成膜方法およびＣｕ配線の形成方法
【課題】被処理基板を加熱してトレンチやホールの間口部のオーバーハングを抑制しつつ金属膜を成膜するとともに、成膜後に速やかに被処理基板の温度を低下させることができる成膜方法を提供すること。
【解決手段】載置台を低温に保持して、載置台上に被処理基板を吸着させずに載置する工程と、プラズマ生成ガスのプラズマを生成し、載置台に高周波バイアスを印加した状態で、被処理基板にプラズマ生成ガスのイオンを引きこんで被処理基板を予備加熱する工程と、ターゲットに電圧を印加して金属粒子を放出させ、プラズマ生成ガスのイオンとともにイオン化した金属イオンを被処理基板に引きこんで金属膜を形成する工程と、被処理基板を低温に保持された載置台に吸着させ、載置台と被処理基板との間に伝熱ガスを供給して被処理基板を冷却する工程とを有する。
【解決手段】載置台を低温に保持して、載置台上に被処理基板を吸着させずに載置する工程と、プラズマ生成ガスのプラズマを生成し、載置台に高周波バイアスを印加した状態で、被処理基板にプラズマ生成ガスのイオンを引きこんで被処理基板を予備加熱する工程と、ターゲットに電圧を印加して金属粒子を放出させ、プラズマ生成ガスのイオンとともにイオン化した金属イオンを被処理基板に引きこんで金属膜を形成する工程と、被処理基板を低温に保持された載置台に吸着させ、載置台と被処理基板との間に伝熱ガスを供給して被処理基板を冷却する工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜方法およびＣｕ配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造においては、半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に成膜処理やエッチング処理等の各種の処理を繰り返し行って所望のデバイスを製造するが、近時、半導体デバイスの高速化、配線パターンの微細化、高集積化の要求に対応して、配線の低抵抗化およびエレクトロマイグレーション耐性の向上が求められている。
【０００３】
このような点に対応して、配線材料にアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）よりも導電性が高く（抵抗が低く）かつエレクトロマイグレーション耐性に優れている銅（Ｃｕ）が用いられるようになってきている。
【０００４】
Ｃｕ配線の形成方法としては、トレンチやホールが形成された層間絶縁膜上に、チタン（Ｔｉ）、チタン窒化膜（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、タンタル窒化膜（ＴａＮ）、などからなるバリア膜をＰＶＤであるプラズマスパッタで形成し、バリア膜の上に同じくプラズマスパッタによりＣｕシード膜を形成し、さらにその上にＣｕめっきを施してトレンチやホールを完全に埋め込み、さらに、ウエハ表面の余分な銅薄膜およびバリア膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理により研磨処理して取り除き、平坦化して、Ｃｕ配線を得る技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
ところで、半導体デバイスのデザインルールが益々微細化しており、トレンチの幅やホール径が数十ｎｍとなっており、このような狭いトレンチやホール内に、Ｔｉ膜等のバリア膜をプラズマスパッタのようなイオン化ＰＶＤ（ｉＰＶＤ）で形成する場合には、トレンチやホールの間口部分にオーバーハング部分が発生してトレンチやホールの開口幅が狭くなってしまい、その後のＣｕめっきによりトレンチやホールを埋め込んでも内部が十分に埋まらずにボイド（空洞）が発生する等の問題が生ずる。
【０００６】
このような問題を解決するため、バリア膜であるＴｉ膜をプラズマスパッタで成膜する際に、載置台に設けられたヒーターによりウエハを加熱し、Ｔｉ膜を流動させる技術が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４８０７５号公報
【特許文献２】特開２００９−１８２１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献２のように、Ｔｉ膜成膜時に載置台に設けられたヒーターによりウエハを加熱する場合には、成膜処理後、高温のまま処理容器からウエハを搬出しなければならず、膜の酸化が懸念される。
【０００９】
また、ウエハの温度が低下してからウエハを搬出する場合には、スループットが低下してしまう。特に、Ｔｉ膜の成膜後にプラズマスパッタによりＣｕシードを形成する場合等、ウエハの温度を低温にする必要がある場合には、加熱されたウエハの温度をＣｕシード膜形成のための温度まで低下させるために非常に時間がかかり、スループットが一層低下してデバイス生産の歩留まりが悪くなる。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ｉＰＶＤにより被処理基板を加熱してトレンチやホールの間口部のオーバーハングを抑制しつつバリア層等として用いられるＴｉ膜のような金属膜を成膜するとともに、成膜後に速やかに被処理基板の温度を低下させることができる成膜方法、およびこのような金属膜からなるバリア層上にＣｕ膜を成膜してＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点では、処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置する載置台と、前記載置台を冷却する冷却機構と、前記被処理基板を載置台に吸着させる吸着機構と、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給手段と、前記処理容器内にプラズマ生成ガスを導入するガス導入機構と、前記処理容器内に前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記被処理基板に成膜される金属のターゲットと、前記ターゲットに電圧を印加する直流電源と、前記載置台にイオンを引きこむための高周波バイアスを印加するバイアス電源とを有する成膜装置を用いて被処理基板に金属膜を成膜する成膜方法であって、前記冷却機構により前記載置台を低温に保持して、前記吸着機構により前記載置台の上に前記被処理基板を吸着させずに載置する工程と、次いで、前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成し、前記バイアス電源から前記載置台に高周波バイアスを印加した状態で、前記被処理基板に前記プラズマ生成ガスのイオンを引きこんで被処理基板を相対的に高温に予備加熱する工程と、次いで、前記プラズマが形成された状態で、前記直流電源から前記ターゲットに電圧を印加し、前記ターゲットから金属粒子を放出させ、前記バイアス電源により、前記プラズマ生成ガスのイオンとともに前記プラズマによりイオン化した金属イオンを前記被処理基板に引きこんで金属膜を形成する工程と、前記成膜を停止した後、前記成膜を停止した後、前記吸着機構により前記被処理基板を前記相対的に低温に保持された前記載置台に吸着させ、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給して前記被処理基板と前記載置台との間を伝熱させ、前記被処理基板を冷却する工程と、冷却された被処理基板を前記処理容器から搬出する工程とを有することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１２】
上記第１の観点において、前記載置台は−３０〜９０℃に冷却されることが好ましい。前記吸着機構としては静電チャックを好適に用いることができる。この場合に、前記予備加熱する工程は、被処理基板を１００℃以上に加熱することが好ましく、１００〜２００℃に加熱することがより好ましい。さらに、前記金属膜としてはＴｉ膜を好適に用いることができる。
【００１３】
本発明の第２の観点では、被処理基板に形成された所定パターンのトレンチおよび／またはホール内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、前記被処理基板の少なくとも前記トレンチおよび／またはホールが形成されている部分の表面に上記第１の観点の成膜方法により金属膜を成膜してバリア層を形成する工程と、前記バリア層が形成された前記トレンチおよび／またはホールにＣｕを埋め込む工程と、前記Ｃｕを埋め込んだ後、前記トレンチおよび／またはホールの開口部までのＣｕ部分を研磨して平坦化する工程とを有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法を提供する。
【００１４】
上記第２の観点において、前記トレンチおよび／またはホールは、前記被処理体の絶縁膜に形成されている構成とすることができる。前記バリア層を成膜した後、該バリア層の上にルテニウムからなるライナー膜を形成する工程をさらに有することが好ましい。また、前記Ｃｕを埋め込む工程は、ＰＶＤによりＣｕシード膜を形成した後にＣｕめっきで前記トレンチおよび／またはホールを埋め込むことが好ましい。前記研磨して平坦化する工程は、ＣＭＰで行われることが好ましい。
【００１５】
本発明の第３の観点では、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第１の観点の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、プラズマ生成ガスのイオンを被処理基板に引き込んで被処理基板を相対的に高温に予備加熱し、被処理基板が相対的に高温の状態でプラズマ生成ガスのイオンとともに金属粒子のイオンを被処理基板に引き込んで金属膜を成膜するので、金属粒子の移動が生じてトレンチやホールの開口部でオーバーハングが形成されることを抑制することができる。また、載置台自体は加熱せずに相対的に低温に保持し、予備加熱および成膜の際には、被処理基板を載置台に保持させずにほぼ断熱状態で被処理基板の加熱を許容し、成膜後は吸着機構により被処理基板を載置台に吸着させて載置台と被処理基板とを伝熱させ、基板を冷却するので、被処理基板を速やかに冷却することができる。このため、高温で被処理基板を搬出することによる膜の酸化を懸念する必要がなく、また冷却時間を短くすることができるのでスループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る成膜方法を実施するためのＴｉ膜成膜装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る成膜方法の工程を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２の成膜方法を実施する際のウエハの温度プロファイル例を示すチャートである。
【図４】本発明の実験の際のアルゴンプラズマによる予備加熱時間とトレンチの最小開口幅との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実験の際のウエハ温度と規格化したトレンチ開口幅との関係を示すグラフである。
【図６】予備加熱を行わない場合と行った場合とでトレンチ部分のＴｉ膜の状態を比較して説明するための模式図である。
