JP4610595B2 - Method of forming compound barrier film in silicon semiconductor - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン半導体デバイスのメタル配線プロセスなどに適用される化合物バリア膜を形成する方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a compound barrier film applied to a metal wiring process of a silicon semiconductor device.

従来、シリコン半導体デバイスのメタル配線プロセスでは、主要配線メタルの形成に先立ちこれの下地として拡散防止用にTiNなどの化合物バリア膜をシリコン半導体基板の表面に形成することが行われている。この化合物バリア膜の形成方法として、プレーナマグネトロンカソードを用いたスパッタ法による形成方法と、CVD法による形成方法とが知られている。スパッタ法による場合、反応性スパッタにより下地上に直接化合物バリア膜を形成する方法や、下地上にスパッタ室で単純スパッタにより先ずメタル層を堆積させ、次いで反応室で窒素ガスなどの反応性ガス雰囲気中で加熱のみにより該メタル層を該雰囲気ガスにより反応させて化合物バリア膜を形成する方法、或いは、下地上にスパッタ室で単純スパッタにより先ずメタル層を形成し、次いで反応室のプラズマで励起した反応性ガス雰囲気中で該メタル層を該雰囲気ガスで反応させて化合物バリア膜を形成する方法が使用されている。CVD法による場合、下地上に直接化合物バリア膜を形成している。   Conventionally, in a metal wiring process of a silicon semiconductor device, a compound barrier film such as TiN is formed on the surface of a silicon semiconductor substrate as a base for preventing diffusion before forming a main wiring metal. As a method of forming this compound barrier film, a formation method by a sputtering method using a planar magnetron cathode and a formation method by a CVD method are known. In the sputtering method, a compound barrier film is formed directly on the base by reactive sputtering, or a metal layer is first deposited on the base by simple sputtering in a sputtering chamber, and then a reactive gas atmosphere such as nitrogen gas in the reaction chamber. A method of forming a compound barrier film by reacting the metal layer with the atmospheric gas only by heating, or forming a metal layer first by simple sputtering in the sputtering chamber on the base, and then exciting with plasma in the reaction chamber A method of forming a compound barrier film by reacting the metal layer with the atmospheric gas in a reactive gas atmosphere is used. In the case of the CVD method, the compound barrier film is formed directly on the base.

また、スパッタカソードとして、ターゲットの背後に磁石を設けると共に該ターゲットの前方にRFコイルを設けた誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードが出願人により提案(特許文献1)されている。このカソードは高真空中でプラズマの発生を持続でき、不純物や2次生成物の発生が少ない利点を持っている。
特開平6−41739号公報
In addition, as a sputter cathode, an inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode in which a magnet is provided behind the target and an RF coil is provided in front of the target has been proposed by the applicant (Patent Document 1). This cathode has the advantage that it can sustain the generation of plasma in a high vacuum and has less generation of impurities and secondary products.
JP-A-6-41739

上記反応性スパッタによる方法では、化合物バリア膜を形成出来るが、基板の表面にコンタクトホールやビアホールの穴等の段差部が形成されていると、穴の入り口付近でしばしば図1に示したようなTiNの化合物バリア膜aがきれいに絶縁物(SiO)の下地層bを覆っていないいわゆる“段差切れ”が発生し、ここからバリア性が破れるという欠点があった。これは、下地に用いられるシリカやその化合物とTiNなどの化合物バリア膜は、界面張力が大きくいわゆる“濡れ”が悪いため、異なる2方向より引っ張られる段差部で化合物バリア膜が切れてしまうためと考えられる。 In the above reactive sputtering method, a compound barrier film can be formed. However, if a stepped portion such as a contact hole or a via hole is formed on the surface of the substrate, it is often as shown in FIG. 1 near the entrance of the hole. A so-called “step break” occurs in which the TiN compound barrier film a does not cleanly cover the base layer b of the insulator (SiO 2 ), and the barrier property is broken from there. This is because the compound barrier film such as silica or its compound and TiN used for the base has a large interfacial tension and so-called “wetting”, so that the compound barrier film is cut at a step portion pulled from two different directions. Conceivable.

