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JP2014101564A - Formation method of cobalt film - Google Patents

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JP2014101564A
JP2014101564A JP2012255732A JP2012255732A JP2014101564A JP 2014101564 A JP2014101564 A JP 2014101564A JP 2012255732 A JP2012255732 A JP 2012255732A JP 2012255732 A JP2012255732 A JP 2012255732A JP 2014101564 A JP2014101564 A JP 2014101564A
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JP
Japan
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film
cobalt
reducing gas
forming
cobalt film
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Application number
JP2012255732A
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Japanese (ja)
Inventor
Masamichi Harada
雅通 原田
Yuta Sakamoto
勇太 坂本
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Ulvac Inc
Original Assignee
Ulvac Inc
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Publication date
Application filed by Ulvac Inc filed Critical Ulvac Inc
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Abstract

【課題】薄い膜厚でコバルト膜を連続膜として形成可能なコバルト膜の形成方法を提供する。
【解決手段】本発明のコバルト膜の形成方法は、成膜対象物Sをその表面に金属またはシリコンを含む下地層17を有するものとし、この成膜対象物を処理室内に配置し、処理室内に還元ガスを導入して下地層の表面全体に亘って還元ガスを供給する工程と、還元ガスを導入した状態で、更に処理室内に金属前駆体を導入し、下地層表面にコバルトの金属核18を形成し、この金属核を成長させてコバルト膜19を形成する工程とを含む。
【選択図】図2
The present invention provides a method for forming a cobalt film that can be formed as a continuous film with a thin film thickness.
In the method for forming a cobalt film according to the present invention, a film-forming object S has a base layer 17 containing metal or silicon on the surface thereof, and the film-forming object is disposed in a processing chamber. Introducing a reducing gas into the substrate and supplying the reducing gas over the entire surface of the underlayer, and with the reducing gas introduced, a metal precursor is further introduced into the processing chamber, and a cobalt metal nucleus is formed on the surface of the underlayer. And forming a cobalt film 19 by growing the metal nuclei.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、成膜対象物をその表面に金属またはシリコンを含む下地層を有するものとし、この下地層表面にコバルト膜を形成するコバルト膜の形成方法に関し、より詳細には、微細な溝部(トレンチ)や孔部(ホール)の内面にコバルト膜を薄く形成するのに適したものに関する。   The present invention relates to a method for forming a cobalt film in which a film formation target has a base layer containing metal or silicon on the surface thereof, and more specifically, a fine groove ( The present invention relates to a film suitable for forming a thin cobalt film on the inner surface of a trench or a hole.

近年では、融点が高く、しかも、耐マイグレーション性に優れる等の理由から、半導体装置の配線材料として、Cu(銅)が注目されている。シリコンウエハ等の半導体基板の一方の面に有する絶縁膜に溝部を形成し、この溝部の内面(内壁面)にタンタル等からなるバリア層を形成し、バリア層で覆われた溝部内面を覆うようにスパッタリング法にてシードCu層(以下「Cu層」という)を形成し、その後、このCu層をリフローにより流動させて溝部内をCuで埋め込み、Cu配線層を得る方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。   In recent years, Cu (copper) has attracted attention as a wiring material for semiconductor devices because of its high melting point and excellent migration resistance. A groove is formed in an insulating film on one surface of a semiconductor substrate such as a silicon wafer, and a barrier layer made of tantalum or the like is formed on the inner surface (inner wall surface) of the groove so as to cover the inner surface of the groove covered with the barrier layer. A method is known in which a seed Cu layer (hereinafter referred to as “Cu layer”) is formed by sputtering, and then the Cu layer is flowed by reflow to fill the groove with Cu to obtain a Cu wiring layer ( For example, see Patent Document 1).

ところで、近年の半導体デバイスの更なる高集積化に伴い、溝部の上面開口幅が狭くなってきている。この場合、スパッタリング法で従来と同等の膜厚でCu層を形成すると、溝部の上部開口がCu層で閉塞される(所謂、ピンチオフ)。このようなピンチオフの状態で、上記従来例と同様にリフローによりCu層を流動させると、溝部内に空洞が残ることが判明した。   By the way, with the further higher integration of semiconductor devices in recent years, the opening width of the upper surface of the groove has become narrower. In this case, when the Cu layer is formed with a film thickness equivalent to that of the conventional film by sputtering, the upper opening of the groove is closed by the Cu layer (so-called pinch-off). In such a pinch-off state, it was found that when the Cu layer was flowed by reflow as in the conventional example, a cavity remained in the groove.

