JPH05504790A

JPH05504790A - 高純度金属の低温化学気相付着のための製造システム

Info

Publication number: JPH05504790A
Application number: JP91500388A
Authority: JP
Inventors: エスチバック、ルドルフ、ジョセフ、バーナード
Original assignee: インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
Priority date: 1990-04-03
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1993-07-22
Also published as: EP0528795A1; WO1991017284A1; US5312509A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

高純度金属の低温化学気相付着のための製造システム［技術分野］本発明は、高純度金属の低温化学気相付着法を実施するための装置に関する。［背景技術］半導体ウェーハ上にＣＶＤ　（化学気相付着）銅金属被覆を付着するためのシステムが必要とされている。この要件は、半導体チップ配線、レベル間接続（スタッド）、電気移動、及び回路速度における現在の金属被覆技術の限界及び問題と結合している。現在利用可能なシステムは、ＣＶＤ銅付着付着用造型システムとして、スパッタ・システム上の特別に設計された反応／付着チャンバを使用し、バイア・ホール、接続線、及び相互接続スタッドを充填するための移動機構として化学気相付着を使用して、アルミニウム銅やその他の金属を純銅で置き換えるものである。現在の金属被覆及び配送システムのための既存の方法は、アルミニウム胴中の銅のパーセンテージを変えること、バリヤを使って電気移動を停止すること、スタッド用にタングステンなどの他の金属を使用すること、蒸着、ＰＩＢ　（部分イオン化ビーム）　、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）、及びスパッタリングを使って同じ幾何形状を充填することである。現在、ＣＶＤ銅付着システムが必要と思われる。しかし、ＣＶＤ技術によってタングステンを付着する方法は周知である。銅のためのシステムは、装置及びプロセス技術の設計がかなり異なっている。 −ビーチ（Ｂｅａｃｈ）らの１９８７年６月３０日出願の米国特許出願第６８６９５号、及び”Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｐｐｅｒ、　５ｉｌｖｅｒ　ａｎｄ　Ｇｏｌｄ　Ｕｓｉｎｇ　ａＣｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ　Ｍｅｔａｌ　Ｃｏｍｐｌｅｘ″ と題する１９８９年１月４日公示の出願公告筒０２９７３４８号として英国で公告された英国特許出願筒８８１０９４４４．５４ｄ、ｔ、銅（７）ＣＶＤ付着を使って、（熱反応器による）熱ＣＶＤを用いて半導体チップの金属被覆を形成する方法を記載している。この反応器は、銅を担持する前駆体化合物を加熱して、化合物を解離させて銅金属を残し、基板に付着させる。簡単な反応器が、昇華する化合物３０の上に吊された基板２４と共に示されている。ビーチらの出願明細書で略述されているステップは下記の通りである。ａ）基板を担持するチャンバに０．００１）−ルの真空をかけて、反応器を清浄化する。ｂ）圧力を０．１トルに上げる。Ｃ）反応器１０の外壁を約７０’Ｃに加熱する。反応器はトラップ式拡散ポンプによって排気できる。ｄ）基板を約１５０〜２２０℃に加熱する。ｅ）化合物３０が昇華し、蒸気が基板に上り、そこで気体状の前駆体化合物が分解して、基板上に金属が付着する。ビーチらの例では、まずビーチらの第１図で反応器の周りに氷水浴を置く。