JP3665031B2 - Barrier metal film manufacturing apparatus and barrier metal film manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の表面に金属膜を成膜する際に基板に対する金属の拡散をなくして金属の密着性を保持するために基板の表面に成膜されるバリアメタル膜の作製装置及び作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的な配線が施されている半導体では、スイッチングの速度や伝送損失の低減、高密度化等により、配線の材料として銅が用いられるようになってきている。銅の配線を施す場合、配線用の凹部を表面に有する基板に対し、気相成長法やメッキ等を用いて凹部を含む表面に銅を成膜することが行なわれている。
【0003】
基板の表面に銅を成膜する際には、基板に対する銅の拡散をなくして銅の密着性を保持するために、基板の表面には予めバリアメタル膜(例えば、タンタル、チタン、シリコン等の窒化物)が作製されている。メッキ等を用いる場合には、バリアメタル膜上に物理的、あるいは化学的気相蒸着法により銅シールド層を形成し、電極としても適用される。バリアメタル膜は、スパッタ法等の物理的蒸着法により成膜されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
基板の表面に形成されている配線用の凹部は、小さくなる傾向にあり、バリアメタル膜も一層の薄膜化が要望されている。しかし、バリアメタル膜は、スパッタ法が用いられて作製されているので、方向性が均一ではないため小さな凹部では、内部が成膜される前に凹部の入口部が成膜されて埋め込み性が不十分になる問題があり、また、損傷が激しいものであった。
【0005】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、埋め込み性に優れ極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜を成膜することができると共に、表面に成膜される金属との密着性に優れたバリアメタル膜を成膜することができるバリアメタル膜作製装置及びバリアメタル膜作製方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のバリアメタル膜作製装置は、基板が収容されるチャンバと、基板に対向する位置におけるチャンバに設けられる金属製の被エッチング部材と、チャンバ内にハロゲンを含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、チャンバ内に窒素を含有するガスを供給する窒素含有ガス供給手段と、チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ、原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成すると共に、チャンバの内部をプラズマ化して窒素含有ガスプラズマを発生させ、前駆体との間で金属窒化物を生成する、プラズマ発生手段と、基板側の温度をプラズマ発生手段側の温度よりも低くして金属窒化物を基板の表面にバリアメタル膜として成膜させる制御手段と、基板表面の上部に希ガスを供給する希ガス供給手段と、チャンバ内部をプラズマ化して希ガスプラズマを発生させ、希ガスプラズマで表層の窒素原子を除去してバリアメタル膜の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる表面処理を施す表面処理プラズマ発生手段とを備えたことを特徴とする。
【0007】
そして、バリアメタル膜の最表層形成終了間際にチャンバ内に酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、チャンバの内部をプラズマ化して酸素ガスプラズマを発生させバリアメタル膜の最表層に酸化層を形成する酸素プラズマ発生手段とを更に備えたことを特徴とする。
【0013】
そして、チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、チャンバの内部をプラズマ化して水素ガスプラズマを発生させ酸化層に水酸基を形成する水酸基プラズマ発生手段とを更に備えたことを特徴とする。
【0014】
また、ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスであることを特徴とする。また、窒素を含有する窒素含有ガスは、アンモニアを含むガスであることを特徴とする。また、被エッチング部材は、ハロゲン化物形成金属であるタンタルもしくはタングステン、チタンもしくはシリコンであることを特徴とする。
【0015】
上記目的を達成するための本発明のバリアメタル膜作製方法は、基板と金属製の被エッチング部材との間におけるチャンバ内にハロゲンを含有する原料ガス及び窒素含有ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成すると共に、チャンバの内部をプラズマ化して窒素含有ガスプラズマを発生させ前駆体との間で金属窒化物を生成し、基板側の温度をプラズマ発生手段側の温度よりも低くして金属窒化物を基板の表面にバリアメタル膜として成膜させる一方、基板表面の上部のチャンバ内に希ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して希ガスプラズマを発生させ、希ガスプラズマで表層の窒素原子を除去してバリアメタル膜の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる表面処理を施すことを特徴とする。
【0016】
そして、バリアメタル膜の最表層形成終了間際にチャンバ内に酸素ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して酸素ガスプラズマを発生させバリアメタル膜の最表層に酸化層を形成することを特徴とする。
【0022】
そして、チャンバ内に水素ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して水素ガスプラズマを発生させ酸化層に水酸基を形成することを特徴とする。
【0023】
また、ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスであることを特徴とする。また、窒素を含有する窒素含有ガスは、アンモニアを含むガスであることを特徴とする。また、被エッチング部材は、ハロゲン化物形成金属であるタンタルもしくはタングステン、チタンもしくはシリコンであることを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1乃至図7に基づいて本発明のバリアメタル膜作製装置及びバリアメタル膜作製方法の第1実施形態例を説明する。図1には本発明の第1実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面、図2にはバリアメタル膜を説明する基板の断面状況、図3、図4には脱窒処理におけるバリアメタル膜の概念状況、図5には酸化層形成処理におけるバリアメタル膜の概念状況、図6には銅粒子の接触角度と基板の酸素濃度との関係、図7には水酸基形成処理におけるバリアメタル膜の概念状況を示してある。また、図8には希ガス供給手段の他の例を表す概略構成を示してある。
【0025】
図1に示すように、円筒状に形成された、例えば、セラミックス製(絶縁材料製)のチャンバ1の底部近傍には支持台2が設けられ、支持台2には基板3が載置される。支持台2にはヒータ4及び冷媒流通手段5を備えた制御手段としての温度制御手段6が設けられ、支持台2は温度制御手段6により所定温度(例えば、基板3が100℃乃至200℃に維持される温度)に制御される。
【0026】
チャンバ1の上面は開口部とされ、開口部は金属製の被エッチング部材としての金属部材7(例えば、W,Ti,Ta,TiSi等)によって塞がれている。金属部材7によって塞がれたチャンバ1の内部は真空装置8により所定の圧力に維持される。チャンバ1の筒部の周囲にはプラズマ発生手段としてのコイル状巻線アンテナのプラズマアンテナ9が設けられ、プラズマアンテナ9には整合器10及び電源11が接続されて給電が行われる。
【0027】
金属部材7の下方におけるチャンバ1の筒部には、チャンバ1の内部にハロゲンとしての塩素を含有する原料ガス(He,Ar等で塩素濃度が≦50% 、好ましくは10% 程度に希釈されたCl2 ガス)を供給する原料ガス供給手段としてのノズル12が接続されている。ノズル12には流量制御器13を介して原料ガスが送られる。ノズル12から原料ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Cl2 ガスがイオン化されてCl2 ガスプラズマが発生するようになっている(プラズマ発生手段)。尚、原料ガスに含有されるハロゲンとしては、フッ素(F)、臭素(Br)及びヨウ素(I)等を適用することが可能である。
【0028】
また、金属部材7の下方におけるチャンバ1の筒部には、チャンバ1の内部に窒素含有ガスとしてのアンモニアガス(NH3 ガス)を供給する窒素含有ガス供給手段としてのノズル14が接続されている。ノズル14からNH3 ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、NH3 ガスがイオン化されてNH3 ガスプラズマが発生するようになっている(プラズマ発生手段)。
【0029】
また、基板3の表面の上部におけるチャンバ1内に希ガスとしてのArガスを供給する希ガス供給手段としての希ガスノズル21が設けられている。希ガスノズル21からArガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Arガスがイオン化されてArガスプラズマが発生するようになっている(表面処理プラズマ発生手段)。
【0030】
尚、希ガス供給手段としては、Cl2 ガスの希釈ガスとしてArガスを適用した場合、図8に示すように、原料ガス(Cl2 ガス)と希釈ガス(Arガス)との合流部に制御弁22を設け、Arガスプラズマを発生させる際にCl2 ガスを止めてArガスのみをノズル12から供給する構成とすることも可能である。これにより、希ガスノズル21を特別に設ける必要がなく、スペース的に有利となる。
【0031】
また、基板3の表面の上部におけるチャンバ1内に酸素ガス(O2ガス)を供給する酸素ガス供給手段としての酸素ガスノズル15が設けられている。酸素ガスノズル15からO2ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、O2ガスがイオン化されてO2ガスプラズマが発生するようになっている(酸素プラズマ発生手段)。
【0032】
更に、基板3の表面の上部におけるチャンバ1内に水素ガス(H2ガス)を供給する水素ガス供給手段としての水素ガスノズル16が設けられている。水素ガスノズル16からH2ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、H2ガスがイオン化されてH2ガスプラズマが発生するようになっている(水酸基プラズマ発生手段)。
【0033】
上述したバリアメタル膜作製装置では、チャンバ1の内部にノズル12から原料ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Cl2 ガスがイオン化されてCl2 ガスプラズマ(原料ガスプラズマ)が発生する。Cl2 ガスプラズマにより、金属部材7にエッチング反応が生じ、前駆体(MxCly:M はW,Ti,Ta,TiSi等の金属)16が生成される。金属部材7はプラズマにより基板3の温度よりも高い所定温度(例えば、200℃乃至400℃)に維持されている。
【0034】
また、チャンバ1の内部にノズル14からNH3 ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、NH3 ガスがイオン化されてNH3 ガスプラズマが発生し、前駆体20との間で還元反応が生じて金属窒化物(MN)が生成される。チャンバ1の内部で生成された金属窒化物(MN)は低い温度に制御された基板3に運ばれて、基板3の表面にMNが成膜されてバリアメタル膜23が生成される(図2参照)。
【0035】
バリアメタル膜23が生成されるときの反応は、次式で表すことができる。
2MCl+2NH3 →2MN↓+HCl↑+2H2 ↑
反応に関与しないガス及びエッチング生成物は排気口17から排気される。
【0036】
