WO2013111592A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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insulating film
gas
atoms
recess
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石坂　忠大
五味　淳
鈴木　健二
波多野　達夫
寧 水澤
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東京エレクトロン株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Definitions

  • the present invention relates to a technical field of forming a wiring by embedding copper in a recess for embedding formed in an insulating film which is a low dielectric constant film in a method for manufacturing a semiconductor device.
  • a SiCOH film which is a low dielectric constant film made of silicon (Si), carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O)
  • Si silicon
  • C carbon
  • H hydrogen
  • O oxygen
  • a concave portion including is formed.
  • copper (Cu) is buried in the recess to form an upper layer side wiring connected to the lower layer side wiring.
  • Ta tantalum
  • TaN tantalum nitride
  • a laminated film thereof is a so-called barrier between the copper wiring and the interlayer insulating film. Used as a membrane.
  • Ti titanium
  • TiN titanium nitride
  • laminated film thereof is also known.
  • the increase in wiring resistance and electrode resistance (via resistance) in the via hole affects the performance of the semiconductor device.
  • FIG. 22 is a diagram showing how copper wiring is formed when Ru is used as a barrier film.
  • an embedding recess 2 including a trench and a via hole is formed in an upper interlayer insulating film (SiCOH film) 1 (FIG.
  • Reference numerals 61 to 63 denote an interlayer insulating film, a copper wiring, and a barrier layer on the lower layer side, respectively.
  • Reference numeral 64 denotes an etch stopper film having a copper diffusion prevention function (a film that performs a stopper function during etching).
  • the reason why the base film 3 is interposed between the interlayer insulating film 1 and the Ru film 4 is as follows.
  • the SiCOH film that is the interlayer insulating film 1 is disconnected from the film by plasma during etching or ashing, and C is desorbed from the film, and moisture in the atmosphere is bonded to the dangling bonds generated by the desorption of C.
  • Si—OH is formed, and the surface layer portion becomes a damaged layer. Since the damaged layer has a low C content, the relative dielectric constant increases. For this reason, the surface layer is removed with, for example, hydrofluoric acid. Therefore, the surface state of the interlayer insulating film 1 immediately before the barrier film is buried is hydrophobic.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-347472 discloses that when a SiCOH film is plasma-etched, a part of the film is bonded into a recessed portion for embedding, and nucleation with a methyl group or the like as a nucleus. The problem that the film quality is deteriorated when the barrier film is formed as it is is described.
  • a technique has been proposed in which a SiCOH film is treated with hydrogen plasma to remove methyl groups on the surface of the recesses and terminate the bond with H. This technique differs from the technique of the present invention in that the surface of the recess to be treated is hydrophilic.
  • J.H. Vac. Sci. Technol. A 26 (4), Jul / Aug 2008 pp. 974-979 describes a method in which an amorphous alloy of Ru and phosphorus (P) is formed directly on an insulating film by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method without passing through a base film.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the present invention has been made under such circumstances.
  • the purpose of the present invention is to reduce the resistance of a conductive path when copper is buried in a recess for embedding formed in an insulating film made of a SiCOH film to form a conductive path. It is to provide a technique that can be lowered.
  • a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes: An insulating film containing silicon, carbon, hydrogen, and oxygen formed on a substrate, in which a recess for embedding in which a conductive path on the lower layer side is exposed is formed at the bottom, and its surface is hydrophobic Supplying boron compound gas to the insulating film to adsorb boron atoms on the surface of the insulating film; Directly forming an adhesion film made of a ruthenium film on the surface of the recess where the boron atoms are adsorbed; Thereafter, a step of embedding copper serving as a conductive path in the recess is included.
  • Examples of the boron compound include monoborane (BH 3 ), diborane (B 2 H 6 ), trimethylborane (B (CH 3 ) 3 ), triethylborane (B (C 2 H 5 ) 3 ), and dicarbadodecaborane. (C 2 B 10 H 12 ) and decaborane (B 10 H 14 ).
  • Another method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is as follows.
  • Supplying a silicon compound gas to the insulating film to adsorb silicon atoms on the surface of the insulating film Directly forming an adhesion film made of a ruthenium (Ru) film on the surface of the insulating film on which the silicon atoms are adsorbed;
  • a step of embedding copper serving as a conductive path in the recess is included.
  • silicon compound examples include monosilane (SiH 4 ) and disilane (Si 2 H 6 ).
  • Another method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is as follows.
  • Supplying an organic compound gas containing aluminum to the insulating film to adsorb aluminum atoms on the surface of the insulating film Directly forming an adhesion film made of a ruthenium (Ru) film on the surface of the insulating film on which the aluminum atoms are adsorbed;
  • a step of embedding copper serving as a conductive path in the recess is included.
  • organic compound containing aluminum is trimethylaluminum.
  • a boron (B) atom, a silicon (Si) atom, or an aluminum (Al) atom is adsorbed on the surface of an insulating film made of a SiCOH film in which a recess for filling is formed and the surface is hydrophobic. I am letting. For this reason, a Ru film that is a metal can be directly formed on the surface of the recess through B atoms, Si atoms, or Al atoms.
  • the base film of the Ru film is not required, the volume of copper in the recess can be increased, and as a result, the resistance of the conductive path formed by embedding copper in the recess can be reduced, This is suitable as a method for manufacturing a semiconductor device whose line width is reduced.
  • FIG. 1 and 2 show a state in which an upper layer side wiring structure is formed on a lower layer side wiring structure as a manufacturing stage of a semiconductor device, and parts equivalent to those shown in FIG. Is attached.
  • Reference numeral 65 denotes a barrier film, for example, a Ta film.
  • an interlayer insulating film 1 that is a SiCOH film is formed on a substrate that is a semiconductor wafer, for example, on which a lower wiring structure is formed (FIG. 1A). This film formation is performed, for example, by plasma CVD using DEMS (Diethoxymethylsilane) as a processing gas.
  • a recess 2 including a trench serving as a wiring groove and a via hole for forming an electrode which is a connection portion between the lower layer wiring is formed in the interlayer insulating film 1 (FIG. 1B).
  • the step of forming the recess 2 can be performed by forming a resist pattern and combining a plurality of stages of plasma etching using a sacrificial film, for example.
  • the line width of the trench is designed to be 20 to 50 nm, for example, and the diameter of the via hole is designed to be 20 to 50 nm, for example.
  • the substrate is cleaned with a cleaning liquid to remove residues attached to the surface of the substrate during etching and ashing for forming the recesses 2.
  • the surface layer portion of the interlayer insulating film (SiCOH film) 1 is damaged by the plasma as described above (the bond is broken), and C is desorbed from the film. As a result, Si—OH groups are formed.
  • Reference numeral 10 in FIG. 1B indicates a damage layer.
  • the damaged layer 10 has a high relative dielectric constant, and a polymer of etching residue remains on the surface of the interlayer insulating film 1 after etching. Therefore, the damaged layer 10 is removed by a method such as wet etching using a hydrofluoric acid solution, for example (FIG. 1C).
  • the substrate subjected to the above processing is subsequently subjected to a series of copper embedding processes including a surface treatment using diborane gas as shown in FIG. 2, and a processing module for performing the surface treatment first. Will be described with reference to FIG.
  • reference numeral 71 denotes a processing container comprising a vacuum chamber.
  • a stage 72 having a heater (not shown) as a heating unit is provided on the bottom surface of the processing container 71, and an exhaust pipe 73 is connected to the bottom.
  • a vacuum exhaust mechanism 74 is provided on the downstream side of the exhaust pipe 73.
