍ）2）、銅イソブチリルピバロイルメタネート（Ｃｕ（ｉｂｐｍ）2）、銅ビス６−エチル−２，２−ジメチル−３，５−デカネジオネート（Ｃｕ（ｅｄｍｄｄ）２）、銅ヘキサフルオロアセチルアセトネートトリメチルビニルシラン（Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳ）、および、銅ヘキサフルオロアセチルアセトネート１，５−シクロオクタジエン（Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＣＯＤ）を挙げることができる。
金属膜としてＰｄ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、パラジウムヘキサフルオロアセチルアセトネート（Ｐｄ（ｈｆａｃ）２）、シクロペンタジエニルパラジウムアリル（（Ｃ５Ｈ５）Ｐｄ（ａｌｌｙｌ））、およびパラジウムアリル（Ｐｄ（ａｌｌｙｌ）２）を挙げることができる。
金属膜としてＴｉ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、四フッ化チタン（ＴｉＦ４）、四臭化チタン（ＴｉＢｒ４）、四ヨウ化チタン（ＴｉＩ４）、テトラキスエチルメチルアミノチタン（Ｔｉ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５ＣＨ３）］４（ＴＥＭＡＴ））テトラキスジメチルアミノチタン（Ｔｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］４（ＴＤＭＡＴ））、テトラキスジエチルアミノチタン（Ｔｉ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］４（ＴＤＥＡＴ））を挙げることができる。
金属膜としてＷ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、六フッ化タングステン（ＷＦ６）、タングステンカルボニル（Ｗ（ＣＯ）６）を挙げることができる。
金属膜としてＴａ膜を成膜する場合には原料である金属化合物として、五塩化タンタル（ＴａＣｌ５）、五フッ化タンタル（ＴａＦ５）、五臭化タンタル（ＴａＢｒ５）、五ヨウ化タンタル（ＴａＩ５）、ターシャルブチルイミドトリス（ジエチルアミド）タンタル（Ｔａ（ＮＣ（ＣＨ３）３）（Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２）３（ＴＢＴＤＥＴ））、ターシャリーアミルイミドトリス（ジメチルアミド）タンタル（Ｔａ（ＮＣ（ＣＨ３）２Ｃ２Ｈ５）（Ｎ（ＣＨ３）２）３）を挙げることができる。
金属膜としてＲｕ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、ビス（シクロペンタヂエニル）ルテニウム、トリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオネート）ルテニウム、トリス(Ｎ，Ｎ′−ジイソプロピルアセトアミジネート)ルテニウム(III)、ビス(Ｎ，Ｎ′−ジイソプロピルアセトアミジネート)ルテニウム(II)ジカルボニル、ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム、ビス（ペンタメチルシクロペンタジエニル）ルテニウム、ビス(２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオネート)(１，５−シクロオクタジエン)ルテニウム(II)、ルテニウム（III)アセチルアセトネートを挙げることができる。
金属膜としてＰｔ（白金）膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、（トリメチル）メチルシクロペンタジエニルプラチニウム(IV)、プラチニウム(II)アセチルアセトネート、ビス(２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオネート)プラチニウム(II)、プラチニウム（II）ヘキサフルオロアセチルアセトネートを挙げることができる。
金属膜としてＩｒ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、１，５−シクロオクタジエン（アセチルアセトネート）イリジウム（I）、ジカルボニル（アセチルアセトネート）イリジウム(I)、イリジウム（III）アセチルアセトネートを挙げることができる。
