JP7502120B2

JP7502120B2 - 成膜装置及び成膜方法

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Publication number: JP7502120B2
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Inventors: 豊中光
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Publication date: 2024-06-18
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Description

本発明は、成膜装置及び成膜方法に関する。

半導体デバイスの微細化に伴い、金属配線パターンが微細化は益々進行している。従来のデュアルダマシン法を用いた、バリア膜形成、シード層形成、及びＣｕ鍍金等の製造プロセスでは、微細配線パターンに対する良好な段差被覆性を得るのが難しくなっている。また、配線パターンが微細になるほど、金属配線中のバリア膜の体積割合が大きくなり、金属配線の抵抗が増加する場合がある。

このような状況の中、バリア層、シード層を必要とせず、微細な金属配線パターンの埋め込み特性に優れたＣｕとＡｌとを含む合金を用いる技術が注目されている（例えば、非特許文献参照）。

"CuAl2 thin films as a low-resistivity interconnect material for advanced semiconductor", Journal of Vacuum Science & Technology B 37, 031215 (2019)

しかしながら、ＣｕとＡｌとを含む合金は、ＣｕとＡｌとの比率に応じて、例えばα相を形成したり、あるいはη相を形成したりする。α相が金属配線に混在すると、エレクトロマイグレーション耐性が低いため、配線断線を引き起こす可能性がある。一方、η相が金属配線に混在すると、金属配線の抵抗増加を引き起こす可能性がある。従って、これらの相の形成を極力抑えることが望ましい。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、上記の相の形成を抑制し、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線を形成する成膜装置、及び該合金配線を形成する成膜方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、第１真空容器と、第２真空容器とを具備する。
上記第１真空容器は、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金層を基板に成膜する。
上記第２真空容器は、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金層を上記基板に成膜する。

このような成膜装置であれば、η相またはα相の形成が抑制され、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜装置においては、上記第１真空容器には、上記基板を支持する第１支持台が設けられ、上記第２真空容器には、上記基板を支持し、設定温度を上記第１支持台の設定温度よりも低く設定できる第２支持台が設けられてもよい。

このような成膜装置であれば、基板温度を所定の温度に設定することによって、η相またはα相の形成が抑制された、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜装置においては、上記第１真空容器または上記第２真空容器で成膜処理された上記基板を加熱処理できるアニール室をさらに具備してもよい。

このような成膜装置であれば、第１真空容器または第２真空容器で成膜処理された基板を加熱処理することでη相またはα相の形成が抑制された、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜装置においては、上記第１真空容器には、上記第１支持台に対向し、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金で形成された第１スパッタリングターゲットが設けられ、上記第２真空容器には、上記第２支持台に対向し、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金で形成された第２スパッタリングターゲットが設けられ、上記第１スパッタリングターゲットと上記第１支持台との間の距離は、上記第２スパッタリングターゲットと上記第２支持台との間の距離よりも長く調整できてもよい。

このような成膜装置であれば、スパッタリングターゲットと支持台との間の距離が適正に調整され、η相またはα相の形成が抑制された、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

本発明の一形態に係る成膜方法は、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金層と、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金層とを基板に成膜する際に、上記第２ＣｕＡｌ合金層の成膜温度を上記第１ＣｕＡｌ合金層の成膜温度よりも低く設定して上記第１ＣｕＡｌ合金層及び上記第２ＣｕＡｌ合金層を上記基板に形成する。

このような成膜方法であれば、η相またはα相の形成が抑制され、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜方法においては、上記基板は、Ｌｏｗ－ｋ材を含み、上記第１ＣｕＡｌ合金層を上記基板に形成した後に、上記第２ＣｕＡｌ合金層を上記基板に形成してもよい。

このような成膜方法であれば、第１ＣｕＡｌ合金層を基板に形成した後に、第２ＣｕＡｌ合金層を基板に形成するので、η相またはα相の形成が抑制され、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜方法においては、上記基板を加熱しながら上記第１ＣｕＡｌ合金層を上記基板に形成し、上記基板の温度が室温状態で上記第２ＣｕＡｌ合金層を上記基板に形成し、上記基板に形成された、上記第１ＣｕＡｌ合金層及び上記第２ＣｕＡｌ合金層を加熱処理してもよい。

