JPH08339999A - 半導体装置の配線層形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｔｉ層とＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）層とアル
ミ配線層とからなる配線構造を積層形成する場合に、効
率よくＴｉとＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）層とを形成する
とともにクリーニング作用を効果的に行って、生産性を
向上させた半導体装置の配線形成方法を提供する。 【構成】 ウエハ上に金属チタン膜からなる第１層と窒
素を含むチタン膜からなる第２層と金属配線膜からなる
第３層とを順番にスパッタ装置を用いて積層する配線層
形成方法において、チタンターゲットを有する同一のス
パッタチャンバ６内でウエハを取り出すことなく上記第
１層と第２層を連続的に形成し、その後別のスパッタチ
ャンバ７内で第３層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の配線層形成
方法に関する。より詳しくは、同一チャンバ内でウエハ
を取り出すことなく複数層を連続的にスパッタ成膜する
ことによりスループットの向上を図った半導体装置の配
線層形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の配線層は、シリコン基板
（ウエハ）上に金属チタン（Ｔｉ）とチタンナイトライ
ド（ＴｉＮまたはＴｉＯＮ）からなるバリヤ層を形成し
その上にアルミ合金（例えばＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−
Ｃｕ，またはＡｌ−Ｃｕ等）からなる金属配線層を形成
したものである。このような配線層はスパッタリングに
よる成膜手段を用いて形成される。このようなスパッタ
成膜手段はＴｉ層、ＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）層および
アルミ合金層のそれぞれに対応した少なくとも３つのス
パッタチャンバを有し、各層を形成するごとにチャンバ
からウエハを出し入れして別のチャンバに移動してそれ
ぞれ別のチャンバ内で各層を形成していた。この場合、
特開平２−５５２１に記載されたように、Ｔｉ層とＴｉ
Ｎ（またはＴｉＯＮ）層とアルミ配線層は、大気にさら
すことなく真空状態のままで連続的に成膜されるが、こ
の場合においても各層形成ごとにロードロック室または
セパレーションチャンバを介して真空下でそれぞれ別の
ターゲットを有する別のチャンバに移動してスパッタ処
理が行われていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の配線層形成方法においては、各層ごとに別のチャン
バを用いるため装置が大掛かりとなり、ウエハの搬入や
搬出作業が手間取ってスループットの向上が図られなか
った。また、ＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）成膜用のチャン
バ内のＴｉターゲットの中心部と周縁部に非エロージョ
ン領域が形成されこの部分にＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）
が再付着していた。このため、所定のウエハ処理枚数ご
とにＴｉターゲットのクリーニングが必要になり装置稼
動率が低下しスループットをさらに低下させていた。ま
た、このＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）は積層されると比較
的剥がれやすい膜質であるため、パーティクルの発生原
因となり、剥がれてウエハ表面に付着し品質や特性劣化
を来すおそれがある。従って、品質維持のためには、あ
る程度頻繁にチャンバ内のＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）膜
の除去作業が必要でありこのクリーニングのために前述
のようにスループットの低下をさらに来していた。

【０００４】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たものであって、Ｔｉ層とＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）層
とアルミ配線層とからなる配線構造を積層形成する場合
に、効率よくＴｉとＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）層とを形
成するとともにクリーニング作用を効果的に行って、生
産性を向上させた半導体装置の配線層形成方法の提供を
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、ウエハ上に金属チタン膜からなる第１
層と窒素を含むチタン膜からなる第２層と金属配線膜か
らなる第３層とを順番にスパッタ装置を用いて積層する
配線層形成方法において、チタンターゲットを有する同
一のスパッタチャンバ内でウエハを取り出すことなく上
記第１層と第２層を連続的に形成し、その後別のスパッ
タチャンバ内で第３層を形成することを特徴とする半導
体装置の配線層形成方法を提供する。

【０００６】好ましい実施例においては、前記同一スパ
ッタチャンバ内での第１層形成プロセスと第２層形成プ
ロセスとの間のディレイ時間を調整することにより、第
２層内での金属チタン組成比が上層に向けて低くなるよ
うに密度分布を変化させることを特徴としている。