【図７】予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜と予備加熱した後に成膜したＴｉ膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図８】予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜および予備加熱した後に成膜したＴｉ膜の上にそれぞれシード膜となるＣｕ膜を形成したときの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】本実施形態の成膜方法で成膜されたＴｉ膜をバリア層として用いてＣｕ配線を形成する方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本実施形態の成膜方法で成膜されたＴｉ膜をバリア層として用いてＣｕ配線を形成する方法の各工程を説明するための工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。ここでは、Ｃｕ配線のバリア層としてのＴｉ膜の成膜およびバリア層を含むＣｕ配線の形成について説明する。
【００１９】
＜Ｔｉ膜の成膜装置の構成＞
まず、本発明の一実施形態に係る成膜方法を実施するためのＴｉ膜成膜装置の一例について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜方法を実施するためのＴｉ膜成膜装置の一例を示す断面図である。ここではＴｉ膜成膜装置としてｉＰＶＤ（ｉｏｎｉｚｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）であるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）型プラズマスパッタ装置を例にとって説明する。
【００２０】
図１に示すように、このＴｉ膜成膜装置１０は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器５１を有している。この処理容器５１は接地され、その底部５２には排気口５３が設けられており、排気口５３には排気管５４が接続されている。排気管５４には圧力調整を行うスロットルバルブ５５および真空ポンプ５６が接続されており、処理容器５１内が真空引き可能となっている。また処理容器５１の底部５２には、処理容器５１内へ所定のガスを導入するガス導入口５７が設けられている。このガス導入口５７にはガス供給配管５８が接続されており、ガス供給配管５８には、プラズマ励起用ガスとして希ガス、例えばＡｒガスや他の必要なガス例えばＮ２ガス等を供給するためのガス供給源５９が接続されている。また、ガス供給配管５８には、ガス流量制御器、バルブ等よりなるガス制御部６０が介装されている。
【００２１】
処理容器５１内には、被処理基板であるウエハＷを載置するための載置機構６２が設けられる。この載置機構６２は、円板状に成形された載置台６３と、この載置台６３を支持するとともに接地された中空筒体状の支柱６４とを有している。載置台６３は、例えばアルミニウム合金等の導電性材料よりなり、支柱６４を介して接地されている。載置台６３の中には冷却機構として冷却ジャケット６５が設けられており、図示しない冷媒流路を介して冷媒を供給するようになっている。冷媒としては、ガルデンを好適に用いることができ、−３０〜９０℃、例えば３０℃に制御される。
【００２２】
載置台６３の上面側は、例えばアルミナ等の誘電体部材６６ａの中に薄い円板状の電極６６ｂが埋め込まれて静電チャック６６を構成しており、ウエハＷを静電力により吸着保持可能であり、また静電力を解除することにより脱離可能である。また、支柱６４の下部は、処理容器５１の底部５２の中心部に形成された挿通孔６７を貫通して下方へ延びている。支柱６４は、図示しない昇降機構により上下移動可能となっており、これにより載置機構６２の全体が昇降される。
【００２３】
支柱６４を囲むように、伸縮可能に構成された蛇腹状の金属ベローズ６８が設けられており、この金属ベローズ６８は、その上端が載置台６３の下面に気密に接合され、また下端が処理容器５１の底部５２の上面に気密に接合されており、処理容器５１内の気密性を維持しつつ載置機構６２の昇降移動を許容できるようになっている。
【００２４】
また底部５２には、上方に向けて例えば３本（図２では２本のみ示す）の支持ピン６９が起立した状態で設けられており、また、この支持ピン６９に対応させて載置台６３にピン挿通孔７０が形成されている。したがって、載置台６３を降下させた際に、ピン挿通孔７０を貫通した支持ピン６９の上端部でウエハＷを受けて、そのウエハＷを外部より侵入する搬送アーム（図示せず）との間で移載することができる。このため、処理容器５１の下部側壁には、搬送アームを侵入させるために搬出入口７１が設けられ、この搬出入口７１には、開閉可能になされたゲートバルブＧが設けられている。このゲートバルブＧを介して、例えば真空搬送室（図示せず）が接続されている。
【００２５】
また上述した静電チャック６６の電極６６ｂには、給電ライン７２を介してチャック用電源７３が接続されており、このチャック用電源７３から電極６６ｂに直流電圧を印加することにより、ウエハＷが静電力により吸着保持される。また、チャック用電源７３はスイッチ（図示せず）によりオン・オフ可能となっており、チャック用電源７３をオフにすることによりウエハＷが脱離される。また給電ライン７２にはバイアス用高周波電源７４が接続されており、この給電ライン７２を介して静電チャック６６の電極６６ｂに対してバイアス用の高周波電力を供給し、ウエハＷにバイアス電力が印加されるようになっている。この高周波電力の周波数は、４００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚが好ましく、例えば１３．５６ＭＨｚが採用される。
【００２６】
吸着されたウエハＷの裏面側の静電チャック６６の載置面には、伝熱ガスを供給する伝熱ガス流路８８が形成されており、伝熱ガス流路に伝熱ガス供給源８９から伝熱ガス、例えばＡｒガスが供給されるようになっている。伝熱ガスとしては、Ａｒガス以外に、Ａｒガスより伝熱が良好なＨｅガスを用いてもよい。伝熱ガス流路８８は、処理容器５１の下方から支柱６４内を通り、載置台６３および静電チャック６６を貫通して延び、静電チャック６６をオンにしてウエハＷを吸着する際にウエハＷと静電チャック６６との間に伝熱ガスを流してウエハＷの伝熱を効果的に行えるようになっている。
【００２７】
一方、処理容器５１の天井部には、例えばアルミナ等の誘電体よりなる高周波に対して透過性のある透過板７６がＯリング等のシール部材７７を介して気密に設けられている。そして、この透過板７６の上部に、処理容器５１内の処理空間Ｓにプラズマ励起用ガスとしての希ガス、例えばＡｒガスをプラズマ化してプラズマを発生するためのプラズマ発生源７８が設けられる。なお、このプラズマ励起用ガスとして、Ａｒに代えて他の希ガス、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ等を用いてもよい。
【００２８】
プラズマ発生源７８は、透過板７６に対応させて設けた誘導コイル８０を有しており、この誘導コイル８０には、プラズマ発生用の例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源８１が接続されて、上記透過板７６を介して処理空間Ｓに高周波電力が導入され誘導電界を形成するようになっている。
【００２９】
また透過板７６の直下には、導入された高周波電力を拡散させる例えばアルミニウムよりなるバッフルプレート８２が設けられる。そして、このバッフルプレート８２の下部には、上記処理空間Ｓの上部側方を囲むようにして例えば断面が内側に向けて傾斜されて環状（截頭円錐殻状）の金属Ｔｉからなるターゲット８３が設けられており、このターゲット８３にはＡｒイオンを引きつけるための直流電力を印加するターゲット用の電圧可変の直流電源８４が接続されている。なお、直流電源に代えて交流電源を用いてもよい。
【００３０】
また、ターゲット８３の外周側には、これに磁界を付与するための磁石８５が設けられている。ターゲット８３はプラズマ中のＡｒイオンによりＴｉの原子あるいは原子団としてスパッタされるとともに、プラズマ中を通過する際に多くはイオン化される。
【００３１】
またこのターゲット８３の下部には、上記処理空間Ｓを囲むようにして例えばアルミニウムや銅よりなる円筒状の保護カバー部材８６が設けられている。この保護カバー部材８６は接地されるとともに、その下部は内側へ屈曲されて載置台６３の側部近傍に位置されている。したがって、保護カバー部材８６の内側の端部は、載置台６３の外周側を囲むようにして設けられている。
【００３２】
このＴｉ成膜装置１０は、制御部１００により制御されるようになっている。この制御部１００は、各構成部の制御を実行するマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるプロセスコントローラ１０１と、オペレータが装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１０２と、Ｔｉ膜成膜装置１０で実行される処理をプロセスコントローラ１０１の制御にて実現するための制御プログラムや、各種データ、および処理条件に応じて処理装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部１０３とを備えている。なお、ユーザーインターフェース１０２および記憶部１０３はプロセスコントローラ１０１に接続されている。
【００３３】
上記レシピは記憶部１０３の中の記憶媒体１０３ａに記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクであってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＢＤ（Ｂｌｕｅ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
【００３４】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース１０２からの指示等にて任意のレシピを記憶部１０３から呼び出してプロセスコントローラ１０１に実行させることで、プロセスコントローラ１０１の制御下で、Ｔｉ膜成膜装置１０での所望の処理が行われる。
【００３５】
＜Ｔｉ膜の成膜方法＞
次に、以上のように構成されるＴｉ膜成膜装置におけるＴｉ膜の成膜方法について図２のフローチャートおよび図３の温度プロファイル例を参照して説明する。
【００３６】
まず、ウエハＷを図１に示す処理容器５１内へ搬入し、このウエハＷを載置台６３を構成する冷却機構である冷却ジャケット６５に供給された冷媒により低温に保持された載置台６３上に載置する（ステップ１）。このとき静電チャック６６への電圧供給をオフとし、ウエハＷを吸着しない状態とし、伝熱ガスはバイパスライン（図示せず）に流し、ウエハＷの裏面には供給しない。このため、載置台６３とウエハＷとの間には熱の伝達はほとんど存在せず、積極的に伝熱していない状態である。
【００３７】