このような成膜方法であれば、第１ＣｕＡｌ合金層を基板に形成した後に、室温状態で第２ＣｕＡｌ合金層を形成し、第１ＣｕＡｌ合金層及び第２ＣｕＡｌ合金層を加熱処理するため、η相またはα相の形成が抑制され、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜方法においては、上記基板は、複数の孔または複数のトレンチを有し、上記複数の孔または上記複数のトレンチを上記第１ＣｕＡｌ合金層によって埋め、上記第１ＣｕＡｌ合金層の上に上記第２ＣｕＡｌ合金層を形成してもよい

このような成膜方法であれば、複数の孔または複数のトレンチを第１ＣｕＡｌ合金層によって埋め、第１ＣｕＡｌ合金層の上に第２ＣｕＡｌ合金層を形成するため、η相またはα相の形成が抑制され、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜方法においては、上記第１ＣｕＡｌ合金層の成膜源として、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金で形成された第１スパッタリングターゲットを用い、上記第２ＣｕＡｌ合金層の成膜源として、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金で形成された第２スパッタリングターゲットを用い、上記第１スパッタリングターゲットと上記基板との間の距離を上記第２スパッタリングターゲットと上記基板との間の距離よりも長く設定して上記第１ＣｕＡｌ合金層及び上記第２ＣｕＡｌ合金層を上記基板に形成してもよい。

このような成膜方法であれば、スパッタリングターゲットと支持台との間の距離が適正に調整され、η相またはα相の形成が抑制された、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

上記の成膜方法においては、上記第１ＣｕＡｌ合金層の少なくとも一部と上記第２ＣｕＡｌ合金層の少なくとも一部とを互いに拡散させた合金層を上記基板に形成した後に、上記合金層の表面から上記合金層の少なくとも一部を化学的機械研磨で取り除いてもよい。

このような成膜方法であれば、第１ＣｕＡｌ合金層の少なくとも一部と第２ＣｕＡｌ合金層の少なくとも一部とを互いに拡散させた合金層を基板に形成した後に、合金層の表面から合金層の少なくとも一部を化学的機械研磨で取り除くため、η相またはα相の形成が抑制された、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線が形成される。

以上述べたように、本発明によれば、信頼性の高いＣｕＡｌ合金配線を形成する成膜装置、及び該合金配線を形成する成膜方法が提供される。

本実施形態に係る成膜装置の一例を示す模式的上面図である。本実施形態の成膜過程の一例を示す模式的断面図である。本実施形態の成膜過程の一例を示す模式的断面図である。参考例に係る成膜方法を示す模式的断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。また、同一の部材または同一の機能を有する部材には同一の符号を付す場合があり、その部材を説明した後には適宜説明を省略する場合がある。また、以下に示す数値は例示であり、この例に限らない。

また、本実施形態に係るＣｕＡｌ_２合金とは、主成分としてθ相のＣｕＡｌ_２合金を有する合金であることを意味する。例えば、本実施形態で形成されたＣｕＡｌ_２合金層を元素分析した場合、ＣｕＡｌ_ｚ（１．７≦Ｚ≦２．３）の銅アルミニウム合金層を意味する。

図１は、本実施形態に係る成膜装置の一例を示す模式的上面図である。図１では、Ｚ軸方向が成膜装置５００の上下方向に対応している。

成膜装置５００は、クラスタ型の成膜装置である。例えば、成膜装置５００においては、多角形の搬送室５１０を中心に放射状に複数の真空容器５２０～５２５がゲートバルブ５３０を介して配置されている。複数の真空容器５２０～５２５には、それぞれの真空容器の減圧状態を維持可能にする排気系（不図示）が接続されている。複数の真空容器５２０～５２５のそれぞれには、真空度を計測する圧力計（不図示）が設けられててもよい。真空容器５２０～５２２には、放電用ガスを供給するガス供給機構（不図示）が接続されてもよい。

搬送室５１０は、真空容器５２０～５２５のいずれかにウェーハ状の基板２の受け渡しまたは受け取りを行う搬送ロボット５１１を有する。図１では、一例として基板２が搬送ロボット５１１によって真空容器５２１に受け渡された後の様子が例示されている。

