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KR20180005607A - 루테늄 배선 및 그 제조 방법 - Google Patents

루테늄 배선 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20180005607A
KR20180005607A KR1020170083687A KR20170083687A KR20180005607A KR 20180005607 A KR20180005607 A KR 20180005607A KR 1020170083687 A KR1020170083687 A KR 1020170083687A KR 20170083687 A KR20170083687 A KR 20170083687A KR 20180005607 A KR20180005607 A KR 20180005607A
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

배선에 발생하는 스트레스를 제어하여, 배선 패턴의 붕괴나 물너울과 같은 변형이 발생하는 것을 억제한다. 또한, 트렌치 등의 오목부 내에 루테늄 막을 매립한 후, 평탄화를 용이하게 행한다. 표면에 트렌치(203) 및 비아 홀(204)이 형성된 층간 절연막(202)을 갖는 기판(W)에 대하여, 트렌치(203) 및 비아 홀(204)을 매립해서 루테늄 배선(207)을 제조함에 있어서, 적어도 트렌치(203) 및 비아 홀(204)의 표면에, 하지막으로서 TiON막(205)을 형성하고, 그 후, TiON막(205) 상에 트렌치(203) 및 비아 홀(204)을 매립하도록 루테늄 막(206)을 형성한다. 또한, 하지막(211)을 형성하고, 그 후 루테늄 막(206)을 형성한 후, 표면의 루테늄 막(206) 및 하지막(211)을, 아르곤 플라즈마 처리를 포함하는 제거 처리에 의해 평탄화한다.

Description

루테늄 배선 및 그 제조 방법{RUTHENIUM WIRING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 루테늄 배선 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체 디바이스의 미세화에 수반하여, 배선의 미세화도 진행되고 있다. 그 결과, 배선 저항의 증대 및 배선간의 결합 용량의 증대에 기인하는 RC 지연이 소자의 고속 동작을 저해한다는 문제가 현재화되고 있다. 이 때문에, 최근 들어, 배선 재료로서 종래부터 사용되고 있는 알루미늄(Al)이나 텅스텐(W)보다도 벌크의 저항이 낮은 구리(Cu)가 사용되고, 층간 절연막으로서 저유전율막(Low-k막)이 사용되고 있다.
그런데, 미세화가 더욱 진행됨으로써, Cu 배선에는 새로운 문제점이 나오고 있다. 즉, ITRS의 로드맵에 의하면, 14nm 세대의 디바이스에서 사용되는 배선 폭은 32nm로 되어 있고, 이것은 Cu 재료 중에서의 전자의 평균 자유 행정인 약 39nm보다도 좁아, 산란에 의한 저항값의 상승이 발생한다. 구체적으로는, 배선의 저항값은, 벌크의 저항값과, 표면 산란에 의한 저항 인자와, 입계 산란에 의한 저항 인자의 합으로서 표현되는데, 표면 산란에 의한 저항 인자 및 입계 산란에 의한 저항 인자는 모두 전자의 평균 자유 행정에 비례하기 때문에, 전자의 평균 자유 행정이 배선 폭보다도 커지면, 전자의 배선 측면이나 입계에의 충돌이 지배적으로 되어, 산란에 의한 저항값의 상승이 발생한다. 이것은 배선이 미세하게 될수록 현저해진다.
따라서, 배선 재료로서, 벌크의 저항값은 Cu 만큼은 낮지 않지만, 재료 중에서의 전자의 평균 자유 행정이 Cu보다도 짧은 루테늄(Ru)이 검토되어 있다. 구체적으로는, Ru의 벌크의 저항값은 7.1μΩ-cm로, Cu의 1.7μΩ-cm보다 높지만, 전자의 평균 자유 행정은 10.8nm로, Cu의 38.7nm보다도 짧다.
또한, Ru의 융점은, Cu의 융점인 1085℃보다도 높은 2334℃이기 때문에, 일렉트로마이그레이션 내성의 점에서도 Cu보다도 유리하다.
Ru는, Cu와는 달리 절연막으로 확산하기 어렵기 때문에, Ru막의 하지막에는 배리어성은 요구되지 않는다. 그러나, 절연막 상에 직접, 밀착성 좋게 Ru막을 형성하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 절연막 상에 하지막으로서 TiN막을 성막하고, 그 위에 Ru막을 성막해서 Ru 배선을 형성하는 기술이 제안되어 있다(비특허문헌 1).
한편, Cu 배선을 형성하는 기술로서는, 반도체 웨이퍼 표면의 트렌치가 형성된 층간 절연막에 배리어막을 형성한 후, 트렌치에 Cu막을 매립하고, 그 후, CMP(Chemical Mechanical Polishing)법에 의해 평탄화하는 기술이 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1). 따라서, Ru 배선을 형성할 때도, Ru막을 성막한 후, CMP 처리에 의해 평탄화하는 것을 생각할 수 있다. 특허문헌 2에는, 배선의 예는 아니지만, Ru막을 퇴적한 후, CMP법 등에 의해 평탄화 처리를 행하여, 축적 애노드 전극(SN)을 형성하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2006-148075호 공보 일본 특허 공개 제2000-114474호 공보
L. G. Wen et al., Proceeding of IEEE IITC/AMC 2016, pp34-36
그런데, 절연막 상에 하지막인 TiN막을 성막하고, 그 위에 Ru막을 성막할 때는, TiN막에도 Ru막에도 인장응력이 작용하고 있어, 적층 구조로 함으로써 더욱 응력이 커진다. 이 때문에, 배선에는 큰 스트레스가 걸린다. 배선의 스트레스가 크면, 배선 패턴의 붕괴나 물너울과 같은 변형이 염려된다. 특히, 배선 구조가 미세해지면, 배선간의 간격도 짧아져, 보다 배선의 변형이 일어나기 쉬워진다.
또한, Ru는 귀금속으로서 이온화 경향이 낮기 때문에, 반도체 웨이퍼 표면의 Ru막을 CMP에 의해 제거하기 어려워, 트렌치에 Ru막을 매립한 후의 평탄화에 CMP를 사용하면 막대한 시간이 걸려 버린다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 제1 과제는, 배선에 발생하는 스트레스를 제어하여, 배선 패턴의 붕괴나 물너울과 같은 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있는 루테늄 배선 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제2 과제는, 트렌치 등의 오목부 내에 루테늄 막을 매립한 후, 평탄화를 용이하게 행할 수 있는 루테늄 배선의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제1 관점은, 기판 표면의 소정의 막에 형성된 오목부에, 하지막으로서 형성된 TiON막과, 상기 TiON막 상에 상기 오목부를 매립하도록 형성된 루테늄 막을 갖는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선을 제공한다.
상기 제1 관점에서, 상기 소정의 막은 층간 절연막이며, 상기 층간 절연막에 상기 오목부로서 트렌치 및 비아 홀이 형성되어 있는 것으로 할 수 있다. 상기 TiON막은 ALD에 의해 형성된 막이며, 상기 루테늄 막은 CVD에 의해 형성된 막으로 할 수 있다. 상기 TiON막은, 산소량이 50at％ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 관점은, 표면에 오목부가 형성된 소정의 막을 갖는 기판에 대하여, 상기 오목부를 매립해서 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서, 적어도 상기 오목부의 표면에, 하지막으로서 TiON막을 형성하는 공정과, 상기 TiON막 상에 상기 오목부를 매립하도록 루테늄 막을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법을 제공한다.
상기 소정의 막은 층간 절연막이며, 상기 층간 절연막에 상기 오목부로서 트렌치 및 비아 홀이 형성되어 있는 것으로 할 수 있다.
상기 루테늄 막을 형성해서 상기 오목부를 매립한 후, 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을 제거해서 평탄화하는 공정을 더 가져도 된다. 상기 평탄화하는 공정은, 상기 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을 CMP에 의해 연마함으로써 행할 수 있다. 또한, 상기 평탄화하는 공정은, 상기 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을, 아르곤 플라즈마 처리를 포함하는 처리에 의해 제거함으로써 행할 수 있다. 이 경우에, 상기 평탄화하는 공정은, 상기 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을 아르곤 플라즈마 처리에 의해 제거한 후, CMP에 의해 연마함으로써 행할 수 있다. 상기 아르곤 플라즈마 처리는, 아르곤 이온 스퍼터 처리인 것이 바람직하다. 상기 루테늄 막을 형성한 후, 상기 평탄화 전에, 어닐 처리를 실시하는 공정을 더 가져도 된다.
상기 TiON막의 산소량을 조정함으로써, 상기 TiON막에 작용하는 응력을 제어할 수 있다. 상기 TiON막의 산소량을 50at％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상기 TiON막은, 처리 용기 내에 기판을 배치하고, 상기 처리 용기 내를 감압 상태로 유지하고, 소정의 처리 온도에서, 상기 처리 용기 내에 Ti 함유 가스를 공급하는 스텝과, 상기 처리 용기 내에 질화 가스를 공급하는 스텝을 교대로 X회 반복해서 단위 TiN막을 성막한 후, 상기 처리 용기 내에 산화제를 공급해서 상기 단위 TiN막을 산화하는 일련의 처리를 1 사이클로 하고, 이 사이클을 원하는 막 두께가 되도록 복수 사이클 반복함으로써 형성할 수 있으며, X의 횟수에 의해 막 내의 산소량을 조정할 수 있다.
이때, 상기 Ti 함유 가스로서 TiCl4 가스를 사용하고, 상기 질화 가스로서 NH3 가스를 사용할 수 있다. 또한, 상기 산화제로서, O2 가스, O3 가스, H2O, NO2로 이루어지는 군에서 선택되는 산소 함유 가스, 또는, 상기 산소 함유 가스를 플라즈마화한 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 TiON막을 형성할 때의 상기 처리 온도를 300 내지 500℃의 범위로 할 수 있다.
본 발명의 제3 관점은, 표면에 오목부가 형성된 소정의 막을 갖는 기판에 대하여, 상기 오목부를 매립해서 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서, 적어도 상기 오목부의 표면에, 하지막을 형성하는 공정과, 상기 하지막 상에 상기 오목부를 매립하도록 루테늄 막을 형성하는 공정과, 상기 루테늄 막을 형성해서 상기 오목부를 매립한 후, 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 하지막을, 아르곤 플라즈마 처리를 포함하는 처리에 의해 제거해서 평탄화하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 루테늄 배선의 제조 방법을 제공한다.
