JP5670085B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
内表面に被覆されたチタンが防着板の内表面と窒化チタンとの間の密着層として機能するようになる。そのため、窒化チタンの剥離によるパーティクルの発生が抑えられるようになる。しかしながら、こうした処理を施しても、膜の剥離を完全に抑制する事が出来ず、処理を繰り返して積層の回数が増えてくると、遂には密着効果よりストレスによる剥離効果が強くなり、パーティクルの発生に至る。そのため、密着膜(チタン膜)をより厚く形成するなどして処理の効果を高める事が一般的である。また、こうした処理は基板成膜に寄与しないため、実質的なターゲットの寿命を短くすることに加えて、その処理に要する時間が基板成膜の他に余計に必要となる。その結果、半導体装置の生産性の低下は免れ得ないこととなる。さらに防着板の内表面をチタンによって被覆するため、防着板の定期的な交換頻度も多くなる上、基板が載置されることになるステージ上にチタンを堆積させないために、ダミー用の基板が別途必要となってしまう。
請求項1に記載の発明は、2つの金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記2つの金属層を導電層上に積層する過程において、前記導電層上に第1金属層を形成し、前記第1金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該第1金属層の表面を含む前記第1金属層の厚さ方向の一部に第1金属化合物層を形成した後に、該第1金属化合物層上に中間金属層を形成し、該中間金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して前記中間金属層の表面を含む前記中間金属層の厚さ方向の一部に第2金属化合物層を形成し、前記第2金属化合物層の上に第2金属層を形成する、それを要旨とする。
ーションやエレクトロマイグレーション等の現象を抑える機能が求められる。そして金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属酸窒化物層のいずれかは、同現象を抑制する上で、不可欠な構成要素である。上記製造方法によれば、金属酸化物層、金属窒化物層、若しくは金属酸窒化物層が、(a)及び(b)のうち、(b)の表面処理により形成される。
(a)金属化合物層に対する酸化、窒化、及び酸窒化のいずれか一つの処理
(b)金属層に対する酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理
例えば酸素ガスを用いて生成したプラズマによる酸化処理、酸素ガスを用いた熱酸化処理、窒素ガスを用いて生成したプラズマによる窒化処理、酸素ガス及び窒素ガスを用いて生成したプラズマによる酸窒化処理、それらによって金属化合物層が形成される。そのため、反応性スパッタが用いられることなく、バリアメタル層が形成可能となる。それゆえに、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
場合には、上述した還元処理が必要とされるため、脱ガス処理を還元処理に代えることが可能である。反対に、上述した還元処理が実施されない場合、例えばリフロースパッタチャンバ13a,13bにおける成膜状態を個別に確認する際には、上述した還元処理を行うことなく、表面全体がシリコン酸化膜からなる基板Sが用いられるため、製造装置の運用上、このような脱ガス処理が必要になる。
配線の構造について以下に説明する。図2は、二種類の配線の構造を示す断面図であって、(a)は第1のスタック構造、(b)は第2のスタック構造の断面図である。なお、記憶部60aには、第1のスタック構造を形成するための工程フローに対応するシーケンスと、第2のスタック構造を形成するための工程フローに対応するシーケンスとが記憶されている。
化処理により、金属酸化物からなる第1金属化合物層Bn1が、第1金属層BMbの表面から所定の厚さに渡り形成される。なお、第1金属層BMbの表面に施される酸化としては、酸素雰囲気下で第1金属層BMbが加熱される熱酸化であってもよく、あるいは第1金属層BMbの表面が酸素プラズマに曝されるプラズマ酸化であってもよい。ただし、この酸化処理は、第1金属層BMbの全てが酸化されるものではなく、あくまで第1金属層BMbの表面を含む厚さ方向の一部が金属酸化物層になる処理である。
続いて、同表面処理チャンバ25では、酸素ガスと窒素ガスとからなる雰囲気、あるいは窒素ガスのみからなる雰囲気が形成されて、次のいずれかの表面処理が実施される(第2表面処理工程:ステップS14)。
・窒素ガス及び酸素ガスから生成されたプラズマによる酸窒化
・窒素ガスから生成されたプラズマによる窒化
