JP2010212452A - Cu膜の成膜方法および記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】表面性状が良好なCVD−Cu膜を成膜することができるCu膜の成膜方法を提供する。
【解決手段】表面にCVD−Ru膜を成膜したウエハを準備する。酸素雰囲気にさらすことによりRu膜表面を酸化処理し、次に水素プラズマによる還元処理をし、清浄化する。清浄化されたRu膜表面にCu錯体からなる成膜原料を供給してCVD法によりCu膜を成膜する。
【選択図】なし
【解決手段】表面にCVD−Ru膜を成膜したウエハを準備する。酸素雰囲気にさらすことによりRu膜表面を酸化処理し、次に水素プラズマによる還元処理をし、清浄化する。清浄化されたRu膜表面にCu錯体からなる成膜原料を供給してCVD法によりCu膜を成膜する。
【選択図】なし
Description
本発明は、半導体基板等の基板にCVDによりCu膜を成膜するCu膜の成膜方法および記憶媒体に関する。
近時、半導体デバイスの高速化、配線パターンの微細化等に呼応して、Alよりも導電性が高く、かつエレクトロマイグレーション耐性等も良好なCuが配線、Cuメッキのシード層、コンタクトプラグの材料として注目されている。
このCuの成膜方法としては、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が、半導体デバイスの微細化にともなってステップカバレッジが悪いという欠点が顕在化している。
そこで、Cu膜の成膜方法として、Cuを含む原料ガスの熱分解反応や、当該原料ガスの還元性ガスによる還元反応にて基板上にCuを成膜する化学気相成長(CVD)法が用いられつつある。このようなCVD法により成膜されたCu膜(CVD−Cu膜)は、ステップカバレッジ(段差被覆性)が高く、細長く深いパターン内への成膜性に優れているため、微細なパターンへの追従性が高く、配線、Cuメッキのシード層、コンタクトプラグの形成には好適である。
このCVD法によりCu膜を成膜するにあたり、成膜原料(プリカーサー)にヘキサフルオロアセチルアセトナート・トリメチルビニルシラン銅(Cu(hfac)TMVS)等のCu錯体を用い、これを熱分解する技術が知られている(例えば特許文献1)。
一方、Cuの密着層やバリアメタルとして、CVD法によるRu膜(CVD−Ru膜)を用いる技術が知られている(特許文献2)。RuはCuとの整合性が高いため、Cu膜を密着性よく成膜することができ、また、CVD−Ru膜は、ステップカバレッジが高いため、Cuの密着層やバリアメタルに適している。
しかしながら、CVD−Cu膜の下地としてCVD−Ru膜を用いる場合には、例えばRu3(CO)12等を成膜原料として用いるため、CVD−Ru膜中にCO等の不純物が含まれることとなる。このCO等の不純物がCVD−Ru膜の表面に存在すると、この不純物によって成膜原料の吸着が阻害されてCuの濡れ性が悪化するため、Cuの初期核の密度が低くなり、Cuが凝集して粗大化し、Cu膜の表面性状が悪化してしまう。
また、下地の成膜をEx−situで行う場合には、下地を形成してから一旦大気暴露し、その後にCuを成膜することとなるため、下地の種類にかかわらず、下地表面の酸化が生じたり、大気中の有機物が下地表面に付着することにより、やはり成膜原料の吸着が阻害されてCuの濡れ性が悪化し、Cu膜の表面性状が悪化してしまう。
さらに、CVD−Cu膜を成膜する際には、成膜原料であるCu錯体が分解して生じる副生成物等の不純物が生じるが、下地の材料にかかわらず、初期には、このような不純物が下地の表面に吸着し、成膜原料の吸着が阻害されてCuの濡れ性が悪化し、成膜中には、このような不純物の存在によりCuの凝集が生じて、やはりCu膜の表面性状が悪化してしまう。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、表面性状が良好なCVD−Cu膜を成膜することができるCu膜の成膜方法を提供することを目的とする。
また、そのような成膜方法を実行するためのプログラムを記憶した記憶媒体を提供することを目的とする。
また、そのような成膜方法を実行するためのプログラムを記憶した記憶媒体を提供することを目的とする。
本発明の第1の観点では、基板上にCVD法によりCu膜を成膜するCu膜の成膜方法であって、基板表面部分を清浄化する工程と、清浄化された基板にCu錯体からなる成膜原料を供給して基板上にCu膜を成膜する工程とを有することを特徴とするCu膜の成膜方法を提供する。
上記第1の観点は、基板として表面にルテニウムカルボニルを成膜原料としてCVD法によりRu膜を形成したもの、またはCu膜の成膜に先立って大気暴露された基板を用いる場合に好適である。
また、第1の観点において、前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の還元処理を含むものとすることができる。また、大気暴露された基板以外の場合には、前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の酸化処理と、その後の基板表面部分の還元処理を含むものとすることができる。前記還元処理としては、水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理を用いることができる。この際の温度は250〜350℃の範囲内であることが好ましい。さらに、上記酸化処理としては、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理のいずれかを用いることができる。酸素含有雰囲気に曝す処理は、大気暴露により行うことができる。
本発明の第2の観点では、基板上にCVD法によりCu膜を成膜するCu膜の成膜方法であって、基板にCu錯体からなる成膜原料を供給して基板上にCu膜を成膜する工程と、基板に形成されたCu膜を清浄化する工程とを有することを特徴とするCu膜の成膜方法を提供する。
上記第2の観点において、前記Cu膜を成膜する工程と、前記清浄化する工程とを複数回繰り返すことが好ましい。この場合に、最初のCu膜を形成する工程は、Cuの初期核を形成する工程とすることができる。
前記清浄化する処理は、Cu膜の還元処理を含むものとすることができる。また、前記清浄化する処理は、Cu膜の酸化処理と、その後のCu膜の還元処理を含むものとすることができる。前記還元処理としては、水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理を用いることができる。この際の水素ガスを含むプラズマ処理は、水素ガスとアルゴンガスを含むプラズマによる処理が好適である。また、水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理は100〜200℃の範囲内の温度で行われることが好ましい。さらに、前記酸化処理としては、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理のいずれかを用いることができる。酸素含有雰囲気に曝す処理は、大気暴露により行うことができる。
上記第2の観点において、Cu膜の成膜に先立って、基板表面部分を清浄化する工程をさらに有するようにすることができる。このような工程は、基板として表面にルテニウムカルボニルを成膜原料としてCVD法によりRu膜を形成したもの、またはCu膜の成膜に先立って大気暴露された基板を用いる場合に好適である。 前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の還元処理を含むものとすることができる。また、大気暴露された基板以外の場合には、前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の酸化処理と、その後の基板表面部分の還元処理を含むものとすることができる。前記還元処理としては、水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理を用いることができる。この際の温度は350〜380℃の範囲内であることが好ましい。さらに、上記酸化処理としては、前記酸化雰囲気での処理としては、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理のいずれかを用いることができる。酸素含有雰囲気に曝す処理は、大気暴露により行うことができる。
