JP2017193770A - Ｒｕ成膜方法、Ｒｕ成膜装置、金属成膜装置、Ｒｕバリアメタル層、配線構造 - Google Patents

Abstract

【課題】緻密な構造のＲｕ層（金属層）を低温で成膜する。【解決手段】基板ホルダ１３とカソード電極１２間には、チャンバ１０外に設けられた直流電源２２を介して、カソード電極１２が負側となるような直流（ＤＣ）電圧が印加される。ここでは、スパッタリングターゲット１１、カソード電極１２をその鉛直方向に沿った中心軸の周りで巻回するヘリカルコイル１４が設けられている。ヘリカルコイル１４には、チャンバ１０外に設けられた高周波電源２３によって高周波電力が印加される。ヘリカルコイル１４を用いることによって、基板１００の温度が４００℃以下の場合でも、良好な膜質のＲｕバリアメタル層を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ルテニウム（Ｒｕ）の成膜方法、成膜装置、及び金属の成膜装置に関する。また、半導体ウェハにおいて用いられるＲｕバリアメタル層、及びこれが用いられる配線構造に関する。

近年、ＬＳＩ（半導体集積回路）における配線の構造としては、複数の配線層が層間絶縁層を介して多数積層された多層配線構造が広く用いられている。ここで、高速化、微細化が進んだＬＳＩにおいては、特に配線の低抵抗化が要求されるため、各配線層を構成する材料として、電気抵抗率の低い銅が用いられている。このため、こうした配線層は主に銅で構成されるが、銅は層間絶縁層に拡散しやすくＬＳＩの動作や信頼性に対して悪影響を及ぼすおそれがある、配線層が直接接する下地金属層や層間絶縁層と銅との間の密着性が低い、等の問題がある。このため、実際には、銅を用いた配線構造においては、厚い銅層が薄い金属層（バリアメタル層）の上に形成される。バリアメタル層は、銅の拡散を防止する（バリアする）役割と、銅層と他の層（下地金属層や層間絶縁層）との間に介在することによって銅層と他の層との間の密着性を高める役割を果たす。

この役割を果たすことのできるバリアメタル層の材料としては、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等が知られている。ここで、配線構造が低抵抗であることが要求されるために、こうしたバリアメタル層も低抵抗であることが好ましいが、実際にはこうしたバリアメタル層の材料の電気抵抗率はいずれも銅よりも大幅に高く、バリアメタル層を低抵抗とすることは困難であった。

上記の材料に代わりうるバリアメタル層の材料として、ルテニウム（Ｒｕ）がある。例えば、バルク状態におけるＴａ、Ｔｉの比抵抗が１５×１０^−６Ω・ｃｍ、８０×１０^−６Ω・ｃｍ程度であるのに対して、バルク状態におけるＲｕの比抵抗は９×１０^−６Ω・ｃｍ程度であるため、Ｒｕを用いることによって、バリアメタル層を低抵抗化できることが期待される。

バリアメタル層としてＲｕを用いるためには、その成膜方法として、量産性や段差被覆性に優れたものが用いられる。こうした成膜方法としては、例えば特許文献１に記載されたような、ＤＣスパッタリング法がある。特許文献１に記載の技術においては、成膜時に、Ｒｕバリアメタル層を形成すべき基板の温度を５００℃以上に加熱することによって、クレバスの面積比が小さいためにバリア性が高く、銅層の高い密着性を得ることができる比抵抗の小さなＲｕバリアメタル層を形成することができた。

また、成膜直後においてＲｕバリアメタル層がこうした良好な特性を具備しなくとも、その後に熱処理を行うことによって、ボイドやクレバスを少なくすることができ、Ｒｕバリアメタル層をより緻密な構造に、その比抵抗をより小さくすることができる。この際、ボイドやクレバスを少なくすることによって、Ｒｕバリアメタル層と銅層や層間絶縁層（ＳｉＯ_２等）との間の密着性（耐剥離性）も高めることができる。

