(57)【要約】【課題】アスペクト比が大きい凹部を持つ被処理体の表面に凝集性の高い金属を用いた場合であっても連続した薄膜を形成すること。【解決手段】基板を反応容器内に搬入、載置する工程と、反応容器内に第１の金属の化合物を含む原料ガスを供給して基板表面に当該第１の金属の化合物を吸着させる工程と、この第１の金属の化合物を還元性ガスを活性化させた還元用プラズマに接触させて第１の金属層を得る工程と、第１の金属とは異なる少なくとも表面部が第２の金属からなるターゲット電極にスパッタ用プラズマを接触させて叩き出した第２の金属を第１の金属層に注入して合金層を得る工程と、を含み、これらの吸着、還元、合金化の一連の工程を１回以上行う成膜方法を提供する。この方法により第一の金属の凝集力が強い場合でも基板における移動が抑制されて、連続した膜厚の小さい薄膜を形成できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を反応容器内に搬入して載置部に載置する工程と、
次いで、前記反応容器内に第１の金属の化合物を含む原料ガスを供給して前記基板の表面に当該第１の金属の化合物を吸着させる吸着工程と、
前記基板に吸着された第１の金属の化合物を、還元反応のためのエネルギーを当該化合物に供給しながら還元用ガスに接触させることにより還元して第１の金属層を得る還元工程と、
前記基板に対向し、第１の金属とは異なる、少なくとも表面部が第２の金属からなるターゲット電極に、スパッタ用ガスを活性化して得たスパッタ用プラズマを接触させて叩き出された第２の金属を前記第１の金属層中に注入して第１の金属及び第２の金属の合金層を得る合金化工程と、を含み、
前記吸着工程、還元工程及び合金化工程からなる一連のサイクルを１回以上行うことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
合金化工程は、基板を加熱しながら行われることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
第１の金属層を得る還元工程において、還元反応のため前記化合物に供給されるエネルギーは、還元用ガスを活性化して得られた還元用プラズマのエネルギー、熱エネルギー、及び／または光エネルギーであることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記吸着工程の後、還元工程及び合金化工程を同時に行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項５】
平行平板電極の一方の電極及び他方の電極を夫々基板の載置部及びターゲット電極とし、これら電極間に高周波電圧を印加することにより前記還元工程及び吸着工程を実施することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項６】
ターゲット電極に第２の金属層をプリコートしておくことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項７】
前記他方の電極は多数のガス供給孔が形成されていて、前記原料ガス、還元用ガス及びスパッタ用ガスを反応容器内に供給するように構成されていることを特徴とする請求項５または６記載の成膜方法。
【請求項８】
吸着工程に続いて反応容器内を排気する工程が行われることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項９】
前記一連のサイクルは複数回行われ、各サイクルの間には反応容器内を排気する工程が行われることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項１０】
還元用ガスは、水素ガスまたはアンモニアガスであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項１１】
第１の金属は銅であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の成膜方法。
【請求項１２】
基板を載置するための載置部が設けられた反応容器と、
前記載置部に載置された基板を加熱するための加熱手段と、
この反応容器内に第１の金属の化合物を含む原料ガスを供給して前記基板の表面に当該第１の金属の化合物を吸着させるための原料ガス供給手段と、
前記反応容器内に、第１の金属の化合物を還元するための還元用ガスを供給するための還元用ガス供給手段と、
前記基板に吸着された第１の金属の化合物に還元反応のためのエネルギーを供給する手段と、
前記基板に対向し、第１の金属とは異なる、少なくとも表面部が第２の金属からなるターゲット電極と、
前記ターゲット電極をスパッタするために、スパッタ用ガスを活性化して得たスパッタ用プラズマ雰囲気を反応容器内に形成するためのプラズマ発生手段と、
前記原料ガス供給手段により基板に前記原料ガスを供給するステップ、基板に吸着された第１の金属の化合物に前記エネルギーを与えながら還元用ガスにより当該化合物を還元するステップ、ターゲット電極に、スパッタ用プラズマを接触させることにより第２の金属を叩き出し、前記第１の金属層中に注入して第１の金属及び第２の金属の合金層を得るステップを含む一連のサイクルを１回以上行うように前記各手段を制御するための制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項１３】