상기 제3 관점에서, 상기 평탄화하는 공정은, 상기 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 하지막을 아르곤 플라즈마 처리에 의해 제거한 후, CMP에 의해 연마함으로써 행할 수 있다. 상기 아르곤 플라즈마 처리는, 아르곤 이온 스퍼터 처리가 적합하다. 상기 루테늄 막을 형성 후, 상기 평탄화하는 공정 전에, 어닐 처리를 실시하는 공정을 더 가져도 된다.
상기 하지막으로서는, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막 및 TiON막 중 어느 하나를 적합하게 사용할 수 있다.
상기 제2 관점 및 제3 관점에서, 상기 루테늄 막은, CVD에 의해 형성할 수 있다. 이 경우에, 성막 원료로서 루테늄 카르보닐을 사용할 수 있다. 또한, 상기 루테늄 막을 형성할 때의 처리 온도를 130 내지 250℃의 범위로 할 수 있다.
본 발명의 제1 관점에 의하면, 루테늄 막의 하지막으로서, TiN막보다도 막에 작용하는 인장 응력이 작은 TiON막을 사용하므로, 루테늄 막과의 적층막에 작용하는 응력을 작게 할 수 있어, 스트레스에 기인하는 배선 구조의 변형을 작게 할 수 있다. 또한, 막 내의 산소량을 조정함으로써, 막의 응력을 제어할 수 있어, 스트레스에 기인하는 배선 구조의 변형을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 의하면, 루테늄 막을 형성해서 오목부를 매립한 후의 평탄화 처리에 아르곤 플라즈마를 사용하므로, 평탄화를 용이하게 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 공정 단면도이다.
도 3은 TiN막 및 TiON막(O: 46at％ 및 O: 55at％)의 막 두께와 막응력의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 TiON막의 성막 방법의 시퀀스의 일례를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5는 TiON막의 성막 방법의 시퀀스의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 도 4, 도 5의 시퀀스로 TiON막을 성막했을 때의 성막 상태를 도시하는 모식도이다.
도 7은 제1 실시 형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 실시하기 위해서 사용되는 성막 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 수평 단면도이다.
도 8은 도 7의 성막 시스템에 탑재된 TiON막 성막 장치의 일례를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는 도 7의 성막 시스템에 탑재된 Ru막 성막 장치의 일례를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 공정 단면도이다.
도 12는 제2 실시 형태에서 평탄화에 사용하는 Ar 플라즈마 처리 장치로서의 Ar 이온 스퍼터링 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 13은 제2 실시 형태에 관한 Ru 배선의 제조 방법을 일괄해서 실시할 수 있는 성막 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 수평 단면도이다.
도 14는 층간 절연막에 트렌치가 형성된 웨이퍼에 대하여, TaN막으로 이루어지는 하지막을 형성한 후, Ru막을 성막하고, 트렌치를 매립한 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
도 15는 도 14의 상태의 웨이퍼에 Ar 이온 스퍼터링을 행하여, 웨이퍼 표면의 Ru막 및 TaN막을 제거한 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
도 16은 다양한 폭의 트렌치에, 하지막으로서 TaN막을 성막하고, 그 후, Ru막을 성막해서 트렌치를 매립한 후, Ar 이온 스퍼터링에 의한 평탄화를 행해서 Ru 배선을 형성했을 때의 트렌치 폭과 배선 저항과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 17은 다양한 폭의 트렌치에, 하지막으로서 TaN막을 성막하고, 그 후, Ru막을 성막해서 트렌치를 매립한 후, Ar 이온 스퍼터링에 의한 평탄화를 행해서 Ru 배선을 형성했을 때의 인가 전압과 누설 전류와의 관계를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명한다.
<제1 실시 형태>
먼저, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해서 설명한다.
[제1 실시 형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법 및 Ru 배선의 구조]
먼저, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법, 및 Ru 배선의 구조에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도, 도 2는 그 공정 단면도이다.
먼저, 하부 구조(도시하지 않음)를 갖는 기체(201) 상에 SiO2막, 저유전율(Low-k)막(SiCO막, SiCOH막 등) 등으로 이루어지는 층간 절연막(202)이 형성되고, 층간 절연막(202)에 트렌치(203)가 소정 패턴으로 형성되고, 트렌치(203)의 저부와 기체(201) 상의 하부 구조와의 사이에 소정 간격으로 비아 홀(204)이 형성된 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 웨이퍼라 기재함)(W)를 준비한다(스텝 S1, 도 2의 (a)).
이어서, 이 웨이퍼(W)에 대하여, 필요에 따라, 전처리로서 디가스(Degas) 프로세스나 전세정(프리클린; Pre-Clean) 프로세스를 행한 후, 트렌치(203)나 비아 홀(204)의 표면을 포함하는 전체 면에 Ru막의 밀착성을 양호하게 하기 위한 하지막으로서, 예를 들어 원자층 퇴적법(ALD)에 의해 TiON막(205)을 성막한다(스텝 S2, 도 2의 (b)).
그 후, 예를 들어 화학 증착법(CVD)에 의해 Ru막(206)을 형성해서 트렌치(203) 및 비아 홀(204) 내에 Ru막(206)을 매립한다(스텝 S3, 도 2의 (c)).
Ru막(206)의 형성 후, 필요에 따라 어닐 처리를 행한다(스텝 S4, 도 2의 (d)). 이 어닐 처리에 의해, Ru막(206)을 안정화시킨다.
이 후, 예를 들어 종래부터 Cu 배선을 제조할 때 사용되고 있는 CMP에 의해 웨이퍼(W) 표면의 전체 면을 연마하여, Ru막(206) 및 TiON막(205)의 층간 절연막(202)의 표면보다도 위의 부분을 제거하여, 평탄화한다(스텝 S5, 도 2의 (e)). 이에 의해 트렌치(203) 및 비아 홀(204) 내에 하지막으로서의 TiON막(205) 및 Ru막(206)으로 이루어지는 Ru 배선(207)이 형성된다. 또한, 이 평탄화 처리는, CMP에 한정되지 않는다. 예를 들어, 후술하는 제2 실시 형태에 나타낸 바와 같은, 아르곤(Ar) 플라즈마 처리에 의해 행해도 된다. 또한, Ar 플라즈마 처리를 행한 후에 CMP를 행해도 된다. Ar 플라즈마 처리로서는, Ar 이온 스퍼터링이 바람직하다.
이러한 Ru 배선(207)에 있어서, Ru막(206)에는 1.3GPa 정도의 인장 응력이 작용하고 있다. 이 경우, 비특허문헌 1과 같이, Ru막의 하지막으로서 TiN막을 사용하면, TiN막에도 Ru와 마찬가지로 1.3GPa 정도의 인장 응력이 작용한다. 이 때문에, 하지막으로서 TiN막을 사용하고, 그 위에 Ru막을 적층하면, 양자의 응력이 합쳐짐으로써, Ru 배선에는 큰 스트레스가 걸린다. 배선의 스트레스가 크면, 배선 패턴의 붕괴나 물너울과 같은 변형이 염려된다. 특히, 배선이 미세해지면, 배선간의 간격도 짧아져, 보다 배선의 변형이 일어나기 쉬워진다.
이에 반해, 본 실시 형태에서 사용하는 TiON막(205)은, TiN막과 비교해서 인장 방향의 응력은 작으므로, Ru막과의 적층막에 작용하는 응력을 작게 할 수 있어, 스트레스에 기인하는 배선 구조의 변형을 작게 할 수 있다. 또한, 막 내의 산소(O)의 양을 조정함으로써, 막의 응력을 제어할 수 있어, 스트레스에 기인하는 배선 구조의 변형을 효과적으로 억제할 수 있다.
구체적으로는, TiON막(205)의 O의 양이 50at％ 미만이면, TiON의 결정 구조가 TiN과 같은 입방정이며, TiON막(205)에는 크기는 TiN막보다도 작지만 비교적 큰 인장 응력이 작용한다. 이에 반해, TiON막(205)의 O의 양이 50at％ 이상이 되면, TiON의 결정 구조가 입방정에서 직방정으로 변화하여, TiON막(205)에 작용하는 응력이 급격하게 작아져, 막 두께에 따라서는 압축 응력이 된다.
도 3에, TiN막 및 TiON막(O: 46at％ 및 O: 55at％)의 막 두께와 막응력의 관계를 나타낸다. 이 도에 도시한 바와 같이, TiON막은, O가 들어감으로써, TiN막보다도 막에 작용하는 응력의 절댓값이 작아지는 경향이 있고, 특히 O가 50at％ 이상인 55at％에서는, 막 두께가 얇은 곳에서는 응력이 거의 0이며, 막 두께가 10nm를 초과하면 압축 응력으로 되는 것을 알 수 있다.
이 때문에, 하지막으로서 TiON막을 사용하고, 바람직하게는 TiON막의 O의 양을 50at％ 이상으로 함으로써, TiN막을 사용한 경우보다도, Ru막과의 적층막의 응력은 작아져, 막 스트레스에 기인하는 배선 구조의 변형을 억제할 수 있는 것이다. 또한, TiON막은 비교적 전기 저항이 낮아, 배선에 사용하는 막으로서 적합하다.
(TiON막의 성막 공정)
이어서, Ru막의 하지막으로서 형성되는 TiON막(205)의 성막 공정에 대해서 설명한다.
TiON막(205)은, 챔버 내에 웨이퍼(W)를 반입하고, Ti 함유 가스의 공급과 질화 가스의 공급을 퍼지를 사이에 두고 교대로 복수회(X회) 반복한 후, 산화제를 공급하고, 그 후를 퍼지하는 사이클을 1 사이클로 하고, 이 사이클을 복수 사이클(Y 사이클) 반복하는 방법에 의해 성막하는 것이 바람직하다.
이러한 성막 방법을 채용함으로써, X의 횟수를 조정함으로써, 용이하게 막 내의 산소(O)량을 제어할 수 있어, 막에 작용하는 응력을 용이하게 제어할 수 있다. O량은, X의 횟수의 조정 외에, 산화제의 공급량, 또는 산화제의 공급 시간, 또는 이들 양쪽을 조정함으로써도 조정할 수 있다. TiON막(205)의 두께는 1 내지 10nm가 바람직하고, 1 내지 5nm가 보다 바람직하다.
이하, 구체적으로 설명한다.