一方、上記メタル層を熱反応させる方法では、スパッタにより下地上に堆積したメタル層は、下地のシリカやその化合物と“濡れ”が良いため、きれいに下地を覆え、次いで該メタル層を熱反応により化合物化するため、形成された化合物バリア膜はきれいに下地を覆い段差切れは発生しない。しかし、この方法では、バリア膜形成のため、スパッタと熱反応という2つのプロセスとその処理をする別々の装置が必要で、作成コストが高くなる不都合がある。   On the other hand, in the method of thermally reacting the metal layer, the metal layer deposited on the base by sputtering is “wet” with the base silica and its compound, so the base is cleanly covered, and then the metal layer is thermally reacted. Since it is compounded, the formed compound barrier film covers the base cleanly and no step breakage occurs. However, this method requires two processes, ie, sputtering and thermal reaction, and separate apparatuses for performing the process for forming the barrier film, which disadvantageously increases the production cost.

また、上記メタル層をプラズマ反応させる方法では、前記メタル層の熱反応方法と同様の段差切れのない化合物バリア膜を形成できるが、この方法では次の2つの問題がある。その1つは、スパッタとプラズマ反応の2つのプロセスとその処理をする別々の装置が必要で作成コストが高くなるという問題であり、もう1つは、プラズマ反応で形成できる化合物バリア膜の厚さに限界があるため、図2に見られるように、そのバリア性がしばしば不十分になるという問題である。すなわち、メタル層の表層部分が化合物バリア膜となるにとどまり、メタル層全体が化合物バリア膜にならないという問題である。このバリア膜の厚さに限界がでる理由は、プラズマ反応ではプラズマ励起された雰囲気ガス成分が、メタル層の表面から拡散により層内へ進入して反応が進行するが、反応温度が前記熱反応より温度の低いプラズマ反応ではメタル層内への拡散が不十分となるため反応層が形成出来ないためと考えられる。   Further, in the method in which the metal layer is subjected to plasma reaction, a compound barrier film having no step difference similar to the thermal reaction method of the metal layer can be formed. However, this method has the following two problems. One of the problems is that two processes of sputtering and plasma reaction and separate apparatuses for performing the process are required, and the production cost is high. The other is the thickness of the compound barrier film that can be formed by the plasma reaction. This is a problem that the barrier property is often insufficient as shown in FIG. That is, the surface layer portion of the metal layer only becomes a compound barrier film, and the entire metal layer does not become a compound barrier film. The reason why the thickness of the barrier film is limited is that, in the plasma reaction, the plasma-excited atmospheric gas component enters the layer by diffusion from the surface of the metal layer, and the reaction proceeds. This is considered to be because the reaction layer cannot be formed in the plasma reaction at a lower temperature because the diffusion into the metal layer becomes insufficient.

更に、上記CVD法では、段差切れのない化合物バリア膜を形成できるが、CVD法はスパッタ法と全く異なる装置構成となり、バリア膜形成後にスパッタ法で行う主要メタル配線プロセスとの装置の整合性がとれず、マルチチャンバー装置化できないため、全く別の独立した装置が必要となって作成コストが高くなる不都合がある。   Furthermore, although the above-mentioned CVD method can form a compound barrier film without step breakage, the CVD method has a completely different apparatus configuration from the sputtering method, and the consistency of the apparatus with the main metal wiring process performed by the sputtering method after the barrier film is formed. Since it cannot be made into a multi-chamber apparatus, a completely different independent apparatus is required, resulting in an increase in production cost.

本発明は、段差切れのない化合物バリア膜を単一の装置により1プロセスで形成する方法を提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to provide a method for forming a compound barrier film without step breakage by a single apparatus in one process.

本発明では、真空室内に、直流電源に接続されたメタルターゲットとその背後の磁石及び該ターゲットの前方のイオン化率を高めるRFコイルを備えたマグネトロンカソードを設け、ターゲット及びRFコイルに電力を投入してメタル膜を成膜する工程と、RFコイルへの電力を維持しかつターゲットへの投入電力を零にするとともに反応性ガスを真空室内に導入して前記メタル膜を化合物化する工程と、を繰り返すように制御し、該ターゲットに対向して設けたシリコン半導体基板の表面にメタル膜の成膜と該メタル膜の化合物化を交互に繰り返して化合物バリア膜を形成することにより、上記の目的を達成するようにした。該RFコイルを上記メタルターゲットと同じ材質の金属で製作することが好都合であり、また、該メタルターゲットを異常放電防止回路を介して直流電源へ接続することが好ましい。 In the present invention, a magnetron cathode having a metal target connected to a DC power source, a magnet behind it and an RF coil for increasing the ionization rate in front of the target is provided in the vacuum chamber, and power is supplied to the target and the RF coil. Forming a metal film, and maintaining the power to the RF coil and reducing the input power to the target to zero, and introducing a reactive gas into the vacuum chamber to compound the metal film, The above object is achieved by forming a compound barrier film by alternately repeating the formation of a metal film and the compounding of the metal film on the surface of a silicon semiconductor substrate provided facing the target. To achieve. It is convenient to manufacture the RF coil from the same material as the metal target, and it is preferable to connect the metal target to a DC power source through an abnormal discharge prevention circuit.