【０００７】

【作用】同一のＴｉターゲットを有する同一チャンバ内
で、ウエハを取り出すことなくプロセスガスを変えるこ
とにより、連続してＴｉ膜とＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）
膜とが順番に形成される。これにより、ウエハの移動時
間が節約されスループットが向上する。また、このチャ
ンバ内ではＴｉとＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）膜との形成
プロセスが交互に行われるため、スパッタプロセス中に
チャンバの内部治具に付着して堆積する膜は、ＴｉとＴ
ｉＮ（またはＴｉＯＮ）膜が薄い層ごとに交互に積層さ
れた構造の膜となり、ＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）の剥が
れが防止される。さらに、各ＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）
膜形成後のアルゴンガスをプロセスガスとするＴｉ膜形
成プロセス前またはプロセス中に、アルゴンガス中での
ＴｉスパッタによりＴｉターゲット表面をクリーニング
することができるため、従来のように所定処理枚数ごと
のクリーニングのバッチ処理が不要になり、生産性がさ
らに向上する。

【０００８】

【実施例】以下添付図面を参照して本発明の実施例につ
いてさらに説明する。

【０００９】図１は本発明の実施例に係るマルチチャン
バスパッタ装置の一例を示す。この装置の構成は、中央
のロボット４が設置されたセパレーションチャンバ３の
周囲に、外部とウエハカセット２の出し入れをするため
のロードロックチャンバ１、成膜前のウエハの表面クリ
ーニングをするエッチングチャンバ５および３個の成膜
処理をする第１〜第３スパッタチャンバ６〜８を配置し
たものである。各チャンバ１および５〜８はゲート９を
隔てて真空状態を保つようにセパレーシヨンチャンバ３
と連結されている。ウエハのチャンバ間の移動はロボッ
ト４より行われる。ゲート９は、各チャンバへのウエハ
の出し入れ時に開き、ウエハが出し入れが終了すると閉
じて、各チャンバ内で処理が行われる。各チャンバには
Ａｒ，Ｎ2等の反応ガス供給管が接続されているが本図
では省略してある。

【００１０】ロードロックチャンバ１は所定枚数のウエ
ハを収容したウエハカセット２が搬入されと、その内部
がセパレーションチャンバ３と同じ真空状態に引かれ
る。ここでゲート９が開き、ロボット４によりウエハが
１枚ずつ取込まれ後述のように各チャンバ内で処理され
る。ウエハはまずエッチングチャンバ５で表面クリーニ
ングが行われる。次にＴｉをターゲツトとする第１スパ
ッタチャンバ６でＴｉ膜が形式される。このときプロセ
スガスとしてＡｒが導入される。続いて同じ第１スパッ
タチャンバ６内に反応ガスＮ2を入れ換えて反応性スパ
ッタ法にてＴｉＮを積層する。次にウエハを第２スパッ
タチャンバ７に移動し、ここで、アルミ合金（Ａｌ−Ｓ
ｉ）膜を形成する。

【００１１】このように３層配線膜、Ｔｉ／ＴｉＮ（ま
たはＴｉＯＮ）／Ａｌ−Ｓｉ，を積層成膜する場合は、
従来は、１つのチャンバで１層のみを成膜する構成なの
で、例えば、第１スパッタチャンバでＴｉ膜、第２スパ
ッタチャンバでＴｉＮ（またはＴｉＯＮ膜）、第３スパ
ッタチャンバでＡｌ−Ｓｉ膜を成膜した。従って、各層
形成ごとにウエハの入れ替え作業を行わなければならず
処理時間が多くかかり手間を要しスループットを低下さ
せていた。また、４層以上の積層は、ウエハを一度ロー
ドロックチャンバに戻してから残りを成膜するので、ス
ループットをさらに低下させていた。本実施例では、同
一ターゲットを使うＴｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＯＮ膜をチ
ャンバ内の反応ガスを交換することで同じチャンバ内で
成膜できる。例えば、第１スパッタチャンバ６でＴｉ膜
とＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）膜を形式し、その後第２ス
パッタチャンバ７でＡｌ−Ｓｉ膜を形式することにより
３層の膜を２つのチャンバで成膜できる。

