JP4923933B2 - バリヤ層の形成方法及びプラズマ成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、バリヤ層の形成方法及びプラズマ成膜装置に係り、特に半導体ウエハ等の被処理体に形成されている凹部を埋め込む時等に形成するバリヤ層の形成方法及びプラズマ成膜装置に関する。

一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理やパターンエッチング処理等の各種の処理を繰り返し行って所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスの更なる高集積化及び高微細化の要請より、線幅やホール径が益々微細化されている。そして、配線材料や埋め込み材料としては、従来は主としてアルミニウム合金が用いられていたが、最近は線幅やホール径が益々微細化されて、且つ動作速度の高速化が望まれていることからタングステン（Ｗ）や銅（Ｃｕ）等も用いられる傾向にある。

そして、上記Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ等の金属材料を配線材料やコンタクトのためのホールの埋め込み材料として用いる場合には、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２ ）等の絶縁材料と上記金属材料との間で例えばシリコンの拡散が生ずることを防止したり、膜の密着性を向上させる目的で、或いはホールの底部でコンタクトされる下層の電極や配線層等の導電層との間の密着性等を向上する目的で、上記絶縁層や下層の導電層との間の境界部分にバリヤ層を介在させることが行われている。そして、上記バリヤ層としてはＴａ膜、ＴａＮ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜等が広く知られている（特許文献１〜３）。この点について図７を参照して説明する。

図７は半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み状態を示す断面図である。図７に示すように、被処理体として例えばシリコン基板等よりなる半導体ウエハ２の表面には例えば配線層等となる導電層４が形成されており、この導電層４を覆うようにして半導体ウエハ２の表面全体に例えばＳｉＯ_２ 膜等よりなる絶縁層６が所定の厚さで形成されている。上記導電層４がトランジスタやコンデンサ等の電極等に対応する場合もある。

そして、上記絶縁層６には、上記導電層４に対して電気的コンタクトを図るためのスルーホールやビアホール等のコンタクト用の凹部８が形成されている。尚、上記凹部８として細長いトレンチ（溝）を形成する場合もある。そして、この凹部８内の底面及び側面を含めた半導体ウエハ２の表面全体に、すなわち絶縁層６の上面全体に上述したような機能を有するバリヤ層１０を所望の厚さで形成し、更に、このバリヤ層１０上に配線材料や埋め込み材料として導電性の金属を堆積させて導電層１２を形成し、上記凹部８内を埋め込むようにしている。

ここで上記バリヤ層１０としては種々存在し、例えばＴｉ膜及びＴｉＮ膜を順次積層してなる２層構造のバリヤ層や、ＴａＮ膜及びＴａ膜を順次積層してなる２層構造のバリヤ層や、更には、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ｔａ膜及びＴａＮ膜の内の１層のみを用いたバリヤ層も存在し、いずれにしても、このバリヤ層１０の上層に形成される導電層１２の種類によってバリヤ層１０の材質及び構造が決定される。

そして、最近にあっては、上記したバリヤ層１０の材質の中で、特にＴｉ膜よりなる、或いはＴｉ膜を含むバリヤ層１０が注目されている。その理由は、Ｔｉ膜よりなるバリヤ層やＴｉ膜を含むバリヤ層は金属等の拡散を特に抑制でき、電気抵抗も非常に小さく、更には体積膨張率も小さく、配線材料との密着性も良好である等の利点を有するからである。

特開２００３−１４２４２５号公報 特開２００６−１４８０７４号公報 特表２００５−５２５６９４号公報

ところで、上記Ｔｉ膜は一般的にはプラズマ成膜装置を用いたプラズマスパッタ法により成膜される。図８は表面に凹部を有する半導体ウエハの表面にＴｉ膜が形成される時の状態を示す断面図、図９は図８中の凹部の開口部を示す拡大図である。周知のように、プラズマスパッタ法は指向性が大きいために、図８及び図９に示すように、ウエハの上面やホール等の凹部８内の底面等のようにウエハ表面に対する法線１４に直交する面には比較的厚くＴｉ膜が成膜されるのに対して、凹部８内の側面などのように上記法線１４に平行する面には比較的薄くしかＴｉ膜が成膜されない。