真空容器５２１（第１真空容器）は、スパッタリング成膜を行う処理室である。真空容器５２１では、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多いＣｕＡｌ合金層（第１ＣｕＡｌ合金層）が基板２に成膜される。真空容器５２１は、支持台５２１ｓ（第１支持台）と、Ｚ軸方向において支持台５２１ｓに対向するスパッタリングターゲット５２１ｔ（第１スパッタリングターゲット）とを有する。

支持台５２１ｓは、真空容器５２１の下側に位置する。支持台５２１ｓは、搬送ロボット５１１によって真空容器５２１に搬送された基板２を支持することができる。支持台５２１ｓは、基板２を所定の温度に設定できる温調機構を有する。

スパッタリングターゲット５２１ｔは、支持台５２１ｓの上に位置する。スパッタリングターゲット５２１ｔは、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多いＣｕＡｌ合金（第１ＣｕＡｌ合金）によって形成されている。例えば、第１ＣｕＡｌ合金の組成は、ＣｕＡｌ_ｘ（２＜ｘ＜２．８２）で表される。また、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多いＣｕＡｌ合金をＡｌリッチなＣｕＡｌ合金と呼称する。スパッタリングターゲット５２１ｔには、電源（不図示）から所定の電力が供給される。

真空容器５２２（第２真空容器）は、スパッタリング成膜を行う処理室である。真空容器５２２では、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多いＣｕＡｌ合金層（第２ＣｕＡｌ合金層）が基板２に成膜される。真空容器５２２は、支持台５２２ｓ（第２支持台）と、Ｚ軸方向において支持台５２２ｓに対向するスパッタリングターゲット５２２ｔ（第２スパッタリングターゲット）とを有する。

支持台５２２ｓは、真空容器５２２の下側に位置する。支持台５２２ｓは、搬送ロボット５１１によって真空容器５２２に搬送された基板２を支持することができる。支持台５２２ｓは、基板２を所定の温度に設定できる温調機構を有する。支持台５２２ｓは、基板２の設定温度を支持台５２１ｓの設定温度よりも低く設定できる。

スパッタリングターゲット５２２ｔは、支持台５２２ｓの上に位置する。スパッタリングターゲット５２２ｔは、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多いＣｕＡｌ合金（第２ＣｕＡｌ合金）によって形成されている。例えば、第２ＣｕＡｌ合金の組成は、ＣｕＡｌ_ｙ（０．６≦ｙ＜２）で表される。また、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多いＣｕＡｌ合金をＣｕリッチなＣｕＡｌ合金と呼称する。スパッタリングターゲット５２２ｔには、電源（不図示）から所定の電力が供給される。

スパッタリングターゲット５２１ｔと支持台５２１ｓとの間の距離は、スパッタリングターゲット５２２ｔと支持台５２２ｓとの間の距離よりも長くてもよい。ここで、距離とは、Ｚ軸方向におけるＴ／Ｓ距離（ターゲット基板間距離）である。また、成膜装置５００は、スパッタリングターゲット５２１ｔと支持台５２１ｓとの間の距離またはスパッタリングターゲット５２２ｔと支持台５２２ｓとの間の距離を調整できる駆動機構を有してよい。これにより、真空容器５２１及び真空容器５２２におけるＴ／Ｓ距離が適正に調整される。例えば、スパッタリングターゲット５２１ｔと支持台５２１ｓとの間の距離は、スパッタリングターゲット５２２ｔと支持台５２２ｓとの間の距離よりも長く調整できる。

真空容器５２３は、真空容器５２１または真空容器５２２で成膜処理された基板２を加熱処理できるアニール室である。真空容器５２３においては、支持台５２３ｓに静電吸着機構を備えたホットプレート等の公知の加熱手段が設けられている。真空容器５２３には、基板２の表面温度を検出する温度計が設けられてもよい。基板２の加熱手段としては、ランプヒータを用いてもよい。また、アニールは真空でのアニールでもよく、不活性ガスを真空容器５２３に流入させ、所定の圧力雰囲気下でのアニールでもよい。

