JP2006241525A - Method for depositing tantalum nitride film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タンタル窒化物膜の形成方法に関し、特に、ＣＶＤ法に従って配線膜用のバリア膜として有用なタンタル窒化物膜を形成する方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a tantalum nitride film, and more particularly to a method for forming a tantalum nitride film useful as a barrier film for a wiring film according to a CVD method.
近年、半導体分野の薄膜製造技術において微細加工の要求が加速しており、それに伴い様々な問題が生じている。 In recent years, demands for microfabrication have been accelerated in thin film manufacturing technology in the semiconductor field, and various problems have arisen accordingly.
半導体デバイスにおける薄膜配線加工を例にあげれば、配線材料としては、抵抗率が小さい等の理由から銅の使用が主流化している。しかし、銅は、エッチングが困難であり、下地層の絶縁膜中に拡散しやすいという性質があるため、デバイスの信頼性が低下するという問題が生じている。 Taking thin film wiring processing in semiconductor devices as an example, the use of copper has become mainstream as a wiring material because of its low resistivity. However, copper is difficult to etch and has a property of easily diffusing into the insulating film of the underlying layer, which causes a problem that the reliability of the device is lowered.
この問題を解決するために、従来、多層配線構造における多層間接続孔の内壁表面にＣＶＤ法等で金属薄膜(すなわち、導電性のバリア膜)を形成し、その上に銅薄膜を形成して配線層とすることにより、銅薄膜と下地層のシリコン酸化膜等の絶縁膜とが直接接触しないようにして、銅の拡散を防いでいた(例えば、特許文献１参照)。 In order to solve this problem, conventionally, a metal thin film (that is, a conductive barrier film) is formed on the inner wall surface of the connection hole between the multilayers in the multilayer wiring structure by a CVD method or the like, and a copper thin film is formed thereon. By using the wiring layer, the copper thin film and the insulating film such as the silicon oxide film of the base layer are not in direct contact with each other, thereby preventing the diffusion of copper (for example, see Patent Document 1).
この場合、上記多層配線化やパターンの微細化に伴い、アスペクト比の高い微細なコンタクトホールやトレンチ等を、薄いバリア膜で、ステップカバレッジ良く埋め込むことが要求されている。
上記従来技術の場合、Ｃｕ配線膜との密着性を確保しながらバリア膜として有用な低抵抗のタンタル窒化物(ＴａＮ)膜をＣＶＤ法により形成することは困難であるという問題がある。この問題を解決するためには、原料ガス中のアルキル基等の有機基を切断除去してＣ含有量を減らし、かつ、ＴａとＮとの結合を切断してＴａ／Ｎ組成比を高くすることの可能な成膜プロセスを開発することが必要になる。 In the case of the above prior art, there is a problem that it is difficult to form a low-resistance tantalum nitride (TaN) film useful as a barrier film by CVD while ensuring adhesion with the Cu wiring film. In order to solve this problem, organic groups such as alkyl groups in the source gas are cut and removed to reduce the C content, and the bond between Ta and N is cut to increase the Ta / N composition ratio. It is necessary to develop a film forming process capable of this.
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、ＣＶＤ法に従って、Ｃ、Ｎ含有量が低く、Ｔａ／Ｎ組成比が高く、また、配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)との密着性が確保されたバリア膜として有用な低抵抗タンタル窒化物膜を形成する方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art. According to the CVD method, the C and N content is low, the Ta / N composition ratio is high, and a wiring film (for example, Cu wiring) It is an object of the present invention to provide a method for forming a low resistance tantalum nitride film useful as a barrier film in which adhesion to the film is ensured.
本発明のタンタル窒化物膜の形成方法は、ＣＶＤ法に従って、成膜室に、タンタル元素(Ｔａ)の周りにＮ＝(Ｒ,Ｒ')(Ｒ及びＲ'は、炭素原子数１〜６個のアルキル基を示し、それぞれが同じ基であっても異なった基であってもよい)が配位した配位化合物からなる原料ガス及びハロゲンガスを同時に導入して、基板上でＴａＮｘ(Ｈａｌ)ｙ(Ｒ,Ｒ')ｚ化合物(式中、Ｈａｌは、ハロゲン原子を表す)からなるハロゲン化化合物膜を形成し、次いでＨ原子含有ガスを導入して前記ハロゲン化化合物膜中のＴａに結合したＮを切断削除し、かつ、Ｎに結合しているハロゲン原子やＲ(Ｒ')基を切断除去し、タンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することを特徴とする。上記配位化合物中の炭素原子数が６を超えると、炭素が膜中に多く残存するという問題がある。 According to the tantalum nitride film forming method of the present invention, N = (R, R ′) (where R and R ′ are from 1 to 6 carbon atoms) around the tantalum element (Ta) in accordance with the CVD method. A source gas consisting of a coordination compound coordinated with each other, which may be the same group or different groups) and a halogen gas, and TaN x ( Hal) y (R, R ′) z compound (wherein Hal represents a halogen atom) is formed, and then a H atom-containing gas is introduced to form Ta in the halogenated compound film. The N atom bonded to is cut and deleted, and the halogen atom and R (R ′) group bonded to N are cut and removed to form a tantalum-rich tantalum nitride film. When the number of carbon atoms in the coordination compound exceeds 6, there is a problem that a large amount of carbon remains in the film.
前記Ｈ原子含有ガスは、成膜室内で、熱又はプラズマによりラジカルに変換され、このラジカルとハロゲン化化合物膜とを反応させてタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することを特徴とする。 The H atom-containing gas is converted into radicals by heat or plasma in the deposition chamber, and reacts with the radicals and the halogenated compound film to form a tantalum-rich tantalum nitride film.
前記構成によれば、得られた膜中のＣ、Ｎ含有量が減少し、Ｔａ／Ｎ組成比が増大し、また、配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)との密着性が確保されたバリア膜として有用な低抵抗タンタル窒化物膜を形成することができる。 According to the above configuration, the C and N contents in the obtained film are reduced, the Ta / N composition ratio is increased, and a barrier in which adhesion with a wiring film (for example, Cu wiring film) is ensured. A low-resistance tantalum nitride film useful as a film can be formed.
