JP3992588B2

JP3992588B2 - 成膜方法

Info

Publication number: JP3992588B2
Application number: JP2002308529A
Authority: JP
Inventors: 光博立花; 有美子河野; 達夫波多野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP2004146516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の基板において低誘電率の絶縁膜（ｌｏｗ−ｋ膜）等に埋め込まれたＣｕ層等の導電性部にタングステン（Ｗ）等の金属膜を選択的に形成する成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの製造工程においては、デザインルールの微細化が益々進み、これにともなって高速化の観点から層間絶縁膜として低誘電率の有機膜、いわゆるｌｏｗ−ｋ膜が用いられ、配線層として従来のＡｌに代わってより電気抵抗が低いＣｕが用いられつつある。
【０００３】
層間絶縁層を介在させてＣｕ配線層を多層に形成する場合には、例えば、所定の層が形成された半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）に層間絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ膜を形成し、レジスト層等をマスクとしてビアエッチングを行い、レジストおよびポリマーを除去した後、犠牲層を形成し、レジスト層をマスクとしてトレンチエッチングを行い、再びレジストおよびポリマーを除去しドライアッシングおよび洗浄を行い、犠牲膜およびストッパー層をエッチング除去した後、Ｃｕ配線層およびプラグを形成する。
【０００４】
その後、ＣＭＰ（Chemical Mecanical Polishing）によりＣｕ配線層を研磨し、次いで、表面のＣｕ酸化膜をプラズマ処理またはウエット処理で除去後、その上にさらに層間絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ膜を成膜する。
【０００５】
この場合、Ｃｕは拡散しやすいため、ｌｏｗ−ｋ膜の成膜の際の昇温により、Ｃｕがｌｏｗ−ｋ膜中に拡散してデバイスに悪影響を及ぼす。そこで、ＣＭＰ後、全面に拡散防止膜としてＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＮのいずれかをプラズマＣＶＤによりウエハ全面に成膜して、Ｃｕの拡散を防止する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
T.Saito et al. in proceeding of IITC, 2001 PP15-17
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの材料は誘電率が高く（例えばＳｉＮでは７程度）、層間絶縁膜として誘電率が２〜３程度のｌｏｗ−ｋを用いてもその効果が相殺されてしまう。また、ＣＭＰ後のＣｕ層に金属メッキによりキャッピングすることも検討されているが、メッキ液の液質の安定性等に技術的困難性をともなう。さらに、ｌｏｗ−ｋ膜は耐食性が低いため、拡散防止膜の原料としてｌｏｗ−ｋ膜に悪影響を与えないものが求められる。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、誘電率の上昇や絶縁膜への悪影響が生じず、かつ技術的困難性をともなわずに、基板の導電性部に例えば拡散防止膜として機能する膜を成膜することができる成膜方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点では、絶縁膜とその中に形成された導電性部とを有する基板に金属カルボニルガスを供給して、前記基板上に金属カルボニルガスに含まれる金属からなる金属膜を成膜する成膜方法であって、基板温度を３００℃以上４５０℃以下とし、成膜の際の圧力を１５Ｐａ以下として前記金属カルボニルガスを供給し、前記導電性部の表面に選択的に前記金属膜を成膜することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２の観点では、低誘電率の絶縁膜とその中に形成されたＣｕ層とを有する基板にＷ（ＣＯ）_６ガスを供給して、前記基板上にＷからなる拡散防止膜を成膜する成膜方法であって、基板温度を３００℃以上４５０℃以下とし、成膜の際の圧力を１５Ｐａ以下として前記Ｗ（ＣＯ）_６ガスを供給し、前記Ｃｕ層の表面に選択的にＷからなる拡散防止膜を成膜することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１１】