次に、基板ホルダを２１５℃にまで加熱して、氷水浴を７０℃の湯浴と取り換え、表面にＣｒ付着膜を設けたシリコン基板上にほぼ即時に銅付着を生じさせる。ＣＶＤ反応器及び金属に関する特許としては、下記のものがある。ＣＶＤ方法に関するスズキらの米国特許第４３８８３４２号は、気体状化合物を含む補助ガスを反応室に供給し、気体状化合物の濃度測定値に応じて、反応室中で消費された気体状化合物を補償することを記載している。ＣＶＤ装置に関するナカヤマらの米国特許第４５０３８０７号は、チャンバ及び反応器の装入、すなわち個別自動カセットによる装入を記載している。ヤマブキらの米国特許第４６３６４０１号は、エネルギー及びガスのフロー・システムを記載している。ＣＶＤ加熱装置制御回路に関するスピッツ（Ｓｐｉｔｚ）の米国特許第４６０７５９１号は、フィードバックによってウェーハ加熱装置を制御するための温度センサを記載している。ＣＶＤ反応チャンバに関するウルフソン（ＷｏｌｆｓｏΩ）らの米国特許第４５９６２０８号は、反応チャンバと温度を読み取るための熱電対を記載している。問題は、上記の特許出願第６８６９５号に記載されたビーチらの方法などのＣＶＤ法を使用して、特にポリイミドなどの低温誘電体を用いて、アスペクト比が１より大きい高アスペクト比のトレンチを導体金属被覆で充填する装置を設計することである。必要とされるものは、低温で純銅を付着して、高アスペクト比の孔及び線を継目や空隙なしに充填することである。蒸着やスパッタリングなど、現在市販されている孔を充填するための手段は、採用される方法そのものの固有の性質及び付着膜で充填すべき幾何形状のせいで、銅の中に空隙を残したり継目を生じたりする。純銅の配線及び相互接続スタッドの重要性は、チップ回路における速度と信頼性にある。製造工程用の銅金属被覆法は、ＣＶＤ工程の孔充填特性のおかげで、高速度とより高い信頼性ならびにより高密度のパッケージをもたらすので、半導体産業でめられている。［発明の開示コ低温で純銅を化学気相付着するための本システムは、孔及び線を継目や空隙なしに充填する。化学気相付着は、表面全体にほぼ同じ割合で付着させ（コンフォーマル付着）、側壁の空隙形成や孔の中心における継目の形成なしに、高アスペクト比の孔を充填できることが実証された。本発明に従った装置を使用して、高周波清浄化工程によって加工物の事前清浄化を行ない、スパッタ付着によって加工物に接着バリヤ層を付着させ、（必要ならばシード層をスパレタし、）ＣＶＤ銅付着をその場で実施する。この解決策の代替方法は、孔や線に空隙や継目を残すので余りうまくないことが判明している蒸着、スパッタリング、ＰＩＢ、ＥＣＲなど他の材料放出手段を使用するものである。上記のビーチらの出願明細書における材料を使って、ＣＶＤ付着を用いて電気回路用にパターン付けされたウェーハ上に金属被覆を付着させる。パターン付けされたウェーハの上面にタンタル・ボンディング層をスパッタ付着する。次に、上記のビーチらの出願明細書に記載されたトリアルキルホスフィン（シクロペンタジェニル）銅化合物などの銅を含む揮発性有機化合物から、銅金属ＣＶＤ付着のベースとしての銅金属シード層を形成するのに十分な層をフラッシュ・スパン　 −タする。本発明によれば、自動多重チャンバ製造装置で、金属被覆で充填すべきエツチングされたパターンを有する基板を処理する。このシステムは、自動的に基板を第１チヤンバに装入し、次に基板をチャックに装填する。システムはチャンバからガスを排気する。次のチャンバで、システムは基板にプラズマ・エツチングを行なう。次のチャンバへ基板を移動して位置合せし、そこでシステムは基板上に接着層を付着する。さらに他のチャンバへ基板を移動して位置合せし、そこでシステムは基板上に核形成シード層を付着する。別の（ＣＶＤ）チャンバへ基板を移動して位置合せし、そこでＣＶＤ銅が付着される。ＣＶＤチャンバに隣接する反応器に、昇華可能な金属の前駆体が入っている。反応器用の熱伝達システムが、前駆体の昇華温度より上及び下に反応器を選択的に冷却及び加熱する。