なお、真空容器５２４は、真空処理前の基板２を収容するロードロック室であり、真空容器５２５は、真空処理後の基板２を収容するアンロードロック室である。真空容器５２０は、例えば、成膜前の基板２のクリーニング等を行う前処理室である。真空容器５２０は、前処理室時に基板２を支持する支持台５２０ｓを有する。

成膜装置５００には、成膜装置５００の自動運転を可能とする制御装置５４０が設けられている。例えば、使用者が制御装置５４０に設定（入力）した成膜条件に基づいて、成膜装置５００は自動運転をする。

基板２は、シリコン等の半導体基板であり、その成膜面には、金属配線、Ｌｏｗ－ｋ材で形成された層間絶縁膜が設けられている。層間絶縁膜には、孔またはトレンチがパターニングされている。

プラズマを形成する電源は、ＤＣ電源でもよく、パルスＤＣ電源、ＲＦ電源、またはＶＨＦ電源でもよい。また、成膜装置５００は、クラスタ型の成膜装置に限らず、複数の成膜室が壁またはゲートバルブを介して直列に並設されたインライン型の成膜装置であってもよい。

成膜装置５００を用いて実行される成膜方法の一例を説明する。

本実施形態では、真空容器５２１でＡｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金層と、真空容器５２２でＣｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金層とを基板２に成膜する際に、第２ＣｕＡｌ合金層の成膜温度を第１ＣｕＡｌ合金層の成膜温度よりも低く設定して第１ＣｕＡｌ合金層及び第２ＣｕＡｌ合金層が基板２に形成される。

図２（ａ）～図３（ｂ）は、本実施形態の成膜過程の一例を示す模式的断面図である。

図２（ａ）には、成膜処理される基板２として、層間絶縁層１０、１１と、金属配線層１２とを有する基板が例示される。層間絶縁層１０の表面１０１には、溝または孔で構成された開口１０２が形成されている。開口１０２は、基板２に複数設けられてもよい。開口１０２が孔の場合、孔をＺ軸方向から見た外形は、円形状または矩形状である。孔としては、ビアホール等が該当する。開口１０２は、層間絶縁層１０において有底でもよく、無底でもよい。図２（ａ）では、無底の開口１０２が例示されている。すなわち、開口１０２は、層間絶縁層１０を貫通している。

開口１０２において、底部における幅ｗ１は、例えば、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。開口端における幅ｗ２は、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。開口１０２の深さは、例えば、１０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下である。開口１０２は、ストレート型でもよく、底に向かうにつれ幅が広くなったり、あるいは逆に狭くなったりするテーパ型でもよい。

層間絶縁層１０の下には、層間絶縁層１１が設けられる。層間絶縁層１１の内部には、例えば、金属配線層１２が設けられている。金属配線層１２の一部は、開口１０２の底部において露出されている。金属配線層１２は、例えば、層間絶縁層１１の下方に設けられた、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、メモリ等（不図示）のいずれかに電気的に接続される。または、金属配線層１２の電位は、浮遊してもよい。金属配線層１２を取り除き、金属配線層１２が層間絶縁層１１で置き換えられた構造体も本実施形態に含まれる。この場合、開口１０２の底部では、層間絶縁層１１が露出されることになる。

金属配線層１２の材料は、Ｃｕ及びＡｌを含む金属間化合物である。例えば、金属配線層１２の材料は、ＣｕＡｌ_２合金である。また、金属配線層１２の材料は、コンタクト材料であるＷ及びＣｏでもよい。層間絶縁層１０、１１は、シリコン酸化物を含む。層間絶縁層１０、１１の材料は、例えば、シリコン酸化物、または、比誘電率３以下のＬｏｗ－ｋ材（ＣＶＤ－ＳｉＯＣ、ＣＶＤ－ＳｉＯ_２等）である。