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、上記成膜方法が行われるように、コンピュータに前記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、基板の表面に清浄化処理を施して基板表面の不純物を除去してからCu錯体を成膜原料としたCVD法によりCu膜を成膜するので、基板として表面にCVD−Ru膜のような不純物が存在する膜を有するものを用いた場合であっても、不純物により成膜原料の吸着が阻害されることはなく、Cuの初期核の密度が高く、良好な表面性状を有するCu膜を得ることができる。
また、基板にCu錯体からなる成膜原料を供給して基板上にCu膜を成膜した後に、Cu膜に清浄化処理を施すので、Cu膜に不純物が存在する場合でも不純物の存在によるCuの凝集を抑制することができ、良好な表面性状を有するCu膜を得ることができる。特に、Cu膜の成膜とCu膜の清浄化処理を交互に複数回繰り返す場合には、Cu膜中の不純物を除去する効果が大きく、Cuの凝集を一層有効に抑制することができる。また、この繰り返しの際の最初のCu膜成膜工程を初期核の形成工程とすることにより、成膜初期に成膜原料からの不純物が基板表面に吸着することを防止することができ、成膜原料からの不純物による成膜原料の吸着阻害をも有効に防止することができ、Cuの凝集をさらに有効に抑制することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
<第1の実施形態>
(第1の実施形態の方法)
本発明の第1の実施形態においては、図1のフローチャートに示すように、ルテニウムカルボニル(Ru3(CO)12)を成膜原料としてCVD法により成膜したCVD−Ru膜を有する半導体ウエハ(以下単にウエハと記す)を準備し(ステップ1)、そのCVD−Ru膜の清浄化処理(ステップ2)を行い、その後Cu錯体を成膜原料としてCVD法によりCVD−Cu膜の成膜(ステップ3)を行う。
(第1の実施形態の方法)
本発明の第1の実施形態においては、図1のフローチャートに示すように、ルテニウムカルボニル(Ru3(CO)12)を成膜原料としてCVD法により成膜したCVD−Ru膜を有する半導体ウエハ(以下単にウエハと記す)を準備し(ステップ1)、そのCVD−Ru膜の清浄化処理(ステップ2)を行い、その後Cu錯体を成膜原料としてCVD法によりCVD−Cu膜の成膜(ステップ3)を行う。
ステップ2の清浄化処理は、CVD−Ru膜の不純物を除去するために行う処理である。
成膜原料としてRu3(CO)12を用いてCVD−Ru膜を成膜する場合には、Ru3(CO)12が分解して生成するCOやC等がRu膜中に不純物として含まれる。このCOやCのような不純物が含まれたままCu膜を成膜する場合には、図2に示すように、CVD−Ru膜201表面にCOやCが存在した状態で成膜原料であるCu錯体が供給されることとなるので、このCOやCがCu錯体の吸着を阻害し、初期核密度が低くなる。この状態でCu膜の成膜を続けるとCuが凝集してCu膜の表面性状が悪化する。
成膜原料としてRu3(CO)12を用いてCVD−Ru膜を成膜する場合には、Ru3(CO)12が分解して生成するCOやC等がRu膜中に不純物として含まれる。このCOやCのような不純物が含まれたままCu膜を成膜する場合には、図2に示すように、CVD−Ru膜201表面にCOやCが存在した状態で成膜原料であるCu錯体が供給されることとなるので、このCOやCがCu錯体の吸着を阻害し、初期核密度が低くなる。この状態でCu膜の成膜を続けるとCuが凝集してCu膜の表面性状が悪化する。
そこで、ステップ2の清浄化処理によりRu膜201のCOやC等の不純物を除去する。これにより、図3に示すように、CVD−Ru膜201の表面の不純物が減少し、CVD−Ru膜201へのCu錯体の吸着阻害が解消され、初期核密度を高くすることができる。したがって、Cuの凝集が抑制されてCu膜の表面性状を良好にすることができる。
この清浄化処理は、還元性ガスを用いた還元処理により行うことができる。これにより、図4に示すように、CVD−Ru膜201中に含まれた酸素が抜けていく過程で膜中および表面のCOおよびCと反応し、CO2として除去される。この際の温度は250〜350℃の範囲とすることが好ましい。
この清浄化処理は、CVD−Ru膜201の酸化処理を行ってから、上記還元処理を行うことが好ましい。すなわち、酸化処理によりCVD−Ru膜201を酸化させることによりCVD−Ru膜201の酸素量が増加し、その後の還元処理により膜から抜ける酸素の量が増加するため、膜中および表面のCOおよびCをより除去しやすくすることができ、初期核密度を高める効果をより大きくすることができる。
上記還元処理は、H2ガスを含む雰囲気での熱処理、またはH2ガスを含むプラズマ処理により行うことができる。
H2ガスを含む雰囲気での熱処理は、H2ガス単独、またはH2ガスと不活性ガスを所定の流量でチャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力およびウエハ温度を所定の値に設定して行う。具体的条件としては、ウエハ温度:250〜350℃、チャンバー内圧力:133〜1333Pa(1〜10Torr)、H2ガス流量:50〜500mL/min(sccm)を挙げることができる。
H2ガスを含むプラズマ処理は、H2ガス単独、またはH2ガスと不活性ガスを所定の流量でチャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力およびウエハ温度を所定の値に設定し、上記ガスをプラズマ化して還元処理を行う。この際のプラズマとしては、特に限定されず、容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、マイクロ波プラズマ等、種々のプラズマを採用することができるが、高密度で低電子温度のプラズマを形成できることから、マイクロ波プラズマが好ましい。具体的条件としては、ウエハ温度:250〜350℃、チャンバー内圧力:133〜399Pa(1〜3Torr)、H2ガス流量:250mL/min(sccm)およびArガス流量:250mL/min(sccm)を挙げることができる。
上記酸化処理は、CVD−Ru膜201が多少酸化すればよく、その手法は問わず、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理等を挙げることができる。CVD−Ru膜201をわずかに酸化するだけで十分な場合にはCVD−Ru膜201を酸素含有雰囲気に曝すだけで十分である。酸素含有雰囲気に曝す処理としては大気暴露が最も簡便である。酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理を採用する場合には、必要とされる酸化の度合いに応じて加熱温度、チャンバー内圧力、供給するガスの酸素濃度、流量等を決定すればよい。
ステップ3のCVD−Cu膜の成膜は、成膜原料として、Cu錯体、例えばCu(hfac)TMVSを用い、これを加熱したウエハ上に供給し、ウエハ表面のCVD−Ru膜上でCuを熱分解させてCu膜を成膜する。Cu膜の成膜においては、最初に成膜面にCuの核が生成し、それが成長してCu膜となるので、上述したようにステップ1の清浄化処理により成膜面であるCVD−Ru膜の表面が清浄化されていることにより、全面に均一に高密度で初期核生成が行われ、Cuの凝集が起こり難く、良好な表面性状のCu膜を得ることができる。
(第1の実施形態の成膜方法を実施するための装置の構成)
次に、第1の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。図5は第1の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置の一例を示す模式図である。この処理装置はCVD−Ru膜の成膜、清浄化処理、およびCVD−Cu膜の成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施することができるマルチチャンバタイプの処理装置である。
次に、第1の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。図5は第1の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置の一例を示す模式図である。この処理装置はCVD−Ru膜の成膜、清浄化処理、およびCVD−Cu膜の成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施することができるマルチチャンバタイプの処理装置である。
