JP2004311545A - 半導体装置の製造方法及び高融点金属膜の堆積装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板10上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜11に接続孔12及び配線溝13を形成した後、第1の高融点金属を主成分とするターゲットを用いると共に、半導体基板10の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で半導体基板10を回転させながらスパッタリングを行なうことにより、接続孔12及び配線溝13の壁面及び底面に第1の金属膜14を堆積する。次に、原子層堆積法により、第1の金属膜14の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜15を堆積する。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法及び高融点金属膜の堆積装置に関し、特に半導体集積回路装置における多層配線に用いられる低誘電率膜の上に高融点金属膜を堆積する方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の高集積化の進展に伴い、金属配線同士の間の寄生容量である配線間容量の増加に起因する配線遅延時間の増大が半導体集積回路の高性能化の妨げとなっている。配線遅延時間とは金属配線の抵抗と配線間容量との積に比例して発生するいわゆるRC遅延と言われるものである。従って、配線遅延時間を低減するためには、金属配線の抵抗を小さくするか又は配線間容量を小さくすることが必要である。
【0003】
そこで、配線抵抗を小さくために、配線材料としてアルミ系合金に代えて銅を用いる半導体集積回路装置がIBM社又はモトローラ社から報告されている。銅材料の比抵抗はアルミ系合金材料の比抵抗の3分の2程度である、配線材料として銅材料を用いると、アルミ系合金材料を用いる場合に比べて、単純に計算すると、配線遅延時間が3分の2に減少するので、動作速度を1.5倍に高速化することができる。
【0004】
しかしながら、半導体集積回路の高集積化がさらに進展すると、銅からなる金属配線を用いる場合でも、配線遅延時間の増大によって、高速化が限界に達すると懸念されている。また、配線材料としての銅は、金又は銀についで比抵抗が小さいので、銅からなる金属配線に代えて金又は銀からなる金属配線を用いても、配線抵抗の低減は僅かなものである。
【0005】
このため、半導体集積回路の高集積化のためには、配線抵抗の低減と共に配線間容量の低減が重要になっており、配線間容量の低減のためには、層間絶縁膜の比誘電率を小さくすることが必要である。従来、層間絶縁膜としては、シリコン酸化膜が用いられているが、シリコン酸化膜の比誘電率は4〜4.5程度であって、より高集積化された半導体集積回路における層間絶縁膜には採用し難いという問題がある。
【0006】
そこで、比誘電率がシリコン酸化膜よりも小さい低誘電率膜として、多孔質膜、又はダイアモンド構造を有する超低密度膜などが提案されており、これらの多孔質膜は、空孔を含有することによって比誘電率の低下を図っている。
【0007】
従来、バリア膜の形成方法としてはスパッタリング法が主流であった。しかしながら、半導体素子の微細化の進展により、接続孔又は配線溝のアスペクト比が高くなってきているため、被覆性(カバレッジ)が良くないスパッタリング法により、アスペクト比が高い接続孔又は配線溝の壁面及び底面にバリア膜を形成することが困難になってきた。
【0008】
そこで、この問題を解決するため、例えば非特許文献1に示されるように、金属を原子層ずつ堆積して金属膜を形成することにより、金属膜の被覆性を向上させる原子層堆積法(ALD法)という方法が開発されてきている。原子層堆積法は、減圧雰囲気において、高融点金属を単分子層づつ堆積する方法であって、被覆性が極めて高いと共に、アスペクト比が高い接続孔又は配線溝の表面に均一にバリア膜を形成することが可能である。
【0009】
【非特許文献1】Atomic Layer Deposition of Barriers for Interconnect(The 2002 IEEE International Interconnect Technology Conference p.288)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のように、多孔質膜又はダイアモンド構造を有する超低密度膜よりなり、比誘電率が2.0以下である低誘電率膜は空孔を含有することによって比誘電率の低下を図っているため、低誘電率膜中に連続孔が形成されているので、低誘電率膜は本質的にガス透過性を有している。
【0011】
従って、ガス透過性を有する低誘電率膜に、配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成した後であって、該凹部に銅膜を埋め込んで銅配線を形成する前に、原子層堆積法により凹部の壁面及び底面に高融点金属(例えば窒化チタン)からなるバリア膜を形成しようとすると、図8に示すように、原子層堆積法に用いられる反応性ガス1(例えば、TiCl4とNH3との混合ガス)が、低誘電率膜2の連続孔3の内部に浸潤するので、反応性ガス1よりなる生成物(例えばTiClx又はTiNy)が連続孔3の内部においてバリア膜4の表面に付着してしまう。
【0012】
このため、低誘電率膜2の凹部に銅膜を埋め込んだ後に行なわれる熱処理工程において、連続孔3の内部においてバリア膜4の表面に付着した生成物と雰囲気中の水素とが反応してHCl2 等のガスが発生し、発生したガスが連続孔3の外部に放出されるので、銅膜が腐食するという問題、つまり脱ガス特性が劣化するという問題が発生する。