前記原料ガスは、ペンタジメチルアミノタンタル（ＰＤＭＡＴ）、tert-アミルイミドトリス(ジメチルアミド)タンタル（ＴＡＩＭＡＴＡ）、ペンタジエチルアミノタンタル（ＰＥＭＡＴ）、tert-ブチルイミドトリス（ジメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）、tert-ブチルイミドトリス（エチルメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＥＭＴ）、Ｔａ(Ｎ(ＣＨ３)２)３(ＮＣＨ３ＣＨ２)２（ＤＥＭＡＴ）、ＴａＸ５（Ｘ：塩素、臭素及びヨウ素から選ばれたハロゲン原子）から選ばれた少なくとも一種の配位化合物のガスであることが望ましい。 The source gases are pentadimethylamino tantalum (PDMAT), tert-amylimidotris (dimethylamido) tantalum (TAIMATA), pentadiethylaminotantalum (PEMAT), tert-butylimidotris (dimethylamido) tantalum (TBTDET), tert- Butylimidotris (ethylmethylamido) tantalum (TBTEMT), Ta (N (CH 3 ) 2 ) 3 (NCH 3 CH 2 ) 2 (DEMAT), TaX 5 (X: halogen atom selected from chlorine, bromine and iodine) It is desirable that the gas is at least one coordination compound gas selected from
前記ハロゲンガスが、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素から選ばれた少なくとも一種のガスであることが望ましい。このようなハロゲンガスを用いれば、上記ＴａＮｘ(Ｈａｌ)ｙ(Ｒ,Ｒ')ｚ化合物を生成することができる。 The halogen gas is desirably at least one gas selected from fluorine, chlorine, bromine and iodine. When such a halogen gas is used, the TaN x (Hal) y (R, R ′) z compound can be produced.
前記Ｈ原子含有ガスは、Ｈ２、ＮＨ３、ＳｉＨ４から選ばれた少なくとも一種のガスであることが望ましい。 The H atom-containing gas, H 2, NH 3, it is desirable that at least one gas selected from SiH 4.
前記タンタル窒化物膜の形成方法によれば、膜中のタンタルと窒素との組成比がＴａ／Ｎ≧２．０を満足するタンタルリッチの低抵抗の薄膜が得られる。 According to the method for forming the tantalum nitride film, a tantalum-rich low-resistance thin film can be obtained in which the composition ratio of tantalum and nitrogen in the film satisfies Ta / N ≧ 2.0.
本発明のタンタル窒化物膜の形成方法はまた、上記形成方法により得られたタンタル窒化物膜に対して、タンタルを主構成成分とするターゲットを用いるスパッタリングにより、タンタル粒子を入射させることを特徴とする。これにより、さらにタンタルリッチな、Ｔａ／Ｎ≧２．０を十分に満足するタンタル窒化物膜が形成され得る。 The tantalum nitride film forming method of the present invention is also characterized in that tantalum particles are incident on the tantalum nitride film obtained by the above-described forming method by sputtering using a target containing tantalum as a main constituent. To do. As a result, a tantalum-rich tantalum nitride film sufficiently satisfying Ta / N ≧ 2.0 can be formed.
前記スパッタリングは、ＤＣパワーとＲＦパワーとを調整して、ＤＣパワーが低く、かつ、ＲＦパワーが高くなるようにして行われることが望ましい。 The sputtering is preferably performed by adjusting the DC power and the RF power so that the DC power is low and the RF power is high.
本発明によれば、ＣＶＤ法に従って、低いＣ、Ｎ含有量、かつ、高いＴａ／Ｎ組成比を有し、配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)との密着性が確保されたバリア膜として有用な低抵抗のタンタル窒化物膜を形成することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is useful as a barrier film having a low C and N content, a high Ta / N composition ratio, and ensuring adhesion with a wiring film (for example, Cu wiring film) according to the CVD method. Such an effect that a low resistance tantalum nitride film can be formed.
また、本発明によれば、上記ＣＶＤ法により得られたタンタル窒化物膜に対して、スパッタ法等のＰＶＤ法によりタンタルを打ち込んで、さらにタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することができるという効果を奏する。 Further, according to the present invention, it is possible to form a tantalum-rich tantalum nitride film by implanting tantalum into the tantalum nitride film obtained by the CVD method by a PVD method such as sputtering. There is an effect.
さらに、本発明によれば、上記バリア膜上に、優れた密着性と平滑性とを併せ持って、配線膜を形成できという効果を奏する。 Furthermore, according to the present invention, there is an effect that a wiring film can be formed on the barrier film with excellent adhesion and smoothness.
本発明によれば、低いＣ、Ｎ含有量、高いＴａ／Ｎ組成比を有する低抵抗のタンタル窒化物膜は、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法に従って、成膜室である真空チャンバ内に載置された基板上で、上記タンタル含有配位化合物からなる原料ガスとハロゲンガスとを反応させることにより、ＴａＮｘ(Ｈａｌ)ｙ(Ｒ,Ｒ')ｚ化合物膜を形成させ、次いでこのハロゲン化化合物膜と、真空チャンバ内へ導入されたＨ原子含有ガスを熱やプラズマにより活性化して生成されたＨ２ガス又はＨＮ３ガス由来のＨラジカル、ＮＨ３ガス由来のＮＨｘラジカル等のラジカルとを反応させて得られる。 According to the present invention, a low resistance tantalum nitride film having a low C and N content and a high Ta / N composition ratio is formed in accordance with a CVD method such as a thermal CVD method or a plasma CVD method. A TaN x (Hal) y (R, R ′) z compound film is formed by reacting a source gas composed of the tantalum-containing coordination compound with a halogen gas on the substrate placed in the substrate, This halogenated compound film, H radicals derived from H 2 gas or HN 3 gas generated by activating the H atom-containing gas introduced into the vacuum chamber with heat or plasma, NH x radicals derived from NH 3 gas, etc. It can be obtained by reacting with the radical.
