(57)【要約】【課題】従来よりもさらに良好なステップカバレッジでルテニウム膜を成膜することができる技術を提供する。【解決手段】処理容器内に被処理基板を配置し、成膜原料として固体状のルテニウムカルボニルを用い、固体状のルテニウムカルボニルから生じたルテニウムカルボニルガスを、キャリアガスとしてのＣＯガスとともに処理容器内に供給し、さらに、ルテニウムカルボニルガスとは別個に付加的なＣＯガスを前記処理容器内に供給し、被処理基板上でルテニウムカルボニルを分解させてルテニウム膜を成膜する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器内に被処理基板を配置し、成膜原料として固体状のルテニウムカルボニルを用い、固体状のルテニウムカルボニルから生じたルテニウムカルボニルガスを、キャリアガスとしてのＣＯガスとともに前記処理容器内に供給し、さらに、ルテニウムカルボニルガスとは別個に付加的なＣＯガスを前記処理容器内に供給し、被処理基板上でルテニウムカルボニルを分解させてルテニウム膜を成膜することを特徴とするルテニウム膜の成膜方法。
【請求項２】
前記処理容器内におけるルテニウムカルボニル分圧／ＣＯ分圧で計算される分圧比が０．００２５以下になるようにすることを特徴とする請求項１に記載のルテニウム膜の成膜方法。
【請求項３】
前記キャリアガスとして用いられるＣＯガスの流量が３００ｍＬ／ｍｉｎ以下であり、前記付加的なＣＯガスの流量が１００ｍＬ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のルテニウム膜の成膜方法。
【請求項４】
微細な凹部を有する被処理基板にルテニウム膜を成膜することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のルテニウム膜の成膜方法。
【請求項５】
被処理基板を収容する処理容器と、
成膜原料として固体状のルテニウムカルボニルを収容する成膜原料容器と、
前記成膜原料容器にキャリアガスとしてのＣＯガスを供給するキャリアガス供給配管と、
前記成膜原料容器内で固体状ルテニウムカルボニルから生じたルテニウムカルボニルガスをキャリアガスであるＣＯガスとともに前記処理容器に導く成膜原料ガス供給配管と、
ルテニウムカルボニルガスとは別個に付加的なＣＯガスを前記処理容器内に供給する付加的ＣＯガス配管と
を有し、
被処理基板上でルテニウムカルボニルを分解させてルテニウム膜を成膜することを特徴とするルテニウム膜の成膜装置。
【請求項６】
前記処理容器内におけるルテニウムカルボニル分圧／ＣＯ分圧で計算される分圧比が０．００２５以下になるように制御する制御部をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のルテニウム膜の成膜装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記キャリアガスとして用いられるＣＯガスの流量が３００ｍＬ／ｍｉｎ以下、前記付加的なＣＯガスの流量が１００ｍＬ／ｍｉｎ以上となるように制御することを特徴とする請求項６に記載のルテニウム膜の成膜装置。
【請求項８】
凹部が形成された層間絶縁膜を有する基板の少なくとも前記凹部の表面に、銅拡散のバリアとなるバリア膜を成膜する工程と、
前記バリア膜の上に、請求項１から請求項４のいずれかの方法によりルテニウム膜を成膜する工程と、
前記ルテニウム膜の上にＰＶＤにより銅膜を成膜して前記凹部に銅配線となる銅を埋め込む工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記銅膜を成膜する工程は、イオン化ＰＶＤにより行われることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記銅膜を成膜した後、ＣＭＰにより前記凹部以外の部分の前記バリア膜、前記ルテニウム膜、および前記銅膜を除去し、銅配線を得る工程をさらに有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルテニウム膜の成膜方法および成膜装置、ならびに半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、配線間の容量の低下ならびに配線の導電性向上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おり、それに対応した技術として、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）を用い、層間絶縁膜として低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を用いたＣｕ多層配線技術が注目されている。
【０００３】
この際の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Ｌｏｗ−ｋ膜にＴａ、ＴａＮ、Ｔｉなどからなるバリア層をスパッタリングに代表される物理蒸着法（ＰＶＤ）で形成し、その上に同じくＰＶＤによりＣｕシード層を形成し、さらにその上にＣｕめっきを施す技術が知られている（例えば特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、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、上記特許文献１に開示された技術では、ステップカバレッジが本質的に低いＰＶＤでＣｕシード層をトレンチやホール内に形成することが困難となり、したがって、トレンチやホール内のＣｕ膜にボイドが生じてしまう。
【０００５】
