JP2009088323A - バリア膜の形成装置およびバリア膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸着法で緻密かつバリア性に優れたＴｉＮｘ膜を形成する。
【解決手段】本発明においては、アルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスのプラズマ中で、負のバイアス電位が印加された基板Ｗ上に、蒸発源３にて蒸発させたチタンの蒸発粒子を蒸着させる。蒸発源３において形成されたチタンの蒸発粒子は、アルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスのプラズマによってイオン化され、負のバイアス電位が印加された基板の表面に蒸着される。これは、イオンプレーティング法に準ずる成膜手法であり、通常の蒸着法に比べて、基板上に形成される膜密度の向上が図られる。このようにして形成されたＴｉＮｘ膜は、Ａｌ膜とＡｕ膜の間の反応を防止するバリア膜として十分なバリア性能を発揮するため、低コンタクト抵抗の電極膜に好適に適用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、チタン又は窒化チタンからなるバリア膜の形成装置およびその形成方法に関する。

半導体デバイスのアルミニウム製電極パッドに接続される配線層の構成材料として、金又は金合金が用いられる場合が多い。この場合、金とアルミニウムが互いに反応して脆い金アルミニウム合金からなる高抵抗相が形成される。その合金相の発生を防止するため、従来、アルミニウム電極と金配線層の間にこれらの反応を抑制するバリア膜を介在させている（特許文献１参照）。バリア膜を構成する材料には、例えば、チタン又は窒化チタン膜が用いられている。

図４は、半導体基板（チップ）４１上に形成された電極の概略構成を示している。電極膜４２は、下から、Ａｌ膜４３、バリア膜４４およびＡｕ膜４５の３層構造を有している。バリア膜４４は、チタン（Ｔｉ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）で構成されている。半導体の電極形成には一般に、スパッタカソード（ターゲット）と基板（ステージ）との間における２極放電スパッタ法が用いられる（非特許文献１参照）。しかし、化合物半導体の分野では、デバイス製造工程におけるプラズマによるデバイスへのダメージの問題を回避するために、電極形成に蒸着法が用いられている。

特開２００１−９３９０５号公報 金森周一、「高耐熱電極の拡散バリアに用いるＴｉＮ膜の形成と評価」、「真空」第２９巻第９号、１９８６年、４１８〜４２７頁

半導体製造プロセスによっては、電極膜４２を形成した後、素子部と電極膜とのコンタクト抵抗を改善するために、４００℃程度の温度でアニールを行うことがある。しかしながら、真空蒸着で形成したバリア膜４４は、膜の密度が不十分であるために、バリア膜４４を介してのＡｌ膜４３とＡｕ膜４５の間に拡散が生じて、必要なバリア性が得られないことが問題となっている。

また、スパッタ法では一般的に蒸着法よりも緻密な膜が得られるため、スパッタ法でバリア膜を形成すれば目的とするバリア性能を得ることができる。しかし、電極膜を蒸着装置とスパッタ装置の２つの装置を用いて形成する必要性が生じるため、製造コストが上昇するという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、蒸着法で緻密な膜を得ることができるバリア膜の形成装置およびバリア膜の形成方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のバリア膜の形成装置は、チタン又は窒化チタンからなるバリア膜を形成するためのバリア膜形成装置であって、真空槽と、前記真空槽の内部に設置されたチタンの蒸発源と、前記蒸発源と対向して設置された基板支持台と、前記真空槽の内部にアルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスを導入するガス導入ラインと、前記基板支持台にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、前記蒸発源と前記基板支持台との間に導入されたガスのプラズマを発生させるプラズマ発生源とを備えたことを特徴とする。

また、本発明のバリア膜の形成方法は、チタン又は窒化チタンからなるバリア膜の形成方法であって、アルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスのプラズマ中で、負のバイアス電位が印加された基板上に、蒸発源にて蒸発させたチタンの蒸発粒子を蒸着させることを特徴とする。