原料ガス、ハロゲンガス及びＨ原子含有ガスとしては、上記したものをそのまま導入しても、Ｎ２ガスやＡｒガス等の不活性ガスと共に導入してもよい。これらの反応体の量に関しては、ハロゲンガスは、原料ガスに対して、例えば、原料ガス５ｓｃｃｍに対して５ｓｃｃｍ程度以下の流量で用い、また、Ｈ原子含有化合物ガスは、原料ガスに対してハロゲンガスに比べて多量、例えば、原料ガス５ｓｃｃｍに対して１００〜１０００ｓｃｃｍ(Ｈ２換算）の流量で用いることが望ましい。 The source gas, halogen gas, and H atom-containing gas may be introduced as they are or may be introduced together with an inert gas such as N 2 gas or Ar gas. Regarding the amount of these reactants, the halogen gas is used at a flow rate of about 5 sccm or less with respect to the source gas, for example, about 5 sccm with respect to the source gas, and the H atom-containing compound gas is halogen with respect to the source gas. It is desirable to use a larger amount than the gas, for example, at a flow rate of 100 to 1000 sccm (H 2 conversion) with respect to 5 sccm of the source gas.
上記二つの反応の温度は、反応が生じる温度であればよく、例えば、原料ガスとハロゲンガスとのハロゲン化反応では、一般に３００℃以下、好ましくは１５０〜３００℃、また、このハロゲン化反応の生成物とラジカルとの反応では、一般に３００℃以下、好ましくは１５０〜３００℃である。真空チャンバ内の圧力は最初のハロゲン化反応の場合１〜１０Ｐａ、次の成膜反応の場合１〜１００Ｐａであることが望ましい。 The temperature of the above two reactions may be any temperature at which the reaction occurs. For example, in the halogenation reaction between the source gas and the halogen gas, generally 300 ° C. or less, preferably 150 to 300 ° C. In the reaction between the product and the radical, it is generally 300 ° C. or lower, preferably 150 to 300 ° C. The pressure in the vacuum chamber is preferably 1 to 10 Pa for the first halogenation reaction and 1 to 100 Pa for the next film formation reaction.
配位化合物は、上記したように、タンタル元素(Ｔａ)の周りにＮ＝(Ｒ,Ｒ')(Ｒ及びＲ'は、炭素原子数１〜６個のアルキル基を示し、それぞれが同じ基であっても異なった基であってもよい)が配位したものである。このアルキル基は、例えばメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル基であり、直鎖でも分岐したものでもよい。この配位化合物は、通常、Ｔａの周りに４つから５つのＮ−(Ｒ,Ｒ')が配位した化合物である。 As described above, in the coordination compound, N = (R, R ′) (R and R ′ represent an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms around the tantalum element (Ta), and each represents the same group. Or a different group) may be coordinated. This alkyl group is, for example, a methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl group, and may be linear or branched. This coordination compound is usually a compound in which 4 to 5 N- (R, R ′) are coordinated around Ta.
上記本発明の方法は、ＣＶＤ法に従って、成膜室である真空チャンバ内において、原料ガスとハロゲンガスとを導入してハロゲン化反応を行ってＴａＮｘ(Ｈａｌ)ｙ(Ｒ,Ｒ')ｚ化合物膜を基板上に形成し、次いで水素原子含有化合物ガスを導入して、熱又はプラズマにより生成されたラジカルと上記ハロゲン化生成物とを反応せしめて、タンタル窒化物膜を形成してもよいし、また、その後このプロセスを所望の回数繰り返してもよいし、或いはまた、上記ハロゲン化反応を所望の回数繰り返した後、ラジカルとの反応を行ってもよい。 According to the above-described method of the present invention, TaN x (Hal) y (R, R ′) z is performed by introducing a source gas and a halogen gas and performing a halogenation reaction in a vacuum chamber, which is a film forming chamber, according to the CVD method. A tantalum nitride film may be formed by forming a compound film on a substrate and then introducing a hydrogen-containing compound gas to react radicals generated by heat or plasma with the halogenated product. The process may then be repeated a desired number of times, or the halogenation reaction may be repeated a desired number of times before reacting with the radical.
本発明のタンタル窒化物の形成方法は、ＣＶＤ法を実施できる成膜装置であれば特に制約なく実施できる。例えば、図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置を使用して本発明方法を実施する場合の一実施の形態について、以下説明する。 The tantalum nitride forming method of the present invention can be carried out without any limitation as long as it is a film forming apparatus capable of performing the CVD method. For example, an embodiment in which the method of the present invention is carried out using the plasma CVD film forming apparatus shown in FIG. 1 will be described below.
図１に示すプラズマＣＶＤ装置は、成膜室である真空チャンバ１からなり、この真空チャンバの壁壁には真空排気系２が接続されており、真空チャンバの上方部には真空チャンバと絶縁した状態で電極３が配置されている。この電極３に接続された高周波電源４が真空チャンバ１の外部に配置されており、電極に高周波電力を印加し、真空チャンバ内にプラズマを発生させることができるように構成されている。真空チャンバ１内には、その下方部にヒータ等の加熱手段５を内蔵する基板載置用ステージ６が、その基板載置面を電極面と互いに平行して対向するように配設されている。
The plasma CVD apparatus shown in FIG. 1 includes a
電極３の内部には、ガス室７が設けられ、電極の基板載置用ステージ６に対向する面にはシャワーノズルとして機能する複数の孔８が開口され、この孔からガスを真空チャンバ内へ導入し、基板表面へ供給できるように構成されており、この電極はシャワープレートとして機能する。
A
ガス室７には、ガス導入系９の一端が接続され、このガス導入系の他端には原料ガスやハロゲンガスやＨ原子含有ガス等がそれぞれ充填された複数のガスボンベ(図示せず)が接続されている。この場合、ガス室７にガス導入系９が複数接続され、それぞれが、別個のガスボンベに接続されていてもよい。図示していないが、マスフローコントローラで各ガス流量を制御できるようになっている。
One end of a gas introduction system 9 is connected to the
原料ガスは、原料ガス充填ガスボンベを用いて導入することもできるが、その他に、上記タンタル含有有機金属化合物を加熱保温された容器内に収容し、バブリングガスとしてのＡｒ等の不活性ガスをマスフローコントローラー等を介して容器内に供給して原料を昇華させ、このバブリングガスと共に原料ガスを真空チャンバ内へ導入するようにしてもよいし、気化器等を介して気化された原料ガスを真空チャンバ内へ導入してもよい。 The source gas can be introduced using a source gas filling gas cylinder. In addition, the tantalum-containing organometallic compound is contained in a heated and heat-insulated container, and an inert gas such as Ar as a bubbling gas is mass-flowed. The raw material gas may be sublimated by supplying it into the container through a controller or the like, and the raw material gas may be introduced into the vacuum chamber together with the bubbling gas, or the raw material gas vaporized through the vaporizer or the like It may be introduced inside.
