金属膜の成膜方法、多層配線構造の形成方法、半導体装置の製造方法、成膜装置
【課題】金属膜を吸着および分解プロセスの繰り返しにより、効率よく成膜する。
【解決手段】成膜方法は、被処理基板表面に金属元素のカルボニル原料を気相分子の形で、前記気相分子の分解を抑制する気相成分と共に、前記気相成分の分圧を、前記カルボニル気相原料分子の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記被処理基板表面において前記気相成分の分圧を、前記カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記被処理基板表面に前記金属元素を堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする。
【解決手段】成膜方法は、被処理基板表面に金属元素のカルボニル原料を気相分子の形で、前記気相分子の分解を抑制する気相成分と共に、前記気相成分の分圧を、前記カルボニル気相原料分子の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記被処理基板表面において前記気相成分の分圧を、前記カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記被処理基板表面に前記金属元素を堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に半導体装置の製造に係わり、特に多層配線構造の形成において使われる金属膜の成膜方法、成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の超微細化半導体集積回路装置では、基板上に形成された莫大な数の半導体素子を相互接続するために、低抵抗金属を配線パターンとした多層配線構造が使われている。特にＣｕを配線パターンとした多層配線構造では、シリコン酸化膜、あるいはより比誘電率の低い、いわゆる低誘電率（ｌｏｗ−Ｋ）材料よりなる層間絶縁膜中に配線溝あるいはビアホールをあらかじめ形成しておき、これをＣｕ層で充填し、余剰のＣｕ層部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去するダマシン法あるいはデュアルダマシン法が一般に使われている。
【０００３】
ダマシン法あるいはデュアルダマシン法では、層間絶縁膜中に形成された配線溝あるいはビアホールの表面を、典型的にはＴａやＴａＮなどの高融点金属あるいはその窒化物よりなるバリアメタル膜で覆い、その上に薄いＣｕシード層をＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により形成し、かかるＣｕシード層を電極として電解メッキを行うことにより、前記配線溝あるいはビアホールをＣｕ層により充填している。
【特許文献１】特開２００４−３４６４０１号公報
【特許文献２】特許２９９０５５１号
【特許文献３】特開２００４−１５６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今日の半導体集積回路装置では、微細化とともに、層間絶縁膜中に形成されるＣｕビアプラグの径が６５ｎｍから４５ｎｍへ縮小されてきており、近い将来、ビアプラグ径はさらに３２ｎｍあるいは２２ｎｍへ縮小されるもの予測される。
【０００５】
このような半導体集積回路装置の微細化に伴って、かかる微細なビアホールあるいは配線溝においては、バリアメタル膜あるいはＣｕシード層の成膜が、従来のＰＶＤ法では、ステップカバレッジの観点から困難となっており、ｌｏｗ−Ｋ材料よりなる層間絶縁膜にダメージを与えない低温で、優れたステップカバレッジを実現できるＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法による成膜技術が研究されている。
【０００６】
ところが、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法は、一般に金属原子が有機基と結合した有機金属原料を使うため、形成された膜中に不純物が残留しやすく、このため一見すると良好なステップカバレッジで形成された膜でも膜質が不安定で、たとえばＴａバリアメタル膜上にＭＯＣＶＤ法によりＣｕシード層を形成した場合、形成されたＣｕシード層は凝集を生じやすく、Ｔａバリア膜を安定して一様な膜厚で覆うＣｕシード層の成膜は困難であった。このような凝集を生じたシード層を電極としてＣｕ層の電解メッキを行うと、配線溝あるいはビアホールを充填するＣｕ層中に潜在的な欠陥が含まれ、電気抵抗の増大のみならず、エレクトロンマイグレーション耐性やストレスマイグレーション耐性の劣化などの問題を引き起こす。
【０００７】
一方、本発明の関連技術において、Ｔａバリア膜上にＲｕ膜をＣＶＤ法により形成し、その上にＣｕシード層をＭＯＣＶＤ法により形成することにより、Ｃｕシード層の凝集の問題を回避し、一様なＣｕシード層を形成する技術が提案されている。この本発明の関連技術では、Ｒｕのカルボニル原料を、高濃度のＣＯ雰囲気とともに被処理基板表面に供給し、輸送過程でのＲｕカルボニル原料の分解を抑制している。
【０００８】
一方、半導体集積回路装置の微細化がさらに進行し、たとえば層間絶縁膜中に形成されるビアホール径が２２ｎｍあるいはそれ以下になった場合、このようなＣＶＤ法ではステップカバレッジに限界が生じ、所望の成膜の制御が困難になる状況が出現するものと考えられる。
【０００９】
このような非常に微細なビアホール、あるいは非常に大きなアスペクト比を有する構造を覆う成膜技術としては、先に述べたＡＬＤ法が有望である。
【００１０】
しかし、ＡＬＤ法では、（１）原料の被処理基板表面への吸着、（２）過剰な原料のパージ、（３）還元ガスあるいは酸化ガスによる、被処理基板表面に吸着した原料の分解、および（４）反応生成物および残留反応ガスのパージ、の四工程が一サイクルを構成し、これを繰り返し実行する必要があり、低い成膜スループットしか得られない問題を有している。また有機金属原料を用いたＡＬＤ法では、前記工程（１）において金属原子が、原料ガス分子中において有機基により配位された状態で被処理基板表面に輸送され、前記工程（３）において前記有機基の離脱により前記金属原子の堆積が生じるため、前記被処理基板表面のうち、前記有機基が占有していた部分には金属原子の堆積は生じることがなく、このため１原子層分の金属膜を成膜しようとすると、上記サイクルを複数回繰り返す必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一の側面によれば本発明は、被処理基板表面に金属元素のカルボニル原料を気相分子の形で、前記気相分子の分解を抑制する気相成分と共に、前記気相成分の分圧を、前記カルボニル気相原料分子の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記被処理基板表面において前記気相成分の分圧を、前記カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記被処理基板表面に前記金属元素を堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする金属膜の成膜方法を提供する。
【００１２】
他の側面によれば本発明は、前記絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、前記絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、を含む多層配線構造の形成方法であって、前記Ｒｕ膜を形成する工程は、前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする多層配線構造の形成方法を提供する。
