JPWO2007094044A1 - 半導体装置の製造方法、及び半導体製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バリア性の高いキャップ層を備えた半導体装置の製造方法、及びバリア性の高いキャップ層を形成することができる半導体製造装置を提供すること。【解決手段】シリコン基板1の上方に第3の層間絶縁膜10を形成する工程と、第3の層間絶縁膜10に第1の配線溝10a又は第1ホールを形成する工程と、第1の配線溝10a又は第1ホールに銅を埋め込んで第1銅配線12aを形成する工程と、第3の層間絶縁膜10と第1銅配線12aの上に、キャップ層13として窒化ジルコニウム膜を形成する工程と、窒素含有雰囲気中においてキャップ層13をアニールする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法による。【選択図】図2
Description
本発明は、半導体装置の製造方法、及び半導体製造装置に関する。
半導体装置の高集積化とチップサイズの縮小化に伴い、配線の微細化及び多層配線化が加速的に進められている。こうした多層配線構造を有するロジックデバイスでは、配線抵抗を低減するために、低抵抗金属である銅を材料として配線を形成することが実用化されている。
銅膜はアルミニウム膜に比べてパターニングするのが非常に困難であるため、銅膜のパターニングにより銅配線を形成するは極めて難しい。そこで、通常は、絶縁膜のホールや溝に銅膜を埋め込んで銅配線を形成するダマシン法を採用することになる。
上下の銅配線は銅プラグによって互いに接続されるが、下層の銅配線の表面がプロセス中に汚染、腐食、或いは酸化されると、銅プラグと銅配線との間に接続不良が発生する恐れがある。そのため、銅配線を備えた半導体装置を作製する場合には、銅配線を保護するためのキャップ層が必要となる。
キャップ層の中でも、窒化ジルコニウム(ZrN)膜は、絶縁膜の上で絶縁性を呈し、且つ銅配線の上で導電性を呈するという特異な性質を有するので、キャップ層にホールを形成しなくても、キャップ層を介して上下の銅配線同士が電気的に接続されるという利点が得られる。
このように窒化ジルコニウム膜をキャップ層として形成する点については特許文献1に開示されている。
一方、特許文献2によれば、従来法で形成された窒化ジルコニウム膜が窒素リッチであることが問題とされ、窒化ジルコニウム膜の成膜ガスにアンモニア(NH3)を添加することで膜中の窒素が低減するとされている。
キャップ層として形成される窒化ジルコニウム膜は、銅配線の保護という役割の他に、配線中の銅が周囲の絶縁膜に拡散するのを防止し、隣接する銅配線同士が電気的にショートしてしまうのを防ぐバリア層としての役割も担う。更に、層間絶縁膜や銅膜等の他の膜を形成するときと同様に、窒化ジルコニウム膜を形成するときもパーティクルの発生をなるべく抑え、パーティクルによるデバイス不良を低減し、歩留まりを向上させる必要がある。
特開2003−17496号公報
特開2002−146535号公報
本発明の目的は、バリア性の高いキャップ層を備えた半導体装置の製造方法、及びバリア性の高いキャップ層を形成することができる半導体製造装置を提供することにある。
本発明の一観点によれば、半導体基板の上方に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜に第1溝又は第1ホールを形成する工程と、前記第1溝又は前記第1ホールに銅を埋め込んで第1銅配線を形成する工程と、前記第1絶縁膜と前記第1銅配線の上に、キャップ層として窒化ジルコニウム膜を形成する工程と、窒素含有雰囲気中において前記キャップ層をアニールする工程とを有す半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、窒素含有雰囲気中においてキャップ層をアニールするので、キャップ層を構成する窒化ジルコニウム膜中の窒素濃度が高められ、銅に対するキャップ層のバリア性が高められる。
また、キャップ層を形成する工程において、窒化ジルコニウムの原料ガスとしてTDEAZ(Zr[N(C2H5)2]4)ガスを用い、且つ、その原料ガスにアンモニアガスを添加せずに、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりキャップ層を形成するのが好ましい。
このようにアンモニアガスを使用しないことで、キャップ層の形成時に発生するパーティクル数を低減でき、パーティクルに伴うデバイス不良を防止することが可能となる。
更に、アンモニアを使用しないで形成された窒化ジルコニウム膜は、膜質が疎になるため、窒素含有雰囲気中におけるアニール工程において膜中に窒素が容易に入り込むようになり、窒素濃度が高く銅バリア性に優れたキャップ層を得ることが可能となる。
また、キャップ層を形成する工程、及び該キャップ層をアニールする工程を、同じチャンバ内で行うことが好ましい。
