JP3998830B2 - 化学気相蒸着法による金属窒化膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の金属コンタクト形成方法 - Google Patents

化学気相蒸着法による金属窒化膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の金属コンタクト形成方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、詳細には金属ソースと窒素ソースを前駆体として使用する化学気相蒸着法（Chemical Vapor Deposition、以下ＣＶＤとする）による金属窒化膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の金属コンタクト形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子のコンタクト界面の安定化のためには、他の物質間の相互拡散や化学反応を抑制する役割をする障壁金属層が必須である。このような半導体素子の障壁金属層としては一般的にＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮのような金属窒化物が広く利用されるが、この中でもＴｉＮが代表的な物質である。
【０００３】
しかし、ＴｉＮのような金属窒化膜をスパッタリング方法で製造する場合、段差塗布性が低くて順に高集積化する半導体素子に適用するには問題がある。一例として、金属配線間の連結のためのビアコンタクト（via contact）を形成した場合の断面を図９Ａ及び図９Ｂに示す。図９Ａ及び図９Ｂは各々単純なビアコンタクト及びアンカービアコンタクトを示すものであって、その形成過程は次の通りである。半導体基板２０上にアルミニウムよりなる第１金属層３０を形成し、その上にキャッピング膜としてＴｉＮ膜４０をスパッタリング方法で形成した後、層間絶縁膜５０、５１を積層する。次いで、第１金属層３０上の層間絶縁膜を蝕刻してコンタクトホールを形成し（図９Ｂの場合は湿式蝕刻でアンカーＡを形成する過程が追加される）、接着層のＴｉ及び障壁金属層のＴｉＮ膜６０、６１を蒸着した後、ＣＶＤ法でコンタクトホールを満たすタングステン（Ｗ）プラグ７０、７１を形成する。以後、化学機械的研磨やエッチバックで上部分のタングステンを除去し、その上に第２金属層を積層することによって金属配線間連結を完成させる（この過程は示さなかった）。
【０００４】
ここで、従来の方法は障壁金属層のＴｉＮ膜６０、６１を段差塗布性がよくないスパッタリング方法で蒸着するが、ビアの縦横比が大きくなるにつれてコンタクトホールの底面や隈、アンカーを形成する部位ＡではＴｉＮ膜の厚さが薄くなる。従って、その厚さが薄い部位でＴｉまたはＡｌが後続工程のタングステン蒸着時、タングステンソースガスであるＷＦ6 の残留フッ素と結合して絶縁膜であるＴｉＦX またはＡｌＦX を形成し、コンタクト不良Ｘを招く。
【０００５】
このようなコンタクト不良を除去する方法として、蒸着時間を増やしてＴｉＮ膜６０、６１の厚さを増加させる場合には、コンタクトホールの上方のみＴｉＮ膜の厚さが増加して、コンタクトホールの上方が狭くなったりふさがって以後タングステン蒸着時にボイドが発生する可能性が高い。従って、ＴｉＮを縦横比が大きいコンタクトに適用するためには、段差塗布特性が改善された工程を必要とする。従って、ＣＶＤ法による金属窒化膜（以下、ＣＶＤ−金属窒化膜という）の製造工程が次世代工程として研究されてきた。
【０００６】
一般的に、ＣＶＤ−金属窒化膜工程では塩素（Ｃｌ）を含む金属ソース（金属源）、例えばＴｉＣｌ4 のような前駆体を使用する。ＴｉＣｌ4 を前駆体として利用するＣＶＤ−金属窒化膜は９５％以上の高い段差塗布性を有し蒸着速度が速い長所があるが、Ｃｌが金属窒化膜内で不純物として残る問題がある。このように、金属窒化膜に不純物として残るＣｌは、Ａｌのような金属配線の腐食問題を起こしながら比抵抗を高くする。従って、金属窒化膜内に残るＣｌ含量を減らし比抵抗を低くすることが要求されるが、このためには高い温度で蒸着を行なうべきである。即ち、ＴｉＣｌ4 のような金属ソースを用いたＣＶＤ−金属窒化膜工程で２００μΩ−ｃｍ以下の比抵抗を得るためには最小限６７５℃の蒸着温度を必要とする。しかし、６００℃以上の高い蒸着温度は下地膜が耐えられる熱的負担限界と熱応力限界を越える問題があり、特にＳｉコンタクトやＡｌが下地膜としてあるビアコンタクトに金属窒化膜を蒸着する時は、４８０℃以下の蒸着温度が要求されるため、高温のＣＶＤ−金属窒化膜工程が採用できない。
【０００７】
低温蒸着ＣＶＤ−金属窒化膜工程としてＴｉＣｌ4 のような金属ソースにＭＨ（methylhydrazine、（ＣＨ3 ）ＨＮＮＨ2 ）を添加する方法があるが、この場合段差塗布特性が７０％以下に落ちる短所がある。
【０００８】