Ti 함유 가스로서는, 사염화티타늄(TiCl4) 가스를 적합하게 사용할 수 있다. TiCl4 가스 이외에, 테트라(이소프로폭시)티타늄(TTIP), 사브롬화티타늄(TiBr4), 사요오드화티타늄(TiI4), 테트라키스에틸메틸아미노티타늄(TEMAT), 테트라키스디메틸아미노티타늄(TDMAT), 테트라키스디에틸아미노티타늄(TDEAT) 등을 사용할 수도 있다. 또한, 질화 가스로서는, NH3 가스를 적합하게 사용할 수 있다. NH3 이외에, 모노메틸히드라진(MMH)을 사용할 수도 있다. 산화제로서는, O2 가스, O3 가스, H2O, NO2 등의 산소 함유 가스를 사용할 수 있다. 산소 함유 가스를 플라즈마화해서 산화제로 해도 된다. 퍼지 가스로서는, N2 가스나 Ar 가스 등의 희가스를 사용할 수 있다.
TiON막을 성막할 때의 시퀀스의 일례에 대해서 도 4의 타이밍 차트 및 도 5의 흐름도를 참조하여 설명한다.
먼저, Ti 함유 가스인 TiCl4 가스를 챔버에 공급해서 웨이퍼(W)에 TiCl4 가스를 흡착시키고(스텝 S21), 계속해서, TiCl4 가스의 공급을 정지하고, 퍼지 가스인 N2 가스에 의해 챔버 내를 퍼지하고(스텝 S22), 계속해서, 질화 가스, 예를 들어 NH3 가스를 챔버에 공급하여, 흡착된 TiCl4와 반응시켜서 TiN을 형성하고(스텝 S23), 계속해서, NH3 가스를 정지하고, N2 가스에 의해 챔버 내를 퍼지하고(스텝 S24), 이들 스텝 S21 내지 S24를 X회 반복한다. 그 후, 산화제인 O2 가스를 챔버에 공급해서 산화 처리를 행하고(스텝 S25), 계속해서 챔버 내를 퍼지한다(스텝 S26). 이 사이클을 1 사이클로 하고, 이것을 Y 사이클 반복함으로써, 원하는 두께의 TiON막을 형성한다.
이때의 성막 상태를 도 6에 나타내었다. 이 도에 도시한 바와 같이, 스텝 S21 내지 S24를 X회 반복함으로써 소정 막 두께의 단위 TiN막(301)을 성막하고, 그 후 스텝 S25의 산화 처리와 스텝 S26의 퍼지를 행함으로써 단위 TiN막(301)을 산화시킨다. 이것을 1 사이클로 해서 Y 사이클 행함으로써, 소정 막 두께의 TiON막이 형성된다. 이때, 스텝 S21 내지 S24의 반복 횟수인 X에 의해 TiON막의 산소량을 조정할 수 있다. 즉, X를 저감시키면 산화의 빈도가 증가하므로, 막 내의 산소 도입량이 증가하고, 반대로 X를 증가시키면 막 내의 산소 도입량은 줄어든다. 예를 들어, X가 1일 때 막 내의 O량을 약 62at％, X가 9일 때 막 내의 O량을 약 50at％로 할 수 있다. 상술한 도 3의 예의 TiON막은, 이러한 방법에 의해 성막된 것이며, O가 46at％인 경우에는, X=12이며, O가 55at％인 경우에는, X=6이다. 또한, 막 내의 O량은, 상술한 바와 같이 X의 횟수의 조정 외에, 산화제의 공급량, 또는 산화제의 공급 시간, 또는 이들 양쪽을 조정함으로써도 조정할 수 있다.
또한, 스텝 S21 내지 S24를 반복한 후에, 스텝 S25, S26을 행하는 사이클의 사이클수 Y에 의해 막 두께를 조정할 수 있다.
스텝 S25의 산화 처리와 스텝 S26의 퍼지를 복수회(N회) 반복해도 된다. 이에 의해, 산화제의 공급성이 높아져 산화 효율을 높일 수 있다.
또한, TiON막 성막 시에, TiN의 산화를 조정하기 위해서 성막 도중에 X를 변경하는 등의 조정을 행해도 되고, 또한 상기 스텝 S21 내지 S26의 기본 스텝 외에, 산화나 질화를 강화하거나 하기 위해서 부가적인 스텝을 추가해도 된다.
또한, Ti 원료 가스로서 TiCl4 가스, 질화 가스로서 NH3 가스, 캐리어 가스·퍼지 가스로서 N2 가스, 산화제로서 O2 가스를 사용한 경우의 성막 조건의 바람직한 범위는 이하와 같다.
처리 온도(서셉터 온도): 300 내지 500℃
챔버 내 압력: 13.33 내지 1333Pa(0.1 내지 10Torr)
TiCl4 가스 유량: 10 내지 300mL/min(sccm)
NH3 가스 유량: 1000 내지 10000mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 1000 내지 30000mL/min(sccm)
스텝 S21 내지 S24의 1회 공급 시간: 0.01 내지 3sec
O2 가스 유량: 10 내지 3000mL/min(sccm)
O2 가스 공급 시간: 0.1 내지 60sec
(Ru막의 성막 공정)
이어서, Ru막(206)의 성막 공정에 대해서 설명한다.
Ru막(206)은, 루테늄 카르보닐(Ru3(CO)12)을 성막 원료로 해서 열 CVD에 의해 성막하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 고순도이며 얇은 Ru막을 고스텝 커버리지로 성막할 수 있다. 이때의 성막 조건은, 예를 들어 처리 용기 내의 압력이 1.3 내지 66.5Pa의 범위이며, 성막 온도(웨이퍼 온도)가 130 내지 250℃의 범위이다. Ru막(206)은, 루테늄 카르보닐 이외의 다른 성막 원료, 예를 들어 (시클로펜타디에닐)(2,4-디메틸펜타디에닐)루테늄, 비스(시클로펜타디에닐)(2,4-메틸펜타디에닐)루테늄, (2,4-디메틸펜타디에닐)(에틸시클로펜타디에닐)루테늄, 비스(2,4-메틸펜타디에닐)(에틸시클로펜타디에닐)루테늄과 같은 루테늄의 펜타디에닐 화합물을 사용해서 성막할 수도 있다. 또한, 여기에서 말하는 CVD에는 ALD도 포함한다.
[성막 시스템]
이어서, 제1 실시 형태에 따른 Ru 배선의 제조 방법을 실시하기 위해서 사용되는 성막 시스템의 일례에 대해서 설명한다.
도 7은, 이러한 성막 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 수평 단면도이다.
성막 시스템(1)은, 1개의 TiON막 성막 장치(11)와, 1개의 냉각 장치(12)와, 2개의 Ru 성막 장치(13)를 갖는다. 이들은, 평면 형상이 칠각형을 이루는 진공 반송실(10)의 4개의 벽부에 각각 게이트 밸브(G)를 통해서 접속되어 있다. 진공 반송실(10) 내는, 진공 펌프에 의해 배기되어 소정의 진공도로 유지된다.
냉각 장치(12)는, TiON막 성막 장치(11)와 Ru막 성막 장치(13)에서 처리 온도에 차가 있으므로, TiON막 성막 장치(11)에서 처리된 웨이퍼(W)를 Ru막 성막 장치(13)에 반송하기 전에 일단 실온으로 냉각하기 위한 것이며, 진공으로 유지된 챔버 내에, 웨이퍼(W)가 적재되는 냉각 플레이트가 설치된 구조를 갖는다. 또한, TiON막 성막 장치(11) 및 Ru막 성막 장치(13)에 대해서는 후술한다.
진공 반송실(10)의 다른 3개의 벽부에는 3개의 로드 로크 실(14)이 게이트 밸브(G1)를 통해서 접속되어 있다. 로드 로크 실(14)을 사이에 두고 진공 반송실(10)의 반대측에는 대기 반송실(15)이 설치되어 있다. 3개의 로드 로크 실(14)은, 게이트 밸브(G2)를 통해서 대기 반송실(15)에 접속되어 있다. 로드 로크 실(14)은, 대기 반송실(15)과 진공 반송실(10)의 사이에서 웨이퍼(W)를 반송할 때, 대기압과 진공과의 사이에서 압력 제어하는 것이다.
대기 반송실(15)의 로드 로크 실(14)의 설치 벽부와는 반대측의 벽부에는, 웨이퍼(W)를 수용하는 캐리어(FOUP 등)(C)를 설치하는 3개의 캐리어 설치 포트(16)를 갖고 있다. 또한, 대기 반송실(15)의 측벽에는, 실리콘 웨이퍼(W)의 얼라인먼트를 행하는 얼라인먼트 챔버(17)가 설치되어 있다. 대기 반송실(15) 내에는 청정 공기의 다운 플로우가 형성되도록 되어 있다.
진공 반송실(10) 내에는, 반송 기구(18)가 설치되어 있다. 반송 기구(18)는, TiON막 성막 장치(11), 냉각 장치(12), Ru막 성막 장치(13), 로드 로크 실(14)에 대하여 웨이퍼(W)를 반송한다. 반송 기구(18)는, 독립적으로 이동 가능한 2개의 반송 아암(19a, 19b)을 갖고 있다.
대기 반송실(15) 내에는, 반송 기구(20)가 설치되어 있다. 반송 기구(20)는, 캐리어(C), 로드 로크 실(14), 얼라인먼트 챔버(17)에 대하여 웨이퍼(W)를 반송하도록 되어 있다.
성막 시스템(1)은 전체 제어부(21)를 갖고 있다. 전체 제어부(21)는, TiON막 성막 장치(11), 냉각 장치(12), Ru막 성막 장치(13)의 각 구성부, 진공 반송실(10)의 배기 기구나 반송 기구(18), 로드 로크 실(14)의 배기 기구나 가스 공급 기구, 대기 반송실(15)의 반송 기구(20), 게이트 밸브(G, G1, G2)의 구동계 등을 제어하는 CPU(컴퓨터)를 갖는 주 제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등), 출력 장치(프린터 등), 표시 장치(디스플레이 등), 기억 장치(기억 매체)를 갖고 있다. 전체 제어부(21)의 주 제어부는, 예를 들어 기억 장치에 내장된 기억 매체, 또는 기억 장치에 세팅된 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여, 성막 시스템(1)에, 소정의 동작을 실행시킨다.