【0013】
また、反応性ガス1よりなる導電性の生成物が連続孔3の内部に付着すると、銅配線に電圧が印加されたときにリークが起きるので、低誘電率膜2の耐圧特性が劣化するという問題も発生する。
【0014】
前記に鑑み、本発明は、ガス透過性を有する低誘電率膜に形成された凹部の壁面及び底面に原子層堆積法により高融点金属からなるバリア膜を形成する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を防止することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、バリア膜を形成する工程は、第1の高融点金属を主成分とするターゲットを用いると共に、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながら行なうスパッタリング法により、凹部の壁面及び底面に第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積する工程と、原子層堆積法により、第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積する工程とを有する。
【0016】
第1の半導体装置の製造方法によると、第1の高融点金属を主成分とするターゲットを用いて、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうため、ターゲットから弾き飛ばされた第1の高融点金属は低誘電率膜の凹部の壁面及び底面に均一に付着するので、第1の金属膜の被覆性が向上する。従って、低誘電率膜の連続孔の開口部は第1の金属膜によって塞がれるため、原子層堆積法により、第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【0017】
第1の半導体装置の製造方法において、第1の金属膜の膜厚は、低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の2分の1以上であることが好ましい。
【0018】
このようにすると、低誘電率膜の連続孔の開口部が第1の金属膜によって確実に塞がれるため、原子層堆積法により第2の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【0019】
第1の半導体装置の製造方法において、スパッタリング法は、ターゲットと基板との間に配置され、ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを用いて行なわれることが好ましい。
【0020】
このようにすると、ターゲットから弾き飛ばされた第1の高融点金属のうちターゲットの表面に対して垂直方向に弾き飛ばされた第1の高融点金属のみがコリメーターの貫通孔を通過して低誘電率膜の表面に到達するので、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうことと相俟って、低誘電率膜の連続孔の開口部が第1の金属膜によって確実に塞がれる。このため、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【0021】
本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、バリア膜を形成する工程は、第1の高融点金属を主成分とするターゲットを用いるスパッタリング法により、凹部に第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積する工程と、第1の金属膜を不活性ガスのイオンによりスパッタリングして、第1の金属膜の被覆性を向上させる工程と、原子層堆積法により、被覆性が向上した第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積する工程とを有する。
【0022】
第2の半導体装置の製造方法によると、第1の金属膜を不活性ガスのイオンによりスパッタリングして、第1の金属膜の被覆性を向上させて低誘電率膜の連続孔の開口部を第1の金属膜により塞いでおいてから、原子層堆積法により第1の金属膜の上に第2の金属膜を堆積するため、第2の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【0023】
第2の半導体装置の製造方法において、被覆性が向上した第1の金属膜の膜厚は、低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の2分の1以上であることが好ましい。
【0024】
このようにすると、低誘電率膜の連続孔の開口部が第1の金属膜によって確実に塞がれるため、原子層堆積法により第2の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【0025】
第1又は第2の半導体装置の製造方法において、低誘電率膜としては多孔質膜を用いることができる。
【0026】
第1又は第2の半導体装置の製造方法において、第1の高融点金属と第2の高融点金属とは、異なる金属であってもよいし、同じ金属であってもよい。
【0027】
第1又は第2の半導体装置の製造方法において、第2の金属膜を堆積する工程は、堆積された第1の金属膜を大気中に暴露することなく行なわれてもよいし、第1の金属膜を大気中に一旦暴露してから行なわれてもよい。
【0028】
第1又は第2の半導体装置の製造方法は、第2の金属膜を堆積する工程よりも前に、第1の金属膜の表面に、窒素原子を含むガスよりなるプラズマを照射する工程をさらに備えていることが好ましい。
