JP6584326B2 - Cu配線の製造方法 - Google Patents
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Description
最初に、本発明のCu配線の製造方法の一実施形態について図1のフローチャートおよび図2の工程断面図を参照して説明する。
なお、酸化マンガンはMnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2等複数の形態をとり得るため、これら全てを総称してMnOxで表す。
最初に、バリア膜であるMnOx膜205を形成する工程について説明する。
MnOx膜205はALDにより成膜する。MnOx膜205は成膜の際の熱、またはその後のプロセス(水素ラジカル処理やアニール処理等)の熱により、少なくとも層間絶縁膜202との境界部分で層間絶縁膜202中のSiおよびO成分と反応してマンガンシリケート(MnxSiOy(MnSiO3またはMn2SiO4))が形成され、自己形成バリア膜となる。
ここでは、テトラエチルオルソシリケート(TEOS)を用いてCVDにより成膜したSiO2膜上に、有機Mn化合物としてアミドアミノアルカン系マンガン化合物を用いて130℃のALDによりサイクル数を変化させてMnOx膜を成膜し、水素濃度10%、300℃で30secの水素ラジカル処理を行った後、ルテニウムカルボニルを用いて180℃、300secのCVDでRu膜を成膜したサンプルを作製した。これらについて、ALDサイクル数とRu膜の膜厚との関係を図4に示し、ALDサイクル数とRu膜のHaze値(膜の表面粗さの指標、任意単位)との関係を図5に示す。なお、Ru膜の膜厚は、TEM換算値である(以下同じ)。
次に、水素ラジカル処理について説明する。
水素ラジカル処理は、MnOx膜205を還元して表面をMnに改質する処理であり、これにより、Ru膜が成膜しやすくなる。すなわち、水素ラジカル処理により、Ru膜成膜時のインキュベーション時間を短くすることができ、成膜初期における成膜レートを高くすることができるとともに、Ruの膜質を良好にすること(低抵抗)、Ru膜の表面粗さを低減すること、およびRu膜を高ステップカバレッジで薄く均一に成膜することができる。
ここでは、TEOSを用いたCVDにより成膜したSiO2膜上に、有機Mn化合物としてアミドアミノアルカン系マンガン化合物を用いて130℃のALDによりサイクル数21サイクルとしてMnOx膜を成膜し、水素濃度10.6%、100℃、200℃、300℃、400℃と温度を変えて、300secの水素ラジカル処理(H2R)を行った後、ルテニウムカルボニルを用いて195℃で80secのCVDによりRu膜を成膜した。このときのRu膜表面の表面モフォロジーのSEM観察結果を図10に示す。この図に示すように、水素ラジカル処理の温度が高いほどRu膜の表面平滑性が良好になることがわかる。
ここでは、TEOSを用いたCVDにより成膜したSiO2膜上に、有機Mn化合物としてアミドアミノアルカン系マンガン化合物を用いて130℃のALDによりサイクル数21サイクルとしてMnOx膜を成膜し、水素濃度10.6%、300℃で時間を変化させて水素ラジカル処理を行った後、ルテニウムカルボニルを用いて180℃、300secのCVDでRu膜を成膜したサンプルを作製した。これらについて、水素ラジカル処理時間とRu膜の膜厚との関係を図14に示し、水素ラジカル処理時間とRu膜のHaze値との関係を図15に示す。
図16は、水素ラジカル処理の条件を変化させた際のCuの埋め込み性を示す断面TEM写真である。図16の(a)は、水素ラジカル処理の条件をリモートプラズマのRF供給電力:2kW、Ar/H2流量:110/13sccm(水素濃度:10.6%)、温度:300℃、処理時間:300secとした標準サンプルであり、(b)は、Ar/H2流量を40/20sccm(水素濃度:33.3%)に変化させたもの、(c)は、RF供給電力を1kWに変化させたもの、(d)は、処理時間を30secに変化させたもの、(e)は、温度を100℃に変化させたものである。なお、他の膜の条件は図14、15の実験に用いたサンプルと同様としている。
次に、被濡れ層としてのRu膜206を形成する工程について説明する。