加熱はタイミング手段の制御下で所定の昇華時間性なわれる。昇華ガスをチャンバ内に送り込むように、反応器を選択的にチャンバに結合する。チャックを加熱して、前駆体の解離温度以上に基板を加熱し、前駆体から金属を基板上に放出し、基板の上のシード層上に金属種を核形成させる。次に、所定の各昇華時間の経過後にポンプでシステムの圧力を下げ、基板をチャックとチャンバから下ろし、続いてチャックとチャンバをシステムから外す。［図面の簡単な説明コ第１図は、従来技術によるスパッタ・システムの全体図である。第２図は、第１図の全体システムのうち第１図の切断線Ｒ−Ｒの右側部分は第２図で修正された部分を使用する、本発明の実施例を示す図である。［発明の好ましい実施例］本発明は、第１図の従来技術による全体的ＭＲＣエクリプス・システムなどの、全体的スパッタリング・システムの標準の金属スパッタ・モジュールに組み込まれる。第１図の全体システムは、第２図では修正され、ドア組立品４３１から、スパッタ・ガン組立品（カソード組立品３７０、カソード・マグネット３７１、ターゲット３７２、絶縁体３７２Ａ）を含む切断線Ｒ−Ｒの右側部分が除去されている。付着シールド４００Ａ、Ｂ、Ｃ１固定スＯツト）’ｖ−プｌ／−ト５０１、つ工−ハ・ホルダばね３３、及び銅被覆を施されない予定の他の内部チャンバ面は、少な（ともその露出表面が、アルミニウム自然酸化物または弱い銅核形成／接着用に被覆されたアルミニウム酸化物から構成されている。定置プリナム１１４、位置合せ板３１、シール・カップ用冷却装置４７、シール・リングばね２０８、シール・リング２２０、ウェーハ・ホルダ３３、シール・カップ３０４、ベローズ３０６、背面ヒータ・ブロック３２６、絶縁体３７２Ａ、電気ヒータ３９０、冷却管３９４、背面シールド４０２、ドア４３１、及び冷却溝ＣＧも設けられている。全体システムは、自動処理システムの位置合せ位置の１つに置かれたＣＶＤサブシステム３０を含んでいる。サブシステム３０では、反応チャンバ２４中でＣＶＤ処理を実施することができる。例ウェーハ上で行なわれる処理の一例は下記の通りである。１、標準ウェーハ搬送装置を使用した、カセットへの自動装入及びカセットからの自動取外し。２、高周波清浄化：１３．５ＭＨｚの高周波電力によるアルゴン・プラズマ・エツチング。３、接着／バリア層　−標準のブレーナ・マグネトロン・スパッタ付着技術を使って付着した１０ｏＯオングストロームのＴａ／ＴａＯｘ／Ｔａ　。４、シード層　−標準のプレーナ・マグネトロン・スパッタ付着技術を使って付着した２００オングストロームの０５、下記のシステムと方法を使用するＭＯＣＶＤ銅付着工程。初期設定前駆体１０を反応器１１（オフライン）に装入する。反応器１１を、遮断弁２６でサブシステム３０に連結する。グリコール・ライン５２．５６を、第２図に示すように反応器１１に取り付ける。反応器１１を、前駆体１０のガス抜き時間中に１０−’）−ルにまで減圧する。機械式ポンプ２１とターボ・ポンプ２０が、この減圧を行なう働きをする。遮断弁２６を開き、粗動ライン５７．５８中の粗動バルブ２２をゆっくりと開く。スロットル・バルブ１８を開きなからバーン・ボックス／ファーネス１９との連結によって、遷移チャンバ１２と反応器１１を真空設定値にまで減圧する。真空設定値に達したとき、粗動バルブ２２と遮断弁２６を閉じる。このとき、システムは付着の準備が完了している。ステップ１位置合せ板３１上にフィンガ３３で支えた半導体ウェーＡ１４を、ウェーハ・チャック１５を覆う位置に（るまで、全体システムの周りで移動して位置合せする。ステップ２ウェーハを、標準自動ウェーハ搬送機構によってチャック１５の上に置く。チャック１５をガスで加熱する。チャック３２には、管３２がついており、その中をアルゴン・ガスが通過し、自動ウェーハ処理の当業者にはよく理解できるように、アルゴン・ガスがウェーハ１５の背後を通過するとき、対流によって熱をチャック１５からウェーハ１４に伝達する。