【００１２】同様にして、ターゲツトを同じとする１つ
のチャンバ内で２層以上のＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ膜、Ｔｉ
／ＴｉＮ／Ｔｉ／ＴｉＯＮ膜等の積層成膜が容易にでき
る。従って、従来より少ない数のチャンバで多層配線が
形成できるので、ウエハのチャンバからの出し入れ作業
回数が少なくなる。従って、処理シーケンスが簡素化
し、チャンバが有効に利用できるので、生産性が向上す
る。また、使用チャンバ数を減らせるので、スパッタ装
置の小型化が可能になる。

【００１３】図２および図３は、本発明が適用される多
層配線構造の一例の説明図およびＴｉＮ膜の濃度分布を
変化させた多層配線構造の説明図である。この例は、Ｔ
ｉ／ＴｉＮ／Ａｌ−Ｓｉからなる３層配線構造を示す。
この３層配線層はシリコン基板上に、バリヤ層であるＴ
ｉ膜とＴｉＮ膜の上に、アルミ合金層Ａｌ−Ｓｉ膜が形
成されている。バリヤ層で構成する第１層のＴｉ膜のス
パッタではＡｒガス、第２層ＴｉＮではＮ2ガス（Ｔｉ
ＯＮの場合はＮ2＋Ｏ2ガス）がプロセスガスとして使わ
れる。第１層のＴｉ膜生膜後、チャンバ内の残留Ａｒガ
スを充分排出し、第２層のＴｉＮ膜を成膜したのが図２
の構造図である。第２層ＴｉＮ成膜処理で、Ｎ2ガス中
にＡｒガスが残っていると、ＴｉＮ中にＴｉが混在する
膜が成膜されるが、時間の経過とともにＡｒガスが減少
するので上層にいくに従いＴｉ成分が徐々に少なくな
る。これにより図３のようなＴｉ（ＴｉＮ）の組成分布
が変化した多層配線構造ができる。

【００１４】図４は本発明の１チャンバ２プロセスの成
膜シーケンスのタイムチャートである。このチャート
で、Ｔｉ膜は第１プロセスで、ＴｉＮ膜は第２プロセス
で成膜する。ＤＣパワーは通常プラズマ安定化のため最
初アイドリングパワーがターゲットに加えられている。
パワーを変えることで、成膜速度が変えられる。ＤＣパ
ワーが高いと成膜速度が速くなるので、同じ処理時間で
は厚い膜が成膜できる。この実施例では、ＴｉＮ成膜の
ＤＣパワーを最も高くした。シャッターはウエハとター
ゲットの間に設けられ、このシャッターを開いてウエハ
上へターゲットをスパッタした金属粒子が成膜される。
プロセスガス圧力はスパッタ時の導入ガスの圧力であ
り、Ａｒガス圧力はターゲットクリーニングのプロセス
ではＴｉ成膜プロセスより低くした。

【００１５】本実施例では、ウエハのチャンバ内への搬
入から２層成膜とターゲットクリーニング後の搬出まで
がｔ０〜ｔ８のタイミングで処理される。ｔ０でウエハ
がチャンバに搬入されるとゲートが閉じ、ｔ１でＴｉ膜
成膜のためＡｒガスがチャンバ内に流れ始める。ｔ１〜
ｔ２はチャンバ内のプラズマ安定化のためのポーズタイ
ムである。ｔ２でプラズマが安定するとシャッターが開
き、ＤＣパワーが加えられ、第１プロセスのＴｉ成膜処
理が始まる。成膜が終るとｔ３でシャッターは閉じ、こ
のｔ３で２層目のＴｉＮ層成膜のために、チャンバ内の
Ａｒガスの排出が始まる。ｔ３〜ｔ４のディレイ時間は
残留ガスの排出時間である。ｔ４で第２プロセスのＴｉ
Ｎ膜成膜のため、Ｎ2ガスがチャンバ内に流れ（ＴｉＯ
Ｎ膜の場合はＮ2＋Ｏ2ガス）、ｔ５〜ｔ６でＴｉＮ膜が
第２プロセスとして成膜処理される。ＴｉＮ成膜後はＮ
2ガスは排出される。

