JP4001509B2 - 半導体素子の拡散防止膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子に関するもので、特に、バリア特性を向上させるのに適合した半導体素子の拡散防止膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体素子の配線は素子の高集積化によって拡散防止膜のTi/TiN膜を堆積させた後、銅配線工程が汎用されている。
従来にはかかる拡散防止膜を物理気相蒸着法(PVD)または化学気相蒸着法(CVD)を用いて形成した。
【0003】
しかしながら、前記のような従来の半導体素子の拡散防止膜形成方法は次のような問題があった。
第一、従来のCVD法やPVD法で形成された拡散防止膜は銅原子の拡散を防止する能力と銅配線との接着力が弱かったので、拡散防止膜が銅配線のバリア膜としての役割を十分果たしていないため素子の信頼性及び素子特性の安定性が低下している。
【0004】
第二、素子の高性能化の傾向に沿って0.1μm以下の高性能素子では拡散防止膜の厚さを最小にしなければならないがその実現が難しいため素子の性能が低下する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためのもので、薄膜で、かつ高品質バリア膜を形成して素子の信頼性及び特性の安定性を向上させることができる半導体素子の拡散防止膜形成方法を提供することが目的である。
【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による半導体素子の拡散防止膜形成方法は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜を選択的に除去して半導体基板の一領域を露出させるコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを介して半導体基板に連結される金属配線を形成する前に、コンタクトホールを形成させた層間絶縁膜を有する半導体基板の全面に拡散防止膜を形成する工程において、原子堆積法を用いて、前駆体は同じものを使用し、反応ガスは取り換えるようにして前駆体と反応ガスを交互に供給して空気中に露出されることなくTi膜の上にTiN膜を形成する段階と;前記TiN膜にシラン処理する段階と;最後には原子堆積法でTi薄膜を形成する段階とを有することを特徴とする。
【0007】
【発明の実施形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
図1は一般的な半導体素子の配線構造を示す断面図であり、図2は本発明の第1実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
図3は本発明の第2実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートであり、図4は本発明の第3実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートであり、図5は反応器内のガス注入手順及び製造工程の過程を示す図である。
【0008】
一般的に、デュアルダマシン構造の半導体素子は、図1に示すように、基板11上に第1、第2エッチング停止膜12、14と、第1、第2層間絶縁膜13、15を図示のように形成させた後、これらを貫通するようにコンタクトホールを形成させ、その内面と第2層間絶縁膜16上に薄くTi/TiN膜からなる拡散防止膜16を形成させ、その拡散防止膜16を形成させたコンタクトホール内に銅配線を埋め込むようになっている。シングルダマシン構造においてもコンタクトホール内面に拡散防止膜を形成させて銅配線を埋め込んでいる。銅の代わりにアルミニウムを用いる場合もある。
【0009】
第1,第2層間絶縁膜13、15は酸化膜又は低誘電率の物質を用いて形成し、第1、第2エッチング停止膜12、14は第1、第2層間絶縁膜13、15と異なるエッチング選択比を有する物質例えば、窒化膜を使用する。
【0010】
本発明の第1実施形態による半導体素子の拡散防止膜は図2に示すように、Tiモノ層の堆積、TiNモノ層の堆積、シラン処理工程を一つのサイクルとしてTi膜とTiN膜とを希望の厚さになるように工程サイクルを繰り返して形成する。Tiモノ層の堆積、TiNモノ層の堆積はいずれも原子堆積法(atomic layer deposition:ALD)を用いて実施する。
【0011】
以下、具体的な方法に対して説明する。
まず、図5に示すように、反応器31の中に半導体基板11を配置して、200〜700℃に温度を上げ、温度を上げた状態で半導体基板11上に前駆体物質であるTiCl4(A)を0.1秒ないし1分間10〜1000sccmの流量でフローさせて半導体基板11に吸着させる。
【0012】
前駆体物質としてはTiCl4の代わりにTDMAT(Tetrakis DiMethyl Amido Titanium:Ti(N(Me2)4))、TDEAT(Tetrakis DiEthyl Amido Titanium:Ti(N(Et2)4))、TEMAT(Tetrakis(Ethyl Methyl Amido Titanium:Ti(N(EtMe)4))のうちいずれかの一つを用いてもよい。
