JP4731580B2 - 成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に半導体装置の製造に係り、特に気相原料の分解による成膜方法および成膜装置に関する。

今日の半導体集積回路装置では、微細化とともに、層間絶縁膜中に形成されるＣｕビアプラグの径が６５ｎｍから４５ｎｍへ縮小されてきており、近い将来、ビアプラグ径はさらに３２ｎｍあるいは２２ｎｍへ縮小されるもの予測される。

このような半導体集積回路装置の微細化に伴って、微細なビアホールあるいは配線溝においては、バリアメタル膜あるいはＣｕシード層の成膜が、従来のＰＶＤ法では、ステップカバレッジの観点から困難となっており、ｌｏｗ−Ｋ材料よりなる層間絶縁膜にダメージを与えない低温で、優れたステップカバレッジを実現できるＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法による成膜技術が研究されている。

ところが、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法は、一般に金属原子が有機基と結合した有機金属原料を使うため、形成された膜中に不純物が残留しやすく、このため一見すると良好なステップカバレッジで形成された膜でも膜質が不安定で、たとえばＴａバリアメタル膜上にＭＯＣＶＤ法によりＣｕシード層を形成した場合、形成されたＣｕシード層は凝集を生じやすく、Ｔａバリア膜を安定して一様な膜厚で覆うＣｕシード層の成膜は困難であった。このような凝集を生じたシード層を電極としてＣｕ層の電解メッキを行うと、配線溝あるいはビアホールを充填するＣｕ層中に潜在的な欠陥が含まれ、電気抵抗の増加のみならず、エレクトロンマイグレーション耐性やストレスマイグレーション耐性の劣化などの問題を引き起こす。

そこで近年、金属カルボニル原料を使った金属膜のＭＯＣＶＤ技術によりバリアメタル膜あるいはＣｕシード層を層間絶縁膜上に直接形成する方法が提案されている。金属カルボニル原料は比較的低温で容易に熱分解し金属膜を形成できると同時に金属カルボニル原料の配位子であるＣＯは形成された膜中に残留せずそのまま成膜反応系外へ排気され、不純物の極めて少ない良質なバリアメタル膜やＣｕシード層を形成することができる。この方法によりバリアメタル膜として例えばＷ（ＣＯ）₆を使い、Ｗ膜を成膜したり、Ｃｕシード層として例えばＲｕ₃（ＣＯ）₁₂を使い、Ｒｕ膜を形成したりすることができる。
特開２００２−６０９４４号公報 特開２００４−３４６４０１号公報

一方、金属カルボニル原料は比較的低温においても極めて分解し易い性質をもつため、原料を輸送する経路（原料供給系）では分解抑制作用のあるＣＯガスをキャリアガスとして供給し原料の分解を抑制する技術が提案されている。

例えばＣｕシード膜としてＲｕ膜を形成する技術ではＲｕ₃（ＣＯ）₁₂などのＲｕのカルボニル原料を、ＣＯガスをキャリアガスとして原料供給系に供給し、輸送過程でのＲｕカルボニル原料の分解を抑制している。

図１は、前記関連技術による成膜装置１０の構成を示す。

図１を参照するに、成膜装置１０は排気系１１により排気され、被処理基板Ｗを保持する基板保持台１３を備えた処理容器１２を有し、前記処理容器１２には、さらに被処理基板Ｗを出し入れするゲートバルブ１２Ｇが形成されている。

前記基板処理台１３は図示しないヒータを内蔵しており、駆動ライン１３Ａを介してかかるヒータを駆動することにより、前記被処理基板Ｗを所望の処理温度に保持する。

前記排気系１１は、ターボ分子ポンプ１１Ａとドライポンプ１１Ｂを直列接続した構成を有し、前記ターボ分子ポンプ１１Ａにはバルブ１１ｂを介して窒素ガスが供給される。
前記処理容器１２とターボ分子ポンプ１１Ａの間には、可変コンダクタンスバルブ１１ａが設けられ、前記処理容器１２内の全圧を一定に維持する。さらに図１の成膜装置１０では、前記処理容器１２をドライポンプ１１Ｂにより粗引するために、前記ターボ分子ポンプ１１Ａをバイパスする排気経路１１Ｃが設けられており、排気経路１１Ｃにはバルブ１１ｃが、ターボ分子ポンプ１１Ａの下流側には別のバルブ１１ｄが設けられている。

前記処理容器１２には、バブラ１４Ａを含む原料供給系１４から成膜原料が、気体の形で、ガス導入ライン１４Ｂを介して供給される。

図示の例では、前記バブラ１４Ａ中にはＲｕのカルボニル化合物であるＲｕ₃（ＣＯ）₁₂が保持され、ＭＦＣ（質量流量制御装置）１４ｂを含むバブリングガスライン１４ａからＣＯガスをキャリアガスとして供給することにより、気化したＲｕ₃（ＣＯ）₁₂原料ガスが前記ガス導入ライン１４Ｂおよびシャワーヘッド１４Ｓを介して、ラインＭＦＣ１４ｃを含むライン１４ｄからのＣＯキャリアガスと共に、前記原料ガスとＣＯキャリアガスよりなる処理ガスとして前記処理容器１２に供給される。

さらに図１の構成では前記原料供給系１４に、バルブ１４ｇ、１４ｈおよびＭＦＣ１４ｅを含みＡｒなどの不活性ガスを供給するライン１４ｆが設けられており、前記ライン１４Ｂを介して前記処理容器１２に供給されるＲｕ₃（ＣＯ）₁₂原料ガスに、不活性ガスが添加される。

