JPH08172059A

JPH08172059A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH08172059A
Application number: JP1477795A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Hoshino; 和弘星野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-10-19
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-07-02

Abstract

(57)【要約】【構成】枚葉式スパッタリング装置の成膜チャンバ内
で共通の高融点金属よりなるターゲットを用いて３層構
造のバリヤメタルを連続成膜するに際し、１層目の薄膜
１５と３層目の薄膜１７を高融点金属膜、２層目の薄膜
１６を高融点金属化合物膜として成膜する。即ち、２層
目の薄膜１６の成膜時に化合物化したターゲットを、３
層目の薄膜１７の成膜時に清浄化してから、次のウェハ
に対する１層目の薄膜１５の成膜を行う。高融点金属化
合物膜としては、各種高融点金属の窒化物、炭化物、硼
化物、酸窒化物が使用できる。【効果】１層目の薄膜１５が常に清浄なターゲットに
て成膜されるため、ウェハ間で膜質が均一化され、Ｓｉ
基板とバリヤメタルの界面におけるコンタクト抵抗を低
減できる。また、同一チャンバ内で連続成膜するため、
スループットの向上、クリーンルームの省スペース化を
達成でき、コストも削減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、枚葉式スパッタリング
装置を用いて複数の薄膜を連続成膜する半導体装置の製
造方法に関し、特に、高融点金属膜および高融点金属化
合物膜よりなる下地層を膜質安定性よく、低コスト、高
スループットにて成膜する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置において最も広く用いられて
いる配線材料はアルミニウム（Ａｌ）系材料である。し
かし、Ａｌはシリコン（Ｓｉ）基板上に直接形成される
と、Ｓｉ基板との合金化反応で接合の破壊及び劣化を招
いてしまうため、Ｓｉ基板とＡｌ系材料層との間には、
バリアメタルとして機能する下地層を挿入することが一
般的に行われている。

【０００３】また、半導体装置の微細化に伴い、接続孔
のアスペクト比が上昇し、デザインルールが０．２５μ
ｍのデバイスにおいては、アスペクト比が２を越えるま
でになってきている。アスペクト比の上昇は、接続孔内
にＡｌ系材料を十分に埋め込むことを困難なものとする
ため、上記の下地層は、接続孔へのＡｌ系材料の埋め込
みを良好にする反応層や密着層としての役割も担うよう
になってきている。このため、Ｓｉ基板とのコンタクト
をとるための接続孔（コンタクト・ホール）のみなら
ず、Ａｌ系材料等よりなる下層配線とのコンタクトをと
るための接続孔（ビア・ホール）にＡｌ系材料を埋め込
むに際しても、予め下地層を形成しておくことが行われ
ている。

【０００４】微細な接続孔への配線材料の埋め込み方法
としては、タングステンの選択成長や、ブランケットタ
ングステン法等によりタングステンプラグを形成する方
法が適用されるようになってきている。しかしながら、
下地層上にＡｌ系材料を埋め込む方法は、低コストで、
工程も簡便であることから、製造するデバイスの品種や
プロセスによっては、今後もこの方法が選択されてゆく
と思われる。

【０００５】Ａｌ系材料の下地層としては、チタン（Ｔ
ｉ）膜上に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を積層した２層構造
のものが代表的である。このような構造とすると、Ｓｉ
基板や下層配線層との低抵抗のオーミック・コンタクト
を達成しつつ、バリアメタルとして、あるいは反応層や
密着層として機能させることができるからである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、下地層の２
層目を構成するＴｉＮ膜は、Ｎ₂を含むガスでＴｉター
ゲットをスパッタする、いわゆる反応性スパッタリング
によって成膜するのが一般的である。このため、下地層
の１層目を構成するＴｉ膜をスパッタリング法によって
成膜後、導入するガスを切り替えることによって、同一
のチャンバ内で連続的に下地層の２層目を構成するＴｉ
Ｎ膜を成膜することも可能である。また、近年では、Ｔ
ｉＮ膜が反射防止膜としても用いられていることから、
下地層上にＡｌ系材料層を形成後、下地層を成膜したと
同一のチャンバ内で、反射防止膜用のＴｉＮ膜を成膜す
ることも可能である。

【０００７】しかしながら、枚葉式スパッタ装置の成膜
チャンバ内で、あるウェハに対してＴｉ膜とＴｉＮ膜と
を成膜すると、ＴｉＮ膜の成膜後にはＴｉターゲットの
表面が窒化してしまうため、次のウェハに対してＴｉ膜
を成膜する際、このＴｉ膜に窒素が混入してしまうこと
となる。また、Ｔｉターゲットの窒化の度合によって、
該Ｔｉ膜の膜質が不均一化するため、コンタクト抵抗等
の特性もウェハ間でばらつくことになる。

【０００８】このように、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜とを同一の
チャンバ内で成膜することは実際には困難であるため、
一般的には、マルチチャンバ装置における別チャンバで
Ｔｉ膜とＴｉＮ膜とをそれぞれ成膜している。しかし、
このように別チャンバで成膜すれば、チャンバを２つ必
要とする分、装置のコストが上昇し、クリーンルームに
おける占有面積も増大する。また、チャンバ間のウェハ
の搬送が必要となる分、スループットを低下させること
にもなる。

