JP2840228B2

JP2840228B2 - 埋め込み配線形成方法

Info

Publication number: JP2840228B2
Application number: JP27951296A
Authority: JP
Inventors: 徳彦玉置
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH09190985A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路装
置の製造工程等において、絶縁膜に形成された凹状溝等
の凹部に配線用金属を埋め込んで埋め込み配線を形成す
る方法に関し、特に、配線用金属が酸化したり絶縁膜中
に拡散したりする事態を防止する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体集積回路装置等に用いられ
ている配線用金属としてはアルミニウム合金が用いられ
ることが多いが、アルミニウム合金と比較して抵抗が低
く且つエレクトロマイグレーション耐性に優れている銅
又は銅合金が次世代の配線用金属として有望視されてい
る。

【０００３】銅又は銅合金からなる銅配線の実用化に対
する最大の課題は、銅配線の酸化の防止、銅配線の絶縁
層中への拡散の防止及び銅膜に対する加工性である。特
に、銅配線を構成する銅又は銅合金は、層間絶縁膜とし
て用いられるＳｉＯ₂ 膜により酸化したり、ＳｉＯ₂ 膜
中に拡散したりし易いので、層間絶縁膜の下に形成され
ているトランジスタ等デバイスに悪影響を与える虞れが
ある。そこで、銅配線と層間絶縁膜との間に各種のバリ
ア層を形成することが提案されている。

【０００４】特開平０２−２４０９２０号には、Ｃｕ−
Ｔｉ合金に対して８００℃の温度下におけるＮ₂ アニー
ルを行なってＴｉＮ膜からなるバリア層を形成すること
により銅の酸化及び拡散を防止する方法が提案されてい
る。

【０００５】また、特開平０６−２７５６２３号や”Di
ffusion Barrier Properties of Transition Metals an
d Their Nitrides for Cu Interconnections”T.Nakao
et.al.,VMIC(1994)には、Ｗ膜に対してＥＣＲプラズマ
法によるプラズマ窒化を行なって窒化タングステン膜か
らなるバリア層を形成する方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、銅又は銅合
金からなる銅配線を用いて多層金属配線を形成する場
合、下層の銅配線の酸化及び拡散を抑制するためには、
バリア層に対する熱処理の温度を６００℃以下に抑える
必要があるが、前者の方法のように６００℃以下の温度
下におけるＮ₂ アニールではＴｉＮ膜を形成することが
できない。一方、８００℃程度の温度下におけるＮ₂ ア
ニールによりＴｉＮ膜を形成すると、下層の銅配線の酸
化及び拡散の問題が起きてしまう。従って、Ｎ₂ アニー
ルによるバリア層の形成と銅配線の採用とは両立し難い
という問題がある。

【０００７】後者の方法は、低温により均一なバリア層
を形成できるため、下層の銅配線の酸化及び拡散という
問題は起こらないので、プラズマ窒化によるバリア層の
形成と銅配線の採用とは両立可能である。ところが、銅
はアルミニウムと異なり、ハロゲン化合物が不揮発性で
あるため、銅膜に対してドライエッチングを行なって銅
配線を形成することは非常に困難である。

【０００８】そこで、絶縁膜における配線形成領域に凹
状溝を形成した後、全面に亘って銅を堆積して凹状溝に
銅が埋め込まれるように銅膜を形成し、その後、銅膜に
おける凹状溝の外側の部分を除去して銅からなる埋め込
み配線を形成する方法が提案されている。

【０００９】ところで、埋め込み配線形成方法により銅
配線を形成する場合には、凹状溝の底部のみならず側壁
部にもバリア層を形成しておかなければならない。特開
平０６−２７５６２３号においては、前述したように、
凹状溝の底部及び側壁部に金属を堆積して金属膜を形成
した後、該金属膜に対してＥＣＲプラズマ法によるプラ
ズマ窒化を行なうことにより、前記金属の窒化膜からな
るバリア層を形成しており、このときの処理圧力は１ｍ
Ｔｏｒｒとしている。

