JP3938450B2 - Barrier film manufacturing method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイス用の金属配線の技術分野にかかり、特に、銅配線膜と絶縁膜の間に設けられるバリア膜とSi、GaAs等を含む膜と金属配線の間に設け、シリサイデーションを防止するバリア膜と、高誘電体膜又は強誘電体膜と電極間のバリア膜との製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年では、半導体デバイスには増々高速動作が要求されており、そのため、アルミニウム配線に換え、低抵抗の銅配線が研究されている。
【0003】
しかし、銅は半導体結晶中では不純物であり、しかもシリコン結晶中やシリコン酸化物中での拡散係数が大きいという問題がある。そのため、窒化タングステン薄膜等の高融点金属の窒化物薄膜をバリア膜に用い、シリコン基板やシリコン酸化物薄膜表面にバリア膜を形成した後、その表面に銅配線膜を形成している。
【0004】
バリア膜を形成するためには、スパッタリング法や熱CVD法やPE−CVD法が用いられており、スパッタリング法の場合は高融点金属をターゲットにし、熱CVD法の場合は、下記のような還元反応によって窒化物薄膜を形成している。(1)式はタングステンの場合、(2)式はチタンの場合である。
4WF6+8NH3 → 2W2N+24HF+3N2 …(1)
TiCl4+NH3 → TiN+2HCl+1/2H2 …(2)
【0005】
多層配線の半導体デバイスを形成する場合、層間絶縁膜を挟んで銅配線を積層させる必要があるが、高速動作を要求される半導体デバイスでは、信号の伝達遅延を少なくするため、銅配線の抵抗値の他、層間絶縁膜の容量値やバリア膜の抵抗値を小さくする必要がある。具体的にはバリア膜には、200〜300μΩcmの低抵抗が求められている。
【0006】
スパッタリング法では、低抵抗の窒化物薄膜を形成できるが、ステップカバレッジが悪く、高アスペクト比のヴィアホール内にバリア膜を均一に形成することができない。
【0007】
他方、熱CVD法の場合、ヴィアホール内に均一なバリア膜を形成することができるが、低誘電率の層間絶縁膜は500℃以上の高温に曝されると誘電率が高くなってしまうため、熱CVD法での成膜温度は400℃〜500℃が上限となっており、その成膜温度では、例えばタングステン窒化物の薄膜の場合は、比抵抗が数千μΩcmにもなってしまい、低抵抗のバリア膜が得られない。
【0008】
CVD法でも、有機金属を使用したMOCVD方法や、プラズマCVD方法によれば、低温で低抵抗のバリア膜を形成できるが、有機金属は高価であり、他方、プラズマCVD方法はステップカバレッジが悪いという問題があり、採用には至っていない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、低比抵抗でステップカバレッジが良好なバリア膜を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、従来の熱CVD方法で形成した高融点金属の窒化物薄膜を分析したところ、高融点金属原子が不足した状態になっていることを見出した。例えばタングステンの場合、従来技術のタングステン窒化物では化学量論的な組成(W2N)になっておらず、WxN(xは1.5乃至1.6程度)になっている。このような窒化物中の金属原子の不足が窒化物薄膜の結晶性を悪化させ、抵抗値を高くしている原因と考えられる。
【0011】
本発明は上記知見に基づいて創作されたものであり、高融点金属の窒化物の組成を化学量論的な値に近づけるために、請求項1記載の発明は、化学構造中に高融点金属を有する原料ガスと、窒素原子を有する含窒素還元ガスとを真空雰囲気中に導入し前記真空雰囲気中に置かれた基板上に前記高融点金属の窒化物薄膜を形成するバリア膜製造方法であって、前記真空雰囲気中に、窒素原子を有さない補助還元ガスを、前記原料ガスの流量に対し、1倍以上15倍以下の流量で導入し、シリコン原子を含まないバリア膜を形成することを特徴とする。
【0012】
本発明は上記のように構成されており、真空雰囲気中に高融点金属原子を有する原料ガスと含窒素還元ガスを導入し、原料ガスを含窒素還元ガスで還元して高融点金属の窒化物を析出させる際に、真空雰囲気中に窒素原子を含まない補助還元ガスを導入し、高融点金属も析出するようにしている。
又、希釈ガスと酸素ガス等の酸素原子を構造中に有するガスを原料ガスと一緒に導入することにより、酸素原子を構造中に有するガスを導入しない場合に比べてバリア性が向上し、比抵抗が更に低い窒化膜を、形成することができる。
【0013】
高融点金属の窒化物を低温で析出させた場合、窒化物薄膜中の高融点金属が不足するが、補助還元ガスで析出させた高融点金属原子が不足分を補充するので、得られる窒化物薄膜は化学量論的な組成や、又は化学量論的な組成比よりも高融点金属の含有率が大きな組成比になる。
【0014】
窒化物の析出量に対し、金属の析出量は少なくてよいが、含窒化還元ガスの反応性に比べ、補助還元ガスの反応性は低いので、析出量に比べると多めに導入する必要がある。
【0015】
他方、補助還元ガスの導入量が多すぎると、高融点金属の含有率が大きくなりすぎ、窒化物薄膜よりも高融点金属の特性に近くなってしまう。また、Siを含んだ補助還元ガスを使用した場合は、窒化物薄膜中のSiの含有率が上昇してしまうという問題がある。従って、含窒素還元ガスと補助還元ガス、希釈ガス、構造中に酸素原子を有するガスの導入量には適切な範囲がある。