【０００９】そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑み
て提案されたものであり、膜質が安定化された下地層を
同一チャンバ内にて成膜可能とする半導体装置の製造方
法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の製造方法は、上述の目的を達成するために提案された
ものである。即ち、枚葉式スパッタリング装置の成膜チ
ャンバ内で共通のターゲットを用いてスパッタリングお
よび反応性スパッタリングを行うことにより、基体上に
複数の薄膜を連続成膜する半導体装置の製造方法におい
て、前記複数の薄膜のうち、最下層の薄膜と最上層の薄
膜との種類を同一とするものである。

【００１１】なお、ここで前記最下層の薄膜とは、ある
基体に対して共通チャンバ内で連続成膜される複数の薄
膜のうち最初に成膜される薄膜のことであり、前記最上
層の薄膜とは、同様に上記複数の薄膜のうち最後に成膜
される薄膜のことである。

【００１２】前記基体は、Ｓｉ基板上の絶縁膜に接続孔
（コンタクト・ホール）が開口されてなるものであって
好適であり、少なくとも該コンタクト・ホールの底部に
前記複数の薄膜を下地層として成膜して好適である。即
ち、前記複数の薄膜をバリアメタルとして用いて好適で
ある。

【００１３】または、前記基体は、下層配線上の絶縁膜
に接続孔（ビア・ホール）が開口されてなるものであっ
てもよい。即ち、前記複数の薄膜を反応層あるいは密着
層といった下地層として成膜してもよい。なお、該ビア
・ホールの底部には、下層配線が露出していてもよい
が、該下層配線の表面にそのパターニングに用いた反射
防止膜が残存している場合には、この反射防止膜が露出
していてもよい。

【００１４】ところで、上述のような下地層を、最下層
の薄膜と最上層の薄膜との種類が同一となるように形成
するには、高融点金属膜上に高融点金属化合物膜が積層
された従来の下地膜の上に、最上層の薄膜として最下層
の薄膜と同じ高融点金属膜を積層すればよい。これに
は、共通のターゲットを高融点金属より構成し、最下層
の薄膜と最上層の薄膜として高融点金属膜をスパッタリ
ングにより成膜し、他の薄膜として高融点金属化合物膜
を反応性スパッタリングにより成膜すればよい。

【００１５】例えば、３層構造の下地層を形成する場
合、所望の高融点金属よりなるターゲットを用い、先
ず、最下層（１層目）の薄膜となる高融点金属膜をスパ
ッタリングによって成膜した後、スパッタガスを所望の
導入元素を含むガスに切り替えて反応性スパッタリング
を行い、２層目の薄膜となる高融点金属化合物膜を成膜
し、その後、スパッタガスを再び１層目の薄膜の成膜時
と同様なものに切り替えて、スパッタリングを行って最
上層（３層目）の薄膜となる高融点金属膜を成膜すれば
よい。なお、下地層は３層構造に限られず、最下層の薄
膜と最上層の薄膜が高融点金属膜であれば、その間に成
膜される薄膜は、２層以上の高融点金属化合物膜より構
成されてもよいし、高融点金属化合物膜間に高融点金属
膜が挟み込まれた構成となされてもよい。

【００１６】このように最下層に高融点金属膜が形成さ
れた下地層は、Ｓｉ基板あるいはＡｌ系材料よりなる下
層配線との優れたオーミック・コンタクトが達成できる
ものとなる。

【００１７】下地層を最下層の薄膜と最上層の薄膜との
種類が同一となるように形成するために、高融点金属膜
上に高融点金属化合物膜が積層された従来の下地膜のさ
らに下層側に、最下層の薄膜として最上層の薄膜と同じ
高融点金属化合物膜を設けてもよい。これには、共通の
ターゲットを高融点金属より構成し、最下層の薄膜と最
上層の薄膜として高融点金属化合物膜を反応性スパッタ
リングにより成膜し、他の薄膜として高融点金属膜をス
パッタリングにより成膜すればよい。

【００１８】例えば、３層構造の下地層を形成する場
合、所望の高融点金属よりなるターゲットを用い、１層
目の薄膜および３層目の薄膜の成膜時には、スパッタガ
スとして所望の導入元素を含むガスを用いて反応性スパ
ッタリングを行い、２層目の薄膜の成膜時には、前記の
導入元素を含まないスパッタガスを用いてスパッタリン
グを行えばよい。但し、下地層は３層構造に限られず、
最下層の薄膜と最上層の薄膜が高融点金属化合物膜であ
れば、その間に成膜される薄膜は、２層以上の高融点金
属膜より構成されてもよいし、高融点金属膜間に高融点
金属化合物膜が挟み込まれた構成となされてもよい。

【００１９】なお、上述の下地層上に配線材料層を被着
形成し、この上に反射防止膜を設ける場合には、下地層
の成膜を行ったと同一のチャンバ内で、反射防止膜とし
て上述の下地層における最下層および最上層の薄膜と同
様にして高融点金属化合物膜を成膜してもよい。

【００２０】２枚目以降の基体に対する最下層の薄膜の
成膜は、前の基体に対する高融点金属化合物膜の成膜に
よって所定の比率で化合物化したターゲットを用いるこ
ととなるが、チャンバ内で最初に処理する基体に対して
は、予めダミーの基体に対して所定の成膜条件にて高融
点金属化合物膜を成膜し、ターゲット表面を化合物化し
ておいてから、１層目の薄膜の成膜を行うことが好まし
い。

