JP4931173B2 - タンタル窒化物膜の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、タンタル窒化物膜の形成方法に関し、特に、ＣＶＤ法に従って配線膜用のバリア膜として有用なタンタル窒化物膜を形成する方法に関する。
近年、半導体分野の薄膜製造技術において微細加工の要求が加速しており、それに伴い様々な問題が生じている。
半導体デバイスにおける薄膜配線加工を例にあげれば、配線材料としては、抵抗率が小さい等の理由から銅の使用が主流化している。しかし、銅は、エッチングが困難であり、下地層の絶縁膜中に拡散しやすいという性質があるため、デバイスの信頼性が低下するという問題が生じている。
この問題を解決するために、従来、多層配線構造における多層間接続孔の内壁表面にＣＶＤ法等で金属薄膜(すなわち、導電性のバリア膜)を形成し、その上に銅薄膜を形成して配線層とすることにより、銅薄膜と下地層のシリコン酸化膜等の絶縁膜とが直接接触しないようにして、銅の拡散を防いでいた(例えば、特許文献１参照)。
この場合、上記多層配線化やパターンの微細化に伴い、アスペクト比の高い微細なコンタクトホールやトレンチ等を、薄いバリア膜で、ステップカバレッジ良く埋め込むことが要求されている。
特開２００２−２６１２４号公報(特許請求の範囲等)
上記従来技術の場合、Ｃｕ配線膜との密着性を確保しながらバリア膜として有用な低抵抗のタンタル窒化物(ＴａＮ)膜をＣＶＤ法により形成することは困難であるという問題がある。この問題を解決するためには、原料ガス中のアルキル基等の有機基を切断除去してＣ含有量を減らし、かつ、ＴａとＮとの結合を切断してＴａ／Ｎ組成比を高くすることの可能な成膜プロセスを開発することが必要になる。
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、ＣＶＤ法に従って、Ｃ、Ｎ含有量が低く、Ｔａ／Ｎ組成比が高く、また、配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)との密着性が確保されたバリア膜として有用な低抵抗タンタル窒化物膜を形成する方法を提供することにある。
本発明のタンタル窒化物膜の形成方法は、ＣＶＤ法に従って、成膜室に、タンタル元素(Ｔａ)の周りにＮ＝(Ｒ,Ｒ')(Ｒ及びＲ'は、炭素原子数１〜６個のアルキル基を示し、それぞれが同じ基であっても異なった基であってもよい)が配位した配位化合物からなる原料ガス及びＮＨ３ガスを同時に導入し、基板上で原料化合物を還元せしめ、還元化合物膜を形成してＮに結合しているＲ(Ｒ')基を一部切断除去し、次いでＨ原子含有ガスを導入して前記還元化合物膜と反応させて、還元化合物中のＴａ−Ｎ結合を切断し、かつ、残っているＮに結合しているＲ(Ｒ')基を切断除去し、タンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することを特徴とする。上記配位化合物中の炭素原子数が６を超えると、炭素が膜中に多く残存するという問題がある。
前記構成によれば、得られた膜中のＣ、Ｎ含有量が減少し、Ｔａ／Ｎ組成比が増大し、また、配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)との密着性が確保されたバリア膜として有用な低抵抗タンタル窒化物膜を形成することができる。
前記原料ガスは、ペンタジメチルアミノタンタル（ＰＤＭＡＴ）、tert-アミルイミドトリス(ジメチルアミド)タンタル（ＴＡＩＭＡＴＡ）、ペンタジエチルアミノタンタル（ＰＥＭＡＴ）、tert-ブチルイミドトリス（ジメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）、tert-ブチルイミドトリス（エチルメチルアミド）タンタル（ＴＢＴＥＭＴ）、Ｔａ(Ｎ(ＣＨ３)２)３(ＮＣＨ３ＣＨ２)２（ＤＥＭＡＴ）から選ばれた少なくとも一種の配位化合物のガスであることが望ましい。