本発明によるときは、イオン化率を高めるRFコイルを備えたマグネトロンカソードを設け、ターゲット及びRFコイルへの投入電力と、該真空室内へ導入するスパッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量とを制御し、基板にメタル膜の成膜と該メタル膜の化合物化を交互に繰り返すようにしたので、段差切れのない化合物バリア膜を単一の装置により1プロセスで形成することができ、成膜コストが安価になる等の効果がある。   According to the present invention, a magnetron cathode equipped with an RF coil for increasing the ionization rate is provided, and the input power to the target and the RF coil and the flow rates of the inert gas and the reactive gas for sputtering introduced into the vacuum chamber are controlled. In addition, since the formation of the metal film on the substrate and the compounding of the metal film are alternately repeated, a compound barrier film having no step difference can be formed in one process with a single apparatus, and the film formation cost can be reduced. Has the effect of becoming inexpensive.

本発明の実施の形態を図面に基づき説明すると、図3は本発明の実施に使用したスパッタリング装置で、同図の符号1は真空ポンプに連なる排気口2と、アルゴンガス等のスパッタ用ガスの導入口3及びN等の反応性ガスを導入する反応性ガス導入口4を設けた真空室を示す。該真空室1内には、直流電源5に異常放電防止回路10を介して接続されたTi製等のメタルターゲット6とその背後の磁石7及び該ターゲット6の前方のイオン化率を高めるRFコイル8を備えたマグネトロンカソード9が設けられる。このカソード9は、上記した誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードとして公知のもので、RFコイル8はメタルターゲット6の前方周囲を囲繞して設けられ、これにマッチングボックス11を介してRF電源12から電力が供給される。13は、拡散防止用の化合物バリア膜を形成すべく該ターゲット6と対向して設けられた例えば直径2インチのシリコン半導体デバイス用の基板で、その表面にはコンタクトホールやビアホール或いは溝などの段差部が予め形成されており、化合物バリア膜の形成後にメタル配線膜が形成される。該RFコイル8は該メタルターゲット6と同材質の例えばTiにて形成され、必要な場合は、その内部に冷却水を循環させる。14は基板加熱用のヒータである。 The embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 shows a sputtering apparatus used for carrying out the present invention. Reference numeral 1 in FIG. 3 denotes an exhaust port 2 connected to a vacuum pump and sputtering gas such as argon gas. 1 shows a vacuum chamber provided with an inlet 3 and a reactive gas inlet 4 for introducing a reactive gas such as N 2 . In the vacuum chamber 1, a metal target 6 made of Ti or the like connected to a DC power source 5 via an abnormal discharge prevention circuit 10, a magnet 7 behind it, and an RF coil 8 that increases the ionization rate in front of the target 6. A magnetron cathode 9 is provided. The cathode 9 is known as the above-described inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode, and the RF coil 8 is provided so as to surround the front periphery of the metal target 6, and is supplied with power from the RF power source 12 via the matching box 11. Is supplied. Reference numeral 13 denotes a substrate for a silicon semiconductor device having a diameter of 2 inches, for example, which is provided to face the target 6 so as to form a compound barrier film for preventing diffusion, and has a step such as a contact hole, a via hole or a groove on its surface. The portion is formed in advance, and the metal wiring film is formed after the formation of the compound barrier film. The RF coil 8 is made of, for example, Ti made of the same material as that of the metal target 6. If necessary, cooling water is circulated therein. Reference numeral 14 denotes a heater for heating the substrate.

