JP6799843B2 - Ru film forming method, Ru film forming apparatus - Google Patents
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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。 The present invention relates to a ruthenium (Ru) film forming method, a film forming apparatus, and a metal film forming apparatus. Further, the present invention relates to a Ru barrier metal layer used in a semiconductor wafer and a wiring structure in which the Ru barrier metal layer is used.
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。 In recent years, as a wiring structure in an LSI (semiconductor integrated circuit), a multilayer wiring structure in which a plurality of wiring layers are laminated via an interlayer insulating layer is widely used. Here, in LSIs with advanced speed and miniaturization, low resistance of wiring is particularly required. Therefore, copper having a low electrical resistivity is used as a material for forming each wiring layer. For this reason, such a wiring layer is mainly composed of copper, but copper easily diffuses into the interlayer insulating layer and may adversely affect the operation and reliability of the LSI. There is a problem that the adhesion between the interlayer insulating layer and copper is low. Therefore, in reality, in a wiring structure using copper, a thick copper layer is formed on a thin metal layer (barrier metal layer). The barrier metal layer has a role of preventing (barriering) the diffusion of copper and an interposition between the copper layer and another layer (underlying metal layer or interlayer insulating layer) between the copper layer and the other layer. It plays a role of enhancing the adhesion of.
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。 As the material of the barrier metal layer that can play this role, Ta, Ti, TaN, TiN and the like are known. Here, since the wiring structure is required to have low resistance, it is preferable that these barrier metal layers also have low resistance, but in reality, the electrical resistivity of the material of these barrier metal layers is higher than that of copper. It was also significantly high, and it was difficult to make the barrier metal layer low in resistance.
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。 As a material for the barrier metal layer that can replace the above materials, there is ruthenium (Ru). For example, the specific resistances of Ta and Ti in the bulk state are about 15 × 10 -6 Ω · cm and 80 × 10 -6 Ω · cm, while the specific resistances of Ru in the bulk state are 9 × 10 -6. Since it is about Ω · cm, it is expected that the resistivity of the barrier metal layer can be reduced by using Ru.
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。 In order to use Ru as the barrier metal layer, a film having excellent mass productivity and step covering property is used as the film forming method. As such a film forming method, for example, there is a DC sputtering method as described in Patent Document 1. In the technique described in Patent Document 1, by heating the temperature of the substrate on which the Ru barrier metal layer is to be formed to 500 ° C. or higher at the time of film formation, the area ratio of the crevasse is small, so that the barrier property is high and the copper layer is formed. It was possible to form a Ru barrier metal layer having a small specific resistance, which can obtain a high degree of adhesion.
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（ＳｉＯ２等）との間の密着性（耐剥離性）も高めることができる。 Further, even if the Ru barrier metal layer does not have such good characteristics immediately after film formation, voids and crevasses can be reduced by performing heat treatment thereafter, and the Ru barrier metal layer can be made into a more precise structure. The specific resistance can be made smaller. At this time, by reducing voids and crevasses, the adhesion (peeling resistance) between the Ru barrier metal layer and the copper layer or the interlayer insulating layer (SiO 2 or the like) can be improved.
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。 Such copper wiring is actually formed on a semiconductor wafer in which component elements of the LSI, that is, a wiring layer, a transistor (MOS transistor), etc., which are lower layers thereof, are formed in advance. At this time, the heat resistance of the material and structure of the wiring layer and the transistor (for example, the diffusion layer and the interlayer insulating layer) decreases as the speed of the LSI increases or the design rule becomes finer. In order to form a metal layer such as the barrier metal layer on such a semiconductor wafer, it is necessary to lower the film formation temperature and the heat treatment temperature after the film formation. For example, these temperatures are patented. It was desired that the temperature be lower than 500 ° C. as described in Document 1.
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。 That is, it was desired that a Ru layer (metal layer) having a dense structure could be formed at a low temperature.
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。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an invention for solving the above problems.