【００１３】
さらに他の側面によれば本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、前記多層配線構造を構成する層間絶縁膜中に凹部を形成する工程と、前記層間絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、前記層間絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、を含み、前記Ｒｕ膜を形成する工程は、前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１４】
さらに他の側面によれば、被処理基板を保持する基板保持台を備えた処理容器と、前記処理容器を排気する排気系と、前記処理容器に金属カルボニル原料のガスを供給する第１のガス供給系と、前記処理容器に、前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスを供給する第２のガス供給系と、前記処理容器に、不活性ガスを供給する第３のガス供給系と、前記第１，第２および第３のガス供給系を制御する制御部と、を備えた基板処理装置であって、前記制御部は前記第３のガス供給系における前記不活性ガスの流量を制御し、前記処理容器中、前記被処理基板表面における前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスの分圧を、前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が抑制される第１の分圧と前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧との間で変化させることを特徴とする基板処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属カルボニルの分解を抑制するガスを添加することにより、金属元素をカルボニル原料の形で被処理基板表面まで安定に輸送し、吸着させることができる。また本発明によれば、前記金属カルボニルの分解を抑制するガスの分圧を変化させることにより、前記被処理基板表面に吸着した金属カルボニル原料を前記被処理基板表面において分解させ、前記被処理基板表面に所望の金属層を形成することができる。本発明では、このような２サイクル工程を繰り返すことにより、間に長時間のパージ工程が含まれる通常の４サイクル工程よりなるＡＬＤプロセスに比べて、成膜効率を大きく向上させることができると共に、不純物の少ない膜を形成することが可能となる。
【００１６】
本発明は、特にパターン幅が２２ｎｍ以下の超微細化多層配線構造を形成するのに有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による成膜装置１０の構成を示す。
【００１８】
図１を参照するに、成膜装置１０は排気系１１により排気され、被処理基板Ｗを保持する基板保持台１３を備えた処理容器１２を有し、前記処理容器１２には、さらに被処理基板Ｗを出し入れするゲートバルブ１２Ｇが形成されている。
【００１９】
前記基板処理台１３は図示しないヒータを内蔵しており、駆動ライン１３Ａを介してかかるヒータを駆動することにより、前記被処理基板Ｗを所望の処理温度に保持する。
【００２０】
前記排気系１１は、ターボ分子ポンプ１１Ａとドライポンプ１１Ｂを直列接続した構成を有し、前記ターボ分子ポンプ１１Ａにはバルブ１１ｂを介して窒素ガスが供給される。
前記処理容器１２とターボ分子ポンプ１１Ａの間には、可変コンダクタンスバルブ１１ａが設けられ、前記処理容器１２内の全圧を一定に維持する。さらに図１の成膜装置１０では、前記処理容器１２をドライポンプ１１Ｂにより粗びきするために、前記ターボ分子ポンプ１１Ａをバイパスする排気経路１１Ｃが設けられており、排気経路１１Ｃにはバルブ１１ｃが、ターボ分子ポンプ１１Ａの下流側には別のバルブ１１ｄが設けられている。
【００２１】
前記処理容器１２には、バブラ１４Ａを含む原料供給系１４から成膜原料が、気体の形で、ガス導入ライン１４Ｂを介して供給される。
【００２２】
図示の例では、前記バブラ１４Ａ中にはＲｕのカルボニル化合物であるＲｕ3（ＣＯ）12が保持され、ＭＦＣ（質量流量制御装置）１４ｂを含むバブリングガスライン１４ａからＣＯガスをバブリングガスとして供給することにより、気化したＲｕ3（ＣＯ）12が前記ガス導入ライン１４Ｂを介して、ラインＭＦＣ１４ｃを含むライン１４ｄからのＣＯキャリアガスと共に、前記処理容器１２に供給される。
【００２３】
さらに図１の構成では前記原料供給系１４に、バルブ１４ｇ、１４ｈおよびＭＦＣ１４ｅを含みＡｒなどの不活性ガスを供給するライン１４ｆが設けられており、前記ライン１４Ｂを介して前記処理容器１２に供給されるＲｕ3（ＣＯ）12原料ガスに、不活性ガスが添加される。
【００２４】
さらに、前記成膜装置１０は、前記処理容器１２，排気系１１，原料供給系１４を制御する制御装置１０Ａが設けられている。
【００２５】
次に、前記図１の成膜装置１０を使って実行される、本発明の第１の実施形態による成膜工程について、図３Ａ〜３Ｄを参照しながら説明する。
【００２６】
前記バブラ１４Ａ中に保持されたＲｕ3（ＣＯ）12化合物は、反応
Ｒｕ3（ＣＯ）12→３Ｒｕ＋１２ＣＯ
により容易に分解し、金属Ｒｕの析出を生じる。この反応は、反応物であるＣＯの分圧が低いと、反応は右辺側に進行するため、本発明の関連技術においては、被処理基板上にＲｕ膜をＣＶＤ法により形成する際に、前記Ｒｕ3（ＣＯ）12が輸送される雰囲気にＣＯを添加し、その分圧を制御することにより、ガス供給ライン中での分解反応を抑制している。
【００２７】
図２は、本発明の発明者が、本発明の基礎となる研究において、このようなＲｕ3（ＣＯ）12原料の分解により生じるＲｕ膜の堆積速度と、雰囲気中のＣＯ分圧との関係を、１６０℃，１８０℃，２００℃および２５０℃の基板温度について調べた結果を示す。
【００２８】
図２を参照するに、いずれの基板温度においてもＣＯ分圧が低いとＲｕの堆積が始まり、ＣＯ分圧が低下すればするほど、Ｒｕ膜の堆積速度も増大するのがわかる。
【００２９】
例えば基板温度が１８０℃の場合、雰囲気中のＣＯ分圧が１３０ｍＴｏｒｒ以上ではＲｕ膜の堆積は生じない（堆積速度がゼロである）のに対し、ＣＯ分圧が前記１３０ｍＴｏｒｒを切ると、Ｒｕ膜の堆積が、有限な堆積速度で開始されるのがわかる。
【００３０】
本願の発明者は、図２の関係から、例えば図１のような基板処理装置において、処理容器内のＣＯ分圧を何らかの手段で変化させてやれば、被処理基板Ｗ上にＲｕ膜のいわゆるＡＬＤ成膜を、自在に行うことができることを着想した。
【００３１】
図３Ａ〜３Ｄは、上記着想による本発明の第１の実施形態によるＲｕ膜の成膜方法を示す図である。
【００３２】
図３Ａを参照するに、前記図１の被処理基板Ｗに対応する被処理基板４１上には、Ｒｕ3（ＣＯ）12原料が、その分解を抑制する高濃度ＣＯ雰囲気と共に供給され、図３Ｂの工程において、前記被処理基板２１の表面に吸着する。
【００３３】
そこで図３Ｃの工程において前記雰囲気中にＡｒガスなどの不活性ガスを供給して雰囲気中のＣＯ濃度を低下させると、前記Ｒｕ3（ＣＯ）12化合物は直ちに分解し、その結果、前記被処理基板２１上には前記図３Ｄに示すようにＲｕの原子層が残される。原料分子の分解の結果、ＣＯ配位子に起因するＣＯも発生するが、ＣＯ結合が切断されてＣがＲｕ原子層に混入するような状況は発生しない。すなわち、図３Ｄの工程では、非常に高純度のＲｕ層を得ることができる。また、図３Ｃ，３Ｄの工程では、配位子起源のＣＯの割合はごくわずかであり、これが雰囲気中に放出されても、ＣＯ分圧が上昇して原料化合物の分解が妨げられる問題は生じない。すなわち、図３Ａ〜３Ｄのプロセスでは、反応生成物が系から除外されるまで長時間パージ工程を行う必要ガない。