特開２０１２−１７４７６５号公報

こうした銅配線は、実際には、ＬＳＩの構成要素、すなわち、これよりも下層となる配線層やトランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）等が予め形成された半導体ウェハ上に形成される。この際、この配線層やトランジスタの材料や構造（（例えば拡散層や層間絶縁層等）の耐熱性は、ＬＳＩの高速化あるいはデザインルールの微細化に伴って、低下している。このため、上記のバリアメタル層のような金属層をこうした半導体ウェハ上に形成するためには、その成膜温度や成膜後の熱処理の温度を低下することが必要であり、例えばこれらの温度を、特許文献１に記載されたような５００℃よりも低くすることが望まれた。

すなわち、緻密な構造のＲｕ層（金属層）を低温で成膜できることが望まれた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のルテニウム（Ｒｕ）成膜方法は、ルテニウム（Ｒｕ）を主成分とするＲｕ層をスパッタリング法によって基板上に成膜するＲｕ成膜方法であって、圧力が５×１０^−４Ｔｏｒｒ〜２×１０^−３Ｔｏｒｒの範囲とされたアルゴン（Ａｒ）雰囲気下において、前記基板と、Ｒｕを主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて配置し、前記スパッタリングターゲット側と前記基板側の間において、前記基板側を負として直流電力を印加すると共に、前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記スパッタリングターゲット側と前記基板側の間に前記直流電力が印加されない場合においても前記Ａｒをプラズマ化可能なプラズマ補助手段に対して電力を供給し、前記基板の温度を４００℃以下として前記Ｒｕ層を成膜することを特徴とする。
本発明のＲｕ成膜方法は、前記スパッタリングターゲットの面積で規格化した前記直流電力を５．９Ｗ／ｃｍ^２〜１１．９Ｗ／ｃｍ^２の範囲とすることを特徴とする。
本発明のＲｕ成膜方法において、前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする。
本発明のＲｕ成膜方法は、前記高周波電力を３０Ｗ〜６０Ｗの範囲とすることを特徴とする。
本発明のＲｕ成膜装置は、Ｒｕを主成分とするＲｕ層をスパッタリング法によって基板上に成膜するＲｕ成膜装置であって、圧力が制御されたＡｒの雰囲気下において、前記基板と、Ｒｕを主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて内部に保持するチャンバと、前記チャンバ内において前記基板の温度を制御しつつ前記基板を保持する基板ホルダと、前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットを保持するカソード電極と、前記カソード電極を負側として前記基板ホルダと前記カソード電極との間に直流電力を供給する直流電源と、前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記基板ホルダと前記カソード電極との間に前記直流電力が印加されない場合においても前記Ａｒをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、を具備することを特徴とする。
本発明のＲｕ成膜装置において、前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み、高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする。
本発明のＲｕ成膜装置において、前記基板の温度は４００℃以下、前記圧力は５×１０^−４Ｔｏｒｒ〜２×１０^−３Ｔｏｒｒの範囲であることを特徴とする。
本発明のＲｕバリアメタル層は、４０ｎｍ以下のデザインルールで製造された半導体装置が形成された半導体ウェハ上に形成され、（００２）配向度が８５％以上である柱状構造を具備するルテニウム（Ｒｕ）で構成されたことを特徴とする。
本発明の配線構造は、前記Ｒｕバリアメタル層と、前記Ｒｕバリアメタル層の上に形成され（１１１）配向度が８０％以上である銅（Ｃｕ）層とを具備することを特徴とする。
本発明の金属成膜装置は、金属層をスパッタリング法によって基板上に成膜する金属成膜装置であって、圧力が制御されたスパッタリングガス雰囲気下において、前記基板と、前記金属層を構成する金属を主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて内部に保持するチャンバと、前記チャンバ内において前記基板の温度を制御しつつ前記基板を保持する基板ホルダと、前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットを保持するカソード電極と、前記カソード電極を負側として前記基板ホルダと前記カソード電極との間に直流電力を供給する直流電源と、前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記基板ホルダと前記カソード電極との間に前記直流電力が印加されない場合においても前記スパッタリングガスをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、を具備することを特徴とする。
本発明の金属成膜装置において、前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み、高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、緻密な構造のＲｕ層（金属層）を低温で成膜することができる。

