JP2010192467A - 被処理体の成膜方法及び処理システム - Google Patents

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Abstract

【課題】線幅やホール径が小さな凹部や高アスペクト比の凹部に対して十分な埋め込みを行うことが可能な成膜方法を提供する。
【解決手段】凹部6を有する絶縁層4が表面に形成された被処理体Wに対して薄膜を形成する成膜方法において、前記凹部内の表面を含めて前記被処理体の表面にTiを含むバリヤ層12を形成するバリヤ層形成工程と、前記バリヤ層上にRuを含むシード層16を形成するシード層形成工程と、前記シード層上に前記シード層に対する導通性を補助するためにCuを含む補助シード層164を形成する補助シード層形成工程とを有する。
【選択図】図4

Description

本発明は、被処理体の成膜方法及び処理システムに係り、特に半導体ウエハ等の被処理体に形成されている凹部を埋め込む時等に形成するバリヤ層等の薄膜を形成する成膜方法及び処理システムに関する。
一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理やパターンエッチング処理等の各種の処理を繰り返し行って所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスの更なる高集積化及び高微細化の要請より、線幅やホール径が益々微細化されている。そして、配線材料や埋め込み材料としては、従来は主としてアルミニウム合金が用いられていたが、最近は線幅やホール径が益々微細化されて、且つ動作速度の高速化が望まれていることからタングステン(W)や銅(Cu)等も用いられる傾向にある。
そして、上記Al、W、Cu等の金属材料を配線材料やコンタクトのためのホールの埋め込み材料として用いる場合には、例えばシリコン酸化膜(SiO )等の絶縁材料と上記金属材料との間で例えばシリコンの拡散が生ずることを防止したり、膜の密着性を向上させる目的で、或いはホールの底部でコンタクトされる下層の電極や配線層等の導電層との間の密着性等を向上する目的で、上記絶縁層や下層の導電層との間の境界部分にバリヤ層を介在させることが行われている。そして、上記バリヤ層としてはTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜等が広く知られている(特許文献1〜4)。この点について図10を参照して説明する。
図10は半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み時の成膜方法を示す工程図である。図10(A)に示すように、被処理体として例えばシリコン基板等よりなる半導体ウエハWの表面には例えば配線層等となる導電層2が形成されており、この導電層2を覆うようにして半導体ウエハWの表面全体に例えばSiO 膜等よりなる絶縁層4が所定の厚さで形成されている。上記導電層2は例えば不純物がドープされたシリコン層よりなり、具体的には、トランジスタやコンデンサ等の電極等に対応する場合もあり、特にトランジスタに対するコンタクトの場合にはNiSi(ニッケルシリサイド)等により形成される。
そして、上記絶縁層4には、上記導電層2に対して電気的コンタクトを図るためのスルーホールやビアホール等のコンタクト用の凹部6が形成されている。尚、上記凹部6として細長いトレンチ(溝)を形成する場合もある。この凹部6の底部に上記導電層2の表面が露出した状態となっている。そして、この凹部6内の底面及び側面を含めた半導体ウエハWの表面全体に、すなわち絶縁層4の上面全体に上述したような機能を有するバリヤ層を形成するために、図10(B)に示すように、凹部6内の表面(内面)全体も含めてウエハ表面全体(上面全体)に例えばTi膜8を成膜し、更にこのTi膜8上に、図10(C)に示すようにTiN膜10を成形し、上記Ti膜8とTiN膜10の2層構造よりなるバリヤ層12を形成する。
尚、TiN膜10を形成しないでTi膜8だけでバリヤ層12を構成する場合もある。上記Ti膜8は、例えばスパッタ成膜処理やTiCl を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)により形成され、上記TiN膜10は例えばTi含有の有機金属材料ガスやTiCl ガス等を用いてCVDにより形成される。
ここで上記バリヤ層12としては種々存在し、例えば上述のようにTi膜8及びTiN膜10を順次積層してなる2層構造のバリヤ層や、TaN膜及びTa膜を順次積層してなる2層構造のバリヤ層や、更には、Ti膜、TiN膜、Ta膜及びTaN膜の内の1層のみを用いたバリヤ層も存在し、いずれにしても、このバリヤ層12の上層に形成される導電層の種類や密着性等によってバリヤ層12の材質及び構造が決定される。
そして、最近にあっては、上記したバリヤ層12の材質の中で、図10で説明したように特にTi膜よりなる、或いはTi膜を含むバリヤ層12が注目されている。その理由は、Ti膜よりなるバリヤ層やTi膜を含むバリヤ層は金属等の拡散を特に抑制でき、電気抵抗も非常に小さく、更には体積膨張率も小さく、配線材料との密着性も良好である等の利点を有するからである。
このようにして、バリヤ層12を形成したならば、次に、図10(D)に示すように、例えばスパッタ成膜処理を行うことによって上記バリヤ層12上に例えばCu膜14を形成し、このCu膜14をシード層16とする。このシード層16は、凹部6内の表面を含めてウエハ表面全面に形成するのが望ましいが、スパッタリングは指向性が大きいことから凹部6内の側面にはCu原子が付着し難く、シード層16の形成が十分にできない。
このように、Cu膜14よりなるシード層16を形成したならば、次に、図10(E)に示すように、例えば電気メッキ処理を行うことによって上記凹部6内を例えばCuよりなる導電材18で埋め込むことになる。この後は、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)等を施すことによってウエハ表面を研磨して平坦化し、不要な導電部材18、シード層16及びバリヤ層12を削り取り、これにより凹部6の埋め込みが完了することになる。
