JPWO2011034092A1 - バリアメタル膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

本発明のバリアメタル膜の形成方法は、表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、前記基板の温度が１５０℃以上、５００℃以下の範囲に設定された状態で、前記基板に対してチタン又はチタン化合物からなるバリアメタル膜を形成する。

Description

本発明は、基板の表面にバリアメタル膜を形成するための方法に関する。特に、本発明は、基板上に形成された高アスペクト比の孔（ホール）の開口部に形成されるオーバーハングの発生を抑制するバリアメタル膜の形成方法に関する。
本願は、２００９年９月１８日に、日本に出願された特願２００９−２１７６５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

一般に、半導体デバイスの製作に用いられる成膜方法においては、基板と銅（Ｃｕ）等からなる配線層との間にバリアメタル膜（バリア膜とも言う）を設けることによって、配線層を構成する材料が基板に拡散して起こる配線の劣化を防止している。
前記バリアメタル膜は、スパッタ等のＰＶＤ法や、気相成長法によって、金属又は金属化合物からなる薄膜を基板に成膜することによって形成される。
例えば、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる基板に、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、及びそれらを組み合わせた膜からなるバリアメタル膜が形成された銅配線を有する半導体素子が開示されている（特許文献１）。

また、近年の配線パターンの微細化に伴い、処理すべき基板全面に亘って、深さと幅の比が３を超えるような高アスペクト比のホール、トレンチ（溝）、又は微細パターンに対して被覆性よく成膜できること、即ち、カバレッジの向上が強く要求されている。

特開２００３−１７９１３３号公報

ところで、バリアメタル膜の形成の際の基板温度については、従来は、バリアメタル膜の膜質を向上させるための配向制御、またはバリアメタル膜形成工程に続くプロセス温度等に依存して決定されていた。一般的に、Ｃｕ配線形成プロセスにおいては、バリアメタル膜の形成時において、基板温度は室温（１０℃〜３０℃）程度に保持されていた。
しかし、高アスペクト比のホールやトレンチが形成された基板に対してバリアメタル膜を形成することが要求されるようになると、ホールやトレンチの開口部にオーバーハング（底部における径よりも開口部における径が小さくなる）が発生したり、これに伴ってホールやトレンチの側壁部の被覆性が低下したりする問題が生じる。
図３Ａに、基板温度を室温程度に保持した状態でバリアメタル膜を形成した際の、高アスペクト比のホールＨの模式的断面図を示す。ホールＨは、側面部Ｈａと、底部Ｈｂとから構成される孔状の凹部である。この図に示すように、ホールの開口部付近にオーバーハングが発生し、最小開口に影響が及んでいることがわかる。このようにオーバーハングが発生し、最小開口が小さくなることによって、側壁部の被膜性にも問題が生じる。

本発明は、以上の点に鑑み、基板上に形成された高アスペクト比のホールやトレンチ、また微細パターンに対して、開口部におけるオーバーハングの発生を低減することができるバリアメタル膜の形成方法を提供することをその課題とする。

本発明の一態様のバリアメタル膜の形成方法は、表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、前記基板の温度が１５０℃以上、５００℃以下の範囲に設定された状態で、前記基板に対してチタン又はチタン化合物からなるバリアメタル膜を形成する。
本発明の一態様のバリアメタル膜の形成方法においては、前記バリアメタル膜を形成する際には、前記基板の温度を２００℃以上、４５０℃以下の範囲とすることが好ましい。
本発明の一態様のバリアメタル膜の形成方法においては、前記基板に前記バリアメタル膜を形成する際には、スパッタ法が用いられることが好ましい。

本発明によれば、基板上に形成された高アスペクト比のホールやトレンチ、微細パターンに対しバリアメタル膜を形成する際において、ホールやトレンチの開口部にオーバーハングが発生するのを抑制することができる。

本発明に係る成膜装置の概略図である。 本発明に係る成膜装置を構成する成膜チャンバの概略断面図である。 成膜された高アスペクト比のホールの模式的断面図である。 成膜された高アスペクト比のホールの模式的断面図である。 ホールの上面からみた電子顕微鏡写真である。 ホールの上面からみた電子顕微鏡写真である。

