KR102053517B1 - 루테늄 배선의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Ru 배선을 제조하기 위한 시간을 단축할 수 있는 Ru 배선의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
표면에 오목부(203)가 형성된 미리 정해진 막을 갖는 기판에 대해, 오목부(203)를 메워 루테늄 배선을 제조할 때에, 루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 제1 루테늄막(206)을 성막(成膜)하여 오목부를 매립하고, 오목부(203) 내에 매립한 제1 루테늄막(206) 위에, 루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 매립 시보다 큰 성막 속도로 제2 루테늄막을 성막하여, 부가층(207)을 형성하며, 계속해서, 기판 표면의 상기 제2 루테늄막 및 상기 제1 루테늄막을 CMP에 의해 제거하여 평탄화한다.

Description

루테늄 배선의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING RUTHENIUM WIRING}
본 발명은 루테늄 배선의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 미세화에 따라, 배선의 미세화도 진행되고 있다. 그 결과, 배선 저항의 증대 및 배선 사이의 결합 용량의 증대에 기인하는 RC 지연이 소자의 고속 동작을 저해한다고 하는 문제가 현재화(顯在化)되고 있다. 이 때문에, 최근, 배선 재료로서 종래부터 이용되고 있는 알루미늄(Al)이나 텅스텐(W)보다 벌크의 저항이 낮은 구리(Cu)가 이용되고, 층간 절연막으로서 저유전율막(Low-k막)이 이용되고 있다.
그러나, 미세화가 더욱 진행됨으로써, Cu 배선에는 새로운 문제점이 발생하고 있다. 즉, ITRS의 로드 맵에 의하면 14 ㎚ 세대의 디바이스에서 이용되는 배선 폭은 32 ㎚로 되어 있고, 이것은 Cu 재료 중에서의 전자의 평균 자유 행정인 약 39 ㎚보다 좁아, 산란에 의한 저항값의 상승이 발생한다. 구체적으로는, 배선의 저항값은, 벌크의 저항값과, 표면 산란에 의한 저항 인자와, 입계 산란에 의한 저항 인자의 합으로서 나타나는데, 표면 산란에 의한 저항 인자 및 입계 산란에 의한 저항 인자는 모두 평균 자유 행정에 비례하기 때문에, 전자의 평균 자유 행정이 배선 폭보다 커지면, 전자의 배선 측면이나 입계에의 충돌이 지배적이 되어, 산란에 의한 저항값의 상승이 발생한다. 이것은 배선이 미세해질수록 현저해진다.
그래서, 배선 재료로서, 벌크의 저항값은 Cu만큼 낮지는 않으나, 재료 중에서의 전자의 평균 자유 행정이 Cu보다 짧은 루테늄(Ru)이 검토되고 있다. 구체적으로는, Ru의 벌크의 저항값은 7.1 μΩ-cm로, Cu의 1.7 μΩ-cm보다 높으나, 전자의 평균 자유 행정은 10.8 ㎚로, Cu의 38.7 ㎚보다 짧다.
또한, Ru의 융점은, Cu의 융점인 1085℃보다 높은 2334℃이기 때문에, 일렉트로마이그레이션 내성의 점에서도 Cu보다 유리하다.
그래서, 트렌치 내에 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 Ru막을 매립하여 Ru 배선을 형성하는 기술이 제안되어 있다(비특허문헌 1). 또한, Ru막을 화학 증착법 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 성막(成膜)하는 것도 행해지고 있다(특허문헌 1).
한편, Cu 배선을 형성하는 기술로서는, 반도체 웨이퍼 표면의 트렌치가 형성된 층간 절연막에 배리어막을 형성한 후, 트렌치에 Cu막을 매립하고, 그 후, CMP(Chemical Mechanical Polishing)법에 의해 평탄화하는 기술이 알려져 있다(예컨대 특허문헌 2). 따라서, Ru 배선을 형성할 때에도, Ru막을 ALD나 CVD에 의해 성막한 후, CMP 처리에 의해 평탄화하는 것이 고려된다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2010-212601호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2006-148075호 공보
[비특허문헌 1] L.G.Wen et al., Proceeding of IEEE IITC/AMC 2016, pp34-36
그런데, CMP에 의해 평탄화하는 경우에는, 트렌치에 Ru막을 매립한 후, 매립에 필요한 두께 이상의 부가층을 형성할 필요가 있어, Ru 배선을 제조하기 위한 프로세스 시간이 길어지게 된다.
따라서, 본 발명의 과제는, Ru 배선을 제조하기 위한 시간을 단축할 수 있는 Ru 배선의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 관점은, 표면에 오목부가 형성된 미리 정해진 막을 갖는 기판에 대해, 상기 오목부를 메워 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서, 루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 제1 루테늄막을 성막하여 상기 오목부를 매립하는 공정과, 상기 오목부 내에 매립한 상기 제1 루테늄막 위에, 루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 매립 시보다 큰 성막 속도로 제2 루테늄막을 성막하여, 부가층을 형성하는 공정과, 기판 표면의 상기 제2 루테늄막 및 상기 제1 루테늄막을 CMP에 의해 제거하여 평탄화하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법을 제공한다.
상기 제1 관점에 있어서, 상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 상기 제1 루테늄막을 성막할 때의 프로세스 파라미터의 값을 조정함으로써, 성막 속도를 상기 제1 루테늄막의 성막 속도보다 크게 할 수 있다. 이때의 프로세스 파라미터의 값의 조정으로서, 성막 온도를 높게 하는 것, 원료 가스 공급량을 크게 하는 것, 처리 압력을 낮게 하는 것, 및 기판과 가스 토출면 사이의 갭을 넓게 하는 것 중 적어도 1종에 의해 성막 속도를 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 평탄화하는 공정보다 전에, 수소 함유 분위기에서 어닐링 처리하는 공정을 더 갖는 것이 바람직하다.
상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 수소 함유 환원 가스를 첨가함으로써, 성막 속도를 상기 제1 루테늄막의 성막 속도보다 크게 해도 좋다. 이때, 상기 수소 함유 환원 가스로서는, H2 가스, NH3 가스, 및 SiH4 가스 중 적어도 1종을 이용할 수 있다.
본 발명의 제2 관점은, 표면에 오목부가 형성된 미리 정해진 막을 갖는 기판에 대해, 상기 오목부를 메워 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서, 루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 제1 루테늄막을 성막하여 상기 오목부를 매립하는 공정과, 상기 오목부 내에 매립한 상기 제1 루테늄막 위에, 루테늄 원료 가스에 수소 함유 환원 가스를 첨가한 CVD에 의해 제2 루테늄막을 성막하여, 부가층을 형성하는 공정과, 기판 표면의 상기 제2 루테늄막 및 상기 제1 루테늄막을 CMP에 의해 제거하여 평탄화하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법을 제공한다.