이어서, 이상과 같이 구성되는 성막 시스템의 동작에 대해서 설명한다. 이하의 처리 동작은, 전체 제어부(21)에서의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여 실행된다.
먼저, 반송 기구(20)에 의해 대기 반송실(15)에 접속된 캐리어(C)로부터 웨이퍼(W)를 취출하고, 어느 하나의 로드 로크 실(14)의 게이트 밸브(G2)를 열어서 그 웨이퍼(W)를 그 로드 로크 실(14) 내에 반입한다. 게이트 밸브(G2)를 폐쇄한 후, 로드 로크 실(14) 내를 진공 배기한다.
그 로드 로크 실(14)이, 소정의 진공도가 된 시점에서 게이트 밸브(G1)를 열고, 진공 반송실(10) 내의 반송 기구(18)의 반송 아암(19a, 19b) 중 어느 하나에 의해 로드 로크 실(14)로부터 실리콘 웨이퍼(W)를 취출한다.
그리고, TiON막 성막 장치(11)의 게이트 밸브(G)를 열고, 반송 기구(18)의 어느 하나의 반송 아암(19a, 19b)이 유지하는 실리콘 웨이퍼(W)를 TiON막 성막 장치(11)에 반입하고, 게이트 밸브(G)를 폐쇄하고, TiON막 성막 장치(11)에 의해 TiON막의 성막을 행한다.
TiON막의 성막 처리가 종료된 후, 게이트 밸브(G)를 열고, 반송 기구(18)의 어느 하나의 반송 아암(19a, 19b)에 의해, 웨이퍼(W)를 반출하고, 냉각 장치(12)의 게이트 밸브(G)를 열어서 그 안에 웨이퍼(W)를 반입한다. 냉각 장치(12)에서 웨이퍼(W)를 냉각한 후, 반송 기구(18)의 어느 하나의 반송 아암(19a, 19b)에 의해 웨이퍼(W)를 반출하고, 어느 하나의 Ru막 성막 장치(13)의 게이트 밸브(G)를 열어서 그 안에 웨이퍼(W)를 반입한다. 그리고, Ru막 성막 장치(13)에 의해 Ru막의 성막을 행한다.
Ru막의 성막이 이루어진 후, 그 Ru막 성막 장치(13)의 게이트 밸브(G)를 열고, 반송 기구(18)의 반송 아암(19a, 19b) 중 어느 하나에 의해, 그 안의 웨이퍼(W)를 반출하고, 계속해서 어느 하나의 로드 로크 실(14)의 게이트 밸브(G1)를 열고, 반송 아암 상의 실리콘 웨이퍼(W)를 그 로드 로크 실(14) 내에 반입한다. 그리고, 그 로드 로크 실(14) 내를 대기로 되돌리고, 게이트 밸브(G2)를 열고, 반송 기구(20)로 로드 로크 실(14) 내의 실리콘 웨이퍼(W)를 캐리어(C)로 되돌린다.
이상과 같은 처리를, 복수의 실리콘 웨이퍼(W)에 대해서 동시 병행적으로 행하여, 소정 매수의 웨이퍼(W)의 TiON막의 성막 처리 및 Ru막의 성막 처리가 완료된다.
이상과 같이 Ru막 성막까지 종료된 후, 필요에 따라 어닐을 행한 후, 캐리어(C)를 CMP 장치에 반송하고, 웨이퍼(W)의 CMP 처리를 행한다. 또한, 어닐은, 성막 시스템(1) 내의 어느 하나의 모듈에서 행해도 되고, 별개로 설치한 어닐 장치에서 행해도 된다.
(TiON막 성막 장치)
이어서, 상기 성막 시스템(1)의 TiON막 성막 장치(11)에 대해서 설명한다.
도 8은 TiON막 성막 장치(11)의 일례를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
이 TiON막 성막 장치(11)는, 기밀하게 구성된 대략 원통 형상의 챔버(31)를 갖고 있다. 챔버(31)의 내부에는, 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평하게 지지하기 위한 스테이지로서, AlN 등의 세라믹스로 구성된 서셉터(32)가 그 중앙 하부에 설치된 원통 형상의 지지 부재(33)에 의해 지지된 상태로 배치되어 있다. 서셉터(32)의 외연부에는, 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 가이드 링(34)이 설치되어 있다. 또한, 서셉터(32)에는 히터(35)가 매립되어 있고, 이 히터(35)는, 히터 전원(36)으로부터 전력을 공급받음으로써 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열한다. 또한, 서셉터(32)에는, 웨이퍼(W)를 지지해서 승강시키기 위한 복수의 웨이퍼 승강 핀(도시하지 않음)이, 서셉터(32)의 표면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 설치되어 있다.
챔버(31)의 천장벽(31a)에는, 샤워 헤드(40)가 설치되어 있다. 샤워 헤드(40)는, 베이스 부재(41)와 샤워 플레이트(42)를 갖고 있으며, 샤워 플레이트(42)의 외주부는, 중간 부재(43)를 개재해서 베이스 부재(41)에 나사 고정되어 있다. 샤워 플레이트(42)는, 플랜지 형상을 이루고, 그 내부에 오목부가 형성되어 있고, 베이스 부재(41)와 샤워 플레이트(42)와의 사이에 가스 확산 공간(44)이 형성된다. 베이스 부재(41)는 그 외주에 플랜지부(41a)가 형성되어 있고, 이 플랜지부(41a)가 챔버(31)의 천장벽(31a)에 설치되어 있다. 샤워 플레이트(42)에는 복수의 가스 토출 구멍(45)이 형성되어 있고, 베이스 부재(41)에는 2개의 가스 도입 구멍(46 및 47)이 형성되어 있다.
가스 공급 기구(50)는, Ti 함유 가스로서의 TiCl4 가스를 공급하는 TiCl4 가스 공급원(51)과, 질화 가스로서의 NH3 가스를 공급하는 NH3 가스 공급원(53)을 갖고 있다. TiCl4 가스 공급원(51)에는 TiCl4 가스 공급 라인(52)이 접속되어 있고, 이 TiCl4 가스 공급 라인(52)은 제1 가스 도입 구멍(46)에 접속되어 있다. NH3 가스 공급원(53)에는 NH3 가스 공급 라인(54)이 접속되어 있고, 이 NH3 가스 공급 라인(54)은 제2 가스 도입 구멍(47)에 접속되어 있다.
TiCl4 가스 공급 라인(52)에는 N2 가스 공급 라인(56)이 접속되어 있고, 이 N2 가스 공급 라인(56)에는, N2 가스 공급원(55)으로부터 N2 가스가 캐리어 가스 또는 퍼지 가스로서 공급되도록 되어 있다.
NH3 가스 공급 라인(54)에는 산화제 공급 라인(58)이 접속되어 있고, 이 산화제 공급 라인(58)에는, 산화제 공급원(57)으로부터, 산화제로서 상술한 바와 같은 산소 함유 가스가 공급되도록 되어 있다. 산소 함유 가스를 플라즈마화해도 된다. 이때, 산화제 공급원(57)으로부터 미리 산소 함유 가스를 플라즈마화해서 공급해도 되고, 산소 함유 가스를 샤워 헤드(40) 내에서 플라즈마화해도 된다. NH3 가스 공급 라인(54)에는 N2 가스 공급 라인(60)이 접속되어 있고, 이 N2 가스 공급 라인(60)에는, N2 가스 공급원(59)으로부터 N2 가스가 캐리어 가스 또는 퍼지 가스로서 공급되도록 되어 있다.
TiCl4 가스 공급 라인(52), NH3 가스 공급 라인(54), 산화제 공급 라인(58), N2 가스 공급 라인(56, 60)에는, 매스 플로우 컨트롤러(63) 및 매스 플로우 컨트롤러(63)를 사이에 둔 2개의 밸브(64)가 설치되어 있다.
따라서, TiCl4 가스 공급원(51)으로부터의 TiCl4 가스 및 N2 가스 공급원(55)으로부터의 N2 가스는, TiCl4 가스 공급 라인(52)을 통해서 샤워 헤드(40)의 제1 가스 도입 구멍(46)으로부터 샤워 헤드(40) 내의 가스 확산 공간(44)에 이르고, 또한 NH3 가스 공급원(53)으로부터의 NH3 가스, 산화제 공급원(57)으로부터의 산화제 및 N2 가스 공급원(59)으로부터의 N2 가스는, NH3 가스 공급 라인(54)을 통해서 샤워 헤드(40)의 제2 가스 도입 구멍(47)으로부터 샤워 헤드(40) 내의 가스 확산 공간(44)에 이르고, 이들 가스는 샤워 플레이트(42)의 가스 토출 구멍(45)으로부터 챔버(31) 내에 토출되도록 되어 있다. 또한, 샤워 헤드(40)는, TiCl4 가스와 NH3 가스가 독립적으로 챔버(31) 내에 공급되는 포스트 믹스 타입이어도 된다.
샤워 헤드(40)의 베이스 부재(41)에는, 샤워 헤드(40)를 가열하기 위한 히터(75)가 설치되어 있다. 이 히터(75)에는 히터 전원(76)이 접속되어 있고, 히터 전원(76)으로부터 히터(75)에 전력을 공급함으로써 샤워 헤드(40)가 원하는 온도로 가열된다. 베이스 부재(41)의 상부에 형성된 오목부에는, 히터(75)에 의한 가열 효율을 높이기 위해서 단열 부재(77)가 설치되어 있다.
챔버(31)의 저벽(31b)의 중앙부에는 원형의 구멍(65)이 형성되어 있고, 저벽(31b)에는 이 구멍(65)을 덮도록 하방을 향해서 돌출되는 배기 실(66)이 설치되어 있다. 배기 실(66)의 측면에는 배기관(67)이 접속되어 있고, 이 배기관(67)에는 배기 장치(68)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(68)를 작동시킴으로써, 챔버(31) 내를 소정의 진공도까지 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(31)의 측벽에는, 진공 반송실(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)를 반출입하기 위한 반입출구(72)가 형성되어 있고, 상술한 바와 같이, 이 반입출구(72)는, 게이트 밸브(G)에 의해 개폐되도록 되어 있다.
TiON막 성막 장치(11)는, 그 각 구성부, 예를 들어 히터 전원(36 및 76), 밸브(64), 매스 플로우 컨트롤러(63) 등을 제어하는 제어부(80)를 갖고 있다. 제어부(80)는, 전체 제어부(21)의 명령에 의해 각 구성부를 제어한다.