【００１０】ところが、１ｍＴｏｒｒにおいてプラズマ
窒化を行なって金属の窒化膜からなるバリア層を形成す
る従来の方法には、図６（ａ），（ｂ）に示すような問
題がある。図６（ａ）は、シリコン基板１１の上にシリ
コン酸化膜１２を堆積した後、該シリコン酸化膜１２に
凹状溝１３を形成し、次に、シリコン酸化膜１２の上に
全面に亘ってタングステン膜１５を堆積した後、プラズ
マ窒化法によりタングステン膜１５の表面に窒化タング
ステン膜１７を形成する工程を示している。この場合、
１ｍＴｏｒｒにおける窒素イオンの平均自由工程は、１
０ｃｍ以上であって、プラズマ発生領域とシリコン基板
との間のシース領域のシース長（約３ｍｍ）に比べてか
なり大きいので、シース領域において窒素イオンが窒素
分子と衝突する可能性は極めて低い。このため、図６
（ａ）に示すように、窒素イオン１６はシリコン基板１
１に対してほぼ垂直な方向から入射する。従って、窒素
イオン１６はタングステン膜１５における凹状溝１３の
側壁部には殆ど到達することがないため、タングステン
膜１５の凹状溝１３の側壁部においては窒化反応が促進
されないので、凹状溝１３の側壁部には窒化タングステ
ン膜１７が形成されないことになる。

【００１１】タングステン膜１５における凹状溝１３の
側壁部に窒化タングステン膜１７が形成されない状態
で、図６（ｂ）に示すように、全面に亘って銅膜１８を
堆積すると、タングステン膜１５が銅膜１８に対する充
分なバリア性を有していないので、銅膜１８はタングス
テン膜１５における凹状溝１３の側壁部を通ってシリコ
ン酸化膜１２中に拡散し、シリコン基板１１上に形成さ
れたデバイスに悪影響を与えるという問題がある。

【００１２】また、前述した、凹状溝の底部及び側壁部
に高融点金属を堆積して金属膜を形成する工程は、凹状
溝の底部及び側壁部に対するカバレッジが良好なＣＶＤ
法により行なうことが好ましいが、この場合、次のよう
な問題がある。すなわち、低抵抗な金属膜を形成するべ
く堆積する高融点金属の結晶成長を促進させると、金属
膜の表面に凹凸ができてしまい、金属膜をプラズマ窒化
処理する際に、金属膜表面の凹凸によって窒化が進む部
位と遅れる部位とが発生する。このために、均一に窒化
された金属窒化膜よりなるバリア層が得られないという
問題もある。

【００１３】前記に鑑み、本発明は、凹部を有する高融
点導電性材料よりなる導電膜に対してプラズマ窒化を行
なうにも拘らず、該導電膜における凹部の側壁部にも確
実に高融点導電性材料の窒化膜が形成されるようにする
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、１０Ｐａ以上
の圧力下において高融点導電性材料よりなる導電膜に対
してプラズマ窒化を行なうと、該導電膜における凹部の
側壁部にも窒素イオンが到達して該導電膜が確実に窒化
されるということを見い出し、該知見に基づいて成され
たものである。

【００１５】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、埋め込み配線形成方法を、半導体基板上の絶縁膜に
凹部を形成する第１の工程と、前記絶縁膜の上に高融点
導電性材料を堆積することにより、該高融点導電性材料
からなり前記絶縁膜の凹部と対応する部位に凹部を有す
る第１の導電膜を形成する第２の工程と、１０Ｐａ以上
の圧力に保たれた真空槽内に前記半導体基板を保持した
状態で前記第１の導電膜の表面部をプラズマ窒化するこ
とにより、前記高融点導電性材料の窒化物からなり前記
第１の導電膜の凹部と対応する部位に凹部を有する第２
の導電膜を形成する第３の工程と、前記第２の導電膜の
上に配線用金属を前記第２の導電膜の凹部に前記配線用
金属が埋め込まれるように堆積することにより、前記配
線用金属からなる金属膜を形成する第４の工程と、前記
第１の導電膜、第２の導電膜及び金属膜における前記絶
縁膜の凹部の外側に位置する部分を除去して、前記第２
の導電膜の凹部内に前記配線用金属からなる埋め込み配
線を形成する第５の工程とを備えている構成とするもの
である。

