(57)【要約】【課題】低抵抗なルテニウムの埋め込み方法及び処理システムを提供する。【解決手段】ルテニウムを含有するガスを供給する工程と、前記ルテニウムを含有するガスを用いて、絶縁層に形成された凹部の底部に金属層を有する基板の、前記底部からルテニウムを埋め込む工程とを備える、埋め込み方法が提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルテニウムを含有するガスを処理室内に供給する工程と、
前記ルテニウムを含有するガスを用いて絶縁層に形成された凹部の底部に金属層を有する基板の、前記底部からルテニウムを埋め込む工程と、
を備える、埋め込み方法。
【請求項２】
前記金属層の材料は、ルテニウムが拡散しない金属材料である、
請求項１に記載の埋め込み方法。
【請求項３】
前記金属層の材料は、タングステン、銅、ルテニウムのいずれかである、
請求項２に記載の埋め込み方法。
【請求項４】
前記絶縁層の材料は、前記金属層に対するルテニウムの成膜レートが、前記絶縁層に対するルテニウムの成膜レートよりも高い材料である、
請求項１に記載の埋め込み方法。
【請求項５】
前記絶縁層は、シリコン含有膜又はチタン膜である、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の埋め込み方法。
【請求項６】
前記シリコン含有膜は、酸化シリコン膜、シリコン膜、窒化シリコン膜の少なくともいずれかである、
請求項５に記載の埋め込み方法。
【請求項７】
前記ルテニウムを埋め込む工程の前に、前記金属層の表面の金属酸化膜を除去する工程を備える、
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の埋め込み方法。
【請求項８】
前記ルテニウムを埋め込む工程は、酸素ガスを用いない、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の埋め込み方法。
【請求項９】
前記ルテニウムを含有するガスは、Ｒｕ３（ＣＯ）１２を含有するガス、(２，４−ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ)（ｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（ＤＭＰＤ）（ＥｔＣｐ））、ｂｉｓ（２，４−ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（ＤＭＰＤ）２）、４−ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）（ｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（ＤＭＰＤ）（ＭｅＣｐ））、Ｂｉｓ（Ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（Ｃ５Ｈ５）２）、Ｃｉｓ−ｄｉｃａｒｂｏｎｙｌ  ｂｉｓ（５−ｍｅｔｈｙｌｈｅｘａｎｅ−２，４−ｄｉｏｎａｔｅ）ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（II）、ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（II）：Ｒｕ（ＥｔＣｐ）２のいずれかである、
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の埋め込み方法。
【請求項１０】
絶縁層に形成された凹部の底部に金属層を有する基板から前記金属層の表面の金属酸化膜を除去する工程を実行する第１処理室と、
前記凹部の底部からルテニウムを埋め込む工程を実行する第２処理室と、
開閉可能なゲートバルブを介して、前記第１処理室及び前記第２処理室と連通する真空搬送室と、を備える処理システム。
【請求項１１】
前記第１処理室及び前記第２処理室で実行される各工程は、真空を破らずに連続して行われる、
請求項１０に記載の処理システム。
【請求項１２】
前記凹部の底部からルテニウムを埋め込む工程を実行する第３処理室をさらに備え、
前記第１処理室から搬出された基板を、前記第２処理室又は前記第３処理室に搬送する、
請求項１０又は１１に記載の処理システム。
【請求項１３】
前記第１処理室、前記第２処理室及び前記第３処理室で実行される各工程は、真空を破らずに連続して行われる、
請求項１２に記載の処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、埋め込み方法及び処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、絶縁層に設けられたトレンチ、ビアホール、コンタクトホール等の凹部内にルテニウム等の金属材料を埋め込むプロセスが知られている。
【０００３】