さらに、前記成膜装置１０は、前記処理容器１２，排気系１１，原料供給系１４を制御する制御装置１０Ａが設けられている。

また、被処理基板Ｗ上におけるＲｕ膜の形成は
前記Ｒｕ₃（ＣＯ）₁₂原料の分解反応
Ｒｕ₃（ＣＯ）₁₂−＞３Ｒｕ＋１２ＣＯ
により生じる。

この反応は成膜反応系（処理容器）に存在するＣＯガスの分圧が低いと右側に進行するため、ＣＯガスが処理容器１２外に排気されるとともに反応が一気に進み、結果として形成された膜のステップカバレッジが悪化する。このため、前記処理容器１２内部を高濃度のＣＯガス雰囲気とし、前記分解反応が過剰に進行するのを抑制している（特許文献２）。

ところで本発明の発明者は、図１のような従来のシャワーヘッド１４Ｓを使った成膜装置１０では、図２に示すように被処理基板Ｗ上におけるＲｕ膜の堆積速度が基板面内で不均一になり、より具体的には、基板中央部で堆積速度が大きく、周辺部で堆積速度が小さくなる面内堆積速度分布プロファイルが発生する場合があるのを見出した。これに伴い、前記被処理基板Ｗの表面に形成されるＲｕ膜も、図３に示すように被処理基板Ｗの中央部で厚く、周辺部で薄い面内膜厚分布プロファイルを有することになり、その際の面内膜厚ばらつきが１５％にも達する場合があることを見出した。

ただし前記図２，３の結果は、前記処理容器１２として内径が５０５ｍｍの略円筒形の処理容器を使い、前記基板保持台１３上に径が３００ｍｍのシリコンウェハを被処理基板Ｗとして保持し、前記シャワーヘッド１４Ｓと被処理基板Ｗとの間隔を１８ｍｍに設定し、原料ガスとしてＲｕ₃（ＣＯ）₁₂ガスを１〜２ｓｃｃｍの流量で、流量が１００ｓｃｃｍのＣＯキャリアガスとともに供給し、Ｒｕ膜の成膜を１９０℃の基板温度で行った場合についてのものである。

そこで、このような面内堆積速度分布プロファイルあるいは面内膜厚分布プロファイルを抑制できる技術が求められている。

一の側面によれば本発明は、金属カルボニルを含む原料ガスと一酸化炭素を含むキャリアガスとを含む処理ガスを、前記被処理基板表面を避けて、被処理基板の外周よりも径方向上外側の領域に流し、前記処理ガスの流れから前記金属カルボニルを前記被処理基板表面へ拡散させ、前記被処理基板表面に金属膜の成膜を行うことを特徴とする成膜方法を提供する。

他の側面によれば本発明は、被処理基板を保持する基板保持台と、前記基板保持台とともにプロセス空間を画成する処理容器と、前記基板保持台の径方向上外側において前記プロセス空間を排気する排気口と、前記処理容器に前記基板保持台に対向して設けられ、前記プロセス空間に原料ガスとキャリアガスを含む処理ガスを供給する処理ガス供給部と、を備え、前記処理ガス供給部は、前記基板保持台を垂直方向から見た場合、前記基板保持台上の前記被処理基板よりも径方向上で外側の部分に、前記処理ガスが前記プロセス空間中を、前記被処理基板を避けて前記排気口へと流れるように供給する処理ガス導入部が形成されていることを特徴とする成膜装置を提供する。

本発明によれば、処理ガスとキャリアガスを含む処理ガス流を、前記被処理基板表面を避けて、被処理基板の外周よりも径方向上外側の領域に流し、前記処理ガス流からの前記処理ガスの化学種の前記被処理基板表面への拡散により、前記被処理基板表面に成膜を行うことにより、前記被処理基板表面における面内堆積速度の変動が抑制され、形成される膜の面内膜厚分布の変動を抑制することが可能となる。

本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、図１に示すシャワーヘッドを使った成膜装置１０において前記図２あるいは３のような堆積速度および膜厚に面内不均一が発生する原因を、流速シミュレーションにより検討し、以下の知見を得た。

図４は、図１の成膜装置１０においてシャワーヘッド１４Ｓとして、被処理基板Ｗに対向する面に一様にガス吹き出し孔が形成された通常のシャワーヘッドを使い、基板保持台１３の外周部に設けた排気口から排気しながら前記シャワーヘッドより先に説明した処理ガスを被処理基板Ｗの表面に供給しＲｕ膜を堆積した場合の、前記シャワーヘッド１４Ｓと被処理基板Ｗの間のプロセス空間に生じる処理ガス流の流速分布をシミュレーションした結果を示す。なお図４のシミュレーション結果において、明るい部分はガスの濃度、従って圧力、が高い部分を表している。図４中には、図中の各点におけるガス流速が微少な矢印で示されているが、図４のプロットでは解像が困難なので、図５に、被処理基板Ｗの表面における処理ガスの圧力と流速の分布をグラフの形で示す。

図４を参照するに、前記シャワーヘッド１４Ｓから前記ステージ１３上に、前記シャワーヘッド１４Ｓのうち、前記基板保持台１３上に保持された被処理基板Ｗに面する側に一様に形成されたガス吹き出し孔１４ｓよりガスを吹き出した場合、吹き出されたガスは、前記被処理基板Ｗの表面に沿って外周部の排気口へと高速で流れているのがわかる。その際、図中に破線で囲んで示す、前記ライン１４Ｂよりガスが供給されるシャワーヘッド中心部の近傍では、図５に示すようにガス圧力がやや高く、また原料ガスの外周方向への流速が被処理基板中心部の近傍では小さく、このため図６に示すように原料の濃度が被処理基板Ｗの中心部近傍で高くなり、これに対応して被処理基板Ｗの中央部で膜厚が増加し、前記図２で説明したような膜厚分布が生じるものと考えられる。