【００３４】
そこで、上記工程を繰り返すことにより、被処理基板表面に、任意の膜厚のＲｕ膜を成膜することが可能となる。その際、本実施形態によるＡＬＤ工程では、通常のＡＬＤ工程に必要な原料ガスの吸着工程後の長時間にわたるパージ工程、さらに反応工程後の長時間にわたるパージ工程が不要で、図４のステップ１に示す原料導入および吸着工程とステップ２に示すＣＯ分圧減少および分解工程とを繰り返すだけでよいため、成膜スループットを大きく増大させることができる。ただし図４は、前記図３Ａ〜３Ｄの工程に対応するフローチャートであり、前記制御装置１０Ａは、図４のフローチャートに従って、図１の成膜装置１０を制御する。
【００３５】
一例としては、前記図３Ａ，３Ｂの工程においてＲｕ3（ＣＯ）12ガスは１ｓｃｃｍ程度の流量で、７０〜１００ｓｃｃｍの流量のＣＯガスと共に供給され、Ａｒガスは供給されない。
【００３６】
一方、図３Ｃ，３Ｄの工程では、前記Ｒｕ３（ＣＯ）12ガスおよびＣＯガスの流量は変化させず、Ａｒガスを例えば１５ｓｃｃｍの流量で添加する。その際、処理容器１２内部の全圧が変化しないように、例えば処理容器１２に設けられた圧力計１２Ｐにより前記処理容器１２の内圧を測定し、その測定結果をもとに、前記制御装置１０Ａを使って前記コンダクタンスバルブ１１ａを制御してもよい。
【００３７】
また、前記図３Ａ〜３Ｄのプロセスにおいて、処理容器１２の全圧を変化させて図３Ｂの状態から図３Ｃに成膜装置１０の状態を遷移させてもよい。
【００３８】
なお、上記の説明はＲｕ３（ＣＯ）１２を原料とした場合についてのものであったが、本発明はかかる特定の原料に限定されるものではなく、例えばＷ（ＣＯ）6，Ｎｉ（ＣＯ）4，Ｍｏ（ＣＯ）6，Ｃｏ2（ＣＯ）8，Ｒｈ4（ＣＯ）12，Ｒｅ2（ＣＯ）10，Ｃｒ（ＣＯ）6などを原料として、それぞれの金属膜を形成する場合においても有効である。
【００３９】
また図３Ａ〜３Ｄの工程において、下地層となる基板４１は、シリコン基板であっても、シリコン酸化膜やその他の誘電体膜であっても、あるいは金属膜であってもよい。
［第２の実施形態］
図５Ａ〜５Ｉは、本発明の第２の実施形態による多層配線構造の製造工程を示す。
【００４０】
図５Ａを参照するに、シリコン基板２１上に２００ｎｍの厚さに形成されたＳｉＯ2膜２２中には幅が０．１μｍで厚さが１００ｎｍのＣｕパターン２２Ａがダマシン法により、前記ＳｉＯ2膜２２の表面において露出するように形成されており、図５Ｂの工程で図５Ａの構造上に、ＳｉＮバリア兼エッチングストッパ膜２３と、ＳｉＣＯＨ層間絶縁膜２４と、ＳｉＮエッチングストッパ膜２５と、ＳｉＣＯＨ層間絶縁膜２６と、ＳｉＮエッチングストッパ膜２７とが、順次プラズマＣＶＤ法により形成される。
【００４１】
前記ＳｉＯＣＨ膜２４，２６としては、市販のプラズマＣＶＤ法膜を使うことができるが、例えばかかるＳｉＯＣＨ膜２４，２６の形成を図示しない平行平板型高周波プラズマＣＶＤ装置で行う場合は、成膜を、約３９９Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）の圧力下、基板温度２５℃で、Ａｒガスを５０ＳＣＣＭ、水素ガスを５００ＳＣＣＭの流量で供給し、周波数が１３．５０ＭＨｚの高周波を１０００Ｗのパワーで供給することにより行うことができる。このようにして形成されたＳｉＯＣＨ膜２４，２６は約３．０の比誘電率を有する。またこのようなＳｉＯＣＨ膜の多孔質膜は、約２．２の比誘電率を有する。
【００４２】
次に図５Ｃの工程において図示しないフォトリソグラフィ工程により前記ＳｉＮ膜２７を所望の配線パターンにパターニングし、さらに前記ＳｉＮ膜２７をハードマスクに前記層間絶縁膜２６を前記ＳｉＮ膜２５が露出するまでドライエッチングし、前記層間絶縁膜２６中に所望の配線パターンに対応した溝部２６Ａを形成する。さらに図５Ｃの工程では前記溝部２６Ａ中に露出した前記ＳｉＮ膜２５を所望のビアコンタクトにパターニングし、前記ＳｉＮ膜２５およびＳｉＮ膜２７をハードマスクに前記層間絶縁膜２４を前記ＳｉＮ膜２３が露出するまでドライエッチングし、前記層間絶縁膜２４中に、前記ビアコンタクトに対応して、例えば径が１６ｎｍ、あるいはそれ以下の開口部２４Ａを形成する。なお図５Ｃの工程で前記溝部２６Ａを形成する工程と開口部２４Ａを形成する工程の順序は逆転させてもよい。
【００４３】
次に図５Ｄの工程において、前記開口部２４Ａの底部に露出したＳｉＮ膜２３をエッチバックにより除去し、前記開口部２４Ａの底部に前記Ｃｕ配線パターンを露出させる。またこのＳｉＮ膜のエッチバック工程により、前記層間絶縁膜２６上のＳｉＮ膜２７が除去され、さらに前記配線溝２６Ａの底部のＳｉＮ膜２５が除去される。
【００４４】
次に図５Ｅの工程において図５Ｄの構造上にＴａＮ膜とＴａ膜とを積層したバリアメタル膜２８が、成膜ガスと還元ガスとを間にパージ工程を挟みながら繰り返し供給することで成膜を行う、いわゆるＡＬＤ法により、２〜３ｎｍの膜厚に形成される。
【００４５】
次に図５Ｆの工程において、図５Ｅの構造は先に述べた図１の基板処理装置１０の処理容器１２に導入され、前記図３（Ａ）〜（Ｄ）あるいは図４の工程を行うことにより、前記Ｔａ膜２８上にＲｕ膜２８Ｒが、２〜３ｎｍの一様な膜厚で形成される。
【００４６】
さらに図５Ｇの工程において、前記図５Ｆの構造上にＣｕシード層２９がＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法により形成され、図５Ｈの工程において、前記図５Ｇの構造は電解めっき処理装置に移され、電解めっき法あるいは無電解めっき法により前記Ｃｕシード層２９上にＣｕ層３０が形成される。
【００４７】
さらに熱処理の後、図５Ｉの工程において前記層間絶縁膜２６上のＣｕ層３０およびその下のバリアメタル膜２８がＣＭＰ（化学機械研磨）法により研磨除去され、前記配線溝２６Ａおよびビアホール２４ＡをＣｕパターン３０Ａにより充填した配線構造が得られる。
【００４８】
さらに上記図５Ａ〜図５Ｉの工程を繰り返すことにより、図５Ｉの構造が繰り返された多層配線構造を形成することができる。
【００４９】
本実施形態では、前記Ｔａ膜１８上にＲｕ膜２８Ｒが、先に述べた図３（Ａ）〜（Ｄ）あるいは図４のＡＬＤ工程により一様な膜厚で、形成されているため、その上に形成されるＣｕシード層２９に凝集が発生することがなく、一様なシード層２９が形成される。このため、かかるシード層２９を使ったＣｕ層３０のメッキ法による成膜も、欠陥やボイドを形成することなく、一様に進行し、エレクトロマイグレーション耐性、あるいはストレスマイグレーション耐性に優れたＣｕ配線パターンを得ることができる。
【００５０】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明で使われる成膜装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その１）である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その２）である。
【図３Ｃ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その３）である。
【図３Ｄ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その４）である。
【図４】本発明の第１の実施形態による成膜方法を示すフローチャートである。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その１）である。