バリアメタル膜23が生成された後に、希ガスノズル21からArガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Arガスプラズマを発生させる。基板3の表面には、図3に示したように、MNのバリアメタル膜23が成膜されているため、Arガスプラズマを発生させることで、Ar+ により、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして表層のMNの窒素原子(N) を除去してバリアメタル膜23の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる処理(脱窒処理)が施される。
【0037】
図3に示すように、バリアメタル膜23はMとNがアモルファス状態で混在し、Ar+ により質量の小さいNが優先的に除去され、バリアメタル膜23の表層(例えば、最大で全体膜厚の半分:好ましくは1/3程度)が脱窒処理される。これにより、図4に示すように、実質的にMで構成される金属層23aとMN層23bとの二層構造のバリアメタル膜23の状態となる。この時、バリアメタル膜23の全体の膜厚は一層で構成された膜厚のままである。
【0038】
バリアメタル膜23の最表層形成終了間際に、酸素ガスノズル15からチャンバ1内に微量のO2ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、O2ガスプラズマを発生させる。これにより、図5に示すように、実質的にMで構成される金属層23aの表面に酸化層24が形成される。酸化層24が形成されることにより、バリアメタル膜23の表面に金属(例えば銅)を付着(成膜)させた場合に、金属の濡れ性が良好になり、密着性を向上させることができる。
【0039】
即ち、図6に示すように、基板3の酸素濃度が高くなるにしたがって、銅の粒子の接触角θ(基板を固体とし銅を液体とした時の表面張力の釣合いにおける極少の表面エネルギーをとる角度)が小さくなることが確認されている。即ち、基板3の酸素濃度が高くなるにしたがって銅の粒子が基板3の表面につぶれた状態(濡れ性が良好な状態)で付着する。このため、O2ガスプラズマを発生させて金属層23aの表面に酸化層24を形成することにより、酸素濃度を高くして成膜される金属(銅)の濡れ性を良好にすることが可能になる。
【0040】
金属層23aの表面に酸化層24を形成した後、水素ガスノズル16からチャンバ1内にH2ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、H2ガスプラズマを発生させる。これにより、図7に示すように、酸化層24の表面に水酸基(OH基)が形成される。これにより、親水性が向上し、成膜される金属(銅)の密着性をさらに向上させることが可能になる。
【0041】
上記構成のバリアメタル膜作製装置では、プラズマにより金属を生じさせてバリアメタル膜23を作製しているので、均一にしかも薄膜状にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。このため、基板3に設けられる、例えば、数百nm幅程度の小さな凹部に対しても内部にまで精度よく成膜され、埋め込み性に優れ、極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。
【0042】
また、Arガスプラズマで窒素原子を除去してバリアメタル膜23の脱窒処理を施したので、実質的にMで構成される金属層23aとMN層23bとの二層構造のバリアメタル膜23の状態とすることができ、しかも、全体の膜厚を一層で構成された膜厚のままとすることができる。このため、バリアメタル膜23を厚くすることなく二層構造状態にして金属層23aにより表面に成膜される金属との密着性を保持することができ、MN層23bにより金属の拡散を防止することができる。このため、成膜される金属の拡散をなくして密着性よく成膜することができるバリアメタルを作製することが可能になる。
【0043】
また、O2ガスプラズマを発生させて金属層23aの表面に酸化層24を形成したので、バリアメタル膜23の表面に金属を成膜させた場合に、金属の濡れ性が良好になり、密着性を向上させることができる。更に、H2ガスプラズマを発生させて酸化層24の表面に水酸基(OH基)を形成したので、親水性が向上し、成膜される金属の密着性をさらに向上させることが可能になる。
【0044】
尚、H2ガスプラズマを発生させて酸化層24の表面に水酸基(OH基)を形成する工程を省略することも可能である。また、O2ガスプラズマを発生させて金属層23aの表面に酸化層24を形成する工程を省略することも可能である。
【0045】
図9に基づいて本発明の第2実施形態例のバリアメタル膜作製装置及びバリアメタル膜作製方法を説明する。図9には本発明の第2実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略構成を示してある。尚、図1に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。また、図10には本発明の第2実施形態例のバリアメタル膜作製装置でバリアメタル膜を作製した一例の概念状況を示してある。
【0046】
図9に示した第2実施形態例のバリアメタル膜作製装置は、図1に示した第1実施形態例のバリアメタル膜作製装置に対し、希ガスノズル21が設けられていない構成となっている。そして、第1実施形態例では、希ガスノズル21からArガスを供給してArガスプラズマを発生させ、Ar+ により、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして表層のMNの窒素原子(N) を除去してバリアメタル膜23の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる処理(脱窒処理)を施したが、第2実施形態例では、脱窒処理を施す際に、酸素ガスノズル15からO2ガスを供給してO2ガスプラズマを発生させ、O2 + により、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして脱窒処理を施すようにしたものである。そして、脱窒処理を施した後、O2ガス量を減らして酸化層24(図5参照)を形成する。その他の構成及び作用は第1実施形態例と同一である。
【0047】
第2実施形態例では、ガスを供給するノズルを少なくすることができるので、スペース的に有利となる。
【0048】
第2実施形態例のバリアメタル膜作製装置において、O2ガスプラズマをエッチングに使用せずに、酸化層24(図5参照)の形成にだけ使用することも可能である。この場合、バリアメタル膜23はMN層23bの一層だけとなる。例えば、成膜される金属が密着性に問題が少ない金属(例えば、Al)の場合、エッチングにより金属層23aを形成する処理を省略することができる。
【0049】
更に、第2実施形態例のバリアメタル膜作製装置において、O2ガスプラズマをエッチングに使用せずに酸化層24(図5参照)の形成にだけ使用し、MN層23bを成膜した後、ノズル14からのNH3 ガスの供給を停止して前駆体20のNH3 ガスプラズマによる反応を停止し、図10に示すように、前駆体20の金属成分をMN層23bの上に積層して金属層23aを形成することも可能である。
前駆体16の金属成分から金属層23aが生成されるときの反応は次式で表すことができる。
2MCl→2M↓+Cl2 ↑
【0050】
図11に基づいて本発明の第3実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置及びバリアメタル膜作製方法を説明する。図11には本発明の第3実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略構成を示してある。尚、図1に示したバリアメタル膜作製装置と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【0051】
図11に示すように、チャンバ1の底部近傍には支持台2が設けられ、支持台2には基板3が載置される。支持台2にはヒータ4及び冷媒流通手段5を備えた制御手段としての温度制御手段6が設けられ、支持台2は温度制御手段6により所定温度(例えば、基板3が100℃乃至200℃に維持される温度)に制御される。チャンバ1の上面は開口部とされ、開口部は金属部材7(例えば、W,Ti,Ta,TiSi等)によって塞がれている。金属部材7によって塞がれたチャンバ1の内部は真空装置8により所定の圧力に維持される。チャンバ1の筒部の周囲にはプラズマアンテナ9が設けられ、プラズマアンテナ9には整合器10及び電源11が接続されて給電が行われる。
【0052】
金属部材7の下方におけるチャンバ1の筒部には、原料ガスが送られるノズル12が接続されている。ノズル12から原料ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Cl2 ガスがイオン化されてCl2 ガスプラズマが発生するようになっている(プラズマ発生手段)。
【0053】
また、チャンバ1内にArガスを供給する希ガスノズル21が設けられ、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Arガスがイオン化されてArガスプラズマが発生するようになっている(表面処理プラズマ発生手段)。尚、希ガス供給手段としては、Cl2 ガスの希釈ガスとしてArガスを適用した場合、第1実施形態例と同様にArガスのみをノズル12から供給する構成とすることも可能である。
【0054】
また、チャンバ1内に酸素ガス(O2ガス)を供給する酸素ガスノズル15が設けられている。プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、O2ガスがイオン化されてO2ガスプラズマが発生するようになっている(酸素プラズマ発生手段)。更に、チャンバ1内に水素ガス(H2ガス)を供給する水素ガスノズル16が設けられている。プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、H2ガスがイオン化されてH2ガスプラズマが発生するようになっている(水酸基プラズマ発生手段)。
【0055】
一方、チャンバ1の筒部の下方の周囲の複数箇所(例えば、4箇所:図には1箇所のみ示してある)には、スリット状の開口部31が形成され、開口部31には筒状の通路32の一端がそれぞれ固定されている。通路32の途中部には絶縁体製の筒状の励起室33が設けられ、励起室33の周囲にはコイル状のプラズマアンテナ34が設けられ、プラズマアンテナ34は整合器35及び電源36に接続されて給電が行われる。プラズマアンテナ34、整合器35及び電源36により励起手段が構成されている。通路32の他端側には流量制御器37が接続され、流量制御器37を介して通路32内に窒素含有ガスとしてのアンモニアガス(NH3 ガス)が供給される。
【0056】
また、流量制御器37を介して通路32内にNH3 ガスを供給して励起室33にNH3 ガスを送り込む。プラズマアンテナ34から電磁波を励起室33の内部に入射することで、NH3 ガスがイオン化されてNH3 ガスプラズマ38が発生する。真空装置8によりチャンバ1内の圧力と励起室33の圧力とに所定の差圧が設定されているため、励起室33のNH3 ガスプラズマ38の励起アンモニアが開口部31からチャンバ1内の前駆体(MxCly )20に送られる。
【0057】
つまり、窒素を含有する窒素含有ガスをチャンバ1と隔絶した励起室33で励起する励起手段が構成されている。これにより、前駆体(MxCly )20の金属成分とアンモニアが反応して金属窒化物(MN)が生成される(生成手段)。このとき、金属部材7及び励起室33はプラズマにより基板3の温度よりも高い所定温度(例えば、200℃乃至400℃)に維持されている。
【0058】
上述したバリアメタル膜作製装置では、チャンバ1の内部にノズル12から原料ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Cl2 ガスプラズマ(原料ガスプラズマ)が発生する。Cl2 ガスプラズマにより、金属部材7にエッチング反応が生じ、前駆体(MxCly )20が生成される。金属部材7はプラズマにより基板3の温度よりも高い所定温度(例えば、200℃乃至400℃)に維持されている。
【0059】
励起室33のNH3 ガスプラズマ38の励起アンモニアが開口部31からチャンバ1内の前駆体(MxCly )20に送られることで、チャンバ1の内部で金属窒化物(MN)が生成され、生成された金属窒化物(MN)は低い温度に制御された基板3に運ばれて、基板3の表面にバリアメタル膜23が生成される。反応に関与しないガス及びエッチング生成物は排気口17から排気される。
【0060】