前記第１の金属の化合物を還元するステップ及び第２の金属を第１の金属層中に注入して第１の金属及び第２の金属の合金層を得るステップは、同時に行われることを特徴とする請求項１２記載の成膜装置。
【請求項１４】
還元反応のためのエネルギーを供給する手段は、前記還元用ガスを活性化して還元用プラズマ雰囲気を前記反応容器内に形成するためのプラズマ発生手段、熱エネルギー発生手段、及び／または光エネルギー発生手段であることを特徴とする請求項１２または１３記載の成膜装置。
【請求項１５】
基板の載置部及びターゲット電極は、夫々平行平板電極の一方の電極及び他方の電極を兼用し、
還元用プラズマ雰囲気を形成するためのプラズマ発生手段及びスパッタ用プラズマ雰囲気を形成するためのプラズマ発生手段を兼用すると共に前記平行平板電極間に高周波電圧を印加する高周波電源部を設けたことを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか一つに記載の成膜装置。
【請求項１６】
ターゲット電極には第２の金属層がプリコートされていることを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれか一つに記載の成膜装置。
【請求項１７】
反応容器内に基板を搬入して成膜処理を行うための成膜装置に用いられるコンピュータ用のプログラムであって、請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の工程を実施するためのプログラムを格納したことを特徴とする記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の基板に対して金属合金の薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関し、更にその方法を実行するためのプログラムを格納した記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、集積回路（ＩＣ）等の半導体デバイスには、例えばシリコン基板などの半導体ウエハ（以下ウエハと略す）において、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）等により形成される絶縁膜中に導体としての金属が埋め込まれる形で配線が形成されている。配線の形成手法としては、例えば前記シリコン基板の表面に形成されたシリコン酸化膜などの絶縁膜に配線溝を形成し、この配線溝に導体としての金属を埋め込んだ後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing 化学的機械研磨法）により余分な金属膜を除去し、ウエハの表面を平坦化する手法が知られている。この埋め込みは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用いると表面が粗くなり形成された配線が各所で電気抵抗が大きく異なってしまう場合があるので通常、電解メッキにより行われている。つまり、先ず形成された配線溝の表面に例えばＡＬＤ技術を用いたＣＶＤ、あるいはスパッタ等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）等の手法により、チタンナイトライド（ＴｉＮ）等からなるバリア層を形成する。このバリア層は後に配線を構成する金属を埋め込んだ際に当該金属が絶縁膜（ＳｉＯ2）中に浸透するのを抑える働きを持つ。なおＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）とは、基板表面に原子または分子層を一層ずつ積み上げて薄膜を形成していく手法であり、形成する膜厚のコントロールに優れている。またスパッタとは高真空中で、金属のバルクにアルゴンイオンなどの高エネルギーのイオンをぶつけて、玉突きの要領でバルクの表面の金属原子を叩き出し、その叩き出した金属原子を基板の表面に層状に付着させるという手法である。
【０００３】
それからこのバリア層の表面に電解メッキを行う際の電極用下地として、シード層と呼ばれる金属の薄膜を形成する。このシード層の形成は上述のように表面が平滑な配線を得るためにスパッタを用いることで行われる。シード層が形成された後、電解メッキ法によってそのシード層を構成する金属と同種の金属により前記配線溝が埋め込まれる。なお前記ＣＭＰ処理後、配線溝が形成された絶縁膜上にさらに絶縁膜を形成して、同様な工程を繰り返すことで多層配線構造が形成される。
【０００４】