【0016】
例えば六フッ化タングステンガス(原料ガス)に対するアンモニアガス(含窒素還元ガス)の導入量を1.0倍、2.6倍、5.0倍に設定し、アンモニアガスに対するシランガス(補助還元ガス)の導入量を変化させた。
【0017】
その結果を図5のグラフに示す。横軸は、アンモニアガスの導入量を1.0とした場合のシランガスの導入量を示しており、縦軸は、形成されたタングステン窒化物薄膜の比抵抗を示している。
【0018】
このグラフから、含窒素還元ガスの導入量は、原料ガスの導入量に対して1倍以上、補助還元ガスの導入量は、含窒素還元ガスの導入量に対して2倍以上10倍以下の範囲が望ましいことが分かる。
【0019】
また、バリア膜の実用的な比抵抗は200〜300μΩ・cm程度であるから、このグラフから、含窒素還元ガスを原料ガスの流量に対して1倍以上5倍以下の流量範囲で導入し、補助還元ガスを、含窒素還元ガスの流量に対して2倍以上5倍以下の流量範囲で導入するとよいことが分かる。
【0020】
図6は、高融点金属窒化物を形成する際、原料ガスと補助還元ガスの流量比を変えた場合の、各々の高融点金属窒化物に含まれる元素の含有率を示したものである。ここでは原料ガスとしてWF6を使用し、補助還元ガスとしてSiH4を使用している。また、ここでは酸素ガスは1.5sccm導入している。
【0021】
SiH4/WF6の値が15以上になると、高融点金属窒化物(ここではWN)中にSiが含有されることがこのグラフから分かる。また、SiH4/WF6の値が1倍以上15倍以下では、WxN膜が形成されていることが示されている。
【0022】
図7は、本発明により、400℃の成膜温度で形成したタングステン窒化物薄膜のオージェ分光分析結果である。横軸のスパッタリング時間は表面からの深さを示している。タングステンが多く含まれており(窒素原子1に対し、タングステン原子は約4.0)、補助還元ガス導入の効果が分かる。
大気中に取り出したときにバリア膜が酸化されたため、表面に酸素が観察される。膜中にシリコンが存在するように見えるが、測定限界以下であり、測定誤差である。
【0023】
このように窒化物薄膜中の高融点金属の含有率を、化学量論的な組成比よりも、バリア性を維持できる範囲で大きくすれば、比抵抗を小さくすることができる。
CMPプロセスでは、窒化物薄膜と基板表面との高い密着性が求められるが、バリア膜を形成する前にアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスのうち一種以上のガスのプラズマ、又は前記プラズマとプラズマ状態の水素、窒素を混合したプラズマで基板表面をクリーニングすると、その表面に形成した窒化物薄膜は、テーピングテストで1cm2当たり1kgの荷重をかけても剥がれず、CMPプロセスで使用できる密着性が得られる。
【0024】
また、窒化物薄膜中にシリコンが含まれると、タングステン等の高融点金属とシリコンとが高温で反応し、タングステンシリサイド等のシリコン化合物が生成され、比抵抗が増大してしまう。本発明の窒化物薄膜は、シリコンを含有しないので、シリコン化合物が生成されず、比抵抗が小さい値で安定する。
【0025】
比較のため、図8に、従来技術のCVD方法によって400℃の成膜温度で形成したタングステン窒化物薄膜のオージェ分光分析結果を示す。窒素原子1に対し、タングステン原子は約1.7であり、タングステン原子が少なくなっている。比抵抗も1000μΩcm以上と高抵抗である。
【0026】
高融点金属の窒化物薄膜を形成するときの圧力範囲については、1Pa以上10000Pa以下が適当であり、より好ましくは1Pa以上100Pa以下がよい。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図1(a)〜(d)は、本発明の一実施形態を示す工程図である。
同図(a)の符号20は、処理対象物の基板を示している。該基板20は、シリコン単結晶から成る半導体基板21を有しており、その表面には、下地膜22と、シリコン酸化物から成る絶縁膜23が形成されている。下地膜22と絶縁膜23には、底面32に半導体基板21表面が露出された孔31が形成されている。
【0028】
この基板20表面に、バリア膜を形成する。
図4を参照し、符号50は、本発明を実施できるCVD装置を示している。このCVD装置50は真空槽51を有しており、該真空槽51には、図示しない搬出入室が接続されている。真空槽51の底面側には基板ホルダ53が配置されており、天井側には電極55が配置されている。
【0029】
このCVD装置50で基板20上にバリア膜を形成する場合、先ず、搬出入室内に基板20を搬入し、搬出入室及び真空槽51内を真空雰囲気にした後、真空槽51と搬出入室の間のゲートバルブ52を開け、基板20をCVD装置50内に搬入する。
【0030】
基板ホルダ53には基板昇降機構54が設けられており、該基板昇降機構54を動作させ、真空槽51内に搬入された基板を基板ホルダ53上に載置する。図4はその状態の基板を示している。
【0031】
次いで、基板ホルダ53内のヒータに通電し、基板20を300℃以上400℃以下の温度に昇温させる。
【0032】
真空槽51にはガス導入系57が設けられており、そのガス導入系57からアルゴンガスとアンモニアガスを所定流量で真空槽51内に導入し、基板ホルダ53と電極55の間に高周波電圧を印加すると、アンモニアガスから電離状態の窒素と水素が生成される。このとき、電離したアルゴンガスは希釈ガスとなりそれらが混合したプラズマが形成される。
