KR20090027736A - 성막방법 및 성막장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기밀상태의 처리 용기내에 기판을 탑재하는 기판 탑재 공정과, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 제 1 성막 공정과, 상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 배출 공정과, 상기 처리 용기내에 상기 원료 가스만을 재차 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 제 2 성막 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법이다.

Description

성막방법 및 성막장치{FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 구리의 유기 화합물을 원료로 해서 반도체 웨이퍼 등의 기판상에 구리막을 성막하는 기술에 관한 것이다.
반도체장치의 성능 향상의 요청으로부터, 근래에는 알루미늄 배선 대신에 구리 배선을 이용하는 배선 기술이 실시되고 있다. 이러한 반도체장치를 제조하는 공정에 있어서는 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라 함)의 표면에 구리막을 성막하는 기술이 중요하다. 웨이퍼상에 구리막을 형성하는 기술의 하나로서, 구리의 유기 화합물을 원료로 하는 화학 증착법(이하, CVD라 함)이 알려져 있다.
CVD에 의해서 웨이퍼상에 구리막이 성막되는 경우, 예를 들면 원료 가스인 트리메틸비닐시릴헥사플루오로아세틸아세트네이트 구리(이하, Cu(hfac)TMVS라 함) 등의 구리의 유기 화합물이 진공상태의 처리 용기에 공급되고, 가열된 웨이퍼상에서 해당 물질이 열분해되어, 웨이퍼의 표면에서 구리막이 형성된다.
그런데, 구리원자는 웨이퍼내에 확산되어 버리는 성질을 갖고 있기 때문에, 구리막이 웨이퍼상에 직접 성막되는 일은 적으며, 기판상에 미리 형성된 배리어 메 탈이라 불리는 확산 방지막(하지막)의 위에 성막되는 경우가 많다.
이 하지막에는 티탄이나 탄탈, 그들의 질화물 등이 이용된다. 그러나, 하지막의 배리어 메탈이 구리의 유기 화합물에 유래하는 유기물과 반응해서, 구리막과 배리어 메탈의 계면에 유기 불순물이 남아 버리는 것이 알려져 있다.
그 동안에 유기 불순물층이 형성된 하지막과 구리막은 밀착성이 나빠진다. 이 때문에, 상층측의 구리 배선과 하층측의 구리 배선의 사이의 저항값이 커져 버려 전기 특성이 악화되거나, 또한 웨이퍼를 가공할 때에 구리막이 벗겨져, 수율이 저하한다. 또한, 유기 불순물층은 하지막에 비해, 젖음성이 나쁘다. 이 때문에, 구리의 응집이 일어나기 쉽고, 애스펙트비가 높은 트렌치에의 구리의 매립성이 나빠져, 구리 배선의 형성 불량이 생긴다고 하는 문제도 있다.
이들 문제 중, 유기 불순물층의 형성에 의해서 구리막과 하지막의 밀착성이 나빠진다고 하는 문제에 대해, 일본국 특허공개공보 제2002-60942호(특히, 0037단락 내지 0038단락, 및 0057단락 참조)에는 수증기를 이용하는 기술이 소개되어 있다. 해당 특허문헌에 기재된 기술에 의하면, 웨이퍼를 수납한 처리 용기내에 미리 수증기를 공급해 두고, 예를 들면 0.5초간, 수증기와 Cu(hfac)TMVS를 동시 공급한 후, 수증기의 공급만을 정지시키는 것에 의해, 유기 불순물층의 생성을 억제해서 하지막과의 밀착성을 향상시킨 구리막을 얻을 수 있다.
그러나, Cu(hfac)TMVS를 원료로 하는 CVD에 있어서는 수증기의 존재는 유기 불순물층의 형성을 억제하는 한편, 구리막을 침(針)형상으로 이상 성장시켜 버린다고 하는 결점을 갖고 있는 것이 알려져 있다. 이 점에서, 상기 특허문헌의 기술에 서는 이들 가스의 공급이 정지되어도, 처리 용기내에는 여전히 수증기가 체류해 있으므로, 구리막의 이상 성장을 즉시 중지시키는 것이 곤란하다. 이러한 경우에는 하지막과 구리막의 사이에 간극이 생겨 버리므로, 밀착성을 향상시키는 것이 곤란하다.
본 발명은 이상과 같은 문제점에 착안하고, 이것을 유효하게 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은 유기 불순물층의 형성이나 구리막의 이상 성장을 억제하여, 하지막과의 밀착성이 좋은 구리막을 얻을 수 있는 성막방법 및 성막장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 기밀한 처리 용기에 기판을 탑재하는 기판 탑재 공정과, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 제 1 성막 공정과, 상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 배출 공정과, 상기 처리 용기내에 상기 원료 가스만을 재차 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 제 2 성막 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법이다.