そして、真空ポンプ５６を動作させることにより処理容器５１内が所定の真空状態にされる。その状態で、処理容器５１内に、ガス制御部６０を操作して所定流量でプラズマ生成ガスであるＡｒガスを流しつつスロットルバルブ５５を制御して処理容器５１内を所定の真空度に維持し、３〜３０ｓｅｃ、例えば５ｓｅｃの間所定流量でＡｒガスを流してガスを安定化させる（ステップ２）。
【００３８】
次いで、Ａｒガスを流した状態で、プラズマ発生源７８の高周波電源８１から誘導コイル８０に高周波電力（プラズマ電力）を供給する一方、バイアス用高周波電源７４から静電チャック６６の電極６６ｂに対して所定のバイアス用の高周波電力を供給する。これにより、処理容器５１内において、アルゴンガスがプラズマ化されてアルゴンイオンが生成される。電極６６ｂには直流電圧を印加せずにウエハＷを吸着しない状態で、アルゴンプラズマ中のアルゴンイオンをバイアス用の高周波電力によりウエハＷ面上に衝突させてエネルギーを与え、ウエハＷを予め所定温度に加熱する（ステップ３）。
【００３９】
このとき、冷却ジャケット６５に冷媒が供給されることにより、載置台６３は例えば３０℃程度の比較的低い温度に制御されているが、ウエハＷは静電チャック６６により吸着されておらず、伝熱ガスも供給されていないので、ウエハＷと静電チャック６６との間の微小空間により、ウエハＷは冷却され難い。このため、アルゴンイオンのエネルギーによりウエハＷが加熱されてその温度が上昇する。すなわちウエハＷが予備加熱される。このようにアルゴンイオンにより予備加熱することにより、Ｔｉ膜成膜の際、トレンチやホールの肩部のＴｉの微粒子がトレンチやホール内へ移動するため、ホールやトレンチの開口部のオーバーハングを抑制することができる。
【００４０】
このときのウエハＷの温度は、アルゴンガス流量、誘導コイル８０への高周波電力（ＩＣＰパワー）、電極６６ｂに印加されるバイアスパワー、アルゴンイオン照射時間等により、調整することができる。このときの予備加熱の温度は、１００℃以上であることが好ましい。１００℃以上であれば、Ｔｉ膜成膜時にＴｉを移動させることができ、トレンチやホールのオーバーハングにより開口幅が狭くなることを抑制することができる。また、２００℃より高くても効果が飽和するだけである。このため、予備加熱温度は１００℃以上２００℃以下であることが好ましい。図３の例では、アルゴンイオンの照射時間を６０ｓｅｃ程度にしてウエハ温度を１７０℃まで上昇させている。
【００４１】
その後、静電チャック６６の直流電源をオフにしたままの状態で、誘導コイル８０に高周波電力を供給してプラズマを生成するとともに、静電チャック６６の電極６６ｂに高周波電力を供給してウエハＷに高周波バイアスを印加し、また、伝熱ガスであるＡｒガスをバイパスさせてウエハＷと載置台６３との間に伝熱ガスを流さず、アルゴンプラズマを維持したまま、可変直流電源８４から直流電力をＴｉからなるターゲット８３に印加して以下に説明するようにトレンチやホールを含む全面にＴｉ膜を成膜する（ステップ４）。
【００４２】
Ｔｉ膜の成膜は、具体的には以下のように行われる。
ターゲット８３に可変直流電源８４から直流電力が印加されると、アルゴンプラズマ中のアルゴンイオンが直流電圧に引き寄せられてターゲット８３に衝突し、ターゲット８３がスパッタされてＴｉ粒子が放出（飛翔）される。この際、ターゲット８３に印加する直流電圧により放出されるＴｉの量が最適に制御される。また、スパッタされたターゲット８３から放出されたＴｉ粒子であるＴｉ原子、Ｔｉ原子団はプラズマ中を通る際に多くはイオン化される。そして、イオン化されたＴｉイオンと電気的に中性な中性Ｔｉ原子とが混在する状態となってバイアス印加された下方向のウエハＷへ引き込まれて行く。この時のイオン化率は高周波電源８１から供給される高周波電力により生成されたプラズマによって制御される。
【００４３】
Ｔｉイオンは、バイアス用高周波電源７４から静電チャック６６の電極６６ｂに印加されたバイアス用の高周波電力によりウエハＷ面上に形成される厚さ数ｍｍ程度のイオンシースの領域に入ると、強い指向性をもってウエハＷ側に加速するように引き付けられてウエハＷに堆積してＴｉ膜が形成される。このとき、バイアス用の高周波電力によりアルゴンイオンもウエハＷ側に引き付けられるが、この際のバイアスパワーを調整してＴｉによる成膜とＡｒによるエッチングを調整して所望の成膜速度でＴｉ膜を成膜する。
【００４４】
このように、Ｔｉ膜成膜の際にも静電チャック６６の吸着をオフし、ウエハＷと載置台６３との間に伝熱ガスを供給せずにウエハをプラズマにより加熱することにより、ウエハＷからの熱を載置台６３に伝達し難くしたので、ウエハＷは工程２の予備加熱で加熱されて温度が上昇した状態でＴｉ膜を成膜することができる。このＴｉ膜成膜工程の時間はＴｉ膜の膜厚に応じて適宜設定されるが、通常のバリア層の膜厚である数ｎｍの場合は１０ｓｅｃ程度と比較的短時間で成膜が終了する。図３の例では１２ｓｅｃである。なお、図３に示すようにＴｉ膜成膜の際にもプラズマ照射によりウエハＷの温度が多少上昇する。
【００４５】
Ｔｉ膜の成膜が終了した後、電源８１，７４，８４をオフにし、静電チャック６６のチャック用電源７３をオンにしてウエハＷを載置台６３に吸着させ、載置台６３とウエハＷとの間に伝熱ガスであるＡｒガスを、例えば１〜１０Ｔｏｒｒで供給して、載置台６３によりウエハＷを冷却する（ステップ５）。
【００４６】
このようにウエハＷを載置台６３に吸着させて、載置台６３とウエハＷとの間に伝熱ガスを供給することにより、例えば３０℃の低温に保持されている載置台６３によってウエハＷが速やかに冷却されて短時間で載置台６３の保持温度に近い温度にすることができる。このとき、伝熱ガス供給源８９から伝熱ガス流路８８を介してウエハＷの裏面に伝熱ガスである例えばＡｒガスを流すことにより、ウエハＷと載置台６３との間の伝熱が促進され、より短時間でウエハＷを冷却することができる。載置台６３の温度は−３０〜９０℃が好ましい。図３の例では、１０ｓｅｃ程度でウエハＷの温度が１８０℃から５０℃程度にまで冷却されている。
【００４７】
その後、伝熱ガスの供給を停止し、静電チャックをオフにし、ゲートバルブＧを開いてウエハＷを搬出する（ステップ６）。
【００４８】
なお、図３の例の条件は以下の通りである。
・予備加熱
処理容器内の圧力：１０ｍＴｏｒｒ
アルゴンガス流量：１３０ｓｃｃｍ
ＩＣＰ電源パワー：５．２５ｋＷ
バイアスパワー：１５０Ｗ
時間：６０ｓｅｃ
・Ｔｉ膜成膜
処理容器内の圧力：５ｍＴｏｒｒ
アルゴンガス流量：１３０ｓｃｃｍ
ＩＣＰ電源パワー：５．２５ｋＷ
直流電力（ターゲット）：４ｋＷ
バイアスパワー：１００Ｗ
時間：１２ｓｅｃ
・ウエハ冷却
アルゴンガス流量：５００ｓｃｃｍ
伝熱ガス圧力：６Ｔｏｒｒ
静電チャック電圧：１６５０Ｖ
【００４９】
本実施形態では、プラズマによりウエハＷを予備加熱してからＴｉ膜を成膜するので、ウエハＷ上に堆積したＴｉを流動させることができ、オーバーハングを抑制して、トレンチやホールの間口が狭まることを防止することができる。この際に、上述したように１００℃という低い温度でも堆積したＴｉを移動させ、オーバーハングを抑制する効果を得ることができることが判明した。これは、上記特許文献２においてウエハを３００℃以上に加熱しているのと比較して極めて低い温度であり、このように低い温度の加熱でもオーバーハングを抑制する効果があることは、今回初めて見出された点である。
【００５０】
このとき、ウエハＷを載置台６３に吸着させず、かつ載置台６３とウエハＷとの間に伝熱ガスを供給せずにウエハＷにアルゴンイオンを衝突させて予備加熱し、載置台６３自体は低温に維持されるので、予備加熱した温度でＴｉ膜を成膜した後、ウエハＷを載置台６３に吸着させて、かつ伝熱ガスを供給することにより速やかにウエハＷを冷却することができる。このため、高温でウエハＷを搬出することによる膜の酸化を懸念する必要がなく、また冷却時間を短くすることができるので、低抵抗化することができ、かつスループットを向上させることができる。
【００５１】
＜実験結果＞
ここでは、幅が２５ｎｍ、高さが９０ｎｍのトレンチが形成されたウエハに対し、図１の装置を用い、静電チャックへの給電をオフにし、伝熱ガスであるＡｒガスを供給しない状態として、処理容器内にアルゴンガスを１３０ｓｃｃｍの流量で導入し、処理容器内の圧力を１０ｍＴｏｒｒにし、ＩＣＰ電源に５．２５ｋＷ印加してアルゴンプラズマを生成し、バイアスを１５０Ｗとしてウエハにアルゴンイオンを所定時間照射しつつ予備加熱を行い、その後、同様に静電チャックへの給電をオフにし、伝熱ガスを供給しない状態として、処理容器内の圧力を５ｍＴｏｒｒにし、アルゴンガスを１３０ｓｃｃｍ、ＩＣＰ電源を５．２５ｋＷに維持したまま、ターゲットに直流電力を４ｋＷ供給し、電極６６ｂに２００Ｗの高周波電力を供給してウエハＷにバイアスを印加し、処理容器５１内にプラズマを生成してオーバーハングの影響を見るために通常よりも厚い２０ｎｍのＴｉ膜を成膜した。
【００５２】
この際のアルゴンプラズマによる予備加熱時間とトレンチの最小開口幅との関係を図４に示す。縦軸の最小開口幅はＴｉ膜を成膜した際における最も幅が狭い部分のトレンチの開口幅を示すものである。この図から、予備加熱時間が長くなるほど、Ｔｉ膜成膜後のトレンチ開口幅が広くなっていることがわかる。予備加熱時間はウエハ温度に対応し、ウエハ温度とトレンチ最小開口幅との関係は図５に示すように、温度が高くなるほど広くなる。図５の縦軸は、実際のトレンチ最小開口幅をＴｉ膜を加熱せずに成膜したときの最小開口幅で割って規格化した値であり、１７５℃で予備加熱してＴｉ膜成膜したときのトレンチ最小開口幅は、予備加熱を行わない場合に比べて１．２７倍程度であり、予備加熱を行わない場合には図６（ａ）に示すようにＴｉ膜がオーバーハングしてトレンチの開口幅が狭くなっているのに対し、予備加熱を行うことにより図６（ｂ）に示すようにオーバーハングが抑制される。
【００５３】
次に、予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜と３０ｓｅｃ予備加熱した後に成膜したＴｉ膜とで結晶状態を調査した。図７はこれらＴｉ膜のＸ線回折パターンを示す図である。なお、Ｔｉ膜の膜厚は７ｎｍとした。図７に示すように、予備加熱したＴｉ膜は予備加熱しないＴｉ膜よりもＴｉの（００２）面のピークが低下しており、半値幅から見積もったＴｉ粒径は予備加熱したもののほうが小さくなることが確認された。このように、予備加熱することによりＴｉ膜の粒径が小さくなり、バリア性が向上することが期待される。
【００５４】
図８は上述した予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜および３０ｓｅｃ予備加熱した後に成膜したＴｉ膜の上にそれぞれｉＰＶＤによりシード膜となるＣｕ膜を形成したときの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。なお、これらは、Ｔｉ膜の膜厚を７ｎｍ、Ｃｕ膜の膜厚を３０ｎｍとし、Ｃｕ膜を２５ｎｍエッチングした後のＳＥＭ写真である。これらに示すように、予備加熱することによりＴｉ膜上のＣｕ膜の結晶粒（グレイン）も小さくなることがわかる。Ｔｉ膜上のＣｕバリア層は、成膜段階では結晶粒が小さいほうが好ましく、この点も予備加熱の利点である。
【００５５】
＜Ｃｕ配線の形成方法＞
次に、上記のようなＴｉ膜をバリア層として用いてＣｕ配線を形成する方法について図９のフローチャートおよび図１０の工程断面図を参照して説明する。
【００５６】