これに対し、バリア層の上に化学蒸着法（ＣＶＤ）によりルテニウム膜を形成し、その上にＣｕ膜を形成する方法が提案されている（特許文献２）。ＣＶＤ−ルテニウム膜はＰＶＤよりもステップカバレッジが良好であり、しかもＣｕ膜との密着性が良好であるため、微細なトレンチやホール内にＣｕ膜を埋め込む際の下地として有効である。
【０００６】
ＣＶＤ−ルテニウム膜を成膜する技術としては、成膜原料としてルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）を用いたものが知られている（例えば特許文献３）。ルテニウムカルボニルを用いる場合には、成膜原料中の不純物成分は基本的にＣとＯのみであるので高純度の膜を得ることが可能である。
【０００７】
しかし、ルテニウムカルボニルは、比較的低温においても分解しやすい性質を有し、基板に到達する前に分解すると、所望のステップカバレッジが得られないおそれがあるため、ルテニウムカルボニルの分解を抑制する効果があるＣＯガスをキャリアガスとして用いる技術も知られている（例えば特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３４０２２６号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４６２４号公報
【特許文献３】特開２００７−２７０３５５号公報
【特許文献４】特開２００９−２３９１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、半導体デバイスのさらなる微細化が進み、今後の２２ｎｍノード以降においては、膜厚２ｎｍ以下の極めて薄いルテニウム膜を極めて高いステップカバレッジで成膜することが要求され、特許文献４の技術でもなお、十分なステップカバレッジが得難くなることが予想される。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、従来よりもさらに良好なステップカバレッジでルテニウム膜を成膜することができるルテニウム膜の成膜方法および成膜装置、ならびにそのようなルテニウム膜を用いた半導体装置の製造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】
本発明者らは、上記課題を解決するべく検討を重ねた結果、成膜原料であるルテニウムカルボニルのキャリアガスとしてＣＯを用いた上で、さらに付加的なＣＯガスを処理容器に供給することにより、ルテニウムカルボニルをより分解し難くすることができ、より良好なステップカバレッジでルテニウム膜を成膜できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、処理容器内に被処理基板を配置し、成膜原料として固体状のルテニウムカルボニルを用い、固体状のルテニウムカルボニルから生じたルテニウムカルボニルガスを、キャリアガスとしてのＣＯガスとともに前記処理容器内に供給し、さらに、ルテニウムカルボニルガスとは別個に付加的なＣＯガスを前記処理容器内に供給し、被処理基板上でルテニウムカルボニルを分解させてルテニウム膜を成膜することを特徴とするルテニウム膜の成膜方法を提供する。
【００１３】
上記ルテニウム膜の成膜方法において、前記処理容器内におけるルテニウムカルボニル分圧／ＣＯ分圧で計算される分圧比が０．００２５以下になるようにすることが好ましく、前記キャリアガスとして用いられるＣＯガスの流量が３００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下であり、前記付加的なＣＯガスの流量が１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上であることが好ましい。
【００１４】
このような成膜方法は、微細な凹部を有する被処理基板にルテニウム膜を成膜する際に有効である。
【００１５】
また、本発明は、被処理基板を収容する処理容器と、成膜原料として固体状のルテニウムカルボニルを収容する成膜原料容器と、前記成膜原料容器にキャリアガスとしてのＣＯガスを供給するキャリアガス供給配管と、前記成膜原料容器内で固体状ルテニウムカルボニルから生じたルテニウムカルボニルガスをキャリアガスであるＣＯガスとともに前記処理容器に導く成膜原料ガス供給配管と、ルテニウムカルボニルガスとは別個に付加的なＣＯガスを前記処理容器内に供給する付加的ＣＯガス配管とを有し、被処理基板上でルテニウムカルボニルを分解させてルテニウム膜を成膜することを特徴とするルテニウム膜の成膜装置を提供する。
【００１６】
上記ルテニウム膜の成膜装置において、前記処理容器内におけるルテニウムカルボニル分圧／ＣＯ分圧で計算される分圧比が０．００２５以下になるように制御する制御部をさらに有することが好ましく、前記制御部は、前記キャリアガスとして用いられるＣＯガスの流量が３００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、前記付加的なＣＯガスの流量が１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上となるように制御することが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明は、凹部が形成された層間絶縁膜を有する基板の少なくとも前記凹部の表面に、銅拡散のバリアとなるバリア膜を成膜する工程と、前記バリア膜の上に、上記ルテニウム膜の成膜方法によりルテニウム膜を成膜する工程と、前記ルテニウム膜の上にＰＶＤにより銅膜を成膜して前記凹部に銅配線となる銅を埋め込む工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１８】
