JP5281856B2 - 成膜方法および成膜装置、ならびに記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、半導体の配線として用いられる銅膜等の金属膜を成膜する成膜方法および成膜装置、ならびに記憶媒体に関する。

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、また、三次元素子のような複雑な形状の素子も出現するに至っており、ＰＶＤ法ではステップカバレッジが悪く、これらに対応することが困難である。

このため、金属原料ガスと還元剤であるＨ_２とを加熱した基板表面上に供給して酸化還元反応により金属膜を成膜するＣＶＤ成膜方法が注目されている（例えば特許文献１）。

しかしながら、Ｈ_２を還元ガスとして使用する場合、Ｈ−Ｈ結合が強いため、基板表面を高温にしないと還元反応速度が遅く、成膜速度が著しく低下する。一方、基板表面を高温にすると、還元反応だけではなく金属原料ガスに含まれる配位子が分解し、不純物として取り込まれてしまい、成膜される金属膜の純度が低いという問題がある。また、気相での分解反応が起こりステップカバレッジの悪化を引き起こし、高温で成膜することで基板が熱による損傷を受けるおそれがある。
特開平６−１２４９１５号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、不純物が少ない金属膜を低温でかつ良好なステップカバレッジで成膜することができる成膜方法および成膜装置を提供することを目的とする。
また、このような方法を実行させるプログラムが記憶された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、基板上に所定の金属元素を含む金属原料ガスを吸着させる工程と、金属原料ガスが吸着した基板に蟻酸を供給し、基板上に前記所定の金属元素の蟻酸塩膜を生成させる工程と、 生成された前記蟻酸塩膜に対し、還元雰囲気中でエネルギーを与え、前記蟻酸塩を分解して金属膜を形成する工程とを有することを特徴とする成膜方法を提供する。

上記第１の観点の成膜方法において、前記還元雰囲気として蟻酸雰囲気を用いることができる。

上記第１の観点の成膜方法において、前記基板は真空に保持された処理容器内に配置され、前記処理容器内に前記金属原料ガスを導入することにより基板上に金属原料ガスを吸着させ、前記処理容器内に蟻酸を導入することにより吸着した金属原料ガスと蟻酸とを反応させて前記所定の金属元素の蟻酸塩膜を生成させるようにすることができる。また、前記エネルギーは加熱により与えられることが好ましい。さらに、前記金属原料ガスは、基板に対して気相状態で供給されることできる程度に高い蒸気圧を有し、前記蟻酸塩は、膜として存在できる程度に低い蒸気圧を有することが好ましい。

また、上記第１の観点の成膜方法において、前記所定の金属として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群から選択された１種を用いることができ、また、前記金属原料は、前記所定の金属に対応して、Ｃｏ（Ｃｐ）_２、Ｎｉ（ＭｅＣｐ）_２、Ｃｕ（ｈｆａｃ）_２、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）_２、Ｒｈ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｄ（ｈｆａｃ）_２、Ａｇ（ｈｆａｃ）（ａｌｋｅｎｅ）、Ｉｒ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｔ（ｈｆａｃ）_２のいずれかを用いることができる。

本発明の第２の観点では、真空に保持され、基板が配置される処理容器と、前記処理容器内で基板を支持する基板支持部材と、前記処理容器内に所定の金属元素を含む金属原料ガスを供給する金属原料ガス供給手段と、前記処理容器内に蟻酸を供給する蟻酸供給手段と、前記基板支持部材上の基板にエネルギーを与えるエネルギー付与手段と、前記処理容器内を排気する排気手段と、前記基板支持部材に支持された基板上に、前記金属原料ガス供給手段から供給された前記金属原料ガスを吸着させ、金属原料ガスが吸着した基板に、前記蟻酸供給手段から蟻酸を供給して基板上に前記所定の金属元素の蟻酸塩膜を生成させ、生成された前記蟻酸塩膜に対し、前記エネルギー付与手段により、還元雰囲気中でエネルギーを与えて、前記蟻酸塩を分解して金属膜を形成させるように制御する制御手段とを有することを特徴とする成膜装置を提供する。

上記第２の観点の成膜装置において、前記金属原料ガス供給手段は、前記金属原料を貯留する金属原料貯留容器と、前記金属原料を気相状態で供給する金属原料ガス供給配管とを有する構成とすることができる。また、前記蟻酸供給手段は、蟻酸を貯留する蟻酸貯留容器と、前記蟻酸を気相状態で供給する蟻酸ガス供給配管とを有する構成とすることができる。さらに、前記金属原料ガスおよび蟻酸を処理容器内にシャワー状に導くシャワーヘッドを有する構成とすることができる。

また、上記第２の観点の成膜装置において、前記エネルギー付与手段としては、前記基板に熱エネルギーを与えるものを用いることができる。この場合に、前記エネルギー付与手段は、前記基板支持部材に設けられた抵抗ヒーターを有するものを用いることができ、また、前記エネルギー付与手段は、前記基板支持部材の上方または下方に設けられた加熱ランプを有するものを用いることができる。

