(57)【要約】      （修正有）【課題】  複数の堆積技術を使用して複数の材料層をその場で堆積するための新規な方法及び装置を提供する。【解決手段】基板１１０をチャンバー本体１０２内に配置し、チャンバー本体に配置されたガス分配アセンブリ１３０を使用して２つ以上の化合物をチャンバー本体内へ分配して、第１の材料で構成された膜を堆積し、同様にして、第２の材料で構成された膜を堆積する。ガス分配アセンブリは、チャンバー本体と流体連通するガスコンジットと、ガスコンジットと流体連通する１つ以上の高速作動バルブ１４０Ａ，１４０Ｂが設けられた２つ以上の分離されたガス導入口と、ガスコンジットと流体連通する混合チャンネルとを含む。バルブは、１つ以上の化合物をガスコンジットへ交互にパルス作動し、混合チャンネルは、１つ以上の化合物の連続流をガスコンジットへ分配する。【選択図】図１
2004214622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の堆積プロセスを実行することのできる装置であって、
チャンバー本体と、
ガス分配アセンブリと、
を備え、該ガス分配アセンブリは、
上記チャンバー本体と流体連通するガスコンジットと、
上記ガスコンジットと流体連通し、上記ガスコンジットへ２つ以上のガスを交互にパルス作動する１つ以上の高速作動バルブが設けられた２つ以上の分離されたガス導入口と、
上記ガスコンジットと流体連通し、１つ以上の化合物の連続流を上記ガスコンジットへ分配する混合チャンネルと、
を備えた装置。
【請求項２】
上記ガスコンジットは、徐々に増加する内径を備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記ガスコンジットは、円錐台形の形状を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
上記混合チャンネルは、上記混合チャンネル内に形成された１つ以上の通路を経て上記ガスコンジットと流体連通する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
上記ガス分配アセンブリは、上記チャンバー本体に配置された蓋プレートを更に備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
上記ガス分配アセンブリは、上記蓋プレートに配置された絶縁プレートを更に備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
複数の堆積プロセスを実行することのできる装置であって、
チャンバー本体と、
ガス分配アセンブリと、
を備え、該ガス分配アセンブリは、
上記チャンバー本体と流体連通するガスコンジットと、
上記ガスコンジットとその第１端において流体連通し、１つ以上の高速作動バルブを各々有する少なくとも２つの個別の分離された流路と、
上記ガスコンジットの第２端の周りに配置された少なくとも１つの環状混合チャンネルであって、それを貫通して形成された１つ以上の通路を経て上記ガスコンジットと流体連通する環状混合チャンネルと、
を備え、上記流路は、上記ガス分配アセンブリ内に生じる圧力差によって上記混合チャンネルから分離される装置。
【請求項８】
上記ガス分配アセンブリは、上記チャンバー本体に配置された蓋プレートを更に備え、該蓋プレートは、上記チャンバー本体内にガスを均一に分配する助けとなるように円錐凹状の下面を有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
上記ガス分配アセンブリは、上記蓋プレートに配置された熱プレートを更に備えた、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
上記１つ以上の通路は、上記混合チャンネルの内壁内に形成された複数のノズルを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
上記ノズルは、上記ガスコンジットに対して実質的に垂直に配置される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記ノズルは、上記ガスコンジットに対してある角度で配置される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
上記１つ以上の通路は、上記混合チャンネルの内壁内に配置されたギャップを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１４】
上記ギャップは、そこを通る流体の流れを制御するように可変の高さを有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
上記ガスコンジットは、その入口から出口へ内径が徐々に増加する、請求項７に記載の装置。
【請求項１６】
単一の処理チャンバー内で複数の堆積プロセスを実行することにより基板表面に複数の層を堆積するための方法であって、
処理されるべき基板表面をチャンバー本体内に配置するステップと、
２つ以上の化合物を交互のパルスで上記チャンバー本体内へ分配して、第１の材料で構成された膜を上記基板表面に堆積するステップと、
２つ以上の異なる化合物を同じチャンバー本体内へ分配して、第２の材料で構成された膜を上記第１材料の上に堆積するステップと、
を備えた方法。
【請求項１７】
上記パルス作動される化合物と連続して不活性パージガスを分配する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記２つ以上の化合物のパルスを休止によって分離させる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
上記２つ以上の化合物のパルスを上記チャンバー本体への分配中に重畳させる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
上記第２の材料は、上記第１の材料と更に反応して、第３の材料を生成する、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
【発明の分野】
【０００２】
[0001]本発明の実施形態は、一般に、複数の蒸着プロセスをその場で実行する装置及び方法に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、繰り返し層堆積及び化学蒸着の両技術を使用してその場で膜を堆積するための改良されたガス分配装置及び方法に関する。
【関連技術の説明】
【０００３】
[0002]サブクオータミクロンの多レベル金属化は、次世代の超大規模集積（ＶＬＳＩ）のための重要な技術の１つである。この技術の中心に位置する多レベル相互接続部は、コンタクト、ビア、ライン又は他のアパーチャーを含む高アスペクト比の特徴部を所有する。ＶＬＳＩを成功させると共に、個々の基板の品質及び回路密度を高める努力を続けるためには、これらの特徴部を確実に形成することが極めて重要である。それ故、４：１（高さ：幅）以上の高いアスペクト比を有するボイドのない特徴部を形成することに多大な努力が払われ続けている。
【０００４】
[0003]銅は、近年、銅及びその合金がアルミニウムよりも抵抗率が低いことから、サブミクロンの高アスペクト比の相互接続特徴部のようなＶＬＳＩ特徴部を充填するための金属として選択されるようになった。しかしながら、銅及びその合金は、例えば、酸化シリコン、シリコン、及び他の誘電体材料のような周囲の材料へ拡散して、回路の接触抵抗を高める傾向がある。又、銅及びその合金は、集積回路の他の既知の素子の中でも、トランジスタゲート、キャパシタ誘電体、トランジスタウェル、トランジスタチャンネル、電気的バリア領域、相互接続部のような周囲の素子へ拡散する傾向もある。それ故、銅原子の拡散を防止し又は妨げるために銅の金属化の前にバリア層が堆積される。
【０００５】
[0004]相互接続部を形成するための典型的なシーケンスは、１つ以上の非導電層を堆積し、その層（１つ又は複数）の少なくとも１つをエッチングして、１つ以上の特徴部をそこに形成し、その特徴部（１つ又は複数）にバリア層を堆積し、次いで、銅のような１つ以上の導電層を堆積して、特徴部を充填することを含む。バリア層は、通常、タングステン、チタン、タンタル及びその窒化物のような耐火金属を含む。このグループの中で、窒化タンタルは、耐火金属窒化物の最低抵抗率の１つを有し、銅の金属化に対して良好な接着層を形成するので、バリア層として使用するための最も望ましい元素の１つである。耐火金属窒化物層、例えば、窒化タンタルは、通常、物理的蒸着（ＰＶＤ）及び化学的蒸着（ＣＶＤ）のような従来の堆積技術を使用して堆積される。
【０００６】