上記半導体装置の製造方法において、前記銅膜を成膜する工程は、イオン化ＰＶＤにより行われることが好ましい。
【００１９】
また、前記銅膜を成膜した後、ＣＭＰにより前記凹部以外の部分の前記バリア膜、前記ルテニウム膜、および前記銅膜を除去し、銅配線を得る工程をさらに有してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、成膜原料であるルテニウムカルボニルガスのキャリアガスとしてＣＯを用いた上で、さらに付加的なＣＯガスを処理容器に供給してルテニウム膜を成膜することにより、従来よりも良好なステップカバレッジを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るルテニウム膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。
【図２】ルテニウム膜成膜の際における付加的なカウンターＣＯガス流量とステップカバレッジとの関係を示すＳＥＭ写真である。
【図３】ルテニウム膜を成膜する際におけるＲｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比とフッ酸系薬液処理の際のボイドの数との関係を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態としてのＣｕ配線の形成方法（半導体装置の製造方法）を示すフローチャートである。
【図５】本発明の他の実施形態としてのＣｕ配線の形成方法（半導体装置の製造方法）を説明するための工程断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態としてのＣｕ配線の形成方法に用いられる成膜システムの一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
＜ルテニウム膜の成膜装置＞
図１は、本発明の一実施形態に係るルテニウム膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。
【００２３】
このルテニウム膜成膜装置１００は、ＣＶＤによりルテニウム膜（以下、Ｒｕ膜とも記す）を成膜するものであり、気密に構成された略円筒状のチャンバ１１を有しており、その中には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ１２が、チャンバ１１の底壁中央に設けられた円筒状の支持部材１３により支持されて配置されている。サセプタ１２にはヒーター１５が埋め込まれており、このヒーター１５にはヒーター電源１６が接続されている。そして、サセプタ１２に設けられた熱電対（図示せず）の検出信号に基づいてヒーターコントローラ（図示せず）によりヒーター電源１６を制御することにより、サセプタ１２を介してウエハＷを所定の温度に制御するようになっている。また、サセプタ１２には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本のウエハ昇降ピン（図示せず）がサセプタ１２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２４】
チャンバ１１の天壁には、Ｒｕ膜をＣＶＤ成膜するための処理ガスをチャンバ１１内にシャワー状に導入するためのシャワーヘッド２０がサセプタ１２と対向するように設けられている。シャワーヘッド２０は、後述するガス供給機構４０から供給されたガスをチャンバ１１内に吐出するためのものであり、その上部にはガスを導入するための２つのガス導入口２１ａ、２１ｂが形成されている。また、シャワーヘッド２０の内部にはガス拡散空間２２が形成されており、シャワーヘッド２０の底面にはガス拡散空間２２に連通した多数のガス吐出孔２３が形成されている。
【００２５】
チャンバ１１の底壁には、下方に向けて突出する排気室３１が設けられている。排気室３１の側面には排気配管３２が接続されており、この排気配管３２には真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気装置３３が接続されている。そして、この排気装置３３を作動させることによりチャンバ１１内を所定の減圧（真空）状態とすることが可能となっている。
【００２６】
チャンバ１１の側壁には、所定の減圧状態の搬送室（図示せず）との間でウエハＷを搬入出するための搬入出口３７が設けられており、搬入出口３７はゲートバルブＧにより開閉されるようになっている。
【００２７】
ガス供給機構４０は、固体状の成膜原料Ｓとしてルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）を収容する成膜原料容器４１を有している。成膜原料容器４１の周囲にはヒーター４２が設けられている。成膜原料容器４１には、上方からキャリアガスであるＣＯガスを供給するキャリアガス供給配管４３が挿入されている。キャリアガス供給配管４３にはＣＯガスを供給するＣＯガス供給源４４が接続されている。また、成膜原料容器４１には、成膜原料ガス供給配管４５が挿入されている。このガス供給配管４５は、シャワーヘッド２０のガス導入口２１ａに接続されている。したがって、ＣＯガス供給源４４からキャリアガス供給配管４３を介して成膜原料容器４１内にキャリアガスとしてのＣＯガスが吹き込まれ、成膜原料容器内４１内で昇華したルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）ガスがＣＯガスに搬送されて成膜原料ガス供給配管４５およびシャワーヘッド２０を介してチャンバ１１内に供給される。キャリアガス供給配管４３には、流量制御用のマスフローコントローラ４６とその前後のバルブ４７ａ、４７ｂが設けられている。また、ガス供給配管４５には、ルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）のガス量を把握するための流量計４８とその前後のバルブ４９ａ，４９ｂが設けられている。