ステップ３反応チャンバ２４を、１０−６トルの所定の圧力設定値になるまで排気する。ステップ４槽２５中の熱グリコール冷媒を、供給ループによって反応器１１のジャケット３３に連結し、反応器１１内の前駆体を加熱させる。遮断弁２６が開き、容量式圧力計の形の圧力変換器４０に応答して、反応器１１からの前駆体の昇華を感知付着バルブ１３が圧力変換器４０の制御下で開く。ターボ・ポンプ・バルブ２３も圧力変換器４ｏの制御下で開く。スロットル・バルブ１８の開放はもう１つの圧力変換器４Ｈ二よって制御される。スロットル・バルブ１８は、ターボ・ポンプ２０と機械式ポンプ２１のポンプ送出速度を制御して、チャンバ２４内の圧力を制御する。ステップ６付着モード：未反応の前駆体を、「バーン・ボックス／ファーネス」　１９に送って分解させる。持続時間二時間Ｘ−ソフトウェアとタイマ。ステップ７ソフトウェアと個別の電子タイマによって測定された時間Ｘが過ぎた後、下記の機能が実施される。ａ、付着バルブ１３が閉じる。ジャケット３３を通るグリコール循環を温から冷に切り替える。ｂ、スロットル・バルブ１８が完全に開き、チャンバ２４が、約５Ｘ１０””トルの真空設定値圧力に減圧される。Ｃ，ターボ・ポンプ・バルブ２３が閉じる。ｄ、低温ポンプ１６のバルブ１７が開き、チャンバ２４が、約１０−６〜１Ｏ− ７）−ルのより低い真空設定値圧力に減圧される。ステップ８ウェーハ１４が、ＣＰＵによってチャック１５から外される。ステップ９ウェーハ１４が、自動システムの装入／取外し位置に移動する。チャンバ（第２図の２４）は、ウェーハ１４と整列して取り付けられるように修正されている。反応器付着バルブ１３には、径違い丁字形遷移チャンバ１２、反応器１１、及び反応器粗動バルブ２２が取り付けられ、低温ポンプの反対側には、スロットル・バルブ１８があり、それに残留ガス・バーン・ボックス１９、化学直列ターボ・ポンプ２０、フォーライン・ターボポンプ・バルブ２３、及び化学直列機械式真空ポンプ２１が取り付けられている。完全な修正モジュールのうち、反応器１１、スロットル・バルブより下流の組立品１９．２０．２１．２２．２３、及び低温ポンプ１６を除いたものが、加熱マントルまたはその相当物によって、工程の付着サイクル中、反応器１１の温度より５℃高い一定温度に保たれる。反応器の温度は、再循環する温度制御された浴２５によって制御される。ウェーハの搬送と処理は、ＣＶＤモジュール上で組立品を搬送するためのソフトウェアによって自動モードで実施される。自動カセット間ウェーハ装入／取外し、高周波清浄化、タンタルなどの金属接着層のスパッタ付着、銅シード層のスパッタ付着、ガス圧とウェーハ温度（１２０℃〜２５０℃）を制御したＣＶＤ銅付着が、このシステムの通常の処理能力である。エツチングされた特徴形状（ラインまたはバイアあるいはその置方）を有する前処理されたウェーハ１４が、カセット（図示せず）に入ってＣＶＤ処理システムに到達し、ＣＶＤシステム３０のウェーハ搬送部に装入される。システム３０用の電子制御システムがプログラム開始コマンドを出すと、ウェーハは自動的にカセットから取り外され、当業者には周知のようにウェーハの周縁のノツチとフラット・マーカによって方向付けされ、装入／取外しチャンバ（チャンバ＃１、図示せず）内に装入され、そこでウェーハが真空隔離され、所定の真空圧にまで減圧される。他のすべての処理チャンバがそのサイクルを完了したことをプログラム制御装置が感知すると、システムはウェーハを次のチャンバ（チャンバ＃２、図示せず）に移動して位置合せする。ここで、ウェーハは再び真空隔離され、所定の真空圧にまで減圧され、ウェーハの全表面が高周波プラズマ・エツチングによって清浄化される。この清浄化の時間、圧力、及び電力レベルはプログラムに組むことができる。事前に設定されるパラメータは下記の通りである。時間　−４５秒圧力　−５，７ミクロン電力　−１０００ボルトこの工程と他のすべての工程が完了したことをシステムが感知すると、ウェーハは次のチャンバ（＃３）に移動して位置合せされる。