[0005]従来の堆積プロセスは、アスペクト比が４：１を越え、特に、１０：１を越えるようなサブミクロン構造体を充填することが問題であるために、相互接続構造体を形成することが困難である。バリア層は、狭い特徴部の開口をしばしば橋絡して、特徴部内に１つ以上のボイド即ち不連続部を形成する。ボイドは、特徴部の抵抗を増大すると共に、そのエレクトロマイグレーション抵抗を減少させるので、ボイドを有する特徴部は、電気的接触を悪化させ、信頼性の低いものにする。
【０００７】
[0006]原子層堆積（ＡＬＤ）は、アスペクト比の高い特徴部の上にバリア層のような材料を堆積するために探求されている１つの堆積技術である。ＡＬＤは、第１反応物質及び第２反応物質の個別パルスを順次に導入し、基板表面上の材料の単一層に自己制限吸収を生じさせることを含む。反応物質は、希望厚みの堆積材料が堆積されるまで順次に導入される。反応物質のパルス間に与えられるパージガス及び／又はポンプ排気のパルスは、チャンバー内に過剰な量の反応物質が残留することによる反応物質の気相反応の確率を下げるように作用する。
【０００８】
[0007]典型的な製造シーケンス内では、多くの場合、処理済みウェハが種々の処理チャンバー間に移送されて、貴重な処理時間を浪費する。時には、処理用ウェハが処理チャンバー間で真空破壊を受け、従って、基板が周囲状態に曝され、これは、とりわけ、基板表面の酸化を招く。ボイドと同様に、金属酸化物は、相互接続部の抵抗を高めると共に、ビア及び小さな特徴部のエレクトロマイグレーション抵抗を下げる。又、金属酸化物は、粒子問題の発生源でもあり、回路全体の信頼性を下げるものである。又、金属酸化物は、その後の堆積プロセスと干渉を生じてボイドを形成し、これは、その後の堆積層の不均一な分布を促進する。
【０００９】
[0008]それ故、複数の堆積技術を使用して複数の材料層をその場で堆積するための新規な方法及び装置が要望される。このような新規な方法及び装置は、種々の処理チャンバー間に基板を移送する必要性を排除すると共に、ボイドを形成する可能性を低減させる。
【発明の概要】
【００１０】
[0009]複数の堆積プロセスを実行することのできる装置が提供される。一実施形態において、この装置は、チャンバー本体と、このチャンバー本体に配置されたガス分配アセンブリとを備えている。この実施形態の１つの態様において、ガス分配アセンブリは、チャンバー本体と流体連通するガスコンジットと、該ガスコンジットと流体連通する１つ以上の高速作動バルブが設けられた２つ以上の分離されたガス導入口と、上記ガスコンジットと流体連通する混合チャンネルとを備えている。上記バルブは、２つ以上の化合物をガスコンジットへ交互にパルス作動し、上記混合チャンネルは、１つ以上の化合物の連続流をガスコンジットに分配する。
【００１１】
[0010]この実施形態の別の態様において、ガス分配アセンブリは、チャンバー本体と流体連通するガスコンジットと、該ガスコンジットとその第１端において流体連通する少なくとも２つの個別の流路と、上記ガスコンジットの第２端の周りに配置された少なくとも１つの環状混合チャンネルとを備えている。各分離された流路は、１つ以上の高速作動バルブを備え、上記混合チャンネルは、ガスコンジットを通して形成された複数のノズルを経てガスコンジットと流体連通する。上記流路は、ガス分配アセンブリ内に形成される差圧力により混合チャンネルから分離される。
【００１２】
[0011]単一処理チャンバー内で複数の堆積プロセスを実行することにより基板表面に複数の層を堆積する方法も提供される。１つの態様において、この方法は、処理されるべき基板表面をチャンバー本体内に配置するステップと、チャンバー本体に配置されたガス分配アセンブリを使用してチャンバー本体に２つ以上の化合物を分配して、第１材料で構成された膜を堆積するステップと、チャンバー本体に配置されたガス分配アセンブリを使用してチャンバー本体に２つ以上の化合物を分配して、第２材料で構成された膜を堆積するステップとを備えている。ガス分配アセンブリは、チャンバー本体と流体連通するガスコンジットと、該ガスコンジットとその第１端において流体連通する少なくとも２つの分離された流路と、上記ガスコンジットの第２端の周りに配置された少なくとも１つの環状混合チャンネルとを備えている。各分離された流路は、２つ以上の化合物をガスコンジットへ交互にパルス作動する１つ以上の高速作動バルブを備えている。混合チャンネルは、ガスコンジットを通して形成された複数のノズルを経てガスコンジットと流体連通し、２つ以上の化合物の連続流をガスコンジットへ分配する。
【００１３】
[0012]本発明の上述した特徴がいかに達成されるか詳細に理解できるように、上記で簡単にまとめた本発明について、添付図面に示したその実施形態を参照して更に詳細に説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すに過ぎず、それ故、本発明の範囲をそれに限定するものではなく、他の等しく有効な実施形態も受け入れることができる。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００１４】
[0024]図１は、複数の堆積技術を使用してワークピースの表面に種々の材料、膜及び層を堆積することのできる処理システム１００の概略断面図である。この処理システム１００は、チャンバー本体１０２の上部に配置されたガス分配アセンブリ１３０を備えている。チャンバー本体１０２には、ポンピングプレート１６２、ライナー１６７、スリットバルブ１０８、及び基板支持体１１２が配置されている。スリットバルブ１０８は、チャンバー本体１０２の側壁１０４内に形成されていて、ガス分配アセンブリ１３０とチャンバー本体１０２との間に形成された流体密シールに障害を生じさせることなく、チャンバー本体１０２の内部へ及び内部からワークピース（図示せず）を移送できるようにする。例えば、ロボット式のウェハ移送アセンブリのような従来のワークピース移送アセンブリ（図示せず）が使用されてもよい。従来のロボット式ウェハ移送アセンブリの一例は、「Multi-chamber Integrated Process System」と題する共通に譲渡された米国特許（米国特許第４，９５１，６０１号）に開示されており、これは本願に参考として取り込まれる。
【００１５】
[0025]基板支持体１１２は、基板支持体１１２及びそこに配置された基板１１０を上下動するためにリフトモータ１１４に取り付けられている。又、基板支持体１１２は、基板１１０を処理中に基板支持体１１２に固定するために真空チャック、静電チャック、又はクランプリング（図示せず）を含んでもよい。基板支持体１１２は、抵抗ヒーターのような埋設された加熱素子１５２を使用して加熱されてもよいし、又は基板支持体１１２の上に配置された加熱ランプ（図示せず）のような放射熱を使用して加熱されてもよい。パージリング１２２が基板支持体１１２に配置されてパージチャンネル１２４を画成し、基板１１０の周囲部分における堆積を防止するためにパージガスが供給される。
【００１６】
[0026]ライナー１６７は、支持ペデスタル１１２の周りに配置されて、チャンバー本体１０２の内部垂直面の境界を定めている。ライナー１６７は、上述したプロセス適合材料、例えば、アルミニウムで構成され、チャンバー本体１０２と同じ材料で作られるのが好ましい。パージチャンネル１６８は、ライナー１６７内に形成され、チャンバー本体１０２の側壁を貫通して延びるポンピングポート１１７と流体連通している。ポンプシステム１１８は、ポンピングポート１１７の付近でチャンバー本体１０２に接続することができ、チャンバー本体１０２内の流体の流れを導く助けをする。
【００１７】
[0027]ポンピングプレート１６２は、パージチャンネル１６８の上面を画成し、チャンバー本体１０２とポンピングポート１１７との間の流体の流れを制御する。ポンピングプレート１６２は、複数のアパーチャー１６２Ａが貫通して形成された環状部材である。ポンピングプレート１６２に形成されるアパーチャー１６２Ａの直径、個数及び位置は、チャンバー本体１０２を出るガスの流れを制限し、もって、チャンバー本体１０２内に配置された基板１１０に接触するガスを含むようにする。アパーチャー１６２Ａは、ワークピースに一貫した均一な堆積を与える。
【００１８】
[0028]パージチャンネル１６８の体積は、チャンバー本体１０２の周囲にわたって一貫していないので、アパーチャー１６２Ａの直径、個数及び位置は、ポンピングプレート１６２の周りで戦略的に構成されている。例えば、パージチャンネル１６８は、チャンバー本体１０２内外からのワークピースの移送を受け入れるためにスリットバルブ１０８の周りで断面積が小さくなっている。従って、アパーチャー１６２Ａのサイズ、向き及び個数は、ワークピースの周囲及び表面に均一な流体の流れが達成されるように特に設計及び構成されねばならない。
【００１９】
[0029]ポンプシステム１１８は、ポンピングポート１１７においてチャンバー本体１０２に接続することができ、チャンバー本体１０２内の流体の流れを指向する助けをする。ポンプシステム１１８は、チャンバー本体１０２からガスを排出し、処理システム１００内に望ましい圧力又は望ましい圧力範囲を維持する上で助けとなる。パージチャンネル１６８は、コンジット１６６及びスロットルバルブ１１８Ａを経てポンプシステム１１８に結合される。パージチャンネル１６８、スロットルバルブ１１８Ａ、及びポンプシステム１１８は、処理システム１００内のガス流を制御するように一緒に機能する。