【００２８】
また、ガス供給機構４０は、キャリアガス供給配管４３におけるバルブ４７ａの上流側から分岐して設けられたカウンターＣＯガス配管５１を有している。カウンターＣＯガス配管５１は、シャワーヘッド２０のガス導入口２１ｂに接続されている。したがって、ＣＯガス供給源４４からのＣＯガスが、ルテニウムカルボニルガスとは別個にカウンターＣＯガス配管５１およびシャワーヘッド２０を介して付加的なカウンターＣＯガスとしてチャンバ１１内に供給される。カウンターＣＯガス配管５１には、流量制御用のマスフローコントローラ５２とその前後のバルブ５３ａ、５３ｂが設けられている。
【００２９】
さらに、ガス供給機構４０は、希釈ガス供給源５４と、希釈ガス供給源５４に接続された希釈ガス供給配管５５とを有する。希釈ガス供給配管５５の他端は、成膜原料ガス供給配管４５に接続されている。希釈ガスは成膜原料ガスを希釈するためのガスであり、希釈ガスとして例えばＡｒガス、Ｎ２ガス等の不活性ガスが用いられる。希釈ガスは、成膜原料ガス供給配管４５、チャンバ１１の残留ガスをパージするパージガスとしても機能する。希釈ガス供給配管５５には、流量制御用のマスフローコントローラ５６とその前後のバルブ５７ａ，５７ｂが設けられている。
【００３０】
ルテニウム膜成膜装置１００は、ヒーター電源１６、排気装置３３、ガス供給機構４０等の各構成部を制御するためのコントローラ６０を有している。コントローラ６０は上位の制御装置の指令により、各構成部を制御するようになっている。上位の制御装置は、以下に説明する成膜方法を実施するための処理レシピが記憶された記憶媒体を備えており、記憶媒体に記憶された処理レシピに従って成膜処理を制御する。
【００３１】
＜ルテニウム膜の成膜方法＞
次に、このように構成されるルテニウム膜成膜装置１００におけるＲｕ膜の成膜方法について説明する。
【００３２】
まず、ゲートバルブＧを開にして搬入出口３７からウエハＷをチャンバ１１内に搬入し、サセプタ１２上に載置する。サセプタ１２は、ヒーター１５により例えば１５０〜２５０℃に加熱されており、その上でウエハＷが加熱される。そして、排気装置３３の真空ポンプによりチャンバ１１内を排気して、チャンバ１１内の圧力を２〜６７Ｐａに真空排気する。
【００３３】
次いで、バルブ４７ａ，４７ｂを開にしてキャリアガス供給配管４３を介して成膜原料容器４１にキャリアガスとしてのＣＯガスを吹き込み、成膜原料容器４１内でヒーター４２の加熱により昇華して生成されたＲｕ３（ＣＯ）１２ガスをＣＯガスによりキャリアさせた状態で成膜原料ガス供給配管４５およびシャワーヘッド２０を介してチャンバ１１内に導入する。このとき、ウエハＷ表面では、Ｒｕ３（ＣＯ）１２ガスが熱分解して生成されたルテニウム（Ｒｕ）が堆積し、所定の膜厚を有するＲｕ膜が成膜される。なお、このときのキャリアガスとしてのＣＯガスは、Ｒｕ３（ＣＯ）１２ガスの流量が例えば５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下となるような流量、例えば３００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下程度が好ましい。また、所定割合で希釈ガスを導入してもよい。
【００３４】
このように、キャリアガスとしてＣＯを用いることにより、以下の（１）式に示すＲｕ３（ＣＯ）１２ガスの分解反応を抑制することができ、Ｒｕ３（ＣＯ）１２の構造を極力保ったまま成膜原料ガスをチャンバ１１内に供給することができる。
Ｒｕ３（ＣＯ）１２→３Ｒｕ＋１２ＣＯ  ・・・（１）
チャンバ１１内のウエハＷの表面においては、以下の（２）式に示すようなＲｕ３（ＣＯ）１２とＣＯの吸着・脱離反応が生じる。この反応は、トレンチやホール等の凹部に成膜する際に、良好なステップカバレッジを得ることができる表面反応律速の反応であり、Ｒｕ３（ＣＯ）１２とＣＯの吸着・脱離反応は平衡反応と考えられる。
Ｒｕ３（ＣＯ）１２(g)←→Ｒｕｘ（ＣＯ）ｙ(ad)＋（１２−ｙ）ＣＯ(ad)←→３Ｒｕ(s)＋１２ＣＯ(g)  ・・・（２）
【００３５】
しかし、このような表面反応律速の反応により良好なステップカバレッジが得られるものの、今後の２２ｎｍノード以降のより微細化された半導体デバイスにおけるＣｕ配線を考慮すると、Ｃｕ膜の下地として２ｎｍ以下の極薄いＲｕ膜を要求されるステップカバレッジで成膜することが困難になりつつある。すなわち、半導体デバイスがさらに微細化されると、トレンチやホール等の凹部の幅が狭まり、かつアスペクト比が増大するため、Ｒｕ３（ＣＯ）１２をより分解し難くしてこのような微細なトレンチやホールの底部まで到達できるようにする必要があるが、従来技術ではそのようなことが困難である。
【００３６】
そこで、Ｒｕ３（ＣＯ）１２の分解を抑制する手法を検討した結果、ＣＯ分圧をより高くしてＲｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比を減少させることが有効であることが判明した。すなわち、ＣＯ分圧を高くすることにより、上記（２）式の反応の逆反応をさらに優勢化することができ、Ｒｕ３（ＣＯ）１２の分解を抑制することができる。
【００３７】
しかし、ＣＯガスをキャリアガスとして供給するのみでは、ＣＯ流量を増大してＣＯ分圧を上げようとすると、Ｒｕ３（ＣＯ）１２の流量も増加するため、Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比を十分に低下させることは困難である。