チャンバ３で、ウェーハは再び真空隔離され、所定の真空圧にまで減圧され、加熱され、次に金属波腹（現在は、酸化物バリヤを有する、あるいは窒素または酸素で反応スパッタされたタンタル）で被覆される。この波腹は、絶縁材料への接着層として、また電気移動バリヤとして使泪される。事前に設定されるパラメータは、温度　−１００’Ｃ圧力　−９，６ミクロンＤＣマグネトロン電力　−６，ＯｋＷであり、３６オングストロ一ム／秒で全膜厚が１０００オングストロームとなる。この工程と他のすべての工程が完了すると、ウェーハは次のチャンバ（＃４）に移動して位置合せされる。チャンバ４で、ウェーハは再び真空隔離され、所定の真空圧にまで減圧され、加熱され、スパッタされた銅の核形成金属被膜層が付着される。事前に設定されるパラメータは、温度　−１６０℃ 圧力　−５，４ミクロンＤＣマグネトロン電力　〜　５．ＯｋＷであり、スパッタされた銅の膜厚が２５０〜３００オングストロームとなる。この工程と他のすべての工程が完了すると、シバ２４内で再び真空隔離され、真空チャック１５上で加熱される。ＣＶＤチャンバ２４は、アルミニウム単一片から機械加工されている。（前述のビーチらの出願明細書に記載された）前駆体が反応器１１内にある。反応器１１は、温度制御された浴２５から反応器１１の外被を通してグリコールを循環させることによって低温に保たれている。ウェーハ１４が加熱されるにつれて、加熱されたグリコール（８０℃）が、温度制御された第２の浴から反応器の外被を通して循環して、反応器の温度が上昇する。遮断弁２６が開き、粗動バルブ２３が開き、付着バルブ１３とターボ・バルブ２３が閉じた、遷移チャンバ１２内のバラトロン・ゲージが、真空圧の上昇によって生じる銅を含む前駆体化合物の昇華を感知する。反応器内で所定の圧力設定値に達すると、システムは付着バルブ１３　（及びターボ・バルブ２３）を開き、昇華されたガスをウェーハ１４への自由経路に供給する。ウェーハの温度がチャンバ内の最も熱い部分（約１６０〜２５０℃）であるので、前駆体の分子が***し、分子の銅を含む部分が核形成してウェーハ表面で成長し、ガスの残りの部分はバーン・ボクッス１９を通って流れ、そこで消費される。チャンバ圧（２０ミクロンまたは約２０ミクロン）は、付着サイクル中、スロットル・バルブ１８の調整によって制御される。この工程は、時間切れになって、付着バルブ１３と遮断弁２６が閉じ、グリコール槽が冷に切り替わって昇華が停止する（銅の薄膜が１〜１．５ミクロンまたは他の適当な厚さに成長する）まで継続する。システムは、圧力設定値（１０Ｅ４）に達して残留ガスが消費されたことを示すまで、機械式ポンプ２１で支援されたターボ・ポンプ２０によってポンプ動作を続ける。閉じ、低温ポンプ・バルブ１７が開き、システムは低温ポンプ１６によってより低い真空圧力設定値（１０Ｅ５）になるまでポンプ動作を続ける。この値に達すると、システムは工程が完了したことを感知し、ウェーハは次に装入／取外しチャンバ（図示せず）に移動して位置合せされ、そこでウェーハが取り外され、出発したカセット内の元の位置に戻る。これで、ウェーハＭＯＣＶＤ銅付着サイクルが完了する。遮断弁２６を開き、他のバルブはすべて閉じて、前駆体と遷移チャンバ１２を大気圧にすることによって前駆体を反応器に装入する。粗動バルブ２２を通じた初期反応器ポンプダウンの結果、初期ガス抜き蒸気がバーン・ボックス１９内で消費される二とになる。［発明の効果］このシステムの特異性は、ＭＯＣＶＤ銅付着をその場に組み込まれた工程として実施できることにある。この全処理能力を備えたシステムは他にない。修正されたエクリブス・システムがこの工程を実施できるようにするのは、ＣＶＤモジュールの設計と、このモジュールを単一ウェーハ処理システムの部分として組み込むことである。い（つかの装置メーカー　（Ｖａｒｉａｎ、　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、　Ｅａｔｏｎ、　Ｂａ１ｚｅｒｓ）が、この形式の統合処理システムを設計中である。