そのため、上記凹部８内の側壁のステップカバレジを確保するために、上記Ｔｉ膜１６を成膜した直後には、例えばＡｒガスを用いたスパッタリングを行い（これを「リスパッタリング」と称す）、厚く堆積した部分のＴｉ膜をスパッタリングにより削り取って、これを堆積膜厚の薄い上記凹部８内の側面等に再付着させて全体の膜厚ができるだけ均一になるようにしている。

しかしながら、上記Ｔｉ膜１６は、スパッタリングにより比較的削り取られ易い物質であり、特に、図８及び図９に示すように、凹部８の肩部８Ａ、すなわち凹部８の開口部のコーナ部は非常に削り取られ易い。ここでコーナ部の削り取られ易さを示す指標としてコーナエッチング比が知られており、このコーナエッチング比は図９に示すように、”コーナ部のエッチング量ｂ”と”平面部のエッチング量ａ”との比”ｂ／ａ”で表され、Ｔｉの場合にはこのコーナエッチング比は”７．６８”程度にもなってしまう。

このため、この肩部８Ａでスパッタリングにより削り取られたＴｉ金属粒子１８は対向する側の面に再付着して堆積する傾向となり、この結果、図８中で一点鎖線で示すように凹部８の開口部近傍に中央部側へ凸状に突出したオーバハング部２０が形成されてしまっていた。このため、この後工程で上記凹部８内を導電層で埋め込む際に、上記オーバハング部２０が障害となって十分に埋め込みができずに、凹部８内にボイド（空洞）が発生する、といった問題があった。

また、特に肩部８Ａにおけるスパッタリングが激し過ぎると、下層の絶縁層６の一部が露出し、これにダメージを与えてしまう、といった問題もあった。上記問題は、線幅やホール径が１００ｎｍよりも大きくて設計基準が緩かった従来の場合には、Ｔｉ膜の膜厚を厚くする等の対応により防ぐことができたが、より微細化傾向が進んで、線幅やホール径として１００ｎｍ以下の設計基準が要求される現在にあっては、上記問題点の早期解決が求められている。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、Ｔｉ合金を用いることにより被処理体の表面の凹部におけるコーナエッチング耐性を向上させることができるバリヤ層の形成方法及びプラズマ成膜装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内で載置台上に被処理体を載置し、前記被処理体の表面に形成されている絶縁層上に、金属ターゲットより放出される金属粒子を堆積させてバリヤ層を形成するバリヤ層の形成方法において、前記金属ターゲットとして、Ｔｉ金属よりなる母材に、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔａ（タンタル）よりなる群から選択された１又は２以上の金属を合混してなる金属材料を用い、前記処理容器内にプラズマを形成しつつ前記金属ターゲットに放電用電力を供給すると共に前記載置台にバイアス電力を供給してスパッタリングにより前記被処理体の表面にＴｉ合金膜を形成する膜形成工程と、該膜形成工程の後に前記プラズマの形成用の電力の供給と前記バイアス電力の供給とを維持すると共に、前記金属ターゲットへの放電用電力の供給を遮断した状態で前記Ｔｉ合金膜をリスパッタリングするリスパッタリング工程と、を有することを特徴とするバリヤ層の形成方法である。
本発明方法により形成されるバリヤ層が堆積された被処理体の表面の凹部におけるコーナエッチング耐性を向上させることができる。
従って、例えば凹部の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止することができ、このためボイドを発生させることなく凹部の埋め込みを行うことができる。

この場合、例えば請求項２に記載したように、前記バリヤ層の一部は、前記絶縁層の一部に形成された凹部の底部を介して下層の他の導電層に電気的に接続されている。
また例えば請求項３に記載したように、前記凹部は、ホール又はトレンチ（溝）である。
また例えば請求項４に記載したように、前記ホールの直径又は前記トレンチの幅は１００ｎｍ以下である。