バリアメタル膜23が生成された後に、希ガスノズル21からArガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Arガスプラズマを発生させ、Ar+ により、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして表層のMNの窒素原子(N) を除去してバリアメタル膜23の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる処理(脱窒処理)が施される。これにより、実質的にMで構成される金属層23aとMN層23bとの二層構造のバリアメタル膜23の状態となる(図4参照)。
【0061】
バリアメタル膜23の最表層形成終了間際に、酸素ガスノズル15からチャンバ1内に微量のO2ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、O2ガスプラズマを発生させる。これにより、実質的にMで構成される金属層23aの表面に酸化層24が形成される(図5参照)。酸化層24が形成されることにより、バリアメタル膜23の表面に金属(例えば銅)を付着(成膜)させた場合に、金属の濡れ性が良好になり、密着性を向上させることができる。
【0062】
金属層23aの表面に酸化層24を形成した後、水素ガスノズル16からチャンバ1内にH2ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、H2ガスプラズマを発生させる。これにより、酸化層24の表面に水酸基(OH基)が形成される(図7参照)。これにより、親水性が向上し、成膜される金属(銅)の密着性をさらに向上させることが可能になる。
【0063】
上述したバリアメタル作製装置では、第1実施形態例と同様に、埋め込み性に優れ、極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。また、全体の膜厚を一層で構成された膜厚のままとして表面に成膜される金属との密着性を保持することができ、成膜される金属の拡散をなくして密着性よく成膜することができるバリアメタルを作製することが可能になる。
【0064】
また、バリアメタル膜23の表面に金属を成膜させた場合に、金属の濡れ性が良好になり、密着性を向上させることができ、更に、親水性が向上し、成膜される金属の密着性をさらに向上させることが可能になる。
【0065】
そして、NH3 ガスプラズマ38をチャンバ1とは隔絶した励起室33で発生させているので、NH3 ガスプラズマ38の影響が基板3の表面に及ぶことがない。
【0066】
尚、H2ガスプラズマを発生させて酸化層24の表面に水酸基(OH基)を形成する工程を省略することも可能である。また、O2ガスプラズマを発生させて金属層23aの表面に酸化層24を形成する工程を省略することも可能である。
【0067】
図11に示した第3実施形態例のバリアメタル膜作製装置に対して、希ガスノズル21が設けられていない構成とすることも可能である。そして、第3実施形態例では、希ガスノズル21からArガスを供給してArガスプラズマを発生させ、Ar+ により、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして表層のMNの窒素原子(N) を除去してバリアメタル膜23の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる処理(脱窒処理)を施すようにしているが、この場合、脱窒処理を施す際に、酸素ガスノズル15からO2ガスを供給してO2ガスプラズマを発生させ、O2 + により、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして脱窒処理を施す。そして、脱窒処理を施した後、O2ガス量を減らして酸化層24(図5参照)を形成する。
【0068】
この場合、ガスを供給するノズルを少なくすることができるので、スペース的に有利となる。
【0069】
尚、O2ガスプラズマをエッチングに使用せずに、酸化層24(図5参照)の形成にだけ使用することも可能である。この場合、バリアメタル膜23はMN層23bの一層だけとなる。例えば、成膜される金属が密着性に問題が少ない金属(例えば、Al)の場合、エッチングにより金属層23aを形成する処理を省略することができる。
【0070】
更に、O2ガスプラズマをエッチングに使用せずに酸化層24(図5参照)の形成にだけ使用し、MN層23bを成膜した後、NH3 ガス及び電源36への給電を止めることで、前駆体(MxCly )20が金属部材7よりも低い温度に制御された基板3に運ばれる。基板3に運ばれる前駆体(MxCly )20は還元反応により金属(M)イオンのみとされて基板3に当てられ、基板3のMN層23bの上に金属層23aを積層して金属層23aを形成することも可能である(図10参照)。
【0071】
図12乃至図14に基づいて本発明の第4実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置及びバリアメタル膜作製方法を説明する。図12には本発明の第4実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面、図13には図12中のXIII-XIII 線矢視、図14には図13中のXIV-XIV 線矢視を示してある。尚、図1乃至図11に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【0072】
チャンバ1の上面は開口部とされ、開口部は絶縁材製(例えば、セラミックス製)の円盤状の天井板41によって塞がれている。チャンバ1の上面の開口部と天井板41との間には金属製(例えば、W,Ti,Ta,TiSi等)の被エッチング部材42が挟持されている。被エッチング部材42は、チャンバ1の上面の開口部に挟持されるリング部43が備えられ、リング部43の内周側にはチャンバ1の径方向中心部近傍まで延び同一幅となっている突起部44が円周方向に複数(図示例では12個)設けられている。
【0073】
突起部44は、リング部43に対して一体、もしくは、取り外し自在に取り付けられている。天井板41とチャンバ1の内部との間には突起部44の間で形成される切欠部45(空間)が存在した状態になっている。リング部43はアースされており、複数の突起部44は電気的につながれて同電位に維持されている。被エッチング部材42にはヒータ等の温度制御手段(図示省略)が設けられ、例えば、200℃乃至400℃程度に温度制御される。
【0074】
尚、突起部44の間に突起部44よりも径方向に短い第2突起部を配置することも可能であり、更に、突起部44と第2突起部との間に短い突起部を配置することも可能である。このようにすると、誘導電流を抑制しつつエッチング対象となる金属部材の面積を確保することができる。
【0075】
天井板41の上方にはチャンバ1の内部をプラズマ化するための平面巻線状のプラズマアンテナ46が設けられ、プラズマアンテナ46は天井板41の面と平行な平面リング状に形成されている。プラズマアンテナ46には整合器10及び電源11が接続されて給電が行われる。被エッチング部材42は、リング部43の内周側に突起部44が円周方向に複数設けられ、突起部44の間で形成される切欠部45(空間)が存在しているので、プラズマアンテナ46の電気の流れ方向に対して不連続な状態で基板3と天井板41との間に突起部44が配置された状態になっている。
【0076】
そして、チャンバ1の筒部には、チャンバ1の内部に原料ガスを供給するノズル12、チャンバ1の内部にNH3 ガスを供給するノズル14、チャンバ1の内部にArガスを供給する希ガスノズル21、チャンバ1の内部にO2ガスを供給する酸素ガスノズル15及びチャンバ1の内部にH2ガスを供給する水素ガスノズル16が設けられている。
【0077】
上述したバリアメタル膜作製装置では、チャンバ1の内部にノズル12から原料ガスを供給し、プラズマアンテナ46から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Cl2 ガスがイオン化されてCl2 ガスプラズマ(原料ガスプラズマ)が発生する。プラズマアンテナ46の下部には導電体である被エッチング部材42が存在しているが、以下の作用により被エッチング部材42と基板3との間、即ち、被エッチング部材42の下側にCl2 ガスプラズマが安定して発生するようになっている。
【0078】
被エッチング部材42の下側にCl2 ガスプラズマが発生する作用について説明する。図14に示すように、平面リング状のプラズマアンテナ46の電気の流れAは突起部44を横切る方向となり、このとき、突起部44のプラズマアンテナ46との対向面には誘導電流bが発生する。被エッチング部材42には切欠部45(空間)が存在している状態になっているので、誘導電流bはそれぞれの突起部44の下面に流れてプラズマアンテナ46の電気の流れAと同一方向の流れaとなる(ファラデーシールド)。
【0079】
このため、基板3側から被エッチング部材42を見た場合、プラズマアンテナ46の電気の流れAを打ち消す方向の流れが存在しない状態になり、しかも、リング部43がアースされて突起部44が同電位に維持されている。これにより、導電体である被エッチング部材42が存在していても、プラズマアンテナ46から電磁波がチャンバ1内に確実に入射し、被エッチング部材42の下側にCl2 ガスプラズマが安定して発生するようになっている。
【0080】
Cl2 ガスプラズマにより、被エッチング部材42にエッチング反応が生じ、前駆体(MxCly:M はW,Ti,Ta,TiSi等の金属)20が生成される。
【0081】
そして、チャンバ1の内部にノズル14からNH3 ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ46から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、NH3 ガスがイオン化されてNH3 ガスプラズマが発生し、前駆体20との間で還元反応が生じて金属窒化物(MN)が生成される。チャンバ1の内部で生成された金属窒化物(MN)は低い温度に制御された基板3に運ばれて、基板3の表面にMNが成膜されてバリアメタル膜23が生成される(図2参照)。
【0082】
バリアメタル膜23が生成された後に、希ガスノズル21からArガスを供給すると共に、プラズマアンテナ46から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Arガスプラズマを発生させ、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして表層のMNの窒素原子(N) を除去してバリアメタル膜23の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる処理(脱窒処理)が施される。
【0083】
バリアメタル膜23の最表層形成終了間際に、酸素ガスノズル15からチャンバ1内に微量のO2ガスを供給し、プラズマアンテナ46から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、O2ガスプラズマを発生させる。これにより、実質的にMで構成される金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)が形成される。酸化層24が形成されることにより、バリアメタル膜23の表面に金属(例えば銅)を付着(成膜)させた場合に、金属の濡れ性が良好になり、密着性を向上させることができる。
【0084】
金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)を形成した後、水素ガスノズル16からチャンバ1内にH2ガスを供給し、プラズマアンテナ46から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、H2ガスプラズマを発生させる。これにより、酸化層24の表面に水酸基(OH基)が形成される(図7参照)。これにより、親水性が向上し、成膜される金属(銅)の密着性をさらに向上させることが可能になる。
【0085】
尚、H2ガスプラズマを発生させて酸化層24(図7参照)の表面に水酸基(OH基)を形成する工程を省略することも可能である。また、O2ガスプラズマを発生させて金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)を形成する工程を省略することも可能である。更に、金属層23aを積層してバリアメタル膜23とすることも可能であり、金属層23aが存在しないバリアメタル膜23とすることも可能である。
【0086】
また、前駆体20を生成する構成である被エッチング部材42及びプラズマアンテナ46の構成以外で、希ガスノズル21を省略した第2実施形態例(図9参照)と同様なノズル構成とすることも可能である。また、被エッチング部材42及びプラズマアンテナ46の構成以外で、ノズル14に代えて励起室33等を備えた第3実施形態例(図11参照)と同様な構成とすることも可能である。