金属膜としてＲｈ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、（アセチルアセトネート）ビス（シクロオクテン）ロジウム（I）、（アセチルアセトネート）ビス（エチレン）ロジウム（I）、アセチルアセトネート（１，５−シクロオクタジエン）ロジウム（I）、ロジウム（III）アセチルアセトネートを挙げることができる。
金属膜としてＭｎ膜を成膜する場合には、原料である金属化合物として、ビス（シクロペンタジエニル）マンガン（Ｍｎ（Ｃ５Ｈ５）２）、ビス（メチルシクロペンタジエニル）マンガン（Ｍｎ（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）２）、ビス（エチルシクロペンタジエニル）マンガン（Ｍｎ（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２）、ビス（イソプロピルシクロペンタジエニル）マンガン（Ｍｎ（Ｃ３Ｈ７Ｃ５Ｈ４）２）、ビス（ｔ−ブチルシクロペンタジエニル）マンガン（Ｍｎ（Ｃ４Ｈ９Ｃ５Ｈ４）２）、ビス（アセチルアセトネート）マンガン（Ｍｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）、ビス（ペンタメチルシクロペンタジエニル）マンガン(II)（Ｍｎ（Ｃ５（ＣＨ３）５）２）、ビス（テトラメチルシクロペンタジエニル）マンガン(II)（Ｍｎ（Ｃ５（ＣＨ３）４Ｈ）２）、（ＤＭＰＤ）（エチルシクロペンタジエニル）マンガン（Ｍｎ（Ｃ７Ｈ１１Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４））、トリス（ＤＰＭ）マンガン（Ｍｎ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３）、マンガン（０）カルボニル（Ｍｎ２（ＣＯ）１０）、メチルマンガンペンタカルボニル（ＣＨ３Ｍｎ（ＣＯ）５）、シクロペンタジエニルマンガン(I)トリカルボニル（（Ｃ５Ｈ５）Ｍｎ（ＣＯ）３）、メチルシクロペンタジエニルマンガン(I)トリカルボニル（（ＣＨ３Ｃ５Ｈ４）Ｍｎ（ＣＯ）３）、エチルシクロペンタジエニルマンガン(I)トリカルボニル（（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）Ｍｎ（ＣＯ）３）、アセチルシクロペンタジエニルマンガン(I)トリカルボニル（（ＣＨ３ＣＯＣ５Ｈ４）Ｍｎ（ＣＯ）３）、ヒドロキシイソプロピルシクロペンタジエニルマンガン(I)トリカルボニル（（ＣＨ３）２Ｃ（ＯＨ）Ｃ５Ｈ４）Ｍｎ（ＣＯ）３）を挙げることができる。
また、金属膜の原料である金属化合物を還元する還元性有機化合物としては、ヒドロキシル基（−ＯＨ）を有するアルコール、アルデヒド基（−ＣＨＯ）を有するアルデヒド、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するガルボン酸、無水カルボン酸、エステル、有機酸アンモニウム塩、有機酸アミン塩、有機酸アミド、有機酸ヒドラジド、有機酸の金属錯体および有機酸の金属塩を挙げることができ、これらの少なくとも１種を用いることができる。
アルコールとしては、
第１級アルコール、特に以下の一般式（１）
Ｒ１−ＯＨ ・・・（１）
(Ｒ１は直鎖または分枝鎖状のＣ１〜Ｃ20のアルキルまたはアルケニル基、好ましくはメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルまたはヘキシル)
で表される第１級アルコール、例えばメタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）、プロパノール（ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＯＨ）、ブタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＯＨ）、２−メチルプロパノール（（ＣＨ３）２ＣＨＣＨ２ＯＨ）、２−メチルブタノール（ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）ＣＨ２ＯＨ）；
第２級アルコール、特に以下の一般式（２）
Figure 2008031541
 (Ｒ２、Ｒ３は直鎖または分枝鎖状のＣ１〜Ｃ20のアルキルまたはアルケニル基、好ましくはメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルまたはヘキシル)