まず、下部構造２０１（詳細は省略）の上にＳｉＯ２膜等の層間絶縁膜２０２を有し、そこにトレンチ２０３および下層配線への接続のためのビア（図示せず）が所定パターンで形成されたウエハＷを準備する（ステップ１１、図１０（ａ））。このようなウエハＷとしては、ＤｅｇａｓプロセスやＰｒｅ−Ｃｌｅａｎプロセスによって、絶縁膜表面の水分やエッチング／アッシング時の残渣を除去したものであることが好ましい。
【００５７】
次に、トレンチ２０３およびビアの表面を含む全面にＣｕを遮蔽（バリア）するバリア層２０４を成膜する（ステップ１２、図１０（ｂ））。バリア層２０４としては、上記成膜方法のように、予備加熱した後に高温状態で成膜したＴｉ膜を用いる。
【００５８】
次いで、バリア層２０４の上にＲｕライナー膜２０５を成膜する（ステップ１３、図１０（ｃ））。Ｒｕライナー膜は、埋め込むＣｕの体積を大きくして配線を低抵抗にする観点から、例えば１〜５ｎｍと薄く形成することが好ましい。
【００５９】
ＲｕはＣｕに対する濡れ性が高いため、Ｃｕの下地にＲｕライナー膜を形成することにより、次のＣｕ膜形成の際に、良好なＣｕの移動性を確保することができ、さらに、Ｃｕ膜の成膜の際にトレンチやホールの間口を塞ぐオーバーハングを生じ難くすることができる。このため、微細なトレンチまたはホールにもボイドを発生させずに確実にＣｕを埋め込むことができる。
【００６０】
Ｒｕライナー膜２０５は、ルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）を成膜原料として用いて熱ＣＶＤにより好適に形成することができる。これにより、高純度で薄いＲｕ膜を高ステップカバレッジで成膜することができる。ルテニウムカルボニル以外に、例えば（シクロペンタジエニル）（２，４−ジメチルペンタジエニル）ルテニウム、ビス（シクロペンタジエニル）（２，４−メチルペンタジエニル）ルテニウム、（２，４−ジメチルペンタジエニル）（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム、ビス（２，４−メチルペンタジエニル）（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウムのようなルテニウムのペンタジエニル化合物を用いることもできる。また、Ｒｕライナー膜２０５はＰＶＤで成膜することもできる。
【００６１】
なお、トレンチやビアの間口が広く、オーバーハングが生じにくい場合等には、必ずしもＲｕライナー膜２０５を形成する必要はなく、バリア層２０４の上に以下に説明するＣｕシード膜を直接形成してもよい。
【００６２】
次いで、ＰＶＤによりＣｕシード膜２０６を形成する（ステップ１４、図１０（ｄ））。このＣｕシード膜２０６の膜厚は、その後のＣｕめっきの埋め込み性を考慮すると、２０〜４０ｎｍであることが好ましい。この際の成膜は、ターゲットの材料をＴｉからＣｕに替えた以外は上記Ｔｉ膜の成膜に用いたのと同様のｉＰＶＤ装置を用いて好適に成膜することができる。この場合に、載置台の温度は、例えば−５０〜０℃と低温にすることが好ましい。上記Ｔｉ膜からなるバリア膜２０４を成膜した後に、直接Ｃｕシード膜２０６を成膜する場合には、Ｔｉ膜成膜用のｉＰＶＤ装置から冷却された状態で搬出されたウエハＷが、真空搬送室を介してＣｕ膜成膜用のｉＰＶＤ装置の載置台により温度コントロールされて低温に保持されているので、スループット向上効果が一層大きなものとすることができる。
【００６３】
その後、Ｃｕシード膜２０６の上にＣｕめっき２０７を施し、トレンチ２０３を埋め込んでウエハＷ全面にＣｕを形成する（ステップ１５、図１０（ｅ））。
【００６４】
この後、必要に応じてアニールを行い（ステップ１６）、引き続きＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によりウエハＷ表面の全面を研磨して平坦化する（ステップ１７、図１０（ｆ））。これによりトレンチ２０３およびビア（ホール）内に残存したバリア層２０４（Ｒｕ膜）、Ｃｕシード膜２０６およびＣｕめっき２０７によりＣｕ配線２０８が形成される。
【００６５】
なお、上記一連の工程のうち、バリア層２０４を成膜するステップ１２、Ｒｕライナー膜２０５を成膜するステップ１３、Ｃｕシード膜２０６を成膜するステップ１４は、各膜を成膜する装置が搬送装置を備えた真空搬送室に接続したクラスターツール型の処理装置により、真空中で大気暴露を経ずに連続して成膜することが好ましいが、これらのいずれかの間で大気暴露してもよい。大気暴露を経ない場合でも、Ｔｉ膜成膜後、ウエハＷを高温のまま搬出するとＴｉ膜の酸化は避けられないことから、載置台で冷却してからウエハＷを搬出することは有効である。Ｔｉ膜成膜後、大気暴露する場合には、高温で搬出することによりＴｉ膜は顕著に酸化されることから、載置台で冷却してからウエハＷを搬出することの効果は極めて大きい。
【００６６】
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、Ｔｉ膜の成膜にＩＣＰ型プラズマスパッタ装置を用いた例について説明したが、これに限らず他のタイプのプラズマスパッタ装置でもよく、また、Ｃｕイオンとプラズマガス生成イオンの引き込みを調整することができれば他のｉＰＶＤ装置でもよい。
【００６７】
また、上記実施形態ではＴｉ膜の成膜について説明したが、予備加熱により高温化されることにより成膜した際に粒子が移動すれば、Ｔｉ膜に限らず、例えばＴａ膜等の他の金属膜の成膜にも適用可能である。
【００６８】
さらに、上記実施形態では予備加熱した後に成膜したＴｉ膜をバリア層としてＣｕ配線を形成する際に、トレンチとビア（ホール）とを有するウエハを用いた例について説明したが、トレンチのみを有する場合でも、ホールのみを有する場合でも適用できることはいうまでもない。また、Ｃｕシードを設けずにＣｕめっきで埋め込んでも、Ｃｕめっきの代わりに、ＰＶＤでＣｕを埋め込んでもよい。
【００６９】
さらにまた、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハにはシリコンのみならず、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体も含まれ、さらに、半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に用いるガラス基板や、セラミック基板等にも本発明を適用することができることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７０】
１０；Ｔｉ膜成膜装置
５１；処理容器
５６；真空ポンプ
５９；ガス供給源
６３；載置台
６５；冷却ジャケット
６６；静電チャック
７４；バイアス用高周波電源
７８；プラズマ発生源
８０；コイル
８３；ターゲット
８４；直流電源
８５；磁石
８８；伝熱ガス流路
８９；伝熱ガス供給源
２０１；下部構造
２０２；層間絶縁膜
２０３；トレンチ
２０４；バリア層（Ｔｉ膜）
２０５；Ｒｕライナー膜
２０６；Ｃｕシード膜
２０７；Ｃｕめっき
２０８；Ｃｕ配線
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜方法およびＣｕ配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造においては、半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に成膜処理やエッチング処理等の各種の処理を繰り返し行って所望のデバイスを製造するが、近時、半導体デバイスの高速化、配線パターンの微細化、高集積化の要求に対応して、配線の低抵抗化およびエレクトロマイグレーション耐性の向上が求められている。
【０００３】
このような点に対応して、配線材料にアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）よりも導電性が高く（抵抗が低く）かつエレクトロマイグレーション耐性に優れている銅（Ｃｕ）が用いられるようになってきている。
【０００４】
Ｃｕ配線の形成方法としては、トレンチやホールが形成された層間絶縁膜上に、チタン（Ｔｉ）、チタン窒化膜（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、タンタル窒化膜（ＴａＮ）、などからなるバリア膜をＰＶＤであるプラズマスパッタで形成し、バリア膜の上に同じくプラズマスパッタによりＣｕシード膜を形成し、さらにその上にＣｕめっきを施してトレンチやホールを完全に埋め込み、さらに、ウエハ表面の余分な銅薄膜およびバリア膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理により研磨処理して取り除き、平坦化して、Ｃｕ配線を得る技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
ところで、半導体デバイスのデザインルールが益々微細化しており、トレンチの幅やホール径が数十ｎｍとなっており、このような狭いトレンチやホール内に、Ｔｉ膜等のバリア膜をプラズマスパッタのようなイオン化ＰＶＤ（ｉＰＶＤ）で形成する場合には、トレンチやホールの間口部分にオーバーハング部分が発生してトレンチやホールの開口幅が狭くなってしまい、その後のＣｕめっきによりトレンチやホールを埋め込んでも内部が十分に埋まらずにボイド（空洞）が発生する等の問題が生ずる。
【０００６】
このような問題を解決するため、バリア膜であるＴｉ膜をプラズマスパッタで成膜する際に、載置台に設けられたヒーターによりウエハを加熱し、Ｔｉ膜を流動させる技術が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４８０７５号公報
【特許文献２】特開２００９−１８２１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献２のように、Ｔｉ膜成膜時に載置台に設けられたヒーターによりウエハを加熱する場合には、成膜処理後、高温のまま処理容器からウエハを搬出しなければならず、膜の酸化が懸念される。
【０００９】