【0029】
このようにすると、第2の金属膜の第1の金属膜に対する密着性が向上する。
【0030】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置は、第1の高融点金属を主成分とするターゲットと、基板を保持する基板ホルダーとを有し、基板の上に第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積するスパッタリング処理室と、第2の高融点金属を含むガスを導入する手段を有し、第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積する原子層堆積処理室と、スパッタリング処理室及び原子層堆積処理室のそれぞれとゲートを介して接続されており、基板ホルダーに保持されている基板を原子層堆積処理室に移送する手段を有するトランスファー室とを備えている。
【0031】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置によると、基板の上に第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積するスパッタリング処理室と、第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積する原子層堆積処理室と、スパッタリング処理室及び原子層堆積処理室のそれぞれとゲートを介して接続されたトランスファー室とを備えているため、スパッタリング法により、基板上に第1の金属膜を堆積した後、原子層堆積法により、第1の金属膜の上に第2の金属膜を堆積することができる。つまり、スパッタリング法により堆積された第1の金属膜を大気中に暴露することなく、原子層堆積法により第1の金属膜の上に第2の金属膜を堆積することができる。
【0032】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置において、基板ホルダーは、基板を、該基板の表面がターゲットの表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持することが好ましい。
【0033】
このようにすると、第1の高融点金属を主成分とするターゲットを用いて、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうことができるため、ターゲットから弾き飛ばされた第1の高融点金属を低誘電率膜の凹部の壁面及び底面に被覆性良く堆積されるので、低誘電率膜の連続孔の開口部は第1の金属膜によって塞がれる。このため、原子層堆積法により、第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【0034】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置において、基板ホルダーが基板を基板表面がターゲットの表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持する場合には、スパッタリング処理室は、ターゲットと基板ホルダーに保持されている基板との間に配置され、ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを有していることが好ましい。
【0035】
このようにすると、ターゲットから弾き飛ばされた第1の高融点金属のうちターゲットの表面に対して垂直方向に弾き飛ばされた第1の高融点金属のみがコリメーターの貫通孔を通過して低誘電率膜の表面に到達するので、基板の表面をターゲットの表面に対して傾斜させた状態で基板を回転させながらスパッタリング法を行なうことと相俟って、低誘電率膜の連続孔の開口部を第1の金属膜によって確実に塞ぐことができる。このため、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を確実に防止することができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法に用いられる高融点金属膜の堆積装置について、図1及び図2を参照しながら説明する。
【0037】
図1は第1の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置の平面構造を示しており、図1に示すように、高融点金属膜の堆積装置は、半導体基板(半導体ウェハ)の取り込み及び取り出しを行なうためのロードロック室100と、半導体基板の上に第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積するためのスパッタリング処理室110と、第2の高融点金属を含むガスを導入する手段(図示は省略している)を有し、第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積するための原子層堆積処理室120と、ロードロック室100、スパッタリング処理室110及び原子層堆積処理室120のそれぞれとゲートバルブを介して接続されているトランスファー室130とを備えている。
【0038】
トランスファー室130には、ロードロック室100に取り込まれた半導体基板をスパッタリング処理室110に移送し、スパッタリング処理室110において第1の金属膜が堆積された半導体基板を原子層堆積処理室120に移送し、原子層堆積処理室120において第2の金属膜が堆積された半導体基板をロードロック室100に移送する搬送アーム131が設けられている。また、トランスファ室130は、真空状態又は不活性ガス雰囲気に制御される。
【0039】
