JP3189780B2 - 半導体装置の製造装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造装置及びその製造方法Info
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Description
装置及びその製造方法に関し、特に、銅、アルミニウム
等の金属膜、SiO2等の絶縁膜、チタン酸ストロンチ
ウム等の高誘電体膜、BST、TZT等の強誘電体薄膜
等を熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法により
基板上に形成するための半導体装置の製造装置及びその
製造方法に関する。
め込んで形成される配線(いわゆるダマシン銅配線)の
製造においては、Cuを基板上に堆積するために熱CV
D装置が用いられる。図6は、従来の熱CVD装置を概
略的に示す説明図である。
は、中空の真空チャンバ50と、真空チャンバ50内を
真空に排気するためのターボ分子ポンプ等の真空ポンプ
51と、真空チャンバ50内に設けられ、基板Wを支持
する基板ホルダ52と、基板Wに堆積すべきCuを原料
ガスとして気化する気化器53と、その気化器53から
真空チャンバ50内に原料ガスを供給するための供給口
54と、を有する。
程度の範囲の温度で基板Wの温度を制御できる基板加熱
機構を有する。Cuを堆積する場合には、通常、200
℃程度に温度制御される。
線形成のためのCu膜の堆積方法を説明する。まず、半
導体基板Wのシリコン酸化膜の配線予定領域に溝部を形
成する。
ホルダ52上に支持する。真空チャンバ50内は、予め
真空ポンプ51により真空状態になっている。
作動させて、基板の温度を所望の温度に加熱する。それ
と同時に、気化器53によって気化された原料ガスであ
るCu(hfac)(tmvs)をキャリアガスの水素
ガスと一緒に供給口54に供給し、所望の膜厚のCu膜
を基板W上に堆積する。
り、堆積されたCuを研磨して、溝部内にだけCuを残
し、Cu配線を形成する。
平2ー119125号公報、特開平3ー97871号公
報及び特開平3ー257099号公報には、プラズマC
VD装置において、基板を保持する基板ホルダに電圧を
印加する技術が開示されている。
応は、 2Cu+1(hfac)(tmvs)→Cu0+Cu+2(hfac)2 +2(tm
vs) の不均化反応が主な反応である。この反応速度は、Cu
+1(hfac)、2分子の堆積表面での吸着、電荷移動と反応
生成物の脱離等で律速される。それらの律速反応のドラ
イビングフォースは、基板表面温度による熱エネルギ
ー、原料ガスの供給等の量であるが、これらの量で反応
速度を向上させることは困難である。また、上記不均化
反応は、原理的に可逆反応であり、反応の方向を等方的
な熱で制御することには限界があると考えられる。
においては、カバレージを良好にするために基板温度を
下げる必要があり、Cuの堆積速度が遅くなる(例え
ば、20nm/分)。その結果、半導体装置の製造時間
が長くなり、生産性が低下するという問題がある。
御することができないため、極性のそろった膜質の良好
な膜を堆積することは困難であった。
には、Cu膜の粒成長を制御することが必要であるが、
従来の方法では粒成長を制御することは困難であった。
CVD装置の技術は、基板にバイアス電圧を加えて、基
板の表面がAr等のイオンにより衝撃されることによ
り、膜面の純化、ステップカバレージの改善及び膜面の
平坦化の改善を図るものであり、本発明のように電気的
な静電作用もしくは電流作用を利用した技術とは本質的
に異なるものである。
れたものであり、膜の堆積を促進でき、膜の堆積速度、
結晶配向及び粒成長を制御することができる半導体装置
の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
造装置は、基板上に膜を熱CVD反応により堆積するた
めに用いられる半導体装置の製造装置において、基板又
は基板上に堆積された膜に電流あるいは電位を印加する
電源部を有することを特徴とするものである。
上に膜を熱CVD反応により堆積するために用いられる
半導体装置の製造装置において、基板又は基板上に堆積
された膜に接触する電極端子を備えたリングと、そのリ
ングの電極端子に電流あるいは電位を印加する電源部
と、電極端子を基板又は基板上に堆積された膜に接触し
たり離脱するために、リングを移動させるリング移動手
段と、を有することを特徴とするものである。
端子と負電圧が印加される負電極端子とが対向して配置
されてもよい。
するように複数配置され、電源部は、各電極端子に独立
して電圧を印加し、対向する電極端子のうち、一方の電
極端子に正電圧を印加し、他方の電極端子に負電圧を印
