(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を収容するチャンバーと、
前記チャンバーの上部に設けられ、前記チャンバー内へ原料ガスとして有機金属化合物ガスを導入する導入孔を有するシャワーヘッドを備えた原料ガス供給系と、
前記チャンバーの上方に設けられたプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室に電界を印加してプラズマ生成室に導入された水素ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、
前記プラズマ生成室の水素プラズマから水素ラジカルを選択的に前記チャンバーに導入する水素ラジカル導入路とを備え、
前記シャワーヘッドは導体で構成され、前記プラズマ生成室内の対向電極として機能し、
前記水素ラジカル導入路は、その内壁を絶縁体で形成し、前記プラズマ生成室から前記シャワーヘッドを貫通して設けられていることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記水素ラジカル導入路は、前記シャワーヘッドを貫通する貫通孔と、その貫通孔にはめ込まれた筒状の絶縁部材とを有することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記水素ラジカル導入路は、プラズマ生成室側の開口面積よりもチャンバー側の開口面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機金属化合物を用いて金属膜を形成する成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩの製造においては、シリコン等の半導体ウエハ上に配線を形成するが、このようなＬＳＩの配線としては、ＡｌやＣｕが用いられており、従来これらは主にスパッタリング法により成膜することにより形成されている。
【０００３】
しかしながら、配線の微細化が進んでいる現在、スパッタリングでは要求される微細化レベルの配線を得ることが困難となりつつある。このため、微細化に対応可能なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて配線を形成することが求められており、種々の検討がなされている。
【０００４】
Ｃｕ配線をＣＶＤで成膜する場合には、例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳやＣｕ（ｈｆａｃ）ＡＴＭＳ等の有機銅化合物が成膜原料として用いられ、これを気化器により気化させてチャンバー内に供給し、チャンバー内に配置された半導体ウエハを加熱しつつ、その上に有機銅化合物が分解して生成されたＣｕを堆積させる。
【０００５】
しかし、このような熱ＣＶＤによりＣｕ膜を形成する場合には、成膜速度が遅く、生産性が低いという問題点がある。
【０００６】
このような生産性が低いという問題点を解決する技術として、特開平６−１５８３２０号公報には、有機金属化合物を供給してＣｕ等の金属をＣＶＤ成膜するに際し、成膜面に水素原子または水素ラジカルを供給して反応を促進させながら成膜を行う技術が開示されており、ここでは、水素ラジカルを生成するためにプラズマ発生装置を用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−１５８３２０号公報のように、プラズマ発生装置により水素のプラズマを形成すると、水素ラジカルの他、水素イオンや電子等の荷電粒子も生成され、これらが成膜対象である半導体ウエハに衝突してダメージを与えるおそれがある。
【０００８】
また、従来の有機金属化合物を用いて金属膜を成膜する技術では、成膜した膜の表面が荒れていたり、比抵抗が高いといった膜質面での問題もあるが、上記技術ではこのような膜質面の問題を十分に解消することは困難である。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、被処理体にダメージを与えることなくＣＶＤにより良好な膜質の金属膜を高い成膜速度で形成することができる成膜装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によれば、被処理体を収容するチャンバーと、前記チャンバーの上部に設けられ、前記チャンバー内へ原料ガスとして有機金属化合物ガスを導入する導入孔を有するシャワーヘッドを備えた原料ガス供給系と、前記チャンバーの上方に設けられたプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に電界を印加してプラズマ生成室に導入された水素ガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記プラズマ生成室の水素プラズマから水素ラジカルを選択的に前記チャンバーに導入する水素ラジカル導入路とを備え、前記シャワーヘッドは導体で構成され、前記プラズマ生成室内の対向電極として機能し、前記水素ラジカル導入路は、その内壁を絶縁体で形成し、前記プラズマ生成室から前記シャワーヘッドを貫通して設けられていることを特徴とする成膜装置が提供される。
【００１２】
この場合に、前記水素ラジカル導入路は、前記シャワーヘッドを貫通する貫通孔と、その貫通孔にはめ込まれた筒状の絶縁部材とを有する構造を採用することができる。前記水素ラジカル導入路は、プラズマ生成室側の開口面積よりも、チャンバー側の開口面積が小さくなるように形成されていることが好ましい。
【００１４】
本発明においては、チャンバー外で形成された水素プラズマから水素ラジカルを選択的に前記チャンバーに導入するので、水素ラジカルによる反応促進作用により高い成膜速度で金属膜を形成することができるとともに、水素イオンや電子等の荷電粒子によるダメージを受けることなく良質の金属膜を得ることができる。