で表される第２級アルコール、例えば２−プロパノール（（ＣＨ３）２ＣＨＯＨ）、２−ブタノール（ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ２ＣＨ３）；
ジオールおよびトリオールのようなポリヒドロキシアルコール、例えばエチレングリコール（ＨＯＣＨ２ＣＨ２ＯＨ）、グリセロール（ＨＯＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ２ＯＨ）；
１〜１０個、典型的には５〜６個の炭素原子を環の一部に有する環状アルコール;
ベンジルアルコール（Ｃ６Ｈ５ＣＨ２ＯＨ）、ｏ−、ｐ−またはｍ−クレゾール、レゾルシノール等の芳香族アルコール；
ハロゲン化アルコール、特に以下の一般式（３）
ＣＨｎＸ３−ｎ−Ｒ４−ＯＨ ・・・（３）
(ＸはＦ、Ｃｌ、ＢｒまたはＩ、好ましくはＦまたはＣｌ、ｎは０〜２の整数、Ｒ４は直鎖または分枝鎖状のＣ１〜Ｃ20のアルキルまたはアルケニル基、好ましくはメチレン、エチレン、 トリメチレン、テトラメチレン、ペンタメチレンまたはヘキサメチレン)
で表されるハロゲン化アルコール、例えば、２，２，２−トリフルオロエタノール（ＣＦ３ＣＨ２ＯＨ）；
他のアルコール誘導体、例えばメチルエタノールアミン（ＣＨ３ＮＨＣＨ２ＣＨ２ＯＨ）
などを挙げることができる。
アルデヒドとしては、
以下の（４）式で示される一般式（４）
Ｒ５−ＣＨＯ ・・・（４）
(Ｒ５は水素、または直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ20のアルキルもしくはアルケニル基、好ましくはメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルまたはヘキシル)
で表されるアルデヒド、例えば、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）、アセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）およびブチルアルデヒド（ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨＯ）；
以下の一般式（５）
ＯＨＣ−Ｒ６−ＣＨＯ ・・・（５）
(Ｒ６は直鎖または分枝鎖状のＣ１〜Ｃ20の飽和または不飽和炭化水素であるが、Ｒ６が存在しないこと、すなわち両アルデヒド基が互いに結合していることも可能)
で表されるアルカンジオール化合物；
ハロゲン化アルデヒド；
他のアルデヒド誘導体
などが挙げられる。
カルボン酸としては、
以下の一般式（６）
Ｒ７−ＣＯＯＨ ・・・（６）
(Ｒ７は水素、または直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ20のアルキルもしくはアルケニル基、好ましくはメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルまたはヘキシル)
で表されるカルボン酸、例えば、蟻酸、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）;
ポリカルボン酸；
カルボン酸ハロゲン化物；
他のカルボン酸誘導体
などが挙げられる。
無水カルボン酸は、Ｒ８−ＣＯ−Ｏ−ＣＯ−Ｒ９（Ｒ８、Ｒ９は、水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基）で表記されるものと定義することができる。炭化水素基の具体例としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基などを挙げることができ、ハロゲン原子の具体例としては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素を挙げることができる。無水カルボン酸の具体例としては、無水酢酸以外に、無水蟻酸、無水プロピオン酸、無水酢酸蟻酸、無水酪酸、および無水吉草酸などが挙げられる。ただし、無水蟻酸および無水酢酸蟻酸は比較的不安定な物質であるため、これら以外の無水カルボン酸を用いることが好ましい。
