JP2006303536A - バリヤメタル層及びその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 シリコン層或いはシリコンを含むシリコン含有層64と銅層68,70との間に介在されてシリコンの吸い上げを防止するためのバリヤメタル層において、前記バリヤメタル層としてTiSiN膜66を用いる。これにより、銅の配線材料に対して有効なバリヤメタル層とする。
【選択図】 図2
Description
ところで、各素子間を接続する配線等は、下地の基板やSi含有層中からシリコンが吸い上げられて配線材料と相互拡散が発生することを防止するためにバリヤメタルが下地との間で介在されるのが一般的であり、このバリヤメタルとしては電気抵抗が低いことは勿論のこと、耐腐食性に優れた材料を用いなければならない。現在、配線材料として多用されているアルミニウム配線やタングステン配線に対しては、上述したような要請に対応できるバリヤメタル材料として、Ti(チタン)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)などの高融点金属材料が使用される傾向にあり、中でも電気的及び耐腐食性などの特性等が良好であることから、特に、Ti膜或いは、TiN膜が多用される傾向にある。
ところで、集積回路の最近の高集積化及び高微細化の要請により、配線等の線幅もより狭くなされており、例えば0.2μm或いはそれ以下の線幅も求められているのが現状である。また、この高集積化と同時に集積回路の高速動作性も強く求められている。このような状況下において、アルミニウムに代わる配線材料として比較的安価で、しかも、比抵抗も小さい銅が注目されてきている。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、銅の配線材料に対して有効なバリヤメタル層を提供することにある。
シリコン層或いはシリコンを含むシリコン含有層と銅層との間にバリヤメタル層としてTiSiN膜を用いることにより、比抵抗が高く、しかもシリコンの吸い上げ、或いは銅の拡散もほとんど発生させることなく、高いバリヤ性を発揮させることができる。
また、このTiSiN膜をプラズマCVDにより成膜すれば、プロセス温度は通常のCVD成膜温度よりも低い350〜450℃程度の温度で良く、従って、銅線配線時に用いる低誘電率膜よりなる絶縁層に対して熱的ダメージを与えることが少なくて済む。
図1は本発明方法を実施するプラズマ成膜装置を示す構成図である。
図示するように、このプラズマ成膜装置2は、例えばステンレススチール等により円筒体状に成形された処理容器4を有しており、この処理容器4は接地されている。
図2は本発明方法を示す工程図である。処理容器4内へ、開放されたゲートバルブ56を介して半導体ウエハWを導入し、これを載置台16上に載置して処理容器4内を密閉する。この半導体ウエハWの表面には、例えば前工程において、ウエハ上のトランジスタとのコンタクトをとるためのコンタクトホール等がすでに形成されている。
処理容器4内を密閉したならば、プロセスガスとしてArガス、N2 ガス、TiCl4 ガスを、プラズマ用ガスとしてArガスを、添加ガスとしてH2 ガスを、それぞれシャワーヘッド20から所定の流量で処理容器4内に導入し、且つ真空引きポンプ10により処理容器4内を真空引きし、所定の圧力に維持する。上記TiCl4 ガスは常温で液体なので、これを加熱することにより気化させて供給する。
図2(A)は成膜前の半導体ウエハWの表面の1つのコンタクトホール60を示す拡大図であり、このホール60は、SiO2 の層間絶縁膜62に開口されており、その底部には、拡散層64のシリコン面が露出している。ウエハWは、シリコン単結晶基板よりなり、拡散層64がシリコン層或いはシリコン含有層となる。
上記範囲内の比抵抗を得るためには、TiSiN膜中の各成分の組成は、Tiが16〜37at%の範囲内、Siが10〜40at%の範囲内、Nが26〜38at%の範囲内が好ましい。
い。この点を詳しく説明する。図3はSiH4ガスの供給量と比抵抗Rsとの関 係を示すグラフ、図4はN2ガスの供給量と比抵抗Rsとの関係を示すグラフ、 図5はH2ガスの供給量と比抵抗Rsとの関係を示すグラフである。グラフから 明らかなように、シラン(SiH4)ガス或いはN2ガスの供給量を増加すると
、或いはH2ガスの供給量を減少すると、比抵抗Rsを増加することができ、比 抵抗が1000〜2000μΩcmの範囲内のTiSiN膜を容易に実現することができる。尚、図3〜図5に示す各グラフを得た時の他の各ガスの流量は、前述したガス流量範囲内の一定値に設定されている。
比抵抗を調整するためにH2ガスやN2ガスの流量を変化させると、それに追
従して他のガス流量も調整しなければならないが、これに対して、シランガスの流量を変化させる場合には、他のガスの流量の調整を行なう必要がないので、操作性や制御性が良好となる。
スが2000sccm程度、Arガスが100sccm程度、N2ガスが500 sccm程度である。
