JP2000294517A

JP2000294517A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2000294517A
Application number: JP11095421A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Nishikawa; 伸之西川; Hisaya Suzuki; 寿哉鈴木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: JP3639142B2

Abstract

(57)【要約】【課題】下地膜の上にバリアメタルを介して導電膜を形
成する工程を含む半導体装置の製造方法に関し、窒化金
属及び窒化珪化金属を有機金属材料を用いてＣＶＤ法に
より形成された下側導電膜とその上に形成される上側導
電体膜との密着性を向上し、且つ上側導電膜に対する下
側導電膜のバリア性を向上させること。【解決手段】窒化金属又は窒化珪化金属よりなる第１の
導電膜１６を有機金属材料を用いてＣＶＤ法により形成
する工程と、第１の導電膜１６の形成を終えた後に、第
１の導電膜１６を窒素水素化合物ガスの第１のプラズマ
に曝す工程と、第１のプラズマに曝された第１の導電膜
１６の上に第２の導電膜１７を形成する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、より詳しくは、下地膜の上にバリアメタル
を介して導電膜を形成する工程を含む半導体装置の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】配線となる金属膜を形成する技術として
は、物理的な方法と化学的な方法がある。物理的な金属
膜形成方法としては例えばスパッタ法がある。スパッタ
法は、グロー放電中でイオン化したガスを金属配線材料
からなるターゲットに衝突させて粒子を叩き出し、その
粒子を基板上に付着させる方法である。

【０００３】化学的な金属膜形成方法の代表的なものと
してＣＶＤ法がある。ＣＶＤ法は、形成されるべき薄膜
を構成する元素の化合物をガス化して高温炉の中に導入
してその元素を基板表面に堆積させて膜にする方法であ
り、基板表面上に平衡状態で成膜されるためによりよい
結晶膜が得られる。近年の半導体デバイスにおいては、
高集積化、三次元キャパシタの採用に伴ってカバレッジ
の良子な成膜方法が要求されるために、膜の形成方法と
してＣＶＤ法の採用が一般化している。ＣＶＤ法の成膜
方法は金属ハロゲン化ガスを用いる無機系のものと、有
機系ガスを用いる有機系のものに大別される。

【０００４】無機系のＣＶＤ法によれば、成膜時に発生
する副生成物が腐食性を有する不純物として膜中に混入
され、膜と下地との密着性を低下させるなどの悪影響を
与える。また、無機系ガスを使用する場合には、有機系
ガスを使用する場合に比べて成膜温度が高いので、耐熱
性が低いlow-k 膜との組み合わせが難しい。一方、有機
系のＣＶＤ法により成膜した導電膜は成膜温度が低い
が、そのままの状態だと、有機原料を構成する炭素
（Ｃ）や炭化水素基（ＣＨ）などの不純物が膜中に取り
込まれてその比抵抗が大きく増加し、しかも、その膜質
が経時変化を起こし易い。その問題の解決法としては、
窒素（Ｎ₂）又は水素（Ｈ₂）のプラズマ処理と成膜と
を交互に行って膜中の不純物を取り除く方法が特開平8-
337875号公報や特開平10-144626 号公報に記載されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、そのような水
素又は窒素のプラズマ処理を入れながら形成された下側
導電膜の上に銅（Cu）などの上側導電膜をＣＶＤ法で形
成したところ、下側導電膜と上側導電膜の密着性がかな
り悪くなり、しかも下側導電膜をバリアメタル膜として
使用する場合にそのバリア性がよくない。そのような密
着性とバリア性の劣化は、本発明者等によって見い出さ
れた。

【０００６】本発明の目的は、窒化金属及び窒化珪化金
属を有機金属材料を用いてＣＶＤ法により形成された下
側導電膜とその上に形成される上側導電体膜との密着性
を向上するとともに、上側導電膜に対する下側導電膜の
バリア性を向上させることｃができる成膜工程を含む半
導体装置の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図３、
図４に例示するように、第１の反応室内において、半導
体基板１の上方に窒化金属又は窒化珪化金属よりなる第
１の導電膜１６（２３）を有機金属材料を用いてＣＶＤ
法により形成する工程と、前記第１の導電膜１６の形成
を終えた後に、前記第１の導電膜１６を窒素水素化合物
ガスの第１のプラズマに曝す工程と、前記第１のプラズ
マに曝された前記第１の導電膜１６の上に第２の導電膜
１７を形成する工程とを有することを特徴とする半導体
装置の製造方法により解決する。

【０００８】上記した半導体装置の製造方法において、
前記第１の導電膜１６と前記第２の導電膜１７は、絶縁
膜１３の上と該絶縁膜１３の溝１５ａ又はホールの中に
形成されるようにしてもよい。この場合、前記絶縁膜１
３の上の前記第１の導電膜１６と前記第２の導電膜１７
は、研磨によって前記絶縁膜１３の上面から除去される
ようにしてもよい。