低温蒸着が可能な他の方法としては、ＴＤＥＡＴ（tetrakis diethylamino Ti、Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ2 ＣＨ3 ）2 ）4 ）、ＴＤＭＡＴ（tetrakis dimethylamino Ti、Ｔｉ（Ｎ（ＣＨ3 ）2 ）4 ）の有機金属前駆体を使用するＭＯＣＶＤ−金属窒化膜形成方法がある。ＭＯＣＶＤ−金属窒化膜は、Ｃｌによる問題点が発生しなく低温蒸着が可能という長所がある。しかし、ＭＯＣＶＤ−金属窒化膜はその膜内に不純物として炭素が多量存在して高い比抵抗を示し、段差塗布性が７０％程度でよくない短所がある。
【０００９】
一方、Ｃｌによる問題点を克服するために蒸着でない他の方法としては、原子層成長法（atomic layer epitaxy、以下ＡＬＥという）による金属窒化膜の形成方法が試みられている。しかし、ＡＬＥは化学的吸着だけを利用して原子層単位で成長させるため、大量生産が要求される半導体素子の製造工程に適用するには蒸着速度（０．２５Å／cycle 以下）があまりにも遅いという短所がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような短所を勘案して案出されたものであって、低温で蒸着速度が速いながら優れた段差塗布特性と低い不純物濃度及び低い比抵抗値を満足する金属窒化膜を形成する方法を提供することにその目的がある。
【００１１】
本発明の他の目的は、上記の金属窒化膜形成方法を半導体装置の金属コンタクトへ適用して、低温で蒸着速度が速いながら優れた段差塗布特性と低い不純物濃度及び低い比抵抗値を満足する障壁金属層を有する金属コンタクト形成方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の金属窒化膜形成方法は、金属ソース（金属源）と窒素ソース（窒素源）を前駆体として使用する化学気相蒸着法による金属窒化膜形成方法であって、次のようになされることを特徴とする。まず、半導体基板を蒸着室内に装入し、金属ソース、ここで、前記金属ソースはＴａＢｒ ５ 、ＴａＣｌ ５ 、ＴａＦ ５ 、ＴａＩ ５ 及び（Ｃ ５ （ＣＨ ３ ） ５ ）ＴａＣｌ ４ よりなる群から選ばれた少なくとも一つである、を蒸着室内に流して前記基板に金属ソースの第１部分を化学的に吸着させ、前記基板に金属ソースの第２部分を物理的に吸着させる。所定時間後、金属ソースの流入を遮断し、パージガスを蒸着室内に流入して蒸着室内に残留する金属ソースを除去する。所定時間後、パージガスの流入を遮断し、窒素ソースを蒸着室内に流して前記半導体基板上に化学的および物理的に吸着された金属ソースと反応させる、ここで、前記窒素ソースはＮＨ ３ としてタンタル窒化膜を形成する。再び、所定時間後、窒素ソースの流入を遮断しパージガスを蒸着室内に流して、蒸着室内に残留する窒素ソースを除去して半導体基板上に金属窒化膜を形成する。
【００１３】
本発明の金属窒化膜形成方法は、望みの厚さの金属窒化膜を得るまで上記の金属ソース→パージガス→窒素ソース→パージガスの順に流すガス流入サイクルを反復できる。
【００１４】
ここで、金属ソースをＴａＢｒ５ （ｔａｎｔａｌｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、ＴａＣｌ５ （ｔａｎｔａｌｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＴａＦ５ （ｔａｎｔａｌｕｍ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、ＴａＩ５ （ｔａｎｔａｌｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）または（Ｃ５ （ＣＨ３ ）５ ）ＴａＣｌ４ （ｐｅｎｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌｔａｎｔａｌｕｍ ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ）とし、窒素ソースをＮＨ３ としてタンタル窒化膜を形成させうる。
【００１５】
また、パージガスはＡｒまたはＮ2 の不活性気体を使うことが望ましい。
【００１６】
蒸着室内に流入する金属ソース、窒素ソース、パージガスの流量は、各々１〜５ｓｃｃｍ、５〜２００ｓｃｃｍ、１０〜２００ｓｃｃｍ程にすることが望ましいし、各ガスの流入時間は１〜１０秒程にすることが望ましい。
【００１７】
また、蒸着室内の圧力を一定に維持するために、Ａｒ、ＨｅまたはＮ2 の雰囲気ガスを蒸着室内に続けて流すこともできる。
【００１８】
蒸着室圧力を１３３〜２６６０Ｐａ（１〜２０ｔｏｒｒ）、蒸着温度を４００〜５００℃とする。
【００１９】