また、ウエハの温度が低下してからウエハを搬出する場合には、スループットが低下してしまう。特に、Ｔｉ膜の成膜後にプラズマスパッタによりＣｕシードを形成する場合等、ウエハの温度を低温にする必要がある場合には、加熱されたウエハの温度をＣｕシード膜形成のための温度まで低下させるために非常に時間がかかり、スループットが一層低下してデバイス生産の歩留まりが悪くなる。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ｉＰＶＤにより被処理基板を加熱してトレンチやホールの間口部のオーバーハングを抑制しつつバリア層等として用いられるＴｉ膜のような金属膜を成膜するとともに、成膜後に速やかに被処理基板の温度を低下させることができる成膜方法、およびこのような金属膜からなるバリア層上にＣｕ膜を成膜してＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点では、処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置する載置台と、前記載置台を冷却する冷却機構と、前記被処理基板を載置台に吸着させる吸着機構と、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給手段と、前記処理容器内にプラズマ生成ガスを導入するガス導入機構と、前記処理容器内に前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記被処理基板に成膜される金属のターゲットと、前記ターゲットに電圧を印加する直流電源と、前記載置台にイオンを引きこむための高周波バイアスを印加するバイアス電源とを有する成膜装置を用いて被処理基板に金属膜を成膜する成膜方法であって、前記冷却機構により前記載置台を低温に保持して、前記吸着機構により前記載置台の上に前記被処理基板を吸着させずに載置する工程と、次いで、前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成し、前記バイアス電源から前記載置台に高周波バイアスを印加した状態で、前記被処理基板に前記プラズマ生成ガスのイオンを引きこんで被処理基板を相対的に高温に予備加熱する工程と、次いで、前記プラズマが形成された状態で、前記直流電源から前記ターゲットに電圧を印加し、前記ターゲットから金属粒子を放出させ、前記バイアス電源により、前記プラズマ生成ガスのイオンとともに前記プラズマによりイオン化した金属イオンを前記被処理基板に引きこんで金属膜を形成する工程と、前記成膜を停止した後、前記成膜を停止した後、前記吸着機構により前記被処理基板を前記相対的に低温に保持された前記載置台に吸着させ、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給して前記被処理基板と前記載置台との間を伝熱させ、前記被処理基板を冷却する工程と、冷却された被処理基板を前記処理容器から搬出する工程とを有することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１２】
上記第１の観点において、前記載置台は−３０〜９０℃に冷却されることが好ましい。前記吸着機構としては静電チャックを好適に用いることができる。この場合に、前記予備加熱する工程は、被処理基板を１００℃以上に加熱することが好ましく、１００〜２００℃に加熱することがより好ましい。さらに、前記金属膜としてはＴｉ膜を好適に用いることができる。
【００１３】
本発明の第２の観点では、被処理基板に形成された所定パターンのトレンチおよび／またはホール内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、前記被処理基板の少なくとも前記トレンチおよび／またはホールが形成されている部分の表面に上記第１の観点の成膜方法により金属膜を成膜してバリア層を形成する工程と、前記バリア層が形成された前記トレンチおよび／またはホールにＣｕを埋め込む工程と、前記Ｃｕを埋め込んだ後、前記トレンチおよび／またはホールの開口部までのＣｕ部分を研磨して平坦化する工程とを有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法を提供する。
【００１４】
上記第２の観点において、前記トレンチおよび／またはホールは、前記被処理体の絶縁膜に形成されている構成とすることができる。前記バリア層を成膜した後、該バリア層の上にルテニウムからなるライナー膜を形成する工程をさらに有することが好ましい。また、前記Ｃｕを埋め込む工程は、ＰＶＤによりＣｕシード膜を形成した後にＣｕめっきで前記トレンチおよび／またはホールを埋め込むことが好ましい。前記研磨して平坦化する工程は、ＣＭＰで行われることが好ましい。
【００１５】
本発明の第３の観点では、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第１の観点の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、プラズマ生成ガスのイオンを被処理基板に引き込んで被処理基板を相対的に高温に予備加熱し、被処理基板が相対的に高温の状態でプラズマ生成ガスのイオンとともに金属粒子のイオンを被処理基板に引き込んで金属膜を成膜するので、金属粒子の移動が生じてトレンチやホールの開口部でオーバーハングが形成されることを抑制することができる。また、載置台自体は加熱せずに相対的に低温に保持し、予備加熱および成膜の際には、被処理基板を載置台に保持させずにほぼ断熱状態で被処理基板の加熱を許容し、成膜後は吸着機構により被処理基板を載置台に吸着させて載置台と被処理基板とを伝熱させ、基板を冷却するので、被処理基板を速やかに冷却することができる。このため、高温で被処理基板を搬出することによる膜の酸化を懸念する必要がなく、また冷却時間を短くすることができるのでスループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る成膜方法を実施するためのＴｉ膜成膜装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る成膜方法の工程を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２の成膜方法を実施する際のウエハの温度プロファイル例を示すチャートである。
【図４】本発明の実験の際のアルゴンプラズマによる予備加熱時間とトレンチの最小開口幅との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実験の際のウエハ温度と規格化したトレンチ開口幅との関係を示すグラフである。
【図６】予備加熱を行わない場合と行った場合とでトレンチ部分のＴｉ膜の状態を比較して説明するための模式図である。
【図７】予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜と予備加熱した後に成膜したＴｉ膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図８】予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜および予備加熱した後に成膜したＴｉ膜の上にそれぞれシード膜となるＣｕ膜を形成したときの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】本実施形態の成膜方法で成膜されたＴｉ膜をバリア層として用いてＣｕ配線を形成する方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本実施形態の成膜方法で成膜されたＴｉ膜をバリア層として用いてＣｕ配線を形成する方法の各工程を説明するための工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。ここでは、Ｃｕ配線のバリア層としてのＴｉ膜の成膜およびバリア層を含むＣｕ配線の形成について説明する。
【００１９】
＜Ｔｉ膜の成膜装置の構成＞
まず、本発明の一実施形態に係る成膜方法を実施するためのＴｉ膜成膜装置の一例について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜方法を実施するためのＴｉ膜成膜装置の一例を示す断面図である。ここではＴｉ膜成膜装置としてｉＰＶＤ（ｉｏｎｉｚｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）であるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）型プラズマスパッタ装置を例にとって説明する。
【００２０】
図１に示すように、このＴｉ膜成膜装置１０は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器５１を有している。この処理容器５１は接地され、その底部５２には排気口５３が設けられており、排気口５３には排気管５４が接続されている。排気管５４には圧力調整を行うスロットルバルブ５５および真空ポンプ５６が接続されており、処理容器５１内が真空引き可能となっている。また処理容器５１の底部５２には、処理容器５１内へ所定のガスを導入するガス導入口５７が設けられている。このガス導入口５７にはガス供給配管５８が接続されており、ガス供給配管５８には、プラズマ励起用ガスとして希ガス、例えばＡｒガスや他の必要なガス例えばＮ２ガス等を供給するためのガス供給源５９が接続されている。また、ガス供給配管５８には、ガス流量制御器、バルブ等よりなるガス制御部６０が介装されている。
【００２１】
処理容器５１内には、被処理基板であるウエハＷを載置するための載置機構６２が設けられる。この載置機構６２は、円板状に成形された載置台６３と、この載置台６３を支持するとともに接地された中空筒体状の支柱６４とを有している。載置台６３は、例えばアルミニウム合金等の導電性材料よりなり、支柱６４を介して接地されている。載置台６３の中には冷却機構として冷却ジャケット６５が設けられており、図示しない冷媒流路を介して冷媒を供給するようになっている。冷媒としては、ガルデンを好適に用いることができ、−３０〜９０℃、例えば３０℃に制御される。
【００２２】
載置台６３の上面側は、例えばアルミナ等の誘電体部材６６ａの中に薄い円板状の電極６６ｂが埋め込まれて静電チャック６６を構成しており、ウエハＷを静電力により吸着保持可能であり、また静電力を解除することにより脱離可能である。また、支柱６４の下部は、処理容器５１の底部５２の中心部に形成された挿通孔６７を貫通して下方へ延びている。支柱６４は、図示しない昇降機構により上下移動可能となっており、これにより載置機構６２の全体が昇降される。
【００２３】
支柱６４を囲むように、伸縮可能に構成された蛇腹状の金属ベローズ６８が設けられており、この金属ベローズ６８は、その上端が載置台６３の下面に気密に接合され、また下端が処理容器５１の底部５２の上面に気密に接合されており、処理容器５１内の気密性を維持しつつ載置機構６２の昇降移動を許容できるようになっている。
【００２４】
また底部５２には、上方に向けて例えば３本（図２では２本のみ示す）の支持ピン６９が起立した状態で設けられており、また、この支持ピン６９に対応させて載置台６３にピン挿通孔７０が形成されている。したがって、載置台６３を降下させた際に、ピン挿通孔７０を貫通した支持ピン６９の上端部でウエハＷを受けて、そのウエハＷを外部より侵入する搬送アーム（図示せず）との間で移載することができる。このため、処理容器５１の下部側壁には、搬送アームを侵入させるために搬出入口７１が設けられ、この搬出入口７１には、開閉可能になされたゲートバルブＧが設けられている。このゲートバルブＧを介して、例えば真空搬送室（図示せず）が接続されている。
【００２５】
また上述した静電チャック６６の電極６６ｂには、給電ライン７２を介してチャック用電源７３が接続されており、このチャック用電源７３から電極６６ｂに直流電圧を印加することにより、ウエハＷが静電力により吸着保持される。また、チャック用電源７３はスイッチ（図示せず）によりオン・オフ可能となっており、チャック用電源７３をオフにすることによりウエハＷが脱離される。また給電ライン７２にはバイアス用高周波電源７４が接続されており、この給電ライン７２を介して静電チャック６６の電極６６ｂに対してバイアス用の高周波電力を供給し、ウエハＷにバイアス電力が印加されるようになっている。この高周波電力の周波数は、４００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚが好ましく、例えば１３．５６ＭＨｚが採用される。