この第2表面処理工程により、第1金属化合物層Bn1が、その表面から所定の厚さに渡り、窒化あるいは酸窒化されて、第1金属化合物層Bn1とは構成元素が互いに異なる第2金属化合物層Bn2が形成される。
からロードロックチャンバ12bに搬送されて、半導体装置の製造装置から搬出される。
・酸素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ酸化処理
・窒素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ窒化処理
・窒素ガス及び酸素ガスから生成されたプラズマによるプラズマ酸窒化処理
この第2表面処理工程により、中間金属層BMmには、その表面から所定の厚さに渡り、金属酸化物層、金属窒化物層、金属酸窒化物層のいずれかからなる第2金属化合物層Bn2が形成される。
酸窒化を施すようにしている(ステップS14、ステップS25)。そして、第1金属化合物層Bn1、及び第2金属化合物層Bn2の形成に際し、金属元素からなるターゲットを窒素ガスの雰囲気、又は酸素ガスの雰囲気でスパッタする反応性スパッタが用いられていない。そのため、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層BMの形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
[実施例]
表面がシリコン酸化物で覆われた12インチのシリコンウエハを基板Sとして用いて、シリコンウエハの表面に、銅を構成元素とする下地配線ML(導電層)を形成した。次いで、先の図3(a)及び図3(b)に示される工程フローのいずれかによりバリアメタル層BMと同様の積層膜を形成し、さらに上記ライナー層形成工程(ステップS17、ステップS28)と同様の条件にて、アルミニウムを構成元素とする導電層を形成して、実施例の試験用積層膜を得た。
[実施例1]
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
第1金属化合物層Bn1:酸化チタン層(3nm)
中間金属層BMm:チタン層
第2金属化合物層Bn2:酸化チタン層
中間金属層BMmと第2金属化合物層Bn2との総膜厚:3nm
第2金属層BMt:チタン層(3nm)
なお、各酸化チタン層はいずれもチタン層に熱酸化処理を施して形成した。実施例1から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
加熱処理後のシート抵抗値Rsp:0.132Ω/sq
シート抵抗の変化率:1.10。
[実施例2]
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
第1金属化合物層Bn1:酸化チタン層(3nm)
中間金属層BMm:チタン層(1〜3nm)
第2金属化合物層Bn2:窒化チタン層(1〜3nm)
第2金属層BMt:チタン層(3nm)
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、窒化チタン層は中間金属層BMmにプラズマ窒化処理を施して形成した。実施例2から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
加熱処理後のシート抵抗値Rsp:0.134Ω/sq
シート抵抗の変化率:1.12
[実施例3]
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
第1金属化合物層Bn1:酸化チタン層
第2金属化合物層Bn2:窒化チタン層
第1金属化合物層Bn1と第2金属化合物層Bn2との総膜厚:3nm
第2金属層BMt:チタン層(3nm)
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、窒化チタン層は該熱酸化処理によって形成された酸化チタン層にプラズマ窒化処理を施して形成した。実施例3から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
加熱処理後のシート抵抗値Rsp:0.194Ω/sq
シート抵抗の変化率:1.62
[実施例4]
バリアメタル層として以下の膜構造を用いた。
第1金属化合物層Bn1:酸化チタン層(3nm)
中間金属層BMm:チタン層(3nm)
第2金属化合物層Bn2:酸窒化チタン層(1〜3nm)
第2金属層BMt:チタン層(3nm)
なお、酸化チタン層は最下層のチタン層に熱酸化処理を施して形成し、酸窒化チタン層は中間金属層BMmにプラズマ酸窒化処理を施して形成した。実施例4から得たシート抵抗値及びその変化率を以下に示す。
加熱処理後のシート抵抗値:0.120Ω/sq
シート抵抗の変化率:1.00
[比較例]