【００２１】上述のように最下層に高融点金属化合物膜
が形成された下地層は、下層配線上に残存した反射防止
膜等、高融点金属化合物膜よりなる下地とのオーミック
・コンタクトに優れたものとなる。なお、所望の導入元
素を含むガスの流量比等の条件を適正化することによっ
て、最下層の高融点金属化合物膜を、Ｓｉ基板あるいは
Ａｌ系材料よりなる下層配線に対するオーミック・コン
タクトが確保された薄膜とすることも可能である。

【００２２】ここで、前述したいずれの構造の下地層に
おいても、高融点金属化合物膜は、高融点金属の窒化物
膜、酸窒化物膜、炭化物膜、硼化物膜のいずれかであっ
て好適である。また、高融点金属としては、Ｔｉの他、
タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウ
ム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）が使用できる。

【００２３】なお、高融点金属窒化物膜は、スパッタガ
スにＮ₂ガス等Ｎ原子を含むガスを混入して成膜すれば
よく、同じく酸窒化膜は、Ｎ₂ガスとＯ₂ガスとの混合
ガスや、ＮＯガス、ＮＯ₂ガス等、Ｎ原子とＯ原子の両
者を含むガスを混入して成膜すればよい。また、炭化物
膜は、スパッタガスにＣＨ₄ガス等、Ｃ原子を含むガス
を混入して成膜し、硼化物膜は、スパッタガスにＢＨ₄
ガス等、Ｂ原子を含むガスを混入して成膜すればよい。

【００２４】ところで、上述のような下地層上には、典
型的にはＡｌ系材料等よりなる配線材料層が被着形成さ
れる。なお、接続孔が微細化され、アスペクト比が高い
場合には、高温スパッタリング、高圧リフロー等のプロ
セスによって、接続孔を埋め込みながらＡｌ系材料層を
形成すればよい。

【００２５】

【作用】本発明を半導体装置の製造プロセスに適用し
て、例えば高融点金属膜／高融点金属化合物膜／高融点
金属膜なる３層構造の下地層を連続成膜すると、枚葉式
スパッタリング装置の成膜チャンバに搬入されるいずれ
の基体に対しても、１層目の薄膜の膜質を安定化させる
ことができる。

【００２６】これは、２層目の薄膜として高融点金属化
合物膜を成膜した際に高融点金属よりなるターゲットの
表面が化合物化されても、３層目の薄膜の成膜時に、こ
のターゲット表面に生成された化合物が除去され、該３
層目の薄膜の成膜後期にはターゲット表面に清浄な高融
点金属が露出した状態となるためである。即ち、次の基
体に対する１層目の薄膜は、成膜初期から清浄なターゲ
ットにて成膜でき、高融点金属の単体より構成できるか
らである。

【００２７】これにより、高融点金属膜と高融点金属化
合物膜との２層構造であった従来の下地膜を成膜するに
は２つの成膜チャンバが必要であったのに対し、この上
にさらに高融点金属膜を積層して３層構造とすることに
よって、同一チャンバ内での連続成膜が可能となる。

【００２８】しかも、このように１層目の薄膜が高融点
金属の単体にて構成された下地層は、Ｓｉ基板やＡｌ系
材料よりなる下層配線とのコンタクト抵抗が低いものと
なる。

【００２９】また、本発明を半導体装置の製造プロセス
に適用して、高融点金属化合物膜／高融点金属膜／高融
点金属化合物膜なる３層構造の下地層を成膜する場合
も、枚葉式スパッタリング装置の成膜チャンバに搬入さ
れるいずれの基体にも１層目の薄膜を安定した膜質で成
膜することができる。

【００３０】これは、１層目の薄膜として高融点金属化
合物膜を成膜することによって化合物化されたターゲッ
ト表面が、２層目の薄膜として高融点金属膜を成膜する
ことによって清浄化されても、３層目の薄膜として高融
点金属化合物膜を成膜時には、このターゲット表面が再
び所定の比率で化合物化されるためである。即ち、次の
基体に対する１層目の薄膜は、成膜初期から高融点金属
と化合物との比率が安定したものとなるからである。

【００３１】これにより、高融点金属膜と高融点金属化
合物膜との２層構造であった従来の下地膜を成膜するに
は２つの成膜チャンバが必要であったのに対し、この下
にさらに高融点金属化合物膜が積層された構造とするこ
とによって、同一チャンバ内での連続成膜が可能とな
る。

【００３２】そして、このように１層目の薄膜が高融点
金属化合物膜である下地層は、下層配線表面に反射防止
膜等として用いられた高融点金属化合物膜が残存してい
る場合、この高融点金属化合物膜とのコンタクト抵抗が
低いものとなる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について図面
を参照しながら説明する。

【００３４】実施例１本実施例では、Ｓｉ基板上の層間絶縁膜に開口されたコ
ンタクト・ホールの少なくとも底部および側壁部に、高
融点金属膜／高融点金属化合物膜／高融点金属膜なる３
層構造の下地膜をバリアメタルとして形成する例につい
て説明する。