상기 제2 관점에 있어서, 상기 수소 함유 환원 가스로서, H2 가스, NH3 가스, 및 SiH4 가스 중 적어도 1종을 이용할 수 있다. 상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 상기 제1 루테늄막을 성막할 때의 프로세스 파라미터의 값을 조정함으로써, 성막 속도를 상기 제1 루테늄막의 성막 속도보다 크게 해도 좋다. 이때에, 프로세스 파라미터의 값의 조정으로서, 성막 온도를 높게 하는 것, 원료 가스 공급량을 크게 하는 것, 처리 압력을 낮게 하는 것, 및 기판과 가스 토출면 사이의 갭을 넓게 하는 것 중 적어도 1종에 의해 성막 속도를 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 제1 루테늄의 성막에 앞서, 상기 오목부 내에 하지막을 형성하는 공정을 더 갖는 것이 바람직하다. 상기 하지막으로서는, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, 및 TiON막 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
상기 제1 루테늄막 및 상기 제2 루테늄막은, 루테늄 원료 가스로서 루테늄카르보닐을 이용하여 성막하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 제1 루테늄막 및 상기 제2 루테늄막을 형성할 때의 처리 온도는, 120℃∼300℃의 범위, 압력을 0.013 ㎩∼133.33 ㎩의 범위로 할 수 있다.
본 발명에 의하면, Ru 배선을 제조하기 위한 시간을 단축할 수 있는 Ru 배선의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 도시한 공정 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 4는 성막 원료로서 Ru3(CO)12를 이용하여, H2 가스 첨가 있음과 없음의 경우의 성막 속도를 비교한 도면이다.
도 5는 성막 원료로서 Ru3(CO)12를 이용하여, 포밍 가스 어닐링의 유무, 및 H2 가스 첨가의 유무에 의한 불순물 제거 효과의 차이를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 Ru 배선의 제조 방법을 실시하기 위해서 이용되는 성막 시스템의 일례를 개략적으로 도시한 수평 단면도이다.
도 7은 도 6의 성막 시스템에 탑재된 매립용 Ru막 성막 장치의 일례를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 6의 성막 시스템에 탑재된 부가용 Ru막 성막 장치의 일례를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 효과를 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 구체적으로 설명한다.
<Ru 배선의 제조 방법>
처음으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이고, 도 2는 그 공정 단면도이다.
먼저, 반도체(예컨대 Si)로 이루어지고, 하부 구조가 형성된 기체(基體; 201) 위에 SiO2막, 저유전율(Low-k)막(SiCO, SiCOH 등) 등으로 이루어지는 층간 절연막(202)이 형성되고, 층간 절연막(202)에 트렌치(203)가 미리 정해진 패턴으로 형성되며, 트렌치(203)의 바닥부와 기체(201) 상의 하부 구조(도시하지 않음) 사이에 미리 정해진 간격으로 비아홀(204)이 형성된 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 웨이퍼라고 적음)(W)를 준비한다[단계 1, 도 2의 (a)].
다음으로, 이 웨이퍼(W)에 대해, 필요에 따라, 전처리로서 디가스(Degas) 프로세스나 전세정(프리클린; Pre-Clean) 프로세스를 행한 후, 트렌치(203)나 비아홀(204)의 표면을 포함하는 전면에 하지막(205)을 성막한다[단계 2, 도 2의 (b)].
Ru막은 Cu막보다 확산되기 어려워, 배리어막의 필요성은 낮으나, 절연막에 대한 밀착성을 양호하게 하는 관점에서 하지막(205)을 성막한다. Ru막의 밀착성을 양호하게 할 수 있는 것이면 되지만, 배리어성도 겸비한 것이 바람직하며, 종래부터 Cu 배선 형성 시에 Cu막의 배리어막으로서 이용되고 있는, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, 및 TiON막 등을 적합하게 이용할 수 있다. 하지막(205)의 두께는 0.1 ㎚∼10 ㎚가 바람직하고, 0.5 ㎚∼5 ㎚가 보다 바람직하다. 하지막은, ALD, CVD, 이온화 PVD(Ionized physical vapor deposition; iPVD) 등으로 성막할 수 있다. TiN막, TaN막, TiON막은 ALD에 의해 성막하는 것이 바람직하고, Ta막은 iPVD로 성막하는 것이 바람직하다. 한편, 층간 절연막에 직접 Ru막을 성막할 수 있는 경우에는 하지막(205)은 필수적이지 않다.
그 후, Ru막(206)을 예컨대 CVD에 의해 성막하여 트렌치(203) 및 비아홀(204) 내에 Ru막(206)을 매립한다[단계 3, 도 2의 (c)].
그 후, 이후에 행해지는 CMP에 의한 평탄화 처리에 대비하여, 예컨대 Ru막을 매립 시보다 큰 성막 속도로 CVD에 의해 성막하여, 부가층(207)을 형성한다[단계 4, 도 2의 (d)].
부가층(207)의 형성 후, 어닐링 처리를 행한다[단계 5, 도 2의 (e)]. 이 어닐링 처리는, Ru막(206)의 Ru 결정의 입자 직경을 증대시켜 저항을 낮게 하는 작용, 및 Ru막(206) 및 부가층(207) 중의 탄소(C)나 산소(O) 등의 불순물을 제거하기 위해서 행해진다. 이 처리는 H2 가스를 포함하는 가스, 예컨대 포밍 가스(H2+Ar 또는 H2+N2)를 이용하여 행해진다. 이 처리는 필수적이지 않으나, 입자 직경 증대 효과 및 불순물 제거 효과가 있기 때문에, 행하는 것이 바람직하다.
이 후, 예컨대 종래부터 Cu 배선을 제조할 때에 이용되고 있는 CMP에 의해 웨이퍼(W) 표면의 전면(全面)을 연마해서, 부가층(207), Ru막(206) 및 하지막(205)의 층간 절연막(202)의 표면보다 위의 부분을 제거하여, 평탄화한다[단계 6, 도 2의 (f)]. 이에 의해 트렌치(203) 및 비아홀(204) 내에 하지막(205) 및 Ru막(206)으로 이루어지는 Ru 배선(208)이 형성된다.