ここでは、TEOSを用いたCVDにより成膜したSiO2膜上に、有機Mn化合物としてアミドアミノアルカン系マンガン化合物を用いて130℃のALDによりサイクル数21サイクルとしてMnOx膜を成膜し、水素濃度10.6%、300℃で水素ラジカル処理を行った後、175〜205℃の温度で種々の膜厚でルテニウムカルボニルを用いたCVDによりRu膜を成膜した。その際の各成膜温度におけるRu膜の膜厚とRu表面のHaze値との関係を図18に示す。この図に示すように、Ru膜の成膜温度が高いほどRu膜表面のHaze値が小さくなって表面平滑性が良好になることが確認された。
次に、Cu系膜207を成膜する工程について説明する。
Cu系膜207は、上述したように、ドライプロセスであるPVDにより成膜する。このとき、ウエハにイオンを引き込みながら成膜するiPVDを用いることが好ましい。
次に、本実施形態の効果を確認した実験例について説明する。
ここでは、シリコンウエハに低誘電率(Low−k)膜としてSiOC膜を形成し、ライン/スペースが60nm/60nmになるようなパターンでトレンチを形成した後、有機Mn化合物としてアミドアミノアルカン系マンガン化合物を用い、酸素含有ガスとしてH2O(水蒸気)を用いて、130℃で30サイクルのALDによりMnOx膜を成膜し(設定膜厚2.1nm)、リモートプラズマを用いて300℃、300secの水素ラジカル処理を行った後、ルテニウムカルボニルを用いて175℃、300secのCVDでRu膜を成膜し(設定膜厚3.3nm)、300℃のiPVDによりCu膜を成膜して(設定膜厚150nm)、トレンチにCuを埋め込んだ。その際の断面のTEM写真を図19に示す。この図に示すように、条件を適正化することにより、Ru膜が平滑な表面状態を有する薄い連続膜として形成することができ、極めて良好なCu埋め込み性が得られることが確認された。
ここでは、シリコンウエハに低誘電率(Low−k)膜としてSiOC膜を形成し、ライン/スペースが60nm/60nmになるようなパターンでトレンチを形成した後、有機Mn化合物としてアミドアミノアルカン系マンガン化合物を用い、酸素含有ガスとしてH2O(水蒸気)を用いて、130℃で21サイクルまたは30サイクルのALDによりMnOx膜を成膜し(設定膜厚1.5nmまたは2.1nm)、リモートプラズマを用いて300℃または400℃、300secの水素ラジカル処理を行った後、ルテニウムカルボニルを用いて195℃、80secまたは120secのCVDでRu膜を成膜し(設定膜厚2.9nmまたは3.8nm)、300℃のiPVDによりCu膜を成膜して(設定膜厚150nm)、トレンチにCuを埋め込み、サンプルA、サンプルB、およびサンプルCを作成した。各サンプルの条件は以下の通りである。
・サンプルA
MnOx膜のサイクル数:30サイクル(設定膜厚:2.1nm)
水素ラジカル処理温度:300℃
Ru膜成膜時間:120sec(設定膜厚:3.8nm)
・サンプルB
MnOx膜のサイクル数:30サイクル(設定膜厚:2.1nm)
水素ラジカル処理温度:400℃
Ru膜成膜時間:80sec(設定膜厚:2.9nm)
・サンプルC
MnOx膜のサイクル数:21サイクル(設定膜厚:1.5nm)
水素ラジカル処理温度:400℃
Ru膜成膜時間:120sec(設定膜厚:3.8nm)
ここでは、シリコンウエハに層間絶縁膜としてTEOSを用いたCVDによるSiO2膜を形成し、ライン/スペースが60nm/60nmで電気特性用のパターンを形成した後、バリア膜としてアミドアミノアルカン系マンガン化合物を用いて130℃のALDによりMnOx膜を形成し、水素濃度10.6%で所定温度で2kWのリモートプラズマにより300secの水素ラジカル処理を行い、次いで、ルテニウムカルボニルを用いてCVDによりRu膜を成膜した。その後、300℃のiPVDによりCuを埋め込み、さらにCMPを行って、電気特性測定用Cu配線パターンを作製した。Cu配線の形成条件としては、以下の#1〜#6の6種類とした。
MnOx膜のサイクル数:30サイクル(設定膜厚:2.1nm)
水素ラジカル処理温度:300℃
Ru膜成膜温度:175℃
Ru膜成膜時間:300sec(設定膜厚:2.7nm)