特開平11−186197号公報 特開2004−232080号公報 特開2003−142425号公報 特開2006−148074号公報
ところで、上述したような凹部6の埋め込み方法は、線幅やホール径がそれ程厳しくなって設計基準が緩かった従来の場合には、それ程問題は生じなかった。
しかしながら、微細化傾向がより進んで線幅やホール径がより小さくなって設計基準が厳しくなると、図10(D)に示すように、凹部6内の側壁に十分にシード膜16が堆積し難くなってシード膜16が付着しない部分も発生し、これがために、メッキ処理時に電気が凹部6内の底部側まで十分に流れなくなって、図10(E)に示すようにボイド20が発生する、といった問題があった。
特に、コンタクトホールのようにホール径が小さくて、且つ深くなるような高アスペクト比の凹部を埋め込む場合や、線幅やホール径として100nm以下の設計基準が要求されるようになってきた現在にあっては、上記した問題点の早期解決が求められている。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、線幅やホール径が小さな凹部や高アスペクト比の凹部に対して十分な埋め込みを行うことが可能な成膜方法及び処理システムを提供することにある。
本発明者等は、半導体ウエハ表面の凹部の埋め込みについて鋭意研究した結果、CVDにより形成したRu(ルテニウム)膜をシード層として用いることにより埋め込みを最適化することができる、という知見を得ることにより本発明に至ったものである。
請求項1に係る発明は、凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に対して薄膜を形成する成膜方法において、前記凹部内の表面を含めて前記被処理体の表面にTiを含むバリヤ層を形成するバリヤ層形成工程と、前記バリヤ層上にRuを含むシード層を形成するシード層形成工程と、前記シード層上に前記シード層に対する導通性を補助するためにCuを含む補助シード層を形成する補助シード層形成工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。
このように、被処理体の表面の凹部を埋め込むに際して、凹部内の表面を含めて被処理体の表面にTiを含むバリヤ層を形成するバリヤ層形成工程と、バリヤ層上にRuを含むシード層を形成するシード層形成工程と、シード層上にこのシード層に対する導通性を補助するためにCuを含む補助シード層を形成する補助シード層形成工程とを有するようにしたので、凹部内の表面にRuを含むシード層を均一に形成することができ、この結果、線幅やホール径が小さな凹部や高アスペクト比の凹部に対して十分な埋め込みを行うことができる。
この場合、例えば請求項2に記載したように、前記バリヤ層はCVD(Chemical Vapor Deposition)或いはスパッタリングにより形成される。
また例えば請求項3に記載したように、前記バリヤ層はTi膜よりなる。
また例えば請求項4に記載したように、前記バリヤ層はTi膜とTiN膜の積層構造よりなる。
また例えば請求項5に記載したように、前記シード層はCVDにより形成される。
また例えば請求項6に記載したように、前記補助シード層はCVD或いはスパッタリングにより形成される。
また例えば請求項7に記載したように、前記バリヤ層形成工程の前段では前記被処理体に対してプリクリーン処理を施すためのプリクリーン工程が行われる。
また例えば請求項8に記載したように、前記各工程は、前記被処理体を大気中に晒すことなく真空中で連続的に行われる。
また例えば請求項9に記載したように、前記補助シード層形成工程の後には、前記凹部をCuで埋め込むためのメッキ工程が行われる。
また例えば請求項10に記載したように、前記凹部は、ビアホール、スルホール、コンタクトホール、溝(トレンチ)の内の少なくとも1以上である。
また例えば請求項11に記載したように、前記凹部の直径或いは幅は100nm以下である。
請求項12に係る発明は、被処理体の表面に薄膜を形成するための処理システムにおいて、前記被処理体の表面にTiを含む薄膜を形成する処理室と、前記被処理体の表面にRuを含む薄膜を形成する処理室と、前記被処理体の表面にCuを含む薄膜を形成する処理室と、前記各処理室の内の少なくとも1つに連結されて真空引き可能になされた少なくとも1の共通搬送室と、前記共通搬送室内に設けられて前記各処理室間で前記被処理体を搬送する搬送機構と、請求項1乃至6のいずれかに記載の成膜方法を実行するように制御する制御部と、を備えたことを特徴とする処理システムである。
この場合、例えば請求項13に記載したように、前記被処理体にプリクリーン処理を行う処理室を備え、前記制御部は、請求項1乃至8のいずれかに記載の成膜方法を実行するように制御する。
本発明に係る被処理体の成膜方法及び処理システムによれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体の表面の凹部を埋め込むに際して、凹部内の表面を含めて被処理体の表面にTiを含むバリヤ層を形成するバリヤ層形成工程と、バリヤ層上にRuを含むシード層を形成するシード層形成工程と、シード層上にこのシード層に対する導通性を補助するためにCuを含む補助シード層を形成する補助シード層形成工程とを有するようにしたので、凹部内の表面にRuを含むシード層を均一に形成することができ、この結果、線幅やホール径が小さな凹部や高アスペクト比の凹部に対して十分な埋め込みを行うことができる。
以下に、本発明に係る成膜方法及び処理システムの好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明に係る処理システムの一例を示す概略構成図、図2はプラズマ成膜処理室の一例を示す概略構成図、図3は熱成膜処理室の一例を示す概略構成図である。
<処理システムの説明>
まず、上記処理システムについて説明する。
図1に示すように、この処理システム22は、複数、例えば第1〜第4の4つの処理室24a、24b、24c、24dと、略六角形状の共通搬送室26と、ロードロック機能を有する第1及び第2ロードロック室28a、28bと、細長い導入側搬送室30とを主に有している。