そこで、本出願人は、Cu層の形成に先立って溝部内(すなわち、バリア層表面)を流動促進層たるコバルト膜で覆うことを提案した(特願2012−233842参照)。これによれば、たとえピンチオフの状態からCu層をリフローしても、Cu層の溝部内への流動性が高められて、溝部内にCuを隙間無く埋め込むことができる。   Therefore, the present applicant has proposed that the groove portion (that is, the barrier layer surface) is covered with a cobalt film serving as a flow promoting layer prior to the formation of the Cu layer (see Japanese Patent Application No. 2012-233842). According to this, even if the Cu layer is reflowed from the pinch-off state, the fluidity of the Cu layer into the groove is improved, and Cu can be embedded in the groove without any gap.

コバルト膜の形成方法としては、カバレッジ性に優れた熱CVD法が好ましく用いられる。この場合、成膜対象物をその表面がバリア層で覆われたものとし、この成膜対象物を処理室内に配置し、処理室内に金属前駆体と還元ガスとを同時に導入してバリア層表面にコバルトの金属核を形成し、この金属核を成長させることによりコバルト膜が得られる。   As a method for forming the cobalt film, a thermal CVD method excellent in coverage is preferably used. In this case, it is assumed that the surface of the film formation target is covered with a barrier layer, the film formation target is disposed in the processing chamber, and the metal precursor and the reducing gas are simultaneously introduced into the processing chamber to A cobalt film is obtained by forming a metal nucleus of cobalt and growing the metal nucleus.

ここで、溝部の上面開口幅が狭いと、この溝部に形成されるCu配線層の線幅が細くなるため、配線層の低抵抗化を図る必要がある。Cuに比べてコバルトは高抵抗であるため、配線層を低抵抗化するには、コバルト膜を薄い膜厚で形成することが有効であり、しかも、リフロー時にCu層の流動性を高める観点からも、コバルト膜を薄膜化することが有効である。然し、上記従来例の方法でコバルト膜を形成した場合、コバルト膜の膜厚が薄いときには、コバルト膜が連続膜とならないことが判明した。本発明者らは、鋭意研究を重ね、上記従来例のものではバリア層表面にコバルトの金属核が不均一に形成されるため、コバルト膜の膜厚が薄いときには連続膜にならないとの知見を得た。   Here, if the opening width of the upper surface of the groove is narrow, the line width of the Cu wiring layer formed in this groove is narrowed, so it is necessary to reduce the resistance of the wiring layer. Since cobalt has a higher resistance than Cu, it is effective to reduce the resistance of the wiring layer by forming a thin cobalt film, and from the viewpoint of increasing the fluidity of the Cu layer during reflow. It is also effective to reduce the thickness of the cobalt film. However, it has been found that when the cobalt film is formed by the conventional method, the cobalt film does not become a continuous film when the cobalt film is thin. The inventors of the present invention have conducted extensive research and have found that the above-described conventional example has a cobalt metal nucleus non-uniformly formed on the surface of the barrier layer, so that it does not become a continuous film when the cobalt film is thin. Obtained.

特開2008−71850号公報JP 2008-71850 A

本発明は、以上の点に鑑み、薄い膜厚でコバルト膜を連続膜として形成可能なコバルト膜の成膜方法を提供することをその課題とする。   This invention makes it the subject to provide the film-forming method of the cobalt film which can form a cobalt film with a thin film thickness as a continuous film in view of the above point.

上記課題を解決するために、本発明のコバルト膜の形成方法は、成膜対象物をその表面に金属またはシリコンを含む下地層を有するものとし、この成膜対象物を処理室内に配置し、処理室内に還元ガスを導入して前記下地層の表面全体に亘って還元ガスを供給する工程と、前記還元ガスを導入した状態で、更に処理室内に金属前駆体を導入し、前記下地層表面にコバルトの金属核を形成し、この金属核を成長させてコバルト膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the cobalt film forming method of the present invention has a film formation target having a base layer containing metal or silicon on the surface thereof, and the film formation target is disposed in a processing chamber. Introducing a reducing gas into the processing chamber and supplying the reducing gas over the entire surface of the underlayer; and introducing the reducing gas into the processing chamber while introducing the reducing gas; Forming a cobalt metal nucleus, and growing the metal nucleus to form a cobalt film.