特許文献１には、ルテニウム液体原料を気化したガスと酸素含有ガスとを用い、基板上にルテニウム膜または酸化ルテニウム膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一の側面では、本開示は、低抵抗なルテニウムの埋め込み方法及び処理システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、一の態様によれば、ルテニウムを含有するガスを供給する工程と、前記ルテニウムを含有するガスを用いて、絶縁層に形成された凹部の底部に金属層を有する基板の、前記底部からルテニウムを埋め込む工程とを備える、埋め込み方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
一の側面によれば、低抵抗なルテニウムの埋め込み方法及び処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る埋め込み方法に用いる処理システムの一例の平面模式図。
【図２】一実施形態に係る埋め込み方法に用いる処理室の一例の縦断面図。
【図３】一実施形態に係るルテニウム埋め込み時の選択比の一例を示す図。
【図４】一実施形態に係る埋め込み方法の各工程を示すウェハの断面模式図。
【図５】一実施形態の変形例に係るプリクリーン工程の有無と選択比の一例を示す図。
【図６】一実施形態の変形例に係る埋め込み方法の各工程を示すウェハの断面模式図。
【図７】第１参考例に係る埋め込み方法の各工程を示すウェハの断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１０】
＜処理システム＞
まず、一実施形態に係る埋め込み方法に用いる処理システムについて、図１を用いて説明する。図１は、一実施形態に係る埋め込み方法に用いる処理システムの一例の平面模式図である。
【００１１】
処理システムは、処理室１１〜１４と、真空搬送室２０と、ロードロック室３１，３２と、大気搬送室４０と、ロードポート５１〜５３と、ゲートバルブ６１〜６８と、制御装置７０と、を備えている。
【００１２】
処理室１１は、半導体ウェハＷ（以下「ウェハＷ」と称する）を載置するステージ１１ａを有し、ゲートバルブ６１を介して真空搬送室２０と接続されている。同様に、処理室１２は、ウェハＷを載置するステージ１２ａを有し、ゲートバルブ６２を介して真空搬送室２０と接続されている。処理室１３は、ウェハＷを載置するステージ１３ａを有し、ゲートバルブ６３を介して真空搬送室２０と接続されている。処理室１４は、ウェハＷを載置するステージ１４ａを有し、ゲートバルブ６４を介して真空搬送室２０と接続されている。処理室１１〜１４内は、所定の真空雰囲気に減圧され、その内部にてウェハＷに所望の処理（エッチング処理、成膜処理、クリーニング処理、アッシング処理等）を施す。なお、処理室１１〜１４における処理のための各部の動作は、制御装置７０によって制御される。
【００１３】
真空搬送室２０内は、所定の真空雰囲気に減圧されている。また、真空搬送室２０には、搬送機構２１が設けられている。搬送機構２１は、処理室１１〜１４、ロードロック室３１，３２に対して、ウェハＷを搬送する。なお、搬送機構２１の動作は、制御装置７０によって制御される。
【００１４】
ロードロック室３１は、ウェハＷを載置するステージ３１ａを有し、ゲートバルブ６５を介して真空搬送室２０と接続され、ゲートバルブ６７を介して大気搬送室４０と接続されている。同様に、ロードロック室３２は、ウェハＷを載置するステージ３２ａを有し、ゲートバルブ６６を介して真空搬送室２０と接続され、ゲートバルブ６８を介して大気搬送室４０と接続されている。ロードロック室３１，３２内は、大気雰囲気と真空雰囲気とを切り替えることができるようになっている。なお、ロードロック室３１，３２内の真空雰囲気または大気雰囲気の切り替えは、制御装置７０によって制御される。
【００１５】
大気搬送室４０内は、大気雰囲気となっており、例えば清浄空気のダウンフローが形成されている。また、大気搬送室４０には、搬送機構４１が設けられている。搬送機構２１は、ロードロック室３１，３２、後述するロードポート５１〜５３のキャリアＣに対して、ウェハＷを搬送する。なお、搬送機構４１の動作は、制御装置７０によって制御される。
【００１６】
ロードポート５１〜５３は、大気搬送室４０の長辺の壁面に設けられている。ロードポート５１〜５３は、ウェハＷが収容されたキャリアＣ又は空のキャリアＣが取り付けられる。キャリアＣとしては、例えば、ＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）等を用いることができる。
【００１７】
ゲートバルブ６１〜６８は、開閉可能に構成される。なお、ゲートバルブ６１〜６８の開閉は、制御装置７０によって制御される。
【００１８】