前記Ｈ原子含有ガスは、Ｈ２、ＮＨ３、ＳｉＨ４から選ばれた少なくとも一種のガスであることが望ましい。
前記タンタル窒化物膜の形成方法によれば、膜中のタンタルと窒素との組成比がＴａ／Ｎ≧２．０を満足するタンタルリッチの低抵抗の薄膜が得られる。
本発明のタンタル窒化物膜の形成方法はまた、上記形成方法により得られたタンタル窒化物膜に対して、タンタルを主構成成分とするターゲットを用いるスパッタリングにより、タンタル粒子を入射させることを特徴とする。これにより、さらにタンタルリッチな、Ｔａ／Ｎ≧２．０を十分に満足するタンタル窒化物膜が形成され得る。
前記スパッタリングは、前記ターゲットに印加するＤＣパワーとＲＦパワーとを調整して、ＤＣパワーが低く、かつ、ＲＦパワーが高くなるようにして行われることが望ましい。
本発明によれば、ＣＶＤ法に従って、低いＣ、Ｎ含有量、かつ、高いＴａ／Ｎ組成比を有し、配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)との密着性が確保されたバリア膜として有用な低抵抗のタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することができるという効果を奏する。
また、本発明によれば、上記ＣＶＤ法により得られたタンタル窒化物膜に対して、スパッタ法等のＰＶＤ法によりタンタルを打ち込むことにより、さらにタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することができるという効果を奏する。
さらに、本発明によれば、上記バリア膜上に、優れた密着性と平滑性とを併せ持って、配線膜を形成できという効果を奏する。
本発明によれば、低いＣ、Ｎ含有量、高いＴａ／Ｎ組成比を有する低抵抗のタンタル窒化物膜は、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法に従って、成膜室である真空チャンバ内に載置された基板上で、上記タンタル含有配位化合物からなる原料ガスとＮＨ３ガスとを反応させることにより、基板上にＴａ−Ｎ−ＮＨｘの結合を有する還元化合物膜を形成させ、次いでこの還元化合物と、真空チャンバ内へ導入されたＨ原子含有ガスを熱やプラズマにより活性化して生成されたＨ２ガス又はＨＮ３ガス由来のＨラジカル、ＮＨ３ガス由来のＮＨｘラジカル等のラジカルとを反応させて形成される。
原料ガス、ＮＨ３ガス、Ｈ原子含有ガスとしては、上記したものをそのまま導入しても、Ｎ２ガスやＡｒガス等の不活性ガスと共に導入してもよい。これらの反応体の量に関しては、ＮＨ３ガスは、原料ガスに対して、例えば、原料ガス５ｓｃｃｍに対して１００〜１０００ｓｃｃｍ程度の流量で用い、また、Ｈ原子含有化合物ガスは、例えば、原料ガス５ｓｃｃｍに対して１００〜１０００ｓｃｃｍ(Ｈ２換算)の流量で用いることが望ましい。
上記二つの反応の温度は、反応が生じる温度であればよく、例えば、原料ガスとＮＨ３ガスとの還元反応では、一般に３００℃以下、好ましくは１５０〜３００℃、また、この還元反応の生成物とラジカルとの反応では、一般に３００℃以下、好ましくは１５０〜３００℃である。また、真空チャンバ内の圧力は最初の還元反応の場合１〜１００Ｐａ、次の成膜反応の場合１〜１００Ｐａであることが望ましい。
配位化合物は、上記したように、タンタル元素(Ｔａ)の周りにＮ＝(Ｒ,Ｒ')(Ｒ及びＲ'は、炭素原子数１〜６個のアルキル基を示し、それぞれが同じ基であっても異なった基であってもよい)が配位したものである。このアルキル基は、例えばメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル基であり、直鎖でも分岐したものでもよい。この配位化合物は、通常、Ｔａの周りに４つから５つのＮ−(Ｒ,Ｒ')が配位した化合物である。