【００２０】
[0030]処理システム１００は、更に、その内面に形成された汚染物又は粒子を清掃するためにリモートプラズマソース（図示せず）も備えている。リモートプラズマソース内で、例えば、水素、窒素、酸素含有化合物、フッ素含有化合物、及びその混合物のようなプロセスガスに電界を印加することにより、反応種のプラズマが発生される。通常、電界は、ＲＦ又はマイクロ波電源（図示せず）により発生される。次いで、反応種が処理システム１００に導入されて、望ましからぬ粒子を反応的に清掃し除去する。
【００２１】
[0031]更に、処理システム１００は、アプライド・マテリアルズ社から入手できるＥｎｄｕｒａ（登録商標）プラットホームのような一体化処理プラットホームに組み込むことができる。Ｅｎｄｕｒａ（登録商標）プラットホームの詳細は、１９９９年１１月３０日出願の「Integrated Modular Processing Platform」と題する共通に譲渡された米国特許出願第０９／４５１，６２８号に開示されており、これは本願に参考の為に取り込まれる。
【００２２】
[0032]図１を更に参照すれば、ガス分配アセンブリ１３０は、ヘッドアセンブリ１３１と、チャンバー蓋１３２に配置された熱プレート１８０とを備え、その各々は、それを貫通して形成された拡張コンジット１３４の少なくとも一部分を有する。蓋１３２の下面１６０は、拡張コンジット１３４の付近の中央部分からその周辺部分へと延びる徐々にテーパの付けられた傾斜／くぼみを含む。下面１６０に形成されたこのくぼみは、その下に配置される基板１１０を実質的にカバーするサイズ及び形状にされる。テーパの付けられた下面１６０は、基板１１０の表面にわたってガスをより均一に沈積させると考えられる。というのは、この下面は、より均一なガス速度、ひいては、より均一なガス濃度を基板１１０の表面にわたって与えるからである。
【００２３】
[0033]図２は、ガス分配アセンブリ１３０の拡大部分断面図である。拡張コンジット１３４は、その内径１３４Ａがその上部２３７からその下部２３５へと徐々に増加する。拡張コンジット１３４は、１つ以上のテーパ付けされた内面、例えば、直線状のテーパ付けされた面、凹状面、凸状面又はその組合せを含んでもよい。又、拡張コンジット１３４は、１つ以上のテーパ付けされた内面の区分、例えば、第１のテーパ付けされた部分又は第２の非テーパ付け部分を含んでもよい。１つの態様において、拡張コンジット１３４の内径１３４Ａは、その上部２３７からその下部２３５へと徐々に増加する直線状のテーパ付けされた面である。拡張コンジット２３４の下部２３５は、チャンバー蓋１３２の下面１６０付近にあり、ガス流の停滞を最小にするためにその下縁２３８において面取り／平滑化されている。１つの態様では、内径１３４Ａは、上部２３７において約０．２インチから約１．０インチであり、下部２３５において約０．５インチから約３．０インチである。これらの寸法は、例示の目的で与えられたものに過ぎず、約５００ｓｃｃｍから約３０００ｓｃｃｍまでの全ガス流を受け入れることが知られている。もちろん、いかなるガス流も受け入れるように、この特定の寸法を変更することもできる。
【００２４】
[0034]又、ガス分配アセンブリ１３０は、ヘッドアセンブリ１３１の周りに配置された少なくとも１つの第１のガス分配サブアセンブリ２００及び少なくとも１つの第２のガス分配サブアセンブリ５００も含む。両ガス分配サブアセンブリ２００、５００は、拡張コンジット１３４と流体連通する。第１ガス分配システム２００は、各ソース（図示せず）から拡張コンジット１３４へのガスの流れを調整するための少なくとも２つの高速作動バルブ（１４０Ａ、１４０Ｂの２つが示されている）を備えている。第２ガス分配システム５００は、拡張コンジット１３４の下部２３５付近に配置され、これについては、図５を参照して以下に詳細に説明する。
【００２５】
[0035]第１ガス分配システム２００について詳細に述べると、各バルブ１４０Ａ、１４０Ｂは、２つ以上のポートを有していて、堆積モードに基づき同時ガス流及び／又は個別／交互ガス流を拡張コンジット１３４へ供給する。１つの態様では、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂは、個別の反応ガス源（図示せず）及び共通のパージガス源（図示せず）に各々結合された三方バルブである。ある場合には、１つ以上の反応ガスを分配するためにキャリアガスが必要とされる。これが生じるときには、同じガスを、キャリアガス及びパージガスの両方として使用することができる。適当なパージ／キャリアガスは、水素、窒素、ヘリウム、アルゴン及びその組み合せである。
【００２６】
[0036]バルブ１４０Ａ、１４０Ｂは、１つ以上の化合物を短いパルスとしてチャンバー本体１０２へ正確に且つ繰り返し分配する。バルブ１４０Ａ、１４０Ｂは、望ましい先駆物質を望ましい導入率で確実に、繰り返し且つ正確に計測できるものであれば、いかなる形式のバルブでもよい。バルブ１４０Ａ、１４０Ｂのオン／オフサイクル即ちパルスは、約１００ミリ秒未満である。ある場合には、ドーズ計量が１−２ミリ秒程度の速さである。一例として、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂは、日本のフジキンから部品番号ＦＲ−２１−６．３５ＵＧＦ−ＡＰＤとして商業的に入手できる電子制御（ＥＣ）バルブである。
【００２７】
[0037]図２に示すように、各バルブ１４０Ａ、１４０Ｂは、分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂを経て拡張コンジット１３４と流体連通する。分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂは、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂの一部分として加工されてもよいし、又は分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂは、個別部品として製造されて、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂに組み立てられてもよい。分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂの長さを最小にして、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂを拡張コンジット１３４の至近に配置し、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂと拡張コンジット１３４との間の不必要な体積を減少する。この近接により堆積中に良好な制御及び操作性が与えられる。
【００２８】
[0038]図３は、図２の３−３線に沿ったガス分配アセンブリ１３０の上部断面図である。分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂは、拡張コンジット１３４に対して接線方向に配置される。使用中に、分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂに流れるガスは、最初、矢印３１０Ａ、３１０Ｂで示すように、円周方向に流れる。ガスを接線方向に供給すると、拡張コンジット２３４を経て円形の層流が形成され、基板表面１１０にわたる流れ分布が改善されると共に、拡張コンジット１３４の内面のパージが改善される。これに比して、乱流は、拡張コンジット１３４内を均一に流れず、拡張コンジット１３４内にガス流のないエリアを形成する。
【００２９】
[0039]図４は、ガス分配アセンブリ１３０を通る流れの状態を例示する図である。図示されたように、分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂは、拡張コンジット１３４の長手軸２９０に対する関係（＋β、−β）で配置される。各分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂは、長手軸２９０に対して直角（＋β、−β＝９０°）に配置されるか、又は長手軸２９０に対してある角度（０°＜＋β＜９０°又は０°＜−β＜９０°）で配置される。この関係（＋β、−β）に拘りなく、ガスは、分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂを経て拡張コンジット１３４の内壁１３４Ａへ流れ込む。拡張コンジット１３４の内壁に接触すると、ガスの速度が下がり、基板１１０の表面にそれまでに吸着／吸収された反応物質を吹き飛ばす可能性を低下させる。又、分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂの内径を増加して、ガス流の速度を更に下げてから、拡張コンジット１３４へ導入してもよい。
