JP2004335799A

JP2004335799A - 金属膜成膜方法および金属配線形成方法

Info

Publication number: JP2004335799A
Application number: JP2003130665A
Authority: JP
Inventors: Takashi Harada; 剛史原田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】Ｃｕ原子の絶縁膜への拡散を防止できるＴａＳｉＮのバリア膜を、絶縁膜上にカバレッジ良く成膜する方法を提供する。
【解決手段】基板１上にシリコン化合物を含む第１のガスを暴露し、シリコン含有薄膜を形成する。その後、シリコン含有薄膜上に窒素、及び金属を含む第２のガスを暴露し、ケイ化窒化金属膜７を形成する。その結果、シリコン化合物を含む第１のガスとケイ化窒化金属膜中の金属を含む第２のガスとが気相中で直接混合されるのを防ぐことが出来るため、パーティクルの発生を防ぎ、カバレッジのＴａＳｉＮからなるバリア膜７を形成することが出来る。
【選択図】図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属膜成膜方法に関する発明であって、より特定的には、基板上にケイ化窒化金属膜を成膜する方法に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高速化・高集積化の要請に対応し、Ａｌ（アルミニウム）配線に比べて低抵抗かつ高信頼性のＣｕ（銅）配線が広く用いられるようになってきている。以下に、Ｃｕ配線が施された従来の半導体装置について図面を参照しながら説明する。図１５は、Ｃｕ配線が施された従来の半導体装置の断面図である。
【０００３】
図１５に示す半導体装置は、半導体基板１０１、絶縁膜１０２、Ｃｕ膜１０４、Ｃｕ膜１０５、ＴａＮ（窒化タンタル）膜１０６、およびシリコン窒化膜１０７を備える。ここで、Ｃｕ原子は、シリコンや酸化シリコンに対して高い拡散性を有している。そのため、酸化シリコンの絶縁膜１０２内に直接Ｃｕ膜１０４が形成されると、当該絶縁膜１０２中に、Ｃｕ原子が拡散してしまう。そこで、図１５に示す半導体装置においては、Ｃｕ膜１０４と絶縁膜１０２との間に、バリア膜としてのＴａＮ膜１０６が必要となる。当該ＴａＮのバリア膜が存在することにより、Ｃｕ原子の絶縁膜１０２への拡散を防止できる。
【０００４】
図１６は、ＴａＮ膜１０６の断面拡大図である。図１６に示すように、ＴａＮのバリア膜は、比較的高い結晶性を有する。そのため、バリア膜の膜厚が薄い場合には、図１６に示すように、結晶粒界の一辺の長さがバリア膜の膜厚より長くなる部分が発生し、バリア膜を貫通するような結晶粒界１１０が発生する場合がある。このような結晶粒界１１０が存在すると、Ｃｕ膜１０４中のＣｕ原子は、ＴａＮ膜１０６を通過して絶縁膜１０２に拡散してしまう。このように絶縁膜１０２内に拡散したＣｕ原子は、当該絶縁膜１０２中で可動イオンになるため、配線間リーク電流を増大させ、半導体装置における動作不良の原因となる。
【０００５】
そこで、Ｃｕ原子が絶縁膜１０２へ拡散するのを防止するために、大きな結晶粒界が発生しにくい材料をバリア膜に用いることが提案されている。具体的には、ＴａＮよりもアモルファス構造をとりやすいＴａＳｉＮ（ケイ化窒化タンタル）をバリア膜材料に適用することが提案されている。これにより、結晶粒界１１０を介して絶縁膜１０２へＣｕ原子が拡散することを防止できる。一般的にＴａＳｉＮのバリア膜は、ＰＶＤ（ＰｈｉｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成される（非特許文献１および２参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｒ．Ｅ．Ｇｅｅｒ、外２名、Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
ＥＤＳａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎＴａＳｉＮ
ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂａｒｒｉｅｒｓｆｏｒＣｕ
ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｕｓｉｎｇ
ｍｉｃｒｏｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ、“Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ２００１ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ” 米国２００１年６月４日ｐ．１９２
【非特許文献２】
ＺａｉｌｏｎｇＢｉａｎ、他２名、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ
ＴａＳｉＮＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢａｒｒｉｅｒｓｆｏｒ
Ｃｕ／ＳｉＬＫＭｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｓ
“Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ２００１
ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ” 米国２００１年６月４日
ｐ．２０４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＰＶＤ法は、周知のように、段差被覆性（以下、カバレッジと称す）が悪い。これは、段差の上の角に堆積した堆積物がマスクとなって、段差の下の角部分に膜が堆積しにくくなるからである。そのため、絶縁膜１０２中に形成された配線溝１０３上にＰＶＤ法によりバリア膜１２０を堆積すると、図１７に示すように、配線溝１０３の上部の角に堆積したバリア膜１２０が邪魔をして、配線溝１０３の底部の角にバリア膜１２０が堆積しにくくなる。このように、配線溝１０３の底部の角においてバリア膜１２０の膜厚が薄くなると、当該配線溝１０３の底部の角からＣｕ原子が絶縁膜１０２に拡散してしまうおそれがある。
【０００８】
配線溝１０３の底部の角において十分な膜厚を得るためには、バリア膜の全体的な膜厚を十分に厚くする必要がある。しかしながら、バリア膜の膜厚が厚くなると、その分、Ｃｕ配線の断面積が小さくなり、配線の抵抗が増大してしまうという新たな問題が生じる。なお、バリア膜に用いられる金属は、一般的にはＣｕよりも大きな抵抗値を有する金属が用いられるので、更に配線の高抵抗化を招く虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、配線抵抗を増大させることなく、バリア効果の高いバリア膜を形成できる金属膜成膜方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記課題を解決するために、本発明では、基板上にシリコン化合物を含む第１のガスを暴露し、シリコン含有薄膜を形成する工程と、シリコン含有薄膜上に窒素、及び金属を含む第２のガスを暴露し、ケイ化窒化金属膜を形成する工程とを備える、金属膜成膜方法を提供する。本発明によりケイ化窒化金属膜を形成すると、先にシリコン含有薄膜を基板上に堆積し、そこに窒素、及び金属を含むガスを供給しているため、シリコン化合物を含む第１のガスとケイ化窒化金属膜中の金属を含む第２のガスとが気相中で直接混合されるのを防ぐことが出来る。その結果、ケイ化窒化金属膜の形成を堆積膜面上で行うことが出来るため、これらのガスが気相中で反応し、気相中でケイ化チッ化金属化合物が形成されて被堆積面上に降り注ぐ現象を防ぐことが出来る。つまり、気相中で形成されたケイ化窒化金属化合物が原因となるパーティクルの発生を防ぐことにより、比較的均質な膜を形成し、カバレッジのよいケイ化窒化金属膜を形成することが出来る。
【００１１】
また、上記のようにして形成されたケイ化窒化金属膜は、絶縁膜内に形成される金属配線において、金属配線中の金属原子が絶縁膜に拡散するのを防止するためのバリア膜として用いられる。特にＴａＮ膜と比較してケイ化窒化金属膜はアモルファス構造を取りやすいため、薄膜化した場合においても図１６に示すような薄膜を貫通するような大きな結晶粒界が発生しにくい。したがって、このようなケイ化窒化金属膜を、バリア膜として用いれば、薄膜の状態でも十分にバリア膜としての機能を果たすことができ、絶縁膜中に形成された金属配線の断面積を大きくすることができる。その結果、金属配線の低抵抗化を図ることが可能となる。
【００１２】
上記第１のガスは、一例としてシラン系のガスが用いられ、第２のガスは、一例としてとしてケイ化窒化金属膜中の金属および窒素を含む金属化合物のガスが用いられる。第１のガスとしてシラン系のガスを用いた場合、ケイ化窒化金属膜の中間生成物として形成される薄膜は、典型的には、アモルファスシリコン膜である。このアモルファスシリコン膜の膜厚は、バリア膜としての機能を示すのに必要な最小膜厚であるシリコン原子１原子以上で配線抵抗上昇を抑えたバリア膜厚の範囲内、０．２〜２ｎｍであることが好ましい。
【００１３】
上記ケイ化窒化金属膜の一例としては、ケイ化窒化タンタルが挙げられる。この場合、第２のガスを構成する金属化合物は、一例としてアミノタンタル化合物が用いられる。
【００１４】
また、第１のガスとして、シラン系のガスとアンモニアとの混合ガスを用いてもよい。この場合、ケイ化窒化金属膜の中間生成物として形成される薄膜は、シリコン窒化膜である。
【００１５】
ステップケイ化窒化金属膜を形成する工程は、金属を含むガス中に基板を暴露した後、当該基板に対して窒化処理を行うようにしてもよい。ケイ化窒化金属膜を形成する工程を２工程で行うことにより、ケイ化金属膜の形成後、ケイ化窒化金属膜が形成される。