【００３５】ここでは、バリアメタルの成膜プロセスに
ついて説明するに先んじて、本実施例に用いた枚葉式の
マルチチャンバ装置について説明する。この装置は、図
１に示されるように、バリアメタル成膜用チャンバ１、
Ａｌ系材料層成膜用チャンバ２、前処理を行うプリベー
クチャンバ３、エッチングチャンバ４といった４つの処
理チャンバが組み合わされたものであり、前処理から、
バリアメタル成膜後のＡｌ系材料層の成膜、エッチバッ
クまでの工程を連続して行うものである。

【００３６】バリアメタル成膜用チャンバ１とＡｌ系材
料層成膜用チャンバ２は、ウェハ搬送室５に共通に接続
され、プリベークチャンバ３とエッチングチャンバ４
は、ウェハ搬送室６に共通に接続されている。該ウェハ
搬送室６は、ウェハカセットを有するローダ７、アンロ
ーダ８に接続すると共に、連結部９を介して上記ウェハ
搬送室５とも接続している。

【００３７】なお、上記バリアメタル成膜用チャンバ１
においては、この中に導入されるスパッタガスの切り替
えができるようになされているため、スパッタリングに
よる高融点金属膜の成膜も、反応性スパッタリングによ
る高融点金属化合物膜の成膜も、スパッタガスを切り替
えるのみで共通の高融点金属よりなるターゲットを用い
て連続的に成膜することができる。

【００３８】したがって、以上のようなマルチチャンバ
装置におけるプリベークチャンバ３、バリアメタル成膜
用チャンバ１、Ａｌ系材料層成膜用チャンバ２、エッチ
ングチャンバ４内へウェハを順次搬送すると、該ウェハ
を大気から遮断したまま、前処理から、複数の薄膜より
なるバリアメタルの成膜、Ａｌ系材料層の成膜、エッチ
バックまで処理を連続的に施すことができる。

【００３９】本実施例においては、上述のようなマルチ
チャンバ装置を用いて、Ｔｉよりなる１層目の薄膜、Ｔ
ｉＮよりなる２層目の薄膜、Ｔｉよりなる３層目の薄膜
からなる３層構造のバリアメタルを同一チャンバ内で連
続成膜した。このプロセスを図２、図３を用いて説明す
る。

【００４０】先ず、図２に示されるように、予め不純物
拡散領域１２が形成されたＳｉ基板１１上に酸化シリコ
ン等からなる層間絶縁膜１３が積層され、該層間絶縁膜
１３に上記不純物拡散領域１２に臨むコンタクト・ホー
ル１４が開口されてなるウェハを用意し、上述したマル
チチャンバ装置のローダ７内のウェハカセットに２５枚
収納した。そして、上記マルチチャンバ装置内を予備排
気した後、該ウェハを１枚ずつプリベークチャンバ３へ
搬送し、１５０℃で６０秒間のプリベークを行った。

【００４１】その後、ターゲットとしてＴｉを用いたバ
リアメタル成膜用チャンバ１に上記ウェハを搬送し、下
記の条件にて、Ｔｉ膜よりなる１層目の薄膜１５、Ｔｉ
Ｎ膜よりなる２層目の薄膜１６、Ｔｉ膜よりなる３層目
の薄膜１７をこの順にウェハ全面に亘って連続成膜し、
３層構造のバリアメタル１８を形成した。

【００４２】なお、１層目の薄膜１５は３０ｎｍなる膜厚、２層目の
薄膜１６は７０ｎｍなる膜厚、３層目の薄膜１７は３０
ｎｍなる膜厚にそれぞれ成膜した。

【００４３】さらに、上述のようにしてバリアメタル１
８を形成したら、ウェハをＡｌ系材料層成膜用チャンバ
２に搬送して、下記の条件でＡｌ系材料層１９を形成し
た。

【００４４】Ａｌ系材料層１９の成膜条件ターゲット：Ａｌ−２％Ｃｕスパッタガス：Ａｒガス流量５０ｓｃｃｍ圧力：０．６７Ｐａ温度：１５０℃ ＤＣ電力：１３ｋＷなお、該Ａｌ系材料層１９は５００ｎｍなる膜厚とし
た。

【００４５】これにより、図３に示されるように、バリ
アメタル１８上にＡｌ系材料層１８がウェハ全面に亘っ
て形成された。

【００４６】その後、上述のウェハをエッチングチャン
バ４へ搬送して、例えば層間絶縁膜１３の上面が露出す
るまでエッチバックを行うことにより、コンタクト・ホ
ール１４内のみにＡｌ系材料層１８を残存させ、埋め込
み配線（プラグ）を形成した。そして、ウェハに対して
これらの処理を施した後、このウェハをアンローダ８の
ウェハカセットに順次収納した。

【００４７】本実施例においては、２５枚のウェハに対
して１枚ずつバリアメタル１８の形成を行ったが、バリ
アメタル成膜用チャンバ１に新たにウェハを搬入すると
きには、Ｔｉターゲットが窒化されていない状態となっ
ているので、Ｔｉよりなる１層目の薄膜１５の膜質がウ
ェハ間でばらつくことはなかった。また、１層目の薄膜
１５を窒素の混入のないＴｉ単体より構成できるため、
Ｓｉ基板１１における不純物拡散領域１２と１層目の薄
膜１５とのコンタクト抵抗を低減させることができた。