【００２６】
吸着されたウエハＷの裏面側の静電チャック６６の載置面には、伝熱ガスを供給する伝熱ガス流路８８が形成されており、伝熱ガス流路に伝熱ガス供給源８９から伝熱ガス、例えばＡｒガスが供給されるようになっている。伝熱ガスとしては、Ａｒガス以外に、Ａｒガスより伝熱が良好なＨｅガスを用いてもよい。伝熱ガス流路８８は、処理容器５１の下方から支柱６４内を通り、載置台６３および静電チャック６６を貫通して延び、静電チャック６６をオンにしてウエハＷを吸着する際にウエハＷと静電チャック６６との間に伝熱ガスを流してウエハＷの伝熱を効果的に行えるようになっている。
【００２７】
一方、処理容器５１の天井部には、例えばアルミナ等の誘電体よりなる高周波に対して透過性のある透過板７６がＯリング等のシール部材７７を介して気密に設けられている。そして、この透過板７６の上部に、処理容器５１内の処理空間Ｓにプラズマ励起用ガスとしての希ガス、例えばＡｒガスをプラズマ化してプラズマを発生するためのプラズマ発生源７８が設けられる。なお、このプラズマ励起用ガスとして、Ａｒに代えて他の希ガス、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒ等を用いてもよい。
【００２８】
プラズマ発生源７８は、透過板７６に対応させて設けた誘導コイル８０を有しており、この誘導コイル８０には、プラズマ発生用の例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源８１が接続されて、上記透過板７６を介して処理空間Ｓに高周波電力が導入され誘導電界を形成するようになっている。
【００２９】
また透過板７６の直下には、導入された高周波電力を拡散させる例えばアルミニウムよりなるバッフルプレート８２が設けられる。そして、このバッフルプレート８２の下部には、上記処理空間Ｓの上部側方を囲むようにして例えば断面が内側に向けて傾斜されて環状（截頭円錐殻状）の金属Ｔｉからなるターゲット８３が設けられており、このターゲット８３にはＡｒイオンを引きつけるための直流電力を印加するターゲット用の電圧可変の直流電源８４が接続されている。なお、直流電源に代えて交流電源を用いてもよい。
【００３０】
また、ターゲット８３の外周側には、これに磁界を付与するための磁石８５が設けられている。ターゲット８３はプラズマ中のＡｒイオンによりＴｉの原子あるいは原子団としてスパッタされるとともに、プラズマ中を通過する際に多くはイオン化される。
【００３１】
またこのターゲット８３の下部には、上記処理空間Ｓを囲むようにして例えばアルミニウムや銅よりなる円筒状の保護カバー部材８６が設けられている。この保護カバー部材８６は接地されるとともに、その下部は内側へ屈曲されて載置台６３の側部近傍に位置されている。したがって、保護カバー部材８６の内側の端部は、載置台６３の外周側を囲むようにして設けられている。
【００３２】
このＴｉ成膜装置１０は、制御部１００により制御されるようになっている。この制御部１００は、各構成部の制御を実行するマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるプロセスコントローラ１０１と、オペレータが装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１０２と、Ｔｉ膜成膜装置１０で実行される処理をプロセスコントローラ１０１の制御にて実現するための制御プログラムや、各種データ、および処理条件に応じて処理装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部１０３とを備えている。なお、ユーザーインターフェース１０２および記憶部１０３はプロセスコントローラ１０１に接続されている。
【００３３】
上記レシピは記憶部１０３の中の記憶媒体１０３ａに記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクであってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＢＤ（Ｂｌｕｅ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
【００３４】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース１０２からの指示等にて任意のレシピを記憶部１０３から呼び出してプロセスコントローラ１０１に実行させることで、プロセスコントローラ１０１の制御下で、Ｔｉ膜成膜装置１０での所望の処理が行われる。
【００３５】
＜Ｔｉ膜の成膜方法＞
次に、以上のように構成されるＴｉ膜成膜装置におけるＴｉ膜の成膜方法について図２のフローチャートおよび図３の温度プロファイル例を参照して説明する。
【００３６】
まず、ウエハＷを図１に示す処理容器５１内へ搬入し、このウエハＷを載置台６３を構成する冷却機構である冷却ジャケット６５に供給された冷媒により低温に保持された載置台６３上に載置する（ステップ１）。このとき静電チャック６６への電圧供給をオフとし、ウエハＷを吸着しない状態とし、伝熱ガスはバイパスライン（図示せず）に流し、ウエハＷの裏面には供給しない。このため、載置台６３とウエハＷとの間には熱の伝達はほとんど存在せず、積極的に伝熱していない状態である。
【００３７】
そして、真空ポンプ５６を動作させることにより処理容器５１内が所定の真空状態にされる。その状態で、処理容器５１内に、ガス制御部６０を操作して所定流量でプラズマ生成ガスであるＡｒガスを流しつつスロットルバルブ５５を制御して処理容器５１内を所定の真空度に維持し、３〜３０ｓｅｃ、例えば５ｓｅｃの間所定流量でＡｒガスを流してガスを安定化させる（ステップ２）。
【００３８】
次いで、Ａｒガスを流した状態で、プラズマ発生源７８の高周波電源８１から誘導コイル８０に高周波電力（プラズマ電力）を供給する一方、バイアス用高周波電源７４から静電チャック６６の電極６６ｂに対して所定のバイアス用の高周波電力を供給する。これにより、処理容器５１内において、アルゴンガスがプラズマ化されてアルゴンイオンが生成される。電極６６ｂには直流電圧を印加せずにウエハＷを吸着しない状態で、アルゴンプラズマ中のアルゴンイオンをバイアス用の高周波電力によりウエハＷ面上に衝突させてエネルギーを与え、ウエハＷを予め所定温度に加熱する（ステップ３）。
【００３９】
このとき、冷却ジャケット６５に冷媒が供給されることにより、載置台６３は例えば３０℃程度の比較的低い温度に制御されているが、ウエハＷは静電チャック６６により吸着されておらず、伝熱ガスも供給されていないので、ウエハＷと静電チャック６６との間の微小空間により、ウエハＷは冷却され難い。このため、アルゴンイオンのエネルギーによりウエハＷが加熱されてその温度が上昇する。すなわちウエハＷが予備加熱される。このようにアルゴンイオンにより予備加熱することにより、Ｔｉ膜成膜の際、トレンチやホールの肩部のＴｉの微粒子がトレンチやホール内へ移動するため、ホールやトレンチの開口部のオーバーハングを抑制することができる。
【００４０】
このときのウエハＷの温度は、アルゴンガス流量、誘導コイル８０への高周波電力（ＩＣＰパワー）、電極６６ｂに印加されるバイアスパワー、アルゴンイオン照射時間等により、調整することができる。このときの予備加熱の温度は、１００℃以上であることが好ましい。１００℃以上であれば、Ｔｉ膜成膜時にＴｉを移動させることができ、トレンチやホールのオーバーハングにより開口幅が狭くなることを抑制することができる。また、２００℃より高くても効果が飽和するだけである。このため、予備加熱温度は１００℃以上２００℃以下であることが好ましい。図３の例では、アルゴンイオンの照射時間を６０ｓｅｃ程度にしてウエハ温度を１７０℃まで上昇させている。
【００４１】
その後、静電チャック６６の直流電源をオフにしたままの状態で、誘導コイル８０に高周波電力を供給してプラズマを生成するとともに、静電チャック６６の電極６６ｂに高周波電力を供給してウエハＷに高周波バイアスを印加し、また、伝熱ガスであるＡｒガスをバイパスさせてウエハＷと載置台６３との間に伝熱ガスを流さず、アルゴンプラズマを維持したまま、可変直流電源８４から直流電力をＴｉからなるターゲット８３に印加して以下に説明するようにトレンチやホールを含む全面にＴｉ膜を成膜する（ステップ４）。
【００４２】
Ｔｉ膜の成膜は、具体的には以下のように行われる。
ターゲット８３に可変直流電源８４から直流電力が印加されると、アルゴンプラズマ中のアルゴンイオンが直流電圧に引き寄せられてターゲット８３に衝突し、ターゲット８３がスパッタされてＴｉ粒子が放出（飛翔）される。この際、ターゲット８３に印加する直流電圧により放出されるＴｉの量が最適に制御される。また、スパッタされたターゲット８３から放出されたＴｉ粒子であるＴｉ原子、Ｔｉ原子団はプラズマ中を通る際に多くはイオン化される。そして、イオン化されたＴｉイオンと電気的に中性な中性Ｔｉ原子とが混在する状態となってバイアス印加された下方向のウエハＷへ引き込まれて行く。この時のイオン化率は高周波電源８１から供給される高周波電力により生成されたプラズマによって制御される。
【００４３】
Ｔｉイオンは、バイアス用高周波電源７４から静電チャック６６の電極６６ｂに印加されたバイアス用の高周波電力によりウエハＷ面上に形成される厚さ数ｍｍ程度のイオンシースの領域に入ると、強い指向性をもってウエハＷ側に加速するように引き付けられてウエハＷに堆積してＴｉ膜が形成される。このとき、バイアス用の高周波電力によりアルゴンイオンもウエハＷ側に引き付けられるが、この際のバイアスパワーを調整してＴｉによる成膜とＡｒによるエッチングを調整して所望の成膜速度でＴｉ膜を成膜する。
【００４４】
このように、Ｔｉ膜成膜の際にも静電チャック６６の吸着をオフし、ウエハＷと載置台６３との間に伝熱ガスを供給せずにウエハをプラズマにより加熱することにより、ウエハＷからの熱を載置台６３に伝達し難くしたので、ウエハＷは工程２の予備加熱で加熱されて温度が上昇した状態でＴｉ膜を成膜することができる。このＴｉ膜成膜工程の時間はＴｉ膜の膜厚に応じて適宜設定されるが、通常のバリア層の膜厚である数ｎｍの場合は１０ｓｅｃ程度と比較的短時間で成膜が終了する。図３の例では１２ｓｅｃである。なお、図３に示すようにＴｉ膜成膜の際にもプラズマ照射によりウエハＷの温度が多少上昇する。
【００４５】
Ｔｉ膜の成膜が終了した後、電源８１，７４，８４をオフにし、静電チャック６６のチャック用電源７３をオンにしてウエハＷを載置台６３に吸着させ、載置台６３とウエハＷとの間に伝熱ガスであるＡｒガスを、例えば１〜１０Ｔｏｒｒで供給して、載置台６３によりウエハＷを冷却する（ステップ５）。
【００４６】
このようにウエハＷを載置台６３に吸着させて、載置台６３とウエハＷとの間に伝熱ガスを供給することにより、例えば３０℃の低温に保持されている載置台６３によってウエハＷが速やかに冷却されて短時間で載置台６３の保持温度に近い温度にすることができる。このとき、伝熱ガス供給源８９から伝熱ガス流路８８を介してウエハＷの裏面に伝熱ガスである例えばＡｒガスを流すことにより、ウエハＷと載置台６３との間の伝熱が促進され、より短時間でウエハＷを冷却することができる。載置台６３の温度は−３０〜９０℃が好ましい。図３の例では、１０ｓｅｃ程度でウエハＷの温度が１８０℃から５０℃程度にまで冷却されている。