<Ru막 매립 공정 및 부가층 형성 공정>
다음으로, Ru막(206) 매립 공정 및 부가층(207) 형성 공정에 대해 상세히 설명한다.
매립을 위한 Ru막(206)은, 루테늄카르보닐(Ru3(CO)12)을 성막 원료로서 이용하고, 이것을 웨이퍼(W) 상에서 열분해하는 열CVD에 의해 성막하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 고순도이며 얇은 Ru막을 고(高) 스텝 커버리지로 성막할 수 있고, 10 ㎚ 정도의 좁은 트렌치를 매립할 수 있다. 이때의 성막 반응은, 이하의 (1)식에 나타낸 바와 같다.
Ru3(CO)12(s)+Heat→3Ru(s)+12CO↑ …(1)
이때의 성막 조건은, 예컨대 처리 용기 내의 압력이 0.013 ㎩∼133.3 ㎩(0.1 mTorr∼1 Torr), 바람직하게는 1.3 ㎩∼66.5 ㎩(10 mTorr∼500 mTorr)의 범위이고, 성막 온도(웨이퍼 온도)가 120℃∼300℃, 바람직하게는, 130℃∼250℃의 범위이다.
Ru막(206)은, 루테늄카르보닐 이외의 다른 성막 원료, 예컨대(시클로펜타디에닐)(2,4-디메틸펜타디에닐)루테늄, 비스(시클로펜타디에닐)(2,4-메틸펜타디에닐)루테늄, (2,4-디메틸펜타디에닐)(에틸시클로펜타디에닐)루테늄, 비스(2,4-메틸펜타디에닐)(에틸시클로펜타디에닐)루테늄과 같은 루테늄의 펜타디에닐 화합물을 이용하여 성막할 수도 있다. 이들을 이용한 경우에는, 성막 원료 가스 외에, 필요에 따라 환원 가스를 이용하여 CVD에 의해 성막할 수 있다. 한편, 본 실시형태에 있어서, Ru막 성막의 CVD에는 ALD도 포함된다.
매립 시의 Ru막(206)의 두께는 트렌치(203)가 거의 완전히 메워지는 두께이면 되고, 그보다 두꺼워도 좋다. 예컨대, 트렌치 폭이 10 ㎚인 경우에는, Ru막(206)의 두께는, 5 ㎚나 그보다 다소 두꺼운 두께로 한다.
부가층(207)의 형성은, Ru막(206)의 매립 시와 마찬가지로, 루테늄카르보닐(Ru3(CO)12)을 성막 원료로서 이용하고, 이것을 웨이퍼(W) 상에서 열분해하는 열CVD에 의해 Ru막을 성막함으로써 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 전술한 루테늄의 펜타디에닐 화합물 등의 다른 성막 원료를 이용하여 CVD에 의해 성막할 수도 있다.
부가층(207)은, CMP에 의한 평탄화 처리 시에, 웨이퍼 전면에 Ru막이 어느 정도의 두께로 형성되도록 하기 위한 것이다. 예컨대 트렌치 폭이 10 ㎚이면, 매립에 필요한 Ru막의 두께는 5 ㎚나 그보다 조금 큰 정도인 것에 비해, 부가층은 15 ㎚보다 큰 두께가 필요하게 된다.
Ru막(206)을 미세한 트렌치(203)나 비아홀(204)에 매립하는 경우, 트렌치(203)나 비아홀(204) 내에서의 핵 성장을 제어하고, 또한 컨포멀한 성막이 요구되기 때문에, 성막 속도의 제어가 중요하다. 그 결과, Ru막(206)의 매립 프로세스 시의 성막 속도는 느린 것이 된다(예컨대, 성막 속도<2 ㎚/min). 이 때문에, Ru막을 매립할 때의 조건으로 CMP에 의한 평탄화에 필요한 높이까지 성막하면, Ru 배선을 제조하기 위한 토탈의 프로세스 시간이 길어지게 된다.
그러나, 미세한 트렌치(203) 및 비아홀(204)이 매립된 후에는, 평탄부에의 성막이 되기 때문에, 매립 시와 같이 성막 속도를 느리게 할 필요는 없다.
그래서, 트렌치(203) 및 비아홀(204)에의 Ru막의 매립과, 평탄부에의 성막을 나누어, 매립을 위한 Ru막(206)을 성막한 후, 평탄부에 Ru 성막하여 부가층(207)을 형성할 때에, 매립 시보다 성막 속도가 커지도록 성막 조건을 설정한다. 이에 의해, 전체의 프로세스 시간을 단축할 수 있다.
성막 속도에 영향을 주는 프로세스 파라미터로서는, 성막 온도(웨이퍼 온도), 원료 가스의 공급량, 처리 압력, 웨이퍼와 샤워 헤드의 가스 토출면 사이의 갭이 있고, 성막 온도가 높을수록, 원료 가스 공급량이 클수록, 처리 압력이 낮을수록, 나아가서는 갭이 넓을수록 성막 속도가 커진다. 따라서, 부가층(207)을 성막할 때에, 이들 파라미터 중 적어도 1종을 조정함으로써, 매립 시의 Ru막(206)보다 성막 속도를 크게 할 수 있다. 이들 중에서는, 성막 온도가 가장 성막 속도에 주는 영향이 크다. 예컨대, Ru막(206) 매립 시의 성막 온도를 150℃에서 행한 후, 부가층(207) 형성 시의 Ru막 성막 온도를 200℃로 함으로써, 성막 속도를 200% 정도 상승시킬 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 프로세스 파라미터를 조정하여 부가층(207)을 성막하는 단계 4 대신에, 부가층(207)이 되는 Ru막 성막 시에, 수소(H) 함유 환원 가스를 첨가하는 단계 4'를 행하는 것이 바람직하다. H 함유 환원 가스로서는, H2 가스를 적합하게 이용할 수 있다. 또한, H 함유 환원 가스로서 그 외에, NH3 가스나 SiH4 가스를 이용할 수도 있다. H 함유 환원 가스의 유량은, 10 sccm∼500 sccm의 범위가 바람직하다. 매립 Ru막(206)을 성막할 때에 H2 가스와 같은 H 함유 환원 가스를 첨가하지 않고, 부가층(207)이 되는 Ru막 성막 시에 H 함유 환원 가스를 첨가함으로써, 웨이퍼 상에서의 성막 반응이 촉진되어 성막 속도를 크게 할 수 있고, 전술한 프로세스 파라미터의 조정의 경우와 마찬가지로, 전체의 프로세스 시간을 단축할 수 있다.