본 발명에 의하면, 수증기의 존재 하에 밀착층이 형성되므로, 밀착층이 형성되는 하지막이 티탄 등과 같이 산화 경향이 큰 금속이어도, 유기 불순물층이 형성되는 것을 억제하는 것이 가능하다. 그 결과, 하지막과 밀착층의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 한편, 밀착층이 형성된 후에, 처리 용기내를 일단 배기하고 나서 재차 원료 가스를 공급하여 구리막이 성막되므로, 수증기의 존재에 의한 구리막의 이상 성장도 억제할 수 있다.
또, 본 발명은 기밀한 처리 용기에 기판을 탑재하는 기판 탑재 공정과, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 제 1 성막 공정과, 상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 배출 공정과, 상기 처리 용기내에 상기 원료 가스와 상기 수증기를 재차 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 제 2 성막 공정을 구비하고, 상기 제 2 성막 공정에 있어서 공급되는 수증기의 양은 상기 제 1 성막 공정에 있어서 공급되는 수증기의 양보다도 적은 것을 특징으로 하는 성막방법이다.
본 발명에 의하면, 수증기의 존재 하에 밀착층이 형성되므로, 밀착층이 형성되는 하지막이 티탄 등과 같이 산화 경향이 큰 금속이어도, 유기 불순물층이 형성되는 것을 억제하는 것이 가능하다. 그 결과, 하지막과 밀착층의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 한편, 밀착층이 형성된 후에, 처리 용기내를 일단 배기하고 나서 재차 원료 가스와 소량의 수증기를 공급하여 구리막이 성막되므로, 수증기의 존재에 의한 구리막의 이상 성장도 억제할 수 있다.
상기 제 1 성막 공정에 있어서의 가스 도입 순서는 예를 들면, 상기 원료 가스의 공급은 상기 수증기의 공급이 개시된 후에 지연되어 개시되도록 되어 있다. 이 경우, 예를 들면 상기 제 1 성막 공정에 있어서, 상기 원료 가스의 공급은 상기 수증기의 공급이 정지된 후에 개시되도록 되어 있어도 좋다.
혹은 상기 제 1 성막 공정에 있어서 상기 수증기의 공급은 예를 들면, 상기 원료 가스의 공급과 동시에 실행되도록 되어 있다.
또, 바람직하게는 상기 기판은 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 가열된다.
또, 바람직하게는 상기 기판상에는 티탄 및 탄탈에서 선택된 금속으로 이루어지는 하지막, 또는 상기 금속과, 질소, 탄소 또는 산소의 어느 1개 혹은 2개의 원소와의 화합물로 이루어지는 하지막, 혹은 루테늄 또는 그 산화물로 이루어지는 하지막이 미리 형성되어 있고, 해당 하지막의 위에 구리막이 성막되도록 되어 있다.
혹은 본 발명은 기판을 탑재하는 탑재대가 내부에 마련된 기밀한 처리 용기와, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단과, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과, 상기 처리 용기내를 배기하는 배기 수단과, 상기 기판의 온도를 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 유지하는 기판 온도 조절 수단과, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 스텝과, 상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 스텝과, 상기 처리 용기내에 상기 원료 가스만을 재차 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 스텝을 실행하도록 상기 각 수단을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 성막장치이다.
혹은 본 발명은 기판을 탑재하는 탑재대가 내부에 마련된 기밀한 처리 용기와, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단과, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과, 상기 처리 용기내를 배기하는 배기 수단과, 상기 기판의 온도를 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 유지하는 기판 온도 조절 수단과, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 스텝과, 상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 스텝과, 상기 처리 용기내에 상기 원료 가스와 상기 밀착층 형성 스텝에서 공급된 양보다도 소량의 수증기를 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 스텝을 실행하도록 상기 각 수단을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 성막장치이다.
혹은 본 발명은 기판을 탑재하는 탑재대가 내부에 마련된 기밀한 처리 용기와, 상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단과, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과, 상기 처리 용기내를 배기하는 배기 수단과, 상기 기판의 온도를 100 ℃ ~ 150 ℃의 범위내의 온도로 유지하는 기판 온도 조절 수단을 구비한 성막장치를 제어하는 제어 프로그램으로서, 상기 특징 중의 어느 하나를 구비한 성막방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램을 기억하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시형태에 관한 구리막의 성막방법을 이용 한 반도체장치의 제조 방법의 각 스텝에 대응하는 웨이퍼의 개략단면도.
도 2는 본 실시형태에 관한 구리막의 성막방법을 실시하기 위한 CVD 장치의 개략 단면도.
도 3은 본 실시형태에 관한 구리막의 성막방법을 실시하기 위한 프로세스 시퀸스의 일예를 나타내는 도면.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 프로세스 시퀸스의 변형예.
도 5a 및 도 5b는 유기 불순물층이 형성되어 있는 상태를 평가하기 위한 웨이퍼 단면의 확대 사진.