実施例と同じく、表面がシリコン酸化物で覆われた12インチのシリコンウエハを基板Sとして用いて、シリコンウエハの表面に、銅を構成元素とする導電層を下地配線MLとして形成した。次いで、以下に示す膜構造のバリアメタル層を形成し、さらに上記ライナー層形成工程(ステップS17、ステップS28)と同様の条件にて、アルミニウムを構成元素とする導電層を形成して、比較例の試験用積層膜を得た。
なお、窒化チタン層は反応性スパッタにて形成した。
加熱処理後のシート抵抗値:0.180Ω/sq
シート抵抗の変化率:1.50
以上のように、2つのチタン化合物層の間にチタン層が介在する第2のスタック構造によれば、該チタン層が介在しない第1のスタック構造と比較して、バリア性が向上することが分った。つまり、新たに発明されたバリアメタル層の構造によれば、バリアメタル層を挟む一対の導電層における構成元素の相互拡散がより抑制されることが認められた。また、実施例1〜実施例4においては、反応性スパッタを用いることなく試験用積層膜を形成したことから、該試験用積層膜に認められたパーティクルを抑制することができた。なお、上述したようなバリア性やパーティクルの抑制効果は、金属層としてタンタル層を適用した場合にも同様に認められた。
(1)バリアメタル層BMの形成に際して、チタンあるいはタンタルからなる第1金属層BMbに対して酸化を施して第1金属化合物層Bn1を形成した。また、中間金属層BMm、第2金属層BMt、あるいは第1金属化合物層Bn1に対して酸化、窒化、あるいは酸窒化を施して第2金属化合物層Bn2を形成した。そして反応性スパッタを用いることなく、バリアメタル層BMを形成するようにした。これにより、パーティクル源となり得る反応性スパッタがバリアメタル層の形成に際して不要になる分、半導体装置の製造過程においてパーティクルの発生が抑制できるようになる。
,Bn2を成膜する製造方法と比較して、ライナー層SL及びバルク層PLにおいて、高い埋め込み性が得られるようになる。
・上記各処理における温度、時間等の条件は、処理対象等によって適宜変更可能である。
・絶縁層DLの下地となる導電層を銅からなる下地配線MLによって形成し、該絶縁層DLに形成された貫通孔に埋め込まれる導電層をアルミニウムによって形成するようにした。これに限らず、これら2つの導電層は同一の金属材料からなるようにしてもよい。また、導電層の形成材料としては、上記銅及びアルミニウムの他、タングステンや、これらの合金を採用することも可能である。さらには、絶縁層DLの下地となる導電層をシリコン基板の表層となるように構成してもよい。
施された処理とは異なる処理を同金属化合物層の表面に対して施す構成であればよく、下層となる金属層の成膜を含めて、これら一連の処理を繰り返す構成であってもよい。
Claims (5)
- 2つの金属層の間に金属化合物層が挟まれてなるバリアメタル層を有する半導体装置の製造方法であって、
チタン及びタンタルのいずれか一方の金属元素から構成されるターゲットを希ガスの雰囲気でスパッタして前記2つの金属層を導電層上に積層する過程において、
前記導電層上に第1金属層を形成し、前記第1金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して該第1金属層の表面を含む前記第1金属層の厚さ方向の一部に第1金属化合物層を形成した後に、該第1金属化合物層上に中間金属層を形成し、該中間金属層の表面に対して酸化、窒化、酸窒化のいずれか一つの処理を施して前記中間金属層の表面を含む前記中間金属層の厚さ方向の一部に第2金属化合物層を形成し、前記第2金属化合物層上に第2金属層を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
前記導電層上に絶縁膜を形成して前記導電層の一部を露出させる貫通孔を前記絶縁膜に形成した後に、前記貫通孔における内表面の全体に前記バリアメタル層を形成し、前記バリアメタル層で覆われた前記貫通孔内に他の導電層を埋め込む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸化する処理は、酸化の対象となる層を加熱しつつ該層の表面に酸素を供給する熱処理、又は酸化の対象となる層の表面に対して酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒化する処理は、窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸窒化する処理は、酸窒化の対象となる層の表面に窒素含有ガス及び酸素含有ガスのプラズマを供給するプラズマ処理である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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