上記本発明の方法は、ＣＶＤ法に従って、成膜室である真空チャンバ内に、例えば、原料ガスとＮＨ３ガスとを導入して還元反応を行ってＴａ−Ｎ−ＮＨｘ結合を有する還元化合物膜を形成し、次いで水素原子含有化合物ガスを導入して、熱又はプラズマにより生成されたラジカルと上記還元化合物とを反応せしめて、タンタル窒化物膜を形成してもよいし、また、その後このプロセスを所望の回数繰り返してもよいし、或いはまた、上記還元反応を所望の回数繰り返した後、ラジカルとの反応を行ってもよい。
本発明のタンタル窒化物の形成方法は、いわゆるＣＶＤ法を実施できる成膜装置であれば特に制約なく実施できる。例えば、図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置を使用して本発明方法を実施する場合の一実施の形態について、以下説明する。
図１に示すプラズマＣＶＤ装置は、成膜室である真空チャンバ１からなり、この真空チャンバの壁壁には真空排気系２を接続するための開口が設けられ、真空チャンバの上方部には真空チャンバと絶縁した状態で電極３が配置されている。この電極３に接続された高周波電源４が真空チャンバ１の外部に配置されており、電極に高周波電力を印加し、真空チャンバ内にプラズマを発生させることができるように構成されている。真空チャンバ１内には、その下方部にヒータ等の加熱手段５を内蔵する基板載置用ステージ６が、その基板載置面を電極面と互いに平行して対向するように配設されている。
電極３の内部には、ガス室７が設けられ、電極の基板載置用ステージ６に対向する面にはシャワーノズルとして機能する複数の孔８が開口され、この孔からガスを真空チャンバ内へ導入し、基板表面へ供給できるように構成されており、この電極はシャワープレートとして機能する。
ガス室７には、ガス導入系９の一端が接続され、このガス導入系の他端には原料ガスやＮＨ３ガスやＨ原子含有ガス等がそれぞれ充填された複数のガスボンベ(図示せず)が接続されている。この場合、ガス室７にガス導入系９が複数接続され、それぞれが、別個のガスボンベに接続されていてもよい。図示していないが、マスフローコントローラで各ガス流量を制御できるようになっている。
原料ガスは、原料ガス充填ガスボンベを用いて導入することもできるが、その他に、上記タンタル含有有機金属化合物を加熱保温された容器内に収容し、バブリングガスとしてのＡｒ等の不活性ガスをマスフローコントローラー等を介して容器内に供給して原料を昇華させ、このバブリングガスと共に原料ガスを真空チャンバ内へ導入するようにしてもよいし、気化器等を介して気化された原料ガスを真空チャンバ内へ導入してもよい。
図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置を用い、本発明のタンタル窒化物形成方法を実施するプロセスの一実施の形態は、以下の通りである。
まず、真空排気系２により、真空チャンバー１内を所定の圧力(例えば、１０−４〜１０−５Ｐａ)まで真空排気し、基板載置用ステージ６上に基板Ｓを載置した後、加熱手段５に通電して基板を所定の温度(例えば、１５０〜３００℃)に加熱する。次いで、ガス導入系９からガス室７へ原料ガスとＮＨ３ガスとを導入し、孔８から基板Ｓ表面に向かって供給する。この基板Ｓとしては、特に制限はないが、例えば、公知の下地密着層が絶縁層上に設けられたものであって、その表面が脱ガス等の前処理をしてあるものであってもよい。