이렇게 구성되는 TiON막 성막 장치(11)에서는, 게이트 밸브(G)를 개방으로 하고, 진공 반송실(10)로부터 반송 기구(18)에 의해 반입출구(72)를 통해서 웨이퍼(W)를 챔버(31) 내에 반입하여, 서셉터(32)에 적재한다. 서셉터(32)는, 히터(35)에 의해 소정 온도로 가열되어 있고, 웨이퍼(W)가 서셉터(32)에 적재된 상태에서 챔버(31) 내에 N2 가스를 공급함으로써 웨이퍼(W)를 가열하여, 웨이퍼(W)의 온도가 거의 안정된 시점에서, TiON막의 성막을 개시한다.
우선, TiCl4 가스 공급원(51)으로부터 TiCl4 가스를 챔버(31)에 공급해서 TiCl4 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키고, 계속해서, TiCl4 가스의 공급을 정지하고, N2 가스에 의해 챔버(31) 내를 퍼지하고, 계속해서, NH3 가스 공급원(53)으로부터 NH3 가스를 챔버(31)에 공급하여, 흡착된 TiCl4와 반응시켜서 TiN을 형성하고, 계속해서, NH3 가스를 정지하고, N2 가스에 의해 챔버(31) 내를 퍼지하고, 이들 스텝을 X회 반복한다. 그 후, 산화제 공급원(57)으로부터 산화제(예를 들어 O2 가스)를 챔버(31)에 공급해서 산화 처리를 행하고, 이어서 챔버(31) 내를 퍼지한다. 이 사이클을 1 사이클로 하고, 이것을 Y 사이클 반복함으로써, 소정의 막 두께의 TiON막을 형성한다.
이때, 상술한 바와 같이, X의 횟수 등을 제어함으로써, TiON막의 O량을 제어하여, TiON막에 작용하는 응력을 제어할 수 있다.
성막 처리 종료 후, 챔버(31) 내를 퍼지하고, 게이트 밸브(G)를 열고, 반송 기구(18)에 의해, 반입출구(72)를 통해서 웨이퍼(W)를 반출한다.
(Ru막 성막 장치)
이어서, 상기 성막 시스템(1)의 Ru막 성막 장치(13)에 대해서 설명한다.
도 9는 Ru막 성막 장치(13)의 일례를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
이 Ru막 성막 장치(13)는, 기밀하게 구성된 대략 원통 형상의 챔버(101)를 갖고 있으며, 그 안에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(102)가, 챔버(101)의 저벽 중앙에 설치된 원통 형상의 지지 부재(103)에 의해 지지되어 배치되어 있다. 서셉터(102)에는 히터(105)가 매립되어 있고, 이 히터(105)는, 히터 전원(106)으로부터 전력을 공급받음으로써 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열한다. 또한, 서셉터(102)에는, 웨이퍼(W)를 지지해서 승강시키기 위한 복수의 웨이퍼 승강 핀(도시하지 않음)이 서셉터(102)의 표면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 설치되어 있다.
챔버(101)의 천장벽에는, Ru막을 CVD 성막하기 위한 처리 가스를 챔버(101) 내에 샤워 형상으로 도입하기 위한 샤워 헤드(110)가, 서셉터(102)와 대향하도록 설치되어 있다. 샤워 헤드(110)는, 후술하는 가스 공급 기구(130)로부터 공급된 가스를 챔버(101) 내에 토출하기 위한 것이고, 그 상부에는 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(111)가 형성되어 있다. 또한, 샤워 헤드(110)의 내부에는 가스 확산 공간(112)이 형성되어 있고, 샤워 헤드(110)의 저면에는 가스 확산 공간(112)에 연통한 다수의 가스 토출 구멍(113)이 형성되어 있다.
챔버(101)의 저벽에는, 하방을 향해서 돌출되는 배기 실(121)이 설치되어 있다. 배기 실(121)의 측면에는 배기 배관(122)이 접속되어 있고, 이 배기 배관(122)에는, 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 장치(123)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(123)를 작동시킴으로써, 챔버(101) 내를 소정의 감압(진공) 상태로 하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(101)의 측벽에는, 진공 반송실(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)를 반출입하기 위한 반입출구(127)가 형성되어 있고, 반입출구(127)는, 게이트 밸브(G)에 의해 개폐되도록 되어 있다.
가스 공급 기구(130)는, 고체 상태의 성막 원료(S)로서 루테늄 카르보닐(Ru3(CO)12)을 수용하는 성막 원료 용기(131)를 갖고 있다. 성막 원료 용기(131)의 주위에는 히터(132)가 설치되어 있다. 성막 원료 용기(131)에는, 상방으로부터 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 배관(133)이 삽입되어 있다. 캐리어 가스 공급 배관(133)에는, 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급원(134)이 접속되어 있다. 캐리어 가스로서는, Ar 가스나 N2 가스 등의 불활성 가스, 또는 CO 가스를 사용할 수 있다. 또한, 성막 원료 용기(131)에는, 성막 원료 가스 공급 배관(135)이 삽입되어 있다. 이 성막 원료 가스 공급 배관(135)은, 샤워 헤드(110)의 가스 도입구(111)에 접속되어 있다. 따라서, 캐리어 가스 공급원(134)으로부터 캐리어 가스 공급 배관(133)을 통해서 성막 원료 용기(131) 내에 캐리어 가스가 불어 넣어져, 성막 원료 용기(131) 내에서 승화한 루테늄 카르보닐(Ru3(CO)12) 가스가 캐리어 가스에 의해 반송되어, 성막 원료 가스 공급 배관(135) 및 샤워 헤드(110)를 통해서 챔버(101) 내에 공급된다. 캐리어 가스 공급 배관(133)에는, 유량 제어용 매스 플로우 컨트롤러(136)와 그 전후의 밸브(137a, 137b)가 설치되어 있다. 또한, 성막 원료 가스 공급 배관(135)에는, 루테늄 카르보닐(Ru3(CO)12)의 가스량을 측정하기 위한 유량계(138)와, 그 전후의 밸브(139a, 139b)가 설치되어 있다.
가스 공급 기구(130)는, 또한 희석 가스 공급원(144)과, 희석 가스 공급원(144)에 접속된 희석 가스 공급 배관(145)을 갖는다. 희석 가스 공급 배관(145)의 타단은, 성막 원료 가스 공급 배관(135)에 접속되어 있다. 희석 가스는 성막 원료 가스를 희석하기 위한 가스이며, 희석 가스로서 예를 들어 Ar 가스, N2 가스 등의 불활성 가스가 사용된다. 희석 가스는, 성막 원료 가스 공급 배관(135)이나 챔버(101)의 잔류 가스를 퍼지하는 퍼지 가스로서도 기능한다. 희석 가스 공급 배관(145)에는, 유량 제어용 매스 플로우 컨트롤러(146)와, 그 전후의 밸브(147a, 147b)가 설치되어 있다.
Ru막 성막 장치(13)는, 그 각 구성부, 예를 들어 히터 전원(106), 배기 장치(123), 가스 공급 기구(130)의 밸브(137a, 137b, 139a, 139b, 147a, 147b), 매스 플로우 컨트롤러(136, 146) 등의 각 구성부를 제어하기 위한 제어부(150)를 갖고 있다. 제어부(150)는, 전체 제어부(21)의 명령에 의해 각 구성부를 제어한다.
이렇게 구성되는 Ru막 성막 장치(13)에서는, 게이트 밸브(G)를 개방으로 해서 반입출구(127)로부터 웨이퍼(W)를 챔버(101) 내에 반입하고, 서셉터(102) 상에 적재한다. 서셉터(102)는, 히터(105)에 의해 소정 온도, 예를 들어 130 내지 250℃의 범위 내의 온도로 가열되어 있어, 챔버(101) 내에 불활성 가스가 도입됨으로써 웨이퍼(W)가 가열된다. 그리고, 배기 장치(123)의 진공 펌프에 의해 챔버(101) 내를 배기하여, 챔버(101) 내의 압력을 2 내지 67Pa로 조정한다.
계속해서, 밸브(137a, 137b)를 개방으로 해서 캐리어 가스 공급 배관(133)을 통해서 성막 원료 용기(131)에 캐리어 가스를 불어 넣고, 성막 원료 용기(131) 내에서 히터(132)의 가열에 의해 승화해서 생성된 Ru3(CO)12 가스를 캐리어 가스에 의해 반송하여, 성막 원료 가스 공급 배관(135) 및 샤워 헤드(110)를 통해서 챔버(101) 내에 도입한다. 이에 의해, 웨이퍼(W) 표면에서는, Ru3(CO)12 가스가 열분해해서 생성된 Ru가 퇴적되어, 소정의 막 두께를 갖는 Ru막을 성막한다.
성막 처리 종료 후, 챔버(101) 내를 퍼지하고, 게이트 밸브(G)를 열고, 반송 기구(18)에 의해, 반입출구(127)를 통해서 웨이퍼(W)를 반출한다.
<제2 실시 형태>
이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.
[제2 실시 형태에 관한 Ru 배선의 제조 방법]
우선, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 Ru 배선의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 Ru 배선의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도, 도 11은 그 공정 단면도이다.
제2 실시 형태에 관한 Ru 배선의 제조 방법의 기본적인 공정은, 제1 실시 형태와 마찬가지이지만, 하지막이 TiON막에 한정되지 않는 점, 및 평탄화 공정이 Ar 이온 스퍼터링으로 행하여지는 점이 제1 실시 형태와는 상이하다.
먼저, 제1 실시 형태의 스텝 S1과 마찬가지로, 하부 구조를 갖는 기체(201) 상에 SiO2막, 저유전율(Low-k)막(SiCO, SiCOH 등) 등으로 이루어지는 층간 절연막(202)이 형성되고, 층간 절연막(202)에 트렌치(203)가 소정 패턴으로 형성되고, 트렌치(203)의 저부와 기체(201) 상의 하부 구조(도시하지 않음)와의 사이에 소정 간격으로 비아 홀(204)이 형성된 웨이퍼(W)를 준비한다(스텝 S11, 도 11의 (a)).