この処理装置は、真空に保持されているRu膜成膜ユニット1、清浄化処理を行う還元処理ユニット2、Cu膜成膜ユニット3を備えており、これらのユニット1〜3は搬送室5にゲートバルブGを介して接続されている。また、搬送室5にはロードロック室6、7がゲートバルブGを介して接続されている。搬送室5は真空に保持されている。ロードロック室6、7の搬送室5と反対側には大気雰囲気の搬入出室8が設けられており、搬入出室8のロードロック室6、7の接続部分と反対側にはウエハWを収容可能なキャリアCを取り付ける3つのキャリア取り付けポート9、10、11が設けられている。
搬送室5内には、Ru膜成膜ユニット1、還元処理ユニット2、Cu膜成膜ユニット3、ロードロック室6,7に対して、ウエハWの搬入出を行う搬送装置12が設けられている。この搬送装置12は、搬送室5の略中央に設けられており、回転および伸縮可能な回転・伸縮部13の先端に半導体ウエハWを支持する2つの支持アーム14a,14bを有しており、これら2つの支持アーム14a,14bは互いに反対方向を向くように回転・伸縮部13に取り付けられている。また、搬送室5には、空気を取り入れる空気取り入れ配管15が接続されており、空気取り入れ配管15には開閉バルブ15aが設けられている。
搬入出室8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6,7に対するウエハWの搬入出を行う搬送装置16が設けられている。この搬送装置16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18上を走行可能となっていて、その先端の支持アーム17上にウエハWを載せてその搬送を行う。
この処理装置は、各構成部を制御する制御部20を有している。この制御部20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21と、ユーザーインターフェース22と、記憶部23とを有している。プロセスコントローラ21には処理装置の各構成部が電気的に接続されて制御される構成となっている。ユーザーインターフェース22は、プロセスコントローラ21に接続されており、オペレータが処理装置の各構成部を管理するためにコマンドの入力操作などを行うキーボードや、処理装置の各構成部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っている。記憶部23もプロセスコントローラ21に接続されており、この記憶部23には、処理装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ21の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて処理装置の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムすなわち処理レシピや、各種データベース等が格納されている。処理レシピは記憶部23の中の記憶媒体(図示せず)に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスク等の固定的に設けられている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22からの指示等にて所定の処理レシピを記憶部23から呼び出してプロセスコントローラ21に実行させることで、プロセスコントローラ21の制御下で、処理装置での所望の処理が行われる。
このような処理装置においては、キャリアCから搬入出室8の搬送装置16によりロードロック室6,7のいずれかにウエハWを搬送し、そのロードロック室を真空排気した後、搬送室5の搬送装置12により、そのウエハWを取り出し、まずRu成膜ユニット1に搬送してウエハWにCVD−Ru膜を成膜する。その後、Ru膜を成膜したウエハWを搬送装置12により搬送室5に戻し、その状態で開閉バルブ15aを開けて空気取り入れ配管15から大気を導入(大気暴露)してウエハWに酸化処理を施し、その後、搬送装置12により酸化処理したウエハWを還元処理ユニット2に搬送し、そこで還元処理を行う。これにより、酸化処理と還元処理を含む清浄化処理がなされる。なお、還元処理のみで清浄化を行うことができる場合には、大気を導入する酸化処理は不要である。その後、搬送装置12により還元処理ユニット2内のウエハWを取り出して、Cu膜成膜ユニット3に搬送して清浄化処理後のRu膜上にCu膜を成膜する。なお、酸化処理を行うためのユニットを搬送室5の空きポートに接続し、そのユニットで酸素含有雰囲気での熱処理やプラズマ処理等の酸化処理を行うようにしてもよい。
次に、各ユニットについて説明する。
上記Ru膜成膜ユニット1は、成膜原料として固体のRu3(CO)12を用い、これを加熱により昇華させて用いる他は、基本的に後述するCu膜成膜ユニット3と同様の構造のものを用いることができる。
上記Ru膜成膜ユニット1は、成膜原料として固体のRu3(CO)12を用い、これを加熱により昇華させて用いる他は、基本的に後述するCu膜成膜ユニット3と同様の構造のものを用いることができる。
次に、清浄化処理を行う還元処理ユニット2について説明する。
図6は還元処理ユニット2の一例を示す概略断面図である。図6に示す還元処理ユニット2は、RLSA(Radial Line Slot Antenna)マイクロ波プラズマ方式のプラズマ処理装置として構成されている。
図6は還元処理ユニット2の一例を示す概略断面図である。図6に示す還元処理ユニット2は、RLSA(Radial Line Slot Antenna)マイクロ波プラズマ方式のプラズマ処理装置として構成されている。
この還元処理ユニット2は、略円筒状のチャンバー31と、チャンバー31内に設けられ、ウエハWを載置するサセプタ32と、チャンバー31の側壁に設けられたガス導入部33と、チャンバー31の上部の開口部に臨むように設けられ、多数のマイクロ波透過孔34aが形成された平面アンテナ34と、マイクロを発生させるマイクロ波発生部35と、マイクロ波発生部35を平面アンテナ34に導くマイクロ波伝送機構36とを有している。サセプタ32には、ヒーター32aが埋設されている。また、ガス導入部33には、H2ガス供給源41およびArガス供給源42が配管43を介して接続されている。平面アンテナ34の下方には誘電体からなるマイクロ波透過板37が設けられ、平面アンテナ34の上にはシールド部材38が設けられている。さらに、シールド部材38と平面アンテナ34との間には、誘電体からなる遅波材39が設けられている。マイクロ波伝送機構36は、マイクロ波発生部35からマイクロ波を導く水平方向に伸びる導波管45と、平面アンテナ34から上方に伸びる内導体47および外導体48からなる同軸導波管46と、導波管45と同軸導波管46との間に設けられたモード変換機構49とを有している。なお、符号44は真空ポンプ等を備えた排気装置(図示せず)につながる排気管である。
このように構成される還元処理ユニット2においては、マイクロ波発生部35で発生したマイクロ波をマイクロ波伝送機構36を介して所定のモードで平面アンテナ34に導き、平面アンテナ34のマイクロ波透過孔34aおよびマイクロ波透過板37を通ってチャンバー1内に均一に供給し、そのマイクロ波により、H2ガス供給源41およびArガス供給源42からガス導入部33を介して所定流量で供給されたH2ガスおよびArガスをプラズマ化してそのプラズマによりウエハWの表面に形成されたCVD−Ru膜に還元処理を施す。このとき、ウエハWは、ヒーター32aにより、例えば250〜350℃に加熱される。
このマイクロ波プラズマは、プラズマ密度が高く電子温度が低いので、CVD−Ru膜にダメージを与えることなく高効率で還元処理を行うことができる。
還元処理ユニット2としては、図7に示すように、プラズマ発生源を持たずに、チャンバー51と、チャンバー51内に設けられ、ヒーター52aが埋設されたサセプタ52と、還元ガスであるH2ガスを供給するH2ガス供給源54が配管53を介して接続されたガス導入部55と、真空ポンプ等を備えた排気装置(図示せず)につながる排気管56とを有するものであってもよい。このような構成により、ヒーター52aによりウエハWを例えば250〜350℃に加熱しながら、還元ガスであるH2ガスをチャンバー51内に導入して、ウエハW表面のCVD−Ru膜に還元処理を施す。