同じチャンバ内でこれらの工程を行うことで、アニール前にキャップ層が酸素含有雰囲気に曝されないので、キャップ層に酸素が取り込まれ難くなり、酸素濃度が低く下地の第1銅配線を酸化させ難いキャップ層を形成することが可能となる。
また、本発明の別の観点によれば、チャンバと、前記チャンバ内に設けられ、半導体基板が載置される基板載置台と、前記基板載置台に設けられたヒータと、前記チャンバ内において前記基板載置台の上方に設けられ、内部が空洞であると共に、該空洞に連通するガス分散孔が形成されたシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドの内部の空洞にマイクロ波を供給するマグネトロンと、前記シャワーヘッドの内部の空洞に連通する窒素ガス用配管及び窒化ジルコニウム原料ガス用配管と、前記窒素ガス用配管に設けられた窒素ガス流量調節部と、前記窒化ジルコニウム原料ガス用配管に設けられた原料ガス流量調節部と、前記マグネトロン、前記窒素ガス流量調節部、及び前記原料ガス流量調節部を制御する制御部とを有し、前記制御部が、前記チャンバ内において窒化ジルコニウム膜を形成するときに、前記原料ガス流量調節部を制御してジルコニウム原料ガスを前記シャワーヘッドに導入すると共に、前記チャンバ内において窒素アニールを行うときに、前記窒素ガス流量調節部を制御して窒素ガスを前記シャワーヘッドに導入し、且つ前記マグネトロンを制御して前記シャワーヘッドの前記空洞にマイクロ波を導入する半導体製造装置が提供される。
本発明によれば、一つのチャンバ内において、窒化ジルコニウム膜の成膜と、窒素含有雰囲気中での窒化ジルコニウム膜に対するアニールとを連続的に行うことができる。よって、酸素含有雰囲気に窒化ジルコニウム膜が曝される前にアニールを行うことが可能となるので、酸素濃度が低く銅配線等を酸化させ難い窒化ジルコニウム膜が得られると共に、窒素含有雰囲気におけるアニールによってその窒化ジルコニウム膜の窒素濃度を高め、銅に対するバリア性を向上させることができる。
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
(1)第1実施形態
図1〜図3は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図1〜図3は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
まず、図1(a)に示す断面構造について説明する。
p型のシリコン(半導体)基板1の上には、能動素子領域を囲む素子分離絶縁層2が形成されている。その能動素子領域にはMOSトランジスタ3が形成されている。MOSトランジスタ3は、シリコン基板1上にゲート絶縁膜3aを介して形成されたゲート電極3bと、ゲート電極3bの両側のシリコン基板1内に形成されたLDD(Lightly Doped Drain)構造の第1、第2のn型不純物拡散層3c、3dを有している。また、ゲート電極3bの側面には絶縁性サイドウォール3eが形成されている。
シリコン基板1上には、MOSトランジスタ3を覆う酸化シリコン(SiO2)よりなる第1の層間絶縁膜4が形成されている。第1の層間絶縁膜4のうち、第1のn型不純物拡散層3cと第2のn型不純物拡散層3dの上にはそれぞれ第1のコンタクトホール4aと第2のコンタクトホール4bが形成されている。
第1及び第2のコンタクトホール4a、4b内には、それぞれ第1の導電性プラグ5aと第2の導電性プラグ5bが埋め込まれている。第1及び第2の導電性プラグ5a,5bは、それぞれ窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有している。
第1の層間絶縁膜4の上には、第2の導電性プラグ5bに接続されるアルミニウムよりなる一層目配線7が形成されている。また、第1の層間絶縁膜4と一層目配線7の上には、酸化シリコン、BPSG、PSG等のいずれかからなる第2の層間絶縁膜8が形成されている。第2の層間絶縁膜8のうち第1の導電性プラグ5aの上には、コンタクトホール8aが形成され、その中には窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有する第3の導電性プラグ9が埋め込まれている。
第2の層間絶縁膜8と第3の導電性プラグ9は、膜厚350nmの酸化シリコンよりなる第3の層間絶縁膜10に覆われている。そして、第3の層間絶縁膜10には第1の配線溝10aと第2の配線溝10bが形成されている。
第1の配線溝10aは、その一部が第3の導電性プラグ9に重なる形状を有している。第1の配線溝10aの中にはタンタル、窒化タンタル、窒化チタンなどのバリアメタル層11aと銅層11bからなる多層構造を有する第1の銅配線12aが形成されている。また、第2の配線溝10b内には、第1の銅配線12aと同じ層構造を有する第2の銅配線12bが形成されている。
