JP5788785B2 - Cu配線の形成方法および成膜システム - Google Patents
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Description
を有し、前記凹部は、トレンチと該トレンチの底部に形成されたホールとを有し、前記第1のCu膜を形成して前記凹部内にCuを埋め込む工程は、基板を加熱した状態で、基板が収容された処理容器内にプラズマ生成ガスのプラズマを生成するとともに、Cuターゲットから放出されたCuを前記プラズマ中でイオン化させ、基板にバイアスを印加して、前記処理容器内に存在するプラズマ生成ガスのイオンおよびCuイオンの基板への引き込みを調整しつつ、前記Ru膜上でCuをマイグレーションさせながら前記凹部内にCuを埋め込み、かつ、前記ホールへのCuの埋め込みが完了するまでの第1段階と、前記ホールの埋め込みが完了後、前記トレンチの埋め込みが完了するまでの第2段階とを有し、前記第1段階の成膜速度は前記第2段階の成膜速度よりも小さいことを特徴とするCu配線の形成方法を提供する。
図1は本発明に係るCu配線の形成方法を実施するためのマルチチャンバタイプの成膜システムの一例を示す平面図である。
次に、本発明の方法を実施するために重要なCu膜成膜装置22a(22b)について説明する。
図3は、Cu膜成膜装置の一例を示す断面図である。ここではCu膜成膜装置としてiPVD(Ionized physical vapor deposition)であるICP(Inductively Coupled Plasma)型プラズマスパッタ装置を例にとって説明する。
第2のCu膜成膜装置24a(24b)は、(第1の)Cu膜成膜装置22a(22b)と同様のiPVDであるプラズマスパッタ装置であっても、通常のPVD、例えばスパッタ装置であってもよく、第1のCu膜よりも高い成膜速度で第2のCu膜を形成することができる条件に設定される。このように第1のCu膜と第2のCu膜とを異なる装置で成膜するようにすることにより、装置の条件を変更することなく高いスループットで、大気に曝すことなく(真空を破らず)、第1のCu膜および第2のCu膜を連続成膜することができる。
バリア膜成膜装置12a(12b)としてはCuターゲット83を使用する材料に変えるのみで図2の成膜装置と同様の構成の成膜装置を用いてプラズマスパッタにより成膜することができる。また、プラズマスパッタに限定されず、通常のスパッタ、イオンプレーティング等の他のPVDであってもよく、CVD(Chemical Vapor Deposition)やALD(Atomic Layer Deposition)、プラズマを用いたCVDやALDで成膜することもできる。不純物を低減する観点からはPVDが好ましい。
次に、Ruライナー膜を形成するためのRu膜成膜装置14a(14b)について説明する。Ruライナー膜は熱CVDにより好適に形成することができる。図4は、Ru膜成膜装置の一例を示す断面図であり、熱CVDによりRu膜を形成するものである。
次に、本発明の第1の実施形態に係るCu配線の形成方法について図5のフローチャートおよび図6の工程断面図を参照して説明する。
次に、上記ステップ4の第1のCu膜の成膜について具体的に説明する。
上述したように、ステップ4の第1のCu膜206の成膜においては、図3に示すようなバイアスによりウエハW表面にイオンを引きこみながらプラズマスパッタを行う装置を用いるが、その際のバイアスパワーとCu成膜量との関係は図7の模式図に示すようになる。すなわち、バイアスパワーが上昇することによりCuイオンの引き込み量が大きくなるため、バイアスパワーがある値までは成膜量が増加していくが、その後はプラズマ生成用ガスイオン(例えばArイオン)によるウエハW表面のスパッタ作用(エッチング作用)により成膜量が減少していく。本実施形態では、温度とプラズマ生成用ガスイオンによる作用を利用してCu膜をトレンチまたはビア(ホール)に埋めるため、バイアスパワーは、プラズマ生成用ガスイオンによる作用が存在し、かつ成膜が進行する範囲である図7のAより大きくBより小さい範囲が好ましい。すなわち、Cu成膜量(成膜レート)をTD、プラズマ生成用のガスのイオンによるエッチング量(エッチングレート)をTEとすると、AはTE/TD=0であり、BはTE/TD=1であるが、Ruライナー膜上をCuが移動(マイグレーション)するためには、プラズマ生成用ガスイオン(Arガスイオン)のエネルギーが存在することが好ましいからTE/TD>0であることが好ましい。ただし、温度が高い場合には、TE/TD=0でもCuを流動させることができる。一方、成膜が進行しフィールドのエッチングが起こらないためにはTE/TD<1であることが必要である。
第1のCu膜の成膜においては、CuをマイグレーションさせてトレンチやホールにCuを埋め込む必要があることから、通常のプラズマスパッタの場合よりもウエハ温度を高くする必要があり、ウエハ温度は65〜350℃の範囲が好ましい。また、Cu膜成膜時における処理容器内の圧力(プロセス圧力)は、1〜100mTorr(0.133〜13.3Pa)が好ましく、35〜90mTorr(4.66〜12.0Pa)がより好ましい。また、Cuターゲットへの直流電力は4〜12kWであることが好ましく、6〜10kWがより好ましい。