真空チャンバ１内の圧力が所定の圧力で安定した後、高周波電源４から、周波数２７．１２ＭＨｚ、電力密度０．２Ｗ／ｃｍ２の高周波交流電圧を出力させる。この高周波電源からの交流電圧が電極３に印加されると、カソードとして機能するように構成されている電極３とアノードとして機能するように構成されている基板ホルダー６上に載置された基板Ｓ表面との間に原料ガスとＮＨ３ガス又はＮＨｘラジカル(例えば、ＮＨ３ガス)とのプラズマが発生する。このプラズマ中で原料ガス及びＮＨ３ガスのラジカルが生成され、基板Ｓ表面上で還元反応が起こり、Ｔａ−Ｎ−ＮＨ３結合を有する還元化合膜が形成される。所定の膜厚を有する還元化合物膜が形成されたら、高周波電源４の動作を停止し、原料ガスとＮＨ３ガスとの導入を停止する。
次いで、真空チャンバー１内へガス導入系９を介してＨ原子含有ガスを導入して活性化する。すなわち、上記したようにして、チャンバー内にプラズマを発生せしめ、このプラズマ中で発生したラジカルを、上記したようにして形成した還元化合物膜の表面に入射して反応せしめ、この還元化合物膜中のＴａ−Ｎ結合を切断除去し、かつ、残っているＮに結合した残りのＲ(Ｒ')基を切断除去し、タンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成する。所定の膜厚を有するタンタル窒化物膜が形成されたら、高周波電源４の動作を停止し、Ｈ原子含有ガスの導入を停止し、基板Ｓを真空チャンバー１外へ搬出する。
上記したようにして形成されたタンタル窒化物膜について、ＡＥＳによって分析したところ、Ｃ５％以下、Ｎ３３〜３５％、Ｔａ／Ｎ＝１．９〜２．０であり、比抵抗は６００μΩ・ｃｍ以下であった。
上記したように、プラズマＣＶＤ法では、ＮＨ３ガスやＨ原子含有ガス等の反応ガスがプラズマ中で活性化されるので、比較的低温でも薄膜を形成することができる。また、熱ＣＶＤ法によっても、公知のプロセス条件で上記と同じタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することができる。
上記したようにして所望の膜厚を有するタンタル窒化物膜が形成された基板に対して、例えば、公知のスパッタ成膜法に従って、Ａｒ等のスパッタリングガスを用い、ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記タンタル窒化物膜の表面に金属薄膜、すなわち配線膜側密着層(バリア膜側下地層)を形成させてもよい。
以上の工程を経て基板Ｓ上に積層膜が形成され、次いで、上記配線膜側密着層の上に、公知の方法により配線膜(例えば、Ｃｕ配線膜)を形成する。
ところで、本発明のタンタル窒化物形成方法では、このバリア膜が形成される前に、基板Ｓ表面に吸着しているガス等の不純物を除去する公知の脱ガス処理を行うことが必要であり、また、この基板上にバリア膜を形成した後に、最終的に例えばＣｕからなる配線膜が形成される。そのため、この成膜装置を、真空排気可能な搬送室を介して、少なくとも脱ガス室及び配線膜形成室に接続して、基板が搬送用ロボットによって搬送室から成膜装置と脱ガス室と配線膜形成室との間を搬送できるように構成された複合型配線膜形成装置とすれば、前処理から配線膜形成までの一連の工程をこの装置で実施できる。
上記したようにして形成されたタンタル窒化物膜に対して、スパッタリング法等のＰＶＤ法によりタンタル粒子を打ち込んで、さらにタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することもできる。例えば、真空チャンバの上方で、基板ホルダーに対向する位置にターゲットが設置されている公知のスパッタリング装置を用いて実施できる。
