(57)【要約】【課題】タングステンを用いた配線に接触するCu配線を形成するプロセスにおいて、ビア抵抗の上昇を抑制するためのCu配線の形成方法を提供する。【解決手段】タングステン配線Ｍ０に接触して配置される基板Ｆに形成された凹部（トレンチ）２０３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、タングステン配線Ｍ０の表面に形成されたタングステン酸化物を除去する工程と、凹部２０３内の少なくともタングステン配線Ｍ０の表面に、窒化防止膜２０４を成膜する工程と、窒化防止膜２０４の上から、凹部２０３内の表面に、Cuの拡散を防止するバリア膜２０５を成膜する工程と、バリア膜２０５の上に、ライナー膜２０６を成膜する工程と、ライナー膜２０６の上に、Cu膜２０７を埋め込む工程と、を有する。【選択図】図５
2016111347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン配線に接触して配置される基板に形成された凹部内に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、
タングステン配線の表面に形成されたタングステン酸化物を除去する工程と、
前記凹部内の少なくとも前記タングステン配線の表面に、窒化防止膜を成膜する工程と、
前記窒化防止膜の上から、前記凹部内の表面に、Cuの拡散を防止するバリア膜を成膜する工程と、
前記バリア膜の上に、ライナー膜を成膜する工程と、
前記ライナー膜の上に、Cu膜を埋め込む工程と、を有することを特徴とする、Cu配線の形成方法。
【請求項２】
前記窒化防止膜は、タンタル膜であることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項３】
前記バリア膜は、窒化タンタル膜であることを特徴とする、請求項２に記載のCu配線の形成方法。
【請求項４】
前記窒化防止膜は、ＰＶＤにより成膜されることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項５】
前記バリア膜は、ＰＶＤにより成膜されることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項６】
前記窒化防止膜と前記バリア膜とは、同一の成膜装置で形成されることを特徴とする、請求項３に記載のCu配線の形成方法。
【請求項７】
前記窒化防止膜を、膜厚１〜１０ｎｍとすることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項８】
前記ライナー膜は、ルテニウム膜であることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項９】
前記ライナー膜は、ＣＶＤにより成膜されることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項１０】
前記Cu膜は、ＰＶＤにより成膜されることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項１１】
前記凹部は、トレンチまたはホールであることを特徴とする、請求項１に記載のCu配線の形成方法。
【請求項１２】
タングステン配線に接触して配置される基板に形成された凹部内にCuを埋め込んでCu配線を形成するための成膜システムであって、
タングステン配線の表面に形成されたタングステン酸化物を除去するデガス・プリクリーン室と、
前記凹部内の少なくとも前記タングステン配線の表面に窒化防止膜を成膜する窒化防止膜成膜装置と、
前記窒化防止膜の上から、前記凹部内の表面にバリア膜を成膜するバリア膜成膜装置と、
前記バリア膜の上にライナー膜を成膜するライナー膜成膜装置と、
前記ライナー膜の上にCu膜を埋め込むCu膜成膜装置と、
前記デガス・プリクリーン室、前記窒化防止膜成膜装置、前記バリア膜成膜装置、前記ライナー膜成膜装置、前記Cu膜成膜装置の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする、成膜システム。
【請求項１３】
前記窒化防止膜成膜装置と、前記バリア膜成膜装置と、前記ライナー膜成膜装置と、前記Cu膜成膜装置との間を、真空を破らずに搬送する搬送手段をさらに有することを特徴とする、請求項１２に記載の成膜システム。
【請求項１４】
前記窒化防止膜成膜装置と前記バリア膜成膜装置とは同一の装置であることを特徴とする、請求項１２に記載の成膜システム。
【請求項１５】
コンピュータ上で動作し、成膜システム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に記載のＣｕ配線の形成方法が行われるように、コンピュータに前記成膜システムを制御させることを特徴とする、記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タングステン配線に接触して配置される基板に形成されたトレンチまたはホール等の凹部にCuを埋め込んでCu配線を形成するCu配線の形成方法、成膜システム、および、それを制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体に関する。