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ＤＣ放電によって前記Ａｒをプラズマ化可能な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た、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り、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、前記高周波電力を供給し、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／ｃｍ２〜１１．９Ｗ／ｃｍ２の範囲とす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、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、５×１０ −４ Ｔｏｒｒ〜２×１０ −３ Ｔｏｒｒの範囲に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４００℃以下で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ＤＣ放電によって前記Ａｒをプラズマ化可能な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た、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り、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高周波電力の印加によって前記Ａｒをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、を具備し、前記直流電力の供給と前記高周波電力の印加が同時に行われることを特徴とする。
本発明のＲｕ成膜装置は、前記チャンバ内において、前記Ａｒが導入されるガス導入口が前記スパッタリングターゲットからみて前記基板がある側と反対側に、前記チャンバ内を排気する排気ポートが前記スパッタリングターゲットからみて前記基板がある側に、それぞれ設けられたことを特徴とする。
The present invention has the following configurations in order to solve the above problems.
The ruthenium (Ru) film forming method of the present invention is a Ru film forming method in which a Ru layer containing ruthenium (Ru) as a main component is formed on a substrate by a sputtering method, and the pressure is 5 × 10 -4 Torr ~. In an argon (Ar) atmosphere in the range of 2 × 10 -3 Torr, the substrate and the sputtering target containing Ru as a main component are arranged so as to face each other in the vertical direction, and the sputtering target side and the substrate side are arranged. In between, a DC power capable of converting the Ar into plasma by DC discharge is applied with the substrate side as negative , and a high-frequency power is provided adjacent to the sputtering target and surrounds the sputtering target in the vertical direction. Is supplied, and even when the DC power is not applied between the sputtering target side and the substrate side , the high frequency power is supplied to the plasma auxiliary means capable of converting Ar into plasma, and the high frequency power is supplied. The Ru layer is formed by setting the temperature of the substrate to 400 ° C. or lower.
The Ru film forming method of the present invention is characterized in that the DC power standardized by the area of the sputtering target is in the range of 5.9 W / cm 2 to 11.9 W / cm 2 .
The Ru film forming method of the present invention is characterized in that the high frequency power is in the range of 30 W to 60 W.
The Ru film forming apparatus of the present invention is a Ru film forming apparatus for forming a Ru layer containing ruthenium (Ru) as a main component on a substrate by a sputtering method, and is a 5 × 10 -4 Torr to 2 × 10 -3. In an atmosphere of argon (Ar) whose pressure is controlled in the range of Torr, a chamber in which the substrate and a sputtering target containing Ru as a main component are opposed to each other in the vertical direction and held therein, and the above in the chamber. A substrate holder that holds the substrate while controlling the temperature of the substrate at 400 ° C. or lower, a cathode electrode that holds the sputtering target in the chamber, and the substrate holder and the cathode electrode with the cathode electrode on the negative side. A DC power supply that supplies DC power that can convert the Ar into plasma by DC discharge between them, and a high-frequency power that surrounds the sputtering target in the vertical direction and is provided adjacent to the sputtering target in the chamber. The coil is provided with a plasma auxiliary means capable of turning Ar into sputtering by applying the high frequency power even when the DC power is not applied between the substrate holder and the cathode electrode, and the DC is provided. It is characterized in that power is supplied and the high-frequency power is applied at the same time .
In the Ru film forming apparatus of the present invention, in the chamber, the gas introduction port into which the Ar is introduced is on the side opposite to the side where the substrate is located when viewed from the sputtering target, and the exhaust port for exhausting the inside of the chamber is the sputtering. It is characterized in that it is provided on each side of the substrate as viewed from the target.
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。 Since the present invention is configured as described above, a Ru layer (metal layer) having a dense structure can be formed at a low temperature.
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。 First, a film forming apparatus and a film forming method for the Ru barrier metal layer according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of this film forming apparatus (Ru film forming apparatus: metal film forming apparatus) 1. The film forming apparatus 1 forms a Ru barrier metal layer (metal layer) on the substrate 100 by a sputtering method.