【0033】
基板20表面の絶縁膜23は電極55に近接して対向配置されており、生成されたプラズマにより、絶縁膜23表面、孔31内の半導体基板21表面がその混合プラズマに曝され、付着していた有機物が分解される(クリーニング)。
【0034】
ここでのクリーニング条件は、アンモニアガス流量75sccm、アルゴンガス流量240sccm、圧力40Pa、高周波電力100Wとした。50秒間程度のクリーニングを行った後、高周波電圧の印加を停止し、プラズマを消滅させる。なお、ここではアルゴンガス(Arガス)を用いたが、アルゴンガスの代わりに窒素ガス(N2ガス)、ヘリウムガス(Heガス)を用いてもよい更に、それらの混合ガスを用いてもよい。
【0035】
次いで、上記アンモニアガス流量及びアルゴンガス流量を変えると共に、アンモニアガスとアルゴンガスに加え、ガス導入系57から真空槽51内に六フッ化タングステンガス(WF6ガス)とシランガスと酸素ガスを導入する。
【0036】
アンモニアガスの反応性はシランガスに比べて高いので、六フッ化タングステンガスが原料ガス、アンモニアガスが含窒素還元ガスとなり、原料ガスの還元反応が進行する。アンモニアガスは窒素を有しているので、上記(1)式のような還元反応により、絶縁膜23表面及び孔31内の半導体基板21表面にタングステン窒化物が析出する。
【0037】
真空槽51内に導入されたシランガスも還元性を有しているが、アンモニアガスに比べて反応性は低いので、補助的な還元ガス(補助還元ガス)となる。また、シランガスは窒素原子を有していないので、下記(3)式のような反応で原料ガスを還元し、金属タングステンを析出させる。
WF6+3/2 SiH4 → W+3/2 SiF4+3H2 ……(3)
【0038】
金属タングステンが析出すると、成長中のタングステン窒化物薄膜内に取り込まれる。従って、タングステンの窒化物薄膜の成長中に、金属タングステンが供給されるので、低温で成長する場合のタングステンの不足分が補償され、化学量論組成に近似した組成、又は化学量論組成比よりも高融点金属の含有率が大きな組成のバリア膜(窒化タングステン薄膜)が形成される。
【0039】
タングステンの窒化物薄膜の成長条件の一例としては、基板温度380℃、原料ガス流量5sccm、含窒素還元ガス流量を13sccm、補助還元ガス流量39sccm、アルゴンガス流量240sccm、酸素ガス導入量1.5sccm、圧力40Paである。
【0040】
含窒素還元ガス及び補助還元ガスによる原料ガスの還元反応を所定時間行うと、図1(b)の符号24に示すように、絶縁膜23及び半導体基板21表面にタングステンの窒化物薄膜が形成される。
【0041】
次いで、含窒素還元ガスの導入を停止し、補助還元性ガスの流量を増加させると、補助還元性ガスによって原料ガスが還元され、金属タングステンが析出する。図1(c)の符号25は、窒化物薄膜24表面に成長した金属タングステン薄膜を示している。
【0042】
金属タングステン薄膜25の形成条件の一例としては、基板温度380℃、原料ガス導入量20sccm、補助還元ガス導入量5sccm、希釈ガス(アルゴンガス)導入量240sccm、圧力40Paである。
【0043】
窒化物薄膜24は銅に対する高いバリア性を有しているが、高融点金属に比べると比抵抗が高い。他方、金属タングステン薄膜25等の高融点金属の薄膜は、銅に対するバリア性は低いものの、比抵抗は窒化物薄膜24よりも非常に小さい。
【0044】
従って、上記のように窒化物薄膜24をバリア膜とし、その上に高融点金属薄膜を積層させると、銅に対する高いバリア性を維持したまま、比抵抗を小さくすることができる。
また、逆に高融点金属薄膜上に窒化物薄膜を形成してもよいし、窒化物薄膜単層で形成してもよい。
【0045】
上記の条件でタングステン薄膜25を20〜30秒間成長させた後、基板20をCVD装置50の外部に搬出し、メッキ法やスパッタリング法等により、高融点金属薄膜25表面に銅薄膜を成長させる。図1(d)の符号26は、その銅薄膜を示している。
【0046】
銅薄膜26形成後、CMP法によって表面研磨し、絶縁膜23上の銅薄膜26及び窒化物薄膜24と金属薄膜25とを研磨除去すると、孔31や溝内に銅薄膜26で構成された配線膜27が形成される。その配線膜27と半導体基板21の間、及び絶縁膜23の間には窒化物薄膜24が存しており、銅が拡散しないようになっている。
【0047】
次いで、図2(f)のように、下地膜41、43と、絶縁膜42、44とを2層ずつ交互に積層させ、同図(g)のように、配線膜27表面を窓開けし、孔や溝を形成する。同図(g)の符号32は、溝又は孔を示している。この溝又は孔32底面には配線膜27が露出している。
次いで、CVD装置50内に基板20を搬入し、図1(b)で示した窒化物薄膜24と同じ条件で窒化物薄膜(窒化タングステン薄膜)を形成する。
図2(h)の符号33はその窒化物薄膜を示しており、溝又は孔32内と、絶縁膜44及び配線膜27表面が窒化物薄膜33で覆われる。
【0048】
次いで、メッキ法やスパッタリング法により、図3(i)に示すように銅薄膜34を成長させると、溝又は孔32内は銅薄膜34によって充填される。
【0049】
最後に、CMP法によって表面研磨すると、溝又は孔32内に充填された銅薄膜34によって、図3(j)に示すように、配線膜35が形成される。