一方、図４，５よりわかるように、前記被処理基板Ｗの表面には径方向に外周へと流れるガス流が形成され、その流速は、被処理基板Ｗの外周に向かって増加するのがわかる。なお図４〜６のシミュレーションは、被処理基板Ｗとして３００ｍｍ径のウェハを使い、シャワーヘッド１４Ｓとして径が３７０ｍｍで径が６．５ｍｍのガス吹き出し孔１４ｓが１３．８ｍｍ間隔で一様に形成されているものを使い、さらに前記シャワーヘッド１４Ｓと被処理基板Ｗの間隔を１８ｍｍに設定し、ガスを前記シャワーヘッドに１００ｓｃｃｍの流量で供給した場合について行っている。

このような知見に基づき、本発明の発明者は、図７に示すように、前記シャワーヘッド１４Ｓの代わりに、ガス供給手段として、被処理基板Ｗの外周よりも外側の位置にガス吹き出し開口部２４ｓをガス導入部として有する処理ガス供給部材２４Ｓを使い、前記被処理基板Ｗの外周よりも外側にガスを供給し、さらに前記被処理基板Ｗの外周よりも外側に設けた排気口（図示せず）より排気する構成を使い、前記外周部から被処理基板Ｗの表面に拡散する処理ガスの化学種により前記被処理基板Ｗ上にＲｕ膜の成膜を行うことを着想した。

図７の構成では、被処理基板Ｗの表面へのガスの直接的な供給は、前記処理ガス供給部材２４Ｓの開口部２４ｓより内側のバッフル部２４Ｂによりブロックされ、前記被処理基板Ｗ外周部を流れるガスから拡散する化学種が、前記被処理基板Ｗの表面に到達する。

その結果、図８に概略的に示すように、被処理基板Ｗの表面には、一様な濃度の原料分布が生じ、前記被処理基板Ｗの表面に一様な膜厚でＲｕ膜の成膜が生じると考えられる。

図９，１０は、前記図２，３の実験と同じ成膜装置を使い、同じ条件で、ただしシャワーヘッド１４Ｓの、前記被処理基板Ｗの外周よりも外側に位置する最外周３列のガス吹き出し孔を除き、ガス吹き出し孔を塞いでＲｕ膜の成膜を行った場合の、それぞれ基板面内膜厚分布および基板面内堆積速度分布を、前記図２，３の結果と重ねて示す。

図９を参照するに、このように被処理基板Ｗの外周部より外側に処理ガスを供給しながら成膜を行うことにより、被処理基板Ｗ上に形成されるＲｕ膜の膜厚のばらつきの標準偏差σが、ガス吹き出し孔が一様に形成されたシャワーヘッド１４Ｓを使った場合の１５％から３％まで減少し、また面内最大膜厚差Δも、１２．８Åから２．８Åへと減少するのがわかる。同様に、図１０よりわかるように、堆積速度の面内分布も、シャワーヘッド１４Ｓを使った場合に比べて大きく改善される。

［第１の実施形態］
図１１Ａは、本発明の第１の実施形態による成膜装置４０の構成を示す。

図１１Ａを参照するに、成膜装置４０は図示しない排気装置により排気される外側容器４１と、前記外側容器４１の内側に形成され、外周部に排気口４２Ａが形成され、前記外側容器４１を介して排気される内側処理容器４２を含み、前記内側処理容器４２の底部には、被処理基板Ｗを保持する基板保持台４３が設けられている。前記基板保持台４３は被処理基板Ｗと、その外周部で係合するカバーリング４３Ａを担持し、前記カバーリング４３Ａは前記内側処理容器４２の外壁の下端部と係合し、前記内側処理容器４２は閉じたプロセス空間４２Ｓを画成する。

前記プロセス空間４２Ｓには、処理ガス供給ライン４２Ｄより処理ガスが供給されるが、前記処理ガス供給ライン４２Ｄの前記内側処理容器４２における開口部４２ｄと前記基板保持台４３上の被処理基板Ｗとの間には、図１１Ｂ，１１Ｃに示すバッフル板４２Ｂが設けられ、供給された処理ガスは、前記バッフル板４２Ｂの外周部に形成された開口部４２Ｃを通って前記排気口４２Ａへと流れる。ただし図１１Ｂは前記バッフル板４２Ｂの平面図を、図１１Ｃは図１１Ｂ中、線Ｂ−Ｂ'に沿った断面図を示す。

図１１Ｂ，１１Ｃを参照するに、前記バッフル板４２Ｂは前記内側処理容器４２の一部をなすフランジ部４２Ｂａと、前記フランジ部４２Ｂａに架橋部４２Ｂｃにより支えられたバッフル部４２Ｂｂよりなり、前記バッフル部４２Ｂｂは前記フランジ部４２Ｂａが前記内側処理容器４２に保持される。前記フランジ部４２Ｂａには、前記内側処理容器４２への固定のためのねじ穴４２Ｂｄが形成されているのがわかる。

前記基板保持台４３は、前記バッフル板４２Ｂとは異なるバッフル板４３Ｂを担持しており、前記開口部４２Ｃから排気口４２Ａを通って排気された処理ガスは、前記バッフル板４３Ｂ中の開口部４３ｂを通って、図１の排気系１１と同様な排気系へと流れる。

そこで、前記被処理基板Ｗの表面においては、前記開口部４２Ｃを通過した処理ガス流から拡散したＲｕ₃（ＣＯ）₁₂分子の先に説明した反応による分解により、所望のＲｕ膜の成膜が生じる。

さて、先の図１の成膜装置１０においてシャワーヘッド１４Ｓの代わりに図７の処理ガス供給部材２４Ｓを使った場合には、図９，１０に説明したように、形成されるＲｕ膜の膜厚および堆積速度の基板面内分布は向上するものの、図１０よりわかるように堆積速度は大きく低下している。