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。 In the film forming apparatus 1, the substrate 100 and the sputtering target 11 are arranged so that the substrate 100 is on the upper side and the sputtering target (Ru target) 11 is on the lower side in the chamber 10 having a reduced pressure sputtering gas atmosphere. Are provided facing each other. The chamber 10 is evacuated by a vacuum pump (not shown) through the exhaust port 10A, and the sputtering gas is introduced from the gas introduction port 10B below the chamber 10. At this time, the pressure in the chamber 10 can be monitored with a vacuum gauge (not shown), and the inside of the chamber 10 is evacuated through a valve (not shown) whose conductance can be adjusted. By adjusting the flow rate and the opening degree of the valve, the pressure in the chamber 10 can be set in a desired range. Here, pure argon (Ar) is used as the sputtering gas introduced from the gas introduction port 10B.
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。 The sputtering target 11 is composed of high-purity Ru, is fixed to the cathode electrode 12, and is electrically connected. On the other hand, the substrate 100 is fixed to the metal substrate holder 13, and the substrate holder 13 contains an electric heater 15 for heating the substrate holder 13 and a thermocouple 16 for measuring the temperature of the substrate holder 13. Therefore, the temperature of the substrate holder 13 can be controlled in a range higher than room temperature by controlling the current flowing through the heater 15 by using the temperature control power supply 21 provided outside the chamber 10 to which these are connected. .. The temperature of the substrate 100 held by the substrate holder 13 is substantially equal to the temperature of the substrate holder 13.
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。 Here, a direct current (DC) voltage is applied between the substrate holder 13 and the cathode electrode 12 so that the cathode electrode 12 is on the negative side via a direct current power supply 22 provided outside the chamber 10. Therefore, by keeping the pressure in the chamber 10 in the sputtering gas (Ar) atmosphere within an appropriate range, DC discharge can be generated between the substrate holder 13 (substrate 100) and the cathode electrode 12 (sputtering target 11). The surface of the sputtering target 11 on the negative electrode side is irradiated with the positive ions of Ar generated at this time, and Ru atoms and ions desorbed from the sputtering target 11 at this time are deposited on the substrate 100 to cause the substrate 100. Ru film formation on the top can be performed. In addition, in order to improve the sputtering efficiency, a plurality of magnets (not shown) are arranged on the cathode electrode 12 so that the polarities of the adjacent magnets are opposite to each other, and this configuration is a DC magnetron sputtering type. It has become. The distance between the substrate 100 and the sputtering target 11 was set to 273.5 mm.
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。 The above configuration is similar to a commonly known DC sputtering apparatus. However, as shown in FIG. 1, here, a helical coil (coil: plasma auxiliary means) 14 for winding the sputtering target 11 and the cathode electrode 12 around a central axis along the vertical direction thereof is provided. .. A high frequency power of 13.56 MHz is applied to the helical coil 14 by a high frequency power supply 23 provided outside the chamber 10. By using the helical coil 14, a Ru barrier metal layer having a good film quality can be obtained even when the temperature of the substrate 100 is 400 ° C. or lower. This point will be described below.
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。 The film quality of the Ru barrier metal layer (metal film) formed by sputtering is greatly affected by the Ar pressure during sputtering and the film formation temperature (the temperature of the substrate 100 during film formation). FIG. 2 is a diagram schematically showing the dependence of the film quality of the metal film formed by the sputtering method using Ar as a sputtering gas between the Ar gas pressure and the film forming temperature (substrate temperature Ts) (“Influence of Apparatus). Geometry and Deposition Conditions on the Sputter and Topography of Sputtered Coatings ”, John A. Thomson, Journal of Gason, Journal of Gas Here, the substrate temperature Ts is standardized at the melting point Tm of the metal film (melting point of Ru to 2300 ° C.), with K as the unit. As shown in this result, the structure of the obtained metal film is a structure composed of coarse crystal grains surrounded by voids (Zone I), a structure composed of crystal grains having a dense fiber structure (Zone T), and columnar columns. It is roughly classified into four types: a structure composed of crystal grains (Zone II) and a structure composed of recrystallized coarse crystal grains (Zone III).
