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Ru成膜方法、Ru成膜装置、金属成膜装置、Ruバリアメタル層、配線構造 NEW

国内特許コード P170014687
整理番号 S2016-0707-N0
掲載日 2017年11月21日
出願番号 特願2016-086074
公開番号 特開2017-193770
出願日 平成28年4月22日(2016.4.22)
公開日 平成29年10月26日(2017.10.26)
発明者
  • 永野 隆敏
  • 大貫 仁
  • 篠嶋 妥
  • 玉橋 邦裕
  • 小沼 重春
出願人
  • 国立大学法人茨城大学
発明の名称 Ru成膜方法、Ru成膜装置、金属成膜装置、Ruバリアメタル層、配線構造 NEW
発明の概要 【課題】緻密な構造のRu層(金属層)を低温で成膜する。
【解決手段】基板ホルダ13とカソード電極12間には、チャンバ10外に設けられた直流電源22を介して、カソード電極12が負側となるような直流(DC)電圧が印加される。ここでは、スパッタリングターゲット11、カソード電極12をその鉛直方向に沿った中心軸の周りで巻回するヘリカルコイル14が設けられている。ヘリカルコイル14には、チャンバ10外に設けられた高周波電源23によって高周波電力が印加される。ヘリカルコイル14を用いることによって、基板100の温度が400℃以下の場合でも、良好な膜質のRuバリアメタル層を得ることができる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


近年、LSI(半導体集積回路)における配線の構造としては、複数の配線層が層間絶縁層を介して多数積層された多層配線構造が広く用いられている。ここで、高速化、微細化が進んだLSIにおいては、特に配線の低抵抗化が要求されるため、各配線層を構成する材料として、電気抵抗率の低い銅が用いられている。このため、こうした配線層は主に銅で構成されるが、銅は層間絶縁層に拡散しやすくLSIの動作や信頼性に対して悪影響を及ぼすおそれがある、配線層が直接接する下地金属層や層間絶縁層と銅との間の密着性が低い、等の問題がある。このため、実際には、銅を用いた配線構造においては、厚い銅層が薄い金属層(バリアメタル層)の上に形成される。バリアメタル層は、銅の拡散を防止する(バリアする)役割と、銅層と他の層(下地金属層や層間絶縁層)との間に介在することによって銅層と他の層との間の密着性を高める役割を果たす。



この役割を果たすことのできるバリアメタル層の材料としては、Ta、Ti、TaN、TiN等が知られている。ここで、配線構造が低抵抗であることが要求されるために、こうしたバリアメタル層も低抵抗であることが好ましいが、実際にはこうしたバリアメタル層の材料の電気抵抗率はいずれも銅よりも大幅に高く、バリアメタル層を低抵抗とすることは困難であった。



上記の材料に代わりうるバリアメタル層の材料として、ルテニウム(Ru)がある。例えば、バルク状態におけるTa、Tiの比抵抗が15×10-6Ω・cm、80×10-6Ω・cm程度であるのに対して、バルク状態におけるRuの比抵抗は9×10-6Ω・cm程度であるため、Ruを用いることによって、バリアメタル層を低抵抗化できることが期待される。



バリアメタル層としてRuを用いるためには、その成膜方法として、量産性や段差被覆性に優れたものが用いられる。こうした成膜方法としては、例えば特許文献1に記載されたような、DCスパッタリング法がある。特許文献1に記載の技術においては、成膜時に、Ruバリアメタル層を形成すべき基板の温度を500℃以上に加熱することによって、クレバスの面積比が小さいためにバリア性が高く、銅層の高い密着性を得ることができる比抵抗の小さなRuバリアメタル層を形成することができた。



また、成膜直後においてRuバリアメタル層がこうした良好な特性を具備しなくとも、その後に熱処理を行うことによって、ボイドやクレバスを少なくすることができ、Ruバリアメタル層をより緻密な構造に、その比抵抗をより小さくすることができる。この際、ボイドやクレバスを少なくすることによって、Ruバリアメタル層と銅層や層間絶縁層(SiO等)との間の密着性(耐剥離性)も高めることができる。