【００３０】
[0040]拡張コンジット１３４を通る正確な流れパターンは分からないが、最初円形の層流３１０Ａ、３１０Ｂ（図３に示す）は、ガスが拡張コンジット１３４を経て進むにつれて、層流の「渦巻き」又は「螺旋」流れパターン（矢印４０２Ａ、４０２Ｂで表わされた）へ進化すると考えられる。分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂと基板１１０との間の距離４１０は、「渦巻き」流４０２Ａ、４０２Ｂの速度が低下して実質的に垂直の流路が形成されるように設計される。「渦巻き」流４０２Ａ、４０２Ｂは、もし必要であれば、ガスの優れた混合を与えると共に、拡張コンジット１３４の内面の効率的なパージ即ち掃除を与え、一方、実質的に垂直方向の流れは、基板表面１１０における良好な堆積を許す。１つの態様においては、拡張コンジット１３４は、ガスの層流の形成又は促進を助けるように鏡面研磨される。
【００３１】
[0041]分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂを経て拡張コンジット１３４へ分配されるガスが急激に断熱膨張すると、温度降下が生じ、ガスが凝縮すると共に、粒子が形成される。理論で固めたくはないが、拡張コンジット１３４の徐々に増加する内径１３４Ａと、分配コンジット２５０Ａ、２５０Ｂの向きとにより、拡張コンジット１３４を通るガスの断熱膨張を減少できると考えられる。それ故、ガス温度が更に容易に制御され、チャンバー蓋１３２におけるガスの分解、沈着及び凝縮が防止される。
【００３２】
[0042]ガスの温度は、チャンバー蓋１３２の温度を制御することにより制御される。チャンバー蓋１３２は、特定の堆積プロセス及びそこに分配される化合物に基づいて冷却素子及び／又は加熱素子（図示せず）を含んでもよい。１つの態様では、チャンバー蓋１３２に１つ以上の水チャンネルが形成される。別の態様では、加熱素子が埋設されてもよいし、又はチャンバー蓋１３２の要素を取り巻くようにしてもよい。更に別の態様では、蓋１３２が加熱及び冷却の両チャンネルを含んでもよいし、又は蓋１３２の種々の部分を加熱及び／又は冷却するための素子を含んでもよい。例えば、拡張コンジット１３４の付近にある蓋１３２の中央部分を加熱する一方、蓋１３２の周囲部分を冷却してもよい。
【００３３】
[0043]図５Ａは、第２のガス分配サブアセンブリ５００の拡大縦断面図である。この第２のガス分配サブアセンブリ５００は、半径方向ミクサ５１０を備え、これを貫通して混合チャンネル５２０が形成されている。この混合チャンネル５２０は、環状であり、拡張コンジット１３４と同心的に形成される。混合チャンネル５２０の体積は、使用される先駆ガス、チャンバー本体１０２のサイズ、処理されるべき基板１１０のサイズ、拡張コンジット１３４の体積及び寸法、並びに堆積中に使用されるガスの動作温度、圧力及び流量等の複数のファクタに依存する。
【００３４】
[0044]半径方向ミクサ５１０は、拡張コンジット１３４と環状混合チャンネル５２０との間に配置された内壁５１５を有する。この内壁５１５を貫通してノズルのような１つ以上の通路５３０が形成され、混合チャンネル５２０と拡張コンジット１３４との間に流体連通を許す。このノズル５３０は、半径方向に配置され、拡張コンジット１３４の外周に沿って実質的に均一に分布される。又、ノズル５３０は、拡張コンジット１３４に対して実質的に直角に配置される。或いは又、ノズル５３０は、直角に対してある角度、例えば、約−６０°から約＋６０°までの角度に配置されてもよい。１つの態様では、ノズル５３０の数が１２個であるが、ノズル５３０の他の個数、形状及び／又は分布を使用してもよい。
【００３５】
[0045]少なくとも１つのガス導入口（２つの導入口５２５、５２６が示されている）が、半径方向ミクサ５１０の外部から混合チャンネル５２０と連通する。通常、ガス導入口５２５、５２６は、反応ガス、先駆ガス、キャリアガス、パージガス及びその組み合せの１つ以上のソース（図示せず）と流体連通する。ガス導入口５２５、５２６は、１つ以上の処理ガスをそれらの各ソース（図示せず）から環状の混合チャンネル５２０へ供給し、そこで、ガスが混合された後に、ノズル５３０を経て拡張コンジット１３４へ入る。
【００３６】
[0046] 導入口５２５、５２６は、それらがどのノズル５３０とも直接整列しないように方向付けされる。例えば、導入口５２５、５２６は、ノズル５３０に対してオフセットされて、いずれのガス導入口５２５、５２６から出て来るガスの各速度も互いに他のガスの局部圧力に影響しないようにする。その結果、ガスの完全な混合が混合チャンネル５２０内で達成され、実質的に等しい流量のガスがノズル５３０を経て拡張コンジット１３４へ入る。
【００３７】
[0047]図５Ｂは、第２のガス分配サブアセンブリ５００の別の実施形態を示す拡大縦断面図である。この第２のガス分配サブアセンブリ５００は、内壁５１５の下面に形成されたギャップ即ち通路５５５を含む。図示されていないが、内壁５１５を貫通して形成されたノズル５３０及びギャップ５５５の両方をもつことが意図される。この実施形態の１つの態様において、ギャップ５５５の高さは、内壁５１５の直径にわたって一定である。この実施形態の別の態様では、ギャップ５５５の高さは、チャンバー１０２内に生じるポンピング作用を補償するように内壁５１５の直径にわたって変化する。例えば、ポンピングポート１１７に最も近いギャップ５５５の高さは、ポンピングポート１１７と反対のギャップ５５５の高さの半分であり、圧力差が最大の場所で流体の流れを抑える。ギャップ５５５の高さを変更することにより、混合チャンネル５２０を経て流れるガスの流体力学特性を良好に制御して、拡張コンジット１３４及びチャンバー本体１０２全体にわたり良好な混合又は良好な分布を与えることができる。
【００３８】
[0048]図６は、第２のガス分配システム５００を図５の６−６線に沿って示す概略横断面図である。ノズル５３０は、混合チャンネル５２０から拡張コンジット１３４へ流れるガスに実質的な流れ抵抗を与えるような配置及び寸法にされる。ノズル５３０によりガス流に与えられるこの実質的な抵抗は、各ノズル５３０を経て実質的に等しい流量を得て、基板１１０に対し完全且つ均一な流れ分布を与えることができるようにする。
【００３９】
[0049]図６Ａは、第２のガス分配システム５００の別の実施形態の概略横断面図である。この実施形態では、複数の接線方向に配置されたノズル６３０が半径方向ミクサ５１０の内壁５１５内に形成され、拡張コンジット１３４の内径に沿った方向性の流れを与える。これらのノズルは、これらを経て流れるガスの時計方向の流れパターンを与えるように同じ方向に角度付けされるのが好ましい。方向性の流れは、渦巻き作用を与えて、ガスの混合を促進すると共に、流れるガスを拡張コンジット１３４の内径１３４Ａへ引き付けて、基板１１０に対して混合ガスの完全な分布を与える。
【００４０】
[0050]図７は、ここに述べる処理システム１００の実施形態に適した絶縁プレート１８０を例示する図である。この絶縁プレート１８０は、ヘッドアセンブリ１３１とチャンバー蓋１３２との間で拡張コンジット１３４の周りに配置される環状部材である。この絶縁プレート１８０は、ヘッドアセンブリ１３１をチャンバー蓋１３２から熱的に制限し即ち分離するもので、熱伝達係数の低い例えばステンレススチールのような材料で作られるのが好ましい。換言すれば、ヘッドアセンブリ１３１を、処理システム１００の他部分、例えば、チャンバー本体１０２及びチャンバー蓋１３２から熱絶縁するために、良導体でない材料が好ましい。従って、良好な温度制御及び良好な全操作性が達成される。
【００４１】
[0051]図７Ａは、熱プレート１８０の１つの構成を例示する断面図である。この実施形態では、ヘッドアセンブリ１３１及び蓋１３２に接触する熱プレート１８０の表面積を最小にするために、熱プレート１８０の上面及び下面の両方にくぼみ１８１が形成される。表面積の減少は、要素と要素との間の熱伝達を更に減少する。その結果、ヘッドアセンブリ１３１は、蓋１３２の温度により比較的影響を受けない状態に保たれる。同様に、蓋１３２も、ヘッドアセンブリ１３１の温度により比較的影響を受けない状態に保たれる。その結果、熱プレート１８０を横切って熱／エネルギーがほとんど伝達されないので、蓋１３２の温度を維持することが容易である。
【００４２】