이것을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 성막 원료로서 Ru3(CO)12를 이용하여, H2 가스 첨가 있음과 없음의 경우의 성막 속도를 비교한 도면이다. 이때의 조건은, Ru3(CO)12 유량: 0.6 sccm(캐리어 가스 유량: 300 sccm), 웨이퍼 온도: 200℃, 압력: 0.5 Torr, H2 가스 유량: 100 sccm으로 한 경우를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, H2 가스를 첨가함으로써, Ru막의 성막 속도가 상승하는 것을 알 수 있다.
또한, 부가층(207)이 되는 Ru막 성막 시에 H2 가스 등의 H 함유 환원 가스를 첨가하면, 수소가 C나 O 등의 불순물과 반응해서 이들을 제거하는 작용이 발휘되어, 부가층(207) 및 트렌치(203) 등에 매립된 Ru막(206) 중의 불순물을 제거할 수 있다.
도 5는 Ru3(CO)12를 이용하여 H2 가스를 첨가하지 않고 2.5 ㎚의 Ru막을 성막한 후에 포밍 가스 어닐링을 행하지 않는 경우(샘플 1), Ru3(CO)12를 이용하여 H2 가스를 첨가하지 않고 2.5 ㎚의 Ru막을 성막한 후에 포밍 가스 어닐링을 행한 경우(샘플 2), Ru3(CO)12를 이용하여 H2 가스를 첨가하지 않고 2.0 ㎚의 Ru막을 성막한 후에 포밍 가스 어닐링을 행한 경우(샘플 3), Ru3(CO)12를 이용하고 또한 H2 가스를 첨가하여 2.0 ㎚의 Ru막을 성막한 후에 포밍 가스 어닐링을 행한 경우(샘플 4)에 대해, 불순물인 C 및 O의 상대 농도를 나타낸 도면이다. 도 5의 샘플 1과 샘플 2를 비교하면, 포밍 가스 어닐링을 행한 샘플 2에 있어서 불순물인 C 및 O가 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, Ru막 두께가 2.5 ㎚ 및 2.0 ㎚에 있어서 포밍 가스 어닐링을 행한 샘플 2와 샘플 3을 비교하면, 불순물량은 같은 정도였다. 또한, 성막 시에 H2 가스를 첨가하지 않는 샘플 3과 첨가한 샘플 4를 비교하면, H2 가스를 첨가함으로써, 불순물인 C 및 O가 더욱 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 부가층(207)의 Ru막 성막 시에 H2 가스 등의 H 함유 환원 가스를 첨가함으로써, 포밍 어닐링과 동일한 불순물 제거 효과를 얻을 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 부가층(207)을 형성할 때에 H 함유 환원 가스를 공급함으로써 Ru막(206)의 결정 성장도 기대할 수 있다.
즉, 도 3의 흐름도에 도시된 바와 같이, 단계 4 대신에, 부가층(207)이 되는 Ru막 성막 시에 H2 가스 등의 H 함유 환원 가스를 첨가하는 단계 4'를 행함으로써, 단계 5의 어닐링을 생략해도, 어닐링이 있는 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
부가층(207)이 되는 Ru막 성막 시에 H2 가스 등의 H 함유 환원 가스를 첨가하는 단계 4'를 행할 때에, 아울러 상기 프로세스 파라미터 중 적어도 1종을 조정하여 성막 속도가 보다 커지도록 해도 좋다.
한편, 전술한 매립 시보다 큰 성막 속도로 Ru막을 성막하여 부가층(207)을 형성하는 단계 4에 있어서, 상기 프로세스 파라미터 중 적어도 1종을 조정하는 것에 더하여 H 함유 환원 가스를 첨가해도 좋고, H 함유 환원 가스의 첨가에 의해서만 성막 속도를 높여도 좋다. 이에 의해, 불순물 제거 효과 및 결정 입자 직경 증대 효과를 얻을 수 있고, 그 후의 단계 5의 어닐링 처리에 의해 이들의 효과를 한층 높일 수 있다.
[성막 시스템]
다음으로, 이상의 Ru 배선의 제조 방법을 실시하기 위해서 이용되는 성막 시스템의 일례에 대해 설명한다.
도 6은 이러한 성막 시스템의 일례를 개략적으로 도시한 수평 단면도이다.
성막 시스템(1)은, 하지막 성막 장치(11)와, 냉각 장치(12)와, 매립용 Ru막 성막 장치(13a), 부가용 Ru막 성막 장치(13b)를 갖는다. 이들은, 평면 형상이 7각형을 이루는 진공 반송실(10)의 4개의 벽부에 각각 게이트 밸브(G)를 통해 접속되어 있다. 진공 반송실(10) 내는, 진공 펌프에 의해 배기되어 미리 정해진 진공도로 유지된다.
냉각 장치(12)는, 하지막 성막 장치(11)와 매립용 Ru막 성막 장치(13a)에서 처리 온도에 차이가 있기 때문에, 하지막 성막 장치(11)에서 처리된 웨이퍼(W)를 매립용 Ru막 성막 장치(13a)에 반송하기 전에 일단 실온으로 냉각하기 위한 것이며, 진공으로 유지된 챔버 내에, 웨이퍼(W)가 배치되는 냉각 플레이트가 설치된 구조를 갖는다. 한편, 하지막 성막 장치(11)는, 하지막으로서 전술한 바와 같이 TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, 및 TiON막 등 중 어느 하나를, ALD, CVD, 이온화 PVD에 의해 성막한다. 또한, 매립용 Ru막 성막 장치(13a) 및 부가용 Ru막 성막 장치(13b)는 이후에 상세히 설명하는 바와 같이 CVD에 의해 성막한다.
진공 반송실(10)의 다른 3개의 벽부에는 3개의 로드록실(14)이 게이트 밸브(G1)를 통해 접속되어 있다. 로드록실(14)을 사이에 두고 진공 반송실(10)의 반대측에는 대기 반송실(15)이 설치되어 있다. 3개의 로드록실(14)은, 게이트 밸브(G2)를 통해 대기 반송실(15)에 접속되어 있다. 로드록실(14)은, 대기 반송실(15)과 진공 반송실(10) 사이에서 웨이퍼(W)를 반송할 때에, 대기압과 진공 사이에서 압력 제어하는 것이다.
대기 반송실(15)의 로드록실(14)의 부착 벽부와는 반대측의 벽부에는 웨이퍼(W)를 수용하는 캐리어(FOUP 등)(C)를 부착하는 3개의 캐리어 부착 포트(16)를 갖고 있다. 또한, 대기 반송실(15)의 측벽에는, 실리콘 웨이퍼(W)의 얼라인먼트를 행하는 얼라인먼트 챔버(17)가 설치되어 있다. 대기 반송실(15) 내에는 청정 공기의 다운플로우가 형성되도록 되어 있다.