本発明の実施の形態に係るＲｕ成膜装置の構成を示す図である。 Ａｒをスパッタリングガスとしたスパッタリング法によって成膜された金属層の膜質の、Ａｒガス圧と成膜温度（基板温度Ｔｓ）依存性を模式的に示す図である Ｚｏｎｅ Ｉで成膜したＲｕ層（ａ）、Ｚｏｎｅ Ｔ（Ｔｓ＝７００℃）で成膜したＲｕ層（ｂ）の表面の電子顕微鏡写真である。 本発明の実施の形態に係る成膜方法によって得られたＲｕ層（ａ）、従来の成膜方法によって得られたＲｕ層（ｂ）の表面の電子顕微鏡写真である。 本発明の実施の形態に係る成膜方法によって得られたＲｕ層（ａ）、従来の成膜方法によって得られたＲｕ層（ｂ）のＸ線回折特性である。 本発明のＲｕバリアメタル層を用いた銅配線の第１の構造の製造工程を示す工程断面図である。 本発明のＲｕバリアメタル層を用いた銅配線の第２の構造の製造工程を示す工程断面図である。 本発明のＲｕバリアメタル層の電気抵抗率の膜厚依存性を測定した結果である。 ＬＳＩにおいて、配線の断面積に占めるバリアメタル層の断面積の比率の配線幅依存性を計算した一例である。

まず、本発明の実施の形態に係るＲｕバリアメタル層の成膜装置、成膜方法について説明する。図１は、この成膜装置（Ｒｕ成膜装置：金属成膜装置）１の構成を模式的に示す構成図である。この成膜装置１は、スパッタリング法によって基板１００上にＲｕバリアメタル層（金属層）を形成する。

この成膜装置１においては、減圧されたスパッタリングガス雰囲気とされたチャンバ１０中において、基板１００が上側に、スパッタリングターゲット（Ｒｕターゲット）１１が下側となるように、基板１００とスパッタリングターゲット１１とが対向して設けられる。チャンバ１０は、排気ポート１０Ａを介して真空ポンプ（図示せず）によって真空排気され、かつ、その下側におけるガス導入口１０Ｂからスパッタリングガスが導入される構成とされる。この際、チャンバ１０内の圧力は真空ゲージ（図示せず）でモニターすることができ、チャンバ１０内はコンダクタンス調整が可能なバルブ（図示せず）を介して真空排気されるため、スパッタリングガスの流量とバルブの開度を調整することによって、チャンバ１０内の圧力を所望の範囲とすることができる。ここで、ガス導入口１０Ｂから導入されるスパッタリングガスとしては、純アルゴン（Ａｒ）が用いられる。

スパッタリングターゲット１１は高純度のＲｕで構成され、カソード電極１２に固定され、かつ電気的に接続される。一方、基板１００は、金属製の基板ホルダ１３に固定され、基板ホルダ１３内には、基板ホルダ１３を加熱する電熱式のヒーター１５、基板ホルダ１３の温度を計測する熱電対１６が内蔵されているため、これらが接続されチャンバ１０外に設けられた温度制御用電源２１を用いて、ヒーター１５に流れる電流を制御して、基板ホルダ１３の温度を室温よりも高い範囲で制御することができる。基板ホルダ１３に保持される基板１００の温度は基板ホルダ１３の温度とほぼ等しい。

ここで、基板ホルダ１３とカソード電極１２間には、チャンバ１０外に設けられた直流電源２２を介して、カソード電極１２が負側となるような直流（ＤＣ）電圧が印加される。このため、スパッタリングガス（Ａｒ）雰囲気下におけるチャンバ１０内の圧力を適度な範囲に保つことによって、基板ホルダ１３（基板１００）とカソード電極１２（スパッタリングターゲット１１）間でＤＣ放電を発生させることができ、この際に発生したＡｒの正イオンによって負電位側のスパッタリングターゲット１１表面を照射し、この際にスパッタリングターゲット１１から脱離したＲｕ原子、イオンを基板１００上に堆積させることによって、基板１００上へのＲｕ成膜を行うことができる。なお、カソード電極１２には、スパッタリング効率を高めるために、隣接した磁石間で極性が互いに逆向きとなるように複数の磁石（図示せず）が配置されており、この構成はＤＣマグネトロンスパッタリング型となっている。また、基板１００とスパッタリングターゲット１１間の間隔は２７３．５ｍｍとされた。