【図５Ｂ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その２）である。
【図５Ｃ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その３）である。
【図５Ｄ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その４）である。
【図５Ｅ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その５）である。
【図５Ｆ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その６）である。
【図５Ｇ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その６）である。
【図５Ｈ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その８）である。
【図５Ｉ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その９）である。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 成膜装置
１０Ａ 制御装置
１１ 排気系
１１Ａ ターボ分子ポンプ
１１Ｂ ドライポンプ
１１Ｃ バイパスライン
１１ａ 可変コンダクタンスバルブ
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ バルブ
１２ 処理容器
１２Ｇ ゲートバルブ
１２Ｐ 圧力計
１３ 基板保持台
１３Ａ ヒータ駆動ライン
１４ 原料供給系
１４Ａ ソースボトル
１４Ｂ ガス導入ライン
１４ａ バブリングガスライン
１４ｄ ＣＯガスライン
１４ｂ、１４ｃ，１４ｅ ＭＦＣ
１４ｆ アルゴンガスライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に半導体装置の製造に係わり、特に多層配線構造の形成において使われる金属膜の成膜方法、成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の超微細化半導体集積回路装置では、基板上に形成された莫大な数の半導体素子を相互接続するために、低抵抗金属を配線パターンとした多層配線構造が使われている。特にＣｕを配線パターンとした多層配線構造では、シリコン酸化膜、あるいはより比誘電率の低い、いわゆる低誘電率（ｌｏｗ−Ｋ）材料よりなる層間絶縁膜中に配線溝あるいはビアホールをあらかじめ形成しておき、これをＣｕ層で充填し、余剰のＣｕ層部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去するダマシン法あるいはデュアルダマシン法が一般に使われている。
【０００３】
ダマシン法あるいはデュアルダマシン法では、層間絶縁膜中に形成された配線溝あるいはビアホールの表面を、典型的にはＴａやＴａＮなどの高融点金属あるいはその窒化物よりなるバリアメタル膜で覆い、その上に薄いＣｕシード層をＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により形成し、かかるＣｕシード層を電極として電解メッキを行うことにより、前記配線溝あるいはビアホールをＣｕ層により充填している。
【特許文献１】特開２００４−３４６４０１号公報
【特許文献２】特許２９９０５５１号
【特許文献３】特開２００４−１５６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今日の半導体集積回路装置では、微細化とともに、層間絶縁膜中に形成されるＣｕビアプラグの径が６５ｎｍから４５ｎｍへ縮小されてきており、近い将来、ビアプラグ径はさらに３２ｎｍあるいは２２ｎｍへ縮小されるもの予測される。
【０００５】
このような半導体集積回路装置の微細化に伴って、かかる微細なビアホールあるいは配線溝においては、バリアメタル膜あるいはＣｕシード層の成膜が、従来のＰＶＤ法では、ステップカバレッジの観点から困難となっており、ｌｏｗ−Ｋ材料よりなる層間絶縁膜にダメージを与えない低温で、優れたステップカバレッジを実現できるＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法による成膜技術が研究されている。
【０００６】
ところが、ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法は、一般に金属原子が有機基と結合した有機金属原料を使うため、形成された膜中に不純物が残留しやすく、このため一見すると良好なステップカバレッジで形成された膜でも膜質が不安定で、たとえばＴａバリアメタル膜上にＭＯＣＶＤ法によりＣｕシード層を形成した場合、形成されたＣｕシード層は凝集を生じやすく、Ｔａバリア膜を安定して一様な膜厚で覆うＣｕシード層の成膜は困難であった。このような凝集を生じたシード層を電極としてＣｕ層の電解メッキを行うと、配線溝あるいはビアホールを充填するＣｕ層中に潜在的な欠陥が含まれ、電気抵抗の増大のみならず、エレクトロンマイグレーション耐性やストレスマイグレーション耐性の劣化などの問題を引き起こす。
【０００７】
一方、本発明の関連技術において、Ｔａバリア膜上にＲｕ膜をＣＶＤ法により形成し、その上にＣｕシード層をＭＯＣＶＤ法により形成することにより、Ｃｕシード層の凝集の問題を回避し、一様なＣｕシード層を形成する技術が提案されている。この本発明の関連技術では、Ｒｕのカルボニル原料を、高濃度のＣＯ雰囲気とともに被処理基板表面に供給し、輸送過程でのＲｕカルボニル原料の分解を抑制している。
【０００８】
一方、半導体集積回路装置の微細化がさらに進行し、たとえば層間絶縁膜中に形成されるビアホール径が２２ｎｍあるいはそれ以下になった場合、このようなＣＶＤ法ではステップカバレッジに限界が生じ、所望の成膜の制御が困難になる状況が出現するものと考えられる。
【０００９】
このような非常に微細なビアホール、あるいは非常に大きなアスペクト比を有する構造を覆う成膜技術としては、先に述べたＡＬＤ法が有望である。
【００１０】
しかし、ＡＬＤ法では、（１）原料の被処理基板表面への吸着、（２）過剰な原料のパージ、（３）還元ガスあるいは酸化ガスによる、被処理基板表面に吸着した原料の分解、および（４）反応生成物および残留反応ガスのパージ、の四工程が一サイクルを構成し、これを繰り返し実行する必要があり、低い成膜スループットしか得られない問題を有している。また有機金属原料を用いたＡＬＤ法では、前記工程（１）において金属原子が、原料ガス分子中において有機基により配位された状態で被処理基板表面に輸送され、前記工程（３）において前記有機基の離脱により前記金属原子の堆積が生じるため、前記被処理基板表面のうち、前記有機基が占有していた部分には金属原子の堆積は生じることがなく、このため１原子層分の金属膜を成膜しようとすると、上記サイクルを複数回繰り返す必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一の側面によれば本発明は、被処理基板表面に金属元素のカルボニル原料を気相分子の形で、前記気相分子の分解を抑制する気相成分と共に、前記気相成分の分圧を、前記カルボニル気相原料分子の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記被処理基板表面において前記気相成分の分圧を、前記カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記被処理基板表面に前記金属元素を堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする金属膜の成膜方法を提供する。