この配線膜35と絶縁膜42、44の間にはバリア膜33が配置されているので、絶縁膜42、44中に銅が拡散しないようになっている。
【0050】
以上は高融点金属にタングステン、含窒素還元ガスにアンモニアガス、補助還元ガスにシランガスを用い、タングステンの窒化物薄膜を形成する場合を説明したが、原料ガスには六フッ化タングステンガスの他、W(CO)6ガスを用いることができる。
【0051】
また、タングステン以外の高融点金属を用い、それらの窒化物薄膜をバリア膜として形成する場合も本発明に含まれる。チタン(Ti)を高融点金属に用いる場合は、TiF4やTiCl4等のチタンハライドガスを原料ガスにすることができる。タンタル(Ta)を高融点金属に用いる場合は、TaCl5等のタンタルハライドガス等を原料ガスにすることができる。また、MoやNbのハロゲン化物を原料ガスにすることもできる。
【0052】
窒素原子を有する含窒素還元ガスには、NH3ガスの他、N24ガス、NF3ガス、N2Oガス等を用いることができる。
【0053】
窒素原子を有さない補助還元ガスとしては、SiH4ガスの他、H2ガス、Si26ガス、PH3ガス、B26ガス等を用いることができる。
また、希釈ガスとしてはアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスや、それらの混合ガスを使用することもできる。
【0054】
上述のクリーニング条件は一例であり、他の条件でも行うことができる。その一例としてアルゴンガス流量100sccm、圧力1.0Pa、高周波電力150W、クリーニング時間60秒で行っても同様の効果が得られた。
また、それらの条件でクリーニングを行った後、更に、アルゴンガス中にアンモニアガスを追加してクリーニングを行ってもよい。
【0055】
【発明の効果】
CVD法により、500℃以下、特に350℃〜450℃の温度範囲で低比抵抗のバリア膜(高融点金属の窒化物薄膜)を形成できる。従って、層間絶縁膜にダメージを与えることがない。
また、熱CVD法で窒化物薄膜を形成するので、ステップカバレッジが良好である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(e):本発明方法を説明するための工程図の前半
【図2】(f)〜(h):本発明方法を説明するための工程図の中半
【図3】(i)〜(j):本発明方法を説明するための工程図の後半
【図4】本発明方法を実施できるCVD装置の一例
【図5】本発明方法により形成したタングステン窒化物薄膜の比抵抗と、原料ガス、含窒素還元ガス、及び補助還元ガスの流量との関係を示すグラフ
【図6】本発明方法により形成したタングステン窒化物薄膜のSiH4/WF6流量比による元素含有率の変化を示すグラフ
【図7】本発明方法により形成したタングステン窒化物の深さ方向の組成を示すグラフ
【図8】従来技術のタングステン窒化物の深さ方向の組成を示すグラフ
【符号の説明】
20……基板 24、33……窒化物薄膜(バリア膜) 25……金属薄膜 27、35……配線膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the technical field of metal wiring for semiconductor devices, in particular, a barrier film provided between a copper wiring film and an insulating film, a film containing Si, GaAs, etc., and a metal wiring, The present invention relates to a manufacturing method of a barrier film to be prevented and a barrier film between a high dielectric film or a ferroelectric film and an electrode.
[0002]
[Prior art]
In recent years, semiconductor devices are increasingly required to operate at high speed. Therefore, low resistance copper wiring has been studied instead of aluminum wiring.
[0003]
However, copper is an impurity in a semiconductor crystal and has a problem that a diffusion coefficient in a silicon crystal or silicon oxide is large. For this reason, a high-melting-point metal nitride thin film such as a tungsten nitride thin film is used as a barrier film, a barrier film is formed on the surface of a silicon substrate or silicon oxide thin film, and then a copper wiring film is formed on the surface.