【００１６】請求項１の構成により、以下の現象が生じ
る。

【００１７】窒素イオンの平均自由工程λ_i は真空槽内
の圧力Ｐに反比例するから、窒素イオンの平均自由工程
λ_i は、圧力Ｐが１ｍＴｏｒｒのときに１０ｃｍ以上で
あるのに対して、圧力Ｐが１０Ｐａ（７５ｍＴｏｒｒ）
のときには１ｍｍ程度となる。従って、数ｍｍのシース
長Ｌ_shを持つシース領域を通過する窒素イオンは気体分
子（窒素分子）と平均数回程度衝突することになる。

【００１８】実際は、シース長Ｌ_shと圧力Ｐとの間に
は、Ｌ_sh＝ｂＰ^-a（ａ、ｂ：定数、０＜ａ＜０．５）……
（１）の関係があり、シース長Ｌ_shも圧力Ｐが高くなる
につれて小さくなるので、シース領域における衝突回数
が圧力に単純に反比例することはない。

【００１９】半導体基板側に陰極降下電圧Ｖ_DCが発生し
ないアノード型カップルド型プラズマ装置や、負バイア
ス印加を行なわないプラズマ処理装置においては、定数
ａは殆ど０であるため、シース長Ｌ_shは圧力Ｐと殆ど無
関係である。従って、これらのプラズマ装置を用いる場
合において圧力Ｐが１０Ｐａ以上であると、シース領域
において窒素イオンは気体分子と平均数回程度衝突する
ので、半導体基板に対して垂直方向から衝突しない（つ
まり斜め方向から衝突する）窒素イオンが多数発生す
る。この場合、半導体基板に対して斜め方向から入射す
る窒素イオンは凹部の底部のみならず凹部の側壁にも衝
突するので、凹部の側壁に形成された高融点導電性材料
よりなる第１の導電膜の窒化反応が促進される。

【００２０】尚、平均衝突回数が３回以上であれば、確
率的には、大部分の窒素イオンは半導体基板に到達する
までに少なくとも１回は気体分子と衝突する。

【００２１】請求項２の発明は、請求項１の構成に、前
記第３の工程は、５０Ｐａ以上の圧力に保たれた前記真
空槽内に前記半導体基板を保持して前記第１の導電膜の
表面部をプラズマ窒化する工程を含む構成を付加するも
のである。

【００２２】請求項２の構成により、以下のような現象
が起きる。すなわち、真空槽内が５０Ｐａ以上の圧力に
保持されているため、シース領域において窒素イオンは
気体分子と平均１０回以上衝突するので、窒素イオンは
半導体基板に衝突する直前に気体分子と衝突する割合が
極めて高くなる。このため、窒素イオンはシース領域に
おいて半導体基板に対して垂直な方向に加速されている
が、ある程度の大きさの基板垂直方向のエネルギーを持
つ窒素イオンが半導体基板に衝突する直前に気体分子と
衝突すると、窒素イオンの半導体基板に対して平行な方
向のエネルギーは増加する。従って、半導体基板に対し
て浅い角度で入射する窒素イオンの割合が増加する。

【００２３】請求項３の発明は、請求項１の構成に、前
記第４の工程における配線用金属は銅又は銅合金である
という限定を付加するものである。

【００２４】請求項４の発明は、請求項１の構成に、前
記第２の工程における高融点導電性材料はチタン、タン
タル又はタングステンであるという限定を付加するもの
である。