原子層堆積処理室120については、周知の構造を有しているため、説明を省略する。
【0040】
図2はスパッタリング処理室110の断面構造を示しており、図2に示すように、スパッタリング処理室110の上部には、第1の高融点金属を主成分とするターゲット111を保持するターゲットホルダー112が設けられており、該ターゲットホルダー112にはターゲット電源113から700V程度の電圧が印加される。スパッタリング処理室110の下部には、半導体基板115を保持すると共に回転可能且つ揺動可能に設けられた基板ホルダー116が配置されており、これによって、基板ホルダー116は半導体基板115をターゲット111の表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持することができる。ターゲット111と基板ホルダー116との間には、ターゲット111の表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔117aを持つコリメーター117が設けられている。
【0041】
以下、第1の実施形態に係る高融点金属の堆積装置を用いて高融点金属膜を形成する方法について説明する。
【0042】
まず、半導体基板115の上に低誘電率膜を形成した後、該低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成しておく。
【0043】
次に、凹部を有する低誘電率膜が形成されている半導体基板115をロードロック室100に取り込んだ後、ロードロック室100を真空状態にする。その後、ロードロック室100とトランスファー室130との間の第1のゲートバルブを開けて、搬送アーム131により半導体基板115をロードロック室100からトランスファー室130に移送した後、第1のゲートバルブを閉じる。この場合、ロードロック室100とトランスファー室130とは圧力が等しくなるように制御しておく。
【0044】
次に、トランスファー室130とスパッタリング処理室110との間の第2のゲートバルブを開けて、搬送アーム131により半導体基板をトランスファー室130から、真空状態に保たれているスパッタリング処理室110に移送した後、第2のゲートバルブを閉じる。その後、ターゲット電源113からターゲットホルダー112に電圧を印加すると共に、ガス導入口114からアルゴンガス等の放電用ガスを導入すると、スパッタリング処理室110においてグロー放電が発生するので、放電用ガスよりなるプラズマが生成される。そして、プラズマ中のイオンがターゲット111をスパッタリングするので、ターゲット111から第1の高融点金属が弾き飛ばされる。この場合、ターゲット111から弾き飛ばされた第1の高融点金属のうちターゲット111の表面に対して垂直方向に弾き飛ばされた第1の高融点金属のみがコリメーター117の貫通孔117aを通過して半導体基板115の表面に到達する。一方、半導体基板115は基板ホルダー116にターゲット111の表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持されているため、第1の高融点金属は半導体基板115の表面に対して傾斜した状態で堆積されるので、低誘電率膜の凹部に第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜が被覆性良く堆積される。
【0045】
次に、スパッタリング処理室110とトランスファー室130との間の第2のゲートバルブを開けて、第1の金属膜が形成されている半導体基板115を搬送アーム131によりスパッタリング処理室110からトランスファー室130に移送した後、第2のゲートバルブを閉じる。その後、トランスファー室130と原子層堆積処理室120との間の第3のゲートバルブを開けて、搬送アーム131により半導体基板をトランスファー室130から、真空状態に保たれている原子層堆積処理室120に移送した後、第3のゲートバルブを閉じる。その後、周知の原子層堆積法、例えば前述の非特許文献1に記載された方法により、第1の金属膜の上に、第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を形成する。
【0046】
次に、原子層堆積処理室120とトランスファー室130との間の第3のゲートバルブを開けて、第2の金属膜が形成されている半導体基板115を搬送アーム131により原子層堆積処理室120からトランスファー室130に移送した後、第3のゲートバルブを閉じる。次に、トランスファー室130とロードロック室100との間の第1のゲートバルブを開けて、半導体基板115を搬送アーム131によりトランスファー室130からロードロック室100に移送した後、第1のゲートバルブを閉じ、その後、半導体基板115をロードロック室100から外部に取り出す。
【0047】
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図3(a) 〜(c) 及び図4(a) 、(b) を参照しながら説明する。尚、第2の実施形態は、第1の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置を用いる。
【0048】
まず、図3(a) に示すように、トランジスタ、ローカル配線及びPMD(メタル前層間絶縁膜が形成されている半導体基板10の上に、例えば[化1]に示すシリカ系多孔質膜よりなりガス透過性を有し、700nmの厚さを持つ低誘電率膜11を形成した後、周知のリソグラフィ工程及びドライエッチング工程により、低誘電率膜11に接続孔12及び配線溝13を形成する。
【0049】
【化1】
【0050】