制御装置７０は、処理室１１〜１４の動作、搬送機構２１，４１の動作、ゲートバルブ６１〜６８の開閉、ロードロック室３１，３２内の真空雰囲気または大気雰囲気の切り替え等を行うことにより、処理システム全体を制御する。
【００１９】
次に、処理システムの動作の一例について説明する。例えば、制御装置７０は、ゲートバルブ６７を開けるとともに、搬送機構４１を制御して、例えばロードポート５１のキャリアＣに収容されたウェハＷをロードロック室３１のステージ３１ａに搬送させる。制御装置７０は、ゲートバルブ６７を閉じ、ロードロック室３１内を真空雰囲気とする。
【００２０】
制御装置７０は、ゲートバルブ６１，６５を開けるとともに、搬送機構２１を制御して、ロードロック室３１のウェハＷを処理室１１のステージ１１ａに搬送させる。制御装置７０は、ゲートバルブ６１，６５を閉じ、処理室１１を動作させる。これにより、処理室１１でウェハＷに所定の処理（例えば、後述されるプリクリーン工程の処理）を施す。
【００２１】
次に、制御装置７０は、ゲートバルブ６１，６３を開けるとともに、搬送機構２１を制御して、処理室１１にて処理されたウェハＷを処理室１３のステージ１３ａに搬送させる。制御装置７０は、ゲートバルブ６１，６３を閉じ、処理室１３を動作させる。これにより、処理室１３でウェハＷに所定の処理（例えば、後述されるルテニウム埋込工程の処理等）を施す。
【００２２】
制御装置７０は、処理室１１で処理されたウェハＷを処理室１３と同様な処理が可能な処理室１４のステージ１４ａに搬送してもよい。本実施形態では、処理室１３及び処理室１４の動作状態に応じて処理室１１のウェハＷを処理室１３又は処理室１４に搬送する。これにより、制御装置７０は、処理室１３と処理室１４とを使用して複数のウェハＷに対して並行して所定の処理（例えば、後述されるルテニウム埋込工程の処理等）を行うことができる。これにより、生産性を高めることができる。
【００２３】
制御装置７０は、処理室１３又は処理室１４にて処理されたウェハＷを、搬送機構２１を制御してロードロック室３１のステージ３１ａ又はロードロック室３２のステージ３２ａに搬送させる。制御装置７０は、ロードロック室３１又はロードロック室３２内を大気雰囲気とする。制御装置７０は、ゲートバルブ６７又はゲートバルブ６８を開けるとともに、搬送機構４１を制御して、ロードロック室３２のウェハＷを例えばロードポート５３のキャリアＣに搬送して収容させる。
【００２４】
このように、図１に示す処理システムによれば、各処理室によってウェハＷに処理が施される間、ウェハＷを大気に曝露することなく、つまり、真空を破らずにウェハＷに所定の処理を施すことができる。
【００２５】
＜処理装置＞
次に、一実施形態に係る所定の処理である埋め込み方法に用いる処理室を実現する処理装置６００の構造の一例について図２を用いて説明する。図２は、処理装置６００の一例の断面模式図である。図２に示す処理装置６００は、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置であって、例えば、ルテニウムを埋め込むためのルテニウム埋込工程を行う装置である。例えば、ルテニウム含有ガス等のプロセスガスを供給し、ウェハＷにルテニウムの成膜処理等の所定の処理を行う。なお、処理装置６００は、後述するプリクリーン工程を行う機能を有していてもよい。以下、処理室１３に用いられる処理装置６００を例に挙げて説明する。
【００２６】
本体容器６０１は、上側に開口を有する有底の容器である。支持部材６０２は、ガス吐出機構６０３を支持する。また、支持部材６０２が本体容器６０１の上側の開口を塞ぐことにより、本体容器６０１は密閉され、処理室１３（併せて、図１参照）を形成する。ガス供給部６０４は、支持部材６０２を貫通する供給管６０２ａを介して、ガス吐出機構６０３にルテニウム含有ガス等のプロセスガスやキャリアガスを供給する。ガス供給部６０４から供給されたルテニウム含有ガスやキャリアガスは、ガス吐出機構６０３から処理室１３内へ供給される。
【００２７】
ステージ６０５は、ウェハＷを載置する部材であり、図１ではステージ１３ａとして図示している。ステージ６０５の内部には、ウェハＷを加熱するためのヒータ６０６が設けられている。また、ステージ６０５は、ステージ６０５の下面中心部から下方に向けて伸び、本体容器６０１の底部を貫通する一端が昇降板６０９を介して、昇降機構に支持された支持部６０５ａを有する。また、ステージ６０５は、断熱リング６０７を介して、温調部材である温調ジャケット６０８の上に固定される。温調ジャケット６０８は、ステージ６０５を固定する板部と、板部から下方に延び、支持部６０５ａを覆うように構成された軸部と、板部から軸部を貫通する穴部と、を有している。
【００２８】
温調ジャケット６０８の軸部は、本体容器６０１の底部を貫通する。温調ジャケット６０８の下端部は、本体容器６０１の下方に配置された昇降板６０９を介して、昇降機構６１０に支持される。本体容器６０１の底部と昇降板６０９との間には、ベローズ６１１が設けられており、昇降板６０９の上下動によっても本体容器６０１内の気密性は保たれる。