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。 FIG. 3A is an electron micrograph of the surface of the Ru layer formed in Zone I (Ts: room temperature). FIG. 3B is an electron micrograph of the surface of the Ru layer formed with Zone T (Ts = 700 ° C.), which corresponds to the Ru layer described in Patent Document 1. As shown in FIG. 3, in the Ru layer of Zone I (FIG. 3A), many voids are formed between the coarse columnar crystals, and this Ru layer is not suitable as a low resistance barrier metal layer. It is clear that. On the other hand, in the Ru layer of Zone T (FIG. 3 (b)), at least many such voids are not observed, and this Ru layer is suitable as a barrier metal layer. Therefore, the Ru layer of Zone T having a dense structure is preferable as the barrier metal layer.
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。 However, Ts (700 ° C.) from which the Ru layer shown in FIG. 3B can be obtained is not preferable from the viewpoint of lowering the film formation temperature. On the other hand, in the characteristics of FIG. 2, since Zone T is curved toward the side where the Ar pressure is low and the side where Ts / Tm is small, it is necessary to lower the Ar pressure when Ts is small. If the Ar pressure is high, it is necessary to increase Ts.
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。 On the other hand, in order to generate DC discharge between the substrate holder 13 and the cathode electrode 12 to cause sputtering, the Ar pressure has an appropriate range. This Ar pressure is in the range of 1 × 10 -2 Torr to 1 × 10 -1 Torr, for example, as described in Patent Document 1, which causes DC sputtering to deposit Ru on the substrate 100. Can be done. In this case, Ts required to obtain the Ru barrier metal layer to be Zone T in FIG. 2 on the substrate 100 is in the range of 500 to 800 ° C. Therefore, in Patent Document 1, Ts is set to 500 ° C. or higher. ..
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／ｃｍ２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。 In the film forming apparatus 1 of FIG. 1, when a DC discharge is generated between the substrate holder 13 and the cathode electrode 12, the helical coil 14 is used as an auxiliary to generate sputtering at a lower Ar pressure. Can be done. That is, high-frequency power is applied to the helical coil 14 to convert Ar at a lower pressure into ICP (Inductively Coupled Plasma), and then DC power is applied to the substrate holder 13 to perform DC sputtering at a lower pressure. It can be performed. In normal DC sputtering, the plasma conversion of Ar is performed by discharging with DC power applied between the substrate holder 13 and the cathode electrode 12. On the other hand, here, even when this DC power is not applied, Ar around the sputtering target 11 can be converted into plasma (ICP) at a low pressure by applying high frequency power to the helical coil 14. Therefore, specifically, when the helical coil 14 is not used, DC sputtering is performed in the range of Ar pressure in the range of 1 × 10 -2 Torr to 1 × 10 -1 Torr, whereas the helical coil 14 is subjected to DC sputtering. If high-frequency power is applied to convert Ar into ICP and then DC sputtering is performed, film formation can be performed in the range of Ar pressure of 5 × 10 -4 to 2 × 10 -3 Torr. At this time, the DC power between the substrate holder 13 and the cathode electrode 12 is set to a value in the range of 5.9 to 11.9 W / cm 2 as a value standardized by the area of the sputtering target 11, and Ru is applied to the substrate 100. A film can be formed. Further, even when this DC power is not applied, Ar in the above pressure range can be turned into plasma by supplying high frequency power in the range of 30 to 60 W to the helical coil 14.
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。 Further, in the configuration of FIG. 1, a gas introduction port 10B into which Ar gas is introduced is provided in the chamber 10 below the sputtering target 11, and the exhaust port 10A is closer to the substrate 100 than the sputtering target 11. , Is provided away from the gas inlet 10B. Therefore, in reality, the pressure near the sputtering target 11 (Ar pressure) and the pressure near the substrate 100 (Ar pressure) are not equal, and the former is higher than the latter. With such a configuration, it becomes easy to perform sputtering by lowering the pressure on the substrate 100 side. That is, in the characteristics of FIG. 2, sputtering can be performed on the side where the pressure is lower.