次に、図1(b)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、不図示のCVDチャンバ内にシリコン基板1を入れ、基板温度を約300℃に安定させる。そして、常温で液体であるテトラキスジエチルアミノジルコニウム(Zr[N(C2H5)2]4:TDEAZ)を気化器において110℃〜140℃の温度で気化し、気化したTDEAZをキャリアガスと共にチャンバに供給する。そのキャリアガスとして、本実施形態では流量が200〜500sccm、より好ましくは300sccmの窒素ガスを採用する。また、気化したTDEAZの供給量は特に限定されないが、本実施形態では0.01〜0.1g/min、より好ましくは0.05g/minの供給量とする。
そして、圧力を約4Paに安定させた後、この状態を約1分間維持することにより、図1(b)に示すように、第1、第2の銅配線12a、12bと第3の層間絶縁膜10のそれぞれの上に窒化ジルコニウムよりなるキャップ層13がCVD法により約10nmの厚さに形成される。
このようにして形成されたZrNキャップ層13は、第1、第2配線12a、12bに接する領域では比抵抗値が約100μΩ・cm以下の導電層13aとなり、酸化シリコンよりなる第3の層間絶縁膜10に接する領域では比抵抗値が略無限大の絶縁層13bとなる。
ここで、ZrNキャップ層13の厚さを20nmよりも厚くすると、導電層13aの抵抗が高くなり、その上に後で形成される銅配線とのコンタクト抵抗が大きくなりすぎる。従って、ZrNキャップ層13は20nm以下の厚さに形成するのが好ましい。
更に、このZrNキャップ層13を形成するときの基板温度が低すぎると成膜レートがかなり落ちるため、200℃以上の基板温度でZrNキャップ層13を形成するのが好ましい。
また、その基板温度が高すぎると、既に形成されている銅配線12a、12b等が熱により劣化するので、400℃以下の基板温度でZrNキャップ層13を形成するのが好ましい。
更に、ZrNキャップ層13の成膜圧力が高すぎると、成膜雰囲気において窒化ジルコニウムの生成反応が促進され、窒化ジルコニウム塊よりなるパーティクルが発生する恐れがある。そのため、ZrNキャップ層13の成膜圧力は、2〜50Pa程度の低圧力とするのが好ましい。
次に、図4に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、上記のチャンバからシリコン基板1を取り出さずに、チャンバ内の残留ガスを排気する。このとき、シリコン基板1は約400℃程度に加熱された状態となっている。
次いで、図2(a)に示すように、基板がこの温度に加熱されている状態でチャンバ内に窒素を導入することにより、ZrNキャップ層13をアニールする。これにより、ZrNキャップ層13の膜中に窒素が取り込まれ、ZrNキャップ層13の窒素濃度が高められる。そのアニールの際、窒素雰囲気の圧力は1kPa〜1MPa、例えば100kPaとされる。なお、大気圧よりも高い圧力でこの窒素アニールを行う場合は、加圧チャンバに基板1を移し変えてアニールを行えばよい。
また、この窒素アニールにおいて、基板温度が低すぎると、窒素とZrNキャップ層13との反応性が低くなり、ZrNキャップ層13に窒素が取り込まれ難くなる。そのため、窒素アニールの基板温度は200℃以上とするのが好ましい。
そして、その基板温度が400℃を超えると、銅配線12a、12b等が熱により劣化する恐れがある。よって、400℃以下の基板温度でZrNキャップ層13に対して窒素アニールを行うのが好ましい。
次に、図2(b)に示すように、膜厚300nmの酸化シリコンよりなる第4の層間絶縁膜14と膜厚50nmのシリコン窒化膜15と膜厚350nmの酸化シリコンよりなる第5の層間絶縁膜16をCVD法によりZrNキャップ層13の上に順に形成する。なお、シリコン窒化膜15の代わりに膜厚20nm以下の窒化ジルコニウム膜を使用してもよい。
続いて、図3(a)に示すように、第5の層間絶縁膜16をパターニングすることにより、第1銅配線12aに一部が重なる第3配線溝16aを形成し、同時に第2銅配線12bに一部が重なる第4の配線溝16bを形成する。また、第4の層間絶縁膜14をパターニングすることにより、第3配線溝16aと第1銅配線12aが重なる部分に第1のビアホール14aを形成し、同時に第4配線溝16bと第2銅配線12bが重なる部分に第2のビアホール14bを形成する。
第1及び第2のビアホール14a、14bの形成と第3及び第4の配線溝16a、16bの形成の順序はどちらが先であってもよく、第3及び第4の配線溝16a、16bを形成する際にシリコン窒化膜15はエッチングストップ層として機能する。また、第1及び第2のビアホール14a、14bを形成する場合にはZrNキャップ層13はエッチングストップ層として機能する。
それらのビアホール14a、14bは、それぞれ一層目の銅配線12a、12b上に形成され、ZrNキャップ層13の導電層13a(図1(b)参照)を露出させる。