ところで近年、半導体デバイスの高集積化及び高速化の要望に伴って、上記のように多層配線構造を形成する以外にも、配線幅を縮小化させる試みが進められている。しかしこの試みが進むにつれて新たな課題が浮かび上がってきた。上述のようにシード層を形成する場合に用いているスパッタとは金属バルクの原子を叩き出して散乱させて基板表面に吸着させる手法である。従ってその原子が散乱する方向を制御することは困難である。即ち配線幅が小さくなることで、配線溝のアスペクト比（配線溝の深さ／配線溝の入口の幅）が大きくなると金属原子は効率よく配線溝やビアホールに侵入しにくくなり、それらに対する段差被覆性が悪くなり、またシード層に不連続点が形成されてしまう。前述のように電解メッキ法などによって配線溝を埋め込む場合に、メッキを構成する金属が完全に配線溝を埋め尽くさず、形成された配線中にボイドが発生することになる。このようにボイドが発生した配線はストレスマイグレーション（金属配線とその周囲の絶縁膜との熱膨張係数との差が原因で配線に応力が働き、配線中の金属原子が移動する現象）やエレクトロマイグレーション（金属中に電流が流れているときに電子が原子に衝突する結果原子が移動する現象）を引き起こしやすくなる。その結果として断線が起こりやすくなる。
【０００５】
また配線幅を小さくすることにより起こる前述のストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションの影響を小さくするために現在では、かつて広く用いられていたＡｌ(アルミニウム)に代わり、Ａｌよりも高い強度を持ち、かつ電気抵抗の低いＣｕ（銅）を用いて配線が形成されることが多くなった。
【０００６】
しかしこのＣｕは原子または分子同士の凝集力が強いという性質を持っている。図６はＰＶＤにより、ウエハＷ表面にシード層を形成する場合のＣｕ原子１の動態を模式的に示している。シード層形成の初期においてはウエハＷ表面にまばらにＣｕ原子１が付着していくが、ウエハＷ表面に付着したＣｕ原子１が多くなると（図６（ａ））、当該Ｃｕ原子１は周囲に存在する原子と互いに引き合い凝集する（図６（ｂ））。凝集を繰り返した結果、島のような巨大なＣｕ分子１２が形成成長する（図６（ｃ））。そして島状成長の結果、ウエハ表面に供給されるＣｕの量が不充分であるとシード層には不連続点が形成されることになる。不連続点が形成されていると前述のように電解メッキなどによって配線溝を埋め立てた場合に配線中にボイドが形成され断線を引き起こし易くなる。このような理由からアスペクト比の大きい凹部について膜厚の小さいシード層を得ることは困難であり、従って配線幅の縮小化も困難になっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は上記した従来技術の欠点を除くことにあるが、更に合金薄膜を金属原料ガスにより得ようとすると、互いに異なる原料が反応しないように原料ガスを選定する必要があるので、その原料ガスの自由度が小さく、この点を解決することも課題の一つである。
【０００８】
即ち本発明のその目的とするところは、金属原料の組み合わせを考慮することなく、合金薄膜を成膜することのできる技術を提供することにある。そして凝集性の高い金属を用いた場合においてもウエハ等の基板表面に連続した薄膜を形成し、さらに例えばアスペクト比の高い配線溝においても高い被覆性を示す成膜手法及び成膜装置並びにその手法を実施するプログラムを格納した記憶媒体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る成膜方法は、基板を反応容器内に搬入して載置部に載置する工程と、次いで、前記反応容器内に第１の金属の化合物を含む原料ガスを供給して前記基板の表面に当該第１の金属の化合物を吸着させる吸着工程と、前記基板に吸着された第１の金属の化合物を、還元反応のためのエネルギーを当該化合物に供給しながら還元用ガスに接触させることにより還元して第１の金属層を得る還元工程と、前記基板に対向し、第１の金属とは異なる、少なくとも表面部が第２の金属からなるターゲット電極に、スパッタ用ガスを活性化して得たスパッタ用プラズマを接触させて叩き出された第２の金属を前記第１の金属層中に注入して第１の金属及び第２の金属の合金層を得る合金化工程と、を含み、前記吸着工程、還元工程及び合金化工程からなる一連のサイクルを１回以上行うことを特徴とする。
【００１０】
合金化工程は、例えば基板を加熱しながら行われ、それによってアニールされるので第２の金属が第１の金属を伝って拡散するが、本発明では、合金化工程の後に例えば別の装置で加熱を行ってアニールしてもよい。このアニールによりアスペクト比が大きい凹部の場合には、奥深くまで第２の金属が拡散するが、本発明は、第２の金属を拡散させることは必ずしも必要ではない。第１の金属層を得る還元工程において、還元反応のため前記化合物に供給されるエネルギーは、例えば還元用ガスを活性化して得られた還元用プラズマのエネルギーを好適な例として挙げることができるが、熱エネルギーあるいは光エネルギーなどであってもよい。前記方法において、前記吸着工程の後、還元工程及び合金化工程を同時に行ってもよく、還元用プラズマを利用する場合には、還元用プラズマ及びスパッタ用プラズマが混合されたプラズマを反応容器内に生成することにより実施することができる。より具体的には、平行平板電極の一方の電極及び他方の電極を夫々基板の載置部及びターゲット電極とし、これら電極間に高周波電圧を印加することにより前記還元工程及び合金化工程を実施してもよい。またターゲット電極、例えば平行平板電極の前記他方の電極に第２の金属層をプリコートしておくことにより本発明を実施できる。さらに前記他方の電極は多数のガス供給孔が形成されていて、前記原料ガス、還元用ガス及びスパッタ用ガスを反応容器内に供給するように構成されていること、つまりガスの吹き出し部を兼用することが好ましい。また還元用ガスは、例えば水素ガスまたはアンモニアガスを挙げることができ、第１の金属の好適な例としては銅を挙げることができる。