図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置を用い、本発明のタンタル窒化物形成方法を実施するプロセスの一実施の形態は、以下の通りである。 An embodiment of a process for implementing the tantalum nitride forming method of the present invention using the plasma CVD film forming apparatus shown in FIG. 1 is as follows.
まず、真空排気系２により、真空チャンバー１内を所定の圧力(例えば、１０−４〜１０−５Ｐａ)まで真空排気し、基板載置用ステージ６上に基板Ｓを載置した後、加熱手段５に通電して基板を所定の温度(例えば、１５０〜３００℃)に加熱する。次いで、ガス導入系９からガス室７へ原料ガスとハロゲンガスとを導入し、孔８から基板Ｓ表面に向かって供給する。この基板Ｓとしては、特に制限はないが、例えば、公知の下地密着層が絶縁層上に設けられたものであって、その表面が脱ガス等の前処理をしてあるものであってもよい。
First, the inside of the
真空チャンバ１内の圧力が所定の圧力で安定した後、高周波電源４から、周波数２７．１２ＭＨｚ、電力密度０．２Ｗ／ｃｍ２の高周波交流電圧を出力させる。この高周波電源からの交流電圧が電極３に印加されると、カソードとして機能するように構成されている電極３とアノードとして機能するように構成されている基板ホルダー６上に載置された基板Ｓ表面との間に原料ガスとハロゲンガスとのプラズマが発生する。このプラズマ中で原料ガス及びハロゲンガスのラジカルが生成され、基板Ｓ表面上でハロゲン化反応が起こり、ＴａＮｘ(Ｈａｌ)ｙＲｚ化合物膜が形成される。所定の膜厚を有するハロゲン化化合物膜が形成された後、高周波電源４の動作を停止し、原料ガスとハロゲンガスとの導入を停止する。
After the pressure in the
次いで、真空チャンバー１内へガス導入系９を介してＨ原子含有ガスを導入して活性化する。すなわち、上記したようにして、チャンバー内にプラズマを発生せしめ、このプラズマ中で発生したラジカルを、上記したようにして形成したハロゲン化化合物膜の表面に入射して反応せしめ、このハロゲン化化合物膜を分解し、膜中のＴａに結合したＮを切断除去し、かつ、残っているＮに結合したＲ(Ｒ')基を切断除去して、タンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成する。所定の膜厚を有するタンタル窒化物膜が形成されたら、高周波電源４の動作を停止し、Ｈ原子含有ガスの導入を停止し、基板Ｓを真空チャンバー１外へ搬出する。
Next, an H atom-containing gas is introduced into the
上記したようにして形成されたタンタル窒化物膜について、ＡＥＳによって分析したところ、Ｃ２％以下、Ｎ３３〜３５％、Ｔａ／Ｎ＝１．９〜２．０であり、比抵抗は４５０μΩ・ｃｍ以下であった。 The tantalum nitride film formed as described above was analyzed by AES. Met.
上記したように、プラズマＣＶＤ法では、ＮＨ３ガスやＨ含有ガス等の反応ガスがプラズマ中で活性化されるので、比較的低温でも薄膜を形成することができる。また、熱ＣＶＤ法によっても、公知のプロセス条件で上記と同じようにしてタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することができる。 As described above, in the plasma CVD method, a reactive gas such as NH 3 gas or H-containing gas is activated in the plasma, so that a thin film can be formed even at a relatively low temperature. A tantalum-rich tantalum nitride film can also be formed by a thermal CVD method in the same manner as described above under known process conditions.
上記したようにして所望の膜厚を有するタンタル窒化物膜が形成された基板に対して、例えば、公知のスパッタ成膜法に従って、Ａｒ等のスパッタリングガスを用い、ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記タンタル窒化物膜の表面に金属薄膜、すなわち配線膜側密着層(バリア膜側下地層)を形成させてもよい。 For example, according to a known sputtering film forming method, a sputtering gas such as Ar is applied to a substrate on which a tantalum nitride film having a desired film thickness is formed as described above, and a voltage is applied to the target to generate plasma. And a target is sputtered to form a metal thin film, that is, a wiring film side adhesion layer (barrier film side base layer) on the surface of the tantalum nitride film.
以上の工程を経て基板Ｓ上に積層膜が形成され、次いで、上記配線膜側密着層の上に、公知の方法により配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)を形成する。 A laminated film is formed on the substrate S through the above steps, and then a wiring film (for example, a Cu wiring film) is formed on the wiring film side adhesion layer by a known method.