蒸発源において形成されたチタンの蒸発粒子は、アルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスのプラズマによってイオン化され、負のバイアス電位が印加された基板の表面に蒸着される。これは、イオンプレーティング法に準ずる成膜手法であり、通常の蒸着法（真空蒸着法、電子ビーム蒸着法）に比べて、基板上に形成される膜密度の向上が図られる。このようにして形成されたＴｉＮｘ膜は、Ａｌ膜とＡｕ膜の間の反応を防止するバリア膜として十分なバリア性能を発揮するため、低コンタクト抵抗の電極膜に好適に適用することができる。

導入ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生源は、蒸発源と基板支持台の間に設置したコイルと、このコイルに接続された高周波電源で構成することができる。コイルは基板から遠ざけて設置されることで、基板のプラズマダメージが回避される。

基板に印加するバイアス電圧は、−０．１ｋＶ以上であることが好ましい。バイアス電圧が−０．１ｋＶ未満の場合、形成されるバリア膜に必要な膜密度が得られない。また、バイアス電圧の大きさの上限は、例えば−３．０ｋＶとすることができる。

導入ガスにアルゴン及び窒素の混合ガスを用いることによって、基板上に窒化チタン膜（ＴｉＮｘ膜）が形成される。膜中の窒素濃度は、混合ガス中の窒素濃度に関係する。アルゴン分圧の下限は、ＲＦ放電が可能な圧力下限の１．０×１０^-2Ｐａである。所望のバリア性能が得られる膜中の窒素濃度としては、５ａｔ％以上４０ａｔ％以下である。また、基板を１５０℃以上３００℃以下の温度に加熱した場合の膜中の窒素濃度は、０以上４０ａｔ％以下の範囲で所望のバリア性能を得ることができる。なお、膜中の窒素濃度が０の場合の導入ガスは、アルゴンガス単体となる。

以上述べたように本発明によれば、蒸着法によって緻密かつバリア性に優れたＴｉＮｘ膜を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態によるバリア膜の形成装置としての蒸着装置１の概略構成図である。蒸着装置１は、真空槽２と、真空槽２の内部に設置された蒸発源３と、蒸発源３と対向して設置された基板支持台４とを備えている。

真空槽２は排気バルブ５を介して真空ポンプ（図示略）に接続されており、当該真空ポンプによって真空槽２の内部が所定の真空度に排気および維持可能とされている。蒸発源３は、蒸発材料６を収容し当該チタンの蒸発粒子を形成する。本実施形態では、蒸発源３は電子ビーム蒸発源で構成されているが、これ以外にも、抵抗加熱源や誘導加熱源、アーク蒸着源等で構成されていてもよい。また、蒸発材料６は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）などの、半導体デバイスの電極膜を構成し得る各種金属材料が適用可能である。

基板支持台４は、複数枚の基板Ｗを支持しながら、基板Ｗの面内において回転可能に構成されている。具体的に、基板支持台４の中心部には回転軸７が設けられており、この回転軸７は回転導入機構８を介して、真空槽２の外部に設置された駆動源（図示略）に連結されている。そして、この基板支持台４の回転軸７には、真空槽２の外部に設置された直流バイアス電源１４が接続されており、基板Ｗ及び基板支持台４に対して所定の負電圧が印加されるようになっている。

基板Ｗは、シリコン（Ｓｉ）基板やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板あるいは化合物半導体基板が用いられるが、これ以外に、例えばガラス基板が適用可能である。

真空槽２には、アルゴン（Ａｒ）導入ライン９Ａおよび窒素（Ｎ₂）導入ライン９Ｂからなるガス導入ライン９が接続されている。このガス導入ライン９からは、アルゴンガス単体又はアルゴンガス及び窒素ガスの混合ガスが真空槽２の内部に導入されるようになっている。

蒸発源３と基板支持台４の間には、プラズマ発生源としての高周波コイル（アンテナ）１０が設置されている。高周波コイル１０には、真空槽２の外部に設置された高周波電源１１が接続されており、真空槽２の内部に導入されたガス（Ａｒ又はＡｒ及びＮ₂の混合ガス）のプラズマを発生させる。高周波コイル１０に印加する高周波電力は５０Ｗ以上あればよく、真空槽２の大きさに応じて、例えば５０Ｗ以上３００Ｗ以下とされる。