次に、上記ステップ5の第2のCu膜の成膜について具体的に説明する。
この第2のCu膜の形成は、第1のCu膜の形成に用いたCu膜成膜装置22aまたは22bで、処理条件を変更して第1のCu膜に引き続いて行うことができる。具体的には、処理容器51内の圧力を第1のCu膜成膜の際よりも低くする、または直流電源のパワーを第1のCu膜を形成する際よりも高くする、またはこれらの両方の条件で成膜することにより、第1のCu膜206よりも高い成膜速度で第2のCu膜207成膜することができる。つまり、第1のCu膜成膜の際には、トレンチまたはビア(ホール)内に多くのCuイオンを引きこむために、指向性の高い高圧の条件(例えば、90mTorr)が使用され、また、直流電源パワーは比較的低い6〜8kWが使用され、さらにCuのマイグレーションを起こさせてトレンチまたはビア(ホール)内にCuを流動させやすくするために、成膜温度は高温(例えば250℃)が使用される。このため、成膜速度はあまり高くない。これに対して、第2のCu膜はフィールド部にのみ成膜すればよいので、第1のCu膜よりも高い成膜速度が得られる条件、具体的には、処理容器51内の圧力を第1のCu膜成膜の際よりも低くする、または直流電源のパワーを第1のCu膜を形成する際よりも高くする、またはこれらの両方の条件で成膜する。
次に、50〜250nmの種々の幅のトレンチを有するウエハに対し、本発明の方法により、バリア膜の形成、Ruライナー膜の形成、iPVDによる第1のCu膜の形成、およびiPVDによる第2のCu膜の形成を行い、アニールした後、CMPを行ってCu配線を形成した。その際の断面のSEM写真を図18に示す。図18に示すように、いずれの幅のトレンチに対しても良好な埋め込み性が得られたことが確認された。
次に、本発明の第2の実施形態に係るCu配線の形成方法について図28のフローチャートおよび図29の工程断面図を参照して説明する。本実施形態では、トレンチとトレンチの底に形成されたビア(ホール)とを有する凹部が形成されたデュアルダマシン構造を含むウエハに対するCuの埋め込みについて説明する。
トレンチの底にビアが存在しない場合には、i−PVDによりCuが上記第1の実施形態の条件でCuがマイグレーションするようにCuを埋め込めばよく、フィールド部からトレンチ303の底部にCuが常に流れ込んで、トレンチ303の底部へのCuの堆積速度が大きい条件に設定することができる。しかし、本実施形態のようにトレンチ303の底にビア304が形成されたデュアルダマシン構造の場合には堆積速度が大きいと、図30(a)に示すように成膜初期には問題がないものの、成膜が進行すると図30(b)に示すように、トレンチ303の底部に堆積されたCu膜307の流動性が悪くなって、トレンチ303の底部でオーバーハング308が形成されるおそれがある。このようにオーバーハング308が形成されると、やがて図30(c)のようにピンチオフを起こしてボイド309が形成されてしまう。
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、Cu膜の成膜にICP型プラズマスパッタ装置を用いた例について説明したが、これに限らず他のタイプのプラズマスパッタ装置でもよく、また、Cuイオンとプラズマガス生成イオンの引き込みを調整することができれば他のタイプのPVD装置でもよい。
12a,12b;バリア膜成膜装置
14a,14b;Ruライナー膜成膜装置
22a,22b,24a,24b;Cu膜成膜装置
51;処理容器
56;真空ポンプ
59;ガス供給源
63;載置台
65;冷却ジャケット
74;バイアス用高周波電源
78;プラズマ発生源
80;コイル
83;Cuターゲット
84;直流電源
85;磁石
87;抵抗ヒーター
201;下部構造
202;層間絶縁膜
203;トレンチ
204;バリア膜
205;Ruライナー膜
206;第1のCu膜
207;第2のCu膜
301;下部配線
302;層間絶縁膜
303;トレンチ
304;ビア
305;バリア膜
306;Ruライナー膜
307;Cu膜(第1のCu膜)
W;半導体ウエハ(被処理基板)
Claims (22)
- 基板に形成された所定パターンの凹部内にCuを埋め込んでCu配線を形成するCu配線の形成方法であって、
少なくとも前記凹部の表面にバリア膜を形成する工程と、
前記バリア膜の上にRu膜を形成する工程と、
前記Ru膜の上にPVDによりCuがマイグレーションするように第1のCu膜を形成して前記凹部内にCuを埋め込む工程と、
前記第1のCu膜を含む前記パターン上に、前記第1のCu膜よりも大きな成膜速度でPVDにより第2のCu膜を形成する工程と、
CMPにより全面を研磨する工程と
を有し、