【0013】
工程が行われている反応器31の内部圧力は0.1〜5Torrに維持する。
【0014】
前駆体物質の供給終了後、アルゴンArガスを10〜1000sccmで0.1秒ないし2分間流して反応器31に吸着されなかったTiCl4を除去する。
さらに、反応ガスである水素ガスH2(B)を0.1〜1分間10〜1000sccm程度でフローさせてTiCl4が吸着された半導体基板11に水素ガスH2を吸着させて次の式1の反応でTiモノ層を形成する(図2の2a)。
【0015】
[式1]
TiCl4(g)+2H2(g)=Ti(s)+4HCl(g)
アルゴンガスをフローさせて残留水素ガスと副産物である塩素ガスHClを除去する。上記式でgはガスであることを、sは固体であることを示している。
【0016】
その後、水素ガスH2の代わりにアンモニアガスNH3を用いるか窒素N2と水素ガスH2の混合ガスを用いてTiモノ層と同一の方法でTiNモノ層を形成する。その際、前駆体物質としてはTi膜形成の時と同じものを用いる。
即ち、前駆体物質のTiCl4(A)を0.1秒ないし1分間10〜1000sccmの流量で限定的に供給してTiモノ層に吸着させる。
アルゴンArガスを10〜1000sccmの流速で0.1秒〜2分間流して吸着しなかったTiCl4を除去する。
【0017】
その後、反応ガスのアンモニアガスNH3(C)を0.1秒ないし1分間10〜1000sccmの程度でフローさせてTiCl4が吸着されたTiモノ層にアンモニアガスNH3を吸着させて、次の式2の反応でTiNモノ層を形成する(図2の2b)。
【0018】
[式2]
6TiCl4(g)+8NH3(g)=6TiN(s)+24HCl(g)+N3(g)
【0019】
さらに、アルゴンガスをフローさせて残留のアンモニアガスと副産物である塩素ガスHCl及び窒素ガスN2を除去する。
【0020】
アンモニアガスNH3を流すためのガス管は水素ガス管を用いたり、装備内に別のアンモニアガス管を取り付けて用いたりできる。
その場合、すなわち別のアンモニアガス管を設置して用いる場合には、水素ガス管を通してチタニウムTi膜堆積時に用いた水素ガスをTiN膜の堆積時にも流し続けることができる。それによってアンモニアガス管を介してアンモニアガスNH3を流すとそれぞれ別々の管を使用して流量をそれぞれ個々に調整することができるので、反応ガスを容易に調節できる。その場合の反応メカニズムは次の式3の通りである。
【0021】
[式3]
2TiCl4(g)+2NH3(g)+H2(g)=2TiN(s)+8HCl(g)
【0022】
本実施形態では、反応器内にガスを注入する方法は半導体基板の向きに平行に流しているが、基板を10〜500rpm程度の速度で回転させて半導体基板の全ての方向で同時間に同量のガスが基板に吸着するようにしてもよい。
【0023】
さらに、銅配線との接着性の改善及びバリア特性改善のためにTiNモノ層の表面にシラン(SiH4)処理する(2c)ことが望ましい。
上記したTiモノ層堆積(2a)、TiNモノ層堆積(2b)、シラン処理(2c)の工程サイクルを5〜2000回行ってTiモノ層とTiNモノ層の厚さの総計が各々10〜500Å、10〜600Åとなるように形成する(2d)。
最後に、シラン処理したTiN膜上にTiモノ層堆積工程でTi膜を形成して本発明の第1実施形態による拡散防止膜を完成する(2e)。
【0024】
本発明の第2実施形態による半導体素子の拡散防止膜形成方法を図3に示す。第1実施形態と同様にTiモノ層を堆積し(3a)、TiNモノ層を堆積する(3b)。その堆積方法は特に変える必要はない。
次にTiモノ層堆積(3a)とTiNモノ層堆積(3b)の工程を一つのサイクルとしてTiモノ層とTiNモノ層厚さの総合が各々10〜500Å、10〜600Åとなるようにそれらの工程サイクルを5〜2000回行う(3c)。
所定の厚さになった後にTiN膜上にシラン処理(3d)を施し、その上にTiモノ層をさらに堆積(3e)して本発明第2実施形態による拡散防止膜を完成する。
【0025】
本発明の第3実施形態による半導体素子の拡散防止膜形成方法を図4に示す。まず、半導体基板11上に10〜500Åの厚さとなるようにTiモノ層の堆積工程を5〜2000回行う(4a)(4d)。
【0026】
次に所定の厚さに堆積されたTi膜上に10〜600Åの厚さとなるようにTiNモノ層の堆積工程を5〜2000回行う(4c)(4d)。
これらのTiモノ層及びTiNモノ層の堆積方法それ自体は前記第1実施形態におけるTiモノ層/TiN膜堆積方法と同一である。
その後TiN膜をシラン処理した後(4e)、Tiモノ層を堆積して(4f)本発明の第3実施形態による拡散防止膜を完成する。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体素子の拡散防止膜形成方法によれば次のような効果がある。
本発明においてはシラン工程を介して拡散防止膜を形成させているので、その膜のバリア特性及び銅配線との接着性が向上できる。