[0052]図１を再び参照すれば、処理システム１００は、更に、処理状態を制御するために、プログラムされたパーソナルコンピュータ、ワークステーションコンピュータ等のコントローラ１７０を備えてもよい。例えば、コントローラ１７０は、基板処理シーケンスの異なる段階中にバルブ１４０Ａ、１４０Ｂを通る種々のプロセスガス、キャリアガス及びパージガスの流れを制御するように構成されてもよい。コントローラ１７０は、ランダムアクセスメモリ１７４及びハードディスクドライブ１７６のようなメモリとデータ通信するプロセッサ１７２を備えている。通常、コントローラ１７０は、少なくともポンプシステム１１８、動力源１１４及びバルブ１４０Ａ、１４０Ｂと通信状態にある。更に、コントローラ１７０は、ウェハ処理に使用される他のアクティビティ、例えば、とりわけ、ウェハの搬送、温度制御、チャンバーの排気を自動的に制御する役割を果たすように構成されてもよく、その幾つかを本願にて説明する。コントローラ１７０の一例は、２００１年３月７日出願の「Valve Control System For ALD Chamber」と題する出願中の米国特許出願第０９／８００，８８１号に詳細に説明されたプログラマブルロジックコンピュータ（ＰＬＣ）のような特定チャンバー／用途向けコントローラであり、これは本願に参考として取り込まれる。
【００４３】
[0053]処理システム１００は、化学的蒸着、繰り返し層堆積、原子層堆積、デジタル化学蒸着、及び迅速化学蒸着技術を遂行するように動作できる。「繰り返し層堆積」、「原子層堆積」、「デジタル化学蒸着」、及び「迅速化学蒸着」という用語は、ここでは交換可能に使用され、これは、２つ以上の化合物を処理チャンバーの反応ゾーンに順次導入して、基板表面に薄い材料層を堆積する気相堆積技術を指す。
【００４４】
[0054]ここで使用する「基板表面」は、膜処理が実行される基板表面を指す。例えば、基板表面は、シリコン、酸化シリコン、ドープされたシリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、ガラス、サファイア、並びに他の材料、例えば、金属、金属合金、及び用途に応じた他の導電性材料を含んでもよい。又、基板表面は、二酸化シリコンや、炭素ドープされた酸化シリコンのような誘電体材料も含んでもよい。
【００４５】
[0055]「化合物」という語は、１つ以上の先駆物質、酸化体、還元剤、反応物質及び触媒、又はその組合せを含むことを意図する。又、「化合物」という語は、例えば、２つ以上の化合物が同時に処理システムに導入されるときの化合物のグループも含むことも意図する。例えば、化合物のグループは、１つ以上の触媒及び１つ以上の先駆物質を含んでもよい。更に、「化合物」という語は、１つ以上の先駆物質、酸化体、還元剤、反応物質及び触媒、又はその組合せを、例えば、解離又はイオン化により活性化され又はその他付勢された状態で含むことも意図する。広範な種々様々な半導体処理先駆物質、化合物及び反応物質を使用することができる。例えば、チタニウムテトラクロライド（ＴｉＣｌ４）、タングステンヘキサフルオライド（ＷＦ６）、タンタルペンタクロライド（ＴａＣｌ５）、チタニウムイオダイド（Ｔｉｌ４）、チタニウムブロマイド（ＴｉＢｒ４）、テトラキス（ジメチルアミド）チタニウム（ＴＤＭＡＴ）、ペンタキス（ジメチルアミド）タンタル（ＰＤＭＡＴ）、テトラキス（ジエチルアミド）チタニウム（ＴＤＥＡＴ）、タングステンヘクサカルボニル（Ｗ（ＣＯ）６）、タングステンヘクサクロライド（ＷＣｌ６）、テトラキス（ジエチルアミド）チタニウム（ＴＤＥＡＴ）、ペンタキス（エチルメチルアミド）タンタル（ＰＥＭＡＴ）、ペンタキス（ジエチルアミド）タンタル（ＰＤＥＡＴ）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３Ｎ２Ｈ３）、ジメチルヒドラジン（Ｃ２Ｈ６Ｎ２Ｈ２）、ｔ−ブチルヒドラジン（Ｃ４Ｈ９Ｎ２Ｈ３）、フェニルヒドラジン（Ｃ６Ｈ５Ｎ２Ｈ３）、２、２’−アゾイソブタン（（ＣＨ３）６Ｃ２Ｈ２）、エチルアジド（Ｃ２Ｈ５Ｎ３）、及び窒素（Ｎ２）が含まれる。
【００４６】
[0056]各化合物は、それが基板表面に接着及び／又は反応するのを許すために時間遅延／休止により分離される。この遅延は、その前にパルス作動された化合物の吸着又は反応を許すように調整されるのが効果的である。又、例えば、アニール、高密度化及び窒素化合のような１つ以上の処置プロセスの進行を許すように遅延が調整されてもよい。１つの態様では、第１の化合物即ち化合物Ａが反応ゾーンへドーズ計量／パルス作動された後に、第１の時間遅延／休止が行われる。次いで、第２の化合物即ち化合物Ｂが反応ゾーンへドーズ計量／パルス作動された後に、第２の時間遅延／休止が行われる。例えば、チタニウムシリコン窒化物のような３成分材料が必要なときには、第３の化合物（Ｃ）が反応ゾーンへドーズ計量／パルス作動された後に、第３の時間遅延が行われる。反応性化合物のパルスの後に時間遅延をとる一連のタンデム状態が、基板表面上に希望の膜又は膜厚みが形成されるまで不定に繰り返される。
【００４７】
[0057]ここで使用する「パルス」又は「ドーズ」という語は、処理チャンバーの反応ゾーンに間欠的即ち不連続に導入される特定化合物の量を指すことが意図される。各パルス内の特定化合物の量は、パルスの時間巾に基づいて時間と共に変化してもよい。特定化合物は、単一の化合物を含んでもよいし、又は２つ以上の化合物の混合／組合せを含んでもよい。しかしながら、特定化合物の連続流も、ここに述べるように本発明によって意図され、従って、本発明の範囲外ではない。
【００４８】
[0058]「反応ゾーン」とは、処理されている基板表面と流体連通する体積を含むことが意図される。反応ゾーンは、ガスソースと基板表面との間の処理チャンバー内の体積を含んでもよい。例えば、反応ゾーンは、ドーズ計量バルブの下流で、基板が配置される体積を含む。
【００４９】
[0059]各パルス／ドーズの巾は可変であり、例えば、処理チャンバーの体積容量や、そこに結合される真空システムの能力を受け入れるように調整することができる。更に、化合物のドーズ時間は、化合物の流量、化合物の圧力、化合物の温度、ドーズ計量バルブの形式、使用する制御システムの形式、及び基板表面に吸着する化合物の能力に基づいて変化させることができる。又、ドーズ時間は、形成される層の形式及び装置の幾何学形状に基づいて変化させてもよい。一般に、ドーズ時間は、基板の実質的全面に吸着／化学吸着して希望の厚みの化合物層を形成するに充分な化合物の量を与えるに足る長さでなければならない。
【００５０】
[0060]基板表面に反応物質の単一層を物理吸着、吸着、吸収又は化学吸着するのに使用される表面吸引は、基板表面が反応物質に使用できる場所を一定数しか有していないので所与のパルス中に基板表面に１つの単一層しか堆積できないという点で、自己制限式であると考えられる。一定数の場所が反応物質により占有されると、反応物質のそれ以上の堆積が阻止される。所望厚みの窒化タンタル層まで処理を繰り返すことができる。
【００５１】
[0061]しかしながら、説明を簡単及び容易にするために、処理システム１００は、繰り返し層堆積（ＣＬＤ）によるバリア層と、化学蒸着（ＣＶＤ）による接着層とをその場(in situ)で堆積するのに使用できるので、その動作について以下に更に述べることにする。１つ以上の金属含有膜、例えば、アルミニウム、銅、チタニウム、タンタル、タングステン、その窒化物、その酸化物及びその組合せを、処理システム１００内で堆積することができる。例えば、バリア層は、１つ以上の耐火金属、例えば、タングステン、チタニウム及びタンタルを含む。又、バリア層は、１つ以上の耐火金属窒化物、例えば、窒化タングステン、窒化チタン及び窒化タンタルを含んでもよい。更に、バリア層は、３成分材料、例えば、チタニウムシリコン窒化物及びタンタルシリコン窒化物を含んでもよい。同様に、接着層は、例えば、アルミニウム、銅、タングステン、その合金、その窒化物、その酸化物及びその合金を含んでもよい。
【００５２】
[0062]ＣＬＤモードでは、１つ以上の金属含有先駆物質及び１つ以上の還元剤がバルブ１４０Ａ、１４０Ｂを経て拡張コンジット１３４へ繰り返し導入される一方、キャリア又はパージガスがノズル５３０を経て拡張コンジット１３４へ流れ込む。このキャリア又はパージガスは、連続的な流れとして導入されてもよいし、又は例えば、堆積化合物の各パルス間で１つ以上のパルスのような１つ以上の別々に開始される流れとして導入されてもよい。
【００５３】
[0063]連続的であるかパルス状であるかに拘らず、堆積化合物と同じ数の異なるキャリア又はパージガスをもつと考えられる。換言すれば、各堆積化合物は、連続的であるかパルス状であるかに拘らず、それ自身のキャリア又はパージガスを使用することができる。或いは又、連続的であるかパルス状であるかに拘らず、単一のキャリア又はパージガスが、必要な全てであってもよい。
【００５４】
[0064]各キャリア又はパージガスは、それが連続的であるかパルス状であるかに拘らず、単一のガスを含んでもよいし、又は２つ以上のガスの混合／組み合せであってもよい。ガスは、ウェハ上に堆積するために導入される化合物とは反応しない。或いは又、ガスは、互いに、或いは堆積のために導入される１つ以上の化合物と反応して、例えば、中間化合物、反応性化合物及び／又は非堆積化合物を生成してもよい。ガスは、例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素、酸素及び水素を含む。