このようなスパッタリング装置の場合、ターゲットには、その表面をスパッタリングし、ターゲット構成物質の粒子を放出させるプラズマを発生させるための電圧印加装置が接続されている。ここで用いるターゲットは、上記原料ガスに含まれる金属の構成元素(Ｔａ)を主成分とするもので構成されており、また、電圧印加装置は、高周波発生装置と、ターゲットに接続された電極とから構成されている。スパッタリングガスは、公知の不活性ガス、例えばアルゴンガス、キセノンガス等であればよい。
上記のようにして得られたタンタル窒化物膜であるバリア膜の形成された基板Ｓをスパッタ室内に載置した後に、スパッタ室内へＡｒ等の不活性ガスを導入して放電させ、原料ガスの構成成分であるタンタルを主構成成分とするターゲットをスパッタリングし、基板上に形成された薄膜中にスパッタリング粒子であるタンタル粒子を入射させるようする。このように、スパッタリングによって、ターゲットから基板表面の薄膜中にタンタルを入射させることができるので、バリア膜中のタンタルの含有率をさらに増加せしめることができ、所望の低抵抗のタンタルリッチのタンタル窒化物膜を得ることができる。なお、原料ガスが有機タンタル化合物であるので、上記スパッタリングによって構成元素(タンタル)が基板の表面に入射することにより、分解が促進されてＣやＮ等の不純物がバリア膜からはじき出されて、不純物の少ない低抵抗のバリア膜を得ることができる。
このスパッタリングは、タンタル粒子をタンタル窒化物膜中に打ち込んで、ＣやＮをスパッタ除去し、この膜の改質を行うために行われるのであって、タンタル膜を積層するのではないので、タンタル膜が形成されない条件、すなわちタンタル粒子によるエッチングができる条件で行うことが必要である。そのため、例えば、ＤＣパワーとＲＦパワーとを調整して、ＤＣパワーが低く、かつ、ＲＦパワーが高くなるようにする必要がある。例えば、ＤＣパワーを５ｋＷ以下に設定し、ＲＦパワーを高く、例えば４００〜８００Ｗとすることで、タンタル膜が形成されない条件が達成できる。ＲＦパワーはＤＣパワーに依存するので、ＤＣパワーとＲＦパワーを適宜調整することにより、膜の改質程度を調整できる。また、スパッタリング温度は、通常のスパッタリング温度でよく、例えばタンタル窒化物膜の形成温度と同一温度でよい。
上記したようにして所望の膜厚を有するバリア膜が形成された基板Ｓに対して、例えば、公知のスパッタ成膜法に従って、Ａｒ等のスパッタリングガスを導入し、電圧印加装置からターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記バリア膜の表面に金属薄膜、すなわち配線膜側密着層(バリア膜側下地層)を形成させてもよい。
以上の工程を経て基板Ｓ上に積層膜が形成され、次いで、上記配線膜側密着層の上に、公知の方法で配線膜を形成する。
図２は、図１に示す成膜装置を備えた複合型配線膜形成装置の構成図を模式的に示す。
この複合型配線膜形成装置１００は、前処理部１０１と成膜処理部１０３とこれらをつなぐ中継部１０２とから構成されている。いずれも、処理を行う前には、内部を真空雰囲気にしておく。
まず、前処理部１０１では、搬入室１０１ａに配置された処理前基板を前処理部側搬出入ロボット１０１ｂによって脱ガス室１０１ｃに搬入する。この脱ガス室１０１ｃで処理前基板を加熱し、表面の水分等を蒸発させて脱ガス処理を行う。次に、この脱ガス処理された基板を搬出入ロボット１０１ｂによって還元処理室１０１ｄに搬入する。この還元処理室１０１ｄ内では、上記基板を加熱して水素ガス等の還元性ガスによって下層配線のメタル酸化物を除去するアニール処理を行う。
アニール処理の終了後、搬出入ロボット１０１ｂによって還元処理室１０１ｄから上記基板を取り出し、中継部１０２に搬入する。搬入された基板は、中継部１０２で成膜処理部１０３の成膜処理部側搬出入ロボット１０３ａに受け渡される。