そこで、図１１Ａ〜１１Ｃの成膜装置４０を使い、形成されるＲｕ膜の膜厚分布および堆積速度の面内分布を犠牲にすることなく、堆積速度を向上することを目標として、前記バッフル板４２Ｂの径Ｄ、バッフル板４２Ｂと被処理基板Ｗとの距離Ｇ、開口部４２Ａの高さＣ、およびバッフル板４３Ｂに形成した開口部４３ｂの幅Ａを様々に変化させ、Ｒｕ膜の成膜実験を行った。前記開口部４２Ａおよび開口部４３ｂは、前記成膜装置４０の排気系に挿入された絞りとして作用する。前記実験は、前記処理ガス供給ライン４２ＤよりＲｕ₃（ＣＯ）₁₂原料ガスを１〜２ｓｃｃｍの流量で、流量が１００ｓｃｃｍのＣＯキャリアガスとともに供給し、Ｒｕ膜の成膜を１９０℃の基板温度で行っている。

図１２Ａは、前記実験の結果をまとめて示す。図１２Ａ中、縦軸は堆積速度を、横軸は被処理基板Ｗの面内位置を示す。ただし図１２Ａ中、基板上の面内位置は、図１２Ｂに示すように被処理基板Ｗとして使われた３００ｍｍ径のシリコンウェハの線Ａ−Ａ'上の位置を表す。

図１２Ａを参照するに、「Ｒｅｆ」は前記図１０の実験を表し、「Ｉ」は、前記バッフル板４２Ｂとして径Ｄが２００ｍｍのディスク状部材を使い、前記距離Ｇを６７ｍｍに設定し、前記排気口４２Ａの幅Ｃを１９．５ｍｍに設定し、さらに前記開口部４３ｂの幅Ａを７７ｍｍに設定した場合を表し、「ＩＩ」は、前記バッフル板４２Ｂとして径Ｄが３００ｍｍのディスク状部材を使い、前記距離Ｇを６７ｍｍに設定し、前記排気口４２Ａの幅Ｃを１９．５ｍｍに設定し、さらに前記開口部４３ｂの幅Ａを７７ｍｍに設定した場合を表し、「ＩＩＩ」は、前記バッフル板４２Ｂとして径Ｄが３００ｍｍのディスク状部材を使い、前記距離Ｇを２５ｍｍに設定し、前記排気口４２Ａの幅Ｃを１９．５ｍｍに設定し、さらに前記開口部４３ｂの幅Ａを７７ｍｍに設定した場合を表し、「ＩＶ」は、前記バッフル板４２Ｂとして径Ｄが３００ｍｍのディスク状部材を使い、前記距離Ｇを６７ｍｍに設定し、前記排気口４２Ａの幅Ｃを２ｍｍに設定し、さらに前記開口部４３ｂの幅Ａを７７ｍｍに設定した場合を表し、「ＶＩ」は、前記バッフル板４２Ｂとして径Ｄが３００ｍｍのディスク状部材を使い、前記距離Ｇを６７ｍｍに設定し、前記排気口４２Ａの幅Ｃを１９．５ｍｍに設定し、さらに前記開口部４３ｂの幅Ａを２ｍｍに設定した場合を表す。

前記「Ｒｅｆ」の実験では、平均堆積速度は３．６Å／分で、その面内ばらつきの標準偏差σは２．８％であるのに対し、前記「Ｉ」の実験では、平均堆積速度は１１．１Å／分で、その面内変動の標準偏差σが１１．６％であり、前記「ＩＩ」の実験では、平均堆積速度は１２．４Å／分で、その面内ばらつきの標準偏差σが５．０％であり、前記「ＩＩＩ」の実験では、平均堆積速度は８．９Å／分で、その面内ばらつきの標準偏差σが１７．７％であり、前記「ＩＶ」の実験では、平均堆積速度は１５．０Å／分で、その面内ばらつきの標準偏差σが５．５％であり、前記「Ｖ」の実験では、平均堆積速度は１４．９Å／分で、その面内ばらつきの標準偏差σが５．７であり、前記「ＶＩ」の実験では、平均堆積速度は１５．５Å／分で、その面内ばらつきの標準偏差σが５．４％であった。

図１２Ａより、図１１Ａに示すように処理容器４２からの排気経路のコンダクタンスを排気口４２Ａおよび開口部４３ｂにおいて絞ることにより、成膜速度が向上することがわかる。またその際、前記バッフル板４２Ｂとして径Ｄが２００ｍｍのものよりも、径Ｄが被処理基板Ｗの径と同じく３００ｍｍのものを使った方が、成膜速度の面内分布が向上することがわかる。

このように被処理基板Ｗに対向して配設されるバッフル板４２Ｂの径Ｄが被処理基板Ｗ上における成膜の面内均一性に大きな影響を及ぼすことが確認されたので、本願発明の発明者は、前記図１１Ａ〜１１Ｃの成膜装置４０においてバッフル板４２Ｂの径Ｄをさらに増加させ、３４０ｍｍとした場合の、得られるＲｕ膜の膜厚について、面内均一性を調べた。その結果を図１３に示す。図１３においても横軸は図１２Ａと同じく、図１２Ｂの線Ａ−Ａ'に沿った面内位置を示しており、これに対し縦軸は、被処理基板Ｗの中央部（基板面内位置＝０ｍｍ）における膜厚に対して規格化されたＲｕ膜の膜厚を示している。

図１３を参照するに、バッフル板４２Ｂの径Ｄが２００ｍｍの場合（膜厚面内ばらつきの標準偏差が１１．６％）よりも３００ｍｍの方が面内均一性に優れ（膜厚面内ばらつきの標準偏差が５．９％）、さらに前記バッフル板４２Ｂの径Ｄが３４０ｍｍの方が３００ｍｍの場合よりもさらに面内均一性に優れている（膜厚面内ばらつきの標準偏差が２．９％）ことがわかる。特に径Ｄを２００ｍｍから３００ｍｍに変化させた場合の面内均一性の向上の度合は、このように膜厚の面内ばらつきの標準偏差にして１１．６％から５．９％と非常に大きく、前記バッフル板４２Ｂとして、被処理基板Ｗの径以上の径のものを使うのが、前記被処理基板Ｗ上におけるＲｕ膜の成膜の面内均一性の向上に有効であること結論される。