[0004]
In order to form the barrier film, a sputtering method, a thermal CVD method, or a PE-CVD method is used. In the sputtering method, a refractory metal is used as a target. In the thermal CVD method, the following reduction is performed. A nitride thin film is formed by the reaction. Equation (1) is for tungsten, and Equation (2) is for titanium.
4WF 6 + 8NH 3 → 2W 2 N + 24HF + 3N 2 (1)
TiCl 4 + NH 3 → TiN + 2HCl + 1 / 2H 2 (2)
[0005]
When forming a semiconductor device with multilayer wiring, it is necessary to stack copper wiring with an interlayer insulating film in between. However, in semiconductor devices that require high-speed operation, the resistance value of the copper wiring is required to reduce signal transmission delay. In addition, it is necessary to reduce the capacitance value of the interlayer insulating film and the resistance value of the barrier film. Specifically, the barrier film is required to have a low resistance of 200 to 300 μΩcm.
[0006]
The sputtering method can form a low-resistance nitride thin film, but the step coverage is poor, and a barrier film cannot be uniformly formed in a high aspect ratio via hole.
[0007]
On the other hand, in the case of the thermal CVD method, a uniform barrier film can be formed in the via hole, but the low dielectric constant interlayer insulating film has a high dielectric constant when exposed to a high temperature of 500 ° C. or higher. The film formation temperature in the thermal CVD method has an upper limit of 400 ° C. to 500 ° C. At the film formation temperature, for example, in the case of a tungsten nitride thin film, the specific resistance becomes several thousand μΩcm, A low-resistance barrier film cannot be obtained.
[0008]
Even in the CVD method, an MOCVD method using an organic metal or a plasma CVD method can form a barrier film having a low resistance at a low temperature, but the organic metal is expensive, while the plasma CVD method has poor step coverage. There is a problem and it has not been adopted.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-described disadvantages of the prior art, and an object thereof is to provide a barrier film having a low specific resistance and good step coverage.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have analyzed a refractory metal nitride thin film formed by a conventional thermal CVD method and found that the refractory metal atoms are insufficient. For example, in the case of tungsten, the conventional tungsten nitride does not have a stoichiometric composition (W 2 N), but WxN (x is about 1.5 to 1.6). Such a shortage of metal atoms in the nitride is thought to be a cause of deterioration in crystallinity of the nitride thin film and an increase in resistance.
[0011]
The present invention was created based on the above findings, and in order to bring the composition of the nitride of the refractory metal close to the stoichiometric value, the invention according to claim 1 And a nitrogen-containing reducing gas having nitrogen atoms are introduced into a vacuum atmosphere, and the refractory metal nitride thin film is formed on the substrate placed in the vacuum atmosphere. Then, an auxiliary reducing gas having no nitrogen atoms is introduced into the vacuum atmosphere at a flow rate of 1 to 15 times the flow rate of the source gas to form a barrier film not containing silicon atoms. It is characterized by.
[0012]
The present invention is configured as described above, and introduces a source gas having a refractory metal atom and a nitrogen-containing reducing gas into a vacuum atmosphere, and reduces the source gas with the nitrogen-containing reducing gas to thereby nitride the refractory metal. When precipitating, an auxiliary reducing gas not containing nitrogen atoms is introduced into the vacuum atmosphere so that a high melting point metal is also precipitated.
Further, by introducing a gas having an oxygen atom in the structure such as a dilution gas and an oxygen gas together with the raw material gas, the barrier property is improved as compared with the case where the gas having an oxygen atom in the structure is not introduced. A nitride film having a lower resistance can be formed.
[0013]
When a refractory metal nitride is deposited at a low temperature, the refractory metal in the nitride thin film is insufficient, but the refractory metal atoms deposited with the auxiliary reducing gas supplement the shortage, so the resulting nitride The thin film has a stoichiometric composition or a composition ratio in which the content of the refractory metal is larger than the stoichiometric composition ratio.
[0014]
The amount of metal deposited may be smaller than the amount of nitride deposited, but the auxiliary reducing gas has a lower reactivity than the nitrogen-containing reducing gas, so it needs to be introduced more than the amount of precipitation. .
[0015]
On the other hand, if the introduction amount of the auxiliary reducing gas is too large, the content of the refractory metal becomes too large, and the characteristics of the refractory metal are closer to those of the nitride thin film. In addition, when an auxiliary reducing gas containing Si is used, there is a problem that the Si content in the nitride thin film increases. Accordingly, there is an appropriate range for the introduction amount of the nitrogen-containing reducing gas, the auxiliary reducing gas, the dilution gas, and the gas having oxygen atoms in the structure.
[0016]
For example, the introduction amount of ammonia gas (nitrogen-containing reducing gas) to tungsten hexafluoride gas (raw material gas) is set to 1.0, 2.6, and 5.0 times, and silane gas (auxiliary reducing gas) to ammonia gas. The amount of introduction was changed.
[0017]
The results are shown in the graph of FIG. The horizontal axis shows the amount of silane gas introduced when the amount of ammonia gas introduced is 1.0, and the vertical axis shows the specific resistance of the formed tungsten nitride thin film.