【０００９】上記した半導体装置の製造方法において、
図１１に例示するように、前記窒化金属よりなる前記第
１の導電膜２３が成長する過程においては、前記第１の
導電膜２３は水素又は窒素の少なくとも一方の第２のプ
ラズマに曝されるようにしてもよい。上記した半導体装
置の製造方法において、前記第１のプラズマに前記第１
の導電膜１６を曝す処理は、前記第１の反応室内で連続
的に行われるか、前記半導体基板１を前記第１の反応室
から大気に曝さずに第２の反応室内に移されて行われる
か、または、前記半導体基板を前記第１の反応室から大
気に曝して第２の反応室内に移されて行われるかのいず
れかであってもよい。

【００１０】上記した半導体装置の製造方法において、
前記第２の導電膜１７は、物理的方法又は化学的方法又
は電気化学的堆積方法のいずれかによって形成される。
この場合、前記第２の導電膜１７は、前記第１のプラズ
マの処理の後にその場において連続的に形成されるか、
別の場所で非連続的に形成される。上記した半導体装置
の製造方法において、前記第１の導電膜１６は窒化チタ
ン膜であり、前記第２の導電膜１７は銅膜であってもよ
い。

【００１１】上記した半導体装置の製造方法において、
前記ＣＶＤ法における前記有機金属材料は、熱、光又は
プラズマのうちの１つかそれらの組み合わせにより励起
される。上記した半導体装置の製造方法において、前記
有機金属材料は、テトラジメチルアミノチタン等のメチ
ルアミノ基、テトラジエチルアミノチタン等のエチルア
ミノ基、又はジシクロペンタジェニルタイタニウムジア
ジル等のシクロペンタ基のいずれかを含むものを使用し
てもよい。

【００１２】上記した半導体装置の製造方法において、
前記窒素水素化合物ガスは、アンモニアガス又はヒドラ
ジンのいずれかを選択してもよい。なお、上記した図
番、符号は、発明の理解を容易にするために引用された
ものであって、発明を限定するものではない。本発明に
よれば、窒化チタンのような窒化金属、又は、窒化珪化
チタン(TiSiN) 、窒化珪化タングステン(WSiN)のような
窒化珪化金属からなる第１の導電膜を形成した後に、そ
の第１の導電膜をアンモニア、ヒドラジンのような窒素
水素化合物ガスのプラズマに曝し、その後に第１の導電
膜の上に銅のような第２の導電膜を形成している。

【００１３】これによれば、第１の導電膜と第２の導電
膜の密着性が従来よりも向上することが実験により明ら
かになったので、第２の導電膜を形成した後に化学機械
研磨（ＣＭＰ）によって第１の導電膜と第２の導電膜の
一部を除去しても、第１の導電膜と第２の導電膜に膜剥
がれが生じることはない。また、そのような第１の導電
膜は、第２の導電膜を構成する金属元素が下方に拡散す
ることを防止することが実験により明らかになった。

【００１４】

【発明の実施の形態】そこで、以下に本発明の実施形態
を図面に基づいて説明する。（第１の実施の形態）図１〜図４は、本発明の第１の実
施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図であ
る。また、図５は、本発明の第１実施形態の配線形成を
示すフローチャートである。

【００１５】まず、図１(a) に示すような状態になるま
での工程を説明する。図１(a) において、シリコン基板
（半導体基板）１のうちフィールド酸化膜２で囲まれた
領域にＭＯＳトランジスタ３を形成する。ＭＯＳトラン
ジスタ３は、シリコン基板１の上にゲート酸化膜３ａを
介して形成されたゲート電極３ｂと、ゲート電極３ｂの
両側方のシリコン基板１内に形成された第１及び第２の
不純物拡散層３ｄ、３ｓを有している。また、ＭＯＳト
ランジスタ３はSiO₂よりなる第１の層間絶縁膜４によっ
て覆われている。

【００１６】第１の層間絶縁膜４のうち第１の不純物拡
散層３ｄの上にはコンタクトホール５が形成され、その
コンタクトホール５内には、第１の窒化チタン(TiN) 膜
６を介してタングステン（Ｗ）膜７が充填されている。
次に、SiO₂含有絶縁材又はSiO₂よりなる第２の層間絶縁
膜８を形成した後に、フォトリソグラフィー法により第
２の層間絶縁膜８をパターニングしてコンタクトホール
５の上をを通る第１の溝９を形成する。そして、第１の
溝９の中と第２の層間絶縁膜８の上面に沿って第２の窒
化チタン膜１０を形成した後に、第２の窒化チタン膜１
０の上に第１の銅（Cu）膜１１を形成する。その銅膜１
１の成長ガスとして無機系を使用してもよいし有機系を
使用してもよい。