【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、近年、半導体デバイスの高速化、配線パターンの微細化、高集積化の要求が高まっている。デバイスの動作速度を速くするためには、配線遅延を低減する必要があり、また、デバイスの省エネ化の観点からも、配線材料として、アルミニウム（Al）やタングステン（W）よりも低抵抗で誘電率の低い層間絶縁膜を有するCu配線が広く用いられている。
【０００３】
Cu配線の形成方法としては、従来、トレンチやホールが形成された層間絶縁膜全体に、Cuの拡散を防止するため、タンタル金属（Ta）、チタン（Ti）、窒化タンタル（TaN）膜、窒化チタン（TiN）膜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む方法が知られている。
【０００４】
ところが、近年の半導体デバイスの微細化に伴い、ＰＶＤによりバリア膜とCuシード膜を成膜した後にめっきを用いる従来の埋め込み技術では、微細なトレンチまたはホール等の凹部にボイドを発生させずにCuを埋め込むことが困難になってきた。そこで、ＣＶＤによりライナー膜としてルテニウム（Ru）膜を形成し、その上にｉＰＶＤによるドライフィルを用いてCu膜を形成する技術が開発されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１６９５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなCu配線のさらなる低抵抗化を実現するためには、配線内のCu体積を最大化すること、電子による散乱（界面散乱と粒界散乱）を減らすこと、の２つの方法がある。
【０００７】
Cu体積を最大化するためには、バリア膜およびライナー膜（ｉＰＶＤによるTaNおよびＣＶＤによるRu）の総膜厚を薄くする必要がある。なお、ｉＰＶＤにより形成されるTaN膜はCuの拡散バリアとして、ＣＶＤにより形成されるRu膜はCuとの密着層、濡れ層としての機能があるので、積層構造が必要になる。
【０００８】
電子による散乱、特に粒界散乱を減らすためには、Cu粒径を大きくすることが有効であり、ｉＰＶＤで形成されるCuによるドライフィルを用いることで、Cu粒径を大きくできる。
【０００９】
以上の方法で配線抵抗を低くすることはできるが、タングステン配線に接触するCu配線において、ビア抵抗が高くなってしまうという課題がある。図６は、半導体デバイス構造を模式化したものであり、最下層の配線Ｍ０にはタングステン（W）が配線材料として使われており、それよりも上層に、CuMnからなるビア層Ｖ０、配線Ｍ１、ビア層Ｖ１、配線Ｍ２、ビア層Ｖ２・・・が積層されている。図６に示すように、ビア層Ｖ０においては、Cu（CuMn）配線がタングステン配線Ｍ０と接触することになる。一方、ビア層Ｖ１よりも上層においては、Cu配線はCu配線同士で接触する。
【００１０】
Cu配線の形成においては、バリア膜の成膜前にデガス・プリクリーンが行われるが、その目的は、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すること、および、タングステン配線Ｍ０の表面に形成されているタングステン酸化物（WOx）を還元することである。プリクリーンには、水素ラジカルを用い、水素ラジカルによってタングステン酸化物（WOx）が還元される。デガス・プリクリーン後のタングステン配線Ｍ０の表面は、純タングステンになる。
【００１１】
ｉＰＶＤによってTaN膜からなるバリア膜を成膜する際には、Taターゲットから射出されたTa原子をプラズマ中でイオン化し、さらに窒素ガスをチャンバ内に供給して窒素プラズマを生成することで、Ta原子と窒素プラズマとの反応を生じさせる。このとき、連続したTa膜が形成されるまでは、窒素プラズマによって生成された窒素ラジカルや窒素イオンがタングステン表面に到達することができるので、純タングステンは、窒素ラジカルや窒素イオンと反応してタングステン窒化物（WNx）層を形成してしまう。そして、本発明者らが、窒素ラジカルや窒素イオンによるタングステン膜の抵抗上昇を調査したところ、タングステンをプリクリーンした後に窒素プラズマに曝すと、抵抗上昇率が高くなり、窒素量を増やすとさらに抵抗上昇率が高くなることが確認された。これは、タングステン表面をデガス・プリクリーンすることにより、より窒化しやすい純タングステンになるためである。そして、タングステン表面に窒化膜WNxが存在すると、WNxは抵抗値が高いために、タングステン配線Ｍ０に接触するビア層Ｖ０のビア抵抗が高くなってしまうという課題があった。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、タングステンを用いた配線に接触するCu配線を形成するプロセスにおいて、ビア抵抗の上昇を抑制するための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】
【００１３】
上記問題を解決するため、本発明は、タングステン配線に接触して配置される基板に形成された凹部内に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、タングステン配線の表面に形成されたタングステン酸化物を除去する工程と、前記凹部内の少なくとも前記タングステン配線の表面に、窒化防止膜を成膜する工程と、前記窒化防止膜の上から、前記凹部内の表面に、Cuの拡散を防止するバリア膜を成膜する工程と、前記バリア膜の上に、ライナー膜を成膜する工程と、前記ライナー膜の上に、Cu膜を埋め込む工程と、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】