【００２９】
昇降機構６１０が昇降板６０９を昇降させると、ステージ６０５は、ウェハＷの処理が行われる処理位置（図２参照）と、搬入出口６０１ａを介して外部の搬送機構２１（図１参照）との間でウェハＷの受け渡しを行う受け渡し位置（図示せず）との間を昇降する。
【００３０】
昇降ピン６１２は、外部の搬送機構２１（図１参照）との間でウェハＷの受け渡しを行う際、ウェハＷの下面から支持して、ステージ６０５の載置面からウェハＷを持ち上げる。昇降ピン６１２は、軸部と、軸部よりも拡径した頭部と、を有している。ステージ６０５及び温調ジャケット６０８の板部には、昇降ピン６１２の軸部が挿通する貫通穴が形成されている。また、ステージ６０５の載置面側に昇降ピン６１２の頭部を収納する溝部が形成されている。昇降ピン６１２の下方には、当接部材６１３が配置されている。
【００３１】
ステージ６０５をウェハＷの処理位置（図２参照）まで移動させた状態において、昇降ピン６１２の頭部は溝部内に収納され、ウェハＷはステージ６０５の載置面に載置される。また、昇降ピン６１２の頭部が溝部に係止され、昇降ピン６１２の軸部はステージ６０５及び温調ジャケット６０８の板部を貫通して、昇降ピン６１２の軸部の下端は温調ジャケット６０８の板部から突き出ている。一方、ステージ６０５をウェハＷの受け渡し位置（図示せず）まで移動させた状態において、昇降ピン６１２の下端が当接部材６１３と当接して、昇降ピン６１２の頭部がステージ６０５の載置面から突出する。これにより、昇降ピン６１２の頭部がウェハＷの下面から支持して、ステージ６０５の載置面からウェハＷを持ち上げる。
【００３２】
環状部材６１４は、ステージ６０５の上方に配置されている。ステージ６０５をウェハＷの処理位置（図２参照）まで移動させた状態において、環状部材６１４は、ウェハＷの上面外周部と接触し、環状部材６１４の自重によりウェハＷをステージ６０５の載置面に押し付ける。一方、ステージ６０５をウェハＷの受け渡し位置（図示せず）まで移動させた状態において、環状部材６１４は、搬入出口６０１ａよりも上方で図示しない係止部によって係止される。これにより、搬送機構２１（図１参照）によるウェハＷの受け渡しを阻害しないようになっている。
【００３３】
チラーユニット６１５は、配管６１５ａ，６１５ｂを介して、温調ジャケット６０８の板部に形成された流路６０８ａに冷媒、例えば冷却水を循環させる。
【００３４】
伝熱ガス供給部６１６は、配管６１６ａを介して、ステージ６０５に載置されたウェハＷの裏面とステージ６０５の載置面との間に、例えばＨｅガス等の伝熱ガスを供給する。
【００３５】
パージガス供給部６１７は、配管６１７ａ、ステージ６０５の支持部６０５ａと温調ジャケット６０８の穴部の間に形成された隙間部、ステージ６０５と断熱リング６０７の間に形成され径方向外側に向かって延びる流路（図示せず）、ステージ６０５の外周部に形成された上下方向の流路（図示せず）にパージガスを流す。そして、これらの流路を介して、環状部材６１４の下面とステージ６０５の上面との間に、例えばＣＯ２ガス等のパージガスを供給する。これにより、環状部材６１４の下面とステージ６０５の上面との間の空間にプロセスガスが流入することを防止して、環状部材６１４の下面やステージ６０５の外周部の上面に成膜されることを防止する。
【００３６】
本体容器６０１の側壁には、ウェハＷを搬入出するための搬入出口６０１ａと、搬入出口６０１ａを開閉するゲートバルブ６１８と、が設けられている。ゲートバルブ６１８は、図１ではゲートバルブ６３として図示している。
【００３７】
本体容器６０１の下方の側壁には、排気管６０１ｂを介して、真空ポンプ等を含む排気部６１９が接続される。排気部６１９により本体容器６０１内が排気され、処理室１３内が所定の真空雰囲気（例えば、１．３３Ｐａ）に設定、維持される。
【００３８】
制御装置６２０は、ガス供給部６０４、ヒータ６０６、昇降機構６１０、チラーユニット６１５、伝熱ガス供給部６１６、パージガス供給部６１７、ゲートバルブ６１８、排気部６１９等を制御することにより、処理装置６００の動作を制御する。なお、制御装置６２０は、制御装置７０（図１参照）と独立に設けられていてもよく、制御装置７０が制御装置６２０を兼ねてもよい。
【００３９】
処理装置６００の動作の一例について説明する。なお、開始時において、処理室１３内は、排気部６１９により真空雰囲気となっている。また、ステージ６０５は受け渡し位置に移動している。
【００４０】
制御装置６２０は、ゲートバルブ６１８を開ける。ここで、外部の搬送機構２１により、昇降ピン６１２の上にウェハＷが載置される。搬送機構２１が搬入出口６０１ａから出ると、制御装置６２０は、ゲートバルブ６１８を閉じる。
【００４１】