上記の構成は、通常知られるＤＣスパッタリング装置と同様である。ただし、図１に示されるように、ここでは、スパッタリングターゲット１１、カソード電極１２をその鉛直方向に沿った中心軸の周りで巻回するヘリカルコイル（コイル：プラズマ補助手段）１４が設けられている。ヘリカルコイル１４には、チャンバ１０外に設けられた高周波電源２３によって１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加される。ヘリカルコイル１４を用いることによって、基板１００の温度が４００℃以下の場合でも、良好な膜質のＲｕバリアメタル層を得ることができる。この点について、以下に説明する。

スパッタリングによって成膜されるＲｕバリアメタル層（金属膜）の膜質は、スパッタリング時におけるＡｒ圧と成膜温度（成膜時の基板１００の温度）の影響を大きく受ける。図２は、Ａｒをスパッタリングガスとしたスパッタリング法によって成膜された金属膜の膜質の、Ａｒガス圧と成膜温度（基板温度Ｔｓ）依存性を模式的に示す図である（「Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｏｐｏｐｒａｐｈｙ ｏｆ Ｔｈｉｃｋ Ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ」、Ｊｏｈｎ Ａ．Ｔｈｏｍｓｏｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ、Ｖｏｌ．１１、ｐ６６６（１９７４年））。ここで、基板温度Ｔｓは、単位をＫとして、金属膜の融点Ｔｍ（Ｒｕの融点〜２３００℃）で規格化されている。この結果に示されるように、得られる金属膜の構造は、ボイドで囲まれた粗い結晶粒からなる構造（Ｚｏｎｅ Ｉ）、密度の高い繊維構造をもつ結晶粒からなる構造（Ｚｏｎｅ Ｔ）、柱状結晶粒からなる構造（Ｚｏｎｅ ＩＩ）、再結晶化した粗い結晶粒からなる構造（Ｚｏｎｅ ＩＩＩ）の４種類に大別される。

図３（ａ）は、Ｚｏｎｅ Ｉ（Ｔｓ：室温）で成膜したＲｕ層表面の電子顕微鏡写真である。図３（ｂ）は、Ｚｏｎｅ Ｔ（Ｔｓ＝７００℃）で成膜したＲｕ層表面の電子顕微鏡写真であり、これは、特許文献１に記載されたＲｕ層に対応する。図３に示されるように、Ｚｏｎｅ ＩのＲｕ層（図３（ａ））においては、粗い柱状結晶の間に多くのボイドが形成され、このＲｕ層は低抵抗のバリアメタル層としては適さないことが明らかである．一方、Ｚｏｎｅ ＴのＲｕ層（図３（ｂ））においては、少なくともこうした多くのボイドは見られず、このＲｕ層はバリアメタル層として適している。このため、緻密な構造をもったＺｏｎｅ ＴのＲｕ層がバリアメタル層として好ましい。

しかしながら、図３（ｂ）のＲｕ層が得られるＴｓ（７００℃）は、成膜温度の低温化という観点では好ましくない。これに対して、図２の特性において、Ｚｏｎｅ ＴはＡｒ圧の低い側、Ｔｓ／Ｔｍの小さな側に向かって湾曲しているため、Ｔｓが小さな場合にはＡｒ圧を低くすることが必要であり、Ａｒ圧が高い場合にはＴｓを大きくすることが必要となる。

一方で、基板ホルダ１３とカソード電極１２との間でＤＣ放電を発生させスパッタリングを起こすためには、Ａｒ圧には適正な範囲が存在する。このＡｒ圧は、例えば特許文献１に記載されるように、１×１０^−２Ｔｏｒｒ〜１×１０^−１Ｔｏｒｒの範囲であり、これによってＤＣスパッタリングを起こし、基板１００上にＲｕを堆積させることができる。この場合において図２におけるＺｏｎｅ ＴとなるＲｕバリアメタル層を基板１００上で得るために必要なＴｓは５００〜８００℃の範囲となるため、特許文献１においてはＴｓは５００℃以上とされている。