また、本発明の別の観点では、タングステン配線に接触して配置される基板に形成された凹部内にCuを埋め込んでCu配線を形成するための成膜システムであって、タングステン配線の表面に形成されたタングステン酸化物を除去するデガス・プリクリーン室と、前記凹部内の少なくとも前記タングステン配線の表面に窒化防止膜を成膜する窒化防止膜成膜装置と、前記窒化防止膜の上から、前記凹部内の表面にバリア膜を成膜するバリア膜成膜装置と、前記バリア膜の上にライナー膜を成膜するライナー膜成膜装置と、前記ライナー膜の上にCu膜を埋め込むCu膜成膜装置と、前記デガス・プリクリーン室、前記窒化防止膜成膜装置、前記バリア膜成膜装置、前記ライナー膜成膜装置、前記Cu膜成膜装置の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする、成膜システムを提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、バリア膜を成膜する前に、タングステン表面の窒化を防止するための窒化防止膜をタングステン表面に成膜しておくことで、バリア膜の成膜プロセス中にタングステンの表面が窒化されるのを防ぐことができる。その結果、WNxに起因するビア抵抗の上昇を抑制し、デバイス全体を低抵抗化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るCu配線の形成方法を実施するためのマルチチャンバタイプの成膜システムの一例を示す平面図である。
【図２】図１の成膜システムに搭載された、窒化防止膜およびバリア膜を形成するための成膜装置の一例を示す断面図である。
【図３】図１の成膜システムに搭載された、ライナー膜を形成するための成膜装置の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るCu配線の形成方法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係るCu配線の形成方法を説明するための工程断面図であり、（ａ）は成膜前のウエハの状態、（ｂ）は窒化防止膜を成膜した状態、（ｃ）はバリア膜を成膜した状態、（ｄ）はライナー膜を成膜した状態、（ｅ）はCu膜を埋め込んだ状態、（ｆ）は研磨後の状態である。
【図６】本発明が適用されるデバイス構造の概要を示す模式図である。
【図７】タングステン表面に窒化膜が存在する場合と存在しない場合とについて、ビア径に対するビア抵抗を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
【００１８】
先ず、本発明の実施形態に用いる成膜システムについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るCu配線の形成を実施するためのマルチチャンバタイプの成膜システムの一例を示す平面図である。
【００１９】
成膜システム１は、窒化防止膜、バリア膜、およびライナー膜を形成する第１の処理部２と、Cu膜を形成する第２の処理部３と、搬入出部４とを有しており、半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す。）Ｆに対してCu配線を形成するためのものである。
【００２０】
第１の処理部２は、平面形状が七角形をなす第１の真空搬送室１１と、この第１の真空搬送室１１の平面視における４つの辺に対応する壁部に接続された、２つの窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ，１２ｂ、および２つのライナー膜成膜装置１４ａ，１４ｂとを有している。図１において左側に記載された窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ、ライナー膜成膜装置１４ａと、図１において右側に記載された窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ｂ、ライナー膜成膜装置１４ｂとは、線対称の位置に配置されている。本実施形態では、窒化防止膜とバリア膜とは、同一の成膜装置１２ａ，１２ｂで成膜される。
【００２１】
第１の真空搬送室１１の平面視において他の２辺に対応する線対称な位置の壁部には、それぞれ、ウエハＦのデガス・プリクリーンを行うデガス・プリクリーン室５ａ，５ｂが接続されている。また、第１の真空搬送室１１のデガス・プリクリーン室５ａと５ｂとの間の壁部には、第１の真空搬送室１１と後述する第２の真空搬送室２１との間でウエハＦの受け渡しを行う受け渡し室５が接続されている。
【００２２】
窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ，１２ｂ、ライナー膜成膜装置１４ａ，１４ｂ、デガス・プリクリーン室５ａ，５ｂ、および受け渡し室５は、第１の真空搬送室１１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Ｇを開放することにより第１の真空搬送室１１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１の真空搬送室１１から遮断される。
【００２３】
