JP2005123281A

JP2005123281A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005123281A
Application number: JP2003354493A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Otsuka; 信幸大塚; Akira Furuya; 晃古谷
Original assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Current assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】拡散防止膜と金属膜の密着性を向上させることができる半導体装置の製造方法を得る。
【解決手段】半導体基板上に金属の窒化物からなる拡散防止膜を気相成膜法により形成する工程と、拡散防止膜上に金属又は金属の化合物からなる金属接着膜を気相成膜法により形成する工程と、金属接着膜上に金属又は金属の化合物からなる金属膜を形成する工程とを有し、金属接着膜として、金属膜との密着性が、拡散防止膜と金属膜の密着性よりも高い膜を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、拡散防止膜上に金属膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法に関し、拡散防止膜と金属膜の密着性を向上させることができる半導体装置の製造方法に関する。

低抵抗で高いエレクトロマイグレーション耐性を有するＣｕ配線は、高集積化し微細化されたＬＳＩ配線用の高信頼性材料として期待されている。ここで、Ｃｕ配線からＣｕが半導体基板に拡散するのを防ぐため、拡散防止膜が形成される（例えば、特許文献１参照）。この拡散防止膜はＣｕに比べて高抵抗であるため、その薄膜化が求められている。

ここで、極薄膜の拡散防止膜を成膜するために検討されている手法として、原子層成膜（Atomic Layer Deposition: ALD）法がある。この手法は、気相成膜法の一種であり、原料ガスを交互に供給し、原子層レベルでの成膜を行うものである。
特開２００２−５０５８８号公報

従来の半導体装置の製造方法では、ＴａＮなどの金属の窒化物からなる拡散防止膜を気相成膜法により形成する際、濃度制御が困難であるため、窒素濃度が高くなり、Ｃｕ膜との密着性が悪くなるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、拡散防止膜と金属膜の密着性を向上させることができる半導体装置の製造方法を得るものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に金属の窒化物からなる拡散防止膜を気相成膜法により形成する工程と、拡散防止膜上に金属又は金属の化合物からなる金属接着膜を気相成膜法により形成する工程と、金属接着膜上に金属又は金属の化合物からなる金属膜を形成する工程とを有し、金属接着膜として、金属膜との密着性が、拡散防止膜よりも高い膜を用いる。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、拡散防止膜と金属膜の密着性を向上させることができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を図１を参照しながら説明する。まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉからなる半導体基板１１上に、金属の窒化物からなる拡散防止膜であるＴａＮ膜１２を気相成長法の一種である原子層成膜法により形成する。この際に、減圧ＣＶＤ装置を用い、成膜温度を２５０℃として、金属原料ガスと窒素原料ガスを交互に供給する。そして、金属原料ガスとしてＰＤＥＡＴ（ペンタキスジエチルアミノタンタル）を用い、窒素原料ガスとしてＮＨ_３を用いる。また、ＴａＮはＣｕに比べて電気抵抗が高いため、ＴａＮ膜１２の膜厚は３ｎｍ以下とする。

ここで、原子層成膜法における原料ガス及びパージガスの供給のタイミングを図２に示し、原子層成膜法によるＴａＮ膜の成膜の様子を図３に示す。原子層成膜法によるＴａＮ膜１２の形成において、まず、Ｔａ原料ガスであるＰＤＥＡＴを１秒間供給する。これにより、図３（ａ）に示すように、半導体基板１１の表面にＴａ原料２１が吸着する。ただし、セルフリミッティング効果により、ある一定量以上は吸着しない。次に、図３（ｂ）に示すように、Ａｒ，Ｈ_２等によるパージを１秒間行う。その後、ＮＨ_３を２秒間供給することで、図３（ｃ）に示すように、原子層レベルのＴａＮ膜２２が形成される。最後にＡｒ，Ｈ_２等によるパージを１秒間行う。この一連の作業を１サイクルとして、３０サイクル繰り返すことでＴａＮ膜１２を成膜する。