  • a gas shower head 75 is provided in the upper part of the processing container 71, and a number of gas discharge holes 75 a for discharging gas uniformly into the processing atmosphere are formed in the lower surface of the gas shower head 75.
  • a gas supply path 79 is connected to the gas shower head 75 from the outside.
  • the base end side of the gas supply path 79 is branched and connected to a processing gas supply source 76 and a carrier gas supply source 77.
  • V1 to V3 are valves, and f1 and f2 are flow rate adjusting units.
  • diborane (B 2 H 6 ) which is a B (boron) compound, is used as the processing gas
  • helium (He) is used as the carrier gas, for example.
  • a substrate S is placed on the stage 72 from the outside by elevating pins (not shown) and heated by a heater, and the processing container 71 is connected via a gas supply path 79 and a gas shower head 75.
  • diborane gas using He as a carrier is supplied.
  • the temperature of the substrate S needs to be set to be equal to or higher than the temperature at which B atoms are adsorbed on the SiCOH film, and is set to 350 ° C., for example.
  • the temperature of the substrate S may be equal to or higher than the temperature at which diborane is thermally decomposed.
  • the pressure in the processing container 71 is set to 2667 Pa, for example.
  • FIG. 2A shows the surface state of the substrate S after being surface-treated with diborane gas.
  • FIG. 4 shows a processing module constituting a thermal CVD apparatus for forming the Ru film 4.
  • 81 is a processing container which is a mushroom type vacuum chamber
  • 82 is an exhaust pipe
  • 83 is a vacuum exhaust mechanism
  • 84 is a stage with a heater (not shown)
  • 85 is for supplying a processing gas to the substrate S on the stage 84.
  • It is a gas shower head.
  • the gas shower head 85 includes a shower plate 851 provided with a large number of gas discharge holes 852 for supplying gas uniformly to the processing atmosphere.
  • the shower plate 851 forms a temperature adjustment unit, for example, a temperature adjustment fluid.
  • the flow path 853 is formed.
  • a processing gas supply path 94 is connected to the gas shower head 85 from the outside, and a raw material bottle 91 is connected to the base end side of the processing gas supply path 94.
  • a powder 90 made of, for example, Ru 3 (CO) 12, which is a precursor of Ru is accommodated, and one end side of a carrier gas supply pipe 93 is inserted into the powder 90.
  • a carrier gas for example, CO gas supply source 92 is connected to the other end of the carrier gas supply pipe 93.
  • CO gas as the carrier gas is supplied to the raw material bottle 91, Ru 3 (CO) 12 is sublimated and the gas is sent out to the gas shower head 85.
  • Reference numerals 931 and 941 denote gas supply device groups such as valves and flow rate adjusting units.
  • the substrate S is carried from the outside onto the stage 84 by elevating pins (not shown) and heated to 150 to 300 ° C., for example. Then, Ru 3 (CO) 12 gas is supplied from the raw material bottle 91 into the processing container 81 through the gas supply pipe 94 and the gas shower head 85 using CO gas as a carrier. Then, a CVD reaction occurs on the substrate S, and the Ru film 4 is formed.
  • the film thickness of the Ru film 4 is set to 2 nm, for example.
  • B atoms on the SiCOH film serve as Ru adsorption sites, that is, since B has a metal property, it can be bonded to Ru, which is a metal, through free electrons.
  • This phenomenon is considered as follows. That is, when the Ru 3 (CO) 12 gas described above is supplied onto the substrate S to form a Ru film, CO gas is released as a by-product. In this reaction, free electrons in the SiCOH film move to Ru 3 (CO) 12 via B atoms, and at that time, Ru compounds are adsorbed on B atoms and decomposed to Ru atoms. It is presumed that CO gas was generated. The state of the SiCOH film surface at this time is shown in FIG.
  • Ru nucleation at the initial stage of film formation is promoted, and a continuous film can be formed.
  • Ru film 4 is formed using Ru 3 (CO) 12 gas and CO gas, it is possible to form the film while suppressing the reaction, so that there is an advantage that the film thickness can be accurately controlled.
  • a Ru raw material for example, a Ru organic compound disclosed in Patent Document 2 other than the above-described raw materials may be used.
  • the process for forming the Ru film is not limited to the CVD method.
  • a gas that is a precursor of Ru and a reaction gas that reacts with this precursor are alternately supplied to the substrate, and when the gas is switched, a vacuum is drawn, and atomic layers or molecular layers are stacked one by one to obtain a stacked film.
  • a so-called ALD (Atomic Layer Deposition) method may be used.
  • a copper seed layer may be formed in the recess 2 by sputtering, and then copper may be embedded by plating.
  • the substrate S is heated to 150 ° C. in a vacuum atmosphere and annealed to stabilize the grain size of the copper 5. This is for reducing the resistance value of the copper 5.
  • reference numeral “5” is assigned to any of copper, copper wiring, and copper electrode.
  • the surface of the substrate S is polished by CMP to remove excess copper.
  • an upper layer copper wiring structure is formed (FIG. 2D).
  • FIG. 8 shows a substrate processing system for performing the steps (a) to (c) shown in FIG.
  • Reference numeral 101 denotes a loading / unloading port for loading / unloading the transfer container 100, 102 an atmospheric transfer chamber, 103 an atmospheric transfer arm, and 104 an alignment module for adjusting the center position and orientation of the substrate (semiconductor wafer) S.
  • the container 100 is a FOUP
  • a FOUP lid opening / closing mechanism or the like is interposed between the carry-in / out port 101 and the atmospheric transfer chamber 102.
  • a processing block is airtightly connected to the inner side of the atmospheric transfer chamber 102 via load lock chambers 105 and 106.
  • the substrate S is stored in the transfer container 100 that is carried into the carry-in / out port 101. At this time, the substrate S is in a state after the damage layer 10 of the interlayer insulating film 1 is removed (the state shown in FIG. 1C).
  • the processing block includes a first vacuum transfer chamber 200 in which processing modules 202, 203, 204, and 205 are connected to the periphery and a first substrate transfer arm 201 is provided, and processing modules 302, 303, 304, 305, and 204. , 205 are connected to the periphery, and a second vacuum transfer chamber 300 provided with a second substrate transfer arm 301 is provided.
  • the processing modules 204 and 205 are pre-processing modules that process the substrate S shown in FIG. 1C into a state where the processing shown in FIG. 2 can be performed, and the entrance and the exit are the first vacuum transfer chamber 200 and the first one, respectively. 2 vacuum transfer chambers 300.
  • Reference numerals 304 and 305 denote surface treatment modules for performing surface treatment of the substrate S using diborane as shown in FIG. 302 and 303 are thermal CVD modules for forming the Ru film 4 shown in FIG. 2B, and 202 and 203 are sputter modules for copper embedding.
  • the load lock chamber 105 (or 106) and the first substrate transfer chamber 200 are moved. Via the preprocessing module 204 (or 205). In the pretreatment module 204 (205), moisture on the surface of the insulating film and residues at the time of etching and ashing are removed. Thereafter, the substrate S is carried into the diborane surface treatment module 304 (or 305) through the second vacuum transfer chamber 300, and B atoms are adsorbed onto the SiCOH film. Then, the substrate S is again carried into the CVD module 302 (or 303) through the second vacuum transfer chamber 300, and the Ru film 4 is formed.
  • the substrate S is then filled with copper 5 in the recesses 2 by copper sputtering. After that, it is returned to the transfer container 100 through the first vacuum transfer chamber 200, the load lock chamber 105 (or 106), and the atmospheric transfer chamber 102.