加し、かつ、隣接する電極端子に正電圧及び負電圧の印
加を順に切り換え可能であってもよい。
は基板上に堆積された膜の電位を監視し、その電位に基
づいて電流量、電位又は基板温度を制御する制御手段を
有してもよい。
は基板上に堆積された膜の電位を接地電位等任意に設定
できるのが好ましい。
は、基板上に膜を熱CVD反応により堆積するために用
いられる半導体装置の製造装置において、基板又は基板
上に堆積された膜に接触することなく、基板又は基板上
に堆積された膜に電流あるいは電位を発生させる手段を
有することを特徴とするものである。
された膜に磁束を印加する磁気発生手段である。
に膜を熱CVD反応により堆積する半導体装置の製造方
法において、基板又は基板上に堆積された膜に電流ある
いは電位を印加しながら、膜を堆積することを特徴とす
るものである。
上に膜を熱CVD反応により堆積する半導体装置の製造
方法において、基板又は基板上に堆積された膜の電位を
接地電位等任意に設定しながら、膜を堆積することを特
徴とするものである。
板上に膜を熱CVD反応により堆積する半導体装置の製
造方法において、基板又は基板上に堆積された膜に接触
することなく、例えば、磁束を印加することにより、基
板又は基板上に堆積された膜に電流あるいは電位を印加
することを特徴とするものである。
(1)基板上に膜を熱CVD反応により堆積する工程
と、(2)堆積された膜に電流あるいは電位を印加しな
がら、膜を熱CVD反応により堆積する工程と、を有す
ることを特徴とするものである。
は、(1)半導体基板上に溝部を形成する工程と、
(2)溝部内に膜の拡散を防止するためのバリア層を堆
積する工程と、(3)バリア層上に膜を熱CVD反応に
より堆積する工程と、(4)堆積された膜に電流あるい
は電位を印加しながら、膜を熱CVD反応により堆積す
る工程と、(5)膜及びバリア層を研磨し、溝部内の膜
とバリア層を残して配線を形成する工程と、を有するこ
とを特徴とするものである。
れた膜に電流あるいは電位を印加することにより、不均
化反応に加えて、還元反応が生じ、膜の堆積が促進さ
れ、かつ、膜の堆積速度、結晶配向及び粒成長を制御す
ることができる。
れた膜の電位を接地電位等に設定できるので、静電チャ
ック等によって生じる基板表面の電位分布を均一にでき
る。
面を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施の
形態に係る半導体装置の製造装置を概略的に示す説明図
であり、(A)はリングの電極端子が基板表面から離れ
ている状態を示し、(B)はリングの電極端子が基板表
面に接触している状態を示す。
は、中空の真空チャンバ1と、真空チャンバ1内を真空
に排気するためのターボ分子ポンプ等の真空ポンプ2
と、真空チャンバ1内に設けられ、基板Wを支持する基
板ホルダ3と、基板Wに堆積すべきCuを原料ガスとし
て気化する気化器4と、その気化器4から真空チャンバ
1内に原料ガスを供給するための供給口5と、基板Wの
表面に接触する電極端子6を備えたリング7と、そのリ
ング7を上下に移動させるピストンシリンダ装置8と、
リング7の電極端子6に電気的に接続され、電極端子6
を介して基板Wの表面の電位を変化させたり、基板Wに
電流を供給したりするための電源部9と、を有する。
度の範囲の温度で基板Wの温度を制御できる基板加熱機
構を有する。Cuを堆積する場合には、通常、200℃
程度に温度制御される。
縁性の材料で作られる。
端部はリング7の下面に取り付けられ、ロッド8aを伸
縮することにより、リング7を昇降させることができ
る。これによって、基板Wの表面にリング7の電極端子
6が接触したり、離れたりする。
ーンは可変であり、電位、電流のパターンを変化させて
膜の堆積を制御することができる。
Wの表面の電位を監視し、電流量、電位、基板温度を制
御する制御部10を設けてもよい。
ホルダ3を用いる場合、基板Wに静電的に誘起される電
荷が生じ、それによって基板電位が変化し、CVD反応
に影響を及ぼす可能性がある。そこで、制御部10によ
り基板電位を接地電位等に制御して、電位分布を均一に
するのが好ましい、これによって、膜の均一性や再現性
を向上できる。また、基板Wの表面をアースしたり、電
位設定部により基板電位を任意に設定してもよい。
s)、ヘキサフルオロアセチルアセトナト銅トリメチル
ビニルシランを原料ガスに気化する。気化された原料ガ
スは、供給口5を介して基板Wの表面に供給される。
より、Cu膜を堆積しCu配線を形成するための工程を
示す断面図である。
板Wのシリコン酸化膜11の配線予定領域に溝部12を
形成する。溝部12の形成は、例えば、反応性イオンエ
ッチングを用いる。溝部12の幅は、0.3μmの幅か
ら100μmの幅までさまざまであるが、ここでは0.