具体的には、略六角形状の上記共通搬送室26の4辺に上記各処理室24a〜24dが接合され、残りの2つの辺に、上記第1及び第2ロードロック室28a、28bがそれぞれ接合される。そして、この第1及び第2ロードロック室28a、28bに、上記導入側搬送室30が共通に接続される。ここでは上記第1の処理室24aでは例えばTi(チタン)膜が形成され、第2の処理室24bでは例えばRu(ルテニウム)膜が形成され、第3の処理室24cでは例えばCu(銅)膜が形成され、第4の処理室24dでは例えばプラズマスパッタエッチングによりウエハ表面の自然酸化膜等を除去するプリクリーン処理が行われる。尚、このプリクリーン処理を行わない場合には、この第4の処理室24dを設けないで省略することができる。
上記共通搬送室26と上記4つの各処理室24a〜24dとの間及び上記共通搬送室26と上記第1及び第2ロードロック室28a、28bとの間は、それぞれ気密に開閉可能になされたゲートバルブGが介在して接合されて、クラスタツール化されており、必要に応じて共通搬送室26内と連通可能になされている。ここで、この共通搬送室26内は真空引きされている。また、上記第1及び第2各ロードロック室28a、28bと上記導入側搬送室30との間にも、それぞれ気密に開閉可能になされたゲートバルブGが介在されている。この第1及び第2のロードロック室28a、28bは真空引き、及び大気圧復帰がウエハの搬出入に伴って繰り返される。
そして、この共通搬送室26内においては、上記2つの各ロードロック室28a、28b及び4つの各処理室24a〜24dにアクセスできる位置に、屈伸及び旋回可能になされた多関節アームよりなる第1の搬送機構32が設けられており、これは、互いに反対方向へ独立して屈伸できる2つのピック34a、34bを有しており、一度に2枚のウエハを取り扱うことができるようになっている。尚、上記第1の搬送機構32として1つのみのピックを有しているものも用いることができる。
上記導入側搬送室30は、横長の箱体により形成されており、この横長の一側には、被処理体である半導体ウエハを導入するための1つ乃至複数の、図示例では3つの搬入口が設けられ、各搬入口には、開閉可能になされた開閉ドア36が設けられる。そして、この各搬入口に対応させて、導入ポート38がそれぞれ設けられ、ここにそれぞれ1つずつカセット容器40を載置できるようになっている。各カセット容器40には、複数枚、例えば25枚のウエハWを等ピッチで多段に載置して収容できるようになっている。
この導入側搬送室30内には、ウエハWをその長手方向に沿って搬送するための導入側搬送機構である第2の搬送機構42が設けられる。この第2の搬送機構42は、屈伸及び旋回可能になされた2つのピック46a、46bを有しており、一度に2枚のウエハWを取り扱い得るようになっている。この第2の搬送機構42は、導入側搬送室30内の導入ポート側に長さ方向に沿って延びるように設けた案内レール44上にスライド移動可能に支持されている。
また、導入側搬送室30の一方の端部には、ウエハの位置合わせを行なうオリエンタ48が設けられる。上記オリエンタ48は、駆動モータによって回転される回転台48aを有しており、この上にウエハWを載置した状態で回転するようになっている。この回転台48aの外周には、ウエハWの周縁部を検出するための光学センサ48bが設けられ、これによりウエハWの位置決め切り欠き、例えばノッチやオリエンテーションフラットの位置方向やウエハWの中心の位置ずれ量を検出できるようになっている。
この処理システム全体の動作を制御するために、例えばコンピュータ等よりなる制御部50を有している。そして、この処理システム全体の動作制御に必要なプログラムはフロッピやCD(Compact Disc)やハードディスクやフラッシュメモリ等の記憶媒体52に記憶されている。具体的には、この制御部50からの指令により、ウエハWの搬出入、各ガスの供給の開始、停止や流量制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。
このように、構成された処理システム22における概略的な動作について説明する。まず、導入ポート38に設置されたカセット容器40からは、未処理の半導体ウエハWが第2の搬送機構42により導入側搬送室30内に取り込まれ、この取り込まれたウエハWは導入側搬送室30の一端に設けたオリエンタ48へ搬送されて、ここで位置決めがなされる。
位置決めがなされたウエハWは、上記第2の搬送機構42により再度搬送され、第1或いは第2のロードロック室28a、28bの内のいずれか一方のロードロック室内へ搬入される。このロードロック室内が真空引きされた後に、予め真空引きされた共通搬送室26内の第1の搬送機構32を用いて、上記ロードロック室内のウエハWが共通搬送室26内に取り込まれる。
そして、この共通搬送室26内へ取り込まれた未処理のウエハは、まず第4の処理室24dへ搬入されてプリクリーン処理を施し、このプリクリーン処理が完了したならば、次にウエハWを第1の処理室24a内へ搬入してTi膜を、或いはTi膜とTiN膜とを形成し、このTi膜(TiN膜)の成膜が完了したならば、次にウエハWを第2の処理室24b内へ搬入してRu膜を形成し、このRu膜の成膜が完了したならば、次にウエハWを第3の処理室24c内へ搬入してCu膜を形成する。
このように、上記第1〜第4の処理室24a〜24d内にて、プリクリーン処理した後に順次Ti膜、TiN膜、Ru膜及びCu膜の成膜が完了したならば、この処理済みのウエハWは、いずれか一方のロードロック室28a又は28b、導入側搬送室30を経由して導入ポート38の処理済みウエハ用のカセット容器40内へ収容されることになる。そして、このウエハWに対しては電気メッキ処理が施されてCuにより凹部の埋め込みが行われる。尚、上記一連の詳しい処理の流れは後述する。
<プラズマ成膜処理室の説明>
次に、プラズマ成膜処理室について図2を参照して説明する。このプラズマ処理室は、上記第1〜第4の処理室24a〜24dの内でプラズマを用いた成膜処理を行う処理室の基本構造を示し、例えばTi膜をプラズマを用いて成膜する時の第1の処理室24aが対応する。図2はプラズマ成膜処理室を示す概略構成図である。図2に示すように、このプラズマ成膜処理室54は、例えばアルミニウム合金等により筒体状に成形された処理容器56を有しており、この処理容器56は接地されている。この処理容器56内には、容器底部より支柱57により起立させて支持された例えば窒化アルミ等のセラミックよりなる載置台58が設けられており、この上面側にウエハWを載置できるようになっている。