本発明によれば、下地層の表面にコバルトの金属核が形成されるのに先立ち、下地層の表面全体に亘って還元ガスを供給する。このとき、この下地層の表面全体が還元ガスに曝されていればよく、下地層表面に還元ガスの分子が吸着してもよい。還元ガスを導入した状態で、更に処理室内に金属前駆体を導入することにより、下地層の表面全体に亘って均一かつ密に金属核を形成することができる。このように均一かつ密に形成された金属核を成長させることで得られるコバルト膜は、その膜厚が薄くても連続膜となる。本発明者らの実験によれば、0.8nmの膜厚で形成したコバルト膜が連続膜であることが確認された。   According to the present invention, the reducing gas is supplied over the entire surface of the underlayer before the cobalt metal nucleus is formed on the surface of the underlayer. At this time, it is sufficient that the entire surface of the underlayer is exposed to the reducing gas, and molecules of the reducing gas may be adsorbed on the surface of the underlayer. By introducing a metal precursor into the processing chamber with the reducing gas introduced, metal nuclei can be formed uniformly and densely over the entire surface of the underlayer. The cobalt film obtained by growing the metal nuclei formed uniformly and densely as described above becomes a continuous film even if the film thickness is thin. According to the experiments by the present inventors, it was confirmed that the cobalt film formed with a film thickness of 0.8 nm is a continuous film.

本発明において、金属を含む下地層は、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、チタンまたは窒化チタンであることが好ましく、特に、タンタルであることがより好ましい。また、前記下地層がシリコンを含む場合には、下地層の表面にコバルト膜を形成した後、所定温度のアニール処理を施すことにより、コバルトシリサイド層を得ることができる。この場合、シリコンを含む下地層には、シリコン基板や多結晶シリコンゲート電極が含まれるものとする。   In the present invention, the metal-containing underlayer is preferably tantalum, tantalum nitride, tungsten, tungsten nitride, titanium, or titanium nitride, and more preferably tantalum. Further, when the underlayer includes silicon, a cobalt silicide layer can be obtained by forming a cobalt film on the surface of the underlayer and then performing an annealing process at a predetermined temperature. In this case, the underlying layer containing silicon includes a silicon substrate and a polycrystalline silicon gate electrode.

本発明において、前記還元ガスとしてアンモニアガスと水素ガスとを用いることが好ましい。   In the present invention, it is preferable to use ammonia gas and hydrogen gas as the reducing gas.

本発明の実施形態のコバルト膜の形成方法を実施する熱CVD装置を説明する模式図。The schematic diagram explaining the thermal CVD apparatus which enforces the formation method of the cobalt film of embodiment of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施形態のコバルト膜の形成方法を説明する工程図。(A)-(d) is process drawing explaining the formation method of the cobalt film of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のコバルト膜の形成方法におけるガス導入時期をタイムチャート。The gas introduction time in the formation method of the cobalt film of the embodiment of the present invention is a time chart. 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。The graph which shows the experimental result which confirms the effect of this invention. (a)及び(b)は実験結果を示すSEM像。(A) And (b) is a SEM image which shows an experimental result. (a)及び(b)は、コバルト膜を流動促進層として用いた半導体装置の製造方法を説明する工程図。(A) And (b) is process drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor device which used the cobalt film as a flow promotion layer.

図1を参照して、Mは、本発明の実施形態のコバルト膜の形成方法を実施する熱CVD装置であり、熱CVD装置Mは、処理室1aを画成する真空チャンバ1を備える。真空チャンバ1内にはステージ2が設けられ、このステージ2により成膜対象物Sがその成膜面を上側にして位置決め保持される。ステージ2にはヒータ21が内蔵されており、成膜対象物Sを加熱できるようになっている。   Referring to FIG. 1, M is a thermal CVD apparatus that performs the method for forming a cobalt film according to the embodiment of the present invention, and the thermal CVD apparatus M includes a vacuum chamber 1 that defines a processing chamber 1a. A stage 2 is provided in the vacuum chamber 1, and the film formation target S is positioned and held by the stage 2 with its film formation surface facing upward. A heater 21 is built in the stage 2 so that the film-forming target S can be heated.

真空チャンバ1の底部には、真空ポンプVP1たるドライポンプに通じる、圧力制御弁APCが介設された排気管EP1と、真空ポンプVP2たるドライポンプに通じる、真空ポンプVP3たるターボ分子ポンプが介設された排気管EP2と、この排気管EP2の真空ポンプVP2と真空ポンプVP3の間に合流する排気管EP3とが接続されている。これらの排気管EP1〜EP3には、開閉弁V1〜V3が夫々介設されている。   At the bottom of the vacuum chamber 1, an exhaust pipe EP1 having a pressure control valve APC connected to a dry pump as a vacuum pump VP1 and a turbo molecular pump being a vacuum pump VP3 connected to a dry pump as a vacuum pump VP2 are provided. The exhaust pipe EP2 is connected to the exhaust pipe EP3 that joins between the vacuum pump VP2 and the vacuum pump VP3 of the exhaust pipe EP2. These exhaust pipes EP1 to EP3 are provided with on-off valves V1 to V3, respectively.