[0018]
From this graph, the introduction amount of the nitrogen-containing reducing gas is 1 or more times the introduction amount of the raw material gas, and the introduction amount of the auxiliary reducing gas is 2 to 10 times the introduction amount of the nitrogen-containing reducing gas. It can be seen that a range is desirable.
[0019]
Moreover, since the practical specific resistance of the barrier film is about 200 to 300 μΩ · cm, from this graph, the nitrogen-containing reducing gas is introduced in a flow rate range of 1 to 5 times the flow rate of the source gas, It can be seen that the auxiliary reducing gas is preferably introduced in a flow rate range of 2 to 5 times the flow rate of the nitrogen-containing reducing gas.
[0020]
FIG. 6 shows the content of elements contained in each refractory metal nitride when the flow rate ratio of the source gas and the auxiliary reducing gas is changed when forming the refractory metal nitride. Here, WF 6 is used as the raw material gas, and SiH 4 is used as the auxiliary reducing gas. Here, 1.5 sccm of oxygen gas is introduced.
[0021]
It can be seen from this graph that when the value of SiH 4 / WF 6 is 15 or more, Si is contained in the refractory metal nitride (WN here). Further, it is shown that a W x N film is formed when the value of SiH 4 / WF 6 is 1 to 15 times.
[0022]
FIG. 7 is an Auger spectroscopic analysis result of a tungsten nitride thin film formed at a film forming temperature of 400 ° C. according to the present invention. The sputtering time on the horizontal axis indicates the depth from the surface. A lot of tungsten is contained (the tungsten atom is about 4.0 with respect to 1 nitrogen atom), and the effect of introducing the auxiliary reducing gas is understood.
Since the barrier film was oxidized when taken out into the atmosphere, oxygen was observed on the surface. Although silicon appears to be present in the film, it is below the measurement limit and is a measurement error.
[0023]
As described above, if the content of the refractory metal in the nitride thin film is made larger than the stoichiometric composition ratio in a range where the barrier property can be maintained, the specific resistance can be reduced.
In the CMP process, high adhesion between the nitride thin film and the substrate surface is required, but before forming the barrier film, plasma of one or more gases of argon gas, nitrogen gas, helium gas, or the plasma and plasma state When the substrate surface is cleaned with a plasma containing a mixture of hydrogen and nitrogen, the nitride thin film formed on the surface does not peel off even when a load of 1 kg per 1 cm 2 is applied in the taping test, and adhesion that can be used in the CMP process is obtained. It is done.
[0024]
In addition, when silicon is contained in the nitride thin film, a refractory metal such as tungsten reacts with silicon at a high temperature to generate a silicon compound such as tungsten silicide, and the specific resistance increases. Since the nitride thin film of the present invention does not contain silicon, no silicon compound is generated and the specific resistance is stable at a small value.
[0025]
For comparison, FIG. 8 shows an Auger spectroscopic analysis result of a tungsten nitride thin film formed at a film forming temperature of 400 ° C. by a conventional CVD method. The number of tungsten atoms is about 1.7 with respect to nitrogen atom 1, and the number of tungsten atoms is small. The specific resistance is as high as 1000 μΩcm or more.
[0026]
The pressure range for forming the refractory metal nitride thin film is suitably 1 Pa to 10,000 Pa, more preferably 1 Pa to 100 Pa.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIGS. 1A to 1D are process diagrams showing an embodiment of the present invention.
Reference numeral 20 in FIG. 4 (a) indicates a substrate to be processed. The substrate 20 includes a semiconductor substrate 21 made of silicon single crystal, and a base film 22 and an insulating film 23 made of silicon oxide are formed on the surface of the substrate 20. A hole 31 is formed in the base film 22 and the insulating film 23 so that the surface of the semiconductor substrate 21 is exposed on the bottom surface 32.
[0028]
A barrier film is formed on the surface of the substrate 20.
Referring to FIG. 4, reference numeral 50 indicates a CVD apparatus in which the present invention can be implemented. The CVD apparatus 50 has a vacuum chamber 51, and a carry-in / out chamber (not shown) is connected to the vacuum chamber 51. A substrate holder 53 is disposed on the bottom surface side of the vacuum chamber 51, and an electrode 55 is disposed on the ceiling side.
[0029]
When the barrier film is formed on the substrate 20 by the CVD apparatus 50, first, the substrate 20 is loaded into the loading / unloading chamber, the inside of the loading / unloading chamber and the vacuum chamber 51 is set to a vacuum atmosphere, and then between the vacuum chamber 51 and the loading / unloading chamber. The gate valve 52 is opened, and the substrate 20 is carried into the CVD apparatus 50.
[0030]
The substrate holder 53 is provided with a substrate raising / lowering mechanism 54, and the substrate raising / lowering mechanism 54 is operated to place the substrate carried into the vacuum chamber 51 on the substrate holder 53. FIG. 4 shows the substrate in this state.
[0031]
Next, the heater in the substrate holder 53 is energized, and the substrate 20 is heated to a temperature of 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
[0032]
The vacuum chamber 51 is provided with a gas introduction system 57. Argon gas and ammonia gas are introduced from the gas introduction system 57 into the vacuum chamber 51 at a predetermined flow rate, and a high-frequency voltage is applied between the substrate holder 53 and the electrode 55. When applied, nitrogen and hydrogen in an ionized state are generated from ammonia gas. At this time, the ionized argon gas becomes a diluent gas, and a plasma in which they are mixed is formed.