【００１６】
また、本発明の他の局面では、基板上に金属を含む第１のガスを暴露し、金属含有薄膜を形成し、金属含有薄膜上にシリコン化合物を含む第２のガスを暴露し、ケイ化窒化金属膜を形成するようしている。このような成膜工程を採用しても、ケイ化窒化金属膜中の金属を含む第１のガスとシリコン化合物を含む第２のガスとが気相中で直接混合されるのを回避することができる。
【００１７】
上記他の局面では、第１のガスは、金属および窒素を含む有機金属化合物のガスが用いられ、第２のガスは、一例としてシラン系のガスが用いられる。第１のガスとして上記有機金属化合物のガスを用いた場合、ケイ化窒化金属膜の中間生成物として形成される薄膜は、ケイ化窒化金属中の金属窒化物の薄膜である。
【００１８】
また、上記他の局面において、第２のガスとしてシラン系のガスとアンモニアとの混合ガスが用いてもよい。この場合、第２のガスを暴露したときに、金属膜のケイ化および窒化を同時に行うことができ、ケイ化窒化金属膜を得ることができる。
【００１９】
なお、本発明の成膜を行う際に、第１のガスによる金属含有薄膜形成処理と第２のガスによるケイ化窒化金属膜形成処理とを、成膜装置の同一のチャンバー内で行ってもよいし、異なるチャンバー内で行ってもよい。前者の場合、第１のガスによる薄膜の形成が終了した後に、第１のガスをチャンバー内から完全に排気し、その後、第２のガスをチャンバー内に導入する必要がある。これによって、第１のガスと第２のガスとが気相中で混合されることを防ぐことが出来る。後者の場合は、第１のガスと第２のガスとは気相中で混合されないので、前者の場合のように必ずしも排気処理を行う必要はない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る金属配線形成方法について図面を参照しながら説明する。本実施形態では、シリコンの半導体基板上に形成された絶縁膜にシングルダマシン構造のＣｕ配線およびＴａＳｉＮのバリア膜を形成している。ここで、図１〜９は、本発明の第１の実施形態に係る金属配線形成方法における各工程での半導体装置の断面構造を示している。
【００２１】
本実施形態に係る金属配線形成方法では、図１に示すように、まず、シリコンの半導体基板１の表面上に酸化シリコンの絶縁膜２を形成する。当該酸化シリコンの絶縁膜２は、例えば、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成される。
【００２２】
次に、リソグラフィーにより、上記絶縁膜２上に配線パターン（図示せず）を形成する。配線パターンを形成した後、絶縁膜２に対してエッチング処理を行い、絶縁膜２のマスクされていない部分をエッチング除去する。この後、アッシング処理によりレジストの残渣を除去する。これにより、図２に示すように、半導体装置の絶縁膜２には、配線溝３が形成される。
【００２３】
次に、図３に示すように、熱ＣＶＤ法により、絶縁膜２および配線溝３上に、アモルファスのＳｉ膜４を形成する。具体的には、半導体基板１を約４００℃に加熱した状態で、絶縁膜２および配線溝３の表面を、シラン系ガスを含んだガス雰囲気中に暴露する。これにより、シラン系ガスが、絶縁膜２および配線溝３の表面で熱分解し、当該絶縁膜２および配線溝３上には、Ｓｉ膜４が形成される。なお、Ｓｉ膜４の膜厚が、バリア膜としての機能を示すのに必要な最小膜厚であるシリコン原子１原子以上で配線抵抗上昇を抑えたバリア膜厚の範囲内、０．２〜２ｎｍ（より好ましくは、０．５ｎｍ程度）となるように、成膜装置のチャンバー（図示せず）内の圧力や暴露時間等の暴露条件が調節される。例えば、上記シラン系ガスが、モノシランである場合には、当該シラン系ガスの上記チャンバー内における分圧が３Ｐａ程度になるように流入量が調節される。
【００２４】
ここで、Ｓｉ膜４の膜厚の設定について説明する。Ｓｉ膜４は、後続工程においてエチルアミノタンタル（化学式：Ｔａ（Ｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_２）_５）に暴露されて、化学反応を生じて、アモルファス構造を有するＴａＳｉＮ膜に変化する。このアモルファス構造は、図１６に示すような結晶粒界が存在しにくいため、結晶粒界を通って原子が拡散する現象が起こりにくく、多結晶膜よりも拡散防止能力が高くなる。ここで、Ｓｉ膜４の膜厚が薄すぎると、ＴａＳｉＮ膜に含まれるＳｉ原子の濃度が低下して、ＴａＳｉＮ膜のアモルファス化が妨げられる。ここで、Ｓｉ原子の濃度がＴａＳｉＮ膜のアモルファス状態に影響を与えるのは、Ｓｉ−Ｎ結合がＴａ原子とＮ原子の結合より強いためである。具体的には、Ｔａ原子とＮ原子は規則的な配列を形成し結晶化しやすいが、ここにＳｉ原子が存在すると、Ｎ原子はＳｉ原子に引き寄せされる。その結果、強いＳｉ−Ｎ結合によってＴａ−Ｎ結合の形成が妨げられ、Ｔａ原子とＮ原子からなる結晶が形成されにくいため、逆にアモルファス状態が形成されやすくなる。