이어서, 이 웨이퍼(W)에 대하여, 필요에 따라, 전처리로서 디가스(Degas) 프로세스나 전세정(프리클린; Pre-Clean) 프로세스를 행한 후, 트렌치(203)나 비아 홀(204)의 표면을 포함하는 전체의 노출된 면에 Ru막의 밀착성을 양호하게 하기 위한 하지막(211)을 성막한다(스텝 S12, 도 11의 (b)).
하지막(211)은, Ru막의 밀착성을 양호하게 할 수 있는 것이면 되고, 종래부터 Cu 배선 형성 시에 Cu막의 배리어막으로서 사용되고 있는, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, 및 제1 실시 형태에서 사용한 TiON막 등을 적합하게 사용할 수 있다. 하지막(211)의 두께는 0.1 내지 10nm가 바람직하고, 0.5 내지 5nm가 보다 바람직하다. 하지막은, ALD, CVD, 이온화 PVD(Ionized physical vapor deposition; iPVD) 등으로 성막할 수 있다. TiN막, TaN막, TiON막은 ALD에 의해 성막하는 것이 바람직하고, Ta막은 iPVD로 성막하는 것이 바람직하다.
그 후, 예를 들어 화학 증착법(CVD)에 의해 Ru막(206)을 형성해서 트렌치(203) 및 비아 홀(204) 내에 Ru막(206)을 매립한다(스텝 S13, 도 11의 (c)). 이때의 Ru막의 성막은, 제1 실시 형태의 스텝 S3과 마찬가지로 행하여진다.
Ru막(206)의 형성 후, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 필요에 따라 어닐 처리를 행하고(스텝 S14, 도 11의 (d)), Ru막(206)을 안정화시킨다.
이후, Ar 플라즈마 처리를 포함하는 제거 처리에 의해, 표면의 Ru막(206) 및 하지막(211)을 제거해서 평탄화한다(스텝 S15, 도 11의 (e)). 이에 의해 트렌치(203) 및 비아 홀(204) 내에 하지막(211) 및 Ru막(206)으로 이루어지는 Ru 배선(212)이 형성된다.
종래의 Cu 배선에서는, 트렌치에 Cu막을 매립한 후, 표면의 배리어막이나 Cu막을 제거해서 평탄화를 행할 때 CMP를 사용하고 있었다. 그러나, Ru는 귀금속으로 이온화 경향이 낮기 때문에, Ru막은 CMP에 의해 제거하기 어려워, 트렌치에 Ru막을 매립한 후의 평탄화를 CMP만으로 행하면 막대한 시간이 걸려버린다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 평탄화 처리에 Ar 플라즈마 처리를 사용한다. Ar 플라즈마에 의해 표면의 Ru막(206) 및 하지막(211)을 효율적으로 제거할 수 있다.
Ar 플라즈마 처리로서는, Ar 이온 스퍼터링이 바람직하다. Ar 이온 스퍼터링은, 진공으로 유지한 챔버 내에 아르곤 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 중의 Ar 이온을 챔버 내에 배치된 웨이퍼에 인입하여, 그때의 Ar 이온의 충격에 의해 물리적으로 대상물을 제거한다. Ar 이온은 스퍼터링 효과가 높기 때문에, 용이하게 Ru막 등을 제거할 수 있어, 단시간에 평탄화 처리를 행할 수 있다.
또한, 상기 특허문헌 2에는, Ru막을 성막한 후에 평탄화하는 예가 기재되어 있으며, 그 예로서 CMP 외에, 에치백 법이 기재되어 있지만, Ru막은 SN 전극으로서 사용되고 있고, Ru 배선을 제조하기 위한 평탄화 처리에 대해서는 기재되어 있지 않다. 그 밖에, 재공표 일본 특허 97/35341호 공보에는, Ru를 Ar 이온 스퍼터로 건식 에칭하는 것이 기재되어 있지만, 여기에 기재되어 있는 것은, 상부 금속 전극을 형성하기 위한 이방성 에칭이며, Ru 배선을 제조하기 위한 평탄화 처리와는 관계없는 기술이다.
평탄화 처리는 Ar 플라즈마 처리만으로 행해도 되지만, Ar 플라즈마 처리만의 경우에는, 처리 후에 표면이 거칠어져 원하는 표면 평활성이 얻어지지 않는 경우가 있다.
이러한 경우에는, 평탄화 처리로서, Ar 이온 스퍼터링 후, CMP를 행하는 것이 바람직하다. 즉, Ar 플라즈마 처리에 의해 효율적으로 처리를 행한 후, 마무리로 CMP를 행함으로써, 원하는 표면 평활성을 얻을 수 있다. 이 경우, CMP는 마무리에만 사용하고, 연마량은 수 nm 정도이면 충분하다. 이 때문에, 평탄화 처리가 장시간화되지 않는다.
[Ar 플라즈마 처리 장치]
이어서, 이러한 Ar 플라즈마 처리를 행하기 위한 장치 예에 대해서 설명한다. 도 12는, 평탄화 처리에 사용되는 Ar 플라즈마 처리 장치로서의 Ar 이온 스퍼터링 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
여기에서는, ICP(Inductively Coupled Plasma) 스퍼터 장치를 Ar 이온 스퍼터 장치로서 사용한 예를 나타낸다.
도 12에 도시한 바와 같이, 이 Ar 이온 스퍼터 장치(400)는, 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 접지된 챔버(401)를 갖고 있으며, 챔버(401)의 저부에는 배기구(402) 및 가스 도입구(403)가 형성되어 있다. 배기구(402)에는 배기관(404)이 접속되어 있고, 배기관(404)에는 압력 조정을 행하는 스로틀 밸브 및 진공 펌프 등으로 이루어지는 배기 기구(405)가 접속되어 있다. 또한, 가스 도입구(403)에는 가스 공급 배관(406)이 접속되어 있고, 가스 공급 배관(406)에는, Ar 가스 및 N2 가스 등의 가스를 공급하기 위한 가스 공급 기구(407)가 접속되어 있다.
챔버(401) 내에는, 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 적재하기 위한 도전성 재료로 이루어지는 스테이지(410)가 설치되어 있다. 스테이지(410)에는, 웨이퍼 흡착용의 정전 척 및 웨이퍼를 온도 조절하기 위한 온도 조절 기구(모두 도시하지 않음)가 설치되어 있다. 스테이지(410)의 하면 중앙에는 원통 형상을 이루는 지주(411)가 설치되어 있다. 지주(411)의 하부는, 챔버(401)의 저부의 중심부에 형성된 삽입 관통 구멍(412)을 관통해서 하방으로 연장되어 있다.
지주(411)는, 승강 기구(도시하지 않음)에 의해 승강 가능하게 되어 있고, 이에 의해 스테이지(410)가 승강된다. 스테이지(410)와 챔버(401)의 저부와의 사이에는 지주(411)를 둘러싸도록 벨로우즈(413)가 설치되어 있다.
스테이지(410)에는 급전 라인(414)이 접속되어 있고, 급전 라인(414)은, 지주(411)의 내부를 통해서 하방으로 연장되어 있다. 급전 라인(414)에는, 바이어스용 고주파 전원(415)이 접속되어 있고, 바이어스용 고주파 전원(415)으로부터 스테이지(410)를 통해서 웨이퍼(W)에, 예를 들어 13.56MHz의 고주파 바이어스가 인가되도록 되어 있다.
챔버(401)의 저부에는, 상방을 향해서 예를 들어 3개(2개만 도시)의 지지 핀(416)이 수직으로 설치되어 있고, 지지 핀(416)이 스테이지(410)에 설치된 핀 삽입 관통 구멍(도시하지 않음)에 삽입 관통하도록 되어 있어, 스테이지(410)를 강하시켰을 때, 지지 핀(416)의 상단에서 웨이퍼(W)가 지지된 상태로 되어 웨이퍼(W)의 반송이 가능하게 된다.
챔버(401)의 하부 측벽에는 웨이퍼(W)를 반출입하기 위한 반입출구(417)가 형성되고, 반입출구(417)는 게이트 밸브(418)에 의해 개폐된다.
한편, 챔버(401)의 천장부에는, 유전체로 이루어지는 투과판(420)이 기밀하게 설치되고, 이 투과판(420)의 상면측에, 챔버(401) 내의 처리 공간(P)에 Ar 가스의 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생원(421)이 설치되어 있다. 플라즈마 발생원(421)은, 투과판(420)의 상면을 따라 설치된 유도 코일(422)과, 이 유도 코일(422)에 접속된 플라즈마 생성용 고주파 전원(423)을 갖고 있다. 그리고, 유도 코일(422)에 플라즈마 생성용 고주파 전원(423)으로부터 예를 들어 13.56MHz의 고주파 전력이 인가됨으로써, 투과판(420)을 통해서 처리 공간(P)에 유도 전계가 형성된다.
챔버(401)의 상부는 경사부(401a)로 되어 있고, 그 내측에 단면이 내측을 향해서 경사진 환상(절두원추각 형상)을 이루는 타깃이 설치되도록 되어 있고, 또한 타깃에 직류 전압을 인가하는 직류 전원 및 타깃의 외주측에 설치된 자석이 설치되어, PVD 장치로서 구성되어 있지만, Ar 이온 스퍼터를 행하는 경우에는 이들은 필요가 없으므로, 도시 및 설명을 생략한다.
Ar 이온 스퍼터 장치(400)는, 그 각 구성부, 예를 들어 배기 기구(405)나 가스 공급 기구(407)의 밸브, 바이어스용 고주파 전원(415), 플라즈마 생성용 고주파 전원(423), 승강 기구 등을 제어하는 제어부(430)를 갖고 있다.
이러한 Ar 이온 스퍼터 장치(400)에서는, 가스 공급 기구(407)로부터 챔버(401) 내에 Ar 가스를 공급하고, 유도 코일(422)에 플라즈마 생성용 고주파 전원(423)으로부터 고주파 전력을 인가함으로써, 챔버(401) 내의 처리 공간(P)에 Ar 플라즈마를 생성함과 함께, 바이어스용 고주파 전원(415)으로부터 스테이지(410)에 바이어스용 고주파 전력을 인가함으로써 Ar 이온을 웨이퍼(W)에 인입하여, 웨이퍼(W) 표면에 Ar 이온 스퍼터 처리를 실시한다.
Ar 이온 스퍼터 장치(400)에서의 Ar 이온 스퍼터 처리에 대해서는, 이하와 같은 범위의 조건을 사용할 수 있다.