【００２５】請求項５の発明は、請求項１の構成に、前
記第３の工程は、前記半導体基板をアース電位又は正電
位に保持した状態でプラズマ窒化を行なう工程を含む構
成を付加するものである。

【００２６】請求項５の構成により、以下の現象が起き
る。すなわち、半導体基板側に陰極降下電圧Ｖ_DCが発生
するカソードカップルド型プラズマ装置や、基板側に負
バイアスを印加するプラズマ処理装置においては、プラ
ズマ電位以上の電位によって窒素イオンが加速される。
プラズマ窒化工程において、窒素イオンが窒素分子と衝
突して散乱される角度（反跳角度）にはイオンエネルギ
ー依存性があり、イオンエネルギーが小さいほど広い角
度に散乱される。従って、前述したプラズマ電位以上の
電位によって窒素イオンが加速されるプラズマ装置にお
いては、窒素イオンが気体分子と衝突しても、凹部の側
壁部の第１の導電膜を窒化できるような浅い角度で半導
体基板に入射することは難しい。ところが、半導体基板
をアース電位又は正電位に保持した状態でプラズマ窒化
を行なうと、窒素イオンはプラズマ電位のみによって加
速されることになるため、窒素イオンの反跳角度が拡が
るので、窒素イオンは半導体基板に対して浅い角度で入
射することになる。

【００２７】請求項６の発明は、請求項１の構成に、前
記第２の工程は、ＣＶＤ法により前記金属を堆積する工
程を含むという構成を付加するものである。

【００２８】請求項６の構成により、第１の導電膜を形
成する工程はＣＶＤ法により行なわれるので、絶縁膜の
凹部の底部及び側壁部にに対して優れたカバレッジを持
つ第１の導電膜を形成することができる。

【００２９】請求項７の発明は、請求項６の構成に、前
記第２の工程は、前記高融点導電性材料の結晶化が抑え
られる温度領域で該高融点導電性材料を堆積することに
より、該高融点導電性材料の少なくとも一部がアモルフ
ァスな状態で前記第１の導電膜を形成する工程を含む構
成を付加するものである。

【００３０】請求項７の構成により、第１の導電膜を構
成する高融点導電性材料の結晶化が抑えられる温度領域
で該高融点導電性材料を堆積することにより、該高融点
導電性材料の少なくとも一部がアモルファスな状態で第
１の導電膜を形成するため、第１の導電膜の表面に凹凸
ができにくいので、第１の導電膜の表面部に対してプラ
ズマ窒化処理を行なって第２の導電膜を形成する際に、
第１の導電膜に対する窒化がほぼ均一な速度で進む。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１及び図２は本発明の一実施形
態に係る埋め込み配線形成方法の工程順断面図を示して
いる。

【００３２】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板１１の上にプラズマＣＶＤ法により絶縁膜としての
膜厚１．５μｍのシリコン酸化膜１２を堆積した後、シ
リコン酸化膜１２に深さ６００ｎｍの配線パターンの凹
状溝１３を形成する。

【００３３】次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン
酸化膜１２の上にスパッタ法により密着層としての膜厚
３０ｎｍのチタン膜１４を堆積した後、チタン膜１４の
上にＷＦ₆ ガスを用いる熱ＣＶＤ法により、高融点導電
性材料からなる第１の導電膜としての膜厚５０ｎｍのタ
ングステン膜１５を堆積する。一般的には、熱ＣＶＤ法
によりタングステン膜を形成する際の処理温度として
は、結晶成長が十分に進み、比抵抗の小さい膜を堆積で
きる４５０℃程度が採用される。ところが、結晶成長が
十分に進むと、タングステン膜１５の表面には数十ｎｍ
の凹凸が生じてしまい、凹状溝１２の開口部からみると
凹状溝１２の側壁における凸部の下側に影ができてしま
う。側壁における凸部の影になる領域には、後述するプ
ラズマ窒化処理の際にタングステン膜１５の窒化が十分
に進まないので、結晶成長を抑制するために３５０℃程
度の温度で熱ＣＶＤ法を行なって、表面が平滑なタング
ステン膜１５を堆積することが好ましい。