従って、Ｓｉ膜４の膜厚は、少なくとも単原子層を形成できる膜厚が必要である。例えばＳｉ膜４の膜厚が単原子層（０．２ｎｍ）程度である場合、Ｓｉ膜の全部がＴａＮ膜中に取り込まれ、ＴａＳｉＮ膜中のＳｉ濃度は低いがＴａ−Ｎ結合よりＳｉ−Ｎ結合が優勢となるため、Ｓｉ濃度分布がほぼ一様なアモルファス状態の膜を形成することが出来る。一方、Ｓｉ膜４の膜厚が厚すぎると、エチルアミノタンタルに暴露した場合において、未反応のＳｉ膜４が残留してしまい、Ｓｉ濃度分布の均一性が大きく低下する。その結果、膜中にアモルファス部分とＳｉ原子層部分の大きく２種類が存在し、Ｓｉ原子層部分は結晶粒界が発生しやすくなるため、拡散防止能力が低下する。以上の理由から、Ｓｉ膜４の膜厚は、０．２ｎｍ（単原子層）〜２ｎｍの範囲であることが好ましい。Ｓｉ膜４の形成が完了すると、成膜装置のチャンバー内のガスを、全て排気する。
【００２５】
次に、図４に示すように、アモルファスのＳｉ膜４に対してＴａおよびＮを添加して、ＴａＳｉＮ膜５を形成する。具体的には、半導体基板１を約４００℃に加熱した状態で、Ｓｉ膜４の表面を、エチルアミノタンタルガスを含有するガス雰囲気中に暴露する。これにより、エチルアミノタンタルガスとＳｉ膜４のＳｉ原子とが、化学式（１）に示すような反応を起こす。その結果、Ｓｉ膜４は、ＴａＳｉＮ膜５に変性する。なお、このときにＴａＳｉＮ膜５と共に生成されるＳｉ（Ｃ_２Ｈ_５）_４および（Ｃ_２Ｈ_５）_２ＮＨは、副生成ガスとして、成膜装置のチャンバー外へと排気される。
【００２６】
【化１】

【００２７】
なお、化学式（１）中のｘ、ｙ、ｚは、自然数である。
【００２８】
上記エチルアミノタンタルガスの暴露時における成膜装置のチャンバー内の圧力や暴露時間等の暴露条件を、ＴａＳｉＮ膜５の膜厚が０．５〜５ｎｍ、より好ましくは２．５ｎｍ程度となるように調節する。具体的には、エチルアミノタンタルガスのチャンバー内における分圧が、１Ｐａ程度となるように流量を調節する。
【００２９】
ここで、ＴａＳｉＮ膜５の膜厚について説明する。ＴａＳｉＮ膜５を形成するためのＳｉ膜の膜厚は、少なくとも単原子層分（上記より０．２ｎｍ）は必要であり、それにＴａとＮのガスを供給して形成された膜の膜厚の最小値は０．５ｎｍである。一方、ＴａＳｉＮ膜５を形成するためのＳｉ膜の膜厚は、厚すぎるとＳｉ原子分布の均一性が低下するため、Ｓｉ膜厚は上記より２ｎｍ以下が望ましい。このＳｉ膜にＴａとＮを含有するガスを供給すると、５ｎｍ程度になる。ＴａＳｉＮ膜中のＳｉ濃度分布の均一性を向上させ、かつバリア膜としての拡散防止能力を向上させるためには、ＴａＳｉＮ膜５の膜厚は、０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲であることが好ましい。ＴａＳｉＮ膜５の形成が完了すると、成膜装置のチャンバー内のガスを全て排気する。
【００３０】
次に、図３および図４に示す処理と同じ処理をもう一度行って、ＴａＳｉＮ膜５上にＴａＳｉＮ膜をさらに形成する。具体的には、図５に示すように、ＴａＳｉＮ膜５上にアモルファスのＳｉ膜６を形成し、図６に示すように、当該アモルファスのＳｉ膜６をＴａＳｉＮ膜７に変化させる。すなわち、図５に示す処理は、図３に示す処理と同じ処理であり、図６に示す処理は、図４に示す処理と同じ処理である。以上で、バリア膜であるＴａＳｉＮ膜５および７の成膜処理が完了する。
【００３１】
ＴａＳｉＮ膜５および７の成膜処理が完了すると、ＴａＳｉＮ膜７の表面に対して、ＰＶＤ法を用いて、Ｃｕ膜８を形成する。その後、当該Ｃｕ膜８に対してメッキ処理用の電極（図示せず）を取り付けて、Ｃｕ膜９を、当該Ｃｕ膜８表面上にメッキ法により形成する。これにより、半導体装置は、図７に示すように、その表面がＣｕ膜９に覆われる。
【００３２】
次に、配線溝３からはみ出したＴａＳｉＮ膜５、ＴａＳｉＮ膜７、Ｃｕ膜８およびＣｕ膜９を、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）により除去する。これにより、図８に示すような配線層１０を、絶縁膜２の配線溝３の内部に形成できる。
【００３３】
最後に、図９に示すように、絶縁膜２および配線層１０の表面に、シリコン窒化膜１１を、例えばＣＶＤ法を用いて形成する。以上の工程を経て、Ｃｕ配線がＴａＳｉＮ膜５および７によりバリアされた構造を有する半導体装置が完成する。
【００３４】
以上のように、本実施形態に係る金属配線形成方法では、Ｓｉ膜を先に堆積し、そこにＴａとＮを含有するガスを供給することによりアモルファス構造を有するバリア膜（ＴａＳｉＮ膜）を形成する。その結果、当該バリア膜を貫通するような大きな結晶粒界が発生しにくく、膜厚が薄く、かつＣｕ原子の拡散を有効に防止することができるバリア膜を提供することが出来る。なお、ＴａＳｉＮ膜中のＳｉ−Ｎ結合はＴａ−Ｎ結合より強いため、Ｃｕ原子はＴａＳｉＮ膜中を移動しにくく、結晶化していない状態のＴａＮ膜と比較しても、Ｃｕ原子の拡散防止能力が高い。
