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技術 半導体製造装置及びこの装置を利用したバリアメタル膜の形成方法

出願人 株式会社アルバック
発明者 高橋善和佐藤昌敏浮島禎之飯島正行中村久三
出願日 1999年5月24日 (20年4ヶ月経過) 出願番号 1999-143310
公開日 2000年11月30日 (18年9ヶ月経過) 公開番号 2000-331958
状態 特許登録済
技術分野 半導体の電極 CVD
主要キーワード インチ寸法 気体流量制御装置 図示装置 コア室 水素ガス導入管 ダスト粒子 気化用 原料供給源
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年11月30日)のものです。
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図面 (3)

課題

簡易な工程で安定した特性を有するバリアメタル膜を形成できる半導体製造装置及びこの装置を用いて半導体素子内のバリアメタル膜を容易に形成する方法を提供する。

解決手段

基板搬入搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、原料蒸発源が収納容器内に収められ、収納容器を介して上記CVD室へ導入される原料ガス凝縮を防止するための加熱手段が設けられる。また原料蒸発源の収納容器の壁温及び原料蒸発温度を制御できる別の加熱手段が設けられる。さらにCVD室の反応槽壁温度を、原料の蒸発温度より高い温度に維持するCVD室用加熱手段が設けられる。

概要

背景

従来、5LS1のメタライゼーションにおいて、アルミニウム配線シリコン基板との反応を制御するために拡散バリアメタルとして反応性スパッタ法により作製した窒化チタン(TiN)膜が広く使われている。しかし、配線の極微細化に伴い、256メガビット以上のDRAMではほぼ250nm以下の設計ルールとなり、更にデバイスコンタクトホールアスペクト比が増加してきている。このため、従来のスパッタ法からコンタクトホールの埋め込みやカバレッジ特性に優れた化学蒸着CVD)によるコンフォーマルなTiNバリアメタル形成方法へと移行が急がれている。

概要

簡易な工程で安定した特性を有するバリアメタル膜を形成できる半導体製造装置及びこの装置を用いて半導体素子内のバリアメタル膜を容易に形成する方法を提供する。

基板搬入搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室がCVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、原料蒸発源が収納容器内に収められ、収納容器を介して上記CVD室へ導入される原料ガス凝縮を防止するための加熱手段が設けられる。また原料蒸発源の収納容器の壁温及び原料蒸発温度を制御できる別の加熱手段が設けられる。さらにCVD室の反応槽壁温度を、原料の蒸発温度より高い温度に維持するCVD室用加熱手段が設けられる。

目的

本発明は、このような従来の問題点を解決して、簡易な工程で安定した特性を有するバリアメタル膜を形成できる半導体製造装置及びこの装置を用いて半導体素子内のバリアメタル膜を容易に形成する方法を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

基板搬入搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、上記原料蒸発源が収納容器内に収められ、上記収納容器を介して上記CVD室へ導入される原料ガス凝縮を防止するための加熱手段を有することを特徴とする半導体製造装置。

請求項2

基板の搬入・搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、上記原料蒸発源が収納容器内に収められ、上記収納容器を介して上記CVD室へ導入される原料ガスの凝縮を防止するための第1の加熱手段と、上記収納容器の壁温を制御できる第2の加熱手段と、上記原料蒸発源の原料蒸発温度を制御できる第3の加熱手段とを有することを特徴とする半導体製造装置。

請求項3

基板の搬入・搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、上記原料蒸発源が収納容器内に収められ、上記収納容器を介して上記CVD室へ導入される原料ガスの凝縮を防止するための第1の加熱手段と、上記収納容器の壁温を原料の蒸発温度より低い温度に維持する第2の加熱手段と、上記原料蒸発源の原料の蒸発温度を制御できる第3の加熱手段と、上記CVD室の反応槽壁温度を、原料の蒸発温度より高い温度に維持するCVD室用加熱手段とを有することを特徴とする半導体装置

請求項4

基板の搬入・搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置を用いてバリアメタル膜を形成する方法において、上記CVD室内で基板上に原料を反応させてバリアメタル膜を形成するに際し、基板を高温に加熱し、そして蒸発源からの原料ガスの供給量温度制御により制御してCVD室へ導入して、基板上にCVDによりバリアメタル膜を形成することを特徴とするバリアメタル膜の形成方法