【００３８】
このため、本実施形態では、カウンターＣＯガス配管５１を設け、キャリアガスとしてのＣＯガス以外に、チャンバ１１内にカウンターＣＯガスを供給できるようにし、ルテニウムカルボニルガスとは別個に、カウンターＣＯガス配管５１およびシャワーヘッド２０を介してチャンバ１１内に付加的なカウンターＣＯガスを導入し、チャンバ１１内のＲｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比を低下させてＲｕ膜の成膜を行う。
【００３９】
カウンターＣＯガス配管５１を設けない場合は、Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比は、０．００２８が限界であったが、カウンターＣＯガス配管５１からカウンターＣＯガスを供給することにより、より低いＲｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比を得ることができる。Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比は０．００２５以下が好ましい。
【００４０】
また、キャリアガスとしてのＣＯガスの流量は３００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下が好ましい。また、カウンターＣＯガス配管５１から供給されるＣＯガスの流量は１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上が好ましく、１００〜３００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）がより好ましい。
【００４１】
このようにして所定の膜厚のＲｕ膜が形成された時点で、バルブ４７ａ，４７ｂを閉じてＲｕ３（ＣＯ）１２ガスの供給を停止し、さらにカウンターＣＯガス配管５１のバルブ５３ａ，５３ｂを閉じてカウンターＣＯガスの供給を停止して、希釈ガス供給源５４から希釈ガスをパージガスとしてチャンバ１１内に導入してＲｕ３（ＣＯ）１２ガスをパージし、その後、ゲートバルブＧを開にして搬入出口３７からウエハＷを搬出する。
【００４２】
実際に、Ｒｕ膜の成膜の際のカウンターＣＯガス流量（Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比）とステップカバレッジとの関係を調査した。ここでは、ウエハ上のＳｉＯ２膜（ＴＥＯＳ膜）に形成された幅３５ｎｍのトレンチ内に、イオン化ＰＶＤ（ｉＰＶＤ）により厚さ１０ｎｍのＴｉＮ膜を成膜した後、キャリアＣＯガスの流量を２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）にしてＲｕ３（ＣＯ）１２ガスを供給するとともに、カウンターＣＯガスの流量を、０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）と３段階に変化させて、圧力：１３．３Ｐａ、温度：２００℃の条件で、膜厚１．５ｎｍのＲｕ膜を成膜してサンプルＡ〜Ｃを作製し、これらサンプルＡ〜Ｃについてフッ酸系薬液処理を行ってステップカバレッジを評価した。具体的には、フッ酸系薬液としてＢＨＦ（ＨＦ水溶液とＮＨ４Ｆ水溶液との混合液）を用いて、これに上記サンプルを３分間浸漬した後のボイドの数を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察で計数することにより評価した。つまり、Ｒｕ膜の下地のＴｉＮ膜はフッ酸系薬液に溶解するので、Ｒｕ膜が正常に堆積されていない部分はＴｉＮ膜が溶解してボイドとなるため、Ｒｕ膜の連続性を評価することができる。
【００４３】
その際のサンプルＡ〜ＣのＳＥＭ写真を図２に示す。図２のＳＥＭ写真からボイドの数を計数した結果、カウンターＣＯガスの流量が０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）のサンプルＡでは７個、カウンターＣＯガスの流量が１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）のサンプルＢでは５個、カウンターＣＯガスの流量が２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）のサンプルＣでは１個であり、カウンターＣＯガスの流量が多いほど、つまりＲｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比が低いほどＲｕ膜の連続性が良好であり、ステップカバレッジが高いことが確認された。なお、サンプルＡ、Ｂ、Ｃのガス流量からＲｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比を算出すると、それぞれ、０．００２８、０．００１８、０．００１４であった。
【００４４】
さらに、温度およびキャリアＣＯガスおよびカウンターＣＯガスの流量を種々変化させて実験を行った際の、Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比とボイドの数との関係を図３に示す。図３に示すように、Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比が下がるとボイドの数が低下する傾向が明確に示され（相関関数０．７３）、Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比を低下させることによりステップカバレッジが向上することが確認された。
【００４５】
＜Ｃｕ配線の形成方法＞