  • the B compound used for adsorbing B atoms on the surface of the interlayer insulating film 1 is not limited to the above-mentioned diborane, but monoborane (BH 3 ), trimethylborane (B (CH 3 ) 3 ), triethylborane (B ( C 2 H 5) 3), radical Bud decaborane (C 2 B 10 H 12) , and the like decaborane (B 10 H 14).
  • Examples of the carrier gas for the B compound include H 2 and argon in addition to He.
  • the SiCOH film surface is treated by using a silane-based gas instead of the B compound gas in the first embodiment.
  • a module for performing this surface treatment a module using a silane compound gas as a treatment gas in the surface treatment module 304 (or 305) in FIG. 8 of the first embodiment can be exemplified.
  • Si atoms on the SiCOH film become Ru adsorption sites. That is, since Si has a metallic property, it can be bonded to Ru, which is a metal, through free electrons.
  • Ru 3 (CO) 12 gas described above when supplied onto the substrate S to form a Ru film, CO gas is released as a byproduct. In this reaction, free electrons in the SiCOH film move to Ru 3 (CO) 12 through Si atoms, and at that time, Ru compounds are adsorbed on Si atoms and decomposed into Ru atoms. It is presumed that CO gas was generated.
  • Ru nucleation in the initial stage of film formation is promoted, and a continuous film can be formed.
  • the Si compound used for adsorbing Si atoms on the surface of the interlayer insulating film 1 is not limited to the above-mentioned monosilane, but includes disilane (Si 2 H 6 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and the like. .
  • the surface of the SiCOH film is treated with trimethylaluminum (TMA) gas instead of the B compound gas in the first embodiment or the silane-based gas in the second embodiment.
  • TMA gas is carried by, for example, a carrier gas that is an inert gas, and is supplied into the processing container 71 from, for example, the shower head 75 shown in FIG.
  • Al atoms on the SiCOH film become Ru adsorption sites. That is, since Al is a metal, it can be bonded to Ru, which is a metal, via free electrons.
  • Ru 3 (CO) 12 gas described above when supplied onto the substrate S to form a Ru film, CO gas is released as a byproduct. In this reaction, free electrons in the SiCOH film move to Ru 3 (CO) 12 through Al atoms, and at that time, the Ru compound is adsorbed to Al atoms and decomposed into Ru atoms. It is presumed that CO gas was generated. For this reason, as in the first embodiment, Ru nucleation in the initial stage of film formation is promoted, and a continuous film can be formed.
  • the Ru film and the Al film are stacked one molecule at a time using the above-described ALD method or the like, so that the copper embedded in the recesses of the interlayer insulating film 1 in a later step.
  • the improvement of the barrier effect against 5 can be expected.
  • TMA gas is used as the processing gas for the substrate surface.
  • a gas containing an organic compound containing Al other than TMA is used, the effect of adsorbing Al on the substrate surface can be obtained.
  • the substrate on which the SiO 2 film was formed was heated to 350 ° C., and surface treatment using diborane was performed in the same manner as in the first embodiment, and then a Ru film was formed on the surface of the SiO 2 film.
  • This process is referred to as Example 1.
  • the substrate on which the SiO 2 film is formed is heated to 350 ° C., and a surface treatment using silane is performed in the same manner as in the second embodiment, and then a Ru film is formed on the surface of the SiO 2 film. It was.
  • This process is referred to as Example 2.
  • the Ru film was formed directly on the SiO 2 film surface. This process is referred to as Comparative Example 1.
  • FIG. 13 is a photograph of the surface of the film formation sample taken from an oblique direction
  • FIG. 14 is a photograph of the surface of the film formation sample taken in a plane.
  • the place where the Ru film is formed is white and formed.
  • the areas that are not displayed are black.
  • the numbers are the percentage of the area of the white area relative to the whole.
  • Ru nuclei grow around the Ru atoms that are first bonded to the B and Si atoms adsorbed on the SiO 2 film surface. Then, as the reaction proceeds, a plurality of Ru nuclei that have grown are combined to form a uniform Ru film.
  • FIG. 15 is a graph in which the amount of Ru analyzed by fluorescent X-ray analysis (XRF) in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 is plotted on the horizontal axis, and the coverage with the Ru film on the substrate surface is plotted on the vertical axis.
  • the solid line (1) indicates the case where the Ru film is formed after the SiO 2 film surface is treated with diborane gas
  • the dashed line (2) indicates the case where the Ru film is formed after the SiO 2 film surface is treated with silane gas.
  • FIG. 16 is a photograph of the surface of the film formation sample taken from an oblique direction
  • FIG. 17 is a photograph of the surface of the film formation sample taken in a plane as in FIG. 13, where the Ru film is formed. Is white and black areas are not formed. The numbers are the percentage of the area of the white area relative to the whole.
  • Example 3 and Comparative Example 2 the relationship between the elapsed time from the start of the Ru film formation process and the film thickness of the Ru film was also examined. The results are shown in FIG. The horizontal axis of the graph is the elapsed time, and the vertical axis is the film thickness of the Ru film.
  • the relationship between the elapsed time and the film thickness is linearly approximated based on the plot, and is considered based on the obtained straight line.
  • Ru immediately after the start of the film forming process. Film deposition has begun.
  • Comparative Example 2 Ru film deposition started a while after the start of film formation, and a time delay occurred.
  • Example 3 the relationship between the elapsed time and the deposition rate of the Ru film was examined.
  • the results are shown in FIGS.
  • the graphs of FIGS. 19 and 20 represent the relationship at the center of the substrate and the average value of the entire substrate, respectively.
  • the result of Example 3 is indicated by a solid line
  • the result of Comparative Example 2 is indicated by a dotted line.
  • Comparative Example 2 it can be seen that the deposition rate of the Ru film is low in the initial stage and increases with time.
  • Example 3 it can be seen that the deposition rate of the Ru film is substantially constant over time. Considering this change in the deposition rate of the Ru film, in Comparative Example 2, there is unevenness in the Ru deposition on the surface of the substrate, and in Example 3, the Ru film is uniformly deposited on the surface of the substrate. I can hear that.
  • FIG. 21 is a graph in which the horizontal axis represents the amount of Ru analyzed by fluorescent X-ray analysis (XRF) in Example 3 and Comparative Example 2, and the vertical axis represents the coverage with the Ru film on the substrate surface.
  • XRF fluorescent X-ray analysis
  • the SiO 2 film was used as the evaluation target, but the same result can be obtained by using the SiCOH film.