ところで、本発明のタンタル窒化物形成方法では、このバリア膜が形成される前に、基板表面に吸着しているガス等の不純物を除去する公知の脱ガス処理を行うことが必要であり、また、この基板上にバリア膜を形成した後に、最終的に例えばＣｕからなる配線膜が形成される。そのため、この成膜装置を、真空排気可能な搬送室を介して、少なくとも脱ガス室及び配線膜形成室に接続して、基板が搬送用ロボットによって搬送室から成膜装置と脱ガス室と配線膜形成室との間を搬送できるように構成された複合型配線膜形成装置とすれば、前処理から配線膜形成までの一連の工程をこの装置で実施できる。 By the way, in the tantalum nitride forming method of the present invention, it is necessary to perform a known degassing treatment for removing impurities such as gas adsorbed on the substrate surface before the barrier film is formed. After forming the barrier film on the substrate, a wiring film made of Cu, for example, is finally formed. Therefore, the film forming apparatus is connected to at least the degassing chamber and the wiring film forming chamber via a transfer chamber that can be evacuated, and the substrate is transferred from the transfer chamber to the film forming apparatus, the degassing chamber, and the wiring by the transfer robot. If a composite wiring film forming apparatus configured to be able to transport between the film forming chambers, a series of steps from pretreatment to wiring film formation can be performed with this apparatus.
上記したようにして形成されたタンタル窒化物膜に対して、スパッタリング法等のＰＶＤ法によりタンタル粒子を打ち込んで、さらにタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することもできる。例えば、真空チャンバの上方で、基板ホルダーに対向する位置にターゲットが設置されている公知のスパッタリング装置を用いて実施できる。 A tantalum-rich tantalum nitride film can also be formed by implanting tantalum particles into the tantalum nitride film formed as described above by a PVD method such as sputtering. For example, it can be carried out by using a known sputtering apparatus in which a target is installed at a position facing the substrate holder above the vacuum chamber.
このようなスパッタリング装置の場合、ターゲットには、その表面をスパッタリングし、ターゲット構成物質の粒子を放出させるプラズマを発生させるための電圧印加装置が接続されている。ここで用いるターゲットは、上記原料ガスに含まれる金属の構成元素(Ｔａ)を主成分とするもので構成されており、また、電圧印加装置は、高周波発生装置と、ターゲットに接続された電極とから構成されている。スパッタリングガスは、公知の不活性ガス、例えばアルゴンガス、キセノンガス等であればよい。 In the case of such a sputtering apparatus, a voltage application apparatus is connected to the target for generating plasma for sputtering the surface of the target and releasing particles of the target constituent material. The target used here is composed mainly of a metal constituent element (Ta) contained in the source gas, and the voltage application device includes a high-frequency generator, an electrode connected to the target, It is composed of The sputtering gas may be a known inert gas such as argon gas or xenon gas.
上記のようにして得られたタンタル窒化物膜であるバリア膜の形成された基板Ｓをスパッタ室内に載置した後に、スパッタ室内へＡｒ等の不活性ガスを導入して放電させ、原料ガスの構成成分であるタンタルを主構成成分とするターゲットをスパッタリングし、基板上に形成された薄膜中にスパッタリング粒子であるタンタル粒子を入射させるようする。このように、スパッタリングによって、ターゲットから基板表面の薄膜中にタンタルを入射させることができるので、バリア膜中のタンタルの含有率をさらに増加せしめることができ、所望の低抵抗のタンタルリッチのタンタル窒化物膜を得ることができる。なお、原料ガスが有機タンタル化合物であるので、上記スパッタリングによって構成元素(タンタル)が基板の表面に入射することにより、分解が促進されてＣやＮ等の不純物がバリア膜からはじき出されて、不純物の少ない低抵抗のバリア膜を得ることができる。 After placing the substrate S on which the barrier film, which is a tantalum nitride film obtained as described above, is placed in the sputtering chamber, an inert gas such as Ar is introduced into the sputtering chamber and discharged, and the source gas A target having tantalum as a main component as a main component is sputtered so that tantalum particles as sputtering particles are incident on a thin film formed on the substrate. In this way, since tantalum can be incident from the target into the thin film on the substrate surface by sputtering, the tantalum content in the barrier film can be further increased, and the desired low resistance tantalum-rich tantalum nitride can be obtained. A material film can be obtained. Since the source gas is an organic tantalum compound, when the constituent element (tantalum) is incident on the surface of the substrate by the sputtering, decomposition is accelerated and impurities such as C and N are expelled from the barrier film. A low-resistance barrier film with a small amount can be obtained.
このスパッタリングは、タンタル粒子をタンタル窒化物膜中に打ち込んで、ＣやＮをスパッタ除去し、この膜の改質を行うために行われるのであって、タンタル膜を積層するのではないので、タンタル膜が形成されない条件、すなわちタンタル粒子によるエッチングができる条件で行うことが必要である。そのため、例えば、ＤＣパワーとＲＦパワーとを調整して、ＤＣパワーが低く、かつ、ＲＦパワーが高くなるようにする必要がある。例えば、ＤＣパワーを５ｋＷ以下に設定し、ＲＦパワーを高く、例えば４００〜８００Ｗとすることで、タンタル膜が形成されない条件が達成できる。ＲＦパワーはＤＣパワーに依存するので、ＤＣパワーとＲＦパワーを適宜調整することにより、膜の改質程度を調整できる。また、スパッタリング温度は、通常のスパッタリング温度でよく、例えばタンタル窒化物膜の形成温度と同一温度でよい。 This sputtering is performed to implant tantalum particles into a tantalum nitride film, to sputter and remove C and N, and to modify this film, not to stack a tantalum film. It is necessary to carry out under conditions that do not form a film, that is, conditions that allow etching with tantalum particles. Therefore, for example, it is necessary to adjust the DC power and the RF power so that the DC power is low and the RF power is high. For example, by setting the DC power to 5 kW or less and the RF power high, for example, 400 to 800 W, a condition in which a tantalum film is not formed can be achieved. Since the RF power depends on the DC power, the degree of film modification can be adjusted by appropriately adjusting the DC power and the RF power. The sputtering temperature may be a normal sputtering temperature, for example, the same temperature as the tantalum nitride film formation temperature.
上記したようにして所望の膜厚を有するバリア膜が形成された基板Ｓに対して、例えば、公知のスパッタ成膜法に従って、Ａｒ等のスパッタリングガスを導入し、電圧印加装置からターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記バリア膜の表面に金属薄膜、すなわち配線膜側密着層(バリア膜側下地層)を形成させてもよい。 A sputtering gas such as Ar is introduced into the substrate S on which the barrier film having a desired film thickness is formed as described above, for example, according to a known sputtering film forming method, and a voltage is applied from the voltage application device to the target. Plasma may be generated by application, and a target may be sputtered to form a metal thin film, that is, a wiring film side adhesion layer (barrier film side base layer) on the surface of the barrier film.