【００１７】第２の窒化チタン膜１０は、第１の銅膜１
１を構成する銅元素が第２の層間絶縁膜８の中に拡散す
ることを防止するために形成される。その後に、第１の
銅膜１１と第２の窒化チタン膜１０を研磨して第２の層
間絶縁膜８の上面から除去し、第１の溝９内に残った第
１の銅膜１１と第２の窒化チタン膜１０を第１の配線１
１ａとして使用する。

【００１８】次に、図１(b) に示すように、第２の層間
絶縁膜８と第１の配線１１ａの上に窒化シリコン膜１２
をＣＶＤ法により約５０nmの厚さに形成し、これを銅拡
散防止用バリア膜として使用する。続いて、図１(c) に
示すように、窒化シリコン膜１２の上にSiO₂よりなる第
３の層間絶縁膜１３をＣＶＤ法により１μｍの厚さに形
成する。

【００１９】次に、図５のフローチャートに沿ってバリ
アメタルと第２の配線を形成する工程に移る。まず、第
３の層間絶縁膜１３の上にフォトレジスト１４を塗布
し、これを露光、現像して第１の配線１１ａの上方に配
線用窓１４ａ，１４ｂを形成する。さらに、配線用窓１
４ａ，１４ｂを通して第３の層間絶縁膜１３を反応性イ
オンエッチング（ＲＩＥ）法によりエッチングすること
により、図５の(1) に示すように第２の溝１５ａ、１５
ｂを第３の層間絶縁膜１３に形成する。そのエッチング
の際には、反応ガスとしてC₄F₈、CH₂F₂、Arを使用す
る。

【００２０】続いて、第２の溝１５ａ、１５ｂを通して
窒化シリコン膜１２をＲＩＥ法によりエッチングして第
１の配線１１ａの少なくとも一部を露出させる。そのエ
ッチンの際には反応ガスとしてCF₄、CHF₃、Arを使用す
る。その後に、フォトレジスト１４を除去すると、図２
(a) に示すような断面形状が得られる。なお、第２の溝
１５ａ、１５ｂから露出した第１の配線１１ａのうには
酸化銅が形成されるので、その酸化銅を水素還元法など
によって除去するのが好ましい。

【００２１】その後に、シリコン基板１を大気に曝すこ
となく例えば図６に示すようなＣＶＤ装置の反応チャン
バに移す。図６に示したＣＶＤ装置の反応チャンバ３１
内にはヒータを内蔵した基板載置台３２と、基板載置台
３２に間隔を置いて対向するガスシャワー３３が配置さ
れている。ガスシャワー３３は、第１のガス拡散室３４
と第２のガス拡散室３５を有し、第１のガス拡散室３４
の下面の複数のガス放出孔と第２のガス拡散室３５の下
面の複数のガス放出孔はそれぞれガスシャワー３３の底
部から別々に露出している。さらに、反応チャンバ３１
の底部の排気口には開閉弁３６、ターボ分子ポンプ（Ｔ
ＭＰ）３７、ドライポンプ３８が接続され、これらによ
って反応チャンバ１内を所定の圧力まで減圧するように
なっている。

【００２２】ガスシャワー３３の第１のガス拡散室３４
には、マニュアルバルブ３９ａ，３９ｄ、エアオペレー
ションバルブ３９ｂ，３９ｃ、マスフローメータ（ＭＦ
Ｍ）４０、第１のガス導入管４１を介して有機金属ソー
スガス源４２が接続されている。ＭＦＭ４０の排気側の
切換弁３９ｂには排気管４３を介してドライポンプ３８
が接続され、これにより第１のガス導入管４１内のガス
を外部に排出するようになっている。また、有機金属ソ
ースガス源４２には、マスフローコントローラ（ＭＦ
Ｃ）４４と複数のマニュアルバルブ４５ａ，４５ｄと複
数のエアオペレーションバルブ４５ｂ，４５ｃを介して
キャリアガス供給源（例えば、ヘリウムガス）４６が接
続されているガスシャワー３３の第２のガス拡散室３５
にはマニュアルバルブ４７ａ，４７ｂ、第２のガス導入
管４８を介して窒化水素化合物ガス供給源（例えばアン
モニア供給源）４９が接続されている。

【００２３】上記した複数のエアオペレーションバルブ
３９ｂ，３９ｃ，４５ｂ，４５ｃとＭＦＣ４４、ＭＦＭ
４０は、それぞれ制御回路５０によって開閉、切換え及
び流量調整がなされる。また、反応チャンバ３１、ガス
シャワー３３、ガス導入管４１，４８、排気管４３、マ
スフローメータ４０、ガスソース源４２はヒータ５１に
よって加熱されている。