【００５５】
[0065]ＣＶＤモードでは、１つ以上の金属含有先駆物質がノズル５３０を経て拡張コンジット１３４に導入される一方、パージガスがバルブ１４０Ａ、１４０Ｂを経て拡張コンジット１３４へ流し込まれる。適当なパージガスは、例えば、水素、ヘリウム、窒素、アルゴン、又はその組合せを含む。パージガスは、先駆ガスに対してどちらが使用されないかにより、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂ、又はノズル５３０を経て、拡張コンジット１３４へ流れ込んで、逆流を防止し、堆積温度を制御し、堆積ガスの混合を助け、堆積ガスの分配を助ける。逆流に関して、パージガスは、ガス分配アセンブリ１３０内に正の圧力を与えて、堆積ガスを低い圧力に向けて導くと共に、堆積中にバルブ１４０Ａ、１４０Ｂをノズル５３０から分離する圧力差を生じさせる。ここで使用する「堆積ガス」とは、１つ以上の先駆物質、還元剤、反応物質及び触媒を含む。各「堆積ガス」は、単一の化合物であってもよいし、又は２つ以上の化合物の混合／組み合せであってもよい。
【００５６】
[0066]本発明の実施形態を更に説明するために、ＣＬＤ技術を使用して窒化タンタル（ＴａＮ）バリア層を堆積するプロセスを以下に例示する。先ず、処理されるべき基板１１０をチャンバー本体１０２内の基板支持体１１２に配置する。次いで、ノズル５３０及びバルブ１４０Ａ、１４０Ｂを経て処理システム１００へアルゴンガスを流し込み、その中の温度及び圧力を安定化させる。次いで、タンタル含有化合物の１つ以上のパルスを、第１バルブ１４０Ａを経て拡張コンジット１３４へ導入するのと交互して、窒素含有化合物の１つ以上のパルスを、第２バルブ１４０Ｂを経て拡張コンジット１３４へ導入する。それと同時に、混合チャンネル５２０を経て、例えば、アルゴンのようなパージガスを拡張コンジット１３４へ流し込む。
【００５７】
[0067]第１バルブ１４０Ａは、拡張コンジット１３４へのタンタル含有化合物の１つ以上のパルスを、約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍ、好ましくは、約１００ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍの流量に調整する。各パルスの巾は、約０．５秒以下、約０．１秒以下、又は約０．０５秒以下である。第２バルブ１４０Ｂは、拡張コンジット１３４への窒素含有化合物の１つ以上のパルスを、約０．５秒以下、約０．１秒以下、又は約０．０５秒以下のパルス時間に対して、約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍ、好ましくは、約２００ｓｃｃｍから約６００ｓｃｃｍの流量に調整する。タンタル含有化合物及び窒素含有化合物のパルス間の時間は、約０．５秒以下、約０．１秒以下、又は約０．０７秒以下でもよい。このプロセスは、サイクル当たり厚みが約０．５Åから約１．０Åの窒化タンタル層を形成する。１０００Å以下、好ましくは、約２０Å以下、更に好ましくは、約１０Åの希望厚みが達成されるまで、交互のシーケンスが繰り返される。
【００５８】
[0068]タンタル含有化合物及び窒素含有化合物は、拡張コンジット１３４の内面を横切る掃除操作に類似した渦巻状の流れパターン４０２内で拡張コンジット１３４を通して流れる。この渦巻状の流れパターン４０２は、基板１１０の表面を向いた下方流４０４へと放散する。次いで、ガスがチャンバー蓋１３２の下面１６０及び基板１１０の表面を横切って流れる。下方に傾斜しているチャンバー蓋１３２の下面１６０は、基板１１０の表面を横切るガス流の速度の変化を減少する助けをする。最後に、ガスは、チャンバー本体１０２から、ポンピングプレート１６２に形成されたアパーチャー１６２Ａを経てポンプシステム１１８へと流れる。
【００５９】
[0069]アルゴンのパージガスは、約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍ、好ましくは、約１００ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍの流量で、第２のガス分配サブシステム５００から導入される。アルゴンのパージガスは、拡張コンジット１３４の内面に沿って流れ、そこに凝縮又は堆積することが防止される。又、パージガスは、堆積ガスを拡張コンジット１３４及びチャンバー蓋１３２の壁の温度から遮蔽又は分離し、堆積条件を良好に制御できるようにする。堆積ガスを拡張コンジット１３４及びチャンバー蓋１３２の壁から分離すると、壁が高い温度になった場合に先駆ガスの分解を防止する上で助けとなる。更に、パージガスは、拡張コンジット１３４を通過するタンタル含有化合物と窒素含有化合物を混合する助けをする。更に、パージガスは、混合チャンネル５２０への堆積ガスの逆流も防止する。
【００６０】
[0070]タンタル含有化合物及び窒素含有化合物は、上記実施形態に基づいてバリア層を形成するのに使用される。例えば、あるタンタル含有化合物は、ｔ−ブチルイミノトリス（ジエチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＤＤＥＴ）、ペンタキス（エチルメチルアミノ）、タンタル（ＰＥＭＡＴ）、ペンタキス（ジメチルアミノ）タンタル（ＰＤＭＡＴ）、ペンタキス（ジエチルアミノ）タンタル（ＰＤＥＡＴ）、ｔ−ブチルイミノトリス（ジエチルメチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＭＥＴ）、ｔ−ブチルイミノトリス（ジメチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＤＭＴ）、ビス（シクロペンタジエニル）タンタルトリヒドライド（（Ｃｐ）２ＴａＨ３）、ビス（メチルシクロペンタジエニル）タンタルトリヒドライド（（ＣｐＭｅ）２ＴａＨ３）、その派生物、およびその組合せを含む。更に、窒素含有化合物は、例えば、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルヒドラジン、フェニルヒドラジン、アゾイソブタン、エチルアジド、その派生物、及びその組合せを含む。
【００６１】
[0071]これらの化合物又は上述されていない他の適当な化合物は、室温において個体、液体又は気体でよいことを理解されたい。例えば、ＰＤＭＡＴは、室温において固体であり、ＴＢＴＤＥＴは、室温において液体である。従って、気相でない先駆物質は、この技術でよく知られた昇華又は蒸発段階を受けた後に、処理チャンバーへ導入される。又、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素又はその混合物のようなキャリアガスは、この技術で一般に知られたように、化合物を処理チャンバーへ分配する助けとしても使用できる。
【００６２】
[0072]ペンタジメチル−アミノタンタル（ＰＤＭＡＴ）及びアンモニアの交互／順次パルスの繰り返し堆積プロセスを使用して２００ｍｍウェハにＴａＮバリア層を形成するプロセスの一例を以下に説明する。ＰＤＭＡＴは、複数の理由で好ましいタンタル含有化合物である。ＰＤＭＡＴは、比較的安定しており、分配し易い蒸気圧を有する。又、ＰＤＭＡＴは、ハロゲン化物の含有量が１００ｐｐｍ未満の低い状態で製造でき、更に、ハロゲン化物の含有量が３０ｐｐｍ未満、又は５ｐｐｍ未満でも製造できる。
【００６３】
[0073]ＴａＮ層を堆積するために、アルゴンのような不活性／パージガスが、先ず、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂ及びノズル５３０を経て拡張コンジット１３４に導入されて、チャンバー本体１０２内の圧力及び温度を安定化する。このアルゴンガスは、堆積プロセス中にバルブ１４０Ａ、１４０Ｂを経て連続的に流れ、ＰＤＭＡＴのパルスとアンモニアのパルスとの間にアルゴンガスだけが流れるようにする。同様に、アルゴンは、堆積プロセス中にノズル５３０を経て連続的に流れる。
【００６４】
[0074]チャンバー圧力及び温度が約１Torrから約５Torrにおいて約２００℃から約３００℃の間で安定化した後に、ＰＤＭＡＴの第１パルスを、約１００ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍの間の流量で、約０．６秒以下のパルス時間にわたり、第１バルブ１４０Ａを経て拡張コンジット１３４へ供給する。次いで、アンモニアのパルスを、約２００ｓｃｃｍから約６００ｓｃｃｍの間の流量で、約０．６秒以下のパルス時間にわたり、第２バルブ１４０Ｂを経て拡張コンジット１３４へ供給する。
【００６５】