上記の他の目的を達成するための本発明の金属コンタクト形成方法は、半導体基板上に第１金属層、層間絶縁膜、コンタクトホール、障壁金属層、金属プラグ、第２金属層を順に形成する金属コンタクト形成方法であって、特に障壁金属層を形成する過程が次のようなことを特徴とする。即ち、層間絶縁膜に第１金属層を露出するコンタクトホールが形成された半導体基板に対し、金属ソースを流して金属ソースを吸着させる、ここで、前記金属ソースはＴａＢｒ ５ 、ＴａＣｌ ５ 、ＴａＦ ５ 、ＴａＩ ５ 及び（Ｃ ５ （ＣＨ ３ ） ５ ）ＴａＣｌ ４ よりなる群から選ばれた少なくとも一つである。所定時間後、金属ソースの流入を遮断しパージガスを流して蒸着室内に残留する金属ソースを除去する。所定時間後、パージガスの流入を遮断し、窒素ソースを蒸着室内に流して前記半導体基板上に吸着した金属ソースと反応させて露出した第１金属層及びコンタクトホール上に障壁金属層の金属窒化膜を形成する、ここで、前記窒素ソースはＮＨ ３ として前記障壁金属層としてタンタル窒化膜を形成する。再び、所定時間後、窒素ソースの流入を遮断し、パージガスを蒸着室内に流して、蒸着室内に残留する窒素ソースを除去する。
【００２０】
以上のように、障壁金属層形成過程は所望の厚さの障壁金属層を得るまで繰り返して遂行できる。
【００２１】
ここで、金属ソースはＴａＢｒ５ 、ＴａＣｌ５ 、ＴａＦ５ 、ＴａＩ５ または（Ｃ５ （ＣＨ３ ）５ ）ＴａＣｌ４ であり、窒素ソースをＮＨ３ として障壁金属層でＴａＮ膜を形成させる。
【００２２】
また、パージガスはＡｒまたはＮ2 の不活性気体を使うことが望ましい。
【００２３】
蒸着室内に流す金属ソース、窒素ソース及びパージガスの流量及び流入時間は、前述した本発明の金属窒化膜形成方法と同じ範囲とする。
【００２４】
また、蒸着室内の圧力を一定に維持するために、Ａｒ、ＨｅまたはＮ2 の雰囲気ガスを蒸着室内に連続して流すこともできる。
【００２５】
一方、障壁金属層の形成時、蒸着温度は４００〜５００℃とすることが望ましい。
【００２６】
このように構成された本発明によると、段差塗布特性が優秀ながら２００μΩ−ｃｍ以下の低い比抵抗と低いＣｌ含量とを有する金属窒化膜が得られる。また、５００℃以下の低温でＣＶＤ−金属窒化膜を形成しながら蒸着速度が概略２０Å／cycle で、成長速度が０．２５Å／cycle のＡＬＥによる金属窒化膜形成方法に比べて蒸着速度が速い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施態様を詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の形成方法によって金属窒化膜を蒸着するためのＣＶＤ装置を示す概略図である。
【００２９】
図示したように、蒸着室１００には反応気体を蒸着室１００内に流入させるために複数のガス管１１４ａ、１１４ｂが設けられるが、ガス管の数は蒸着室１００内に流入させる金属ソースと窒素ソースの数、即ち反応気体の数に依存し、本発明の実施態様では２個のガス管１１４ａ、１１４ｂが設けられる。
【００３０】
この２個のガス管１１４ａ、１１４ｂはその片側の端が各々金属ソースの供給源（図示せず）と窒素ソースの供給源（図示せず）に連結されるが、半導体基板１０４上にＴｉＮ膜を蒸着する場合には、金属ソースとしてはＴｉＣｌ4 を使用し窒素ソースとしてはＮＨ3 を使用する。一方、ガス管１１４ａ、１１４ｂの他側の端は蒸着室１００内に載置した半導体基板１０４と所定距離（図１のＤ）程離れているシャワーヘッド１１０に連結される。従って、ガス供給源（図示せず）から供給される反応気体は、ガス管１１４ａとガス管１１４ｂの端に連結されたシャワーヘッド１１０を通じて蒸着室１００に流れ、お互い反応を起こすことによって半導体基板１０４上に膜を形成する。
【００３１】
シャワーヘッド１１０は反応気体が混合されない状態で蒸着室１００内に流れるようにする多端シャワーヘッドが望ましいし、本実施態様では２端シャワーヘッドを使用する。また、反応後の残留ガスを排気させるためのパージガスを蒸着室１００内に供給するために、ガス管１１４ａ、１１４ｂにはパージガス供給ライン１１４ｃ、１１４ｄを取り付けることが望ましい。
【００３２】
各ガス供給ラインには弁１１２が設けられて、弁１１２のオン／オフによって蒸着室１００内にパージガスや反応ガスを流入させたりあるいは遮断できる。弁１１２は、例えばニューマティック弁のように、あらかじめ一定の周期で弁のオン／オフを制御できるようにプログラムされた制御部により調整されることが望ましい。参照符号１０２は半導体基板１０４を加熱するためのヒーターである。
【００３３】
以下、図１と図２を参照して、上記のように構成されたＣＶＤ装置の蒸着室内に載置した半導体基板に参考例によってＴｉＮのような金属窒化物を蒸着する方法を詳細に説明する。
【００３４】
まず、蒸着室１００内に半導体基板１０４を装入する。この半導体基板１０４は、トランジスタのような個別素子がその表面に既に形成されている可能性もある。（図１参照）