さらに、上記第２の観点の成膜装置において、前記所定の金属としては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群から選択された１種を用いることができ、前記金属原料は、前記所定の金属に対応して、Ｃｏ（Ｃｐ）_２、Ｎｉ（ＭｅＣｐ）_２、Ｃｕ（ｈｆａｃ）_２、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）_２、Ｒｈ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｄ（ｈｆａｃ）_２、Ａｇ（ｈｆａｃ）（ａｌｋｅｎｅ）、Ｉｒ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｔ（ｈｆａｃ）_２のいずれかを用いることができる。

本発明の第３の観点では、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第１の観点の成膜方法が実施さ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記憶媒体を提供する。

本発明によれば、金属原料ガスを基板上に吸着させた後、その吸着された金属原料を蟻酸と反応させてその金属の蟻酸塩膜を形成するが、蟻酸塩は比較的蒸気圧が低いものが多く、表面からの脱離が起こりにくい。このため、確実に基板表面を被覆することができる。また、蟻酸塩は比較的低いエネルギーで分解還元反応を生じて金属膜を形成するので、熱による基板への損傷を回避しながら、ステップカバレッジの良い金属膜を生成することができる。また、金属に配位していたフォルメート基は、熱分解によりＨ_２とＣＯ_２ 、またはＨ_２ＯとＣＯに分解されて排気されるので、分解物が生成された金属膜に不純物として取り込まれることがない。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る成膜方法の概念を説明するための模式図である。

最初に、図１の（ａ）に示すように、得ようとする金属膜の金属を含む金属原料ガスを、その金属原料ガスが吸着しやすい温度に調整された基板１上に供給する。ここでは、金属原料としてＭ（II）Ｌ_１Ｌ_２で表されるものを例にとって示している（図１ではＭＬ_１Ｌ_２と表記している）。Ｍは成膜しようとする金属（単金属）であり、Ｌ_１，Ｌ_２は配位子である。Ｌ_１，Ｌ_２は同じものであっても異なるものであってもよい。なお、Ｍとして２価の金属を例示しているが、これに限るものではない。

金属Ｍとしては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ等の比較的「貴」な金属を好適に用いることができる。また、金属原料としては、基板１に対して気相状態で供給されることが必要であるため、比較的高い蒸気圧を有することが好ましく、Ｃｏ（Ｃｐ）_２、Ｎｉ（ＭｅＣｐ）_２、Ｃｕ（ｈｆａｃ）_２、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）_２、Ｒｈ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｄ（ｈｆａｃ）_２、Ａｇ（ｈｆａｃ）（ａｌｋｅｎｅ）、Ｉｒ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｔ（ｈｆａｃ）_２等を挙げることができる。

基板１に供給された金属原料ガスは、図１の（ｂ）に示すように、基板１の表面に吸着され、吸着層２が形成される。このように吸着層２が形成された後は、気相中に残存する金属原料ガスをパージする。

次いで、図１の（ｃ）に示すように、基板１表面に吸着された金属原料ガスからなる吸着層２を蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスに曝露し、金属原料ガスと蟻酸とを反応させてその金属の蟻酸塩膜３を形成する。このときの反応は、例えば、Ｍが２価の場合には、以下の（１）式に示すようなものとなる。
Ｍ（II）Ｌ_１Ｌ_２＋２ＨＣＯＯＨ→Ｍ（ＨＣＯＯ）_２＋ＨＬ_１↑＋ＨＬ_２↑…（１）
すなわち、金属原料の配位子はＨＬ_１、ＨＬ_２となって排気ガスとしてパージされ、蟻酸塩としてＭ（ＨＣＯＯ）_２が形成される。なお、蟻酸塩は２価に限らず１価であっても３価であってもよい。すなわち、蟻酸塩はＭ（ＨＣＯＯ）_ｎ（ただしｎ＝１，２，３，）で表される。蟻酸塩膜３は、基板１表面に膜として存在することが必要であるため、比較的蒸気圧が低いものであることが好ましい。

次いで、図１の（ｄ）に示すように、還元雰囲気中で蟻酸塩膜３にエネルギーを与えることにより、蟻酸塩が以下の（２）式に示すようにして分解して金属膜４となる。（２）式に示すように、フォルメート基（ＨＣＯＯ）は分解されてＨ_２、ＣＯ_２となって排気される。なお、Ｈ_２ＯとＣＯとに分解されることもある。
Ｍ（ＨＣＯＯ）_２＋エネルギー → Ｍ＋Ｈ_２＋２ＣＯ_２ …（２）

このときエネルギーとしては典型的には熱エネルギーを用いる。熱エネルギーは通常の成膜装置に用いられている抵抗発熱体や加熱ランプ等により与えることができるので適用が容易である。また、図１の（ｄ）では基板１の両側からエネルギーが与えられているように描かれているが、いずれか一方からでもよい。このときの加熱温度は、１５０〜３５０℃程度の比較的低温でよい。

還元雰囲気を形成するガスは還元雰囲気が形成される限り特に限定はしないが、図１の（ｃ）において蟻酸（ＨＣＯＯＨ）ガスを用いているので、還元ガスとして蟻酸ガスを使用することが簡便である。