【００４７】
その後、伝熱ガスの供給を停止し、静電チャックをオフにし、ゲートバルブＧを開いてウエハＷを搬出する（ステップ６）。
【００４８】
なお、図３の例の条件は以下の通りである。
・予備加熱
処理容器内の圧力：１０ｍＴｏｒｒ
アルゴンガス流量：１３０ｓｃｃｍ
ＩＣＰ電源パワー：５．２５ｋＷ
バイアスパワー：１５０Ｗ
時間：６０ｓｅｃ
・Ｔｉ膜成膜
処理容器内の圧力：５ｍＴｏｒｒ
アルゴンガス流量：１３０ｓｃｃｍ
ＩＣＰ電源パワー：５．２５ｋＷ
直流電力（ターゲット）：４ｋＷ
バイアスパワー：１００Ｗ
時間：１２ｓｅｃ
・ウエハ冷却
アルゴンガス流量：５００ｓｃｃｍ
伝熱ガス圧力：６Ｔｏｒｒ
静電チャック電圧：１６５０Ｖ
【００４９】
本実施形態では、プラズマによりウエハＷを予備加熱してからＴｉ膜を成膜するので、ウエハＷ上に堆積したＴｉを流動させることができ、オーバーハングを抑制して、トレンチやホールの間口が狭まることを防止することができる。この際に、上述したように１００℃という低い温度でも堆積したＴｉを移動させ、オーバーハングを抑制する効果を得ることができることが判明した。これは、上記特許文献２においてウエハを３００℃以上に加熱しているのと比較して極めて低い温度であり、このように低い温度の加熱でもオーバーハングを抑制する効果があることは、今回初めて見出された点である。
【００５０】
このとき、ウエハＷを載置台６３に吸着させず、かつ載置台６３とウエハＷとの間に伝熱ガスを供給せずにウエハＷにアルゴンイオンを衝突させて予備加熱し、載置台６３自体は低温に維持されるので、予備加熱した温度でＴｉ膜を成膜した後、ウエハＷを載置台６３に吸着させて、かつ伝熱ガスを供給することにより速やかにウエハＷを冷却することができる。このため、高温でウエハＷを搬出することによる膜の酸化を懸念する必要がなく、また冷却時間を短くすることができるので、低抵抗化することができ、かつスループットを向上させることができる。
【００５１】
＜実験結果＞
ここでは、幅が２５ｎｍ、高さが９０ｎｍのトレンチが形成されたウエハに対し、図１の装置を用い、静電チャックへの給電をオフにし、伝熱ガスであるＡｒガスを供給しない状態として、処理容器内にアルゴンガスを１３０ｓｃｃｍの流量で導入し、処理容器内の圧力を１０ｍＴｏｒｒにし、ＩＣＰ電源に５．２５ｋＷ印加してアルゴンプラズマを生成し、バイアスを１５０Ｗとしてウエハにアルゴンイオンを所定時間照射しつつ予備加熱を行い、その後、同様に静電チャックへの給電をオフにし、伝熱ガスを供給しない状態として、処理容器内の圧力を５ｍＴｏｒｒにし、アルゴンガスを１３０ｓｃｃｍ、ＩＣＰ電源を５．２５ｋＷに維持したまま、ターゲットに直流電力を４ｋＷ供給し、電極６６ｂに２００Ｗの高周波電力を供給してウエハＷにバイアスを印加し、処理容器５１内にプラズマを生成してオーバーハングの影響を見るために通常よりも厚い２０ｎｍのＴｉ膜を成膜した。
【００５２】
この際のアルゴンプラズマによる予備加熱時間とトレンチの最小開口幅との関係を図４に示す。縦軸の最小開口幅はＴｉ膜を成膜した際における最も幅が狭い部分のトレンチの開口幅を示すものである。この図から、予備加熱時間が長くなるほど、Ｔｉ膜成膜後のトレンチ開口幅が広くなっていることがわかる。予備加熱時間はウエハ温度に対応し、ウエハ温度とトレンチ最小開口幅との関係は図５に示すように、温度が高くなるほど広くなる。図５の縦軸は、実際のトレンチ最小開口幅をＴｉ膜を加熱せずに成膜したときの最小開口幅で割って規格化した値であり、１７５℃で予備加熱してＴｉ膜成膜したときのトレンチ最小開口幅は、予備加熱を行わない場合に比べて１．２７倍程度であり、予備加熱を行わない場合には図６（ａ）に示すようにＴｉ膜がオーバーハングしてトレンチの開口幅が狭くなっているのに対し、予備加熱を行うことにより図６（ｂ）に示すようにオーバーハングが抑制される。
【００５３】
次に、予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜と３０ｓｅｃ予備加熱した後に成膜したＴｉ膜とで結晶状態を調査した。図７はこれらＴｉ膜のＸ線回折パターンを示す図である。なお、Ｔｉ膜の膜厚は７ｎｍとした。図７に示すように、予備加熱したＴｉ膜は予備加熱しないＴｉ膜よりもＴｉの（００２）面のピークが低下しており、半値幅から見積もったＴｉ粒径は予備加熱したもののほうが小さくなることが確認された。このように、予備加熱することによりＴｉ膜の粒径が小さくなり、バリア性が向上することが期待される。
【００５４】
図８は上述した予備加熱を行わずに成膜したＴｉ膜および３０ｓｅｃ予備加熱した後に成膜したＴｉ膜の上にそれぞれｉＰＶＤによりシード膜となるＣｕ膜を形成したときの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。なお、これらは、Ｔｉ膜の膜厚を７ｎｍ、Ｃｕ膜の膜厚を３０ｎｍとし、Ｃｕ膜を２５ｎｍエッチングした後のＳＥＭ写真である。これらに示すように、予備加熱することによりＴｉ膜上のＣｕ膜の結晶粒（グレイン）も小さくなることがわかる。Ｔｉ膜上のＣｕバリア層は、成膜段階では結晶粒が小さいほうが好ましく、この点も予備加熱の利点である。
【００５５】
＜Ｃｕ配線の形成方法＞
次に、上記のようなＴｉ膜をバリア層として用いてＣｕ配線を形成する方法について図９のフローチャートおよび図１０の工程断面図を参照して説明する。
【００５６】
まず、下部構造２０１（詳細は省略）の上にＳｉＯ２膜等の層間絶縁膜２０２を有し、そこにトレンチ２０３および下層配線への接続のためのビア（図示せず）が所定パターンで形成されたウエハＷを準備する（ステップ１１、図１０（ａ））。このようなウエハＷとしては、ＤｅｇａｓプロセスやＰｒｅ−Ｃｌｅａｎプロセスによって、絶縁膜表面の水分やエッチング／アッシング時の残渣を除去したものであることが好ましい。
【００５７】
次に、トレンチ２０３およびビアの表面を含む全面にＣｕを遮蔽（バリア）するバリア層２０４を成膜する（ステップ１２、図１０（ｂ））。バリア層２０４としては、上記成膜方法のように、予備加熱した後に高温状態で成膜したＴｉ膜を用いる。
【００５８】
次いで、バリア層２０４の上にＲｕライナー膜２０５を成膜する（ステップ１３、図１０（ｃ））。Ｒｕライナー膜は、埋め込むＣｕの体積を大きくして配線を低抵抗にする観点から、例えば１〜５ｎｍと薄く形成することが好ましい。
【００５９】
ＲｕはＣｕに対する濡れ性が高いため、Ｃｕの下地にＲｕライナー膜を形成することにより、次のＣｕ膜形成の際に、良好なＣｕの移動性を確保することができ、さらに、Ｃｕ膜の成膜の際にトレンチやホールの間口を塞ぐオーバーハングを生じ難くすることができる。このため、微細なトレンチまたはホールにもボイドを発生させずに確実にＣｕを埋め込むことができる。
【００６０】
Ｒｕライナー膜２０５は、ルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）を成膜原料として用いて熱ＣＶＤにより好適に形成することができる。これにより、高純度で薄いＲｕ膜を高ステップカバレッジで成膜することができる。ルテニウムカルボニル以外に、例えば（シクロペンタジエニル）（２，４−ジメチルペンタジエニル）ルテニウム、ビス（シクロペンタジエニル）（２，４−メチルペンタジエニル）ルテニウム、（２，４−ジメチルペンタジエニル）（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム、ビス（２，４−メチルペンタジエニル）（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウムのようなルテニウムのペンタジエニル化合物を用いることもできる。また、Ｒｕライナー膜２０５はＰＶＤで成膜することもできる。
【００６１】
なお、トレンチやビアの間口が広く、オーバーハングが生じにくい場合等には、必ずしもＲｕライナー膜２０５を形成する必要はなく、バリア層２０４の上に以下に説明するＣｕシード膜を直接形成してもよい。
【００６２】
次いで、ＰＶＤによりＣｕシード膜２０６を形成する（ステップ１４、図１０（ｄ））。このＣｕシード膜２０６の膜厚は、その後のＣｕめっきの埋め込み性を考慮すると、２０〜４０ｎｍであることが好ましい。この際の成膜は、ターゲットの材料をＴｉからＣｕに替えた以外は上記Ｔｉ膜の成膜に用いたのと同様のｉＰＶＤ装置を用いて好適に成膜することができる。この場合に、載置台の温度は、例えば−５０〜０℃と低温にすることが好ましい。上記Ｔｉ膜からなるバリア膜２０４を成膜した後に、直接Ｃｕシード膜２０６を成膜する場合には、Ｔｉ膜成膜用のｉＰＶＤ装置から冷却された状態で搬出されたウエハＷが、真空搬送室を介してＣｕ膜成膜用のｉＰＶＤ装置の載置台により温度コントロールされて低温に保持されているので、スループット向上効果が一層大きなものとすることができる。
【００６３】
その後、Ｃｕシード膜２０６の上にＣｕめっき２０７を施し、トレンチ２０３を埋め込んでウエハＷ全面にＣｕを形成する（ステップ１５、図１０（ｅ））。
【００６４】
この後、必要に応じてアニールを行い（ステップ１６）、引き続きＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によりウエハＷ表面の全面を研磨して平坦化する（ステップ１７、図１０（ｆ））。これによりトレンチ２０３およびビア（ホール）内に残存したバリア層２０４（Ｒｕ膜）、Ｃｕシード膜２０６およびＣｕめっき２０７によりＣｕ配線２０８が形成される。
【００６５】
なお、上記一連の工程のうち、バリア層２０４を成膜するステップ１２、Ｒｕライナー膜２０５を成膜するステップ１３、Ｃｕシード膜２０６を成膜するステップ１４は、各膜を成膜する装置が搬送装置を備えた真空搬送室に接続したクラスターツール型の処理装置により、真空中で大気暴露を経ずに連続して成膜することが好ましいが、これらのいずれかの間で大気暴露してもよい。大気暴露を経ない場合でも、Ｔｉ膜成膜後、ウエハＷを高温のまま搬出するとＴｉ膜の酸化は避けられないことから、載置台で冷却してからウエハＷを搬出することは有効である。Ｔｉ膜成膜後、大気暴露する場合には、高温で搬出することによりＴｉ膜は顕著に酸化されることから、載置台で冷却してからウエハＷを搬出することの効果は極めて大きい。
【００６６】
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、Ｔｉ膜の成膜にＩＣＰ型プラズマスパッタ装置を用いた例について説明したが、これに限らず他のタイプのプラズマスパッタ装置でもよく、また、Ｃｕイオンとプラズマガス生成イオンの引き込みを調整することができれば他のｉＰＶＤ装置でもよい。
【００６７】
また、上記実施形態ではＴｉ膜の成膜について説明したが、予備加熱により高温化されることにより成膜した際に粒子が移動すれば、Ｔｉ膜に限らず、例えばＴａ膜等の他の金属膜の成膜にも適用可能である。
【００６８】
さらに、上記実施形態では予備加熱した後に成膜したＴｉ膜をバリア層としてＣｕ配線を形成する際に、トレンチとビア（ホール）とを有するウエハを用いた例について説明したが、トレンチのみを有する場合でも、ホールのみを有する場合でも適用できることはいうまでもない。また、Ｃｕシードを設けずにＣｕめっきで埋め込んでも、Ｃｕめっきの代わりに、ＰＶＤでＣｕを埋め込んでもよい。