第１の真空搬送室１１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、窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ，１２ｂ、ライナー膜成膜装置１４ａ，１４ｂ、デガス・プリクリーン室５ａ，５ｂ、および受け渡し室５に対してウエハＦの搬入出を行う第１の搬送機構１６が設けられている。この第１の搬送機構１６は、第１の真空搬送室１１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１７を有し、その回転・伸縮部１７の先端にウエハＦを支持する２つの支持アーム１８ａ，１８ｂが設けられており、これら２つの支持アーム１８ａ，１８ｂは互いに反対方向を向くように、回転・伸縮部１７に取り付けられている。
【００２４】
第２の処理部３は、平面形状が七角形をなす第２の真空搬送室２１と、この第２の真空搬送室２１の対向する２つの辺に対応する壁部に接続された、２つのCu膜成膜装置２２ａ，２２ｂとを有している。
【００２５】
第２の真空搬送室２１の第１の処理部２側の２辺に対応する壁部には、それぞれ前述のデガス・プリクリーン室５ａ，５ｂが接続され、デガス・プリクリーン室５ａと５ｂとの間の壁部には、前述の受け渡し室５が接続されている。すなわち、受け渡し室５ならびにデガス・プリクリーン室５ａおよび５ｂは、いずれも第１の真空搬送室１１と第２の真空搬送室２１との間に設けられ、受け渡し室５の両側にデガス・プリクリーン室５ａおよび５ｂが配置されている。さらに、第２の真空搬送室２１の搬入出部４側の２辺には、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６ａ，６ｂが接続されている。
【００２６】
Cu膜成膜装置２２ａ，２２ｂ、デガス・プリクリーン室５ａ，５ｂ、およびロードロック室６ａ，６ｂは、第２の真空搬送室２１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Ｇを開放することにより第２の真空搬送室２１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２１から遮断される。受け渡し室５は、ゲートバルブＧを介さずに第２の真空搬送室２１に接続されている。
【００２７】
第２の真空搬送室２１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２２ａ，２２ｂ、デガス・プリクリーン室５ａ，５ｂ、ロードロック室６ａ，６ｂ、および受け渡し室５に対してウエハＦの搬入出を行う第２の搬送機構２６が設けられている。この第２の搬送機構２６は、第２の真空搬送室２１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２７を有し、その回転・伸縮部２７の先端にウエハＦを支持する２つの支持アーム２８ａ，２８ｂが設けられており、これら２つの支持アーム２８ａ，２８ｂは互いに反対方向を向くように、回転・伸縮部２７に取り付けられている。
【００２８】
搬入出部４は、前述のロードロック室６ａ，６ｂを挟んで第２の処理部３とは反対側に設けられており、ロードロック室６ａ，６ｂが接続される大気搬送室３１を有している。ロードロック室６ａ，６ｂと大気搬送室３１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３１のロードロック室６ａ，６ｂ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Ｆを収容するキャリアＣを接続する２つの接続ポート３２，３３が設けられている。これら接続ポート３２，３３にはそれぞれ図示しないシャッターが設けられており、これら接続ポート３２，３３にウエハＦを収容した状態の或いは空のキャリアＣが直接取り付けられ、その際にシャッターが外れて外気の侵入を防止しつつ大気搬送室３１と連通するようになっている。また、大気搬送室３１の側面にはアライメントチャンバ３４が設けられており、そこでウエハＦのアライメントが行われる。大気搬送室３１内には、キャリアＣに対するウエハＦの搬入出およびロードロック室６ａ，６ｂに対するウエハＦの搬入出を行う大気搬送用搬送機構３６が設けられている。この大気搬送用搬送機構３６は、キャリアＣの配列方向に沿ってレール３８上を走行可能となっていて、それぞれの先端のハンド３７上にウエハＦを載せてその搬送を行うようになっている。
【００２９】
この成膜システム１は、この成膜システム１の各構成部を制御するための制御部４０を有している。制御部４０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４１と、オペレータが成膜システム１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１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４２と、成膜システム１で実行される処理をプロセスコントローラ４１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が格納された記憶部４３とを備えている。なお、ユーザーインターフェース４２および記憶部４３は、プロセスコントローラ４１に接続されている。
【００３０】
上記プログラムは、記憶部４３の中の記憶媒体４３ａ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プログラムを適宜伝送するようにしてもよい。