次に、ＰＤＥＡＴのみを５秒間供給し、ＴａＮ膜１２上に金属接着膜としてＴａ膜１３を気相成膜法により形成する。なお、このＴａ膜１３の膜厚は１ｎｍ以下とする。

そして、この基板を真空搬送してスパッタ用の装置に移し、Ｔａ膜１３上に、金属膜であるＣｕ膜１４をスパッタ法により１０ｎｍ形成する。なお、金属膜としてＣｕ合金膜を用いてもよい。

以上の工程により得られた半導体装置をＡｒ雰囲気中、４００℃、３０分間という条件でアニールした後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察を行ったところ、Ｃｕ膜１４の凝集は観察されなかった。一方、ＴａＮ膜１２形成後にＰＤＥＡＴのみを供給しなかった場合は、同様のアニールにより、Ｃｕ膜の凝集が観測された。このことから、ＴａＮ膜１２形成後にＰＤＥＡＴのみを供給することにより、ＴａＮ膜１２上へＴａ膜１３が形成され、ＴａＮに比べてＴａはＣｕとの密着性が良いため、ＴａＮ膜１２とＣｕ膜１４の密着性が向上したことが分かる。

よって、金属接着膜として、金属膜との密着性が拡散防止膜よりも高い膜を用いることにより、拡散防止膜と金属膜の密着性を向上させることができる。また、拡散防止膜を形成する際に金属原料ガスと窒素原料ガスを用い、金属接着膜を形成する際に金属原料ガスを用いることにより、拡散防止膜と金属接着膜を連続して形成することができる。そして、金属膜を金属配線として用いれば、配線の信頼性が向上し、高集積化したＵＬＳＩ配線を有するデバイス、特に、高信頼かつ微細なＣｕ配線を有するＵＬＳＩデバイスの信頼性が向上する。

実施の形態２．
本実施の形態２に係る半導体装置の製造方法では、ＴａＮ膜１２を形成した後、実施の形態１のようにＰＤＥＡＴを供給する代わりに、ＴＤＥＡＴ（テトラキスジエチルアミノチタン）を３秒間供給する。その他の構成は実施の形態１と同様である。これにより、ＴａＮ上に金属接着膜としてＴｉ膜を形成することができる。そして、ＴｉはＣｕとの密着性がＴａＮに比べて良いため、実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお、金属接着膜として、上記の例以外にも、金属又は金属の化合物からなり、金属膜との密着性が拡散防止膜よりも高い膜を用いることができる。例えば、拡散防止膜としてＴａＮ膜を用い、金属膜としてＣｕ膜又はＣｕ合金膜を用いる場合は、金属接着膜として、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ若しくはＮｉの何れか又はこれらの化合物からなる膜を用いることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。原子層成膜法における原料ガス及びパージガスの供給のタイミングを示す図である。原子層成膜法によるＴａＮ膜の成膜の様子を示す概略図である。

符号の説明

１１半導体基板
１２ＴａＮ膜（拡散防止膜）
１３Ｔａ膜（金属接着膜）
１４Ｃｕ膜（金属膜）

Claims

半導体基板上に金属の窒化物からなる拡散防止膜を気相成膜法により形成する工程と、
前記拡散防止膜上に金属又は金属の化合物からなる金属接着膜を気相成膜法により形成する工程と、
前記金属接着膜上に金属又は金属の化合物からなる金属膜を形成する工程とを有し、
前記金属接着膜として、前記金属膜との密着性が前記拡散防止膜よりも高い膜を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記拡散防止膜を形成する際に、金属原料ガスと窒素原料ガスを用い、
前記金属接着膜を形成する際に、前記金属原料ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記拡散防止膜を形成する際に、前記金属原料ガスと前記窒素原料ガスを交互に供給する原子層成膜法を用いる請求項２記載の半導体装置の製造方法。
前記拡散防止膜として、ＴａＮ膜を用い、
前記金属膜として、Ｃｕ膜又はＣｕ合金膜を用い、
前記金属接着膜として、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ若しくはＮｉの何れか又はこれらの化合物からなる膜を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。