（第１の実施の形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の成膜方法を実施するのに用いられる成膜装置１の一例の概略図である。図２は、成膜装置１を構成するチャンバである、成膜チャンバ４ａ、４ｂの概略断面図である。
成膜装置１は、搬送室２の周囲にゲートバルブ６を介して、ロードロックチャンバ３、複数の成膜チャンバ４ａ、４ｂ、温度調整チャンバ５が配置されて構成されている。搬送室２は所定の真空度に減圧され、ている。搬送室２の内部には基板搬送ロボット（図示略）が設置されている。ロードロックチャンバ３は、デガス室として機能し、図示しないヒーターによって処理すべき基板を減圧下において高温で加熱処理してデガスを行い、基板に含まれているガスを除去する。

符号４ａ、４ｂはともに成膜チャンバであるが、第１の成膜チャンバ４ａは、基板１７（図２参照）にバリアメタル膜を形成するバリアメタル成膜用のチャンバとして機能する。第２の成膜チャンバ４ｂは、バリアメタル膜が形成された基板１７にＣｕを成膜するための、Ｃｕ成膜用のチャンバとして機能する。
温度調整チャンバ５は、加熱装置及び冷却装置を備えており、該温度調整チャンバ５内に成膜前の基板及び成膜後の基板の少なくとも一方を搬送し、基板を冷却又は加熱することができる。

なお、チャンバの配置数等は、適宜変更可能である。例えば、ロードロックチャンバは、搬入用と搬出用のチャンバをそれぞれ別個に設ける構成としてもよいし、バリア成膜前に行う基板クリーニング用のチャンバを設ける機構としてもよい。また、温度調整チャンバ５は必ずしも設ける必要はない。また、搬送室２を設けることなく、ロードロックチャンバ、成膜チャンバなどを工程順に接続するような構成としてもよい。

図２は、上記成膜装置１を構成し、本発明の薄膜の形成に用いることができる成膜チャンバ４ａ、４ｂを詳しく説明するための概略断面図である。該成膜チャンバ４ａ、４ｂは、スパッタ法により基板に薄膜を形成するための処理室である。
成膜チャンバ４ａ、４ｂは、真空槽２０を有している。真空槽２０の天井には、カソード電極１４が固定されている。カソード電極１４の表面にはターゲット１５が配置されている。カソード電極１４には負電圧を印加する直流電源１９が接続されている。
真空槽２０外のカソード電極１４の裏面位置には、永久磁石からなる磁気回路１８が設けられている。真空槽２０は、磁気回路１８が形成する磁束がカソード電極１４とターゲット１５を貫通し、ターゲット１５表面に漏洩磁界が形成されるように構成されている。スパッタリングを行う際にはその漏洩磁界に電子がトラップされ、プラズマが高密度化する。

真空槽２０の底面には、基板ホルダー１６が設けられている。基板ホルダー１６の表面には、シリコン基板等からなる基板１７が、ターゲット１５と略平行に対向配置されている。
また、基板ホルダー１６内には基板電極２１が設けられている。この基板電極２１は、高周波バイアス電力を基板電極２１に印加する高周波電源２２に接続されている。
また、基板ホルダー１６内には、ヒーター２３が設けられており、薄膜を形成する際にヒーター２３に通電し、基板温度を調整することが可能である。

真空槽２０にはガス導入口１２と真空排気口１３とが設けられている。ガス導入口１２にはスパッタリングガスが充填されたガスボンベが接続され、真空排気口１３には、真空ポンプが接続されている（ただし、図２には、ガスボンベと真空ポンプを図示していない）。

上述したように、成膜チャンバ４ａと成膜チャンバ４ｂとは同様の構成を有しているが、成膜する材質に応じてターゲットの材質も変更される。本実施の形態においては、成膜チャンバ４ａのターゲット１５は、チタン（Ｔｉ）から形成されており、成膜チャンバ４ｂのターゲット１５は、Ｃｕから形成されている。

次に、この成膜装置１を用いて成膜する工程について説明する。
搬送室２、各成膜チャンバ４ａ、４ｂ、および温度調整チャンバ５の内部は予め減圧され、チャンバ内に存在するガスが除去されている。
まず、ホールＨが形成された基板１７を複数枚カセットに配置し、基板１７が配置されたカセットをロードロックチャンバ３内部に配置する。
所定圧力の真空雰囲気をとなるようにロードロックチャンバ３の内部を減圧してチャンバ内に存在するガスを除去し、ロードロックチャンバ３から基板１７を取り出し、成膜チャンバ４ａ（バリアメタル成膜用のチャンバ）に搬入する。