ところで、先にも説明したように、本願発明ではＲｕなどの金属カルボニル原料を使った金属膜のＣＶＤ法による成膜の際に、キャリアガスとしてＣＯを使うことで、原料の輸送中における分解を抑制している。また、本実施形態におけるように、被処理基板Ｗの周辺部から中心部へと金属カルボニルを拡散により、その拡散途中での分解を一酸化炭素雰囲気を使うことにより抑制しながら輸送する機構を使った基板処理装置では、拡散の間にＣＯによる金属カルボニルの分解の抑制効果が維持されることが、ステップカバレッジなどの特性に優れた成膜を行うにあたっては重要である。

図１４は、Ｒｕ₃（ＣＯ）₁₂原料のＣＯガス添加による分解抑制作用に対する基板温度の効果を示す図である。図１４中、縦軸はＲｕ膜の成膜速度を、横軸は基板温度を示す。また図中、ラインＩは、ＣＯ添加を行わなかった場合の前記Ｒｕ₃（ＣＯ）₁₂原料からのＲｕ膜の成膜を示しており、一方ラインＩＩは、ＣＯ雰囲気中にける前記Ｒｕ₃（ＣＯ）₁₂原料からのＲｕ膜の成膜を示している。

図１４を参照するに、基板温度が２００℃以下ではＣＯ雰囲気中においてＲｕ₃（ＣＯ）₁₂膜の成膜速度は非常に小さく、実質的な分解が抑制されているが、基板温度が２００℃を超えると抑制効果は徐々に低減し、２３０℃を超えるとほとんど有効性を失っていることがわかる。これに伴い、図１１Ａ〜１１Ｃの成膜装置４０において被処理基板Ｗの基板温度を２３５℃以上に設定した場合には、図１５に示すように成膜が基板周辺部において優先的に生じるようになり、所望の成膜の面内均一性が損なわれてしまう。

このようなことから、図１１の成膜装置４０において金属カルボニル原料を使って金属膜を成膜する場合、例えばＲｕ₃（ＣＯ）₁₂原料を使ってＲｕ膜を成膜する場合、被処理基板Ｗの基板温度はＣＯによる金属カルボニルの分解抑制効果が有効に作用する例えば２３０℃以下の温度において成膜を実行するのが好ましい。また、基板温度が２００℃以下ではＣＯによる分解抑制効果が十分に作用するため、基板温度２００℃以下がより好ましい。更にＣＯの存在下ではＲｕ₃（ＣＯ）₁₂原料の分解は１００℃以上で始まるため、前記基板温度は１００℃以上が好ましい。

なお、被処理基板Ｗ上へのＲｕ膜の成膜速度は、図１に示す原料供給系１４に一部を構成する原料ボトルの温度を上昇させることによっても増加させることができる。

図１６は、図１の成膜装置１０においてシャワーヘッド１４Ｓの代わりに処理ガス供給部２４Ｓを使った図７の構成の成膜装置において、原料容器１４Ａの温度を変化させた場合の堆積速度の面内均一性の変化を示す図である。

図１６中、データ「Ｉ」は原料容器の温度を７５℃に設定した場合で、先の図１０の結果に対応する。これに対し図１６中、データ「ＩＩ」は、図７の構成において、図１１のバッフル板４３Ｂと同様なバッフル板を基板保持台１３の回りに形成した場合で、その他の条件はデータ「Ｉ」と同一であるが、排気経路のコンダクタンスが絞られる結果、平均堆積速度が６Å／分まで向上しているのがわかる。データ「ＩＩ」では、形成されたＲｕ膜について、堆積速度の面内ばらつきが標準偏差で２％に抑制されており、優れた基板面内均一性が確保されている。

さらに図１６中、データ「ＩＩＩ」は、図１の構成を元に、上記バッフル板を図７の構成に追加した成膜装置において、原料容器１４Ａの保持温度を８５℃に設定した場合の堆積速度の面内分布を示す。図１６よりわかるように、前記原料容器１４Ａの保持温度を７５℃から８５℃に増加させることにより、その他の条件は同一のまま、平均堆積速度が６Å／分から１０Å／分まで、６０％も増加しているのがわかる。データ「ＩＩＩ」でも、堆積速度の面内ばらつきが標準偏差で２．６％に抑制されており、優れた基板面内均一性が確保されている。

さらに図７あるいは図１１の構成において、処理容器内のＣＯガス分圧を一定に維持しつつ、ＣＯキャリアガスの流量を増加させることによっても、Ｒｕ膜の成膜速度を増加させることができる。

図１７は、前記図１１Ａ〜１１Ｃの成膜装置４０において、ＣＯキャリアガスの流量のみを１００ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍに増加させ、他の条件は同一とした場合のＲｕ膜の堆積速度の面内均一性を示す図である。

図１７を参照するに、ＣＯキャリアガス流量が１００ｓｃｃｍの場合に１４．９Å／分であった平均堆積速度が、ＣＯキャリアガス流量を２００ｓｃｃｍに増加させることにより１９．４Å／分と、約３０パーセント増加しているのがわかる。また堆積速度の面内ばらつきについて見ると、いずれの場合でも標準偏差で５．５〜５．７％の範囲に抑制されており、優れた基板面内均一性が確保されている。