도 6a 및 도 6b는 구리막 표면의 모포로지를 평가하기 위한 확대 사진.
도 7a 및 도 7b는 웨이퍼 표면에 형성된 트렌치에의 구리의 매립성을 평가하기 위한 웨이퍼 단면의 확대 사진.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면서, 본 발명의 일실시형태에 관한 구리막의 성막방법을 이용한 반도체장치의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 1a 내지 도 1d는 각각 웨이퍼(W)의 표면부에 형성되는 반도체장치의 제조 공정도중의 단계의 해당 웨이퍼(W)의 단면도를 나타내고 있다.
도 1a는 층간 절연막에 트렌치를 뚫기 전의 상태에 대응하고 있다.설명의 간략화를 위해, 구리의 매립은 싱글 대머신으로 실행되는 것으로 한다. 도면 중, 참조부호‘80, 81’은 층간 절연막으로서의 SiOC막(탄소함유 실리콘 산화막)이고, 참 조부후‘82’는 SiN막(질화 실리콘막)이다.
여기서, SiOC막(80, 81) 및 SiN막(82)을 성막하는 방법에 대해 설명한다. 이들 막은 모두 예를 들면 플라즈마 성막 처리에 의해 성막된다. 구체적으로는 진공 배기된 진공 용기내에 웨이퍼(W)를 배치하고, 이 진공 용기내에 소정의 성막가스를 공급해서 플라즈마화하는 것에 의해 성막이 이루어진다.
이러한 웨이퍼(W)에 대해, 우선, 예를 들면 CF4 가스나 C4F8 가스 등을 에칭 가스로서 이용하는 것에 의해, SiOC막(81)이 소정의 패턴형상으로 에칭된다. 이 때, SiOC막(81)의 하지막으로 되어 있는 SiN막(82)은 에칭 스토퍼로서 작용한다. 이것에 의해, 예를 들면 도 1b에 나타내는 바와 같이, SiOC막(81)에 배선용의 구리를 매립하기 위한, 예를 들면 선폭이 120㎚ 이하, 바람직하게는 80㎚ 이하의 트렌치(800)가 형성된다.
계속해서, 예를 들면 도 1c에 나타내는 바와 같이, 이 트렌치(800)를 포함시킨 SiOC막(81)의 표면상이 예를 들면 티탄이나 탄탈 등의 배리어 메탈층(하지막)(83)으로 피복된다. 또한 계속해서, 트렌치(800)내에 구리가 매립되도록 구리막이 성막된 후, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 연마가 실행되어, 예를 들면 도 1d에 나타내는 바와 같이, 트렌치(800) 내외의 구리 및 배리어 메탈층(83)이 제거되고, 트렌치(800)내에 구리 배선(84)이 형성된다.
다음에, 본 실시형태의 구리막의 성막방법에 대해 상세하게 설명한다.
본 성막방법에서는 원료 가스로 되는 구리의 유기 화합물의 가스, 예를 들면 Cu(hfac)TMVS 가스가 CVD장치의 처리 용기내에 공급되어 구리막이 성막된다. 이 때, 소정의 타이밍에서 Cu(hfac)TMVS 가스와 수증기를 동시에 공급하는 것에 의해, 유기 불순물이 적은 밀착층이 형성된다.
그리고, 그 후, 이들 가스의 공급이 정지되고, 처리 용기내에 잔존해 있는 가스가 일단 배기된다. 이것에 의해, 구리막의 이상 성장을 방지할 수 있다. 그리고, 이들 가스를 재차 공급하는 것에 의해, 구리막의 성막을 비교적 저온으로 진행시킬 수 있다.
다음에, 해당 성막방법을 실시하기 위한 장치에 대해 설명한다. 도 2는 본 성막방법이 실행되는 CVD 장치의 일예를 나타내는 단면도이다. CVD 장치(1)는 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 처리 용기(진공 챔버)(10)를 구비하고 있다. 이 처리 용기(10)는 상측의 대직경 원통부(10a)와, 하측의 소직경 원통부(10b)가 연설(連設)되어 형성되어 있다.
처리 용기(10)에는 그 내벽을 가열하기 위한 도시하지 않은 가열 기구가 마련되어 있다. 또한, 처리 용기(10)내에는 웨이퍼(W)를 수평으로 탑재하기 위한 스테이지(11)가 마련되어 있다. 이 스테이지(11)는 소직경 원통부(10b)의 바닥부에 지지 부재(12)를 거쳐서 지지되어 있다.
스테이지(11)내에는 웨이퍼(W)의 온도 조절 수단으로서 기능하는 히터(11a)가 마련되어 있다. 또한, 스테이지(11)에는 웨이퍼(W)를 승강시켜 외부의 반송 장치와 수수를 실행하기 위한 예를 들면 3개의 지지 핀(13)이, 스테이지(11)의 표면에 대해 돌출 함몰 자유롭게 마련되어 있다. 이 지지 핀(13)은 지지 부재(14)를 거 쳐서, 처리 용기(10) 밖의 승강 기구(15)에 접속되어 있다.