受け渡された上記基板は、搬出入ロボット１０３ａによって成膜室１０３ｂに搬入される。この成膜室１０３ｂは、上記成膜装置１に相当する。成膜室１０３ｂでバリア膜及び密着層が形成された積層膜は、搬出入ロボット１０３ａによって成膜室１０３ｂから搬出され、配線膜室１０３ｃに搬入される。ここで、上記バリア膜(バリア膜上に密着層が形成されている場合は、密着層)の上に配線膜が形成される。配線膜が形成された後、この基板を搬出入ロボット１０３ａによって配線膜室１０３ｃから搬出室１０３ｄに移動し、搬出する。
以上の通り、上記バリア膜形成の前後の工程、すなわち、脱ガス工程と配線膜形成工程とを一連で行う上記複合型配線膜形成装置１００の構成をとれば、作業効率が向上する。
なお、上記複合型配線膜形成装置１００の構成は、前処理部１０１に脱ガス室１０１ｃと還元処理室１０１ｄとを各々１室ずつ設け、成膜処理部１０３に成膜室１０３ｂと配線膜室１０３ｃとを各々１室ずつ設けたが、この構成に限定されるものではない。
従って、例えば、前処理部１０１及び成膜処理部１０３の形状を多角形状にし、各々の面に上記脱ガス室１０１ｃ及び還元処理室１０１、並びに成膜室１０３ｂ及び配線膜室１０３ｃを複数個設ければ、さらに処理能力は向上する。
本実施例では、図１に示す成膜装置を用い、原料ガスとしてペンタジメチルアミノタンタル(ＭＯ)ガス、ＮＨ３ガス及びＨ原子含有ガスとしてＮＨ３ガスを用いてタンタル窒化物膜を形成した。
公知の方法に従って、ＳｉＯ２絶縁膜を有する基板Ｓの表面の脱ガス前処理工程を実施した後、真空排気系２によって１０−５Ｐａ以下に真空排気された真空チャンバ１内に基板Ｓを搬入した。この基板としては、特に制限はないが、例えば、通常のスパッタ成膜法に従って、Ａｒスパッタリングガスを用い、Ｔａを主構成成分として有するターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして表面に基板側密着層を形成させた基板を用いてもよい。
真空チャンバ１内に基板Ｓを搬入し、基板載置用ステージ６上に基板Ｓを載置した後、この基板をヒーター５で２５０℃に加熱し、ガス導入系９からガス室７へ上記原料ガスを５ｓｃｃｍ、上記ＮＨ３ガスを１００ｓｃｃｍ導入し、孔８から基板Ｓ表面に向かって供給した。
真空チャンバ１内の圧力が所定の圧力で安定した後、高周波電源４から、周波数２７．１２ＭＨｚ、電力密度０．２Ｗ／ｃｍ２の高周波交流電圧を出力させると、電極３と基板Ｓ表面との間に原料ガスとＮＨ３ガスとのプラズマが発生した。このプラズマ中で原料ガス及びＮＨ３ガスのラジカルを生成せしめて、基板Ｓ表面上での酸化反応によって、Ｔａ−Ｎ−ＮＨ３結合を有する還元化合物膜を形成した。所定の膜厚を有する還元化合物膜を形成した後、高周波電源４の動作を停止し、原料ガスと窒素、水素原子含有ガスとの導入を停止した。
次いで、真空チャンバー１内へガス導入系９を介して上記Ｈ原子含有ガスを導入し、上記したようにして、チャンバー内にプラズマを発生せしめ、このプラズマ中で発生したラジカルを、上記したようにして形成した還元化合物膜の表面に入射して反応せしめた。この反応により、この還元化合物膜中のＴａ−Ｎ結合が切断除去され、かつ、残っているＮに結合したＲ(Ｒ')基が切断除去された。その結果、タンタルリッチのタンタル窒化物膜が形成された。所定の膜厚を有するタンタル窒化物膜を形成した後、高周波電源４の動作を停止し、Ｈ原子含有ガスの導入を停止し、基板Ｓを真空チャンバー１外へ搬出した。
かくして得られたバリア膜の組成は、Ｔａ／Ｎ＝１．９であり、Ｃ含有量は５％以下であり、Ｎ含有量は３５％であった。
なお、比較のために、上記原料ガス(ＭＯガス)とＮＨ３ガスとを用いた場合、及び上記原料ガスと反応ガス(Ｈラジカル)とを用いた場合について、上記方法に準じて成膜した。