このように、金属原料ガスを基板１の表面に吸着させた後、その吸着された金属原料からなる吸着層２を蟻酸と反応させてその金属の蟻酸塩膜３を形成するが、蟻酸塩は比較的蒸気圧が低いものが多く、表面からの脱離が起こりにくい。このため、確実に基板表面を被覆することができる。また、蟻酸塩は比較的低いエネルギーで、すなわち比較的低温での加熱により上記（２）式に基づく熱分解還元反応を生じて金属膜を形成するので、低温にて良好なステップカバレッジの金属膜を得ることができる。また、金属に配位していたフォルメート基は、熱分解によりＨ_２とＣＯ_２ 、またはＨ_２ＯとＣＯに分解されて排気されるので、分解物が生成された金属膜に不純物として取り込まれることがない。

本発明は、このようにして良好なステップカバレッジで良質の金属膜を低温で形成することができるので、微細パターンへの成膜や複雑形状に対する成膜に適しており、特に、微細素子や三次元素子におけるトランジスタ部の電極、ソースドレイン部へのコンタクト材、銅配線のバリア膜、銅めっきのためのシード膜等に対する適用が期待されるＮｉやＣｏの成膜に好適である。

なお、Ｎｉ等の蟻酸塩を加熱する際には、不活性雰囲気や酸化雰囲気では、金属とともに金属酸化物が出現しやすいが、還元雰囲気においては上記金属の蟻酸塩では、ほぼ金属のみが出現する（Pietro BARALDI, Spectrochimica Acta, Vol.35A, pp1003-1007 および B. Xia et al., J. Am. Ceram. Soc., 84 [7] 1425-32(2001)参照）。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
ステップカバレッジを考慮すると、図１に示したように、金属原料ガスを基板表面に吸着させた後、蟻酸を供給して蟻酸塩を生成させ、これにエネルギーを与えて金属膜とすることが好ましいが、本実施形態ではスループットを重視し、図２に示すように金属膜の成膜を行う。図２の（ａ）では図１の（ａ）と同様、得ようとする金属膜の金属を含む金属原料ガスを、その金属原料ガスが吸着しやすい温度に調整された基板１上に供給し、図２の（ｂ）に示すように、図１の（ｂ）と同様、金属原料ガスを基板１の表面に吸着させる。そして、図２の（ｃ）に示すように、基板１の周囲に蟻酸ガスの雰囲気を形成するとともに、エネルギーを与えることにより、蟻酸ガスが金属原料と反応して蟻酸塩が形成されるとともに、与えられたエネルギーにより蟻酸塩が分解して金属が形成されて金属膜４が形成される。このような方法では、図１の方法よりも多少ステップカバレッジが劣る傾向にあるが、図１に示した方法よりも短時間で金属膜を形成することができ、スループットを高めることができるというメリットがある。

次に、本発明をより具体的に説明する。
図３は、本発明に係る方法を実施するための成膜装置の一例の概略構成を示す断面図である。
図３に示す成膜装置は、例えばアルミニウムなどにより円筒状あるいは箱状に成形されたチャンバ１１を有しており、チャンバ１１の内部には、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）Ｗを水平に支持するためのサセプタ１２がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材１３により支持された状態で配置されている。サセプタ１２にはヒーター１４が埋め込まれており、このヒーター１４はヒーター電源１５から給電されることにより被処理基板であるウエハＷを所定の温度に加熱する。なお、サセプタ１２はセラミックス例えばＡｌＮで構成することができる。

チャンバ１１の天壁１１ａには、シャワーヘッド２０が形成されている。シャワーヘッド２０は、チャンバ１１の天壁１１ａ内に形成された水平に延材する扁平形状のガス拡散空間２１と、その下方に設けられた多数のガス吐出孔２３を有するシャワープレート２２とを有している。シャワーヘッド２０の内面にはヒーター２０ａが設けられている。

チャンバ１１の側壁下部には排気口２４が形成されており、この排気口２４には排気管２５が接続されている。この排気管２５には真空ポンプを有する排気装置２６が接続されている。そしてこの排気装置２６を作動させることにより排気管２５を介してチャンバ１１内が所定の真空度まで減圧されるようになっている。チャンバ１１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２７と、この搬入出口２７を開閉するゲートバルブ２８とが設けられている。

一方、チャンバ１１の外部には、例えばＭ（II）Ｌ_１Ｌ_２で表される金属原料を貯留する金属原料貯留容器３１が配置されており、この金属原料貯留容器３１からは配管３２が延び、この配管３２はチャンバ１１の上方からシャワーヘッド２０の内部のガス拡散空間２１に臨む位置に接続されている。配管３２にはバルブ３３と流量制御のためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３４が設けられている。また、チャンバ１１の外部には、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）を貯留する蟻酸貯留容器３５も配置されており、この蟻酸貯留容器３５からは配管３６が延び、この配管３６はチャンバ１１の上方からシャワーヘッド２０の内部のガス拡散空間２１に臨む位置に接続されている。配管３６にはバルブ３７と流量制御のためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３８が設けられている。

配管３２のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３４の下流側には配管３２を不活性ガスでパージするためのガスライン１６ａが接続されている。ガスライン１６ａには上流側からバルブ１７ａおよびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１８ａが設けられている。また、配管３６のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３８の下流側には配管３６を不活性ガスでパージするためのガスライン１６ｂが接続されている。ガスライン１６ｂには上流側からバルブ１７ｂおよびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１８ｂが設けられている。さらに、シャワーヘッド２０のガス拡散空間２１内には副生成物のパージおよび希釈ガスを供給するためのガスライン１６ｃが接続されている。ガスライン１６ｃには上流側からバルブ１７ｃおよびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１８ｃが設けられている。