【００２４】そのようなＣＶＤ装置を使用して、図３
(a) と図５の(2) に示すように、第２の溝１５ａ，１５
ｂの内面と第３の層間絶縁膜１３の上面の上に第３の窒
化チタン膜１６を１０nmの厚さに形成する。第３の窒化
チタン膜１６は次のような条件で形成される。即ち、ヘ
リウムガスによりバブリングされた有機金属ソースガス
源４２内のTi[N(CH₃)₂]₄（ＴＤＭＡＴ( テトラジメチル
アミノチタン))を第１のガス拡散室３４から反応チャン
バ３１内に導入する。この場合、反応チャンバ３１内に
導入されるＴＤＭＡＴとヘリウムガスの総流量を１００
sccmに設定するとともに、反応チャンバ３１内の成膜圧
力を１００mTorr 、基板温度を３５０℃に設定する。

【００２５】そのような第３の窒化チタン膜１６の形成
に続いて、チャンバ３１内のガスを一掃した後に、図示
しないソース源から水素と酸素を１００sccm、３００sc
cmずつチャンバ３１内に導入するとともに、そのガス圧
力を１．０mTorr に設定し、基板温度を３５０℃に設定
する。また、シャワー３３に５００Ｗの高周波電力Ｒｆ
を供給することにより水素と酸素のプラズマを発生さ
せ、そのプラズマに第３の窒化チタン膜１６を曝して膜
中の不純物を取り除く。

【００２６】次に、図５の(4) に示すように、シリコン
基板１を反応チャンバ３１から取り出して大気に解放し
た後にプラズマ室（不図示）内に搬送する。そして、図
３(b) と図５の(5) に示すように、第３の窒化チタン膜
１６をアンモニア（NH₃）プラズマに曝した。そのプラ
ズマ室には平行平板形を用いて、一方の電極にはシリコ
ン基板１を載置し、他方の電極には１３．５６ＭＨｚで
３００Ｗの高周波電力を印加する。また、プラズマ室内
の圧力を１００mTorr とし、基板温度を３００℃として
５分間のアンモニアプラズマ処理を行った。

【００２７】なお、図６に示したガスシャワー３３を導
電材から形成し、これを電極として用いて高周波電力Ｒ
ｆを印可するような装置を用いれば、その場処理により
連続的にアンモニアプラズマ処理が可能になる。その後
に、図５の(6) に示すようにシリコン基板１を大気に取
り出す。ついで、図４(a) と図５の(7) に示すように、
ロングスローのスパッタ法により第３の窒化チタン膜１
６の上に第２の銅膜１７を１．５mmの厚さに形成する。
ロングスロースパッタの条件は、スパッタ室内にアルゴ
ンガスを３５sccmの流量で導入し、その内部圧力を１．
５mTorr に設定し、基板温度を室温にするとともに、タ
ーゲットに周波数１３．５６ＭＨｚでパワーを５ｋＷの
高周波電力を印加する。

【００２８】続いて、図５の(8) に示すように、水素
（Ｈ₂）を流量５００sccmで導入した圧力１００mTorr
の雰囲気中で基板温度を３５０℃に加熱して第２の銅膜
１７を５分間リフローする。その後に、図４(b) と図５
の(9) に示すように、第２の銅膜１７と窒化チタン膜１
６をＣＭＰ法により連続して研磨することにより、第３
の層間絶縁膜１３上面の上のそれらの膜１６，１７を除
去する。その研磨の際には、第２の銅膜１７とその下の
窒化チタン膜１６との間に剥がれは観測されなかった。

【００２９】そして、第２の溝１５ａ，１５ｂの中に残
した第２の銅膜を第２の配線１７ａとして使用する。（第２の実施の形態）以下に、第１の実施の形態と異な
る第２の配線の形成方法を図７に示すフローチャートと
図８、図９に示す断面図に基づいて説明する。

【００３０】まず、図２(b) と図７の(1) に示すよう
に、第３の層間絶縁膜１３に第２の溝１５ａ，１５ｂを
形成するまでは第１の実施の形態と同じ工程に従って行
う。続いて、図７の(2) と図８(a) に示すように、第３
の層間絶縁膜１３の上面と第２の溝１５ａ、１５ｂの内
面の上に第３の窒化チタン膜２１を形成する。第３の窒
化チタン膜２１は次のような条件によりプラズマＣＶＤ
法により形成する。