図6から明らかなように、シランのガス流量を1〜10sccmまで変化させることにより、TiSiN膜の比抵抗を1000〜10000μΩcmの範囲内で制御することができる。
ちなみに、上記プロセス条件においてシランの流量を0、1、2、5sccmと変化させてTiSiN膜を成膜した時の膜中のS−N結合状態を調べたので、その結果について説明する。図8は膜中のS−N結合状態を示すグラフであり、測定にはESCA(光電子分光装置:Electron Spectroscopy Analysis)を用いた。ここでは、Si−N結合の参照サンプルとしてシリコンの熱窒化膜(Si3N4)のデータとSi−O結合の参照サンプル
としてシリコンの熱酸化膜(SiO2)のデータを併せて記載した。グラフ中、 横軸は結合エネルギー(eV)、縦軸は個々のグラフにおいて光電子の強度をとっている。
、P1を有しており、Si−N結合の存在を確認することができた。また、シランの流量を多くする程、ピーク値も大きくなり、Si−N結合の存在比率が高くなっている点も確認することができた。特に、シランの流量が5sccmの場合には鋭いピーク値を示しているのを確認することができた。更に、上述したようなプロセス条件で成膜したTiSiN膜の非晶質性をX線回折により調べた。
ここで、本発明のTiSiN膜よりなるバリヤメタル層のバリヤ性の評価を行なったので、その時の結果を示す。バリヤ性評価は、シリコン基板上に400Å或いは100ÅのTiSiN膜を前述したような成膜条件(SiH4は5scc m)で成膜し、更にその上に2000ÅのCu膜を形成し、その後、500℃程度の温度で30分間アニールした時の銅、チタン、シリコンの拡散状況を調べた。
グラフから明らかなように、シリコン基板の深さ方向におけるCu濃度の分布によれば、TiSiN膜の膜厚が400Åの場合、シリコン側へはCuがほとんど拡散しておらず、また、Cu層側にもシリコンがほとんど拡散していないことが判明する。従って、TiSiN膜のバリヤ性が高いことを確認することができた。また、100Å程度の膜厚のTiSiN膜でも同様な測定を行った結果、上記と同様に十分なバリヤ性を有することが確認できた。尚、グラフ中においてCu層にチタンが拡散しているように見えるが、これは測定値の特性上の誤差であって実際には拡散していない。この部分は[not true]として表されている。
尚、上記実施例における各ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等は単に一例を示したに過ぎず、上述したものに限定されない。また、シラン系ガスとしては、シランに限らず、ジシラン、ジクロルシラン等も用いることができる。
また、本発明に係るTiSiN膜は、ClF3 ガスを用いたクリーニングガス(例えば特開平7−86189号公報に示される)によって容易にクリーニング可能である。適当な枚数のウエハに成膜処理する毎にClF3 ガスを用いたクリーニングを行えば、パーティクルの発生が抑えられ、高品質の成膜が可能となる。
更に、ここでは被処理体として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず。シリコン層或いはシリコン含有層を下地とするならば本発明をガラス基板やLCD基板等にも適用できるのは勿論である。
4 処理容器
16 載置台
20 シャワーヘッド
40 TiCl4ガス源
42 シラン源
44 N2ガス源
46 Arガス源
47 H2ガス源
54 高周波電源
60 コンタクトホール
62 層間絶縁膜
64 拡散層(シリコン層或いはシリコン含有層)
66 TiSiN膜(バリヤメタル層)
68 第1の銅層
70 第2の銅層
72 配線層
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (6)
- シリコン層或いはシリコンを含むシリコン含有層と銅層との間に介在されたバリヤメタル層において、前記バリヤメタル層としてTiSiN膜を用いたこを特徴とするバリヤメタル層。
- 前記TiSiN膜はプラズマCVDにより形成されることを特徴とするバリヤメタル層。
- シリコン層或いはシリコンを含むシリコン含有層と銅層との間に介在されたバリヤメタル層を形成するに際して、シラン系ガスとチタンを含むチタン含有ガスと窒素ガスとを少なくとも原料ガスとして使用し、プラズマCVDによりTiSiN膜を形成するようにしたことを特徴とするバリヤメタル層の形成方法。
- 前記シラン系ガスはSiH4であり、前記チタン含有ガスはTi Cl4であることを特徴とする請求項3記載のバリヤメタル層の形成方法。
- 前記TiSiN膜の成膜温度は、350〜450℃の範囲内であるこを特徴とする請求項3または4記載のバリヤメタル層の形成方法。
- 前記TiSiN膜を形成後、ClF3 ガスを含むガスによって、クリーニングを行うことを特徴とする請求項3乃至5のいずれかに記載のバリヤメタル層の形成方法。
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