上記方法で得られたそれぞれの薄膜について、比抵抗ρ(μΩ・ｃｍ)を算出した。この比抵抗は、４探針プローブ法でシート抵抗(Ｒｓ)を測定し、ＳＥＭで膜厚(Ｔ)を測定して、式：ρ＝Ｒｓ・Ｔに基づいて算出したものである。
原料ガス(ＭＯガス)をＮＨ３ガスで還元した後にＨ原子含有ガス(Ｈラジカル)を流して成膜した場合には、ＭＯガスとＨラジカルとを用いて成膜した場合(２０００μΩ・ｃｍ)及びＭＯガスとＮＨ３ガスとを用いて成膜した場合(５０００μΩ・ｃｍ)よりも低い比抵抗(６００μΩ・ｃｍ)が得られた。
これは、ＭＯガスとＨラジカルとの成膜では反応で十分にＲ(アルキル基)、すなわちＣが除去できず、比抵抗が下がらないこと、また、ＭＯガスとＮＨ３ガスとの成膜では、Ｔａリッチの膜が出来にくいことを示すものと考えられる。
一方、ＭＯガスとＮＨ３ガスとＨ原子含有ガスとを用いた成膜では、上記したように、まずＮＨ３により原料ガスのＴａ−Ｎの結合が一部切断され、次いでＨラジカルの供給により高抵抗の還元化合物におけるＴａ−Ｎ結合が切断されて、残っているＲ,Ｒ'基(アルキル基)が除去されることにより、Ｃ、Ｎの含有割合が減少し、その結果、形成された膜組成がタンタルリッチとなり、膜の比抵抗が下がったことを示しているものと考えられる。
上記したようにして所望の膜厚を有するバリア膜が得られた基板に対し、例えば、公知の方法に従って、Ａｒスパッタリングガスを用い、ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記バリア膜の表面に金属薄膜、すなわち下地層としての配線膜側密着層を形成させてもよい。
以上の工程を経て積層膜が形成された基板Ｓ上に、すなわち上記バリア膜側密着層の上に、公知のプロセス条件に従ってＣｕ配線膜を形成した。各膜同士の接着性は優れていることが確認された。
本実施例では、実施例１で得られたタンタル窒化物膜に対して、公知のスパッタ装置を用いて、スパッタリングによりタンタル粒子を打ち込んで、さらにタンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成した。
スパッタ装置内にＡｒスパッタリングガスを導入し、電圧印加装置からターゲットに電圧を印加して放電させて、プラズマを発生させ、タンタルを主構成成分とするターゲットをスパッタリングし、基板Ｓ上に形成された薄膜中にスパッタリング粒子であるタンタル粒子を入射させるようにした。このスパッタリング条件は、ＤＣパワー：５ｋＷ、ＲＦパワー：６００Ｗとした。また、スパッタリング温度は、−３０〜１５０℃で行った。
上記タンタル粒子を打ち込むスパッタリングにより、バリア膜中のタンタルの含有率をさらに増加せしめることができ、所望の低抵抗のタンタルリッチのタンタル窒化物膜を得ることができた。なお、タンタルが基板Ｓの表面薄膜中に入射することにより、薄膜の分解が促進されてＣやＮ等の不純物が膜からはじき出されて、不純物の少ない低抵抗のバリア膜を得ることができた。かくして得られた薄膜は、Ｔａ／Ｎ＝３．５、Ｃ及びＮの含有量：Ｃ＝０．１％以下、Ｎ＝２２％、並びに得られた薄膜の比抵抗：９０μΩ・ｃｍであった。
上記のようにして所望の膜厚の改質タンタル窒化物膜が形成された後、例えば、Ａｒスパッタリングガスを導入し、公知のスパッタ成膜プロセス条件に従って電圧印加装置からターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして上記バリア膜の表面に金属薄膜、すなわち下地層としての配線膜側密着層を形成させてもよい。
以上の工程を経て積層膜が形成された基板Ｓ上に、すなわち上記配線膜側密着層の上に、公知のプロセス条件に従ってＣｕ配線膜を形成した。各膜同士の接着性は優れていることが確認された。