そして、金属ソース供給ライン１１４ａを通じてＴｉＣｌ4 のような金属ソースを蒸着室１００内にｔｓ時間流す。一方、円滑なガスの流れのためにＡｒやＮ2 のような運搬ガスを金属ソースと共に混合して蒸着室１００内に流すことができる。この時、金属ソースを流入させるためのガス供給ライン１１４ａの弁外の他の弁はオフ状態である。従って、蒸着室１００内にはＴｉＣｌ4 のような金属ソースだけを流す。この際、流入した金属ソースの一部分は基板１０４表面に化学的及び物理的に吸着し、残りは蒸着室１００内に残存する。このように、反応ガスを同時に蒸着室１００内に流入させることなく一種類のガスだけを一定時間蒸着室１００内に流入させる方法を、以下ガスパルスと称する（図２のタイミング図参照）。
【００３５】
蒸着室１００内に金属ソースの流入が完了すると、金属ソースを流入させるためのガス供給ライン１１４ａの弁を閉じた後、パージガス供給ライン１１４ｃの弁を開いてＡｒやＮ2 のようなパージガスをｔｐ時間蒸着室１００内に流して、シャワーヘッド１１０及び蒸着室１００内に残留するガス、例えばＴｉＣｌ4 を排気させる（図２のパージガスパルス段階）。この時、パージガスの流量及び蒸着室の圧力は半導体基板に化学的物理的に吸着した金属ソースが分離されて排気されないように適切に調節して、蒸着室内に残留したソースガスだけを排気させる。
【００３６】
そして、パージガス供給ライン１１４ｃの弁を閉じた後、窒素ソース供給ライン１１４ｂの弁を開いてＮＨ3 のような窒素ソースをｔｒ時間蒸着室１００内に流して、基板１０４上に化学的物理的に吸着されているＴｉＣｌ4 のような金属ソースと反応させることによって半導体基板１０４上にＴｉＮのような金属窒化物を形成させる。即ち、ＮＨ3 のような窒素ソースが蒸着室１００内に流入する前にパージガスパルス段階を経ながら、蒸着室１００内に残存するＴｉＣｌ4 のような金属ソースはポンプ（図１参照）により予め排気される。従って、ＮＨ3 のような窒素ソースは、半導体基板１０４を除いた蒸着室１００内ではＴｉＣｌ4 のような金属ソースと反応しない。従って、ＴｉＣｌ4 とＮＨ3 が吸着している半導体基板１０４でだけＴｉＮのような金属窒化物が形成する（図２のＮＨ3 パルス段階）。
【００３７】
この際、円滑なガスの流れのためにＡｒやＮ2 のような運搬ガスをＮＨ3 のような窒素ソースと共に混合して蒸着室１００内に流すことができる。
【００３８】
一方、従来のＡＬＥによる金属窒化膜形成方法は、基板上に物理的に吸着したソースをパージさせて化学的に吸着されたソースだけを残す反面、本発明の金属窒化膜形成方法は、基板上に化学的に吸着されたソースだけでなく物理的に吸着されたソースまで残して反応させる点から根本的に違う。
【００３９】
次に、既に説明したパージガスパルス段階と同じ二番目のパージガスパルス段階を経ながら、金属ソースと反応が完了して蒸着室１００内に残留する剰余分の窒素ソースを排気する（図２のパージガスパルス段階）。
【００４０】
一方、蒸着室１００内の圧力を調節するために前記各段階を施す間、ＡｒやＮ2 のような雰囲気ガスを蒸着室１００内に連続的に供給することが望ましい。
【００４１】
このように、参考例によるガスパルスを用いた金属窒化膜形成方法は、ＴｉＣｌ パルス段階→パージガスパルス段階→ＮＨ３パルス段階→パージガスパルス段階よりなる一つのサイクルを経ながら一定の厚さのＴｉＮのような金属窒化膜を蒸着できる。蒸着速度は概略２０Å／ｃｙｃｌｅであって、このサイクルを反復すると薄膜の厚さが比例的に増加するため、サイクルの反復を通じて所望の厚さの薄膜を半導体基板１０４に蒸着できる。この際、一サイクル当りに蒸着する金属窒化膜の厚さは、蒸着室１００内に流入する金属ソースの流量と窒素ソースの流量及びガスパルス時間、パージガスの流量及びパージ時間によって決定できる。
【００４２】
以下、参考例によってＴｉＮ膜を形成する例を記述する。
【００４３】
＜参考例１＞
ヒーター（図１の１０２）を作動させて半導体基板１０４の温度を５００℃以下の低い温度に維持しながら、半導体基板１０４上に次のような反応条件下で上記のガスパルス段階により構成されたサイクルによってＴｉＮ膜を蒸着する。
【００４４】
蒸着条件
目標物質： ＴｉＮ
雰囲気ガス： Ａｒ
蒸着室内の圧力：１３３〜２６６０Ｐａ（１〜２０Ｔｏｒｒ）
金属ソース、窒素ソース：ＴｉＣｌ４ 、ＮＨ３
ＴｉＣｌ４ 流量、ＴｉＣｌ４ パルス時間（ｔｓ）：１〜５ｓｃｃｍ、５ｓｅｃ
ＮＨ３ 流量、ＮＨ３ パルス時間（ｔｒ）：５〜３０ｓｃｃｍ、５ｓｅｃ
パージガス、パージガス流量、パージ時間（ｔｐ）：Ａｒ、１０〜１００ｓｃｃｍ、１０ｓｅｃ
運搬ガス、運搬ガス流量：Ａｒ、１０〜１００ｓｃｃｍ
１サイクル当りの時間（ｔｔ）：３０ｓｅｃ