【００３１】即ち、窒化チタン形成用のソースガスとし
てTi[N(C₂H₅)₂]₄（ＴＤＥＡＴ( テトラ時エチルアミノ
チタン))を使用し、成膜温度を３００℃、成膜圧力を５
０mTorr に設定するとともに、上部電極に周波数１３．
５６ＭＨｚ、パワー１００Ｗの高周波電力を供給する。
ＴＤＥＡＴガスは、気化器を用いて液状のＴＤＥＡＴを
気化させたものを用い、アルゴンのようなキャリアガス
によって総流量２５０sccmで反応室内に導入する。ま
た、膜質の向上と比抵抗の低減化のためにアンモニアを
１０sccmの流量で反応室内に導入する。

【００３２】続いて、反応室内のガスを一掃した後に、
図７の(3) に示すように、水素と酸素を１００sccm、３
００sccmずつ反応室内に導入するとともに、そのガス圧
力を１．０mTorr に設定し、基板温度を３５０℃に設定
する。また、反応室内に１ｋＷの高周波電力を供給する
ことにより水素と酸素のプラズマを発生させ、そのプラ
ズマに第３の窒化チタン膜２１を曝して膜中の不純物を
取り除く。

【００３３】そのような方法によって第３の窒化シリコ
ン膜２１を形成した後に、図７の(4),(5) に示すよう
に、シリコン基板１を大気中に解放せずに減圧雰囲気に
置いた状態でプラズマ処理装置に搬送する。そのプラズ
マ処理装置としては平行平板電極型を用い、アンモニア
の流量を５００sccm、基板温度を４００℃、処理室内の
圧力を１０Torrに設定し、さらに平行平板電極に１３．
５６ＭＨｚで５００Ｗの高周波電力を供給する。

【００３４】そのような条件により発生させたアンモニ
アプラズマに、図９(b) に示すように、第３の窒化シリ
コン膜２１を１０分間曝す。その後に、図９(a) と図７
の(6),(7) に示すように、シリコン基板１を大気に取り
出さずに、窒化チタン膜の上に第２の銅膜２２をＣＶＤ
法により１．５μｍの厚さに形成する。

【００３５】ＣＶＤ法による第２の銅膜２２の成長条件
は、水素をキャリアガスとしてCu(hfac)・ＴＭＶＳガス
をＣＶＤ装置の反応室内に１００sccmの流量で導入し、
成膜温度１５０℃、成膜圧力を１．０Torrに設定する。
その後に、図９(b) と図７の(8) に示すように、第２の
銅膜２２と第３の窒化チタン膜２１をＣＭＰ法により研
磨して第３の層間絶縁膜１３の上から除去して第２の溝
１５ａ，１５ｂ内にのみ残す。第２の溝１５ａ，１５ｂ
内に残った第２の銅膜２２を第２の配線２２ａとして使
用する。

【００３６】ところで、上記した条件で形成された第３
の窒化チタン膜２１と第２の銅膜２２の密着性は良く、
それらの膜２１，２２は研磨により加わる６００kgf/cm
²程度の引っ張り力によって剥がれることはなかった。（第３の実施の形態）以下に、第１及び第２の実施の形
態と異なる第２の配線の形成方法を図１０に示すフロー
チャートと図１１、図１２に示す断面図に基づいて説明
する。

【００３７】まず、図２(b) と図１０の(1) に示すよう
に、第３の層間絶縁膜１３に第２の溝１５ａ，１５ｂを
形成するまでは第１の実施の形態と同じ工程に従って行
う。その後に、図１０の(2) に示すように、第３の層間
絶縁膜１３の上面と第２の溝１５ａ，１５ｂの内周面の
上に第３の窒化チタン膜２３を形成する。その窒化チタ
ン膜２３は次のような条件により光ＣＶＤ法により２０
nmの厚さに形成する。

【００３８】例えば、窒化チタン形成用のソースガスと
してCp₂Ti(N₃)₂を使用する。Cp₂Ti(N₃)₂は、４００nm以
下の波長の紫外光を用いて分解し、分解した元素をさら
にアンモニアと反応させて第３の窒化チタン膜２３を形
成する。そのソースガスは、昇華法によって直接に反応
室内に１００sccmの流量で導入し、アンモニアと合わせ
て５００sccmの流量で反応室内に導入する。そして、反
応室内の圧力を１Torrとし、基板温度を４００℃に設定
して窒化チタン膜２３を成長する。

【００３９】また、窒化チタン膜２３の形成の最中に図
１１(a) に示すように膜厚が５nmに１回の割合で、水素
（H₂）と窒素（N₂）の少なくとも一方のプラズマを窒化
チタン膜に供給する。その水素プラズマ処理、窒素プラ
ズマ処理は、反応室を変えずに、第３の窒化チタン膜２
３の成長を中断して行う。そして、第３の窒化チタン膜
２３が２０nmの厚さになった時点で、膜の形成を終了す
る。続いて、シリコン基板１を大気中に解放するか、或
いは大気に曝さずにシリコン基板を平行平板型プラズマ
装置に移動する。