基板２は、必要に応じて真空容器５２４から真空容器５２０に搬送され、真空容器５２０で、例えば、表面クリーニング等の前処理がなされる。この後、真空容器５２０から真空容器５２１に搬送される。真空容器５２０での前処理は、適宜省略してもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、真空容器５２１に搬送された基板２に基板２が２００℃以上４００℃以下の温度で加熱されながらスパッタリング成膜がなされる。これにより、層間絶縁層１０の開口１０２（孔またトレンチ）は、ＣｕＡｌ合金層２０Ａ（第１ＣｕＡｌ合金層）によって埋められ、表面１０１にはＣｕＡｌ合金層２０Ａが形成される。ＣｕＡｌ合金層２０Ａの成膜源としては、スパッタリングターゲット５２１ｔが用いられる。成膜条件の一例を以下に示す。

放電ガス：Ａｒ
ターゲット投入電力：０．４８Ｗ／ｃｍ^２
成膜時圧力：０．０３Ｐａ
基板温度：３００℃

ここで、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの組成は、スパッタリングターゲット５２１ｔを用いたことからとしては、アルミニウム含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のアルミニウム含有率よりも多いＣｕＡｌ合金層となる。例えば、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの組成は、ＣｕＡｌ_ｘ（２＜ｘ＜２．８２）で表される。

ＣｕＡｌ合金層２０Ａは、基板２が加熱されたり、成膜中にはスパッタリング粒子から運動エネルギーを得たりする。このため、基板２上ではＣｕＡｌ合金層２０Ａのマイグレーションが促進されて、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの段差被覆性は良好になる。例えば、ＣｕＡｌ合金層２０Ａは、表面１０１、開口１０２の内壁１０４、及び開口１０２の底部に沿って形成される。ＣｕＡｌ合金層２０Ａの厚みは、開口１０２がＣｕＡｌ合金層２０Ａによって埋まる程度の厚みでよい。例えば、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの厚みは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下に設定される。

次に、基板２にＣｕＡｌ合金層２０Ａが形成された後に、真空容器５２１とは別の真空容器５２２に基板２が搬送されて、真空容器５２２においてＣｕＡｌ合金層２０Ｃ（第２ＣｕＡｌ合金層）が基板２に形成される。ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの成膜源としては、スパッタリングターゲット５２２ｔが用いられる。成膜条件の一例を以下に示す。

放電ガス：Ａｒ
ターゲット投入電力：４．０Ｗ／ｃｍ^２
成膜時圧力：０．０３Ｐａ
基板温度：２０℃以上２００℃以下

例えば、基板２には、ＣｕＡｌ合金層２０Ａが形成されたときの成膜温度よりも低い温度でスパッタリング成膜がなされる。例えば、図２（ｃ）に示すように、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの上にＣｕＡｌ合金層２０Ｃが形成される。ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの厚みは、ＣｕＡｌ合金層２０Ａを介してＣｕＡｌ合金層２０Ｃの表面に反映される開口パターンによる凹凸が緩和される程度の厚みでよい。例えば、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの厚みは、１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下に設定される。

ここで、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの組成は、スパッタリングターゲット５２２ｔを用いたことから、銅含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２の銅含有率よりも多いＣｕＡｌ合金層となる。例えば、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの組成は、ＣｕＡｌ_ｙ（０．６≦ｙ＜２）で表される。

ＣｕＡｌ合金層２０Ａ上に、一例として、１００℃以上２００℃以下でＣｕＡｌ合金層２０Ｃが形成されると、ＣｕＡｌ合金層２０Ａ上にＣｕＡｌ合金層２０Ｃが形成されている際中に、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの少なくとも一部とＣｕＡｌ合金層２０Ｃの少なくとも一部とが互いに拡散し、ＣｕＡｌ合金層２０ＡとＣｕＡｌ合金層２０Ｃとの反応が起きる。これにより、ＡｌリッチなＣｕＡｌ合金層とＣｕリッチなＣｕＡｌ合金層とのそれぞれの組成が互いに補正されて、化学量論組成ＣｕＡｌ_２合金層で構成されたθ相の金属配線２０が形成される。この状態を図３（ａ）に示す。この後、基板２は、真空容器５２５を介して成膜装置５００から取り出される。

次に、図３（ｂ）に示すように、表面１０１から上方の金属配線２０の余剰部分がＣＭＰ（化学的機械研磨）により除去される。これにより、ＣｕＡｌ_２合金層の表面からＣｕＡｌ_２合金層の少なくとも一部が取り除かれる。このような方法によって、信頼性の高いθ相のＣｕＡｌ_２合金層（金属配線２０）を安定して形成することができる。