【書類者】　図面

【図１】

【図２】国際調査報告国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．金属被覆で充填されるエッチングされたパターンを有する基板を処理するための自動製造装置であって、ａ）前記基板をチャンバ内のチャックに自動的に装填する手段と、ｂ）前記チャンバからガスを排気する手段と、ｃ）前記基板をプラズマ・エッチングする手段と、ｄ）前記基板上に接着層を付着させ、前記チャンバからのガス排気後に前記基板上に核形成シードを付着させる手段と、ｅ）前記チャンバに隣接しており、前記金属の昇華可能な前駆体を担持する反応器手段と、ｆ）前記反応器手段を前記チャンバに選択的に連結させて、昇華したガスを前記チャンバ内に搬入できるようにする手段と、ｇ）前記基板を前記前駆体の解離温度以上に加熱して、前記金属を前記前駆体から前記基板上に放出して、前記金属種の核形成が前記基板上のシード位置で起こるようにする手段とを含む、自動製造装置。
２．前記反応器手段への熱伝達を行なつて、前記反応器手段を前記前駆体の昇華温度より上及び下に選択的に冷却及び加熱する手段を含み、前記の加熱がタイミング手段の制御下で所定の昇華時間だけ行なわれるという、請求項１による装置。
３．所定の昇華時間が経過するごとに前記システムをより低い圧力に減圧する手段を含む、請求項１による装置。
４．金属被覆で充填されるエッチングされたパターンを有する基板を処理するための自動製造装置であって、ａ）前記基板を前記チャンバ内のチャックに自動的に装填する手段と、ｂ）前記チャンバからガスを排気する手段と、ｃ）前記基板上に接着層を付着させ、前記チャンバからのガス排気後に前記基板上に核形成シードを付着させる手段と、ｄ）前記チャンバに隣接しており、前記金属の昇華可能な前駆体を担持する反応器手段と、ｅ）タイミング手段と、ｆ）前記反応器手段への熱伝達を行なって、前記反応器手段を前記前駆体の昇華温度より上及び下に選択的に冷却及び加熱する手段であって、前記の加熱がタイミング手段の制御下で所定の昇華時間だけ行なわれるという熱伝達手段と、ｇ）前記反応器手段を前記チャンバに選択的に連結させて、昇華したガスを前記チャンバ内に搬入できるようにする手段と、ｈ）前記チャックを加熱するように連結された、前記基板を前記前駆体の解離温度以上に加熱して、前記金属を前記前駆体から前記基板上に放出して、前記金属種の核形成が前記基板上のシード位置で起こるようにする手段と、ｉ）前記チャックと前記チャンバからそれぞれ前記基板を取り外す手段とを含む、請求項１による装置。
５．金属被覆で充填されるエッチングされたパターンを有する基板を処理するための自動製造装置であって、ａ）前記チャンバからガスを排気する手段と、ｂ）前記基板をプラズマ・エッチングする手段と、ｃ）前記基板上に接着層を付着させ、前記チャンバからのガス排気後に前記基板上に核形成シードを付着させる手段と、ｄ）前記チャンバに隣接しており、前記金属の昇華可能な前駆体を担持する反応器手段と、ｅ）前記反応器手段への熱伝達を行なって、前記反応器手段を前記前駆体の昇華温度より上及び下に選択的に冷却及び加熱する手段であって、前記の加熱がタイミング手段の制御下で所定の昇華時間だけ行なわれるという熱伝達手段と、ｆ）前記反応器手段を前記チャンバに選択的に連結させて、昇華したガスを前記チャンバ内に搬入できるようにする手段と、ｇ）前記チャックを加熱するように連結された、前記基板を前記前駆体の解離温度以上に加熱して、前記金属を前記前駆体から前記基板上に放出して、前記金属種の核形成が前記基板上のシード位置で起こるようにする手段と、ｈ）所定の昇華時間が経過するごとに前記システムをより低い圧力に減圧する手段と、ｉ）前記チャックと前記チャンバからそれぞれ前記基板を取り外す手段とを含む、自動製造装置。