【００４０】そして、図１１(b) に示すように、第３の
窒化シリコン膜２３をアンモニアプラズマに曝す。その
アンモニアプラズマ処理の条件としては、アンモニアガ
スを反応室に４００Sccmの流量で導入し、反応室内の圧
力を１．０Torrとし、さらに、基板温度を４００℃に設
定するとともに、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力
を平行平板電極に３００Ｗで供給する。

【００４１】そのような条件で第３の窒化シリコン膜２
３をアンモニアプラズマに曝した後に、図１０の(3) に
示すように、シリコン基板１を大気中に解放する。続い
て、図１０の(4) に示すように、スパッタ装置（不図
示）を用いて第３の窒化シリコン膜２３の上に銅のシー
ド(seed)膜２４を１５０nmの厚さに形成する。そのスパ
ッタは、ロングスローのスパッタ装置を用い、チャンバ
内に５０sccmの流量で導入し、電極に供給する高周波電
力を５ｋＷとするとともに、基板温度を室温に設定す
る。

【００４２】次に、図１０の(5) に示すようにシリコン
基板１を大気中に解放した後に、図１２(b) と図１０の
(6) に示すように、電解メッキのような電気化学的堆積
法（ＥＣＤ(electro-chemical deposition))により第２
の銅膜２５をシード膜２４の上に１．５μｍの厚さに形
成する。その後に、図１０の(7) に示すように、第２の
銅膜２５と第３の窒化チタン膜２３をＣＭＰ法により研
磨して第３の層間絶縁膜１３の上から除去し、第２の溝
１５ａ，１５ｂ内にのみ残し、これを第２の配線として
使用する。

【００４３】なお、上記した条件で形成された第３の窒
化チタン膜２３と第２の銅膜２５の膜の密着性は良く、
それらの膜は研磨時において剥がれなかった。次に、上
記した第１〜第３の実施の形態に代表されるような本発
明の効果を従来技術との比較において説明する。まず、
図１３(a) に示すように、シリコン基板２６の上に熱酸
化膜２７を形成した後に、熱酸化膜２７の上に窒化チタ
ン膜２７を２０nmの厚さに形成した。そして、その窒化
チタン膜２８を図１３(b) に示すように種々のプラズマ
に曝すことによって、窒化チタン膜２８とその上に形成
される銅膜の密着性がどのように相違するかを確認し
た。

【００４４】その窒化チタン膜２８は図６に示すような
熱ＣＶＤ装置を用いて熱酸化膜２７上に２０nmの厚さに
形成する。その窒化チタン膜２８は、ヘリウムガスを用
いたバブリング方式で気化したＴＤＭＡＴガスを反応チ
ャンバ３１内に導入して形成した。この場合、ＴＤＭＡ
Ｔガスとヘリウムを合わせたガス流量を１００sccmと
し、反応チャンバ３１内の成膜圧力を１００mTorr とし
た。また、窒化チタン膜２８の成長の際の成膜温度を３
５０℃とした。

【００４５】その後に、装置を変えて窒化チタン膜２８
を各種のプラズマに曝した後に、図１３(c) に示すよう
に、窒化チタン膜２８の上にＣＶＤ法により銅膜２９を
３０nmの厚さに形成し、その銅膜２９の引張り耐性試験
を行った。銅膜２９を形成するためのソースガスとして
は、Cu(hfac)・TMVSを使用し、そのソースガスをキャリ
アガス（水素）ガスによって反応室内に導入し、成膜温
度を１５０℃、成膜圧力を１．０Torrとした。

【００４６】図１３(b) に示すプラズマ処理としては、
水素・窒素プラズマ処理、水素プラズマ処理、窒素プラ
ズマ処理、アルゴンプラズマ処理のそれぞれについてサ
ンプルを変えて行った。それらのプラズマ条件を表１に
示す。なお、プラズマ処理は、成膜とは別な場所で行わ
れる。

【００４７】

【表１】

【００４８】図１４に、各サンプルの引張り試験の結果
を度数分布で示す。アンモニアプラズマ処理以外のプラ
ズマ処理が行われた窒化チタン膜の上の銅膜は、プラズ
マ処理が行われない窒化チタン膜の上の銅膜に比べて、
窒化チタン膜に対する密着性は劣化した。これに対し
て、窒化水素化合物であるアンモニアプラズマに曝され
た窒化チタン膜上の銅膜の窒化チタン膜に対する密着性
は飛躍的に向上する。