【0087】
上記構成のバリアメタル膜作製装置では、均一にしかも薄膜状にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。このため、基板3に設けられる、例えば、数百nm幅程度の小さな凹部に対しても内部にまで精度よく成膜され、埋め込み性に優れ、極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。
【0088】
そして、被エッチング部材42は、リング部43の内周側に突起部44が円周方向に複数設けられ、突起部44の間で形成される切欠部45(空間)が存在しているので、被エッチング部材42に生じる誘導電流は基板3側からみてプラズマアンテナ46の電気の流れと同一方向の流れとなる。これにより、導電体である被エッチング部材42がプラズマアンテナ46の下に存在していても、プラズマアンテナ46から電磁波がチャンバ1内に確実に入射し、被エッチング部材42の下側にCl2 ガスプラズマを安定して発生させることが可能となる。
【0089】
図15に基づいて本発明の第5実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置及びバリアメタル膜作製方法を説明する。図15には本発明の第5実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面を示してある。尚、図1乃至図14に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【0090】
チャンバ1の上部の開口部は、天井板41によって塞がれている。天井板41の下面には金属製(例えば、W,Ti,Ta,TiSi等)の被エッチング部材48が設けられ、被エッチング部材48は四角錐形状となっている。チャンバ1の筒部の上部の周囲の複数箇所(例えば、4箇所:図には1箇所示してある)には、スリット状の開口部51が形成され、開口部51には筒状の通路52の一端がそれぞれ固定されている。通路52の途中部には絶縁体製の筒状の励起室53が設けられ、励起室53の周囲にはコイル状のプラズマアンテナ54が設けられ、プラズマアンテナ54には整合器57及び電源58が接続されて給電が行われる。
【0091】
通路52の他端側には流量制御器55が接続され、流量制御器55を介して通路52内に塩素を含有する原料ガス(He,Ar等で塩素濃度が≦50% 、好ましくは10% 程度に希釈されたCl2 ガス)が供給される。プラズマアンテナ54から電磁波を励起室53の内部に入射することで、Cl2 ガスがイオン化されてCl2 ガスプラズマ(原料ガスプラズマ)56が発生する。Cl2 ガスプラズマ56の発生により励起塩素が開口部51からチャンバ1内に送られ、被エッチング部材48が励起塩素によりエッチングされる。
【0092】
そして、チャンバ1の筒部には、チャンバ1の内部にNH3 ガスを供給するノズル14、チャンバ1の内部にArガスを供給する希ガスノズル21、チャンバ1の内部にO2ガスを供給する酸素ガスノズル15及びチャンバ1の内部にH2ガスを供給する水素ガスノズル16が設けられている。また、チャンバ1の周囲にはプラズマアンテナ9、整合器10及び電源11が設けられ、NH3 ガスプラズマ、Arガスプラズマ、O2ガスプラズマ及びH2ガスプラズマを発生させる。
【0093】
上述したバリアメタル膜作製装置では、流量制御器55を介して通路52内に原料ガスを供給して励起室53に原料ガスを送り込む。プラズマアンテナ54から電磁波を励起室53の内部に入射することで、Cl2 ガスがイオン化されてCl2 ガスプラズマ(原料ガスプラズマ)56が発生する。真空装置8によりチャンバ1内の圧力と励起室53の圧力とに所定の差圧が設定されているため、励起室53のCl2 ガスプラズマ56の励起塩素が開口部51からチャンバ1内の被エッチング部材48に送られる。励起塩素により被エッチング部材48にエッチング反応が生じ、チャンバ1の内部で前駆体20が生成される。このとき、被エッチング部材48は天井板41に設けられたヒータ50により基板3の温度よりも高い所定温度(例えば、200℃乃至400℃)に維持されている。
【0094】
そして、チャンバ1の内部にノズル14からNH3 ガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、NH3 ガスがイオン化されてNH3 ガスプラズマが発生し、前駆体20との間で還元反応が生じて金属窒化物(MN)が生成される。チャンバ1の内部で生成された金属窒化物(MN)は低い温度に制御された基板3に運ばれて、基板3の表面にMNが成膜されてバリアメタル膜23が生成される(図2参照)。
【0095】
バリアメタル膜23が生成された後に、希ガスノズル21からArガスを供給すると共に、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Arガスプラズマを発生させ、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして表層のMNの窒素原子(N) を除去してバリアメタル膜23の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる処理(脱窒処理)が施される。
【0096】
バリアメタル膜23の最表層形成終了間際に、酸素ガスノズル15からチャンバ1内に微量のO2ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、O2ガスプラズマを発生させる。これにより、実質的にMで構成される金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)が形成される。酸化層24が形成されることにより、バリアメタル膜23の表面に金属(例えば銅)を付着(成膜)させた場合に、金属の濡れ性が良好になり、密着性を向上させることができる。
【0097】
金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)を形成した後、水素ガスノズル16からチャンバ1内にH2ガスを供給し、プラズマアンテナ9から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、H2ガスプラズマを発生させる。これにより、酸化層24の表面に水酸基(OH基)が形成される(図7参照)。これにより、親水性が向上し、成膜される金属(銅)の密着性をさらに向上させることが可能になる。
【0098】
尚、H2ガスプラズマを発生させて酸化層24(図7参照)の表面に水酸基(OH基)を形成する工程を省略することも可能である。また、O2ガスプラズマを発生させて金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)を形成する工程を省略することも可能である。更に、金属層23aを積層してバリアメタル膜23とすることも可能であり、金属層23aが存在しないバリアメタル膜23とすることも可能である。
【0099】
また、前駆体20を生成するための構成である被エッチング部材48、開口部51、通路52、励起室53、プラズマアンテナ54、流量制御器55、整合器57及び電源58等の構成以外で、希ガスノズル21を省略した第2実施形態例(図9参照)と同様なノズル構成とすることも可能である。また、前駆体20を生成するための構成以外で、ノズル14に代えて励起室33等を備えた第3実施形態例(図11参照)と同様な構成とすることも可能である。
【0100】
上記構成のバリアメタル膜作製装置では、均一にしかも薄膜状にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。このため、基板3に設けられる、例えば、数百nm幅程度の小さな凹部に対しても内部にまで精度よく成膜され、埋め込み性に優れ、極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。
【0101】
そして、チャンバ1と隔絶した励起室53でCl2 ガスプラズマ56を発生させるようにしているので、基板3がCl2 ガスプラズマ56に晒されることがなくなり、基板3にCl2 ガスプラズマ56による損傷が生じることがない。
【0102】
尚、励起室53でCl2 ガスプラズマ56を発生させる手段、即ち、原料ガスを励起して励起原料とする手段としては、マイクロ波、レーザ、電子線、放射光等を用いることも可能であり、金属フィラメントを高温に加熱して前駆体を生成することも可能である。また、Cl2 ガスプラズマ56を基板3と隔絶する構成は、通路52に励起室53を設ける構成の他に、例えば、チャンバ1を隔絶する等、他の構成とすることも可能である。
【0103】
図16に基づいて本発明の第6実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置及びバリアメタル膜作製方法を説明する。図16には本発明の第6実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面を示してある。尚、図1乃至図15に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【0104】
第6実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置は、図1に示した第1実施形態例のバリアメタル膜作製装置に対し、チャンバ1の筒部の周囲にはプラズマアンテナ9が設けられておらず、金属部材7に整合器10及び電源11が接続されて金属部材7に給電が行われる。
【0105】
そして、チャンバ1の筒部には、チャンバ1の内部にNH3 ガスを供給するノズル14、チャンバ1の内部にArガスを供給する希ガスノズル21、チャンバ1の内部にO2ガスを供給する酸素ガスノズル15及びチャンバ1の内部にH2ガスを供給する水素ガスノズル16が設けられている。金属部材7への給電により、NH3 ガスプラズマ、Arガスプラズマ、O2ガスプラズマ及びH2ガスプラズマを発生させる。尚、NH3 ガスプラズマ、Arガスプラズマ、O2ガスプラズマ及びH2ガスプラズマを発生させるために、チャンバ1の筒部にコイル状のプラズマアンテナを別途設け、整合器を介してプラズマアンテナを電源に接続することも可能である。
【0106】
上述したバリアメタル膜作製装置では、チャンバ1の内部にノズル12から原料ガスを供給し、金属部材7から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Cl2 ガスがイオン化されてCl2 ガスプラズマ(原料ガスプラズマ)が発生する。Cl2 ガスプラズマにより、金属部材7にエッチング反応が生じ、前駆体(MxCly )20が生成される。このとき、金属部材7は図示しない温度制御手段により基板3の温度よりも高い温度(例えば、200℃乃至400℃)に維持されている。
【0107】
そして、チャンバ1の内部にノズル14からNH3 ガスを供給すると共に、金属部材7から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、NH3 ガスがイオン化されてNH3 ガスプラズマが発生し、前駆体20との間で還元反応が生じて金属窒化物(MN)が生成される。チャンバ1の内部で生成された金属窒化物(MN)は低い温度に制御された基板3に運ばれて、基板3の表面にMNが成膜されてバリアメタル膜23が生成される(図2参照)。
【0108】
バリアメタル膜23が生成された後に、希ガスノズル21からArガスを供給すると共に、金属部材7から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、Arガスプラズマを発生させ、基板2の表面のバリアメタル膜23をエッチングして表層のMNの窒素原子(N) を除去してバリアメタル膜23の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる処理(脱窒処理)が施される。
【0109】
バリアメタル膜23の最表層形成終了間際に、酸素ガスノズル15からチャンバ1内に微量のO2ガスを供給し、金属部材7から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、O2ガスプラズマを発生させる。これにより、実質的にMで構成される金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)が形成される。酸化層24が形成されることにより、バリアメタル膜23の表面に金属(例えば銅)を付着(成膜)させた場合に、金属の濡れ性が良好になり、密着性を向上させることができる。
【0110】