以上の工程を経て基板Ｓ上に積層膜が形成され、次いで、上記配線膜側密着層の上に、公知の方法で配線膜を形成する。 A laminated film is formed on the substrate S through the above steps, and then a wiring film is formed on the wiring film side adhesion layer by a known method.
図２は、図１に示す成膜装置を備えた複合型配線膜形成装置の構成図を模式的に示す。 FIG. 2 schematically shows a configuration diagram of a composite wiring film forming apparatus including the film forming apparatus shown in FIG.
この複合型配線膜形成装置１００は、前処理部１０１と成膜処理部１０３とこれらをつなぐ中継部１０２とから構成されている。いずれも、処理を行う前には、内部を真空雰囲気にしておく。
The composite wiring
まず、前処理部１０１では、搬入室１０１ａに配置された処理前基板を前処理部側搬出入ロボット１０１ｂによって脱ガス室１０１ｃに搬入する。この脱ガス室１０１ｃで処理前基板を加熱し、表面の水分等を蒸発させて脱ガス処理を行う。次に、この脱ガス処理された基板を搬出入ロボット１０１ｂによって還元処理室１０１ｄに搬入する。この還元処理室１０１ｄ内では、上記基板を加熱して水素ガス等の還元性ガスによって下層配線のメタル酸化物を除去するアニール処理を行う。
First, in the
アニール処理の終了後、搬出入ロボット１０１ｂによって還元処理室１０１ｄから上記基板を取り出し、中継部１０２に搬入する。搬入された基板は、中継部１０２で成膜処理部１０３の成膜処理部側搬出入ロボット１０３ａに受け渡される。
After the annealing process, the substrate is taken out from the
受け渡された上記基板は、搬出入ロボット１０３ａによって成膜室１０３ｂに搬入される。この成膜室１０３ｂは、上記成膜装置１に相当する。成膜室１０３ｂでバリア膜及び密着層が形成された積層膜は、搬出入ロボット１０３ａによって成膜室１０３ｂから搬出され、配線膜室１０３ｃに搬入される。ここで、上記バリア膜(バリア膜上に密着層が形成されている場合は、密着層)の上に配線膜が形成される。配線膜が形成された後、この基板を搬出入ロボット１０３ａによって配線膜室１０３ｃから搬出室１０３ｄに移動し、搬出する。
The transferred substrate is carried into the
以上の通り、上記バリア膜形成の前後の工程、すなわち、脱ガス工程と配線膜形成工程とを一連で行う上記複合型配線膜形成装置１００の構成をとれば、作業効率が向上する。
As described above, if the configuration of the composite wiring
なお、上記複合型配線膜形成装置１００の構成は、前処理部１０１に脱ガス室１０１ｃと還元処理室１０１ｄとを各々１室ずつ設け、成膜処理部１０３に成膜室１０３ｂと配線膜室１０３ｃとを各々１室ずつ設けたが、この構成に限定されるものではない。
The composite wiring
従って、例えば、前処理部１０１及び成膜処理部１０３の形状を多角形状にし、各々の面に上記脱ガス室１０１ｃ及び還元処理室１０１、並びに成膜室１０３ｂ及び配線膜室１０３ｃを複数個設ければ、さらに処理能力は向上する。
Therefore, for example, the
本実施例では、図１に示す成膜装置１を用い、原料ガスとしてペンタジメチルアミノタンタル(ＭＯ)ガス、ハロゲンガスとしてフッ素ガス及び反応ガスとしてＮＨ３ガスを用いてタンタル窒化物膜を形成した。
In this example, a tantalum nitride film was formed by using the
公知の方法に従って、ＳｉＯ２絶縁膜を有する基板Ｓの表面の脱ガス前処理工程を実施した後、真空排気系２によって１０−５Ｐａまで真空排気された真空チャンバ１内に基板Ｓを搬入した。この基板としては、特に制限はないが、例えば、通常のスパッタ成膜法に従って、Ａｒスパッタリングガスを用い、Ｔａを主構成成分として有するターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして表面に基板側密着層を形成させた基板を用いてもよい。
After performing a degassing pretreatment process on the surface of the substrate S having the SiO 2 insulating film according to a known method, the substrate S was carried into the
真空チャンバ１内に基板Ｓを搬入し、基板載置用ステージ６上に基板Ｓを載置した後、この基板をヒーター５で２５０℃に加熱し、ガス導入系９からガス室７へ上記原料ガスを５ｓｃｃｍ、上記ハロゲンガスを５ｓｃｃｍ導入し、孔８から基板Ｓ表面に向かって供給した。
After the substrate S is carried into the
真空チャンバ１内の圧力が所定の圧力で安定した後、高周波電源４から、周波数２７．１２ＭＨｚ、電力密度０．２Ｗ／ｃｍ２の高周波交流電圧を出力させ、電極３と基板Ｓ表面との間に原料ガスとハロゲンガスとのプラズマを発生せしめた。このプラズマ中で原料ガス及びハロゲンガスのラジカルを生成せしめて、基板Ｓ表面上でのハロゲン化反応によって、ＴａＮｘ(Ｈａｌ)ｙＲｚ化合物膜を形成した。所定の膜厚を有するハロゲン化化合物膜を形成した後、高周波電源４の動作を停止し、原料ガスとハロゲンガスとの導入を停止した。
After the pressure in the
次いで、真空チャンバー１内へガス導入系９を介して上記Ｈ原子含有ガスを導入し、上記したようにして、チャンバー内にプラズマを発生せしめ、このプラズマ中で発生したラジカルを、上記したようにして形成したハロゲン化化合物膜の表面に入射して反応せしめた。この反応により、このハロゲン化化合物膜中のＴａ−Ｎ結合が切断されＮが除去され、かつ、Ｎに結合したＲ(Ｒ')基が切断除去された。その結果、タンタルリッチのタンタル窒化物膜が形成された。所定の膜厚を有するタンタル窒化物膜を形成した後、高周波電源４の動作を停止し、Ｈ原子含有ガスの導入を停止し、基板Ｓを真空チャンバー１外へ搬出した。
Next, the H atom-containing gas is introduced into the
かくして得られたバリア膜の組成は、Ｔａ／Ｎ＝１．９であり、Ｃ含有量は２％以下であり、Ｎ含有量は３３％であった。 The composition of the barrier film thus obtained was Ta / N = 1.9, the C content was 2% or less, and the N content was 33%.