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。 Further, in order to obtain a uniform and uniform Ru layer with few crevasses and voids, Ru atoms are adsorbed on the surface of the substrate 100, and these Ru atoms are easily diffused (moved) along the surface on the substrate 100. It is necessary, and in this respect, it is effective to increase Ts. On the other hand, in the above configuration, the helical coil 14 is used to increase the energy of Ru atoms (ions) reaching the surface of the substrate 100, thereby increasing the degree of diffusion while keeping the Ts at 400 ° C. or lower. Can be enhanced. This makes it possible to reduce voids and crevasses in the Ru layer.
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。 Next, the characteristics of the Ru layer formed by the above film forming method will be described. First, FIG. 4 shows an electron micrograph of the surface of the Ru layer (a) formed by the above film forming method and the Ru layer (b) formed by the conventional DC sputtering method without using the helical coil 14. Here, in the film formation of the Ru layer in FIG. 4A, the Ar pressure was set to 1 × 10 -3 Torr and Ts = 400 ° C. In the film formation of the Ru layer of FIG. 4 (b), the film formation method described in Patent Document 1 was used in which the helical coil 14 was not used and the Ar pressure was 4 × 10 -2 Torr and Ts = 500 ° C. .. Further, in the Ru layer of FIG. 4B, heat treatment (400 ° C.) is performed in a hydrogen atmosphere in order to reduce voids after film formation. From this result, in FIG. 4A, a Ru layer having the same high quality as in FIG. 4B was obtained, but in FIG. 4A, the one having less voids was not heat-treated and was more Obtained at low Ts.
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。 Further, FIG. 5A shows the X-ray diffraction results of the Ru layer (a) formed by the above film forming method and the Ru layer (b) formed by the conventional sputtering method without using the helical coil 14. .. Here, since a Si single crystal wafer is used as the substrate 100, a diffraction peak corresponding to Si also appears. The film forming conditions of the sample of FIG. 5 (a) are the same as those of FIG. 4 (a), and the film forming conditions of the sample of FIG. 5 (b) are Ts = 400 ° C. and Ar pressure is 5 × 10 -3 Torr. did. Further, the lower stage in FIG. 5 (b) is the result of the Ru layer by normal DC sputtering without using the helical coil 14 in the configuration of FIG. 1, and the upper stage in FIG. 5 (b) is a substitute for DC power in this DC sputtering. This is the result of a commonly known Ru layer by RF sputtering, in which high frequency power is input to the cathode electrode.
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。 As is clear from FIG. 5 (a), in the Ru layer formed here, (002) orientation is remarkable, and this Ru layer is mainly composed of (002) oriented columnar crystals. it is obvious. In this case, the degree of orientation (002) is 85% or more. Here, the degree of orientation (002) is defined as the ratio of the integrated intensities of all the diffraction peaks corresponding to (002) to the integrated intensities of all the diffraction peaks of Ru in the X-ray diffraction pattern shown in FIG. To. On the other hand, in the Ru layer in the lower part of FIG. 5B, the orientation (101) is relatively strong, but the degree of orientation is low. In the upper Ru layer of FIG. 5B, the orientation is particularly low.
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。 When this Ru layer is used as a barrier metal layer (Ru barrier metal layer), it is used as a part of copper wiring in which a copper (Cu) layer is formed on the Ru layer. Here, for example, "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. As described in 520 (1) and p374 (2011), the lattice mismatch between the (0001) plane (equivalent to the (002) plane) of Ru and the Cu (111) plane is small, and there is a small lattice mismatch between them. The adsorption energy is large. Therefore, on the (002) highly oriented Ru barrier metal layer, a (111) highly oriented copper (Cu) layer is formed with high adhesion. In this case, the (111) degree of orientation of the Cu layer (calculated in the same manner as the (002) degree of orientation in Ru above) is 80% or more.
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ＳｉＯ２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／ｃｍ２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。 Actually, two types of copper wiring structures using the above Ru barrier metal layer were manufactured. The manufacturing process in the first structure is shown in FIG. Here, as shown in FIG. 6A, a structure in which a uniformly thin SiO 2 layer 52 is formed on a Si substrate 51 (10 mm × 10 mm) having a simple planar structure is used as a base. As shown in FIG. 6B, the above Ru barrier metal layer 53 was formed on the Ru barrier metal layer 53, and then the Cu layer 54 was formed on the Ru barrier metal layer 53 by electroplating. In electroplating, the structure shown in FIG. 6 (b) is used as a cathode, copper having a purity of 99.9999% is used as an anode, and a current density of 5 mA / cm 2 is applied in a copper sulfate-copper sulfate solution (plating bath). To form a Cu layer 54 having a thickness of 300 nm. Here, in general, electroplating is often performed after forming a thin copper layer having a thickness of about several nm on the Ru barrier metal layer 53 as a seed layer by a sputtering method or the like. No such seed layer is used here.