図１の成膜装置１においては、基板ホルダ１３とカソード電極１２との間でＤＣ放電を発生させる際に、補助的にヘリカルコイル１４を用いることによって、より低いＡｒ圧でスパッタリングを発生させることができる。すなわち、ヘリカルコイル１４に高周波電力を投入して、より低圧のＡｒをＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）化することができ、その上で基板ホルダ１３に直流電力を投入することにより、より低圧でＤＣスパッタリングを行うことができる。通常のＤＣスパッタリングにおいてはＡｒのプラズマ化は、基板ホルダ１３とカソード電極１２の間に印加された直流電力による放電によって行われるが。これに対して、ここでは、この直流電力が印加されない場合でも、ヘリカルコイル１４に高周波電力を印加することによって、スパッタリングターゲット１１周辺のＡｒを低い圧力でプラズマ（ＩＣＰ）化することができる。このため、具体的には、ヘリカルコイル１４を用いない場合にはＡｒ圧が１×１０^−２Ｔｏｒｒ〜１×１０^−１Ｔｏｒｒの範囲でＤＣスパッタリングが行われたのに対し、ヘリカルコイル１４に高周波電力を投入してＡｒをＩＣＰ化した上でＤＣスパッタリングを行えば、Ａｒ圧が５×１０^−４〜２×１０^−３Ｔｏｒｒの範囲で成膜を行うことができる。この際、基板ホルダ１３とカソード電極１２との間の直流電力は、スパッタリングターゲット１１の面積で規格化された値として、５．９〜１１．９Ｗ／ｃｍ^２の範囲として、基板１００にＲｕの成膜を行うことができる。また、この直流電力が印加されない場合でも、ヘリカルコイル１４に３０〜６０Ｗの範囲の高周波電力を供給することによって、上記の圧力範囲のＡｒをプラズマ化することができる。

また、図１の構成において、チャンバ１０には、Ａｒガスが導入されるガス導入口１０Ｂがスパッタリングターゲット１１よりも下側に設けられ、排気ポート１０Ａがスパッタリングターゲット１１よりも基板１００に近い側で、ガス導入口１０Ｂから離れて設けられている。このため、実際にはスパッタリングターゲット１１近傍の圧力（Ａｒ圧）と基板１００近傍の圧力（Ａｒ圧）とは等しくなく、前者が後者よりも高くなっている。こうした構成によって、基板１００側の圧力をより低くしてスパッタリングを行うことが容易となる。すなわち、図２の特性において、より圧力の低い側でスパッタリングを行うことができる。

また、クレバスやボイドが少なく均一で一様なＲｕ層を得るためには、基板１００の表面にＲｕ原子が吸着し、かつ基板１００上でこのＲｕ原子が表面に沿って拡散（移動）しやすいことが必要であり、この点において、Ｔｓを高くすることは有効である。これに対して、上記の構成においては、ヘリカルコイル１４を用いることにより、基板１００の表面に到達するＲｕ原子（イオン）のエネルギーを高めることによって、Ｔｓを４００℃以下としながらこの拡散の度合いを高めることができる。これによって、Ｒｕ層のボイドやクレバスを低減することができる。

次に、上記の成膜方法で成膜されたＲｕ層の特性について説明する。まず、図４に、上記の成膜方法で形成されたＲｕ層（ａ）、ヘリカルコイル１４を用いない従来のＤＣスパッタリング法によるＲｕ層（ｂ）、の表面の電子顕微鏡写真を示す。ここで、図４（ａ）のＲｕ層の成膜においては、Ａｒ圧を１×１０^−３Ｔｏｒｒ、Ｔｓ＝４００℃とした。図４（ｂ）のＲｕ層の成膜においては、ヘリカルコイル１４を用いず、Ａｒ圧を４×１０^−２Ｔｏｒｒ、Ｔｓ＝５００℃とした、特許文献１に記載の成膜方法を用いた。また、図４（ｂ）のＲｕ層においては、成膜後にボイドを低減化するために、水素雰囲気での熱処理（４００℃）を行っている。この結果より、図４（ａ）においても、図４（ｂ）と同等に良質なＲｕ層が得られているが、図４（ａ）において、よりボイドの少ないものが、熱処理なし、かつより低いＴｓで得られている。