図3の装置を使用して反応性スパッタにより基板13に化合物バリア膜を形成するには、まず真空室1内を排気し、スパッタ用アルゴンガスをカソード9の近傍の導入口3から適量導入して圧力を調整したのち、基板13をヒータ14で加熱し、基板温度を所要の成膜温度にする。メタルターゲット6に直流電力と、RFコイル8に高周波電力を夫々投入する。これによりターゲット6の前方にプラズマが発生し、イオンによりターゲット6がスパッタされ、スパッタされたメタル粒子が基板13に堆積する。メタルが例えば数十Å程度の極薄く膜状に堆積したところで、ターゲット6への投入電力を零にし、RFコイル8への高周波電力のみを投入した状態で反応ガス導入口4から反応ガスを導入する。これによりターゲット6は殆どスパッタされず、導入された反応性ガスはRFコイル8のプラズマで励起・イオン化されるので堆積したメタル膜と速やかに反応し、化合物バリア膜となる。堆積した該メタル膜は極めて薄いので、薄膜内部までほぼ完全に化合した化合物膜になる。   In order to form a compound barrier film on the substrate 13 by reactive sputtering using the apparatus shown in FIG. 3, first, the vacuum chamber 1 is evacuated and an appropriate amount of sputtering argon gas is introduced from the inlet 3 near the cathode 9. After the pressure is adjusted, the substrate 13 is heated by the heater 14 to bring the substrate temperature to the required film formation temperature. DC power is supplied to the metal target 6 and high-frequency power is supplied to the RF coil 8. As a result, plasma is generated in front of the target 6, the target 6 is sputtered by the ions, and the sputtered metal particles are deposited on the substrate 13. When the metal is deposited in a very thin film of, for example, several tens of millimeters, the reaction gas is introduced from the reaction gas introduction port 4 with the input power to the target 6 set to zero and only the high-frequency power applied to the RF coil 8. To do. As a result, the target 6 is hardly sputtered, and the introduced reactive gas is excited and ionized by the plasma of the RF coil 8, so that it reacts quickly with the deposited metal film and becomes a compound barrier film. Since the deposited metal film is extremely thin, it becomes a compound film that is almost completely combined up to the inside of the thin film.

このあと、前記したターゲット6のスパッタ工程と反応ガスの導入による化合物化工程を繰り返し、基板13上に例えば100Å程度の極薄の化合物バリア膜を形成する。これにより得られた化合物バリア膜は、極薄でありながら良好なバリア性をもつ。ターゲット6には化合物バリア膜を形成する各種のメタルの使用が可能であり、例えばTaやWを使用すれば、TaN、WNのバリア膜を形成でき、ターゲットの材料と反応性ガスを適当に選択することで種々の化合物バリア膜を形成できる。   Thereafter, the sputtering process of the target 6 and the compounding process by introduction of the reaction gas are repeated to form an extremely thin compound barrier film of about 100 mm on the substrate 13. The compound barrier film thus obtained has an excellent barrier property while being extremely thin. Various metals that form compound barrier films can be used for the target 6. For example, if Ta or W is used, a barrier film of TaN or WN can be formed, and the target material and reactive gas are appropriately selected. By doing so, various compound barrier films can be formed.

該基板13へのメタルの堆積速度は主にターゲット6へ投入する直流電力に依存し、スパッタされたメタル粒子や反応ガスのイオン化や励起の程度は主にRFコイル8に投入する高周波電力に依存する。後者の理由はスパッタされた中性メタル粒子がRFコイル8のつくるプラズマゾーンを通過するときにイオン化されるというイオンプレーティングと同様なポストイオン化機構によるためと考えられる。このイオン化や励起の程度は、主に電子とガス粒子の衝突頻度に依存するので、一般にガスの圧力の高い方が大きい。しかし、基板とターゲット間の距離が従来のプレーナーマグネトロンスパッタ装置での距離より3〜8倍程度離しているいわゆるロングスロースパッタでは、RFコイルでのプラズマで励起しても、ガス圧力が高いとターゲットと基板間での中性ガスとの衝突でクエンチされる(冷やされる)ため、結果として基板に到達するイオン量は少なくなる。従って、このような配置では、基板に到達するイオン量としては2×10−3Torr以下の低い圧力下でより顕著になる。該メタル膜を堆積させる際には、該ターゲット6への直流電力のみならずRFコイル8に高周波電力を同時に投入することにより、イオン化効率が高まり、基板13の下地の上に被覆性良く緻密で結晶性の良い数十Å程度の極薄いメタル膜を堆積させ得る。そして、ターゲット6への直流電力を零とし、RFコイル8への高周波電力のみとした状態で反応性ガスを導入すると、スパッタされるメタルはほとんどなく、RFコイル8によるプラズマで励起・イオン化され、堆積した極薄いメタル膜と迅速に反応して該膜をほぼ完全に化合物バリア膜にする。 The deposition rate of the metal on the substrate 13 mainly depends on the DC power supplied to the target 6, and the degree of ionization and excitation of the sputtered metal particles and reactive gas mainly depends on the high frequency power supplied to the RF coil 8. To do. The reason for the latter is considered to be due to a post ionization mechanism similar to ion plating in which the sputtered neutral metal particles are ionized when passing through the plasma zone formed by the RF coil 8. Since the degree of ionization and excitation mainly depends on the collision frequency between electrons and gas particles, generally, the higher the gas pressure, the greater. However, in the so-called long throw sputtering in which the distance between the substrate and the target is about 3 to 8 times the distance in the conventional planar magnetron sputtering apparatus, even if excited with plasma in the RF coil, the target is high when the gas pressure is high. As a result, the amount of ions reaching the substrate is reduced. Therefore, in such an arrangement, the amount of ions reaching the substrate becomes more conspicuous under a low pressure of 2 × 10 −3 Torr or less. When depositing the metal film, not only direct current power to the target 6 but also high frequency power is simultaneously applied to the RF coil 8 to increase the ionization efficiency, and the substrate 13 is densely coated with good coverage. An extremely thin metal film having a good crystallinity of about several tens of millimeters can be deposited. When the reactive gas is introduced in a state where the direct current power to the target 6 is zero and only the high frequency power to the RF coil 8 is introduced, there is almost no metal to be sputtered, and it is excited and ionized by the plasma from the RF coil 8. It reacts rapidly with the deposited ultra-thin metal film, making it almost completely a compound barrier film.