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ＳｉＯ２層５２が形成されるが、このＳｉＯ２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。 Further, the manufacturing process in the second structure is shown in FIG. Here, as shown in FIG. 7A, the SiN layer 55 serving as a barrier layer is thinly formed on the Si substrate 51, and the SiO 2 layer 52 is formed on the SiN layer 55, which is formed on the SiO 2 layer 52. Has an opening. Then, as shown in FIG. 7 (b), after the Ru barrier metal layer 53 is formed on the entire surface including the inside of the opening, as shown in FIG. 7 (c), the same as described above. The Cu layer 54 was formed. This structure is particularly suitable for manufacturing copper wiring by the damascene method.
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。 In both cases of FIGS. 6 (c) and 7 (c), the orientation of the Cu layer 54 was mainly (111) based on the X-ray diffraction results ((111) degree of orientation was 80% or more. Yes) was confirmed. Therefore, it was confirmed that the copper wiring can be formed by using the above Ru barrier metal layer 53.
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。 Next, in the sample of the form shown in FIG. 6B, Ru barrier metal layers 53 having different film thicknesses were formed by changing the film forming time. Then, the electrical resistivity of the Ru barrier metal layer 53 was measured by the 4-terminal method. The relationship between the electrical resistivity and the film thickness measured by this is shown in FIG. In this case, the Ar pressure was 1 × 10 -3 Torr and Ts = 400 ° C. From this result, a Ru barrier metal layer 53 having a low electrical resistivity of about 20 × 10 -6 Ω · cm was obtained by setting the film thickness to 20 nm or more. Although this electrical resistivity is higher than that of Ru in the bulk state, it is lower than that of other barrier metal layers that are also used in the thin film state.
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。 Therefore, copper wiring can be formed on the semiconductor wafer by using the Ru barrier metal layer 53. Here, when the wiring width in the LSI is reduced (the design rule is miniaturized), the thickness of the barrier metal layer is sufficient in order to achieve the effect as the barrier metal layer even if the wiring width is reduced. More than a certain amount is required. FIG. 9 is an example of calculating the wiring width dependence of the ratio of the cross-sectional area of the barrier metal layer to the cross-sectional area of the wiring. Here, the aspect ratio of the wiring (wiring depth / wiring width) is 3, and the thickness of the barrier metal layer is 3 nm. As described above, when the design rule is miniaturized, the ratio of the barrier metal layer in the cross section of the wiring structure becomes large. In this case, in order to reduce the resistance of the wiring, it is essential to reduce the resistance of the barrier metal layer. As described above, since Ru has a lower resistivity than Ta, Ti, TaN, TiN, etc., Ru has a wiring width of 40 nm or less in which the increase in the cross-sectional area ratio occupied by the barrier metal layer becomes remarkable in FIG. Is particularly preferable to be used as a barrier metal layer. Further, for example, in a semiconductor wafer on which a transistor or a wiring structure (wiring layer, interlayer insulation layer, etc.) constituting an LSI having a design rule of 40 nm or less is formed, the heat resistance of such a transistor or the wiring structure is low, so that the Ru barrier It is desired that a Ru barrier metal layer having a good film quality can be obtained without forming a metal layer at 500 ° C. or lower and requiring heat treatment at a temperature higher than this temperature. The Ru barrier metal layer described above is particularly preferably used in such cases.
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。 In the above, the sputtering target 11 is composed of high-purity Ru, whereby a Ru layer (Ru barrier metal layer) is formed on the substrate 100. However, the barrier metal layer may be an alloy containing Ru. Even in this case, the main component is Ru (for example, as long as the atomic composition of Ru is 90% or more, the characteristics of FIG. 2 appear in the same manner, so that the above configuration is effective.