[0075]ＰＤＭＡＴ及びアンモニアのパルス間の休止は、約１．０秒以下、約０．５秒以下、又は約０．１秒以下である。又、アンモニアのパルス後の休止も、約１．０秒以下、約０．５秒以下、又は約０．１秒以下である。アルゴンガスは、各バルブ１４０Ａ、１４０Ｂを経て、約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍまでの量、例えば、約１００ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍまでの量が流れる。１つの態様においては、アンモニアのパルスの少なくとも一部分が導入されるときにＰＤＭＡＴのパルスの少なくとも一部分が依然反応ゾーンにあってもよく、ある程度の同時反応又は気相同時反応が生じるようにされる。別の態様では、ＰＤＭＡＴ及びアンモニアのパルスが反応ゾーンで一緒に混合するのを防止するようにパージガス及び／又はポンプ排気の時間巾が構成される。
【００６６】
[0076]基板温度は、約１．０Torrから約５．０Torrのチャンバー圧力において約１００℃から約３００℃の間に維持される。ＰＤＭＡＴのパルス、休止、アンモニアのパルス及び休止で構成された各サイクルは、サイクル当たり約０．３Åから約１．０Åの厚みを有する窒化タンタル層を形成する。約２０Å未満、例えば、約１０Åの所望厚みが得られるまで、交互のシーケンスが繰り返される。従って、この堆積方法は、１０から７０のサイクル、より一般的には、２０から３０のサイクルを必要とする。
【００６７】
[0077]接着層を堆積するためのＣＶＤモードを説明すれば、パージガスがバルブ１４０Ａ、１４０Ｂを経て流される一方、堆積ガスがノズル５３０を経て拡張コンジット１３４へ流し込まれる。接着層は、この技術で知られているか又は今後発見されるいかなる形式の材料を含んでもよい。しかしながら、説明を簡単及び容易にするために、本発明は、アルミニウムを含む接着層の堆積について更に説明する。
【００６８】
[0078]有用なアルミニウム含有先駆物質は、例えば、ジメチルアルミニウムヒドライド（ＤＭＡＨ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を含む。接着層は種々の条件のもとで堆積できるが、典型的なプロセスは、約１Torrから約８０Torrの圧力において約１５０℃から約３００℃までのウェハ温度を含む。堆積速度は、通常、約２０Å／秒から約１５０Å／秒である。
【００６９】
[0079]１つの態様においては、ＤＭＡＨが約１００ｓｃｃｍから約２０００ｓｃｃｍの流量で第１ガス導入口５２５を経て混合チャンネル５２０へ流れ込み、一方、例えば、水素のような還元ガスが約１００ｓｃｃｍから約２０００ｓｃｃｍの流量で第２ガス導入口５２６を経て混合チャンネル５２０へ流れ込む。２つの堆積ガスは、混合チャンネル５２０において混合される前に、ノズル５３０を経て拡張コンジット１３４へ均一に流れ込む。
【００７０】
[0080]ＣＶＤモード中に、例えば、アルゴンのようなパージガスがバルブ１４０Ａ、１４０Ｂを経て拡張コンジット１３４へ流れ込み、混合を促進すると共に、ＤＭＡＨ及び水素ガスを基板表面１１０にわたって良好に分配させる。又、パージガスは、堆積ガス（ＤＭＡＨ及び水素）がバルブ１４０Ａ、１４０Ｂへ逆流するのを防止する。１つの態様においては、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂがアルゴンガスを拡張コンジット１３４へパルス作動し、波状効果を生じさせる。この波状効果は、堆積ガスをパルス作動させて良好な混合を与えると考えられる。別の態様においては、バルブ１４０Ａ、１４０Ｂが「オン」に保たれ、アルゴンの連続流を拡張コンジットへ分配する。
【００７１】
[0081]図８Ａ−８Ｄは、相互接続構造体８００を種々の製造段階において例示した図で、ここに述べる実施形態に基づく製造プロセスの一例を示すものである。図８Ａは、誘電体層８１２が形成された基礎金属層８１０を示す。この基礎金属層８１０は、例えば、アルミニウム、銅、タングステン又はその組み合せのような導電性金属を含み、プラグ、ビア、コンタクト、ライン、ワイヤ等の相互接続特徴部の一部分を形成すると共に、金属ゲート電極の一部分であってもよい。図８Ｂは、基礎金属層８１０に少なくとも部分的に堆積されたバリア層８３０を示す。図８Ｃは、このバリア層８３０に少なくとも部分的に堆積された接着層８４０を示し、更に、図８Ｄは、この接着層８４０に少なくとも部分的に堆積されたバルク金属層８５０を示す。
【００７２】
[0082]図８Ａを参照すると、誘電体層８１２は、現在知られているものか今後発見されるものかに拘らず、ｋの低い（ｋ≦４．０）誘電体材料を含む全ての誘電体材料である。例えば、誘電体層８１２は、酸化シリコン又は炭素ドープされた酸化シリコンでもよい。誘電体層８１２は、従来の良く知られた技術を使用して特徴部８１４を形成するようにエッチングされている。この特徴部８１４は、プラグ、ビア、コンタクト、ライン、ワイヤ又は他の相互接続コンポーネントでもよい。通常、特徴部８１４は、垂直の側壁８１６及び床８１８を有し、そのアスペクト比は、約４：１以上であり、例えば、約６：１である。床８１８は、低レベル金属相互接続部８１０の少なくとも一部分を露出させる。
【００７３】
[0083]図８Ｂを参照すれば、バリア層８３０は、ＣＬＤ技術を使用して特徴部８１４の床８１８及び側壁８１６に順応して堆積される。好ましくは、バリア層８３０は、窒化タンタルを含み、処理システム１００内で上述したように堆積される。
【００７４】
[0084]バリア層８３０を堆積する前に、パターン化又はエッチングされた基板誘電体層８１２を清掃して、自然酸化膜又は他の汚染物をその表面から除去されてもよい。例えば、カリフォルニア州、サンタ・クララに所在するアプライド・マテリアルズ社から入手できる反応性予備洗浄チャンバーのようなリモートプラズマソースチャンバー内で反応性ガスをプラズマへと励起する。予備洗浄は、金属ＣＶＤ又はＰＶＤチャンバー内において、リモードプラズマソースをそこに接続することにより行うこともできる。或いは又、ガス分配システムを有する金属堆積チャンバーを、基板上に配置されたガス分配シャワーヘッドのような既存のガス導入口を経て予備洗浄ガスプラズマを分配するように変更することもできる。
【００７５】
[0085]１つの態様においては、反応性予備洗浄プロセスは、アルゴン、ヘリウム、水素、窒素、フッ素含有化合物、及びその組み合せのような１つ以上のガスのプラズマからラジカルを生成する。例えば、ガスは、四フッ化炭素（ＣＦ４）及び酸素（Ｏ２）の混合物、又はヘリウム（Ｈｅ）及び三フッ化窒素（ＮＦ３）の混合物を含む。ガスは、ヘリウム及び三フッ化窒素の混合物であるのがより好ましい。
【００７６】
[0086]アルゴンプラズマに続いて、チャンバー圧力が約１４０mTorrに増加され、本質的に水素及びヘリウムで構成されたプロセスガスが処理領域に導入される。プロセスガスは、約５％の水素及び約９５％のヘリウムを含むのが好ましい。約５０ワットから約５００ワットの電力を印加することにより水素のプラズマが発生される。水素のプラズマは、約１０秒から約３００秒の間維持される。
【００７７】
[0087]次いで、ＣＶＤ技術を使用してバリア層８３０に接着層８４０を堆積する。この接着層８４０は、上述した実施形態に基づいて堆積されたアルミニウムを含んでもよい。接着層８４０が堆積された後に、基板８００を個別の処理チャンバーへ移送し、図８Ｄに示す金属層８５０を堆積することにより金属化を完了する。
【００７８】
[0088]或いは又、金属層８５０は、ＣＬＤ又はＣＶＤ技術を使用してこれを堆積すべき場合には基板８００を移送する必要なく処理システム１００内で堆積することができる。ほとんどの場合に、金属層８５０は、銅であり、ＰＶＤ、電気メッキ又は無電気技術を使用して堆積される。銅層８５０は、カリフォルニア州、サンタ・クララのアプライド・マテリアルズ社から入手できるエレクトラ(Electra)ＣｕＥＣＰシステムのような電気メッキセル内で形成されるのが好ましい。又、このエレクトラＣｕＥＣＰシステムは、これもアプライド・マテリアルズ社から入手できるエンデュラ(Endura)プラットホームに一体化されてもよい。
【００７９】
[0089]銅電解溶液及び銅電気メッキ技術が、「Electro-deposition Chemistry」と題する共通に譲渡された米国特許第６，１１３，７７１号に説明されているが、これは本願に参考として取り込まれる。通常、電気メッキバスは、銅濃度が約０．７Ｍより高く、硫酸銅濃度が約０．８５で、ｐＨが約１．７５である。又、電気メッキバスは、この技術で良く知られたように、種々の添加物も含んでよい。バスの温度は、約１５℃から約２５℃である。バイアスは、約−１５ボルトから約１５ボルトである。１つの態様においては、正のバイアスが約０．１ボルトから約１０ボルトの範囲であり、負のバイアスが約−０．１ボルトから約−１０ボルトの範囲である。
【００８０】