【００１１】
本発明に係る成膜装置は、基板を載置するための載置部が設けられた反応容器と、前記載置部に載置された基板を加熱するための加熱手段と、この反応容器内に第１の金属の化合物を含む原料ガスを供給して前記基板の表面に当該第１の金属の化合物を吸着させるための原料ガス供給手段と、前記反応容器内に、第１の金属の化合物を還元するための還元用ガスを供給するための還元用ガス供給手段と、前記基板に吸着された第１の金属の化合物に還元反応のためのエネルギーを供給する手段と、前記基板に対向し、第１の金属とは異なる、少なくとも表面部が第２の金属からなるターゲット電極と、前記ターゲット電極をスパッタするために、スパッタ用ガスを活性化して得たスパッタ用プラズマ雰囲気を反応容器内に形成するためのプラズマ発生手段と、前記原料ガス供給手段により基板に前記原料ガスを供給するステップ、基板に吸着された第１の金属の化合物に前記エネルギーを与えながら還元用ガスにより当該化合物を還元するステップ、ターゲット電極に、スパッタ用プラズマを接触させることにより第２の金属を叩き出し、前記第１の金属層中に注入して第１の金属及び第２の金属の合金層を得るステップを含む一連のサイクルを１回以上行うように前記各手段を制御するための制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
還元反応のためのエネルギーを供給する手段としては、前記還元用ガスを活性化して還元用プラズマ雰囲気を前記反応容器内に形成するためのプラズマ発生手段、熱エネルギー発生手段、及び／または光エネルギー発生手段を好ましい例として挙げることができる。また基板の載置部及びターゲット電極は、例えば夫々平行平板電極の一方の電極及び他方の電極を兼用し、これら電極間に高周波電圧を印加することにより、前記還元用プラズマ及びスパッタ用プラズマを発生させようにしてもよい。
【００１３】
本発明は、上述の方法を実施するためのプログラムを格納した記憶媒体としても成り立つものであり、本発明の記憶媒体は、反応容器内に基板を搬入して成膜処理を行うための成膜装置に用いられるコンピュータ用のプログラムであって、本発明の方法を実施するためのプログラムを格納したことを特徴とする。具体的には、プログラムは、上記の各ステップを実施するための命令群を含むものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、原料ガスを用いて第１の金属を基板表面に吸着させ、次いでスパッタにより第２の金属を基板に付着させて合金化しているので、合金薄膜を容易に得ることができ、例えば配線自体の形成などに適用することができる。そして例えば凹部内に合金薄膜を形成する場合、凹部のアスペクト比が大きくても第１の金属は底部まで吸着する。次いでスパッタによる第２の金属が凹部内に付着するが、基板を加熱してアニールすることにより第２の金属は第１の金属を伝って拡散していくので、結果として凹部の底部まで合金薄膜を形成することができ、この点においてスパッタのみによる薄膜形成法に比べて優れている。また第１の金属の凝集力が例えばＣｕのように強い場合でも、第２の金属との合金が形成されることで第１の金属の基板表面における移動が抑制される。その結果、第１の金属を含む金属薄膜(合金薄膜)を小さい膜厚で形成することができる。
【００１５】
このため本発明の利用価値は大きい。例えば半導体デバイスの配線層をメッキにより形成するために凹部にシード層を形成する手法として、本発明に係る方法を適用することで、膜厚の小さい連続的なシード層を形成することができる。従って形成されたシード層に対してメッキを施して配線を形成した場合に配線中のボイドの発生が抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に本発明に係る成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す。当該装置は被処理体としてのウエハＷの表面にＣｕ（銅）により構成されるシード層を形成する成膜装置であるが、先ずこの成膜装置の全体の構成を説明する。図中２は処理容器であり、その底面中央には凹部２０が形成されている。この凹部２０の側壁には排気口２１が形成されており、排気口２１は圧力調整部２２を介して、当該圧力調整部２２と共に真空排気手段を構成する真空ポンプ２３と連通しており、更に圧力調整部２２は後述の制御部５からの制御信号により例えばバルブの開度が調節されて処理容器２内を所定の真空圧に維持できるようになっている。また、処理容器２の側壁部にはウエハＷの受け渡し時に搬送アーム（不図示）の進入が可能なように開口部２４が形成されて、ゲートバルブＧにより、開閉自在とされている。処理容器２の壁部には例えば抵抗発熱体よりなり、後述の制御部５により発熱量が制御されるヒータ２５が埋設されている。