産業上の利用分野


本発明は、ルテニウム(Ru)の成膜方法、成膜装置、及び金属の成膜装置に関する。また、半導体ウェハにおいて用いられるRuバリアメタル層、及びこれが用いられる配線構造に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
ルテニウム(Ru)を主成分とするRu層をスパッタリング法によって基板上に成膜するRu成膜方法であって、
圧力が5×10-4Torr~2×10-3Torrの範囲とされたアルゴン(Ar)雰囲気下において、前記基板と、Ruを主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて配置し、
前記スパッタリングターゲット側と前記基板側の間において、前記基板側を負として直流電力を印加すると共に、
前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記スパッタリングターゲット側と前記基板側の間に前記直流電力が印加されない場合においても前記Arをプラズマ化可能なプラズマ補助手段に対して電力を供給し、
前記基板の温度を400℃以下として前記Ru層を成膜することを特徴とするRu成膜方法。

【請求項2】
前記スパッタリングターゲットの面積で規格化した前記直流電力を5.9W/cm~11.9W/cmの範囲とすることを特徴とする請求項1に記載のRu成膜方法。

【請求項3】
前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする請求項1又は2に記載のRu成膜方法。

【請求項4】
前記高周波電力を30W~60Wの範囲とすることを特徴とする請求項3に記載のRu成膜方法。

【請求項5】
ルテニウム(Ru)を主成分とするRu層をスパッタリング法によって基板上に成膜するRu成膜装置であって、
圧力が制御されたアルゴン(Ar)の雰囲気下において、前記基板と、Ruを主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて内部に保持するチャンバと、
前記チャンバ内において前記基板の温度を制御しつつ前記基板を保持する基板ホルダと、
前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットを保持するカソード電極と、
前記カソード電極を負側として前記基板ホルダと前記カソード電極との間に直流電力を供給する直流電源と、
前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記基板ホルダと前記カソード電極との間に前記直流電力が印加されない場合においても前記Arをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、
を具備することを特徴とするRu成膜装置。

【請求項6】
前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み、高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする請求項5に記載のRu成膜装置。

【請求項7】
前記基板の温度は400℃以下、前記圧力は5×10-4Torr~2×10-3Torrの範囲であることを特徴とする請求項5又は6に記載のRu成膜装置。

【請求項8】
40nm以下のデザインルールで製造された半導体装置が形成された半導体ウェハ上に形成され、(002)配向度が85%以上である柱状構造を具備するルテニウム(Ru)で構成されたことを特徴とするRuバリアメタル層。

【請求項9】
請求項8に記載のRuバリアメタル層と、前記Ruバリアメタル層の上に形成され(111)配向度が80%以上である銅(Cu)層とを具備することを特徴とする配線構造。

【請求項10】
金属層をスパッタリング法によって基板上に成膜する金属成膜装置であって、
圧力が制御されたスパッタリングガス雰囲気下において、前記基板と、前記金属層を構成する金属を主成分とするスパッタリングターゲットとを上下方向において対向させて内部に保持するチャンバと、
前記チャンバ内において前記基板の温度を制御しつつ前記基板を保持する基板ホルダと、
前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットを保持するカソード電極と、
前記カソード電極を負側として前記基板ホルダと前記カソード電極との間に直流電力を供給する直流電源と、
前記チャンバ内において前記スパッタリングターゲットに隣接して設けられ、前記基板ホルダと前記カソード電極との間に前記直流電力が印加されない場合においても前記スパッタリングガスをプラズマ化可能なプラズマ補助手段と、
を具備することを特徴とする金属成膜装置。

【請求項11】
前記プラズマ補助手段は、上下方向の周りで前記スパッタリングターゲットを囲み、高周波電力が供給されるコイルであることを特徴とする請求項10に記載の金属成膜装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2016086074thum.jpg
出願権利状態 公開
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