次に、低誘電率膜11が形成された半導体基板10を図2に示すスパッタリング処理室110に移送する。この場合、スパッタリング処理室110においては、ターゲットホルダー112は第1の高融点金属としてのタンタルよりなるターゲット111を保持している。
【0051】
次に、ターゲット電源113からターゲットホルダー112に電圧を印加すると共に、ガス導入口114からアルゴンガスと窒素を含むガスとの混合ガスよりなる放電用ガスを導入すると、放電用ガスよりなるプラズマが生成されるため、プラズマ中のアルゴンイオンがターゲット111をスパッタリングするので、ターゲット111からタンタルが弾き飛ばされる。この場合、ターゲット111から弾き飛ばされたタンタルのうちターゲット111の表面に対して垂直方向に弾き飛ばされたタンタルのみがコリメーター117の貫通孔117aを通過して低誘電率膜11の表面に到達する。一方、半導体基板115は基板ホルダー116にターゲット111の表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持されているため、図3(b) に示すように、反応性スパッタリング法により、低誘電率膜11の接続孔12及び配線溝13の壁面及び底面には窒化タンタルよりなる第1の金属膜14が被覆性良く堆積される。
【0052】
図4(a) は図3(b) におけるAの部分の詳細を示しており、低誘電率膜11の連続孔11aの開口部が窒化タンタルよりなる第1の金属膜14によって塞がれている。尚、第2の実施形態においては、低誘電率膜11の連続孔11aの開口部の平均径が4nmであるから、第1の金属膜14の膜厚としては、2nm以上に設定することが好ましいが、第2の実施形態においては、プロセスマージンを見込んで2.5nm程度にする。もっとも、接続孔12及び配線溝13のアスペクト比が高い場合には、スパッタリング法では均一な膜厚を有する第1の金属膜14を形成することが困難である。
【0053】
そこで、第1の金属膜14が堆積された半導体基板10をスパッタリング処理室110から原子層堆積処理室120に移送する。
【0054】
原子層堆積処理室120においては、圧力が10mbarに保たれていると共に基板温度は400℃に設定される。そして、原子層堆積処理室120に、NH3 ガスを標準状態で1分間当たり16mL導入すると共に、TaCl5 ガスをニードルバルブからパルス間隔:0.5sec の条件で導入する。このようにして、図3(c) に示すように、第1の金属膜14の上にタンタルよりなり2nmの膜厚を有する第2の金属膜15を堆積する。
【0055】
図4(b) は図3(c) におけるBの部分の詳細を示しており、第2の金属膜14は原子層堆積法により形成されるため、タンタルが単分子層ずつ堆積されるので、第1の金属膜14の上に、タンタルよりなり被覆性が極めて高い第2の金属膜15を形成することができる。
【0056】
第2の実施形態によると、半導体基板10(115)の表面をターゲット111の表面に対して傾斜させた状態で半導体基板10を回転させながらスパッタリングを行なうため、ターゲット111から弾き飛ばされた第1の高融点金属は低誘電率膜11の接続孔12及び配線溝13の壁面及び底面に確実に到達するため、第1の金属膜14の被覆性が向上するので、低誘電率膜11の連続孔11aの開口部は第1の金属膜14によって塞がれる。このため、原子層堆積法により、第1の金属膜14の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜15を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜11の連続孔11aに浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【0057】
尚、第2の実施形態においては、第1の金属膜14は窒化タンタル膜であり、第2の金属膜15はタンタル膜であったが、第1の金属膜14の組成と第2の金属膜15の組成とは異なっていてもよいし同じであってもよい。また、第1の金属膜14の主成分である第1の高融点金属と第2の金属膜15の主成分である第2の高融点金属とは異なっていてもよいし同じであってもよい。
【0058】
また、第2の実施形態においては、第1の金属膜14を大気中に暴露することなく第1の金属膜14の上に第2の金属膜15を堆積したが、これに代えて、第1の金属膜14を大気中に一旦暴露して第1の金属膜14の表面を部分的に酸化しておいてから、第1の金属膜14の上に第2の金属膜15を堆積してもよい。
【0059】
また、第2の金属膜15を堆積する前に、第1の金属膜14の表面に対して、窒素プラズマ処理等のプラズマ処理を施すことが好ましい。例えばタンタルよりなる第1の金属膜14の表面を窒化しておいてから、窒化タンタルよりなる第2の金属膜15を堆積すると、第2の金属膜15の第1の金属膜14に対する密着性が向上する。
【0060】
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図5(a) 〜(c) 、図6(a) 、(b) 及び図7(a) 、(b) を参照しながら説明する。
【0061】
まず、図5(a) に示すように、トランジスタ、ローカル配線及びPMD(メタル前層間絶縁膜が形成されている半導体基板20の上に、例えば[化1]に示すシリカ系多孔質膜よりなりガス透過性を有し、700nmの厚さを持つ低誘電率膜21を形成した後、周知のリソグラフィ工程及びドライエッチング工程により、低誘電率膜21に接続孔22及び配線溝23を形成する。
【0062】
次に、周知の反応性スパッタリング法により、図5(b) に示すように、接続孔22及び配線溝23の壁面及び底面に例えば3nmの厚さを有する窒化タンタル膜よりなる第1の金属膜24を形成する。この場合、周知の反応性スパッタリング法により堆積された第1の金属膜24の被覆性は良くない。