【００１７】
処理容器２内には基板の載置部として構成されている載置台３が支持部３１を介して支持して設けられている。この載置台３は例えばアルミニウムよりなると共にその形状は円柱状とされており、上面は図示しない静電チャックの働きによりウエハＷを吸着保持できるようになっている。載置台３の内部にはヒータなどの加熱手段や冷媒流路などを組み合わせた温調手段３２が設けられており、プラズマの発熱とこの温調手段３２の温調作用によりウエハＷが予め設定した温度に維持される。また載置台３の内部には、搬送アーム（不図示）との間でウエハＷの受け渡しを行う例えば３本のリフトピン３３が設けられている。リフトピン３３は突没自在とされており、その昇降はリフトピン３３の下端部を支持する支持部材３４を介し昇降機構３５の働きにより行われる。
【００１８】
処理容器２の内部には、上部側に例えばセラミックスなどよりなる絶縁部材２ａ及び支持部２ｂを介してガス供給部であるガスシャワーヘッド２３が設けられている。またガスシャワーヘッド２３の天井部には第１及び第２のガス供給管４ａ、４ｂが接続されていると共に下面側には多数のガス供給孔２ｃが形成されており、第１のガス供給管４ａ及び第２のガス供給管４ｂからのガスが夫々ガス流路２７、２８を介して互いに交じり合うことなくガス供給孔２ｃから分散して処理雰囲気に供給されるように構成されている。
【００１９】
前記ガスシャワーヘッド２３には整合器２３ａを介して高周波電源部２３ｂが接続されている。高周波電源部２３ｂは後述の制御部５と接続されており、制御部５からの制御信号に基づいて電力が制御されるように構成されている。一方載置台３は例えば接地されており、従って整合器２３ｂからの高周波電圧がガスシャワーヘッド２３と載置台３との間に印加されて処理ガスをプラズマ化できることとなる。この例では高周波電源部２３ｂ及び整合器２３ａは還元用プラズマを発生するためのプラズマ発生手段及びスパッタ用プラズマを発生させるプラズマ発生手段に相当する。図２はガスシャワーヘッド２３の拡大図である。ガスシャワーヘッド２３の下面には第２の金属である、例えばＮｉ(ニッケル)によりプリコートされたコーティング層２ｄが載置台３と対向するように形成されている。ここでプリコートとはＣＶＤ法、ＡＬＤ法、メッキ、溶射等により、所望の金属を予めコーティングしておくことを言う。前述のように電力がガスシャワーヘッド２３に供給されると当該コーティング層２ｄは処理容器２内でスパッタを行う際のターゲット電極（陰極）として機能する。なお、この陰極としての作用を強めるため、図１中に破線で示すように、高周波電源部２３ｂに加えて、負の直流電源２３ｃをターゲット電極に印加してもよい。
【００２０】
続いてガス供給系について述べておくと、ガスシャワーヘッド２３の天井部に接続された第１のガス供給管４ａの上流側は途中で分岐して、その一端はガス供給機器群４１を介してスパッタ用ガスであるＡｒガスを供給するガス供給源４２と接続されている。また第１のガス供給管４ａの他端はガス供給機器群４３を介して、第１の金属の化合物を還元するためのＨ２（水素）ガスを供給するガス供給源４４と接続されている。ガス供給機器群４１、４３には例えばバルブ、マスフローコントローラー（以下ＭＦＣと略す）などが組み込まれており、制御部５からの制御信号によりガス供給源４２からのＡｒガス及びガス供給源４４からのＨ2ガスの給断及び流量が制御される。なおＨ2以外にもＮＨ3（アンモニア）、Ｎ2Ｈ4（ヒドラジン）、ＮＨ（ＣＨ3）2（ジメチルアミン）、Ｎ2Ｏ（一酸化二窒素）などのガスを還元ガスとして用いてもよい。この例では、ガス供給機器群４３及びガスシャワーヘッド２３は還元用ガス供給手段に相当する。
【００２１】
前記ガスシャワーヘッド２３の天井部に接続された第２のガス供給管４ｂの上流側には、ガス供給機器群４５が接続されている。このガス供給機器群４５にはガス供給管４ｃを介してＡｒなどのキャリアガス供給部４６が接続され、さらに液体ソース供給管４ｄを介して液体ソース供給源としての液体ソース供給タンク４７が接続されている。この液体ソース供給タンク４７には第１の金属の化合物の液体であるBis（6-ethyl-2,2-dimethyl-3,5-decanedionato）copper（以下Ｃｕ(edmdd)2と表記する）が貯留されている。ガス供給機器群４５には例えば気化器、液体マスフローコントローラー（ＬＭＦＣ）、ガスマスフローコントローラーＭＦＣ及び、バルブなどが組み込まれており、後述の制御部５により各部の動作が制御される。なお第１の金属であるＣｕの化合物としては、Ｃｕ(edmdd)2に代えて、Ｃｕ(hfac)2やこのＣｕ(hfac)2に類似するＣｕとβ-ジケトン系化合物とが結合した金属化合物やＣｕ(ＣＨ3ＣＯＯ)2、Ｃｕ(ＣＦ3ＣＯＯ)2等の金属カルボン酸錯体も金属ソースとして用いてもよい。この例ではガス供給機器群４５及び液体ソース供給タンク４７は、原料ガス供給手段に相当する。
【００２２】