진공 반송실(10) 내에는, 반송 기구(18)가 설치되어 있다. 반송 기구(18)는, 하지막 성막 장치(11), 냉각 장치(12), 매립용 Ru막 성막 장치(13a), 부가용 Ru막 성막 장치(13b), 로드록실(14)에 대해 웨이퍼(W)를 반송한다. 반송 기구(18)는, 독립적으로 이동 가능한 2개의 반송 아암(19a, 19b)을 갖고 있다.
대기 반송실(15) 내에는, 반송 기구(20)가 설치되어 있다. 반송 기구(20)는, 캐리어(C), 로드록실(14), 얼라인먼트 챔버(17)에 대해 웨이퍼(W)를 반송하도록 되어 있다.
성막 시스템(1)은 전체 제어부(21)를 갖고 있다. 전체 제어부(21)는, 하지막 성막 장치(11), 냉각 장치(12), 매립용 Ru막 성막 장치(13a), 부가용 Ru막 성막 장치(13b)의 각 구성부, 진공 반송실(10)의 배기 기구나 반송 기구(18), 로드록실(14)의 배기 기구나 가스 공급 기구, 대기 반송실(15)의 반송 기구(20), 게이트 밸브(G, G1, G2)의 구동계 등을 제어하는 CPU(컴퓨터)를 갖는 주제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등), 출력 장치(프린터 등), 표시 장치(디스플레이 등), 기억 장치(기억 매체)를 갖고 있다. 전체 제어부(21)의 주제어부는, 예컨대, 기억 장치에 내장된 기억 매체, 또는 기억 장치에 세트된 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여, 성막 시스템(1)에, 미리 정해진 동작을 실행시킨다.
다음으로, 이상과 같이 구성되는 성막 시스템(1)의 동작에 대해 설명한다. 이하의 처리 동작은 전체 제어부(21)에 있어서의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여 실행된다.
먼저, 반송 기구(20)에 의해 대기 반송실(15)에 접속된 캐리어(C)로부터 웨이퍼(W)를 취출하고, 어느 하나의 로드록실(14)의 게이트 밸브(G2)를 개방하여 그 웨이퍼(W)를 그 로드록실(14) 내에 반입한다. 게이트 밸브(G2)를 폐쇄한 후, 로드록실(14) 내를 진공 배기한다.
그 로드록실(14)이, 미리 정해진 진공도가 된 시점에서 게이트 밸브(G1)를 개방하고, 진공 반송실(10) 내의 반송 기구(18)의 반송 아암(19a, 19b) 중 어느 하나에 의해 로드록실(14)로부터 웨이퍼(W)를 취출한다.
그리고, 하지막 성막 장치(11)의 게이트 밸브(G)를 개방하고, 반송 기구(18)의 어느 하나의 반송 아암이 유지하는 웨이퍼(W)를 하지막 성막 장치(11)에 반입하며, 게이트 밸브(G)를 폐쇄하고, 하지막 성막 장치(11)에 의해 하지막의 성막을 행한다.
하지막의 성막 처리가 종료된 후, 게이트 밸브(G)를 개방하고, 반송 기구(18)의 어느 하나의 반송 아암에 의해, 웨이퍼(W)를 반출하며, 냉각 장치(12)의 게이트 밸브(G)를 개방하여 그 안에 웨이퍼(W)를 반입한다. 냉각 장치(12)에서 웨이퍼(W)를 냉각한 후, 반송 기구(18)의 어느 하나의 반송 아암에 의해 웨이퍼(W)를 반출하고, 매립용 Ru막 성막 장치(13a)의 게이트 밸브(G)를 개방하여 그 안에 웨이퍼(W)를 반입한다. 그리고, 매립용 Ru막 성막 장치(13a)에 의해 매립용의 Ru막의 성막을 행한다.
매립용의 Ru막의 성막 후, 반송 기구(18)의 어느 하나의 반송 아암에 의해 웨이퍼(W)를 반출하고, 부가용 Ru막 성막 장치(13b)의 게이트 밸브(G)를 개방하여 그 안에 웨이퍼(W)를 반입한다. 그리고, 부가용 Ru막 성막 장치(13b)에 의해 부가용의 Ru막을 성막하여, 부가층을 형성한다.
부가층의 성막이 이루어진 후, 부가용 Ru막 성막 장치(13b)의 게이트 밸브(G)를 개방하고, 반송 기구(18)의 반송 아암(19a, 19b) 중 어느 하나에 의해, 그 안의 웨이퍼(W)를 반출하며, 계속해서 어느 하나의 로드록실(14)의 게이트 밸브(G1)를 개방하여, 반송 아암 상의 웨이퍼(W)를 그 로드록실(14) 내에 반입한다. 그리고, 그 로드록실(14) 내를 대기로 복귀시키고, 게이트 밸브(G2)를 개방하여, 반송 기구(20)에 의해 로드록실(14) 내의 웨이퍼(W)를 캐리어(C)로 복귀시킨다.
이상과 같은 처리를, 복수의 실리콘 웨이퍼(W)에 대해 동시 병행적으로 행하여, 미리 정해진 매수의 웨이퍼(W)의 하지막의 성막 처리 및 매립 및 부가의 Ru막의 성막 처리가 완료된다.
이상과 같이 부가층의 Ru막 성막까지 종료한 후, 캐리어(C)를 어닐링 장치(도시하지 않음)에 반송하여 웨이퍼(W)에 대해 어닐링 처리를 행한다. 한편, 어닐링 처리는, 성막 시스템(1) 내에 또한 어닐링 장치를 설치하여 행해도 좋고, 성막 시스템(1)의 로드록실(14) 등 중 어느 하나의 모듈에 어닐링 기능을 설치하여 행해도 좋다. 어닐링 처리를 행한 후, 캐리어(C)를 CMP 장치(도시하지 않음)에 반송하여, 웨이퍼(W)의 CMP 처리를 행한다.