【００４８】なお、バリヤメアル１８の最上層にはＴｉ
よりなる３層目の薄膜１７が成膜されたため、Ａｌ系材
料層１８のマイグレーションが向上し、コンタクト・ホ
ール１４に鬆（す）を発生することなく均一にＡｌ系材
料層１８を埋め込むことができた。

【００４９】実施例２本実施例は、Ｗよりなる１層目の薄膜１５、ＷＮよりな
る２層目の薄膜１６、Ｗよりなる３層目の薄膜１７から
なる３層構造のバリアメタル１８を同一チャンバ内で連
続成膜した例である。

【００５０】具体的には、図１のマルチチャンバ装置を
用い、バリアメタル成膜用チャンバ１内で用いられるタ
ーゲットをＴｉからＷに変更した以外は、実施例１と同
様にして配線形成を行った。

【００５１】本実施例においても、バリアメタル成膜用
チャンバ１に新たにウェハを搬入するときには、Ｗター
ゲットが窒化されていない状態となっているので、Ｗよ
りなる１層目の薄膜１５の膜質がウェハ間でばらつくこ
とはなかった。また、１層目の薄膜１５を窒素の混入の
ないＷ単体より構成できるため、Ｓｉ基板１１における
不純物拡散領域１２と１層目の薄膜１５とのコンタクト
抵抗を低減させることができた。

【００５２】実施例３本実施例は、Ｚｒよりなる１層目の薄膜１５、ＺｒＯＮ
よりなる２層目の薄膜１６、Ｚｒよりなる３層目の薄膜
１７といった３層構造のバリアメタル１８を同一チャン
バ内で連続成膜した例である。

【００５３】具体的には、図１のマルチチャンバ装置を
用い、バリアメタル成膜用チャンバ１内で用いられるタ
ーゲットをＴｉからＺｒに変更し、２層目の薄膜１６の
成膜に用いたスパッタガスを、Ａｒガス：流量３２ｓｃ
ｃｍ、Ｎ₂ガス：流量７０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス：流量８
ｓｃｃｍのように変更した以外は実施例１と同様にして
配線形成を行った。

【００５４】本実施例においても、バリアメタル成膜用
チャンバ１に新たにウェハを搬入するときには、Ｚｒタ
ーゲットが酸窒化されていない状態となっているので、
Ｚｒよりなる１層目の薄膜１５の膜質がウェハ間でばら
つくことはなかった。また、１層目の薄膜１５を窒素お
よび酸素の混入のないＺｒ単体より構成できるため、Ｓ
ｉ基板１１における不純物拡散領域１２と１層目の薄膜
１５とのコンタクト抵抗を低減させることができた。

【００５５】実施例４本実施例は、Ｔｉよりなる１層目の薄膜１５、ＴｉＣよ
りなる２層目の薄膜１６、Ｔｉよりなる３層目の薄膜１
７からなる３層構造のバリアメタル１８を同一チャンバ
内で連続成膜した例である。

【００５６】具体的には、図１のマルチチャンバ装置を
用い、バリアメタル成膜用チャンバ１でバリアメタル１
８を成膜する際、２層目の薄膜１６の成膜に用いたスパ
ッタガスを、Ａｒガス：流量４０ｓｃｃｍ、ＣＨ₄ガ
ス：流量７０ｓｃｃｍのように変更した以外は実施例１
と同様にして配線形成を行った。

【００５７】本実施例においても、バリアメタル成膜用
チャンバ１に新たにウェハを搬入するときには、Ｔｉタ
ーゲットが炭化されていない状態となっているので、Ｔ
ｉよりなる１層目の薄膜１５の膜質がウェハ間でばらつ
くことはなかった。また、１層目の薄膜１５を炭素の混
入のないＴｉ単体より構成できるため、Ｓｉ基板１１に
おける不純物拡散領域１２と１層目の薄膜１５とのコン
タクト抵抗を低減させることができた。

【００５８】なお、バリヤメアル１８の最上層にはＴｉ
よりなる３層目の薄膜１７が成膜されているため、コン
タクト・ホール１４を均一にＡｌ系材料層１８にて埋め
込むことができた。

【００５９】実施例５本実施例は、Ｔｉよりなる１層目の薄膜１５、ＴｉＢよ
りなる２層目の薄膜１６、Ｔｉよりなる３層目の薄膜１
７からなる３層構造のバリアメタル１８を同一チャンバ
内で連続成膜した例である。

【００６０】具体的には、図１のマルチチャンバ装置を
用い、バリアメタル成膜用チャンバ１でバリアメタル１
８を成膜する際、２層目の薄膜１６の成膜に用いたスパ
ッタガスを、Ａｒガス：流量４０ｓｃｃｍ、ＢＨ₄ガ
ス：流量７０ｓｃｃｍのように変更した以外は実施例１
と同様にして配線形成を行った。

【００６１】本実施例においても、バリアメタル成膜用
チャンバ１に新たにウェハを搬入するときには、Ｔｉタ
ーゲットが硼化されていない状態となっているので、Ｔ
ｉよりなる１層目の薄膜１５の膜質がウェハ間でばらつ
くことはなかった。また、１層目の薄膜１５を硼素の混
入のないＴｉ単体より構成できるため、Ｓｉ基板１１に
おける不純物拡散領域１２と１層目の薄膜１５とのコン
タクト抵抗を低減させることができた。