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Abstract

【課題】ＳｉＣＯＨ膜からなる層間絶縁膜に形成された埋め込み用の凹部に銅材を埋め込んで導電路を形成するにあたり、導電路の抵抗を低くすること。 【解決手段】ＳｉＣＯＨ膜１にプラズマにより凹部を形成するときに膜からＣが離脱してダメージ層が形成されるが、これをフッ酸などで除去すると表面が疎水性となる。このＳｉＣＯＨ膜１に対してホウ素化合物ガス、シリコン化合物ガスあるいはトリメチルアルミニウムを含むガスを供給することにより、Ｂ、ＳｉあるいはＡｌをＳｉＣＯＨ膜１上に吸着させる。これら原子がＲｕと結合するのでＳｉＣＯＨ膜上へのＲｕ膜４の形成が容易になる。次いで例えばＲｕ３（ＣＯ）１２ガスとＣＯガスとを用いてＣＶＤによりＲｕ膜４を成膜し、その後銅５を埋め込み、ＣＭＰ処理を行い上層側の配線構造を形成する。

Description

半導体装置の製造方法
　本発明は、半導体装置の製造方法において、低誘電率膜である絶縁膜に形成された埋め込み用の凹部に銅を埋め込んで配線を形成する技術分野に関する。
　半導体装置の多層配線構造の形成工程にでは、次のような工程が行われている。例えばシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）及び酸素（Ｏ）からなる低誘電率膜であるＳｉＣＯＨ膜を基板上に層間絶縁膜として形成し、この層間絶縁膜にトレンチとビアホールとを含む凹部を形成する。次いでこの凹部内に銅（Ｃｕ）を埋め込んで下層側の配線と接続された上層側の配線を形成する。そして銅が層間絶縁膜中に拡散することを防止するために、銅配線と層間絶縁膜との間には、例えばＴａ（タンタル）、ＴａＮ（タンタルナイトライド）またはこれらの積層膜などがいわゆるバリア膜として使用される。またバリア膜は、これ以外にＴｉ（チタン）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）またはこれらの積層膜なども知られている。
　半導体装置のパターンの微細化に伴って銅配線の線幅の微細化が進むと、配線抵抗やビアホール内の電極抵抗（ビア抵抗）の上昇が半導体装置の性能に影響してくる。これら導電路（配線及び電極）の抵抗を小さくするためには、銅の体積を大きくすること、ビアホールの底部のバリア膜や密着膜の膜厚を薄くし、界面の数を小さくしてビア抵抗を抑えることが重要になってくる。
　ところでバリア膜として使用されている上述の材料は、埋め込み用の凹部の線幅が微細になりかつアスペクト比が大きくなると、埋め込み特性の悪さが顕在化する。更にまた材料自体の抵抗が大きいという点も不利になってくる。　
　このような観点からバリア膜として上述の材料に代えて、埋め込み特性が良好で、抵抗の小さなＲｕ（ルテニウム）を用いることが米国公開公報ＵＳ２００８／２３７８６０Ａ１（図１）に提案されている。図２２は、Ｒｕをバリア膜として用いた場合の銅配線の形成の様子を示す図である。先ず上層側の層間絶縁膜（ＳｉＣＯＨ膜）１にトレンチ及びビアホールを含む埋め込み用の凹部２を形成した後（図２２（ａ））、上述のＴａやＴａＮなどの下地膜３を凹部２内に成膜し（図２２（ｂ））、次いで下地膜３の上にＲｕ膜４を成膜する（図２２（ｃ））。しかる後に凹部２内に銅（銅からなる埋め込み材料）５を埋め込み（図２２（ｄ））、余分な銅５をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により除去して上層側の配線構造を構築する（図２２（ｅ））。６１～６３は夫々下層側の層間絶縁膜、銅配線及びバリア層であり、６４は銅の拡散防止機能を備えたエッチストッパ膜（エッチング時にストッパ機能を果たす膜）である。
　ここで下地膜３を層間絶縁膜１とＲｕ膜４との間に介在させている理由は次の通りである。層間絶縁膜１であるＳｉＣＯＨ膜はエッチング時あるいはアッシング時にプラズマにより膜中の結合が切れてＣが膜から脱離し、Ｃの脱離によって生成した未結合手には大気中の水分などが結合してＳｉ－ＯＨとなり、こうして表層部がダメージ層となる。このダメージ層はＣの含有量が低下しているため比誘電率が上昇し、このため当該表層部を例えばフッ酸で除去することが行われている。従ってバリア膜が埋め込まれる直前の層間絶縁膜１の表面状態は疎水性になっている。
　一方Ｒｕは酸化物形成のギブスの自由エネルギーが大きいのでＳｉＣＯＨ膜のＯと結合しにくく、そのため酸化物形成のギブスの自由エネルギーが小さいＴａなどからなる下地膜３を薄く介在させている。この場合、Ｒｕ膜４をバリア膜として用いているので下地膜３の埋め込み特性の悪さや高抵抗であることの影響は少なくなっている。しかし、ビアホールの底部にて下層側の銅と上層側の銅との間にＲｕ膜４に加えて下地膜３が介在していることから、導電路の抵抗を小さくする要請からすると、更なる改良が望まれる。
　なお、特開２００５－３４７４７２（図１及び図３）には、ＳｉＣＯＨ膜をプラズマエッチングしたときの膜の一部が埋め込み用の凹部内に結合し、このためメチル基などを核とした核生成が起こり、このままバリア膜を成膜すると膜質が悪くなるという課題が記載されている。この課題を解決するために、ＳｉＣＯＨ膜を水素プラズマで処理し、凹部の表面のメチル基などを除去して結合手をＨで終端させる技術が提案されている。この技術は、処理対象となる凹部の表面が親水性であり、本発明の技術とは異なる。
　さらに、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ　２６（４）、Ｊｕｌ／Ａｕｇ　２００８　ｐｐ．９７４－９７９には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）方式によって、Ｒｕとリン（Ｐ）のアモルファス合金を下地膜を介さずに直接絶縁膜上に成膜する方法が記載されている。しかしＰ原子が介在することによって、Ｒｕ原子のＣｕ界面における密着強度が結晶質のＣｕ－Ｒｕ結合に比べて劣るという結果も明らかにされている。
　本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的はＳｉＣＯＨ膜からなる絶縁膜に形成された埋め込み用の凹部に銅を埋め込んで導電路を形成するにあたり、導電路の抵抗を低くすることができる技術を提供することにある。
　本発明の半導体装置の製造方法は、
　基板上に成膜されたシリコン、炭素、水素及び酸素を含む絶縁膜であって、その底部に下層側の導電路が露出している埋め込み用の凹部が形成され、その表面が疎水性である絶縁膜に対して、ホウ素化合物ガスを供給して前記絶縁膜の表面にホウ素原子を吸着させる工程と、
　前記ホウ素原子が吸着された前記凹部の表面にルテニウム膜からなる密着膜を直接形成する工程と、
　しかる後、前記凹部内に導電路となる銅を埋め込む工程と、を含むことを特徴とする。
　前記ホウ素化合物の例としては、モノボラン（ＢＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、トリメチルボラン（Ｂ（ＣＨ３）３）、トリエチルボラン（Ｂ（Ｃ２Ｈ５）３）、ジカルバドデカボラン（Ｃ２Ｂ１０Ｈ１２）、デカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）が挙げられる。
　本発明の別の半導体装置の製造方法は、