また例えば請求項５に記載したように、前記混合した金属のＴｉ合金全体に対する割合は５〜５０％の範囲内である。

また例えば前記絶縁層には凹部が形成されており、該凹部の開口部のコーナ部における前記Ｔｉ合金膜のエッチング量ｂと平面部のエッチング量ａとの比”ｂ／ａ”は１．４０〜４．８６の範囲内に設定されている。

請求項６に係る発明は、被処理体の表面の絶縁層上に、バリヤ層を形成するプラズマ成膜装置において、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するための載置台と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、Ｔｉ（チタン）金属よりなる母材に、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔａ（タンタル）よりなる群から選択された１又は２以上の金属を混合してなるＴｉ合金の金属ターゲットと、前記金属ターゲットへ放電用電力を供給するターゲット用の電源と、前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバリヤ層の形成方法を実行するように装置全体を制御する装置制御部と、を備えたことを特徴とするプラズマ成膜装置である。

本発明に係るバリヤ層の形成方法及びプラズマ成膜装置によれば、次のような優れた作用効果を発揮することができる。
本発明方法により形成されるバリヤ層が堆積された被処理体の表面の凹部におけるコーナエッチング耐性を向上させることができる。
従って、例えば凹部の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止することができ、このためボイドを発生させることなく凹部の埋め込みを行うことができる。

以下に、本発明に係るバリヤ層の形成方法及びプラズマ成膜装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るプラズマ成膜装置の一例を示す断面図である。ここではプラズマ成膜装置としてＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）型プラズマスパッタ装置を例にとって説明する。図示するように、このプラズマ成膜装置２２は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器２４を有している。この処理容器２４は接地され、この底部２６には排気口２８が設けられて、圧力調整を行うスロットルバルブ３０を介して真空ポンプ３２により真空引き可能になされている。

この処理容器２４内には、円板状の載置台３４が設けられる。この載置台３４は、例えばアルミニウムよりなる載置台本体３４Ａと、この上面に設置される静電チャック３４Ｂとよりなり、この静電チャック３４Ｂ上に被処理体である半導体ウエハ２を吸着して保持できるようになっている。この静電チャック３４Ｂの上面側には、熱伝導ガスを流すガス溝３６が形成されており、必要に応じてＡｒガス等の熱伝導ガスをこのガス溝３６に供給してウエハ２と載置台３４側との熱伝導性を向上できるようになっている。尚、この静電チャック３４Ｂには、図示しない吸着用の直流電圧が必要に応じて印加される。この載置台３４は、この下面の中心部より下方へ延びる支柱３８により支持されており、この支柱３８の下部は、上記容器底部２６を貫通している。そして、この支柱３８は、図示しない昇降機構により上下移動可能になされており、上記載置台３４自体を昇降できるようにしている。

上記支柱３８を囲むようにして伸縮可能になされた蛇腹状の金属ベローズ４０が設けられており、この金属ベローズ４０は、その上端が上記載置台３４の下面に気密に接合され、また下端が上記底部２６の上面に気密に接合されており、処理容器２４内の気密性を維持しつつ上記載置台３４の昇降移動を許容できるようになっている。この載置台３４の載置台本体３４Ａには、ウエハ２を冷却する冷媒を流す冷媒循環路４２が冷却手段として形成されており、この冷媒は支柱３８内の図示しない流路を介して給排されている。

また容器底部２６には、これより上方に向けて例えば３本（図示例では２本のみ記す）の支持ピン４６が起立させて設けられており、また、この支持ピン４６に対応させて上記載置台３４にピン挿通孔４８が形成されている。従って、上記載置台３４を降下させた際に、上記ピン挿通孔４８を貫通した支持ピン４６の上端部でウエハ２を受けて、このウエハ２を外部より侵入する図示しない搬送アームとの間で移載ができるようになっている。このため、処理容器２４の下部側壁には、上記搬送アームを侵入させるために開閉可能になされたゲートバルブ５０が設けられている。