原料ガスとして、ペンタジメチルアミノタンタルの代わりにtert-アミルイミドトリス(ジメチルアミノ)タンタルを用いたこと以外は、実施例１に準じて成膜プロセスを実施したところ、タンタルリッチの低抵抗のタンタル窒化物膜が得られた。得られた膜において、Ｔａ／Ｎ＝１．８、Ｃ含有量５％、Ｎ含有量３５．７％、並びに得られた薄膜の比抵抗は７００μΩ・ｃｍであった。
Ｈラジカルを生成する反応ガスとして、Ｈ２ガスを用いたこと以外は、実施例１に準じて成膜プロセスを実施したところ、実施例１と同様な結果が得られた。
本発明によれば、ＣＶＤ法に従って、Ｃ、Ｎ含有量が低く、Ｔａ／Ｎ組成比が高く、Ｃｕ膜との密着性が確保されるバリア膜として有用な低抵抗のタンタル窒化物膜を形成することができる。そのため、本発明は、半導体デバイス分野の薄膜形成プロセスに適用可能である。
本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を模式的に示す構成図。 本発明の成膜方法を実施するための成膜装置を組み込んだ複合型配線膜形成装置の模式的構成図。
符号の説明
１ 真空チャンバ ２ 真空排気系
３ 電極 ４ 高周波電源
５ 加熱手段 ６ 基板載置用ステージ
７ ガス室 ８ 孔
９ ガス導入系 Ｓ 基板

Claims (7)

  1. ＣＶＤ法に従って、成膜室に、タンタル元素(Ｔａ)の周りにＮ＝(Ｒ,Ｒ')(Ｒ及びＲ'は、炭素原子数１〜６個のアルキル基を示し、それぞれが同じ基であっても異なった基であってもよい)が配位した配位化合物からなる原料ガス及びＮＨ３ガスを同時に導入し、基板上で原料化合物を還元せしめ、還元化合物膜を形成してＮに結合しているＲ(Ｒ')基を一部切断除去し、次いでＨ原子含有ガスを導入して前記還元化合物膜と反応させて、還元化合物中のＴａ−Ｎ結合を切断し、かつ、残っているＮに結合しているＲ(Ｒ')基を切断除去し、タンタルリッチのタンタル窒化物膜を形成することを特徴とするタンタル窒化物膜の形成方法。
  2. 前記原料ガスが、ペンタジメチルアミノタンタル、tert-アミルイミドトリス(ジメチルアミド)タンタル、ペンタジエチルアミノタンタル、tert-ブチルイミドトリス（ジメチルアミド）タンタル、tert-ブチルイミドトリス（エチルメチルアミド）タンタル、Ｔａ(Ｎ(ＣＨ３)２)３(ＮＣＨ３ＣＨ２) ２ から選ばれた少なくとも一種の配位化合物のガスであることを特徴とする請求項１記載のタンタル窒化物膜の形成方法。
  3. 前記Ｈ原子含有ガスが、Ｈ２、ＮＨ３、ＳｉＨ４から選ばれた少なくとも一種のガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のタンタル窒化物膜の形成方法。
  4. 前記タンタル窒化物膜において、タンタルと窒素との組成比が、Ｔａ／Ｎ≧２．０を満足する膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のタンタル窒化物膜の形成方法。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の形成方法により得られたタンタル窒化物膜に対して、タンタルを主構成成分とするターゲットを用いるスパッタリングにより、タンタル粒子を入射させることを特徴とするタンタル窒化物膜の形成方法。
  6. 前記スパッタリングが、前記ターゲットに印加するＤＣパワーとＲＦパワーとを調整して、ＤＣパワーが低く、かつ、ＲＦパワーが高くなるようにして行われることを特徴とする請求項５記載のタンタル窒化物膜の形成方法。
  7. 前記タンタル粒子を入射させたタンタル窒化物膜において、タンタルと窒素との組成比が、Ｔａ／Ｎ≧２．０を満足する膜であることを特徴とする請求項５又は６に記載のタンタル窒化物膜の形成方法。
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