このような条件で半導体基板１０４に蒸着したＴｉＮ薄膜の状態について、ＲＢＳ（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法で確認した結果を図３に示す。図３で横軸のチャンネルはＭＣＡ（Ｍｕｔｉｌｐｌｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ）の各々のチャンネルを示し、エネルギーのＥとはＥ［ｅＶ］＝４．０５×チャンネル＋５９．４の関係にある。また、図３の縦軸はＭＣＡにより検出された元素の規格化された収率を示す。
【００４５】
上のような条件で半導体基板１０４に蒸着して形成されたＴｉＮ膜はＴｉＮ特有の金色を帯びているし、図３に示すようにＴｉ：Ｎ＝１：１の完壁な組成を有する。ＴｉＮ薄膜内に含まれているＣｌは、図３に示されるように、ＲＢＳ法による検出限界以下であって、ＴｉＮ薄膜内に含まれる元素全体の０．３％以下である。また、上のような条件で半導体基板１０４に蒸着して形成されたＴｉＮ膜の比抵抗は、その測定値が１３０μΩ−ｃｍ程度の低い値を有していた。一方、数回の実験によると、このような優れた薄膜特性を備えるためには１サイクル当り蒸着したＴｉＮ薄膜の厚さが２０Å以下にすべきであることを確認した。
【００４６】
一方、図４及び図５は各々窒素ソースＮＨ３の流量と蒸着室圧力を変化させながら、参考例の方法によって蒸着するＴｉＮ膜の比抵抗及び蒸着速度を測定した結果を示す。図４及び図５に示すように、蒸着速度はＮＨ３の流量及び蒸着室圧力の増加によって増加するが、それにより比抵抗も増加する。従って、金属窒化膜の応用によって要求される厚さ、蒸着速度及び比抵抗を全て考えて蒸着条件を設定することが望ましい。
【００４７】
＜参考例２＞
次の表１のような４つの蒸着条件下でサイクル当り蒸着速度、サイクル数の増加に従って蒸着されるＴｉＮ膜の厚さと蒸着速度、蒸着温度の変化による比抵抗を測定した。ここで、金属ソースはＴｉＣｌ４であり、窒素ソースはＮＨ３、パージガスはＡｒを使用した。
【００４８】
【表１】
Figure 0003998830
【００４９】
上の各蒸着条件別にサイクル当り蒸着速度は概略次と同じであった。
【００５０】
ＴｉＮ ００：２０Å／cycle （一サイクルが２０秒であるので６０Å／min）
ＴｉＮ ０１：２Å／cycle （一サイクルが１２秒であるので１０Å／min）
ＴｉＮ ０２：３．５Å／cycle （一サイクルが８秒であるので２６．３Å／min）
ＴｉＮ ０３：６Å／cycle （一サイクルが８秒であるので４５Å／min）
また、図６及び図７は各々サイクル数の増加に伴って蒸着される厚さ及び蒸着速度を示すことである。単に、ここで蒸着温度は５００℃とした。図面からわかるように、サイクル数が増加するほど蒸着速度は緩慢に増加し（図７）、蒸着される厚さはそれに比例して増加する（図６）。従って、一定の蒸着条件でサイクル数を調節して蒸着するＴｉＮ膜の厚さが調節できる。
【００５１】
そして、図８は上の４つの蒸着条件別に蒸着温度に従うＴｉＮ膜の比抵抗を測定した結果を示すグラフである。これより、蒸着温度が増加するにつれて比抵抗は減少し、特に蒸着速度が高い蒸着条件ＴｉＮ ００で比抵抗が急激に減少することが分かる。また、概略５００℃で４つの全ての蒸着条件から２００μΩ−ｃｍ以下の比抵抗が得られることが分かる。
【００５２】
次に、参考例の金属窒化膜形成方法をビアコンタクトに適用した例を、添付した図１０乃至図２１を参照して詳細に説明する。ここで、各図において同一符号は同一部材を示す。
【００５３】
まず、図１０のように半導体基板２００上にＡｌよりなる第１金属層２１０を形成し、その上にキャッピング膜としてＴｉＮ膜２２０を蒸着する。このＴｉＮ膜２２０はスパッタリング方法で蒸着できる。次いで、層間絶縁膜２３０を積層しビアを形成する部位を蝕刻すると図１１のようになる。ここに障壁金属層のＴｉＮ膜を蒸着する前に、ＴｉＮ膜の接着特性を良くするためにＴｉ膜を薄く形成する。このＴｉ膜もスパッタリング方法で形成できる。
【００５４】
次いで、前述した参考例の金属窒化膜形成方法によって障壁金属層のＴｉＮ膜を蒸着すると図１２のようになる。即ち、金属ソースとしてはＴｉＣｌ４を使用し、窒素ソースはＮＨ３を使用して、前述した図１のような蒸着装置内で、金属ソース→パージガス→窒素ソース→パージガスの順で流して所望の厚さを得るまで反復する。金属ソース、窒素ソース及びパージガスの流量は各々１〜５ｓｃｃｍ、５〜２００ｓｃｃｍ及び１０〜２００ｓｃｃｍとし、各々の流入時間は１〜１０秒程度とする。蒸着温度は４８０℃以下とし、蒸着室圧力は１３３〜２６６０Ｐａ（１〜２０ｔｏｒｒ）とし、必要であればＡｒ、ＨｅまたはＮ２の雰囲気ガス、Ａｒ、Ｎ２の運搬ガスを使用できる。このような蒸着条件は、蒸着装置、蒸着速度、蒸着されるＴｉＮ膜の厚さ及び比抵抗を考えて適切に調節する。
【００５５】
次いで、通常の方法でタングステン（Ｗ）よりなる金属プラグ２５０を形成し（図１３）、化学機械的研磨やエッチバックで層間絶縁膜２３５の上面に蒸着した金属を除去した（図１４）後、その上に第２金属層２６０を形成すると（図１５）金属層間連結がなされる。