本発明においては、基板温度を３００℃以上４５０℃以下とし、成膜の際の圧力を１５Ｐａ以下として前記金属カルボニルガスを供給し、導電性部の表面に選択的に金属膜を成膜するので、誘電率の上昇や絶縁膜への悪影響なく、かつ技術的困難性をともなうことがない。特に、金属カルボニルガスとしてＷ（ＣＯ）_６ガスを用い、導電性部としてＣｕ層を用いることにより、誘電率の上昇や絶縁膜への悪影響なく、かつ技術的困難性をともなうことなく、Ｃｕ層の上に選択的にＷからなる拡散防止膜を形成することができ、Ｃｕの拡散を有効に防止することができる。
【００１２】
Ｗ（ＣＯ）_６ガスに代表される金属カルボニルガスは、所定の温度範囲および圧力範囲において、絶縁膜上への成膜インキュベーション時間が前記導電性部上への成膜インキュベーション時間よりも長くなる。したがって、この差を利用して、導電性部に選択的に金属膜を形成することができる。金属カルボニルガスはｌｏｗ−ｋ膜等の絶縁膜に悪影響を与えず、また、導電性部のみに金属膜を形成するので絶縁膜の誘電率を上昇させることもない。また、このようなＣＶＤの手法で金属膜を成膜することができるので成膜に困難性をともなうこともない。さらに、成膜が必要な導電性部のみに選択的に金属膜を成膜することができるので、全面に成膜した後にマスクを用いてエッチングする等の煩雑な工程が不要であり、簡易な工程で製造することが可能である。
【００１３】
本発明において、前記金属カルボニルとして、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｃｒ（ＣＯ）_６、Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２から選択される少なくとも１種を用いることができる。また、前記絶縁膜として低誘電率材料を用い、前記導電性部としてＣｕを用いることができる。さらに、前記金属膜は拡散防止膜として機能させることができる。
【００１４】
また、第１の観点では、金属カルボニルガスの供給に先立って、前記基板に還元ガスを供給することが好ましい。第２の観点では、前記Ｗ（ＣＯ）_６ガスの供給に先立って、前記基板に還元ガスを供給することが好ましい。前記還元ガスとしては、ＳｉＨ _４ガスまたはＳｉ _２Ｈ _６ガスを用いることができる。また、前記還元ガスとして、Ｈ _２ガスの活性種を用いることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の成膜方法の実施形態に用いられるＣＶＤ−Ｗ成膜装置を模式的に示す断面図である。
【００１６】
この成膜装置１００は、気密に構成された略円筒状のチャンバー１を有しており、その中には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ２が支持部材３により支持された状態で配置されている。サセプタ２の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプタ２にはヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５はヒーター電源６から給電されることにより被処理基板であるウエハＷを所定の温度に加熱する。ヒーター電源６にはコントローラー（図示せず）が接続されており、これにより図示しない温度センサーの信号に応じてヒーター５の出力が制御される。
【００１７】
チャンバー１の天壁１ａには、シャワーヘッド１０が設けられている。このシャワーヘッド１０にはサセプタ２に向けてガスを吐出するための多数のガス吐出孔１１が形成されている。そして、シャワーヘッド１０には配管１２が接続されており、配管１２の他端は、成膜原料であるＷ（ＣＯ）_６ソースＳが収容された成膜原料容器１３に挿入されている。容器１３にはキャリアガス配管１４が挿入され、キャリアガス供給源１５から配管１４を介してキャリアガスとして例えばＡｒガスを成膜原料容器１３に吹き込むことにより、Ｗ（ＣＯ）_６ソースＳが蒸発し、Ｗ（ＣＯ）_６ガスとなり、キャリアガスにキャリアされて配管１２を介してシャワーヘッド１０へ供給される。なお、配管１２にはマスフローコントローラ１６とその前後のバルブ１７とが設けられている。また、容器１３と配管１２の周囲にはヒーター（図示せず）が設けられており、Ｗ（ＣＯ）_６ソースＳの蒸発を促進するとともに、配管において再固化することを防止している。