처리 용기(10)의 바닥부에는 배기관(16)의 일단측이 접속되어 있다. 이 배기관(16)의 타단측에는 진공 펌프(17)가 접속되어 있다. 또한, 처리 용기(10)의 대직경 원통부(10a)의 측벽에는 게이트 밸브(18)에 의해 개폐되는 반송구(19)가 형성되어 있다.
처리 용기(10)의 천장부에는 개구부(21)가 형성되어 있다. 이 개구부(21)를 막도록 또한 스테이지(11)에 대향하도록, 가스 샤워헤드(22)가 마련되어 있다. 가스 샤워헤드(22)는 2개의 가스실(25a, 25b)과, 2종류의 가스 공급 구멍(27a, 27b)을 구비하고 있다. 한쪽의 가스실(25a)에 공급된 가스는 한쪽의 가스 공급 구멍군(27a)으로부터 처리 용기(10)내에 공급되도록 되어 있다. 또한, 다른쪽의 가스실(25b)에 공급된 가스는 다른쪽의 가스 공급 구멍군(27b)으로부터 처리 용기(10)내에 공급되도록 되어 있다.
하부의 가스실(25a)에는 원료 가스 공급로(31)가 접속되어 있다. 이 원료 가스 공급로(31)의 상류측에 원료 탱크(32)가 접속되어 있다. 원료 탱크(32)에는 구리막의 원료(전구체)로 되는 구리의 유기 화합물(착체)인 Cu(hfac)TMVS가 액체의 상태로 저장되어 있다. 원료 탱크(32)는 또한 가압부(33)와 접속되어 있다. 이 가압부(33)로부터 공급되는 아르곤 가스 등에 의해서 원료 탱크(32)내가 가압되는 것에 의해, Cu(hfac)TMVS가 원료 가스 공급로(31)를 향해 밀어내어지도록 되어 있다.
또, 원료 가스 공급로(31)에는 액체 매스플로 컨트롤러(이하, LMFC라 함)(34) 및 Cu(hfac)TMVS를 기화하기 위한 베이퍼라이저(vaporizer)(35)가 상류측부 터 해당 순으로 개재되어 마련되어 있다. 베이퍼라이저(35)는 캐리어 가스 공급원(36)으로부터 공급되는 캐리어 가스(수소 가스)와 접촉 혼합시키는 것에 의해서, Cu(hfac)TMVS를 기화시키도록 되어 있다. 한편, 도 2 중, 참조부후‘37’은 캐리어 가스의 유량을 조정하는 매스플로 컨트롤러(MFC)이고, 참조부호‘V1∼V5’는 밸브이다.
다음에, 수증기측의 가스 공급계에 대해 설명한다. 상부 가스실(25b)에는 수증기 공급로(41)가 접속되어 있다. 이 수증기 공급로(41)의 상류측에, MFC(43)를 거쳐, 수증기 공급원(42)이 접속되어 있다. 도 2 중, 참조부호‘V6, V7’은 밸브이다.
또, Cu(hfac)TMVS의 가스 공급계 및 수증기의 가스 공급계에 마련되어 있는 각 가스 공급 제어계(점선 부분), 배기관(16)에 마련된 도시되지 않은 압력 조정부, 히터(11a), 승강 기구(15) 등은 CVD 장치(1) 전체의 동작을 제어하는 제어부(50)에 의해서 제어되도록 되어 있다.
제어부(50)는 예를 들면 도시되지 않은 프로그램 저장부를 갖고 있는 컴퓨터로 구성된다. 프로그램 저장부에는 웨이퍼(W)를 처리 용기(10)에 반입 반출하는 동작이나 처리(성막처리)에 대한 스텝(명령)군을 구비한 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있다. 그리고, 해당 컴퓨터 프로그램이 제어부(50)에 읽어 내어지는 것에 의해, 제어부(50)는 CVD 장치(1) 전체의 동작을 제어한다. 또한, 이 컴퓨터 프로그램은 예를 들면 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 마그네트 옵티컬 디스크, 메모리카드 등의 기억 수단에 수납된 상태로, 프로그램 저장부에 저장된다.