【００１２】
他の側面によれば本発明は、前記絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、前記絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、を含む多層配線構造の形成方法であって、前記Ｒｕ膜を形成する工程は、前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする多層配線構造の形成方法を提供する。
【００１３】
さらに他の側面によれば本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、前記多層配線構造を構成する層間絶縁膜中に凹部を形成する工程と、前記層間絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、前記層間絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、を含み、前記Ｒｕ膜を形成する工程は、前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、よりなることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１４】
さらに他の側面によれば、被処理基板を保持する基板保持台を備えた処理容器と、前記処理容器を排気する排気系と、前記処理容器に金属カルボニル原料のガスを供給する第１のガス供給系と、前記処理容器に、前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスを供給する第２のガス供給系と、前記処理容器に、不活性ガスを供給する第３のガス供給系と、前記第１，第２および第３のガス供給系を制御する制御部と、を備えた基板処理装置であって、前記制御部は前記第３のガス供給系における前記不活性ガスの流量を制御し、前記処理容器中、前記被処理基板表面における前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスの分圧を、前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が抑制される第１の分圧と前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧との間で変化させることを特徴とする基板処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属カルボニルの分解を抑制するガスを添加することにより、金属元素をカルボニル原料の形で被処理基板表面まで安定に輸送し、吸着させることができる。また本発明によれば、前記金属カルボニルの分解を抑制するガスの分圧を変化させることにより、前記被処理基板表面に吸着した金属カルボニル原料を前記被処理基板表面において分解させ、前記被処理基板表面に所望の金属層を形成することができる。本発明では、このような２サイクル工程を繰り返すことにより、間に長時間のパージ工程が含まれる通常の４サイクル工程よりなるＡＬＤプロセスに比べて、成膜効率を大きく向上させることができると共に、不純物の少ない膜を形成することが可能となる。
【００１６】
本発明は、特にパターン幅が２２ｎｍ以下の超微細化多層配線構造を形成するのに有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による成膜装置１０の構成を示す。
【００１８】
図１を参照するに、成膜装置１０は排気系１１により排気され、被処理基板Ｗを保持する基板保持台１３を備えた処理容器１２を有し、前記処理容器１２には、さらに被処理基板Ｗを出し入れするゲートバルブ１２Ｇが形成されている。
【００１９】
前記基板処理台１３は図示しないヒータを内蔵しており、駆動ライン１３Ａを介してかかるヒータを駆動することにより、前記被処理基板Ｗを所望の処理温度に保持する。
【００２０】
前記排気系１１は、ターボ分子ポンプ１１Ａとドライポンプ１１Ｂを直列接続した構成を有し、前記ターボ分子ポンプ１１Ａにはバルブ１１ｂを介して窒素ガスが供給される。
前記処理容器１２とターボ分子ポンプ１１Ａの間には、可変コンダクタンスバルブ１１ａが設けられ、前記処理容器１２内の全圧を一定に維持する。さらに図１の成膜装置１０では、前記処理容器１２をドライポンプ１１Ｂにより粗びきするために、前記ターボ分子ポンプ１１Ａをバイパスする排気経路１１Ｃが設けられており、排気経路１１Ｃにはバルブ１１ｃが、ターボ分子ポンプ１１Ａの下流側には別のバルブ１１ｄが設けられている。
【００２１】
前記処理容器１２には、バブラ１４Ａを含む原料供給系１４から成膜原料が、気体の形で、ガス導入ライン１４Ｂを介して供給される。
【００２２】
図示の例では、前記バブラ１４Ａ中にはＲｕのカルボニル化合物であるＲｕ3（ＣＯ）12が保持され、ＭＦＣ（質量流量制御装置）１４ｂを含むバブリングガスライン１４ａからＣＯガスをバブリングガスとして供給することにより、気化したＲｕ3（ＣＯ）12が前記ガス導入ライン１４Ｂを介して、ラインＭＦＣ１４ｃを含むライン１４ｄからのＣＯキャリアガスと共に、前記処理容器１２に供給される。
【００２３】
さらに図１の構成では前記原料供給系１４に、バルブ１４ｇ、１４ｈおよびＭＦＣ１４ｅを含みＡｒなどの不活性ガスを供給するライン１４ｆが設けられており、前記ライン１４Ｂを介して前記処理容器１２に供給されるＲｕ3（ＣＯ）12原料ガスに、不活性ガスが添加される。
【００２４】
さらに、前記成膜装置１０は、前記処理容器１２，排気系１１，原料供給系１４を制御する制御装置１０Ａが設けられている。
【００２５】
次に、前記図１の成膜装置１０を使って実行される、本発明の第１の実施形態による成膜工程について、図３Ａ〜３Ｄを参照しながら説明する。
【００２６】
前記バブラ１４Ａ中に保持されたＲｕ3（ＣＯ）12化合物は、反応
Ｒｕ3（ＣＯ）12→３Ｒｕ＋１２ＣＯ
により容易に分解し、金属Ｒｕの析出を生じる。この反応は、反応物であるＣＯの分圧が低いと、反応は右辺側に進行するため、本発明の関連技術においては、被処理基板上にＲｕ膜をＣＶＤ法により形成する際に、前記Ｒｕ3（ＣＯ）12が輸送される雰囲気にＣＯを添加し、その分圧を制御することにより、ガス供給ライン中での分解反応を抑制している。
【００２７】
図２は、本発明の発明者が、本発明の基礎となる研究において、このようなＲｕ3（ＣＯ）12原料の分解により生じるＲｕ膜の堆積速度と、雰囲気中のＣＯ分圧との関係を、１６０℃，１８０℃，２００℃および２５０℃の基板温度について調べた結果を示す。
【００２８】
図２を参照するに、いずれの基板温度においてもＣＯ分圧が低いとＲｕの堆積が始まり、ＣＯ分圧が低下すればするほど、Ｒｕ膜の堆積速度も増大するのがわかる。
【００２９】
例えば基板温度が１８０℃の場合、雰囲気中のＣＯ分圧が１３０ｍＴｏｒｒ以上ではＲｕ膜の堆積は生じない（堆積速度がゼロである）のに対し、ＣＯ分圧が前記１３０ｍＴｏｒｒを切ると、Ｒｕ膜の堆積が、有限な堆積速度で開始されるのがわかる。
【００３０】
本願の発明者は、図２の関係から、例えば図１のような基板処理装置において、処理容器内のＣＯ分圧を何らかの手段で変化させてやれば、被処理基板Ｗ上にＲｕ膜のいわゆるＡＬＤ成膜を、自在に行うことができることを着想した。
【００３１】
図３Ａ〜３Ｄは、上記着想による本発明の第１の実施形態によるＲｕ膜の成膜方法を示す図である。
【００３２】