前記第1のCu膜を形成して前記Cuを埋め込む工程は、基板を加熱した状態で、基板が収容された処理容器内にプラズマ生成ガスのプラズマを生成するとともに、Cuターゲットから放出されたCuを前記プラズマ中でイオン化させ、基板にバイアスを印加して、前記処理容器内に存在するプラズマ生成ガスのイオンおよびCuイオンの基板への引き込みを調整しつつ、前記Ru膜上でCuをマイグレーションさせながら前記凹部内にCuを埋め込むことを特徴とするCu配線の形成方法。 - 前記凹部はトレンチまたはホールであることを特徴とする請求項1に記載のCu配線の形成方法。
- 基板に形成された所定パターンの凹部内にCuを埋め込んでCu配線を形成するCu配線の形成方法であって、
少なくとも前記凹部の表面にバリア膜を形成する工程と、
前記バリア膜の上にRu膜を形成する工程と、
前記Ru膜の上に、PVDによりCuがマイグレーションするように第1のCu膜を形成して前記凹部内にCuを埋め込む工程と、
前記第1のCu膜を含む前記パターン上に、前記第1のCu膜よりも大きな成膜速度でPVDにより第2のCu膜を形成する工程と、
CMPにより全面を研磨する工程と
を有し、
前記凹部は、トレンチと該トレンチの底部に形成されたホールとを有し、
前記第1のCu膜を形成して前記凹部内にCuを埋め込む工程は、基板を加熱した状態で、基板が収容された処理容器内にプラズマ生成ガスのプラズマを生成するとともに、Cuターゲットから放出されたCuを前記プラズマ中でイオン化させ、基板にバイアスを印加して、前記処理容器内に存在するプラズマ生成ガスのイオンおよびCuイオンの基板への引き込みを調整しつつ、前記Ru膜上でCuをマイグレーションさせながら前記凹部内にCuを埋め込み、
かつ、前記ホールへのCuの埋め込みが完了するまでの第1段階と、前記ホールの埋め込みが完了後、前記トレンチの埋め込みが完了するまでの第2段階とを有し、
前記第1段階の成膜速度は前記第2段階の成膜速度よりも小さいことを特徴とするCu配線の形成方法。 - 前記第1段階の成膜速度は、トレンチの底部でオーバーハングが生じない程度のCuの流動性が確保される成膜速度であることを特徴とする請求項3に記載のCu配線の形成方法。
- 前記第1段階の成膜速度は5〜20nm/minであり、前記第2段階の成膜速度は20〜150nm/minであることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のCu配線の形成方法。
- 前記第2のCu膜を形成する工程と前記CMPにより研磨する工程の間にアニールする工程をさらに有することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記第1のCu膜を形成して前記凹部内にCuを埋め込む工程は、基板温度を65℃以上350℃以下にして行われることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記第2のCu膜を形成する工程は、前記第1のCu膜を形成する装置により、前記処理容器の圧力が前記第1のCu膜を形成する際よりも低くなるような条件、または前記Cuターゲットに印加される直流パワーが前記第1のCu膜を形成する際よりも高くなるような条件、またはこれらの両方の条件で行われることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記第2のCu膜を形成する工程は、前記第1のCu膜を形成する装置とは異なる装置により行われることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記第2のCu膜を形成する工程は、基板が収容された処理容器内にプラズマ生成ガスによりプラズマを生成し、CuターゲットからCuを放出させて、Cuを前記プラズマ中でイオン化させ、前記基板にバイアス電力を印加してCuイオンを基板上に引きこむ装置により、前記処理容器の圧力が前記第1のCu膜を形成する際よりも低くなるような条件、または前記Cuターゲットに印加される直流パワーが前記第1のCu膜を形成する際よりも高くなるような条件、またはこれらの両方の条件で行われることを特徴とする請求項9に記載のCu配線の形成方法。
- 前記第1のCu膜は、前記凹部の全体を埋めるように形成され、前記第2のCu膜は、前記第1のCu膜の上に積み増されるように形成されることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記所定パターンは、相対的に狭いトレンチまたはホールと、相対的に広いトレンチまたはホールとを有し、前記第1のCu膜は、前記相対的に狭いトレンチまたはホールの全体を埋めるとともに、前記相対的に広いトレンチまたはホールを部分的に埋めるように形成され、前記第2のCu膜は、前記相対的に狭いトレンチまたはホールの部分では前記第1のCu膜の上に積み増されるとともに、前記相対的に広いトレンチまたはホールを全体的に埋めてさらに積み増し部分を形成することを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記バリア膜は、Ti膜、TiN膜、Ta膜、TaN膜、Ta/TaNの2層膜、TaCN膜、W膜、WN膜、WCN膜、Zr膜、ZrN膜、V膜、VN膜、Nb膜、NbN膜からなる群から選択されるものであることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記バリア膜は、PVDにより形成されることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記Ru膜は、CVDにより形成されることを特徴とする請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のCu配線の形成方法。