次に、Cu膜成膜ユニット3について説明する。
図8は、Cu膜成膜ユニット3の構成の一例を示す概略断面である。Cu膜成膜ユニット3は、気密に構成された略円筒状のチャンバー61を有しており、その中には被処理基板である半導体ウエハWを水平に支持するためのサセプタ62がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材63により支持された状態で配置されている。このサセプタ62はAlN等のセラミックスからなっている。また、サセプタ62にはヒーター65が埋め込まれており、このヒーター65にはヒーター電源66が接続されている。一方、サセプタ62の上面近傍には熱電対67が設けられており、熱電対67の信号はヒーターコントローラ68に伝送されるようになっている。そして、ヒーターコントローラ68は熱電対67の信号に応じてヒーター電源66に指令を送信し、ヒーター65の加熱を制御してウエハWを所定の温度に制御するようになっている。
図8は、Cu膜成膜ユニット3の構成の一例を示す概略断面である。Cu膜成膜ユニット3は、気密に構成された略円筒状のチャンバー61を有しており、その中には被処理基板である半導体ウエハWを水平に支持するためのサセプタ62がその中央下部に設けられた円筒状の支持部材63により支持された状態で配置されている。このサセプタ62はAlN等のセラミックスからなっている。また、サセプタ62にはヒーター65が埋め込まれており、このヒーター65にはヒーター電源66が接続されている。一方、サセプタ62の上面近傍には熱電対67が設けられており、熱電対67の信号はヒーターコントローラ68に伝送されるようになっている。そして、ヒーターコントローラ68は熱電対67の信号に応じてヒーター電源66に指令を送信し、ヒーター65の加熱を制御してウエハWを所定の温度に制御するようになっている。
チャンバー61の天壁61aには、円形の孔61bが形成されており、そこからチャンバー61内へ突出するようにシャワーヘッド70が嵌め込まれている。シャワーヘッド70は、後述するガス供給機構90から供給された成膜用のガスをチャンバー61内に吐出するためのものであり、その上部には、成膜原料ガスとしてCu錯体、例えばヘキサフルオロアセチルアセトナート・トリメチルビニルシラン銅(Cu(hfac)TMVS)が導入される第1の導入路71と、チャンバー61内に希釈ガスが導入される第2の導入路72とを有している。この希釈ガスとしては、ArガスまたはH2ガスが用いられる。
シャワーヘッド70の内部には上下2段に空間73、74が設けられている。上側の空間73には第1の導入路71が繋がっており、この空間73から第1のガス吐出路75がシャワーヘッド70の底面まで延びている。下側の空間74には第2の導入路72が繋がっており、この空間74から第2のガス吐出路76がシャワーヘッド70の底面まで延びている。すなわち、シャワーヘッド70は、成膜原料としてのCu錯体ガスと希釈ガスとがそれぞれ独立して吐出路75および76から吐出するようになっている。
チャンバー61の底壁には、下方に向けて突出する排気室81が設けられている。排気室81の側面には排気管82が接続されており、この排気管82には真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気装置83が接続されている。そしてこの排気装置83を作動させることによりチャンバー61内を所定の減圧状態とすることが可能となっている。
チャンバー61の側壁には、ウエハ搬送室(図示せず)との間でウエハWの搬入出を行うための搬入出口85と、この搬入出口85を開閉するゲートバルブGとが設けられている。また、チャンバー61の壁部には、ヒーター86が設けられており、成膜処理の際にチャンバー61の内壁の温度を制御可能となっている。
ガス供給機構90は、Cu錯体、例えばCu(hfac)TMVSを成膜原料として貯留する成膜原料タンク91を有している。成膜原料を構成するCu錯体としては、Cu(hfac)ATMS、Cu(hfac)DMDVS、Cu(hfac)TMOVS等を用いることができる。用いるCu錯体が常温で固体である場合には、溶媒に溶かした状態で成膜原料タンク91に貯留することができる。
成膜原料タンク91には、上方からHeガス等の圧送ガスを供給するための圧送ガス配管92が挿入されており、圧送ガス配管92はバルブ93が介装されている。また、成膜原料タンク91内の成膜原料には原料送出配管94が上方から挿入されており、この原料送出配管94の他端には気化器97が接続されている。原料送出配管94にはバルブ95および液体マスフローコントローラ96が介装されている。そして、圧送ガス配管92を介して成膜原料タンク91内に圧送ガスを導入することで、成膜原料タンク91内のCu錯体、例えばCu(hfac)TMVSが液体のまま気化器97に供給される。このときの液体供給量は液体マスフローコントローラ96により制御される。気化器97には、キャリアガスとしてArまたはH2等を供給するキャリアガス配管98が接続されている。キャリアガス配管98には、マスフローコントローラ99およびマスフローコントローラ99を挟んで2つのバルブ100が設けられている。また、気化器97には、気化されたCu錯体をシャワーヘッド70に向けて供給する成膜原料ガス供給配管101が接続されている。成膜原料ガス供給配管101にはバルブ102が介装されており、その他端はシャワーヘッド70の第1の導入路71に接続されている。そして、気化器97で気化したCu錯体がキャリアガスにキャリアされて成膜原料ガス供給配管101に送出され、第1の導入路71からシャワーヘッド70内に供給される。気化器97および成膜原料ガス供給配管101およびキャリアガス配管の下流側のバルブ100までの部分には、成膜原料ガスの凝縮防止のためのヒーター103が設けられている。ヒーター103にはヒーター電源(図示せず)から給電され、コントローラ(図示せず)により温度制御されるようになっている。
シャワーヘッド70の第2の導入路72には、希釈ガスを供給する希釈ガス供給配管104が接続されている。この希釈ガス供給配管104にはバルブ105が介装されている。そして、この希釈ガス供給配管104を介して第2の導入路72からシャワーヘッド内に、希釈ガスとしてArガスまたはH2ガスが供給される。
このように構成されたCu膜成膜ユニット3においては、まず、ゲートバルブGを開け、搬送装置12により清浄化処理を行った後のウエハWをチャンバー61内に搬入し、サセプタ62上に載置する。次いで、チャンバー61内を排気装置83により排気してチャンバー1内の圧力を1.33〜266.6Pa(10mTorr〜2Torr)とし、ヒーター65によりサセプタ62を150℃程度に加熱し、キャリアガス配管98、気化器97、成膜原料ガス配管101、シャワーヘッド70を介してチャンバー61内に100〜1500mL/min(sccm)の流量でキャリアガスを供給し、さらに0〜1500mL/min(sccm)程度の希釈ガスを希釈ガス供給配管104、シャワーヘッド70を介してチャンバー61内に導入して安定化を行う。
安定化を所定時間行って条件が安定した時点で、キャリアガスおよび希釈ガスを供給した状態のまま、液体のCu(hfac)TMVSを50〜70℃の気化器97で気化させてチャンバー61内に導入しCu膜の成膜を開始する。このときの流量は、液体として100〜500mg/min程度とする。このときのチャンバー61内の圧力は1.33〜266.6Pa(10mTorr〜2Torr)程度とする。
成膜原料であるCu(hfac)TMVSは、サセプタ62のヒーター65により加熱された被処理基板であるウエハW上で以下の(1)式に示す反応により分解し、まず、CVD−Ru膜の上にCuの初期核が形成される。
2Cu(hfac)TMVS→Cu+Cu(hfac)2+2TMVS…(1)
2Cu(hfac)TMVS→Cu+Cu(hfac)2+2TMVS…(1)
このとき、上述したようにCVD−Ru膜表面は清浄化されているので、高密度で均一にCuの初期核が形成される。この後、Cu膜の成膜を続行し、所定時間経過することにより、表面性状の良好なCu膜が得られる。
そして、このようにしてCu膜を成膜した後、Cu(hfac)TMVSの供給を停止し、排気装置83の真空ポンプを引き切り状態とし、キャリアガスおよび希釈ガスをパージガスとしてチャンバー61内に流してチャンバー61内をパージする。この際に、できる限り迅速にチャンバー61内をパージする観点から、キャリアガスの供給は断続的に行うことが好ましい。