真空チャンバ1の上部にはステージ2に対向させてシャワープレート3が設けられており、このシャワープレート3を介して処理室1aに還元ガスや金属前駆体を導入できるようになっている。シャワープレート3には、還元ガスを導入する還元ガス導入管4と金属前駆体を導入する前駆体導入管5とが接続されている。   A shower plate 3 is provided on the upper portion of the vacuum chamber 1 so as to face the stage 2, and a reducing gas and a metal precursor can be introduced into the processing chamber 1 a through the shower plate 3. The shower plate 3 is connected to a reducing gas introduction pipe 4 for introducing a reducing gas and a precursor introduction pipe 5 for introducing a metal precursor.

還元ガス導入管4は、Hガス源、NHガス源及びArガス源に連通する3つのガス導入管41,42,43に夫々分岐されている。ガス導入管41,42,43には、マスフローコントローラ41a,42a,43aが夫々介設され、各マスフローコントローラ41a,42a,43aの上流側には開閉弁41b,42b,43bが夫々設けられ、下流側には開閉弁41c,42c,43cが設けられている。 The reducing gas introduction pipe 4 is branched into three gas introduction pipes 41, 42, and 43 that communicate with the H 2 gas source, the NH 3 gas source, and the Ar gas source, respectively. Mass flow controllers 41a, 42a, 43a are respectively provided in the gas introduction pipes 41, 42, 43, and on-off valves 41b, 42b, 43b are provided on the upstream side of the mass flow controllers 41a, 42a, 43a, respectively. On the side, on-off valves 41c, 42c, 43c are provided.

前駆体導入管5は、気化器51に接続され、その上流側(真空チャンバ1側)には開閉弁51aが設けられている。気化器51と開閉弁51aとの間にバイパス管6が接続され、このバイパス管6の他端は上記排気管EP3に接続されており、金属前駆体の流量が安定するまでの間、金属前駆体を排気できるようになっている。気化器51には、金属前駆体を貯留するキャニスタ52とキャリアガス用のArガス源とに連通するガス導入管53,54が夫々接続され、金属前駆体を気化できるようになっている。ガス導入管53,54には、液体マスフローコントローラ(LMFC)53a及びマスフローコントローラ54aが介設され、それらの上流側には開閉弁53b,54bが夫々設けられ、下流側には開閉弁53c,54cが設けられている。キャニスタ52には開閉弁55aが介設された、キャリアガス用のHeガス源に連通するガス導入管55が接続されており、金属前駆体をガス導入管53に圧送できるようになっている。尚、金属前駆体が通るガス導入管5,53及び液体マスフローコントローラ53aは、金属前駆体が吸着しないように図示省略のヒータにより120℃以上に加熱されることが好ましい。   The precursor introduction pipe 5 is connected to a vaporizer 51, and an on-off valve 51a is provided on the upstream side (vacuum chamber 1 side). A bypass pipe 6 is connected between the vaporizer 51 and the on-off valve 51a, and the other end of the bypass pipe 6 is connected to the exhaust pipe EP3. Until the flow rate of the metal precursor is stabilized, a metal precursor is obtained. The body can be exhausted. The vaporizer 51 is connected to gas introduction pipes 53 and 54 communicating with a canister 52 for storing a metal precursor and an Ar gas source for carrier gas, respectively, so that the metal precursor can be vaporized. The gas introduction pipes 53 and 54 are provided with a liquid mass flow controller (LMFC) 53a and a mass flow controller 54a. On the upstream side thereof, on-off valves 53b and 54b are provided, and on the downstream side, on-off valves 53c and 54c. Is provided. The canister 52 is connected to a gas introduction pipe 55 that is connected to a He gas source for carrier gas, with an open / close valve 55 a interposed therebetween, so that the metal precursor can be pumped to the gas introduction pipe 53. The gas introduction pipes 5, 53 through which the metal precursor passes and the liquid mass flow controller 53a are preferably heated to 120 ° C. or higher by a heater (not shown) so that the metal precursor is not adsorbed.

金属前駆体としては、コバルトアルキルアミジネイトをドデカンに溶解させたものを用いることができる。また、ドデカン以外の公知の溶媒を用いることもできる。   As a metal precursor, what dissolved cobalt alkylamidinate in dodecane can be used. A known solvent other than dodecane can also be used.