[0033]
The insulating film 23 on the surface of the substrate 20 is disposed close to and opposed to the electrode 55, and the surface of the insulating film 23 and the surface of the semiconductor substrate 21 in the hole 31 are exposed to and adhered to the mixed plasma by the generated plasma. Organic matter is decomposed (cleaning).
[0034]
The cleaning conditions here were an ammonia gas flow rate of 75 sccm, an argon gas flow rate of 240 sccm, a pressure of 40 Pa, and a high-frequency power of 100 W. After cleaning for about 50 seconds, the application of the high frequency voltage is stopped and the plasma is extinguished. Although argon gas (Ar gas) is used here, nitrogen gas (N 2 gas) or helium gas (He gas) may be used instead of argon gas, or a mixed gas thereof may be used. .
[0035]
Next, the ammonia gas flow rate and the argon gas flow rate are changed, and in addition to the ammonia gas and the argon gas, tungsten hexafluoride gas (WF 6 gas), silane gas, and oxygen gas are introduced into the vacuum chamber 51 from the gas introduction system 57. .
[0036]
Since the reactivity of ammonia gas is higher than that of silane gas, tungsten hexafluoride gas becomes a source gas and ammonia gas becomes a nitrogen-containing reducing gas, and the reduction reaction of the source gas proceeds. Since the ammonia gas contains nitrogen, tungsten nitride is deposited on the surface of the insulating film 23 and the surface of the semiconductor substrate 21 in the hole 31 by the reduction reaction as expressed by the above formula (1).
[0037]
The silane gas introduced into the vacuum chamber 51 also has a reducing property. However, since the reactivity is lower than that of ammonia gas, it becomes an auxiliary reducing gas (auxiliary reducing gas). Further, since the silane gas has no nitrogen atom, the raw material gas is reduced by a reaction such as the following formula (3) to deposit metallic tungsten.
WF 6 +3/2 SiH 4 → W + 3/2 SiF 4 + 3H 2 (3)
[0038]
When metallic tungsten is deposited, it is taken into the growing tungsten nitride thin film. Therefore, since tungsten metal is supplied during the growth of the tungsten nitride thin film, the shortage of tungsten when growing at a low temperature is compensated, and the composition close to the stoichiometric composition or the stoichiometric composition ratio. In addition, a barrier film (tungsten nitride thin film) having a high content of refractory metal is formed.
[0039]
As an example of the growth conditions of the tungsten nitride thin film, the substrate temperature is 380 ° C., the source gas flow rate is 5 sccm, the nitrogen-containing reducing gas flow rate is 13 sccm, the auxiliary reducing gas flow rate is 39 sccm, the argon gas flow rate is 240 sccm, the oxygen gas introduction amount is 1.5 sccm, The pressure is 40 Pa.
[0040]
When the reduction reaction of the source gas with the nitrogen-containing reducing gas and the auxiliary reducing gas is performed for a predetermined time, a tungsten nitride thin film is formed on the surfaces of the insulating film 23 and the semiconductor substrate 21 as shown by reference numeral 24 in FIG. The
[0041]
Next, when the introduction of the nitrogen-containing reducing gas is stopped and the flow rate of the auxiliary reducing gas is increased, the raw material gas is reduced by the auxiliary reducing gas, and metallic tungsten is deposited. Reference numeral 25 in FIG. 1C denotes a metal tungsten thin film grown on the surface of the nitride thin film 24.
[0042]
As an example of the formation conditions of the metal tungsten thin film 25, the substrate temperature is 380 ° C., the source gas introduction amount is 20 sccm, the auxiliary reducing gas introduction amount is 5 sccm, the dilution gas (argon gas) introduction amount is 240 sccm, and the pressure is 40 Pa.
[0043]
The nitride thin film 24 has a high barrier property against copper, but has a higher specific resistance than a refractory metal. On the other hand, refractory metal thin films such as the metal tungsten thin film 25 have a lower specific resistance than the nitride thin film 24, although the barrier property against copper is low.
[0044]
Therefore, when the nitride thin film 24 is used as a barrier film and a refractory metal thin film is laminated thereon as described above, the specific resistance can be reduced while maintaining a high barrier property against copper.
Conversely, a nitride thin film may be formed on the refractory metal thin film, or a single nitride thin film may be formed.
[0045]
After the tungsten thin film 25 is grown for 20 to 30 seconds under the above conditions, the substrate 20 is taken out of the CVD apparatus 50, and a copper thin film is grown on the surface of the refractory metal thin film 25 by a plating method or a sputtering method. The code | symbol 26 of FIG.1 (d) has shown the copper thin film.
[0046]
After the copper thin film 26 is formed, the surface is polished by a CMP method, and the copper thin film 26, the nitride thin film 24, and the metal thin film 25 on the insulating film 23 are polished and removed. A film 27 is formed. A nitride thin film 24 exists between the wiring film 27 and the semiconductor substrate 21 and between the insulating film 23 so that copper does not diffuse.