次に、第1の実施形態の効果を確認した実験について説明する。
Siウエハ上にRu3(CO)12を原料としてCVD−Ru膜を2nmの厚さで成膜した後、(1)そのまま成膜原料としてCu(hfac)TMVSを用いたCVDでCu膜を成膜、(2)H2ガス雰囲気における熱処理を行い、その後成膜原料としてCu(hfac)TMVSを用いたCVDでCu膜を成膜、(3)大気暴露を行い、次いでH2ガス雰囲気における熱処理を行い、その後成膜原料としてCu(hfac)TMVSを用いたCVDでCu膜を成膜、の3種類の試験を行った。ここで、H2ガス雰囲気における熱処理の際の条件は、ウエハ温度:350℃、チャンバー内圧力:266Pa(2Torr)、H2流量:250mL/min(sccm)とした。これら(1)〜(3)の初期核生成時の表面状態の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を、図9の(a)〜(c)に示す。これらの図に示すように、H2ガス雰囲気における熱処理を行うことにより、初期核密度が上昇し、さらに上記熱H2ガス雰囲気における熱処理処理に先立って酸化処理を行うことにより、初期核密度が一層上昇することがわかる。
Siウエハ上にRu3(CO)12を原料としてCVD−Ru膜を2nmの厚さで成膜した後、(1)そのまま成膜原料としてCu(hfac)TMVSを用いたCVDでCu膜を成膜、(2)H2ガス雰囲気における熱処理を行い、その後成膜原料としてCu(hfac)TMVSを用いたCVDでCu膜を成膜、(3)大気暴露を行い、次いでH2ガス雰囲気における熱処理を行い、その後成膜原料としてCu(hfac)TMVSを用いたCVDでCu膜を成膜、の3種類の試験を行った。ここで、H2ガス雰囲気における熱処理の際の条件は、ウエハ温度:350℃、チャンバー内圧力:266Pa(2Torr)、H2流量:250mL/min(sccm)とした。これら(1)〜(3)の初期核生成時の表面状態の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を、図9の(a)〜(c)に示す。これらの図に示すように、H2ガス雰囲気における熱処理を行うことにより、初期核密度が上昇し、さらに上記熱H2ガス雰囲気における熱処理処理に先立って酸化処理を行うことにより、初期核密度が一層上昇することがわかる。
<第2の実施形態>
(第2の実施形態の方法)
本発明の第2の実施形態においては、図10のフローチャートに示すように、Ex−situで成膜された下地膜を有するウエハを準備し(ステップ11)、その下地膜の清浄化処理(ステップ12)を行い、その後Cu錯体を成膜原料としてCVD法によりCVD−Cu膜の成膜(ステップ13)を行う。
(第2の実施形態の方法)
本発明の第2の実施形態においては、図10のフローチャートに示すように、Ex−situで成膜された下地膜を有するウエハを準備し(ステップ11)、その下地膜の清浄化処理(ステップ12)を行い、その後Cu錯体を成膜原料としてCVD法によりCVD−Cu膜の成膜(ステップ13)を行う。
ステップ12の清浄化処理は、下地膜に形成された酸化物や大気中からの有機物を除去するために行う処理である。
Cu膜の下地膜、例えばRu膜をEx−situで成膜する場合には、下地膜成膜後、ウエハWは一旦大気中に出されるため、下地膜表面には酸化物が形成されたり、大気中の有機物が付着したりする。このような酸化物や有機物が存在したままCu膜を成膜する場合には、図11に示すように、下地膜211表面に酸化物や有機物が存在した状態で成膜原料であるCu錯体が供給されることとなるので、この酸化物や有機物がCu錯体の吸着を阻害し、初期核密度が低くなる。この状態でCu膜の成膜を続けるとCuが凝集してCu膜の表面性状が悪化する。
Cu膜の下地膜、例えばRu膜をEx−situで成膜する場合には、下地膜成膜後、ウエハWは一旦大気中に出されるため、下地膜表面には酸化物が形成されたり、大気中の有機物が付着したりする。このような酸化物や有機物が存在したままCu膜を成膜する場合には、図11に示すように、下地膜211表面に酸化物や有機物が存在した状態で成膜原料であるCu錯体が供給されることとなるので、この酸化物や有機物がCu錯体の吸着を阻害し、初期核密度が低くなる。この状態でCu膜の成膜を続けるとCuが凝集してCu膜の表面性状が悪化する。
そこで、ステップ12の清浄化処理により下地膜211の酸化物や有機物を除去する。これにより、図12に示すように、下地膜211の表面の酸化物や有機物が減少し、下地膜211へのCu錯体の吸着阻害が解消され、初期核密度を高くすることができる。したがって、Cuの凝集が抑制されてCu膜の表面性状を良好にすることができる。なお、この実施形態においては下地膜は特に限定されない。
この清浄化処理は、上記第1の実施形態のステップ2と同様、還元性ガスを用いた還元処理により行うことができる。これにより、図13に示すように、下地膜211の膜中の酸素および表面部分の酸化物に含まれた酸素が抜けていく過程で表面の有機物と反応し、CO2等となって除去される。また、下地膜211として第1の実施形態と同様のCVD−Ru膜を用いた場合には、表面やCVD−Ru膜中に含まれるCやCOも除去することができる。
本実施形態では、大気中を通る間に表面に酸化物が存在した状態となっているから、第1の実施形態のような還元処理に先だって行う酸化処理は不要である。
(第2の実施形態の成膜方法を実施するための装置の構成)
次に、第2の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。図14は第1の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置の一例を示す模式図である。この処理装置は下地膜をEx−situで成膜したウエハに対し、清浄化処理、およびCVD−Cu膜の成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施することができるマルチチャンバタイプの処理装置である。この処理装置は、Ru膜成膜ユニット1および空気取り入れ配管15を有しておらず、還元処理ユニット2およびCu膜成膜ユニット3の接続位置が異なる以外は、図5の成膜装置と全く同様に構成されている。また、還元処理ユニット2およびCu膜成膜ユニット3として、図6〜8のものを用いることができる。
次に、第2の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。図14は第1の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置の一例を示す模式図である。この処理装置は下地膜をEx−situで成膜したウエハに対し、清浄化処理、およびCVD−Cu膜の成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施することができるマルチチャンバタイプの処理装置である。この処理装置は、Ru膜成膜ユニット1および空気取り入れ配管15を有しておらず、還元処理ユニット2およびCu膜成膜ユニット3の接続位置が異なる以外は、図5の成膜装置と全く同様に構成されている。また、還元処理ユニット2およびCu膜成膜ユニット3として、図6〜8のものを用いることができる。
<第3の実施形態>
(第3の実施形態の方法)
本発明の第3の実施形態においては、図15のフローチャートに示すように、下地膜を成膜したウエハを準備し(ステップ21)、その下地膜の上にCu錯体を成膜原料としてCVD法によりCu膜の初期核形成を行い(ステップ22)、次いで、清浄化処理(ステップ23)を行い、その後CVD−Cu膜の成膜(ステップ24)を行い、さらに清浄化処理(ステップ25)を行い、好ましくはステップ24のCVD−Cu膜の成膜とステップ25の清浄化処理とを交互に繰り返す。なお、この実施形態においては下地膜は特に限定されない。
(第3の実施形態の方法)
本発明の第3の実施形態においては、図15のフローチャートに示すように、下地膜を成膜したウエハを準備し(ステップ21)、その下地膜の上にCu錯体を成膜原料としてCVD法によりCu膜の初期核形成を行い(ステップ22)、次いで、清浄化処理(ステップ23)を行い、その後CVD−Cu膜の成膜(ステップ24)を行い、さらに清浄化処理(ステップ25)を行い、好ましくはステップ24のCVD−Cu膜の成膜とステップ25の清浄化処理とを交互に繰り返す。なお、この実施形態においては下地膜は特に限定されない。