【００４９】次に、本発明を用いた窒化チタン膜のバリ
ア性を図１５に示すサンプルを用いて評価した。そのサ
ンプルは次のような構造を有している。なお、バリア性
は、銅の拡散の防止能力を意味している。図１５におい
て、ｐ型シリコン基板６１の表面の３９６００個の活性
領域をＬＯＣＯＳ層６２によって囲んだ後に、それらの
活性領域にイオン注入法で砒素を導入し、それらの活性
領域にｎ型の不純物拡散層６３を形成する。その後に、
不純物拡散層６３とＬＯＣＯＳ層６２の上にプラズマＣ
ＶＤ法によりＢＰＳＧ膜６４を１．０μｍの厚さに形成
する。その後に、ＢＰＳＧ膜６４をフォトリソグラフィ
ー法によりエッチングして各不純物拡散層６３の上に直
径０．４μｍ、０．５μｍ又は１．０μｍのコンタクト
ホール６５を形成する。続いて、ＴＤＭＡＴガスを用い
て熱ＣＶＤ法により窒化チタン膜６６を図１３(a) と同
じ成長条件でＢＰＳＧ膜６４の上とコンタクトホール６
５の内面に形成する。

【００５０】さらに、窒化チタン膜６６をアンモニアプ
ラズマに曝した後に、その上に銅のシード膜を１５０nm
の厚さに形成した後に、電解メッキ法によりシード膜の
上に銅膜６７を形成した。さらに、銅膜６７を形成した
後にＣＭＰ法によりＢＰＳＧ膜６４の上の銅膜６７及び
窒化チタン膜６６を除去するとともに、そらの膜をコン
タクトホール６５内に残す。さらに、ＢＰＳＧ膜６４と
コンタクトホール６５の上に、アルミニウム銅を窒化チ
タン膜で挟んでなる引出配線６８を形成する。

【００５１】そのようなサンプルを熱処理した後に、シ
リコン基板６１と引出配線６８の間に電圧を印可し、こ
れにより不純物拡散層６３に流れるリーク電流を観察す
ることによりバリア性を評価したところ、図１６に示す
ような結果が得られた。図１６は、引出配線６８の形成
後に４５０℃の熱処理を３回行った後のリーク電流の度
数分布を示す。

【００５２】さらに、窒化チタン膜６６をアンモニアプ
ラズマに曝さない場合について不純物拡散層６３に流れ
るリーク電流を観察することによりバリア性を評価した
ところ、図１７に示すような結果が得られた。図１７
は、引出配線６８の形成後に４５０℃の熱処理を３回行
った後のリーク電流の度数分布を示す。図１６、図１７
に基づいて、窒化チタン膜６６をアンモニア処理したも
のとしなかったものについて、それぞれ銅に対する窒化
チタン膜のバリア性を評価したところ、窒化チタンシリ
コン膜６６をアンモニアプラズマ処理した方がアンモニ
アプラズマ処理をしない場合に比べてリーク電流が流れ
にくいことがわかる。

【００５３】なお、第２及び第３の実施形態で示した方
法で形成された窒化チタン膜であっても、窒素水素化合
物プラズマに曝すことにより、その上に形成される銅膜
との密着性は向上し、しかも、バリア性も向上すること
がわかる。また、アンモニアプラズマの代わりにヒドラ
ジンプラズマなどの窒素水素化合物プラズマに窒化チタ
ン膜を曝しても、窒化チタン膜と銅膜との密着性を向上
したり、バリア性を向上することができる。

【００５４】さらに、上記した例では、窒化シリコン膜
のような窒化金属膜を窒素水素化合物プラズマに曝した
後に銅のような導電膜を形成しているが、TiSiN 、WSiN
のような窒化珪化金属膜を窒素水素化合物プラズマに曝
した後に導電膜を形成しても窒化珪化金属膜と導電膜の
密着性が向上する。上記した例では、窒化シリコン膜を
層間絶縁膜の上と配線用溝の中に形成しているがこれに
限定されるものではない。例えば、層間絶縁膜にビアホ
ールを形成する工程を含む場合にあっては、層間絶縁膜
の上とビアホールの中に窒化チタン膜を形成し、その後
に窒化チタン膜をアンモニアプラズマに曝し、その後に
窒化チタン膜の上に銅膜を形成してもよい。そのホール
の中に残される窒化シリコン膜と銅膜は、ビア（プラ
グ）として使用される。

【００５５】また、上記した窒素珪素化合物プラズマに
曝された窒化シリコン膜と銅膜は、ビアと配線を同時に
形成する、いわゆるデュアルダマシン技術に適用しても
良いし、通常の配線用の導電膜として適用しても良い。

【００５６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、窒化
金属又は窒化珪化金属からなる第１の導電膜を形成した
後に、その第１の導電膜を窒素水素化合物ガスのプラズ
マに曝し、その後に第１の導電膜の上に銅のような第２
の導電膜を形成しているので、第１の導電膜と第２の導
電膜の密着性を従来よりも向上することができる。

【００５７】また、そのような第１の導電膜は、第２の
導電膜を構成する金属元素が下方に拡散することを防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) 〜(c) は、本発明の第１の実施形態の
半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。