【００５６】
一方、図１６乃至図２１はアンカービアコンタクトを形成する過程を示す断面図であって、前記の図１０乃至図１５の過程と基本的に同じ過程を経るが、図１７からわかるように、接触面積を広めて抵抗を低下させるためにコンタクトホールの下部にアンカーＡを形成する点が違う。ここで、各図において同一符号は同一部材を示す。アンカーＡは、図１６のように、コンタクトホールを形成した後、層間絶縁膜３３５を湿式蝕刻することによって形成される。その外の過程は、前記の図１０乃至図１５の過程と同一なので詳細な説明は省略する。
【００５７】
このように、参考例による金属窒化膜形成方法をビアコンタクトに適用すると、低温で段差塗布性の良い障壁金属層が得られ、図９Ａ及び図９Ｂに示すＴｉＦＸやＡｌＦＸのようなコンタクト不良Ｘを防止できる。
【００５８】
＜参考例３＞
次のように、幅が違うコンタクトホールにスパッタリングによるＴｉ膜を１００Åの厚さで蒸着した後、障壁金属層として参考例の方法によるＴｉＮ膜及び従来の方法であるスパッタリングによるコリメーション（ＣＯＬ）されたＴｉＮ膜を相異なる厚さで蒸着し、ＣＶＤ−Ｗでプラグを形成した場合のビア抵抗を測定した。単に、参考例によるＴｉＮ膜の蒸着条件は、４５０℃の蒸着温度とその他に前述した参考例２のＴｉＮ ００の蒸着条件とした。
【００５９】
ビア幅：０．２４、０．３２、０．３９μｍ（ビアの深さ：０．９μｍ）
ＴｉＮ膜の厚さ：１００、２００、４００、６００Å（以上参考例の方法により蒸着）、７００Å（コリメーションＴｉＮ）
測定結果、図２２に示すように全体的にビア幅が増加するほど抵抗が減少し、参考例によるＴｉＮ膜の厚さが小さいほど抵抗が小さいことがわかる。比較対象のコリメーションＴｉＮ膜と比較すると、１００Å厚さの参考例によるＴｉＮ膜の抵抗が類似に現れた。特に、ビア幅が０．３９μｍの時は上の５つのＴｉＮ膜のビア抵抗が全て類似に現れた。一方、ＴｉＮ膜は参考例２の結果と図８からわかるように、サイクル当り蒸着速度が速くて（２０Å／ｃｙｃｌｅ）比抵抗が大きい（４５０℃で３００μΩ−ｃｍ）蒸着条件での形成を考える時、これより蒸着速度がさらに遅くて比抵抗が小さな条件で形成するならば、ビア抵抗は大きく改善できることが分かる。
【００６０】
また、図２３はビア幅が０．３９μｍの時の各ＴｉＮ膜のビア抵抗の分布を示すグラフであって、コリメーションＴｉＮ膜と参考例によるＴｉＮ膜全てが１．０Ωを前後して大きな差なしに等しく分布することが分かる。
【００６１】
以上、ＴｉＣｌ４及びＮＨ３を前駆体として金属窒化膜であるＴｉＮ膜を形成することについて説明したが、参考例は前記のＴｉＣｌ４だけでなくＴｉＣｌ３、ＴｉＩ４、ＴｉＢｒ２、ＴｉＦ４、（Ｃ５Ｈ５）２ＴｉＣｌ２、（（ＣＨ３）５Ｃ５）２ＴｉＣｌ２、Ｃ５Ｈ５ＴｉＣｌ３、Ｃ９Ｈ１０ＢＣｌ３Ｎ６Ｔｉ、Ｃ９Ｈ７ＴｉＣｌ３、（Ｃ５（ＣＨ３）５）ＴｉＣｌ３、ＴｉＣｌ４（ＮＨ３）２、（ＣＨ３）５Ｃ５Ｔｉ（ＣＨ３）３、ＴＤＥＡＴまたはＴＤＭＡＴを前駆体として使用したＴｉＮ膜、そしてＴａＢｒ５、ＴａＣｌ５、ＴａＦ５、ＴａＩ５または（Ｃ５（ＣＨ３）５）ＴａＣｌ４を前駆体として用いたＴａＮ膜の金属窒化膜及びさらにＣＶＤ方法を使用して蒸着される大部分の物質層に適用しうる。
【００６２】
単に、ＴＤＥＡＴやＴＤＭＡＴを前駆体として用いてＴｉＮ膜を形成する時は、他の前駆体を用いた場合とは違い、蒸着温度と圧力を２５０〜４００℃、１３．３〜１３３０Ｐａ（０．１〜１０ｔｏｒｒ）程度とすることが望ましいし、上に列挙したＴａＮ膜を形成するための前駆体は全て固体であるため、ソースガスを形成する時、固体用バブラー（ｓｏｌｉｄ ｂｕｂｂｌｅｒ）を使用すべき点が違う。
【００６３】
【発明の効果】
以上で調べたように、本発明による金属窒化膜形成方法によると、段差塗布性に優れながら２００μΩ−ｃｍ以下の低い比抵抗と低いＣｌ含量を有する金属窒化膜が得られる。そして、５００℃以下の低温で金属窒化膜を形成することが可能であって、蒸着速度が概略２０Å／cycle で成長速度が０．２５Å／cycle のＡＬＥによる金属窒化膜形成方法に比べて蒸着速度がはるかに速い。
【００６４】
従って、従来の６５０℃以上の高温で蒸着した金属窒化膜の問題点である、金属窒化膜に不純物として残っているＣｌによる金属配線の腐食問題と高い比抵抗の問題を解決できるので、縦横比が大きくて低温が要求されるビアコンタクトに適用でき、ＡＬＥによる金属窒化膜形成方法に比べて蒸着速度が速いため、大量生産が要求される半導体素子の製造工程に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によって半導体基板上に金属窒化膜を蒸着するための化学気相蒸着装置の一例を示す概略図である。
【図２】 参考例によって半導体基板上に金属窒化膜を蒸着するためのガス流入タイミングの一例を示すタイミング図である。