制御装置６２０は、昇降機構６１０を制御してステージ６０５を処理位置に移動させる。この際、ステージ６０５が上昇することにより、昇降ピン６１２の上に載置されたウェハＷがステージ６０５の載置面に載置される。また、環状部材６１４がウェハＷの上面外周部と接触し、環状部材６１４の自重によりウェハＷをステージ６０５の載置面に押し付ける。
【００４２】
処理位置において、制御装置６２０は、ヒータ６０６を動作させるとともに、ガス供給部６０４を制御して、ルテニウム含有ガス等のプロセスガスやキャリアガスをガス吐出機構６０３から処理室１２内へ供給させる。これにより、ウェハＷに成膜等の所定の処理が行われる。処理後のガスは、環状部材６１４の上面側の流路を通過し、排気管６０１ｂを介して排気部６１９により排気される。
【００４３】
この際、制御装置６２０は、伝熱ガス供給部６１６を制御して、ステージ６０５に載置されたウェハＷの裏面とステージ６０５の載置面との間に伝熱ガスを供給する。また、制御装置６２０は、パージガス供給部６１７を制御して、環状部材６１４の下面とステージ６０５の上面との間にパージガスを供給する。パージガスは、環状部材６１４の下面側の流路を通過し、排気管６０１ｂを介して排気部６１９により排気される。
【００４４】
所定の処理が終了すると、制御装置６２０は、昇降機構６１０を制御してステージ６０５を受け取り位置に移動させる。この際、ステージ６０５が下降することにより、環状部材６１４が図示しない係止部によって係止される。また、昇降ピン６１２の下端が当接部材６１３と当接することにより、昇降ピン６１２の頭部がステージ６０５の載置面から突出し、ステージ６０５の載置面からウェハＷを持ち上げる。
【００４５】
制御装置６２０は、ゲートバルブ６１８を開ける。ここで、外部の搬送機構２１により、昇降ピン６１２の上に載置されたウェハＷが搬出される。搬送機構２１が搬入出口６０１ａから出ると、制御装置６２０は、ゲートバルブ６１８を閉じる。
【００４６】
このように、図２に示す処理装置６００によれば、ウェハＷに成膜等の所定の処理を行うことができる。なお、処理室１３を有する処理装置６００について説明したが、処理室１１を有する処理装置、処理室１２を有する処理装置、処理室１４を有する処理装置についても同様の構成を有していてもよく、異なっていてもよい。
【００４７】
＜一実施形態に係る埋め込み方法＞
次に、一実施形態に係るウェハＷに形成された凹部へのルテニウムの埋め込み方法について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、一実施形態に係るルテニウム埋め込み時の選択比の一例を示す図である。図４は、一実施形態に係る埋め込み方法の各工程を示すウェハの断面模式図である。
【００４８】
図３では、例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）、シリコン膜（Ｓｉ）、チタン膜（Ｔｉ）、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）の各材料上にルテニウム膜を１ｎｍ成膜する条件において、金属膜、例えば、タングステン上にルテニウム膜をどれだけ成膜できたかの実験結果の一例を示す。図３では、対象となる材料上にルテニウム膜を１ｎｍ成膜する条件において、タングステン上にルテニウム膜をどれだけ成膜できるかを「選択比」で示している。
【００４９】
この実験結果では、酸化シリコン膜上にルテニウム膜を１ｎｍ成膜する条件においてタングステン上にはルテニウム膜が約６ｎｍ成膜された。つまり、選択比は約６．０であることがわかった。
【００５０】
また、シリコン膜上にルテニウム膜を１ｎｍ成膜する条件においてタングステン上にはルテニウム膜が約４．０ｎｍ成膜され、選択比が約４．０であることがわかった。同様にして、チタン膜上にルテニウム膜を１ｎｍ成膜する条件においてタングステン上にはルテニウム膜が約９．０ｎｍ成膜され、選択比が約９．０であることがわかった。さらに、窒化シリコン膜上にルテニウム膜を１ｎｍ成膜する条件においてタングステン上にはルテニウム膜が約２．０ｎｍ成膜され、選択比が約２．０であることがわかった。
【００５１】
酸化シリコン膜、シリコン膜、チタン膜、窒化シリコン膜の各材料に対するタングステンの選択比が大きいほど、タングステン上にルテニウム膜が成膜され易く、対応する各材料にはルテニウム膜が成膜され難い。この実験結果では、対応する材料は、選択比が大きい順に、チタン膜、酸化シリコン膜、シリコン膜、窒化シリコン膜となった。また、最も選択比が小さい窒化シリコン膜においても選択比は約２．０であり、１よりも大きくなった。よって、いずれの材料においても各材料上よりもタングステン上によりルテニウム膜が付き易く、最も選択比が小さい窒化シリコン膜においても窒化シリコン膜上よりもタングステン上に約２倍の成膜レートでルテニウム膜が成膜されることがわかった。
【００５２】