ステップ22の初期核生成は、Cu膜の表面性状を決定する重要なプロセスである。このプロセスにおいて、高密度で均一な核生成が行われることにより、下地膜との密着性が良好になるとともに、Cuの凝集が抑制されて均一に粒成長し、表面性状が良好な(平滑性の高い)Cu膜を得ることができる。
しかしながら、Cu錯体、例えばCu(hfac)TMVSを原料とするCVDの場合には、成膜の際に、図16に示すように、成膜原料であるCu錯体が分解して生成される副生成物、例えばCu(hfac)2が不純物として下地膜221の表面や、初期核222に付着する。このため、Cuの下地に対する濡れ性が悪化し、Cuが凝集して粗大化し、Cu膜の表面性状が悪化してしまう。
そこで、ステップ23の清浄化処理により、初期核生成後に不純物を除去する。これにより、図17に示すように、下地膜221の表面や、初期核222に付着した不純物が除去され、Cuの下地に対する濡れ性が良好なものとなる。実際に、Cu初期核が形成されたままの状態とその後清浄化処理(H2プラズマ処理)を行った状態とを比較した結果を図18のSEM写真に示す。この図に示すように、(a)のCu初期核が形成されたままの状態よりも、(b)の清浄化処理を行った状態のほうが初期核の濡れ性が向上しているのが確認される。
このステップ23の清浄化処理も上記ステップ2の清浄化処理と同様、還元性ガスを用いた還元処理により行うことができる。これにより、図19に示すように、下地膜221中に含まれた酸素が抜けていく過程で酸素が下地膜221や初期核222の不純物と反応し、CO2等として除去される。
このステップ23の清浄化処理も、酸化処理行ってから、上記還元処理を行うことが好ましい。すなわち、酸化処理により初期核222と下地膜221とを酸化させることにより酸素量が増加し、その後の還元処理により膜から抜ける酸素の量が増加するため、下地膜221および初期核222に付着した不純物をより除去しやすくすることができ、濡れ性を向上させることができる。実際に、Cu初期核を形成した後に清浄化処理として還元処理(H2プラズマ処理)のみを行ったものと、酸化処理(大気暴露)と還元処理(H2プラズマ処理)とを行ったものとを比較した結果を図20のSEM写真に示す。この図に示すように、(a)の清浄化処理として還元処理(H2プラズマ処理)のみを行ったものよりも、(b)酸化処理(大気暴露)と還元処理(H2プラズマ処理)とを行ったもののほうが初期核の濡れ性が向上し、表面がなめらかになっているのが確認される。
この場合の還元処理も、H2ガスを含む雰囲気での熱処理、またはH2ガスを含むプラズマ処理により行うことができる。これらの中では、より高エネルギーで処理可能なプラズマ処理のほうがCu膜中の不純物を除去する効果が高い。ただし、この際の温度が高すぎると、Cuの凝集が生じる可能性があるため、100〜200℃とすることが好ましい。
H2ガスを含む雰囲気での熱処理は、H2ガス単独、またはH2ガスと不活性ガスを所定の流量でチャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力およびウエハ温度を所定の値に設定して行う。具体的な条件としては、ウエハ温度:100〜200℃(例えば150℃)、チャンバー内圧力:133〜399Pa(1〜3Torr)、H2ガス流量:50〜500mL/min(sccm)を挙げることができる。
H2ガスを含むプラズマ処理は、H2ガス単独、またはH2ガスと不活性ガスを所定の流量でチャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力およびウエハ温度を所定の値に設定し、上記ガスをプラズマ化して還元処理を行う。この際のプラズマとしては、特に限定されず、容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、マイクロ波プラズマ等、種々のプラズマを採用することができるが、高密度で低電子温度のプラズマを形成できることから、マイクロ波プラズマが好ましい。また、H2ガス単独によるプラズマよりもH2ガスとArガスによるプラズマのほうが、Ar+イオンによるエネルギーが付加されるので、Cu膜中の不純物を抜けやすくすることができる。このことを確認するために、Cuの初期核生成を行った後に、H2ガス=250mL/min(sccm)とH2ガス/Arガス=250/250mL/min(sccm)とでマイクロ波プラズマによるプラズマ処理を行い、断面のSEM写真を撮影した。その結果を図21に示す。図21に示すように、H2ガスのみの(a)よりもArガスを添加した(b)のほうがCuの濡れ性が向上することがわかる。
H2ガスを含むプラズマ処理の具体的な条件としては、ウエハ温度:100〜200℃(例えば150℃)、チャンバー内圧力:133〜399Pa(1〜3Torr)、H2ガス流量:50〜500mL/min(sccm)、Arガス流量50〜500mL/min(sccm)を挙げることができる。
上記酸化処理は、下地膜であるCVD−Ru膜およびCuの初期核が多少酸化すればよく、その手法は問わず、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理等を挙げることができる。わずかに酸化するだけで十分な場合にはCVD−Ru膜を酸素含有雰囲気に曝すだけで十分である。酸素含有雰囲気に曝す処理としては大気暴露が最も簡便である。酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理を採用する場合には、必要とされる酸化の度合いに応じて加熱温度、チャンバー内圧力、供給するガスの酸素濃度、流量等を決定すればよい。
初期核生成後のステップ23の清浄化処理を行った後、ステップ24のCu膜成膜処理が続行される。この際には、初期核生成の場合と同様、成膜原料として、Cu錯体、例えばCu(hfac)TMVSを用い、これを初期核の上に供給してCu膜を成長させる。
このとき、初期核生成の時と同様、成膜原料であるCu錯体が分解して副生成物、例えばCu(hfac)2が不純物として生成し、Cu膜中に含有される。そうすると、不純物の存在によりCuの凝集が促進され、Cu膜の表面性状が悪くなる。
そこで、ステップ24の成膜後、ステップ25の清浄化処理を行う。この際の清浄化処理は、ステップ23と同様に行うことができる。これにより、Cuの凝集が抑制されてCu膜の表面性状が良好なものとなる。
Cuの凝集を有効に防止する観点からは、ステップ24のCu膜成膜とステップ25の清浄化処理とを複数回繰り返すことが好ましい。
ただし、成膜しようとするCu膜が薄い等、Cu凝集のおそれが小さい場合には繰り返さなくてもよい。また、場合によっては、ステップ23の清浄化処理を経ずに、ステップ22の初期核生成およびステップ24のCu膜成膜を連続で行った後に、ステップ25の清浄化処理を行ってもよい。
(第3の実施形態の方法を実施するための装置の構成)
次に、第3の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。この実施形態においては、第1の実施形態の図5と同様の成膜装置を用いて下地膜の成膜、清浄化処理、初期核生成、Cu膜成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施する。
次に、第3の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。この実施形態においては、第1の実施形態の図5と同様の成膜装置を用いて下地膜の成膜、清浄化処理、初期核生成、Cu膜成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施する。
すなわち、Ru膜成膜ユニット1と同様の下地膜成膜ユニットにより下地膜を成膜し、Cu膜成膜ユニット3でステップ22の初期核生成を行い、還元処理ユニット2でステップ23の清浄化処理を行い、Cu膜成膜ユニット3でステップ24のCu膜成膜を行い、還元処理ユニット2でステップ25の清浄化処理を行う。ステップ23およびステップ25の清浄化処理においては、必要に応じて空気取り入れ配管15から大気を取り入れて酸化処理を行ってもよい。
なお、還元処理ユニット2およびCu膜成膜ユニット3として、図6〜8のものを用いることができる。
<第4の実施形態>
(第4の実施形態の方法)