【００３１】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース４２からの指示等にて任意のプログラムを記憶部４３から呼び出してプロセスコントローラ４１に実行させることで、プロセスコントローラ４１の制御下で、成膜システム１での所望の処理が行われる。
【００３２】
このような成膜システム１においては、キャリアＣから大気搬送用搬送機構３６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Ｆを取り出し、ロードロック室６ａまたは６ｂに搬送し、ロードロック室６ａまたは６ｂを第２の真空搬送室２１と同程度の真空度に減圧した後、第２の搬送機構２６によりロードロック室６ａまたは６ｂのウエハＦを取り出し、第２の真空搬送室２１を介してデガス・プリクリーン室５ａまたは５ｂに搬送し、ウエハＦのデガス・プリクリーン処理を行う。その後、第１の搬送機構１６によりデガス・プリクリーン室５ａまたは５ｂのウエハＦを取り出し、第１の真空搬送室１１を介して窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａまたは１２ｂに搬入する。窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａまたは１２ｂでは、先ず、窒化防止膜として例えばTa膜を成膜し、その後、バリア膜として例えばTaN膜等を成膜する。バリア膜成膜後、第１の搬送機構１６により窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａまたは１２ｂからウエハＦを取り出し、ライナー膜成膜装置１４ａまたは１４ｂに搬入し、ライナー膜として例えばRu膜を成膜する。ライナー膜成膜後、第１の搬送機構１６によりライナー膜成膜装置１４ａまたは１４ｂからウエハＦを取り出し、受け渡し室５に搬送する。その後、第２の搬送機構２６によりウエハＦを取り出し、第２の真空搬送室２１を介してCu膜成膜装置２２ａまたは２２ｂに搬入し、Cu膜を成膜する。Cu膜成膜後、第２の搬送機構２６によりCu膜成膜装置２２ａまたは２２ｂからウエハＦを取り出し、ロードロック室６ａまたは６ｂ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３６によりCu膜が形成されたウエハＦ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Ｆの数の分だけ繰り返す。
【００３３】
なお、窒化防止膜は上記のTa膜に限らず、他の高融点金属材料でも構わない。また、バリア膜としては、TaN膜の他、TiN膜等でもよい。
【００３４】
次に、本発明の方法を実施するための窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ（１２ｂ）について説明する。
【００３５】
図２は、窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ（１２ｂ）の一例を示す断面図である。ここでは、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。
【００３６】
図２に示すように、この窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ（１２ｂ）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、バリア膜成膜時に必要な他のガス、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。
【００３７】
処理容器５１内には、被処理基板であるウエハＦ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。載置台６３には熱電対（図示せず）が設けられており、この熱電対で検出された温度に基づいて、冷却ジャケット６５への冷媒の供給を制御することにより、ウエハ温度を所定の温度、例えば１０℃程度に制御できるようになっている。
【００３８】
載置台６３の上面側には、例えばアルミナ等の誘電体部材６６ａの中に電極６６ｂが埋め込まれて構成された薄い円板状の静電チャック６６が設けられており、ウエハＦを静電力により吸着保持できるようになっている。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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が起立させて設けられており、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Ｆを受けて、そのウエハＦ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の反対側には、前述した第２の真空搬送室２１が設けられている。
【００４１】
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Ｆが静電力により吸着保持される。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Ｆ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。
【００４２】