高周波コイル１０は、蒸発源３と基板支持台４の間の中間位置よりも蒸発源３側に設置されており、上記中間位置には、蒸発源３と基板支持台４の間の開閉するシャッタ１２が設置されている。シャッタ１２は、図示するように蒸発源３と基板支持台４の間を遮蔽する位置と、成膜時に蒸発源３と基板支持台４の間を開放する退避位置（図示略）の間を移動自在に構成されている。

真空槽２の内部には、更に、基板支持台４に支持されている基板Ｗを所定温度に加熱する加熱源１３が設置されている。本実施形態において加熱源１３は、赤外線ランプで構成されている。基板Ｗは、成膜時、加熱源１３によって例えば１５０℃以上３００℃以下の温度に加熱可能とされている。

以上のように構成される本実施形態の蒸着装置１１においては、蒸発材料６にアルミニウム、チタンおよび金を用いた電子ビーム蒸着を順に行うことによって、基板Ｗ上に図４に示した電極膜４２を構成する積層膜が形成される。

図４において、Ａｌ膜４３およびＡｕ膜４５の形成に際しては、真空槽２の内部を所定の真空度（例えば５．０×１０^-4Ｐａ以下）に排気した後、蒸発材料６（アルミニウム、金）を蒸発させて基板Ｗへ蒸着させる通常の電子ビーム蒸着法が適用される。このときの成膜温度（基板温度）は室温であり、成膜時、基板Ｗは基板支持台４の上で回転軸７の周りに回転される。また、基板支持台４にバイアス電源１４からの電圧供給はなく、Ａｌ膜４３およびＡｕ膜４５は無バイアス状態で成膜される。

次に、バリア膜４４の形成方法について説明する。

バリア膜４４の形成に際しては、ガス導入ライン９よりアルゴン、又はアルゴン及び窒素の混合ガスが真空槽２の内部に導入される。導入ガスの種類は、形成するバリア膜の種類によって使い分けられ、バリア膜４４がＴｉ膜の場合、導入ガスはアルゴンガス単体とされ、バリア膜４４がＴｉＮ膜の場合、導入ガスはアルゴン及び窒素の混合ガスとされる。

高周波コイル１０は、高周波電源１１から所定の高周波電力が印加されることによって、蒸発源３の上方において導入されたガスのプラズマを発生させる。これにより、蒸発源３にて蒸発したチタン粒子は、プラズマ中でイオン化される。なお、導入ガスに上記混合ガスが用いられる場合、チタン粒子は窒素と反応し、ＴｉＮｘ粒子を生成する。

一方、基板支持台４には、直流バイアス電源１４によって所定のマイナス電圧が印加される。これにより、プラズマ中で生成されたＴｉイオンは、回転運動する基板支持台４側へ加速され、この基板支持台４に支持されている基板Ｗの表面に付着する。成膜時、基板Ｗは加熱源１３によって所定温度に加熱される。

以上のように、イオンプレーティング法に準ずる成膜手法によって、基板Ｗの表面にＴｉ又はＴｉＮｘからなる蒸着膜（バリア膜４４）が形成される。本実施形態では、アルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスのプラズマ中で、負のバイアス電位が印加された基板上に、蒸発源にて蒸発させたチタンの蒸発粒子を蒸着させるようにしている。これにより、基板上に形成されるＴｉ膜又はＴｉＮｘ膜の膜密度を高めることができる。Ａｌ膜４３及びＡｕ膜４５間の拡散防止を十分に図ることができるバリア性を備えたバリア膜４４を得ることができる。

所望のバリア性能が得られる膜中の窒素濃度としては、５ａｔ％以上４０ａｔ％以下である。また、加熱源１３を用いて基板Ｗを１５０℃以上３００℃以下の温度に加熱した場合には、膜中の窒素濃度が０以上４０ａｔ％以下の範囲で所望のバリア性能を得ることができる。膜中の窒素濃度が０の場合の導入ガスは、アルゴンガス単体となる。アルゴン分圧の下限は、ＲＦ放電が可能な圧力下限の１．０×１０^-2Ｐａである。