【００１８】
チャンバー１の底壁１ｂには、排気管８が接続されており、この排気管８には真空ポンプを含む排気装置９が接続されている。そして排気装置９を作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができる。
【００１９】
次に、このような成膜装置を用いて、Ｃｕ層上に選択的にＷを成膜する動作について説明する。
まず、図２の（ａ）に示すように、下層配線２１の上に層間絶縁膜としてｌｏｗ−ｋ膜２２をスピンコーティングまたはＣＶＤにより形成し、ダマシン法に従ってビアホール２３、トレンチ２４を形成した後、その内側にバリアメタル膜２５およびＰＶＤ−Ｃｕ膜２６を成膜し、引き続きビアホール２３、トレンチ２４をＣｕメッキで埋め、Ｃｕ配線層２７を形成し、ＣＭＰによりＣｕ配線層２７を研磨し、さらにプラズマ処理、または希フッ酸を用いたウエット洗浄処理により、Ｃｕ配線層２７の酸化膜を除去したウエハＷを準備する。
【００２０】
このウエハＷを図１の成膜装置のチャンバー１内に装入して選択的なＷ膜成膜を行う。まず、ウエハＷを図示しない搬入口からチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。次いで、ヒーター５によりウエハＷを加熱しながら排気装置９によりチャンバー１内を排気して、ウエハＷの温度を３００〜４５０℃、チャンバー１内の圧力を１５Ｐａ以下にする。この際の圧力・温度の条件設定は、Ｗ（ＣＯ）_６ガスがｌｏｗ−ｋ膜２２にはほとんど吸着せず、Ｃｕ配線層２７にのみ選択的に吸着することが可能な条件とする。
【００２１】
Ｗ（ＣＯ）_６ガスは成膜条件上、インキュベーション（Incubation）時間が通常のＣＶＤと比べて長いことが知られており、図３に示すように、所定の温度範囲および圧力範囲においては、このインキュベーション（Incubation）時間が導電性膜であるＣｕ配線層２７上よりも絶縁膜であるｌｏｗ−ｋ膜２２のほうが長いから、この差を利用してＣｕ配線層２７の部分のみに選択的にＷ膜を形成することが可能となる。
【００２２】
このような条件に設定した後、成膜原料容器１３に収容されたＷ（ＣＯ）_６ソースＳＬにキャリアガス、例えばＡｒガスを吹き込み、蒸発させることによりキャリアガスにキャリアさせてＷ（ＣＯ）_６ガスを配管１２およびシャワーヘッド１０を経てチャンバー１内に導入する。この際のＷ（ＣＯ）_６ガスの流量は０．０５Ｌ／ｍｉｎ以下に保つことが望ましい。これにより、ウエハＷのＣｕ配線層２７の部分に選択的にＷ（ＣＯ）_６ガスが吸着し、３００〜４５０℃に加熱されたウエハＷの熱によりＷ（ＣＯ）_６が分解してＣＯガスが解離し、図２の（ｂ）に示すように、ウエハＷのＣｕ配線層２７の部分に選択的に拡散防止膜としてのＷ膜２８が成膜される。この際に、Ｃｕ拡散防止機能を発揮するために必要なＷ膜の膜厚は約５ｎｍ以上である。この際のＷ膜２８の膜厚の上限は、ｌｏｗ−ｋ膜２２のインキュベーション（Incubation）時間が終了するまでの間にＣｕ配線層２７上に成膜可能な厚さとなる。なお、キャリアガスはＡｒガスに限らず他のガスを用いてもよいが、Ａｒガスを含めてガス温度を低く抑制することができるガスが好ましく、このようなガスとしては、Ａｒガスの他、Ｎ_２ガス、Ｈ_２ガス、Ｈｅガスが例示される。
【００２３】
このようにして、Ｗ膜２８の成膜が終了後、ｌｏｗ−ｋ膜２２上に、不所望なＷ膜が成膜された場合のことを考慮し、デバイスの信頼性低下を防止するため、上述のようなプラズマ処理、または希フッ酸を用いたウエット洗浄処理によりそのような不所望のＷ膜の除去を行うことも可能である。
【００２４】
従来、ＣＶＤでＷ膜を成膜する際に、原料ガスとしてＷＦ_６ガスが多用されていたが、ＷＦ_６ガス中のＦがｌｏｗ−ｋ膜に悪影響を与えるため、このような用途に適用することが困難である。これに対し、Ｗ（ＣＯ）_６ガスはｌｏｗ−ｋ膜に悪影響を与えることはない。また、金属膜であるＷ膜をＣｕ配線層２７の部分のみに形成するので絶縁膜の誘電率を上昇させることもない。また、このようなＣＶＤの手法で導電性部であるＣｕ配線層２７の部分のみに選択的に金属膜を成膜することができるので成膜に困難性をともなうこともなく、たとえｌｏｗ−ｋ膜２２にＷ膜が多少形成されたとしても、上述のようなクリーニングで比較的容易に除去することができる。
【００２５】