次に、図3(b)に示すように、第1及び第2のビアホール14a、14bと第3及び第4の配線溝16a,16bのそれぞれの内周面及び底面、および第5の層間絶縁膜16の上面の上にバリアメタル層17を5〜10nmの厚さに形成する。バリアメタル層17は、スパッタ法により形成され、例えばタンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)若しくはこれらの積層膜のいずれか、又は窒化チタン(TiN)から構成される。
さらに、バリアメタル層17の上に銅シード層18をスパッタ法により30〜100nmの厚さに形成する。
次に、電解メッキ法により銅層19を銅シード層18上に形成し、これにより第3及び第4の配線溝16a、16bと第1及び第2のビアホール14a,14bを完全に埋め込む。ここで、銅シード層18は銅層19の一部となる。
この後に、図4に示すように、第5の層間絶縁膜16の上面に形成された銅層19、バリアメタル層17をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により除去する。これにより第1及び第2のビアホール14a、14bのそれぞれの中に残った銅層19、銅シード層18、バリアメタル層17を第1及び第2のビア20a、20bとして使用し、また、第3及び第4の配線溝16a、16bのそれぞれの中に残った銅層19、バリアメタル層17を第3及び第4の銅配線21a、21bとして使用する。
第3の銅配線21aは、第1のビア20aとZrNキャップ層13を介して第1の銅配線12aに電気的に接続される。また、第4の銅配線21bは、第2のビア20bとZrNキャップ層13を介して第2の銅配線12bに電気的に接続される。
更に、第3及び第4の銅配線21a、21bと第5の層間絶縁膜16の上に上記したZrNキャップ層13と同じ材料からなる膜厚20nm以下の二層目のキャップ層(不図示)を形成した後に、上記した工程に従って層間絶縁膜、銅配線及びビアの形成を繰り返すことにより、第2の層間絶縁膜8の上には多層構造の銅配線が形成されることになる。
ところで、第1及び第2のビアホール20a、20bは、ZrNキャップ層13の低抵抗層13a(図1(b)参照)を介して第1及び第2の銅配線12a、12bにそれぞれ電気的に接続される。この場合、第1のZrNキャップ層13は、酸化シリコンよりなる第2の層間絶縁膜10上では高抵抗層13bとなるので、第3の銅配線21aと第4の銅配線21bが第1のZrNキャップ層13を介して短絡することはない。しかも窒化ジルコニウムは化学的に安定であって銅に比べて酸化され難いので、ビアホールや配線溝を通して露出することによって酸化したり腐食したりするおそれはなく、銅配線や銅ビアの酸化や腐食を防止する導電性/絶縁性の保護膜となる。
上記した本実施形態によれば、図1(b)の工程において、窒化ジルコニウムよりなるキャップ層13を形成するとき、その成膜ガスとしてTDEAZとキャリアガス(窒素)のみを使用し、特許文献2のようにアンモニアガスを使用していない。
本願発明者は、特許文献2のように、窒化ジルコニウム膜の成膜ガスにアンモニアを添加することでどのような不都合が発生するのかを調査した。その結果を図5に示す。
この調査では、直径が8インチのシリコンウエハの上に窒化ジルコニウム膜を直接形成した後、窒化ジルコニウム膜上に付着した大きさが0.15μm以上のパーティクルの数が調査された。
図5に示されるように、成膜ガスに添加されるアンモニアの流量が5sccm以下であればパーティクルは発生しない。しかし、アンモニアの流量を5sccmよりも多くすると、パーティクルの数は急激に増大することが分かる。これは、TDEAZとアンモニアとの反応性が極めて高いため、アンモニアの流量が大きいと気相中で窒化ジルコニウムの塊が形成され、その塊がパーティクルになるためと考えられる。
この点に鑑み、本実施形態ではZrNキャップ層13の形成時にアンモニアを使用していないので、パーティクルによるデバイス不良を防ぐことができる。但し、図5に示されるように、アンモニアの流量が5sccm以下であればパーティクルが発生しないので、この流量以下のアンモニアをZrNキャップ層13の成膜ガスに添加しても構わない。なお、本実施形態では、既述のようにTDEAZのキャリアガスである窒素の流量を200〜500sccmとするので、流量が5sccm以下であるアンモニアは、キャリアガスの1/40以下の流量となる。
ところで、上記のように成膜ガスにアンモニアガスを添加しなかったり、或いはその添加量を低下させたりすると、ZrNキャップ層13中の窒素濃度が低減し、ZrNキャップ層13の耐酸化性や銅バリア性が低下する恐れがある。
そこで、本実施形態では、図2(a)に示したように、窒素雰囲気中においてZrNキャップ層13に対してアニールを施し、ZrNキャップ層13における窒素の不足を補うようにした。
図6(a)、(b)は、この窒素アニールのメカニズムを模式的に示す拡大断面図であり、図6(a)はアニール前、図6(b)はアニール中のZrNキャップ層13の拡大断面図である。
図6(a)に示されるように、アニール前のZrNキャップ層13は、窒素の供給源となるアンモニアガスを用いずに形成したため、膜中において窒素(N)が欠乏し、疎な膜質となっている。