図１８，１９は、前記図１１Ｂに示すバッフル板４２Ｂの一変形例によるバッフル板５２Ｂの構成を示す。

図１８，１９を参照するに、バッフル板５２Ｂでは基板保持台４３に対して垂直方向から見た場合に被処理基板Ｗの外側に位置するように、前記被処理基板Ｗの外周に沿って三列の開口部５２ｂ、あるいは二列の開口部５２ｃが、前記図１１Ａ〜１１Ｃの開口部１１Ｃに対応して形成されている。例えば前記開口部５２ｂあるいは５２ｃの径を６．５ｍｍ，間隔を１３．８ｍｍとすることで、前記図１１Ａの成膜装置４０と同様に、処理ガスを前記被処理基板Ｗの外周の外側に供給することが可能となる。

［第２の実施形態］
図２０は、本発明の第２の実施形態による成膜装置６０の構成をアイドリング状態について示す。

図２０を参照するに、前記成膜装置６０は基台６１上に外側容器６２が固定されており、前記外側容器６２の上部には、処理ガス導入口６３Ａを形成された内側処理容器６３がフランジ部６３Ｆにおいて装着されている。前記外側容器６２は、前記図１１Ａの外側容器４１に対応し、その側壁面に被処理基板の搬入／搬出口６２Ａが形成されている。

一方、前記内側処理容器６３は前記図１１Ａの内側処理容器４２に対応し、略円筒形状を有し、図１の処理ガス供給ライン１４Ｂが接続される処理ガス導入口６３Ａがその上部に、中心軸に略一致して設けられている。また前記内側処理容器６３には、温度制御のための冷熱媒体通路６３ＢＮが形成されている。

前記内側処理容器６３の底部は開放されており、前記底部には、前記図１１Ａの基板保持台４３に対応する基板保持台６４が、支持部６４Ａの先端に、前記底部を塞ぐように形成されている。その結果、前記内側処理容器６３は基板保持台６４とともに、プロセス空間６３Ｓを画成する。

前記基板保持台６４の支持部６４Ａは、前記基部６１に対し、電磁式あるいは油圧式のアクチュエータ６１Ａおよびアーム６１ａを介して保持されており、前記アクチュエータ６１Ａを駆動することにより、図中に矢印で示したように上下動が可能である。また前記支持部６４Ａと前記外側容器６２の係合部は、ベローズ６２ｃを含むシール部６２Ｃによりシールされている。

前記外側容器６２の下部には図示しない排気口が設けられており、図１の排気系１１を接続することにより、前記プロセス空間６３Ｓが、前記基板保持台６４およびその支持部６４Ａと外側容器６２との間に形成される排気経路を介して排気される。

図２０よりわかるように、前記基板保持台６４はその周囲にフランジ状のバッフル部６４Ｆを設けられており、前記バッフル部６４Ｆと前記内側処理容器６３の下端との間に、連続的な排気口６３Ｃが形成される。かかる排気口６３Ｃは、前記内側処理容器６３上に保持される被処理基板Ｗの外周よりも外側に連続的に形成される。前記排気口６３Ｃの幅、従ってコンダクタンスは、前記基板保持台６４を上下動させることにより変化する。

さらに前記基板保持台６４には、ヒータ６４Ｈが埋設されており、電極６４ｈからの駆動電流により駆動される。また前記基板保持台６４にはリフタピン６４Ｌが、ピン駆動部を含むその下端部６４ｌが前記外側容器６２の一部に固定した状態で形成されている。そこで前記基板保持台６４を前記アクチュエータ６１Ａにより下降させると前記リフタピン６４Ｌは前記基板保持台６４より上方に突出し、前記基板保持台６４上に保持された被処理基板を持ち上げる。また前記基板保持台６４の内部、前記ヒータ６４Ｈの下には、冷熱媒体を通すための冷熱媒体通路６４Ｂが形成されている。

さらに前記基板保持台６４には、保持される被処理基板の外周に係合するカバーリング６４Ｒを有し、前記カバーリング６４Ｒは前記基板保持台６４を貫通して下方に延在し、前記外側容器６２の一部に係合する駆動部６４ｒを有し、前記基板保持台６４が下降した場合に、前記被処理基板６４との係合を解除する。

さらに図２０の成膜装置６０では、前記内側処理容器６３の内部に、前記基板保持台６４上の被処理基板に対向して前記図１１Ａのバッフル板４２Ｂに対応するバッフル板６５が、前記被処理基板の径よりも大きな径で設けられ、前記バッフル板６５の周囲には、図１１Ａの開口部４２Ｃに対応する開口部６５Ａが、前記基板保持台６４上の被処理基板の外周よりも外側に形成されている。前記バッフル板６５は前記開口部６５Ａの外側にフランジ部６５Ｆを有し、前記フランジ部６５Ｆを前記内側処理容器６３の上半体６３Ｕにねじ６５ｄによりねじ止めすることにより固定される。前記フランジ部６５Ｆの下部には、前記内側処理容器６３の下半体６３Ｌが、ねじ６５ｅにより、やはりねじ止めされる。前記上半体６３Ｕおよび下半体６３Ｌは、前記フランジ部６５Ｆとともに、前記内側処理容器６３を構成する。

さらに図２０の成膜装置６０では、前記アクチュエータ６１Ａの動作を含む動作全体を制御するために、プログラムをロードされた汎用コンピュータよりなるコントローラ６６が設けられている。

次に、図２０の成膜装置６０を使った、シリコン基板上へのＲｕ膜の成膜処理の例を、図２１〜２８を参照しながら説明する。

図２１を参照するに、前記アクチュエータ６１Ａが前記コントローラ６６により下方へと駆動され、これにより、前記基板保持台６４が前記内側処理容器６３から離間して下降する。その結果、前記外側容器６２の基板搬入／搬出口６２Ａに対応して排気口６３Ｃが大きく開口する。図２１の状態では、前記排気口６３Ｃは上下方向に３２．３ｍｍの幅を有する。図２１の状態では、前記基板保持台６４の下降に伴い、リフタピン６４Ｌが前記基板保持台６４の面から突出し、前記カバーリング６４Ｒも、前記基板保持台６４Ｒの面よりも上方に離間した位置関係へと変化する。