(매립용 Ru막 성막 장치)
다음으로, 상기 성막 시스템(1)의 매립용 Ru막 성막 장치(13a)에 대해 설명한다. 도 7은 매립용 Ru막 성막 장치(13a)의 일례를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이 Ru막 성막 장치(13a)는, 기밀하게 구성된 대략 원통형의 챔버(101)를 갖고 있고, 그 안에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(102)가, 챔버(101)의 바닥벽 중앙에 설치된 원통형의 지지 부재(103)에 의해 지지되어 배치되어 있다. 서셉터(102)에는 히터(105)가 매립되어 있고, 이 히터(105)는 히터 전원(106)으로부터 급전됨으로써 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 미리 정해진 온도로 가열한다. 한편, 서셉터(102)에는, 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 복수의 웨이퍼 승강핀(도시하지 않음)이 서셉터(102)의 표면에 대해 돌출 및 몰입 가능하게 설치되어 있다.
챔버(101)의 천장벽에는, Ru막을 CVD 성막하기 위한 처리 가스를 챔버(101) 내에 샤워형으로 도입하기 위한 샤워 헤드(110)가 서셉터(102)와 대향하도록 설치되어 있다. 샤워 헤드(110)는, 후술하는 가스 공급 기구(130)로부터 공급된 가스를 챔버(101) 내에 토출하기 위한 것이며, 그 상부에는 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(111)가 형성되어 있다. 또한, 샤워 헤드(110)의 내부에는 가스 확산 공간(112)이 형성되어 있고, 샤워 헤드(110)의 바닥면에는 가스 확산 공간(112)에 연통(連通)된 다수의 가스 토출 구멍(113)이 형성되어 있다.
챔버(101)의 바닥벽에는, 하방을 향해 돌출하는 배기실(121)이 설치되어 있다. 배기실(121)의 측면에는 배기 배관(122)이 접속되어 있고, 이 배기 배관(122)에는 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 장치(123)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(123)를 작동시킴으로써 챔버(101) 내를 미리 정해진 감압(진공) 상태로 하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(101)의 측벽에는, 진공 반송실(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)를 반입 및 반출하기 위한 반입 반출구(127)가 설치되어 있고, 반입 반출구(127)는 게이트 밸브(G)에 의해 개폐되도록 되어 있다.
가스 공급 기구(130)는, 고체형의 성막 원료(S)로서 루테늄카르보닐(Ru3(CO)12)을 수용하는 성막 원료 용기(131)를 갖고 있다. 성막 원료 용기(131) 주위에는 히터(132)가 설치되어 있다. 성막 원료 용기(131)에는, 상방으로부터 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 배관(133)이 삽입되어 있다. 캐리어 가스 공급 배관(133)에는 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급원(134)이 접속되어 있다. 캐리어 가스로서는, Ar 가스나 N2 가스 등의 불활성 가스, 또는 CO 가스를 이용할 수 있다. 또한, 성막 원료 용기(131)에는, 성막 원료 가스 공급 배관(135)이 삽입되어 있다. 이 성막 원료 가스 공급 배관(135)은, 샤워 헤드(110)의 가스 도입구(111)에 접속되어 있다. 따라서, 캐리어 가스 공급원(134)으로부터 캐리어 가스 공급 배관(133)을 통해 성막 원료 용기(131) 내에 캐리어 가스가 불어 넣어지고, 성막 원료 용기(131) 내에서 승화한 루테늄카르보닐(Ru3(CO)12) 가스가 캐리어 가스에 의해 반송되어 성막 원료 가스 공급 배관(135) 및 샤워 헤드(110)를 통해 챔버(101) 내에 공급된다. 캐리어 가스 공급 배관(133)에는, 유량 제어용의 매스 플로우 컨트롤러(136)와 그 전후의 밸브(137a, 137b)가 설치되어 있다. 또한, 가스 공급 배관(135)에는, 루테늄카르보닐(Ru3(CO)12)의 가스량을 파악하기 위한 유량계(138)와 그 전후의 밸브(139a, 139b)가 설치되어 있다.
가스 공급 기구(130)는, 또한, 불활성 가스 공급원(144)과, 불활성 가스 공급원(144)에 접속된 불활성 가스 공급 배관(145)을 갖는다. 불활성 가스 공급 배관(145)의 타단은, 성막 원료 가스 공급 배관(135)에 접속되어 있다. 불활성 가스로서는 예컨대 Ar 가스, N2 가스 등이 이용된다. 불활성 가스는, 성막 원료 가스 공급 배관(135)이나 챔버(101) 내의 잔류 가스를 퍼지하는 퍼지 가스로서 이용된다. 또한, 불활성 가스는, 성막 원료 가스를 희석하는 희석 가스로서 이용해도 좋다. 불활성 가스 공급 배관(145)에는, 유량 제어용의 매스 플로우 컨트롤러(146)와 그 전후의 밸브(147a, 147b)가 설치되어 있다.
매립용 Ru막 성막 장치(13a)는, 그 각 구성부, 예컨대, 히터 전원(106), 배기 장치(123), 가스 공급 기구(130)의 밸브, 매스 플로우 컨트롤러 등의 각 구성부를 제어하기 위한 제어부(150)를 갖고 있다. 제어부(150)는 전체 제어부(21)의 지령에 의해 각 구성부를 제어한다.
이와 같이 구성되는 매립용 Ru막 성막 장치(13a)에 있어서는, 게이트 밸브(G)를 개방으로 하여 반입 반출구(127)로부터 웨이퍼(W)를 챔버(101) 내에 반입하고, 서셉터(102) 상에 배치한다. 서셉터(102)는 히터(105)에 의해 120℃∼300℃, 바람직하게는 130℃∼250℃의 범위 내의 온도, 예컨대 150℃로 가열되어 있고, 챔버(101) 내에 불활성 가스가 도입됨으로써 웨이퍼(W)가 가열되며, 배기 장치(123)의 진공 펌프에 의해 챔버(101) 내를 배기하여, 챔버(101) 내가 압력 조절된다. 이때의 챔버 내의 압력은, 0.013 ㎩∼133.3 ㎩(0.1 mTorr∼1 Torr), 바람직하게는 1.3 ㎩∼66.5 ㎩(10 mTorr∼500 mTorr)의 범위, 예컨대 1.3 ㎩(10 mTorr)로 유지된다.