金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)を形成した後、水素ガスノズル16からチャンバ1内にH2ガスを供給し、金属部材7から電磁波をチャンバ1の内部に入射することで、H2ガスプラズマを発生させる。これにより、酸化層24の表面に水酸基(OH基)が形成される(図7参照)。これにより、親水性が向上し、成膜される金属(銅)の密着性をさらに向上させることが可能になる。
【0111】
尚、H2ガスプラズマを発生させて酸化層24(図7参照)の表面に水酸基(OH基)を形成する工程を省略することも可能である。また、O2ガスプラズマを発生させて金属層23a(図5参照)の表面に酸化層24(図5参照)を形成する工程を省略することも可能である。更に、金属層23aを積層してバリアメタル膜23とすることも可能であり、金属層23aが存在しないバリアメタル膜23とすることも可能である。
【0112】
また、前駆体20を生成するための構成である金属部材7、整合器10及び電源11等の構成以外で、希ガスノズル21を省略した第2実施形態例(図9参照)と同様なノズル構成とすることも可能である。また、前駆体20を生成するための構成以外で、ノズル14に代えて励起室33等を備えた第3実施形態例(図11参照)と同様な構成とすることも可能である。
【0113】
上記構成のバリアメタル膜作製装置では、均一にしかも薄膜状にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。このため、基板3に設けられる、例えば、数百nm幅程度の小さな凹部に対しても内部にまで精度よく成膜され、埋め込み性に優れ、極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜23を成膜することが可能になる。
【0114】
また、金属部材7自身をプラズマ発生用の電極として適用しているので、チャンバ1の筒部の周囲にプラズマアンテナが不要となり、周囲の構成の自由度を増すことができる。
【0115】
【発明の効果】
本発明のバリアメタル膜作製装置は、基板が収容されるチャンバと、基板に対向する位置におけるチャンバに設けられる金属製の被エッチング部材と、チャンバ内にハロゲンを含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、チャンバ内に窒素を含有するガスを供給する窒素含有ガス供給手段と、チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ、原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成すると共に、チャンバの内部をプラズマ化して窒素含有ガスプラズマを発生させ、前駆体との間で金属窒化物を生成する、プラズマ発生手段と、基板側の温度をプラズマ発生手段側の温度よりも低くして金属窒化物を基板の表面にバリアメタル膜として成膜させる制御手段と、基板表面の上部に希ガスを供給する希ガス供給手段と、チャンバ内部をプラズマ化して希ガスプラズマを発生させ、希ガスプラズマで表層の窒素原子を除去してバリアメタル膜の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる表面処理を施す表面処理プラズマ発生手段とを備えたので、膜厚を厚くすることなく窒化金属層と金属層とからなるバリアメタル膜を作製することができる。この結果、埋め込み性に優れ極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜を成膜することができると共に、表面に成膜される金属との密着性に優れたバリアメタル膜を成膜することができるバリアメタル膜作製装置とすることが可能になる。
【0116】
そして、バリアメタル膜の最表層形成終了間際にチャンバ内に酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、チャンバの内部をプラズマ化して酸素ガスプラズマを発生させバリアメタル膜の最表層に酸化層を形成する酸素プラズマ発生手段とを更に備えたので、酸化層により表面に金属を付着させた場合の濡れ性を良好にすることができ、密着性を向上させることが可能になる。
【0122】
そして、チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、チャンバの内部をプラズマ化して水素ガスプラズマを発生させ酸化層に水酸基を形成する水酸基プラズマ発生手段とを更に備えたので、水酸基を形成することで親水性を向上させることができ、表面に金属を付着させた場合の密着性を更に向上させることが可能になる。
【0123】
本発明のバリアメタル膜作製方法は、基板と金属製の被エッチング部材との間におけるチャンバ内にハロゲンを含有する原料ガス及び窒素含有ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成すると共に、チャンバの内部をプラズマ化して窒素含有ガスプラズマを発生させ前駆体との間で金属窒化物を生成し、基板側の温度をプラズマ発生手段側の温度よりも低くして金属窒化物を基板の表面にバリアメタル膜として成膜させる一方、基板表面の上部のチャンバ内に希ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して希ガスプラズマを発生させ、希ガスプラズマで表層の窒素原子を除去してバリアメタル膜の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる表面処理を施すようにしたので、膜厚を厚くすることなく窒化金属層と金属層とからなるバリアメタル膜を作製することができる。この結果、埋め込み性に優れ極めて薄い状態で高速にバリアメタル膜を成膜することができると共に、表面に成膜される金属との密着性に優れたバリアメタル膜を成膜することができるバリアメタル膜作製方法とすることが可能になる。
【0124】
そして、バリアメタル膜の最表層形成終了間際にチャンバ内に酸素ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して酸素ガスプラズマを発生させバリアメタル膜の最表層に酸化層を形成するようにしたので、酸化層により表面に金属を付着させた場合の濡れ性を良好にすることができ、密着性を向上させることが可能になる。
【0130】
そして、チャンバ内に水素ガスを供給し、チャンバの内部をプラズマ化して水素ガスプラズマを発生させ酸化層に水酸基を形成するようにしたので、親水性を向上させることができ、表面に金属を付着させた場合の密着性を更に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面図。
【図2】バリアメタル膜を説明する基板の断面図。
【図3】脱窒処理におけるバリアメタル膜の概念図。
【図4】脱窒処理におけるバリアメタル膜の概念図。
【図5】酸化層形成処理におけるバリアメタル膜の概念図。
【図6】銅粒子の接触角度と基板の酸素濃度との関係を表すグラフ。
【図7】水酸基形成処理におけるバリアメタル膜の概念図。
【図8】希ガス供給手段の他の例を表す概略構成図。
【図9】本発明の第2実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略構成図。
【図10】本発明の第2実施形態例のバリアメタル膜作製装置でバリアメタル膜を作製した一例の概念図。
【図11】本発明の第3実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面図。
【図12】本発明の第4実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面図。
【図13】図12中のXIII-XIII 線矢視図。
【図14】図13中のXIV-XIV 線矢視図。
【図15】本発明の第5実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面図。
【図16】本発明の第6実施形態例に係るバリアメタル膜作製装置の概略側面図。
【符号の説明】
1 チャンバ
2 支持台
3 基板
4,50 ヒータ
5 冷媒流通手段
6 温度制御手段
7 金属部材
8 真空装置
9,34,46,54 プラズマアンテナ
10,35,57 整合器
11,36,58 電源
12 ノズル
13,37,55 流量制御器
14 ノズル
15 酸素ガスノズル
16 水素ガスノズル
17 排気口
20 前駆体(MxCly )
21 希ガスノズル
22 制御弁
23 バリアメタル膜
24 酸化層
31,51 開口部
32,52 通路
33,53 励起室
38 NH3 ガスプラズマ
41 天井板
42,48 被エッチング部材
43 リング部材
44 突起部
45 切欠部
56 Cl2 ガスプラズマ(原料ガスプラズマ)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and a method for producing a barrier metal film formed on a surface of a substrate in order to eliminate metal diffusion with respect to the substrate and maintain metal adhesion when the metal film is formed on the surface of the substrate. About.
[0002]
[Prior art]
In semiconductors to which electrical wiring is applied, copper has been used as a wiring material due to switching speed, reduction of transmission loss, high density, and the like. When copper wiring is applied, a copper film is formed on the surface including the recesses using a vapor phase growth method, plating, or the like, on a substrate having wiring recesses on the surface.
[0003]
When depositing copper on the surface of the substrate, a barrier metal film (for example, tantalum, titanium, silicon, etc.) is preliminarily formed on the surface of the substrate in order to eliminate copper diffusion to the substrate and maintain copper adhesion. Nitride). When plating or the like is used, a copper shield layer is formed on the barrier metal film by a physical or chemical vapor deposition method and applied as an electrode. The barrier metal film is formed by physical vapor deposition such as sputtering.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The recesses for wiring formed on the surface of the substrate tend to be small, and the barrier metal film is also required to be made thinner. However, since the barrier metal film is manufactured using a sputtering method, the directionality is not uniform. Therefore, in the case of a small concave portion, the inlet portion of the concave portion is formed before the inside is formed, and the filling property is improved. There were problems that became insufficient, and the damage was severe.