一方、アニールの中では、図6(b)に示されるように、疎なZrNキャップ層13の膜中に窒素が容易に拡散し、窒素濃度の高い緻密な窒化ジルコニウムよりなるキャップ層13が得られる。
このように、成膜ガスにアンモニアガスを添加しなかったり、或いはその添加量を低下させたりしてZrNキャップ層13を形成することで、ZrNキャップ層13の形成時にパーティクルが発生するのを抑止しながら、窒素雰囲気でのアニールによってZrNキャップ層13に窒素を容易に拡散させることが可能となる。
図7は、本実施形態により得られる利点を調査してまとめた図である。
図7におけるサンプルのうち、本実施形態A、Bは、ZrNキャップ層13の成膜ガスにアンモニアを添加せず、且つ、ZrNキャップ層13の成膜後に窒素含有雰囲気中でアニールを行ったサンプルを示す。なお、本実施形態Aでは、パーティクル数をカウントするために、8インチのシリコンウエハの上にZrNキャップ層13を直接形成した。一方、本実施形態Bでは、銅の拡散を見るために、銅膜の上にZrNキャップ層13を形成した。
同図に示されるように、本実施形態Aではパーティクルの数が0個となっている。
一方、ZrNキャップ層13の成膜ガスにアンモニアを添加し、且つ窒素含有雰囲気中でアニールを行わなかった比較例Bでは、2057個ものパーティクルが発生した。
更に、アンモニアを使用しない比較例Aではパーティクルが発生していないことから、パーティクルの発生要因がアンモニアであることも改めて裏付けられた。
図8は、図7における本実施形態B、比較例C、Dのサンプルを用い、ZrNキャップ層13への銅の拡散をXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)法により調査して得られた図である。
なお、この調査では、成膜直後(本実施形態Bでは窒素アニール後)におけるZrNキャップ層13の組成の他に、銅の拡散を加速するために真空中でアニールした後のZrNキャップ層13の組成も調査された。その真空アニールは、基板温度450℃で30分間行われた。
成膜直後の本実施形態Bでは膜中の窒素濃度が40%以上もあるのに対し、窒素アニールを行わなかった比較例Cでは窒素濃度が10%にも満たない。これにより、窒素アニールによってZrNキャップ層13の窒素濃度が高められることが確かめられた。
また、成膜直後の本実施形態Bでは酸素濃度が約10%と低濃度であるのに対し、成膜直後の比較例Cでは酸素が40%以上もあり耐酸化性が低いことが分かる。これは、比較例Cではアンモニアを使用しないでZrNキャップ層13を形成したため、ZrNキャップ層13の膜質が疎になり、膜中に酸素が容易に侵入してジルコニウムが酸化したためであると考えられる。一方、本実施形態Bで酸素濃度が低いのは、窒素アニールで窒素濃度が高められたことによりZrNキャップ層13の耐酸化性が向上し、ZrNキャップ層13に酸素が取り込まれ難くなったためであると考えられる。
更に、真空アニール後の比較例Cでは90%以上の大量の銅が拡散しているのに対し、真空アニール後の本実施形態Bでは、成膜直後の場合と組成比が殆ど同じで、銅が拡散していない。これにより、窒素雰囲気中でのアニールによって窒素濃度が高められたZrNキャップ層13の銅に対するバリア性が非常に良好であることが確認された。
このように、本実施形態で形成されたZrNキャップ層13は、それを成膜する時のパーティクル数が極めて少ないと共に、窒素濃度が40%以上の緻密な膜となる。これにより、絶縁層13bの絶縁耐圧が高く、信頼性が非常に高い銅配線を得ることが可能となる。更に、ZrNキャップ層13の酸素濃度が低いので、キャップ層13中の酸素に起因して下地の銅配線12a、12bが酸化する恐れが無く、酸化によって銅配線12a、12bが高抵抗となるのを防ぐことができる。
(2)第2実施形態
第1実施形態では、CVDチャンバを用いて図1(b)のZrNキャップ層13を形成した後、そのCVDチャンバを引き続いて用い、図2(a)の窒素アニールを行った。
第1実施形態では、CVDチャンバを用いて図1(b)のZrNキャップ層13を形成した後、そのCVDチャンバを引き続いて用い、図2(a)の窒素アニールを行った。
これに対し、本実施形態では、窒素イオンと窒素ラジカルの混合雰囲気中においてその窒素アニールを行う。
図9は、本実施形態で使用される半導体製造装置100の上面図である。
その半導体製造装置100は、複数枚のシリコン基板1を待機させるロードロックチャンバ101、窒化ジルコニウム膜を成膜するためのCVDチャンバ102、及び窒素アニールチャンバ103を有する。
これらのチャンバ101〜103は、内部が窒素雰囲気となっているトランスファチャンバ104の周囲に配されており、各チャンバ101〜103へのシリコン基板1の受け渡しはロボット105によって行われる。
また、各チャンバ101〜103とトランスファチャンバ104との間にはスリットバルブ106〜108が設けられる。スリットバルブ106〜108は、ロボット105によるシリコン基板1の受け渡し時に開き、チャンバ102、103で処理を行う際には閉じてこれらのチャンバ内が密閉状態となる。