【００３５】
また、本実施形態に係る金属配線形成方法では、ＰＶＤ法よりも段差被覆性に優れているＣＶＤ法の利点を利用してＴａＳｉＮ膜を形成しているので、従来の金属配線形成方法と比較して、カバレッジが良好な状態でＴａＳｉＮ膜を配線溝表面に形成することが可能となる。その結果、バリア膜の薄膜化を実現でき、金属配線の低抵抗化を図ることが可能となる。具体的には、配線幅１５０ｎｍ、配線深さ２５０ｎｍおよびバリア膜厚１０ｎｍの形状を有する配線において、１ｍｍ長当りの当該配線の抵抗値は、従来のＰＶＤ法で形成した場合には６．６７ＭΩであるのに対して、本実施形態の成膜方法で形成した場合には５．８３ＭΩとなる。
【００３６】
また、本実施形態に係る金属配線形成方法は、ＰＶＤ法によるＴａＳｉＮ膜の形成を、単に従来から周知のＣＶＤ法に置換したものではない。すなわち、本実施形態では、ＴａＳｉＮ膜を形成するにあたり、まず中間生成物としてのＳｉ膜をシラン系ガスを用いたＣＶＤ法で形成し、その後、このＳｉ膜をエチルアミノタンタルガスに暴露してＴａＳｉＮ膜に変化させる処理を行っている。このような複合処理による成膜は、全く新規なものであり、ここでは、この新規な成膜方法を「複合ＣＶＤ法」と呼ぶことにする。このような複合ＣＶＤ法を採用することにより、従来のＣＶＤ法で成膜した際に生じるであろう種々の問題を回避するようにしている。
【００３７】
より詳細に説明すると、従来のＣＶＤ法では、有機タンタル化合物のガスとシラン系ガスとの混合ガスを用いて１工程でＴａＳｉＮ膜を形成することが一般的である。しかしながら、アミノタンタルガスとシラン系ガスとは、非常に高い反応性を有する。そのため、以下に掲げるような２つの問題が存在することを本願発明者は見出した。
【００３８】
第１の問題点は、アミノタンタル化合物のガスとシラン系ガスとが、気相中で反応し、これらの反応物のＴａＳｉＮのパーティクルが発生することである。当該ＴａＳｉＮのパーティクルは、ＴａＳｉＮ膜の形成に寄与できない程度の大きさを有するので、配線溝上に落下した場合には、異物となって、後続工程であるＣｕ膜の埋め込みを阻害し、配線構造の抵抗を増大させる原因となる。
【００３９】
第２の問題点は、本来、基板における表面反応で発生すべきＴａＳｉＮが、気相反応で発生して、半導体基板表面に到達することにより、ＣＶＤ法における最も重要な反応過程である表面反応律速が妨げられることである。このように表面反応律速が妨げられることは、バリア膜のカバレッジを低下させる。その結果、配線構造の抵抗を増大させる。
【００４０】
そこで、本願発明者は、ＴａＳｉＮ膜を形成するための全く新規な成膜方法（複合ＣＶＤ法）を考案した。すなわち、本実施形態のように複数工程に分けてバリア膜の成膜を行えば、シラン系ガスとアミノタンタルガスとを工程上分離して扱うことができ、両者が直接混合されないので、上記のような問題が発生しない。
【００４１】
なお、本実施形態では、ＴａＳｉＮ膜の形成にエチルアミノタンタルを用いているが、これに代えて、例えばアミノタンタル化合物のような窒素を含む有機タンタル化合物を用いてもよい。
【００４２】
なお、本実施形態では、シラン系ガスに半導体基板を暴露してＳｉ膜を形成した後に、エチルアミノタンタルガスに当該半導体基板を暴露してＳｉ膜をＴａＳｉＮ膜に変化させるものとしているが、ＴａＳｉＮ膜を形成する際の手順はこれに限らない。具体的には、エチルアミノタンタルガスに半導体基板を暴露することによりＴａＮ膜を形成した後に、シラン系ガスに当該半導体基板を暴露することによってＴａＳｉＮ膜に変化させてもよい。
【００４３】
なお、本実施形態では、図３に示すようにシラン系ガスに半導体基板を暴露してＳｉ膜を形成した後に、図４に示すようにエチルアミノタンタルガスに暴露してＳｉ膜をＴａＳｉＮ膜に変化させているが、ＴａＳｉＮ膜の成膜処理はこれに限らない。例えば、図３に示す処理の代わりに、シラン系ガスとアンモニアガスとを含有する混合ガス雰囲気中に半導体基板を暴露してシリコン窒化膜を形成した後に、図４に示す処理の代わりに、ＴａＢｒ_５を含有するガス雰囲気中に半導体基板を暴露してシリコン窒化膜をＴａＳｉＮ膜に変化させてもよい。また、ＴａＢｒ_５を含有するガス雰囲気中に半導体基板を暴露後、シラン系ガスとアンモニアガスとを含有する混合ガス雰囲気中に当該半導体基板を暴露してもよい。
【００４４】
なお、本実施形態では、シラン系ガスの暴露とエチルアミノタンタルガスの暴露とを、同一のチャンバー内で行うようにしたが、上記２つの暴露処理を異なるチャンバー内で行うようにしてもよい。この場合には、２つのガスが直接に混ざる可能性が完全になくなる。
【００４５】
なお、本実施形態では、シラン系ガスの暴露時の条件は、基板温度が約４００℃であり、分圧が約３Ｐａであるとしていたが、これらの条件をそれぞれ約４００℃および約１０Ｐａと設定してもよい。この場合、半導体基板上には、Ｓｉ膜の形成の代わりにシラン分子が物理吸着することになる。そして、当該シラン分子の物理吸着後に、エチルアミノタンタルガスを、分圧を約３Ｐａの条件で導入することによっても、ＴａＳｉＮ膜を形成できる。