金属原料貯留容器３１内の金属原料は、加熱またはバブリング等の適宜の手段によりガス状とされ、生成された金属原料ガスが配管３２を通ってシャワーヘッド２０のガス拡散空間２１内に導入される。そして、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２３からチャンバ１１内に供給される。

蟻酸貯留容器３５内の蟻酸も、加熱またはバブリング等の適宜の手段によりガス状とされ、この蟻酸ガスは配管３６を通ってシャワーヘッド２０のガス拡散空間２１内に導入される。そして、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２３からチャンバ１１内に供給される。

成膜装置を構成する各構成部は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ８０に接続されて制御されるようになっている。また、プロセスコントローラ８０には、オペレータが成膜装置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８１が接続されている。さらに、プロセスコントローラ８０には、成膜装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ８０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処理レシピが格納された記憶部８２が接続されている。処理レシピは記憶部８２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクのような固定的なものであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、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８１からの指示等にて任意のレシピを記憶部８２から呼び出してプロセスコントローラ８０に実行させることで、プロセスコントローラ８０の制御下で、成膜装置での所望の処理が行われる。

次に、以上のように構成された成膜装置を用いて上記第１の実施形態の方法を行う際の処理動作について説明する。
まず、ゲートバルブ２８を開にして、ウエハＷを搬入出口２７からチャンバ１１内に搬入し、サセプタ１２上に載置する。排気装置２６により排気口２４および排気管２５を介してチャンバ１１内を排気することによりチャンバ１１内を所定の圧力にする。また、ヒーター１４によりウエハＷの温度を金属原料ガスが吸着しやすい温度に調整しておく。

この状態で、バルブ３３を開いてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３４により所定流量に調整された金属原料ガスを配管３２を介してシャワーヘッド２０へ導き、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２３からチャンバ１１内に導入する。これにより、ウエハＷの表面に金属原料ガスが吸着する。このとき必要に応じてシャワーヘッド２０の内面に設けられたヒーター２０ａにより金属原料ガスを適宜の温度に加熱してもよい。また、配管３２の周囲にヒーターを設けて配管を通流する金属原料ガスを適宜の温度に加熱してもよい。

その後、バルブ３３を閉じ、バルブ１７ａおよび１７ｃを開いてガスラインをパージガスライン１６ａ，１６ｃに切替え、Ｎ_２やＡｒなどの不活性ガスによってチャンバ１１内に残存する金属原料ガスをパージする。

次いで、バルブ１７ａおよび１７ｃを閉じ、バルブ３７を開いてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３８により所定流量に調整された蟻酸ガスを配管３６を介してシャワーヘッド２０へ導き、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２３からチャンバ１１内に導入する。これによりウエハＷ上に吸着された金属原料ガスが蟻酸ガスに曝露され、金属原料ガスと蟻酸とが例えば上記（１）式に従って反応して蟻酸塩膜が形成される。このとき必要に応じてシャワーヘッド２０の内面に設けられたヒーター２０ａにより蟻酸ガスを適宜の温度に加熱してもよい。また、配管３６の周囲にヒーターを設けて配管を通流する蟻酸ガスを適宜の温度に加熱してもよい。

次いで、所定時間経過後、チャンバ１１内を蟻酸雰囲気にしたままの状態で、ヒーター１４によりウエハＷに熱エネルギーを与え、ウエハＷを１５０〜３５０℃程度の比較的低温に加熱して蟻酸塩を例えば上記（２）式に従って分解させ、ウエハＷ上に金属膜を生成させる。

その後、ヒーター１４の出力を停止し、バルブ３７を閉じてバルブ３３，３７を閉じた状態とし、バルブ１７ａ，１７ｂ，１７ｃを開けて、ガスラインをパージガスライン１６ａ，１６ｂ，１６ｃに切替え、Ｎ_２やＡｒなどの不活性ガスによって副生成ガスや余分な蟻酸ガスをパージする。次いで、チャンバ１１内の圧力を外部の圧力に合わせた後、ゲートバルブ２８を開いてウエハＷを搬出する。

このように、金属原料ガスをチャンバ１１内のウエハＷの表面に吸着させてから、チャンバ１１内に蟻酸ガスを導入して金属原料ガスの吸着層との間の反応により蟻酸塩膜を形成し、このように形成された蟻酸塩膜を加熱するといった簡易な方法で金属膜を成膜するので、ステップカバレッジが良好で良質の金属膜を低温で複雑な工程を経ることなく成膜することができる。

次に、図３の成膜装置を用いて上記第２の実施形態の方法を行う際の処理動作について説明する。
この際には、金属原料ガスをウエハＷに吸着させるまでは、上記第１の実施形態の方法を行う場合と同様に行い、次いで、バルブ１７ａおよび１７ｃを閉じ、バルブ３７を開いてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３８により所定流量に調整された蟻酸ガスを配管３６を介してシャワーヘッド２０へ導き、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２３からチャンバ１１内に導入して、チャンバ１１内を蟻酸雰囲気とし、それと同時にヒーター１４によりウエハＷに熱エネルギーを与え、ウエハＷを１５０〜３５０℃程度の比較的低温に加熱する。これにより、上記（１）式に従って蟻酸塩を生成させるとともに、上記（２）式に従って蟻酸塩を分解させ、ウエハＷ上に所定厚さの金属膜を形成することができる。このため、金属膜の成膜時間の短縮化を図ることが可能となる。