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。窒化防止膜、例えばTa膜を成膜する際は、N2ガスは使用せず、Arガスのみを用い、バリア膜の成膜時には、ArガスとN2ガスとを混合して用いる。なお、バリア膜成膜時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。
【００４３】
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。
【００４４】
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た環状（截頭円錐殻状）のTaターゲット８３が設けられており、このTa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。
【００４５】
また、Ta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。Taターゲット８３はプラズマ中のArイオンによりTaの金属原子、あるいは金属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。
【００４６】
また、このTaターゲット８３の下部には、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。
【００４７】
なお、Ta膜成膜装置の各構成部は、上述の制御部４０（図１参照）により制御されるようになっている。
【００４８】
このように構成された窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａ（１２ｂ）においては、ウエハＦを図２に示す処理容器５１内へ搬入し、このウエハＦを載置台６３上に載置して静電チャック６６により吸着し、制御部４０の制御下で、以下の動作が行われる。
【００４９】
まず、真空ポンプ５６を動作させることにより所定の真空状態、例えば窒化防止膜成膜時には圧力３５〜９０ｍＴ、好ましくは６５ｍＴ程度、バリア膜成膜時には５〜９０ｍＴ、好ましくは１０ｍＴ程度にされた処理容器５１内に、ガス制御部６０を操作して所定流量でArガス（バリア膜成膜時にはN2ガスを混合）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する。その後、可変直流電源８４から直流電圧をTaターゲット８３に印加し、さらにプラズマ発生源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。なお、可変直流電源８４の電力は、１０００Ｗ〜６０００Ｗ、好ましくは、窒化防止膜成膜時には２３００Ｗ程度、バリア膜成膜時には１６００Ｗ程度、プラズマ電力は、１０００Ｗ〜５５００Ｗ、好ましくは、窒化防止膜成膜時には５２５０Ｗ程度、バリア膜成膜時には４５００Ｗ程度、バイアス用の高周波電力は、１０００Ｗ以下、好ましくは、窒化防止膜成膜時には２００Ｗ程度、バリア膜成膜時には９００Ｗ程度とする。
【００５０】
これにより、処理容器５１内においては、誘導コイル８０に供給された高周波電力によりArプラズマが形成されてArイオンが生成され、これらイオンはTaターゲット８３に印加された直流電圧に引き寄せられてTaターゲット８３に衝突し、このTaターゲット８３がスパッタされてTa粒子が放出される。この際、Taターゲット８３に印加する直流電圧により放出されるTa粒子の量が最適に制御される。
【００５１】
また、スパッタされたTaターゲット８３からのTa粒子であるTa原子、Ta原子団は、プラズマ中を通る際に多くはイオン化される。ここでTa粒子は、イオン化されたTaイオンと電気的に中性な中性Ta原子とが混在する状態となって下方向へ飛散して行く。
【００５２】
そして、Ta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Ｆ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Ｆ側に加速するように引き付けられてウエハＦに堆積してTa薄膜が形成される。なお、このときバイアス用高周波電源７４から静電チャック６６の電極６６ｂに対して印加されるバイアスパワーを調整することにより、Taによる成膜とArによるエッチングを調整して適切な成膜を実現することができる。バリア膜であるTaN膜を成膜する際には、Taターゲットから射出されたTa原子をプラズマ中でイオン化し、さらにN2ガスを処理容器５１内に供給して窒素プラズマを生成することで、Ta原子と窒素プラズマとの反応を生じさせる。
【００５３】
次に、Cu膜成膜装置について説明する。
【００５４】
Cu膜成膜装置２２ａ（２２ｂ）としては、ターゲット８３をCuに変えるのみで、図２の成膜装置と同様の構成の成膜装置（ｉＰＶＤ）を用いて、プラズマスパッタにより成膜することができる。この際、必要に応じて、載置台６３内の冷却ジャケット６５の上に、絶縁材料で被覆された抵抗ヒーターを埋め込んで、ウエハを所望する温度に加熱してもよい。
【００５５】
次に、ライナー膜としてのRu膜を形成するためのライナー膜成膜装置１４ａ（１４ｂ）について説明する。ライナー膜は、熱ＣＶＤにより好適に形成することができる。図３は、ライナー膜成膜装置の一例を示す断面図であり、熱ＣＶＤによりRu膜を形成するものである。
【００５６】