　基板上に成膜されたシリコン、炭素、水素及び酸素を含む絶縁膜であって、その底部に下層側の導電路が露出している埋め込み用の凹部が形成され、その表面が疎水性である絶縁膜に対して、シリコン化合物ガスを供給して前記絶縁膜の表面にシリコン原子を吸着させる工程と、
　前記シリコン原子が吸着された前記絶縁膜の表面にルテニウム（Ｒｕ）膜からなる密着膜を直接形成する工程と、
　しかる後、前記凹部内に導電路となる銅を埋め込む工程と、を含むことを特徴とする。
　前記シリコン化合物の例としては、モノシラン（ＳｉＨ４）及びジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）が挙げられる。
　本発明の別の半導体装置の製造方法は、
　基板上に成膜されたシリコン、炭素、水素及び酸素を含む絶縁膜であって、その底部に下層側の導電路が露出している埋め込み用の凹部が形成され、その表面が疎水性である絶縁膜に対して、アルミニウムを含む有機化合物のガスを供給して前記絶縁膜の表面にアルミニウム原子を吸着させる工程と、
　前記アルミニウム原子が吸着された前記絶縁膜の表面にルテニウム（Ｒｕ）膜からなる密着膜を直接形成する工程と、
　しかる後、前記凹部内に導電路となる銅を埋め込む工程と、を含むことを特徴とする。
　前記アルミニウムを含む有機化合物の例としては、トリメチルアルミニウムが挙げられる。
　本発明は、埋め込み用の凹部が形成され、その表面が疎水性であるＳｉＣＯＨ膜からなる絶縁膜に対して、表面にホウ素（Ｂ）原子、シリコン（Ｓｉ）原子またはアルミニウム（Ａｌ）原子を吸着させている。このためＢ原子、Ｓｉ原子またはＡｌ原子を介し、金属であるＲｕ膜を凹部の表面にいわば直接形成することができる。従ってＲｕ膜の下地膜が不要となるので、凹部内の銅の体積を大きくすることができ、この結果銅を凹部に埋め込んで形成される導電路の抵抗を低くすることが可能となり、パターンの線幅が微細化する半導体装置の製造方法として好適である。
本発明の第１の実施形態で行われる絶縁膜の表面におけるジボランガスを用いた表面処理の前段で行われる工程の様子を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態で行われる銅配線形成のための一連の処理を段階的に示す説明図である。 前記ジボランガスを用いた表面処理を行うための装置の一例を示す縦断面図である。 Ｒｕ膜を成膜するためのモジュール（装置）の一例を示す縦断面図である。 第１の実施形態で行われるジボランガスを用いた表面処理において絶縁膜の表面及び周辺を模式的に示す説明図である。 第１の実施形態で行われるジボランガスを用いた表面処理において絶縁膜の表面及び周辺を模式的に示す説明図である。 第１の実施形態におけるＲｕ膜形成の過程における絶縁膜の表面及び周辺を模式的に示す説明図である。 本発明の実施形態で行われる一連の処理を行うマルチチャンバシステムである基板処理装置を示す概略平面図である。 第２の実施形態で行われるモノシランガスを用いた表面処理において絶縁膜の表面及び周辺を模式的に示す説明図である。 第２の実施形態で行われるモノシランガスを用いた表面処理において絶縁膜の表面及び周辺を模式的に示す説明図である。 第３の実施形態で行われるＴＭＡを用いた表面処理において絶縁膜の表面及び周辺を模式的に示す説明図である。 第３の実施形態で行われるＴＭＡを用いた表面処理において絶縁膜の表面及び周辺を模式的に示す説明図である。 評価試験１の効果を確認するために撮影したＳＥＭ写真である。 評価試験１の効果を確認するために撮影したＳＥＭ写真である。 評価試験１の効果を示したグラフである。 評価試験２の効果を確認するために撮影したＳＥＭ写真である。 評価試験２の効果を確認するために撮影したＳＥＭ写真である。 評価試験２の効果を示したグラフである。 評価試験２の効果を示したグラフである。 評価試験２の効果を示したグラフである。 評価試験２の効果を示したグラフである。 従来の銅配線形成のための一連の処理を段階的に示す説明図である。
［第１の実施形態］
　本発明の半導体装置の製造方法の第１の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１及び図２は、半導体装置の製造段階として下層側の配線構造の上に上層側の配線構造を形成する様子を示しており、既述の図２２に示す部分と同等部分については同符号を付してある。なお６５は、バリア膜であり、例えばＴａ膜である。
　先ず下層側の配線構造が形成された例えば半導体ウエハである基板の上にＳｉＣＯＨ膜である層間絶縁膜１を成膜する（図１（ａ））。この成膜は、例えば処理ガスとしてＤＥＭＳ（Diethoxymethylsilane）を用い、プラズマＣＶＤ法により行われる。次いで層間絶縁膜１に配線溝となるトレンチと下層配線との接続部分である電極を形成するためのビアホールとを含む凹部２を形成する（図１（ｂ））。凹部２の形成工程は、レジストパターンを形成し、また例えば犠牲膜を用いて複数段階のプラズマエッチングを組み合わせて行うことができる。トレンチの線幅は例えば２０～５０ｎｍ、ビアホールの口径は例えば２０～５０ｎｍに設計される。
　その後、凹部２の形成のためのエッチング、アッシング時に基板の表面に付着した残渣を除去するために洗浄液により洗浄する。　
　凹部２を形成するときに層間絶縁膜（ＳｉＣＯＨ膜）１の表層部がプラズマにより既述のように損傷を受けて（結合が切断されて）Ｃが膜から脱離し、その後大気中の水分などによりＳｉ－ＯＨ基が形成される。図１（ｂ）における符号１０はダメージ層を示している。このダメージ層１０は比誘電率が高く、またエッチング後の層間絶縁膜１の表面にはエッチング残渣のポリマーも残っている。よってダメージ層１０は、例えばフッ酸溶液によるウエットエッチングなどの方法で除去される（図１（ｃ））。
　以上の処理が行われた基板は、続いて図２に示すようにジボランガスを用いた表面処理を含む一連の銅埋め込みのための処理が行われるが、初めに前記表面処理を行うための処理モジュールについて図３を参照しながら説明しておく。
　図３において７１は真空チャンバからなる処理容器であり、この処理容器７１の底面には加熱部であるヒータ（図示せず）を備えたステージ７２が設けられると共に、底部には排気管７３が接続されている。排気管７３の下流側には真空排気機構７４が設けられている。処理容器７１の上部には、ガスシャワーヘッド７５が設けられ、ガスシャワーヘッド７５の下面には、ガスを均一に処理雰囲気に吐出するためのガス吐出孔７５ａが多数穿設されている。　
　ガスシャワーヘッド７５には外部からガス供給路７９が接続されている。ガス供給路７９の基端側は分岐されて処理ガス供給源７６及び、キャリアガス供給源７７に接続されている。Ｖ１～Ｖ３はバルブ、ｆ１、ｆ２は流量調整部である。処理ガスとしては例えばＢ（ホウ素）化合物であるジボラン（Ｂ２Ｈ６）が用いられ、キャリアガスとしては例えばヘリウム（Ｈｅ）が用いられる。
　この処理モジュールにおいては、昇降ピン（図示せず）によって外部からステージ７２上に基板Ｓを載置して、ヒータにより加熱すると共に、ガス供給路７９及びガスシャワーヘッド７５を介して、処理容器７１内にＨｅをキャリアとしたジボランガスを供給する。基板Ｓの温度は、ＳｉＣＯＨ膜上にＢ原子が吸着される温度以上に設定することが必要であり、例えば３５０℃に設定される。基板Ｓの温度はジボランが熱分解する温度以上であってもよい。また、処理容器７１内の圧力は例えば２６６７Ｐａに設定される。　