次に、本発明に係る方法を実施するための成膜装置の他の例について説明する。図４は、本発明に係る方法を実施するための成膜装置の他の例の概略構成を示す断面図である。
この成膜装置は、サセプタ上のウエハを加熱する機構および排気経路が図３の装置と異なっており、その他の構成は基本的に図３の装置と同じであるので、同じ部材については同じ符号を付して説明を省略する。

図４の装置では、サセプタ１２の代わりにヒーターを有しないサセプタ１２′が設けられており、その下方にランプ加熱ユニット５０が設けられている。ランプ加熱ユニット５０は、紫外線ランプからなる複数のランプヒーター５１が配列され、これらランプヒーター５１の上に石英等の熱線透過材料よりなる透過窓５２が設けられて構成されており、透過窓５２の上に上記サセプタ１２′が載置されている。

また、チャンバ１１の側壁のサセプタ１２′に対応する高さ位置に排気口５３が開口しており、この排気口５３からチャンバ１１の側壁を水平に延び途中で下方に延びてチャンバ１１の底面に開口する排気流路５４が形成され、この排気流路５４に排気管５５が接続されている。排気管５５には真空ポンプを有する排気装置５６が接続されている。そしてこの排気装置５６を作動させることにより排気経路５４および排気管５５を介してチャンバ１１内が所定の真空度まで減圧されるようになっている。

この図４の装置においても基本的に図３の装置と同様にウエハＷを搬入してサセプタ１２′上に載置し、チャンバ１１内を所定の圧力に保持し、バルブ３３を開いてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３４により所定流量に調整された金属原料ガスを配管３２を介してシャワーヘッド２０へ導き、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２３からチャンバ１１内に導入し、ウエハＷの表面に金属原料ガスを吸着させる。その後、チャンバ１１内に残存する金属原料をパージする。次いで、バルブ３７を開いてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３８により所定流量に調整された蟻酸ガスを配管３６を介してシャワーヘッド２０へ導き、シャワーヘッド２０のガス吐出孔２３からチャンバ１１内に導入し、金属原料ガスと蟻酸とが例えば上記（１）式に従って反応して蟻酸塩膜を形成する。その後、チャンバ１１内を蟻酸雰囲気にしたままの状態で、ランプ加熱ユニット５０によりウエハＷに熱エネルギーを与え、ウエハＷを１５０〜３５０℃程度の比較的低温に加熱して蟻酸塩を例えば上記（２）式に従って分解させ、ウエハＷ上に金属膜を生成させる。

図４の装置はランプ加熱ユニット５０によりウエハＷの加熱を行うため、蟻酸塩膜を形成した後の昇温速度が速い。よって迅速に上記（２）式に示す反応式を進行させることができ、極めて簡便な手法であることに加えて高スループットで銅膜を形成することができる。

図４の装置において、第２の実施形態の方法を実施する場合には、サセプタ１２′上に載置されたウエハＷの表面に金属原料ガスを吸着させた後、チャンバ１１内に蟻酸ガスを供給してチャンバ１１内を蟻酸雰囲気にすると同時にランプ加熱ユニット５０によってウエハＷを１５０〜３５０℃程度に加熱し、上記（１）式に従って蟻酸塩を生成させるとともに、上記（２）式に従って蟻酸塩を分解させ、ウエハＷ上に所定厚さの金属膜を形成することができる。これにより、金属膜の成膜時間のさらなる短縮化を図ることが可能となる。

次に、本発明に係る方法を実施するための成膜装置のさらに他の例について説明する。図５は、本発明に係る方法を実施するための成膜装置のさらに他の例の概略構成を示す断面図である。
図５に示す成膜装置は、図３の成膜装置のサセプタ１２の代わりに、ヒーターを設けず温調流体流路１９を有するサセプタ１２″が設けられ、ヒーター１４を設ける代わりにチャンバ１１の上部にランプ加熱ユニット５０を設け、シャワーヘッドを設ける代わりにチャンバ１１の天壁にガス導入口７１を設け、その内面にヒーター７１ａを設けている。そして、配管３２および３６はガス導入口７１に接続されている。その他の構成は基本的に図３と同じであり、図３と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

このように構成された図５の成膜装置においても基本的に図３の装置と同様にウエハＷを搬入してサセプタ１２″上に載置し、チャンバ１１内を所定の圧力に保持し、バルブ３３を開いてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３４により所定流量に調整された金属原料ガスを配管３２およびガス導入口７１を介してチャンバ１１内に導入し、ウエハＷの表面に金属原料ガスを吸着させる。その後、チャンバ１１内に残存する金属原料をパージする。次いで、バルブ３７を開いてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３８により所定流量に調整された蟻酸ガスを配管３６およびガス導入口７１を介してチャンバ１１内に導入し、金属原料ガスと蟻酸とが例えば上記（１）式に従って反応して蟻酸塩膜を形成する。その後、チャンバ１１内を蟻酸雰囲気にしたままの状態で、ランプ加熱ユニット５０によりウエハＷに熱エネルギーを与え、ウエハＷを１５０〜３５０℃程度の比較的低温に加熱して蟻酸塩を例えば上記（２）式に従って分解させ、ウエハＷ上に金属膜を生成させる。この際に、必要に応じてヒーター７１ａにより金属原料ガスおよび蟻酸ガスを加熱してもよい。