尚、RFコイル8による化合物化工程においては、ターゲット6からのスパッタ粒子によりRFコイル8の表面へメタル膜のコーティングが行われないため、むき出しになったRFコイル8の表面が誘導結合プラズマ放電によりスパッタされ、そのコイル材のスパッタ粒子が基板13の表面に付着するという汚染が考えられるが、このような汚染はRFコイル8をターゲット6と同材質で作製しておくことで防げる。   In the compounding process using the RF coil 8, since the metal film is not coated on the surface of the RF coil 8 by the sputtered particles from the target 6, the exposed surface of the RF coil 8 is subjected to inductively coupled plasma discharge. Contamination is considered that the sputtered particles of the coil material adhere to the surface of the substrate 13. Such contamination can be prevented by preparing the RF coil 8 with the same material as the target 6.

また、この反応性ガスのプラズマ励起・イオン化の際、ターゲット6の表面も反応してそこに化合物層が形成され、次のスパッタ工程に於ける直流放電が不安定になる場合がある。これは電気伝導度の小さい化合物や絶縁物がターゲット表面に形成されると、直流放電ではその表面に正電荷が帯電し、カソード(ターゲット)とアノード(基板)との間の電位差を消失する方向に働くことが原因で、放電が不安定になったり、放電が停止する結果になる。この状態を解消するには、ターゲット表面にたまった正電荷をプラズマからの電子で中和すればよく、そのため該ターゲット6の直流電源5に異常放電防止回路10を介在させ、図4に示したように、一定の割合で正電位を発生させるようにし、この正電位となったときにターゲット表面にプラズマからの電子を引き込んでターゲット表面にたまった正電荷を中和するようにした。   In addition, when the reactive gas is excited and ionized by plasma, the surface of the target 6 also reacts to form a compound layer there, and the DC discharge in the next sputtering process may become unstable. This is because when a compound or insulator with low electrical conductivity is formed on the target surface, a positive charge is charged on the surface in DC discharge, and the potential difference between the cathode (target) and the anode (substrate) disappears. As a result, the discharge becomes unstable or the discharge stops. In order to eliminate this state, the positive charges accumulated on the surface of the target may be neutralized with electrons from the plasma. Therefore, an abnormal discharge prevention circuit 10 is interposed in the DC power source 5 of the target 6 as shown in FIG. Thus, a positive potential is generated at a constant rate, and when this positive potential is reached, electrons from the plasma are drawn into the target surface to neutralize the positive charges accumulated on the target surface.

図3に示した誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードを備えた装置を使用して、シリコン半導体デバイスの基板13上に約100Åの極めて薄いTiNの化合物バリア膜を形成した。RFコイル8は水冷したTi製で、Ti製のターゲット6に異常放電防止回路10を介して直流電源5を接続した。また、スパッタガスとしてアルゴンガスを導入口3から導入できるようにし、反応性ガスとしてNガスを反応性ガス導入口4から導入できるようにした。カソード6の直径は2インチである。基板とターゲット間の距離は200mmとした。 An apparatus with an inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode shown in FIG. 3 was used to form a very thin TiN compound barrier film of about 100 シ リ コ ン on a substrate 13 of a silicon semiconductor device. The RF coil 8 is made of Ti which is water-cooled, and the DC power source 5 is connected to the Ti target 6 via the abnormal discharge prevention circuit 10. Further, argon gas as a sputtering gas can be introduced from the inlet 3, and N 2 gas as a reactive gas can be introduced from the reactive gas inlet 4. The diameter of the cathode 6 is 2 inches. The distance between the substrate and the target was 200 mm.