　図２（ａ）は、ジボランガスを用いて表面処理された後の基板Ｓの表面状態を示している。
　こうして層間絶縁膜１の表面にＢ原子を吸着させた後、基板の表面、即ちＢ原子が吸着された層間絶縁膜１の表面及びビアホールの底部に露出している下層側の銅配線６２の上面に対してＲｕ膜４を成膜する（図２（ｂ））。
　図４はＲｕ膜４を成膜するための熱ＣＶＤ装置をなす処理モジュールである。８１はきのこ型の真空チャンバである処理容器、８２は排気管、８３は真空排気機構、８４は図示しないヒータが内蔵されたステージ、８５は処理ガスをステージ８４上の基板Ｓに供給するためのガスシャワーヘッドである。ガスシャワーヘッド８５は、ガスを均一に処理雰囲気に供給するためのガス吐出孔８５２が多数穿設されたシャワー板８５１を備えており、このシャワー板８５１には温調部をなす例えば温調流体の流路８５３が形成されている。
　ガスシャワーヘッド８５には外部から処理ガス供給路９４が接続されており、この処理ガス供給路９４の基端側には原料ボトル９１が接続されている。原料ボトル９１内には、Ｒｕの前駆物質である例えばＲｕ３（ＣＯ）１２からなる粉体９０が収容されており、粉体９０内にはキャリアガス供給管９３の一端側が突入されている。一方、キャリアガス供給管９３の他端側にはキャリアガス、例えばＣＯガスの供給源９２が接続されている。そしてキャリアガスであるＣＯガスが原料ボトル９１に供給されると、Ｒｕ３（ＣＯ）１２が昇華されて、そのガスがガスシャワーヘッド８５に送り出される。９３１、９４１はバルブや流量調整部などのガス供給機器群を示している。
　この処理モジュールにおいては、昇降ピン（図示せず）によって外部からステージ８４上に基板Ｓを搬入し、例えば１５０～３００℃に加熱する。そして原料ボトル９１から、ＣＯガスをキャリアとしてＲｕ３（ＣＯ）１２ガスをガス供給管９４及びガスシャワーヘッド８５を介して処理容器８１内に供給する。すると、基板Ｓ上でＣＶＤ反応がおこり、Ｒｕ膜４が成膜される。Ｒｕ膜４の膜厚は例えば２ｎｍに設定される。
　ここで、ジボランガスによりＳｉＣＯＨ膜（層間絶縁膜１）を表面処理すると、後述の実施例からも明らかなように、当該ＳｉＣＯＨ膜にＲｕが良好に堆積するが、このメカニズムは以下のように推測される。図５に示すように基板Ｓ上のＳｉＣＯＨ膜に対しジボランを供給すると、ＳｉＣＯＨ膜表面においてジボラン分子がＳｉＣＯＨ膜表面に吸着し、ジボランから２つのＢ原子間に存在する２つのＨ原子が脱離し、ジボラン分子はＢ原子に２本の自由な結合手を持ったＢＨ２分子に解離する。そして図６に示すように、当該Ｂ原子の２本の自由な結合手が、夫々ＳｉＣＯＨ膜表面のいずれかの原子に結合し、ＢＨ２層が形成される。
　このためＳｉＣＯＨ膜上のＢ原子がＲｕの吸着サイトとなり、即ちＢは金属の性質を持つため、自由電子を介して金属であるＲｕと結合することができる。この現象は以下のように考えられる。即ち、上述したＲｕ３（ＣＯ）１２ガスを基板Ｓ上に供給しＲｕ膜を形成する際に、副生成物としてＣＯガスが放出される。この際の反応は、ＳｉＣＯＨ膜内の自由電子がＢ原子を介してＲｕ３（ＣＯ）１２へと移動し、その際にＲｕ化合物がＢ原子に吸着されるとともに分解されてＲｕ原子となり、同時にＣＯガスが生成したものと推測される。この際のＳｉＣＯＨ膜表面の様子を図７に示す。従ってＲｕ膜を成膜する前に、ＳｉＣＯＨ膜に対するジボランガス処理を行うことにより、成膜初期におけるＲｕの核生成が促進され、連続膜が形成できる。また、Ｒｕ３（ＣＯ）１２ガスとＣＯガスとを用いてＲｕ膜４を成膜すれば、反応を抑制した状態で成膜することができるので、膜厚を精度よくコントロールできる利点がある。
　Ｒｕの原料としては、上述の原料以外の例えば特許文献２に開示されているＲｕ有機化合物を用いてもよい。またＲｕ膜を成膜するための処理としては、ＣＶＤ法に限られない。例えば、Ｒｕの前駆物質であるガスとこの前駆物質と反応する反応ガスとを交互に基板に供給すると共にガスの切替え時には真空引きし、原子層あるいは分子層を一層ずつ積層して積層膜を得る、いわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いてもよい。
　その後、基板Ｓに対して銅のスパッタリングを行って銅５を凹部２内に埋め込む（図２（ｃ））。銅５の埋め込み工程は、先ず凹部２内にスパッタリングにより銅のシード層を形成し、その後にメッキ法により銅を埋め込むようにしてもよい。凹部２内に銅５を埋め込んだ後は、例えば真空雰囲気中で基板Ｓを１５０℃に加熱してアニールを行い、銅５のグレインサイズを安定化させる。銅５の抵抗値低減のためである。なお、以下の説明では、記載を簡略化するために、銅、銅配線、銅電極のいずれについても符号「５」を割り当てることとする。　
　銅の埋め込み工程の後は、基板Ｓの表面をＣＭＰにより研磨して余分な銅を除去する。こうして上層側の銅配線構造が構成される（図２（ｄ））。
　図２に示した（ａ）～（ｃ）の工程を実施するための基板処理システムを図８に示しておく。１０１は、搬送容器１００を搬入出する搬入出ポート、１０２は大気搬送室、１０３は大気搬送アーム、１０４は基板（半導体ウエハ）Ｓの中心位置及び向きを合わせるための位置合わせモジュールであり、搬送容器１００がＦＯＵＰの場合、搬入出ポート１０１と大気搬送室１０２との間には、ＦＯＵＰの蓋体開閉機構などが介在している。大気搬送室１０２の奥側には、ロードロック室１０５、１０６を介して処理ブロックが気密に接続されている。基板Ｓは、搬入出ポート１０１に搬入された搬送容器１００内に収納されている。このとき基板Ｓは、層間絶縁膜１のダメージ層１０が除去された後の状態（図１（ｃ）の状態）である。
　処理ブロックは、処理モジュール２０２、２０３、２０４、２０５が周囲に接続され、第１の基板搬送アーム２０１が設けられた第１の真空搬送室２００と、処理モジュール３０２、３０３、３０４、３０５、２０４、２０５が周囲に接続され、第２の基板搬送アーム３０１が設けられた第２の真空搬送室３００と、を備えている。処理モジュール２０４、２０５は、図１（ｃ）に示した基板Ｓを図２の処理ができる状態へと処理する前処理モジュールであって、入り口、出口が夫々第１の真空搬送室２００及び第２の真空搬送室３００に接続されている。また３０４、３０５は、図３に示した、ジボランを用いて基板Ｓの表面処理を行うための表面処理モジュールである。３０２及び３０３は図２（ｂ）で示したＲｕ膜４を成膜するための熱ＣＶＤモジュールであり、２０２、２０３は銅埋め込みのためのスパッタモジュールである。
　このような基板処理システムにおいては、搬送容器１００から取り出された基板Ｓは位置合わせモジュール１０４にて位置合せが行われた後、ロードロック室１０５（あるいは１０６）、第１の基板搬送室２００を介して前処理モジュール２０４（あるいは２０５）に搬入される。前処理モジュール２０４（２０５）では、絶縁膜表面の水分及びエッチング時やアッシング時の残渣が除去される。その後基板Ｓは第２の真空搬送室３００を介してジボラン表面処理モジュール３０４（あるいは３０５）に搬入されて、ＳｉＣＯＨ膜へのＢ原子の吸着が行われる。そして基板Ｓは第２の真空搬送室３００を再び介して、ＣＶＤモジュール３０２（あるいは３０３）に搬入されてＲｕ膜４の成膜処理が行われる。しかる後に第２の真空搬送室３００、受け渡し室２０６及び第１の真空搬送室２００を介してスパッタモジュール２０２（あるいは２０３）に搬入される。次いで基板Ｓはここで銅スパッタリングにより凹部２内に銅５が埋め込まれる。その後第１の真空搬送室２００、ロードロック室１０５（あるいは１０６）及び大気搬送室１０２を介して搬送容器１００に戻される。