図３に示すように、このライナー膜成膜装置１４ａ（１４ｂ）は、例えばアルミニウム等により筒体に形成された処理容器１０１を有している。処理容器１０１の内部には、ウエハＦを載置する例えばAlN等のセラミックスからなる載置台１０２が配置されており、この載置台１０２内にはヒーター１０３が設けられている。このヒーター１０３はヒーター電源（図示せず）から給電されることにより発熱する。
【００５７】
処理容器１０１の天壁には、Ru膜を形成するための処理ガスやパージガス等を処理容器１０１内にシャワー状に導入するためのシャワーヘッド１０４が載置台１０２と対向するように設けられている。シャワーヘッド１０４はその上部にガス導入口１０５を有し、その内部にガス拡散空間１０６が形成されており、その底面には多数のガス吐出孔１０７が形成されている。ガス導入口１０５にはガス供給配管１０８が接続されており、ガス供給配管１０８にはRu膜を形成するための処理ガスやパージガス等を供給するためのガス供給源１０９が接続されている。また、ガス供給配管１０８には、ガス流量制御器、バルブ等よりなるガス制御部１１０が介装されている。Ruを成膜するためのガスとしては、ルテニウムカルボニル（Ru3(CO)12）を挙げることができる。このルテニウムカルボニルは熱分解によりRuとなりウエハＦ上にRu膜を形成することができる。
【００５８】
処理容器１０１の底部には、排気口１１１が設けられており、この排気口１１１には排気管１１２が接続されている。排気管１１２には圧力調整を行うスロットルバルブ１１３および真空ポンプ１１４が接続されており、処理容器１０１内が真空引き可能となっている。
【００５９】
載置台１０２には、ウエハ搬送用の３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン１１６が載置台１０２の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン１１６は支持板１１７に固定されている。そして、ウエハ支持ピン１１６は、エアシリンダ等の駆動機構１１８によりロッド１１９を昇降することにより、支持板１１７を介して昇降される。なお、符号１２０はベローズである。一方、処理容器１０１の側壁には、ウエハ搬出入口１２１が形成されており、ゲートバルブＧを開けた状態で第１の真空搬送室１１との間でウエハＦの搬入出が行われる。
【００６０】
このようなRuライナー膜成膜装置１４ａ（１４ｂ）においては、ゲートバルブＧを開けて、ウエハＦを載置台１０２上に載置した後、ゲートバルブＧを閉じ、処理容器１０１内を真空ポンプ１１４により排気して処理容器１０１内を所定の圧力に調整しつつ、ヒーター１０３より載置台１０２を介してウエハＦを所定温度に加熱した状態で、ガス供給源１０９からガス供給配管１０８およびシャワーヘッド１０４を介して処理容器１０１内へルテニウムカルボニル（Ru3(CO)12）ガス等の処理ガスを導入する。これにより、ウエハＦ上で処理ガスの反応が進行し、ウエハＦの表面にRu膜が形成される。
【００６１】
Ru膜の成膜には、ルテニウムカルボニル以外の他の成膜原料、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O2ガスのような分解ガスとともに用いることができる。またRu膜をＰＶＤで成膜することもできる。ただし、良好なステップカバレッジが得られ、かつ膜の不純物を少なくすることができることから、ルテニウムカルボニルを用いたＣＶＤで成膜することが好ましい。
【００６２】
次に、本発明の実施形態に係るCu配線の形成方法について、図４のフローチャートおよび図５の工程断面図を参照して説明する。なお、本実施形態は、タングステン配線Ｍ０と接触するビア層Ｖ０に適用される（図６参照）。
【００６３】
本実施形態では、まず、タングステン（W）配線Ｍ０が設けられた下部構造２０１の上にSiO2膜等の層間絶縁膜２０２を有し、そこに凹部としてトレンチ２０３が形成されたウエハＦを準備する（ステップＳ１、図５（ａ））。そして、ウエハＦを図１の成膜システム１に搬入し、デガス・プリクリーン室５ａまたは５ｂで、デガスプロセスおよびプリクリーンプロセスによって、絶縁膜表面に付着している水分やエッチング／アッシング時の残渣を除去し、タングステン配線Ｍ０の表面に形成されているタングステン酸化物（WOx）を還元するデガス・プリクリーン処理を行う（ステップＳ２）。
【００６４】
次に、ウエハＦを窒化防止膜およびバリア膜成膜装置１２ａまたは１２ｂに搬入し、タングステンの表面にWNx層が形成されるのを防止する窒化防止膜２０４（Ta膜）を成膜する（ステップＳ３、図５（ｂ））。窒化防止膜２０４は、タングステン配線Ｍ０の上面全体のみを被覆すれば良いが、図５（ｂ）に示すように、トレンチ２０３内面および上面を含む水平面に成膜しても構わない。窒化防止膜２０４としては、Ta膜以外の高融点金属材料も用いることができる。窒化防止膜２０４の膜厚は、１〜１０ｎｍ、好ましくは５ｎｍ程度とする。
【００６５】