【００４６】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る金属配線形成方法について図面を参照しながら説明する。当該第２の実施形態に係る金属配線形成方法は、第１の実施形態に係る金属配線形成方法とＴａＳｉＮ膜の成膜工程において相違点を有する。具体的には、第１の実施形態では、図３（または図５）におけるシラン系ガスの暴露処理と、図４（または図６）におけるエチルアミノタンタルガスの暴露処理との２工程によりＴａＳｉＮ膜５およびＴａＳｉＮ膜７を形成していたが、本実施形態では、図１０〜図１２に示される３工程を２回行うことによりＴａＳｉＮ膜５およびＴａＳｉＮ膜７を形成する（図１３）。なお、ＴａＳｉＮ膜５およびＴａＳｉＮ膜７の成膜工程以外の処理については、第２の実施形態は、第１の実施形態と同じである。以下に、本実施形態に係る金属配線形成方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４７】
まず、第１の実施形態と同様に、半導体基板１上に絶縁膜２を形成し（図１）、絶縁膜２に配線溝３を形成する（図２）。なお、これらの処理は、第１の実施形態と同様であるので、これ以上の詳細な説明を省略する。配線溝３の形成が完了すると、ＴａＳｉＮ膜の成膜処理を行う。
【００４８】
まず、図１０に示すように、絶縁膜２および配線溝３上にアモルファスのＳｉ膜４を形成する。なお、図１０に示す処理は、図３に示す処理と同じであるので、これ以上の詳細な説明を省略する。アモルファスのＳｉ膜４の形成が完了すると、成膜装置のチャンバー内のガスを全て排気する。
【００４９】
次に、図１１に示すように、絶縁膜２および配線溝３上のＳｉ膜４をＴａＳｉ膜３４に変化させる。具体的には、半導体基板１を加熱した状態で、アモルファスのＳｉ膜４の表面を、ＴａＢｒ５を含んだガス雰囲気中に暴露する。これにより、アモルファスのＳｉ膜４にＴａ原子を注入する。ＴａＳｉ膜３４への変化が完了すると、成膜装置のチャンバー内のガスを全て排気する。
【００５０】
次に、図１２に示すように、ＴａＳｉ膜３４を窒化処理することにより、ＴａＳｉ膜３４をＴａＳｉＮ膜５に変化させる。具体的には、半導体基板１を加熱した状態で、ＴａＳｉ膜３４をＮＨ_３ガス雰囲気中に暴露する。これにより、ＴａＳｉ膜３４にＮ原子を注入する。
【００５１】
図１０〜図１２に示すＴａＳｉＮ膜５の成膜処理が完了すると、図１０〜図１２に示す成膜処理と同じ成膜処理を、もう一度ずつ繰り返す。これにより、図１３に示すように、ＴａＳｉＮ膜５上にＴａＳｉＮ膜７がさらに形成される。
【００５２】
この後、第１の実施形態と同様に、図７〜９において説明した処理を施して、配線層１０およびシリコン窒化膜１１を形成する。以上の工程を経て、Ｃｕ配線がＴａＳｉＮ膜５および７によりバリアされた構造を有する半導体装置が完成する。
【００５３】
以上のように、本実施形態に係る金属配線形成方法では、第１の実施形態と同様に、ＴａＳｉＮのバリア膜を成膜するので、Ｃｕ原子の拡散防止能力が高いバリア膜を形成することが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態に係る金属配線形成方法では、第１の実施形態と同様に、部分的にＣＶＤ法を利用してＴａＳｉＮのバリア膜を形成するので、カバレッジが良好な状態でＴａＳｉＮ膜を配線溝表面に形成できる。その結果、バリア膜の薄膜化を実現でき、金属配線の低抵抗化を図ることが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態に係る金属配線形成方法では、ＴａＢｒ_５を含有するガスとシラン系ガスとを混合せずに別々に成膜装置のチャンバー内に導入する。そのため、ＴａＢｒ_５を含有するガスとシラン系ガスとが気相反応しないので、ＴａＳｉＮのパーティクルの発生や表面反応律速が妨げられることがない。そのため、本実施形態に係る金属配線配線形成方法では、第１の実施形態と同様に、カバレッジが良好な状態でＴａＳｉＮ膜を形成でき、配線構造の低抵抗化を図ることが可能となる。
【００５６】
なお、本実施形態では、ＴａＳｉ膜の窒化処理のために、ＮＨ_４ガス雰囲気中にＴａＳｉ膜を暴露しているが、これの代わりに窒素雰囲気中に暴露することによりＴａＳｉ膜に窒化処理を施してもよい。
【００５７】
なお、本実施形態では、シラン系ガスを含んだガスに半導体基板を暴露してＳｉ膜を形成した後に、ＴａＢｒ_５を含むガスに当該半導体基板を暴露してＳｉ膜をＴａＳｉ膜を変化させ、その後、当該ＴａＳｉ膜を窒化してＴａＳｉＮ膜を変化させているが、ＴａＳｉＮ膜を形成する際の手順はこれに限らない。具体的には、ＴａＢｒ_５を含むガスに半導体基板を暴露することにより、当該半導体基板上にＴａＢｒ_５の物理吸着層を形成した後に、シラン系ガスを含んだガスに当該半導体基板を暴露することによってＴａＢｒ_５の物理吸着層をＴａＳｉ膜に変化させ、その後、窒化処理によりＴａＳｉ膜をＴａＳｉＮ膜に変化させてもよい。