　層間絶縁膜１の表面にＢ原子を吸着させるために用いられるＢ化合物としては、上述したジボランに限らず、モノボラン（ＢＨ３）、トリメチルボラン（Ｂ（ＣＨ３）３）、トリエチルボラン（Ｂ（Ｃ２Ｈ５）３）、ジカルバドデカボラン（Ｃ２Ｂ１０Ｈ１２）、デカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）などが挙げられる。Ｂ化合物のキャリア気体としては、ＨｅのほかにＨ２、アルゴンなどが挙げられる。
　［第２の実施形態］
　この実施形態では、第１の実施形態におけるＢ化合物ガスの代わりにシラン系ガスを用いて、ＳｉＣＯＨ膜表面を処理するようにしている。この表面処理を行うモジュールとしては、第１の実施形態の図８における表面処理モジュール３０４（あるいは３０５）において、処理ガスとしてシラン化合物ガスを用いたモジュールを挙げることができる。
　モノシランガスによりＳｉＣＯＨ膜を表面処理すると、後述の実施例からも明らかなように、当該ＳｉＣＯＨ膜にＲｕが良好に堆積するが、このメカニズムは以下のように推測される。第１の実施形態と同様、図９に示すように基板Ｓ上のＳｉＣＯＨ膜に対しモノシラン（ＳｉＨ４）を供給すると、ＳｉＣＯＨ膜表面においてモノシラン分子がＳｉＣＯＨ膜表面に吸着し、モノシランから水素基（－Ｈ）が脱離する。図１０に示すように水素基が脱離したモノシランはＳｉＣＯＨ膜表面のいずれかの原子に結合し、ＳｉＨ３層が形成される。
　このためＳｉＣＯＨ膜上のＳｉ原子がＲｕの吸着サイトとなる。即ちＳｉは金属の性質を持つため、自由電子を介して金属であるＲｕと結合することができる。そして第１の実施形態と同様、上述したＲｕ３（ＣＯ）１２ガスを基板Ｓ上に供給しＲｕ膜を形成する際に、副生成物としてＣＯガスが放出される。この際の反応は、ＳｉＣＯＨ膜内の自由電子がＳｉ原子を介してＲｕ３（ＣＯ）１２へと移動し、その際にＲｕ化合物がＳｉ原子に吸着されるとともに分解されてＲｕ原子となり、同時にＣＯガスが生成したものと推測される。そして第１の実施形態と同様、成膜初期におけるＲｕの核生成が促進され、連続膜が形成できる。
　ここで層間絶縁膜１の表面にＳｉ原子を吸着させるために用いられるＳｉ化合物としては、上述したモノシランに限らず、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などが挙げられる。
　また、Ｂ原子またはＳｉ原子の代替として、Ｐ原子を用いても同様の結果が得られると推定される。即ち、図２（ａ）の段階の、図３の装置で行われるジボランによる表面処理に代わり、原料ガスにホスフィン（ＰＨ３）を用いることで基板Ｓ上にＰを吸着させる。
　Ｐもまた金属の性質を持つため、自由電子を介してＲｕと結合しやすい。よって絶縁膜の表面におけるＰ原子をＲｕの吸着サイトとして、Ｒｕ膜を層間絶縁膜１表面に形成できるので、同様の結果を得ることができる。
　［第３の実施形態］
　この実施形態では、第１の実施形態におけるＢ化合物ガス、あるいは第２の実施形態におけるシラン系ガスの代わりに、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いて、ＳｉＣＯＨ膜表面を処理するようにしている。ＴＭＡガスは、例えば不活性ガスであるキャリアガスに運ばれて、例えば図３に示すシャワーヘッド７５から処理容器７１内へ供給される。
　ＴＭＡガスによりＳｉＣＯＨ膜を表面処理すると、後述の実施例からも明らかなように、当該ＳｉＣＯＨ膜にＲｕ膜が良好に堆積するが、このメカニズムは以下のように推測される。第１の実施形態と同様、図１１に示すように基板Ｓ上のＳｉＣＯＨ膜に対しＴＭＡガスを供給すると、ＳｉＣＯＨ膜表面においてＴＭＡ分子がＳｉＣＯＨ膜表面に吸着し、ＴＭＡからメチル基（－ＣＨ３）が１つ脱離する。そして図１２に示すようにメチル基が脱離した分子はＳｉＣＯＨ膜表面のいずれかの原子に結合し、Ａｌ（ＣＨ３）２の層が形成される。
　このためＳｉＣＯＨ膜上のＡｌ原子がＲｕの吸着サイトとなる。即ちＡｌは金属であるため、自由電子を介して金属であるＲｕと結合することができる。そして第１の実施形態と同様、上述したＲｕ３（ＣＯ）１２ガスを基板Ｓ上に供給しＲｕ膜を形成する際に、副生成物としてＣＯガスが放出される。この際の反応は、ＳｉＣＯＨ膜内の自由電子がＡｌ原子を介してＲｕ３（ＣＯ）１２へと移動し、その際にＲｕ化合物がＡｌ原子に吸着されるとともに分解されてＲｕ原子となり、同時にＣＯガスが生成したものと推測される。このため第１の実施形態と同様、成膜初期におけるＲｕの核生成が促進され、連続膜が形成できる。
　また、当該Ａｌ原子を吸着サイトとしたＲｕ膜成膜では、前述したＡＬＤ法などを用いてＲｕ膜とＡｌ膜を一分子ずつ積層することによって、後工程で層間絶縁膜１の凹部に埋め込む銅５に対するバリア効果の向上が期待できる。
　上述の第３の実施形態においては、基板表面の処理ガスとしてＴＭＡガスを用いたが、ＴＭＡ以外のＡｌを含む有機化合物を含有するガスを用いてもＡｌの基板表面への吸着効果が得られる。
　［評価試験１］
　熱酸化膜であるＳｉＯ２膜を絶縁膜素材として用い、ＳｉＣＯＨ膜に対する処理についての評価試験を行った。
　ＳｉＯ２膜が形成された基板を３５０℃に加熱し、第１の実施形態と同様にしてジボランを用いた表面処理を行い、その後当該ＳｉＯ２膜表面にＲｕ膜の成膜処理を行った。このプロセスを実施例１とする。また、ＳｉＯ２膜が形成された基板を３５０℃に加熱し、第２の実施形態と同様にしてシランを用いた表面処理を行い、その後当該ＳｉＯ２膜表面にＲｕ膜の成膜処理を行った。このプロセスを実施例２とする。　
　一方、ＳｉＯ２膜表面上にＲｕ膜の成膜処理を直接行った。このプロセスを比較例１とする。
　そしてＲｕ膜の成膜処理を開始してから、１０秒後、２０秒後、３０秒後の各々の時点でＳＥＭ写真により基板を観察した。その観察結果を図１３と図１４に示す。図１３は成膜サンプルの表面の様子を斜めから撮影した写真であり、図１４は成膜サンプルの表面を平面的に撮影した写真であり、Ｒｕ膜が形成されている場所が白く、形成されていない場所が黒く表示されている。数字は全体に対する白いエリアの面積の百分率である。
　図１３から分かるように、比較例１においては、Ｒｕ粒子塊が存在し、表面に凹凸が見られるが、実施例１および実施例２においてはＲｕの微粒子が密集している。一方、図１４に示した百分率及び白黒のコントラストの状態から、比較例１に比して実施例１および実施例２では高い均一性をもってＲｕが成膜されていることがわかる。
　ＳｉＯ２膜表面に対して直接Ｒｕ膜を形成した場合には、ＳｉＯ２膜表面には吸着サイトがなくかつ非金属であるため、Ｒｕ原子が吸着しにくいと推測される。これに対してＲｕ膜形成前にＳｉＯ２膜表面に対して既述のように表面処理を行った場合には、次のように推測される。ＳｉＯ２膜表面上に吸着されたＢ原子やＳｉ原子に、最初に結合したＲｕ原子を中心に、Ｒｕの核成長が進む。そして反応が進むにつれ成長した複数のＲｕ核が結合し、均一なＲｕ膜を形成する。