【0063】
そこで、図5(c) に示すように、第1の金属膜24に対して、例えばアルゴン等の希ガスよりなるプラズマを照射するスパッタリングを行なうことにより、図6(a) に示すように、第1の金属膜24の被覆性を向上させる。このスパッタリングの条件としては、例えばチャンバーの圧力を約5.3×10−11 Paに設定すると共に、加速電圧を300Vに設定する。このようにすると、第1の金属膜24がアルゴンイオンにより再スパッタされ、再スパッタされた窒化タンタルが接続孔22及び配線溝23の壁面及び底面に再び付着するので、アスペクト比が高い接続孔22の内部においても被覆性に優れた第1の金属膜24を形成することができる。
【0064】
図7(a) は図6(a) におけるCの部分の詳細を示しており、再スパッタにより被覆性が向上した第1の金属膜24は、低誘電率膜24の接続孔21aの開口部を塞ぐことができる。この場合、図7(b) に示すように、再スパッタにより被覆性が向上した第1の金属膜24の膜厚を低誘電率膜24の接続孔21aの開口部の平均径の1/2以上にすることが好ましい。具体的には、第3の実施形態においては、低誘電率膜21の連続孔21aの開口部の平均径が4nmであるから、被覆性が向上した第1の金属膜24の膜厚は2nm以上であることが好ましい。このようにすると、低誘電率膜21の連続孔21aの開口部を第1の金属膜24によって確実に塞ぐことができる。
【0065】
次に、第2の実施形態と同様、原子層堆積法により、図6(b) に示すように、第1の金属膜24の上にタンタルよりなり2nmの膜厚を有する第2の金属膜25を堆積する。このようにすると、原子層堆積法により堆積されるタンタルは単分子層ずつ堆積されるため、第1の金属膜24の上に、タンタルよりなり極めて被覆性が高く且つ均一な膜厚を有する第2の金属膜25を形成することができる。
【0066】
第3の実施形態によると、第1の金属膜24をアルゴンイオンにより再スパッタして第1の金属膜24の被覆性を向上させて、低誘電率膜21の連続孔21aの開口部を第1の金属膜24によって塞いでおいてから、原子層堆積法により第1の金属膜24の上に第2の金属膜25を堆積するため、第2の金属膜25を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜21の連続孔21aに浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【0067】
尚、第3の実施形態においては、第1の金属膜24は窒化タンタル膜であり、第2の金属膜25はタンタル膜であったが、第1の金属膜24の組成と第2の金属膜25の組成とは異なっていてもよいし同じであってもよい。また、第1の金属膜24の主成分である第1の高融点金属と第2の金属膜25の主成分である第2の高融点金属とは異なっていてもよいし同じであってもよい。
【0068】
また、第3の実施形態においては、第1の金属膜24を大気中に暴露することなく第1の金属膜24の上に第2の金属膜25を堆積してもよいし、第1の金属膜24を大気中に一旦暴露して第1の金属膜24の表面を部分的に酸化しておいてから、第1の金属膜24の上に第2の金属膜25を堆積してもよい。
【0069】
また、第2の金属膜25を堆積する前に、第1の金属膜24の表面に対して、窒素プラズマ処理等のプラズマ処理を施すことが好ましい。例えばタンタルよりなる第1の金属膜24の表面を窒化しておいてから、窒化タンタルよりなる第2の金属膜25を堆積すると、第2の金属膜25の第1の金属膜24に対する密着性が向上する。
【0070】
また、第2及び第3の実施形態においては、低誘電率膜に形成された接続孔及び配線溝の壁面及び底面に第1の金属膜及び第2の金属膜よりなるバリア膜を形成したが、バリア膜は低誘電率膜の接続孔又は配線溝の壁面及び底面に形成される場合でもよい。
【0071】
【発明の効果】
本発明に係る第1又は第2の半導体装置の製造方法によると、第1の金属膜の被覆性を向上させて、低誘電率膜の連続孔の開口部を第1の金属膜によって塞いておいてから、原子層堆積法により、第1の金属膜の上に第2の金属膜を形成するため、第2の金属膜を堆積する際に、反応性ガスよりなる生成物が低誘電率膜の連続孔に浸潤する事態を抑制できるので、脱ガス特性の劣化及び低誘電率膜の耐圧特性の劣化を防止することができる。
【0072】
本発明に係る高融点金属膜の堆積装置によると、スパッタリング法により、基板上に第1の金属膜を堆積した後、該第1の金属膜を大気中に暴露することなく、原子層堆積法により、第1の金属膜の上に第2の金属膜を堆積することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置の平面図である。
【図2】第1の実施形態に係る高融点金属膜の堆積装置を構成するスパッタリング処理室の断面図である。
【図3】(a) 〜(c) は第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図4】(a) は図3(b) におけるA部の拡大詳細図であり、(b) は図3(c) におけるB部の拡大詳細図である。
【図5】(a) 〜(c) は第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図6】(a) 及び(b) は第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図7】(a) は図6(a) におけるC部の拡大詳細図であり、(b) は再スパッタにより被覆性が向上した第1の金属膜の膜厚と低誘電率膜の接続孔の開口部の平均径との関係を説明する図である。