【００６２】なお、バリヤメアル１８の最上層がＴｉよ
りなる３層目の薄膜１７より構成されるため、コンタク
ト・ホール１４を均一にＡｌ系材料層１８にて埋め込む
ことができた。

【００６３】実施例６本実施例では、下層配線に臨むビア・ホールの少なくと
も底部および側壁部に、高融点金属化合物膜／高融点金
属膜／高融点金属化合物膜なる３層構造の下地層を密着
層として形成する例について説明する。

【００６４】ここで用いられた枚葉式のマルチチャンバ
装置は、図４に示されるように、密着層成膜用チャンバ
２１、Ａｌ系材料層成膜用チャンバ２２、前処理を行う
プリベークチャンバ２３および逆スパッタチャンバ２４
といった４つの処理チャンバが組み合わされたものであ
り、前処理から、バリアメタル成膜後のＡｌ系材料層の
成膜までの工程を連続して行うものである。

【００６５】各チャンバ２１，２２，２３，２４は、ウ
ェハ搬送室２５に共通に接続され、該ウェハ搬送室２５
は、ウェハカセットを有するローダ２７、アンローダ２
８に接続している。

【００６６】なお、密着層成膜用チャンバ２１、Ａｌ系
材料層成膜用チャンバ２２、プリベークチャンバ２３
は、図１のマルチチャンバ装置における各チャンバ１，
２，３と同様の構成を有するものであり、逆スパッタチ
ャンバ２４は、バリアメタルの成膜前にウェハ表面を清
浄化するためのものである。

【００６７】したがって、以上のようなマルチチャンバ
装置におけるプリベークチャンバ２３、逆スパッタチャ
ンバ２４、密着層成膜用チャンバ２１、Ａｌ系材料層成
膜用チャンバ２２内へウェハを順次搬送すると、該ウェ
ハを大気から遮断したまま、前処理から、複数の薄膜よ
りなるバリアメタルの成膜、Ａｌ系材料層の成膜までを
連続的に施すことができる。

【００６８】本実施例においては、上述のようなマルチ
チャンバ装置を用いて、ＴｉＮよりなる１層目の薄膜、
Ｔｉよりなる２層目の薄膜、ＴｉＮよりなる３層目の薄
膜からなる３層構造の密着層を同一チャンバ内で連続成
膜した。このプロセスを図５〜図７を用いて説明する。

【００６９】先ず、図５に示されるような、予め基板３
１上にＴｉよりなる下層膜３２およびＴｉＮよりなる上
層膜３３から構成されるバリアメタル、Ａｌ−２％Ｃｕ
よりなる下層配線３４、該下層配線３４表面にそのパタ
ーニングに用いられたＴｉＮよりなる反射防止膜３５が
残存し、さらに酸化シリコン等からなる層間絶縁膜３６
が積層され、該層間絶縁膜３６に上記反射防止膜３５に
臨むビア・ホール３７が開口されてなるウェハを用意し
た。なお、バリアメタルにおける下層膜３２および上層
膜３３の膜厚はそれぞれ３０ｎｍおよび７０ｎｍ、下層
配線３４の膜厚は５００ｎｍ、反射防止膜３５の膜厚は
１００ｎｍ、層間絶縁膜３６の膜厚は６００ｎｍとし
た。

【００７０】そして、このウェハを上述したマルチチャ
ンバ装置のローダ２７内のウェハカセットに２５枚収納
した。そして、上記マルチチャンバ装置内を予備排気し
た後、該ウェハを１枚ずつプリベークチャンバ２３へ搬
送し、１５０℃で６０秒間のプリベークを行った。続い
て、このウェハを逆スパッタチャンバ２４に搬送し、下
記の条件にて、ウェハ表面の清浄化を行った。

【００７１】逆スパッタ条件スパッタガス：Ａｒガス流量３０ｓｃｃｍ圧力：０．２ＰａＲＦ電力：５００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）その後、ターゲットとしてＴｉを用いた密着層成膜用チ
ャンバ２１に上記ウェハを搬送し、下記の条件にて、Ｔ
ｉＮ膜よりなる１層目の薄膜３８、Ｔｉ膜よりなる２層
目の薄膜３９、ＴｉＮ膜よりなる３層目の薄膜４０をこ
の順にウェハ全面に亘って連続成膜し、３層構造の密着
層４１を形成した。

【００７２】なお、１層目の薄膜３８は２０ｎｍなる膜厚、２層目の
薄膜３９は３０ｎｍなる膜厚、３層目の薄膜４０は５ｎ
ｍなる膜厚にそれぞれ成膜した。

【００７３】これにより、図６に示されるように、ビア
・ホール３７の底部および側壁部を被覆する３層構造の
密着層４１が形成された。

【００７４】さらに、上述のようにして密着層４１を形
成したら、ウェハをＡｌ系材料層成膜用チャンバ２２に
搬送して、下記の条件でＡｌ系材料層４２を形成した。

【００７５】Ａｌ系材料層４２の成膜条件ターゲット：Ａｌ−２％Ｃｕスパッタガス：Ａｒガス流量５０ｓｃｃｍ圧力：０．６７Ｐａ温度：１５０℃ ＤＣ電力：１３ｋＷなお、該Ａｌ系材料層４２は５００ｎｍなる膜厚とし
た。