上記熱CVD装置Mは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段Cを有し、ヒータ21、真空ポンプV1〜V3、マスフローコントローラ41a,42a,43a,53a,54a、圧力制御弁APC、各開閉弁の稼働等を統括制御するようにしている。   The thermal CVD apparatus M has a control means C having a microcomputer, a sequencer, etc., and includes a heater 21, vacuum pumps V1 to V3, mass flow controllers 41a, 42a, 43a, 53a, 54a, pressure control valves APC, and open / close It is designed to control the operation of valves.

以下、図2及び図3を参照して、本発明のコバルト膜の形成方法について、成膜対象物Sを、シリコンウエハ等の半導体基板(以下「基板」という)11であって、その表面に有する絶縁膜(例えば、SiOからなる層間絶縁膜)15中に凹部たる溝部(トレンチ)16が形成され、この溝部16内にTaからなるバリア層17が下地層として形成されたものとし、上記熱CVD装置Mを用いて、バリア層17表面にコバルト膜18を形成する場合を例に説明する。ここで、溝部16は、その上面開口幅Wが例えば10nm〜50nm程度、その深さDが例えば20nm〜200nm程度になるように形成されている。また、絶縁膜15の下層として例えばSiOからなる層間絶縁膜12が形成され、この層間絶縁膜12内に基板11に達する接続孔13が形成され、この接続孔13内に、例えば、タングステンからなる配線層14が埋め込み形成されている。尚、本発明において、下地層がTiからなるバリア層17であってもよい。 Hereinafter, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, in the method for forming a cobalt film of the present invention, a film formation target S is a semiconductor substrate (hereinafter referred to as “substrate”) 11 such as a silicon wafer, on its surface. A groove (trench) 16 as a recess is formed in an insulating film (for example, an interlayer insulating film made of SiO 2 ) 15, and a barrier layer 17 made of Ta is formed as a base layer in the groove 16. A case where the cobalt film 18 is formed on the surface of the barrier layer 17 using the thermal CVD apparatus M will be described as an example. Here, the groove 16 is formed such that the upper surface opening width W thereof is, for example, about 10 nm to 50 nm, and the depth D thereof is, for example, about 20 nm to 200 nm. Further, an interlayer insulating film 12 made of, for example, SiO 2 is formed as a lower layer of the insulating film 15, and a connection hole 13 reaching the substrate 11 is formed in the interlayer insulating film 12, and the connection hole 13 is made of, for example, tungsten. A wiring layer 14 is embedded and formed. In the present invention, the underlying layer may be the barrier layer 17 made of Ti.

先ず、真空チャンバ1のステージ2上に図外の搬送ロボットにより成膜対象物Sを搬送する。搬送が完了すると、制御手段によりヒータ21が作動され、成膜対象物Sを所定温度(180〜280℃、好ましくは235℃)に加熱することを開始する。この昇温過程(図3に示す時刻t1)にて、処理室1aに還元ガスたるアンモニアガスと水素ガスとを例えば、アンモニアガス流量:50〜1000sccm(好ましくは500sccm)、水素ガス流量:50〜1000sccm(好ましくは100sccm)で夫々導入する。これにより、バリア層17の表面全体に亘って還元ガスが供給され、バリア層17の表面全体がアンモニアガスと水素ガスとに曝される。このとき、バリア層17の表面にアンモニアガスや水素ガスの分子が吸着してもよい。   First, the film formation target S is transferred onto the stage 2 of the vacuum chamber 1 by a transfer robot (not shown). When the conveyance is completed, the heater 21 is actuated by the control means, and heating of the film formation target S to a predetermined temperature (180 to 280 ° C., preferably 235 ° C.) is started. In this temperature rising process (time t1 shown in FIG. 3), ammonia gas and hydrogen gas, which are reducing gases, are supplied to the processing chamber 1a, for example, ammonia gas flow rate: 50 to 1000 sccm (preferably 500 sccm), hydrogen gas flow rate: 50 to Each is introduced at 1000 sccm (preferably 100 sccm). Thereby, the reducing gas is supplied over the entire surface of the barrier layer 17, and the entire surface of the barrier layer 17 is exposed to ammonia gas and hydrogen gas. At this time, ammonia gas or hydrogen gas molecules may be adsorbed on the surface of the barrier layer 17.