この載置台58内には、例えばタングステンワイヤヒータよりなる加熱手段60が埋め込んで設けられており、上記ウエハWを所定の温度に加熱できるようになっている。また、この載置台58内には、上記タングステンワイヤヒータ60の上方に位置させて、例えばメッシュ状の導電部材62が埋め込まれると共に、この導電部材62は図示しない配線により接地されており、この載置台58がプラズマ発生用の下部電極となるように構成されている。尚、この下部電極にバイアス用の高周波電圧を印加するようにしてもよいし、またこの載置台58の下方には、ウエハWを搬出入する際に昇降してウエハWを下側より突き上げて支持するリフタピン(図示せず)が設けられる。
また、この処理容器56の底部には排気口64が形成されると共に、この排気口64には真空ポンプや圧力調整弁等を含む排気系66が接続されており、上記処理容器56内を真空引きして所定の圧力に維持できるようになっている。
また処理容器56の側壁には、ウエハWを搬出入できる大きさの開口68が形成されており、この開口68に前述したゲートバルブGが設けられている。更に、処理容器56の天井部は開口されており、この開口部分に絶縁部材70を介してガス導入手段として例えばシャワーヘッド72が気密に設けられている。このシャワーヘッド72は、例えばアルミニウム合金等よりなって上部電極を兼ねるものである。このシャワーヘッド72内には、拡散室74が区画形成される。
またシャワーヘッド72の下面には、上記拡散室74に連通された多数のガス噴射孔78が形成されており、処理容器56内へ所望のガスを導入できるようになっている。またシャワーヘッド72の上部にはガス導入口80が形成されており、このガス導入口80から成膜に必要な原料ガスをそれぞれ流量制御しつつ導入できるようになっている。従って、このガスは、このシャワーヘッド72の拡散室74内を拡散してガス噴射孔78からウエハWの上方の空間に面内方向に均一な状態で噴射供給されることになる。
また、このシャワーヘッド72には、途中にマッチング回路82やプラズマ用の例えば450kHzの高周波電源84等が介設された給電ライン86が接続されており、下部電極である載置台58との間にプラズマを立てるようになっている。従って、この処理容器56内の処理空間で高周波によりプラズマを立てると共に、ウエハWを加熱手段60により所定の温度に加熱し、これによりウエハWに対して例えばTi膜の成膜処理を行うようになっている。
<熱成膜処理室の説明>
次に、熱成膜処理室について図3を参照して説明する。この熱成膜処理室は、上記第1〜第4の処理室24a〜24dの内で熱CVD等により成膜処理を行う処理室の基本構造を示し、例えばRu膜を熱CVD等で成膜する時の第2の処理室24bやCu膜を熱CVD等で成膜する時の第3の処理室24cが対応する。図3は熱成膜処理室を示す概略構成図である。
図3に示すように、この熱成膜処理室88は、例えばアルミニウム合金等により筒体状に成形された処理容器90を有している。この処理容器90内には、容器底部より支柱92により起立させて支持された例えば窒化アルミ等のセラミックよりなる載置台94が設けられており、この上面側にウエハWを載置できるようになっている。
この載置台94内には、例えばタングステンワイヤヒータよりなる加熱手段96が埋め込んで設けられており、上記ウエハWを所定の温度に加熱できるようになっている。またこの載置台94の下方には、ウエハWを搬出入する際に昇降してウエハWを下側より突き上げて支持するリフタピン(図示せず)が設けられる。
この処理容器90の底部には排気口98が形成されると共に、この排気口98には真空ポンプや圧力調整弁等を含む排気系100が接続されており、上記処理容器90内を真空引きして所定の圧力に維持できるようになっている。
また処理容器90の側壁には、ウエハWを搬出入できる大きさの開口102が形成されており、この開口102に前述したゲートバルブGが設けられている。更に、処理容器90の天井部は開口されており、この開口部分にガス導入手段として例えばシャワーヘッド104が気密に設けられている。このシャワーヘッド104は、例えばアルミニウム合金等により形成されている。
具体的には、このシャワーヘッド104の上部には、第1のガス導入口106と第2のガス導入口108が設けられると共に、このシャワーヘッド104内には、上記第1のガス導入口106に連通される第1の拡散室110と上記第2のガス導入口108に連通される第2の拡散室112とがそれぞれ区画分離されて設けられている。そして、上記シャワーヘッド104の下面のガス噴射面には、上記第1の拡散室110に連通された複数の第1のガス噴射孔114と、上記第2の拡散室112に連通された複数の第2のガス噴射孔116とがそれぞれ設けられており、上記第1及び第2のガス噴射孔114、116から噴射された各ガスを、処理容器90内で初めて混合できるようになっている。
このようなガスの混合方式を、いわゆるポストミックスと称す。ここで上記第1のガス導入口106及び第2のガス導入口108に対してそれぞれ成膜に必要な原料ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。
従って、この処理容器90内の処理空間では、各必要なガスが面内方向に均一に供給されて、ウエハWを加熱手段96により所定の温度に加熱し、これにより熱CVDによりウエハWの表面に前述した所定の薄膜、例えばRu膜、Cu膜等を形成できるようになっている。尚、ポストミックスを必要としない成膜処理の場合には、図2に示すシャワーヘッド72のようにガス拡散室が1つになされたシャワーヘッドを有する熱CVD処理室を用いることができる。
<成膜方法の説明>
次に、上述したように形成された処理システム22及び各処理室24a〜24dを用いて行われる本発明に係る成膜方法について説明する。
図4は本発明の成膜方法の一例を示すフローチャート、図5は各成膜工程の成膜状況を説明するための半導体ウエハの凹部の近傍を示す部分拡大断面図である。