またこの載置台本体３４Ａ上に設けた上記静電チャック３４Ｂには、配線５２を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を発生する高周波電源よりなるバイアス電源５４が接続されており、上記載置台３４に対して所定のバイアス電力を印加できるようになっている。またこのバイアス電源５４はその出力されるバイアス電力を必要に応じて可変的に制御できるようになっている。

一方、上記処理容器２４の天井部には、例えば酸化アルミニウム等の誘電体よりなる高周波に対して透過性のある透過板５６がＯリング等のシール部材５８を介して気密に設けられている。そして、この透過板５６の処理容器２４内の処理空間６０に例えばプラズマ励起用ガスとしてのＡｒガスをプラズマ化してプラズマを発生するためのプラズマ発生源６２が設けられる。尚、このプラズマ励起用ガスとして、Ａｒに代えて他の不活性ガス、例えばＨｅ、Ｎｅ等を用いてもよい。具体的には、上記プラズマ発生源６２は、上記透過板５６に対応させて設けた誘導コイル部６４を有しており、この誘導コイル部６４には、プラズマ発生用の例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源６６が接続されて、上記透過板５６を介して処理空間６０に高周波を導入できるようになっている。ここで、この高周波電源６６より出力されるプラズマ電力も必要に応じて制御できるようになっている。

また上記透過板５６の直下には、導入される高周波を拡散させる例えばアルミニウムよりなるバッフルプレート６８が設けられる。そして、このバッフルプレート６８の下部には、上記処理空間６０の上部側方を囲むようにして例えば断面が内側に向けて傾斜されて環状（截頭円錐殻状）になされた金属ターゲット７０が設けられており、この金属ターゲット７０には放電用電力を供給するターゲット用の可変になされた直流電源７２が接続されている。尚、この直流電源に代えて交流電源を用いてもよい。

従って、この可変直流電源７２から出力される直流電力も必要に応じて制御できるようになっている。ここでは金属ターゲット７０としてＴｉ（チタン）合金が用いられ、このＴｉ合金はプラズマ中のＡｒイオンにより金属原子、或いは金属原子団としてスパッタされると共に、プラズマ中を通過する際に多くはイオン化される。上記Ｔｉ合金は、Ｔｉ（チタン）金属よりなる母材に、遷移金属群より選択された１又は２以上の金属を混合して形成される。この場合、上記混合した金属のＴｉ合金全体に対する割合は５〜５０％の範囲内である。また、上記選択された金属としては、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔａ（タンタル）の内の１又は２以上を含ませるのが好ましい。

またこの金属ターゲット７０の下部には、上記処理空間６０を囲むようにして例えばアルミニウムよりなる円筒状の保護カバー７４が設けられており、この保護カバー７４は接地されると共に、この下部は内側へ屈曲されて上記載置台３４の側部近傍に位置されている。また処理容器２４の底部には、この処理容器２４内へ必要とされる所定のガスを導入するガス導入手段として例えばガス導入口７６が設けられる。このガス導入口７６からは、プラズマ励起用ガスとして例えばＡｒガスや他の必要なガス例えばＮ_２ ガス等が、ガス流量制御器、バルブ等よりなるガス制御部７８を通して供給される。

ここで成膜装置２２の各構成部は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部８０に接続されて制御される構成となっている。具体的には装置制御部８０は、バイアス電源５４、プラズマ発生用の高周波電源６６、可変直流電源７２、ガス制御部７８、スロットルバルブ３０、真空ポンプ３２等の動作を制御し、本発明方法により薄膜を成膜する時に次のように動作する。

まず装置制御部８０の支配下で、真空ポンプ３２を動作させることにより真空にされた処理容器２４内に、ガス制御部７８を動作させつつＡｒガスを流し、スロットルバルブ３０を制御して処理容器２４内を所定の真空度に維持する。その後、可変直流電源７２を介して直流電力を金属ターゲット７０に印加し、更に高周波電源６６を介して誘導コイル部６４に高周波電力（プラズマ電力）を印加する。