[0005]
The present invention has been made in view of the above situation, and has a barrier metal film that has excellent embeddability and can form a barrier metal film at a high speed in an extremely thin state and has excellent adhesion to a metal formed on the surface. An object of the present invention is to provide a barrier metal film manufacturing apparatus and a barrier metal film manufacturing method capable of forming a metal film.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an apparatus for producing a barrier metal film according to the present invention includes a chamber in which a substrate is accommodated, a metal member to be etched provided in a chamber facing the substrate, and a halogen in the chamber. A source gas supply means for supplying a source gas, a nitrogen-containing gas supply means for supplying a gas containing nitrogen into the chamber, a source gas plasma is generated by plasmaizing the inside of the chamber, and the member to be etched with the source gas plasma The precursor of the metal component contained in the member to be etched and the source gas is generated by etching the plasma, and the inside of the chamber is turned into plasma to generate a nitrogen-containing gas plasma, and the metal nitride is formed between the precursor and the precursor. The generated plasma generating means and the substrate side temperature are made lower than the temperature of the plasma generating means side, and the metal nitride is formed. A control means for forming a barrier metal film on the surface of the substrate, a rare gas supply means for supplying a rare gas to the upper part of the substrate surface, and generating a rare gas plasma by converting the inside of the chamber into a plasma. Surface treatment plasma generating means for performing a surface treatment for removing atoms and relatively reducing the nitrogen content of the surface layer as compared with the inside of the base material of the barrier metal film is provided.
[0007]
Then, oxygen gas supply means for supplying oxygen gas into the chamber just before the formation of the outermost layer of the barrier metal film and plasma generation inside the chamber to generate oxygen gas plasma to form an oxide layer on the outermost layer of the barrier metal film And oxygen plasma generating means.
[0013]
The apparatus further comprises hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas into the chamber, and hydroxyl group plasma generation means for generating hydrogen gas plasma by plasmaizing the inside of the chamber to form hydroxyl groups in the oxide layer.AndFeatures.
[0014]
The source gas containing halogen is a source gas containing chlorine. The nitrogen-containing gas containing nitrogen is a gas containing ammonia. In addition, the member to be etched is tantalum or tungsten, titanium, or silicon which is a halide forming metal.
[0015]
In order to achieve the above object, a barrier metal film manufacturing method according to the present invention supplies a source gas containing halogen and a nitrogen-containing gas into a chamber between a substrate and a metal member to be etched. Plasma is generated to generate source gas plasma, and the member to be etched is etched with source gas plasma to generate a precursor of the metal component and source gas contained in the member to be etched, and the inside of the chamber is converted to plasma to contain nitrogen While generating a gas plasma to generate metal nitride with the precursor, the temperature on the substrate side is lower than the temperature on the plasma generating means side, and the metal nitride is formed as a barrier metal film on the surface of the substrate A rare gas is supplied into the chamber above the substrate surface, and the inside of the chamber is turned into plasma to generate a rare gas plasma. Removing the surface layer of nitrogen atoms as compared with the internal matrix of the barrier metal film, characterized in that the surface treatment to relatively reduce the nitrogen content of the surface layer in plasma.
[0016]
Then, oxygen gas is supplied into the chamber just before the outermost layer formation of the barrier metal film is completed, and the inside of the chamber is turned into plasma to generate oxygen gas plasma to form an oxide layer on the outermost layer of the barrier metal film. To do.
[0022]
Then, hydrogen gas is supplied into the chamber and the inside of the chamber is turned into plasma to generate hydrogen gas plasma to form hydroxyl groups in the oxide layer.AndFeatures.
[0023]
The source gas containing halogen is a source gas containing chlorine. The nitrogen-containing gas containing nitrogen is a gas containing ammonia. In addition, the member to be etched is tantalum or tungsten, titanium, or silicon which is a halide forming metal.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A barrier metal film manufacturing apparatus and a barrier metal film manufacturing method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a substrate for explaining a barrier metal film, and FIGS. 3 and 4 are barriers in denitrification processing. 5 shows the conceptual situation of the metal film, FIG. 5 shows the conceptual situation of the barrier metal film in the oxide layer forming process, FIG. 6 shows the relationship between the contact angle of the copper particles and the oxygen concentration of the substrate, and FIG. The conceptual situation of the membrane is shown. FIG. 8 shows a schematic configuration representing another example of the rare gas supply means.
[0025]
As shown in FIG. 1, a
[0026]
The upper surface of the
[0027]
In the cylindrical portion of the
[0028]
In addition, the cylindrical portion of the
[0029]
Further, a
[0030]
As a rare gas supply means, Cl2When Ar gas is applied as the gas dilution gas, as shown in FIG.2Gas) and dilution gas (Ar gas) where a control valve 22 is provided to generate Ar gas plasma when Cl gas is generated.2A configuration in which the gas is stopped and only Ar gas is supplied from the nozzle 12 is also possible. Thereby, it is not necessary to provide the
[0031]
Further, oxygen gas (O 2) is placed in the
[0032]
Further, hydrogen gas (H2A hydrogen gas nozzle 16 is provided as hydrogen gas supply means for supplying (gas). Hydrogen gas nozzle 16 to H2While supplying gas and making electromagnetic waves enter the
[0033]
In the barrier metal film manufacturing apparatus described above, the source gas is supplied from the nozzle 12 into the
[0034]
Further, NH 14 is provided in the
[0035]
The reaction when the barrier metal film 23 is generated can be expressed by the following equation.
2MCl + 2NHThree→ 2MN ↓ + HCl ↑ + 2H2↑
Gases and etching products not involved in the reaction are exhausted from the
[0036]
After the barrier metal film 23 is generated, Ar gas is supplied from the
[0037]
As shown in FIG. 3, in the barrier metal film 23, M and N are mixed in an amorphous state, and Ar+Thus, N having a small mass is preferentially removed, and the surface layer of the barrier metal film 23 (for example, at most half of the total film thickness: preferably about 1/3) is denitrified. As a result, as shown in FIG. 4, the barrier metal film 23 having a two-layer structure of the
[0038]
Just before the formation of the outermost surface layer of the barrier metal film 23 is completed, a small amount of O is introduced into the
[0039]
That is, as shown in FIG. 6, as the oxygen concentration of the substrate 3 increases, the contact angle θ of the copper particles (the minimum surface energy in the balance of surface tension when the substrate is solid and copper is liquid is taken. It has been confirmed that the angle is small. That is, as the oxygen concentration of the substrate 3 increases, the copper particles adhere to the surface of the substrate 3 in a state of being crushed (a good wettability state). For this reason, O2By generating gas plasma and forming the oxide layer 24 on the surface of the
[0040]
After forming the oxide layer 24 on the surface of the
[0041]
In the barrier metal film manufacturing apparatus having the above configuration, the barrier metal film 23 is formed by generating metal by plasma, so that the barrier metal film 23 can be formed in a uniform and thin film shape. For this reason, for example, even a small recess having a width of about several hundreds of nanometers provided on the substrate 3 is accurately formed even inside, and the barrier metal film 23 is formed at high speed in an extremely thin state with excellent embedding property. It becomes possible to do.
[0042]
Moreover, since the nitrogen atom was removed by Ar gas plasma and the denitrification treatment of the barrier metal film 23 was performed, the barrier metal film 23 having a two-layer structure of the
[0043]
Also O2Since the gas plasma is generated to form the oxide layer 24 on the surface of the
[0044]
H2It is also possible to omit the step of generating a gas plasma to form a hydroxyl group (OH group) on the surface of the oxide layer 24. Also O2It is also possible to omit the step of generating gas plasma to form the oxide layer 24 on the surface of the
[0045]
Based on FIG. 9, a barrier metal film manufacturing apparatus and a barrier metal film manufacturing method according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 shows a schematic configuration of a barrier metal film manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as the member shown in FIG. 1, and the overlapping description is abbreviate | omitted. FIG. 10 shows a conceptual state of an example in which a barrier metal film is manufactured by the barrier metal film manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[0046]
The barrier metal film manufacturing apparatus of the second embodiment shown in FIG. 9 has a configuration in which the
[0047]
In the second embodiment, the number of nozzles for supplying gas can be reduced, which is advantageous in terms of space.
[0048]
In the barrier metal film manufacturing apparatus of the second embodiment, O2It is also possible to use only the formation of the oxide layer 24 (see FIG. 5) without using the gas plasma for etching. In this case, the barrier metal film 23 is only one layer of the
[0049]
Furthermore, in the barrier metal film manufacturing apparatus of the second embodiment, O2The gas plasma is not used for etching but only for forming the oxide layer 24 (see FIG. 5), and after forming the
Reaction when the
2MCl → 2M ↓ + Cl2↑
[0050]
A barrier metal film manufacturing apparatus and a barrier metal film manufacturing method according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows a schematic configuration of a barrier metal film manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention. The same members as those in the barrier metal film manufacturing apparatus shown in FIG.
[0051]
As shown in FIG. 11, a
[0052]
A nozzle 12 through which a raw material gas is sent is connected to the cylindrical portion of the
[0053]
Further, a
[0054]
Also, oxygen gas (O2An
[0055]
On the other hand, slit-like openings 31 are formed at a plurality of locations around the bottom of the cylindrical portion of the chamber 1 (for example, four locations: only one location is shown in the figure). One end of each of the
[0056]
Further, NH is introduced into the
[0057]
That is, the excitation means which excites the nitrogen-containing gas containing nitrogen in the excitation chamber 33 isolated from the
[0058]
In the barrier metal film manufacturing apparatus described above, the source gas is supplied from the nozzle 12 into the
[0059]
NH in excitation chamber 33ThreeExcited ammonia of the gas plasma 38 is sent from the opening 31 to the precursor (MxCly) 20 in the
[0060]
After the barrier metal film 23 is generated, Ar gas is supplied from the
[0061]
Just before the formation of the outermost surface layer of the barrier metal film 23 is completed, a small amount of O is introduced into the
[0062]
After forming the oxide layer 24 on the surface of the
[0063]
In the barrier metal manufacturing apparatus described above, as in the first embodiment, the barrier metal film 23 is excellent in embeddability and can be formed at a high speed in an extremely thin state. In addition, it is possible to maintain the adhesion with the metal deposited on the surface while maintaining the total film thickness as a single layer, eliminating the diffusion of the deposited metal, and forming the film with good adhesion. It is possible to produce a barrier metal that can be used.