本成膜装置においては例えばコンピュータからなる制御部５が設けられておりプログラム５１、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えている。前記プログラム５１には後述の当該装置の作用で述べるようなシード層の形成が実施できるように命令が組まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理時間、ガス流量、電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラム５１の各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号が各部位に送られることになる。このプログラム（処理パラメータの入力用画面に関連するプログラムも含む）は、記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などに格納されて制御部５にインストールされる。
【００２３】
次に上述の装置を用いてウエハＷの表面に形成されている凹部である配線溝及びビアホールにＣｕ及びＮｉ（ニッケル）からなるシード層を形成し、さらに配線を形成するプロセスを図３及び図４を参照しながら説明する。先ず当該装置による処理が開始される前のウエハＷの状態を説明すると、図３（ａ）に示すようにウエハＷの表面部には半導体集積回路の一部をなす配線層の上に更に配線層を形成するためにＳｉＯ２等の絶縁膜６１が形成されていると共にこの絶縁膜には配線溝６ａ及びビアホール６ｂが形成されており、この配線溝６ａ及びビアホール６ｂからなる凹部を含むウエハＷの表面は例えばＴｉＮからなるバリア層６２により既に被覆されている。
【００２４】
前述の装置において先ずゲートバルブＧが開き前記ウエハＷが図示しない搬送アームにより処理容器２内部に搬入されて、当該ウエハＷは載置台３上に水平に載置される。前記搬送アームが処理容器２内から退去した後ゲートバルブＧが閉じられ、その後真空ポンプ２３により排気口２１を介して処理容器２内の真空引きが行われて内部圧力が例えば１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）に維持される。またこのとき温調手段３２により載置台３の表面がプロセス温度例えば１５０℃まで加熱されていると共に、ヒータ２５により処理容器２内の温度が例えば５０〜１２０℃程度に保たれている。その後、以下のようなステップが行われる。
【００２５】
（ステップ１：原料を処理容器２内に供給する）
液体ソース供給タンク４７内へＨｅガスが供給され、当該タンク４７内に貯留されているＣｕ(edmdd)2からなる原料が例えば0.05〜３ｍｌ／秒の流量でガス供給機器群４５内に流入する。ガス供給機器群４５内でＣｕ(edmdd)2は気化されて、原料ガスとなり、その原料ガスがガス供給管４ｂ内を流通してキャリアガスと共にガスシャワーヘッド２３を介して処理容器２内に供給される。図４（ａ）に模式的に示したように処理容器２内に供給された処理ガス中のＣｕ(edmdd)2分子７は、例えば１４０℃まで加熱されているウエハＷのバリア層６２の表面に吸着され、例えば数分子〜数十分子の分子層が形成される。
【００２６】
（ステップ２：処理容器内のパージ、排気）
Ｃｕ(edmdd)2ガスの処理容器２内への供給を停止した後、パージガス例えばＡｒガスを処理容器２内に供給しながら真空排気し、次いでパージガスの供給を止めて例えば圧力調整部２２であるバタフライバルブを全開にして処理容器２内を引き切り状態とし、こうしてバリア層６２に吸着されなかったＣｕ(edmdd)2ガスを処理容器２内から除去する。このようにパージガスを供給する理由は、パージガスにより原料ガスを押し出すことにより排気効率を高めるためである。
【００２７】
(ステップ３：原料の還元とスパッタ)
そしてガス供給源４４からのＨ２ガス及びガス供給源４２からのＡｒガスがガス供給管４ａ及びガスシャワーヘッド２３を介して処理容器２内に供給される。そして高周波電源部２３ｂにより上部電極であるガスシャワーヘッド２３と下部電極である載置台３との間に高周波電圧が印加され、スパッタ用ガスであるＡｒがプラズマ化（活性化）されてスパッタ用プラズマが発生すると共に、還元用ガスであるＨ２ガスがプラズマ化されて還元用プラズマが発生する。図４（ｂ）はプラズマが発生した状態における処理容器２内に起こる反応を模式的に示している。プラズマ中の水素イオン７１や水素ラジカル（図示せず）などの活性種はバリア層６２表面のＣｕ(edmdd)2分子７と反応して当該分子を還元し、バリア層６２表面にはＣｕ原子７ａが残留し、Ｃｕ(edmdd)2分子７を構成していたedmddは図中番号７ｂで表すように処理容器２の気相中へと飛散する。即ちＣｕ(edmdd)2分子７は、還元ガスであるＨ２ガスと反応系に加えられる（この例では水素ガスに加えられる）プラズマのエネルギーとによって還元されることになる。
【００２８】