【図２】図２(a),(b) は、本発明の第１の実施形態の半
導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。

【図３】図３(a),(b) は、本発明の第１の実施形態の半
導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。

【図４】図４(a),(b) は、本発明の第１の実施形態の半
導体装置の製造工程を示す断面図（その４）である。

【図５】図５は、本発明の第１の実施形態の半導体装置
の製造工程のうちの配線の形成工程を示すフローチャー
トである。

【図６】図６は、本発明の第１の実施形態の半導体装置
の製造工程に使用されるＣＶＤ装置の一例を示す構成図
である。

【図７】図７は、本発明の第２の実施形態の半導体装置
の製造工程のうちの配線の形成工程を示すフローチャー
トである。

【図８】図８(a),(b) は、本発明の第２の実施形態の半
導体装置の製造工程のうちの配線の形成工程を示す断面
図（その１）である。

【図９】図９(a),(b) は、本発明の第２の実施形態の半
導体装置の製造工程のうちの配線の形成工程を示す断面
図（その２）である。

【図１０】図１０は、本発明の第３の実施形態の半導体
装置の製造工程のうちの配線の形成工程を示すフローチ
ャートである。

【図１１】図１１(a),(b) は、本発明の第３の実施形態
の半導体装置の製造工程のうちの配線の形成工程を示す
断面図（その１）である。

【図１２】図１２(a),(b) は、本発明の第３の実施形態
の半導体装置の製造工程のうちの配線の形成工程を示す
断面図（その２）である。

【図１３】図１３(a) 〜(c) は、本発明の実施形態にお
ける多層金属膜の引っ張り試験用サンプルを形成する固
定を示す断面図である。

【図１４】図１４は、図１３(c) に示す試験用サンプル
を使用して得られた引っ張り試験の引っ張り力と膜剥が
れ確率を示す図である。

【図１５】図１５は、本発明の実施形態における配線の
バリア性試験用サンプルを示す断面図である。

【図１６】図１６は、本発明の実施形態における配線の
バリア性試験の結果を示すリーク電流発生率を示す図で
ある。

【図１７】図１７は、従来の配線のバリア性試験の結果
を示すリーク電流発生率を示す図である。

【符号の説明】１…シリコン基板（半導体基板）、２…フィールド酸化
膜、３…ＭＯＳトランジスタ、４…第１の層間絶縁膜、
５…コンタクトホール、６…第１の窒化チタン(TiN)
膜、７…タングステン膜、８…第２の層間絶縁膜、９…
第１の溝、１０…第２の窒化チタン膜、１１…第１の銅
膜、１２…窒化シリコン膜、１３…第３の層間絶縁膜、
１４…フォトレジスト、１５ａ、１５ｂ…第２の溝、１
６，２１，２３…第３の窒化シリコン膜、１７，２２，
２５…銅膜、２４…シード膜。

フロントページの続きＦターム(参考） 4M104 BB04 BB18 BB30 BB36 DD07 DD23 DD43 FF16 FF22 HH08 HH20 5F033 HH11 HH31 HH33 JJ19 JJ31 JJ33 KK01 KK11 KK19 KK33 NN06 NN07 PP02 PP03 PP12 PP15 PP27 QQ10 QQ13 QQ37 QQ48 QQ78 QQ90 QQ98 RR04 RR06 RR09 RR25 SS11 TT02 XX00 XX13 XX28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の反応室内において、半導体基板の上
方に窒化金属又は窒化珪化金属よりなる第１の導電膜を
有機金属材料を用いてＣＶＤ法により形成する工程と、前記第１の導電膜の形成を終えた後に、前記第１の導電
膜を窒素水素化合物ガスの第１のプラズマに曝す工程
と、前記第１のプラズマに曝された前記第１の導電膜の上に
第２の導電膜を形成する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２】前記第１の導電膜と前記第２の導電膜は、
絶縁膜の上と該絶縁膜の溝又はホールの中に形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項３】前記絶縁膜の上の前記第１の導電膜と前記
第２の導電膜は、研磨によって前記絶縁膜の上面から除
去されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置
の製造方法。
【請求項４】前記窒化金属よりなる前記第１の導電膜が
成長する過程においては、前記第１の導電膜は水素又は
窒素の少なくとも一方の第２のプラズマに曝されること
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記第１の導電膜は窒化チタン膜であり、
前記第２の導電膜は銅膜であることを特徴とする請求項
１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記有機金属材料は、メチルアミノ基、エ
チルアミノ基、又はシクロペンタ基のいずれかを含むこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項７】前記窒素水素化合物ガスは、アンモニアガ
ス又はヒドラジンであることを特徴とする請求項１に記
載の半導体装置の製造方法。