本発明の第4実施形態においては、図22のフローチャートに示すように、ルテニウムカルボニル(Ru3(CO)12)を成膜原料としてCVD法により成膜したCVD−Ru膜を有する半導体ウエハ(以下単にウエハと記す)を準備し(ステップ31)、そのCVD−Ru膜の清浄化処理(ステップ32)を行い、その後Cu錯体を成膜原料としてCVD法によりCVD−Cu膜のCu膜の初期核形成を行い(ステップ33)、次いで、清浄化処理(ステップ34)を行い、その後CVD−Cu膜の成膜(ステップ35)を行い、さらに清浄化処理(ステップ36)を行い、好ましくはステップ35のCVD−Cu膜の成膜とステップ36の清浄化処理とを交互に繰り返す。
(第4の実施形態の方法)
本発明の第4実施形態においては、図22のフローチャートに示すように、ルテニウムカルボニル(Ru3(CO)12)を成膜原料としてCVD法により成膜したCVD−Ru膜を有する半導体ウエハ(以下単にウエハと記す)を準備し(ステップ31)、そのCVD−Ru膜の清浄化処理(ステップ32)を行い、その後Cu錯体を成膜原料としてCVD法によりCVD−Cu膜のCu膜の初期核形成を行い(ステップ33)、次いで、清浄化処理(ステップ34)を行い、その後CVD−Cu膜の成膜(ステップ35)を行い、さらに清浄化処理(ステップ36)を行い、好ましくはステップ35のCVD−Cu膜の成膜とステップ36の清浄化処理とを交互に繰り返す。
成膜原料としてRu3(CO)12を用いてCVD−Ru膜を成膜する場合には、Ru3(CO)12が分解して生成するCOやC等がRu膜中に不純物として含まれる。このCOやCのような不純物が含まれたままCu膜を成膜する場合には、第1の実施形態と同様、Ru膜表面にCOやCが存在した状態で成膜原料であるCu錯体が供給されることとなるので、このCOやCがCu錯体の吸着を阻害し、初期核密度が低くなる。この状態でCu膜の成膜を続けるとCuが凝集してCu膜の表面性状が悪化する。
そこで、ステップ32の清浄化処理によりRu膜のCOやC等の不純物を除去する。これにより、第1の実施形態と同様、CVD−Ru膜の表面の不純物が減少し、CVD−Ru膜へのCu錯体の吸着阻害が解消され、初期核密度を高くすることができる。
この清浄化処理は、第1の実施形態におけるステップ2の清浄化処理と同様に行うことができる。すなわち還元ガスを用いた還元処理、または酸化処理を行ってから還元処理を行うことを挙げることができる。還元処理の温度は、250〜350℃が好ましい。還元処理は、第1の実施形態と同様にして、H2ガスを含む雰囲気での熱処理、またはH2ガスを含むプラズマ処理により行うことができる。
ステップ33の初期核生成は、Cu膜の表面性状を決定する重要なプロセスである。このプロセスにおいて、高密度で均一な核生成が行われることにより、下地膜との密着性が良好になるとともに、Cuの凝集が抑制されて均一に粒成長し、表面性状が良好な(平滑性の高い)Cu膜を得ることができるが、第3の実施形態と同様、Cu錯体、例えばCu(hfac)TMVSを原料とするCVDの場合には、成膜の際に、成膜原料であるCu錯体が分解して生成される副生成物、例えばCu(hfac)2が不純物としてCVD−Ru膜の表面や、初期核に付着する。このため、Cuの下地に対する濡れ性が悪化し、Cuが凝集して粗大化し、Cu膜の表面性状が悪化してしまう。
そこで、ステップ34の清浄化処理により、初期核形成後に不純物を除去する。これにより、第3の実施形態の図17と同様、下地膜であるCVD−Ru膜の表面や、初期核に付着した不純物が除去され、Cuの下地に対する濡れ性が良好なものとなる。
このステップ34の清浄化処理も上記ステップ2の清浄化処理と同様、還元性ガスを用いた還元処理により行うことができる。これにより、下地膜であるCVD−Ru膜中に含まれた酸素が抜けていく過程で酸素が下地膜であるCVD−Ru膜や初期核の不純物と反応し、CO2等として除去される。
このステップ34の清浄化処理も、酸化処理行ってから、上記還元処理を行うことが好ましい。すなわち、酸化処理により初期核と下地膜であるCVD−Ru膜とを酸化させることにより酸素量が増加し、その後の還元処理により膜から抜ける酸素の量が増加するため、下地膜であるCVD−Ru膜および初期核に付着した不純物をより除去しやすくすることができ、濡れ性を向上させることができる。
この場合の還元処理も、H2ガスを含む雰囲気での熱処理、またはH2ガスを含むプラズマ処理により行うことができる。また、この場合の温度も、Cuの凝集が生じないように100〜200℃とすることが好ましい。これらの具体的な条件も、第3の実施形態のステップ23と同様である。
また、上記酸化処理についても第3の実施形態と同様、下地膜であるCVD−Ru膜および初期核が多少酸化すればよく、第3の実施形態と同様にして行われる。
初期核生成後のステップ34の清浄化処理を行った後、ステップ35のCu膜成膜処理が続行される。この際には、ステップ24と同様、成膜原料として、Cu錯体、例えばCu(hfac)TMVSを用い、これを初期核の上に供給してCu膜を成長させる。
このとき、初期核生成の時と同様、成膜原料であるCu錯体が分解して副生成物、例えばCu(hfac)2が不純物として生成し、Cu膜中に含有される。そうすると、不純物の存在によりCuの凝集が促進され、Cu膜の表面性状が悪くなる。
そこで、ステップ35の成膜後、ステップ36の清浄化処理を行う。この際の清浄化処理は、第3の実施形態のステップ23と同様に行うことができる。これにより、Cuの凝集が抑制されてCu膜の表面性状が良好なものとなる。
Cuの凝集を有効に防止する観点からは、第3の実施形態と同様、ステップ35のCu膜成膜とステップ36の清浄化処理とを複数回繰り返すことが好ましい。
ただし、成膜しようとするCu膜が薄い等、Cu凝集のおそれが小さい場合には繰り返さなくてもよい。また、場合によっては、ステップ34の清浄化処理を経ずに、ステップ33の初期核生成およびステップ35のCu膜成膜を連続で行った後に、ステップ36の清浄化処理を行ってもよい。
(第4の実施形態の方法を実施するための装置の構成)
次に、第4の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。この実施形態においては、第1の実施形態の図5と同様の成膜装置を用いて下地膜であるCVD−Ru膜の成膜、清浄化処理、初期核生成、Cu膜成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施する。
次に、第4の実施形態の成膜方法を実施するための処理装置について説明する。この実施形態においては、第1の実施形態の図5と同様の成膜装置を用いて下地膜であるCVD−Ru膜の成膜、清浄化処理、初期核生成、Cu膜成膜を真空を破ることなくin−situで連続して実施する。
すなわち、Ru膜成膜ユニット1によりCVD−Ru膜を成膜し、還元処理ユニット2でステップ32の清浄化処理を行い、Cu膜成膜ユニット3でステップ33の初期核生成を行い、還元処理ユニット2でステップ34の清浄化処理を行い、Cu膜成膜ユニット3でステップ35のCu膜成膜を行い、還元処理ユニット2でステップ35の清浄化処理を行う。ステップ32、ステップ34およびステップ36の清浄化処理においては、必要に応じて空気取り入れ配管15から大気を取り入れて酸化処理を行ってもよい。また、ステップ32の清浄化処理とステップ34およびステップ36の清浄化処理とは温度が異なることから、搬送室の空いているポートにもう一つ還元処理ユニットを設けてもよい。
なお、還元処理ユニット2およびCu膜成膜ユニット3として、図6〜8のものを用いることができる。
<本発明の他の適用>
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態においては、Cu錯体としてCu(hfac)TMVSを用いた場合について示したが、これに限るものではない。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態においては、Cu錯体としてCu(hfac)TMVSを用いた場合について示したが、これに限るものではない。
さらに、上記実施の形態では、液体状のCu錯体を圧送して気化器に供給し、気化器で気化させたが、これに限らず、例えばバブリング等により気化させて供給する等、他の手法で気化させてもよい。
さらにまた、成膜装置についても上記実施の形態のものに限らず、例えば、成膜原料ガスの分解を促進するためにプラズマを形成する機構を設けたもの等、種々の装置を用いることができる。
さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合を説明したが、これに限らず、フラットパネルディスプレイ(FPD)基板等の他の基板であってもよい。
1;Ru膜成膜ユニット
2;還元処理ユニット
3;Cu膜成膜ユニット
5;搬送室
6,7;ロードロック室
8;搬入出室
12,16;搬送装置
15;空気取り入れ配管
20;プロセスコントローラ
21;ユーザーインターフェース
22;記憶部
31,51,61;チャンバー
32,52;サセプタ
32a,52a;ヒーター
33,55;ガス導入部
34;平面アンテナ
35;マイクロ波発生部
36;マイクロ波伝送機構
44,56;排気管
62;サセプタ
63;支持部材
65;ヒーター
70;シャワーヘッド
83;排気装置
90;ガス供給機構
91;成膜原料タンク
94;原料送出配管
97;気化器
98;キャリアガス供給配管
101;成膜原料ガス供給配管
104;希釈ガス供給配管
201;CVD−Ru膜
211,221;下地膜
222;初期核
W;半導体ウエハ
2;還元処理ユニット
3;Cu膜成膜ユニット
5;搬送室
6,7;ロードロック室
8;搬入出室
12,16;搬送装置
15;空気取り入れ配管
20;プロセスコントローラ
21;ユーザーインターフェース
22;記憶部
31,51,61;チャンバー
32,52;サセプタ
32a,52a;ヒーター
33,55;ガス導入部
34;平面アンテナ
35;マイクロ波発生部
36;マイクロ波伝送機構
44,56;排気管
62;サセプタ
63;支持部材
65;ヒーター
70;シャワーヘッド
83;排気装置
90;ガス供給機構
91;成膜原料タンク
94;原料送出配管
97;気化器
98;キャリアガス供給配管
101;成膜原料ガス供給配管
104;希釈ガス供給配管
201;CVD−Ru膜
211,221;下地膜
222;初期核
W;半導体ウエハ
Claims (29)
- 基板上にCVD法によりCu膜を成膜するCu膜の成膜方法であって、
基板表面部分を清浄化する工程と、
清浄化された基板にCu錯体からなる成膜原料を供給して基板上にCu膜を成膜する工程と
を有することを特徴とするCu膜の成膜方法。 - 基板として表面にルテニウムカルボニルを成膜原料としてCVD法によりRu膜を形成したものを用いることを特徴とする請求項1に記載のCu膜の成膜方法。
- Cu膜の成膜に先立って大気暴露された基板を用いることを特徴とする請求項1に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の還元処理を含む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Cu膜の成膜方法。
- 前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の酸化処理と、その後の基板表面部分の還元処理を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記還元処理は、水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理は250〜350℃の範囲内の温度で行われることを特徴とする請求項6に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記酸化処理は、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理のいずれかであることを特徴とする請求項5に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記酸素含有雰囲気に曝す処理は、大気暴露により行うことを特徴とする請求項8に記載のCu膜の成膜方法。
- 基板上にCVD法によりCu膜を成膜するCu膜の成膜方法であって、
基板にCu錯体からなる成膜原料を供給して基板上にCu膜を成膜する工程と、
基板に形成されたCu膜を清浄化する工程と
を有することを特徴とするCu膜の成膜方法。 - 前記Cu膜を成膜する工程と、前記清浄化する工程とを複数回繰り返すことを特徴とする請求項10に記載のCu膜の成膜方法。
- 最初のCu膜を形成する工程は、Cuの初期核を形成する工程であることを特徴とする請求項11に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記清浄化する処理は、Cu膜の還元処理を含むことを特徴とする請求項10から請求項12のいずれか1項に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記清浄化する処理は、Cu膜の酸化処理と、その後のCu膜の還元処理を含むことを特徴とする請求項10から請求項12のいずれか1項に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記還元処理は、水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理であることを特徴とする請求項13または請求項14に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記水素ガスを含むプラズマ処理は、水素ガスとアルゴンガスを含むプラズマによる処理であることを特徴とする請求項15に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理は100〜200℃の範囲内の温度で行われることを特徴とする請求項15に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記酸化処理は、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理のいずれかであることを特徴とする請求項14に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記酸素含有雰囲気に曝す処理は、大気暴露により行うことを特徴とする請求項18に記載のCu膜の成膜方法。
- Cu膜の成膜に先立って、基板表面部分を清浄化する工程をさらに有することを特徴とする請求項10から請求項19に記載のいずれか1項に記載のCu膜の成膜方法。
- 基板として表面にルテニウムカルボニルを成膜原料としてCVD法によりRu膜を形成したものを用いることを特徴とする請求項20に記載のCu膜の成膜方法。
- Cu膜の成膜に先立って大気暴露された基板を用いることを特徴とする請求項20に記載のCuの成膜方法。
- 前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の還元処理を含むことを特徴とする請求項20から請求項22のいずれか1項に記載のCuの成膜方法。
- 前記表面部分を清浄化する処理は、基板表面部分の酸化処理と、その後の基板表面部分の還元処理を含むことを特徴とする請求項20または請求項21に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記還元処理は、水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理であることを特徴とする請求項23または請求項24に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記水素ガスを含むプラズマ処理または水素ガスを含む雰囲気での熱処理は350〜380℃の範囲内の温度で行われることを特徴とする請求項25に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記酸化処理は、酸素含有雰囲気に曝す処理、酸素含有雰囲気での熱処理、酸素ガスを含むプラズマ処理のいずれかであることを特徴とする請求項24に記載のCu膜の成膜方法。
- 前記酸素含有雰囲気に曝す処理は、大気暴露により行うことを特徴とする請求項27に記載のCu膜の成膜方法。
- 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28のいずれかの成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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