【００１５】
具体的には、前記チャンバーとは別個にプラズマ生成室を設け、プラズマ生成室に電界を印加して、その中で水素プラズマを形成し、水素ラジカル導入路によりプラズマ生成室からチャンバーへ水素ラジカルを導く。この際に、水素ラジカル導入路の内壁を絶縁体で形成することにより、荷電粒子はプラズマ生成室内の対向電極として機能するシャワーヘッドの表面部分に吸引されて消滅するのに対し、中性の水素ラジカルは吸引されずに直進し、ラジカル導入路に至る。この場合に、水素ラジカル導入路の内壁が絶縁体で形成されているので、水素ラジカルが消滅することなくチャンバーに導入される。すなわち、水素ラジカルが選択的にチャンバーに導入される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るＣＶＤ成膜装置を示す断面図である。この成膜装置は、ＣＶＤによりＣｕを成膜するものであり、略円筒状をなし、真空排気可能に構成されたチャンバー１を有している。チャンバー１の中には被処理体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ー２が支持部材３により支持された状態で配置されている。サセプター２の外縁部には半導体ウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプター２にはヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５は電源６から給電されることにより被処理体である半導体ウエハＷを所定の温度に加熱する。電源６にはコントローラー７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５の出力が制御される。
【００１７】
チャンバー１の底壁１ｂには、排気ポート８が形成されており、この排気ポート８には排気装置９が接続されている。排気装置９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できる。また、排気路には、自動的に排気量を制御するための自動圧力制御バルブ１０が設けられている。
【００１８】
チャンバー１の天壁１ａには、シャワーヘッド１１が取り付けられている。このシャワーヘッド１１の側壁には、原料導入ポート１２が形成されており、この原料導入ポート１２には配管１３が接続されている。配管１３の他端には原料供給源１４が設けられており、この原料供給源１４からは成膜原料として液体である金属銅化合物が送出され、この金属銅化合物は配管１３の途中に設けられた気化器１５で気化されて原料導入ポート１２を介してシャワーヘッド１１内に導入される。シャワーヘッド１１は内部に空間１１ａを有しており、下壁１１ｂに多数のガス吐出孔１６を有している。したがって、配管１３を介してシャワーヘッド１１の内部空間１１ａに導入された金属銅化合物ガスがガス吐出孔１６から半導体ウエハＷに向けて吐出される。
【００１９】
原料供給源２には、液体の有機銅化合物であるＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳまたはＣｕ（ｈｆａｃ）ＡＴＭＳが貯留されており、適宜の手段でこのような液体原料を配管１３を通って気化器１５に向けて送出する。
【００２０】
シャワーヘッド１１の上方には、水素プラズマを形成するためのプラズマ生成室１７が設けられている。このプラズマ生成室１７の側壁には、水素ガス導入ポート１８が形成されており、水素ガスが水素ガス供給源１９から水素ガス導入ポート１８を介してプラズマ生成室１７に導入される。
【００２１】
プラズマ生成室１７の上壁１７ａの上には渦巻き状のアンテナ２０が設けられており、このアンテナ２０には高周波電源２１が接続されている。そして、この高周波電源２１から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波がアンテナ２０に供給されることにより、プラズマ形成室１７内には高周波電界が形成され、これにより水素ガスのプラズマが形成される。
【００２２】
プラズマ生成室１７は、その底壁が上記シャワーヘッド１１の上壁１１ｃで構成されており、シャワーヘッド１１の上壁１１ｃから下壁１１ｂを貫通するように多数の水素ラジカル導入路２２が形成されている。そして、プラズマ生成室１７で生成されたプラズマの中から水素ラジカルのみが水素ラジカル導入路２２を通ってチャンバー１内に導入される。
【００２３】
具体的には図２に示すように、シャワーヘッド１１を上下に貫通する多数の筒部材２３が設けられ、その内部に例えばセラミック材料からなる筒状の絶縁部材２４がはめ込まれ、絶縁部材２４の内側に水素ラジカル導入路２２が形成されている。絶縁部材２４の上端にはフランジ２４ａが形成されている。水素ラジカル導入路２２の下端、すなわちチャンバー側開口部は、上端のプラズマ生成室側開口部よりも開口面積が小さくなるように小径部２５が形成されている。この構成により、プラズマ生成室から水素ラジカルを効率良く取り込むことができるとともに、水素ラジカルのバックディフュージョンを防止することができる。
【００２４】
なお、この場合の寸法は、例えば、シャワーヘッド１１の厚さが２５ｍｍ、水素ラジカル導入路２２の上端開口部の径が５ｍｍ、小径部２５の径が０．５〜１ｍｍ、水素ラジカル導入路２２同士の間隔が２０ｍｍである。
【００２５】
また、水素ラジカル導入路２２の入口（プラズマ生成室側開口）の周囲は絶縁物（フランジ２４ａ）で形成されているが、隣接するフランジ間の隙間には、シャワーヘッド上壁１１ｃを構成する導体（例えばアルミニウム）が露出している。
【００２６】