図10は、窒素アニールチャンバ103の構成図である。
図10に示されるように、このチャンバ103は、窒素を導入するガス導入口203を上部に有し、下部に窒素を排気する排気口204を有する。その排気口204は、不図示の排気ポンプに接続されており、その排気ポンプによってチャンバ103内が所定の圧力に減圧される。
また、チャンバ103の底面には、ヒータ206を内蔵した基板載置台205が設けられており、基板載置台205上のシリコン基板1はヒータ206によって所定の温度にまで加熱される。
更に、チャンバ103の上部側面には、マイクロ波を発生させるためのマグネトロン204が接続される。なお、マイクロ波の周波数は特に限定されないが、2GHz〜5GHz、好ましくは2.5GHzのマイクロ波がマグネトロン204において生成される。
そして、チャンバ103の途中の高さには、複数の孔205aを備えた金属よりなるシールド板205が配される。そのシールド板205は、接地電位となっているチャンバ103に電気的に接続されている。また、チャンバ103は、そのシールド板205により、プラズマ発生室103aと窒化処理室103bとに区画される。
このようにしてなるチャンバ103では、ガス導入口203から導入された窒素が、プラズマ発生室103a内においてマイクロ波によってプラズマ化される。プラズマ発生室103a内のプラズマ成分は、シールド板205の作用によって窒化処理室103bには侵入しないので、シリコン基板1はプラズマ雰囲気から隔離された状態となる。
一方、プラズマ発生室103a内で発生した窒素ラジカルと窒素イオンは、シールド板205を通り抜けて窒化処理室103bに至り、シリコン基板1上に到達する。
このように、このチャンバ103では、窒素ラジカルと窒素イオンのみが選択的にシリコン基板1側に導かれ、これらの窒素ラジカルと窒素イオンによってシリコン基板1上のZrNキャップ層13に対して窒素アニールが行われる。
次に、このような半導体製造装置を用いた半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法について説明する。
まず、第1実施形態で説明した図1(a)の断面構造を得た後、図9のCVDチャンバ102内においてZrNキャップ層13(図1(b)参照)を形成する。
次いで、CVDチャンバ102からシリコン基板1を取り出し、トランスファチャンバ104を経由して窒素アニールチャンバ103にシリコン基板1を移す。
このとき、トランスファチャンバ104は、窒素雰囲気となっており、酸素を含んでいいない。よって、シリコン基板1は、酸素含有雰囲気に曝されることなく、CVDチャンバ102から窒素アニールチャンバ103に移されることになる。
続いて、この窒素アニールチャンバ103において図2(a)の窒素アニール工程を行う。
その窒素アニールの条件は特に限定されないが、本実施形態では窒素ガス流量500sccm、圧力700Pa、マイクロ波の周波数2.5GHz、マイクロ波のパワー700W、基板温度100℃〜400℃、例えば200℃の条件で窒素アニールを行う。
本実施形態では、キャップ層13と反応性のよい窒素ラジカルや窒素イオンで窒素アニールを行うので、基板温度の下限を第1実施形態よりも低い100℃としても、キャップ層13中に十分な量の窒素を拡散させることができる。
この後は、第1実施形態で説明した図2(b)〜図4の工程を行うことで、本実施形態に係る半導体装置の基本構造を完成させる。
以上説明した本実施形態では、窒素ラジカルと窒素イオンとを含む雰囲気にZrNキャップ層13を曝して窒化する。これによれば、第1実施形態と同様に、ZrNキャップ層13内に窒素が拡散し、窒素濃度が高く銅バリア性に富んだZrNキャップ層13を得ることができる。
しかも、図9を参照して説明したように、CVDチャンバ102でZrNキャップ層13を形成した後、窒素雰囲気となっているトランスファチャンバ104を経由して窒素アニールチャンバ103にシリコン基板1を移すので、酸素含有雰囲気にZrNキャップ層13が曝されない。これにより、ZrNキャップ層13を形成してから窒素アニールを行う前にZrNキャップ層13に酸素が取り込まれるのを防止でき、ZrNキャップ層13における酸素含有量が上昇するのを抑えることができる。その結果、ZrNキャップ層13の下の銅配線12a、12b(図1(b)参照)が酸化するのが防止され、低抵抗で信頼性の高い銅配線12a、12bを得ることが可能となる。
(3)第3実施形態
第2実施形態では、ZrNキャップ層13の成膜と、窒素ラジカルや窒素イオンを用いた窒素アニールとを別々のチャンバ102、103(図9参照)で行った。
第2実施形態では、ZrNキャップ層13の成膜と、窒素ラジカルや窒素イオンを用いた窒素アニールとを別々のチャンバ102、103(図9参照)で行った。
これに対し、本実施形態では、これらを同一のチャンバで行う。