成膜チャンバ４ａには、ターゲットとしてＴｉターゲット１５が配置されている。
基板１７を基板ホルダー１６に静電吸着させた後、基板１７の温度が２００℃以上、４５０℃以下となるようにヒーター２３を制御する。
基板１７は、静電吸着によって基板ホルダー１６に取り付けられているため、基板１７の温度は基板ホルダー１６と略同じになる。よって、ヒーター２３を用いて基板ホルダー１６の温度を調整することによって、基板１７の温度を制御することが可能になる。
図示しない放射温度計などの温度計を用いて、基板１７の温度が上記範囲となったことを確認した後、所定圧力の成膜雰囲気となるように成膜チャンバ４ａを減圧し、チャンバに存在するガスを除去しながら、スパッタリングガスを成膜チャンバ４ａ内部に供給する。基板１７にバイアス電圧を印加し、ターゲット１５をスパッタリングすると、スパッタ粒子は基板１７表面に略垂直に入射するため、スパッタ粒子はトレンチＴ周囲の基板１７表面上だけでなく、ホールＨの内部にも入射し、Ｔｉからなるバリアメタル膜Ｂが形成される。バリアメタル膜Ｂの膜厚は５ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましい。

バリアメタル膜として使用される材料は、機械強度が大きい、緻密な膜形成が可能、配線層と基板との間のバリア効果を有する、電気抵抗が低い、などの特徴を有する材料であれば、上記したようなＴｉに限ることはない。例えば、ＴｉＮ、ＴｉＷなどのＴｉ化合物、またはＣｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｗ、ＷＮ、Ｚｒ、ＺｒＮ、Ｈｆ、ＨｆＮなどもバリアメタル膜の材料として採用することができる。

次に、基板１７を温度調整チャンバ５に搬入し、図示しない冷却装置を用いて、基板１７の温度が−２０℃〜６０℃となるように基板１７を冷却する。
なお、この工程は必ずしも実施する必要はなく、基板１７を自然冷却したり、または成膜チャンバに別途冷却装置を設けて基板１７を冷却してもよい。

次に、基板１７を成膜チャンバ４ｂに搬入する。成膜チャンバ４ｂには、ターゲットとしてＣｕターゲット１５が配置されている。
基板１７を基板ホルダー１６に静電吸着させた後、上述したバリアメタル膜Ｂを形成する方法と同様の方法で、Ｃｕのスパッタリングを行う。Ｃｕからなる薄膜の厚さは２５ｎｍ程度が好ましい。

上記成膜装置１では、基板１７の温度が２００℃以上、４５０℃以下となるように温度制御を行い、バリアメタル膜を形成することによって、ホールの開口部にオーバーハングを発生させることなく、バリアメタル膜を形成することができる。

（実験例）
以下、本発明の成膜方法について行った実験例について説明する。図１に示す成膜装置１を用い、高アスペクト比のホールが形成されている基板上にＴｉからなるバリアメタル膜及びＣｕ膜を成膜した。
基板１７として、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜を形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で微細ホール（孔径１００ｎｍ、深さ４００ｎｍ）が形成された基板を用いた。また、Ｔｉターゲットとして、スパッタ面の径がφ４００ｍｍに作製したターゲットを用いた。ターゲットと基板との間の距離を４００ｍｍに設定した。

さらに、成膜条件として、スパッタガスとしてＡｒを用い、３〜１５ｓｃｃｍの流量で導入した。また、Ｔｉターゲットへの投入電力を１８ｋＷ（電流３０Ａ）に設定してバリアメタル膜３０ｎｍの成膜を行った。
このとき、基板１７の温度を５０℃〜５５０℃に変化させてバリアメタル膜の成膜を行い、薄膜の変化について観察した。第１の評価項目においては、ホールの開口部のオーバーハングの発生の有無を評価し、第２の評価項目においては、バリアメタル膜の膜質を評価した。