【００１６】次に、時間ｔ６でターゲットの非エロージ
ョン領域のクリーニングのためＡｒガスが再び流れる。
ｔ７〜ｔ８ではシャッターを閉めた状態で、ターゲット
だけがクリーニングされる。クリーニングが終わると、
ウエハはロボットにより、チャンバから搬出される。

【００１７】なお、このクリーニングプロセスは第１プ
ロセスの前に、即ち成膜プロセスを行う前に最初に行う
ようにプログラムを形成してもよい。

【００１８】図５はＡｒ残留ガス圧力のディレイ時間
（又はポーズ時間）依存性を示す。図４のチャートの、
Ｔｉ成膜後の残留Ａｒガス排出のためのディレイ時間
（１）が長いと、チャンバ内のＡｒガスは少なくなる。
従って、図５に示すように、残留Ａｒガスの圧力はディ
レイ時間（またはポーズ時間）に比例して低くなる。デ
ィレイ時間が約９０秒で、従来のＴｉＮ膜成膜だけのチ
ャンバ内程度のＡｒガス圧力になる。

【００１９】図６はＴｉ／ＴｉＯＮ成膜のシート抵抗の
ディレイ時間（又はポーズ時間）依存性を示す。本実施
例の、１チャンバ内でのＴｉ／ＴｉＯＮ（またはＴｉ
Ｎ）連続成膜では、Ｔｉ成膜後の、ディレイ時間を変え
ることにより、残留Ａｒガス分圧が変わり、ＴｉＮ膜の
膜質が変わる。図６は、Ｔｉ／ＴｉＯＮの２層膜のシー
ト抵抗がディレイ時間に比例して変わることを示してい
る。従って、ディレイ時間を変えることにより、ＴｉＯ
Ｎ（またはＴｉＮ）膜の膜質が変えられる。前述のよう
に図３はこの特性を持つ多層配線構造図であり、Ｔｉの
組成比は上にいく程低くなる。この密度分布状態がディ
レイ時間の調整によって変えることができ、従って、シ
ート抵抗を変えることができる。

【００２０】図７は内部治具への膜付着の説明図であ
る。従来は多層成膜は１チャンバ１層成膜のため、同一
チャンバ内でＴｉＮ膜またはＴｉＯＮ膜だけを繰り返し
成膜していた。そのため、内部治具には図７（Ａ）のよ
うにＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）が付着堆積し、次第に厚
くなると、ストレスにより、治具との界面の部分から剥
がれる。これがチャンバ内のパーティクル（ダスト）発
生原因の１つであった。本実施例では、同一チャンバで
Ｔｉ膜とＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）膜の２層を順番に成
膜するため、チャンバの内部治具にも、図７（Ｂ）のよ
うに、薄いＴｉ膜とＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）膜が交互
にできる。Ｔｉ膜には剥がれにくい性質があるため、こ
のＴｉの付着膜により、治具表面からのＴｉ（またはＴ
ｉＯＮ）膜の膜剥がれが押さえられ、これによりパーテ
ィクル（ダスト）の発生が軽減される。

【００２１】図８および図９、はターゲットの非エロー
ジョン領域の説明図とＴｉターゲットクリーニングの作
用説明図である。ＴｉＯＮ（又はＴｉＮ）膜の成膜で
は、図８のように、保持板１５に固定されたターゲット
１４の中心部と周縁部に、スパッタされない非エロージ
ョン領域１６ができる。そのために、図９（Ａ）のよう
に、この部分に一旦スパッタされたＴｉＯＮ（またはＴ
ｉＮ）が再付着する。これが剥がれ落ちてチャンバ内の
パーティクルの発生原因となる。ＡｒガスでのＴｉスパ
ッタでは、ターゲット全体がスパッタされるので、図９
（Ｂ）のように、ターゲット１４上のＴｉＯＮ（または
ＴｉＮ）付着物が除去される。