基板Ｗに印加するバイアス電圧は、−０．１ｋＶ以上であることが好ましい。バイアス電圧が−０．１ｋＶ未満の場合、形成されるバリア膜に必要な膜密度が得られにくいからである。また、バイアス電圧の大きさの上限は、例えば、−３．０ｋＶとすることができる。

本発明者は、Ａｌ／ＴｉＮｘ／Ａｕの積層膜からなる電極膜を作製し、そのバリア性評価を行った。ＴｉＮｘ膜は、ＲＦ放電によりプラズマを発生させないで成膜したものと、ＲＦ放電によりプラズマを発生させて成膜したものをそれぞれ作製した。

図２は、プラズマを発生させないでＴｉＮｘ膜を成膜した装置の概略構成図である。図２において図１と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図２に示した蒸着装置２１は、導入ガスのプラズマを発生させる高周波コイル１０を有していない点で、図１の蒸着装置１と異なっている。

また、本実験で作製したＡｌ／ＴｉＮｘ／Ａｕ積層膜の成膜条件を表１に示す。

［ＲＦ放電無しで成膜した場合］
ＲＦ放電によりプラズマを発生させないでＴｉＮｘの成膜を行う条件では、成膜時の基板加熱温度が室温および３００℃、基板バイアスが０Ｖおよび−３．０ｋＶのとき、ＴｉＮｘ膜中の窒素濃度がそれぞれ０，５，１０，２５，４０，５０ａｔ％であるサンプルのバリア性評価を行った。

バリア性の評価は、Ａｌ／ＴｉＮｘ／Ａｕの成膜試料を真空中で４３０℃、２０分加熱保持して拡散処理を行い、光学顕微鏡で膜表面（観察範囲０．５ｍｍ角）を１００倍の倍率でＡｌ／Ａｕ拡散痕の有無（個数）を調べた。図３Ａ，Ｂに、バリア性の良好な膜の例（図３Ａ）とバリア性が悪い膜の例（図３Ｂ）の一例をそれぞれ示す。図３Ｂにおいて、黒い斑点が、Ａｌ／Ａｕ拡散痕であり、Ａｌ膜とＡｕ膜が反応し、脆く高抵抗の合金相が形成されている様子を表している。

表２にバリア性評価の結果を示す。表２において「×」は、拡散痕が認められことを示している。かっこ内の数字は確認された拡散痕の個数である。表２から明らかなように、ＲＦ放電によってプラズマを発生させない場合は、基板の温度、基板バイアスの大きさ、ＴｉＮｘ膜中の窒素濃度のすべての条件で多数の拡散痕が認められた。これは、電極膜として良好なバリア性が得られなかったことを示す。

［ＲＦ放電有りで成膜した場合］
高周波コイル１０でＲＦプラズマを発生させてＴｉＮｘの成膜を行う条件では、成膜時の基板加熱温度が室温および３００℃、基板バイアスが０Ｖ、−０．１ｋＶおよび−３．０ｋＶのとき、ＴｉＮｘ膜中の窒素濃度がそれぞれ０，５，１０，２５，４０，５０ａｔ％であるサンプルのバリア性評価を行った。バリア性の評価は、Ａｌ／ＴｉＮｘ／Ａｕの成膜試料を真空中で４３０℃、２０分加熱保持して拡散処理を行い、光学顕微鏡で膜表面（観察範囲０．５ｍｍ角）を１００倍の倍率でＡｌ／Ａｕ拡散痕の有無（個数）を調べた。

表３にバリア性評価の結果を示す。表３において「◎」は、拡散痕が認められなかったことを示し、「×」は、拡散痕が認められたことを示している。なお、かっこ内の数字は確認された拡散痕の個数である。