表１は、上記のオーバーハングの発生とバリアメタル膜の膜質についての評価結果を示す。
表１のオーバーハングの項目について、記号「◎」はオーバーハングが発生しておらず、８０ｎｍ以上の十分な最小開口が確保されていることを示し、即ち、最良な結果が得られたことを示す。記号「○」ややオーバーハングが発生しているが、７０ｎｍ以上の最小開口が確保されていることを示し、即ち、良好な結果が得られたことを示す。記号「×」は、オーバーハングが発生し、最小開口が７０ｎｍ以下となっていることを示し、即ち、不良な結果が得られたことを示す。
膜質の項目については、記号「◎」は、膜質に問題がないことを示し、即ち、最良な結果が得られたことを示す。記号「○」は、薄膜の一部が酸化するなど問題が、良好な結果が得られたことを示す。記号「×」は、薄膜の大部分が基板と反応、拡散または酸化するなどしてバリアメタル膜としての機能を果たすことができないことを示し、即ち、不良な結果が得られたことを示す。薄膜の酸化は、残留ガスや基板から放出された水蒸気が原因であると考えられる。

表１から明らかなように、基板温度が２００℃〜４５０℃の範囲においては、オーバーハング、及び膜質ともに、最良の評価「◎」が得られ、この温度範囲がＴｉバリアメタル膜の成膜に適していることがわかった。
１５０℃の基板温度においては、最小開口が約７０ｎｍとやや狭かったものの、良好な膜質であった。
５００℃の基板温度においては、薄膜がやや酸化していたものの、ホールの開口部にはオーバーハングは発生しなかった。

図４Ａおよび図４Ｂは、ホールを上面から撮影した電子顕微鏡写真であり、図４Ａは、室温（１０℃〜２０℃）でバリアメタル膜を成膜したホールの上面写真であり、図４Ｂは、基板温度３５０℃でバリアメタル膜を成膜したホールの上面写真である。
図４Ａおよび図４Ｂを見ると、基板温度を室温と同程度に保持した状態で、バリアメタル膜を成膜した場合（図４Ａ）と比較して、基板温度を３５０℃において、バリアメタル膜を成膜した場合（図４Ｂ）は、開口形状が大きくなっていることがわかる。参考までに、図４Ａの開口部の直径は４０ｎｍであり、図４Ｂの開口部の直径は８０ｎｍである。
図３Ａおよび図３Ｂは、ホールの模式的断面図であり、図３Ａは、室温（１０℃〜２０℃）でバリアメタル膜を成膜したホールの模式的断面図であり、図４Ｂは、基板温度３５０℃でバリアメタル膜を成膜したホールの模式的断面図である。
図３Ａおよび図３Ｂを見ると、ホールの開口部にオーバーハングが発生しており、この状態で、Ｃｕの成膜を行った場合、ホールの側壁部にＣｕからなるスパッタ粒子が付着しにくくなり、側壁部の被膜性が悪化する。
一方、図３Ｂのような形状であると、開口が広がった分、側壁部にスパッタ粒子付着しやすくなり、側壁部の被膜性が向上する。

なお、本実験例においては、ホールが形成された基板に対してバリアメタル膜の成膜を行ったが、高アスペクト比のトレンチに対して同様の条件でバリアメタル膜の成膜を行った場合も、オーバーハングがなく、高い被膜性を実現することができた。

本発明の成膜方法は、基板上に形成された高アスペクト比のホールやトレンチ、微細パターンに対しバリアメタル膜を形成する際において、ホールやトレンチの開口部にオーバーハングが発生するのを抑制することができる形成法方であり、半導体デバイスの製作におけるバリアメタル膜の成膜に特に好適に適用することができる。その他、表面に微細な孔又は溝が形成された基板に対してチタン又はチタン化合物からなるバリアメタル膜を形成するための方法として本発明は利用可能である。

Ｂ…バリアメタル層、Ｈ…ホール、１…成膜装置、２…搬送室、３…ロードロックチャンバ、４ａ，４ｂ…成膜チャンバ、５…温度調整チャンバ、１４…カソード電極、１５…ターゲット、１６…基板ホルダー、１７…基板、１８…磁気回路、２０…真空槽、２１…基板電極、２３…ヒーター

Claims (3)

1. 表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、
   前記基板の温度が１５０℃以上、５００℃以下の範囲に設定された状態で、前記基板に対してチタン又はチタン化合物からなるバリアメタル膜を形成する
   ことを特徴とするバリアメタル膜の形成方法。
2. 前記バリアメタル膜を形成する際には、前記基板の温度を２００℃以上、４５０℃以下の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載のバリアメタル膜の形成方法。
3. 前記基板に前記バリアメタル膜を形成する際には、スパッタ法が用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載のバリアメタル膜の形成方法。