技術分野

0001

本発明は、半導体素子内のバリアメタル膜CVDにより形成する半導体製造装置及びこの装置を利用したバリアメタル膜の形成方法に関するものである。

背景技術

0002

従来、5LS1のメタライゼーションにおいて、アルミニウム配線シリコン基板との反応を制御するために拡散バリアメタルとして反応性スパッタ法により作製した窒化チタン(TiN)膜が広く使われている。しかし、配線の極微細化に伴い、256メガビット以上のDRAMではほぼ250nm以下の設計ルールとなり、更にデバイスコンタクトホールアスペクト比が増加してきている。このため、従来のスパッタ法からコンタクトホールの埋め込みやカバレッジ特性に優れた化学蒸着(CVD)によるコンフォーマルなTiNバリアメタルの形成方法へと移行が急がれている。

発明が解決しようとする課題

0003

しかしながら、かかる従来技術においては、次のような問題があった。すなわち、これまでTiN−CVDはTiCl4とNH3を原料とした反応が主に評価されていたが、成膜温度が高く、TiCl4からの残留塩素に起因した配線の劣化等が問題とな っている。

0004

また、成膜温度が低い有機金属を使用したCVD法でも、量産適用可能な技術になり得るかどうかには、幾つかの問題が残されている。そのーつは、原料の問題である。現在、バリアメタル膜用CVD原料に関しては、十分蒸気圧の高いものが少なく、殆どが固体であり、蒸気圧も低い。固体原料気化させるには、気化温度まで加熱し、CVD室まで輸送する必要がある。

0005

そこでこの問題を解決する方法として、最近では溶液気化法が用いられるようになってきた。これは固体原料をへキサンなどの有機溶媒に溶解し、その溶液を気化器で気化させ、反応室に導入する方法である(例えば、特開平8-88191号公報、特開平9-55360号公報参照)。気化器は高温合金ディスクや粒状窒化物に溶液を接触させ気化させる構造のものや、撹拌機構超音波振動子を用いたもの(例えば、特開平1-165774号公報参照)などがあるが、気化器中での原料の分解によるパーティクルの発生とそれによる流量制御装置目詰まり、またそれらに伴う供給の再現性や安定性の低下などの問題点を抱えている。そのため量産に耐え得る高性能気化装置の開発が待たれている。

0006

本発明は、このような従来の問題点を解決して、簡易な工程で安定した特性を有するバリアメタル膜を形成できる半導体製造装置及びこの装置を用いて半導体素子内のバリアメタル膜を容易に形成する方法を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0007

本発明の第1の発明によれば、基板搬入搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、原料蒸発源が収納容器内に収められ、収納容器を介してCVD室へ導入される原料ガス凝縮を防止するための加熱手段が設けられる。

0008

本発明の第2の発明によれば、基板の搬入・搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、原料蒸発源が収納容器内に収められ、収納容器を介して上記CVD室へ導入される原料ガスの凝縮を防止するための第1の加熱手段と、収納容器の壁温を制御できる第2の加熱手段と、原料蒸発源の原料の蒸発温度を制御できる第3の加熱手段とが設けられる。

0009

本発明の第3の発明によれば、基板の搬入・搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置において、原料蒸発源が収納容器内に収められ、収納容器を介してCVD室へ導入される原料ガスの凝縮を防止するための第1の加熱手段と、収納容器の壁温を原料の蒸発温度より低い温度に維持する第2の加熱手段と、原料蒸発源の原料の蒸発温度を制御できる第3の加熱手段と、CVD室の反応槽壁温度を、原料の蒸発温度より高い温度に維持するCVD室用加熱手段とが設けられる。

0010

本発明の第4の発明によれば、基板の搬入・搬出室と、基板の搬送用ロボットを備えたコア室と、複数の半導体製造プロセス室とを有し、上記プロセス室の少なくとも一室が、CVD用固体または液体原料蒸発源を備えたCVD室である枚葉式の半導体製造装置を用いてバリアメタル膜を形成する方法において、CVD室内で基板上に原料を反応させてバリアメタル膜を形成するに際し、基板を高温に加熱し、そして蒸発源からの原料ガスの供給量温度制御により制御してCVD室へ導入し、基板上にCVDによりバリアメタル膜が形成される。これにより、バリア性電気特性に優れ、且つ特性にばらつきの少ないバリアメタル膜が得られる。