図4に示すように、この成膜方法は、半導体ウエハWの表面に対してプリクリーン処理を行うプリクリーン工程S1と、上記凹部内の表面を含めてウエハWの表面にTiを含むバリヤ層を形成するバリヤ層形成工程S2と、上記バリヤ層上にRuを含むシード層を形成するシード層形成工程S3と、上記シード層上にこのシード層に対する導通性を補助するためにCuを含む補助シード層を形成する補助シード層形成工程S4と、上記凹部内を導電部材で埋め込むためにメッキ処理を施すためのメッキ工程S5とにより主に構成されている。尚、処理条件によっては、上記プリクリーン工程S1は省略してもよい。
次に上記各工程について説明する。尚、図5中において、図10中に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して説明する。
<プリクリーン工程>
まず、図5(A)に示すように、半導体ウエハWの絶縁層4にコンタクトホールやスルホール等の凹部6が形成されたウエハWを第4の処理室24d(図1参照)内に搬入する。このウエハWの凹部6の底部には、先に背景技術の欄で説明したように、不純物がドープされたシリコン層やNiSi膜などのシリサイド膜よりなる導電層2が露出している。この導電層2の表面は、大気雰囲気中の酸素や水分と接触して自然酸化膜等が形成されているので、この自然酸化膜等を除去するためプリクリーン処理を行う(S1)。
具体的には、この第4の処理室24dとしては、ICP(誘導結合)プラズマエッチング機能を有するプラズマエッチング処理室を用いる。そして、この第4の処理室24d内に希ガス、例えばArガスを流してプラズマを発生させ、このプラズマによりスパッタエッチング処理、すなわちプリクリーン処理を行う(S1)。これにより、凹部6の底部に露出している導電層2の表面の自然酸化膜等が除去されることになる。
<バリヤ層形成工程>
上述のようにしてプリクリーン工程が終了したならば、このウエハWを次に第1の処理室24aへ搬送し、ここでバリヤ層形成工程を行う(S2)。このバリヤ層形成工程では、ここでは図5(B)に示されるTi膜8を成膜し、次にこのTi膜8の表面をプラズマ窒化処理にて窒化することにより図5(C)に示されるTiN膜10を同一処理室内で連続的に形成し、バリヤ層12を形成する。
具体的には、この第1の処理室24aとしては、前述したように図2で説明したようなプラズマ成膜処理室88を用いる。まず、Ti膜8を成膜する場合には、必要なガスとして例えば原料ガスであるTiCl ガス、還元ガスであるH ガス及び希釈ガスであるArガスをそれぞれ処理室内に流し、所定のプロセス温度、所定のプロセス圧力の下でプラズマCVDによりTi膜8を堆積する。これにより、凹部6の内面及びウエハWの上面の全体に、Ti膜8が成膜されることになる。尚、バリヤ層12のバリヤ効果は、Ti膜8の膜厚に依存し、十分なバリヤ効果をもたせるためには、Ti膜8の膜厚は10nm以上必要となる。
このように、Ti膜8の成膜が完了したならば、次にガス種を切り替えてTi膜の表面を窒化する。ここで用いる必要なガスとして、窒化ガスであるNH ガス及び希釈ガスであるN ガスをそれぞれ流し、所定の高周波電力、所定のプロセス圧力の下でプラズマを生成し、Ti膜8の表面をプラズマ窒化し、TiN膜10を形成する。
これにより、上記Ti膜8上に、Tiを含む膜としてTiN膜10が堆積することになり、この結果、Tiを含むバリヤ層としてTi膜8とTiN膜10とよりなる2層構造のバリヤ層12が形成されることになる。
<シード層形成工程>
上述のようにしてバリヤ層12が形成されてバリヤ層形成工程が終了したならば、このウエハWを次に第2の処理室24bへ搬送し、ここでシード層形成工程S3を行う。このシード層形成工程では、図5(D)で示されるRuを含むRu膜160をシード層16として形成する。
具体的には、この第2の処理室24bとしては、前述したように図3で説明したような熱成膜処理室88を用いる。ここではポストミックス方式は採用しないので、シャワーヘッドにおけるガス拡散室が1つの熱成膜処理室を用いればよい。必要なガスとしては、例えばRu原料として金属カルボニル原料(有機金属化合物)であるRu (CO)12(国際公開W02004/111297参照)とキャリアガスである希ガス、例えばArガスを用いる。例えばArガスのバブリングによりRu原料を気化させて処理室に流し、所定のプロセス温度、所定のプロセス圧力の下で熱CVDによりRu膜160を堆積する。これにより凹部6の内面を含めて上記バリヤ層12上にRuを含む膜として上記Ru膜160が堆積するのでRuを含む膜であるシード層16が形成されることになる。
このプロセス時間は、ウエハWの最上面に例えば3nm程度の膜厚のRu膜160を形成するために例えば60sec程度に設定する。また、例えば上記Ru原料はバブリング時に50〜100℃程度に加熱されて50〜200sccm程度の流量のArガスでバブリングされる。プロセス時のウエハ温度は、例えば150〜600℃の範囲内、プロセス圧力は1〜100Paの範囲内である。
このように、シード層16としてRu膜160を用いる理由は、このRu金属の結晶格子定数が、この上層に形成されるCu(銅)の結晶格子定数と非常に近くてCuとの馴染み性が良好なこと及び膜付着性が良好なこと等による。この結果、図5(D)に示すように、高アスペクト比の凹部6の内面にも略全面に亘ってRu膜160を形成することが可能となる。
<補助シード層形成工程>
上述のようにシード層16が形成されてシード層形成工程が完了したならば、このウエハWを次に第3の処理室24cへ搬送し、ここで補助シード層形成工程S4を行う。
この補助シード層形成工程では、図5(E)で示されるCuを含むCu膜162を補助シード層164として形成する。
具体的には、この第3の処理室24cとしては、イオン化スパッタ成膜の機能を有するスパッタ成膜処理室を用いる。例えばArガス等の希ガスを処理室内に流し、誘導コイルによりArガスをプラズマ化し、発生したイオンをCuよりなる金属ターゲットに衝突させてCu金属粒子を叩き出し、このCu金属粒子をウエハWに入射させ、Cu膜162を堆積させて補助シード層164を形成する。このCu膜162は指向性の高いスパッタリングにより形成されるので、主にウエハWの最上面と凹部6内の底部に堆積する。