【００５８】
また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に複数のチャンバーにより成膜処理を行ってもよい。
【００５９】
なお、第１および第２の実施形態では、簡単のために配線溝を形成してその内部にバリア膜および銅膜を埋め込む「シングルダマシン法」について説明したが、配線溝とスルーホールとを形成してそれらの内部にバリア膜および銅膜を埋め込む「デュアルダマシン法」においても、本発明の金属配線形成方法を適用することが可能である。
【００６０】
また、第１および第２の実施形態では、Ｓｉ膜の形成にシラン系ガスを用ているが、このシラン系ガスは、モノシランのガスに限らず、例えば、ジシランやトリシランのようなシリコン化合物のガスであってもよい。
【００６１】
また、第１および第２の実施形態では、半導体装置の金属配線形成方法について説明しているが、本発明のＴａＳｉＮ膜の成膜方法は、大容量コンデンサーの製造や凹凸の激しい材料のコーティングといった他の分野においても適用が可能である。
【００６２】
また、第１および第２の実施形態では、ＴａＳｉＮ膜の成膜について説明しているが、本発明の金属配線形成方法は、ＴｉＳｉＮ膜、ＷＳｉＮ膜あるいはＭｏＳｉＮ膜といった他のケイ化窒化金属膜の成膜に対しても適用が可能である。
【００６３】
また、第１および第２の実施形態では、熱ＣＶＤ法によりＳｉ膜を形成するようにしたが、これに代えて、例えばプラズマＣＶＤ法等のその他のＣＶＤ法によってＳｉ膜を形成してもよい。
【００６４】
また、第１及び第２の実施形態では、ＴａＳｉＮ膜を２層形成しているが、当該ＴａＳｉＮ膜の層数はこれに限らない。すなわち、ＴａＳｉＮ膜の層数を必要に応じて増減してもよい。なお、これまでの実施形態では、Ｔａ化合物の暴露に先立ち、Ｓｉ化合物で表面を被覆する工程を備えているが、かわりに、ＳｉｘＮｙ化合物膜で表面を被覆する工程を備えていてもよい。ＳｉｘＮｙ化合物の例としては、アモルファス状のＳｉ膜に少量のＮをドープして形成したＳｉｘＮｙ膜が挙げられる。
【００６５】
また、本発明では、ＴａＳｉＮ膜の成膜工程に関して、多数のバリエーションが存在するため、各バリエーションでのＴａＳｉＮ膜形成時の使用ガス（第１および第２のガス）、中間生成物および窒化処理の有無の情報を図１４に示しておく。ここで、第１のガスとは、ＴａＳｉＮ膜の形成時に最初に暴露されるガスである。中間生成物とは、第１のガスが暴露されることにより、絶縁膜および配線溝上に形成される薄膜である。第２のガスは、中間生成物に対して暴露されるガスである。窒化処理は、窒化処理工程の有無を示す。
【００６６】
図１４において、（１）は、第１の実施形態で説明した金属配線形成方法での成膜工程を示している。（２）は、中間生成物がシラン系分子の物理吸着層である金属配線形成方法における成膜工程を示しており、第１の実施形態のなお書きにおいて説明したものである。（３）は、（１）の第１のガスと第２のガスとを入れ替えた金属配線形成方法における成膜工程を示しており、第１の実施形態のなお書きにおいて説明したものである。（４）は、中間生成物としてシリコン窒化膜を形成する金属配線形成方法における成膜工程を示しており、第１の実施形態のなお書きで説明したものである。（５）は、（４）の第１のガスと第２のガスとを入れ替えた金属配線形成方法における成膜工程を示しており、第１の実施形態のなお書きで説明したものである。（６）は、第２の実施形態において説明した３段階の工程によりＴａＳｉＮ膜を形成する工程を示している。（７）は、（６）の第１のガスと第２のガスとを入れ替えた成膜工程を示しており、第２の実施形態のなお書きで説明したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、半導体基板上に絶縁膜が形成されたときの半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、配線溝が形成されたときの半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、Ｓｉ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、ＴａＳｉＮ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、Ｓｉ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、ＴａＳｉＮ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、Ｃｕ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、配線領域が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