ガス吐出口１６および水素ラジカル導入路２２のチャンバー側開口部はシャワーヘッド１１の底面において、それぞれほぼ等間隔になるように、複数の同心円状あるいはマトリクス状に配置される。さらに両者は互いに間隔を埋めるように配置され、原料ガス（有機銅化合物）、水素ラジカルとともに均一にチャンバー内に導入される。
【００２７】
このように構成される成膜装置においてＣｕ膜を形成するに際しては、まず、チャンバー１内に半導体ウエハＷを搬入し、サセプタ２の上に載置する。そして、排気装置９によりチャンバー１内を減圧しつつ、原料供給源１４からの液体状の有機銅化合物原料を気化器１５でガス化した原料ガスを原料導入ポート１２を介してシャワーヘッド１１内に導入し、多数のガス吐出孔１６からチャンバー１内へ導入する。
【００２８】
一方、上記有機銅化合物原料の導入と同時に、プラズマ生成室１７内に水素ガス供給源１９から水素ガスを導入しつつ、高周波電源２１からアンテナ２０に高周波を印加し、プラズマ生成室１７内に水素ガスのプラズマを生成させる。
【００２９】
プラズマ中には、水素イオン、電子、水素ラジカルが共存しているが、図３に示すように、荷電粒子である水素イオンおよび電子は、対向電極として機能するシャワーヘッド１１の上壁１１ｃの表面部分に吸引され消滅するが、中性である水素ラジカルは直進して水素ラジカル導入路２２に対応する部分の水素ラジカルが水素ラジカル導入路２２を通ってチャンバー内に導入される。したがって、水素ガスのプラズマの中で水素ラジカルのみが選択的にチャンバー１内に導入される。この場合に、水素ラジカル導入路２２の内壁が絶縁部材２４であるため、水素ラジカルが消滅せずにチャンバー１に導入される。また、水素ラジカル導入路２２の先端部が小径部２５となっているので、水素ラジカルのバックディフュージョンが防止され、水素ラジカルがシャワーヘッド１１の下面に衝突して消耗することを防止することができる。
【００３０】
上述したように、チャンバー１内にＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳやＣｕ（ｈｆａｃ）ＡＴＭＳ等有機銅化合物からなる原料ガスが供給されると、半導体ウエハＷはサセプタ２内に埋設されたヒーター５により、原料ガスの分解温度以上に加熱されているため、半導体ウエハＷの表面において原料ガスが分解され、半導体ウエハＷ上にＣｕ膜が成膜される。
【００３１】
この成膜の際に、上述のようにしてチャンバー１内に供給された水素ラジカルが、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳやＣｕ（ｈｆａｃ）ＡＴＭＳ等の分解反応を促進させる。したがって、水素ラジカルの存在により成膜レートが上昇し、効率良くＣｕ膜を形成することができる。このように水素ラジカルにより反応が促進されるのは、水素ラジカルを用いない場合にＣｕまで分解されず成膜に寄与しないＣｕ成分をも分解させ、膜成分とすることができるからである。
【００３２】
また、このように水素ラジカルを導入することにより反応が促進されるので、より低温で成膜することが可能となる。具体的には、従来、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳまたはＣｕ（ｈｆａｃ）ＡＴＭＳを用いて成膜する場合に１９０℃程度に加熱する必要があったのが、水素ラジカルを導入することにより１７０℃程度にまで低下させることができる。このように低温成膜が可能なことにより、従来、Ｃｕ膜の膜厚が薄い場合に生じていたマイグレーションによる比抵抗上昇の問題を解消することができる。
【００３３】
さらに、このように水素ラジカルのみを選択的にチャンバー１内に導入することができるので、形成されたＣｕ膜が水素イオンや電子などの荷電粒子によって、ダメージを受けることを防止することができる。したがって、良好な膜質のＣｕ膜を得ることができる。
【００３４】
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、Ｃｕ原料としてＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳまたはＣｕ（ｈｆａｃ）ＡＴＭＳを用いたが、これに限るものではない。
【００３５】
また、本発明をＣｕのＣＶＤ成膜に適用した場合について示したが、成膜対象は必ずしもＣｕに限らず、Ａｌ等、有機金属化合物を原料としてＣＶＤを行うものであれば適用可能である。水素プラズマを形成する方法も上述の方法に限るものではない。
【００３６】
さらに、上記実施形態では被処理体として半導体ウエハを用いたが、これに限らずＬＣＤ基板等、ＣＶＤで金属膜が形成される対象であればよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、チャンバー外で形成された水素のプラズマから水素ラジカルを選択的に前記チャンバーに導入するので、水素ラジカルによる反応促進作用により高い成膜速度で金属膜を形成することができるとともに、水素イオンや電子等の荷電粒子によるダメージを受けることなく良質の金属膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を示す断面図。
【図２】図１に示した装置の水素ラジカル導入路の配置部分を拡大して示す断面図。
【図３】プラズマ生成室からチャンバーへ水素ラジカルのみ導入される原理を説明するために、水素ラジカル導入路の配置部分を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
１……チャンバー
２……サセプター
５……ヒーター
１１……シャワーヘッド
１４……原料供給源
１７……水素プラズマ生成室
２１……高周波電源（プラズマ生成手段）
２２……水素ラジカル導入路
２３……絶縁部材
Ｗ……半導体ウエハ
【図１】
0004149051.tif 000002
【図２】
0004149051.tif 000003
【図３】
0004149051.tif 000004