図３Ａを参照するに、前記図１の被処理基板Ｗに対応する被処理基板４１上には、Ｒｕ3（ＣＯ）12原料が、その分解を抑制する高濃度ＣＯ雰囲気と共に供給され、図３Ｂの工程において、前記被処理基板２１の表面に吸着する。
【００３３】
そこで図３Ｃの工程において前記雰囲気中にＡｒガスなどの不活性ガスを供給して雰囲気中のＣＯ濃度を低下させると、前記Ｒｕ3（ＣＯ）12化合物は直ちに分解し、その結果、前記被処理基板２１上には前記図３Ｄに示すようにＲｕの原子層が残される。原料分子の分解の結果、ＣＯ配位子に起因するＣＯも発生するが、ＣＯ結合が切断されてＣがＲｕ原子層に混入するような状況は発生しない。すなわち、図３Ｄの工程では、非常に高純度のＲｕ層を得ることができる。また、図３Ｃ，３Ｄの工程では、配位子起源のＣＯの割合はごくわずかであり、これが雰囲気中に放出されても、ＣＯ分圧が上昇して原料化合物の分解が妨げられる問題は生じない。すなわち、図３Ａ〜３Ｄのプロセスでは、反応生成物が系から除外されるまで長時間パージ工程を行う必要ガない。
【００３４】
そこで、上記工程を繰り返すことにより、被処理基板表面に、任意の膜厚のＲｕ膜を成膜することが可能となる。その際、本実施形態によるＡＬＤ工程では、通常のＡＬＤ工程に必要な原料ガスの吸着工程後の長時間にわたるパージ工程、さらに反応工程後の長時間にわたるパージ工程が不要で、図４のステップ１に示す原料導入および吸着工程とステップ２に示すＣＯ分圧減少および分解工程とを繰り返すだけでよいため、成膜スループットを大きく増大させることができる。ただし図４は、前記図３Ａ〜３Ｄの工程に対応するフローチャートであり、前記制御装置１０Ａは、図４のフローチャートに従って、図１の成膜装置１０を制御する。
【００３５】
一例としては、前記図３Ａ，３Ｂの工程においてＲｕ3（ＣＯ）12ガスは１ｓｃｃｍ程度の流量で、７０〜１００ｓｃｃｍの流量のＣＯガスと共に供給され、Ａｒガスは供給されない。
【００３６】
一方、図３Ｃ，３Ｄの工程では、前記Ｒｕ３（ＣＯ）12ガスおよびＣＯガスの流量は変化させず、Ａｒガスを例えば１５ｓｃｃｍの流量で添加する。その際、処理容器１２内部の全圧が変化しないように、例えば処理容器１２に設けられた圧力計１２Ｐにより前記処理容器１２の内圧を測定し、その測定結果をもとに、前記制御装置１０Ａを使って前記コンダクタンスバルブ１１ａを制御してもよい。
【００３７】
また、前記図３Ａ〜３Ｄのプロセスにおいて、処理容器１２の全圧を変化させて図３Ｂの状態から図３Ｃに成膜装置１０の状態を遷移させてもよい。
【００３８】
なお、上記の説明はＲｕ３（ＣＯ）１２を原料とした場合についてのものであったが、本発明はかかる特定の原料に限定されるものではなく、例えばＷ（ＣＯ）6，Ｎｉ（ＣＯ）4，Ｍｏ（ＣＯ）6，Ｃｏ2（ＣＯ）8，Ｒｈ4（ＣＯ）12，Ｒｅ2（ＣＯ）10，Ｃｒ（ＣＯ）6などを原料として、それぞれの金属膜を形成する場合においても有効である。
【００３９】
また図３Ａ〜３Ｄの工程において、下地層となる基板４１は、シリコン基板であっても、シリコン酸化膜やその他の誘電体膜であっても、あるいは金属膜であってもよい。
［第２の実施形態］
図５Ａ〜５Ｉは、本発明の第２の実施形態による多層配線構造の製造工程を示す。
【００４０】
図５Ａを参照するに、シリコン基板２１上に２００ｎｍの厚さに形成されたＳｉＯ2膜２２中には幅が０．１μｍで厚さが１００ｎｍのＣｕパターン２２Ａがダマシン法により、前記ＳｉＯ2膜２２の表面において露出するように形成されており、図５Ｂの工程で図５Ａの構造上に、ＳｉＮバリア兼エッチングストッパ膜２３と、ＳｉＣＯＨ層間絶縁膜２４と、ＳｉＮエッチングストッパ膜２５と、ＳｉＣＯＨ層間絶縁膜２６と、ＳｉＮエッチングストッパ膜２７とが、順次プラズマＣＶＤ法により形成される。
【００４１】
前記ＳｉＯＣＨ膜２４，２６としては、市販のプラズマＣＶＤ法膜を使うことができるが、例えばかかるＳｉＯＣＨ膜２４，２６の形成を図示しない平行平板型高周波プラズマＣＶＤ装置で行う場合は、成膜を、約３９９Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）の圧力下、基板温度２５℃で、Ａｒガスを５０ＳＣＣＭ、水素ガスを５００ＳＣＣＭの流量で供給し、周波数が１３．５０ＭＨｚの高周波を１０００Ｗのパワーで供給することにより行うことができる。このようにして形成されたＳｉＯＣＨ膜２４，２６は約３．０の比誘電率を有する。またこのようなＳｉＯＣＨ膜の多孔質膜は、約２．２の比誘電率を有する。
【００４２】
次に図５Ｃの工程において図示しないフォトリソグラフィ工程により前記ＳｉＮ膜２７を所望の配線パターンにパターニングし、さらに前記ＳｉＮ膜２７をハードマスクに前記層間絶縁膜２６を前記ＳｉＮ膜２５が露出するまでドライエッチングし、前記層間絶縁膜２６中に所望の配線パターンに対応した溝部２６Ａを形成する。さらに図５Ｃの工程では前記溝部２６Ａ中に露出した前記ＳｉＮ膜２５を所望のビアコンタクトにパターニングし、前記ＳｉＮ膜２５およびＳｉＮ膜２７をハードマスクに前記層間絶縁膜２４を前記ＳｉＮ膜２３が露出するまでドライエッチングし、前記層間絶縁膜２４中に、前記ビアコンタクトに対応して、例えば径が１６ｎｍ、あるいはそれ以下の開口部２４Ａを形成する。なお図５Ｃの工程で前記溝部２６Ａを形成する工程と開口部２４Ａを形成する工程の順序は逆転させてもよい。
【００４３】
次に図５Ｄの工程において、前記開口部２４Ａの底部に露出したＳｉＮ膜２３をエッチバックにより除去し、前記開口部２４Ａの底部に前記Ｃｕ配線パターンを露出させる。またこのＳｉＮ膜のエッチバック工程により、前記層間絶縁膜２６上のＳｉＮ膜２７が除去され、さらに前記配線溝２６Ａの底部のＳｉＮ膜２５が除去される。
【００４４】
次に図５Ｅの工程において図５Ｄの構造上にＴａＮ膜とＴａ膜とを積層したバリアメタル膜２８が、成膜ガスと還元ガスとを間にパージ工程を挟みながら繰り返し供給することで成膜を行う、いわゆるＡＬＤ法により、２〜３ｎｍの膜厚に形成される。
【００４５】
次に図５Ｆの工程において、図５Ｅの構造は先に述べた図１の基板処理装置１０の処理容器１２に導入され、前記図３（Ａ）〜（Ｄ）あるいは図４の工程を行うことにより、前記Ｔａ膜２８上にＲｕ膜２８Ｒが、２〜３ｎｍの一様な膜厚で形成される。
【００４６】
さらに図５Ｇの工程において、前記図５Ｆの構造上にＣｕシード層２９がＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法により形成され、図５Ｈの工程において、前記図５Ｇの構造は電解めっき処理装置に移され、電解めっき法あるいは無電解めっき法により前記Ｃｕシード層２９上にＣｕ層３０が形成される。
【００４７】
さらに熱処理の後、図５Ｉの工程において前記層間絶縁膜２６上のＣｕ層３０およびその下のバリアメタル膜２８がＣＭＰ（化学機械研磨）法により研磨除去され、前記配線溝２６Ａおよびビアホール２４ＡをＣｕパターン３０Ａにより充填した配線構造が得られる。
【００４８】
さらに上記図５Ａ〜図５Ｉの工程を繰り返すことにより、図５Ｉの構造が繰り返された多層配線構造を形成することができる。
【００４９】
本実施形態では、前記Ｔａ膜１８上にＲｕ膜２８Ｒが、先に述べた図３（Ａ）〜（Ｄ）あるいは図４のＡＬＤ工程により一様な膜厚で、形成されているため、その上に形成されるＣｕシード層２９に凝集が発生することがなく、一様なシード層２９が形成される。このため、かかるシード層２９を使ったＣｕ層３０のメッキ法による成膜も、欠陥やボイドを形成することなく、一様に進行し、エレクトロマイグレーション耐性、あるいはストレスマイグレーション耐性に優れたＣｕ配線パターンを得ることができる。