発明を実施するための最良の形態

0011

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1には、本発明の一つの実施の形態による半導体製造装置の構成を概略的に示す。図示装置は、シリコン基板等の基板の搬送用ロボットが組み込まれたコア室1と、シリコン基板等の基板の搬入・搬出室2と、CVD室3と、加熱処理室4と、アルミスパッタ室5とを有しており、コア室1を中心として、このコア室1に、基板の搬入・搬出室2、CVD室3、加熱処理室4及びアルミスパッタ室5が、それぞれゲートバルブ6を介して連結されて構成されている。なお、これらの各室は、真空ポンプ等の真空排気系(図示していない)に連結されている。コア室1に設けられた既知基板搬送用ロボットは、コア室1を軸にして基板の搬入・搬出室2、CVD室3、加熱処理室4及びアルミスパッタ室5から基板を搬出したり、これらの各室に基板を搬入できるように構成されており、そして基板の搬入・搬出室2からこれらの各室に、またこれらの室相互間で基板を自由に搬送可能なように構成されている。

0012

図2には、図1に示すCVD室3の構成を詳細に示し、CVD室3は混合槽3aと反応槽3bとを備え、反応槽3bには基板10を装着する基板支持部材11が設けられている。この基板支持部材11には図示していないが、基板10を反応に必要な温度まで加熱する加熱手段が組み込まれている。また反応槽3bは排気口3cを介して図示していない排気系に連結される。CVD室3の混合槽3a及び反応槽3bの外側にはヒーターのような熱源12が設けられている。また図2において13は原料供給源であり、この原料供給源13は、CVD室3の混合槽3aへ気化された原料を導入できるように構成された原料容器14を備え、そしてこの原料容器14の周りには原料を加熱するためにヒーターのような気化用熱源14aが設けられている。気化用熱源14aは原料容器14内の固体原料の種類に応じてその原料の蒸発温度に精度良く制御できるように構成されている。さらに、原料容器14を収納する容器15は、ヒーターのような安定供給用熱源15aにより、壁温を原料蒸発温度より低い温度で高精度(±0.1℃程度の精度)の制御ができるように構成されている。言換えれば、気化用熱源14aと安定供給用熱源15aとによる蒸発温度の高精度(±0.1℃程度の精度)の制御によって原料供給源13からCVD室3の混合槽3aへの気化された原料の供給量を制御することができる。気化器すなわち供給源13は導入管16によりCVD室3に連結され、導入管16にはヒーター等の熱源17が設けられている。この熱源17は、導入管16内を原料の蒸発温度以上でしかも反応温度以下の温度に温度制御するようにされている。同様に、CVD室3の混合槽3a及び反応槽3bの外側に設けられた熱源12も、CVD室3内の温度を、供給源13から導入管16を介して供給された気化された原料を蒸発温度以上でしかも反応温度以下に維持する。

0013

また図2において18、19はそれぞれ水素ガス導入管及びアンモニアガス導入管であり、これらの導入管18、19はそれぞれ反応ガスとして用いる図示していない水素ガス源及びアンモニアガス源に連結される。導入管16、18、19には図示したようにバルブ20、21、22がそれぞれ設けられ、また反応ガス導入管18、19にはまたバルブ21、22の下流に気体流量制御装置23、24が挿置されている。これらの気体流量制御装置23、24は、膜形成時に反応ガス導入管18、19を介してCVD室3の混合槽3aへ導入されるガス量を制御する。混合槽3aは、反応ガス導入管18、19を介して導入された反応ガス及び原料ガス導入管16を介して原料ガスを混合して反応槽3b内の基板18上に均一に供給できるようにしている。

0014

このように構成した上記装置の動作において、基板10上に成膜する場合には、コア室1内に設けた搬送用ロボットにより基板10を基板の搬入・搬出室2からコア室1を経由してCVD室3へ移動した後、ゲートバルブ6を閉じ、所定の時間の間、成膜プロセスを実施する。次いでゲートバルブ6を開け、基板10を他のプロセス室例えば加熱処理室4へ搬送する。

0015

次に、本発明の装置を用いて窒化タンタル(TaN)膜からなる半導体素子のバリア膜を形成する方法の一つの実施の形態について説明する。先ず、バリア膜を形成するための半導体基板として、基板表面に形成され且つ所定の位置に窓開けがされたシリコン熱酸化膜を有する、例えばSiから成る基板を用意する。この基板の表面に、上述の方法によってバリヤ膜を所望の厚みに全面成膜してバリヤ膜が形成される。