Ｗ膜２８を成膜した後、図４に示すように、ｌｏｗ−ｋ膜２２およびＷ膜２８の上に、ｌｏｗ−ｋ膜２９をスピンコートまたはＣＶＤにより成膜する。この際に、Ｃｕ配線層２７の表面には拡散防止膜としてのＷ膜２８が存在しているため、Ｃｕがｌｏｗ−ｋ膜２９へ拡散することを有効に防止することができる。
【００２６】
次に、本発明の変形例について説明する。
図５は、本発明の成膜方法の第１の変形例に用いられるＣＶＤ−Ｗ成膜装置を模式的に示す断面図である。この成膜装置２００は、基本構造は図１と同じであるが、還元ガスが供給可能な点のみが図１の装置とは異なっている。すなわち、配管１２に還元ガス配管３１が接続され、この還元ガス配管３１の他端は還元ガス供給源３２に接続されている。還元ガス供給源３２は、還元ガスとして、例えばＳｉＨ_４ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス等を供給するようになっている。なお、還元ガス配管３１にはマスフローコントローラ３３およびその前後のバルブ３４が設けられている。
【００２７】
このような図５に示す成膜装置を用いて、第１の変形例を実施する場合には、上述したのと同様の図２の（ａ）に示す構造のウエハＷを準備し、ウエハＷを図示しない搬入口からチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。次いで、まず還元ガスのみを供給し、この時のウエハ温度を３００〜４５０℃、チャンバー１内の圧力を１３．３〜１３３Ｐａに設定し、略６０〜１２０秒間維持する。これにより、図２の（ａ）に示す構造のウエハＷの表面上に自然酸化膜が存在していても、これを還元除去し、Ｃｕ表面を露出させることができる。この工程に引き続き、先に述べた本発明の実施形態のプロセスを実施することにより、より一層選択的にＷ（ＣＯ）_６をＣｕ表面に吸着させることができる。
【００２８】
図６は、本発明の方法の第２の変形例に用いられるＣＶＤ−Ｗ成膜装置を模式的に示す断面図である。この成膜装置３００は、基本構造は図１と同じであるが、還元作用を有するプラズマが供給可能な点のみ図１の装置とは異なっている。すなわち、配管１２から分岐した配管１２ａにプラズマ発生機構４１が接続され、配管１２ａの他端はガス供給源４２に接続されている。ガス供給源４２は、プラズマ用ガスとして、例えばＨ_２ガス、Ａｒガス等を供給するようになっている。なお、配管１２ａのプラズマ発生機構４１上流側にはマスフローコントローラ４３およびその前後のバルブ４４が設けられている。また、配管１２ａのプラズマ発生機構４１下流側にはバルブ４５が設けられている。プラズマ発生機構４１には、公知のリモートプラズマ技術を用いることができる。
【００２９】
このような図６に示す成膜装置を用いて、第２の変形例を実施する場合には、上述したのと同様の図２の（ａ）に示す構造のウエハＷを準備し、ウエハＷを図示しない搬入口からチャンバー１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。次いで、バルブ４５を開き、プラズマ発生機構４１からその中に形成されているＨ_２ガス等のプラズマをチャンバー１内に導入する。この際に、ウエハ温度を３００〜４５０℃、チャンバー１内の圧力を０．０１３〜１３．３Ｐａに設定し、略６０〜１２０秒間維持する。これにより、図２の（ａ）に示す構造のウエハＷの表面上に自然酸化膜が存在していても、プラズマの活性種によりこれを還元除去し、Ｃｕ表面を露出させることができる。この工程に引き続き、先に述べた本発明の実施形態のプロセスを実施することにより、変形例１と同様に、より一層選択的にＷ（ＣＯ）_６をＣｕ表面に吸着させることができる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、金属カルボニルとしてＷ（ＣＯ）_６を用いてＷ膜を形成する場合について説明したが、これに限定することなく、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｃｒ（ＣＯ）_６、Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２から選択された少なくとも１種を採用することが可能であり、これらによって、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｃｏ_８、Ｒｈ等の金属を成膜することができる。
【００３１】
また、絶縁膜をｌｏｗ−ｋ材料で構成し、導電性部をＣｕで構成したが、絶縁膜および導電性部の材料はこれらに限るものではない。