なお、ＣｕＡｌ合金層２０Ａ及びＣｕＡｌ合金層２０Ｃのそれぞれの成膜回数は、１回とは限らない。例えば、基板２に形成するＣｕＡｌ_２層の厚みに応じてＣｕＡｌ合金層２０ＡとＣｕＡｌ合金層２０Ｃとを交互に複数回繰り返し形成してもよい。

本実施形態の作用の一例を説明する前に、参考例に係る成膜方法を説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、参考例に係る成膜方法を示す模式的断面図である。

例えば、ＣｕＡｌ合金層２０Ａが基板２に形成された後に、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの確実なリフロー性を優先させる余りに、ＣｕＡｌ合金層２０ＣをＣｕＡｌ合金層２０Ａの成膜温度と同じ温度（例えば、３００℃）または、それ以上の成膜温度で形成すると、ＣｕＡｌ合金層２０ＡとＣｕＡｌ合金層２０Ｃとの反応性が強くなりすぎ、例えば、以下のような現象が起き得る。

例えば、ＣｕＡｌ合金層２０ＣをＣｕＡｌ合金層２０Ａの成膜温度と同じ温度、または、それ以上の成膜温度で形成すると、ＣｕリッチなＣｕＡｌ合金層２０Ｃに含まれるＣｕ成分がＣｕＡｌ合金層２０Ａ中に過剰に拡散して、拡散したＣｕ成分とＣｕＡｌ合金層２０Ａとの反応が引き起こされる可能性がある。この結果、Ｃｕ濃度がＣｕＡｌ_２合金よりもより高くなったη相２５が金属配線２０に局部的に形成される虞がある。この状態を図４（ａ）に示す。

このようなη相２５が金属配線２０に混在すると、金属配線２０の抵抗増加を引き起こす可能性があるので好ましくない。

あるいは、ＣｕＡｌ合金層２０ＣをＣｕＡｌ合金層２０Ａの成膜温度と同じ温度、または、それ以上の成膜温度で形成すると、ＡｌリッチなＣｕＡｌ合金層２０Ａに含まれるＡｌ成分がＣｕＡｌ合金層２０Ｃ中に過剰に拡散し、ＡｌがＣｕＡｌ合金層２０Ａから引き抜かれた部分では局部的な体積収縮が起きる可能性がある。この結果、ピット２６が金属配線２０に形成される虞がある。この状態を図４（ｂ）に示す。

ピット２６が金属配線２０に混在すると、金属配線２０の抵抗増加を引き起こしたり、金属配線２０の断線、ピット２６へのＣＭＰ薬液の流入を引き起こしたりする可能性があるので好ましくない。

これに対し、本実施形態では、ＣｕＡｌ合金層２０Ａを基板２に形成した後に、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの成膜温度よりも低く例えば２００℃以下に設定してＣｕＡｌ合金層２０Ｃを形成する。これにより、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃに含まれるＣｕ成分がＣｕＡｌ合金層２０Ａ中に過剰に拡散する現象、またはＣｕＡｌ合金層２０Ａに含まれるＡｌ成分がＣｕＡｌ合金層２０Ｃ中に過剰に拡散する現象が抑制される。この結果、ＣｕＡｌ合金層２０ＡとＣｕＡｌ合金層２０Ｃとが互いにそれぞれの組成を満遍なく補正し合って、化学量論組成ＣｕＡｌ_２合金層で構成されたθ相の金属配線２０が形成される。

また、本実施形態によれば、金属配線２０を形成する際に、ＣｕＡｌ_２層（θ相）の組成比を直接狙うことを要しない。本実施形態では、ＡｌリッチなＣｕＡｌ合金層２０Ａと、ＣｕリッチなＣｕＡｌ合金層２０Ｃとを積層し、ＣｕＡｌ合金層２０ＡとＣｕＡｌ合金層２０Ｃとを加熱することで、信頼性の高いθ相のＣｕＡｌ_２層（金属配線２０）が安定して形成され得る。