도 3은 본 실시형태에 관한 성막방법을 실행하기 위한 프로세스 시퀸스의 일예이다. 도 3 중, (a)는 성막처리가 실시되는 웨이퍼(W)의 온도 시퀸스이고, 실선이 웨이퍼(W)의 온도(℃)를 나타내고 있다. 또한, 도 3의 (b)는 처리 용기(10)내의 압력 시퀸스이고, 실선이 처리 용기(10)내의 절대압을 나타내고 있다. 도 3의 (c)는 Cu(hfac)TMVS 가스 공급량의 시퀸스이고, 실선이 Cu(hfac)TMVS의 질량 환산의 공급량(g/min)을 나타내고 있다. 도 3의 (d)는 수증기 공급량의 시퀸스이고, 실선이 수증기의 유량(sccm)을 나타내고 있다. 도 3의 (e)는 Cu(hfac)TMVS 가스를 반송하는 캐리어 가스(수소)의 유량 시퀀스이고, 실선이 캐리어 가스의 유량(sccm)을 나타내고 있다.
도 3의 프로세스 시퀸스에 의하면, 표면부가 도 1c의 상태인(SiOC막(81)에 배리어 메탈층(83)이 형성되어 있는) 웨이퍼(W)가 탑재되는 동시에 예를 들면 133Pa(1Torr) 정도의 압력으로 된 처리 용기(10)내에, 시각 T1의 타이밍에 있어서, 예를 들면 200sccm으로 캐리어 가스가 공급된다. 그리고, 처리 용기(10)내의 압력이 예를 들면 5Torr까지 올라간다. 그리고, Cu(hfac)TMVS 가스의 공급이 개시되기 전의 시각 T2에 있어서, 예를 들면 5sccm으로 수증기의 공급이 개시된다.
다음에, 시각 T3에 있어서, 도시되지 않은 압력 조정부에 의해서 처리 용기(10)내의 압력이 2Torr로 조정된다. 그 후, 수증기의 공급이 계속된 채, 시각 T4에 있어서 예를 들면 0.5g/min으로 Cu(hfac)TMVS 가스가 공급되고, 배리어 메탈층(83)의 표면에 구리로 이루어지는 밀착층이 형성된다. 그리고, 예를 들면 5∼60초 후, 예를 들면 30초 후의 시각 T5에 있어서, Cu(hfac)TMVS 가스와 수증기의 공 급이 정지된다.
이 때, 캐리어 가스의 공급과 진공 펌프에 의한 진공 배기는 계속되고 있다. 따라서, 잔존해 있는 Cu(hfac)TMVS 가스와 수증기가 처리 용기(10)로부터 배기되게 된다.
다음에, 처리 용기(10)내에 잔존해 있는 가스가 충분히 배기된 후의 시각 T6에 있어서, Cu(hfac)TMVS 가스의 공급이 재개된다. 이 때, CVD의 프로세스 온도(웨이퍼의 온도)를 저하시키는데 충분하고 또한 구리막의 이상 성장에 의한 악영향이 현저히 나타나지 않을 정도의 소량, 예를 들면 0.1sccm 이하의 양의 수증기의 공급도 재개된다. 그리고, 목표로 하는 두께의 구리막이 성막된 시각 T7에 있어서, Cu(hfac)TMVS 가스와 수증기의 공급이 정지된다. 이것에 의해, 해당 시퀸스가 종료한다.
CVD 장치(1)를 상술한 프로세스 시퀸스에 의거하여 작동시키는 것에 의해, 도 1a 내지 도 1d를 이용해서 설명한 바와 같이, 미리 트렌치(800)가 형성되고 티탄 등의 배리어 메탈층(83)이 피복된 웨이퍼(W)에, 원하는 두께를 갖는 구리막을 성막할 수 있다.
도 3에 나타낸 시퀸스에 있어서, 수증기가 공급되어 있는 처리 용기(10)내에 Cu(hfac)TMVS 가스를 공급하는 시각 T4 이후의 공정에서는 도 1c에 나타낸 배리어 메탈층(83)의 위에 구리의 밀착층이 형성되는 반응이 진행하고 있다. 또한, Cu(hfac)TMVS 가스의 공급을 개시하기 전의 시각 T2부터 미리 처리 용기(10)내에 수증기의 공급을 개시해 두는 것에 의해, 웨이퍼(W)의 표면에 충분히 물분자가 흡 착된다. 이것에 의해, 유기 불순물층의 형성을 억제하면서 밀착층을 형성하는 반응이 진행하기 쉽게 되어 있다.
다음에, 수증기와 Cu(hfac)TMVS 가스의 공급이 정지된 후, 처리 용기(10)내에 잔류해 있는 가스가 배기되는 것에 의해, 밀착층의 형성이 정지되고 구리의 이상 성장이 최소한으로 억제된다. 무엇보다도, 밀착층을 형성하는 공정에 있어서는 수증기가 존재하고 있기 때문에, 구리의 이상 성장이 생길 가능성이 있다. 그러나, 수증기가 존재하는 처리 용기(10)내에 Cu(hfac)TMVS 가스의 공급을 개시하고 나서의 시간이 충분히 짧고 또한 처리 용기(10)내가 배기되는 것에 의해서 이상 성장이 즉시 정지되므로, 구리막이 바늘형상으로 성장해 버릴 여유는 없다고 고려된다. 따라서, 수증기의 존재가 배리어 메탈층(83)과 밀착층의 밀착성에 주는 영향은 거의 없는 것으로 고려된다.