図11は、本実施形態で使用される半導体製造装置が備える処理チャンバ301の構成図である。
その処理チャンバ301の底面には、ヒータ306を内蔵した基板載置台305が設けられると共に、チャンバ301内のガスを排気する排気口309が設けられる。基板載置台305上のシリコン基板1はヒータ306によって所定の温度にまで加熱される。また、排気口309は不図示の排気ポンプに接続されており、その排気ポンプによってチャンバ301内が所定の圧力に減圧される。
そして、基板載置台305に対向するようにして、マイクロ波に対するシールド板を兼ねたシャワーヘッド305が処理チャンバ301の上部に設けられる。そのシャワーヘッド305は、金属で構成され、接地電位に維持されている。更に、シャワーヘッド305の内部は空洞305bとなっており、窒素ガス用配管307と窒化ジルコニウム原料ガス用配管308とがその空洞305bに連通して設けられる。
なお、各配管307、308には、それぞれ窒素ガス用マスフローコントローラ(窒素ガス流量調節部)311、原料ガス用マスフローコントローラ(原料ガス流量調節部)312が設けられ、各配管307、308内のガス流量がこれらのマスフローコントローラ311、312によって調節される。なお、各マスフローコントローラ311、312は、ガス流量を調節するだけでなく、ガスの流れを遮断する機能も有する。
また、シャワーヘッド305の内部の空洞305bには、マグネトロン304からマイクロ波が供給される。
そのマグネトロン304とマスフローコントローラ311、312は、制御部315から出力される制御信号S1〜S3によって制御される。処理チャンバ301で行われる以下の処理は、その制御部315の制御下で行われる。
次に、このチャンバ301を用いた半導体装置の製造方法について説明する。
まず、第1実施形態で説明した図1(a)の断面構造を得た後、図11のチャンバ301内にシリコン基板1を入れる。
次いで、気化器において110℃〜140℃の温度で気化されたTDEAZをキャリアガスと共に原料ガス用配管308からシャワーヘッド305に導入する。なお、キャリアガスは、流量が200〜500sccm、より好ましくは300sccmの窒素ガスである。また、気化したTDEAZの供給量は、例えば0.01〜0.1g/min、より好ましくは0.05g/minである。
このようにして供給されたTDEAZとキャリアガスは、シャワーヘッド305に設けられた複数のガス分散孔305aによってシリコン基板1の表面に均一に分散される。
そして、チャンバ301内の圧力を約4Paに安定させ、この状態を約1分間維持することにより、窒化ジルコニウムよりなるキャップ層13(図1(b)参照)が約10nmの厚さに形成されることになる。なお、ZrNキャップ層13を形成しているときは、マグネトロン304の電源はオフにしておき、窒素用配管307からの窒素の供給も行わない。
次いで、原料ガス用配管308からのガスの供給を停止し、排気口309からチャンバ301内の残留ガスを十分に排気する。
その後、窒素ガス用配管307から窒素を約500sccmの流量でチャンバ301内に供給する。これと共に、マグネトロン304の電源をオンにし、パワーが700Wで周波数が2GHz〜5GHz、好ましくは2.5GHzのマイクロ波をシャワーヘッド305の空洞305bに供給する。
これにより、シャワーヘッド305の空洞305bに窒素プラズマが発生するが、シャワーヘッド305は接地電位となっているため、プラズマ成分は孔305aを通り抜けることができず、窒素ラジカルと窒素イオンのみが基板1まで導かれることになる。
そして、基板温度を200℃、圧力を700Paとする条件により、ZrNキャップ層13に対する窒素アニール工程(図2(a)参照)を行い、ZrNキャップ層13を窒化する。なお、この窒素アニール工程における基板温度は特に限定されず、第2実施形態と同様に100℃〜400℃の基板温度を採用してよい。
この後は、第1実施形態で説明した図2(b)〜図4の工程を行うことで、本実施形態に係る半導体装置の基本構造を完成させる。
以上説明した本実施形態によれば、第2実施形態と同様に、窒素ラジカルと窒素イオンとを含む雰囲気においてZrNキャップ層13に対するアニールを行う。そのため、第1実施形態と同様に、窒素濃度が高く銅バリア性に富んだZrNキャップ層13を得ることができる。
更に、本実施形態では、図11を参照して説明したように、ZrNキャップ層13の成膜と窒素アニールとを同一のチャンバ301で行うので、ZrNキャップ層13が酸素含有雰囲気に曝されるのを防止しながら、ZrNキャップ層13に対して窒素アニールを行うことができる。そのため、窒素アニール前にZrNキャップ層13に酸素が取り込まれるのを防ぐことができ、ZrNキャップ層13における酸素濃度を低減することができる。これにより、ZrNキャップ層13に含まれる酸素によって銅配線12a、12bが酸化されるのを防止でき、銅配線12a、12bが酸化して高抵抗になるのを抑制することができる。
Claims (15)