以上に説明した選択性を利用して、一実施形態に係るウェハＷに形成された凹部へのルテニウムの埋め込み方法について、図４を参照しながら説明する。
【００５３】
図４（ａ）は、処理システムに供給されるウェハＷの断面模式図である。図４（ａ）に示すように、処理システムに供給されるウェハＷは、下地膜１０１の上に絶縁膜１１０が積層されて形成されている。下地膜１０１には、金属層１０２が形成されている。金属層１０２の材料は、ルテニウムが金属層１０２中に拡散しない金属材料を用いることができ、例えば、タングステン、銅、ルテニウム等を用いることができる。
【００５４】
下地膜１０１の上に形成される絶縁膜１１０は、例えば、酸化シリコン膜、シリコン膜、窒化シリコン膜等のシリコン含有膜で構成される。ただし、絶縁膜１１０の材料には、金属層１０２に対するルテニウムの成膜レートが、絶縁膜１１０に対するルテニウムの成膜レートよりも高くなる材料であればいずれも選定できる。また、絶縁膜１１０は、酸化シリコン膜、シリコン膜、窒化シリコン膜の単層膜に限られず、例えば酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜等、異なるシリコン含有膜を組み合わせた積層膜であってもよい。また、シリコン含有膜に替えてチタン膜であってもよい。絶縁膜１１０には、トレンチ、ビアホール、コンタクトホール等の凹部１１３が形成され、凹部１１３の底部では、金属層１０２が露出している。
【００５５】
図４（ｂ）は、ルテニウム埋込工程の途中のウェハＷの断面模式図である。ルテニウム埋込工程は、処理室１３又は処理室１４（図１参照）で行われる。ここでは、ルテニウム埋込工程を処理室１３で行う例を挙げて説明する。また、絶縁膜１１０として酸化シリコン膜を例に挙げ、金属層１０２としてタングステンを例に挙げて説明する。
【００５６】
ルテニウム埋込工程を行う処理室１３としては、図２に一例を示したＣＶＤ装置等を用いることができる。まず、ウェハＷを搬入した処理室１３内にルテニウムを含有するガスを供給する。例えば、処理室１３内にドデカカルボニル三ルテニウム（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）を供給するとともに、ステージ１３ａに載置されたウェハＷをヒータ６０６（図２参照）により加熱する。
【００５７】
ウェハＷの表面に吸着したＲｕ３（ＣＯ）１２が熱分解することにより、ルテニウムが成膜される。ここで、Ｒｕ３（ＣＯ）１２が熱分解することによる成膜方法では、凹部１１３に形成された酸化シリコン膜の絶縁膜１１０の側面上での成膜レートに対して、タングステンの金属層１０２の表面上での成膜レートは約６倍になる（図３参照）。つまり、凹部１１３の側面からのルテニウムの成膜速度は凹部１１３の底部からの成膜速度の約１／６のスピードである。
【００５８】
この選択性を利用して、図４（ｂ）の矢印で示すように凹部１１３の底部からボトムアップでルテニウムが埋め込まれてルテニウム埋込部２１０が形成される。これにより、凹部１１３の底部からルテニウムを埋め込むことができ、ボイドやシームの発生を抑制することができる。
【００５９】
なお、ルテニウム埋込工程は、Ｒｕ３（ＣＯ）１２を用いて成膜するものとして説明したが、ルテニウムを含有するガスは、これに限られるのではなく、Ｒｕ３（ＣＯ）１２を含有するガス（ただし、酸素ガスは含有しない）、(２，４−ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ)（ｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（ＤＭＰＤ）（ＥｔＣｐ））、ｂｉｓ（２，４−ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（ＤＭＰＤ）２）、４−ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）（ｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（ＤＭＰＤ）（ＭｅＣｐ））、Ｂｉｓ（Ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ：（Ｒｕ（Ｃ５Ｈ５）２）、Ｃｉｓ−ｄｉｃａｒｂｏｎｙｌ  ｂｉｓ（５−ｍｅｔｈｙｌｈｅｘａｎｅ−２，４−ｄｉｏｎａｔｅ）ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（II）、ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（II）：Ｒｕ（ＥｔＣｐ）２等を用いてもよい。
【００６０】