5μmの幅の例を示している。溝部12の深さも設計に
応じて異なるが、0.5μmの例を示している。この溝
部12に、Cuの拡散を防止するためのバリア層13を
堆積する。バリア層13の材料は、Ta、TaN、Ti
N、WN、WSiNなどであり、膜厚は10nm程度で
ある。
図1に示す真空チャンバ1内に設置する。真空チャンバ
1内は、予め真空ポンプ2により真空状態になってい
る。
動させて、基板Wの温度を所望の温度(180℃程度)
に加熱する。それと同時に、原料ガスであるCu(hf
ac)(tmvs)をキャリアガスの水素ガスと一緒に
供給し、図2(B)に示すように、膜厚100nmのC
u膜14を堆積する。原料ガスのガス圧力は、13To
rr程度である。また、この時、ピストンシリンダ装置
8のロッド8aが伸長しているので、リング7の電極端
子6は、基板Wの表面から離れている(図1(A)参
照)。
vs) の不均化反応が主たる反応である。この時の成膜速度
は、約100nm/分である。
8aを短縮させて、リング7の電極端子6を基板Wの堆
積されたCu膜14の表面に接触させる(図1(B)参
照)。そして、電源部9から電極端子6を介して−20
Vの電位を基板Wの表面に印加する。この電位によっ
て、気相中のCu(hfac)が引きつけられる。な
お、Cu(hfac)内には、構成原子の電子親和力の
差によって電子の偏りが生じており、極性を持ってい
る。静電的な引力によって表面に分子は引きつけられ
る。また、基板Wの表面では、電子供給が行われ、不均
化反応に加えて、 Cu+1(hfac) +e+H*→Cu0+H(hfac) Cu+2(hfac)2 +2e+H2→Cu0+2H(hfac) のような還元反応が生じ、Cuの堆積が促進される。な
お、この反応式中の水素は、Cu(hfac)(tmv
s)のキャリアガスとして、真空チャンバ1内に供給さ
れる。この時の堆積速度は、150nm/分である。ま
た、電位の作用で、電界方向に結晶配向がそろえられ
る。
に、700nmの膜厚のCu膜15を堆積する。
械研磨(CMP)法により、Cu膜14、15及びバリ
ア層13を研磨して、溝部12内にのみCu膜14、1
5とバリア層13を残し、Cu配線16を形成する。
u膜を堆積する第1の工程と、電流を供給してCu膜を
堆積する第2の工程の2工程に分かれている。第1の工
程で堆積したCuが均一な電位分布を供給するためのシ
ード層になる。
バリア層13の表面に接触させてCu膜を堆積してもよ
い。この場合、基板面内の電位分布はバリア層13の抵
抗で決まるため、均一な電位分布を得るためには、抵抗
の低いバリア層13(例えばTa、Nbなどの純金属)
を用いる必要がある。また、電源部9から供給される電
位は、一定であっても、一定でなくてもよく、例えば、
交流のように一定周期で電流の方向が変わってもよい。
交流を加える場合には、極性をもつ気相中のCu(hf
ac)分子は、基板電位から引きつけられたり、離れた
り、あるいは電気的な力による回転をしたりする。適当
な交流周波数を選択することによって、配向や堆積速度
を制御できる。
半導体装置の製造装置を概略的に示す平面図である。
は、リング7に取り付けられた電極端子は、4本の正電
極端子20・・・と4本の負電極端子21・・・とから
なり、所定間隔を隔ててそれぞれ対向する位置に配置さ
れる。正電極端子20と負電極端子21は電源部9から
電流が供給できるようになっている。
にバリア層13上に100nmのCu膜14を堆積した
後、正電極端子20及び負電極端子21を基板Wの表面
に接触させて、基板Wの表面に電流を流す。その状態
で、Cu(hfac)(tmvs)を水素とともに供給
し、基板温度180℃でCVDを行う。
は、バルク中の原子に比較して、容易に動きやすい(マ
イグレーションしやすい)という傾向がある。これは、
表面に堆積する状態が、いわば準安定であることと、表
面ではバルクと異なり原子間の結合手が完全ではないか
らである。従って、表面に堆積したCu原子、Cu(h
fac)は、基板Wに流れる電流の作用でエレクトロマ
イグレーションを生じる。通常の熱的な堆積において
は、熱的な振動によって、ほぼランダムにマイグレーシ
ョンする。一定方向の電流がある場合には、静電的な作
用、電子風力と言われる量子力学的な作用によってマイ
グレーションが助長されるとともに、電流のもつ方向性
によって、一定の秩序をもった堆積が可能となる。この
原理から、電流の方向性を利用して、膜の成長を制御し
配向を制御することができる。
定であっても、一定でなくてもよく、例えば、交流のよ