계속해서, 밸브(137a, 137b)를 개방으로 하여 캐리어 가스 공급 배관(133)을 통해 성막 원료 용기(131)에 캐리어 가스를 불어 넣고, 성막 원료 용기(131) 내에서 히터(132)의 가열에 의해 승화하여 생성된 Ru3(CO)12 가스를 캐리어 가스에 의해 반송하며, 성막 원료 가스 공급 배관(135) 및 샤워 헤드(110)를 통해 챔버(101) 내에 도입한다. 이때의 Ru3(CO)12 가스는, 0.1 sccm∼3 sccm, 바람직하게는 0.2 sccm∼1 sccm의 범위로 한다. 이때, Ru3(CO)12 가스의 유량은, 캐리어 가스의 유량으로 정해지고, 예컨대 캐리어 가스 유량을 10 sccm∼300 sccm으로 함으로써, Ru3(CO)12 가스를 0.1 sccm∼3 sccm의 유량으로 공급할 수 있다. 캐리어 가스로서는, 전술한 바와 같이, Ar 가스나 N2 가스 등의 불활성 가스, 또는 CO 가스를 이용할 수 있으나, CO 가스를 이용함으로써, 배관 내 등에서의 상기 (1)식에 나타낸 Ru3(CO)12 가스의 분해 반응을 억제할 수 있어, Ru3(CO)12의 화학 구조를 최대한 유지한 채로 성막 가스를 웨이퍼(W)에 공급할 수 있다.
성막 처리 종료 후, 챔버(101) 내를 퍼지하고, 게이트 밸브(G)를 개방하여, 반송 기구(18)에 의해, 반입 반출구(127)를 통해 웨이퍼(W)를 반출한다.
매립용 Ru막의 성막 시에는, 전술한 바와 같이, 트렌치나 비아홀 내에서의 핵 성장을 제어하고, 또한 컨포멀한 성막이 요구되기 때문에, 성막 속도의 제어가 중요하며, 성막 속도는, 예컨대, 성막 속도<2 ㎚/min이라고 하는 느린 성막 속도가 되도록 성막 온도, Ru3(CO)12 가스 유량, 챔버 내 압력, 서셉터(102)[웨이퍼(W)]와 샤워 헤드(110) 사이의 갭 등의 프로세스 파라미터가 조정된다.
(부가용 Ru막 성막 장치)
다음으로, 상기 성막 시스템(1)의 부가용 Ru막 성막 장치(13b)에 대해 설명한다.
전술한 바와 같이, 부가용 Ru막 성막 장치(13b)는, 부가층으로서의 Ru막을 성막하기 위한 것이며, 매립 시보다 성막 속도가 커지도록 성막 조건이 설정된다. 예컨대, 성막 온도, Ru3(CO)12 가스 유량, 챔버 내 압력, 서셉터(102)[웨이퍼(W)]와 샤워 헤드(110) 사이의 갭 등의 프로세스 파라미터가 조정된다. 이러한 프로세스 파라미터만의 조정의 경우에는, 부가용 Ru막 성막 장치(13b)는, 도 7에 도시된 매립용 Ru막 성막 장치(13a)와 동일한 구성의 것을 이용하여, 프로세스 파라미터만을 변경하도록 하면 된다. 이와 같이 매립 시의 성막 속도보다 성막 속도가 증가하도록 프로세스 파라미터를 조정함으로써, 전체의 프로세스 시간을 단축할 수 있다.
부가용 Ru막 성막 장치(13b)로서, H 함유 환원 가스, 예컨대 H2 가스를 첨가하여, 성막 속도의 증가 외에 불순물의 제거 효과를 얻는 것을 이용하는 경우에는, 부가용 Ru막 성막 장치(13b)는, 예컨대 도 8에 도시된 바와 같은 것이 된다. 도 8 중, 도 7과 동일한 것에는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 이 경우의 부가용 Ru막 성막 장치(13b)는, 도 7의 가스 공급 기구(130) 대신에, H2 가스를 공급하는 기구를 구비한 가스 공급 기구(130')를 갖는다. 즉, 가스 공급 기구(130')는, 가스 공급 기구(130)와 마찬가지로, 성막 원료 용기(131) 내의 성막 원료(S)를 캐리어 가스에 의해 챔버(101)에 공급하고, 또한 불활성 가스 공급원(144)으로부터 불활성 가스 공급 배관(145) 및 가스 공급 배관(135)을 통해 챔버(101) 내에 불활성 가스를 도입 가능한 구성 외에, H 함유 환원 가스로서 H2 가스를 공급하는 H2 가스 공급원(154)과, H2 가스 공급원(154)에 접속된 H2 가스 공급 배관(155)을 갖는다. H2 가스 공급 배관(155)의 타단은, 성막 원료 가스 공급 배관(135)에 접속되어 있다. H2 가스 공급 배관(155)에는, 유량 제어용의 매스 플로우 컨트롤러(156)와 그 전후의 밸브(157a, 157b)가 설치되어 있다. H 함유 환원 가스로서는, 전술한 바와 같이, NH3 가스나 SiH4 가스여도 좋다.
부가용 Ru막 성막 장치(13b)가 도 8에 도시된 바와 같은 구성의 경우에는, 성막 시에, 성막 원료 용기(131) 내에서 히터(132)의 가열에 의해 승화하여 생성된 Ru3(CO)12 가스를 캐리어 가스에 의해 반송하여, 성막 원료 가스 공급 배관(135) 및 샤워 헤드(110)를 통해 챔버(101) 내에 도입하고, H2 가스 공급원(154)으로부터 H2 가스 공급 배관(155) 및 성막 원료 가스 공급 배관(135)을 통해, H2 가스를 챔버(101) 내에 공급한다. 이에 의해, H2 가스의 작용에 의해, 성막 속도가 증가하여, 전체의 프로세스 시간을 단축할 수 있다. 또한, H2의 작용에 의해, C나 O 등의 불순물을 제거하는 효과, 및 결정 성장을 촉진하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 어닐링 장치를 설치하지 않아도 어닐링 처리를 행한 것과 동등한 효과를 얻을 수 있다.
도 8의 장치에 있어서, H2 가스를 공급하는 것에 더하여, 전술한 성막 속도에 영향을 주는 프로세스 파라미터 중 적어도 1종을 조정함으로써, 성막 속도를 더욱 상승시킬 수 있어, 전체의 프로세스 시간을 보다 단축할 수 있다.
<실험예>
다음으로, 실험예에 대해 설명한다.
여기서는, 폭 10 ㎚의 트렌치에 매립분의 5 ㎚와 부가분의 15 ㎚의 합계 20 ㎚의 Ru막을, 매립 시의 조건(조건 1)인 채로 연속해서 매립한 경우(프로세스 A)와, 매립 조건(조건 1)으로 5 ㎚ 매립한 후, 성막 조건을 성막 속도가 커지는 부가 조건(조건 2)으로 변경하여 부가분의 15 ㎚를 매립한 경우(프로세스 B)에 대해 프로세스 시간을 비교하였다.