次に図２２に示すように、前記基板搬入／搬出口６２Ａから被処理基板Ｗを保持した基板搬送機構のアーム７１が前記大きく開口した排気口６３Ｃを介して、前記リフタピン６４Ｌとカバーリング６４Ｒの間の位置に挿入され、図２３に示すように前記リフタピン６４Ｌの駆動部６４ｌを駆動してリフタピン６４Ｌを上昇させることにより、前記被処理基板Ｗが前記アーム７１から分離される。

さらに図２４に示すように前記アーム７０が前記基板搬入／搬出口６２Ａから退出され、図示しないゲートバルブが閉じられる。

次に図２５に示すように前記アクチュエータ６１Ａが駆動され前記基板保持台６４が支持部６４Ａを介して上昇し、前記リフタピン６４Ｌ上に保持されていた被処理基板Ｗが基板保持台６４により保持される。この状態で、前記排気口６３Ｃは上下方向に１０ｍｍの幅を有する。

次に図２６に示すように前記アクチュエータ６１Ａが微少量だけ駆動され、前記基板保持台６４が微少量だけ上昇し、前記排気口６３Ｃの上下方向の幅が８ｍｍに設定される。またこの状態で、前記カバーリング６４Ｒが前記被処理基板Ｗの側面に係合し、保持する。

さらに図２７の工程において前記基板保持台２７が、前記アクチュエータ６１Ａを駆動することでさらにわずかに上昇され、前記バッフル板６５と被処理基板Ｗの間の距離が６７ｍｍに、また前記排気口６３Ｃの上下方向の幅が２ｍｍに設定され、前記処理ガス度運入口６３ＡよりＲｕ₃（ＣＯ）₁₂ガスとＣＯキャリアガスよりなる処理ガスを導入し、これを図２７中に矢印で示すように前記バッフルバイ６５外周の開口部６５Ａから排気口６３Ｃへと排気することにより、前記被処理基板Ｗの表面には前記処理ガス流から拡散したＲｕ₃（ＣＯ）₁₂分子の分解により、Ｒｕ膜が、一様な面内堆積速度で堆積し、優れた面内膜厚均一性を有するＲｕ膜が形成される。なお前記排気口６３Ｃを通って排出された処理ガスは、前記外側容器６３と基板保持台６４あるいはその支持部６４Ａとの間に形成された排気経路６２Ｂを通過し、図示しない排気口より排気される。

図２６の工程において、前記被処理基板Ｗの温度を２００℃以上、２３０℃以下に制御することにより、前記被処理基板Ｗの周辺部における優先的なＲｕ膜の堆積が、添加されているＣＯガスにより効果的に抑制され、先に図１５で説明したような、被処理基板Ｗの周辺部へのＲｕ膜の選択的な堆積の問題を回避することができる。

図２７の工程の後、説明を省略するが、前記被処理基板Ｗが基板搬送機構のアーム７１により取り出され、成膜装置６０の状態は、図２８に示すように図２０の状態に戻され、前記内側処理容器６２の内部がパージされる。

本実施形態において、前記バッフル板６５としては、先の図１１Ｂ，１１Ｃで説明したものばかりでなく、図１８，１９で説明したバッフル板を使うことも可能である。

また本実施形態では、前記外側容器６２および内側処理容器６３を、前記冷熱媒体通路６３Ｂあるいは６４Ｂに冷熱媒体を流すことで例えばその温度を８０℃に維持することにより、被処理基板Ｗ以外の部分へのＲｕ膜の成膜を抑制することができる。

以上の説明からもわかるように、本願発明はＲｕ₃（ＣＯ）₁₂ガスを原料としてＣＯガスとともに供給するＲｕ膜の成膜方法に限定されるものではなく、Ｗ，Ｃｏ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｒｅ，Ｍｏなど、他の金属膜を、それぞれのカルボニル原料をＣＯガスとともに供給し、成膜する場合にも有効である。

以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

従来のＲｕ膜の成膜に使われるシャワーヘッドを有するＣＶＤ装置の構成を示す図である。 本発明の課題を説明する図である。 本発明の課題を説明する図である。 シャワーヘッドを使った従来のＲｕ膜の成膜の概要を示す図である。 図４の成膜において生じる処理ガスの圧力面内分布と流速面内分布を示す図である。 図４の成膜において生じる面内原料分布と面内膜厚分布を示す図である。 本発明によるＲｕ膜の成膜の概要を示す図である。 本発明によるＲｕ膜の成膜の概要を示す図である。 本発明によるＲｕ膜の成膜の概要を示す図である。 本発明によるＲｕ膜の成膜の概要を示す図である。 本発明の第１の実施形態による成膜装置を示す図である。 本発明の第１の実施形態による成膜装置を示す図である。 本発明の第１の実施形態による成膜装置を示す図である。 第１の実施形態によりＲｕ膜を成膜する際の堆積速度の面内均一性を示す図である。 図１２Ａの測定を説明する図である。 図１１Ａ〜１１Ｃの成膜装置におけるバッフル板のサイズ効果を説明する図である。 一酸化炭素雰囲気中によるＲｕカルボニル原料の分解抑制効果の温度依存性を説明する図である。 様々な基板温度において被処理基板上に堆積したＲｕ膜の膜厚の面内不均一性と基板温度との関係を示す図である。 原料容器の温度変化によるＲｕ膜の成膜速度の変化を示す図である。 ＣＯキャリアガスの流量変化によるＲｕ膜の成膜速度の変化を示す図である。 第１の実施形態の一変形例を示す図である。 第１の実施形態の他の変形例を示す図である。 第２の実施形態による成膜装置の構成を示す図である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その１）である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その２）である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その３）である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その４）である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その５）である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その６）である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その７）である。 図２０の成膜装置を使った成膜工程を示す図（その８）である。