【００５０】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明で使われる成膜装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その１）である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その２）である。
【図３Ｃ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その３）である。
【図３Ｄ】本発明の第１の実施形態による成膜方法を説明する図（その４）である。
【図４】本発明の第１の実施形態による成膜方法を示すフローチャートである。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その１）である。
【図５Ｂ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その２）である。
【図５Ｃ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その３）である。
【図５Ｄ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その４）である。
【図５Ｅ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その５）である。
【図５Ｆ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その６）である。
【図５Ｇ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その６）である。
【図５Ｈ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その８）である。
【図５Ｉ】本発明の第２の実施形態による多層配線構造の形成方法を示す図（その９）である。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 成膜装置
１０Ａ 制御装置
１１ 排気系
１１Ａ ターボ分子ポンプ
１１Ｂ ドライポンプ
１１Ｃ バイパスライン
１１ａ 可変コンダクタンスバルブ
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ バルブ
１２ 処理容器
１２Ｇ ゲートバルブ
１２Ｐ 圧力計
１３ 基板保持台
１３Ａ ヒータ駆動ライン
１４ 原料供給系
１４Ａ ソースボトル
１４Ｂ ガス導入ライン
１４ａ バブリングガスライン
１４ｄ ＣＯガスライン
１４ｂ、１４ｃ，１４ｅ ＭＦＣ
１４ｆ アルゴンガスライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板表面に金属元素のカルボニル原料を気相分子の形で、前記気相分子の分解を抑制する気相成分と共に、前記気相成分の分圧を、前記カルボニル気相原料分子の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、
前記被処理基板表面において前記気相成分の分圧を、前記カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記被処理基板表面に前記金属元素を堆積させる第２の工程と、
よりなることを特徴とする金属膜の成膜方法。
【請求項２】
さらに前記第１および第２の工程を交互に繰り返すことを特徴とする請求項１記載の金属膜の成膜方法。
【請求項３】
前記カルボニル原料の気相分子は前記被処理基板表面に、前記気相成分および不活性ガス成分と共に供給され、前記気相成分の分圧は、前記不活性ガス成分の供給を制御することにより制御されることを特徴とする請求項１または２記載の金属膜の成膜方法。
【請求項４】
前記カルボニル原料の気相分子は前記被処理基板表面に、前記気相成分および不活性ガス成分と共に供給され、前記気相成分の分圧は、前記不活性ガス成分の供給を断続することにより制御されることを特徴とする請求項１または２記載の金属膜の成膜方法。
【請求項５】
前記金属元素は、Ｒｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｒｈ，ＲｅおよびＣｒのいずれかよりなることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の金属膜の成膜方法。
【請求項６】
前記カルボニル原料は、Ｒｕ3（ＣＯ）12，Ｗ（ＣＯ）6，Ｎｉ（ＣＯ）4，Ｍｏ（ＣＯ）6，Ｃｏ2（ＣＯ）8，Ｒｈ4（ＣＯ）12，Ｒｅ2（ＣＯ）10，およびＣｒ（ＣＯ）6のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の金属膜の成膜方法。
【請求項７】
前記気相分離の分解を抑制する気相成分は、ＣＯであることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の金属膜の成膜方法。
【請求項８】
絶縁膜中に凹部を形成する工程と、
前記絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、
前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、
前記絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、
を含む多層配線構造の形成方法であって、
前記Ｒｕ膜を形成する工程は、
前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、
前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、
よりなることを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【請求項９】
多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
前記多層配線構造を構成する層間絶縁膜中に凹部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、
前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、
前記層間絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、
を含み、
前記Ｒｕ膜を形成する工程は、
前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、
前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、
よりなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
被処理基板を保持する基板保持台を備えた処理容器と、
前記処理容器を排気する排気系と、
前記処理容器に金属カルボニル原料のガスを供給する第１のガス供給系と、
前記処理容器に、前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスを供給する第２のガス供給系と、
前記処理容器に、不活性ガスを供給する第３のガス供給系と、
前記第１，第２および第３のガス供給系を制御する制御部と、
を備えた成膜装置であって、