また、図５（ａ）は、上記の成膜方法で形成されたＲｕ層（ａ）、ヘリカルコイル１４を用いない従来のスパッタリング法によって形成したＲｕ層（ｂ）、のＸ線回折結果である。ここで、基板１００としては、Ｓｉ単結晶ウェハを用いたため、Ｓｉに対応した回折ピークも現れている。図５（ａ）の試料の成膜条件は図４（ａ）と同様であり、図５（ｂ）の試料の成膜条件は、Ｔｓ＝４００℃、Ａｒ圧は５×１０^−３Ｔｏｒｒとした。また、図５（ｂ）における下段は図１の構成におけるヘリカルコイル１４を用いない通常のＤＣスパッタリングによるＲｕ層の結果であり、図５（ｂ）における上段は、このＤＣスパッタリングにおいて直流電力の代わりに高周波電力をカソード電極に入力した、通常知られるＲＦスパッタリングによるＲｕ層の結果である。

図５（ａ）より明らかなように、ここで形成されたＲｕ層においては、（００２）配向性が顕著であり、このＲｕ層は主に（００２）配向した柱状結晶で構成されることが明らかである。この場合の（００２）配向度は８５％以上となっている。ここで、（００２）配向度は、図５に示されたＸ線回折パターンでのＲｕの全ての回折ピークの積分強度に対する（００２）に対応した全ての回折ピークの積分強度の比として定義される。これに対して、図５（ｂ）下段のＲｕ層においては、（１０１）配向が比較的強いものの、その配向度は低い。図５（ｂ）上段のＲｕ層においては、配向性は特に低くなっている。

このＲｕ層がバリアメタル層（Ｒｕバリアメタル層）として用いられる場合には、その上に銅（Ｃｕ）層が形成された銅配線の一部として用いられる。ここで、例えば「Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｒｕ Ｆｉｌｍｓ」、Ｔａｋａｔｏｓｈｉ Ｎａｇａｎｏ、Ｋａｚｕｙａ Ｉｎｏｋｕｃｈｉ、Ｋｕｎｉｈｉｒｏ Ｔａｍａｈａｓｈｉ、Ｎｏｂｕｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ、Ｙａｓｕｓｈｉ Ｓａｓａｊｉｍａ、 ａｎｄ Ｊｉｎ Ｏｎｕｋｉ、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ Ｖｏｌ．５２０（１）、ｐ３７４（２０１１年）に記載されるように、Ｒｕの（０００１）面（（００２）面と等価）とＣｕ（１１１）面との格子ミスマッチは小さく、かつ、これらの間の吸着エネルギーは大きい。このため、（００２）配向性の高いＲｕバリアメタル層上には、（１１１）配向性の高い銅（Ｃｕ）層が高い密着性で形成される。この場合のＣｕ層の（１１１）配向度（上記のＲｕにおける（００２）配向度と同様に算出）は８０％以上となる。

実際に、上記のＲｕバリアメタル層を用いた２種類の銅配線構造を製造した。その第１の構造における製造工程を図６に示す。ここでは、図６（ａ）に示されるように、単純な平面構造のＳｉ基板５１（１０ｍｍ×１０ｍｍ）上に一様に薄いＳｉＯ_２層５２が形成された構造が下地として用いられた。図６（ｂ）に示されるように、この上に上記のＲｕバリアメタル層５３を成膜し、その後、電気めっきによってＣｕ層５４をＲｕバリアメタル層５３上に形成した。電気めっきにおいては、図６（ｂ）の構造を陰極とし、純度９９．９９９９％の銅を陽極として、硫酸−硫酸銅溶液（めっき浴）中で、電流密度を５ｍＡ／ｃｍ^２として通電することによって、厚さ３００ｎｍのＣｕ層５４を形成した。ここで、一般的には、Ｒｕバリアメタル層５３の上に厚さが数ｎｍ程度の薄い銅層をシード層としてスパッタリング法等によって成膜した後に、電気めっきを行う場合が多いのに対し、ここでは、こうしたシード層は用いられていない。

また、第２の構造における製造工程を図７に示す。ここでは、図７（ａ）に示されるように、Ｓｉ基板５１上にバリア層となるＳｉＮ層５５が薄く形成され、その上にＳｉＯ_２層５２が形成されるが、このＳｉＯ_２層５２には開口が形成されている。その後、図７（ｂ）に示されるように、この開口の内部を含めた全面に前記のＲｕバリアメタル層５３を成膜した後に、図７（ｃ）に示されるように、前記と同様にＣｕ層５４を形成した。この構造は、特にダマシン法による銅配線を製造する場合に対応する。