このように、補助シード層164を形成する理由は、この後工程で行われるメッキ処理では、ウエハWの周辺部から中心部側に向けてメッキ電流を供給するが、この際、図5(D)に示すRu膜160の堆積が不十分であってウエハ表面上にバラツキや分布が存在すると、上記メッキ電流をウエハWの中心部まで十分に供給できない恐れが生ずる。従って、ウエハ中心部までの導通性を向上させてメッキ電流の供給を十分に行うために、上記Ru膜160よりなるシード層16の機能を補完、或いは補償する目的で上記補助シード層164を形成し、メッキ電流の導通性を向上させている。このため上記Cu膜162の膜厚は10nm程度とする。
<メッキ工程>
上述のようにして補助シード層164が形成されて補助シード層形成工程が完了したならば、このウエハWを第3の処理室24cから取り出し、これを処理システムから排出して別の図示しない電気メッキ装置にてメッキ処理を施すことにより、図5(F)に示すように凹部6内をCuよりなる導電部材18で埋め込む(S5)。
この場合、前述したように凹部6の内面にはRu膜160よりなるシード層16が十分に形成されているので、図10(E)に示す従来方法の場合と異なって、ボイドを発生させることなく凹部6内を埋め込むことができる。以上のようにして本発明に係る成膜方法が完了することになる。
このように、本発明によれば、被処理体である半導体ウエハWの表面の凹部6を埋め込むに際して、凹部6内の表面を含めてウエハWの表面にTiを含むバリヤ層12を形成するバリヤ層形成工程と、バリヤ層上にRuを含むシード層16を形成するシード層形成工程と、シード層16上にこのシード層16に対する導通性を補助するためにCuを含む補助シード層164を形成する補助シード層形成工程とを有するようにしたので、凹部6内表面にRuを含むシード層16を均一に形成することができ、この結果、線幅やホール径が小さな凹部や高アスペクト比の凹部に対して十分な埋め込みを行うことができる。
また、プリクリーン処理から補助シード層164の形成までの一連の工程をウエハWを大気に晒すことなく真空中で処理することができるので、薄膜に不要な酸化膜等が付着することがなく、各膜質特性を高く維持でき、従って良好なデバイス性能を得ることができる。
<本発明の方法の埋め込み性の評価>
次に、本発明の成膜方法によって形成した薄膜の埋め込み性について実験を行って評価したので、その評価結果について説明する。
図6は本発明の成膜方法により形成した薄膜の埋め込み性を示す図面代用写真である。尚、上記写真は撮影の関係上、斜めになっている。
ここでは、従来方法のようにして形成したTi/TiN/Cuよりなる埋め込み積層構造と本発明方法によるTi/TiN/Ru/Cuよりなる埋め込み積層構造についてそれぞれ検討した。尚、この時の凹部のアスペクト比は10程度である。
図6から明らかなように、図6(A)に示すように従来方法の場合には凹部の下半分がCuによって十分に埋め込まれていない。これに対して、Ru膜をシード層として用いた図6(B)に示す本発明方法の場合には、凹部の底部まで十分にCuによって十分に埋め込まれており、埋め込み性を飛躍的に向上させることができることを確認することができた。
<本発明方法のバリヤ性と凝集性の評価>
次に、本発明の成膜方法によって形成した薄膜のバリヤ性と凝集性について実験を行って評価したので、その評価結果について説明する。
図7は本発明の成膜方法により形成した薄膜のバリヤ性を示すグラフであり、図8は本発明の成膜方法により形成した薄膜の凝集性を示す図面代用写真である。ここで凝集性とは、表面上にCu膜を成膜したときのCu原子の動き易さを測る指標である。Cu原子が動き易い場合、図8(A)のように表面形態が悪化して後の工程のCuメッキ処理時にCuにより正常に埋め込むことができない。これに対してCu原子が動かない場合は図8(B)のように、平滑な表面が得られ、Cuメッキ処理が正常に行われる。この場合はデバイスにおいて良好な特性(信頼性)が得られる。
ここでは、従来方法のようにして形成したTi/TiN/Cuよりなる埋め込み積層構造と本発明方法によるTi/TiN/Ru/Cuよりなる埋め込み積層構造についてそれぞれ温度400℃の雰囲気下で30minのアニール処理を施し、その前後のシート抵抗の変化を調べると共に、その表面を電子顕微鏡で写真撮影した。
前述のようにバリヤ性はTi/TiN膜に依存するが、Ru成膜の影響により、このバリヤ性が劣化すると、アニール処理により上層のCu膜が下地と反応し、シート抵抗が大幅に上昇してしまう。シート抵抗に関しては、図7に示すように、アニール前においては、従来方法の積層構造と本発明方法の積層構造のシート抵抗は共に0.15[ohms/sp.]であった。そして、アニール後に関しては、従来方法の積層構造と本発明方法の積層構造のシート抵抗は共に0.13[ohms/sq.]であり、シード層16としてRu膜160を用いた本発明方法の積層構造はCuに対するバリヤ性が十分に高いことを確認することができた。
またCu膜の凝集性に関しては、図8(A)に示すように従来方法の場合には、Cu膜表面に大きな塊が散在して見られ、表面形態が著しく悪化する。
これに対して、図8(B)に示す本発明方法の場合には、Cu膜表面には何ら塊が見られずに平坦面となっており、凝集性を大幅に改善することができたことを、確認することができた。
<密着性の評価>
また上述のように形成した本発明方法による薄膜と従来方法による薄膜について、スクラッチテープテストを行って密着性について検討した。この結果、従来方法による薄膜については薄膜が剥がれてしまい、十分な密着性が得られなかった。
これに対して、本発明方法による薄膜の場合には、薄膜の剥がれはなく、密着性を大幅に改善できることを確認することができた。
<処理システムの変形例>
次に本発明に係る処理システムの変形例について説明する。図9は本発明に係る処理システムの変形例を示す概略構成図である。尚、図1乃至図4と同一構成部分については、同一参照符号を付してその説明を省略する。図1に示す処理システムにあっては、1つの共通搬送室26を設けて、この周囲に4つの処理室を連結した場合を例にとって説明したが、上記図9に示す処理システム170にあっては、連結する処理室の数を増加させるために、図1に示したような第1の共通搬送室26に加えて、不活性ガスの供給、真空引き及び圧力調整が可能になされた第2の共通搬送室172を設けている。