一方Ａｒ+イオン７２はガスシャワーヘッド２３のコーティング層２ｄに衝突してコーティング層を構成するＮｉ原子７３をスパッタする。スパッタされたＮｉ原子７３はＣｕ層中に注入され、Ｃｕ原子７ａと固溶又は結合することで合金が形成される。シード層を形成すべき凹部のアスペクト比が大きい場合には、Ｎｉ原子７３は凹部の奥深くまで達成しきれない場合があるかもしれないが、ウエハＷが加熱されているため、ＮｉがいわばアニールされてＣｕ層の表面を伝って拡散し、その結果凹部の底面に至るまでＣｕ層中に注入されることとなる。ここでＮｉ原子７３とＣｕ原子７ａとの状態については、Ｃｕ(edmdd)2分子７が還元された後にそのＣｕ原子７ａにＮｉ原子７３が衝突した場合に限らず、還元される前のＣｕ(edmdd)2分子７にＮｉ原子７３が衝突した場合であっても、Ｎｉのスパッタ量は少ないため当該Ｃｕ(edmdd)2分子７は水素プラズマにより還元され、当該Ｎｉ７３とＣｕ７ａとが結合又は固溶状態となる。従ってＣｕ(edmdd)2分子７の還元処理とＮｉのスパッタ処理とは同時でなくとも、互いに相前後して行うようにしてもよい。つまりＨ２ガス及びＡｒガスの内いずれか一方のガスを先に供給して処理容器２内にプラズマを発生させて反応を起こし、更に他方のガスを供給してから再度プラズマを発生させて反応を起こしてもよい。また、還元用ガスとスパッタ用ガスとは同じであってもよい。例えばこれらガスとしてＨ２ガスを用い、高周波電源部２３ｂのパワーを高くすると、プラズマ化されたＨ２ガスにより吸着された原料ガスの還元とターゲットのスパッタを同時に起こすことができる。
【００２９】
（ステップ４：処理容器内のパージ、排気）
高周波電源部２３ｂをオフにしてプラズマの発生が停止した後、既述のステップ２と同様にパージガスの供給、真空排気を行い、バリア層６２に吸着していない分子及び原子を処理容器２内から除去する。
【００３０】
このような一連のステップ１〜４において、例えばステップ１は１秒間、ステップ２は１秒間、ステップ３は１秒間、ステップ４は１秒間実施される。その後上記のステップ１〜４を、図４（ｄ）に示すようにバリア層６２の表面がＣｕ原子７ａ及びＮｉ原子７３により、即ちＣｕ−Ｎｉ合金層により完全に覆われシード層６３が形成されるまで繰り返す。繰り返し回数は例えば５〜１００回程度であり、シード層６３の厚さは例えば５〜１０ｎｍ程度である。シード層６３が形成された状態を配線溝６ａ及びビアホール６ｂ全体で見ると図３（ｂ）のようになる。しかる後ウエハＷは例えば電解メッキ法によりＣｕが被着されて凹部である配線溝６ａ及びビアホール６ｂに対しＣｕが埋め込まれ、さらに表面がＣＭＰ処理により平坦化され、図３（ｃ）に示すようにＣｕによる配線６４が形成されることとなる。
【００３１】
上述の実施の形態によれば、ウエハＷの表面にＣｕ化合物の分子層を吸着させるいわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を利用し、これを還元してＣｕを凹部内に被着させているので、アスペクト比が大きい凹部であっても底部に至るまでＣｕを供給することができる。そしてスパッタによりＮｉをＣｕに付着させているが、既述のようにＮｉがＣｕ層を伝って拡散するので凹部の底面に至るまで、つまり良好な段差被覆性（ステップカバレッジ）をもってＣｕ−Ｎｉ合金層からなるシード層が形成される。
【００３２】
そしてＣｕ原子とＮｉ原子との結合による合金化によりＣｕ原子の移動がＮｉ原子により抑制される。そのためＣｕ原子の凝集及びＣｕ分子の島状成長が抑制されるのでシード層６３を連続膜として形成することができる。従ってその後Ｃｕを埋め込むことで配線６４を形成する際に配線６４中にボイドが発生するのが抑えられるため配線６４について高い信頼性を得られる。上述の例では、Ｃｕ(edmdd)2分子７を還元するために還元性ガスであるＨ2ガスとプラズマのエネルギーとを用いているが、還元するために反応系に加えられるエネルギーはプラズマのエネルギーに限らず、例えばウエハＷを還元に必要な温度に加熱して熱エネルギーを供給する場合や光を照射して光エネルギーを印加する場合などであってもよい。
【００３３】
更にＮｉをアニールにより凹部内に拡散させるにあたっては、上述の例ではウエハＷを加熱して、その熱によりＮｉが拡散されるが、そのためにウエハＷを加熱することが必ずしも要件ではない。例えばＮｉをアニールするために、一連の工程が終了した後、別途ウエハＷを加熱してもよいし、あるいはウエハＷにレーザ光を照射するなどしてもよい。本実施の形態はＣｕ層に対して、スパッタされたＮｉを注入しているために、ＮｉがＣｕ層を伝って凹部の奥まで拡散していくことが可能になったものであり、この点においてＣｕのシード層をスパッタにより形成する場合と全く異なり、Ｃｕ(edmdd)2分子７の還元工程とＮｉをスパッタする工程とを組み合わせるという考え方によって成り立つものである。
【００３４】
本実施形態においては第１の金属としてＣｕを用いて成膜を行ったが第１の金属としてはＣｕに限られずＴｉ（チタン）、Ｓｎ（錫）、Ｗ(タングステン)、Ｔａ（タンタル）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｂ（ボロン）、Ｖ（バナジウム）、Ｍｎ（マンガン）等の金属が好ましく用いられる。第２の金属としても上記実施形態ではＮｉに限られず前記各金属の中から選択することが可能である。ただし第２の金属は、第１の金属原子の凝集を効率良く抑制するために第１の金属と比べて高い融点を持つ金属、あるいは同じ融点を持つ金属を用いることが好ましい。また上述のＣｕとＮｉのような２種の金属が結合した合金の他に３種以上の金属からなる合金によりシード層６３を構成してもよい。即ち例えば第２の金属をウエハ表面に付着させ、真空引きを行った後更に第３の金属をスパッタによりウエハ表面に吸着させて３種の金属からなる合金をウエハ表面に形成してもよい。