一方、装置制御部８０はバイアス電源５４にも指令を出し、載置台３４に対して所定のバイアス電力を印加する。このように制御された処理容器２４内においては、金属ターゲット７０、誘導コイル部６４に印加されたプラズマ電力によりアルゴンプラズマが形成されてアルゴンイオンが生成され、これらイオンは金属ターゲット７０に衝突し、この金属ターゲット７０がスパッタされて金属粒子が放出される。

また、スパッタされた金属ターゲット７０からの金属粒子である金属原子、金属原子団はプラズマ中を通る際に多くはイオン化される。ここで金属粒子は、イオン化された金属イオンと電気的に中性な中性金属原子とが混在する状態となって下方向へ飛散して行く。特に、この処理容器２４内の圧力は、比較的高く設定されて、例えば５０ｍＴｏｒｒ以上になされており、これによりプラズマ密度を高めて、金属粒子を高効率でイオン化できるようになっている。

そして、金属イオンは、載置台３４に印加されたバイアス電力により発生したウエハ面上の厚さ数ｍｍ程度のイオンシースの領域に入ると、強い指向性をもってウエハ２側に加速するように引き付けられてウエハ２に堆積する。このように、高指向性を持った金属イオンにより堆積された薄膜は、基本的には垂直形状のカバレッジを得ることが可能となる。

ここで装置各構成部の制御は、装置制御部８０により、所定の条件で金属膜の成膜が行われるように作成されたプログラムに基づいて制御されるようになっている。この際、例えばフロッピーディスク（登録商標）（ＦＤ）やコンパクトディスク（登録商標）（ＣＤ）、フラッシュメモリー、ハードディスク等の記憶媒体８２に、各構成部の制御を行うための命令を含むプログラムを格納しておき、このプログラムに基づいて所定の条件で処理を行うように各構成部を制御させる。

次に、以上のように構成されたプラズマ成膜装置２２を用いて行われる本発明のバリヤ層の形成方法について図２及び図３も参照して説明する。
図２は本発明に係るバリヤ層の形成方法を含む凹部の埋め込み工程を示す図、図３はリスパッタ工程を説明する図である。尚、図７〜図９に記載された部分と同一構成部分については、同一符号を付してある。

本発明は、半導体ウエハ２の表面に絶縁層と導電層とを形成する際に、上記絶縁層と導電層との間に介在されるバリヤ層に関する発明である。ここで上記絶縁層としては絶縁層６が対応し、上記導電層としては埋め込み配線用の導電層１２が対応している。
まず、図１において載置台３４を下方へ降下させた状態で処理容器２４のゲートバルブ５０を介して真空引き可能になされた処理容器２４内へウエハ２を搬入し、これを支持ピン４６上に支持させる。そして、この状態で載置台３４を上昇させると、この上面にウエハ２が受け渡され、このウエハ２が静電チャック３４Ｂにより載置台３４の上面に吸着される。

そして、載置台３４上にウエハ２を載置して吸着固定したならば、成膜処理を開始する。この時、ウエハ２の上面には、図２（Ａ）に示すように、図７において説明した構造と同じ構造の凹部８が絶縁層６の一部に予めウエハ搬入前に前工程で形成されている。この凹部８は、溝状のトレンチや穴状のホールよりなり、この底部に下層の配線層４が露出している。

まず、処理容器２４内を所定の圧力に真空引きした後に、プラズマ発生源６２の誘導コイル部６４にプラズマ電力を印加し、且つバイアス電源５４より所定のバイアス電力を載置台３４の静電チャック３４Ｂに印加する。更に金属ターゲット７０には可変直流電源７２より所定の直流電力を印加して成膜を行う。ここでは、Ｔｉ合金膜を形成するためにガス導入口７６よりプラズマ励起用ガスである例えばＡｒガスを処理容器２４内に供給する。