該化合物バリア膜の形成に先立ち、真空室1内のアルゴンスパッタガス圧力を6×10−4Torr、ターゲット投入電力をDC50W一定にし、RFコイル8への投入電力を変化させて、基板13上へのTi膜堆積速度と基板へ流入するイオン電流の変化を測定した。なお、基板13には基板へ流入するイオン電流(Ti、Ar)を測定できるようにするため、直流を−50V印加した。その結果は図5の如くであり、Ti膜堆積速度は、RFコイル8への投入電力にあまり依存していないことが分かる。図6に、RFコイル8への投入電力をパラメータとしてターゲット直流電力を変化させたときのTi膜堆積速度の変化を示した。これによりこの条件下では、Ti膜堆積速度はターゲット6へ投入する電力に比例しており、RFコイル8への投入電力には殆ど影響されないことが分かり、図5の結果と一致している。一方、基板13に流入するイオン電流は、RFコイル8への投入電力とともに急激に増加しており、この誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンスパッタ法がスパッタ粒子のイオン化促進に極めて有効であること示している。この基板へ流入するイオンは、TiイオンとArイオンであり、どちらのイオンがどの位かを調べた結果が図7である。この測定は、基板13の位置にエネルギーアナライザー付四重極質量分析計を取り付け、Tiターゲットをスパッタした際基板に流入するイオンの種類とその量のエネルギー分布を計測したものである。ここではRFコイル8への投入電力を40W一定とし、ターゲット投入直流電力を変化させた例を示す。図7より、直流電力を抑えRFコイルへの投入電力を相対的に増やす(DCパワーを減らす)と、主にガスがイオン化されること、またイオンのエネルギーが高エネルギー側にシフトすることが分かる。雰囲気ガスとして窒素などの反応性ガスを添加した際にも同様に反応性ガスの励起が優先的に起こると考えられるので、これは堆積しているメタル膜を反応性ガスと反応させ化合物膜を作成するのに極めて好都合な条件である。他方、直流電力を相対的に大きくすると、スパッタされたメタル粒子のイオン化が進み、この条件下(反応性ガスは添加せず)では、緻密で良質なメタル膜を堆積できることが分かる。 Prior to the formation of the compound barrier film, the argon sputtering gas pressure in the vacuum chamber 1 is set to 6 × 10 −4 Torr, the target input power is kept constant at 50 W DC, and the input power to the RF coil 8 is changed to move onto the substrate 13. The changes in the Ti film deposition rate and the ionic current flowing into the substrate were measured. Note that a direct current of −50 V was applied to the substrate 13 so that ion current (Ti + , Ar + ) flowing into the substrate could be measured. The result is as shown in FIG. 5, and it can be seen that the Ti film deposition rate does not depend much on the input power to the RF coil 8. FIG. 6 shows changes in the Ti film deposition rate when the target DC power is changed using the input power to the RF coil 8 as a parameter. Thus, under this condition, it can be seen that the Ti film deposition rate is proportional to the electric power applied to the target 6 and is hardly affected by the electric power applied to the RF coil 8, which is consistent with the result of FIG. On the other hand, the ion current flowing into the substrate 13 increases rapidly with the input power to the RF coil 8, indicating that this inductively coupled RF plasma assisted magnetron sputtering method is extremely effective in promoting ionization of sputtered particles. . The ions flowing into the substrate are Ti ions and Ar ions. FIG. 7 shows the result of examining which ion is how much. In this measurement, a quadrupole mass spectrometer with an energy analyzer is attached to the position of the substrate 13, and when the Ti target is sputtered, the type of ions flowing into the substrate and the energy distribution of the amount are measured. Here, an example is shown in which the input power to the RF coil 8 is constant at 40 W and the target input DC power is changed. From FIG. 7, it can be seen that when the DC power is suppressed and the input power to the RF coil is relatively increased (the DC power is decreased), the gas is mainly ionized and the ion energy is shifted to the higher energy side. . Similarly, when a reactive gas such as nitrogen is added as an atmospheric gas, it is considered that the excitation of the reactive gas preferentially occurs, so this is caused by reacting the deposited metal film with the reactive gas to form the compound film. It is a very favorable condition to create. On the other hand, when the DC power is relatively increased, ionization of the sputtered metal particles proceeds, and it can be seen that a dense and high-quality metal film can be deposited under this condition (no reactive gas is added).