【００７６】その後、ウェハを再び密着層成膜用チャン
バ２１へ搬送し、上述のＡｌ系材料層４２上に、下記の
条件にてＴｉＮ膜よりなる反射防止膜４３を成膜した。

【００７７】なお、該反射防止膜の膜厚は３０ｎｍとした。

【００７８】これにより、図７に示されるように、密着
層４１上にＡｌ系材料層４２および反射防止膜４３がウ
ェハ全面に亘って形成された。

【００７９】そして、ウェハに対してこれらの処理が施
されたら、このウェハをアンローダ８のウェハカセット
に順次収納した。

【００８０】本実施例においては、２５枚のウェハに対
して１枚ずつ密着層４１の形成を行ったが、密着層成膜
用チャンバ２１に新たにウェハを搬入するときには常
に、Ｔｉターゲットが所定の比率で窒化されている状態
となされているので、ＴｉＮよりなる１層目の薄膜３８
の膜質がウェハ間でばらつくことはなかった。また、密
着層４１を形成後、Ａｌ系材料層４２上のＴｉＮよりな
る反射防止膜４３を密着層成膜用チャンバ２１にて連続
的に成膜することが可能であり、これによって、密着層
４１における１層目の薄膜３８の膜質を劣化させること
もない。

【００８１】さらに、１層目の薄膜３８をＴｉＮより構
成できるため、ビア・ホール３７の底部に露出するＴｉ
Ｎよりなる反射防止膜３５とのコンタクト抵抗を低減さ
せることができた。

【００８２】実施例７本実施例は、ＴｉＯＮよりなる１層目の薄膜３８、Ｔｉ
よりなる２層目の薄膜３９、ＴｉＯＮよりなる３層目の
薄膜４０からなる３層構造の密着層４１を同一チャンバ
内で連続成膜した例である。

【００８３】具体的には、基板３１上のバリアメタルの
上層膜３３、下層配線３４上に設けられた反射防止膜３
５が、ＴｉＮの代わりにＴｉＯＮよりなる以外は、実施
例６で用いられたと同様のウェハを用意した。そして、
密着層成膜用チャンバ２１内にＡｒガスとＮ₂ガス以外
にＯ₂ガスをも導入可能となされた以外は、実施例６に
て用いられたと同様の構成を有するマルチチャンバ装置
を用いて、密着層４１、Ａｌ系材料層４２、反射防止膜
４３の成膜を行った。即ち、密着層４１における１層目
の薄膜３８、３層目の薄膜４０、および反射防止膜４３
の成膜時のスパッタガスを、Ａｒガス：流量４０ｓｃｃ
ｍ、Ｎ₂ガス：流量７０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス：流量６ｓ
ｃｃｍのように変更した以外は、実施例６と同様にし
て、所定の配線形成を行った。

【００８４】本実施例においても、密着層成膜用チャン
バ２１に新たにウェハを搬入するときには、Ｔｉターゲ
ットが所定の比率で酸窒化されているので、ＴｉＯＮよ
りなる１層目の薄膜３８の膜質がウェハ間でばらつくこ
とはなかった。また、密着層４１を形成後、Ａｌ系材料
層４２上のＴｉＯＮよりなる反射防止膜４３を密着層成
膜用チャンバ２１にて連続的に成膜することが可能であ
る。

【００８５】さらに、１層目の薄膜３８をＴｉＯＮより
構成できるため、ビア・ホール３７の底部に露出するＴ
ｉＯＮよりなる反射防止膜３５とのコンタクト抵抗を低
減させることができた。

【００８６】実施例８本実施例は、ＷＮよりなる１層目の薄膜３８、Ｗよりな
る２層目の薄膜３９、ＷＮよりなる３層目の薄膜４０か
らなる３層構造の密着層４１を同一チャンバ内で連続成
膜した例である。

【００８７】具体的には、実施例７で用いられたと同様
のウェハを用意し、密着層成膜用チャンバ２１内のター
ゲットをＴｉからＷに変更した以外は、実施例６にて用
いられたと同様の構成を有するマルチチャンバ装置を用
いて密着層４１を成膜した。なお、密着層４１の成膜
後、Ａｌ系材料層４２は実施例６と同様にして成膜し、
ＴｉＮよりなる反射防止膜４３はウェハをマルチチャン
バ装置から搬出してから、別のスパッタ装置にて成膜し
た。

【００８８】本実施例においても、密着層成膜用チャン
バ２１に新たにウェハを搬入するときには、Ｗターゲッ
トが所定の比率で窒化されているので、ＷＮよりなる１
層目の薄膜３８の膜質がウェハ間でばらつくことはなか
った。

【００８９】以上、本発明を適用した実施例について説
明したが、本発明は上述した実施例に限定されるもので
はない。例えば、実施例１〜実施例５にて示したよう
な、最下層と最上層が高融点金属膜よりなるバリアメタ
ルを、下層配線あるいは下層配線上に残存する反射防止
膜に臨むビア・ホールの少なくとも底部および側壁部に
密着層として成膜してもよい。

【００９０】また、実施例６〜実施例８にて示したよう
な、最下層と最上層が高融点金属化合物膜よりなる密着
層を、反射防止膜の代わりにＡｌ系材料が露出したビア
・ホールの少なくとも底部および側壁部に成膜してもよ
いし、Ｓｉ基板に臨むコンタクト・ホールの少なくとも
底部および側壁部にバリアメタルとして成膜してもよ
い。但し、コンタクト抵抗を低減するためには、高融点
金属化合物膜を成膜するための反応性スパッタリングを
行うに際して、所定の導入元素を含むガスの流量比を低
減する等、成膜条件を適宜適正化する必要がある。