【００３４】次に、図４に示すようなアノードカップリ
ング型プラズマ装置を用いて、図１（ｃ）に示すよう
に、窒素イオン１６をタングステン膜１５の表面に到達
させて、タングステン膜１５の表面に銅に対するバリア
層となる第２の導電膜としての窒化タングステン膜１７
を形成する。図４において、２０は真空槽、２１は真空
槽２０内に設けられておりシリコン基板１１を保持する
アノード電極となる試料台であって、該試料台２１は接
地されている。また、図４において、２２は試料台２１
に対向するように設けられたカソード電極となる対向電
極であって、該対向電極２２には高周波電力が印加され
る。これにより、試料台２１と対向電極２２との間のプ
ラズマ領域２３においてプラズマが発生する。このよう
なアノードカップリング型プラズマ装置を用いて窒化タ
ングステン膜１７を形成すると、シリコン基板１１に陰
極降下電圧が発生しないため、前記の（１）式におい
て、定数ａが殆ど０になるので、シース長Ｌ_shは圧力Ｐ
とは無関係になる。

【００３５】以下、タングステン膜１５の表面に窒化タ
ングステン膜１７を形成する処理条件について説明す
る。

【００３６】窒素イオン１６がシリコン基板１１に対し
て斜め方向に入射するような処理条件としては、例えばガスの種類：Ｎ₂ ガス流量：１００ｓｃｃｍ圧力：１０Ｐａ（７５ｍＴｏｒｒ）ＲＦパワー：５００Ｗ試料台温度：２５℃ 処理時間：６０ｓｅｃが挙げられる。

【００３７】真空槽２０の内部圧力が１０Ｐａの場合に
は、窒素イオン１６の平均自由工程は１ｍｍ程度である
ので、図３に示すように、シース長が約３ｍｍのシース
領域を通過する窒素イオン１６は窒素分子と平均３回の
頻度で衝突する。また、窒素イオン１６の平均衝突回数
が３回以上であれば、ほぼすべての窒素イオン１６がシ
リコン基板１１に到達するまでに少なくとも１回は窒素
分子を衝突することになる。このように、真空槽２０の
内部圧力を１０Ｐａ以上にすると、シース領域におい
て、窒素イオン１６は確実に窒素分子と衝突するため、
ほぼすべての窒素イオン１６が、シリコン基板１１に対
して斜め方向から入射し、タングステン膜１５における
凹状溝１３の底部のみならず側壁部にも到達するように
なるので、タングステン膜１５における凹状溝１３の側
壁部においても窒化反応が促進される。

【００３８】ところで、窒素イオン１６はシース領域に
おいて加速されるため、シリコン基板１１に到達する直
前においては、シリコン基板１１に対して垂直な方向の
エネルギーが大きくなっている。従って、窒素イオン１
６がシリコン基板１１に到達する直前に窒素分子と衝突
することが好ましい。このためには、窒素イオン１６の
シース領域における窒素分子との平均衝突回数は１０回
以上であることが好ましく、このような処理圧力は５０
Ｐａ（３７５ｍＴｏｒｒ）以上である。

【００３９】尚、処理圧力を１００Ｐａ以上にすると、
シリコン基板１１に対して浅い角度で入射する窒素イオ
ン１６の割合が急激に増加するため、タングステン膜１
５の凹状溝１３においては、側壁部を含むすべての面に
おいて均一に窒化タングステン膜１７を形成することが
可能になるので、より効果的である。

【００４０】また、前記実施形態においては、イオンエ
ネルギーを必要以上に大きくしないアノードカップリン
グ型プラズマ装置を用いているため、窒素イオン１６の
反跳角度が大きくなり、窒素イオン１６はシリコン基板
１１に対してより斜め方向に入射することができる。