これにより、プラズマ電力でもってアルゴンプラズマが形成されてアルゴンイオンが生成され、これらイオンはＴｉ合金よりなる金属ターゲット７０に衝突し、この金属ターゲットがスパッタされて金属粒子が放出される。この金属粒子は、金属原子、金属原子団等よりなり、プラズマによりイオン化され、或いはイオン化されないで中性粒子のままウエハ２の方向へ飛散し、ウエハ表面に堆積して、図２（Ｂ）に示すように凹部８内の底面及び側面を含む絶縁層６の表面全体にＴｉ合金膜８８よりなるバリヤ層１０が所定の厚さで形成される。

この場合、プラズマによる自己バイアスや載置台３４に引加されているバイアス電力によって金属イオンは載置台３４の表面に対して直交する方向（法線）に引き込まれるように指向性を有しているので、法線１４（図８参照）と直交する面、例えば絶縁層６の上面や凹部８の底面には比較的厚くＴｉ合金膜８８が堆積するが、法線１４と平行な面、例えば凹部８の側面には、上記底面と比較してＴｉ合金膜８８は薄くしか堆積しない。

そこで、上記Ｔｉ合金膜８８の成膜が完了したならば、プラズマ発生源６２やバイアス電源８４等は動作させたままで、金属ターゲット７０に加えていた可変直流電源７２をオフする。これにより、金属ターゲット７０からはＴｉ合金粒子が飛散しなくなり、堆積していたＴｉ合金膜８８に対してＡｒガスによりリスパッタリングが行われることになり、図３に示すように上記絶縁層６の表面に堆積していたＴｉ合金膜８８よりなるバリヤ層１０がスパッタリングされて、ここで飛散したＴｉ合金粒子が凹部８の側壁等に再付着してこの部分に膜厚を厚くするように作用し、この結果、図２（Ｃ）に示すようにＴｉ合金膜８８よりなるバリヤ層１０の膜厚全体が均一化して行くことになる。

この際、図８及び図９を参照して説明したように、従来のバリヤ層１０はスパッタされ易いＴｉ金属により形成しているので、特に、凹部８の肩部８Ａの部分のＴｉ膜は非常に削り取られて、この削り取られた金属粒子がそれに対向する面に再付着してオーバハング部２０（図９参照）を形成していたが、本発明の場合には、バリヤ層１０としてＴｉ合金膜８８を用いているので、凹部８の肩部８Ａが特に削られることはなく、オーバハング部２０が形成されるのを防止することができる。具体的には、この時のコーナエッチング比ｂ／ａは、混合する他金属の割合にもよるが、”５”以下であり、Ｔｉ金属の単独の場合の”７．６８”よりも大幅に抑制することができる。

このようにして、バリヤ層１０の膜厚を均一化するリスパッタリングが終了したならば、次に、図２（Ｄ）に示すように、凹部８の表面を含むバリヤ層１０の表面全面に、別のプラズマ成膜装置を用いてスパッタリングにより薄い銅膜よりなるシード膜９０を形成し、引き続いて、電気メッキを用いて埋め込み用及び配線材料として銅を堆積させて凹部８内を埋め込むと同時に、表面全体に銅膜よりなる導電層１２を形成することになる。尚、ここで銅に代えて、例えばアルミニウム等が混合された銅合金を用いるようにしてもよい。

以後は、図示されないが、上記導電層１２、シード膜９０及びバリヤ層１０が所定のパターンにエッチングされることになる。
このように、バリヤ層１０は、Ｔｉ（チタン）金属よりなる母材に、遷移金属群より選択された１又は２以上の金属を混合してなるＴｉ合金膜を含むように構成したので、被処理体２の表面の凹部８におけるコーナエッチング耐性を向上させることができる。
従って、例えば凹部８の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止することができ、このためボイドを発生させることなく凹部８の埋め込みを行うことができる。