うに一定周期で電流の方向が変わってもよい。また、正
電極端子20と負電極端子21の配置は、任意であり、
交互に正電極端子20、負電極端子21が入れ替わった
ような配置でもよい。正電極端子20及び負電極端子2
1の数も任意である。さらに、第1の実施の形態のよう
に制御部10を設けてもよい。
半導体装置の製造装置を概略的に示す平面図である。
は、8本の電極端子30・・・が等間隔に同心円状にリ
ング7に配置される。各電極端子30はそれぞれ独立に
電源部9の電源端子a〜hに電気的に接続され、各電源
端子a〜hを介して、各電極端子30に独立に電位が印
加される。
加し、同時に、負電圧をe→f→g→hの順に印加する
と、電極端子30間の電流方向が一定周期で回転するこ
とになる。これによって、基板面内で、平均化された電
流が流れることになり、表面の原子、吸着分子は基板面
に平行な電流からマイグレーションの助長と、方向性を
与えられて、電流の作用によって制御された膜の堆積が
生じる。
界の原子拡散を促進して粒成長を促進し、大きな結晶粒
が得られる等の効果が得られる。大きな結晶粒は、粒界
が少ないため配線を形成した時のエレクトロマイグレー
ション耐性が強くなり、信頼性の高い配線を形成するこ
とができる。さらに、基板面に平行な電流によって方向
性をもって粒成長した膜は、その電流ストレス下でエネ
ルギー的に安定な状態になっている。配線を形成した後
の電流も基板面に平行であり、成膜中の電流ストレスと
同じ面内である。前述したように、膜は電流ストレス下
で、最もエネルギー的に安定になるように堆積してお
り、配線で電流が流れる状態でもエネルギー的に安定し
ている。このことからも、電流ストレスに強い膜を形成
できるといえる。
定であっても、一定でなくてもよく、例えば、交流のよ
うに一定周期で電流の方向が変わってもよい。また、電
極端子30の数及び配置は、任意である。さらに、第1
の実施の形態のように制御部10を設けてもよい。
実施の形態に係る半導体装置の製造装置を概略的に示す
説明図である。
は基板W上に堆積された膜に電極端子が接触して、電流
あるいは電位を印加するが、第4の実施の形態では、基
板W又は基板W上に堆積された膜に接触することなく、
電流あるいは電位を印加することを特徴とする。
うに、基板ホルダ3に水平方向に巻かれたコイル40を
設け、そのコイル40に電源部41から電流を流すこと
により、基板Wに垂直方向の磁束42が印加される。こ
れによって基板W面内に渦電流が発生するので、膜の堆
積を促進できる。また、印加すべき磁束を制御すること
により、膜の堆積速度、結晶配向及び粒成長を制御する
ことができる。
ダ3に垂直方向に巻かれたコイル43を設け、そのコイ
ル43に電源部41から電流を流すことにより、基板W
に水平方向の磁束44が印加されるようにしてもよい。
えたリングを移動させる機構が不要となるので、装置を
小型化、簡単化することができる。また、電極端子と基
板Wとの接触状態等を考慮する必要がなくなるので、電
流あるいは電位を確実に基板Wに印加することができ
る。
とはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範
囲内において、種々の変更が可能である。本発明は、C
u膜以外にAl、Au、Ag、Ti、Ni等の金属膜、
SiO2等の絶縁膜の堆積にも適用することができる。
また、本発明は、例えば、強誘電体膜チタン酸ストロン
チウム、チタン酸バリウム、BST、チタン酸鉛等のよ
うに、極性をもつ膜の形成において適用することができ
る。この場合、印加される電位によって、堆積する膜が
電界方向に配列し、極性のそろった膜を堆積することが
できる。
された膜に電流あるいは電位を印加することにより、不
均化反応に加えて、還元反応が生じ、膜の堆積が促進さ
れる。その結果、半導体装置の製造時間が短縮され、生
産性が向上する。
ことができるので、極性のそろった良好な膜質の膜を堆
積することができる。
ので、配線等の信頼性が向上する。
された膜の電位を接地電位等に設定できるので、静電チ
ャック等によって生じる基板表面の電位分布を均一にで
き、膜の均一性、再現性を向上できる。
製造装置を概略的に示す説明図であり、(A)はリング
の電極端子が基板表面から離れている状態を示し、
(B)はリングの電極端子が基板表面に接触している状
態を示す。
を堆積しCu配線を形成するための工程を示す断面図で
ある。
製造装置を概略的に示す平面図である。
製造装置を概略的に示す平面図である。
態に係る半導体装置の製造装置を概略的に示す説明図で