次に、本発明の他の実施形態として、以上のように形成されるＲｕ膜を用いたＣｕ配線の形成方法（半導体装置の製造方法）について説明する。
図４はそのようなＣｕ配線の形成方法を示すフローチャートであり、図５はその工程断面図である。
【００４６】
まず、下部構造２０１（詳細は省略）の上にＳｉＯ２膜、Ｌｏｗ−ｋ膜（ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ等）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半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）Ｗを準備する（ステップ１、図５（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。
【００４７】
次に、トレンチ２０３およびビアの表面を含む全面にＣｕの拡散を抑制するバリア膜２０４を成膜する（ステップ２、図５（ｂ））。
【００４８】
バリア膜２０４としては、Ｃｕに対して高いバリア性を有し、低抵抗のものが好ましく、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、Ｔａ／ＴａＮの２層膜を好適に用いることができる。また、ＴａＣＮ膜、Ｗ膜、ＷＮ膜、ＷＣＮ膜、Ｚｒ膜、ＺｒＮ膜、Ｖ膜、ＶＮ膜、Ｎｂ膜、ＮｂＮ膜等を用いることもできる。Ｃｕ配線はトレンチまたはホール内に埋め込むＣｕの体積が大きくなるほど低抵抗になるので、バリア膜は非常に薄く形成することが好ましく、そのような観点からその厚さは１〜２０ｎｍが好ましい。より好ましくは１〜１０ｎｍである。バリア膜は、イオン化ＰＶＤ（Ｉｏｎｉｚｅｄ  ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｉＰＶＤ）、例えばプラズマスパッタにより成膜することができる。また、通常のスパッタ、イオンプレーティング等の他のＰＶＤで成膜することもでき、ＣＶＤやＡＬＤ、プラズマを用いたＣＶＤやＡＬＤで成膜することもできる。
【００４９】
次いで、バリア膜２０４の上に、上述したルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）を用いたＣＶＤ法により、Ｒｕ膜２０５をライナー膜として成膜する（ステップ３、図５（ｃ））。Ｒｕ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。
【００５０】
ＲｕはＣｕに対する濡れ性が高いため、Ｃｕの下地にＲｕ膜を形成することにより、次のｉＰＶＤによる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、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。また、上述のように、カウンターＣＯガスを供給して、Ｒｕ３（ＣＯ）１２／ＣＯ分圧比を低くすることにより、ステップカバレッジを極めて良好にすることができる。このため、今後の益々微細化された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。
【００５１】
次いで、ＰＶＤによりＣｕ膜２０６を形成し、トレンチ２０３およびビア（図示せず）を埋め込む（ステップ４、図５（ｄ））。ＰＶＤとしては、ｉＰＶＤを用いることが好ましい。これにより、Ｃｕのオーバーハングを抑制して良好な埋め込み性を確保することができる。また、ＰＶＤを用いることによりめっきよりも高純度のＣｕ膜を得ることができる。Ｃｕ膜２０６の成膜に際しては、その後の平坦化処理に備えて、Ｃｕ膜２０６がトレンチ２０３の上面から積み増されるように形成されることが好ましい。ただし、この積み増し分については、ＰＶＤにより連続して形成する代わりに、めっきによって形成してもよい。
【００５２】
Ｃｕ膜２０６の成膜後、必要に応じてアニール処理を行う（ステップ５、図５（ｅ））。このアニール処理により、Ｃｕ膜２０６を安定化させる。
【００５３】
この後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によりウエハＷ表面の全面を研磨して、表面のＣｕ膜２０６、ならびにその下のＲｕ膜２０５およびバリア膜２０４を除去して平坦化する（ステップ６、図５（ｆ））。これによりトレンチおよびビア（ホール）内にＣｕ配線２０７が形成される。
【００５４】
なお、Ｃｕ配線２０７を形成後、ウエハＷ表面のＣｕ配線２０７および層間絶縁膜２０２を含む全面に、誘電体キャップやメタルキャップ等の適宜のキャップ膜が成膜される。
【００５５】
以上のような方法により、極めて微細なトレンチやホールに対して高ステップカバレッジでＲｕ膜を成膜することができるので、ボイドが生じることなくＣｕ膜を埋め込むことが可能となる。また、高ステップカバレッジでＲｕ膜を成膜できることにより、極めて薄いＲｕ膜を成膜することができ、Ｃｕ配線中のＣｕの体積をより増大させることができるので、Ｃｕ配線をより低抵抗化することができる。なお、ＣＶＤでＣｕを埋め込むことにより、Ｃｕの結晶粒を増大させることができ、これによってもＣｕ配線をより低抵抗化することができる。
【００５６】
＜Ｃｕ配線を形成するための成膜システム＞
次に、上述した本発明の他の実施形態としてのＣｕ配線の形成方法の実施に好適な成膜システムについて説明する。
図６は、本発明の他の実施形態としてのＣｕ配線の形成方法に用いられる成膜システムの一例を示す平面図である。
【００５７】
成膜システム３００は、バリア膜成膜およびＲｕ膜成膜のための第１の処理部３０１と、Ｃｕ膜成膜のための第２の処理部３０２と、搬入出部３０３と、制御部３０４を有しており、ウエハＷに対してＣｕ配線を形成する際における、下地膜の成膜からＣｕ膜の成膜を行うものである。