　図１５は、実施例１、２及び比較例１において、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）によって分析したＲｕ量を横軸に取り、基板表面のＲｕ膜による被覆率を縦軸に取ったグラフである。実線（１）はＳｉＯ２膜表面をジボランガスで処理した後Ｒｕ膜を成膜した場合、一点破線（２）はＳｉＯ２膜表面をシランガスで処理した後Ｒｕ膜を成膜した場合、点線（３）はＳｉＯ２膜表面を熱処理して得られた、熱酸化膜であるシリコン酸化膜上にＲｕ膜を成膜した場合のグラフである。これらのグラフからも、本発明のＳｉＯ２膜上の表面処理が、有効にＳｉＯ２膜上のＲｕ膜の成膜処理効率を向上させることが示唆される。
　［評価試験２］
　ＳｉＯ２膜が形成された基板（シリコンウエハ）を３５０℃に加熱し、第３の実施形態と同様にしてＴＭＡを用いた表面処理を行い、その後当該ＳｉＯ２膜表面にＲｕ膜の成膜処理を行った。このプロセスを実施例３とする。　
　一方、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜上にＲｕ膜の成膜処理を行った。このプロセスを比較例２とする。
　そしてＲｕ膜の成膜処理を開始してから、１０秒後、３０秒後、６０秒後の各々の時点でＳＥＭ写真により基板を観察した。観察結果を図１６と図１７に示す。図１６は成膜サンプルの表面の様子を斜めから撮影した写真であり、図１７は図１３と同様に成膜サンプルの表面を平面的に撮影した写真であり、Ｒｕ膜が形成されている場所が白く、形成されていない場所が黒く表示されている。数字は全体に対する白いエリアの面積の百分率である。
　図１６から分かるように、比較例２においては、Ｒｕ粒子塊が存在し、表面に凹凸が見られるが、実施例３においてはＲｕの微粒子が密集している。また、図１７に示した百分率及び白黒のコントラストの状態から、比較例２に比して実施例３では高い均一性をもってＲｕが成膜されていることがわかる。
　さらに、実施例３及び比較例２の各々についてＲｕ膜の成膜処理を開始してからの経過時間とＲｕ膜の膜厚との関係についても調べた。結果を図１８に示す。グラフの横軸は経過時間、縦軸はＲｕ膜の膜厚である。実施例３及び比較例２の各々について、プロットに基づいて経過時間と膜厚との関係を直線近似し、得られた直線に基づいて考察すると、実施例３では成膜処理開始の直後からＲｕ膜の堆積が始まっている。これに対し比較例２では成膜開始後しばらくしてからＲｕ膜の堆積が始まっており、時間遅れが発生している。
　また更に実施例３及び比較例２の各々について、前記経過時間とＲｕ膜の成膜速度との関係について調べた。結果を図１９及び図２０に示す。図１９及び図２０のグラフは夫々基板中央における前記関係及び基板全体の平均値を表している。実施例３の結果を実線で、比較例２の結果を点線で示した。比較例２においてはＲｕ膜の成膜速度が初期において低速であり、時間が経過するにつれて増大していく様子がみられる。一方実施例３においては、Ｒｕ膜の成膜速度が時間の経過に対して概ね一定である様子がみられる。このＲｕ膜の成膜速度の変化から考察すると、比較例２においては基板の表面でＲｕの成膜にムラがあり、実施例３においては、基板の表面でＲｕ膜が一律に成膜されることが窺える。
　またさらに、図２１は、実施例３及び比較例２において、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）によって分析したＲｕ量を横軸に取り、基板表面のＲｕ膜による被覆率を縦軸に取ったグラフであり、実施例３の結果を実線で、比較例２の結果を点線で示した。当該グラフからも、本発明のＴＭＡによるＳｉＯ２膜上の表面処理が、有効にＳｉＯ２膜上のＲｕ膜の成膜効率を向上させることが示唆される。
　なお、評価試験１及び２について、評価対象としてＳｉＯ２膜を使用したが、ＳｉＣＯＨ膜を用いても当然に同様の結果が得られる。

 

Claims (7)

  1. 　基板上に成膜されたシリコン、炭素、水素及び酸素を含む絶縁膜であって、その底部に下層側の導電路が露出している埋め込み用の凹部が形成され、その表面が疎水性である絶縁膜に対して、ホウ素化合物ガスを供給して前記絶縁膜の表面にホウ素原子を吸着させる工程と、
    　前記ホウ素原子が吸着された前記絶縁膜の表面にルテニウム（Ｒｕ）膜からなる密着膜を直接形成する工程と、
    　しかる後、前記凹部内に導電路となる銅を埋め込む工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　前記ホウ素化合物は、モノボラン（ＢＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、トリメチルボラン（Ｂ（ＣＨ３）３）、トリエチルボラン（Ｂ（Ｃ２Ｈ５）３）、ジカルバドデカボラン（Ｃ２Ｂ１０Ｈ１２）及びデカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）から選択されたものであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　基板上に成膜されたシリコン、炭素、水素及び酸素を含む絶縁膜であって、その底部に下層側の導電路が露出している埋め込み用の凹部が形成され、その表面が疎水性である絶縁膜に対して、シリコン化合物ガスを供給して前記絶縁膜の表面にシリコン原子を吸着させる工程と、
    　前記シリコン原子が吸着された前記絶縁膜の表面にルテニウム（Ｒｕ）膜からなる密着膜を直接形成する工程と、
    　しかる後、前記凹部内に導電路となる銅を埋め込む工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 　前記シリコン化合物は、モノシラン（ＳｉＨ４）及びジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）から選択されたものであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　基板上に成膜されたシリコン、炭素、水素及び酸素を含む絶縁膜であって、その底部に下層側の導電路が露出している埋め込み用の凹部が形成され、その表面が疎水性である絶縁膜に対して、アルミニウムを含む有機化合物のガスを供給して前記絶縁膜の表面にアルミニウム原子を吸着させる工程と、
    　前記アルミニウム原子が吸着された前記絶縁膜の表面にルテニウム（Ｒｕ）膜からなる密着膜を直接形成する工程と、
    　しかる後、前記凹部内に導電路となる銅を埋め込む工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 　前記アルミニウムを含む有機化合物は、トリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　前記絶縁膜の表面に前記ホウ素原子、シリコン原子あるいはアルミニウム原子を吸着させる工程の前に行なわれる工程であって、プラズマエッチングにより凹部を形成するときに炭素が脱落して親水性となった当該絶縁膜の表層部分を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
     

     
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