0016

以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)図1及び図2に示す装置を用いて次のようにして基板10上にTaN膜を形成した。先ず、コア室1に設けられた基板搬送用ロボットを用いて、基板の搬入・搬出室2からコア室1を経由して6インチ寸法のシリコン基板10をCVD室3へ搬送し、このCVD室3でTaN膜を合成した。

0017

TaN膜を形成するための固体原料として、臭化タンタル(TaBr5)を用い、それを原料供給源13へ入れ、気化用熱源14aを用いて蒸発させた。TaBr5を155.0±0.1℃の温度で蒸発させ、原料容器14を収納する容器15を安定供給用熱源15aにより152.2±0.1℃に維持し、原料の供給量を制御した。反応ガスとしての水素ガスは導入管18を通し、気体流量制御装置23で一定流量(例えば100sccm)とし、またアンモニアガスは導入管19を通し、気体流量制御装置24で一定流量(例えば 100sccm)とし、CVD室3の混合槽3aを介して原料ガスと混合させCVD室3の反応槽3bへ導入し、基板10上で10分間反応させた。この場合、気化した原料ガスが原料供給源13から原料ガス導入管16を通りCVD室3の混合槽3aに入るまでに、原料ガスの温度が下がらないように、導入管16に設けた熱源17を作動させて導入管16を所定の温度(185℃)に保温し、同様に、CVD室3の混合槽3a及び反応 槽3bの外側に設けられた気化用熱源12によりCVD室3の壁面全体を200℃に加 熱した。また、このときの合成条件は、基板温度は450℃、CVD室3の圧力は 40Pa、成膜速度は0.5nm/sであった。同じ手順で50回成膜を繰り返し、CVD室3の壁面を観察したところ、壁面には膜は付着しておらず、清浄な状態を維持していた。

0018

ところで、上記実施例では原料供給源13にいれられる原料としては固体原料を用いているが、当然液体原料でもよい。また図示実施の形態では、半導体製造装置は基板の搬送用ロボットが組み込まれたコア室と、基板の搬入・搬出室と、CVD室と、加熱処理室と、アルミスパッタ室とで構成されているが、設けるプロセス室の数は任意に設定することができる。

発明の効果

0019

以上説明してきたように、本発明の半導体製造装置によれば、CVD用固体または液体原料の蒸発源を有する原料供給源に、CVD室へ導入される原料ガスの導入量を制御できる気化用熱源及び安定供給用熱源を設けているので、原料ガスの流量制御装置を設ける必要がなく、しかも使用する原料に合わせて蒸発温度及び蒸発源収納容器の壁温を高精度に制御することによりCVD室へ導入される原料ガスの導入量を制御できるようになる。また原料供給源からCVD室へ導入される原料ガスの凝縮を防止するための加熱手段を原料ガス導入管に設けることによって、CVD室へ原料ガスを安定して供給することができるようになる。その結果、簡易な工程で安定した物性を有するバリアメタル膜を容易に形成することができるようになる。さらに、本発明の半導体製造装置においては、CVD室壁面も加熱しているため、未反応原料の壁面への付着が起こらず、半導体装置で問題となるダスト粒子の発生も防ぐことができるようになる。また、本発明のバリアメタル膜の形成方法では、CVD室へ供給される原料ガスの供給量を加熱手段による温度制御で制御して基板上にバリアメタル膜を形成しているので、バリア性と電気特性に優れ、且つ特性にばらつきの少ないバリアメタル膜を容易に得ることができるようになる。

図面の簡単な説明

0020

図1本発明のーつの実施の形態による半導体製造装置の構成を示す概略平面図。
図2図1の半導体製造装置の一部を構成するCVD室の一例を示す概略線断面図。

--

0021

1:コア室
2:基板の搬入・搬出室
3:CVD室
4: 他のプロセス室
5: 他のプロセス室
6:ゲートバルブ
10: 基板
11:基板支持部材
12:気化用熱源
13:原料供給源
14:原料容器
14a: 気化用熱源
15: 原料容器収納容器
15a: 安定供給用熱源
16:原料ガス導入管
17: 熱源
18:水素ガス導入管
19:アンモニアガス導入管
20、21、22:バルブ
23、24: 気体流量制御装置

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