窒化防止膜２０４が形成された後、処理容器内にN2ガスを供給し、トレンチ２０３表面を含む全面に、Cuの拡散を遮蔽するバリア膜２０５を成膜する（ステップＳ４、図５（ｃ））。バリア膜２０５としては、Cuに対して高いバリア性を有し、低抵抗なものが好ましく、TaN膜、TiN膜等を好適に用いることができる。また、TaCN膜、WN膜、WCN膜、ZrN膜、VN膜、NbN膜等も用いることができる。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２０５はなるべく薄く形成することが好ましく、厚さは１〜１０ｎｍとし、３ｎｍ程度がさらに好ましい。窒化防止膜２０４およびバリア膜２０５は、プラズマスパッタにより成膜することができ、窒化防止膜２０４は例えば１２ｓｅｃ程度、バリア膜２０５は例えば６ｓｅｃ程度の処理時間で行われる。また、通常のスパッタ、イオンプレーティング等の他のＰＶＤで成膜することができ、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。
【００６６】
次いで、ライナー膜成膜装置１４ａまたは１４ｂにより、バリア膜２０５の上にRuライナー膜２０６を成膜する（ステップＳ５、図５（ｄ））。Ruライナー膜２０６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。Ruライナー膜２０６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、上述した図３に示すような成膜装置により、熱ＣＶＤにより好適に形成することができる。これにより、高純度で非常に薄いRu膜を高ステップカバレッジで成膜することができる。Ruライナー膜２０６は、上述したように、ルテニウムカルボニル以外の他の成膜原料、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たＣＶＤやＰＶＤで成膜することもできる。
【００６７】
次いで、例えば図２に示すようなｉＰＶＤであるプラズマスパッタ装置からなるCu膜成膜装置２２ａまたは２２ｂを用いて、ウエハＦの載置台にバイアスを印加してCu配線となるCu膜２０７を成膜し、トレンチ２０３を埋め込む（ステップＳ６、図５（ｅ））。エレクトロマイグレーション耐性を増すために、Cu膜は、CuMn、CuAl等の合金で形成されてもよい。
【００６８】
Cu膜は、Cu膜成膜装置２２ａまたは２２ｂ内において、図５（ｅ）に示すようにトレンチ２０３の上部の平坦部まで成膜するか、あるいは、成膜システム１内でトレンチ２０３内部を埋め込んだ後に成膜システム１から搬出し、図示しないCuめっき装置に搬送してウエハＦの全面にCuめっき層を形成する。その後、ウエハＦをアニールしてCuのグレンサイズを大きくするとともにCuめっき層を安定させ（ステップＳ７）、次いでＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によりウエハＦ表面を研磨して、表面のRuライナー膜２０６、バリア膜２０５を完全に除去する（ステップＳ８、図５（ｆ））。これにより、トレンチ２０３内に残存したCu膜２０７がCu配線として機能する。
【００６９】
以上のように、本発明によれば、タングステン配線Ｍ０表面の窒化を防止する窒化防止膜２０４を設けることで、バリア膜２０５成膜時のWNxの形成を防止でき、タングステン配線Ｍ０の直上層のビア層Ｖ０のビア抵抗の上昇を回避できる。
【００７０】
図７は、タングステンの上にTaN層、Ru層、Cu層が積層された際、タングステン表面にWNx層が形成された場合（四角形の点）と、形成されていない場合（丸い点）とについて、ビア抵抗を比較したグラフである。WNx層が形成されていない方が低抵抗であり、殊にビア径が小さい場合に顕著に差が現れることがわかった。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７２】
例えば、上記実施形態では、タングステンの窒化防止のための膜をTa膜としたが、これに限ることはなく、Ti、Ru、Zr、V、Nb等、他の高融点金属であってもよい。また、上記実施形態では、ｉＰＶＤを用いてTa膜を形成したが、ＡＬＤ、ＰＥＡＬＤ、ＣＶＤを用いて形成してもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、Cuの埋め込みに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、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タイプのＰＶＤ装置でもよい。
【００７４】
また、成膜システムとしては、図１に示すタイプに限らず、一つの搬送装置に全ての成膜装置が接続されているタイプであってもよい。また、図１に示すようなマルチチャンバタイプのシステムではなく、別個に設けられた装置により、窒化防止膜、バリア膜、ライナー膜、Cu膜をそれぞれ成膜するようにしてもよい。
【００７５】
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】
【００７６】
１      成膜システム
５ａ，５ｂ  デガス・プリクリーン室
１２ａ，１２ｂ  窒化防止膜およびバリア膜成膜装置
１４ａ，１４ｂ  ライナー膜成膜装置
２２ａ，２２ｂ  Cu膜成膜装置
４０    制御部
５１    処理容器
５６    真空ポンプ
５９    ガス供給源
８３    Taターゲット
２０１  下部構造
２０２  層間絶縁膜
２０３  トレンチ
２０４  窒化防止膜
２０５  バリア膜
２０６  ライナー膜
２０７  Cu膜
Ｍ０    タングステン配線
Ｆ      半導体ウエハ
【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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