そして、上記第2の共通搬送室172と上記第1の共通搬送室26との間を、不活性ガスの供給、真空引き及び圧力調整が可能になされた第3と第4のロードロック室28c、28dによりそれぞれ連通するように接続すると共に、各接続部にはゲートバルブGがそれぞれ介設されている。また、上記第2の共通搬送室172内には、上記第1の共通搬送室26内の第1の搬送機構32と同様に構成された2つのピック176a、176bを有する第3の搬送機構174が屈伸及び旋回可能に設けられている。
そして、上記第1の共通搬送室26側には、第5及び第6の処理室24がそれぞれゲートバルブGを介して接続されている。また第2の共通搬送室172には第7〜第9の処理室24g、24h、24iがそれぞれゲートバルブGを介して接続されている。
ここで上記第5の処理室24eは、プラズマCVD法によりTi膜を形成する処理室であり、これには図2に示すようなプラズマ成膜処理室54が用いられる。また上記第6の処理室24fは、熱CVD法によりTiN膜を形成する処理室であり、これには図3に示すような熱成膜処理室88が用いられる。
ここで上記第5或いは第6の処理室24e、24fと第1の共通搬送室26との間でウエハWを移載するために、ゲートバルブGを開く時には、常に第1の共通搬送室26内の圧力を上記第5或いは第6の処理室24e、24f内の圧力よりも高くして陽圧状態にしており、第5或いは第6の処理室24e、24f内の雰囲気が第1の共通搬送室26内へ流出することを防止している。この理由は、上記第5或いは第6の処理室24e、24fは、腐食性の強いガスであるTiCl ガスを用いているので、第5或いは第6の処理室24e、24f内に残留する上記腐食性ガスが第1の共通搬送室26内へ侵入することを防止するためである。この第1の共通搬送室26内はAr等の希ガスやN ガス等の不活性ガスの雰囲気になされており、大気圧よりもかなり低い減圧状態になされている。
第1〜第4のロードロック室28a〜28dのいずれかと上記第1の共通搬送室26との間のゲートバルブGを開いて両者を連通する場合には、第1の共通搬送室26内の圧力よりもこれに連通されるロードロック室内の圧力を高くして陽圧状態にしておき、連通時には常にロードロック室から第1の共通搬送室26内へ雰囲気が流れるようにしており、万が一、第1の共通搬送室26内に腐食性ガスが存在しても、これがロードロック室側へ流れ込まないようにしている。尚、この処理システム176では、図1の処理システム22で設けたプリクリーン処理を行う第4の処理室24dに対応する処理室は設けていない。
一方、上記第2の共通搬送室172に接続される第7〜第9の処理室24g〜24iの内、第7の処理室24gは、熱CVD法によりRu膜を形成する処理室であり、これは図3に示すような熱成膜処理室88が用いられる。
また第8の処理室24hは、スパッタリングによりTi膜を形成する処理室であり、この場合には、金属ターゲットとしてTi金属が用いられる。
また第9の処理室24iでは、スパッタリングによりCu膜を形成する処理室であり、この場合には、金属ターゲットとしてCu金属が用いられる。
さて、以上のような処理システム170を用いても、先に図1に示す処理システム22を用いて行われた各成膜方法と同様な成膜方法を実行することができる。ただし、プリクリーン処理は、この処理システム170では行わない。また、第1と第2の共通搬送室26、172間のウエハWの移動は第3及び第4のロードロック室28c、258dを介して行われる。また、先の処理システム22では、1台の処理室内でTi膜の成膜とTi膜表面のプラズマ窒化処理によるTiN膜の形成を行ったが、ここではTi膜の成膜とTiN膜の成膜は異なる処理室、すなわち第5の処理室24eと第6の処理室24fでそれぞれ行うようにしている。
この処理システム170の場合には、腐食性ガス、例えばTiCl ガスを用いる第5及び第6の処理室24e、24fは、一方の共通搬送室26側に集中させて接続するようにしているので、他の第7〜第9の処理室24g、24h、24iを上記腐食性ガスから完全に隔離することができ、これらの第7〜第9の処理室24g、24h、24iが腐食性ガスから悪影響を受けることを確実に防止することができる。
尚、以上の各実施例では、図5(C)に示すようにバリヤ層12としてTi膜8とTiN膜10の2層構造を採用した場合を例にとって説明したが、これに限定されず、バリヤ層12としてTiN膜10は形成しないでTi膜8だけの単層構造としてもよい。
この場合には、前述した成膜方法でTiN膜10の形成処理を省略するだけでよい。また、この場合において、図9に示す処理システム170を用いる時には、Ti膜は第8の処理室24hでスパッタリング処理で形成するようにしてもよく、これによれば第1の共通搬送室26に接続されている第5及び第6の処理室24e、24fを用いることがないので、腐食性の強いTiCl ガスを使用する必要がない。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、LCD基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
本発明に係る処理システムの一例を示す概略構成図である。 プラズマ成膜処理室の一例を示す概略構成図である。 熱成膜処理室の一例を示す概略構成図である。 本発明の成膜方法の一例を示すフローチャートである。 各成膜工程の成膜状況を説明するための半導体ウエハの凹部の近傍を示す部分拡大断面図である。 本発明の成膜方法により形成した薄膜の埋め込み性を示す図面代用写真である。 本発明の成膜方法により形成した薄膜のバリヤ性を示すグラフである。 本発明の成膜方法により形成した薄膜の凝集性を示す図面代用写真である。 本発明に係る処理システムの変形例を示す概略構成図である。 半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み時の成膜方法を示す工程図である。
符号の説明
2 導電層
4 絶縁層
6 凹部
8 Ti膜
10 TiN膜
12 バリヤ層
14 Cu膜
16 シード層
18 導電部材
22 処理システム
24a 第1の処理室
24b 第2の処理室
24c 第3の処理室
24d 第4の処理室
24e 第5の処理室
24f 第6の処理室
24g 第7の処理室
24h 第8の処理室
25i 第9の処理室
32 第1の共通搬送機構