ＣｕＡｌ合金層２０ＣよりもＣｕＡｌ合金層２０Ａが先に基板２に形成されることで、ＣｕＡｌ合金層２０Ａに含まるＡｌ成分が層間絶縁層１０と反応して、金属配線２０と層間絶縁層１０との間にバリア層（例えば、アルミナ層）が形成されやすくなる。これにより、金属配線２０に含まれるＣｕが層間絶縁層１０に拡散されにくくなる。

また、ＣｕＡｌ合金においては、Ａｌ成分が多くなるほど、ＣｕＡｌ合金の流動性が向上する。従って、ＣｕＡｌ合金層２０ＣよりもＡｌ成分が多いＣｕＡｌ合金層２０ＡをＣｕＡｌ合金層２０Ｃよりも先に基板２に形成することによって、開口１０２における金属配線２０の段差被覆性が良好になる。

また、本実施形態においては、ＣｕＡｌ合金層２０Ａを開口１０２を埋める埋め込み層、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃを金属配線２０の表面凹凸を緩和する層として機能を持たせることにより、ＣＭＰ後の金属配線２０の厚み（金属配線１２からの高さ）のばらつきが抑制される。

（変形例１）

ＣｕＡｌ合金層２０Ａを形成した後のＣｕＡｌ合金層２０Ｃの形成においては、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの成膜時の基板温度を室温状態（２０℃～２５℃）としてもよい。例えば、真空容器５２１でＣｕＡｌ合金層２０Ａが基板２に形成された後、真空容器５２２で成膜温度が室温でＣｕＡｌ合金層２０Ｃが基板２に形成される。次に、ＣｕＡｌ合金層２０Ａ、２０Ｃが形成された基板２が真空容器５２３において２５０℃以上３５０℃以下で加熱処理する。

このように、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの室温成膜を行うことで、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃに含まれるＣｕ成分がＣｕＡｌ合金層２０Ａ中に過剰に拡散する現象、またはＣｕＡｌ合金層２０Ａに含まれるＡｌ成分がＣｕＡｌ合金層２０Ｃ中に過剰に拡散する現象がより確実に抑制される。さらに、ＣｕＡｌ合金層２０Ａ、２０Ｃが形成された基板２のポストアニールを施すことでＣｕＡｌ合金層２０ＡとＣｕＡｌ合金層２０Ｃとが互いにそれぞれの組成を満遍なく補正し合って、化学量論組成ＣｕＡｌ_２合金層で構成されたθ相の金属配線２０が形成される。

（変形例２）

ＣｕＡｌ合金層２０Ａ、２０Ｃのそれぞれを成膜する際、スパッタリングターゲット５２１ｔと基板２との間の距離がスパッタリングターゲット５２２ｔと基板２との間の距離よりも長く設定されて、ＣｕＡｌ合金層２０Ａ及びＣｕＡｌ合金層２０Ｃが基板２に形成されてもよい。

例えば、スパッタリングターゲット５２１ｔと基板２との間の距離は、２００ｍｍ以上６００ｍｍ以下（例えば、４００ｍｍ）、スパッタリングターゲット５２２ｔと基板２との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下（例えば、５０ｍｍ）に設定される。これにより、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの成膜時には、開口１０２に入射するスパッタリング粒子の垂直入射成分が増し、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの段差被覆性がより良好になる。

一方、開口１０２が良好な段差被覆性でＣｕＡｌ合金層２０Ａによって埋め尽くされた後においては、ＣｕＡｌ合金層２０Ａの上に形成されるＣｕＡｌ合金層２０Ｃの高速成膜と、ＣｕＡｌ合金層２０Ｃの基板面内における組成分布のばらつき抑制とを優先するために、スパッタリングターゲット５２２ｔと基板２との間の距離をスパッタリングターゲット５２１ｔと基板２との間の距離がよりも短く設定する。

これにより、開口１０２には、層間絶縁層１０と金属配線２０との間及び金属配線１２と金属配線２０との間に隙間なく金属配線２０が形成される。また、成膜時間が短縮し、ＣＭＰ後における基板面内の金属配線２０の厚みばらつきがより抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合することができる。