なお、比較のために、上記原料ガス(ＭＯガス)とハロゲンガス(フッ素ガス)とを用いた場合、及び上記原料ガスと反応ガス（Ｈ２：但し、反応ガス由来のＨラジカル照射による処理時間を、３秒、５秒、１０秒として行った)とを用いた場合について、上記方法に準じて成膜した。 For comparison, the raw material gas (MO gas) and the halogen gas (fluorine gas) are used, and the raw material gas and the reactive gas (H 2, where the processing time by irradiation with H radicals derived from the reactive gas is used. Was carried out for 3 seconds, 5 seconds, and 10 seconds).
上記方法で得られたそれぞれの薄膜について、比抵抗ρ(μΩ・ｃｍ)を算出した。この比抵抗は、４探針プローブ法でシート抵抗(Ｒｓ)を測定し、ＳＥＭで膜厚(Ｔ)を測定して、式：ρ＝Ｒｓ・Ｔに基づいて算出したものである。 The specific resistance ρ (μΩ · cm) was calculated for each thin film obtained by the above method. This specific resistance is calculated based on the formula: ρ = Rs · T by measuring the sheet resistance (Rs) by the four-probe probe method and measuring the film thickness (T) by the SEM.
原料ガス(ＭＯガス)をフッ素ガスで変換(ハロゲン化)した後に反応ガス(Ｈラジカルを１０秒間照射して成膜した場合には、ＭＯガスとフッ素ガスとを用いて成膜した場合(１０６μΩ・ｃｍ)、ＭＯガスとフッ素ガスと反応ガス(Ｈラジカルを３秒間照射)とを用いて成膜した場合(３×１０５μΩ・ｃｍ)、及びＭＯガスとフッ素ガスと反応ガス(Ｈラジカルを５秒間照射)とを用いて成膜した場合(４８００μΩ・ｃｍ)よりも低い比抵抗(４５０μΩ・ｃｍ)が得られた。 After the source gas (MO gas) is converted (halogenated) with fluorine gas, the reaction gas (when the film is formed by irradiation with H radicals for 10 seconds, the film is formed using MO gas and fluorine gas (10 6 μΩ · cm), MO film, fluorine gas and reactive gas (H radical irradiation for 3 seconds) (3 × 10 5 μΩ · cm), and MO gas, fluorine gas and reactive gas ( The specific resistance (450 μΩ · cm) was lower than that (4800 μΩ · cm).
このことから、ＭＯガスとハロゲンガスとの成膜で得られる膜はハロゲンを含むため、高抵抗の膜が生成され、この膜をＨラジカルで処理していくと、その処理時間に応じて比抵抗が変化し、処理時間が長くなるに従い比抵抗が下がっていくことが分かる。この結果から、Ｈラジカル処理を好ましくは１０秒以上で行うことで、効果的にハロゲン、Ｒ,Ｒ'基及びＮが除去されることが分かる。 From this, since the film obtained by forming the MO gas and the halogen gas contains halogen, a high-resistance film is formed. When this film is processed with H radicals, the ratio is increased according to the processing time. It can be seen that the specific resistance decreases as the resistance changes and the processing time increases. From this result, it is understood that halogen, R, R ′ group and N are effectively removed by performing H radical treatment preferably for 10 seconds or more.
上記したように、ＭＯガスとハロゲンガスとＨ原子含有ガス(ラジカル)とを用いた成膜では、ハロゲンにより原料ガスのＴａ−Ｎ−(Ｒ,Ｒ')結合のＮとＲとの結合が一部切断されて選択的にＲが除去されるが、次いでＨラジカルの照射により高抵抗のハロゲン化Ｔａ系化合物におけるＴａとＮとの結合、Ｎとハロゲン原子との結合及び残っているＮとＲ,Ｒ'基(アルキル基)との結合が切断されて、ハロゲン原子、Ｃ及びＮが除去されることにより、Ｃ、Ｎの含有割合が減少し、その結果、形成された膜組成がタンタルリッチとなり、膜の比抵抗が下がったことを示しているものと考えられる。 As described above, in the film formation using the MO gas, the halogen gas, and the H atom-containing gas (radical), the bond between N and R of the Ta—N— (R, R ′) bond of the source gas is caused by the halogen. R is selectively removed by partial cleavage, and then, by irradiation with H radicals, bonds between Ta and N, bonds between N and halogen atoms, and remaining N and N in a high-resistance halogenated Ta compound. The bond with the R, R ′ group (alkyl group) is cleaved and the halogen atoms, C and N are removed, so that the content ratio of C and N is reduced. As a result, the formed film composition is tantalum. It is considered that the film becomes rich and indicates that the specific resistance of the film has decreased.
上記したようにして所望の膜厚を有するバリア膜が得られた基板に対し、例えば、公知のスパッタ成膜方法に従って、Ａｒスパッタリングガスを用い、ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記バリア膜の表面に金属薄膜、すなわち下地層としての配線膜側密着層を形成させてもよい(Ｓ６)。 For the substrate on which a barrier film having a desired film thickness is obtained as described above, a plasma is generated by applying a voltage to the target using an Ar sputtering gas, for example, according to a known sputtering film forming method, A metal thin film, that is, a wiring film side adhesion layer as an underlayer may be formed on the surface of the barrier film by sputtering (S6).