【００５８】
第１の処理部３０１は、第１の真空搬送室３１１と、この第１の真空搬送室３１１の壁部に接続された、２つのバリア膜成膜装置３１２ａ，３１２ｂおよび２つのＲｕ膜成膜装置３１４ａ，３１４ｂとを有している。Ｒｕ膜成膜装置３１４ａ，３１４ｂは、上述した成膜装置１００と同様に構成されている。バリア膜成膜装置３１２ａおよびＲｕ膜成膜装置３１４ａとバリア膜成膜装置３１２ｂおよびＲｕ膜成膜装置３１４ｂとは線対称の位置に配置されている。
【００５９】
第１の真空搬送室３１１の他の壁部には、ウエハＷのデガス処理を行うデガス室３０５ａ，３０５ｂが接続されている。また、第１の真空搬送室３１１のデガス室３０５ａと３０５ｂとの間の壁部には、第１の真空搬送室３１１と後述する第２の真空搬送室３２１との間でウエハＷの受け渡しを行う受け渡し室３０５が接続されている。
【００６０】
バリア膜成膜装置３１２ａ，３１２ｂ、Ｒｕ膜成膜装置３１４ａ，３１４ｂ、デガス室３０５ａ，３０５ｂ、および受け渡し室３０５は、第１の真空搬送室３１１の各辺にゲートバルブＧを介して接続され、これらは対応するゲートバルブＧの開閉により、第１の真空搬送室３１１に対して連通・遮断される。
【００６１】
第１の真空搬送室３１１内は所定の真空雰囲気に保持されるようになっており、その中には、ウエハＷを搬送する第１の搬送機構３１６が設けられている。この第１の搬送機構３１６は、第１の真空搬送室３１１の略中央に配設されており、回転および伸縮可能な回転・伸縮部３１７と、その先端に設けられたウエハＷを支持する２つの支持アーム３１８ａ，３１８ｂとを有する。第１の搬送機構３１６は、ウエハＷをバリア膜成膜装置３１２ａ，３１２ｂ、Ｒｕ膜成膜装置３１４ａ，３１４ｂ、デガス室３０５ａ，３０５ｂ、および受け渡し室３０５に対して搬入出する。
【００６２】
第２の処理部３０２は、第２の真空搬送室３２１と、この第２の真空搬送室３２１の対向する壁部に接続された２つのＣｕ膜成膜装置３２２ａ，３２２ｂとを有している。Ｃｕ膜成膜装置３２２ａ，３２２ｂを凹部の埋め込みから積み増し部の成膜まで一括して行う装置として用いてもよいし、Ｃｕ膜成膜装置３２２ａ，３２２ｂを埋め込みのみに用い、積み増し部をめっきによって形成してもよい。
【００６３】
第２の真空搬送室３２１の第１の処理部３０１側の２つの壁部には、それぞれ上記デガス室３０５ａ，３０５ｂが接続され、デガス室３０５ａと３０５ｂとの間の壁部には、上記受け渡し室３０５が接続されている。すなわち、受け渡し室３０５ならびにデガス室３０５ａおよび３０５ｂは、いずれも第１の真空搬送室３１１と第２の真空搬送室３２１との間に設けられ、受け渡し室３０５の両側にデガス室３０５ａおよび３０５ｂが配置されている。さらに、搬入出部３０３側の２つの壁部には、それぞれ大気搬送および真空搬送可能なロードロック室３０６ａ，３０６ｂが接続されている。
【００６４】
Ｃｕ膜成膜装置３２２ａ，３２２ｂ、デガス室３０５ａ，３０５ｂ、およびロードロック室３０６ａ，３０６ｂは、第２の真空搬送室３２１の各壁部にゲートバルブＧを介して接続され、これらは対応するゲートバルブを開放することにより第２の真空搬送室３２１と連通され、対応するゲートバルブＧを閉じることにより第２の真空搬送室３２１から遮断される。また、受け渡し室３０５はゲートバルブを介さずに第２の搬送室３２１に接続されている。
【００６５】
第２の真空搬送室３２１内は所定の真空雰囲気に保持されるようになっており、その中には、Ｃｕ膜成膜装置３２２ａ，３２２ｂ、デガス室３０５ａ，３０５ｂ、ロードロック室３０６ａ，３０６ｂおよび受け渡し室３０５に対してウエハＷの搬入出を行う第２の搬送機構３２６が設けられている。この第２の搬送機構３２６は、第２の真空搬送室３２１の略中央に配設されており、回転および伸縮可能な回転・伸縮部３２７を有し、その回転・伸縮部３２７の先端にウエハＷを支持する２つの支持アーム３２８ａ，３２８ｂが設けられており、これら２つの支持アーム３２８ａ，３２８ｂは互いに反対方向を向くように回転・伸縮部３２７に取り付けられている。
【００６６】
搬入出部３０３は、上記ロードロック室３０６ａ，３０６ｂを挟んで第２の処理部３０２と反対側に設けられており、ロードロック室３０６ａ，３０６ｂが接続される大気搬送室３３１を有している。大気搬送室３３１の上部には清浄空気のダウンフローを形成するためのフィルター（図示せず）が設けられている。ロードロック室３０６ａ，３０６ｂと大気搬送室３３１との間の壁部にはゲートバルブＧが設けられている。大気搬送室３３１のロードロック室３０６ａ，３０６ｂが接続された壁部と対向する壁部には被処理基板としてのウエハＷを収容するキャリアＣを接続する２つの接続ポート３３２，３３３が設けられている。また、大気搬送室３３１の側面にはウエハＷのアライメントを行うアライメントチャンバ３３４が設けられている。大気搬送室３３１内には、キャリアＣに対するウエハＷの搬入出およびロードロック室３０６ａ，３０６ｂに対するウエハＷの搬入出を行う大気搬送用搬送機構３３６が設けられている。この大気搬送用搬送機構３３６は、２つの多関節アームを有しており、キャリアＣの配列方向に沿ってレール３３８上を走行可能となっていて、それぞれの先端のハンド３３７上にウエハＷを載せてその搬送を行うようになっている。
【００６７】