＜コーナエッチング比の比較評価＞
次に、Ｔｉ母材に各種の遷移金属を混合してなるＴｉ合金膜をバリヤ層として用いた時のコーナエッチング比［ｂ／ａ］を比較検討したので、その評価結果について説明する。
図４はＴｉ母材に各種の遷移金属を混合してなるＴｉ合金膜をバリヤ層として用いた時のコーナエッチング比を示すグラフである。ここでは、Ｔｉ母材に混合する遷移金属として、ウエハに対する汚染の恐れの少ないＺｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）を用いた場合を示し、カッコ内にはそれぞれＴｉ合金全体に対する混合比率を示している。また比較のためにＴｉ単独の場合も示している。

図４から明らかなように、従来においてバリヤ層として用いていたＴｉ層単独の場合には、コーナエッチング比は７．６８にもなっていたが、本発明のバリヤ層の場合には、全てにおいてコーナエッチング比は”５”以下となって、好ましい結果を示している。コーナエッチング比に関して、具体的には、Ｚｒを５％混合したＴｉＺｒの場合には４．８６であり、Ｈｆを１０％混合したＴｉＨｆの場合には２．７２であり、Ｎｂを１０％混合したＴｉＮｂの場合には２．３２であり、Ｍｎを１０％混合したＴｉＭｎの場合には２．１６であり、Ｔａを５０％混合したＴｉＴａの場合には１．４０である。

このように、コーナエッチング比を５以下にするには、混合した金属のＴｉ合金全体に対する割合を５〜５０％の範囲内に設定すればよいことを確認することができた。また金属の混合の割合を５０％以上に多く設定すると、母材であるＴｉの物理的特性が失われてしまうので好ましくない。また、金属の混合の割合が５％よりも少ないと、コーナエッチング比を十分に低下させることができないので、好ましくない。
尚、前述したように、Ｔｉ金属母材に混合される金属としては、上記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｔａの他に、金属汚染を生じないことを条件に、他の遷移金属を用いてもよいのは勿論である。

＜実施例＞
次に、上記実施例の変形例について説明する。
図５は異なる材質の導電層や複数の薄膜よりなるバリヤ層の変形例を示す断面図である。上記実施例にあっては、凹部８に埋め込まれて配線される導電層１２として銅を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されない。図５（Ａ）に示すように、Ｔｉ合金膜８８よりなるバリヤ層１０上にＡｌ金属（アルミニウム合金を含む）やＷ金属（タングステン合金を含む）等を導電層１２として用いていもよい。

更に、上記実施例では、Ｔｉ合金膜８８の一層だけでバリヤ層１０を構成したが、これに限定されず、複数層でバリヤ層１０を構成してもよい。例えば図５（Ｂ）に示す場合には、下層のＴｉ合金膜８８と、この上に積層形成される上層のＴｉＮ膜（チタン窒化膜）９２とにより２層でバリヤ層１０を構成している。このＴｉＮ膜９２は、反応性スパッタリング（反応性ガスを導入する）や熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やプラズマＣＶＤにより形成することができる。

このように、バリヤ層１０を、Ｔｉ合金膜８８とＴｉＮ膜９２とよりなる２層構造にすることにより、各層間、或いは膜間の密着性を一層向上させることができる。この場合にも、導電層１２としてはＣｕ、Ａｌ、或いはこれらの合金を用いることができる。
また、図６は凹部の形状の変形例を示す図である。図６（Ａ）に示すように、ここでは絶縁層６に形成される凹部８は、細長い溝状のトレンチ８ｘと、このトレンチ８ｘの底部の一部に形成された穴状のホール８ｙとにより構成されており、このホール８ｙの底部に下層の配線層等の導電層４が露出して、この導電層４に対して電気的なコンタクトを図ることになる。このような２段構造をＤｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅの構造と称す。

このような構造の凹部８の場合にも、前述した本発明を適用することができる。例えば図６（Ｂ）に示すように、ホール８ｙ内の内面及びトレンチ８ｘの内面全体にＴｉ合金膜８８よりなるバリヤ層１０を形成し、更にこのバリヤ層１０上にプラズマスパッタリングによりＣｕ膜よりなるシード膜９０を形成し、更に、このシード膜９０上にメッキ処理によりＣｕ膜よりなる導電層１２を形成し、凹部８内全体を埋め込むと共に、配線層を形成することになる。尚、上記Ｃｕ膜に代えて、Ｃｕ合金膜や前述したＡｌ膜やＷ膜等を用いてもよいのは勿論である。