[0064]
In addition, when a metal is formed on the surface of the barrier metal film 23, the wettability of the metal is improved, the adhesion can be improved, and the hydrophilicity is improved. It becomes possible to further improve the adhesion.
[0065]
And NHThreeSince the gas plasma 38 is generated in the excitation chamber 33 isolated from the
[0066]
H2It is also possible to omit the step of generating a gas plasma to form a hydroxyl group (OH group) on the surface of the oxide layer 24. Also O2It is also possible to omit the step of generating gas plasma to form the oxide layer 24 on the surface of the
[0067]
It is also possible to adopt a configuration in which the
[0068]
In this case, the number of nozzles for supplying gas can be reduced, which is advantageous in terms of space.
[0069]
O2It is also possible to use only the formation of the oxide layer 24 (see FIG. 5) without using the gas plasma for etching. In this case, the barrier metal film 23 is only one layer of the
[0070]
In addition, O2The gas plasma is not used for etching but only for forming the oxide layer 24 (see FIG. 5), and after forming the
[0071]
A barrier metal film manufacturing apparatus and a barrier metal film manufacturing method according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 is a schematic side view of the barrier metal film manufacturing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, FIG. 13 is a view taken along line XIII-XIII in FIG. 12, and FIG. 14 is a line XIV-XIV in FIG. Arrow view is shown. The same members as those shown in FIGS. 1 to 11 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0072]
The upper surface of the
[0073]
The protruding
[0074]
In addition, it is also possible to arrange | position the 2nd projection part shorter than the
[0075]
Above the ceiling plate 41 is provided a planar winding plasma antenna 46 for converting the inside of the
[0076]
The cylindrical portion of the
[0077]
In the barrier metal film manufacturing apparatus described above, the source gas is supplied from the nozzle 12 to the inside of the
[0078]
Cl under the etched
[0079]
For this reason, when the
[0080]
Cl2The gas plasma causes an etching reaction in the
[0081]
Then, NH from the nozzle 14 into the
[0082]
After the barrier metal film 23 is generated, Ar gas is supplied from the
[0083]
Just before the formation of the outermost surface layer of the barrier metal film 23 is completed, a small amount of O is introduced into the
[0084]
After an oxide layer 24 (see FIG. 5) is formed on the surface of the
[0085]
H2It is possible to omit the step of generating a gas plasma to form a hydroxyl group (OH group) on the surface of the oxide layer 24 (see FIG. 7). Also O2It is also possible to omit the step of generating gas plasma to form the oxide layer 24 (see FIG. 5) on the surface of the
[0086]
In addition to the configuration of the member to be etched 42 and the plasma antenna 46 that are the configuration for generating the
[0087]
In the barrier metal film manufacturing apparatus having the above configuration, the barrier metal film 23 can be formed uniformly and in a thin film shape. For this reason, for example, even a small recess having a width of about several hundreds of nanometers provided on the substrate 3 is accurately formed even inside, and the barrier metal film 23 is formed at high speed in an extremely thin state with excellent embedding property. It becomes possible to do.
[0088]
Since the member to be etched 42 has a plurality of
[0089]
A barrier metal film manufacturing apparatus and a barrier metal film manufacturing method according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 shows a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. The same members as those shown in FIGS. 1 to 14 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0090]
The opening at the top of the
[0091]
A
[0092]
The cylinder portion of the
[0093]
In the barrier metal film manufacturing apparatus described above, the source gas is supplied into the passage 52 via the
[0094]
Then, NH from the nozzle 14 into the
[0095]
After the barrier metal film 23 is generated, Ar gas is supplied from the
[0096]
Just before the formation of the outermost surface layer of the barrier metal film 23 is completed, a small amount of O is introduced into the
[0097]
After an oxide layer 24 (see FIG. 5) is formed on the surface of the
[0098]
H2It is possible to omit the step of generating a gas plasma to form a hydroxyl group (OH group) on the surface of the oxide layer 24 (see FIG. 7). Also O2It is also possible to omit the step of generating gas plasma to form the oxide layer 24 (see FIG. 5) on the surface of the
[0099]
Other than the configuration of the member to be etched 48, the
[0100]
In the barrier metal film manufacturing apparatus having the above configuration, the barrier metal film 23 can be formed uniformly and in a thin film shape. For this reason, for example, even a small recess having a width of about several hundreds of nanometers provided on the substrate 3 is accurately formed even inside, and the barrier metal film 23 is formed at high speed in an extremely thin state with excellent embedding property. It becomes possible to do.
[0101]
Then, in the excitation chamber 53 isolated from the
[0102]
In the excitation chamber 53, Cl2As a means for generating the gas plasma 56, that is, a means for exciting the raw material gas to use as a raw material for excitation, microwaves, lasers, electron beams, radiated light, etc. can be used. The metal filament is heated to a high temperature. It is also possible to produce a precursor. Also, Cl2The configuration for isolating the gas plasma 56 from the substrate 3 may be other configurations such as isolating the
[0103]
A barrier metal film manufacturing apparatus and a barrier metal film manufacturing method according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 shows a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. The same members as those shown in FIGS. 1 to 15 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0104]
The barrier metal film manufacturing apparatus according to the sixth embodiment is different from the barrier metal film manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1 in that a plasma antenna 9 is provided around the cylindrical portion of the
[0105]
The cylinder portion of the
[0106]
In the barrier metal film manufacturing apparatus described above, the source gas is supplied from the nozzle 12 to the inside of the
[0107]
Then, NH from the nozzle 14 into the
[0108]
After the barrier metal film 23 is generated, Ar gas is supplied from the
[0109]
Just before the formation of the outermost surface layer of the barrier metal film 23 is completed, a small amount of O is introduced into the
[0110]
After an oxide layer 24 (see FIG. 5) is formed on the surface of the
[0111]
H2It is possible to omit the step of generating a gas plasma to form a hydroxyl group (OH group) on the surface of the oxide layer 24 (see FIG. 7). Also O2It is also possible to omit the step of generating gas plasma to form the oxide layer 24 (see FIG. 5) on the surface of the
[0112]
Further, except for the configuration of the metal member 7, the matching unit 10, the power source 11, and the like that are the configuration for generating the
[0113]
In the barrier metal film manufacturing apparatus having the above configuration, the barrier metal film 23 can be formed uniformly and in a thin film shape. For this reason, for example, even a small recess having a width of about several hundreds of nanometers provided on the substrate 3 is accurately formed even inside, and the barrier metal film 23 is formed at high speed in an extremely thin state with excellent embedding property. It becomes possible to do.
[0114]
Further, since the metal member 7 itself is applied as an electrode for generating plasma, a plasma antenna is not required around the cylindrical portion of the
[0115]
【The invention's effect】
The barrier metal film manufacturing apparatus of the present invention includes a chamber in which a substrate is accommodated, a metal member to be etched provided in a chamber facing the substrate, and a source gas that supplies a source gas containing halogen in the chamber A supply means, a nitrogen-containing gas supply means for supplying a gas containing nitrogen into the chamber, and generating a source gas plasma by converting the inside of the chamber into plasma, and etching the member to be etched by the source gas plasma. A plasma generating means for generating a precursor of a metal component and a raw material gas contained in the member, generating a nitrogen-containing gas plasma by converting the inside of the chamber into a plasma, and generating a metal nitride with the precursor; The barrier metal film is formed on the surface of the substrate by lowering the substrate side temperature lower than the plasma generating means side temperature. The control means for film formation, the rare gas supply means for supplying the rare gas to the upper part of the substrate surface, the inside of the chamber is turned into plasma to generate the rare gas plasma, and nitrogen atoms on the surface layer are removed with the rare gas plasma. Since the surface treatment plasma generating means for performing a surface treatment that relatively reduces the nitrogen content of the surface layer compared to the inside of the base material of the barrier metal film is provided, the metal nitride layer and the metal layer are formed without increasing the film thickness. A barrier metal film made of can be produced. As a result, the barrier metal film can be formed at high speed in an extremely thin state with excellent embedding properties, and the barrier metal film can be formed with excellent adhesion to the metal formed on the surface. A metal film manufacturing apparatus can be obtained.
[0116]
Then, oxygen gas supply means for supplying oxygen gas into the chamber just before the formation of the outermost layer of the barrier metal film and plasma generation inside the chamber to generate oxygen gas plasma to form an oxide layer on the outermost layer of the barrier metal film Since the oxygen plasma generating means is further provided, the wettability when the metal is attached to the surface by the oxide layer can be improved, and the adhesion can be improved.
[0122]
The apparatus further comprises hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas into the chamber and hydroxyl group plasma generation means for generating hydrogen gas plasma by generating plasma in the chamber to form hydroxyl groups in the oxide layer. By doing so, it is possible to improve hydrophilicity, and it is possible to further improve the adhesion when a metal is attached to the surface.
[0123]
In the barrier metal film manufacturing method of the present invention, a source gas containing halogen and a nitrogen-containing gas are supplied into a chamber between a substrate and a metal member to be etched, and the inside of the chamber is turned into plasma to generate source gas plasma. The precursor is generated by etching the member to be etched with source gas plasma to generate a precursor of the metal component and source gas contained in the member to be etched, and generating nitrogen-containing gas plasma by converting the inside of the chamber into plasma. And forming a metal nitride as a barrier metal film on the surface of the substrate by lowering the temperature on the substrate side than the temperature on the plasma generating means side, while forming a chamber above the substrate surface. A rare gas is supplied into the chamber, and the inside of the chamber is turned into a plasma to generate a rare gas plasma. Since the surface treatment is performed to remove and relatively reduce the nitrogen content of the surface layer compared to the inside of the base material of the barrier metal film, the barrier made of the metal nitride layer and the metal layer without increasing the film thickness A metal film can be produced. As a result, the barrier metal film can be formed at high speed in an extremely thin state with excellent embedding properties, and the barrier metal film can be formed with excellent adhesion to the metal formed on the surface. A metal film manufacturing method can be obtained.