この結果を基に、図3の装置により、Tiメタル膜を堆積するスパッタ工程と、その膜をプラズマ窒化により化合物化する化合物化工程とを図8に示した手順に従って繰り返し、所要厚さ約100Åのバリア性の優れたTiNの化合物バリア膜を形成した。スパッタアルゴンガス圧力は8×10−4Torr、Si基板の温度は300℃一定とした。 Based on this result, the sputtering process for depositing a Ti metal film and the compounding process for compounding the film by plasma nitriding are repeated according to the procedure shown in FIG. A TiN compound barrier film having excellent barrier properties was formed. The sputtering argon gas pressure was 8 × 10 −4 Torr, and the temperature of the Si substrate was constant at 300 ° C.

詳細には、ターゲット6への直流電力を80W、RFコイル8への高周波電力を30W、Arガスを20sccm、Nガスを0sccmとし、この条件で30秒スパッタし、まず厚さ約20Å程度のTiメタル膜を基板に堆積させた。続いてターゲットへの直流電力を0V、RFコイル8への高周波電力をそのまま30Wで維持し、スパッタアルゴンガスの流量を5sccmに減少させ、Nガスを20sccm真空室内へ導入して、RFコイル8による誘導結合プラズマのみを60秒間発生させて堆積した該Tiメタル膜をプラズマ窒化させTiN膜とした。更にこのTiN膜の上に次のメタル膜を約20Åの厚さで前記Tiメタル膜のスパッタ条件で堆積させ、この次のメタル膜を前記化合物化条件と同条件で窒化させた。このようにしてスパッタ工程と化合物化工程を4回繰り返し約100ÅのTiN膜を基板に形成した。 Specifically, the direct current power to the target 6 is 80 W, the high frequency power to the RF coil 8 is 30 W, Ar gas is 20 sccm, N 2 gas is 0 sccm, and sputtering is performed for 30 seconds under these conditions. A Ti metal film was deposited on the substrate. Subsequently, the DC power to the target is maintained at 0 V, the high-frequency power to the RF coil 8 is maintained at 30 W as it is, the flow rate of the sputter argon gas is reduced to 5 sccm, N 2 gas is introduced into the 20 sccm vacuum chamber, and the RF coil 8 The Ti metal film deposited by generating only inductively coupled plasma for 60 seconds was plasma nitrided to obtain a TiN film. Further, a next metal film having a thickness of about 20 mm was deposited on the TiN film under the sputtering conditions of the Ti metal film, and the next metal film was nitrided under the same conditions as the compounding conditions. In this manner, the sputtering process and the compounding process were repeated four times to form a TiN film of about 100 mm on the substrate.

そして、これと同じ条件でSiウエハ基板上に作成したTiN膜の構成元素の深さ方向の分布をオージェ電子分光法(AES)で測定した結果の1例を図9に示す。堆積した膜全部がTiNとなっており、表面しか窒化していない従来の膜(図2)と大きく異なっていることが分かる。   FIG. 9 shows an example of a result obtained by measuring the distribution in the depth direction of the constituent elements of the TiN film formed on the Si wafer substrate under the same conditions by Auger electron spectroscopy (AES). It can be seen that the entire deposited film is TiN, which is significantly different from the conventional film (FIG. 2) in which only the surface is nitrided.

ここではTiNの例を示したが、その他TaN、WNなどの種々の化合物バリア膜の成膜に適用が可能である。なお、本発明は、同一チャンバー内にメタルをスパッタする機構と雰囲気ガスをプラズマ励起する機構の両方を備えており、かつそれらがほぼ独立に制御できるようになっていれば、原理的に適用可能である。従って図3に示す装置以外でも、例えばRFコイルがターゲットと基板の中間に設置してあるスパッタ装置、ECRスパッタ装置などにも適用可能なことは云うまでもない。また、ここではシリコン基板メタル配線プロセスについて述べたが、その他フラットディスプレー、薄膜磁気ヘッド等の種々の電子機器デバイス薄膜作製プロセスへの適用が可能である。更に、ここでは化合物バリア膜をメタル堆積のスパッタ工程とプラズマ反応による化合物化工程とを交互に繰り返したが、その代わりに下地と“濡れ”の悪い第1層或いは次の第2層までをこの方法で作成し、それ以降は反応性スパッタにより一挙に化合物層を形成してもよい。   Although an example of TiN is shown here, the present invention can be applied to the formation of various compound barrier films such as TaN and WN. The present invention can be applied in principle as long as it has both a mechanism for sputtering metal and a mechanism for plasma excitation of atmospheric gas in the same chamber, and they can be controlled almost independently. It is. Accordingly, it goes without saying that the present invention can be applied to a sputtering apparatus, an ECR sputtering apparatus, or the like in which the RF coil is installed between the target and the substrate, for example, other than the apparatus shown in FIG. Although the silicon substrate metal wiring process has been described here, the present invention can be applied to various electronic device device thin film manufacturing processes such as a flat display and a thin film magnetic head. Further, here, the compound barrier film was alternately subjected to the metal deposition sputtering process and the plasma reaction compounding process. Instead, the base layer and the first layer or the next second layer having poor “wetting” were removed. After that, the compound layer may be formed all at once by reactive sputtering.