【００２２】図１０は本発明のＴｉターゲットクリーニ
ングの効果を示す図である。

【００２３】図１０（Ａ）は従来の所定のウエハ処理枚
数ごとにターゲットクリーニングを行っていた場合のパ
ーティクル数である。チャンバ内の処理枚数が増すと、
パーティクルも増加し、クリーニング直後には少し減少
するがまた増加するので、チャンバのメンテナンスによ
るクリーニングが必要になる。本実施例では、図４のチ
ャートに示すようにＡｒガスによるＴｉ膜プロセスとク
リーニングプロセスが含まれているので、その結果、図
１０（Ｂ）に示すように、処理バッチ数が増えてもパー
ティクル数は増加しない。このため、処理バッチ数ごと
のクリーニングは不要となるので、そのための段取り時
間等が節約できるので、生産性が向上でき、メンテナン
スの頻度も減らすことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
装置の配線形成方法においては１つのチャンバ内で２層
以上のＴｉ／ＴｉＮ膜（またはＴｉＯＮ膜）の連続成膜
ができるために、スパッタ装置の構成を簡素化して小型
形状とすることができるとともに、繁雑なウエハの出し
入れが不要となり、チャンバの有効利用によりスループ
ットの向上ができる。また、Ｔｉ膜、ＴｉＮ（またはＴ
ｉＯＮ）膜を交互に積層することにより、内部治具から
の膜はがれによるパーティクル（ダスト）の発生も防止
できる。また、ターゲットへのＴｉＮ（またはＴｉＯ
Ｎ）付着物は、Ｔｉ／ＴｉＮ（またはＴｉＯＮ）の２層
連続成膜シーケンスの中で、Ａｒガスによるスパッタに
よりターゲットクリーニングを行うことにより除去さ
れ、チャンバ内のパーティクルが減少できる。これによ
り従来処理枚数ごとに実施していたチャンバ内のクリー
ニング頻度を大幅に低減できるので、生産性と、歩留ま
りが改善できる。

【００２５】また、デイレイ時間を調節する事により、
残留Ａｒガス濃度が変わり、第２層内での金属チタンの
組成比が上層に向けて低くなるような密度分布を有する
膜形成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明が適用されるマルチチャンバスパッタ
装置の構造説明図である。

【図２】 多層配線構造の説明図である。

【図３】 ＴｉＮ膜の濃度分布を変化させた多層配線構
造の説明図である。

【図４】 本発明の１チャンバ２プロセスの成膜シーケ
ンスのタイムチャートである。

【図５】 Ａｒ残留ガス圧力のデレイ時間依存性を示す
図である。

【図６】 Ｔｉ／ＴｉＯＮ成膜のシート抵抗のデレイ時
間依存性を示す図である。

【図７】 内具治具への膜付着の説明図である。

【図８】 ターゲットの非エロージョン領域の説明図で
ある。

【図９】 Ｔｉターゲットクリーニングの作用説明図で
ある。

【図１０】 本発明のＴｉターゲットクリーニングの効
果を示す図である。

【符号の説明】

１：ロードロックチャンバ、２：ウエハカセット、３：
セパレーションチャンバ、４：ロボット、５：エッチン
グチャンバ、６：第１スパッタチャンバ、７：第２スパ
ッタチャンバ、８：第３スパッタチャンバ、９：ゲー
ト、１０：Ｓｉ基板、１１：Ｔｉ膜、１２：ＴｉＮ膜、
１３：Ａｌ−Ｓｉ膜、１４：ターゲット、１５：保持
板、１６：非エロージョン領域、１７：内部治具、１
８：ウエハ、１９：ＴｉＯＮ膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウエハ上に金属チタン膜からなる第１層
   と窒素を含むチタン膜からなる第２層と金属配線膜から
   なる第３層とを順番にスパッタ装置を用いて積層する配
   線層形成方法において、チタンターゲットを有する同一
   のスパッタチャンバ内でウエハを取り出すことなく上記
   第１層と第２層を連続的に形成し、その後別のスパッタ
   チャンバ内で第３層を形成することを特徴とする半導体
   装置の配線層形成方法。
2. 【請求項２】 前記同一スパッタチャンバ内での第１層
   形成プロセスと第２層形成プロセスとの間のディレイ時
   間を調整することにより、第２層内での金属チタン組成
   比が上層に向けて低くなるように密度分布を変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の配線層
   形成方法。