この際に、サセプタ１２″の温調流体流路１９に適宜の温度の流体を通流させることによりウエハ温度を例えば−３０〜５０℃程度の範囲内に所望の温度にすることができ、これにより、ウエハ温度をウエハＷ上に生成される蟻酸塩の吸着に適した温度にすることができる。

また、図５の装置では、シャワーヘッドを設けない分ガス供給の均一性が若干低下することが懸念されるものの、上方からのランプ加熱で第一蟻酸銅を分解するので、ランプ加熱ユニットをサセプタ１２の下方に設けた図４の装置よりも迅速にウエハＷを加熱することができ、スループットを一層向上させることができる。また、サセプタ１２″の中には加熱機構が設けられていないため、温調のための温調流体流路１９を設けることが可能となり、蟻酸塩が吸着するのに最適な温度にすることができる。このため、図５の装置では前述の図３、図４の装置と比べて有利となる。

図５の装置において、第２の実施形態の方法を実施する場合には、サセプタ１２″上に載置されたウエハＷの表面に金属原料ガスを吸着させた後、チャンバ１１内に蟻酸ガスを供給してチャンバ１１内を蟻酸雰囲気にすると同時にランプ加熱ユニット５０によってウエハＷを１５０〜３５０℃程度に加熱し、上記（１）式に従って蟻酸塩を生成させるとともに、上記（２）式に従って蟻酸塩を分解させ、ウエハＷ上に所定厚さの金属膜を形成することができる。これにより、金属膜の成膜時間のさらなる短縮化を図ることが可能となる。

図３〜図５の装置では、一つのチャンバ内で金属原料の吸着工程と、蟻酸塩膜形成工程と、加熱による金属膜の形成工程を行う例を示したが、スループットおよび処理の自由度等の観点から、これらの工程を異なるチャンバで実施するようにすることもできる。

図６はこれら工程を行うチャンバをクラスター化したマルチチャンバシステムの概略構造を示す平面図である。このシステムは、ウエハＷ表面に蟻酸塩膜を形成する蟻酸塩膜形成ユニット１０１と、ウエハＷをアニールしてウエハＷに形成された蟻酸塩膜に熱エネルギーを与えて分解し、金属膜を形成するアニールユニット１０２と、アニール後のウエハＷを冷却する冷却ユニット１０３を備えており、これらは７角形のウエハ搬送室１０４の３つの辺に対応して設けられている。また、ウエハ搬送室１０４の他の２つの辺にはそれぞれロードロック室１０５、１０６が設けられている。これらロードロック室１０５、１０６のウエハ搬送室１０４と反対側にはウエハ搬入出室１０８が設けられており、ウエハ搬入出室１０８のロードロック室１０５、１０６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１０９、１１０、１１１が設けられている。

蟻酸塩膜形成ユニット１０１、アニールユニット１０２、冷却ユニット１０３、およびロードロック室１０５，１０６は、同図に示すように、ウエハ搬送室１０４の各辺にゲートバルブＧを介して接続され、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１０４と連通され、対応するゲートバルブＧを閉じることによりウエハ搬送室１０４から遮断される。また、ロードロック室１０５，１０６のウエハ搬入出室１０８に接続される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１０５，１０６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１０８に連通され、対応するゲートバルブＧを閉じることによりウエハ搬入出室１０８から遮断される。

ウエハ搬送室１０４内には、蟻酸塩膜形成ユニット１０１、アニールユニット１０２、冷却ユニット１０３、およびロードロック室１０５，１０６に対して、ウエハＷの搬入出を行うウエハ搬送装置１１２が設けられている。このウエハ搬送装置１１２は、ウエハ搬送室１０４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１１３の先端にウエハＷを保持する２つのブレード１１４ａ，１１４ｂを有しており、これら２つのブレード１１４ａ，１１４ｂは互いに反対方向を向くように回転・伸縮部１１３に取り付けられている。なお、このウエハ搬送室１０４内は所定の真空度に保持されるようになっている。

ウエハ搬入出室１０８のキャリアＣ取り付け用の３つのポート１０９，１１０、１１１にはそれぞれ図示しないシャッタが設けられており、これらポートにウエハ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るようになっている。また、ウエハ搬入出室１０８の側面にはアライメントチャンバ１１５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１０８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１０５，１０６に対するウエハＷの搬入出を行うウエハ搬送装置１１６が設けられている。このウエハ搬送装置１１６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１１８上を走行可能となっており、その先端のハンド１１７上にウエハＷを載せてその搬送を行う。ウエハ搬送装置１１２，１１６の動作等、システム全体の制御は制御部１１９によって行われる。この制御部１１９は、上記プロセスコントローラ８０、ユーザーインターフェース８１、記憶部８２の機能を有する。