エステルは、Ｒ１０−ＣＯＯ−Ｒ１１（Ｒ１０は、水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基、Ｒ１１は、炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基）と表記されるものと定義することができる。炭化水素基およびハロゲン原子の具体例は上記したものと同様である。エステルの具体例としては、蟻酸メチル、蛾酸エチル、蟻酸プロピル、蟻酸ブチル、蟻酸ベンジル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸ペンチル、酢酸ヘキシル、酢酸オクチル、酢酸フェニル、酢酸ベンジル、酢酸アリル、酢酸プロペニル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチル、プロピオン酸ペンチル、プロピオン酸ベンジル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸ペンチル、酪酸ブチル、吉草酸メチルおよび吉草酸エチルなどが挙げられる。
有機酸アンモニウム塩、有機酸アミン塩は、Ｒ１２−ＣＯＯ−ＮＲ１３Ｒ１４Ｒ１５Ｒ１６（Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６は、水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基)で示されるものと定義することができる。炭化水素基およびハロゲン原子の具体例は上記したものと同様である。有機酸アンモニウム塩、有機酸アミン塩の具体例としては、有機酸アンモニウム(Ｒ１２ＣＯＯＮＨ４）、または有機酸メチルアミン塩、有機酸エチルアミン塩、有機酸ｔ−ブチルアミン塩などの一級アミン塩、または有機酸ジメチルアミン塩、有機酸エチルメチルアミン塩、有機酸ジエチルアミン塩などの二級アミン塩、または有機酸トリメチルアミン塩、有機酸ジエチルメチルアミン塩、有機酸エチルジメチルアミン塩、有機酸トリメチルアミン塩などの三級アミン塩、または有機酸テトラメチルアンモニウム、有機酸トリエチルメチルアンモニウムなどの四級アンモニウム塩を挙げることができる。
有機酸アミドは、Ｒ１７−ＣＯ−ＮＨ２（Ｒ１７は、水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基)で示されるものと定義することができる。炭化水素基およびハロゲン原子の具体例は上記したものと同様である。有機酸アミドの具体例としては、カルボン酸アミド(Ｒ１７ＣＯＮＨ２）が挙げられる。
有機酸ヒドラジドは、Ｒ１８−ＣＯ−ＮＨＯＮＨ２（Ｒ１８は、水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基)で示されるものと定義することができる。炭化水素基およびハロゲン原子の具体例は上記したものと同様である。有機酸ヒドラジドを構成する有機酸の具体例としては、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、酢酸蟻酸および吉草酸が挙げられる。
金属錯体または金属塩は、Ｍａ（Ｒ１９ＣＯＯ）ｂ（Ｍは金属原子、ａ、ｂは自然数、Ｒ１９は水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基)で示されるものと定義することができる。炭化水素基およびハロゲン原子の具体例は上記したものと同様である。有機酸の金属錯体または有機酸の金属塩を構成する金属元素の具体例としては、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ａｌが挙げられる。有機酸の金属錯体または有機酸の金属塩を構成する有機酸の具体例としては、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、酢酸蟻酸および吉草酸が挙げられる。有機酸の金属錯体または有機酸の金属塩としては、有機酸が蟻酸の場合を例に挙げると、蟻酸チタン、蟻酸ルテニウム、蟻酸銅、蟻酸シリコン、蟻酸コバルト、蟻酸アルミニウムなどがあり、有機酸が酢酸の場合を例に挙げると、酢酸チタン、酢酸ルテニウム、酢酸銅、酢酸シリコン、酢酸コバルト、酢酸アルミニウムなどがあり、有機酸がプロピオン酸の場合を例に挙げると、プロピオン酸チタン、プロピオン酸ルテニウム、プロピオン酸銅、プロピオン酸シリコン、プロピオン酸コバルト、プロピオン酸アルミニウムなどがある。