【図３】 参考例によって蒸着された金属窒化膜のＲＢＳ結果の一例を示すグラフである。
【図４】 参考例によって金属窒化膜を蒸着する時、ＮＨ３の流量に対する金属窒化膜の比抵抗及び蒸着速度の関係の一例を示すグラフである。
【図５】 参考例によって金属窒化膜を蒸着する時、蒸着室圧力に対する金属窒化膜の比抵抗及び蒸着速度の関係の一例を示すグラフである。
【図６】 参考例によって金属窒化膜を蒸着する時、反復するサイクル数に対する金属窒化膜の蒸着厚さの関係の一例を示すグラフである。
【図７】 参考例によって金属窒化膜を蒸着する時、反復するサイクル数に対する金属窒化膜の蒸着速度の関係の一例を示すグラフである。
【図８】 参考例によって金属窒化膜を蒸着する時、蒸着温度に対する金属窒化膜の比抵抗の関係の一例を示すグラフである。
【図９】 図９Ａおよび図９Ｂは、従来の方法によって形成されたビアコンタクトを示す断面図である。
【図１０】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の一例を示す断面図である。
【図１１】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の一例を示す断面図である。
【図１２】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の一例を示す断面図である。
【図１３】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の一例を示す断面図である。
【図１４】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の一例を示す断面図である。
【図１５】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の一例を示す断面図である。
【図１６】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の他の例の一例を示す断面図である。
【図１７】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の他の例の一例を示す断面図である。
【図１８】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の他の例の一例を示す断面図である。
【図１９】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の他の例の一例を示す断面図である。
【図２０】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の他の例の一例を示す断面図である。
【図２１】 参考例の金属窒化膜形成方法を用いたビアコンタクト形成過程の他の例の一例を示す断面図である。
【図２２】 参考例及び従来の方法によって障壁金属層を形成した場合のビア幅に対するビア抵抗の関係の一例を示すグラフである。
【図２３】 参考例及び従来の方法によって障壁金属層を形成した場合のビア抵抗の分布の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…蒸着室
１０２…ヒーター
１０４…半導体基板
１１０…シャワーヘッド
１１２…弁
１１４…ガス管
２００…半導体基板
２１０…第１金属層
２２０…ＴｉＮ膜
２３０…層間絶縁膜
２３５…層間絶縁膜
２４０…ＴｉＮ膜
２５０…金属プラグ
２６０…第２金属層

Claims (17)

  1. 金属ソースと窒素ソースを前駆体として使用する化学気相蒸着法による金属窒化膜形成方法において、
    （ａ）半導体基板を蒸着室内に装入する段階と、
    （ｂ）前記金属ソースを蒸着室内に流す、ここで、前記金属ソースはＴａＢｒ ５ 、ＴａＣｌ ５ 、ＴａＦ ５ 、ＴａＩ ５ 及び（Ｃ ５ （ＣＨ ３ ） ５ ）ＴａＣｌ ４ よりなる群から選ばれた少なくとも一つである、段階と、
    （ｃ）前記基板に前記金属ソースの第１部分を化学的に吸着させ、前記基板に前記金属ソースの第２部分を物理的に吸着させる段階と、
    （ｄ）前記金属ソースの流入を遮断し、パージガスを蒸着室内に流して蒸着室内に残留する前記金属ソースを除去する段階と、
    （ｅ）前記パージガスの流入を遮断し、窒素ソースを蒸着室内に流して前記半導体基板上に化学的および物理的に吸着した前記金属ソースと反応させて前記基板上に金属窒化膜を形成する、ここで、前記窒素ソースはＮＨ ３ としてタンタル窒化膜を形成する、段階と、
    （ｆ）前記窒素ソースの流入を遮断しパージガスを蒸着室内に流して蒸着室内に残留する前記窒素ソースを除去する段階とを具備して、前記半導体基板上に金属窒化膜を形成することを特徴とする金属窒化膜形成方法。
  2. 前記(ｂ)〜(ｆ)段階の蒸着温度は４００〜５００℃であることを特徴とする請求項１に記載の金属窒化膜形成方法。