【００４１】プラズマ窒化処理において、前述した処理
装置及び処理条件を用いるため、３５０℃程度の低温に
おける熱ＣＶＤ法により表面が平滑なタングステン膜１
５が堆積されることと、窒素イオン１６がシリコン基板
１１に対して斜め方向から入射してタングステン膜１５
における凹状溝１３の側壁に確実に衝突することとが合
わさって、凹状溝１３の側壁に窒化タングステン膜１７
を確実且つ均一に形成することができる。

【００４２】尚、前記実施形態においては、窒化タング
ステン膜１７を形成する際の圧力として、１０Ｐａを用
いたが、圧力を５０Ｐａ又は１００Ｐａ程度にすると、
シリコン基板１１に対して浅い角度で入射する窒素イオ
ン１６の割合が増加するので、凹状溝１３の側壁に窒化
タングステン膜１７をより均一に形成することができ
る。

【００４３】また、前記実施形態においては、前述のよ
うにアノードカップリング型プラズマ装置を用いてタン
グステン膜１５のプラズマ窒化を行なったが、バイアス
無印加のＩＣＰ（容量結合型プラズマ）や、マイクロ波
プラズマ発生装置等を用いても同等の効果が得られる。
シリコン基板１１側に陰極降下電圧Ｖ_DCが発生するカソ
ードカップルド型プラズマ装置や、シリコン基板１１側
に負バイアスを印加するプラズマ処理装置は、反跳角度
のイオンエネルギー依存性により、窒素イオン１６の持
つシリコン基板１１に垂直な方向のエネルギーが大きく
なってしまうので、避けることが好ましい。すなわち、
試料台２１を接地する等して、プラズマ電位のみによっ
てイオンを加速させることが好ましい。

【００４４】次に、図２（ａ）に示すように、スパッタ
法により膜厚８００ｎｍの金属膜としての銅膜１８を全
面に堆積した後、銅膜１８に対して水素雰囲気中で４０
０℃の熱処理を行なって、銅膜１８を凹状溝１３の内部
に流し込む。

【００４５】次に、化学機械研磨によって、図２（ｂ）
に示すように、凹状溝１３の外部に堆積されているチタ
ン膜１４、タングステン膜１５、窒化タングステン膜１
７及び銅膜１８を除去する。その後、既知の方法により
シリコン窒化膜等を含む層間絶縁膜を堆積した後、該層
間絶縁膜の上に配線層を形成することにより、多層配線
を形成する。

【００４６】図５は、プラズマ窒化プロセスにおける処
理圧力Ｐと、タングステン膜１５中に拡散した銅濃度と
の関係を示しており、処理圧力が１０Ｐａ以上になる
と、銅濃度が著しく低下することが分かる。これによ
り、タングステン膜１５における凹状溝１３の底部及び
側壁部に窒化タングステン膜１７が確実に形成されてい
ることを確認できた。また、図５から、処理圧力が１０
０Ｐａ以上になると、銅の拡散量を４桁程度抑制でき、
タングステン膜１５における凹状溝１３の底部及び側壁
部に窒化タングステン膜１７がより確実に形成されてい
ることが分かる。

【００４７】以上のように、本実施形態においては、プ
ラズマ窒化プロセスにおいて、前記の処理装置及び処理
条件を用いるため、窒素イオン１６はシリコン基板１１
に対して確実に斜め方向から入射し、タングステン膜１
５における凹状溝１３の側壁部に効率良く到達するの
で、該側壁部においても窒化タングステン膜１７を確実
に形成することができる。これにより、銅膜１８のシリ
コン酸化膜１２への拡散が抑制され、配線抵抗が低くト
ランジスタ等の素子に悪影響を及ぼさない埋め込み銅配
線を形成することが可能になる。