金属膜を形成する際には下地が酸化されている場合があり、このような場合にそのまま金属膜を成膜すると特性が不十分になるおそれがある。このような不都合を回避するためには、上記還元性有機化合物ガスを先にチャンバー２１内に供給することが有効である。これにより、成膜に先立って還元性有機化合物によりウエハＷの表面を還元することができ、その後金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスの両方を供給することにより、下地が酸化していない状態で良質の金属膜を形成することが可能となる。このような効果は、比較的還元されやすい酸化膜が形成される下地上に金属膜を形成する場合に有効に発揮することができる。例えば、下地としてＲｕ膜バリア上に配線金属膜を成膜するような場合に、Ｒｕ膜表面に自然酸化膜が形成されていても、上記方法により酸化膜を還元することができ、良質の膜を成膜することができる。
次に、本発明の方法の適用例について図６を参照して説明する。図６は、ダマシン法によるＣｕ配線の形成工程を示す図である。まず、Ｓｉ基板１２０上に層間絶縁膜１２１を形成し、層間絶縁膜１２１に溝１２２を形成する（図６の（ａ））。次いで、バリア膜１２３として例えばＴｉ膜やＲｕ膜をＣＶＤにより成膜し（図６の（ｂ））、さらにその上に配線金属となるＣｕ膜１２４をＣＶＤにより成膜する（図６の（ｃ））を形成する。その後、Ｃｕめっきにより溝１２２の埋まっていない部分を埋め、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により溝１２２以外のバリア膜１２３およびＣｕ膜１２４を除去してＣｕ配線１２５を形成する（図６の（ｄ））。なお、Ｃｕ膜１２４形成後に溝１２２の埋まっていない部分は、引き続きＣｕ膜をＣＶＤで形成することで埋めることもできる。上記バリア膜１２３およびＣｕ膜１２４は、本実施形態に従って、金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスをチャンバー２１内に導入することにより成膜することができる。
この場合に、Ｃｕ膜１２４の成膜に先立って、下地の自然酸化膜を除去するために、先に還元性有機化合物を導入することが好ましいが、Ｃｕ膜１２４への酸化の影響をより確実に排除するためには、バリア膜１２３を成膜した後、大気雰囲気を経ることなくＣｕ膜１２４を成膜することがより好ましい。
このように大気雰囲気を経ることなくバリア膜およびＣｕ膜等の２つの膜を連続して成膜することができる装置としては、図７に示すようなものを挙げることができる。図７はバリア膜とＣｕ膜とを真空を破らずに連続的に成膜することができるクラスターツールタイプの成膜システムを示す概略構成図である。
成膜システム２００は、バリア膜を成膜するための２つのバリア膜成膜装置２０１と、Ｃｕ膜を成膜するための２つのＣｕ膜成膜装置２０２とを有し、これらが六角形をなすウエハ搬送室２０５の４つの辺にそれぞれ対応して設けられている。これらバリア膜成膜装置２０１と、Ｃｕ膜成膜装置２０２とは、上述した成膜装置１００と同様の構成を有している。また、ウエハ搬送室２０５の他の２つの辺にはそれぞれロードロック室２０６、２０７が設けられている。これらロードロック室２０６、２０７のウエハ搬送室２０５と反対側にはウエハ搬入出室２０８が設けられ、ウエハ搬入出室２０８のロードロック室２０６、２０７と反対側にはウエハＷを収容可能な３つのキャリアＣを取り付けるポート２０９、２１０、２１１が設けられている。
バリア膜成膜装置２０１およびＣｕ膜成膜装置２０２のチャンバーは、ゲートバルブＧを介してウエハ搬送室２０５に接続されている。また、ロードロック室２０６、２０７もゲートバルブＧを介してウエハ搬送室２０５に接続されている。これらは、対応するゲートバルブＧを開放することによりウエハ搬送室２０５と連通し、対応するゲートバルブＧを閉塞することによりウエハ搬送室２０５と遮断される。また、ロードロック室２０６、２０７とウエハ搬入出室２０８との接続部分にもゲートバルブＧが設けられており、ロードロック室２０６、２０７は、対応するゲートバルブＧを開放することによりウエハ搬入出室２０８と連通し、対応するゲートバルブＧを閉塞することによりウエハ搬入出室２０８と遮断される。ウエハ搬送室２０５内は所定の真空度に保持されており、ロードロック室２０６、２０７はウエハ搬送室２０５と連通させる際には所定の真空度に減圧され、ウエハ搬入出室２０８と連通させる際には大気雰囲気にされることが可能である。
ウエハ搬送室２０５内には、バリア膜成膜装置２０１、Ｃｕ膜成膜装置２０２、ロードロック室２０６、２０７の間でウエハＷの搬入出を行うウエハ搬送機構２１２が設けられている。このウエハ搬送機構２１２は、ウエハ搬送室２０５の略中央に配設されており、回転および伸縮可能な回転・伸縮部２１３の先端にウエハＷを保持する２つのブレード２１４ａ、２１４ｂを有しており、これら２つのブレード２１４ａ、２１４ｂは互いに反対方向を向くように回転・伸縮部２１３に取り付けられている。