制御部３０４は、成膜システム３００の各構成部、例えばバリア膜成膜装置３１２ａ，３１２ｂ、Ｒｕ膜成膜装置３１４ａ，３１４ｂ、Ｃｕ膜成膜装置３２２ａ，３２２ｂ、搬送機構３１６，３２６，３３６等を制御するためのものであり、各構成部を個別に制御するコントローラ（図示せず）（例えば上記コントローラ６０）の上位の制御装置として機能する。この制御部３０４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と、オペレータが成膜システム３００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、成膜システム３００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と、成膜システム３００で実行される処理をプロセスコントローラ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処理レシピが格納された記憶部とを備えている。ユーザーインターフェースおよび記憶部はプロセスコントローラに接続されている。
【００６８】
上記処理レシピは記憶部の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、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。
【００６９】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェースからの指示等にて任意のレシピを記憶部から呼び出してプロセスコントローラに実行させることで、プロセスコントローラの制御下で、成膜システム３００での所望の処理が行われる。
【００７０】
このような成膜システム３００においては、キャリアＣから大気搬送用搬送機構３３６によりトレンチやホールを有する所定パターンが形成されたウエハＷを取り出し、ロードロック室３０６ａまたは３０６ｂに搬送し、そのロードロック室を第２の真空搬送室３２１と同程度の真空度に減圧した後、第２の搬送機構３２６によりロードロック室のウエハＷを第２の真空搬送室３２１を介してデガス室３０５ａまたは３０５ｂに搬送し、ウエハＷのデガス処理を行う。その後、第１の搬送機構３１６によりデガス室のウエハＷを取り出し、第１の真空搬送室３１１を介してバリア膜成膜装置３１２ａまたは３１２ｂに搬入し、バリア膜を成膜する。バリア膜成膜後、第１の搬送機構３１６によりバリア膜成膜装置３１２ａまたは３１２ｂからウエハＷを取り出し、Ｒｕ膜成膜装置３１４ａまたは３１４ｂに搬入し、上述したようにＲｕ膜を成膜する。Ｒｕ膜成膜後、第１の搬送機構３１６によりＲｕ膜成膜装置３１４ａまたは３１４ｂからウエハＷを取り出し、受け渡し室３０５に搬送する。その後、第２の搬送機構３２６によりウエハＷを取り出し、第２の真空搬送室３２１を介してＣｕ成膜装置３２２ａまたは３２２ｂに搬入してＣｕ膜を形成し、トレンチおよびビアにＣｕを埋め込む。この際に、積み増し部まで一括して成膜してもよいが、Ｃｕ膜成膜装置３２２ａまたは３２２ｂでは埋め込みのみを行い、めっきによって積み増し部の形成を行ってもよい。
【００７１】
Ｃｕ膜の形成後、ウエハＷをロードロック室３０６ａまたは３０６ｂに搬送し、そのロードロック室を大気圧に戻した後、大気搬送用搬送機構３３６によりＣｕ膜が形成されたウエハＷを取り出し、キャリアＣに戻す。このような処理をキャリア内のウエハＷの数の分だけ繰り返す。
【００７２】
このような成膜システム３００によれば、大気開放することなく真空中で窒素プラズマ処理、Ｒｕ膜の成膜、Ｃｕ膜の成膜を行うことができ、各工程後の表面での酸化を防止することができ、高性能のＣｕ配線を得ることができる。
【００７３】
以上の成膜システム３００により上記実施形態におけるバリア膜成膜からＣｕ膜成膜までを行うことができるが、Ｃｕ膜成膜後に行われるアニール工程、ＣＭＰ工程は、成膜システム３００から搬出した後のウエハＷに対し、別途の装置を用いて行うことができる。これらの装置は、通常用いられる構成のものでよい。これら装置と成膜システム３００とでＣｕ配線形成システムを構成し、制御部３０４と同じ機能を有する共通の制御部により一括して制御するようにすることにより、上記他の実施形態のＣｕ配線の形成方法を一つの処理レシピにより一括して制御することができる。
【００７４】
＜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、本発明により形成されたＲｕ膜をＣｕ配線形成の際のＣｕ膜の下地膜として使用する場合について示したが、これに限るものではない。さらに、上記実施形態で用いた装置の構成も例示に過ぎず、他の種々の構成の装置を用いることができる。
【００７５】
さらに、上記実施形態では、トレンチとビア（ホール）とを有するウエハに本発明の方法を適用した例を示したが、凹部の形態はトレンチとビアの両方有するものに限らない。また、適用されるデバイスの構造も上記実施形態に限らず、基板についても半導体ウエハに限らない。
【符号の説明】
【００７６】
１１；チャンバ
１２；サセプタ
１５；ヒーター
２０；シャワーヘッド
３３；排気装置
４０；ガス供給機構
４１；成膜原料容器
４３；キャリアガス供給配管
４４；ＣＯガス供給源
４５；成膜原料ガス供給配管
５１；カウンターＣＯガス供給配管
６０；コントローラ
２０１；下部構造
２０２；層間絶縁膜
２０３；トレンチ
２０４；バリア膜
２０５；Ｒｕ膜
２０６；Ｃｕ膜
２０７；Ｃｕ配線
３００；成膜システム
３１２ａ，３１２ｂ；バリア膜成膜装置
３１４ａ，３１４ｂ；Ｒｕ膜成膜装置
３２２ａ，３２２ｂ；Ｃｕ膜成膜装置
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）
【図１】
2015160963.tif 000003
【図３】
2015160963.tif 000004
【図４】
2015160963.tif 000005
【図５】
2015160963.tif 000006
【図６】
2015160963.tif 000007
【図２】
2015160963.tif 000008