前記制御部は前記第３のガス供給系における前記不活性ガスの流量を制御し、前記処理容器中、前記被処理基板表面における前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスの分圧を、前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が抑制される第１の分圧と前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧との間で変化させることを特徴とする成膜装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスの分圧を前記第１の分圧と前記第２の分圧との間で変化させている間、前記排気系を制御して処理容器の圧力を実質的に一定に保持することを特徴とする請求項１０記載の成膜装置。
【請求項１】
被処理基板表面に金属元素のカルボニル原料を気相分子の形で、前記気相分子の分解を抑制する気相成分と共に、前記気相成分の分圧を、前記カルボニル気相原料分子の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、
前記被処理基板表面において前記気相成分の分圧を、前記カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記被処理基板表面に前記金属元素を堆積させる第２の工程と、
よりなることを特徴とする金属膜の成膜方法。
【請求項２】
さらに前記第１および第２の工程を交互に繰り返すことを特徴とする請求項１記載の金属膜の成膜方法。
【請求項３】
前記カルボニル原料の気相分子は前記被処理基板表面に、前記気相成分および不活性ガス成分と共に供給され、前記気相成分の分圧は、前記不活性ガス成分の供給を制御することにより制御されることを特徴とする請求項１または２記載の金属膜の成膜方法。
【請求項４】
前記カルボニル原料の気相分子は前記被処理基板表面に、前記気相成分および不活性ガス成分と共に供給され、前記気相成分の分圧は、前記不活性ガス成分の供給を断続することにより制御されることを特徴とする請求項１または２記載の金属膜の成膜方法。
【請求項５】
前記金属元素は、Ｒｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｒｈ，ＲｅおよびＣｒのいずれかよりなることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の金属膜の成膜方法。
【請求項６】
前記カルボニル原料は、Ｒｕ3（ＣＯ）12，Ｗ（ＣＯ）6，Ｎｉ（ＣＯ）4，Ｍｏ（ＣＯ）6，Ｃｏ2（ＣＯ）8，Ｒｈ4（ＣＯ）12，Ｒｅ2（ＣＯ）10，およびＣｒ（ＣＯ）6のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の金属膜の成膜方法。
【請求項７】
前記気相分離の分解を抑制する気相成分は、ＣＯであることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の金属膜の成膜方法。
【請求項８】
絶縁膜中に凹部を形成する工程と、
前記絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、
前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、
前記絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、
を含む多層配線構造の形成方法であって、
前記Ｒｕ膜を形成する工程は、
前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、
前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、
よりなることを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【請求項９】
多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
前記多層配線構造を構成する層間絶縁膜中に凹部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を、前記凹部を含め、バリアメタル膜により、前記凹部に整合した形状で覆う工程と、
前記バリアメタル膜上にＲｕ膜を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｒｕ膜上にＣｕシード層を、前記凹部に整合した形状で形成する工程と、
前記Ｃｕシード層を電極とした電解メッキを行うことにより、前記凹部をＣｕ層により充填する工程と、
前記層間絶縁膜表面上のＣｕ層を化学機械研磨により除去する工程と、
を含み、
前記Ｒｕ膜を形成する工程は、
前記凹部を含む前記絶縁膜表面に、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料を気相分子の形で、ＣＯガスと共に、前記ＣＯガス分圧を、Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が抑制される第１の分圧に設定して供給する第１の工程と、
前記ＣＯガスの分圧を、前記Ｒｕ３（ＣＯ）１２原料の分解が生じる第２の分圧に変化させ、前記絶縁膜表面にＲｕを堆積させる第２の工程と、
よりなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
被処理基板を保持する基板保持台を備えた処理容器と、
前記処理容器を排気する排気系と、
前記処理容器に金属カルボニル原料のガスを供給する第１のガス供給系と、
前記処理容器に、前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスを供給する第２のガス供給系と、
前記処理容器に、不活性ガスを供給する第３のガス供給系と、
前記第１，第２および第３のガス供給系を制御する制御部と、
を備えた成膜装置であって、
前記制御部は前記第３のガス供給系における前記不活性ガスの流量を制御し、前記処理容器中、前記被処理基板表面における前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスの分圧を、前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が抑制される第１の分圧と前記被処理基板表面において前記金属カルボニル原料の分解が生じる第２の分圧との間で変化させることを特徴とする成膜装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記金属カルボニル原料の分解を抑制するガスの分圧を前記第１の分圧と前記第２の分圧との間で変化させている間、前記排気系を制御して処理容器の圧力を実質的に一定に保持することを特徴とする請求項１０記載の成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図５Ｉ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図５Ｉ】
【公開番号】特開２００８−２４４２９８（Ｐ２００８−２４４２９８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８５０２１（Ｐ２００７−８５０２１）
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【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２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【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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