符号の説明

１０，４０，６０ 成膜装置
１０Ａ，６６ 制御装置
１１ 排気系
１１Ａ ターボ分子ポンプ
１１Ｂ ドライポンプ
１１Ｃ バイパスライン
１１ａ 可変コンダクタンスバルブ
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ バルブ
１２ 処理容器
１２Ｇ ゲートバルブ
１２Ｐ 圧力計
１３ 基板保持台
１３Ａ ヒータ駆動ライン
１3Ｄ リング状空間
１４ 原料供給系
１４Ａ ソースボトル
１４Ｂ ガス導入ライン
１４ａ バブリングガスライン
１４ｄ ＣＯガスライン
１４ｂ、１４ｃ，１４ｅ ＭＦＣ
１４ｆ アルゴンガスライン
１４Ｓ シャワーヘッド
１４ｓ，２４ｓ ガス吹き出し孔
２４Ｓ 処理ガス供給部
４１，６２ 外側容器
４２，６３ 内側処理容器
４２Ａ，６３Ｃ 排気口
４２Ｂ，６５ バッフル板
４２Ｂｂ バッフル部
４２Ｂａ，６５ｅ フランジ部
４２Ｂｃ 架橋部
４２Ｃ，６５Ａ 開口部
４２Ｄ 処理ガス供給ライン
４３，６４ 基板保持台
４３Ａ カバーリング
４３Ｂ バッフル板
４３ｂ 開口部
６１ 基部
６１Ａ アクチュエータ
６１ａ アーム
６２Ａ 基板搬入／搬出口
６２Ｃ シール部
６２ｃ ベローズ
６３Ｂ，６４Ｂ 冷熱媒体通路
６３Ｆ，６４Ｆ フランジ部
６３Ｕ 内側処理容器上半体
６３Ｌ 内側処理容器下半体
６３Ｓ プロセス空間
６４Ｈ ヒータ
６４ｈ 電極
６４Ｌ，６４ｌ リフタピン
６４Ｒ，６４ｒ カバーリング
６５ｄ，６５ｅ ねじ

Claims (15)

1. 金属カルボニルを含む原料ガスと一酸化炭素を含むキャリアガスとを含む処理ガスを、前記被処理基板表面を避けて、被処理基板の外周よりも径方向上外側の領域に流し、前記処理ガスの流れから前記金属カルボニルを前記被処理基板表面へ拡散させ、前記被処理基板表面に金属膜の成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
2. 前記処理ガスの流れは、前記被処理基板表面に対向して配置され前記被処理基板の外周よりも大きな外周を有するバッフル板を介して前記処理ガスを流すことにより形成されることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
3. 前記被処理基板の前記径方向上外側の領域には絞りを構成する排気口が設けられており、前記絞りを制御することにより前記被処理基板表面への成膜の成膜速度を制御することを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
4. 前記成膜は、前記金属カルボニルの分解が一酸化炭素ガスにより抑制される効果が生じる基板温度において実行されることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の成膜方法。
5. 前記成膜は、２３０℃以下の基板温度で実行されることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の成膜方法。
6. 被処理基板を保持する基板保持台と、
   前記基板保持台とともにプロセス空間を画成する処理容器と、
   前記基板保持台の径方向上外側において前記プロセス空間を排気する排気口と、
   前記処理容器に前記基板保持台に対向して設けられ、前記プロセス空間に原料ガスとキャリアガスを含む処理ガスを供給する処理ガス供給部と、を備え、
   前記処理ガス供給部は、前記基板保持台を垂直方向から見た場合、前記基板保持台上の前記被処理基板よりも径方向上で外側の部分に、前記処理ガスが前記プロセス空間中を、前記被処理基板を避けて前記排気口へと流れるように供給する処理ガス導入部が形成されていることを特徴とする成膜装置。
7. 前記処理ガス導入部は、前記基板保持台上に対向して配設されたバッフル板と、前記バッフル板に、前記基板保持台を垂直方向から見た場合、前記基板保持台上の被処理基板の外周に沿って形成された複数の開口部とを含むことを特徴とする請求項６記載の成膜装置。
8. 前記複数の開口部は、各々前記外周に沿って延在することを特徴とする請求項７記載の成膜装置。
9. 前記複数の開口部は、前記外周に沿って延在する開口部列を形成することを特徴とする請求項７または８記載の成膜装置。
10. 前記複数の開口部は、前記外周に沿って延在する複数列の開口部列を形成することを特徴とする請求項７または８記載の成膜装置。
11. 前記排気口は、前記基板保持台の外周と前記処理容器との間に、前記基板保持台の外周に沿って連続的に形成されることを特徴とする請求項６〜１０のうち、いずれか一項記載の成膜装置。
12. 前記基板保持台は、前記処理容器に対して近接・離間可能に保持されており、前記基板保持台を前記処理容器に対して近接・離間させることにより、前記排気口のコンダクタンスが変化されることを特徴とする請求項１１記載の成膜装置。
13. 前記原料ガスは金属カルボニルを含み、前記キャリアガスは一酸化炭素を含むことを特徴とする請求項６〜１２のうち、いずれか一項記載の成膜装置。
14. 前記基板保持台はヒータを含み、前記ヒータは制御装置により制御され、前記制御装置は、前記基板保持台の温度を、一酸化炭素が前記金属カルボニルの分解を抑制できるような温度以下に制御することを特徴とする請求項１３記載の成膜装置。
15. 前記制御装置は、前記基板保持台の温度を、２３０℃以下に制御することを特徴とする請求項１４記載の成膜装置。