이때, 매립 조건인 조건 1 및 부가 조건 2는 이하와 같다.
·조건 1
성막 온도(웨이퍼 온도): 150℃
챔버 내 압력: 10 mTorr
캐리어 가스(CO 가스) 유량: 100 sccm(Ru3(CO)12 유량 1 sccm에 상당)
·조건 2
성막 온도(웨이퍼 온도): 195℃
챔버 내 압력: 100 mTorr
캐리어 가스(CO 가스) 유량: 200 sccm(Ru3(CO)12 유량 2 sccm에 상당)
H2 가스 유량: 100 sccm
그 결과, 도 9에 도시된 바와 같이, 매립 조건인 조건 1인 채로 Ru막의 매립으로부터 부가의 합계 20 ㎚를 연속해서 성막한 프로세스 A의 경우에는, 프로세스 시간이 1067 sec로 된 것에 비해, 매립 조건인 조건 1로 Ru막을 5 ㎚ 매립한 후, 부가 조건인 조건 2로 15 ㎚의 Ru막 부가층을 성막한 프로세스 B의 경우에는, 512 sec 또는 그 이하로 되어, 프로세스 시간을 절반 이하로 단축할 수 있는 것이 확인되었다.
<다른 적용>
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 여러 가지로 변형 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서 설명한 성막 시스템, 매립용 Ru막 성막 장치, 부가용 Ru막 성막 장치는, 어디까지나 예시이며, 본 실시형태에 한하는 것이 아니다. 또한, 하나의 Ru막 성막 장치에서 조건을 변경하여 Ru막의 매립과 부가층의 형성을 행해도 좋다. 단, 조건 설정의 변경에 시간이 걸리는 경우에는, 상기 실시형태와 같이 매립용 Ru막 성막 장치와 부가용 Ru막 성막 장치를 나누는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 트렌치 및 비아홀이 형성된 층간 절연막에 대해 하지막을 성막하고, 그 후 Ru막을 매립함으로써 Ru 배선을 제조하는 경우에 대해 설명하였으나, 하지막은 필수가 아니며, 또한, 트렌치나 비아홀에 한하지 않고, 오목부를 갖는 기판에 대해 Ru막을 매립함으로써 Ru 배선을 제조하는 경우이면 적용 가능하다.
또한, 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예시하였으나, 본 발명의 원리상, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 액정 표시 장치용 기판으로 대표되는 FPD용 기판 등의 다른 기판이어도 되는 것은 물론이다.
1; 성막 시스템 10; 진공 반송실
11; 하지막 성막 장치 12; 냉각 장치
13a; 매립용 Ru막 성막 장치 13b; 부가용 Ru막 성막 장치
14; 로드록실 101; 챔버
102; 서셉터 105; 히터
110; 샤워 헤드 130; 가스 공급 기구
131; 성막 원료 용기 134; 캐리어 가스 공급원
154; H2 가스 공급원 201; 기체
202; 층간 절연막 203; 트렌치
204; 비아홀 205; 하지막
206; Ru막(매립 Ru막) 207; 부가층(부가 Ru막)
208; Ru 배선 W; 반도체 웨이퍼

Claims (15)

  1. 표면에 오목부가 형성된 미리 정해진 막을 갖는 기판에 대해, 상기 오목부를 메워 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서,
    루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 제1 루테늄막을 성막(成膜)하여 상기 오목부를 완전히 매립하는 공정과,
    상기 오목부를 완전히 매립한 상기 제1 루테늄막 위에, 루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 매립 시보다 큰 성막 속도로 제2 루테늄막을 성막하여, 부가층을 형성하는 공정과,
    기판 표면의 상기 제2 루테늄막 및 상기 제1 루테늄막을 CMP에 의해 제거하여 평탄화하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 상기 제1 루테늄막을 성막할 때의 프로세스 파라미터의 값을 조정함으로써, 성막 속도를 상기 제1 루테늄막의 성막 속도보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 프로세스 파라미터의 값의 조정으로서, 성막 온도를 높게 하는 것, 원료 가스 공급량을 크게 하는 것, 처리 압력을 낮게 하는 것, 및 기판과 가스 토출면 사이의 갭을 넓게 하는 것 중 적어도 1종에 의해 성막 속도를 크게 하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평탄화하는 공정보다 전에, 수소 함유 분위기에서 어닐링 처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 수소 함유 환원 가스를 첨가함으로써, 성막 속도를 상기 제1 루테늄막의 성막 속도보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수소 함유 환원 가스는, H2 가스, NH3 가스, 및 SiH4 가스 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  7. 표면에 오목부가 형성된 미리 정해진 막을 갖는 기판에 대해, 상기 오목부를 메워 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서,
    루테늄 원료 가스를 이용한 CVD에 의해 제1 루테늄막을 성막하여 상기 오목부를 완전히 매립하는 공정과,
    상기 오목부를 완전히 매립한 상기 제1 루테늄막 위에, 루테늄 원료 가스에 수소 함유 환원 가스를 첨가한 CVD에 의해 제2 루테늄막을 성막하여, 부가층을 형성하는 공정과,
    기판 표면의 상기 제2 루테늄막 및 상기 제1 루테늄막을 CMP에 의해 제거하여 평탄화하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수소 함유 환원 가스는, H2 가스, NH3 가스, 및 SiH4 가스 중 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 상기 제1 루테늄막을 성막할 때의 프로세스 파라미터의 값을 조정함으로써, 성막 속도를 상기 제1 루테늄막의 성막 속도보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 부가층을 형성할 때의 상기 제2 루테늄막의 성막은, 프로세스 파라미터의 값의 조정으로서, 성막 온도를 높게 하는 것, 원료 가스 공급량을 크게 하는 것, 처리 압력을 낮게 하는 것, 및 기판과 가스 토출면 사이의 갭을 넓게 하는 것 중 적어도 1종에 의해 성막 속도를 크게 하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  11. 제1항, 제2항, 제3항, 제7항, 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 루테늄의 성막에 앞서, 상기 오목부 내에 하지막을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 하지막은, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, 및 TiON막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  13. 제1항, 제2항, 제3항, 제7항, 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 루테늄막 및 상기 제2 루테늄막은, 루테늄 원료 가스로서 루테늄카르보닐을 이용하여 성막하는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 루테늄막 및 상기 제2 루테늄막을 형성할 때의 처리 온도는, 120℃∼300℃의 범위인 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1 루테늄막 및 상기 제2 루테늄막을 형성할 때의 압력은, 0.013 ㎩∼133.33 ㎩의 범위인 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법.
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