また、本発明は原子堆積法を用いてTi膜、TiN膜を形成させているので、拡散防止膜の厚さ及び組成を精密に制御できるので0.1μm以下の高性能素子の信頼性及び特性安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な半導体素子の配線構造を示す断面図。
【図2】本発明の第1実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
【図3】本発明の第2実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
【図4】本発明の第3実施形態による拡散防止膜形成工程のフローチャートである。
【図5】本発明の第1実施形態による拡散防止膜形成工程で反応器内のガス注入手順及び製造工程過程を示す図である。
【符号の説明】
11 半導体基板
12 第1エッチング停止膜
13 第1層間絶縁膜
14 第2エッチング停止膜
15 第2層間絶縁膜
16 拡散防止膜
17 銅配線
51 反応器
Claims (8)
- 半導体基板上に形成された層間絶縁膜を選択的に除去して前記半導体基板の一領域を露出させるコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールを介して半導体基板に連結される金属配線を形成する前に、前記コンタクトホールを形成させた層間絶縁膜を有する半導体基板の全面に拡散防止膜を形成する工程において、
前記半導体基板に前駆体を吸着させた後、反応ガスを供給して原子堆積法を用いてTi膜を形成する段階と、
前記Ti膜を形成させた半導体基板に前記前駆体と同じ前駆体を吸着させた後、前記反応ガスとは異なる反応ガスを供給して原子堆積法を用いてTiN膜を形成する段階と、
前記TiN膜にシラン処理する段階と、
前記Ti膜形成段階と、TiN膜形成段階と、シラン処理する段階とを繰り返して前記Ti膜とTiN膜を所望の厚さに形成する段階と、
最後に前記シラン処理されたTiN膜上に原子堆積法でTi薄膜を形成する段階と
とを有することを特徴とする半導体素子の拡散防止膜形成方法。 - 半導体基板上に形成された層間絶縁膜を選択的に除去して前記半導体基板の一領域を露出させるコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールを介して半導体基板に連結される金属配線を形成する前に、前記コンタクトホールを形成させた層間絶縁膜を有する半導体基板の全面に拡散防止膜を形成する工程において、
前記半導体基板に前駆体を吸着させた後、反応ガスを供給して原子堆積法を用いてTi膜を形成する段階と、
前記Ti膜を形成させた半導体基板に前記前駆体と同じ前駆体を吸着させた後、前記反応ガスとは異なる反応ガスを供給して原子堆積法を用いてTiN膜を形成する段階と、
前記Ti膜形成段階とTiN膜形成段階とを繰り返してTi膜とTiN膜を所望の厚さに形成する段階と、
前記TiN膜にシラン処理する段階と、
最後に前記シラン処理されたTiN膜上に原子堆積法でTi薄膜を形成する段階と
とを有することを特徴とする半導体素子の拡散防止膜形成方法。 - 前記Ti膜を形成するための反応ガスとして水素ガスH2 を用いて、それを0.1秒ないし1分間10〜1000sccmで供給することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
- 前記TiN膜を形成するための反応ガスとしてアンモニアガスNH3 又は水素と窒素混合ガスH2+N2を用いて、それを0.1秒ないし1分間10〜1000sccmで供給することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
- 前記前駆体としてTiCl4 、TDMAT、TDEAT、TEMATのうちいずれかを用いて、それを0.1秒ないし1分間10〜1000sccmで供給することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
- 前記前駆体又は反応ガスを供給して前記半導体基板に吸着させたあと、アルゴンガスArを10〜1000sccmの流量で0.1秒ないし2分間フローさせて吸着されない前駆体又は反応ガスを除去する工程を更に含んでいることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
- Ti膜形成時の反応ガスの供給のためのガス供給管とTiN膜形成時の反応ガスの供給のためのガス供給管とを異なるガス供給管を用い、Ti膜に対する反応ガスをTiN膜形成時に同時に供給することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
- 前記繰り返しは、前記Ti膜の厚さの合計が10〜500Åとなり、前記TiN膜の厚さの合計が10〜600Åとなるように5ないし2000回繰り返すことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の拡散防止膜形成方法。
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