尚、本実施例では、上層と下層の配線層間の電気的なコンタクトを図る場合を主として例にとって説明したが、これに限定されず、例えばコンデンサ等の電極を保護する場合にも、本発明に係るバリヤ層を用いることができる。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明に係るプラズマ成膜装置の一例を示す断面図である。 本発明に係るバリヤ層の形成方法を含む凹部の埋め込み工程を示す図である。 リスパッタ工程を説明する図である。 Ｔｉ母材に各種の遷移金属を混合してなるＴｉ合金膜をバリヤ層として用いた時のコーナエッチング比を示すグラフである。 異なる材質の導電層や複数の薄膜よりなるバリヤ層の変形例を示す断面図である。 凹部の形状の変形例を示す図である。 半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み状態を示す断面図である。 表面に凹部を有する半導体ウエハの表面にＴｉ膜が形成される時の状態を示す断面図である。 図８中の凹部の開口部を示す拡大図である。

符号の説明

２ 半導体ウエハ（被処理体）
４ 導電層（配線層）
６ 絶縁層
８ 凹部
８ｘ トレンチ
８ｙ ホール
１０ バリヤ層
１２ 導電層
２２ プラズマ成膜装置
２４ 処理容器
３４ 載置台
５４ バイアス電源
６２ プラズマ発生源
７０ 金属ターゲット
７２ 可変直流電源
７６ ガス導入口（ガス導入手段）
８０ 装置制御部
８８ Ｔｉ合金膜
９０ シード膜
９２ ＴｉＮ膜

Claims (6)

1. 真空引き可能になされた処理容器内で載置台上に被処理体を載置し、前記被処理体の表面に形成されている絶縁層上に、金属ターゲットより放出される金属粒子を堆積させてバリヤ層を形成するバリヤ層の形成方法において、
   前記金属ターゲットとして、Ｔｉ金属よりなる母材に、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔａ（タンタル）よりなる群から選択された１又は２以上の金属を合混してなる金属材料を用い、前記処理容器内にプラズマを形成しつつ前記金属ターゲットに放電用電力を供給すると共に前記載置台にバイアス電力を供給してスパッタリングにより前記被処理体の表面にＴｉ合金膜を形成する膜形成工程と、
   該膜形成工程の後に前記プラズマの形成用の電力の供給と前記バイアス電力の供給とを維持すると共に、前記金属ターゲットへの放電用電力の供給を遮断した状態で前記Ｔｉ合金膜をリスパッタリングするリスパッタリング工程と、
   を有することを特徴とするバリヤ層の形成方法。
2. 前記バリヤ層の一部は、前記絶縁層の一部に形成された凹部の底部を介して下層の他の導電層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のバリヤ層の形成方法。
3. 前記凹部は、ホール又はトレンチ（溝）であることを特徴とする請求項２記載のバリヤ層の形成方法。
4. 前記ホールの直径又は前記トレンチの幅は１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のバリヤ層の形成方法。
5. 前記混合した金属のＴｉ合金全体に対する割合は５〜５０％の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバリヤ層の形成方法。
6. 被処理体の表面の絶縁層上に、バリヤ層を形成するプラズマ成膜装置において、
   真空引き可能になされた処理容器と、
   被処理体を載置するための載置台と、
   前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、
   前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、
   Ｔｉ（チタン）金属よりなる母材に、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔａ（タンタル）よりなる群から選択された１又は２以上の金属を混合してなるＴｉ合金の金属ターゲットと、
   前記金属ターゲットへ放電用電力を供給するターゲット用の電源と、
   前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバリヤ層の形成方法を実行するように装置全体を制御する装置制御部と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ成膜装置。

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