ある。
る。
Claims (13)
- 【請求項1】基板上に膜を熱CVD反応により堆積する
ために用いられる半導体装置の製造装置において、基板
上に堆積された膜の膜堆積表面に直接接触する電極端子
によって、前記膜に電流あるいは電位を印加する電源部
を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。 - 【請求項2】基板上に膜を熱CVD反応により堆積する
ために用いられる半導体装置の製造装置において、 基板上に堆積された膜の膜堆積表面に直接接触する電極
端子を備えたリングと、 そのリングの電極端子に電流あるいは電位を印加する電
源部と、 前記電極端子を前記基板上に堆積された膜の膜堆積表面
に直接接触したり離脱するために、前記リングを移動さ
せるリング移動手段と、 を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。 - 【請求項3】前記リングに、正電圧が印加される正電極
端子と負電圧が印加される負電極端子とが対向して配置
されることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の
製造装置。 - 【請求項4】前記電極端子は、前記リングに同心円状に
対向するように複数配置され、 前記電源部は、各電極端子に独立して電圧を印加し、前
記対向する電極端子のうち、一方の電極端子に正電圧を
印加し、他方の電極端子に負電圧を印加し、かつ、隣接
する電極端子に正電圧及び負電圧の印加を順に切り換え
可能である、 ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造装
置。 - 【請求項5】前記基板上に堆積された膜の電位を監視
し、その電位に基づいて電流量、電位又は基板温度を制
御する制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至
4のいずれか1つの項に記載の半導体装置の製造装置。 - 【請求項6】基板上に膜を熱CVD反応により堆積する
ために用いられる半導体装置の製造装置において、基板
上に堆積された膜の電位を、前記膜の膜堆積表面に直接
接触する電極端子によって任意に設定できることを特徴
とする半導体装置の製造装置。 - 【請求項7】前記基板上に堆積された膜の電位を接地電
位に設定できることを特徴とする請求項6に記載の半導
体装置の製造装置。 - 【請求項8】基板上に膜を熱CVD反応により堆積する
半導体装置の製造方法において、基板上に堆積された膜
の膜堆積表面に直接接触する電極端子によって、前記膜
に電流あるいは電位を印加しながら、膜を堆積すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】基板上に膜を熱CVD反応により堆積する
半導体装置の製造方法において、基板上に堆積された膜
の膜堆積表面に直接接触する電極端子によって、前記膜
の電位を任意に設定しながら、膜を堆積することを特徴
とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】前記基板上に堆積された膜の電位を接地
電位に設定しながら、膜を堆積することを特徴とする請
求項9に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】(1)半導体基板上に溝部を形成する工
程と、 (2)前記溝部内に膜の拡散を防止するためのバリア層
を堆積する工程と、 (3)前記バリア層上に膜を熱CVD反応により堆積す
る工程と、 (4)前記堆積された膜に電流あるいは電位を印加しな
がら、膜を熱CVD反応により堆積する工程と、 (5)前記膜及びバリア層を研磨し、溝部内の膜とバリ
ア層を残して配線を形成する工程と、 を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項12】基板又は基板上に堆積された膜に接触す
ることなく、前記基板上に堆積された膜に電流あるいは
電位を印加することを特徴とする請求項11に記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項13】前記基板上に堆積された膜に磁束を印加
することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の
製造方法。
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