２…基板
１０、１１…層間絶縁層
１２…金属配線層
２０…金属配線
２０Ａ、２０Ｃ…ＣｕＡｌ合金層
２５…η相
２６…ピット
１０１…表面
１０２…開口
１０４…内壁
５００…成膜装置
５１０…搬送室
５１１…搬送ロボット
５２０、５２１、５２２、５２３、５２４、５２５…真空容器
５２０ｓ、５２１ｓ、５２２ｓ、５２３ｓ…支持台
５２１ｔ、５２２ｔ…スパッタリングターゲット
５３０…ゲートバルブ
５４０…制御装置

Claims

Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金層を基板に成膜する第１真空容器と、
Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金層を前記基板に成膜する第２真空容器と
を具備する成膜装置。
請求項１に記載された成膜装置であって、
前記第１真空容器には、前記基板を支持する第１支持台が設けられ、
前記第２真空容器には、前記基板を支持し、設定温度を前記第１支持台の設定温度よりも低く設定できる第２支持台が設けられた
成膜装置。
請求項１または２に記載された成膜装置であって、
前記第１真空容器及び前記第２真空容器で成膜処理された前記基板を加熱処理できるアニール室をさらに具備する
成膜装置。
請求項２に記載された成膜装置であって、
前記第１真空容器には、前記第１支持台に対向し、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金で形成された第１スパッタリングターゲットが設けられ、
前記第２真空容器には、前記第２支持台に対向し、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金で形成された第２スパッタリングターゲットが設けられ、
前記第１スパッタリングターゲットと前記第１支持台との間の距離は、前記第２スパッタリングターゲットと前記第２支持台との間の距離よりも長く調整できる
成膜装置。
Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金層と、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金層とを基板に成膜する際に、
前記第２ＣｕＡｌ合金層の成膜温度を前記第１ＣｕＡｌ合金層の成膜温度よりも低く設定して前記第１ＣｕＡｌ合金層及び前記第２ＣｕＡｌ合金層を前記基板に形成する
成膜方法。
請求項５に記載された成膜方法であって、
前記基板は、Ｌｏｗ－ｋ材を含み、前記第１ＣｕＡｌ合金層を前記基板に形成した後に、前記第２ＣｕＡｌ合金層を前記基板に形成する
成膜方法。
請求項５または６に記載された成膜方法であって、
前記基板を加熱しながら前記第１ＣｕＡｌ合金層を前記基板に形成し、
前記基板の温度が室温状態で前記第２ＣｕＡｌ合金層を前記基板に形成し、
前記基板に形成された、前記第１ＣｕＡｌ合金層及び前記第２ＣｕＡｌ合金層を加熱処理する
成膜方法。
請求項５～７のいずれか１つに記載された成膜方法であって、
前記基板は、複数の孔または複数のトレンチを有し、
前記複数の孔または前記複数のトレンチを前記第１ＣｕＡｌ合金層によって埋め、
前記第１ＣｕＡｌ合金層の上に前記第２ＣｕＡｌ合金層を形成する
成膜方法。
請求項５～８のいずれか１つに記載された成膜方法であって、
前記第１ＣｕＡｌ合金層の成膜源として、Ａｌ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＡｌ含有率よりも多い第１ＣｕＡｌ合金で形成された第１スパッタリングターゲットを用い、
前記第２ＣｕＡｌ合金層の成膜源として、Ｃｕ含有率が化学量論組成ＣｕＡｌ_２のＣｕ含有率よりも多い第２ＣｕＡｌ合金で形成された第２スパッタリングターゲットを用い、
前記第１スパッタリングターゲットと前記基板との間の距離を前記第２スパッタリングターゲットと前記基板との間の距離よりも長く設定して前記第１ＣｕＡｌ合金層及び前記第２ＣｕＡｌ合金層を前記基板に形成する
成膜方法。
請求項５～９のいずれか１つに記載された成膜方法であって、
前記第１ＣｕＡｌ合金層の少なくとも一部と前記第２ＣｕＡｌ合金層の少なくとも一部とを互いに拡散させた合金層を前記基板に形成した後に、
前記合金層の表面から前記合金層の少なくとも一部を化学的機械研磨で取り除く
成膜方法。