の同じ条件で作製したものである。また、#3〜#6は#1、#2に対してRu膜の成膜条件を変化させ、一部はさらにMnOx膜のサイクル数および水素ラジカル処理温度を変化させたものであり、具体的な作製条件は以下の通りである。
・#3
MnOx膜のサイクル数:30サイクル(設定膜厚:2.1nm)
水素ラジカル処理温度:300℃
Ru膜成膜温度:195℃
Ru膜成膜時間:80sec(設定膜厚:2.9nm)
・#4
MnOx膜のサイクル数:30サイクル(設定膜厚:2.1nm)
水素ラジカル処理温度:300℃
Ru膜成膜温度:195℃
Ru膜成膜時間:120sec(設定膜厚:3.8nm)
・#5
MnOx膜のサイクル数:21サイクル(設定膜厚:1.5nm)
水素ラジカル処理温度:400℃
Ru膜成膜温度:195℃
Ru膜成膜時間:80sec(設定膜厚:2.9nm)
・#6
MnOx膜のサイクル数:21サイクル(設定膜厚:1.5nm)
水素ラジカル処理温度:400℃
Ru膜成膜温度:195℃
Ru膜成膜時間:120sec(設定膜厚:3.8nm)
次に、本発明の実施形態に係るCu配線の製造方法の実施に好適な成膜システムについて説明する。図27は本発明の実施形態に係るCu配線の製造方法の実施に好適なCu配線製造システムの概略構成を示すブロック図、図28は図27の成膜システムの主要部となるドライ成膜処理部101の一例を示す平面図、図29は図27の成膜システムの制御部104を示すブロック図である。
エッチングおよびアッシング後のウエハが収容されたキャリアCがドライ成膜処理部101に搬送され、所定位置にセットされる。そしてキャリアCから大気搬送用搬送機構36によりトレンチやビアなどの凹部を有する所定パターンが形成されたウエハWを取り出し、アライメント室34でアライメントを行った後、ロードロック室24aまたは24bに搬送する。そのロードロック室を第2の真空搬送室21と同程度の真空度に減圧した後、第2の搬送機構26によりロードロック室のウエハWを取り出し、第2の真空搬送室21を介してデガス室13に搬送し、ウエハWのデガス処理を行う。その後、第1の搬送機構16によりデガス室13のウエハWを取り出し、第1の真空搬送室11を介してMnOx膜成膜装置12a、12b、12c、12dのいずれかに搬入し、上述したような自己形成バリア膜を形成するためのMnOx膜を成膜する。
次に、上記Cu配線製造システム100においてCu系膜成膜装置23に好適に用いることができるiPVD装置について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。図30は、ICP型プラズマスパッタ装置を示す断面図である。
次に、上記Cu配線製造システム100に用いられるMnOx膜成膜装置12a,12b,12c,12dに好適に用いることができるALD装置について説明する。図31は、ALD装置の一例を示す断面図であり、ALDによりMnOx膜を成膜するものである。なお、このALD装置は、CVD装置としてRu膜成膜装置22に用いることも可能である。
次に、上記Cu配線製造システム100に用いられる水素ラジカル処理装置の一例について説明する。
図32は、水素ラジカル処理装置の一例を示す断面図であり、リモートプラズマ処理により処理容器内に水素ラジカルを生成するものを例にとって説明する。
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、ドライ成膜処理部としては、Cu系膜成膜までを図28のような一体となった処理部で行うものに限らず、デガス処理からMnOx膜成膜処理までの部分と、水素ラジカル処理からRu膜成膜処理、Cu系膜成膜処理に至るまでの処理部に分かれていてもよい。MnOx膜成膜後にウエハを大気に開放したとしても、水素ラジカル処理によりその影響をリセットすることが可能なためである。
13;デガス室
14;水素ラジカル処理装置
22;Ru膜成膜装置
23;Cu系膜成膜装置
100;Cu配線製造システム
101;ドライ成膜処理部
102;Cuめっき処理部
103;CMP処理部
104;制御部
201;下部構造
202;層間絶縁膜
203;トレンチ
204;ビア
205;MnOx膜
206;Ru膜