【００９１】その他、ウェハの構成や、製造装置の構
成、高融点金属およびこれを化合物化するための導入元
素等も適宜変更が可能である。

【００９２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すると、枚葉式スパッタリング装置の同一チャ
ンバ内で複数の薄膜を成膜しても、１層目の薄膜の膜質
を安定化させることができる。このため、本発明をバリ
アメタルあるいは反応層や密着層の成膜に適用すると、
最下層の薄膜の膜質のバラツキが抑えられる。

【００９３】また、最下層の薄膜を高融点金属の単体よ
り構成すれば、Ｓｉ基板やＡｌ系材料よりなる下層配線
との界面におけるコンタクト抵抗を低減でき、最下層の
薄膜を高融点金属化合物より構成すれば、その表面に反
射防止膜が残存している下層配線とのコンタクト抵抗を
低減できる。

【００９４】したがって、本発明により、信頼性の高い
半導体装置を歩留まりよく製造することが可能となる。

【００９５】さらに、異なるチャンバ間で基板を搬送さ
せる必要がない分、スループットが向上し、成膜に必要
なチャンバの数が低減する分、クリーンルームの省スペ
ース化も達成できる。このため、スパッタリング装置の
費用やクリーンルームの維持費を削減でき、コストを低
減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マルチチャンバ装置の一例を示す模式図であ
る。

【図２】Ｓｉ基板上の層間絶縁膜にコンタクト・ホール
が形成された状態のウェハを示す模式的断面図である。

【図３】図２のウェハに対して、高融点金属膜／高融点
金属化合物膜／高融点金属膜なる３層構造のバリアメタ
ルが成膜された上に、Ａｌ系材料層が形成された状態を
示す模式的断面図である。

【図４】マルチチャンバ装置の他の例を示す模式図であ
る。

【図５】反射防止膜が残存する下層配線上の層間絶縁膜
にビア・ホールが形成された状態のウェハを示す模式的
断面図である。

【図６】図５のウェハに対して、高融点金属化合物膜／
高融点金属膜／高融点金属化合物膜なる３層構造の密着
層が成膜された状態を示す模式的断面図である。

【図７】図６のウェハに対して、Ａｌ系材料層および反
射防止膜が形成された状態を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１バリアメタル成膜用チャンバ２Ａｌ系材料層成膜用チャンバ５，６ウェハ搬送室７ローダ８アンローダ１１Ｓｉ基板１２不純物拡散領域１３層間絶縁膜１４コンタクト・ホール１５１層目の薄膜１６２層目の薄膜１７３層目の薄膜１８バリアメタル１９Ａｌ系材料層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｄ 21/3205

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】枚葉式スパッタリング装置の成膜チャン
バ内で共通のターゲットを用いてスパッタリングおよび
反応性スパッタリングを行うことにより、基体上に複数
の薄膜を連続成膜する半導体装置の製造方法において、前記複数の薄膜のうち、最下層の薄膜と最上層の薄膜と
の種類を同一とすることを特徴とする半導体装置の製造
方法。
【請求項２】前記基体は、シリコン基板上の絶縁膜に
接続孔が開口されてなるものであり、少なくとも該接続
孔の底部に、前記複数の薄膜を下地層として成膜するこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記基体は、下層配線上の絶縁膜に接続
孔が開口されてなるものであり、少なくとも該接続孔の
底部に、前記複数の薄膜を下地層として成膜することを
特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記下層配線の表面には、そのパターニ
ングに用いられた反射防止膜が残存していることを特徴
とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記共通のターゲットを高融点金属より
構成し、前記最下層の薄膜と前記最上層の薄膜として高
融点金属膜をスパッタリングにより成膜し、他の薄膜と
して高融点金属化合物膜を反応性スパッタリングにより
成膜することを特徴とする請求項１ないし請求項４のい
ずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記高融点金属化合物膜として、高融点
金属窒化物膜、高融点金属炭化物膜、高融点金属硼化物
膜のいずれかを成膜することを特徴とする請求項５記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記高融点金属化合物膜として、高融点
金属酸窒化物膜を成膜することを特徴とする請求項５記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記高融点金属として、チタンを用いる
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項９】前記高融点金属として、タングステン、
ジルコニウム、ハフニウム、モリブデンより選ばれるい
ずれか１種を用いることを特徴とする請求項５ないし請
求項７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】前記共通のターゲットを高融点金属よ
り構成し、前記最下層の薄膜と前記最上層の薄膜として
高融点金属化合物膜を反応性スパッタリングにより成膜
し、他の薄膜として高融点金属膜をスパッタリングによ
り成膜することを特徴とする請求項１ないし請求項４の
いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記高融点金属化合物膜として、高融
点金属窒化物膜、高融点金属酸窒化物膜、高融点金属炭
化物膜、高融点金属硼化物膜のいずれかを成膜すること
を特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】前記高融点金属として、チタン、タン
グステン、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデンより
選ばれるいずれか１種を用いることを特徴とする請求項
１０または請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。