압력: 1 내지 10mTorr(0.13 내지 1.3Pa)
플라즈마 생성용 고주파 파워: 0.5 내지 3kW
바이어스용 고주파 파워: 0.4 내지 2kW
온도: 10 내지 55℃
[성막 시스템]
본 실시 형태에서는, Ar 이온 스퍼터링 장치를 인터그레이션하지 않고 별개로 설치하는 경우라면, 제1 실시 형태에서의 도 7의 성막 시스템(1)을 적용할 수 있다. 이 경우에는, TiON막 성막 장치(11)를, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, TiON막 등의 임의의 하지막을 성막하는 장치로 적절히 치환하는 것 외에, 도 7의 성막 시스템(1)과 동일한 구성으로 할 수 있다.
한편, Ar 이온 스퍼터링 장치를 인터그레이션하는 경우에는, 도 13에 예시한 성막 시스템(500)을 사용할 수 있다.
성막 시스템(500)은, 하지막 성막 및 Ru막 성막을 위한 제1 처리부(501)와, Ar 이온 스퍼터링을 위한 제2 처리부(502)와, 반출입부(503)를 갖고 있다.
제1 처리부(501)는, 제1 진공 반송실(511)과, 이 제1 진공 반송실(511)의 벽부에 접속된, 2개의 하지막 성막 장치(512a, 512b), 및 2개의 Ru막 성막 장치(514a, 514b)를 갖고 있다. 하지막 성막 장치(512a) 및 Ru막 성막 장치(514a)와, 하지막 성막 장치(512b) 및 Ru막 성막 장치(514b)는, 수직 축을 따라 선 대칭으로 배치되어 있다.
제1 진공 반송실(511)의 다른 벽부에는, 웨이퍼(W)의 디가스 처리를 행하는 디가스 실(505a, 505b)이 접속되어 있다. 또한, 상기 디가스 실(505a와 505b)이 연결된 벽부의 사이의 벽부에는, 제1 진공 반송실(511)과 후술하는 제2 진공 반송실(521)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 수수를 행하는 수수 실(505)이 접속되어 있다.
하지막 성막 장치(512a, 512b), Ru막 성막 장치(514a, 514b), 디가스 실(505a, 505b) 및 수수 실(505)은, 제1 진공 반송실(511)의 각 변에 게이트 밸브(G)를 통해서 접속되어 있다.
제1 진공 반송실(511) 내는 소정의 진공 분위기로 유지되도록 되어 있고, 그 안에는, 웨이퍼(W)를 반송하는 제1 반송 기구(516)가 설치되어 있다. 이 제1 반송 기구(516)는, 회전·신축부(517)과, 그 선단에 설치된 2개의 웨이퍼 반송 아암(518a, 518b)을 갖는다. 제1 반송 기구(516)는, 웨이퍼(W)를 하지막 성막 장치(512a, 512b), Ru막 성막 장치(514a, 514b), 디가스 실(505a, 505b) 및 수수 실(505)에 대하여 반출입한다.
제2 처리부(502)는, 제2 진공 반송실(521)과, 이 제2 진공 반송실(521)의 대향하는 벽부에 접속된 2개의 Ar 이온 스퍼터 장치(522a, 522b)를 갖고 있다.
제2 진공 반송실(521)의 제1 처리부(501)측의 2개의 벽부에는, 각각 상기 디가스 실(505a, 505b)이 접속되고, 상기 디가스 실(505a와 505b)이 연결된 벽부의 사이의 벽부에는, 상기 수수 실(505)이 접속되어 있다. 즉, 수수 실(505) 및 디가스 실(505a 및 505b)은, 모두 제1 진공 반송실(511)과 제2 진공 반송실(521)과의 사이에 설치되어 있다. 또한, 제2 진공 반송실(521)의 반출입부(503)측의 2개의 벽부에는, 각각 대기 반송 및 진공 반송 가능한 로드 로크 실(506a, 506b)이 접속되어 있다.
Ar 이온 스퍼터 장치(522a, 522b), 디가스 실(505a, 505b) 및 로드 로크 실(506a, 506b)은, 제2 진공 반송실(521)의 각 벽부에 게이트 밸브(G)를 통해서 접속되어 있다. 또한, 수수 실(505)은 게이트 밸브를 통하지 않고 제2 진공 반송실(521)에 접속되어 있다.
제2 진공 반송실(521) 내는 소정의 진공 분위기로 유지되도록 되어 있고, 그 안에는, 웨이퍼(W)를 반송하는 제2 반송 기구(526)가 설치되어 있다. 이 제2 반송 기구(526)는, 회전·신축부(527)와, 그 선단에 설치된 2개의 웨이퍼 반송 아암(528a, 528b)을 갖는다. 제2 진공 반송실(521)은, Ar 이온 스퍼터 장치(522a, 522b), 디가스 실(505a, 505b), 로드 로크 실(506a, 506b) 및 수수 실(505)에 대하여 웨이퍼(W)의 반출입을 행한다.
반출입부(503)는, 상기 로드 로크 실(506a, 506b)을 사이에 두고 제2 처리부(502)와 반대측에 설치되어 있고, 로드 로크 실(506a, 506b)이 접속되는 대기 반송실(531)을 갖고 있다. 로드 로크 실(506a, 506b)과 대기 반송실(531)과의 사이의 벽부에는 게이트 밸브(G)가 설치되어 있다. 대기 반송실(531)의 로드 로크 실(506a, 506b)이 접속된 벽부와 대향하는 벽부에는, 웨이퍼(W)를 수용하는 캐리어(C)를 접속하는 2개의 접속 포트(532, 533)가 설치되어 있다. 또한, 대기 반송실(531)의 측면에는, 웨이퍼(W)의 얼라인먼트를 행하는 얼라인먼트 챔버(534)가 설치되어 있다. 대기 반송실(531) 내에는, 캐리어(C)에 대한 웨이퍼(W)의 반출입 및 로드 로크 실(506a, 506b)에 대한 웨이퍼(W)의 반출입을 행하는 대기 반송용 반송 기구(536)가 설치되어 있다. 이 대기 반송용 반송 기구(536)는, 2개의 다관절 아암을 갖고 있으며, 캐리어(C)의 배열 방향을 따라서 레일(538) 상을 주행 가능하게 되어 있어, 각각의 선단의 핸드(537) 상에 웨이퍼(W)를 얹어서 그 반송을 행하도록 되어 있다.
이 성막 시스템(500)은, 전체 제어부(540)를 갖고 있다. 전체 제어부(540)는, 하지막 성막 장치(512a, 512b), Ru막 성막 장치(514a, 514b), Ar 이온 스퍼터 장치(522a, 522b)의 각 구성부, 진공 반송실(511, 521)의 배기 기구나 반송 기구(516, 526), 디가스 실(505a, 505b), 로드 로크 실(506a, 506b)의 배기 기구나 가스 공급 기구, 대기 반송실(531)의 반송 기구(536), 게이트 밸브(G)의 구동계 등을 제어하는 CPU(컴퓨터)를 갖는 주 제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등), 출력 장치(프린터 등), 표시 장치(디스플레이 등), 기억 장치(기억 매체)를 갖고 있다. 전체 제어부(540)의 주 제어부는, 예를 들어 기억 장치에 내장된 기억 매체, 또는 기억 장치에 세팅된 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여, 성막 시스템(500)에, 소정의 동작을 실행시킨다.
또한, 하지막 성막 장치(512a, 512b)는, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, TiON막 등으로 이루어지는 하지막을 성막하는 것이며, 제1 실시 형태의 TiON막 성막 장치(11)와 마찬가지의 ALD 장치, ALD 장치와 마찬가지의 구성의 CVD 장치, 또는 iPVD 장치를 사용할 수 있다. iPVD 장치로서는, 상기 Ar 이온 스퍼터 장치(400)에, 성막하고자 하는 재료로 이루어지는 타깃을 장착한 구성의 장치를 사용할 수 있다. 또한, Ru막 성막 장치(514a, 514b)로서는, 도 9에 나타내는 제1 실시 형태의 Ru막 성막 장치(13)와 마찬가지의 장치가 사용된다. 또한, Ar 이온 스퍼터 장치(522a, 522b)로서는, 도 12에 나타내는 Ar 이온 스퍼터 장치(400)와 마찬가지의 장치가 사용된다.
이어서, 이상과 같이 구성되는 성막 시스템(500)의 동작에 대해서 설명한다. 이하의 처리 동작은 전체 제어부(540)에서의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여 실행된다.
먼저, 캐리어(C)로부터 대기 반송용 반송 기구(536)에 의해 웨이퍼(W)를 취출하여, 로드 로크 실(506a 또는 506b)에 반송하고, 그 로드 로크 실을 제2 진공 반송실(521)과 동일 정도의 진공도로 감압한 후, 제2 반송 기구(526)에 의해 로드 로크 실의 웨이퍼(W)를 디가스 실(505a 또는 505b)에 반송하여, 웨이퍼(W)의 디가스 처리를 행한다. 그 후, 제1 반송 기구(516)에 의해 디가스 실의 웨이퍼(W)를 취출하여, 하지막 성막 장치(512a 또는 512b)에 반입하고, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막, TiON막 등으로 이루어지는 하지막을 성막한다. 하지막은, ALD, CVD 또는 iPVD로 성막된다. 하지막 성막 후, 제1 반송 기구(516)에 의해 웨이퍼(W)를 Ru막 성막 장치(514a 또는 514b)에 반송하여, CVD에 의해 Ru막을 성막하고, 웨이퍼(W)에 형성된 트렌치 및 홀을 매립한다.
Ru막 성막 후, 제1 반송 기구(516)에 의해 Ru막 성막 장치(514a 또는 514b)로부터 웨이퍼(W)를 수수 실(505)에 반송하고, 그 후, 제2 반송 기구(526)에 의해 웨이퍼(W)를 취출하여, Ar 이온 스퍼터 장치(522a 또는 522b)에 반입한다. 그리고, Ar 이온 스퍼터 장치(522a 또는 522b)에 의해, 웨이퍼(W)에 대하여 평탄화 처리를 행한다. 평탄화 처리에 앞서, 디가스 실(505a, 505b) 등, 웨이퍼(W)를 가열할 수 있는 적절한 장치에 웨이퍼(W)를 반송해서 어닐 처리를 실시해도 된다.