다음에, 배기의 완료후의 시각 T6부터, 처리 용기(10)내에 Cu(hfac)TMVS 가스의 공급이 재개되는 것에 의해, 밀착층의 표면에 구리막이 성장한다.
또, 도 3에 나타낸 프로세스 시퀸스의 시각 T6 내지 시각 T7의 기간에 있어서, 구리막에 이상 성장에 의한 악영향이 현저하게 나타나지 않을 정도의 적은 수증기를 공급하는 것에 의해, 물분자가 촉매로 되어, 100℃~150℃, 예를 들면 130℃라는 낮은 프로세스 온도(웨이퍼의 온도)로 구리막을 성장시키는 것이 가능하다. 이것은 물분자가 촉매의 역할을 하기 때문인 것으로 고려된다.
상술한 실시형태에 의하면, 다음과 같은 효과가 얻어진다. 즉, 수증기의 존재 하에 밀착층을 형성하므로, 밀착층이 형성되는 배리어 메탈층(83)(하지막)이 티 탄 등과 같이 산화 경향이 큰 금속이라도, 유기 불순물층의 형성을 억제하는 것이 가능하고, 하지막과 밀착층의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 또한, 밀착층의 형성 후에 처리 용기(10)내를 일단 배기하고 나서 재차 Cu(hfac)TMVS 가스를 공급해서 구리막을 성막하므로, 수증기의 존재에 기인하는 구리막의 이상 성장을 억제할 수 있다. 또한, 이들 공정을 연속해서 실행하는 것에 의해, 수증기를 공급하는 것에 의한 디메리트(이상 성장)를 최소한으로 억제하면서, 그 메리트(유기 불순물층 형성의 억제)를 살릴 수 있다. 그 결과, 배리어 메탈층(83)에 대해 밀착성이 좋은 구리막을 성막할 수 있다. 따라서, 반도체장치로서 가공할 때에 구리 배선(84)의 벗겨짐 등의 트러블이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 반도체장치 제조의 수율의 향상에 기여할 수 있다.
또, 밀착층의 형성시에 처리 용기(10)내에 수증기를 공급하는 것에 의해, 구리막을 형성하는 프로세스 온도(웨이퍼의 온도)를 예를 들면 100℃∼150℃까지 저하시킬 수 있다. 그 결과, 구리막 표면의 모포로지를 개선하는 것이 가능하게 되고, 구리 배선(84)중에 보이드가 형성되기 어렵게 되어, 이 점에서도 제품의 수율 향상에 기여할 수 있다. 또한, 프로세스 온도를 저하시킴으로써, 에너지 절약에도 공헌할 수 있다.
또, 밀착층의 표면에 구리막을 성막하는 공정에 있어서도, 예를 들면 0.001sccm∼0.1sccm정도라 하는 구리막의 이상 성장에 의한 악영향이 나타나지 않을 정도의 양(시각 T2에서 시각 T5의 사이에 공급되는 수증기보다 적음)의 수증기를 공급하는 것에 의해, 프로세스 온도를 100℃∼150℃로 하는 것이 가능하게 된 다. 이 공정에 있어서도, 모포로지의 개선이나 에너지 절약에의 공헌이 가능하게 된다.
또한, 본 성막방법에 관한 프로세스 시퀸스는 도 3에 예시한 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 밀착층의 표면에 구리막을 성막하는 공정에 있어서, 프로세스 온도를 저하시키기 위한 수증기의 공급을 실행하지 않아도 좋다. 또한, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 미리 수증기의 공급을 실행하지 않고, Cu(hfac)TMVS 가스와 동일한 타이밍에서, 수증기를 단시간만 공급하도록 해도 좋다.
또, 밀착층을 형성하는 공정에 있어서는 Cu(hfac)TMVS 가스와 수증기를 동시에 처리 용기(10)내에 공급하는 양태에 한정되지 않는다. 예를 들면, 미리 수증기가 공급되고 그 공급이 정지된 후에, 처리 용기(10)내에 Cu(hfac)TMVS 가스만을 공급하여 밀착층을 형성하도록 구성해도 좋다. 이 경우에는 수증기가 배기되어 버리지 않도록, Cu(hfac)TMVS 가스가 공급되어 정지될 때까지의 동안, 일시적으로 진공 펌프(17)를 정지시키도록 구성해도 좋다.
또, 밀착층이 형성되는 배리어 메탈층(83)(하지막)도 티탄 이외에 탄탈에 의해서 구성되어도 좋다. 혹은 티탄이나 탄탈과, 질소, 탄소 또는 산소의 어느 1개 혹은 2개의 원소와의 화합물로 이루어지는 배리어 메탈층이어도 좋다. 또한, 이 배리어 메탈층을 루테늄 또는 그 산화물에 의해서 구성해도 좋다.