  3. 前記(ｂ)〜(ｆ)段階の蒸着室内の圧力は１３３〜２６６０Ｐａであることを特徴とする請求項１に記載の金属窒化膜形成方法。
  4. 前記パージガスはＡｒまたはＮ２ であることを特徴とする請求項１に記載の金属窒化膜形成方法。
  5. 前記蒸着室内に流入する前記金属ソースは１〜５ｓｃｃｍの流量で１〜１０秒間流し、前記窒素ソースは５〜２００ｓｃｃｍの流量で１〜１０秒間流し、前記パージガスは１０〜２００ｓｃｃｍの流量で１〜１０秒間流すことを特徴とする請求項１に記載の金属窒化膜形成方法。
  6. 前記蒸着室内の圧力を一定に維持するために、前記（ａ）〜（ｆ）段階の間雰囲気ガスを前記蒸着室内に続けて流すことを特徴とする請求項１に記載の金属窒化膜形成方法。
  7. 前記雰囲気ガスはＡｒ、Ｈｅ及びＮ２ よりなる群から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項６に記載の金属窒化膜形成方法。
  8. 前記金属ソースまたは窒素ソースが前記蒸着室内に円滑に流れるようにするため、前記金属ソースまたは窒素ソースに運搬ガスを混合して前記蒸着室内に流すことを特徴とする請求項１に記載の金属窒化膜形成方法。
  9. 前記運搬ガスはＡｒまたはＮ２であることを特徴とする請求項８に記載の金属窒化膜形成方法。
  10. 前記（ｂ）〜（ｆ）段階を反復して、前記半導体基板上に蒸着される金属窒化膜の厚さを調節することを特徴とする請求項１に記載の金属窒化膜形成方法。
  11. （ａ）半導体基板上に第１金属層を形成する段階と、
    （ｂ）前記第１金属層上に層間絶縁膜を積層する段階と、
    （ｃ）前記第１金属層を露出するように層間絶縁膜を蝕刻してコンタクトホールを形成する段階と、
    （ｄ）蒸着室内に金属ソースを流して前記（ｃ）段階の結果物に金属ソースを吸着させる、ここで、前記金属ソースはＴａＢｒ ５ 、ＴａＣｌ ５ 、ＴａＦ ５ 、ＴａＩ ５ 及び（Ｃ ５ （ＣＨ ３ ） ５ ）ＴａＣｌ ４ よりなる群から選ばれた少なくとも一つである、段階と、
    （ｅ）前記基板に前記金属ソースの第１部分を化学的に吸着させ、前記基板に前記金属ソースの第２部分を物理的に吸着させる段階と、
    （ｆ）前記金属ソースの流入を遮断しパージガスを流して蒸着室内に残留する前記金属ソースを除去する段階と、
    （ｇ）前記パージガスの流入を遮断し窒素ソースを蒸着室内に流して前記（ｄ）段階の結果物上に化学的および物理的に吸着された前記金属ソースと反応させて、前記露出した第１金属層及びコンタクトホール上に障壁金属層の金属窒化膜を形成する、ここで、前記窒素ソースはＮＨ ３ として前記障壁金属層としてタンタル窒化膜を形成する、段階と、
    （ｈ）前記窒素ソースの流入を遮断しパージガスを蒸着室内に流して蒸着室内に残留する前記窒素ソースを除去する段階と、
    （ｉ）前記（ｈ）段階の結果物上に金属プラグを形成する段階と、
    （ｊ）前記（ｉ）段階の結果物上に第２金属層を形成する段階とを含むことを特徴とする半導体装置の金属コンタクト形成方法。
  12. 前記（ｄ）〜（ｈ）段階の蒸着温度は４００〜５００℃であり、蒸着室内の圧力は１３３〜２６６０Ｐａであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の金属コンタクト形成方法。
  13. 前記パージガスはＡｒまたはＮ２ であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の金属コンタクト形成方法。
  14. 前記蒸着室内に流入する前記金属ソースは１〜５ｓｃｃｍの流量で１〜１０秒間流し、前記窒素ソースは５〜２００ｓｃｃｍの流量で１〜１０秒間流し、前記パージガスは１０〜２００ｓｃｃｍの流量で１〜１０秒間流すことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の金属コンタクト形成方法。
  15. 前記（ｄ）〜（ｈ）段階の間前記蒸着室内の圧力を一定に維持するために、Ａｒ、Ｈｅ及びＮ２ よりなる群から選ばれた少なくとも一つの雰囲気ガスを前記蒸着室内に続けて流すことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の金属コンタクト形成方法。
  16. 前記（ｄ）〜（ｈ）段階を反復して、前記第１金属層及びコンタクトホール上に蒸着する障壁金属層の厚さを調節することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の金属コンタクト形成方法。
  17. 前記第１金属層はＡｌであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の金属コンタクト形成方法。
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