【００３５】
本実施の形態において載置台３に対向する上部電極が、ガスを供給するガスシャワーヘッドを兼用する構成とする代わりにガス供給口が上部電極と別個に例えば反応容器２の側壁に設けられていてもよい。更にまたターゲット電極は上部電極の下面に第２の金属をプリコートしたものでなくとも、上部電極自体の材質を第２の金属で構成してもよいが、プリコートをすれば、プリコート部分が消失した後、再度プリコートすればよいので電極全体を交換しなくて済む利点がある。なお本実施の形態はシード層を成膜することに限られず、例えば配線層全体を形成する場合であってもよいし、その他の合金の薄膜を形成する場合に適用できる。そしてまた還元用ガス及びスパッタ用ガスをプラズマ化させる電極とターゲット電極とは別個のものであってもよく、この場合例えば誘導結合プラズマ方式を用いた装置においてターゲット電極を載置台に対向配置した構成を挙げることができる。
本発明における基板としては、上述の実施の形態のようにウエハに限られるものではなく、液晶ディスプレイ若しくはプラズマディスプレイなどに用いられるフラットパネル用のガラス基板、あるいはセラミックス基板等であってもよい。
【実施例】
【００３６】
次に本発明の効果を確認するために、実施形態で詳述した成膜装置を用いてベアシリコンウエハの表面にシード層の形成を行った。第１の金属の化合物としてはＣｕ(edmdd)2を、第２の金属としてＮｉを夫々用いた。還元性ガスとしてＨ2ガスを用いて還元用プラズマを発生させ、スパッタ用ガスとしてＡｒガスを用いてスパッタ用プラズマを発生させることにより実験を行った。Ｃｕ層の成膜条件は変えずに、スパッタの条件を変えて３通りのシード層を得た。各層のシード層中のＮｉの含有量（原子％）は夫々９原子％、１７原子％及び３６原子％であり、これらを夫々実施例１〜３とする。またＮｉのスパッタを行わないシード層（Ｎｉが０原子％のシード層を比較例とし、これら各例におけるウエハ表面の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影した。
【００３７】
比較例及び各実施例１〜３において撮影された画像を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。また比較例及び各実施例１〜３において形成されたシード層に対して四探針測定法によりシート抵抗（Ｒｓ（単位：Ω/sq））を測定した。このシート抵抗と蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）により得られた膜厚とを用いて比抵抗（ρs（単位：μΩ・cm））を算出した。その結果を図５に併せて記載しておく。
【００３８】
表示した各画像はそれぞれ上段がウエハ表面を横から撮影した画像、下段がウエハ表面の拡大画像である。図５（ｂ）〜（ｄ）より、各実施例におけるウエハ表面においては金属が密に敷き詰められていることが分かる。また実施例に対して比較例におけるウエハ表面は図５（ａ）に示すようにＣｕが凝集して巨大分子となっているため凹凸が激しいことが分かる。さらに図５に示したように各実施例におけるウエハのシート抵抗はいずれも測定可能であったが、比較例におけるウエハのシート抵抗は測定不可であった。即ち各実施例におけるシード層は連続膜として形成されているが、比較例におけるシード層は不連続膜であることがわかる。よって本発明に係る方法及び装置を用いることで、シード層を形成する際の不連続点の発生を抑えることができることが証明された。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る成膜装置の一実施の形態を示した縦断側面図である。
【図２】前記成膜装置を構成するシャワーヘッドの拡大図である。
【図３】前記成膜装置を用いてウエハＷの表面の配線溝及びビアホールに配線を形成する工程図である。
【図４】前記配線を形成する際におけるシード層の形成プロセスを示した模式図である。
【図５】前記成膜装置を用いてウエハＷの表面に形成した金属層の拡大図である。
【図６】Ｃｕを用いてウエハＷの表面に成膜する場合のＣｕの動態を示した模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｗ    ウエハ
２    処理容器
２３  ガスシャワーヘッド
３    載置台
５    制御部
６２  バリア層
６３  シード層（Ｃｕ-Ｎｉ合金層）
７    Ｃｕ(edmdd)2分子（Ｃｕ化合物）
７３  Ｎｉ原子
【図１】
2006183145.tif 000003
【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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