ウエハ搬入出室２０８のキャリアＣ取り付け用の３つのポート２０９、２１０、２１１にはそれぞれ図示しないシャッターが設けられており、これらポート２０９、２１０、２１１にウエハＷを収容したまたは空のキャリアＣが直接取り付けられ、取り付けられた際にシャッターが外れて外気の侵入を防止しつつウエハ搬入出室２０８と連通するようになっている。また、ウエハ搬入出室２０８の側面にはアライメントチャンバ２１５が設けられており、そこでウエハＷのアライメントが行われる。
ウエハ搬入出室２０８内には、キャリアＣに対するウエハＷの搬入出およびロードロック室２０６、２０７に対するウエハＷの搬入出を行うウエハ搬送機構２１６が設けられている。このウエハ搬送機構２１６は、多関節アーム構造を有しており、キャリアＣの配列方向に沿ってレール２１８上を走行可能となっており、その先端のハンド２１７上にウエハＷを載せてその搬送を行う。
このように構成されたウエハ処理システム２０１においては、まず、キャリアＣからウエハ搬送機構２１６によって図６の（ａ）に示す構造を有する一枚のウエハＷを取り出し、ロードロック室２０６または２０７内に搬入し、ウエハＷを搬入したロードロック室内を減圧した状態でウエハ搬送室２０５と連通させ、ウエハ搬送機構２１２によっていずれかのバリア膜成膜装置２０１のチャンバー内に搬入し、バリア膜の成膜を行う。その後、ウエハ搬送機構２１２によってバリア膜が成膜されたウエハＷをいずれかのＣｕ成膜装置２０２に搬入し、バリア膜の上にＣｕ膜の成膜を行う。その後、ウエハ搬送機構２１２によってバリア膜の上にＣｕ膜が成膜されたウエハＷを所定の真空度に保持されたロードロック室２０７または２０６内に搬入する。そして、そのロードロック室のウエハ搬送室２０５側のゲートバルブＧを閉じるとともにその中を大気雰囲気にし、ウエハ搬入出室２０８と連通させ、ウエハ搬送機構２１６によってウエハＷをキャリアＣに戻す。
このようにすることにより、バリア膜成膜後、Ｃｕ膜を成膜する際に、真空を破らないので、バリア膜表面は酸化されておらず、Ｃｕ膜が酸化膜の影響を受けることがない。バリア膜を金属膜上に成膜する場合には自然酸化膜の除去が必要になるが、その場合には、成膜に先立って還元性有機化合物を導入することにより酸化膜を還元除去するか、より確実に自然酸化膜を除去する観点からは成膜システム２００に自然酸化膜を除去するための装置を設けて成膜に先立って自然酸化膜を除去することが好ましい。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では金属膜としてＣｕ膜等を成膜する場合を例にとって説明したが、本発明はこれらの例に限定されることなく、金属化合物を還元性有機化合物との間の酸化還元反応により還元して成膜することができるものであればよい。また、上記実施形態では、枚葉式の成膜装置を用いた例を示したが、バッチ式の装置であってもよいことは言うまでもない。さらに、基板として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明したが、これに限るものではなく、液晶表示装置（ＬＣＤ）用基板等、他の種々の基板を適用することができる。
本発明は、半導体装置の金属配線等の金属膜の成膜に好適である。
本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜方法を実施するために用いる成膜装置を模式的に示す断面図。 図１の成膜装置における金属化合物ガス供給部の一例を示す概略図。 図１の成膜装置における金属化合物ガス供給部の他の例を示す概略図。 図１の成膜装置における金属化合物ガス供給部のさらに他の例を示す概略図。 図１の成膜装置における金属化合物ガス供給部のさらに他の例を示す概略図。 本発明の方法の適用例を示す工程断面図。 本発明の成膜方法を実施可能な成膜装置を組み込んでバリア膜とＣｕ膜を真空を破ることなく連続して成膜することができるようにした成膜システムを示す概略構成図。
符号の説明
２１；チャンバー
２２；サセプタ
２５；ヒーター
３０；シャワーヘッド
４５；排気装置
５０；ガス供給機構
５１；金属化合物ガス供給部
５２；還元性有機化合物ガス供給部
１００；成膜装置
１１０；プロセスコントローラ
１２０；Ｓｉ基板
１２１；層間絶縁膜
１２２；溝
１２３；バリア層
１２４；Ｃｕ膜
１００；成膜装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）