そして、還元ガスの導入開始時刻t1から所定時間が経過すると(このとき、成膜対象物Sの温度が所定温度に達している)、時刻t2にて、上記還元ガスを導入した状態で、更に処理室1aに金属前駆体たるコバルトアルキルアミジネイトを0.2〜1.0g/min(好ましくは0.5g/min)の流量で導入する。処理室1aの圧力は、圧力制御弁APCにより、例えば、30〜500Paの範囲内(好ましくは200Pa)に制御することが好ましい。尚、還元ガスのみを導入する時間(t2―t1)は、5〜30secの範囲で設定でき、好ましくは、15secである。導入された金属前駆体はバリア層17表面にて還元され、コバルトの金属核(初期核)18が形成される(図2(b)参照)。このとき、上記の如くバリア層17の表面全体が予め還元ガスに曝されているため、その表面全体に亘って均一かつ密に金属核18が形成される。そして、上記還元ガス及び金属前駆体を導入し続けると、バリア層17の表面全体にて金属核18が夫々成長してコバルト膜19が形成される(図2(c)参照)。このとき、上記均一かつ密に形成された金属核18が夫々成長するため、コバルト膜19の膜厚が薄くても連続膜となる。時刻t2から所定時間(例えば、60sec)経過した時刻t3にて金属前駆体の導入を停止し、その後、時刻t4にて還元ガスの導入を停止する。尚、金属前駆体と還元ガスを同時に導入停止してもよい。   Then, when a predetermined time has elapsed from the introduction start time t1 of the reducing gas (at this time, the temperature of the film-forming target S has reached the predetermined temperature), at the time t2, the reducing gas is introduced and further Cobalt alkyl amidinate as a metal precursor is introduced into the processing chamber 1a at a flow rate of 0.2 to 1.0 g / min (preferably 0.5 g / min). The pressure in the processing chamber 1a is preferably controlled, for example, within a range of 30 to 500 Pa (preferably 200 Pa) by the pressure control valve APC. The time (t2-t1) for introducing only the reducing gas can be set in the range of 5 to 30 sec, and preferably 15 sec. The introduced metal precursor is reduced on the surface of the barrier layer 17 to form cobalt metal nuclei (initial nuclei) 18 (see FIG. 2B). At this time, since the entire surface of the barrier layer 17 has been exposed to the reducing gas in advance as described above, the metal nuclei 18 are formed uniformly and densely over the entire surface. When the reducing gas and the metal precursor are continuously introduced, the metal nuclei 18 grow on the entire surface of the barrier layer 17 to form a cobalt film 19 (see FIG. 2C). At this time, the uniformly and densely formed metal nuclei 18 grow respectively, so that even if the film thickness of the cobalt film 19 is small, it becomes a continuous film. The introduction of the metal precursor is stopped at time t3 when a predetermined time (for example, 60 sec) has elapsed from time t2, and then the introduction of the reducing gas is stopped at time t4. The metal precursor and the reducing gas may be introduced and stopped at the same time.

ここで、本発明者らは、次の発明実験を行った。発明実験では、成膜対象物Sとしてφ300mmのシリコン基板の表面にタンタル膜を5nmの膜厚で形成したものを用い、この成膜対象物Sを235℃に昇温する過程でアンモニアガスを500sccm、水素ガスを100sccm夫々導入し、15sec経過後にコバルトアルキルアミジネイトを0.50g/min更に導入してタンタル膜表面にコバルト膜を形成した。コバルトアルキルアミジネイトの導入時間を変えてコバルト膜の膜厚を0.6nm、0.8nm、1.6nm、2.8nmと変化させ、得られたコバルト膜のシート抵抗値を夫々測定した(発明品)。尚、コバルト膜の膜厚は、XRF(蛍光X線分析)により求めた。図4に示すように、発明品では、コバルト膜の膜厚が0.8nmのとき、シート抵抗値が減少しており、このコバルト膜が連続膜となっていることが判る。また、コバルトアルキルアミジネイトの導入時間を20secとしてコバルト膜を形成したもののSEM像から、均一かつ密に形成された金属核が夫々一様に成長していることが確認された(図5(a)参照)。   Here, the present inventors conducted the following invention experiment. In the inventive experiment, a film-forming object S using a tantalum film with a thickness of 5 nm on the surface of a φ300 mm silicon substrate was used. Then, 100 sccm of hydrogen gas was introduced, and after 15 seconds, cobalt alkylamidinate was further introduced at 0.50 g / min to form a cobalt film on the surface of the tantalum film. The film thickness of the cobalt film was changed to 0.6 nm, 0.8 nm, 1.6 nm, and 2.8 nm by changing the introduction time of the cobalt alkyl amidinate, and the sheet resistance value of the obtained cobalt film was measured ( Invention). The thickness of the cobalt film was determined by XRF (fluorescence X-ray analysis). As shown in FIG. 4, in the product according to the invention, when the thickness of the cobalt film is 0.8 nm, the sheet resistance value decreases, and it can be seen that this cobalt film is a continuous film. Moreover, it was confirmed from the SEM image of what formed the cobalt film with the introduction time of cobalt alkyl amidate being 20 sec (FIG. 5 (FIG. 5)). a)).