<실시예>
(실험 1)
티탄으로 이루어지는 하지막상에, 본 실시형태에 관한 성막방법에 의해, 밀착층의 형성과 구리막의 성막이 실행되었다. 그리고, 그들 단면이 관찰되었다.
(실시예 1-1)
웨이퍼(W)상에 피복된 티탄으로 이루어지는 배리어 메탈의 표면에, 도 3에 나타낸 프로세스 시퀸스에 따라 구리막이 형성되었다. 또한, 프로세스 온도는 130℃로 되고, 시각 T6∼T7의 사이에 있어서의 수증기의 공급은 실행하지 않았다. 얻어진 구리막과 하지막의 단면을 SEM으로 촬영한 결과를 도 5a에 나타낸다.
(비교예 1-1)
마찬가지로, 티탄제의 배리어 메탈의 표면에, 도 3에 나타낸 프로세스 시퀸스의 일부를 변경한 프로세스 시퀸스에 따라 구리막이 형성되었다. 본 비교예에 있어서의 프로세스 시퀸스에서는 시각 T1∼시각 T7의 기간 중, 수증기의 공급이 실행되지 않았다.
이 점이 (실시예 1-1)과 다른 점이다. 또한, 프로세스 온도는 130℃로 되었다. 얻어진 구리막과 하지막의 단면을 SEM으로 촬영한 결과를 도 5b에 나타낸다.
(실험 1의 고찰)
도 5a에 나타내는 바와 같이, 수증기를 공급해서 구리막을 성막한 (실시예 1-1)에서는 유기 불순물층의 두께가 1.5㎚로 되어 있고, 유기 불순물층은 거의 형성되지 않았다. 이에 대해, 수증기를 공급하지 않았던 (비교예 1-1)에서는 도 5b에 나타내는 바와 같이, 유기 불순물층의 두께가 6㎚로 되어 있고, 수증기를 도입한 경우의 4배나 되어 있었다. 이와 같이 두꺼운 유기물층의 형성은 하지막과 구리막 의 밀착성을 악화시키는 것으로 고려된다.
(실험 2)
본 실시형태에 관한 성막방법에 의해 구리막이 성막되었다. 그 표면의 오목볼록이 관찰되었다.
(실시예 2-1)
(실시예 1-1)과 마찬가지의 조건으로 구리막이 성막되었다. 이 구리막 표면을 SEM으로 촬영한 결과를 도 6a에 나타낸다.
(비교예 2-1)
(비교예 1-1)과 마찬가지의 조건으로 구리막이 성막되었다. 이 구리막 표면을 SEM으로 촬영한 결과를 도 6b에 나타낸다.
(실험 2의 고찰)
(실시예 2-1)의 결과에 의하면, 도 6a에 나타내는 바와 같이, 구리막 표면의 오목볼록이 작고, 모포로지가 양호한 구리막이 성막된 것을 알 수 있다. 한편, 처리 용기(10)내에 수증기를 공급하지 않은 (비교예 2-1)의 결과에 의하면, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 구리막 표면의 오목볼록이 크고, 모포로지가 나쁜 구리막이 성막된 것을 알 수 있다. 이들 결과로부터, Cu(hfac)TMVS 가스를 원료로 하는 CVD에 있어서, 수증기를 공급해서 프로세스 온도를 저하시키는 것에 의해 구리막 표면의 모포로지를 개선할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(실험 3)
표면에 트렌치가 형성된 웨이퍼(W)에, 본 실시형태에 관한 성막방법에 의해 서 구리막이 성막되고, 트렌치의 매립성이 확인되었다.
(실시예 3-1)
도 3에 나타낸 프로세스 시퀸스에 따라 구리막이 형성되고, 폭 120㎚, 깊이 500㎚(애스펙트비 4.2)의 트렌치에 구리가 매립되었다. 이 트렌치의 표면에는 미리 이온화 PVD에 의해 두께 15㎚의 티탄으로 이루어지는 하지막이 형성되어 있었다. 이 트렌치의 단면을 SEM으로 촬영한 결과를 도 7a에 나타낸다.
(실시예 3-2)
마찬가지의 방법으로 구리막이 형성되고, 폭 80㎚, 깊이 500㎚(애스펙트비 6.3)의 트렌치에 구리가 매립되었다. 이 트렌치의 표면에는 (실시예 3-l)과 마찬가지로, 티탄으로 이루어지는 하지막이 형성되어 있었다. 이 트렌치의 단면을 SEM으로 촬영한 결과를 도 7b에 나타낸다.