上記蟻酸塩膜形成ユニット１０１は、基本的に図５の装置から加熱手段を除いた構成を有するものを用いることができる。

また、アニールユニット１０２としては、ウエハＷを加熱することができるものであればよいが、図７に示すものを好適に用いることができる。このアニールユニット１０２は、扁平形状のチャンバ１２１を有し、チャンバ１２１の底部には第一蟻酸銅膜２００が形成されたウエハＷを載置するサセプタ１２２が配置されている。

チャンバ１２１の天壁部分には、複数の紫外線ランプからなるランプヒーター１３１と透過窓１３２とからなるランプ加熱ユニット１３０を有しており、透過窓１３２を下にして下方へ熱線が照射されるように配置されている。

チャンバ１２１の側壁にはガス導入口１４１が設けられており、このガス導入口１４１にはガス導入配管１４２が接続されている。ガス導入配管１４２には、Ｎ_２ガス、Ａｒガス、Ｈｅガス等の不活性ガスを供給するガス供給機構１４３が接続されている。

チャンバ１２１の側壁のガス導入口１４１と反対側部分には、排気口１４４が形成されており、この排気口１４４には排気管１４５が接続されている。この排気管１４５には真空ポンプを有する排気装置１４６が接続されている。そしてこの排気装置１４６を作動させることにより排気管１４５を介してチャンバ１２１内が所定の真空度まで減圧されるようになっている。

このユニットでは、ランプ加熱による急速加熱および不活性ガスによる急速冷却が可能であり、極めて迅速なアニール処理を行うことができ、スループットを高めることができる。また、このユニットは、アニール専用モジュールであるため、処理の自由度が高く、例えば、Ｃｕ成膜ウエハ温度よりも高温でアニール処理して膜中の炭素および酸素を低減することも容易である。

冷却ユニット１０３は、図示しないが、冷媒流路を備えた冷却ステージをチャンバ内に配した簡単な構成のものであり、アニール処理により高温になったウエハＷを冷却するためのものである。

このように構成されるシステムにおいては、いずれかのキャリアＣからウエハ搬送装置１１６によりウエハＷを取り出してロードロック室１０５に搬入し、ウエハ搬送装置１１２によりロードロック室１０５から搬送室１０４に搬送する。そして、まず、ウエハＷを蟻酸塩膜形成ユニット１０１に搬送して第一蟻酸銅の成膜処理を行う。蟻酸塩膜形成ユニット１０１において所定厚さの第一蟻酸銅膜が形成されたウエハＷをウエハ搬送装置１１２により蟻酸塩膜形成ユニット１０１から取り出し、引き続きアニールユニット１０２に搬入する。アニールユニット１０２においては、酸化第一銅膜をランプ加熱することにより分解し、銅膜を形成する。その後、ウエハ搬送装置１１２により銅膜が形成されたウエハＷをアニールユニット１０２から取り出し、引き続き冷却ユニット１０３に搬入する。冷却ユニット１０３ではウエハステージ上でウエハＷを所定温度に冷却する。冷却ユニット１０３で冷却されたウエハＷはウエハ搬送装置１１２によりロードロック室１０６に搬送され、ロードロック室１０６からウエハ搬送装置１１６により所定のキャリアＣに搬入される。そして、このような一連の処理をキャリアＣに収容されている枚数のウエハＷについて連続的に行う。

このように異なる処理を行う複数のユニットをクラスター化することにより、各ユニットにおいて処理を専用化することができ、一つの装置で全ての工程を行うよりもスループットを向上させることができる。

なお、本発明に係る金属膜の成膜処理を行うユニットと、スパッタリング等を行う他のユニットとを図６と同様にクラスター化してもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなくさらに種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、上述した金属原料は例示に過ぎず、気相状態でウエハ（基板）に供給できる程度の比較的高い蒸気圧を有するものであれば好適に適用可能である。また、金属蟻酸塩としては、基板（ウエハ）表面に膜として存在することができる程度に蒸気圧が低いものであれば適用可能である。また、上記実施形態では、主に金属膜を形成する際の加熱を蟻酸雰囲気で行う例を示したが、還元性のガスであればこれに限定されない。さらに、上記実施形態では基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用のガラス基板等、他の基板であっても適用可能である。さらにまた、本発明の範囲を逸脱しない限り、上記実施の形態の構成要素を適宜組み合わせたもの、あるいは上記実施の形態の構成要素を一部取り除いたものも本発明の範囲内である。

本発明に係る銅膜の成膜方法は、良好なステップカバレッジで良質な膜を低温で得られるため、微細パターンへの成膜や複雑形状に対する成膜に適しており、特に、微細素子や三次元素子におけるトランジスタ部の電極、ソースドレイン部へのコンタクト材等に対する適用が期待されるＮｉやＣｏの成膜に好適である。

本発明の第１の実施形態に係る成膜方法を説明するための模式図。 本発明の第２の実施形態に係る成膜方法を説明するための模式図。 本発明に係る成膜方法を実施するための成膜装置の一例の概略構成を示す断面図。 本発明に係る成膜方法を実施するための成膜装置の他の例の概略構成を示す断面図。 本発明に係る成膜方法を実施するための成膜装置のさらに他の例の概略構成を示す断面図。 本発明に係る成膜方法を実施するためのマルチチャンバシステムの概略構造を示す平面図。 図６のシステムに用いられるアニールユニットを示す断面図。