図４（ｃ）は、ルテニウム埋込工程が完了した後のウェハＷの断面模式図である。ルテニウム埋込工程では、図４（ｃ）の大きな矢印に示すように凹部１１３の底部からボトムアップでルテニウム埋込部２１０が形成される。また、図４（ｃ）の小さな矢印に示すように側面にも徐々にルテニウムが成膜される。このようにして、ボイドやシームの発生を抑制しながら、徐々にコンフォーマルにルテニウムが成膜され、凹部１１３の全体に埋め込まれたルテニウム埋込部２１０が形成される。
【００６１】
なお、一実施形態にかかるルテニウム埋込工程では、処理室１３に供給するガスに酸素ガスを用いないルテニウムの成膜方法を用いることが好ましい。これにより、凹部１１３の底部の金属層１０２の表面が酸素ガスによって酸化することを防止することができる。
【００６２】
＜変形例＞
次に、一実施形態の変形例に係る埋め込み方法について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、一実施形態の変形例に係る前工程の有無と選択比の一例を示す図である。図６は、一実施形態の変形例に係る埋め込み方法の各工程を示すウェハの断面模式図である。
【００６３】
本変形例では、上記のルテニウム埋込工程の前処理としてプリクリーン工程を実行した場合と実行しない場合について、選択比にどのような影響があるのかの実験を行った。図５にその実験結果の一例を示す。
【００６４】
図５の実験条件としては、金属層１０２がタングステン、絶縁膜１１０が酸化シリコン膜である。図５の横軸はルテニウムの成膜時間を示し、縦軸はタングステン上のルテニウムの厚さを示す。
【００６５】
プリクリーン工程では、金属層１０２の表面に形成された金属酸化膜を除去する。凹部１１３の底部で露出する金属層１０２の表面には、例えば、大気雰囲気中の酸素等によって自然酸化した金属酸化膜が形成されることがある。
【００６６】
そこで、本実験では、プリクリーン工程にてタングステンの表面に形成された金属酸化膜を除去する場合と、プリクリーン工程を実行しない場合でルテニウムの成膜にどのような違いがあるかを検証した。
【００６７】
図５の実験結果では、プリクリーン工程を実行した場合、プリクリーン工程を実行しなかった場合と比較して、タングステン上に成膜されるルテニウムが厚くなることがわかった。また、その結果は、ルテニウムの成膜時間に依存せず、同様な傾向を示した。つまり金属層１０２の表面上の金属酸化膜を除去した後にルテニウム埋込工程を実行することで、タングステン上に成膜されたルテニウムの厚さは、金属酸化膜を除去せずにルテニウムを埋め込む場合と比較して成膜時間に応じて概ね１．３〜２倍に厚くできた。つまり、プリクリーン工程を実行することで、ルテニウム埋込工程において更に選択比を高くできることがわかった。
【００６８】
そこで、一実施形態の変形例に係る埋め込み方法では、ルテニウム埋込工程の前工程としてプリクリーン工程を実行し、図６（ａ）に示した金属層１０２の表面に形成された金属酸化膜１０２ａを除去する。金属酸化膜１０２ａを除去する方法は、限定されるものではなく、例えば、還元により金属酸化膜１０２ａを除去してもよく、エッチングにより金属酸化膜１０２ａを除去してもよい。
【００６９】
図６（ｂ）は、プリクリーン工程後のウェハＷの断面模式図である。プリクリーン工程を行うことで、金属酸化膜１０２ａが除去された金属層１０２上にルテニウムをボトムアップで成膜することができる。
【００７０】
なお、本変形例では、プリクリーン工程は、処理室１１（図１参照）で行われる。プリクリーン工程を行う処理室１１としては、エッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、ＣＶＤ装置等を用いることができる。処理室１１にてプリクリーン工程後のウェハＷは、処理室１３又は処理室１４に搬送される。
【００７１】
図６（ｃ）は、ルテニウム埋込工程の途中のウェハＷの断面模式図である。
【００７２】
なお、本変形例にかかるルテニウム埋込工程では、処理室１３に供給するガスに酸素ガスを用いないルテニウムの成膜方法を用いることが好ましい。これにより、凹部１１３の底部の金属層１０２の表面が酸素ガスによって再び酸化することを防止することができる。
【００７３】
変形例に係るルテニウム埋込工程においても、図６（ｃ）及び（ｄ）の矢印に示すように凹部１１３の底部からボトムアップでルテニウム埋込部２１０が形成される。更に、図５に示すように、プリクリーン工程を実行した効果としてプリクリーン工程を実行しなかった場合と比較して、ルテニウム埋込工程における選択比を更に高くできる。この結果、ボトムアップで形成されるルテニウム埋込部２１０の成膜スピードが高くなり、同一の埋込時間において、図６（ｃ）に模式的に図示するプリクリーン工程を実行した場合のルテニウムの厚さＡ２は、プリクリーン工程を実行しなかった場合のルテニウムの厚さＡ１よりも厚くなる。これにより、ボイドやシームの発生を抑制しながら、凹部１１３の全体により短時間でルテニウムを埋め込むことができ、生産性を高めることができる。
【００７４】
＜第１参考例に係る埋め込み方法＞