[0047]
Next, as shown in FIG. 2 (f), two layers of base films 41 and 43 and insulating films 42 and 44 are alternately laminated, and the surface of the wiring film 27 is opened as shown in FIG. 2 (g). , Forming holes and grooves. Reference numeral 32 in FIG. 5G denotes a groove or a hole. The wiring film 27 is exposed at the bottom of the groove or hole 32.
Next, the substrate 20 is carried into the CVD apparatus 50, and a nitride thin film (tungsten nitride thin film) is formed under the same conditions as the nitride thin film 24 shown in FIG.
Reference numeral 33 in FIG. 2H denotes the nitride thin film, and the grooves or holes 32 and the surfaces of the insulating film 44 and the wiring film 27 are covered with the nitride thin film 33.
[0048]
Next, when the copper thin film 34 is grown by plating or sputtering, as shown in FIG. 3I, the groove or hole 32 is filled with the copper thin film 34.
[0049]
Finally, when the surface is polished by the CMP method, a wiring film 35 is formed by the copper thin film 34 filled in the groove or hole 32 as shown in FIG.
Since the barrier film 33 is disposed between the wiring film 35 and the insulating films 42 and 44, copper does not diffuse into the insulating films 42 and 44.
[0050]
The above describes the case of forming a tungsten nitride thin film using tungsten as the refractory metal, ammonia gas as the nitrogen-containing reducing gas, and silane gas as the auxiliary reducing gas. W (CO) 6 gas can be used.
[0051]
Further, the present invention includes a case where a refractory metal other than tungsten is used and the nitride thin film is formed as a barrier film. When titanium (Ti) is used as the refractory metal, a titanium halide gas such as TiF 4 or TiCl 4 can be used as a raw material gas. When tantalum (Ta) is used as the refractory metal, a tantalum halide gas such as TaCl 5 can be used as a source gas. Also, Mo or Nb halides can be used as the source gas.
[0052]
As the nitrogen-containing reducing gas having a nitrogen atom, N 2 H 4 gas, NF 3 gas, N 2 O gas or the like can be used in addition to NH 3 gas.
[0053]
As the auxiliary reducing gas having no nitrogen atom, H 2 gas, Si 2 H 6 gas, PH 3 gas, B 2 H 6 gas, etc. can be used in addition to SiH 4 gas.
Moreover, argon gas, nitrogen gas, helium gas, and those mixed gas can also be used as dilution gas.
[0054]
The above-described cleaning condition is an example and can be performed under other conditions. As an example, the same effect was obtained even when the argon gas flow rate was 100 sccm, the pressure was 1.0 Pa, the high frequency power was 150 W, and the cleaning time was 60 seconds.
Further, after cleaning is performed under these conditions, ammonia gas may be further added to the argon gas for cleaning.
[0055]
【The invention's effect】
By the CVD method, a low specific resistance barrier film (nitride thin film of a refractory metal) can be formed at a temperature of 500 ° C. or lower, particularly 350 ° C. to 450 ° C. Therefore, the interlayer insulating film is not damaged.
Further, since the nitride thin film is formed by the thermal CVD method, the step coverage is good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) to (e): the first half of a process diagram for explaining the method of the present invention. FIG. FIG. 3 (i) to (j): Second half of the process diagram for explaining the method of the present invention. FIG. 4 shows an example of a CVD apparatus capable of carrying out the method of the present invention. and resistivity of the thin film, the element according to the raw material gas, a nitrogen-containing reducing gas, and SiH 4 / WF 6 flow rate ratio of the tungsten nitride films formed by the graph 6 present process showing the relationship between the flow rate of the auxiliary reductive gas FIG. 7 is a graph showing the composition in the depth direction of tungsten nitride formed by the method of the present invention. FIG. 8 is a graph showing the composition in the depth direction of the conventional tungsten nitride. Explanation of]
20 ... Substrate 24, 33 ... Nitride thin film (barrier film) 25 ... Metal thin film 27, 35 ... Wiring film

Claims (1)

化学構造中に高融点金属を有する原料ガスと、窒素原子を有する含窒素還元ガスとを真空雰囲気中に導入し
前記真空雰囲気中に置かれた基板上に前記高融点金属の窒化物薄膜を形成するバリア膜製造方法であって、
前記真空雰囲気中に、窒素原子を有さない補助還元ガスを、前記原料ガスの流量に対し、1倍以上15倍以下の流量で導入し、シリコン原子を含まないバリア膜を形成することを特徴とするバリア膜製造方法。
A raw material gas having a refractory metal in the chemical structure and a nitrogen-containing reducing gas having a nitrogen atom are introduced into a vacuum atmosphere, and a nitride thin film of the refractory metal is formed on the substrate placed in the vacuum atmosphere. A method for producing a barrier film comprising:
An auxiliary reducing gas having no nitrogen atoms is introduced into the vacuum atmosphere at a flow rate of 1 to 15 times the flow rate of the source gas to form a barrier film not containing silicon atoms. A barrier film manufacturing method.
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