本発明は、シリコン半導体デバイスのメタル配線プロセスなどに適用される化合物バリア膜を形成する技術分野において、産業上大いに利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used industrially in the technical field of forming a compound barrier film applied to a metal wiring process of a silicon semiconductor device.

従来の化合物バリア膜の成膜状態を示す断面図Sectional drawing which shows the film-forming state of the conventional compound barrier film 従来の化合物バリア膜の深さ方向の構成元素の分布図Distribution of constituent elements in the depth direction of conventional compound barrier films 本発明の方法の実施に使用した装置の切断側面図Cutaway side view of the apparatus used to carry out the method of the present invention 図3のカソードに印加される電圧の特性図Characteristic diagram of voltage applied to cathode in FIG. RFコイル電力と膜堆積速度の関係図Relationship diagram between RF coil power and film deposition rate RFコイル電力をパラメータとしてターゲット電力を変化させたときの膜堆積速度の変化図Changes in film deposition rate when changing target power with RF coil power as parameter ターゲット電力とRFコイル電力とイオンエネルギーの相関図Correlation diagram of target power, RF coil power, and ion energy 本発明方法の実施の手順の線図Diagram of the procedure for carrying out the method of the invention 本発明方法で得られた膜の深さ方向の構成元素の分布図Distribution diagram of constituent elements in the depth direction of the film obtained by the method of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 真空室
2 排気口
3 スパッタガス導入口
4 反応性ガス導入口
5 直流電源
6 メタルターゲット、
7 磁石、
8 RFコイル
9 マグネトロンカソード
10 異常放電防止回路
11 マッチングボックス
12 高周波電源
13 基板
14 ランプヒーター
1 Vacuum chamber 2 Exhaust port 3 Sputter gas inlet 4 Reactive gas inlet 5 DC power source 6 Metal target,
7 magnets,
8 RF coil 9 Magnetron cathode 10 Abnormal discharge prevention circuit 11 Matching box 12 High frequency power supply 13 Substrate 14 Lamp heater

Claims (3)

真空室内に、直流電源に接続されたメタルターゲットとその背後の磁石及び該ターゲットの前方のイオン化率を高めるRFコイルを備えたマグネトロンカソードを設け、ターゲット及びRFコイルに電力を投入してメタル膜を成膜する工程と、RFコイルへの電力を維持しかつターゲットへの投入電力を零にするとともに反応性ガスを真空室内に導入して前記メタル膜を化合物化する工程と、を繰り返すように制御し、該ターゲットに対向して設けたシリコン半導体基板の表面にメタル膜の成膜と該メタル膜の化合物化を交互に繰り返して化合物バリア膜を形成することを特徴とするシリコン半導体に於ける化合物バリア膜形成方法。 In the vacuum chamber, a metal target connected to a DC power source, a magnet behind it and a magnetron cathode equipped with an RF coil that increases the ionization rate in front of the target are provided , and power is supplied to the target and the RF coil to form a metal film. Control is performed to repeat the film forming process and the process of maintaining the power to the RF coil and reducing the input power to the target to zero and introducing the reactive gas into the vacuum chamber to compound the metal film. And forming a compound barrier film by alternately repeating the formation of a metal film and the compounding of the metal film on the surface of a silicon semiconductor substrate provided opposite to the target. Barrier film formation method. 上記RFコイルを上記メタルターゲットと同じ材質の金属で製作したことを特徴とする請求項1に記載のシリコン半導体に於ける化合物バリア膜形成方法。   2. The method of forming a compound barrier film in a silicon semiconductor according to claim 1, wherein the RF coil is made of the same material as the metal target. 上記メタルターゲットを異常放電防止回路を介して直流電源へ接続したことを特徴とする請求項1に記載のシリコン半導体に於ける化合物バリア膜形成方法。   2. The method of forming a compound barrier film in a silicon semiconductor according to claim 1, wherein the metal target is connected to a DC power source through an abnormal discharge prevention circuit.
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