(실험 3의 고찰)
도 7a 및 도 7b에 나타내는 바와 같이, (실시예 3-1) 및 (실시예 3-2)의 어느 경우에도 유기 불순물층은 거의 형성되지 않고, 트렌치 표면의 젖음성이 저하하지 않았기 때문에, 트렌치에의 매립성은 양호하였다.

Claims (16)

  1. 기밀한 처리 용기에 기판을 탑재하는 기판 탑재 공정과,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 제 1 성막 공정과,
    상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 배출 공정과,
    상기 처리 용기내에 상기 원료 가스만을 재차 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 제 2 성막 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 성막방법.
  2. 기밀한 처리 용기에 기판을 탑재하는 기판 탑재 공정과,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 제 1 성막 공정과,
    상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 배출 공정과,
    상기 처리 용기내에 상기 원료 가스와 상기 수증기를 재차 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 제 2 성막 공정을 구비하고,
    상기 제 2 성막 공정에 있어서 공급되는 수증기의 양은 상기 제 1 성막 공정에 있어서 공급되는 수증기의 양보다도 적은 것을 특징으로 하는 성막방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 성막 공정에 있어서, 상기 원료 가스의 공급은 상기 수증기의 공급이 개시된 후에 지연되어 개시되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 성막 공정에 있어서, 상기 원료 가스의 공급은 상기 수증기의 공급이 개시된 후에 지연되어 개시되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 성막 공정에 있어서, 상기 원료 가스의 공급은 상기 수증기의 공급이 정지된 후에 개시되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 성막 공정에 있어서, 상기 원료 가스의 공급은 상기 수증기의 공급이 정지된 후에 개시되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 성막 공정에 있어서, 상기 수증기의 공급은 상기 원료 가스의 공급과 동시에 실행되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 성막 공정에 있어서, 상기 수증기의 공급은 상기 원료 가스의 공급과 동시에 실행되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판상에는,
    티탄 및 탄탈에서 선택된 금속으로 이루어지는 하지막, 또는
    상기 금속과, 질소, 탄소 또는 산소의 어느 1개 혹은 2개의 원소와의 화합물로 이루어지는 하지막, 혹은
    루테늄 또는 그 산화물로 이루어지는 하지막이 미리 형성되어 있고,
    해당 하지막의 위에 구리막이 성막되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판상에는,
    티탄 및 탄탈에서 선택된 금속으로 이루어지는 하지막, 또는
    상기 금속과, 질소, 탄소 또는 산소의 어느 1개 혹은 2개의 원소와의 화합물로 이루어지는 하지막, 혹은
    루테늄 또는 그 산화물로 이루어지는 하지막이 미리 형성되어 있고,
    해당 하지막의 위에 구리막이 성막되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  13. 기판을 탑재하는 탑재대가 내부에 마련된 기밀한 처리 용기와,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단과,
    상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과,
    상기 처리 용기내를 배기하는 배기 수단과,
    상기 기판의 온도를 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 유지하는 기판온도 조절 수단과,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 스텝과, 상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 스텝과, 상기 처리 용기내에 상기 원료 가스만을 재차 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 스텝을 실행하도록 상기 각 수단을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 성막장치.
  14. 기판을 탑재하는 탑재대가 내부에 마련된 기밀한 처리 용기와,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단과,
    상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과,
    상기 처리 용기내를 배기하는 배기 수단과,
    상기 기판의 온도를 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 유지하는 기판온도 조절 수단과,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 동시에, 상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하여, 상기 기판상에 구리의 밀착층을 형성하는 스텝과, 상기 처리 용기내의 수증기와 원료 가스를 배출하는 스텝과, 상기 처리 용기내에 상기 원료 가스와 상기 밀착층 형성 스텝에서 공급된 양보다도 소량의 수증기를 공급하여, 상기 밀착층의 위에 또한 구리막을 성막하는 스텝을 실행하도록 상기 각 수단을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 성막장치.
  15. 기판을 탑재하는 탑재대가 내부에 마련된 기밀한 처리 용기와,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단과,
    상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과,
    상기 처리 용기내를 배기하는 배기 수단과,
    상기 기판의 온도를 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 유지하는 기판 온도 조절 수단을 구비한 성막장치를 제어하는 제어 프로그램으로서,
    청구항 1에 기재된 성막방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램을 기억하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체.
  16. 기판을 탑재하는 탑재대가 내부에 마련된 기밀한 처리 용기와,
    상기 처리 용기내에 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단과,
    상기 처리 용기내에 구리의 유기 화합물로 이루어지는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과,
    상기 처리 용기내를 배기하는 배기 수단과,
    상기 기판의 온도를 100℃ ~ 150℃의 범위내의 온도로 유지하는 기판 온도 조절 수단을 구비한 성막장치를 제어하는 제어 프로그램으로서,
    청구항 2에 기재된 성막방법을 실행하도록 스텝군이 짜여져 있는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램을 기억하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체.
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