図７は、第１参考例に係る埋め込み方法の各工程を示すウェハＷの断面模式図である。
【００７５】
図７（ａ）は、処理システムに供給されるウェハＷの断面模式図である。図７（ａ）に示すように、処理システムに供給されるウェハＷは、凹部１１３の底部で露出する金属層１０２の表面に金属酸化膜１０２ａが形成されている。
【００７６】
図７（ｂ）は、プリクリーン工程後のウェハＷの断面模式図である。第１参考例のプリクリーン工程では、金属層１０２の金属酸化膜１０２ａを除去する。
【００７７】
図７（ｃ）は、第１参考例のルテニウム埋込工程後のウェハＷの断面模式図である。第１参考例のルテニウム埋込工程では、コンフォーマルなライナー膜３１０を形成する。例えば、ＴａＮのライナー膜を形成する。
【００７８】
図７（ｄ）は、コンフォーマルなライナー膜３１０の上に、一実施形態及び変形例に係るルテニウム埋込工程と同じように、Ｒｕ３（ＣＯ）１２を用いてライナー膜３１０が形成された凹部１１３にルテニウムを埋め込み、ルテニウム埋込部３２０を形成する。
【００７９】
以上に説明した第１参考例では、ルテニウムよりも比抵抗の高いＴａＮのライナー膜３１０を形成したことにより、電気抵抗を下げることができない。
【００８０】
これに対して、一実施形態及びその変形例に係る埋め込み方法によれば、カバレッジが良好なルテニウムで凹部１１３を埋め込むことができる。また、ルテニウムはタングステンの金属層１０２に拡散しない。これにより、比抵抗の高い金属材料からなるライナー膜やバリア膜を用いる場合と比較して、電気抵抗を低減させることができる。
【００８１】
以上から、一実施形態及びその変形例に係る埋め込み方法によれば、低抵抗なルテニウムの埋め込み方法を実現することができる。また、一実施形態及びその変形例に係る処理システムによれば、各処理室によってウェハＷに各処理が施される間、真空を破らずに連続してウェハＷにプリクリーン工程やルテニウム埋込工程の処理を施すことができる。
【００８２】
以上、本開示の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本開示は、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本開示の範囲を逸脱することなしに、種々の変形、置換等が適用され得る。また、別々に説明された特徴は、技術的な矛盾が生じない限り、組み合わせが可能である。
【００８３】
処理室１１〜１４の個数、真空搬送室２０の個数、ロードロック室３１，３２の個数、大気搬送室４０の個数、ロードポート５１〜５３の個数、ゲートバルブ６１〜６８の個数は、図１に示す個数に限られるものではなく、いくつであってもよい。また、処理システムにおいて、処理室１３、１４にてルテニウム埋込工程の処理を行うものとして説明したが、処理室１２〜１４でルテニウム埋込工程の処理を行ってもよい。複数の処理室を使用して異なるウェハへのルテニウム埋込工程を並行して行うことで生産性を向上させることができる。また、処理室１２を処理室１１と同様にプリクリーン工程を実施する処理室としてもよく、生産性の観点からプリクリーン工程およびルテニウム埋込工程を実施する処理装置の数をシステム構成と照らし合わせて任意に設定することができる。
【００８４】
すなわち、本開示の処理室は、１つであってもよいが、２以上であることが好ましい。本開示の処理室は、絶縁層に形成された凹部の底部に金属層を有する基板から前記金属層の表面の金属酸化膜を除去するプリクリーン工程を実行する第１処理室と、前記凹部の底部からルテニウムを埋め込む工程を実行する第２処理室とから構成されてもよい。ルテニウムを埋め込む工程を２つの処理室で実行する場合には、本開示の処理室は、前記第１処理室と、前記第２処理室と、前記凹部の底部からルテニウムを埋め込む工程を実行する第３処理室とから構成されてもよい。
【００８５】
本開示の処理室は、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のどのタイプでも適用可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１１〜１４  処理室
２０        真空搬送室
２１        搬送機構
３１，３２  ロードロック室
４０        大気搬送室
４１        搬送機構
５１〜５３  ロードポート
６１〜６８  ゲートバルブ
７０        制御装置
１０１      下地膜
１０２      金属層
１０２ａ    金属酸化膜
１１０      絶縁膜
１１３      凹部
２１０      ルテニウム埋込部
Ｗ          ウェハ
Ｃ          キャリア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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