また、比較実験として、上記発明実験と同じ成膜対象物Sを用い、アンモニアガスを500sccm、水素ガスを100sccm、コバルトアルキルアミジネイトを0.50g/min夫々同時に導入して、タンタル膜表面にコバルト膜を形成した(比較品)。即ち、比較実験では、金属核の形成に先立って還元ガスのみを導入することなく、還元ガスと金属前駆体とを同時に当初から導入した。この場合も、ガス導入時間を変えてコバルト膜の膜厚を0.4nm、0.6nm、1.2nm、2.2nmと変化させ、シート抵抗値を夫々測定した。図4に示すように、比較品の場合、コバルト膜の膜厚が1.2nmのときには連続膜となっているものの、0.8nmのときにはシート抵抗値が減少しておらず、連続膜になっていない(即ち、不連続膜である)ことが判る。また、上記還元ガス及び金属前駆体を20sec導入してコバルト膜を形成したもののSEM像から、不均一に形成された金属核がまだらに成長していることが確認された(図5(b)参照)。   As a comparative experiment, the same film formation target S as in the above-described invention experiment was used, and ammonia gas was introduced at 500 sccm, hydrogen gas at 100 sccm, and cobalt alkyl amidate at 0.50 g / min. A cobalt film was formed (comparative product). That is, in the comparative experiment, the reducing gas and the metal precursor were simultaneously introduced from the beginning without introducing only the reducing gas prior to the formation of the metal nucleus. Also in this case, the sheet resistance value was measured by changing the gas introduction time and changing the film thickness of the cobalt film to 0.4 nm, 0.6 nm, 1.2 nm, and 2.2 nm. As shown in FIG. 4, in the case of the comparative product, although the film is a continuous film when the film thickness of the cobalt film is 1.2 nm, the sheet resistance value does not decrease when the film thickness is 0.8 nm, and the film becomes a continuous film. (Ie, it is a discontinuous film). Further, from the SEM image of the cobalt film formed by introducing the reducing gas and the metal precursor for 20 seconds, it was confirmed that the unevenly formed metal nuclei were growing (FIG. 5B). reference).

以上説明したように、バリア層17の表面にコバルトの金属核18が形成されるのに先立ち、バリア層17の表面全体に亘って還元ガスを供給することで、このバリア層17の表面全体が還元ガスに曝される。この状態で、金属前駆体を更に導入することにより、バリア層17の表面全体に亘って金属核18を均一かつ密に形成できる。そして、このように均一かつ密に形成された金属核11を夫々成長させることにより、コバルト膜19を薄い膜厚でも連続膜として得ることができる。   As described above, by supplying a reducing gas over the entire surface of the barrier layer 17 before the cobalt metal nucleus 18 is formed on the surface of the barrier layer 17, the entire surface of the barrier layer 17 is Exposure to reducing gas. By further introducing the metal precursor in this state, the metal nuclei 18 can be formed uniformly and densely over the entire surface of the barrier layer 17. Then, by growing the metal nuclei 11 uniformly and densely formed in this way, the cobalt film 19 can be obtained as a continuous film even with a small film thickness.