- 半導体基板の上方に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜に第1溝又は第1ホールを形成する工程と、
前記第1溝又は前記第1ホールに銅を埋め込んで第1銅配線を形成する工程と、
前記第1絶縁膜と前記第1銅配線の上に、キャップ層として窒化ジルコニウム膜を形成する工程と、
窒素含有雰囲気中において前記キャップ層をアニールする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記キャップ層を形成する工程において、窒化ジルコニウムの原料ガスとしてTDEAZ(Zr[N(C2H5)2]4)ガスを用い、且つ、前記原料ガスにアンモニアガスを添加せずに、CVD法により前記キャップ層を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層を形成する工程において、TDEAZ(Zr[N(C2H5)2]4)ガス、キャリアガス、及び該キャリアガスの1/40以下の流量のアンモニアガスとの混合ガスを用いるCVD法により前記キャップ層を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャリアガスとして窒素を使用す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。
- 前記キャップ層を形成する工程において、20nm以下の厚さに前記キャップ層を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層をアニールする工程は、200℃以上400℃以下の基板温度で行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層をアニールする工程は、1kPa以上1MPa以下の圧力で行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層をアニールする工程は、窒素ラジカル又は窒素イオンを含む雰囲気に前記キャップ層を曝すことにより行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層をアニールする工程は、100℃以上400℃以下の基板温度で行われることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層を形成する工程、及び該キャップ層をアニールする工程を、同じチャンバ内で行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層を形成する工程の後、酸素含有雰囲気に該キャップ層を曝さずに、前記キャップ層をアニールする工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記キャップ層の上に第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜のうち前記第1銅配線の上方に第2溝又は第2ホールを形成する工程と、
前記第2溝又は前記第2ホールに銅を埋め込むことにより、前記キャップ層を介して前記第1銅配線と電気的に接続される第2銅配線を形成する工程とを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - チャンバと、
前記チャンバ内に設けられ、半導体基板が載置される基板載置台と、
前記基板載置台に設けられたヒータと、
前記チャンバ内において前記基板載置台の上方に設けられ、内部が空洞であると共に、該空洞に連通するガス分散孔が形成されたシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドの内部の空洞にマイクロ波を供給するマグネトロンと、
前記シャワーヘッドの内部の空洞に連通する窒素ガス用配管及び窒化ジルコニウム原料ガス用配管と、
前記窒素ガス用配管に設けられた窒素ガス流量調節部と、
前記窒化ジルコニウム原料ガス用配管に設けられた原料ガス流量調節部と、
前記マグネトロン、前記窒素ガス流量調節部、及び前記原料ガス流量調節部を制御する制御部とを有し、
前記制御部が、前記チャンバ内において窒化ジルコニウム膜を形成するときに、前記原料ガス流量調節部を制御してジルコニウム原料ガスを前記シャワーヘッドに導入すると共に、
前記チャンバ内において窒素アニールを行うときに、前記窒素ガス流量調節部を制御して窒素ガスを前記シャワーヘッドに導入し、且つ前記マグネトロンを制御して前記シャワーヘッドの前記空洞にマイクロ波を導入することを特徴とする半導体製造装置。 - 前記シャワーヘッドが接地電位にされたことを特徴とする請求項13に記載の半導体製造装置。
- 前記ジルコニウム原料ガス用配管から前記チャンバにTDEAZ(Zr[N(C2H5)2]4)ガスが供給されることを特徴とする請求項13に記載の半導体製造装置。
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