る金属膜成膜方法において、シリコン窒化膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る金属膜成膜方法において、属膜成膜方法において、Ｓｉ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る金属膜成膜方法において、ＴａＳｉ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る金属膜成膜方法において、ＴａＳｉＮ膜が形成されるときの半導体装置の断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る金属膜成膜方法において、ＴａＳｉＮ膜が形成されたときの半導体装置の断面図である。
【図１４】本発明の金属膜成膜方法の各バリエーションで用いられるガス等の情報を示した図である。
【図１５】従来の金属膜成膜方法により作成された半導体装置の断面図である。
【図１６】ＴａＮ膜の拡大図である。
【図１７】従来の金属膜成膜方法における工程断面図である。
【符号の説明】
１半導体基板
２絶縁膜
３配線溝
４、６Ｓｉ膜
５、７ＴａＳｉＮ膜
８、９Ｃｕ膜
１０配線層
１１シリコン窒化膜
３４ＴａＳｉ膜

Claims

基板上にシリコン化合物を含む第１のガスを暴露し、シリコン含有薄膜を形成する工程と、
前記シリコン含有薄膜上に金属を含む第２のガスを暴露し、ケイ化窒化金属膜を形成する工程とを備える、金属膜成膜方法。
前記第１のガスは、シラン系のガスであり、
前記第２のガスは、窒素及び金属を含む金属化合物からなることを特徴とする、請求項１に記載の金属膜成膜方法。
前記シリコン含有薄膜は、アモルファスシリコン膜であることを特徴とする、請求項２に記載の金属膜成膜方法。
前記アモルファスシリコン膜の膜厚は、０．２〜２ｎｍであることを特徴とする、請求項３に記載の金属膜成膜方法。
前記ケイ化窒化金属は、ケイ化窒化タンタルであり、
前記有機金属化合物は、アミノタンタル化合物であることを特徴とする、請求項２に記載の金属膜成膜方法。
前記ケイ化窒化金属膜を形成する工程は、
前記シリコン含有薄膜上に前記金属を含むガスを暴露する工程と、
前記金属を含むガスを暴露する工程後、前記金属を含むガスを暴露した膜表面に、窒化処理を行う工程とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の金属膜成膜方法。
前記第１のガスは、シラン系のガスとアンモニアとの混合ガスである、請求項１に記載の金属膜成膜方法。
基板上に金属を含む第１のガスを暴露し、金属含有薄膜を形成する工程と、
前記金属含有薄膜上にシリコン化合物を含む第２のガスを暴露し、ケイ化窒化金属膜を形成する工程とを備える、金属膜成膜方法。
前記第１のガスは、前記金属および窒素を含む金属化合物からなるガスであり、
前記第２のガスは、シラン系のガスであることを特徴とする、請求項８に記載の金属膜成膜方法。
前記第２のガスは、シラン系のガスとアンモニアとの混合ガスであることを特徴とする、請求項８に記載の金属膜成膜方法。
前記ケイ化窒化金属膜を形成する工程は、
前記金属含有薄膜上にシラン系のガスを暴露する工程と、
前記シラン系のガスを暴露する工程後、前記シラン系ガスを暴露した膜表面に窒化処理を行う工程とを含むことを特徴とする、請求項８に記載の金属膜成膜方法。
前記金属含有薄膜を形成する工程の終了後、前記第１のガスを成膜装置のチャンバー内から排気した後に前記ケイ化窒化金属膜を形成する工程を実行することを特徴とする、請求項８に記載の金属膜成膜方法。
前記金属含有薄膜を形成する工程および前記ケイ化窒化金属膜を形成する工程は、それぞれ異なる成膜装置のチャンバー内で行われることを特徴とする、請求項８に記載の金属膜成膜方法。
絶縁膜中に金属配線を形成する方法であって、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部に金属を含む第１のガスを暴露して、金属含有薄膜を形成する工程と、
前記金属含有薄膜にシリコン化合物を含む第２のガスを暴露して、ケイ化窒化金属膜を形成する工程と、
前記ケイ化窒化金属膜が形成された凹部上に導電膜を埋め込む工程と、
前記凹部からはみ出した導電膜を除去する工程とを備える、配線形成方法。
前記導電膜は、銅もしくは銅を主成分とする合金からなることを特徴とする、請求項１４に記載の配線形成方法。
絶縁膜中に金属配線を形成する方法であって、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部にシリコン化合物を含む第１のガスを暴露して、シリコン含有薄膜を形成する工程と、
前記シリコン含有薄膜に金属を含む第２のガスを暴露して、ケイ化窒化金属膜を形成する工程と、
前記ケイ化窒化金属膜が形成された凹部上に導電膜を埋め込む工程と、
前記凹部からはみ出した導電膜を除去する工程とを備える、配線形成方法。