図６（ｃ）、図７（ｃ）どちらの場合においても、Ｘ線回折結果より、Ｃｕ層５４の配向性は（１１１）が主となっていた（（１１１）配向度が８０％以上である）ことが確認できた。このため、上記のＲｕバリアメタル層５３を用いて銅配線を形成できることが確認された。

次に、図６（ｂ）の形態の試料において、成膜時間を変えることによって、異なる膜厚のＲｕバリアメタル層５３を形成した。その後、このＲｕバリアメタル層５３の電気抵抗率を４端子法によって測定した。これによって測定された電気抵抗率と膜厚の関係を図８に示す。この場合の成膜は、Ａｒ圧が１×１０^−３Ｔｏｒｒ、Ｔｓ＝４００℃とした。この結果より、特に膜厚を２０ｎｍ以上とすることによって、電気抵抗率が２０×１０^−６Ω・ｃｍ程度に低いＲｕバリアメタル層５３が得られた。この電気抵抗率は、バルク状態のＲｕと比べると高いものの、同様に薄膜状態として用いられる他のバリアメタル層と比べて低い。

このため、上記のＲｕバリアメタル層５３を用いて銅配線を半導体ウェハ上に形成することができる。ここで、ＬＳＩにおける配線幅が小さくなる（デザインルールが微細化する）場合に、配線幅を小さくしても、バリアメタル層としての効果を奏するためには、バリアメタル層の厚さは、ある一定以上が必要である。図９は、配線の断面積に占めるバリアメタル層の断面積の比率の配線幅依存性を計算した一例である。ここでは、配線のアスペクト比（配線深さ／配線幅）を３、バリアメタル層の厚さを３ｎｍとしている。このように、デザインルールが微細化した場合には、配線構造の断面におけるバリアメタル層の占める比率が大きくなる。この場合、配線の低抵抗化のためには、バリアメタル層の低抵抗化が必須である。前記の通り、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等と比べてＲｕは比抵抗が低いために、図９においてバリアメタル層の占める断面積比の増大が顕著になる４０ｎｍ以下の配線幅においては、Ｒｕをバリアメタル層として用いることが特に好ましい。更に、例えばデザインルールが４０ｎｍ以下のＬＳＩを構成するトランジスタや配線構造（配線層、層間絶縁層等）が形成された半導体ウェハにおいては、こうしたトランジスタや配線構造の耐熱性は低いために、Ｒｕバリアメタル層を５００℃以下で成膜し、かつこの温度以上の温度での熱処理を必要としないで、良好な膜質のＲｕバリアメタル層が得られることが望まれる。上記のＲｕバリアメタル層は、特にこうした場合に好ましく用いられる。

なお、上記においては、スパッタリングターゲット１１が高純度のＲｕで構成され、これによってＲｕ層（Ｒｕバリアメタル層）が基板１００上に形成された。しかしながら、バリアメタル層を、Ｒｕが含まれる合金としてもよい。この場合においても、主成分がＲｕである（例えばＲｕの原子組成が９０％以上である限りにおいて、図２の特性が同様に現れるため、上記の構成は有効である。

また、上記においては、図１の成膜装置１を用いてＲｕ層が形成されるものとしたが、Ｒｕ層以外でも、ＤＣスパッタリングによって成膜が可能な材料（例えば任意の金属材料）に対しても、低温での成膜が要求される場合には、この構成が有効であることは明らかである。すなわち、基板１００に形成すべき金属層に応じて、スパッタリングターゲット１１の材料は適宜設定することができる。これに応じて、スパッタリングの条件（スパッタリングガス圧力）、直流電力、高周波電力等は設定される。

また、上記においては、プラズマ補助手段としてヘリカルコイル１４が用いられたが、基板１００とスパッタリングターゲット１１との間でＤＣ放電を発生させる場合よりも低圧でスパッタリングガスをプラズマ化できる限りにおいて、ヘリカルコイル以外のプラズマ生成手段を、プラズマ補助手段として用いることができる。