符号の説明

１；基板
２；吸着層
３；蟻酸塩膜
４；金属膜
１１；チャンバ
１２，１２′，１２″；サセプタ
１４；ヒーター
１９；温調流体流路
２０；シャワーヘッド
２０ａ，７１ａ；ヒーター
２２；シャワープレート
２３；ガス吐出孔
３１；金属原料貯留容器
３２，３６；配管
３５；蟻酸貯留容器
５０；ランプ加熱ユニット
８０；プロセスコントローラ
８１；ユーザーインターフェース
８２；記憶部
１０１；蟻酸塩膜形成ユニット
１０２；アニールユニット
１０３；冷却ユニット
１１９；制御部
Ｗ；半導体ウエハ（基板）

Claims (17)

1. 基板上に所定の金属元素を含む金属原料ガスを吸着させる工程と、
   金属原料ガスが吸着した基板に蟻酸を供給し、基板上に前記所定の金属元素の蟻酸塩膜を生成させる工程と、
   生成された前記蟻酸塩膜に対し、還元雰囲気中でエネルギーを与え、前記蟻酸塩を分解して金属膜を形成する工程と
   を有することを特徴とする成膜方法。
2. 前記還元雰囲気は蟻酸雰囲気であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記基板は真空に保持された処理容器内に配置され、前記処理容器内に前記金属原料ガスを導入することにより基板上に金属原料ガスを吸着させ、前記処理容器内に蟻酸を導入することにより吸着した金属原料ガスと蟻酸とを反応させて前記所定の金属元素の蟻酸塩膜を生成させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜方法。
4. 前記エネルギーは加熱により与えられ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項に記載の成膜方法。
5. 前記金属原料ガスは、基板に対して気相状態で供給されることができる程度に高い蒸気圧を有し、前記蟻酸塩は、膜として存在できる程度に低い蒸気圧を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の成膜方法。
6. 前記所定の金属として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群から選択された１種を用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の成膜方法。
7. 前記金属原料は、前記所定の金属に対応して、Ｃｏ（Ｃｐ）_２、Ｎｉ（ＭｅＣｐ）_２、Ｃｕ（ｈｆａｃ）_２、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）_２、Ｒｈ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｄ（ｈｆａｃ）_２、Ａｇ（ｈｆａｃ）（ａｌｋｅｎｅ）、Ｉｒ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｔ（ｈｆａｃ）_２のいずれかが用いられることを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
8. 真空に保持され、基板が配置される処理容器と、
   前記処理容器内で基板を支持する基板支持部材と、
   前記処理容器内に所定の金属元素を含む金属原料ガスを供給する金属原料ガス供給手段と、
   前記処理容器内に蟻酸を供給する蟻酸供給手段と、
   前記基板支持部材上の基板にエネルギーを与えるエネルギー付与手段と、
   前記処理容器内を排気する排気手段と、
   前記基板支持部材に支持された基板上に、前記金属原料ガス供給手段から供給された前記金属原料ガスを吸着させ、金属原料ガスが吸着した基板に、前記蟻酸供給手段から蟻酸を供給して基板上に前記所定の金属元素の蟻酸塩膜を生成させ、生成された前記蟻酸塩膜に対し、前記エネルギー付与手段により、還元雰囲気中でエネルギーを与えて、前記蟻酸塩を分解して金属膜を形成させるように制御する制御手段と
   を有することを特徴とする成膜装置。
9. 前記金属原料ガス供給手段は、前記金属原料を貯留する金属原料貯留容器と、前記金属原料を気相状態で供給する金属原料ガス供給配管とを有することを特徴とする請求項８に記載の成膜装置。
10. 前記蟻酸供給手段は、蟻酸を貯留する蟻酸貯留容器と、前記蟻酸を気相状態で供給する蟻酸ガス供給配管とを有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の成膜装置。
11. 前記金属原料ガスおよび蟻酸を処理容器内にシャワー状に導くシャワーヘッドを有することを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の成膜装置。
12. 前記エネルギー付与手段は、前記基板に熱エネルギーを与えることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の成膜装置。
13. 前記エネルギー付与手段は、前記基板支持部材に設けられた抵抗ヒーターを有することを特徴とする請求項１２に記載の成膜装置。
14. 前記エネルギー付与手段は、前記基板支持部材の上方または下方に設けられた加熱ランプを有することを特徴とする請求項１２に記載の成膜装置。
15. 前記所定の金属は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群から選択された１種であることを特徴とする請求項８から請求項１４のいずれか１項に記載の成膜装置。
16. 前記金属原料は、前記所定の金属に対応して、Ｃｏ（Ｃｐ）_２、Ｎｉ（ＭｅＣｐ）_２、Ｃｕ（ｈｆａｃ）_２、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）_２、Ｒｈ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｄ（ｈｆａｃ）_２、Ａｇ（ｈｆａｃ）（ａｌｋｅｎｅ）、Ｉｒ（ａｌｌｙｌ）_３、Ｐｔ（ｈｆａｃ）_２のいずれかであることを特徴とする請求項１５に記載の成膜装置。
17. コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項７のいずれかの成膜方法が実施さ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記憶媒体。