【００４８】尚、前記実施形態においては、高融点導電
性材料としてタングステンを用い、タングステン膜１５
に対するプラズマ窒化によりバリア層となる窒化タング
ステン膜１７を形成したが、窒化タングステン膜１７に
代えて、チタン膜やタンタル膜等の他の高融点金属膜を
用いることができ、これら他の高融点金属膜に対するプ
ラズマ窒化によって形成される窒化チタン膜や窒化タン
タル膜等のバリア層を用いることもできる。また、高融
点導電性材料として窒化チタン等を用い、該窒化チタン
等よりなる高融点導電膜に対するプラズマ窒化によって
形成されるバリア性が向上したバリア層を窒化タングス
テン膜１７に代えて用いることもできる。

【００４９】また、前記実施形態においては、タングス
テン膜１５のシリコン酸化膜１２に対する密着性を向上
させるため、シリコン酸化膜１２の上に密着層としての
チタン膜１４を堆積したが、バリア層として窒化チタン
膜を形成する場合には前記の密着層はなくてもよい。

【００５０】また、前記実施形態においては、配線用金
属としては銅を用いたが、銅に代えて、銅合金、金又は
銀を用いてよい。

【００５１】

【発明の効果】請求項１の発明に係る埋め込み配線形成
方法によると、真空槽内を１０Ｐａ以上の圧力に保持し
た状態で第１の導電膜の表面部をプラズマ窒化するた
め、ほぼすべての窒素イオンがシース領域において窒素
分子と最低１回衝突するので、試料台に対して垂直方向
に進む窒素イオンのうちのほぼすべての窒素イオンが進
む方向を変えられ、半導体基板に対して斜め方向から入
射する。このため、第２の導電膜の凹部内に入射する窒
素イオンのうちの一部は凹部の側壁部に確実に到達する
ので、第２の導電膜における凹部の側壁部には確実に高
融点導電性材料の窒化膜が形成され、これにより、配線
用金属の絶縁膜への拡散を防止することができる。ま
た、絶縁膜がシリコン酸化膜の場合には配線用金属の酸
化を防止することもできる。

【００５２】請求項２の発明に係る埋め込み配線形成方
法によると、真空槽内を５０Ｐａ以上の圧力に保持した
状態で第１の導電膜の表面部をプラズマ窒化するため、
シース領域において窒素イオンは窒素分子と平均１０回
以上衝突するので、窒素イオンは試料台に対して平行な
方向のエネルギーが増大すると共に半導体基板に到達す
る直前に窒素分子と衝突する割合も増大する。このた
め、窒素イオンは半導体基板に対して一層大きな角度を
もって入射するので、第２の導電膜の凹部の壁部に到達
する窒素イオンの割合が増大し、第２の導電膜における
凹部の側壁部は一層確実に窒化される。

【００５３】請求項３の発明に係る埋め込み配線形成方
法によると、銅又は銅合金からなる配線用金属の絶縁膜
中への拡散を防止することができる。

【００５４】請求項４の発明に係る埋め込み配線形成方
法によると、チタン、タンタル又はタングステンの窒化
物からなるバリア層を形成することができる。

【００５５】請求項５の発明に係る埋め込み配線形成方
法によると、半導体基板をアース電位又は正電位に保持
した状態でプラズマ窒化を行なうため、窒素イオンは半
導体基板に対してより浅い角度で入射するので、より均
一な高融点導電性材料の窒化物よりなる第２の導電膜を
形成することができる。

【００５６】請求項６の発明に係る埋め込み配線形成方
法によると、第１の導電膜を形成する工程はＣＶＤ法に
より行なわれるので、優れたカバレッジを持つ第１の導
電膜を絶縁膜の凹部に形成することができる。

【００５７】請求項７の発明に係る埋め込み配線形成方
法によると、第１の導電膜の表面に凹凸ができにくいた
め、第１の導電膜に対するプラズマ窒化工程において、
第１の導電膜に対する窒化がほぼ均一な速度で進むの
で、高融点導電性材料の窒化物からなるより均一な第２
の導電膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る埋め込み配線形成方
法の各工程を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る埋め込み配線形成方
法の各工程を示す断面図である。