[0090]任意であるが、金属層８５０の堆積に続いてアニール処理を行うことができ、従って、基板は、約１０分から約１時間、好ましくは、約３０分間、約１００℃から約４００℃の温度にされる。ヘリウム、水素、窒素又はその組み合せのようなキャリア／パージガスが約１００ｓｃｃｍから約１００００ｓｃｃｍの流量で導入される。チャンバー圧力は、約２Torrから約１０Torrまでに維持される。ＲＦ電力は、約１３．５６ＭＨｚの周波数において約２００Ｗから約１０００Ｗであり、好ましい基板間隔は、約３００ミルから約８００ミルである。
【００８１】
[0091]金属化に続いて、得られた構造体の上部を平坦化されてもよい。例えば、カリフォルニア州、サンタ・クララのアプライド・マテリアルズから入手できるＭｉｒｒａ（登録商標）システムのような化学的機械的研磨（ＣＰＭ）装置が使用可能である。任意であるが、上述したその後の層の堆積と堆積との間に構造体の中間面を平坦化してもよい。
【００８２】
[0092]図９は、上述した製造シーケンスを実行するためのマルチチャンバー処理システム９００を例示する概略上面図である。この処理システム９００は、カリフォルニア州、サンタ・クララのアプライド・マテリアルズ社から商業的に入手できるエンデュラ(Endura)システムでもよい。同様のマルチチャンネル処理システムが、１９９３年２月１６日付の「Stage Vacuum Wafer Processing System and Method」と題する米国特許第５，１８６，７１８号に説明されているが、これは本願に参考として取り込まれる。
【００８３】
[0093]システム９００には、一般に、２つ以上のロードロックチャンバー９０２、９０４、２つ以上の移送チャンバー９２２、９２４、２つ以上の移送ロボット９１０、９３０、及び複数の処理チャンバー９１２、９１４、９１６、９１８、９３２、９３４、９３６、９３８が配置されている。ロードロックチャンバー９０２、９０４は、基板をシステム９００に出し入れする。通常、システム９００が真空状態にあるので、ロードロックチャンバー９０２、９０４は、システム９００に導入される基板を「ポンプ・ダウン」する。
【００８４】
[0094]第１ロボット９１０は、ロードロックチャンバー９０２、９０４と、第１組の１つ以上の基板処理チャンバー９１２、９１４、９１６、９１８（４つが示されている）との間で基板を移送してもよい。各処理チャンバー９１２、９１４、９１６、９１８は、上述したＣＬＤ及びＣＶＤのような二重堆積プロセスを実行する能力を有している。或いは又、各処理チャンバー９１２、９１４、９１６、９１８は、複数の単一処理操作、例えば、繰り返し層堆積、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、エッチング、アニール、予備洗浄、脱ガス、オリエンテーション及び他の基板プロセスを遂行するように準備することができる。
【００８５】
[0095]又、第１ロボット９１０は、１つ以上の移送チャンバー９２２、９２４へ／から基板を移送する。移送チャンバー９２２、９２４は、システム９００内で基板の移送を許しながら超高真空状態を維持するのに使用される。第２ロボット９３０は、移送チャンバー９２２、９２４と、第２組の１つ以上の処理チャンバー９３２、９３４、９３６、９３８との間に基板を移送してもよい。
【００８６】
[0096]処理チャンバー９１２、９１４、９１６、９１８と同様に、処理チャンバー９３２、９３４、９３６、９３８も、上述したＣＬＤ及びＣＶＤのような二重堆積プロセスを実行する能力を有する。或いは又、処理チャンバー９３２、９３４、９３６、９３８は、種々の単一処理操作、例えば、繰り返し層堆積、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、エッチング、アニール、予備洗浄、脱ガス、及びオリエンテーションを遂行するように準備することができる。処理チャンバー９１２、９１４、９１６、９１９、９３２、９３４、９３６、９３８のいずれも、システム９００により実行されるべき特定のプロセスに対して必要ない場合には、システム９００から除去することができる。
【００８７】
[0097]特定の構成において、処理チャンバー９３２、９３４、９３６、９３８は、ＣＬＤモードでバリア層を堆積した後に、ＣＶＤモードで接着層を堆積するように構成された上述した二重ＣＬＤ及びＣＶＤ処理システムである。処理チャンバー９１２及び９１４は、誘電体層を堆積するための物理的蒸着チャンバー、化学的蒸着チャンバー又は繰り返し堆積チャンバーでよい。処理チャンバー９１６及び９１８は、相互接続特徴部のアパーチャー又は開口をエッチングするように構成されたエッチングチャンバーでよい。システム９００のこの１つの特定の構成は、例示のためのものに過ぎず、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００８８】
[0098]以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに他の及び更に別の実施形態を案出することができ、それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施形態により繰り返し層堆積プロセス及び化学的蒸着プロセスの両方を実行できる処理システム１００の概略断面図である。
【図２】ガス分配アセンブリ１３０の拡大部分断面図である。
【図３】ガス分配アセンブリ１３０を図２の３−３線に沿って示した上部断面図である。
【図４】ガス分配アセンブリ１３０を通る流れの状態を例示する図である。
【図５Ａ】第２のガス分配サブアセンブリ５００の一実施形態を示す拡大縦断面図である。
【図５Ｂ】第２のガス分配サブアセンブリ５００の別の実施形態を示す拡大縦断面図である。
【図６】第２のガス分配システム５００を図５の６−６線に沿って示す横断面図である。
【図６Ａ】第２のガス分配システム５００を図５の６−６線に沿って示す横断面図である。
【図７】ここに述べる処理システム１００の実施形態に適した熱プレート１８０を例示する図である。
【図７Ａ】熱プレート１８０の１つの構成を例示する断面図である。
【図８Ａ】相互接続構造体８００を１つの製造段階において例示した図である。
【図８Ｂ】相互接続構造体８００を別の製造段階において例示した図である。
【図８Ｃ】相互接続構造体８００を更に別の製造段階において例示した図である。
【図８Ｄ】相互接続構造体８００を更に別の製造段階において例示した図である。
【図９】ここに説明する複数の堆積プロセスを実行するためのマルチチャンバー処理システム９００を例示する概略上面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１００・・・処理システム、１０２・・・チャンバー本体、１０８・・・スリットバルブ、１１０・・・基板、１１２・・・基板支持体、１１７・・・ポンピングポート、１１８・・・ポンプシステム、１１８Ａ・・・スロットルバルブ、１２２・・・パージリング、１２４・・・パージチャンネル、１３０・・・ガス分配アセンブリ、１３１・・・ヘッドアセンブリ、１３２・・・チャンバー蓋、１３４・・・拡張コンジット、１３４Ａ・・・内径、１４０Ａ、１４０Ｂ・・・高速作動バルブ、１５２・・・加熱素子、１６０・・・蓋の下面、１６２・・・ポンピングプレート、１６２Ａ・・・アパーチャー、１６６・・・コンジット、１６７・・・ライナー、１６８・・・パージチャンネル、１７０・・・コントローラ、１７２・・・プロセッサ、１７４・・・ランダムアクセスメモリ、１７６・・・ハードディスクドライブ、１８０・・・熱プレート、２００・・・第１ガス分配サブアセンブリ、２５０Ａ、２５０Ｂ・・・分配コンジット、５００・・・第２ガス分配サブアセンブリ、５１０・・・半径方向ミクサ、５２０・・・混合チャンネル、５２５、５２６・・・ガス導入口、５３０・・・ノズル、５５５・・・ギャップ、９００・・・システム、９０２、９０４・・・ロードロックチャンバー、９１０、９３０・・・移送ロボット、９１２、９１４、９１６、９１８、９３２、９３４、９３６、９３８・・・処理チャンバー、９２２、９２４・・・移送チャンバー
【図１】
2004214622.tif 000003
【図２】
2004214622.tif 000004
【図３】
2004214622.tif 000005
【図４】
2004214622.tif 000006
【図５Ａ】
2004214622.tif 000007
【図５Ｂ】
2004214622.tif 000008
【図６】
2004214622.tif 000009
【図６Ａ】
2004214622.tif 000010
【図７】
2004214622.tif 000011
【図７Ａ】
2004214622.tif 000012
【図８Ａ】
2004214622.tif 000013
【図８Ｂ】
2004214622.tif 000014
【図８Ｃ】
2004214622.tif 000015
【図８Ｄ】
2004214622.tif 000016
【図９】
2004214622.tif 000017
【外国語明細書】
2004214622000001.pdf