以上の工程を経て積層膜が形成された基板Ｓ上に、すなわち上記バリア膜側密着層の上に、公知のプロセス条件に従ってＣｕ配線膜を形成した。各膜同士の接着性は優れていることが確認された。 A Cu wiring film was formed on the substrate S on which the laminated film was formed through the above steps, that is, on the barrier film-side adhesion layer according to known process conditions. It was confirmed that the adhesion between the films was excellent.
本実施例では、実施例１で得られたタンタル窒化物膜に対して、公知のスパッタ装置を用いて、スパッタリングによりタンタル粒子を打ち込んで、さらにタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成した。 In this example, a tantalum-rich tantalum nitride film was formed by implanting tantalum particles into the tantalum nitride film obtained in Example 1 by sputtering using a known sputtering apparatus.
スパッタ装置内にＡｒスパッタリングガスを導入し、電圧印加装置からターゲットに電圧を印加して放電させて、プラズマを発生させ、タンタルを主構成成分とするターゲットをスパッタリングし、基板Ｓ上に形成された薄膜中にスパッタリング粒子であるタンタル粒子を入射させるようにした。このスパッタリング条件は、ＤＣパワー：５ｋＷ、ＲＦパワー：６００Ｗとした。また、スパッタリング温度は、−３０〜１５０℃で行った。 An Ar sputtering gas was introduced into the sputtering apparatus, a voltage was applied to the target from the voltage application apparatus to cause discharge, plasma was generated, and a target containing tantalum as a main component was sputtered to form on the substrate S. Tantalum particles as sputtering particles were allowed to enter the thin film. The sputtering conditions were DC power: 5 kW and RF power: 600 W. Moreover, sputtering temperature was -30-150 degreeC.
上記タンタル粒子を打ち込むスパッタリングにより、バリア膜中のタンタルの含有率をさらに増加せしめることができ、所望の低抵抗のタンタルリッチのタンタル窒化物膜を得ることができた。なお、タンタルが基板Ｓの表面薄膜中に入射することにより、薄膜の分解が促進されてＣやＮ等の不純物が膜からはじき出されて、不純物の少ない低抵抗のバリア膜を得ることができた。かくして得られた薄膜は、Ｔａ／Ｎ＝３．４、Ｃ及びＮの含有量：Ｃ＝０．１％以下、Ｎ＝２３％、及び得られた薄膜の比抵抗：２５０μΩ・ｃｍであった。 By sputtering in which the tantalum particles are implanted, the content of tantalum in the barrier film can be further increased, and a desired low-resistance tantalum-rich tantalum nitride film can be obtained. When tantalum is incident on the surface thin film of the substrate S, decomposition of the thin film is promoted and impurities such as C and N are ejected from the film, so that a low resistance barrier film with few impurities can be obtained. . The thin film thus obtained had Ta / N = 3.4, C and N content: C = 0.1% or less, N = 23%, and the specific resistance of the obtained thin film: 250 μΩ · cm. .
上記のようにして所望の膜厚の改質タンタル窒化物膜を形成した後、例えば、Ａｒスパッタリングガスを導入し、公知のスパッタ成膜プロセス条件に従って電圧印加装置からターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記バリア膜の表面に金属薄膜、すなわち下地層としての配線膜側密着層を形成させてもよい。 After the modified tantalum nitride film having a desired film thickness is formed as described above, for example, Ar sputtering gas is introduced, and a voltage is applied from the voltage application device to the target in accordance with known sputtering film formation process conditions. And sputtering a target to form a metal thin film on the surface of the barrier film, that is, a wiring film side adhesion layer as an underlayer.
以上の工程を経て積層膜が形成された基板Ｓ上に、すなわち上記配線膜側密着層の上に、公知のプロセス条件に従ってＣｕ配線膜を形成した。各膜同士の接着性は優れていることが確認された。 A Cu wiring film was formed on the substrate S on which the laminated film was formed through the above steps, that is, on the wiring film-side adhesion layer according to known process conditions. It was confirmed that the adhesion between the films was excellent.
原料ガスとして、ペンタジメチルアミノタンタルの代わりにtert-アミルイミドトリス(ジメチルアミノ)タンタルを用いたこと以外は、実施例１に準じて成膜プロセスを実施したところ、タンタルリッチの低抵抗のタンタル窒化物膜が得られた。得られた膜において、Ｔａ／Ｎ＝１．８、Ｃ含有量３％、Ｎ含有量３５．７％、比抵抗５５０μΩ・ｃｍであった。
Except that tert-amylimidotris (dimethylamino) tantalum was used in place of pentadimethylaminotantalum as the source gas, the film forming process was carried out according to Example 1, and tantalum-rich, low-resistance tantalum nitride A material film was obtained. In the obtained film, Ta / N = 1.8,
ハロゲンガスとして、フッ素ガスの代わりに塩素ガス、臭素ガス又はヨウ素ガスを用いたこと、また、Ｈラジカルを生成するガスとして、Ｈ２ガスを用いたこと以外は、実施例１に準じて成膜プロセスを実施したところ、実施例１と同様な結果が得られた。 Film formation according to Example 1 except that chlorine gas, bromine gas or iodine gas was used as the halogen gas instead of fluorine gas, and H 2 gas was used as the gas for generating H radicals. When the process was carried out, the same results as in Example 1 were obtained.
本発明によれば、ＣＶＤ法に従って、Ｃ、Ｎ含有量が低く、Ｔａ／Ｎ組成比が高く、Ｃｕ膜との密着性が確保されるバリア膜として有用な低抵抗のタンタル窒化物膜を形成することができる。そのため、本発明は、半導体デバイス分野の薄膜形成プロセスに適用可能である。 According to the present invention, a low resistance tantalum nitride film which is useful as a barrier film having a low C and N content, a high Ta / N composition ratio and ensuring adhesion with a Cu film is formed according to the CVD method. can do. Therefore, the present invention is applicable to a thin film formation process in the semiconductor device field.
１ 真空チャンバ ２ 真空排気系
３ 電極 ４ 高周波電源
５ 加熱手段 ６ 基板載置用ステージ
７ ガス室 ８ 孔
９ ガス導入系 Ｓ 基板
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