【図３】本発明の一実施形態に係る埋め込み配線形成方
法のプラズマ窒化工程において窒素イオンが窒素分子と
衝突する状態を示す概念図である。

【図４】本発明の一実施形態に係る埋め込み配線形成方
法に用いるアノードカップリング型プラズマ装置の概略
構成図である。

【図５】本発明の一実施形態に係る埋め込み配線形成方
法のプラズマ窒化工程における処理圧力Ｐとタングステ
ン膜中に拡散した銅濃度との関係を示す特性図である。

【図６】従来の埋め込み配線形成方法の問題点を説明す
る断面図である。

【符号の説明】

１１シリコン基板（半導体基板）１２シリコン酸化膜（絶縁膜）１３凹状溝（凹部）１４チタン膜１５タングステン膜（第１の導電膜）１６窒素イオン１７窒化タングステン膜（第２の導電膜）１８銅膜（金属膜）２０真空槽２１試料台２２対向電極２３プラズマ領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上の絶縁膜に凹部を形成する
第１の工程と、前記絶縁膜の上に高融点導電性材料を堆積することによ
り、該高融点導電性材料からなり前記絶縁膜の凹部と対
応する部位に凹部を有する第１の導電膜を形成する第２
の工程と、１０Ｐａ以上の圧力に保たれた真空槽内に前記半導体基
板を保持して前記第１の導電膜の表面部をプラズマ窒化
することにより、前記高融点導電性材料の窒化物からな
り前記第１の導電膜の凹部と対応する部位に凹部を有す
る第２の導電膜を形成する第３の工程と、前記第２の導電膜の上に配線用金属を前記第２の導電膜
の凹部に前記配線用金属が埋め込まれるように堆積する
ことにより、前記配線用金属からなる金属膜を形成する
第４の工程と、前記第１の導電膜、第２の導電膜及び金属膜における前
記絶縁膜の凹部の外側に位置する部分を除去して、前記
第２の導電膜の凹部内に前記配線用金属からなる埋め込
み配線を形成する第５の工程とを備えていることを特徴
とする埋め込み配線形成方法。
【請求項２】前記第３の工程は、５０Ｐａ以上の圧力
に保たれた前記真空槽内に前記半導体基板を保持して前
記第１の導電膜の表面部をプラズマ窒化する工程を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の埋め込み配線形成方
法。
【請求項３】前記第４の工程における配線用金属は銅
又は銅合金であることを特徴とする請求項１に記載の埋
め込み配線形成方法。
【請求項４】前記第２の工程における高融点導電性材
料はチタン、タンタル又はタングステンであることを特
徴とする請求項１に記載の埋め込み配線形成方法。
【請求項５】前記第３の工程は、前記半導体基板をア
ース電位又は正電位に保持した状態でプラズマ窒化を行
なう工程を含むことをことを特徴とする請求項１に記載
の埋め込み配線形成方法。
【請求項６】前記第２の工程は、ＣＶＤ法により前記
高融点導電性材料を堆積する工程を含むことを特徴とす
る請求項１に記載の埋め込み配線形成方法。
【請求項７】前記第２の工程は、前記高融点導電性材
料の結晶化が抑えられる温度領域で該高融点導電性材料
を堆積することにより、該高融点導電性材料の少なくと
も一部がアモルファスな状態で前記第１の導電膜を形成
する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の埋め
込み配線形成方法。
【請求項８】前記第３の工程は、１００Ｐａ以上の圧
力に保たれた前記真空槽内に前記半導体基板を保持して
前記第１の導電膜の表面部をプラズマ窒化する工程を含
むことを特徴とする請求項１に記載の埋め込み配線形成
方法。
【請求項９】前記第１の導電膜は、窒化チタン膜であ
ることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み配線形成
方法。
【請求項１０】前記第２の工程は、前記絶縁膜の上に
チタン膜を形成した後、該チタン膜の上に前記高融点導
電性材料を堆積することにより、前記第１の導電膜を形
成する工程を含むことを特徴とする請求項１又は９に記
載の埋め込み配線形成方法。