[發明專利]使用羰基原料的金屬膜的成膜方法、多層配線構造的形成方法、半導體裝置的制造方法、成膜裝置

無效

• 申請號: 200880010346.2
• 申請日: 2008-02-14
• 公開（公告）號: CN101652836A
• 公開（公告）日: 2010-02-17
• 發明（設計）人: 原正道;波多野達夫
• 申請（專利權）人: 東京毅力科創株式會社
• 主分類號: H01L21/285
• 分類號: H01L21/285;H01L21/3205;H01L23/52;C23C16/16
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司
• 代理人: 龍 淳

技術領域

本發明涉及一般的半導體裝置的制造，特別涉及在多層配線構造的形成中使用的金屬膜的成膜方法和成膜裝置。

背景技術

在現今的超微細化半導體集成電路裝置中，為了使形成在基板上的數量巨大的半導體元件相互連接，使用以低電阻金屬作為配線圖案的多層配線構造。特別是在以Cu作為配線圖案的多層配線構造中，一般使用金屬鑲嵌法(damascene)或雙層金屬鑲嵌法(dual?damascene)，即，在由硅氧化膜或相對介電常數更低的所謂低介電常數(low-K)材料構成的層間絕緣膜中預先形成配線槽或通孔(via?hole)，以Cu層填充它們，通過化學機械研磨(CMP)除去剩余的Cu層部分。

在金屬鑲嵌法或雙層金屬鑲嵌法中，典型的是以由Ta、TaN等高熔點金屬或其氮化物構成的隔阻金屬(barrier?metal)膜覆蓋形成在層間絕緣膜中的配線槽或通孔的表面，在其上通過PVD法或CVD法形成薄的Cu種層，將該Cu種層作為電極進行電解鍍，從而由Cu層填充上述配線槽或通孔。

專利文獻1：日本特開2004-346401號公報

專利文獻2：日本專利2990551號

專利文獻3：日本特開2004-156104號公報

發明內容

在現今的半導體集成電路裝置中，隨著微細化，形成在層間絕緣膜中的Cu通孔塞(via?plug)的直徑從65nm縮小至45nm，在不遠的將來，預測通孔塞直徑能夠進一步縮小至32nm或22nm。

隨著這樣的半導體集成電路裝置的微細化，在該微細的通孔或配線槽中，隔阻金屬膜或Cu種層的成膜，在現有的PVD法中，從階梯覆蓋(step?coverage)的觀點出發變得困難，于是開始研究利用在不對由low-K材料構成的層間絕緣膜造成損傷的低溫下能夠實現優異的階梯覆蓋的MOCVD法或ALD法的成膜技術。

但是，MOCVD法、ALD法一般使用金屬原子與有機基結合而成的有機金屬原料，因此容易在形成的膜中殘留雜質，因此即使是看似以良好的階梯覆蓋形成的膜，膜質也不穩定，例如在Ta隔阻金屬膜上通過MOCVD法形成有Cu種層的情況下，形成的Cu種層容易產生凝集，難以形成穩定地以一樣的膜厚覆蓋Ta隔阻膜的Cu種層的膜。如果以這樣產生了凝集的種層作為電極進行Cu層的電解鍍，則在填充配線槽或通孔的Cu層中包含潛在的缺陷，不僅引起電阻的增大，而且引起電遷移耐性、應力遷移耐性的劣化等的問題。

另一方面，在本發明的關聯技術中，提出了如下的技術方案，即，在Ta隔阻膜上通過CVD法形成Ru膜，在其上通過MOCVD法形成Cu種層，從而回避Cu種層的凝集的問題，形成均勻的Cu種層。在該本發明的關聯技術中，將Ru的羰基(carbonyl)原料和高濃度的CO氣氛一同供給至被處理基板表面，抑制輸送過程中的Ru羰基原料的分解。

另一方面，半導體集成電路裝置的微細化進一步進行，例如在形成在層間絕緣膜中的通孔徑為22nm或其以下的情況下，這樣的CVD法在階梯覆蓋上出現極限，認為會出現難以進行期望的成膜的控制的狀況。

作為覆蓋這樣的具有非常微細的通孔或非常大的縱橫(aspect)比的構造的成膜技術，先前所述的ALD法是有希望的。

但是，在ALD法中，(1)將原料吸附到被處理基板表面、(2)過剩的原料的吹掃、(3)由還原氣體或氧化氣體引起的吸附在被處理基板表面的原料的分解、以及(4)反應生成物和殘留反應氣體的吹掃這四個工序構成一個循環，需要重復執行它們，存在只能夠得到低成膜生產能力的問題。此外，在使用有機金屬原料的ALD法中，在上述工序(1)中金屬原子以在原料氣體分子中通過有機基被配位的狀態輸送至被處理基板表面，在上述工序(3)中由于上述有機基的脫離而產生上述金屬原子的沉積，因此，在上述被處理基板表面中的上述有機基所占有的部分不會產生金屬原子的沉積，因此，當希望形成一原子層的量的金屬膜時，需要重復多次上述循環。

根據本發明的一個方面，提供一種金屬膜的成膜方法，其特征在于，包括：第一工序，將金屬元素的羰基原料以氣相分子的形態與抑制上述氣相分子的分解的氣相成分一起供給至被處理基板表面，其中，將上述氣相成分的分壓設定為抑制上述羰基氣相原料分子的分解的第一分壓；和第二工序，使上述氣相成分的分壓在上述被處理基板表面變化為產生上述羰基原料的分解的第二分壓，使上述金屬元素沉積在上述被處理基板表面。