表３に示すように、基板にバイアス電圧を印加しない場合は、基板加熱の有無にかかわらず、良好なバリア性は得られなかった。また、ＴｉＮｘ膜中の窒素濃度を５０ａｔ％にした場合もすべての条件で良好なバリア性が得られなかった。一方、基板にバイアス電圧を印加した場合は、基板温度が室温では膜中の窒素濃度が５ａｔ％〜４０ａｔ％の範囲内で良好な結果が得られた。基板温度３００℃では、膜中の窒素濃度が０〜４０ａｔ％の範囲内で良好な結果が得られた。

以上述べたように本実施形態によれば、成膜時にＲＦ放電によりプラズマを発生させ、かつ基板バイアスを印加した状態でＴｉＮｘを成膜することにより、ＲＦ放電を発生させない場合に比べて、バリア性の良好なＴｉＮｘ膜を得ることができる。

また、基板を加熱しながら成膜を行うことにより、ＴｉＮｘ膜中の窒素濃度が０〜４０ａｔ％の範囲内で良好なバリア性を得ることができる。基板の加熱温度は３００℃に限られず、１５０℃、２５０℃の温度でも同様な効果が認められることが確認されている。

更に本実施形態によれば、プラズマ発生源としての高周波コイル１０が、基板Ｗから離間した位置に設置されているので、高周波コイル１０によって発生されるプラズマによる基板のダメージを回避できる。これにより、化合物半導体等の電極形成に本発明を効果的に適用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、プラズマ発生源として高周波コイル１０を用いたが、これ以外のプラズマ発生源、例えば有磁場プラズマ発生源やマイクロ波プラズマ発生源などを用いてもよい。

また、以上の実施形態では、基板Ｗの加熱源１３に赤外線ランプを用いたが、これに代えて、基板支持台４に内蔵したヒーターを上記加熱源として構成してもよい。

本発明の実施形態において用いられる蒸着装置の概略構成図である。 本発明の実施形態において説明する比較用サンプルの成膜に用いられる蒸着装置の概略構成図である。 バリア性の良好な試料表面とバリア性の悪い試料表面の各々の一例を示す図である。 Ａｌ／ＴｉＮｘ／Ａｕの積層構造からなる電極膜の概略構成図である。

符号の説明

１ 蒸着装置
２ 真空槽
３ 蒸発源
４ 基板支持台
６ 蒸発源
９ ガス導入ライン
１０ 高周波コイル
１３ 加熱源
１４ バイアス電源
４２ 電極膜
４３ Ａｌ膜
４４ ＴｉＮｘ膜（バリア膜）
４５ Ａｕ膜

Claims (7)

1. チタン又は窒化チタンからなるバリア膜の形成装置であって、
   真空槽と、
   前記真空槽の内部に設置されたチタンの蒸発源と、
   前記蒸発源と対向して設置された基板支持台と、
   前記真空槽の内部にアルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスを導入するガス導入ラインと、
   前記基板支持台にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、
   前記蒸発源と前記基板支持台との間に導入されたガスのプラズマを発生させるプラズマ発生源とを備えた
   ことを特徴とするバリア膜の形成装置。
2. 前記プラズマ発生源は、前記蒸発源と前記基板支持台の間に設置されたコイルと、このコイルに接続された高周波電源である
   ことを特徴とする請求項１に記載のバリア膜の形成装置。
3. 前記基板支持台に支持されている基板を加熱する加熱源を備えた
   ことを特徴とする請求項２に記載のバリア膜の形成装置。
4. チタン又は窒化チタンからなるバリア膜の形成方法であって、
   アルゴン又はアルゴン及び窒素の混合ガスのプラズマ中で、負のバイアス電位が印加された基板上に、蒸発源にて蒸発させたチタンの蒸発粒子を蒸着させる
   ことを特徴とするバリア膜の形成方法。
5. 前記基板に印加するバイアス電位を−０．１ｋＶ以上とする
   ことを特徴とする請求項４に記載のバリア膜の形成方法。
6. 成膜時、前記基板を１５０℃以上、３００℃以下の温度に加熱する
   ことを特徴とする請求項５に記載のバリア膜の形成方法。
7. 前記バリア膜中の窒素の組成比が０以上４０ａｔ％以下である
   ことを特徴とする請求項４に記載のバリア膜の形成方法。