【図8】従来の半導体装置の製造方法の問題点を説明する断面図である。
【符号の説明】
10 半導体基板
11 低誘電率膜
11a 連続孔
12 接続孔
13 配線溝
14 第1の金属膜
15 第2の金属膜
20 半導体基板
21 低誘電率膜
21a 連続孔
22 接続孔
23 配線溝
24 第1の金属膜
25 第2の金属膜
Claims (14)
- 基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、前記凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、
前記バリア膜を形成する工程は、
第1の高融点金属を主成分とするターゲットを用いると共に、前記基板の表面を前記ターゲットの表面に対して傾斜させた状態で前記基板を回転させながら行なうスパッタリング法により、前記凹部の壁面及び底面に前記第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積する工程と、
原子層堆積法により、前記第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積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。 - 前記第1の金属膜の膜厚は、前記低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の2分の1以上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。
- 前記スパッタリング法は、前記ターゲットと前記基板との間に配置され、前記ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを用いて行なわ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。
- 基板上に形成されたガス透過性を有する低誘電率膜に配線溝又は接続孔よりなる凹部を形成する工程と、前記凹部の壁面及び底面にバリア膜を形成する工程とを備え、
前記バリア膜を形成する工程は、
第1の高融点金属を主成分とするターゲットを用いるスパッタリング法により、前記凹部に前記第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積する工程と、
前記第1の金属膜を不活性ガスのイオンによりスパッタリングして、前記第1の金属膜の被覆性を向上させる工程と、
原子層堆積法により、被覆性が向上した前記第1の金属膜の上に第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積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。 - 被覆性が向上した前記第1の金属膜の膜厚は、前記低誘電率膜が有する連続孔の開口部の平均開口径の2分の1以上であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記低誘電率膜は、多孔質膜であることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の高融点金属と前記第2の高融点金属とは異なる金属であることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の高融点金属と前記第2の高融点金属とは同じ金属であることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の金属膜を堆積する工程は、堆積された前記第1の金属膜を大気中に暴露することなく行なわれることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の金属膜を堆積する工程は、堆積された前記第1の金属膜を大気中に一旦暴露してから行なわれることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の金属膜を堆積する工程よりも前に、前記第1の金属膜の表面に、窒素原子を含むガスよりなるプラズマを照射する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置の製造方法。
- 第1の高融点金属を主成分とするターゲットと、基板を保持する基板ホルダーとを有し、前記基板の上に前記第1の高融点金属を主成分とする第1の金属膜を堆積するスパッタリング処理室と、
第2の高融点金属を含むガスを導入する手段を有し、前記第1の金属膜の上に前記第2の高融点金属を主成分とする第2の金属膜を堆積する原子層堆積処理室と、
前記スパッタリング処理室及び前記原子層堆積処理室のそれぞれとゲートを介して接続されており、前記基板ホルダーに保持されている前記基板を前記原子層堆積処理室に移送する手段を有するトランスファー室とを備えていることを特徴とする高融点金属膜の堆積装置。 - 前記基板ホルダーは、前記基板を、該基板の表面が前記ターゲットの表面に対して傾斜した状態で回転可能に保持することを特徴とする請求項12に記載の高融点金属膜の堆積装置。
- 前記スパッタリング処理室は、前記ターゲットと前記基板ホルダーに保持されている前記基板との間に配置され、前記ターゲットの表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔を持つコリメーターを有していることを特徴とする請求項13に記載の高融点金属膜の堆積装置。
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