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。 Further, in the above, the Ru layer is formed by using the film forming apparatus 1 of FIG. 1, but for a material other than the Ru layer that can be formed by DC sputtering (for example, an arbitrary metal material). However, it is clear that this configuration is effective when film formation at a low temperature is required. That is, the material of the sputtering target 11 can be appropriately set according to the metal layer to be formed on the substrate 100. Sputtering conditions (sputtering gas pressure), DC power, high frequency power, and the like are set accordingly.
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。 Further, in the above, the helical coil 14 was used as the plasma auxiliary means, but as long as the sputtering gas can be turned into plasma at a lower pressure than when a DC discharge is generated between the substrate 100 and the sputtering target 11, the helical coil 14 is used. Other plasma generating means can be used as the plasma auxiliary means.
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 ＳｉＯ２層
５３ Ｒｕバリアメタル層
５４ Ｃｕ層
５５ ＳｉＮ層
１００ 基板
1 Film forming equipment (Ru film forming equipment: metal film forming equipment)
10 Chamber 10A Exhaust port 10B Gas inlet 11 Sputtering target 12 Cathode electrode 13 Substrate holder 14 Helical coil (coil: plasma auxiliary means)
15 Heater 16 Thermocouple 21 Temperature control power supply 22 DC power supply 23 High frequency power supply 51 Si substrate 52 SiO 2 layer 53 Ru Barrier metal layer 54 Cu layer 55 SiN layer 100 substrate
Claims (5)
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ＤＣ放電によって前記Ａｒをプラズマ化可能な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た、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り、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、前記高周波電力を供給し、
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。 This is a Ru film forming method for forming a Ru layer containing ruthenium (Ru) as a main component on a substrate by a sputtering method.
In an argon (Ar) atmosphere in which the pressure is in the range of 5 × 10 -4 Torr to 2 × 10 -3 Torr, the substrate and a sputtering target containing Ru as a main component are arranged so as to face each other in the vertical direction. ,
Between the sputtering target side and the substrate side, a DC power capable of converting the Ar into plasma by DC discharge is applied with the substrate side as a negative, and at the same time.
A coil provided adjacent to the sputtering target and surrounding the sputtering target in the vertical direction to supply high-frequency power, and when the DC power is not applied between the sputtering target side and the substrate side. Also supplies the high frequency power to the plasma auxiliary means capable of converting Ar into plasma.
A Ru film forming method characterized by forming the Ru layer at a temperature of 400 ° C. or lower of the substrate.
５×１０ −４ Ｔｏｒｒ〜２×１０ −３ Ｔｏｒｒの範囲に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４００℃以下で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ＤＣ放電によって前記Ａｒをプラズマ化可能な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た、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り、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高周波電力の印加によって前記Ａｒをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、を具備し、
前記直流電力の供給と前記高周波電力の印加が同時に行われることを特徴とするＲｕ成膜装置。 A Ru film forming apparatus for forming a Ru layer containing ruthenium (Ru) as a main component on a substrate by a sputtering method.
In an atmosphere of argon (Ar) whose pressure is controlled in the range of 5 × 10 -4 Torr to 2 × 10 -3 Torr , the substrate and a sputtering target containing Ru as a main component are opposed to each other in the vertical direction. The chamber held inside and
A substrate holder that holds the substrate while controlling the temperature of the substrate at 400 ° C. or lower in the chamber.
A cathode electrode holding the sputtering target in the chamber,
A DC power supply that supplies DC power capable of converting Ar into plasma by DC discharge between the substrate holder and the cathode electrode with the cathode electrode on the negative side.
A coil provided in the chamber adjacent to the sputtering target, which surrounds the sputtering target in the vertical direction and is supplied with high-frequency power, and the DC power is generated between the substrate holder and the cathode electrode. It is provided with a plasma auxiliary means capable of turning the Ar into a sputtering by applying the high frequency power even when it is not applied .
A Ru film forming apparatus characterized in that the supply of DC power and the application of high frequency power are performed at the same time .
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