50 制御部
52 記憶媒体
54 プラズマ成膜処理室
88 熱成膜処理室
160 Ru膜
162 Cu膜
164 補助シード層
170 処理システム
174 第3の搬送機構
W 半導体ウエハ(被処理体)

Claims (15)

  1. 凹部を有する絶縁層が表面に形成された被処理体に対して薄膜を形成する成膜方法において、
    前記凹部内の表面を含めて前記被処理体の表面にTiを含むバリヤ層を形成するバリヤ層形成工程と、
    前記バリヤ層上にRuを含むシード層を形成するシード層形成工程と、
    前記シード層上に前記シード層に対する導通性を補助するためにCuを含む補助シード層を形成する補助シード層形成工程と、
    を有することを特徴とする成膜方法。
  2. 前記バリヤ層はCVD(Chemical Vapor Deposition)或いはスパッタリング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. 前記バリヤ層はTi膜よりなることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の成膜方法。
  4. 前記バリヤ層はTi膜とTiN膜の積層構造よりなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の成膜方法。
  5. 前記シード層はCVDにより形成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の成膜方法。
  6. 前記補助シード層はCVD或いはスパッタリングにより形成されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の成膜方法。
  7. 前記バリヤ層形成工程の前段では前記被処理体に対してプリクリーン処理を施すためのプリクリーン工程が行われることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の成膜方法。
  8. 前記各工程は、前記被処理体を大気中に晒すことなく真空中で連続的に行われることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の成膜方法。
  9. 前記補助シード層形成工程の後には、前記凹部をCuで埋め込むためのメッキ工程が行われることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の成膜方法。
  10. 前記凹部は、ビアホール、スルホール、コンタクトホール、溝(トレンチ)の内の少なくとも1以上であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の成膜方法。
  11. 前記凹部の直径或いは幅は100nm以下であることを特徴とする請求項10記載の成膜方法。
  12. 被処理体の表面に薄膜を形成するための処理システムにおいて、
    前記被処理体の表面にTiを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記被処理体の表面にRuを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記被処理体の表面にCuを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記各処理室の内の少なくとも1つに連結されて真空引き可能になされた少なくとも1の共通搬送室と、
    前記共通搬送室内に設けられて前記各処理室間で前記被処理体を搬送する搬送機構と、
    請求項1乃至6のいずれかに記載の成膜方法を実行するように制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする処理システム。
  13. 前記被処理体にプリクリーン処理を行う処理室を備え、
    前記制御部は、請求項1乃至8のいずれかに記載の成膜方法を実行するように制御することを特徴とする請求項12記載の処理システム。
  14. 被処理体の表面にTiを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記被処理体の表面にRuを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記被処理体の表面にCuを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記各処理室の内の少なくとも1つに連結されて真空引き可能になされた少なくとも1の共通搬送室と、
    前記共通搬送室内に設けられて前記各処理室間で前記被処理体を搬送する搬送機構と、
    処理システム全体の動作を制御する制御部とを備えた処理システムにより前記被処理体の表面に薄膜を形成するに際して、
    請求項1乃至6のいずれかに記載の成膜方法を実行するように制御するコンピュータ読み取り可能なプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体。
  15. 被処理体の表面にTiを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記被処理体の表面にRuを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記被処理体の表面にCuを含む薄膜を形成する処理室と、
    前記被処理体にプリクリーン処理を行う処理室を備え、
    前記各処理室の内の少なくとも1つに連結されて真空引き可能になされた少なくとも1の共通搬送室と、
    前記共通搬送室内に設けられて前記各処理室間で前記被処理体を搬送する搬送機構と、 処理システム全体の動作を制御する制御部とを備えた処理システムにより前記被処理体の表面に薄膜を形成するに際して、
    請求項1乃至8のいずれかに記載の成膜方法を実行するように制御するコンピュータ読み取り可能なプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体。
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