207;Cu系膜
208;積み増しCu層
209;Cu配線
W;半導体ウエハ(基板)
Claims (12)
- 表面に所定パターンの凹部が形成された層間絶縁膜を有する基板に対し、前記凹部を埋めるCu配線を製造するCu配線の製造方法であって、
少なくとも前記凹部の表面に、前記層間絶縁膜との反応で自己形成バリア膜となるMnOx膜をALDにより形成する工程と、
前記MnOx膜の表面に水素ラジカル処理を施して前記MnOx膜の表面を還元する工程と、
前記水素ラジカル処理が施されて表面が還元されたMnOx膜の表面にRu膜をCVDにより形成する工程と、
その後、Ru膜の上にCu系膜をPVDにより形成して前記凹部内に前記Cu系膜を埋め込む工程とを有し、
前記Ru膜を成膜する際に、核形成が促進され、かつ表面平滑性が高い状態でRu膜が成膜されるように、前記MnOx膜の成膜条件および前記水素ラジカル処理の条件を規定して、前記MnOx膜を成膜する工程および前記MnOx膜を還元する工程を連続で行い、
前記MnOx膜の成膜条件は、基板を配置した処理容器内に、マンガン化合物ガスおよび酸素含有ガスを、前記処理容器内のパージを挟んで交互に供給するALDサイクルにより成膜を行い、その際のサイクル数が19〜31回であり、前記MnOx膜の膜厚が1.3〜2.2nmであり、基板温度が、前記マンガン化合物の熱分解温度よりも低い温度である130〜180℃であり、
前記水素ラジカル処理の条件は、基板温度が300〜400℃、処理期間が100sec以上であることを特徴とするCu配線の製造方法。 - 前記MnOx膜の一部が、成膜の際の熱およびその後の処理の熱によりマンガンシリケートとなり、残存するMnOx膜とマンガンシリケート膜の合計膜厚に対する前記マンガンシリケート膜の膜厚の比が30%以上であることを特徴とする請求項1に記載のCu配線の製造方法。
- 前記マンガン化合物がシクロペンタジエニル系マンガン化合物、アミジネート系マンガン化合物、およびアミドアミノアルカン系マンガン化合物のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のCu配線の製造方法。
- 前記水素ラジカル処理は、水素ガスを含むガスのプラズマより派生したラジカルを前記基板に供給することにより行われ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Cu配線の製造方法。
- 前記ALDサイクル数および前記MnOx膜の膜厚は、Ruが成膜されるきっかけとなる核密度が高くなるように設定されることを特徴とする請求項1に記載のCu膜の製造方法。
- 前記MnOx膜の前記核密度は、前記水素ラジカル処理の温度で変化しないことを特徴とする請求項5に記載のCu膜の製造方法。
- 前記Ru膜の表面のラフネス値は、前記MnOx膜の水素ラジカル処理の温度が高いほど低下することを特徴とする請求項6に記載のCu膜の製造方法。
- 前記Ru膜を形成する際に、成膜原料としてルテニウムカルボニルを用い、基板温度を170〜230℃にし、前記Ru膜の膜厚を1.5〜4.5nmの範囲とす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配線の製造方法。
- 前記Ru膜を形成する際に、基板温度を190〜200℃にすることを特徴とする請求項8に記載のCu配線の製造方法。
- 前記Ru膜の膜厚は、2.5〜3.8nmであることを特徴とする請求項9に記載のCu配線の製造方法。
- 前記Cu系膜の形成は、イオン化PVDにより基板温度を230〜350℃にして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配線の製造方法。
- コンピュータ上で動作し、Cu配線製造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11のいずれかのCu配線の製造方法が行われるように、コンピュータに前記Cu配線製造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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