【００６９】
さらにまた、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハにはシリコンのみならず、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体も含まれ、さらに、半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に用いるガラス基板や、セラミック基板等にも本発明を適用することができることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７０】
１０；Ｔｉ膜成膜装置
５１；処理容器
５６；真空ポンプ
５９；ガス供給源
６３；載置台
６５；冷却ジャケット
６６；静電チャック
７４；バイアス用高周波電源
７８；プラズマ発生源
８０；コイル
８３；ターゲット
８４；直流電源
８５；磁石
８８；伝熱ガス流路
８９；伝熱ガス供給源
２０１；下部構造
２０２；層間絶縁膜
２０３；トレンチ
２０４；バリア層（Ｔｉ膜）
２０５；Ｒｕライナー膜
２０６；Ｃｕシード膜
２０７；Ｃｕめっき
２０８；Ｃｕ配線
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置する載置台と、前記載置台を冷却する冷却機構と、前記被処理基板を載置台に吸着させる吸着機構と、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給手段と、前記処理容器内にプラズマ生成ガスを導入するガス導入機構と、前記処理容器内に前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記被処理基板に成膜される金属のターゲットと、前記ターゲットに電圧を印加する直流電源と、前記載置台にイオンを引きこむための高周波バイアスを印加するバイアス電源とを有する成膜装置を用いて被処理基板に金属膜を成膜する成膜方法であって、
前記冷却機構により前記載置台を低温に保持して、前記吸着機構により前記載置台の上に前記被処理基板を吸着させずに載置する工程と、
次いで、前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成し、前記バイアス電源から前記載置台に高周波バイアスを印加した状態で、前記被処理基板に前記プラズマ生成ガスのイオンを引きこんで被処理基板を相対的に高温に予備加熱する工程と、
次いで、前記プラズマが形成された状態で、前記直流電源から前記ターゲットに電圧を印加し、前記ターゲットから金属粒子を放出させ、前記バイアス電源により、前記プラズマ生成ガスのイオンとともに前記プラズマによりイオン化した金属イオンを前記被処理基板に引きこんで金属膜を形成する工程と、
前記成膜を停止した後、前記吸着機構により前記被処理基板を前記相対的に低温に保持された前記載置台に吸着させ、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給して前記被処理基板と前記載置台との間を伝熱させ、前記被処理基板を冷却する工程と、
冷却された被処理基板を前記処理容器から搬出する工程と
を有することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記載置台は−３０〜９０℃に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記吸着機構は静電チャックであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記予備加熱する工程は、前記被処理基板を１００℃以上に加熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記予備加熱する工程は、前記被処理基板を１００〜２００℃に加熱することを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
【請求項６】
前記金属膜はＴｉ膜であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の成膜方法。
【請求項７】
被処理基板に形成された所定パターンのトレンチおよび／またはホール内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、
前記被処理基板の少なくとも前記トレンチおよび／またはホールが形成されている部分の表面に、請求項１から請求項６の成膜方法により金属膜を成膜してバリア層を形成する工程と、
前記バリア層が形成された前記トレンチおよび／またはホールにＣｕを埋め込む工程と、
前記Ｃｕを埋め込んだ後、前記トレンチおよび／またはホールの開口部までのＣｕ部分を研磨して平坦化する工程と
を有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法。
【請求項８】
前記トレンチおよび／またはホールは、前記被処理基板の絶縁膜に形成されていることを特徴とする請求項７に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項９】
前記バリア層を成膜した後、該バリア層の上にルテニウムからなるライナー膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項１０】
前記Ｃｕを埋め込む工程は、ＰＶＤによりＣｕシード膜を形成した後にＣｕめっきで前記トレンチおよび／またはホールを埋め込むことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項１１】
前記研磨して平坦化する工程は、ＣＭＰで行われることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項１２】
コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項６のいずれかの成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
【請求項１】
処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置する載置台と、前記載置台を冷却する冷却機構と、前記被処理基板を載置台に吸着させる吸着機構と、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給手段と、前記処理容器内にプラズマ生成ガスを導入するガス導入機構と、前記処理容器内に前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記被処理基板に成膜される金属のターゲットと、前記ターゲットに電圧を印加する直流電源と、前記載置台にイオンを引きこむための高周波バイアスを印加するバイアス電源とを有する成膜装置を用いて被処理基板に金属膜を成膜する成膜方法であって、
前記冷却機構により前記載置台を低温に保持して、前記吸着機構により前記載置台の上に前記被処理基板を吸着させずに載置する工程と、
次いで、前記プラズマ生成ガスのプラズマを生成し、前記バイアス電源から前記載置台に高周波バイアスを印加した状態で、前記被処理基板に前記プラズマ生成ガスのイオンを引きこんで被処理基板を相対的に高温に予備加熱する工程と、
次いで、前記プラズマが形成された状態で、前記直流電源から前記ターゲットに電圧を印加し、前記ターゲットから金属粒子を放出させ、前記バイアス電源により、前記プラズマ生成ガスのイオンとともに前記プラズマによりイオン化した金属イオンを前記被処理基板に引きこんで金属膜を形成する工程と、
前記成膜を停止した後、前記吸着機構により前記被処理基板を前記相対的に低温に保持された前記載置台に吸着させ、前記載置台と前記被処理基板との間に伝熱ガスを供給して前記被処理基板と前記載置台との間を伝熱させ、前記被処理基板を冷却する工程と、
冷却された被処理基板を前記処理容器から搬出する工程と
を有することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記載置台は−３０〜９０℃に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記吸着機構は静電チャックであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記予備加熱する工程は、前記被処理基板を１００℃以上に加熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記予備加熱する工程は、前記被処理基板を１００〜２００℃に加熱することを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
【請求項６】
前記金属膜はＴｉ膜であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の成膜方法。
【請求項７】
被処理基板に形成された所定パターンのトレンチおよび／またはホール内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、
前記被処理基板の少なくとも前記トレンチおよび／またはホールが形成されている部分の表面に、請求項１から請求項６の成膜方法により金属膜を成膜してバリア層を形成する工程と、
前記バリア層が形成された前記トレンチおよび／またはホールにＣｕを埋め込む工程と、
前記Ｃｕを埋め込んだ後、前記トレンチおよび／またはホールの開口部までのＣｕ部分を研磨して平坦化する工程と
を有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法。
【請求項８】
前記トレンチおよび／またはホールは、前記被処理基板の絶縁膜に形成されていることを特徴とする請求項７に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項９】
前記バリア層を成膜した後、該バリア層の上にルテニウムからなるライナー膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項１０】
前記Ｃｕを埋め込む工程は、ＰＶＤによりＣｕシード膜を形成した後にＣｕめっきで前記トレンチおよび／またはホールを埋め込むことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項１１】
前記研磨して平坦化する工程は、ＣＭＰで行われることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項１２】
コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項６のいずれかの成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２０４５２２（Ｐ２０１２−２０４５２２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６６４６９（Ｐ２０１１−６６４６９）
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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