평탄화 처리 후, 제2 반송 기구(526)에 의해 웨이퍼(W)를 로드 로크 실(506a 또는 506b)에 반송하고, 그 로드 로크 실을 대기압으로 복귀시킨 후, 대기 반송용 반송 기구(536)에 의해 웨이퍼(W)를 취출하여, 캐리어(C)로 되돌린다. 이러한 처리를 캐리어 내의 웨이퍼(W)의 수만큼 반복한다.
이러한 성막 시스템(500)에 의하면, 대기 개방하지 않고 진공 중에서 하지막 성막, Ru막의 성막, 평탄화 처리를 연속해서 행할 수 있어, 산화를 방지하면서 고속으로 Ru 배선을 얻을 수 있다.
[실험예]
이어서, 제2 실시 형태의 실험예에 대해서 설명한다.
여기에서는, Si 기체 상의 층간 절연막에 폭이 약 20nm인 트렌치가 형성된 웨이퍼에 대하여, iPVD에 의해 TaN막으로 이루어지는 하지막을 약 0.5nm 성막한 후, CVD에 의해 Ru막을 20nm의 두께로 성막하여, 트렌치를 매립하였다. 그때의 SEM 사진을 도 14에 도시한다. 이 SEM 사진으로부터, 웨이퍼 표면에 Ru막이 성막되어 있고, 트렌치 내에 Ru막이 매립되어 있는 것을 알 수 있다.
그 후, Ar 이온 스퍼터링을 행하여, 웨이퍼 표면의 Ru막 및 TaN막을 제거하였다. 이때의 조건은, 압력: 2.5mTorr(0.33Pa), 플라즈마 생성용 고주파 파워: 1kW, 바이어스용 고주파 파워: 1kW, 온도: 10℃로 하였다. 그때의 SEM 사진을 도 15에 도시한다. 이 SEM 사진으로부터, 웨이퍼 표면의 Ru막 및 TaN막이 제거되고, Ru막이 트렌치 내에만 매립되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 의해, Ar 이온 스퍼터링에 의해 평탄화 처리를 행할 수 있음이 확인되었다.
이어서, 다양한 폭의 트렌치에, 하지막으로서 iPVD에 의해 0.5nm의 두께의 TaN막을 성막하고, 그 후, 두께 20nm의 Ru막을 성막해서 트렌치를 매립한 후, Ar 이온 스퍼터링에 의한 평탄화를 행해서 Ru 배선을 형성하여, 전기 특성을 파악하였다.
먼저, 배선 저항을 측정한 결과에 대해서 설명한다. 여기에서는, Ar 이온 스퍼터링에서의 Ru막 스퍼터링량을 Ta막 환산으로 80nm 및 120nm로 한 경우의 배선 저항을 측정하였다. 도 16은, 트렌치 폭과 배선 저항과의 관계를 도시하는 도면이다. 이 도에 도시한 바와 같이, 스퍼터링량이 80nm보다도 120nm 쪽이 배선 저항이 더 높아지고, 또한 트렌치 폭이 작을수록 배선 저항이 높아지는 경향이 나타나, 건전한 Ru 배선이 형성되어 있는 것이 확인되었다.
이어서, 누설 전류를 측정한 결과에 대해서 설명한다. 여기에서는, 배선 폭이 32nm, 37nm, 42nm인 경우에 대해서 누설 전류를 측정하였다. 도 17은, 인가 전압과 누설 전류와의 관계를 도시하는 도면이다. 이 도에 도시한 바와 같이, 인가 전압이 상승함에 따라서 누설 전류가 증가하는데, 30V 인가해도 누설 전류는 1×10-8A 이하로, 배선간이 양호하게 절연되어 있는 것이 확인되었다.
<다른 적용>
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양하게 변형 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서 설명한 성막 시스템, TiON막 성막 장치, Ru막 성막 장치, Ar 플라즈마 처리 장치로서의 Ar 이온 스퍼터 장치는, 어디까지나 예시이며, 본 실시 형태에 한정하는 것은 아니다. 특히, Ar 플라즈마 처리 장치로서 ICP 플라즈마 스퍼터 장치를 예시했지만, 이에 한정하지 않고, 평행 평판형 등, 다른 플라즈마원을 사용해서 Ar 플라즈마 처리를 행하는 것이어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 트렌치 및 비아가 형성된 층간 절연막에 대하여 하지막을 성막하고, 그 후 Ru막을 매립함으로써 Ru 배선을 제조하는 경우에 대해서 설명했지만, 이에 한정하지 않고, 오목부를 갖는 기판에 대하여 하지막을 성막하고, 그 후 Ru막을 매립함으로써 Ru 배선을 제조하는 경우이면 적용 가능하다.
또한, 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예시했지만, 본 발명의 원리상, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 액정 표시 장치용 기판으로 대표되는 FPD용 기판 등의 다른 기판이어도 되는 것은 물론이다.
1; 성막 시스템 10; 진공 반송실
11; TiON막 성막 장치 12; 냉각 장치
13; Ru막 성막 장치 14; 로드 로크 실
201; 기체 202; 층간 절연막
203; 트렌치 204; 비아 홀
205; TiON막 206; Ru막
207, 212; Ru 배선 211; 하지막
301; 단위 TiN막 400; Ar 이온 스퍼터 장치
W; 반도체 웨이퍼

Claims (26)

  1. 기판 표면의 미리 정해진 막에 형성된 오목부에, 하지막으로서 형성된 TiON막과, 상기 TiON막 상에 상기 오목부를 매립하도록 형성된 루테늄 막을 포함하는 루테늄 배선.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 정해진 막은 층간 절연막이며, 상기 층간 절연막에 상기 오목부로서 트렌치 및 비아 홀이 형성되어 있는, 루테늄 배선.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 TiON막은 ALD에 의해 형성된 막이며, 상기 루테늄 막은 CVD에 의해 형성된 막인, 루테늄 배선.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TiON막은, 산소량이 50at％ 이상인, 루테늄 배선.
  5. 표면에 오목부가 형성된 미리 정해진 막을 포함하는 기판에 대하여, 상기 오목부를 매립해서 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서,
    적어도 상기 오목부의 표면에, 하지막으로서 TiON막을 형성하는 공정과,
    상기 TiON막 상에 상기 오목부를 매립하도록 루테늄 막을 형성하는 공정
    을 포함하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미리 정해진 막은 층간 절연막이며, 상기 층간 절연막에 상기 오목부로서 트렌치 및 비아 홀이 형성되어 있는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 루테늄 막을 형성해서 상기 오목부를 매립한 후, 상기 기판의 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을 제거해서 상기 기판의 표면을 평탄화하는 공정을 더 포함하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 평탄화하는 공정은, 상기 기판의 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을 CMP에 의해 연마함으로써 행하여지는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 평탄화하는 공정은, 상기 기판의 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을, 아르곤 플라즈마 처리를 포함하는 처리에 의해 제거함으로써 행하여지는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 평탄화하는 공정은, 상기 기판의 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 TiON막을, 아르곤 플라즈마 처리에 의해 제거한 후, CMP에 의해 연마함으로써 행하여지는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 아르곤 플라즈마 처리는, 아르곤 이온 스퍼터 처리인, 루테늄 배선의 제조 방법.
  12. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 루테늄 막을 형성한 후, 상기 평탄화 전에, 어닐 처리를 실시하는 공정을 더 포함하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  13. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TiON막의 산소량을 조정함으로써, 상기 TiON막에 작용하는 응력을 제어하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  14. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TiON막의 산소량을 50at％ 이상으로 하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  15. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TiON막은, 처리 용기 내에 기판을 배치하고, 상기 처리 용기 내를 감압 상태로 유지하고, 미리 정해진 처리 온도에서, 상기 처리 용기 내에 Ti 함유 가스를 공급하는 스텝과, 상기 처리 용기 내에 질화 가스를 공급하는 스텝을 교대로 X회 반복해서 단위 TiN막을 성막한 후, 상기 처리 용기 내에 산화제를 공급해서 상기 단위 TiN막을 산화하는 일련의 처리를 1 사이클로 하고, 이 사이클을 원하는 막 두께가 되도록 복수 사이클 반복함으로써 형성하고, X의 횟수에 의해 상기 TiON막 내의 산소량을 조정하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 TiON막을 형성할 때 사용하는, 상기 Ti 함유 가스가 TiCl4 가스이며, 상기 질화 가스가 NH3 가스인, 루테늄 배선의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 TiON막을 형성할 때의 상기 산화제로서, O2 가스, O3 가스, H2O, NO2로 이루어지는 군에서 선택되는 산소 함유 가스, 또는, 상기 산소 함유 가스를 플라즈마화한 것을 사용하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 TiON막을 형성할 때의 상기 처리 온도가 300 내지 500℃의 범위인, 루테늄 배선의 제조 방법.
  19. 표면에 오목부가 형성된 미리 정해진 막을 포함하는 기판에 대하여, 상기 오목부를 매립해서 루테늄 배선을 제조하는 루테늄 배선의 제조 방법으로서,
    적어도 상기 오목부의 표면에, 하지막을 형성하는 공정과,
    상기 하지막 상에 상기 오목부를 매립하도록 루테늄 막을 형성하는 공정과,
    상기 루테늄 막을 형성해서 상기 오목부를 매립한 후, 상기 기판의 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 하지막을, 아르곤 플라즈마 처리를 포함하는 처리에 의해 제거해서 상기 기판의 표면을 평탄화하는 공정
    을 포함하는 루테늄 배선의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 평탄화하는 공정은, 상기 기판의 표면의 상기 루테늄 막 및 상기 하지막을 상기 아르곤 플라즈마 처리에 의해 제거한 후, CMP에 의해 연마함으로써 행하여지는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 아르곤 플라즈마 처리는, 아르곤 이온 스퍼터 처리인, 루테늄 배선의 제조 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 루테늄 막을 형성한 후, 상기 평탄화하는 공정 전에, 어닐 처리를 실시하는 공정을 더 포함하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하지막은, TiN막, Ta막, TaN막, TaAlN막 및 TiON막 중 어느 하나인, 루테늄 배선의 제조 방법.
  24. 제5항 내지 제10항 및 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 루테늄 막은, CVD에 의해 형성하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 루테늄 막을 CVD에 의해 형성할 때, 성막 원료로서 루테늄 카르보닐을 사용하는, 루테늄 배선의 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 루테늄 막을 형성할 때의 처리 온도가 130 내지 250℃의 범위인, 루테늄 배선의 제조 방법.
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