Claims (10)

  1. 処理容器内に被処理基板を配置し、前記処理容器内に金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスとを連続的に供給することにより基板の表面に金属膜を形成することを特徴とするＣＶＤ成膜方法。
  2. 前記金属膜は、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＲｈおよびＭｎの少なくとも１種を含み、前記金属化合物はこれらの少なくとも１種を含む化合物であることを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ成膜方法。
  3. 前記還元性有機化合物は、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、無水カルボン酸、エステル、有機酸アンモニウム塩、有機酸アミン塩、有機酸アミド、有機酸ヒドラジド、有機酸の金属錯体および有機酸の金属塩から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＶＤ成膜方法。
  4. 最初に前記還元性有機化合物ガスのみを処理容器内に供給し、その後金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを処理容器内に供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＣＶＤ成膜方法。
  5. 前記金属化合物ガスの原料と前記還元性有機化合物ガスの原料とを１つの容器内に混合した状態で貯留し、その容器から金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスを処理容器内に供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＣＶＤ成膜方法。
  6. 被処理基板を収容する処理容器と、
    処理容器内で基板を載置するための載置台と、
    処理容器内に金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内を排気するための排気装置と、
    前記載置台上の基板を加熱する加熱装置と
    を具備し、
    前記処理容器内に金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを供給して前記載置台上の被処理基板表面にこれらの反応により金属膜を成膜することを特徴とするＣＶＤ成膜装置。
  7. 前記ガス供給部は、前記金属化合物ガスの原料を貯留する容器と、前記還元性有機化合物ガスの原料を貯留する容器とを別個に有することを特徴とする請求項６に記載のＣＶＤ成膜装置。
  8. 前記ガス供給部は、前記金属化合物ガスの原料と前記還元性有機化合物ガスの原料とを混合した状態で貯留する容器を有し、その容器から金属化合物ガスと還元性有機化合物ガスを処理容器内に供給することを特徴とする請求項６に記載のＣＶＤ成膜装置。
  9. 真空に保持され、被処理基板を収容する処理容器と、処理容器内で基板を載置するための載置台と、処理容器内に金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内を排気するための排気装置と、前記載置台上の基板を加熱する加熱装置とを備えた２つ以上の成膜処理ユニットと、
    これら成膜処理ユニット間で真空を破ることなく基板を搬送する基板搬送機構と
    を具備し、
    いずれかの成膜処理ユニットにて金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスの反応により被処理基板表面に第１の金属膜を成膜し、その後、前記基板搬送機構により他の成膜処理ユニットに被処理基板を搬送し、そこで真空を破ることなく連続して金属化合物ガスおよび還元性有機化合物ガスの反応により前記第１の金属膜の上に第２の金属膜を成膜することを特徴とするＣＶＤ成膜装置。
  10. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、請求項１から請求項５のいずれかの方法が行われるようにコンピュータに成膜装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読取可能な記憶媒体。
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