１ 成膜装置（Ｒｕ成膜装置：金属成膜装置）
１０ チャンバ
１０Ａ 排気ポート
１０Ｂ ガス導入口
１１ スパッタリングターゲット
１２ カソード電極
１３ 基板ホルダ
１４ ヘリカルコイル（コイル：プラズマ補助手段）
１５ ヒーター
１６ 熱電対
２１ 温度制御用電源
２２ 直流電源
２３ 高周波電源
５１ Ｓｉ基板
５２ ＳｉＯ_２層
５３ Ｒｕバリアメタル層
５４ Ｃｕ層
５５ ＳｉＮ層
１００ 基板

Claims (11)

1. ルテニウム（Ｒｕ）を主成分とするＲｕ層をスパッタリング法によって基板上に成膜するＲｕ成膜方法であって、
   圧力が５×１０^−４Ｔｏｒｒ〜２×１０^−３Ｔｏｒｒの範囲とされたアルゴン（Ａｒ）雰囲気下において、前記基板と、Ｒｕを主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて配置し、
   前記スパッタリングターゲット側と前記基板側の間において、前記基板側を負として直流電力を印加すると共に、
   前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記スパッタリングターゲット側と前記基板側の間に前記直流電力が印加されない場合においても前記Ａｒをプラズマ化可能なプラズマ補助手段に対して電力を供給し、
   前記基板の温度を４００℃以下として前記Ｒｕ層を成膜することを特徴とするＲｕ成膜方法。
2. 前記スパッタリングターゲットの面積で規格化した前記直流電力を５．９Ｗ／ｃｍ^２〜１１．９Ｗ／ｃｍ^２の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載のＲｕ成膜方法。
3. 前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＲｕ成膜方法。
4. 前記高周波電力を３０Ｗ〜６０Ｗの範囲とすることを特徴とする請求項３に記載のＲｕ成膜方法。
5. ルテニウム（Ｒｕ）を主成分とするＲｕ層をスパッタリング法によって基板上に成膜するＲｕ成膜装置であって、
   圧力が制御されたアルゴン（Ａｒ）の雰囲気下において、前記基板と、Ｒｕを主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて内部に保持するチャンバと、
   前記チャンバ内において前記基板の温度を制御しつつ前記基板を保持する基板ホルダと、
   前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットを保持するカソード電極と、
   前記カソード電極を負側として前記基板ホルダと前記カソード電極との間に直流電力を供給する直流電源と、
   前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記基板ホルダと前記カソード電極との間に前記直流電力が印加されない場合においても前記Ａｒをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、
   を具備することを特徴とするＲｕ成膜装置。
6. 前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み、高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする請求項５に記載のＲｕ成膜装置。
7. 前記基板の温度は４００℃以下、前記圧力は５×１０^−４Ｔｏｒｒ〜２×１０^−３Ｔｏｒｒの範囲であることを特徴とする請求項５又は６に記載のＲｕ成膜装置。
8. ４０ｎｍ以下のデザインルールで製造された半導体装置が形成された半導体ウェハ上に形成され、（００２）配向度が８５％以上である柱状構造を具備するルテニウム（Ｒｕ）で構成されたことを特徴とするＲｕバリアメタル層。
9. 請求項８に記載のＲｕバリアメタル層と、前記Ｒｕバリアメタル層の上に形成され（１１１）配向度が８０％以上である銅（Ｃｕ）層とを具備することを特徴とする配線構造。
10. 金属層をスパッタリング法によって基板上に成膜する金属成膜装置であって、
    圧力が制御されたスパッタリングガス雰囲気下において、前記基板と、前記金属層を構成する金属を主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて内部に保持するチャンバと、
    前記チャンバ内において前記基板の温度を制御しつつ前記基板を保持する基板ホルダと、
    前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットを保持するカソード電極と、
    前記カソード電極を負側として前記基板ホルダと前記カソード電極との間に直流電力を供給する直流電源と、
    前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記基板ホルダと前記カソード電極との間に前記直流電力が印加されない場合においても前記スパッタリングガスをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、
    を具備することを特徴とする金属成膜装置。
11. 前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み、高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする請求項１０に記載の金属成膜装置。