- 前記Ru膜は、成膜原料としてルテニウムカルボニルを用いたCVDにより形成されることを特徴とする請求項15に記載のCu配線の形成方法。
- 基板に形成された所定パターンの凹部内にCuを埋め込んでCu配線を形成するための成膜システムであって、
少なくとも前記凹部の表面にバリア膜を形成するバリア膜成膜装置と、
前記バリア膜の上にRu膜を形成するRu膜成膜装置と、
前記Ru膜の上にPVDによりCu膜を形成するCu膜成膜装置と、
前記Cu膜成膜装置を制御する制御部と
を有し、
前記Cu膜成膜装置は、処理容器と、前記処理容器内で直流電圧が印加されることによりCuを放出するCuターゲットと、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、基板にバイアスを印加する手段とを有し、
前記制御部は、前記Cu膜成膜装置を、基板を加熱した状態で、基板が収容された処理容器内にプラズマ生成ガスのプラズマを生成するとともに、Cuターゲットから放出されたCuを前記プラズマ中でイオン化させ、基板にバイアスを印加して、前記処理容器内に存在するプラズマ生成ガスのイオンおよびCuイオンの基板への引き込みを調整しつつ、前記Ru膜上でCuをマイグレーションさせながら第1のCu膜を形成して前記凹部内にCuを埋め込むように制御し、かつ、前記第1のCu膜を含む前記パターン上に、前記第1のCu膜よりも大きな成膜速度で第2のCu膜を形成するように制御することを特徴とする成膜システム。 - 前記Cu膜成膜装置は、前記第1のCu膜を成膜する際に、基板温度が65℃以上350℃以下に設定されることを特徴とする請求項17に記載の成膜システム。
- 前記Cu膜成膜装置は、前記第2のCu膜を形成する際に、前記処理容器の圧力が前記第1のCu膜を形成する際よりも低くなるような条件、または前記Cuターゲットに印加される直流パワーが前記第1のCu膜を形成する際よりも高くなるような条件、またはこれらの両方の条件で行われることを特徴とする請求項17または請求項18に記載の成膜システム。
- 基板に形成された所定パターンの凹部内にCuを埋め込んでCu配線を形成するための成膜システムであって、
少なくとも前記凹部の表面にバリア膜を形成するバリア膜成膜装置と、
前記バリア膜の上にRu膜を形成するRu膜成膜装置と、
前記Ru膜の上にPVDにより第1のCu膜を形成する第1のCu膜成膜装置と、
前記第1のCu膜の上にPVDにより第2のCu膜を形成する第2のCu膜成膜装置と、
前記第1のCu膜成膜装置および前記第2のCu膜成膜装置を制御する制御部と
を有し、
前記第1のCu膜成膜装置は、処理容器と、前記処理容器内で直流電圧が印加されることによりCuを放出するCuターゲットと、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、基板にバイアスを印加する手段とを有し、
前記制御部は、前記第1のCu膜成膜装置を、基板を加熱した状態で、基板が収容された処理容器内にプラズマ生成ガスのプラズマを生成するとともに、Cuターゲットから放出されたCuを前記プラズマ中でイオン化させ、基板にバイアスを印加して、前記処理容器内に存在するプラズマ生成ガスのイオンおよびCuイオンの基板への引き込みを調整しつつ、前記Ru膜上でCuをマイグレーションさせながら前記第1のCu膜を形成して前記凹部内にCuを埋め込むように制御し、かつ、前記第2のCu膜成膜装置を、前記第1のCu膜を含む前記パターン上に、前記第1のCu膜よりも大きな成膜速度でPVDにより第2のCu膜を形成するように制御することを特徴とする成膜システム。 - 前記第2のCu膜成膜装置は、基板が収容された処理容器内にプラズマ生成ガスによりプラズマを生成し、CuターゲットからCuを放出させて、Cuを前記プラズマ中でイオン化させ、前記基板にバイアス電力を印加してCuイオンを基板上に引きこむものであり、前記処理容器の圧力が前記第1のCu膜を形成する際よりも低くなるような条件、または前記Cuターゲットに印加される直流パワーが前記第1のCu膜を形成する際よりも高くなるような条件、またはこれらの両方の条件で行われることを特徴とする請求項20に記載の成膜システム。
- コンピュータ上で動作し、成膜システム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16のいずれかのCu配線の形成方法が行われるように、コンピュータに前記成膜システムを制御させることを特徴とする記憶媒体。
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