このようにして得たコバルト膜19を流動促進層として用いることにより半導体装置を製造することができる。即ち、コバルト膜19表面にスパッタリング法によりCu層20を形成し(図6(a)参照)、このCu層20形成済みの基板11を100〜400℃(好ましくは、350℃)の温度に加熱するリフローを行う。ここで、溝部16の上面開口幅Wが狭いと、図6(a)に示すように溝部16の上部開口がCu層20で閉塞されて空洞が生じる場合があるが(ピンチオフ)、コバルト膜19が上記リフロー時に生じるCuの流動体との濡れ角θが90°以下になるように(言い換えると、Cuの流動体との接触面積を増加させるように)作用することにより、溝部16内に隙間無く導電材料たるCuを埋め込み形成できる(図6(b)参照)。その結果、局所的な断線部分のない高精度なCu配線層21が得られ、導電性に優れた配線を持つ半導体装置を得ることができる。   A semiconductor device can be manufactured by using the cobalt film 19 thus obtained as a flow promoting layer. That is, a Cu layer 20 is formed on the surface of the cobalt film 19 by sputtering (see FIG. 6A), and the substrate 11 on which the Cu layer 20 has been formed is heated to a temperature of 100 to 400 ° C. (preferably 350 ° C.). Perform reflow. Here, when the upper surface opening width W of the groove portion 16 is narrow, the upper opening of the groove portion 16 may be blocked by the Cu layer 20 as shown in FIG. Acts in such a manner that the wetting angle θ with the Cu fluid generated during the reflow is 90 ° or less (in other words, so as to increase the contact area with the Cu fluid). The conductive material Cu can be buried without being formed (see FIG. 6B). As a result, a highly accurate Cu wiring layer 21 having no local disconnection portion can be obtained, and a semiconductor device having wiring with excellent conductivity can be obtained.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、バリア層表面に金属を含む下地層としてコバルト膜を形成する場合について説明したが、シリコンを含む下地層の表面にコバルト膜を形成する場合にも本発明を適用することができる。例えば、下地層たるシリコン基板の表面にコバルト膜を形成し、このコバルト膜を希ガス(例えばアルゴンガス)雰囲気で熱処理すれば、コバルトシリサイド層を形成できる。また、シリコン基板表面にコバルト膜を形成すると同時に、シリコン基板表面にゲート絶縁膜を介して形成された多結晶シリコンゲート電極の上面にコバルト膜を形成することもできる。これらの場合には、コバルト膜を連続膜として薄く形成することで、低抵抗のコバルトシリサイド層を薄く(つまり、シリコン基板及びゲート電極の表面から厚さ方向に浅く)形成できるという利点がある。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said thing. In the above embodiment, the case where the cobalt film is formed as the base layer containing metal on the surface of the barrier layer has been described. However, the present invention can also be applied to the case where the cobalt film is formed on the surface of the base layer containing silicon. . For example, a cobalt silicide layer can be formed by forming a cobalt film on the surface of a silicon substrate as a base layer and heat-treating the cobalt film in a rare gas (eg, argon gas) atmosphere. Further, at the same time as forming the cobalt film on the silicon substrate surface, the cobalt film can be formed on the upper surface of the polycrystalline silicon gate electrode formed on the silicon substrate surface via the gate insulating film. In these cases, there is an advantage that the low resistance cobalt silicide layer can be thinly formed (that is, shallow in the thickness direction from the surface of the silicon substrate and the gate electrode) by forming the cobalt film as a thin continuous film.

尚、還元ガスを導入している間、開閉弁51aを閉じると共に開閉弁61aを開けることで(このとき、開閉弁V3は閉じる)、気化器51で気化させた金属前駆体を排気管EP3を介して排気しておくことが好ましい。そして、開閉弁51aを開けると共に開閉弁61aを閉じれば、金属前駆体を安定した流量で処理室1aに導入できる。   During the introduction of the reducing gas, the on-off valve 51a is closed and the on-off valve 61a is opened (at this time, the on-off valve V3 is closed), so that the metal precursor vaporized by the vaporizer 51 passes through the exhaust pipe EP3. It is preferable to evacuate through. If the on-off valve 51a is opened and the on-off valve 61a is closed, the metal precursor can be introduced into the processing chamber 1a at a stable flow rate.

S…成膜対象物、1a…処理室、17…バリア膜(下地層、タンタル層)、18…コバルトの金属核、19…コバルト膜。   DESCRIPTION OF SYMBOLS S ... Film-forming object, 1a ... Processing chamber, 17 ... Barrier film (underlayer, tantalum layer), 18 ... Cobalt metal nucleus, 19 ... Cobalt film.

Claims (3)

成膜対象物をその表面に金属またはシリコンを含む下地層を有するものとし、この成膜対象物を処理室内に配置し、処理室内に還元ガスを導入して前記下地層の表面全体に亘って還元ガスを供給する工程と、
前記還元ガスを導入した状態で、更に処理室内に金属前駆体を導入し、前記下地層表面にコバルトの金属核を形成し、この金属核を成長させてコバルト膜を形成する工程とを含むことを特徴とするコバルト膜の形成方法。
The film formation target has a base layer containing metal or silicon on its surface, the film formation target is disposed in the processing chamber, and a reducing gas is introduced into the processing chamber to cover the entire surface of the base layer. Supplying a reducing gas;
A step of introducing a metal precursor into the processing chamber in a state where the reducing gas is introduced, forming a cobalt metal nucleus on the surface of the underlayer, and growing the metal nucleus to form a cobalt film. A method for forming a cobalt film.
前記下地層がタンタルであることを特徴とする請求項1記載のコバルト膜の形成方法。   2. The method of forming a cobalt film according to claim 1, wherein the underlayer is tantalum. 前記還元ガスとしてアンモニアガスと水素ガスとを用いることを特徴とする請求項1または2記載のコバルト膜の形成方法。
The method of forming a cobalt film according to claim 1 or 2, wherein ammonia gas and hydrogen gas are used as the reducing gas.
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