[0124]
Then, oxygen gas was supplied into the chamber just before the outermost layer formation of the barrier metal film was completed, and the inside of the chamber was turned into plasma to generate oxygen gas plasma so that an oxide layer was formed on the outermost layer of the barrier metal film. The wettability when a metal is adhered to the surface by the oxide layer can be improved, and the adhesion can be improved.
[0130]
Then, hydrogen gas is supplied into the chamber, and the inside of the chamber is turned into plasma to generate hydrogen gas plasma to form hydroxyl groups in the oxide layer, so that hydrophilicity can be improved and metal is attached to the surface. It becomes possible to further improve the adhesiveness in the case of making it.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a substrate illustrating a barrier metal film.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a barrier metal film in a denitrification process.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a barrier metal film in a denitrification process.
FIG. 5 is a conceptual diagram of a barrier metal film in an oxide layer forming process.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the contact angle of copper particles and the oxygen concentration of the substrate.
FIG. 7 is a conceptual diagram of a barrier metal film in a hydroxyl group forming process.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram illustrating another example of a rare gas supply unit.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a barrier metal film manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a conceptual diagram of an example in which a barrier metal film is manufactured by the barrier metal film manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
13 is a view taken along line XIII-XIII in FIG.
14 is a view taken along line XIV-XIV in FIG.
FIG. 15 is a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic side view of a barrier metal film manufacturing apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 chamber
2 Support stand
3 Substrate
4,50 heater
5 Refrigerant distribution means
6 Temperature control means
7 Metal parts
8 Vacuum equipment
9, 34, 46, 54 Plasma antenna
10, 35, 57 Matching device
11, 36, 58 Power supply
12 nozzles
13, 37, 55 Flow controller
14 nozzles
15 Oxygen gas nozzle
16 Hydrogen gas nozzle
17 Exhaust port
20 Precursor (MxCly)
21 Noble gas nozzle
22 Control valve
23 Barrier metal film
24 Oxide layer
31, 51 opening
32,52 passage
33,53 Excitation room
38 NHThreeGas plasma
41 Ceiling board
42,48 Member to be etched
43 Ring member
44 Protrusion
45 Notch
56 Cl2Gas plasma (raw material gas plasma)
Claims (12)
基板に対向する位置におけるチャンバに設けられる金属製の被エッチング部材と、
チャンバ内にハロゲンを含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
チャンバ内に窒素を含有するガスを供給する窒素含有ガス供給手段と、
チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ、原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成すると共に、チャンバの内部をプラズマ化して窒素含有ガスプラズマを発生させ、前駆体との間で金属窒化物を生成する、プラズマ発生手段と、
基板側の温度をプラズマ発生手段側の温度よりも低くして金属窒化物を基板の表面にバリアメタル膜として成膜させる制御手段と、
基板表面の上部に希ガスを供給する希ガス供給手段と、
チャンバ内部をプラズマ化して希ガスプラズマを発生させ、希ガスプラズマで表層の窒素原子を除去してバリアメタル膜の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる表面処理を施す表面処理プラズマ発生手段とを備えたことを特徴とするバリアメタル膜作製装置。A chamber containing a substrate;
A member to be etched provided in a chamber at a position facing the substrate;
A source gas supply means for supplying a source gas containing halogen into the chamber;
Nitrogen-containing gas supply means for supplying a gas containing nitrogen into the chamber;
The inside of the chamber is turned into plasma to generate source gas plasma, and the member to be etched is etched with source gas plasma to generate a precursor of the metal component and source gas contained in the member to be etched, and the inside of the chamber is Plasma generating means for generating nitrogen-containing gas plasma to generate metal nitride with the precursor;
Control means for lowering the temperature on the substrate side to be lower than the temperature on the plasma generating means side and forming a metal nitride as a barrier metal film on the surface of the substrate;
A rare gas supply means for supplying a rare gas to the top of the substrate surface;
The inside of the chamber is turned into plasma to generate a rare gas plasma, and the surface nitrogen treatment is performed to relatively reduce the nitrogen content of the surface layer as compared with the inside of the base material of the barrier metal film by removing nitrogen atoms on the surface layer with the rare gas plasma. A barrier metal film production apparatus comprising a surface treatment plasma generating means.
バリアメタル膜の最表層形成終了間際にチャンバ内に酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、
チャンバの内部をプラズマ化して酸素ガスプラズマを発生させバリアメタル膜の最表層に酸化層を形成する酸素プラズマ発生手段とを更に備えたことを特徴とするバリアメタル膜作製装置。In claim 1,
Oxygen gas supply means for supplying oxygen gas into the chamber just before the outermost layer formation of the barrier metal film is completed,
An apparatus for producing a barrier metal film, further comprising oxygen plasma generating means for generating an oxygen gas plasma by converting the inside of the chamber into plasma and generating an oxygen gas plasma on the outermost layer of the barrier metal film.
チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、
チャンバの内部をプラズマ化して水素ガスプラズマを発生させ酸化層に水酸基を形成する水酸基プラズマ発生手段とを更に備えたことを特徴とするバリアメタル膜作製装置。Oite to claim 2,
Hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas into the chamber;
Internal barrier metal film production apparatus, wherein the plasma to this with further a hydroxyl group plasma generation means to form a hydroxyl group on the oxide layer to generate hydrogen gas plasma chamber.
ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスであることを特徴とするバリアメタル膜作製装置。In any one of Claims 1 thru | or 3 ,
The barrier metal film manufacturing apparatus, wherein the halogen-containing source gas is a chlorine-containing source gas.
窒素を含有する窒素含有ガスは、アンモニアを含むガスであることを特徴とするバリアメタル膜作製装置。In any one of Claims 1 thru | or 4 ,
A barrier metal film manufacturing apparatus, wherein the nitrogen-containing gas containing nitrogen is a gas containing ammonia.
被エッチング部材は、ハロゲン化物形成金属であるタンタルもしくはタングステン、チタンもしくはシリコンであることを特徴とするバリアメタル膜作製装置。In any one of Claims 1 thru | or 5 ,
A barrier metal film manufacturing apparatus, wherein the member to be etched is tantalum or tungsten, titanium or silicon which is a halide forming metal.
チャンバの内部をプラズマ化して原料ガスプラズマを発生させ原料ガスプラズマで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分と原料ガスとの前駆体を生成すると共に、チャンバの内部をプラズマ化して窒素含有ガスプラズマを発生させ前駆体との間で金属窒化物を生成し、
基板側の温度をプラズマ発生手段側の温度よりも低くして金属窒化物を基板の表面にバリアメタル膜として成膜させる一方、基板表面の上部のチャンバ内に希ガスを供給し、
チャンバの内部をプラズマ化して希ガスプラズマを発生させ、希ガスプラズマで表層の窒素原子を除去してバリアメタル膜の母材内部と比べて表層の窒素含有量を相対的に低減させる表面処理を施すことを特徴とするバリアメタル膜作製方法。Supplying a source gas containing halogen and a nitrogen-containing gas in a chamber between the substrate and the metal member to be etched;
The inside of the chamber is turned into plasma to generate a source gas plasma, and the member to be etched is etched with the source gas plasma to generate a precursor of the metal component and source gas contained in the member to be etched, and the inside of the chamber is plasma. To generate a nitrogen-containing gas plasma to generate metal nitride with the precursor,
The substrate side temperature is made lower than the plasma generating means side temperature to form a metal nitride as a barrier metal film on the substrate surface, while supplying a rare gas into the chamber above the substrate surface,
Surface treatment that reduces the nitrogen content of the surface layer relative to the inside of the base material of the barrier metal film by converting the inside of the chamber into plasma and generating rare gas plasma, removing nitrogen atoms on the surface layer with the rare gas plasma. A method for producing a barrier metal film, characterized by comprising:
バリアメタル膜の最表層形成終了間際にチャンバ内に酸素ガスを供給し、
チャンバの内部をプラズマ化して酸素ガスプラズマを発生させバリアメタル膜の最表層に酸化層を形成することを特徴とするバリアメタル膜作製方法。In claim 7 ,
Supply oxygen gas into the chamber just before the formation of the outermost layer of the barrier metal film,
A method for producing a barrier metal film, wherein the inside of a chamber is converted into plasma to generate oxygen gas plasma to form an oxide layer on the outermost layer of the barrier metal film.
チャンバ内に水素ガスを供給し、
チャンバの内部をプラズマ化して水素ガスプラズマを発生させ酸化層に水酸基を形成することを特徴とするバリアメタル膜作製方法。In claim 8 ,
Supply hydrogen gas into the chamber,
The barrier metal film production method comprising the hydroxyl group formed child oxide layer to generate hydrogen gas plasma into plasma inside the chamber.
ハロゲンを含有する原料ガスは、塩素を含有する原料ガスであることを特徴とするバリアメタル膜作製方法。In any one of claims 7 to 9,
A method for producing a barrier metal film, wherein the source gas containing halogen is a source gas containing chlorine.
窒素を含有する窒素含有ガスは、アンモニアを含むガスであることを特徴とするバリアメタル膜作製方法。In any one of claims 7 to 10,
A method for producing a barrier metal film, wherein the nitrogen-containing gas containing nitrogen is a gas containing ammonia.
被エッチング部材は、ハロゲン化物形成金属であるタンタルもしくはタングステン、チタンもしくはシリコンであることを特徴とするバリアメタル膜作製方法。In any one of claims 7 to 11,
A method for producing a barrier metal film, wherein the member to be etched is tantalum or tungsten, titanium or silicon which is a halide forming metal.
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