【００３２】
さらに、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、これに限らず他の基板、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）用のガラス基板にも適用することが可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板温度を３００℃以上４５０℃以下とし、成膜の際の圧力を１５Ｐａ以下として前記金属カルボニルガスを供給し、導電性部の表面に選択的に金属膜を成膜するので、誘電率の上昇や絶縁膜への悪影響なく、かつ技術的困難性をともなうことがない。特に、金属カルボニルガスとしてＷ（ＣＯ）_６ガスを用い、導電性部としてＣｕ層を用いることにより、誘電率の上昇や絶縁膜への悪影響なく、かつ技術的困難性をともなうことなくＣｕ層の上に選択的にＷからなる拡散防止膜を形成することができ、Ｃｕの拡散を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成膜方法の一実施形態に用いられるＣＶＤ−Ｗ成膜装置を模式的に示す断面図。
【図２】本発明が適用されるデバイスのＷ膜形成前後の状態を説明するめの断面図。
【図３】本発明における選択吸着を説明するためのグラフ。
【図４】第１の実施形態において、ｌｏｗ−ｋ膜およびＷ膜の上に、さらにｌｏｗ−ｋ膜を形成した状態を示す断面図。
【図５】本発明の成膜方法の変形例に用いられるＣＶＤ−Ｗ成膜装置を模式的に示す断面図。
【図６】本発明の成膜方法の他の変形例に用いられるＣＶＤ−Ｗ成膜装置を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１；チャンバー
２；サセプタ
５；ヒーター
１０；シャワーヘッド
１２；配管
１３；成膜原料容器
１５；キャリアガス供給源
２２；ｌｏｗ−ｋ膜（絶縁膜）
２７；Ｃｕ配線層（導電性部）
２８；Ｗ膜（拡散防止膜）
３２；還元ガス供給源
Ｗ……半導体ウエハ

Claims

絶縁膜とその中に形成された導電性部とを有する基板に金属カルボニルガスを供給して、前記基板上に金属カルボニルガスに含まれる金属からなる金属膜を成膜する成膜方法であって、
基板温度を３００℃以上４５０℃以下とし、成膜の際の圧力を１５Ｐａ以下として前記金属カルボニルガスを供給し、前記導電性部の表面に選択的に前記金属膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
前記金属カルボニルは、Ｗ（ＣＯ）_６、Ｎｉ（ＣＯ）_４、Ｍｏ（ＣＯ）_６、Ｃｏ_２（ＣＯ）_８、Ｒｈ_４（ＣＯ）_１２、Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｃｒ（ＣＯ）_６、Ｒｕ_３（ＣＯ）_１２から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
前記絶縁膜は低誘電率材料で形成され、前記導電性部はＣｕで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
前記金属膜は拡散防止膜であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の成膜方法。
前記金属カルボニルガスの供給に先立って、前記基板に還元ガスを供給することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の成膜方法。
低誘電率の絶縁膜とその中に形成されたＣｕ層とを有する基板にＷ（ＣＯ）_６ガスを供給して、前記基板上にＷからなる拡散防止膜を成膜する成膜方法であって、
基板温度を３００℃以上４５０℃以下とし、成膜の際の圧力を１５Ｐａ以下として前記Ｗ（ＣＯ）_６ガスを供給し、前記Ｃｕ層の表面に選択的にＷからなる拡散防止膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
前記Ｗ（ＣＯ）_６ガスの供給に先立って、前記基板に還元ガスを供給することを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
前記還元ガスとして、ＳｉＨ_４ガスまたはＳｉ_２Ｈ_６ガスを用いることを特徴とする請求項５または請求項７に記載の成膜方法。
前記還元ガスとして、Ｈ_２ガスプラズマの活性種を用いることを特徴とする請求項５または請求項７に記載の成膜方法。